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Die Erfindung betrifft eine Motorbaugruppe für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
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Es ist üblich, zur Leistungs- und Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren einen Druck in einem Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors zu erhöhen und dadurch vermehrt Außenluft in einen Zylinder des Verbrennungsmotors zu befördern. Zu diesem Zweck ist regelmäßig ein mechanisch angetriebener Verdichter vorgesehen, der eine Restenergie des Motorabgases nutzt, um den Druck im Ansaugsystem zu erhöhen. Solche mechanisch angetriebenen Verdichter sind beispielsweise Bestandteile von Abgasturboladern.
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Da der mechanisch angetriebene Verdichter im niedrigen Drehzahlbereich nicht genug Antriebsenergie aus dem Abgasstrang erhält, um den Druck im Ansaugsystem zu erhöhen, kann parallel ein elektrisch angetriebener Verdichter vorgesehen sein, der bei Bedarf zugeschaltet werden kann.
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Problematisch dabei ist jedoch, dass der elektrisch angetriebene Verdichter nicht nur den Druck im Ansaugsystem erhöht, sondern auch einen Druck in Richtung des mechanisch angetriebenen Verdichters aufbaut. Dies ist hinsichtlich der Effizienz des Verbrennungsmotors unerwünscht.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Motorbaugruppe anzugeben, die im Betrieb besonders effizient ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Motorbaugruppe für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, aufweisend mindestens einen mechanisch angetriebenen Verdichter, der im Abgaszweig des Verbrennungsmotors angeordnet ist, und der über eine erste Leitung mit einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors in fluider Verbindung steht, um dem Ansaugtrakt aufgeladene Luft zuzuführen und einen Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen, und mindestens einen elektrisch angetriebenen Verdichter, der über eine zweite Leitung mit einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors in fluider Verbindung steht, um dem Ansaugtrakt aufgeladene Luft zuzuführen und einen Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen, wobei die erste Leitung und die zweite Leitung in einem Knotenpunkt ineinander münden und ausgehend von dem Knotenpunkt eine gemeinsame Leitung zum Ansaugtrakt verläuft. Zwischen dem mechanisch angetriebenen Verdichter und dem Knotenpunkt ist dabei mindestens ein Ventilelement angeordnet, das ausgebildet ist, um einen Strömungspfad vom mechanisch angetriebenen Verdichter zum Ansaugtrakt entweder freizugeben oder zu verschließen.
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Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der mechanisch angetriebene Verdichter und der elektrisch angetriebene Verdichter miteinander konkurrieren, sodass eine Effizienz der Motorbaugruppe erhöht ist.
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Der mechanisch angetriebene Verdichter ist beispielsweise Bestandteil eines Abgasturboladers, der neben dem mechanisch angetriebenen Verdichter auch eine Abgasturbine umfasst. Die Abgasturbine nutzt die Restenergie der Abgase um den mechanisch angetriebenen Verdichter anzutreiben, wodurch ein Luftdurchsatz im Verbrennungsmotor erhöht und die Ansaugarbeit eines Kolbens im Verbrennungsmotor vermindert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gibt das Ventilelement den Strömungspfad vom mechanisch angetriebenen Verdichter zum Ansaugtrakt frei, wenn der elektrisch angetriebenen Verdichter inaktiv ist, und verschließt den Strömungspfad, wenn der elektrisch angetriebene Verdichter aktiv ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Leistung des elektrisch angetriebenen Verdichters, abgesehen von den üblichen, unvermeidbaren Verlusten, ausschließlich zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt wird. Insbesondere wird verhindert, dass durch den elektrisch angetriebenen Verdichter die Abgasturbine des Abgasturboladers angetrieben wird.
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Das mindestens eine Ventilelement kann aktiv oder passiv sein. Ein aktives Ventilelement hat einen eigenen steuerbaren Antriebsmotor und ist beispielsweise elektrisch angetrieben, wodurch eine Bewegungsrichtung des Ventilelements unter Berücksichtigung der Bauraumsituation relativ frei gewählt werden kann. Ein passiv angetriebenes Ventilelement wird dagegen vorzugsweise durch die in der Leitung herrschenden Druckverhältnisse bewegt und verbraucht somit keine elektrische Energie, wodurch die Motorbaugruppe insgesamt besonders energieeffizient ist, und hat keinen steuerbaren Antriebsmotor.
