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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Superlader für einen
Verbrennungsmotor. Ein Verbrennungsmotor nach dem einleitenden Teil
von Anspruch 1 ist aus
EP
0 312107A bekannt.
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Es
gibt viele Faktoren, die den Drehmomentausgang eines bestimmten
Verbrennungsmotors kennzeichnen, zum Beispiel das Hubvolumen in
Zylindern, die Zylinderkonfiguration, das Bohrung/Hub-Verhältnis, das
Verdichtungsverhältnis,
die Ventiltriebanordnung und die Einlass- und Auspuffanordnung.
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Motorentwickler "tunen" ständig Motoren, das
heißt,
stellen in dem Bemühen,
einen sparsameren Kraftstoffverbrauch und eine bessere Leistung
zu erzielen, diese und jene Parameter ein. Dies führt jedoch
in der Wahrnehmung des Lenkers nicht unbedingt zu einer höheren Leistungsfähigkeit
oder einem höheren
Drehmoment. Unter realen Fahrbedingungen ist das Motordrehmoment
für die
Wahrnehmung von Leistung (oder des Gefühls einer Leistung) für den Lenker
am wichtigsten, und insbesondere das Motordrehmoment, das bei geringen
Motordrehzahlen (U/min) abgegeben wird, zum Beispiel unter 3500 U/min
für eine
typische Personenkraftwagenanwendung mit geringer Beanspruchung.
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Aus
diesem Grund müsste
ein Motor so eingestellt werden, dass ein höheres Drehmoment bei geringeren
U/min erhalten wird, aber dies führt
für gewöhnlich zu
einem Verlust an Drehmoment bei höheren Motordrehzahlen, zum
Beispiel bei einer Motordrehzahl, die über etwa 3500 U/min liegt.
Dies ist insbesondere ein Problem bei Benzinmotoren geringer Kapazität, die auf
dem europäischen
Markt vorherrschen.
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Derselbe
Motor könnte
leicht "neueingestellt" werden, um dasselbe
Drehmoment jedoch bei viel höheren
Kurbelwellendrehzahlen abzugeben. Dies führt zu einer deutlich höheren Spitzenleistung,
allerdings auf Kosten des Drehmoments bei geringeren U/min. Obwohl
dies "sportliche" Lenker anspricht, wird
die Beschleunigungsleistung bei geringeren Motordrehzahlen verringert.
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Motordesigner
haben zahlreiche Techniken und Technologien in dem Versuch verwendet,
diesen traditionellen Kompromiss zu überwinden. Beispiele für solche
Systeme sind Ansaugsysteme variabler Geometrie, variable Nockenwellenzeitsteuerung
und variabler Ventilhub und variable Ventilzeitsteuerung. Alle diese
Methoden sind dazu bestimmt, mehr als einen Einstellungszustand
abhängig
von Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten.
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Eine
andere allgemein verwendete Technik ist die Abwendung von der Motoreinstellung
als Methode zur Erhöhung
der Leistung und statt dessen das Einpumpen von Luft in den Motor
mit Hilfe eines Turboladers oder Superladers. Eine solche Zwangseinleitung
führt im
Allgemeinen zu deutlichen Anstiegen im Drehmoment und in der Leistungsfähigkeit.
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Einige
Arten von Turboladern und Superladern (die hierin allgemein als "Verdichter" bezeichnet werden)
können
jedoch die Kosten eines Motors deutlich erhöhen, was eine besondere Hemmschwelle
für die
Verwendung eines Verdichters bei Motoren geringerer Kapazität in einem
sparsamen Auto darstellt. Da Turbolader durch Abgase angetrieben
werden, sind diese bei hohen Motordrehzahlen am nützlichsten
und tragen daher selbst nicht zur Lösung des Problems bei geringem
Drehmoment bei.
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Der
Begriff "Superlader" wird hierin zur
Bezeichnung von Verdichtern verwendet, die nicht vollständig von
Abgasen angetrieben werden. Für
gewöhnlich
werden Superlader durch eine mechanische Anordnung, zum Beispiel
einen Riemenantrieb, der mit der Motorkurbelwelle verbunden ist,
angetrieben. Eine solche mechanische Anordnung ist jedoch relativ
teuer und voluminös
in der Ausführung,
und bietet keine leichte Steuerung der Superladerdrehzahl durch
ein Motorsteuersystem.
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Es
sind auch elektrisch angetriebene Superlader bekannt, aber diese
verbrauchen große
Mengen an elektrischem Strom. Daher wurden solche elektrisch angetriebene
Superlader nicht allgemein in der Herstellung von Kraftfahrzeugen,
insbesondere von Kraftwägen,
verwendet.
