Technisches Gebiet
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Bei modernen Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, wird zur
Leistungssteigerung die der Brennkraftmaschine zugeführte Ladeluft verdichtet. Die effektive
Motorleistung nimmt mit der pro Zeiteinheit eingesetzten Kraftstoffmasse zu. Zu deren
Verbrennung ist je nach Verbrennungsverfahren ein bestimmter Luftmassenstrom erforderlich.
Daher hängt die effektive Leistung von der Dichte der Luft vor Motoreinlass ab. Eine
Leistungssteigerung ist folglich durch Erhöhung der Dichte der Luft (Aufladung) vor dem
Einlass in den Motor erreichbar. Aufladung erfolgt in erster Linie durch eine Anhebung des
Druckes auf den sogenannten Ladedruck mittels eines Verdichters (Lader). Die
Druckerhöhung ist mit einem Temperaturanstieg verbunden. Dies wirkt sich nachteilig auf die
Motorleistung aus, da mit steigender Temperatur die Gasdichte und damit die
Ladungsmenge abnimmt. Um diesem Temperaturanstieg entgegenzuwirken, wird die Ladeluft in
einem Ladeluftkühler abgekühlt.
Stand der Technik
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In der Praxis hat die Abgasturboaufladung große Bedeutung erlangt. Dabei wird die
Energie zum Antrieb des Laders dem Abgas entnommen. Eine Abgasturbine setzt die
Abgasenergie in mechanische Energie um. Die Kombination Abgasturbine-Strömungsverdichter
heißt "Abgasturbolader".
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DE 199 50 425 A1 bezieht sich auf einen Abgasturbolader mit Ladeluftkühlung. Dabei ist
ein Wärmetauscher, in dem die Ladeluft durch Kühlluft abgekühlt wird, innerhalb des
Gehäuses des Kompressors zur Erzeugung der Ladeluft angeordnet.
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Ein Nachteil von Abgasturboladern ist ihr verzögertes und unzureichendes
Ansprechverhalten bei kleinen Drehzahlen der Brennkraftmaschine. Ein verbessertes
Beschleunigungsverhalten läßt sich durch einen Turboladerrotor erzielen, der durch einen Elektromotor
unterstützt schneller hochläuft. Ferner ist aus der US 6,029,452 zur Vermeidung dieses
Nachteils bekannt, einen elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter in der
Ladeluftzuführung einer Brennkraftmaschine in Reihe zu einem konventionellen Abgasturbolader zu
betreiben.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind jedoch hinsichtlich der Montage
und der Größe des Aufladesystems sehr aufwendig und unvorteilhaft.
Darstellung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung vermeidet die im
Stand der Technik auftretenden Nachteile und ermöglicht einen kompakten und
montagefreundlichen Aufbau der Aufladevorrichtung, sowie eine Reduzierung der luftführenden
Volumina. Durch eine kompakte und modulare Anordnung mehrerer Komponenten der
Aufladevorrichtung werden erhebliche Packaging- und Montagevorteile erzielt. Dies geht
mit einer deutlichen Verringerung der Kosten einher.
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Diese Vorteile werden erfindungsgemäß erreicht durch eine Brennkraftmaschine mit einer
Aufladevorrichtung, einem Abgastrakt, einem Motormanagementsystem und einem
Kühlsystem, wobei die Aufladevorrichtung ein Luftmodul umfaßt, das eine elektrische
Drosselklappe, einen elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter, einen Ladeluftkühler, eine
elektrische Kühlmittelpumpe und ein Saugrohrmodul in einem gemeinsamen Luftmodulgehäuse
kompakt zusammenfaßt.
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Das Luftmodul ist eine Baueinheit, die verschiedene Komponenten, zum Beispiel die
elektrische Drosselklappe, den elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter, den Ladeluftkühler,
die elektrische Kühlmittelpumpe und das Saugrohrmodul, in einer integrierten, modularen
und kompakten Anordnung enthält. Die Reihenfolge der Komponenten ist dabei
weitgehend variabel und an die gewünschte Anwendung angepasst. Das Luftmodul ist Teil einer
Aufladevorrichtung, die in der Brennkraftmaschine der Aufladung, also der Verdichtung
der Ladeluft dient.