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Das mindestens eine Ventilelement ist beispielsweise eine Klappe, die in einer Schließstellung den Strömungspfad vom mechanisch angetriebenen Verdichter zum Ansaugtrakt verschließt und in einer Öffnungsstellung den Strömungspfad freigibt. Eine Klappe stellt eine mechanisch einfache Lösung dar, um einen Strömungspfad wahlweise zu verschließen beziehungsweise freizugeben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilelement mit einer Vorspannkraft in seine Schließstellung beaufschlagt. Dies hat den Vorteil, dass sich das Ventilelement im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors automatisch in eine Schließstellung bewegt. Insbesondere wird das Ventilelement erst in die Öffnungsstellung bewegt, wenn der mechanisch angetriebene Verdichter einen ausreichenden Druck erzeugt, um das Ventilelement entgegen der Vorspannkraft in die Öffnungsstellung zu drücken.
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Um mechanisch einfach und kostengünstig eine Vorspannkraft auf das Ventilelement zu erzeugen, kann das Ventilelement durch eine Federkraft in seine Schließstellung beaufschlagt sein.
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Zwischen dem mechanisch angetriebenen Verdichter und dem Ventilelement ist beispielsweise ein Kühler angeordnet. Aufgrund des Kühlers kann bei gleichem Druck eine größere Luftmasse in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors befördert werden, weil sich das spezifische Volumen des Gases beim Abkühlen verkleinert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in der gemeinsamen, zum Ansaugtrakt führenden Leitung eine Drosselklappe angeordnet. Durch die Drosselklappe wird die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmenge reguliert. Auch diese Drosselklappe kann durch einen steuerbaren, eigenen Motor bewegt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Motorbaugruppe und
- - 2 ein Schaubild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Motorbaugruppe.
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1 zeigt ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Motorbaugruppe 10 für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Dreizylinder-Motor. Die Motorbaugruppe 10 umfasst einen mechanisch angetriebenen Verdichter 12, der in einem Abgaszweig 14 der Motorbaugruppe angeordnet ist, und einen elektrisch angetriebenen Verdichter 16.
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Der mechanisch angetriebene Verdichter 12 ist Bestandteil eines Abgasturboladers 18. Die Funktionsweise eines Abgasturboladers ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Durch die Abgasluft wird eine Turbine 20 angetrieben, wie wiederum über eine Welle 22 ein Verdichterrad des mechanisch angetriebenen Verdichters 12 antreibt.
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Der elektrisch angetriebene Verdichter 16 wird von einem Elektromotor 24 angetrieben, der von der Motorsteuerung angesteuert wird.
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Um einem Ansaugtrakt 26 des Verbrennungsmotors aufgeladene Luft zuzuführen und einen Druck im Ansaugtrakt 26 zu erhöhen, steht der mechanisch angetriebene Verdichter 12 über eine erste Leitung 28 mit dem Ansaugtrakt 26 des Verbrennungsmotors in fluider Verbindung.
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Der elektrisch angetriebene Verdichter 16 steht über eine zweite Leitung 30 mit dem Ansaugtrakt 26 des Verbrennungsmotors in fluider Verbindung, um dem Ansaugtrakt ebenfalls aufgeladene Luft zuzuführen und einen Druck im Ansaugtrakt 26 des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Der elektrisch angetriebene Verdichter 16 ist insbesondere dann aktiv, wenn ein Druck in dem Abgaszweig 14 nicht ausreichend ist, um die nötige Verdichtung durch den mechanisch angetriebenen Verdichter 12 zu erzeugen. Dies ist hauptsächlich in einem unteren Drehzahlbereich der Fall. Man spricht in diesem Bereich auch vom sogenannten Turboloch.
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Die erste Leitung 28 und die zweite Leitung 30 münden in einem Knotenpunkt 32 ineinander, wobei ausgehend von dem Knotenpunkt 32 eine gemeinsame Leitung 34 zum Ansaugtrakt 26 verläuft. Dadurch kann dem Ansaugtrakt 26 wahlweise durch den mechanisch angetriebenen Verdichter 12 oder durch den elektrisch angetriebenen Verdichter 16 verdichtete Luft zugeführt werden.
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Zwischen dem mechanisch angetriebenen Verdichter 12 und dem Knotenpunkt 32 ist mindestens ein Ventilelement 36 angeordnet, das ausgebildet ist, um einen Strömungspfad vom mechanisch angetriebenen Verdichter 12 zum Ansaugtrakt 26 entweder freizugeben oder zu verschließen.
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Insbesondere gibt das Ventilelement 36 den Strömungspfad vom mechanisch angetriebenen Verdichter 12 zum Ansaugtrakt 26 frei, wenn der elektrisch angetriebenen Verdichter 16 inaktiv ist, und verschließt den Strömungspfad vom mechanisch angetriebenen Verdichter 12 zum Ansaugtrakt 26, wenn der elektrisch angetriebene Verdichter 16 aktiv ist. Dadurch wird verhindert, dass die beiden Verdichter 12, 16 miteinander konkurrieren und dass der elektrisch angetriebene Verdichter 16 einen Druck in Richtung des mechanisch angetriebenen Verdichters 12 aufbaut. Dies würde zu Druckverlusten im Ansaugtrakt 26 führen und die Effizienz des Verbrennungsmotors negativ beeinflussen. In 1 ist das Ventilelement 36 in einer Stellung dargestellt, in der es den Strömungspfad vom mechanisch angetriebenen Verdichter 12 zum Ansaugtrakt 26 verschließt.
