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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Motor und einem Zuluftstrang zur Zuleitung von Ladeluft zum Motor, wobei im Zuluftstrang ein Verdichter zum Verdichten der Ladeluft angeordnet ist. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betrieb des Kraftfahrzeugs.
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Im Stand der Technik sind Anordnungen bekannt, bei denen ein Motor für ein Kraftfahrzeug im Betrieb mit aufgeladener Ladeluft versorgt werden kann. Aus der
DE 20 2014 103 795 U1 geht hervor, dass für die Aufladung häufig ein Abgasturbolader eingesetzt wird, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Ein heißer Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder des Motors erreicht wird. Häufig wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur der Ladeluft.
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Aus der
DE 10 2008 000 325 A1 geht ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugantriebsstranges mit einer Brennkraftmaschine, mit einem dieser Brennkraftmaschine zugeordneten Turbolader und mit einer Einrichtung zum Einblasen von zusätzlicher Druckluft in Einrichtungen im Bereich der Brennkraftmaschine hervor. Es ist vorgesehen, dass dann zusätzliche Druckluft in Einrichtungen im Bereich der Brennkraftmaschine eingeblasen wird, wenn dies in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation des Fahrzeugs zu einem vorteilhaften Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine und/oder von Fahrzeugeinrichtungen führt, die im Abgasstrom derselben angeordnet sind. Ferner geht aus der
DE 10 2008 000 325 A1 eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens hervor, wobei vorgesehen ist, dass die Einrichtung zum Einblasen von zusätzlicher Druckluft derart ausgebildet und angeordnet ist, dass mit ihr Druckluft in den Luftansaugtrakt und unmittelbar vor bzw. in die Abgasbehandlungsanlage der Brennkraftmaschine einblasbar ist, dass diese Einblaseinrichtung mit einem Schalt- und/oder Regelventil im Bereich des Luftansaugtrakts und/oder mit einem Schalt- und/oder Regelventil im Bereich der Abgasbehandlungsanlage steuerbar ist, und dass diese Schalt- und/oder Regelventile von wenigstens einem Steuergerät ansteuerbar sind, das mit Sensoren zur Erfassung der Betriebssituation der Brennkraftmaschine, des Antriebsstrangs und des Fahrzeugs verbunden ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug und ein Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug mit verbesserter Aufladung bereitzustellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 sowie einem Betriebsverfahren nach Anspruch 4. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst einen Motor und einen Zuluftstrang zur Zuleitung von Ladeluft zum Motor. Im Zuluftstrang ist ein Verdichter zum Verdichten der Ladeluft angeordnet. Erfindungsgemäß weist das Kraftfahrzeug ein Speichersystem mit einem Speicherstrang, einem Speicherbehälter und einer im Speicherstrang angeordneten Aufladevorrichtung zum Befüllen des Speicherbehälters mit Luft auf. Dabei ist die Aufladevorrichtung elektrisch betrieben. Das Speichersystem ist ausgebildet, die Luft bei Anforderung stromabwärts des Verdichters in den Zuluftstrang einzubringen.
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Damit ist es ermöglicht, dem Motor komprimierte Luft zusätzlich zur Ladeluft bereitzustellen. Mittels des Speichersystems kann vorteilhaft Einfluss auf die Parameter der Ladeluft, insbesondere auf den Druck und die Temperatur, genommen werden.
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Mit der Aufladevorrichtung ist der Speicherbehälter nach einem Einbringungsvorgang schnell wieder aufladbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist im Zuluftstrang ein Ladeluftkühler angeordnet.
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Mit dem Ladeluftkühler kann die Ladeluft vorgekühlt werden. Zusammen mit dem Kühlen durch Speicherluft kann eine stärkere Kühlung der Ladeluft erreicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs weist das Kraftfahrzeug eine Energierückgewinnungsanlage auf, die ausgebildet ist, für den Betrieb der Aufladevorrichtung Energie bereitzustellen, die durch den Betrieb des Kraftfahrzeugs vorhanden ist.
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Die Energierückgewinnungsanlage erhöht die Effizienz des gesamten Kraftfahrzeugs dadurch, dass für das Aufladen des Speicherbehälters keine zusätzliche Energie erforderlich ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs wird einem Motor des Kraftfahrzeugs verdichtete Ladeluft durch einen Zuluftstrang zugeführt. Es wird in einem Speicherbeladungsvorgang Luft in einen Speicherbehälter mittels einer Aufladevorrichtung eingebracht und gespeichert. In einem Einbringungsvorgang wird die in dem Speicherbehälter gespeicherte Luft durch einen Speicherstrang in den Zuluftstrang eingebracht. Erfindungsgemäß wird die Aufladevorrichtung während des Speicherbeladungsvorgangs elektrisch betrieben.