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Die Montagefreundlichkeit ergibt sich aus der Kompaktheit des Luftmoduls. Es ist in
vorteilhafter Weise möglich, das komplette Luftmodul den montage- und fahrzeugspezifischen
Gegebenheiten anzupassen. Durch die kompakte Anordnung werden ferner die
luftführenden Volumina reduziert, so daß ein schneller Ladedruckaufbau bzw. ein schnelles
Ansprechverhalten gewährleistet werden kann. Somit wird zum Beispiel das Anfahrverhalten
des der Aufladevorrichtung nachgeschalteten Verbrennungsmotors positiv beeinflußt.
Auch der Einbauort des Luftmoduls ist sehr flexibel wählbar, da (außer dem
Kühlmittelanschluß) die Anschlüsse der zusammengefaßten Komponenten durch variabel verlegbare
elektrische Leitungen realisiert werden.
Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es zeigt:
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Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit eingebundenem
Luftmodul bei Saugrohreinspritzung,
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Fig. 2 eine erste erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit eingebundenem
Luftmodul bei Benzindirekteinspritzung,
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Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit eingebundenem
Luftmodul bei Saugrohreinspritzung,
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Fig. 4 eine zweite erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit eingebundenem
Luftmodul bei Benzindirekteinspritzung,
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Fig. 5 eine dritte erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit eingebundenem
Luftmodul bei Saugrohreinspritzung und
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Fig. 6 eine dritte erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit eingebundenem
Luftmodul bei Benzindirekteinspritzung.
Ausführungsvarianten
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Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, insbesondere einen Otto-Motor
in einem Kraftfahrzeug, mit eingebundenem Luftmodul bei Saugrohreinspritzung.
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Die Brennkraftmaschine weist eine Aufladevorrichtung 1, einen Abgastrakt 2, ein
Motormanagementsystem 3 und ein Kühlmittelsystem 4 auf. Die Aufladevorrichtung 1 enthält
ein Luftmodul 5, das eine elektrische Drosselklappe 6, einen elektrisch betriebenen
Ladeluftverdichter 7, einen Ladeluftkühler 8, eine elektrische Kühlmittelpumpe 9 und ein
Saugrohrmodul 10 umfaßt.
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Mit Hilfe der elektrischen Drosselklappe 6 erfolgt die Steuerung des Motordrehmoments
über den vom Motor angesaugten Luftmassenstrom (üblicherweise im Homogenbetrieb mit
λ = 1). Alternativ dazu wird das Motordrehmoment im Schichtbetrieb bei vollständig
geöffneter Drosselklappe 6 über den Brennstoffmassenstrom geregelt.
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Bei der Regelung über den Luftmassenstrom wird bei nicht vollständig geöffneter
Drosselklappe 6 die vom Motor 11 angesaugte Luft gedrosselt und damit das erzeugte
Drehmoment reduziert. Die Drosselwirkung hängt dabei von der Stellung und damit vom
Öffnungsquerschnitt der Drosselklappe 6 ab. Bei voll geöffneter Drosselklappe 6 kann das
maximale Moment des Motors 11 erreicht werden. In herkömmlichen Systemen überträgt
ein Seilzug oder ein Gestänge die Bewegung des Fahrpedals auf die Drosselklappe. Bei
dem Einsatz einer elektrischen Drosselklappe 6 wie bei der vorliegenden Erfindung,
errechnet ein Steuergerät die erforderliche Öffnung der Drosselklappe 6 unter
Berücksichtigung des aktuellen Betriebszustandes des Motors 11 und steuert einen elektrischen
Drosselklappenantrieb an. Die Überwachung der Drosselklappenposition kann mit Hilfe eines
Drosselklappenwinkelsensors (Potentiometer) erfolgen.
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Mögliche Verdichtertypen, die als elektrisch betriebene Ladeluftverdichter 7 bei der
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eingesetzt werden können, sind beispielsweise
Hubkolbenverdichter, Schraubenverdichter, Drehkolbenverdichter und Turboverdichter
(Radialverdichter). Bei dem elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter 7 kann es sich um einen
Axial- oder Radialverdichter handeln.
