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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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In der
DE 698 23 039 T2 ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 offenbart.
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Die
DE 10 2012 223 421 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Druckwellenladers in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, wobei zum Betreiben des Verbrennungsmotors ein Sollladedruck abhängig von einem Motorbetriebspunkt vorgegeben wird, wobei der Druckwellenlader ein Zellenrad mit einer Anzahl von Kanälen aufweist, wobei durch eine Drehung des Zellenrads Enden der Kanäle wechselweise mit Öffnungen auf einer ersten Stirnseite und einer zweiten Stirnseite des Zellenrads verbindbar sind, um ein Verdichten von Frischluft zu bewirken, wobei eine Solldrehzahl des Zellenrads abhängig von dem vorgegebenen Sollladedruck eingestellt wird.
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Die
DE 10 2012 107 649 A1 thematisiert Abgasrückführsysteme für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasleitung, einer Ansaugleitung, einem Turbolader mit einem Verdichter, der in der Ansaugleitung angeordnet ist und einer Turbine, die in der Abgasleitung angeordnet ist, einer Abgasrückführleitung, welche von der Abgasleitung stromabwärts der Turbine abzweigt und in die Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters mündet und Mitteln zur Druckerhöhung des Abgases in der Abgasrückführleitung. Als Mittel zur Druckerhöhung ist in der Abgasrückführleitung ein Druckwellenlader angeordnet.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird beispielsweise als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.
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In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu aufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie weiter ständig zunimmt.
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Die Aufladung ist in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
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Folglich unterstützt die Aufladung das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.
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Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße 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 erreicht wird. Vorteilhafterweise 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 und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d.h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem - mittels Hilfsantrieb antreibbaren - Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d.h. mindert.
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Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d.h. elektrisch angetriebenen Lader handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich, die auch das Packaging im Motorraum beeinflusst.
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Selbst wenn der Lader ein elektrisch angetriebener Lader ist, besteht das Erfordernis, die Elektromaschine bzw. den Generator im Motorraum zu platzieren und zwar unmittelbar in der Nähe des Laders, wodurch das Packaging erschwert bzw. beeinflusst wird, oder aber beabstandet zum Lader unter Hinzunahme einer Vorrichtung zur Leistungsübertragung; beispielsweise eines Zugmitteltriebs. In beiden Fällen erhöht sich das Gewicht und der B auraumbedarf.
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Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch angetrieben und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist.
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Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis bzw. der Turbinenleistung abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
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Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Motorkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
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Das Downsizing wird durch eine mehrstufige Aufladung mittels Abgasturboladern weiter fortgeführt. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung, da die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist und sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d.h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
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Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung, die zur Senkung der Stickoxidemissionen mit einer Abgasrückführung zur Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite ausgestattet sind, können sich zusätzliche Probleme ergeben. Zu berücksichtigen ist dabei insbesondere, dass hohe Abgasrückführraten erforderlich sind, um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen.
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Probleme können sich stromaufwärts des Verdichters ergeben, wenn die Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung ausgestattet ist, bei der das Abgas stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet wird. Es kann sich nämlich Kondensat in der freien Ladeluftströmung bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas bzw. die Ladeluft auf die kühlere Innenwandung des Ansaugsystems trifft.
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Die Abgasrückführung kann eine Hochdruck-AGR sein, die stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und in das Ansaugsystem einleitet, oder eine Niederdruck-AGR, die Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Eine Niederdruck-AGR umfasst eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
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Der wesentliche Nachteil der Hochdruck-AGR gegenüber der Niederdruck-AGR ist, dass der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom im Falle einer Abgasrückführung um die rückgeführte Abgasmenge vermindert wird. An der Turbine steht nicht der gesamte Abgasstrom zur Generierung des Ladedrucks zur Verfügung. Hingegen muss das im Rahmen einer Niederdruck-AGR rückgeführte Abgas zunächst einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen werden, da das Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird.