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Durch das Einbringen der Speicherluft wird vorteilhaft Einfluss auf die Parameter der Ladeluft, insbesondere auf den Druck und die Temperatur, genommen. Durch die Speicherbeladungsvorgang steht Speicherluft für einen erneuten Einbringungsvorgang zur Verfügung.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird in einem Ladeluftgrößenabgleich eine in einer Ladeluftgrößenermittlung ermittelte Ladeluftgröße überprüft und die gespeicherte Luft in dem Fall in den Zuluftstrang eingebracht, dass die ermittelte Ladeluftgröße einen bestimmten Wert aufweist. Insbesondere ist die ermittelte Ladeluftgröße eine Temperatur der Ladeluft.
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Dadurch wird der Einbringungsvorgang bedarfsgerecht durchgeführt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird in einem Speicherdruckabgleich ein in einer Speicherdruckermittlung ermittelter Speicherdruck überprüft und die Luft in dem Fall in den Speicherbehälter eingebracht, dass der ermittelte Speicherdruck einen bestimmten Wert aufweist.
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Dadurch wird der Speicherbeladungsvorgang bedarfsgerecht durchgeführt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird die Aufladevorrichtung während des Speicherbeladungsvorgangs mit mittels Bremsenergie-Rückgewinnung (Rekuperation) zurückgewonnener Energie betrieben.
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Durch den Betrieb der Aufladevorrichtung mittels zurückgewonnener Energie geschieht das Beladen des Speicherbehälters ohne zusätzliche Energie, da bereits vorhandene und vom Kraftfahrzeug ungenutzte Energie verwendet wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in einer beispielhaften Ausgestaltung;
- 2 ein Funktionsschema einer Luftversorgungseinrichtung des Kraftfahrzeugs; und
- 3 ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren in einer beispielhaften Ausführung.
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In der 1 ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 in einer beispielhaften Ausgestaltung in einer Gesamtansicht dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Motor 11, der ein Verbrennungsmotor 11 ist, auf.
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Zur Bereitstellung von für einen Betrieb des Motors 11 notwendiger Ladeluft 22 weist das Kraftfahrzeug 10 eine Luftversorgungseinrichtung 30 auf. Die Luftversorgungseinrichtung 30 ist in der 2 in einer beispielhaften Ausgestaltung dargestellt. Die Luftversorgungseinrichtung 30 umfasst dabei insbesondere einen Zuluftstrang 12 und ein Speichersystem 19.
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In der gezeigten beispielhaften Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs 10 umfasst der Zuluftstrang 12 einen Zulufteinlass 13, einen stromabwärts des Zulufteinlasses 13 angeordneten Verdichter 14, einen stromabwärts des Verdichters angeordneten Ladeluftkühler 15, und einen stromabwärts des Ladeluftkühlers 15 angeordneten Einlasskrümmer 16.
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Dabei ist der Zulufteinlass 13 ausgebildet, Luft aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs 10 in den Zuluftstrang 12 zu leiten. Die Ladeluft 22 ist somit aus Umgebungsluft gebildet. Der Zulufteinlass 13 kann insbesondere mit einem Luftfilter versehen sein.
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Der Verdichter 14 ist insbesondere Bestandteil eines Abgasturboladers, der eine in einem nicht dargestellten Abgasstrang angeordnete Abgasturbine 18 umfasst. Die Abgasturbine 18 ist insbesondere drehmomentübertragend mit dem Verdichter verbunden. Der Verdichter 14 ist ausgebildet, die Ladeluft 22 zu verdichten. Die Ladeluft 22 weist im verdichteten Zustand einen bestimmten Ladedruck auf. Durch das Verdichten wird ebenso die Temperatur der Ladeluft 22 erhöht.
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Der Ladeluftkühler 15 ist ausgebildet, die Temperatur der verdichteten Ladeluft 22 zu senken.