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Bei der Verdichtung der Luft steigt mit dem Druck auch die Temperatur. Dieser
motortechnisch unerwünschte Temperaturanstieg wird durch eine isobare Rückkühlung in dem
Ladeluftkühler 8 und gegebenenfalls in weiteren (nicht dargestellten) Ladeluftkühlern
zumindest teilweise zurückgenommen. Vorteile der Ladeluftkühlung sind die geringere
thermische Belastung des Motors 11, eine verringerte NOx-Emission, eine geringere
mechanische Belastung des Motors, weil bei Ladeluftkühlung ein angestrebter Wert der
Ladungsdichte schon bei einem niedrigeren Ladedruck erreicht wird und ein reduzierter
Kraftstoffverbrauch. Ferner erhöht sich beim Otto-Motor die Klopffestigkeit.
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Grundsätzlich kann die Ladeluft durch ein Kühlmittel oder durch die Außenluft gekühlt
werden. Bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung liegt Kühlmittelkühlung vor. Die elektrische Kühlmittelpumpe 9 fördert ein
Kühlmittel zu dem Ladeluftkühler 8. Als Kühlmittelpumpen für Verbrennungsmotoren
werden üblicherweise Kreiselpumpen (Radialverdichter) eingesetzt. Diese besitzen ein
offenes Laufrad, rückwärts gekrümmte Schaufeln und ein Spiralgehäuse, jedoch keine
Eintrittsleitschaufeln und kein Austrittsleitrad. Die Leistungsaufnahme der
Kühlmittelpumpe beträgt weniger als ein kW. Als Kühlmittel dient zum Beispiel Wasser oder eine
Mischung aus Wasser, Frostschutzmittel und Inhibitoren.
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An den Ladeluftkühler 8 schließt sich das Saugrohrmodul 10 an. In dem in Fig. 1
dargestellten Fall handelt es sich um eine Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung. Bei der
in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in
die Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung ein Saugrohrmodul 10 in das Luftmodul
5 integriert, das eine Kraftstoffverteilerleiste (Rail) 12 und Einspritzventile 13 umfaßt. Bei
Saugrohreinspritzung befinden sich die Einspritzventile 13 im Saugrohr 14, also dem Rohr,
mit dem die Verbrennungsluft angesaugt wird. Der Kraftstoff wird üblicherweise von einer
Elektrokraftstoffpumpe über einen Kraftstofffilter und die Kraftstoffverteilerleiste 12 zu
den Einspritzventilen 13 gefördert. Er wird für jeden Zylinder des Motors 11 über die kurz
vor den (nicht dargestellten) Einlaßventilen angeordneten Einspritzventile 13 in das
Saugrohr 14 eingespritzt, so daß die Gemischbildung schon außerhalb des Brennraums erfolgt.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
enthält das Luftmodul 5 mehrere Sensoren. Vorzugsweise dient mindestens ein
Drucksensor zur Überwachung des Ladeluftkühlers 8. Ferner wird mindestens ein Temperatursensor
15 oder eine Temperaturmodellierung zur Temperaturüberwachung des Ladeluftkühlers 8
eingesetzt. Die Sensoren 15 messen die Temperatur und/oder den Druck der Ladeluft im
Bereich des Ladeluftkühlers 8. Temperatursensoren nutzen zur Temperaturmessung
beispielsweise die Temperaturabhängigkeit von elektrischen Widerstandsmaterialien. Es sind
zu diesem Zwecke aber auch beliebige andere im Stand der Technik bekannte
Thermometer einsetzbar. Für eine Modellierung der Temperatur spricht jedoch die Einsparung der
Kosten für den Temperatursensor. Die Druckmessung erfolgt direkt, zum Beispiel über
einen druckabhängigen Widerstand, über Membranverformung oder durch einen
Kraftsensor. In dem Luftmodul 5 können weitere Sensoren enthalten sein, zum Beispiel ein weiterer
Temperatursensor 16 zur Überwachung der Kühlmitteltemperatur in den
Kühlmittelleitungen 17, die an die elektrische Kühlmittelpumpe 9 angeschlossen sind, oder
Durchflußsensoren in den Ladeluftleitungen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das
Kühlsystem 4 einen Motorkühlkreislauf und einen Ladeluftkühlkreislauf, wobei der