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Obwohl
ein Luftverdichter das verfügbare maximale
Motordrehmoment deutlich verstärken kann,
geschieht dies für
gewöhnlich
auf Kosten eines weniger sparsamen Kraftstoffverbrauchs. Das, gemeinsam
mit den damit verbundenen Kosten für herkömmliche Verdichteranordnungen,
bedeutet, dass solche Verdichter für gewöhnlich nur bei teuren oder Hochleistungskraftfahrzeugen
verfügbar
sind.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten und
wirtschaftlichen Verbrennungsmotorverdichter bereitzustellen, mit
dem auf diese Probleme eingegangen wird, und der besonders bei Motoren
geringerer Kapazität
nützlich
ist.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verbrennungsmotor bereitgestellt, umfassend: eine oder mehr
Verbrennungskammern; einen Lufteinlass für die Ansaugung in die Verbrennungskammern;
eine Drosselklappe in dem Lufteinlass, die zur Regulierung der Ansaugung
in die Verbrennungskammern eingestellt werden kann; ein Kraftstoffabgabesystem zum
Zuleiten von Kraftstoff zu den Verbrennungskammern; einen Luftverdichter
zur Unterstützung
der Ansaugung in die Verbrennungskammern und somit des Motordrehmomentausganges
durch Verdichten von Luft in dem Lufteinlass; einen Verdichterantrieb zum
Zuführen
von Energie zum Betreiben des Luftverdichters; und ein Motorsteuersystem
zum Steuern des Motordrehmomentausganges abhängig von einem Motordrehmomentbedarf;
wobei der Motor so eingestellt ist, dass er sein Spitzendrehmoment
nur mit Selbstansaugung bei einer Spitzendrehmoment-Motordrehzahl
erzeugt, die über
einer Leerlaufdrehzahl und unter einer maximalen Nennmotordrehzahl
liegt, wobei der Verdichterantrieb einen Elektromotor unter der
Steuerung des Motorsteuersystems enthält; dadurch gekennzeichnet,
dass das Motorsteuersystem auf den Drehmomentbedarf und die Motordrehzahl
anspricht, um den Motor selektiv in einem von mehreren Betriebsmoden
zu betreiben, umfassend:
- a) einen Selbstansaugungsmodus,
der bei jeder Motordrehzahl verfügbar
ist; in dem der Luftverdichter effektiv abgeschaltet ist und das
Motorsteuersystem das Motordrehmoment durch Anpassung der Drosselklappeneinstellung
steuert; und
- b) einen drehmomentverstärkten
Modus, der nur verfügbar
ist, wenn die Motordrehzahl unter einer vorbestimmten Motordrehzahl
N liegt und der Motordrehmomentbedarf unter Verwendung der Selbstansaugung
nicht erfüllt
werden kann, wobei die Drosselklappeneinstellung bei einer maximalen
Einstellung gehalten wird und das Motorsteuersystem den Elektromotor
steuert, um ein unterstütztes
Ansaugen bei einem Wert bereitzustellen, der notwendig ist, damit
der Motor das erforderliche Drehmoment erreicht, wobei N bei oder nahe
bei der Spitzenmotordrehmoment-Motordrehzahl für den Motor im Selbstansaugungsmodus
liegt.
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Das
Spitzendrehmoment mit unterstütztem Ansaugen
kann dann sowohl höher
sein als auch bei einer geringeren Motordrehzahl erreicht werden
als das Spitzendrehmoment bei der Selbstansaugung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Drehzahl, bei welcher der Motordrehmomentausgang
nur mit Selbstansaugung den Höchstwert
erreicht, eine mäßig hohe
Motordrehzahl. Dies ist besonders bei einem Motor geringer Kapazität für einen
Kraftwagen vorteilhaft, der dann für einen höheren maximalen Drehmomentausgang
bei mäßigen und/oder
mäßig hohen
Motordrehzahlen eingestellt werden kann, auf Kosten eines maximalen Drehmomentausgangs
bei geringen Motordrehzahlen. Die Drehmomentverstärkung, die
von dem Verdichter bereitgestellt wird, ist dann unterhalb der hohen
Motordrehzahlen verfügbar,
insbesondere bei geringen und mäßigen Motordrehzahlen,
sobald das vom Lenker geforderte Drehmoment jenes übersteigt,
der bei einer weit geöffneten
Drosselklappe verfügbar
ist. Der Motor wird daher auf kraftstoffeffiziente Weise betrieben,
wenn der Motordrehmomentbedarf unter dem Maximum liegt, das bei
einer Selbstansaugung verfügbar
ist. Wenn der Motordrehmomentbedarf bei oder über diesem Wert liegt, ist
die Drosselklappeneinstellung eine maximale Einstellung und der
Verdichter wird aktiviert und derart gesteuert, dass der Motordrehmomentausgang
nicht durch die Änderung
der Einstellung der Drosselklappe, sondern wenigstens teilweise
durch Steuerung der Menge an verdichteter Luft, die in die Verbrennungskammern
angesaugt wird, gesteuert wird. Die Kraftstoffzufuhr wird auch normalerweise
in Verbindung mit der Luftzufuhr gesteuert.
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Die
Kraftstoffeffizienz wird verbessert und der Batterie/Alternator-Energieverbrauch
wird verringert, da der Verdichter erst eingeschaltet wird, nachdem
der Motordrehmomentbedarf sich dem maximalen, nicht verstärkten Motordrehmomentausgang
bei dieser Motordrehzahl stark genähert oder diesen erreicht hat.