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Der Einlasskrümmer 16 ist ausgebildet, die Ladeluft 22 in den Motor 11 zu leiten und insbesondere aufzuteilen und in mehrere Zylinder des Motors 11 zu leiten.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 weist zusätzlich zum Zuluftstrang 12 das Speichersystem 19 zum Speichern von Luft auf. Das Speichersystem umfasst einen Speicherstrang 20. Das Speichersystem 19 weist einen in dem Speicherstrang 20 angeordneten Speicherbehälter 21 auf. Insbesondere umfasst das Speichersystem 19 zumindest eine im Speicherstrang 20 angeordnete Aufladevorrichtung 25, 26. In der gezeigten beispielhaften Ausgestaltung weist das Speichersystem 19 eine erste Aufladevorrichtung 25 und zweite Aufladevorrichtung 26 auf. Insbesondere umfasst das Speichersystem 19 zumindest ein Ventil 27, 28, 29 zum Beeinflussen der Luftmassenströme. In der gezeigten Ausgestaltung weist das Speichersystem 19 ein erstes Ventil 27, ein zweites Ventil 28 und ein drittes Ventil 29 auf.
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Der Speicherstrang 20 mündet stromabwärts des Ladeluftkühlers 15 und insbesondere stromaufwärts des Einlasskrümmers 16 in den Zuluftstrang 12. Der Speicherstrang 20 mündet dabei möglichst kurz stromaufwärts des Einlasskrümmers 16. Möglichst kurz im Sinne der vorliegenden Erfindung meint, dass der Speicherstrang 20 in Abhängigkeit der Einbausituation des Kraftfahrzeugtyps an einer Stelle in den Zuluftstrang 12 mündet, an der der Weg, den die Ladeluft 22 bis zum Motor 11 zurückzulegen hat, am kürzesten ist. Insbesondere ist stromabwärts der Mündung ein Luftmassenmesser vorgesehen, der die zum Motor 11 strömende Luftmenge ermitteln kann.
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Der Speicherbehälter 21 des Speichersystems 19 ist insbesondere in einem unteren Bereich hinter einer Kraftfahrzeugfront 17 positioniert, beispielsweise hinter einem vorderen Stoßfänger. In der Weise ist es in der 1 dargestellt. Der Speicherbehälter 21 ist ausgebildet Luft mit einem Speicherdruck, der ein Überdruck ist, zu speichern. In den Speicherbehälter 21 eingebrachte Luft wird hier als Speicherluft bezeichnet. Der Speicherbehälter 21 ist in der Weise ausgebildet, dass der maximal mögliche Speicherdruck, der auf die Speicherluft wirkt, dabei höher als der durch den Verdichter 14 erzeugte maximale Ladedruck ist.
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Die zumindest eine Aufladevorrichtung 25, 26 ist ausgebildet, den Speicherbehälter 21 mit Luft zu befüllen. Die zumindest eine Aufladevorrichtung 25, 26 ist ausgebildet, Luft in den Speicherbehälter 21 zu drücken. Die zumindest eine Aufladevorrichtung 25, 26 ist somit ein Kompressor. Betrieben kann die zumindest eine Aufladevorrichtung 25, 26 elektrisch oder mechanisch sein. Daneben ist es zudem vorstellbar, dass der Verdichter 14 als Aufladevorrichtung fungieren kann und den Speicherbehälter 21 mit Luft befüllen kann.
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Das Kraftfahrzeug 10 umfasst insbesondere eine Energierückgewinnungsanlage, die ausgebildet ist, für den Betrieb der zumindest einen Aufladevorrichtung 25, 26 Energie bereitzustellen, die durch den Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 vorhanden ist. Die Energie für den Betrieb der zumindest einen Aufladevorrichtung 25, 26 kann dabei mechanische oder auch elektrische Energie sein. Die Energierückgewinnungsanlage kann auch in die zumindest eine Aufladevorrichtung 25, 26 integriert sein. Insbesondere ist die Energierückgewinnungsanlage ausgebildet kinetische und/oder thermische Energie des Kraftfahrzeugs 10 oder eines Bauteils des Kraftfahrzeugs 10 zu verwenden. Insbesondere ist die Energierückgewinnungsanlage in der Weise ausgebildet, aus einem Schubbetrieb, einer Verzögerung und/oder einer Bremsung des Kraftfahrzeugs 10 Energie für den Betrieb des Kompressors zu gewinnen. Beispielsweise kann die Energierückgewinnungsanlage ein Bremsrekuperationssystem sein. Es ist zudem vorstellbar, dass die Energierückgewinnungsanlage überschüssige Energie, die ein bestimmtes Kraftfahrzeugsystem nicht für seinen Betriebszweck benötigt, abschöpft. Beispielsweise kann die Energierückgewinnungsanlage in der Weise ausgebildet sein, aus einem zur Ladedruckregelung bei hohen Motordrehzahlen an der Abgasturbine 18 mittels eines Bypasses vorbeigeleiteten Teilstrom des Abgases Energie für den Betrieb der zumindest einen Aufladevorrichtung 25, 26 zu gewinnen.