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Ein anderes Konzept zur Aufladung einer Brennkraftmaschine ist die sogenannte Comprex-Aufladung mittels Druckwellenlader. Der Comprex-Lader verfügt über ein drehbares Zellenrad, d.h. eine zylinderförmige Walze, bei der sich zwischen den Stirnseiten der Walze eine Vielzahl von kuchenstückartigen Kanälen bzw. Zellen entlang der Drehachse der Walze erstrecken. An den Stirnseiten der Walze sind die Zellen in begrenzten, vorbestimmten Bereichen offen ausgebildet und im Übrigen geschlossen, wobei auf einer Stirnseite ein Abgaseintritt sowie dazu beabstandet ein Abgasaustritt und auf der anderen Stirnseite ein Ladelufteintritt sowie dazu beabstandet ein Ladeluftaustritt vorgesehen sind.
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Die Wirkungsweise ist die Folgende (siehe auch 1). Die Abgase erreichen das mit Luft gefüllte Zellenrad 2 und gelangen via Abgaseintritt aus dem Hochdruckteil 4 des Abgasabführsystems in die abgasseitig offenen Zellen. Eine Druckwelle läuft durch die mit Luft gefüllten Zellen und verdichtet dabei die Luft, wobei durch Reflexion an der Wand der luftseitig geschlossenen Zellen eine weitere Druckerhöhung erzielt wird. Infolge der Drehbewegung des Zellenrades 2 wird anschließend luftseitig eine Verbindung zwischen den Zellen und dem Hochdruckteil 5 des Ansaugsystems geschaffen und die verdichtete Luft verlässt die Zellen und strömt in den Hochdruckteil 5 des Ansaugsystems und von dort in den Zylinder 1. Bevor die Abgase die Zellen ganz durchströmt haben, verschließen sich die Zellen infolge der Drehbewegung des Zellenrades 2 luftseitig wieder. Es entsteht eine Unterdruckwelle, die in das Abgasabführsystem läuft, sobald die Zellen infolge Drehbewegung abgasseitig geöffnet und mit dem Niederdruckteil 7 des Abgasabführsystems verbunden werden. Dadurch werden die Abgase aus dem Zellenrad 2 gespült. Erreicht die Unterdruckwelle das Ende der Zellen wird via Ladelufteintritt aus dem Niederdruckteil 6 des Ansaugsystems wieder Ladeluft in die luftseitig offenen Zellen gesaugt, d.h. angesaugt.
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Gegenüber anderen Aufladekonzepten zeichnet sich ein Comprex-Lader vor allem durch einen sehr günstigen Drehmomentverlauf und sein gutes Ansprechverhalten aus, wodurch das instationäre Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine deutlich verbessert ist. Nach dem Stand der Technik wird ein Comprex-Lader 2 mechanisch angetrieben, weshalb eine Vorrichtung 3 zur Leistungsübertragung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Comprex-Lader 2 erforderlich ist bzw. vorgesehen werden muss, die das Packaging im Motorraum beeinflusst (siehe auch 1). Der Antrieb ist daher nicht unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle.
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Nachteilig ist, dass der Comprex-Lader nur im Auslegungspunkt optimal arbeitet bzw. betrieben werden kann und sehr empfindlich auf Änderungen bzw. Störungen im Ansaugsystem bzw. Abgasabführsystem reagiert; beispielsweise einen verstopften Luftfilter. Das Ladedruckverhältnis ist auf etwa 2 begrenzt.
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Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über eine Comprex-Aufladung, wobei mindestens ein weiterer Verdichter vorgesehen sein kann und zwar sowohl ein mittels Hilfsantrieb angetriebener Lader als auch ein Verdichter eines Abgasturboladers.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Comprex-Aufladung mittels Druckwellenlader verbessert ist und mit der sich die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwinden lassen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinder,
- - einem Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase,
- - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, und
- - mindestens einem Comprex-Lader, der ein um eine Drehachse drehbares zylinderförmiges Zellenrad umfasst, welches in einem Gehäuse angeordnet ist und Zellen aufweist, die sich zwischen den Stirnseiten des Zellenrades entlang der Drehachse des Zellenrades erstrecken, wobei der Comprex-Lader mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass - - der Comprex-Lader als Abgasrückführung dient, mit der Abgas aus dem Abgasabführsystem via Comprex-Lader in das Ansaugsystem rückführbar ist, und
- - die Flüssigkeitskühlung als AGR-Kühler fungiert und ausgebildet ist, mit dem das rückgeführte Abgas kühlbar ist.
