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Antrieb, insbesondere für ein Kraftfahrzeuq,
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mit einer aufqeladenen Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft
einen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei einem aus der US-PS
3 712 282, F02B 37/04, bekannten Antrieb dieses Aufbaus wird in Abhängigkeit vom
Druck im Saugrohr der Brennkraftmaschine bei Teillast über das Ventil der Bypass
zum Ladeluftkühler durchgeschaltet, so daß dieser für die gesamte Lndeluftmenge
im Vollastbetrieb der aufgeladenen Brennkraftmaschine ausgelegt sein muff. Aucil
bei der /weistoff-Brennkraftmaschine mit Abgas-Turbolader nach der DE-PS 12 14 931,
46a9, 24, findet sich die Tendenz der zunehmenden Einschaltung des Ladeluftkühlers
mit zunehmender Last: Bei Betrieb mit flüssigem Brennstoff ist ab Leerlauf stets
der Ladeluftkühler eingeschaltet; bei Betrieb mit Gas erfolgt mit zunehmender Last
eine zunehmende Einschaltung des Ladeluftkühlers, d h. eine zunehmende Absperrung
des Bypasses.
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Diese bekannten Konstruktionen weisen also den Nachteil eines notwendigerweise
groß dimensionierten Ladeluftkühlers auf. Erfolgt die Kühlung der Ladeluft in dem
Ladeluftkühler bei einem Fahrzeugantrieb durch den Fahrtwind, wirkt sich die große
Auslegeung des ladeluftkühlers nachteilig hinsichtlich des tuftwiderstands und damit
hinsichtlich des Kraltstoffverbrauchs des @ahrzeugs aus. @rfolgt die Kühlung der
tadeluft im tadeluftkübler unter Verwendung
eines Gebläses, so
verbraucht dieses bei großer Auslegung des Ladeluftkühlers verständlicherweise viel
Antriebsenergie. Hinzu kommt in allen @ä@@en ein relativ großer Platzbedarf für
den @adeluftkühler.
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Der @rfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß eine Auslegung des Ladeluftkühlers
auf die maximale Ladeluftmenge bzw. den maximalen Ladeluftdurchsatz mit ihren aufgezeigten
Nachteilen vermieden ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung geht in vorteilhafter Weise davon aus, daß eine Ladeluftkühlung
bei einem von der Brennkraftmaschine mechanisch (also nicht über das Abgas) angetriebenen
Lader nur zur Erzeugung hoher Ladedrücke speziell bei kleinen Drchzablen erforderlich
ist, damit Selbstzündung und Klopferscheinungen vermieden sowie ein hoher 1 ieferqrad
erzielt wird. Diese Beschränkung auf die linschaltung des ladeluftkühlers nur bei
niedrigen Drehzahlen bietet den Vorteil, daß angesichts des relativ kleinen zu kühlenden
Luftdurchsatzes ein kleiner Kühler ausreicht, so daß bei Ausnutzung des Fahrtwindes
zur Kühlung der Ladeluft eine nennenswerte Vergrößerung des Luftwiderstands des
Fahrzeugs vermieden ist bzw. bei Verwendung eines Gebläses im Ladeluftkühler die
Antriebsleistung für dieses begrenzt ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Ausbildung gemäß den Patentansprüchen 2 und 3 bezieht sich auf
die Erzielung eines Verlaufs des Drehmoments der aufgeladenen Brennkraftmaschine
über der Drehzahl, der zunächst der Kurve mit eingeschaltetem Ladeluftkühler und
KiihlUntJ der gesamten Ladeluftmenge cutspricht, dann zwischen den entsprechenden
Kurven für Kühlung der gesamten Ladeluftmenge und Ladebetrieb ohne Kühlung verläuft
und schließlich in die für Betrieb ohne jegliche Ladeluftküh-Jung geltende Kurve
einmündet. Die Erfindung gestattet demgemäß die Ansteuerung von Betriebspunkten
der Brennkraftmaschine im Drehmomeht-Drehzahl-Diagramm
zwischen
den Kurven für vollständige Kühlung der ladeluft und Betrieb ohne Kühlung der Ladeluft.
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Die Ausbildung der Erfindung gemäß Patentanspruch 4 unterstützt dics,
indem sie über das Vario-Getriebe eine Anpassung der Kennlinien von Brennkraftmaschine
und Lader ermöglicht. Über die Kupplung wird der 1 ider nur im 1 adebetrieb der
Brennkraftmaschine, also nicht im Saugbetrieb derselben, von dieser angetrieben,
so daß im Saugbetrieb die Brennkraftmaschine durch den Lader nicht belastet ist.