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In der gezeigten beispielhaften Ausgestaltung der Luftversorgungseinrichtung 30 ist diese in der Weise ausgebildet, dass die zweite Aufladevorrichtung 26, mit zurückgewonnener Energie betreibbar ist. Die nicht dargestellte Energierückgewinnungsanlage dient hierbei als Energiequelle für den Betrieb der zweiten Aufladevorrichtung 26. Stromaufwärts der zweiten Aufladevorrichtung 26 ist im Speicherstrang 20 die erste Aufladevorrichtung 25 angeordnet. Die Luftversorgungseinrichtung 30 ist hier in der Weise ausgebildet, dass die erste Aufladevorrichtung 25 nicht von der Energierückgewinnungsanlage betreibbar ist, sondern von einer anderen Energiequelle, beispielsweise von einer Fahrzeugbatterie.
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Die gezeigte Luftversorgungseinrichtung 30 weist ein erstes Ventil 27, ein zweites Ventil 28 und ein drittes Ventil 29 auf. Dabei ist das dritte Ventil 29 stromabwärts der ersten Aufladevorrichtung 25 und stromaufwärts der zweiten Aufladevorrichtung 26 im Speicherstrang 20 angeordnet. Das dritte Ventil 29 beeinflusst den Massenstrom aus der ersten Aufladevorrichtung 25 in den Speicherstrang 20. Das zweite Ventil 28 ist stromabwärts der zweiten Aufladevorrichtung 26 und stromaufwärts des Speicherbehälters 21 im Speicherstrang 20 angeordnet. Das zweite Ventil 28 beeinflusst den Massenstrom aus der zweiten Aufladevorrichtung 26 und in Verbindung mit dem dritten Ventil 29 aus der ersten Aufladevorrichtung 25 in den Speicherstrang 20. Das erste Ventil 27 ist im Speicherstrang 20 stromabwärts des Speicherbehälters 21 und stromaufwärts der Mündung des Speicherstrangs 20 in den Zuluftstrang 12 angeordnet. Das erste Ventil 27 beeinflusst den Massenstrom aus dem Speicherstrang 20 in den Zuluftstrang 12. Darüber hinaus können weitere Ventile angeordnet sein.
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Zum Stellen der Ventile 27, 28, 29 weist die Luftversorgungseinrichtung 30 eine Stelleinheit 24 und eine Steuereinheit 23 auf.
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Das Speichersystem 19 kann zusätzlich mit einem separaten Lufteinlass versehen sein, der ausgebildet ist, Luft aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs 10 in den Speicherstrang 20 zu leiten.
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In der 3 ist das erfindungsgemäße Betriebsverfahren 40 in einem Diagramm von einem Start 41 bis zu einem Ende 48 dargestellt. In dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren 40 wird in einem Einbringungsvorgang 47 zusätzlich zu der verdichteten Ladeluft 22 Speicherluft in den Zuluftstrang 12 eingebracht. Der Einbringungsvorgang 47 hat dabei insbesondere eine vordefinierte Zeitdauer.
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Der Einbringungsvorgang 47 wird insbesondere bedingt vorgenommen in Abhängigkeit einer Ladeluftgröße. Der Einbringungsvorgang 47 wird insbesondere dann vorgenommen, wenn die Ladeluftgröße einen vordefinierten Ladeluft-Soll-Wert aufweist. Dazu wird ein Ist-Wert der Ladeluftgröße in einem Ladeluftgrößenabgleich 46 mit dem vordefiniert Ladeluft-Soll-Wert, abgeglichen. Der vordefinierte Ladeluft-Soll-Wert kann dabei selbstverständlich auch ein vordefinierter Wertebereich, mithin ein Ladeluft-Soll-Wertbereich, sein.
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Der Ist-Wert der Ladeluftgröße wird insbesondere in einer Ladeluftgrößenermittlung 45 ermittelt. Die Ladeluftgrößenermittlung 45 erfolgt in dieser Ausführung zeitlich vor dem Ladeluftgrößenabgleich 46. Die Ladeluftgrößenermittlung 45 ist insbesondere eine Messung und/oder Berechnung. Die Messung wird mittels zumindest eines Sensors im Zuluftstrang 12 oder im Motor 11 durchgeführt.