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Wie bereits erwähnt, wird der mindestens eine Comprex-Lader der Brennkraftmaschine mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
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Die Flüssigkeitskühlung kann als Ladeluftkühler fungieren und ausgebildet sein, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Die Flüssigkeitskühlung kann auch als AGR-Kühler fungieren und ausgebildet sein, um rückgeführtes bzw. rückzuführendes Abgas zu kühlen. Ist der Comprex-Lader ein mittels Elektromaschine elektrisch angetriebener Lader und sind der Comprex-Lader und die Elektromaschine als bauliche Einheit, d.h. integratives Bauteil ausgebildet, kann die Flüssigkeitskühlung als Kühlung der Elektromaschine fungieren und ausgebildet sein.
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Durch Integration der Flüssigkeitskühlung in den Comprex-Lader, beispielsweise in das Gehäuse, entfällt das Erfordernis, eine separate Flüssigkeitskühlung zusätzlich im Motorraum vorzusehen. Das Packaging wird vereinfacht.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, die hinsichtlich der Comprex-Aufladung mittels Druckwellenlader verbessert ist und mit der sich die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwinden lassen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Zellen an den Stirnseiten des Zellenrades offen ausgebildet sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen im Gehäuse auf einer Stirnseite ein Abgaseintritt sowie dazu beabstandet ein Abgasaustritt und auf der anderen Stirnseite ein Ladelufteintritt sowie dazu beabstandet ein Ladeluftaustritt vorgesehen sind, so dass die Zellen an den Stirnseiten des Zellenrades in begrenzten, vorbestimmten Bereichen des Gehäuses geöffnet und im Übrigen geschlossen sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Comprex-Lader ein mittels Elektromaschine elektrisch angetriebener Lader ist, bei dem die Elektromaschine einen Stator und einen Rotor umfasst.
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Vorliegend wird der mindestens eine Comprex-Lader der Brennkraftmaschine elektrisch angetrieben. Dieses Antriebskonzept hat eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber dem mechanischen Antrieb aus dem Stand der Technik.
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Der elektrische Antrieb ist unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle, weshalb sich mittels Elektromaschine jederzeit ein bedarfsgerechter Antrieb des Comprex-Laders realisieren lässt. Man ist unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere der Motordrehzahl.
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Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Comprex-Lader und die Elektromaschine separate Bauteile darstellen bzw. sind.
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Vorteilhaft können dabei wiederum Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Comprex-Lader und die Elektromaschine unter Verwendung eines Zugmitteltriebs miteinander verbunden sind.
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Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Comprex-Lader und die Elektromaschine als integratives Bauteil ausgebildet sind, wobei das Zellenrad den Rotor und das Gehäuse den Stator bildet.
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Vorliegend ist die zum Antrieb des Laders vorgesehene Elektromaschine in den Lader integriert. D.h. der Comprex-Lader und die Elektromaschine sind als bauliche Einheit bzw. integratives Bauteil ausgebildet. Die Elektromaschine umfasst einen Stator und einen Rotor, wobei das Zellenrad des Comprex-Laders den Rotor und das Gehäuse des Comprex-Laders den Stator bildet.
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Dieses Konzept hat eine Vielzahl von Vorteilen. Durch die Integration der Elektromaschine in den Comprex-Lader entfällt das Erfordernis, eine separate Elektromaschine zusätzlich im Motorraum, insbesondere in unmittelbarer Nähe zum Lader, platzieren bzw. unterbringen zu müssen. Dadurch wird das Packaging der gesamten Antriebseinheit im Motorraum spürbar erleichtert. Neben dem Bauraumbedarf verringert sich das Gewicht und die Anzahl der Bauteile. Eine Vorrichtung zur Leistungsübertragung, beispielsweise eines Zugmitteltriebs, entfällt prinzipbedingt und ist obsolet.