Ladeluftkühlkreislauf mit der elektrischen Kühlmittelpumpe 9 verbunden ist und zur Kühlung des
Ladeluftkühlers 8 mit einem Kühlmittel dient. Der Motorkühlkreislauf führt die bei der
motorischen Verbrennung entstehende Wärme ab, die nicht in mechanische Energie
umgesetzt werden kann. Dies geschieht über einen Flüssigkeits-Kühlkreislauf, der die im Motor
11 (Zylinderkopf) aufgenommene Wärme über Kühlflüssigkeitsleitungen 18 und über
einen Wärmetauscher (erster Kühler 19) an die Umgebungsluft abgibt. Der
Ladeluftkühlkreislauf umfaßt neben den Kühlmittelleitungen 17 und der elektrischen Kühlmittelpumpe
9 ebenfalls einen Wärmetauscher (zweiter Kühler 20), der die Wärme an die
Umgebungsluft abführt. Vorzugsweise sind der Motorkühlkreislauf und der Ladeluftkühlkreislauf also
mit je einem zugehörigen Kühler 19, 20 verbunden. Beide Kühler 19, 20 können sowohl
durch den Fahrtwind 21 als auch durch einen Lüfter 22 gekühlt werden. Durch die
Verwendung zweier getrennter Kühler 19, 20 für die beiden Kühlkreisläufe ist es möglich, die
beiden Kühler 19, 20 jeweils so auszulegen, daß sie die erforderliche Wärmemenge zur
Kühlung der Komponenten in dem jeweiligen Kühlkreislauf abführen. Es ist hingegen auch
möglich, daß ein gemeinsamer Kühler in beiden Kühlkreisläufen zur Abgabe von Wärme
an die Umgebungsluft dient.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird in dem Ladeluftkühlkreislauf außer dem Ladeluftkühler 8 auch der elektrisch
betriebene Ladeluftverdichter 7 mit dem Kühlmittel gekühlt. Dazu sind weitere
Kühlmittelleitungen 23 an den elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter 7 angeschlossen, so daß dieser
in den Ladeluftkühlkreislauf integriert wird. Dadurch kann sowohl die Leistungselektronik
als auch der Antrieb des elektrisch betriebenen Ladeluftverdichters 7 gekühlt und eine
Überhitzung vermieden werden. Somit wird die Kühlung des elektrisch betriebenen
Ladeluftverdichters 7 durch die zusätzliche elektrische Kühlmittelpumpe 9 optimiert, wodurch
seine Komponenten einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt sind. Ein Vorteil
dieses Kühleffekts ist, daß eine Verlängerung der Schaltdauer des elektrisch betriebenen
Ladeluftverdichters 7 möglich wird, da seine Bauteilbelastung deutlich verringert wird.
Vorteilhaft ist ferner die Integration in den bereits für den Ladeluftkühler 8 vorhandenen
Kühlmittelkreislauf, da dies ohne größeren konstruktiven und kostenintensiven Aufwand
erfolgen kann.
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Die Aufladung findet bei der vorliegenden Erfindung hauptsächlich in einem Lader statt,
der außerhalb des Luftmoduls 5 in der Aufladevorrichtung 1 angeordnet ist und der durch
den dazu in Reihe geschalteten elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter 7, insbesondere
im niedrigen Drehzahlbereich des Motors 11, unterstützt wird. Vorzugsweise handelt es
sich bei dem Lader um einen Abgasturbolader und die Aufladevorrichtung umfaßt (wie in
Fig. 1 dargestellt) den Verdichter 24 eines Abgasturboladers und eine Turbine 25 in dem
Abgastrakt 2. Dabei wird die Energie zum Antrieb des Verdichters 24 mittels der Turbine
25 dem Abgas des Motors 11 entnommen. Alternativ zu dem in Fig. 1 dargestellten
Abgasturbolader kann jedoch auch ein mechanischer Lader zum Einsatz kommen. Die
Antriebsenergie wird dann über einen Keilriemen der Kurbelwelle entnommen.
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Weitere Komponenten der Aufladevorrichtung 1 sind ein Luftfilter 26 und ein
Durchflußmesser 27. Der Luftfilter 26 hält den in der Ansaugluft enthaltenen Staub vom Motor 11
fern und verhindert dadurch Motorverschleiß. Bei dem Durchflußsensor 27 handelt es sich
beispielsweise um einen Heißfilm-Luftmassen-Durchflußmesser, der den Luftdurchsatz
mißt.