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Der
Verdichter wird dann angetrieben, wenn der Motordrehmomentbedarf
nur durch Selbstansaugung nicht erfüllt werden kann, und wird deaktiviert, wenn
der Motordrehmomentbedarf nur durch Selbstansaugung erfüllt werden
kann. Die Motoransaugung ist normal, wenn der Verdichter nicht eingeschaltet ist.
Der Motor kann eine Luftumführung über den
Verdichter umfassen. Die Menge an verdichteter Luft kann dann wenigstens
teilweise durch Steuern der Luftmenge, die den Verdichter umgeht,
gesteuert werden. Es ist jedoch vorteilhaft, die Luft vorwiegend über die
Menge an elektrischem Strom zu steuern, die dem Elektromotor zugeführt wird,
so dass die Menge an elektrischem Strom, die vom Elektromotor verbraucht
wird, minimiert werden kann. Dies ist besonders wichtig, wenn der
Motor ein Ladesystem hat, das nicht imstande ist, dem Elektromotor
kontinuierlich elektrischen Strom zuzuführen, wie dies der Fall ist,
wenn nicht teure Modifizierungen an dem Fahrzeugladesystem und seiner
Speicherbatterie vorgenommen werden.
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Zusätzlich oder
als Alternative kann der Verdichter einstellbare aerodynamische
Elemente enthalten, wie einstellbare Laufradflügel. Die Menge an verdichteter
Luft kann dann durch Einstellen der aerodynamischen Elemente zur
Steuerung der Luftmenge, die von dem Verdichter verdichtet wird,
gesteuert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Verdichterantrieb imstande, den Verdichter über einen
Bereich von Verdichterdrehzahlen anzutreiben, wobei die Luftmenge,
die in die Verbrennungskammern angesaugt wird, von der Verdichterdrehzahl
abhängig
ist.
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Da
der Verdichterantrieb ein elektrisch betriebener Motor ist, kann
die Leistung und somit Drehzahl eines solchen Elektromotors einfach
durch geeignete Steuerelektronik gesteuert werden, die für eine präzise und
ausreichend schnelle Steuerung des Ausgangsdrehmoments über jenes
hinaus sorgt, das nur mit einer Selbstansaugung erreichbar ist.
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Der
Motor enthält
normalerweise ein Kraftstoffabgabesystem, durch das die Kraftstoffmenge, die
in die Verbrennungskammern gelangt, gesteuert werden kann. Der Motordrehmomentausgang
hängt dann
wenigstens teilweise von der Kraftstoffmenge ab, die an die Verbrennungskammern
abgegeben wird. Es kann dann ein Sensor bereitgestellt werden, der
die Zusammensetzung von Abgasen von den Verbrennungskammern erfasst.
Dies ist nützlich,
da das Motorsteuersystem dann so aufgebaut werden kann, dass es
das Kraftstoffabgabesystem abhängig von
einem Ausgang steuert, der von dem Sensor empfangen wird und die
Zusammensetzung des Abgases anzeigt. Das Motorsteuersystem spricht
dann auf die erfasste Zusammensetzung des Abgases an, um die Menge
an verdichteter Luft und/oder die Menge an abgegebenem Kraftstoff
zu steuern.
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Der
Verbrennungsmotor kann ein Hubkolben-Verbrennungsmotor sein. Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff "mäßig" in Bezug auf die Motordrehzahl eine
Motordrehzahl bei oder nahe dem mittleren Bereich von Motordrehzahlen,
zwischen einer Leerlauf-Motordrehzahl und einer maximalen Nennmotordrehzahl. Vorzugsweise
ist der Motor so eingestellt, dass die mäßige Drehzahl sich über eine
obere Hälfte
des Motordrehzahlbereichs erstreckt.
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Vorzugsweise
ist der Motor so eingestellt, dass das Drehmoment in einem oberen
Ende der mäßigen Motordrehzahl
ohne Verdichterverstärkung optimiert
ist, selbst wenn das einen Verlust an Motordrehmoment bei mäßigen oder
geringen Motordrehzahlen bedeutet. Die Verdichterverstärkung kann dann
nur bei solchen mäßigen und
geringen Motordrehzahlen verwendet werden, um eine zusätzliche Motorleistung
und zusätzliches
Drehmoment bei diesen Motordrehzahlen bereitzustellen.
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Die
Motorsteuerung ermöglicht
die Verwendung des Verdichterantriebs wenn die Motordrehzahl relativ
gering oder mäßig ist,
und sperrt die Verwendung des Verdichters, wenn die Motordrehzahl
relativ hoch ist. Dadurch werden übermäßige Anforderungen an die Stromversorgung
des Elektromotors vermieden.