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Sind der Comprex-Lader und die Elektromaschine als bauliche Einheit, d.h. integratives Bauteil ausgebildet, können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen das als Stator dienende Gehäuse zum Aufbau eines Magnetfeldes mit einem Dauermagneten ausgestattet ist.
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Der feststehende Stator kann bei einem Gleichstrommotor als Dauermagnet ausgeführt werden. Dann muss der Rotor aber mit einer bestrombaren Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes ausgestattet werden.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das als Rotor dienende Zellenrad zum Aufbau eines Magnetfeldes mit einer bestrombaren Spule ausgestattet ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Dauermagnet das als Rotor dienende Zellenrad mitsamt Spule umgibt, vorzugsweise vollumfänglich.
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Der feststehende Stator kann alternativ mit einer bestrombaren Spule ausgerüstet werden. Dann erfolgt eine Fremderregung über eine Erregerspule, wie beim Wechselstrommotor. Wird Strom durch die Spule geleitet, baut sich ein Magnetfeld auf.
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Sind der Comprex-Lader und die Elektromaschine als bauliche Einheit, d.h. integratives Bauteil ausgebildet, können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen das als Stator dienende Gehäuse zum Aufbau eines Magnetfeldes mit einer bestrombaren Spule ausgestattet ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die bestrombare Spule das als Rotor dienende Zellenrad umgibt, vorzugsweise vollumfänglich.
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Verfügt das als Stator dienende Gehäuse über eine bestrombare Spule, können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen das als Rotor dienende Zellenrad zum Aufbau eines Magnetfeldes ebenfalls mit einer bestrombaren Spule ausgestattet ist.
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Im Inneren des Stators ist der Rotor drehbar im Magnetfeld des Stators angeordnet und gelagert. Verfügt der Rotor ebenfalls über eine Spule und wird diese Spule bestromt, baut sich am Rotor ein Magnetfeld auf, das in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators tritt, so dass sich der Rotor dreht. Auf diese Weise kann elektrische Energie in Bewegungsenergie bzw. in eine Bewegung des Rotors und damit der Laderwelle umgewandelt werden. Das Magnetfeld im Rotor steht relativ zum Stator fest.
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Verfügt das als Stator dienende Gehäuse über eine bestrombare Spule, können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen das als Rotor dienende Zellenrad zum Aufbau eines Magnetfeldes mit einem Dauermagneten ausgestattet ist. Dann muss der Stator aber - wie vorliegend - eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfassen.
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Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform betreffend eine bestrombare Rotorspule, welche eine getaktete Stromzuführung zu der rotierenden Spule des Rotors erfordert, handelt es sich vorliegend um eine Variante, welche keine Stromumkehr und damit keine Bürsten erfordert. Diese Art eines Elektromotors ist weniger komplex, weist einen geringeren Raumbedarf auf und eignet sich daher für Anwendungen mit wenig Bauraum, wie der vorliegenden Anwendung. Ein weiterer Vorteil des Dauermagneten ist das höhere Rastmoment bei deaktiviertem Elektromotor, d.h. bei nicht bestromter Statorspule, d.h. Erregerspule.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Comprex-Lader ein mechanisch angetriebener Lader ist. Dann kann der erfindungsgemäße Comprex-Lader mit Flüssigkeitskühlung in bereits bestehende Aufladekonzepte, bei denen der Comprex-Lader mechanisch angetrieben wird, implementiert werden; auch im Rahmen einer Nachrüstung.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Flüssigkeitskühlung im Gehäuse des Comprex-Laders integriert ist. Durch die Integration in den Comprex-Lader wird das Packaging im Motorraum weiter vereinfacht. Der Bauraumbedarf verringert sich und die Anzahl der Bauteile wird reduziert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Flüssigkeitskühlung als Ladeluftkühler fungiert und ausgebildet ist.
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Der Ladeluftkühler kühlt die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder und sorgt für eine bessere Füllung der Zylinder. Bei entsprechender Konzeption des Ladeluftkühlers, kann die Ladeluft während der Kompression im Lader gekühlt werden, wodurch sich thermodynamische Vorteile ergeben.