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An dieser Stelle sei zur Abrundung des Standes der Technik auf die
DE-PS 754 172, 46a9, 24, hingewiesen, aus der die Herstellung einer Antriebsverbindung
zwischen Brennkraftmaschine und @ader über eine Kupplung und ein Getriebe mit festem
Übersetzungsverhältnis bekannt ist; bei abgekuppeltem lader saugt die Brennkraftmaschine
über einen den Lader umgehenden Bypass das Kraftstoff-Luft-Gemisch an.
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Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich die Ausbildung der
Erfindung gemäß Patentanspruch 5 dadurch, daß die bekannte Konstruktion nur ein
sowohl dem Bypass als auch dem Lader vorgeschaltetes Leistungsstellglied aufweist,
während die Ausführungsform der Erfindung gemäß Patentanspruch 5 mit steigender
Last der Brennkraftmaschine zunächst Saugbetrieb und dann -bei voll geöffnetem Leistungsstellglied
für den Saugbetrieb- Aufladebetrieb mit Leistungssteuerung unter Verwendung des
weiteren Leistungsstellglieds zuläßt, das die Menge der zum Eingang des Laders zurückströmenden
Luft bestimmt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der
Zeichnung erläutert. Es zeigen: Die Fig. 1 bis 4 schematisch eine Ausführungsform
der Erfindung bei Saugbetrieb (Fig. 1), Teillastbetrieb mit Lader bei niedrigen
Drehzahlen der Brennkraftmaschine (Fig. 2) und höheren Drehzahlen (Fig. 3) sowie
bei Vollastbetrieb mit niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine (Fig. 4),
Fig.
5 das Drehmoment-Drehzahl-Diagramm der Brennkraftmaschine in verschiedenen Betriebsweisen,
Fig. 6 den Verlauf des Luftdurchsatzes der Brennkraftmaschine über der Drehzahl,
Fig. 7 den Zustand der verschiedenen Bestandteile des Antriebs nach den Fig. 1 bis
4 bei konstanten Drehzahlen in Abhängigkeit vom Drehmoment und Fig. 8 den Zustand
derselben Bestandteile bei Vollast-Aufladebetrieb in Abhängigkeit von der Drehzahl.
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In den Fig. 1 bis 4 sind dieselben Bestandteile des Antriebs mit denselben
Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Luftströmung bzw. die Luftströmungen sind durch
Pfeile angedeutet.
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Von der eigentlichen Brennkraftmaschine ist lediglich das Saugrohr
1 gezeichnct, das beispielsweise mit einem Vergaser ausgerüstet ist und mit den
einzelnen lirenriräumen der Maschine in Verbindung steht. Im Saugrohr befindet sich
in üblicher Weise als 1 eistungsstellglied die Drosselklappe 2, die mit einem (;aspeclal
in Verbindung stcht.
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In das Saugrohr 1 mündet die Ladeluftleitung 3 ein, in deren Zug der
Lader a bekannten und daher nicht zu beschreibenden Aufbaus liegt. Über die Kupplung
5 und das Getriebe 6 mit kontinuierlich veränderbarem Übersetzungsverhältnis kann
eine mechanische Antriebsverbindung für den Lader 4 von der nicht dargestellten
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine hergestellt werden.
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Die Ladeluftleitung besteht strenggenommen aus zwei parallelen Leitungen,
von denen eine den Ladeluftkühler 7, dem das Gebläse 8 zugeordnet ist, enthält,
währcnd die andere Leitung 9 einen Bypass zum Ladeluftkühler 7 darstellt.
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In dem Bypass 9 liegt die durch die UmJuftklappe 10 gebildete Ventilanordnung,
die in Abhängigkeit von der durch die Druckdose 11 erfaßten Druckdifferenz vor und
hinter dem Ladeluftkühler 7 den Bypass 9 freigibt oder sperrt und damit den Ladeluftkühler
7 wirksam bzw. unwirksam macht.
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Eine weitere, ebenfalls durch eine Umluftklappe 12 gebildete Ventilanordnung
liegt in dem weiteren Bypass 13, der die gesamte Ladereinrichtung, nämlich Lader
4, Ladeluftkühler 7 und Bypass 9, überbrückt. Die weitere Umluftklappe 12 stellt,
wie noch beschrieben wird, ein weiteres Leistungsstellglied dar, da die Drosselklappe
2 nur während des Saugbetriebs der Brennkraftmaschine eine Leistungssteuerung zuläßt
und anschließend, d.h. im Aufladebetrieb, die Lcistungssteuerung durch Beeinflussung
der Stellung der Klnppe 12 erfolgt.
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Betrachtet man nun zunächst die Verhältnisse im Saugbetrieb (Fig.