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Es
hat sich gezeigt, dass der Elektromotor und seine Stromversorgung
und Steuerungen ein kritischer Faktor für den erfolgreichen Betrieb
eines Motors sind, der die Erfindung verkörpert. Für eine rasche Reaktion auf
einen Anstieg im vom Lenker geforderten Drehmoment (Niederdrücken des
Gaspedals) muss der Motor imstande sein, rasch auf die erforderliche
Drehzahl zu beschleunigen, die 70 000 U/min oder höher sein
kann. Dies erfordert eine geringe Trägheit der Motorkomponenten
und hohe Ströme
(insbesondere, wenn der Motoreinbau ein 12 Volt Gleichstromsystem
benötigt).
Kompakte Komponenten mit hohen Stromdichten führen zu Wärmemanagement- und Haltbarkeitsproblemen.
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Wenn
der Motor ein Hubkolbenmotor in einem Kraftwagen ist, ist die mäßige Drehzahl
vorzugsweise wenigstens etwa 3500 U/min und kann bis zu etwa 5500
U/min betragen. Dadurch kann der Motor, insbesondere wenn er ein
Motor relativ geringer Kapazität
mit weniger als etwa 1,8 Liter Kapazität ist, so eingestellt werden,
dass sein maximales Drehmoment im Bereich von etwa 5500 U/min bereitgestellt wird,
was eine relative hohe Drehzahl für einen solchen Motor ist.
Dies trägt
dazu bei, einen guten sparsamen Kraftstoffverbrauch bei Teillast
durch den Einbau eines Motors geringerer Kapazität zu erreichen. Die daraus
folgende Abnahme im Drehmoment bei geringeren U/min würde der
Lenker selbst während eines
mäßigen Fahrens
erkennen, insbesondere wenn der Lenker bei geringen U/min rasch
beschleunigen muss, wobei aber das geringere Drehmoment durch die
Verwendung des Verdichters verstärkt
werden kann. Da der Verdichter bei relativ hohen U/min nicht arbeiten
darf, wird der sparsame Kraftstoffverbrauch bei solchen Drehzahlen
beibehalten und eine übermäßige Stromentnahme
vermieden. Die Erfindung bietet auch den Vorteil, die maximale Fahrzeugdrehzahl
nicht zu erhöhen,
da sie den Spitzenmotorleistungsausgang nicht erhöht, der
für die
meisten Fahrzeugtypen in den meisten Ländern normalerweise in jedem
Fall deutlich über
den nationalen Geschwindigkeitsbeschränkungen liegt. Dies bietet
einen Sicherheitsvorteil und kann für das Fahrzeug eine geringere
Versicherungseinstufung bedeuten, insbesondere für jüngere Lenker. Gleichzeit sorgt
die Erfindung für
eine gute Beschleunigung bei geringen Motordrehzahlen, die unter
vielen Umständen
ein Sicherheitsmerkmal sein kann.
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Wenn
der Motor vom Hubkolbentyp ist, sind bei dem Motor zahlreiche Ansaug-/Auslassventile angeordnet,
um zu vorbestimmten Zeitpunkten im Motorzyklus zu arbeiten. Wegen
der Leistungsverstärkung,
die durch den Verdichter bereitgestellt wird, kann daher die Zeitsteuerung
des Ventilbetriebs unveränderlich
sein. Dies trägt
dazu bei, unnötige
Kosten bei der Konstruktion und Wartung des Motors zu vermeiden.
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Im
Allgemeinen ist es wünschenswert,
wenn das Motorsteuersystem einen Übergangsmodus bereitstellt,
in dem die Verwendung des Verdichters im Bereich des Spitzendrehmoments
nur mit Selbstansaugung progressiv gesperrt wird. Diese Nähe kann einen
Motordrehzahlbereich etwas über
der mäßigen Drehzahl
enthalten. Das Motorsteuersystem kann tatsächlich die Verwendung des Verdichters über der mäßigen Motordrehzahl
sperren, aber vorzugsweise findet eine Sperre der Verwendung des
Verdichters deutlich unter der hohen Motordrehzahl statt.
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Eine
andere Art dies auszudrücken
ist, dass die Verdichterdrehmomentverstärkung den Motorleistungsausgang über der
mäßigen Motordrehzahl nicht
deutlich erhöht.