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Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen der Comprex-Lader als Abgasrückführung dient, mit der Abgas aus dem Abgasabführsystem via Comprex-Lader in das Ansaugsystem rückführbar ist, ist wie oben erwähnt vorgesehen, dass die Flüssigkeitskühlung als AGR-Kühler fungiert und ausgebildet ist, mit dem das rückgeführte Abgas kühlbar ist. Durch Kühlen des rückgeführten Abgases lassen sich höhere AGR-Raten erzielen sowie die Zylinderfüllung verbessern.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Flüssigkeitskühlung ansaugseitig angeordnet ist.
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Der Ladelufteintritt und der Ladeluftaustritt sind beim Comprex-Lader auf derselben Stirnseite des Zellenrades bzw. Gehäuses angeordnet. Insofern kann es vorteilhaft sein, die Flüssigkeitskühlung ansaugseitig anzuordnen. Dies gilt sowohl für eine Flüssigkeitskühlung, die als Ladeluftkühler fungiert und ausgebildet ist, als auch für eine Flüssigkeitskühlung, die als AGR-Kühler fungiert und ausgebildet ist. Es bringt nämlich Vorteile mit sich, die den Zylindern zugeführte Ladeluft sowie das rückgeführte Abgas vor Eintritt in die Zylinder zu kühlen, wohingegen das Abgas, welches den Comprex-Lader via Abgasaustritt wieder verlässt, vorzugsweise nicht gekühlt werden sollte, da dieses Abgas regelmäßig einer Abgasnachbehandlung stromabwärts des Comprex-Laders unterzogen wird.
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Ist der Comprex-Lader ein mittels Elektromaschine elektrisch angetriebener Lader und sind der Comprex-Lader und die Elektromaschine als bauliche Einheit, d.h. integratives Bauteil ausgebildet, sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine möglich, bei denen die Flüssigkeitskühlung als Kühlung der Elektromaschine fungiert und ausgebildet ist.
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Eine in Betrieb befindliche Elektromaschine generiert Wärme, die abgeführt werden muss, um Schäden zu vermeiden und die Funktionstüchtigkeit der Elektromaschine aufrecht zu erhalten bzw. zu gewährleisten. Zudem wird die Elektromaschine auch mit Wärme aus dem heißen Abgas beaufschlagt.
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Möglich sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die im Gehäuse integrierte Flüssigkeitskühlung das als Rotor dienende Zellenrad vollumfänglich ummantelt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1, 2 und 3 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 schematisch und in einer dreidimensionalen Darstellung einen im Ansaugsystem und Abgasabführsystem eingebundenen Comprex-Lader mitsamt mechanischem Antrieb nach dem Stand der Technik,
- 2 schematisch und im Längsschnitt den Comprex-Lader einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine, und
- 3 schematisch und in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung das Zellenrad und das Gehäuse des in 2 dargestellten Comprex-Laders.
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1 zeigt schematisch und in einer dreidimensionalen Darstellung einen im Ansaugsystem 5, 6 und Abgasabführsystem 4, 7 eingebundenen Comprex-Lader 2 mitsamt mechanischem Antrieb 3 nach dem Stand der Technik und wurde bereits erörtert.
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2 zeigt schematisch und im Längsschnitt entlang der Drehachse 10c den Comprex-Lader 10 einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
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Der Comprex-Lader 10 umfasst ein um die Drehachse 10c drehbares zylinderförmiges Zellenrad 10a, welches in einem Gehäuse 10b angeordnet ist und Zellen von kuchenstückartigem Querschnitt aufweist, die sich zwischen den Stirnseiten des Zellenrades 10a entlang der Drehachse 10c des Zellenrades 10a erstrecken.
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Der Comprex-Lader 10 wird mittels einer Elektromaschine 11 angetrieben. Die Elektromaschine 11 umfasst einen Stator 11a und einen Rotor 11b, wobei das Zellenrad 10a des Laders 10 den Rotor 11b und das Gehäuse 10b des Laders den Stator 11a bildet. Der Comprex-Lader 10 und die Elektromaschine 11 sind somit als integratives Bauteil ausgebildet.