1), so ist die Kupplung 5 gelöst, d.h. der Lader 4 nicht mit der ihn antreibenden
Brennkraftmaschine verbunden, und auch das Gebläse 8 ist abgeschaltet. Entsprechend
der Stellung der Drosselklappe 2, die bei geöffneter Umluftklappe 12 allein als
Leistungsstellglied wirksam ist, strömt Ansaugluft durch den weiteren Bypass 13
in das Saugrohr und damit zur Brennkraftmaschine. In dem Diagramm der Fig. 5, in
dem das Drehmoment Md der Brennkraftmaschine über ihrer Drehzahl n aufgetragen ist,
befindet man sich im Bereich unterhalb der Grenzkurve a für reinen Saugbetrieb der
Brennkraftmaschine. Sobald eine größere Leistung verlangt wird, muß durch Schließen
der Kupplung 5 der Lader 4 in Betrieb genommen werden. in dem Diagramm nach Fig.
5 werden dann die Kurven b für Laderbetrieb ohne Ladeluftkühlung und c für Laderbetrieb
mit Ladeluftkühlung bedeutsam.
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Betrachtet man zunächst den in den Fig. 2 und 3 für niedrige und für
höhere Drehzahlen der Brennkraftmaschine wiedergegebenen Zustand des Antriebs bei
Teillastbetrieb, so erkennt man zunächst, daß entsprechend den Pfeilen der Lader
4 angetrieben und der Bypass 9 durch die Umluftklappe 10 gesperrt ist, so daß die
gesamte Ladeluft den Ladeluftkühler 7, dessen Gebläse 8 nunmehr eingeschaltet ist,
durchsetzen muß. Die Drosselklappe 2 ist bei Erreichen der Kurve a (Fig. 5) voll
geöffnet und bleibt in dieser Lage, so daß die Leistungssteuerung durch die Umluftklappe
12 erfolgt, die die Rückströmung
der gekühlter Ladeluft und damit
den Druck der Ladeluft in der Saugleitung 1 beeinflußt.
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Der ladeluftkühler 7 ist so groß dimensioniert, daß er zur Kühlung
der bei diesen niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine gelieferten Ladeluft
ausreicht. Damit wird es möglich, durch Aufladung hohe Drehmomente bei niedriyen
Drehzahlen, beispielsweise zum Beschleunigen, zu erzielen, ohne daß die Gefahr einer
Selbstzündung, von Klopferscheinungen oder einer Verringerung des Liefergrads durch
erhitzte Ladeluft auftritt.
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Betrachtet man wiederum das Diagramm nach Fig. 5, so liegt jetzt der
Drehzahlbereich I mit der oberen Drehzahl nl vor, und gemäß Fig. 6, in der der Luftdurchsatz
L über der Drehzahl n aufgetragen ist, erfolgt in diesem Drehzahlbereich I eine
vollständige Kühlung der Ladeluft, da der Ladeluftkühler 7 auf den bei der Drehzahl
nl vorliegenden Ladeluftdurchsatz L1 ausgelegt ist.
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Wie aus Fig. 5 ferner folgt, ist der Drehzahlwert nl so gewählt, daß
entsprechend Kurve c die aufgeladene Brennkraftmaschine mit dieser vollständigen
Kühlung, d.h. Kühlung der gesamten Ladeluftmenge, bei diesem Drehzahlwert eLwa ein
Drehmoment abgibt, das gleich dem maximalen Drehmoment bei Aufladung ohne Ladeluftkühlung
(Kurve b) ist.
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ei Teillastbetrieb mit eingeschaltetem Lader, aber höheren Drehzahlen
ergeben sich die in Fig. 3 dargestellten Verhältnisse: Der Lader 4 ist nach wie
vor angetrieben, aber der Ladeluftkühler 7, dessen Gebläse 8 ausgeschal-Let ist,
wird von der gelieferten Ladeluft durch den jetzt durchgeschalteten Bypass 9 umströmt,
so daß überhaupt keine Ladeluftkühlung erfolgt. Dieser Bereich ist in den Fig. 5
und 6 mit III bezeichnet. Man erkennt, daß nach wie vor die Drosselklappe 2 geöffnet
ist und demgemäß die Leistungssteuerung durch die Umluftklappe 12 erfolgt. Die Umluftklappe
10 ist voll geöffnet.
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Daß hierdurch gemäß Fig. 5 im Drehzahlbereich III Drehmomentverluste
in (;e;I ilt der Differenzen -wisclieri den Kurven c und b auftreten, ist aus wirtschaftlichen
Gründen zu rechtfertigen, da ein entsprechender Drehmomentgewinn bei mechanisch
durch die Brennkraftmaschine angetriebenen Ladern mit einem unwirtschaftlichen Verbrauch
erkauft werden müßte.
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Verständlicherweise gibt es einen Übergangs-Drehzahlbereich 11 (Fig.