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Gemäß der Erfindung
wird auch ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, umfassend ein Gaspedal, das
von dem Lenker bewegbar ist, und einen Verbrennungsmotor, wobei
der Verbrennungsmotor wie zuvor beschrieben gemäß der Erfindung ist, wobei der
Motordrehmomentbedarf wenigstens teilweise durch die Position des
Gaspedals eingestellt wird.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors
bereit, wobei der Motor umfasst: eine oder mehr Verbrennungskammern;
einen Lufteinlass für
die Ansaugung in die Verbrennungskammern; eine Drosselklappe in
dem Lufteinlass, die zur Regulierung der Ansaugung in die Verbrennungskammern
eingestellt werden kann; ein Kraftstoffabgabesystem zum Zuleiten
von Kraftstoff zu den Verbrennungskammem; einen Luftverdichter in
dem Lufteinlass zur Unterstützung
der Ansaugung in die Verbrennungskammern und somit des Motordrehmomentausganges
durch Verdichten von Luft in dem Lufteinlass; einen Verdichterantrieb
zum Zuführen
von Energie zum Betreiben des Luftverdichters; und ein Motorsteuersystem
zum Steuern des Motordrehmomentausganges abhängig von einem Motordrehmomentbedarf,
wobei der Motor so eingestellt ist, dass er sein Spitzendrehmoment
nur mit Selbstansaugung bei einer Spitzendrehmoment-Motordrehzahl erzeugt,
die über
einer Leerlaufdrehzahl und unter einer maximalen Nennmotordrehzahl
liegt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- i) Bereitstellen eines Elektromotors zum Antreiben des Verdichters;
gekennzeichnet durch
- ii) Verwenden des Motorsteuersystems zum selektiven Betreiben
des Motors in einem von mehreren Betriebsmoden als Reaktion auf
einen Drehmomentbedarf und eine Motordrehzahl, umfassend:
- a) einen Selbstansaugungsmodus, der bei jeder Motordrehzahl
verfügbar
ist, in dem der Luftverdichter effektiv abgeschaltet ist und das
Motorsteuersystem das Motordrehmoment durch Anpassung der Drosselklappeneinstellung
steuert; und
- b) einen drehmomentverstärkten
Modus, der nur verfügbar
ist, wenn die Motordrehzahl unter einer vorbestimmten Motordrehzahl
N liegt und der Motordrehmomentbedarf unter Verwendung der Selbstansaugung
nicht erfüllt
werden kann, wobei die Drosselklappeneinstellung bei einer maximalen
Einstellung gehalten wird und das Motorsteuersystem den Elektromotor
steuert, um ein unterstütztes
Ansaugen bei einem Wert bereitzustellen, der notwendig ist, damit
der Motor das erforderliche Drehmoment erreicht, wobei N bei oder nahe
bei der Spitzenmotordrehmoment-Motordrehzahl für den Motor im Selbstansaugungsmodus
liegt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beispielhaft näher
beschrieben werden, wobei:
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1 ein
schematisches Diagramm eines Kraftfahrzeuges mit einem 1,4 Liter
Vierzylindermotorsystem ist, mit einer Luftansaugvorrichtung gemäß der Erfindung,
die einen elektrisch angetriebenen Ansaugverdichter enthält;
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2 eine
Graphik ist, die das Motordrehmoment gegenüber der Motordrehzahl für den 1,4
Liter Motor von 1 bei Selbstansaugung zeigt,
der entweder auf ein maximales Drehmoment bei einer geringen mäßigen Motordrehzahl
oder auf ein maximales Motordrehmoment bei einer höheren mäßigen Motordrehzahl
eingestellt ist;
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3 eine
Graphik ähnlich
jener von 2 ist, die auch die Wirkung
auf den Motordrehmomentzusgang bei dem Motor von 1 zeigt,
wenn der Ansaugverdichter verwendet wird;
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4 eine
Graphik ist, welche die Motorverdichter-Drehmomentverstärkung gegenüber dem vom
Lenker geforderten Drosselklappenwinkel für den Motor von 1 zeigt;
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5 eine
Graphik des Verdichterbedarfs gegenüber dem vom Lenker geforderten
Drosselklappenwinkel für
den Motor von 1 ist;
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6 eine
perspektivische Ansicht der Luftansaugvorrichtung ist, die bei dem
Motor von 1 verwendet wird;
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7 eine
in Einzelteile aufgelöste
Ansicht eines Gehäuses
und der inneren Komponenten ist, welche die Luftansaugvorrichtung
von 6 bilden;
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8 eine
Draufsicht von oben auf die Luftansaugvorrichtung von 7 ist,
die zwei getrennte, entfernbare Abdeckplatten an den oberen Oberflächen des
Gehäuses
zeigt;
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9 eine
Draufsicht von oben auf die Luftansaugvorrichtung ähnlich jener
von 8 ist, wobei aber die zwei Abdeckplatten entfernt
und in dem Gehäuse
keine Komponenten vorhanden sind;
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10 eine
perspektivische Ansicht des leeren Gehäuses von 9 ist;
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11 eine
perspektivische Ansicht eines Teils des Gehäuses ist, wobei eine Abdeckplatte
entfernt ist, um den Verdichter in dem Gehäuse zu zeigen, und ein Luftauslassrohr
von dem Verdichter durch eine Luftverteilerkammer zu einem Luftauslass von
dem Gehäuse
verläuft;
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12 eine
andere perspektivische Ansicht des in 11 dargestellten
Teils des Gehäuses
ist, mit Blick in den Luftauslass, um die Anordnung des Luftauslassrohres
in Bezug auf den Luftauslass und die Verteilerkammer zu zeigen;
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13 eine
perspektivische Ansicht von unterhalb eines Abschnittes einer Teilungsplatte
ist, die den Luftverdichter und die Luftverteilerkammer von 11 und 12 bedeckt,
die ein Luftklappenventil in der Verteilerplatte in einer geschlossenen
Position zeigt; und
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14 eine
perspektivische Ansicht ähnlich jener
von 13 ist, wobei das Luftklappenventil entfernt ist,
um ein Luftgitter durch die Teilungsplatte zu zeigen, durch das
umgeleitete Luft in die Verteilerkammer zu dem Gehäuseluftauslass
strömt. 1 zeigt
schematisch einen Teil eines Kraftfahrzeuges 7 mit einem
supergeladenen Hubkolben-Verbrennungsmotor 1, mit vier
Reihenzylindern 2, einem Luftansaugkrümmer 4, und einem
Auspuffkrümmer 6,
der zu beziehungsweise von jedem der Zylinder 2 weg führt, und
einem Kraftstoffeinspritzsystem 8 zum Zuleiten von Kraftstoff
zu den Zylindern 2 in einer in der Technik gut bekannten
Weise. Ein Verdichter, hier ein elektrisch betriebener Superlader 10,
ist stromaufwärts
des Ansaugkrümmers 4 bereitgestellt.