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Die Ladeluftgröße ist insbesondere eine insbesondere eine Temperatur des Einlasskrümmers 16 und/oder eine Temperatur der Ladeluft 22 im Zuluftstrang 12 stromabwärts des Ladeluftkühlers 15. Weist die Temperatur dabei beispielsweise einen höheren als den gewünschten Ladeluft-Soll-Wert auf, wird die Speicherluft im Einbringungsvorgang 47 in den Zuluftstrang 12 mit einem höheren Druck als dem Ladedruck eingeleitet, wo die Speicherluft expandiert und dadurch abgekühlt und ihrer Umgebung Wärme entzieht. Die Temperatur der Ladeluft 22 beziehungsweise des Einlasskrümmers 16 wird dadurch gesenkt. Die Speicherluft wird somit als Kühlluft verwendet. Die Speicherluft vermischt sich in der Folge mit der Ladeluft 22 und wird gleichfalls für den Betrieb des Motors 11 verwendet.
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In dem Betriebsverfahren 40 wird zusätzlich in einem Speicherbeladungsvorgang 44 Luft in den Speicherbehälter 21 eingebracht. Der Speicherbeladungsvorgang 44 hat dabei insbesondere eine vordefinierte Zeitdauer. Der Speicherbeladungsvorgang 44 kann zeitlich vor oder nach dem Einbringungsvorgang 47 erfolgen. In der in der 3 dargestellten Ausführungsform findet der Speicherbeladungsvorgang 44 vor dem Einbringungsvorgang statt.
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Der Speicherbeladungsvorgang 44 wird insbesondere bedingt vorgenommen in Abhängigkeit eines Speicherdrucks. So wird der Speicherbeladungsvorgang 44 dann vorgenommen, wenn der Speicherdruck einen vordefinierten Druck-Soll-Wert aufweist. Dazu wird ein Ist-Wert des Speicherdrucks in einem Speicherdruckabgleich 43 mit dem vordefiniert Speicherdruck-Soll-Wert, abgeglichen. Der vordefinierte Speicherdruck-Soll-Wert kann dabei selbstverständlich auch ein vordefinierter Wertebereich, mithin ein Speicherdruck-Soll-Wertbereich, sein.
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Der Ist-Wert des Speicherdrucks wird insbesondere in einer Speicherdruckermittlung 42 ermittelt. Die Speicherdruckermittlung 42 erfolgt in dieser Ausführung zeitlich vor dem Speicherdruckabgleich 43. Die Speicherdruckermittlung 42 ist insbesondere eine Messung und/oder Berechnung. Die Messung wird dabei mittels zumindest eines Sensors im Speicherbehälter 21 oder im Speicherstrang 20 durchgeführt.
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Weist der Speicherdruck dabei beispielsweise einen niedrigeren als den gewünschten Speicherdruck-Soll-Wert auf, wird Luft im Speicherbeladungsvorgang 44 in den Speicherbehälter 21 gedrückt. Dazu wird die zumindest eine Aufladevorrichtung 25, 26 betrieben. Insbesondere wird die zumindest eine Aufladevorrichtung 25, 26 dazu mit zurückgewonnener Energie der Energierückgewinnungsanlage betrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 ist ausgebildet, das erfindungsgemäße Betriebsverfahren 40 durchzuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Motor
- 12
- Zuluftstrang
- 13
- Zulufteinlass
- 14
- Verdichter
- 15
- Ladeluftkühler
- 16
- Einlasskrümmer
- 17
- Kraftfahrzeugfront
- 18
- Abgasturbine
- 19
- Speichersystem
- 20
- Speicherstrang
- 21
- Speicherbehälter
- 22
- Ladeluft
- 23
- Steuereinheit
- 24
- Stelleinheit
- 25
- Erste Aufladevorrichtung
- 26
- Zweite Aufladevorrichtung
- 27
- Erstes Ventil
- 28
- Zweites Ventil
- 29
- Drittes Ventil
- 30
- Luftversorgungseinrichtung
- 40
- Betriebsverfahren
- 41
- Start
- 42
- Speicherdruckermittlung
- 43
- Speicherdruckabgleich
- 44
- Speicherbeladungsvorgang
- 45
- Ladeluftgrößenermittlung
- 46
- Ladeluftgrößenabgleich
- 47
- Einbringungsvorgang
- 48
- Ende