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Das Ventilelement 36 kann aktiv oder passiv sein, das heißt z.B. elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch bzw. mechanisch angetrieben. Im Fall eines passiven Ventilelements 36 kann dieses mit einer Vorspannkraft in seine Schließstellung beaufschlagt sein, insbesondere durch eine Federkraft. Im Fall eines aktiven Ventilelements ist dessen Antrieb ebenfalls durch die Motorsteuerung steuerbar.
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Das Ventilelement 36 ist dabei beispielsweise schwenkbar und/oder linear beweglich gelagert.
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In der gezeigten Ausführungsform ist das Ventilelement 36 eine Klappe, die in einer Schließstellung den Strömungspfad vom mechanisch angetriebenen Verdichter 12 zum Ansaugtrakt 26 verschließt und in einer Öffnungsstellung den Strömungspfad freigibt. Zu diesem Zweck ist die Klappe schwenkbar gelagert.
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Anstelle eines Ventilelements 36 können auch mehrere Ventilelemente 36 vorgesehen sein, beispielsweise zwei Ventilelemente 36. Dies kann durch die Bauraumgegebenheiten begründet sein. Insbesondere bei einem schwenkbar gelagerten Ventilelement 36 muss ein gewisser Freiraum vorhanden sein, um eine erforderliche Bewegung des Ventilelements 36 zu ermöglichen. Konkret ausgedrückt darf das Ventilelement 36 bei einer Öffnungsbewegung nicht an umliegende Bauraumkomponenten anstoßen, bevor ein erforderlicher Öffnungswinkel des Ventilelements 36 erreicht ist, um einen ausreichenden Luftstrom durchzulassen. Durch das Vorsehen mehrerer Ventilelemente 36 können diese geringere geometrische Abmessungen aufweisen und sind dadurch flexibler in eine Bauraumumgebung integrierbar.
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Um eine möglichst große Luftmasse in den Ansaugtrakt 26 befördern zu können, ist zwischen dem mechanisch angetriebenen Verdichter 12 und dem Ventilelement 36 ein Kühler 38 angeordnet. Auch dies ist eine Option.
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Außerdem ist in der gemeinsamen, zum Ansaugtrakt 26 führenden Leitung 34 optional eine Drosselklappe 40 angeordnet, um die Luftmenge, die dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, zu regulieren.
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2 zeigt ein Schaubild einer weiteren erfindungsgemäßen Motorbaugruppe 10 für einen Verbrennungsmotor. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform handelt es sich dabei um eine Motorbaugruppe für einen Sechszylinder-Motor.
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Für gleiche Strukturen mit gleichen Funktionen, die von der obigen Ausführungsform bekannt sind, werden im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet und es wird insoweit auf die vorangegangenen Erläuterungen verwiesen, wobei nachfolgend auf die Unterschiede der jeweiligen Ausführungsformen eingegangen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Bei einer Motorbaugruppe 10 für einen Sechszylinder-Motor können, wie in 2 gezeigt, mehrere Abgasturbolader 18 mit jeweils einem mechanisch angetriebenen Verdichter 12 vorgesehen sein, insbesondere zwei Abgasturbolader 18, die parallel angeordnet sind. Dadurch können die einzelnen Abgasturbolader 18 kleiner ausgebildet sein als bei der Verwendung eines einzelnen Abgasturboladers 18.
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Der zweite mechanische Verdichter 12 steht gleichermaßen wie der erste mechanische Verdichter 12 über eine zusätzliche Leitung 28 mit dem Ansaugtrakt 26 des Verbrennungsmotors in fluider Verbindung, um dem Ansaugtrakt 26 aufgeladene Luft zuzuführen. Dabei mündet die zusätzliche Leitung 28 ebenfalls in einem Knotenpunkt 32 in die vom elektrisch angetriebenen Verdichter 16 zum Ansaugtrakt führende Leitung 30.
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Durch die Verwendung von zwei kleineren Abgasturboladern 18 mit entsprechend geringeren Trägheitsmomenten anstatt eines größeren Abgasturboladers 18 kann das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors sowie der Wirkungsgrad des gesamten Systems verbessert werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es ist beispielsweise auch möglich, mehr als zwei Abgasturbolader vorzusehen, um eine weitere Verbesserung zu erreichen. Des Weiteren kann es sich bei dem Verbrennungsmotor auch um einen Zweizylinder-, Vierzylinder- oder Fünfzylinder-Motor handeln.