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Luft
strömt
durch den Superlader 10, wenn dieser arbeitet, oder wenn
der Superlader ausgeschaltet ist, durch eine Luftumleitung 12 parallel
zu dem Superlader 10 zu dem Ansaugkrümmer 4. Luft wird über einen
Einlassluftpfad 3 zu dem Superlader 10 und/oder
der Umleitung 12 geleitet.
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Die
Luftumleitung 12 hat ein Luftventil 13, das sich
automatisch öffnet,
um einströmende
Luft 5 um den Superlader umzuleiten, wenn der Superladerluftstrom 15 unzureichend
ist, um die Motorzylinder 2 mit Luft zu laden. Die Luftversorgung
zu dem Motor 1 wird dann durch die Einstellung einer Drosselklappe 17 stromabwärts des
Superladers 10 und der Umleitung 12 sowie durch
die Aktivierung des Superladers 10 eingestellt. Wenn der
Superlader 10 nicht aktiviert ist, ist der Motor 1 normal
saugend, und wenn der Superlader 10 aktiviert ist, ist
der Luftstrom zu dem Motor erhöht.
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Der
Superlader wird nur durch einen geschalteten Reluktanzmotor (M) 14,
der von einer 12 Volt Blei-Säure-Batterie 16 gespeist
wird, und einem riemenbetriebenen Alternator (nicht dargestellt)
angetrieben. Die Batterie hat einen Nennstrom, der etwa 30 A höher ist,
als normalerweise für
ein Massenfabrikat eines Vierzylindermotor-Kraftwagens spezifiziert
ist. Die Batterie 16 speist nicht nur den Superlader, sondern
sorgt auch für
das Starten des Fahrzeuges, die Beleuchtung und Zündung. Wie durch 1 gezeigt
wird, liegt die Batterie 16 auch in dem Luftversorgungspfad 3,
so dass einströmende Luft
um die Batterie 16 strömt.
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In
dem Luftversorgungspfad 3 ist ein Luftfilter 9 stromabwärts der
Batterie 16 und stromaufwärts des Superladers 10 und
der Luftumleitung 12 bereitgestellt. Wie in der Folge ausführlicher
erklärt
wird, sind die Batterie 16, der Filter 9, der
Superlader 10 und die Luftumleitung 12 alle in
einem hohlen Gehäuse 50 untergebracht.
Der Fahrzeuglenker (nicht dargestellt) kann die Motorleistung über eine
bewegbare Gaspedalvorrichtung 18 steuern, die ein elektrisches Signal 20 zu
einer Motorsteuereinheit ("engine
control unit" – ECU 22 leitet.
Die Motorsteuereinheit empfängt
eine Reihe von Eingangssignalen, die die Motor- und Fahrzeugbetriebsparameter
anzeigen, einschließlich
eines Motordrehzahlsignals 24 von einem Motordrehzahlsensor 26.
Die Motorsteuereinheit 22 berechnet aus den verschiedenen
Eingangssignalen einen Motordrehmomentbedarf und stellt eine Reihe von
Ausgangssignalen zur Steuerung verschiedener Fahrzeug- und Motorbetriebsparameter
bereit, einschließlich
eines Kraftstoffeinspritzungssteuersignals 28, eines Drosselklappensteuersignals 36 und
eines Superladermotorsteuersignals 42. Der Motordrehmomentbedarf
wird daher wenigstens teilweise durch die Position des Gaspedals
eingestellt.
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Wenn
der Lenker, wie in der Folge ausführlicher erklärt wird,
das Gaspedal bewegt, um ein Motordrehmoment über jenem anzufordern, das
von dem Motor 1 bei einer Selbstansaugung abgegeben werden
kann, bewegt sich die Drosselklappe 17 in eine Maximaleinstellung,
so dass das maximale Luftvolumen in die Zylinder strömen kann,
und die Motorsteuereinheit 22 aktiviert dann den Superladermotor 14 bei
gewissen mäßigen oder
geringen Motordrehzahlen, nicht aber bei hohen Motordrehzahlen.