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Die angesaugte Luft passiert zunächst den Luftfilter 26 und den Durchflußmesser 27.
Anschließend wird sie im Verdichter 24 verdichtet. Am Ausgang des Verdichters 24 können
sich Sensoren 28 befinden, die Druck und Temperatur der Ladeluft messen. Ferner kann
die aus dem Verdichter 24 strömende Luft in einer möglichen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in einem (in Fig. 1 nicht dargestellten) ersten Ladeluftkühler abgekühlt
werden, bevor sie in das Luftmodul 5 geleitet wird. Der Öffnungsquerschnitt der
Drosselklappe 6 bestimmt den Luftmassenstrom, der in dem elektrisch betriebenen
Ladeluftverdichter 7 gegebenenfalls noch weiter verdichtet wird. Nach der Abkühlung der Ladeluft in
dem Ladeluftkühler 8 wird in dem Saugrohr 14 das Luft-Kraftstoffgemisch gebildet, das in
den Motor 11 gelangt. Die Abgase des Motors 11 treiben in dem Abgastrakt 2 die Turbine
25 des Abgasturboladers an. Bei einem mechanischen Lader würde diese Turbine 25
entfallen.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dient das Motormanagementsystem 3 zur Motorsteuerung. Es umfaßt alle Sensoren zum
Erfassen der aktuellen Betriebsdaten der Brennkraftmaschine, alle Aktoren für die an der
Brennkraftmaschine vorzunehmenden Stelleingriffe und ein Steuergerät. Um in einem
Kraftfahrzeug den von dem Fahrer gewünschten Betriebszustand einzustellen, wird in
einem im Steuergerät enthaltenen Mikroprozessor die Stellung des Fahrpedals in einen
Sollwert für das Motormoment übersetzt (EGAS). Unter Berücksichtigung der zahlreichen
verfügbaren aktuellen Betriebsdaten des Motormanagementsystems 3 wird dieser Sollwert in
die für das Motormoment bestimmenden Größen umgerechnet. Dies sind die Füllung der
Zylinder mit Luft, die Masse des eingespritzten Kraftstoffs und der Zündwinkel. Die in
Fig. 1 dargestellten strichpunktlinierten Pfeile 29 bis 35 stehen für den Informationsfluß
im Motormanagementsystem 3. Es werden u. a. die Meßdaten 29 des Durchflußmessers 27erfaßt und mittels eines Stellers 36 erfolgt eine Ansteuerung 30 des Verdichters 24 des
Abgasturboladers. Der Sollwert des gewünschten Ladedrucks wird z. B. in ein
Steuertastverhältnis für das "Waste-Gate" umgesetzt. Möglich ist auch eine Ansteuerung der
Leitschaufeln bei einem VTG-System (Variable Turbinenschaufel-Geometrie). Das
Motormanagementsystem 3 dient außerdem zur Steuerung 31 des Öffnungsquerschnittes der elektrischen
Drosselklappe 6. Ferner erfolgt eine Ansteuerung 32 des elektrisch betriebenen
Ladeluftverdichters 7, eine Steuerung 33 der elektrischen Kühlmittelpumpe 9, eine Steuerung 34
der Kraftstoffeinspritzung in das Saugrohr 14 und ein Erfassen der Meßdaten 35 der in dem
Luftmodul 5 enthaltenen Druck- und Temperatursensoren. Dargestellt ist nur ein Teil der
innerhalb des Motormanagementsystems 3 ausgetauschten Daten und Steuersignale.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Kühlung eines
Ladeluftkühlers in einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei die
Kühlmittelzufuhr zu dem Ladeluftkühler 8 durch ein in dem Motormanagementsystem 3 enthaltenes
Steuergerät über die Förderleistung der elektrischen Kühlmittelpumpe 9 geregelt wird.
Durch die in das Luftmodul integrierte Sensorik in Verbindung mit einem dazu angepaßten
Motorsteuergerät kann ein Thermomanagement der dem Motor 11 zugeführten Ladeluft
erreicht werden. So ist nach einem Kaltstart eine nur geringfügige Absenkung der
Ladelufttemperatur wünschenswert, während bei betriebswarmem Motor entsprechend höhere
Kühlleistungen erforderlich sind. Vorzugsweise ist also bei einem Kaltstart der
Brennkraftmaschine die Kühlmittelzufuhr kleiner als bei betriebswarmer Brennkraftmaschine.
Eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Kühlmittelpumpe 9 kann das
Emissionsniveau bzw. die Katalysatorfunktion in der Brennkraftmaschine positiv beeinflussen.
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Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, insbesondere einen Otto-Motor
in einem Kraftfahrzeug, mit eingebundenem Luftmodul bei Benzindirekteinspritzung.
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Der Aufbau der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine entspricht
im wesentlichen dem in Fig. 1. Er unterscheidet sich hingegen dadurch, daß das Saugrohr
14 in das Luftmodul integriert ist, jedoch ohne die Kraftstoffverteilerleiste 12 und ohne die
Einspritzventile 13. Diese zwei Komponenten befinden sich außerhalb des Saugrohrmoduls
10 und außerhalb des Luftmoduls 5. Grund dafür ist, daß sich bei der
Benzindirekteinspritzung das Einspritzventil 13 jeweils seitlich versetzt über dem Brennraum befindet.
Benzineinspritzsysteme mit Direkteinspritzung sind durch eine Hochdruckeinspritzung direkt
in den Brennraum gekennzeichnet. Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff wird in der
Verteilerleiste 12 gespeichert. Der eingespritzte, durch den hohen Einspritzdruck fein
zerstäubte Kraftstoff bildet mit der angesaugten Luft im Brennraum das Luft-
Kraftstoffgemisch.
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Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, insbesondere einen
Otto-Motor in einem Kraftfahrzeug, mit eingebundenem Luftmodul bei
Saugrohreinspritzung.
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Der Aufbau der in Fig. 3 abgebildeten Brennkraftmaschine entspricht weitgehend dem
Aufbau in Fig. 1. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in dem in Fig. 3 dargestellten Luftmodul 5 die Reihenfolge der
elektrischen Drosselklappe 6, des elektrisch betriebenen Ladeluftverdichters 7 und des
Ladeluftkühlers 8 geändert. Nachdem die angesaugte Luft bei dieser Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung den Verdichter 24 des Abgasturboladers passiert hat, wird sie in
das Luftmodul 5 geleitet. Dort wird sie gegebenenfalls noch weiter verdichtet durch den
elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter 7. Anschließend wird sie im Ladeluftkühler 8
abgekühlt, bevor sie die Drosselklappe 6 passiert und in das Saugrohrmodul 10 gelangt.
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Fig. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, insbesondere einen
Otto-Motor in einem Kraftfahrzeug, mit eingebundenem Luftmodul bei
Benzindirekteinspritzung.
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Der Aufbau der in Fig. 4 abgebildeten Brennkraftmaschine entspricht weitgehend dem
Aufbau in Fig. 2. Im Unterschied zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in dem in Fig. 4 dargestellten Luftmodul 5 die Reihenfolge der
elektrischen Drosselklappe 6, des elektrisch betriebenen Ladeluftverdichters 7 und des
Ladeluftkühlers 8 entsprechend der Fig. 3 geändert. Die Luft passiert diese Bauteile in
dem Luftmodul 5 in der Reihenfolge elektrisch betriebener Ladeluftverdichter 7,
Ladeluftkühler 8 und Drosselklappe 6, bevor sie in das Saugrohrmodul 10 gelangt.
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Die in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
weisen in vorteilhafter Weise ein schnelles Ansprechverhalten bei einem schnellen Öffnen der
Drosselklappe 6 auf. Diese befindet sich direkt vor dem Saugrohrmodul 10, so dass nur ein
geringes Volumen mit der verdichteten Luft gefüllt werden muss, bevor die verdichtete
Luft in den jeweiligen Zylinder des Motors 11 gelangt. Folglich ist eine "Totzeit" nach
Öffnen der Drosselklappe 6 gering.
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Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, insbesondere einen
Otto-Motor in einem Kraftfahrzeug, mit eingebundenem Luftmodul bei
Saugrohreinspritzung.
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Der Aufbau der in Fig. 5 abgebildeten Brennkraftmaschine entspricht weitgehend dem
Aufbau in Fig. 3. Im Unterschied zu der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in der in Fig. 5 dargestellten Brennkraftmaschine die Reihenfolge
des elektrisch betriebenen Ladeluftverdichters 7 und des Verdichters 24 des
Abgasturboladers geändert. Nachdem die angesaugte Luft bei dieser Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung den Durchflußmesser 27 passiert hat, wird sie in das Luftmodul 5 geleitet. Dort
wird sie gegebenenfalls verdichtet durch den elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter 7.