5 und 6), in dem eine teilweise Kühlung der Ladeluft erfolgt . Dies ist dann der
[al], wenn die Umluftklappe 10 den Bypass 9 teilweise freigibt, so daß ein @eil
der vom Lader 4 geförderten Ladeluft den Ladeluftkühler 7 durchströmt. Legt man
diesen Übergangsbereich II so, daß er bei einer Drehzahl n2 endet, , die etwa dem
Punkt maximalen Drehmoments entspricht, so ergibt sich zwischen den Drehzahlen nl
und n2 bei der erfindungsgemäßcn Anordnung die Kurve d, die die beiden durch die
Drehzahlen nl und n2 gekennzeichneten Punkte auf den Kurven c und b weitgehend horizontal
verlaufend verbindet.
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Damit können also Betriebspunkte zwischen den Kurven b und c eingestellt
werden. Dabei spielt ferner die Tatsache eine Rolle, daß der Lader 4 nicht unmittelbar,
sondern unter Zwischenschaltung des Vario-Getriebes 6 angetrieben wird, so daß eine
Angleichung bzw. Anpassung der Kennlinien von 1 @ader und Brennkraftmaschine erfolgen
kann. So ist es zweckmäßig, bei niedrigen Motordrehzahlen, also im Drehzahlbereich
I, den Lader mit einem maximalen Übersetzungsverhältnis imax anzutreiben, das am
Ende des Drehzahlbereichs III auf einen Minimalwert imin absinkt, also gegenläufig
zur Drehzahl verläuft.
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Dies wird später anhand Fig. 8 nochmals erläutert.
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Betrachtet man nun den Vollastbetrieb mit Lader, so ergeben sich bei
niedrigen Motordrehzahlen, also im Bereich I, die in Fig. 4 dargestellten Verhältnisse:
Der Ladeluftkühler 7 ist bei eingeschaltetem Gebläse 8 und in Sperrstellung befindlicher
Umluftklappe 10 wirksam, die -im Ladebetrieb das Leistungsstellglied bildende- weitere
Umluftklappe 12 sperrt den weiteren Bypass 13, so daß die gesamte vom Lader 4 gelieferte
1 Ladeluft durch den Ladeluftkühler 7 zum Saugrohr 1 mit der voll geöffneten Drosselklappe
2 strömt.
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Maßgebend ist in Fig. 5 also der links von der Drehzahl nl liegendc
Tcil der Kurve c.
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Bei höheren Motordrehzahlen (Drehzahlbereich II) ist dagegen die Umluftklappe
10 teilweise geöffnet bzw. im Drehzahlbereich III vollständig geöffnet, so daß nur
eine teilweise Kühlung der Ladeluft entsprechend den Verhältnissen in Fig. 2 bzw.
überhaupt keine Kühlung entsprechend den Verhältnissen in Fig. 3 erfolgt.
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Diese Verhältnisse sind in Form von Diagrammen in den Fig. 7 und 8
nochmals dargestellt, und zwar bei konstanten Drehzahlen in den Bereichen I und
II in Fig. 7, dagegen bei Vollast-Ladebetrieb und bei veränderlicher Drehzahl in
Fig. 8. Auf den Abszissen sind die Drosselklappenstellung 2', die Stellung 12' der
Umluftklappe 12, die Stellung 10' der Umluftklappe 10, der Zustand 8' des @adeluftgebläses
8 sowie das Überset/ungsverhältnis i des Getriebes 6 aufgetragen. Die Linie a' in
Fig. 7 entspricht dem der vorliegenden Drehzahl zugeordneten Arbeitspunkt auf der
Kurve a in Fig. 5, so daß in Fig. 7 links der Linie a' Saugbetrieb, dagegen rechts
davon Ladebetrieb vorliegt.
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Dic konstruktive Ausbildung von drehzahl- bzw. lastabhängigen Ansteuerungen
für Klappen bereitet dem Fachmann keine Schwierigkeiten, so daß entsprechende Konstruktionen
nicht angegeben zu werden brauchen.
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Die Erfindung ermöglicht die Verwendung eines klein dimensionierten
Ladeluftkühlers, ohne daß eine Beeinträchtigung der Betriebsweise der aufgeladenen
Brennkraftmaschine in Kauf genommen werden muß. Die durch die begrenzte Ladeluftkühlung
auftretende Verringerung der Drehmomente der Brennkraftmaschine gegenüber einer
vollständigen Ladeluftkühlung ist bei einem mechanisch angetriebenen Lader praktisch
bedeutungslos, da im Bereich niedriger Drehzahl, d.h. dort, wo beispielsweise zum
Beschleunigen hohe Drehmomente erforderlich sind, auch hohe Drehmomente zur Verfügung
gestellt werden.
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L e e r s e i t e