Danach wird der verstärkte
Motordrehmomentausgang durch die Superladerdrehzahl und die Kraftstoffmenge,
die den Zylindern zugeführt
wird, gesteuert. Wenn der Motor ein Einspritzmotor ist, kann die
Motorsteuereinheit 22 die Menge an eingespritztem Kraftstoff
durch elektrische Steuerung der Injektoren steuern.
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Vorzugsweise
enthält
der Motor einen Abgassensor 31 zur Überwachung der Motorverbrennungsbedingungen.
Der Sensor 31 kann ein Abgassauerstoffsensor ("exhaust gas oxygen
sensor" – EGO-Sensor)
sein. Dieser kann zur Bestimmung verwendet werden, ob der Motor
mager oder fett läuft. Die
Motorsteuereinheit 22 stellt zunächst sowohl die Superladerdrehzahl
als auch die abgegebene Kraftstoffmenge entsprechend dem aktuellen
Drehmomentbedarf ein. Die Motorsteuereinheit überwacht den Ausgang vom Sensor 31 und
stellt dann die Superladerdrehzahl und/oder die abgegebene Kraftstoffmenge
ein, um einen entsprechenden Zustand an fettem oder magerem Motorbetrieb
zu erreichen.
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2 zeigt
eine Graphik eines Motordrehmoments gegenüber der Motordrehzahl für einen herkömmlichen
Vierzylinder-Reihenmotor, wie zuvor beschrieben, aber ohne Superladung.
Wie aus der Kurve 30 von 2 erkennbar
ist, kann der Motor so eingestellt werden, dass er eine gute Leistung
bei mäßig hohen
Motordrehzahlen liefert ("Power-Tuning"), aber auf Kosten
des Drehmoments am unteren Ende.
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Als
Alternative, wie durch die Kurve 32 dargestellt ist, kann
der Motor so eingestellt werden, dass er ein gutes Drehmoment bei
geringen und mäßigen Motordrehzahlen
liefert ("Drehmoment-Tuning"), aber auf Kosten
der Leistung am oberen Ende. Während
Das "Power-Tuning" den sportlichen Lenker
anspricht, ist das Maß an
Zufriedenheit bei den meisten Autobesitzern geringer. Die Forderung, ein
gutes, reales "Leistungsgefühl" zu vermitteln, führt üblicherweise
zu einem Motordrehmomentausgang, wie in der "Drehmoment-Tuning"-Kurve dargestellt, bei dem das Drehmoment
bei hohen Motordrehzahlen verringert ist, um einen Drehmomentausgang
unter 3500 U/min zu verbessern. Obwohl eine Motoruntersetzung gewählt werden
kann, um unerwünschte
Eigenschaften zu minimieren, sind in der Praxis herkömmliche
Motoren so eingestellt, dass ein Kompromiss erreicht wird.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird in der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ein Motor relativ geringer Kapazität, zum Beispiel mit einer Kapazität unter
etwa 1,8 Liter, so eingestellt, dass er eine gute Leistung bei hohen
U/min liefert, auf Kosten des Drehmoments bei geringer Motordrehzahl,
wie durch die Kurve 30 dargestellt ist. Ein begleitender Effekt
ist ein sehr sparsamer Kraftstoffverbrauch bei konstanten Autobahngeschwindigkeiten,
da weitere Drosselklappenöffnungen
verwendet werden müssen,
um die konstante Geschwindigkeit zu erreichen. Wie aus Kurve 34 erkennbar
ist, wird dann eine Erhöhung
des maximalen Drehmoments mit einer Superlader-Drehmomentverstärkung (oder
Motorleistungsverstärkung
als Äquivalent)
bereitgestellt, wenn der Lenker Leistung über jener verlangt, die von
einem Motor mit Selbstansaugung erhältlich ist, wie durch die Kurve
mit Superlader-Verstärkung ("supercharger boost") "SCB" dargestellt ist.
Die Verstärkung
wird unter der Steuerung der Motorsteuereinheit 22 nur
im Bereich geringer 38 und mäßiger Motordrehzahlen 33 zur
Verfügung
gestellt und wird progressiv begrenzt, um bei Punkt 35 sanft
in eine Motorleistung ohne Verdichterdrehmomentverstärkung im
Bereich höherer
Motordrehzahlen 37 überzugehen.
Dies erfolgt durch progressive Beschränkung der maximal zulässigen Superladerverstärkung nahe
einem Übergangspunkt 40,
der in diesem Beispiel bei dem maximalen, unverstärkten Motordrehmoment
angenommen wird. Es ist jedoch möglich,
entweder über
diesen oder unter diesen Punkt abzuweichen, obwohl eine zu große Abweichung
unter diesen Punkt (in diesem Beispiel unter etwa 3500 U/min) die
möglichen Vorteile
verringert, die durch den Superlader bereitgestellt werden, und
eine zu große
Abweichung über diesen
Punkt (in diesem Beispiel über
etwa 5750 U/min) zu einem übermäßigen Drehmoment
in einem Bereich des Motorbetriebs führt, wo dieses unter den meisten
Fahrbedingungen nicht erforderlich oder vom Standpunkt des sparsamen
Kraftstoffverbrauchs nicht erwünscht
ist.