Anschließend wird sie aus dem Luftmodul 5 herausgeführt in den Verdichter 24 des
Abgasturboladers, wo sie weiter verdichtet wird. Aus dem Verdichter 24 des Abgasturboladers
gelangt die Luft wieder in das Luftmodul 5, wo sie im Ladeluftkühler 8 abgekühlt wird,
bevor sie die Drosselklappe 6 passiert und in das Saugrohrmodul 10 gelangt.
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Fig. 6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, insbesondere einen
Otto-Motor in einem Kraftfahrzeug, mit eingebundenem Luftmodul bei
Benzindirekteinspritzung.
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Der Aufbau der in Fig. 6 abgebildeten Brennkraftmaschine entspricht weitgehend dem
Aufbau in Fig. 4. Im Unterschied zu der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in der in Fig. 5 dargestellten Brennkraftmaschine die Reihenfolge
des elektrisch betriebenen Ladeluftverdichters 7 und des Verdichters 24 des
Abgasturboladers wie in Fig. 5 geändert. Die Luft passiert die Bauteile in dieser erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine in der Reihenfolge Durchflußmesser 27 (außerhalb Luftmodul 5),
elektrisch betriebener Ladeluftverdichter 7 (innerhalb Luftmodul 5), Verdichter 24 des
Abgasturboladers (außerhalb Luftmodul 5), Ladeluftkühler 8 (innerhalb Luftmodul 5) und
Drosselklappe 6 (innerhalb Luftmodul 5), bevor sie in das Saugrohrmodul 10 (innerhalb
Luftmodul 5) gelangt.
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Die in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
weisen in vorteilhafter Weise eine Dynamiksteigerung auf. Die Drosselklappe 6 befindet sich
direkt vor dem Saugrohrmodul 10, so dass nur ein geringes Volumen mit der verdichteten
Luft gefüllt werden muss, bevor die verdichtete Luft in den jeweiligen Zylinder des Motors
11 gelangt. Folglich ist eine "Totzeit" nach Öffnen der Drosselklappe 6 gering. Ferner sind
die in Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen vorteilhaft hinsichtlich der
notwendigen Leistungsaufnahme des elektrisch betriebenen Ladeluftverdichters 7. Durch die
Anordnung des Verdichters 24, der bei der Verdichtung die Luft erwärmt, nach dem elektrisch
betriebenen Ladeluftverdichter 7, gelangt kühlere Luft in den elektrisch betriebenen
Ladeluftverdichter 7. Folglich ergibt sich für diesen eine geringere Leistungsaufnahme als bei
einer Anordnung in umgekehrter Reihenfolge.
Bezugszeichenliste
1 Aufladevorrichtung
2 Abgastrakt
3 Motormanagementsystem
4 Kühlsystem
5 Luftmodul
6 elektrische Drosselklappe
7 elektrisch betriebener Ladeluftverdichter
8 Ladeluftkühler
9 elektrische Kühlmittelpumpe
10 Saugrohrmodul
11 Motor
12 Kraftstoffverteilerleiste
13 Einspritzventile
14 Saugrohr
15 Druck- und Temperatursensoren
16 Temperatursensor
17 Kühlmittelleitungen
18 Kühlflüssigkeitsleitungen
19 erster Kühler
20 zweiter Kühler
21 Fahrtwind
22 Lüfter
23 weitere Kühlmittelleitungen
24 Verdichter des Abgasturboladers
25 Turbine des Abgasturboladers
26 Luftfilter
27 Durchflußmesser
28 Sensoren
29 Meßdaten des Durchflußmessers
30 Ansteuerung des Verdichters des Abgasturboladers
31 Steuerung des Öffnungsquerschnitts der elektrischen
Drosselklappe
32 Ansteuerung des elektrisch betriebenen Ladeluftverdichters
33 Steuerung der elektrischen Kühlmittelpumpe
34 Steuerung der Kraftstoffeinspritzung
35 Meßdaten der Druck- und Temperatursensoren
36 Steller