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Die Abgase erreichen das mit Luft gefüllte Zellenrad 10a und gelangen via Gehäuseöffnung aus dem Hochdruckteil 14 des Abgasabführsystems in die Zellen. Eine Druckwelle läuft durch die mit Luft gefüllten Zellen und verdichtet dabei die Luft, wobei durch Reflexion an der Wand der luftseitig geschlossenen Zellen eine weitere Druckerhöhung erzielt wird.
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Die Drehbewegung des Zellenrades 10a schafft im Weiteren eine Verbindung zwischen den Zellen und dem Hochdruckteil 15 des Ansaugsystems, so dass die verdichtete Luft sich entspannt, die Zellen verlässt und in den Hochdruckteil 15 des Ansaugsystems strömt.
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Bevor die Abgase die Zellen ganz durchströmt haben, verschließen sich die Zellen infolge der Drehbewegung des Zellenrades 10a luftseitig wieder. Es entsteht eine Unterdruckwelle, die in das Abgasabführsystem läuft, sobald die Zellen infolge Drehbewegung abgasseitig geöffnet und mit dem Niederdruckteil 17 des Abgasabführsystems verbunden werden. Dadurch werden die Abgase aus dem Zellenrad 10a gespült. Erreicht die Unterdruckwelle das Ende der Zellen wird via Ladelufteintritt aus dem Niederdruckteil 16 des Ansaugsystems erneut Ladeluft in die luftseitig offenen Zellen gesaugt.
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Der Comprex-Lader 10 ist mit einer Flüssigkeitskühlung 18 ausgestattet. Durch Integration der Flüssigkeitskühlung 18 in den Comprex-Lader 10, vorliegend in das Gehäuse 10b, entfällt das Erfordernis, eine separate Flüssigkeitskühlung im Motorraum zu platzieren.
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3 zeigt schematisch und in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung das Zellenrad 10a und das Gehäuse 10b des in 2 schematisch dargestellten Comprex-Laders 10. Es wird nur ergänzend zu 2 ausgeführt.
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Das als Stator 11a dienende Gehäuse 10b ist zum Aufbau eines Magnetfeldes mit einer bestrombaren Spule 13 ausgestattet, wobei sich die Spule 13 aus mehreren segmentartigen Teilspulen zusammensetzt. Diese Teilspulen umgeben bzw. ummanteln das als Rotor 11b dienende Zellenrad 10a im montierten Zustand des Laders 10 vollumfänglich.
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Das als Rotor 11b dienende Zellenrad 10a ist zum Aufbau eines Magnetfeldes mit einem Dauermagneten 12 ausgestattet, wobei sich der Dauermagnet 12 aus mehreren streifenförmigen Teilmagneten zusammensetzt. Diese Teilmagneten sind entlang der Drehachse 10c ausgerichtet.
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Die dargestellte Ausführungsform des Comprex-Laders 10 weist einen geringen Raumbedarf auf. Eine getaktete Stromzuführung zu einer rotierenden Spule des Rotors 11b entfällt und damit auch die Bürsten.
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Bezugszeichenliste
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Stand der Technik:
- 1
- Zylinder
- 2
- Comprex-Lader, Zellenrad
- 3
- Zugmitteltrieb, mechanischer Antrieb, Vorrichtung zur Leistungsübertragung
- 4
- Hochdruckteil des Abgasabführsystems
- 5
- Hochdruckteil des Ansaugsystems
- 6
- Niederdruckteil des Ansaugsystems
- 7
- Niederdruckteil des Abgasabführsystems
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Erfindung:
- 10
- Comprex-Lader, elektrisch angetriebener Druckwellenlader
- 10a
- Zellenrad
- 10b
- Gehäuse
- 10c
- Drehachse
- 11
- Elektromaschine
- 11a
- Stator
- 11b
- Rotor
- 12
- Dauermagnet
- 13
- bestrombare Spule
- 14
- Hochdruckteil des Abgasabführsystems
- 15
- Hochdruckteil des Ansaugsystems
- 16
- Niederdruckteil des Ansaugsystems
- 17
- Niederdruckteil des Abgasabführsystems
- 18
- Flüssigkeitskühlung