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Somit
ermöglicht
die Motorsteuerung die Verwendung des Verdichterantriebs nur in
einer solchen Weise, dass der Motordrehmomentausgang mit der Verdichterdrehmomentverstärkung in
dem Bereich der mäßigen Motordrehzahl
seinen Höchstwert erreicht.
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Die
verstärkte
Drehmomentkurve könnte
jedoch in einem Bereich geringerer Motordrehzahlen 38 sanft
in die unverstärkte
Drehmomentkurve 30 übergehen,
wie durch die gestrichelte Linie 39 dargestellt ist.
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4 zeigt
eine Graphik einer Motordrehmoment-Superladerverstärkung gegenüber einem vom
Lenker geforderten Drosselklappenwinkel zwischen 0° und 90°. Die diagonalen
geraden Linien in der Graphik sind mit Motordrehzahl in U/min zwischen
1250 U/min und 5400 U/min beschriftet. Die vertikale Skala entspricht
dem Unterschied im Drehmoment in 3 zwischen
der verstärkten
Drehmomentkurve 34 und der unverstärkten Drehmomentkurve 30.
Bei maximalem Drosselklappenwinkel von 90° ist die Motordrehmoment-Superladerverstärkung der
in 3 dargestellte Maximalwert. Wenn der geforderte
Drosselklappenwinkel von 90° abnimmt,
gilt dies auch für
die Motordrehmoment-Superladerverstärkung, bis diese auf eine Nullverstärkung abnimmt,
entsprechend der Kurve 30 von 3.
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Wie
aus 4 erkennbar ist, wenn die Motordrehzahl auf den Übergangspunkt 35 von 3 steigt,
nimmt die Neigung der Motordrehmoment-Superladerverstärkungskurve
ab, bis beim Übergangspunkt 35 keine
Motordrehmoment-Superladerverstärkung
vorhanden ist. Dies zeigt graphisch das progressive Ausschalten
der Superladerverstärkung.
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5 zeigt
den Betrieb des Superladers in anderer Weise, wobei der Verdichterbedarf
gegen den vom Lenker geforderten "Drosselklappenwinkel" zwischen 0° und 90° eingezeichnet ist. Außer bei
hohen Motordrehzahlen, wenn der Betrieb des Superladers abgeschaltet
ist, entspricht der Lenker-"Drosselklappenwinkel" nicht dem tatsächlichen
Winkel der Drosselklappe 17. Bei Motordrehzahlen, bei welchen der
Superladerbetrieb zugelassen ist, erreicht der tatsächliche
Drosselklappenwinkel 90° (d.h.,
die maximale Einstellung), bevor der Lenker-"Drosselklappenwinkel" 90° erreicht.
Während
der Lenker-Drosselklappenwinkel auf 90° steigt, bleibt danach der tatsächliche
Drosselklappenwinkel bei der Maximaleinstellung und der verstärkte Motordrehmomentausgang
wird durch die Menge an elektrischem Strom gesteuert, die dem Superladermotor
zugeführt
wird, in Verbindung mit einer entsprechenden Kraftstoffmenge, die
an die Zylinder abgegeben wird.
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Die
verschiedenen Linien in 5 sind mit der Motordrehzahl
in U/min beschriftet. Der Verdichterbedarf ist gleich dem elektrischen
Strom, der dem Superladermotor 14 zugeführt wird. Die Kurven beginnen
bei einem Verdichterbedarf von etwa 0,2, wobei bei diesem Punkt
die Luft, die durch den Superlader zugeführt wird, beginnt, einen nennenswerten
Effekt auf das Motordrehmoment zu haben. Wie aus 5 erkennbar
ist, steigt mit zunehmender Motordrehzahl der Mindestverdichterbedarf
der für
eine nennenswerte Verstärkung
des Drehmoments erforderlich ist. Dies ist auf den erhöhten Luftstrom
zu dem Ansaugkrümmer 4 bei
steigernder Motordrehzahl zurückzuführen. 6 bis 14 zeigen
alle detaillierte Ansichten der Luftansaugvorrichtung gemäß der Erfindung. 6 zeigt
eine äußere perspektivische
Ansicht des Einheitsgehäuses 50,
das die Batterie 16, den Filter 9, den Verdichter 10 und
die Luftumleitung 12 enthält. Der Luftversorgungspfad 3 durch
das Einheitsgehäuse 50 beginnt
bei einem Lufteinlass 52 in einem unteren Abschnitt des
Gehäuses 50 und
endet bei einem Luftauslass 54 auf einer höheren Ebene
in dem Gehäuse 50.
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Das
Gehäuse 50 enthält das Bateriefach 56 und
das Superladerfach 58. Jedes Fach 56, 58 hat eine
entsprechende Abdeckplatte 60, 62, die durch Schrauben 64 entfernbar
an einer Einheitsgehäusebasis 66 befestigt
ist, die einen unteren Teil des Gehäuses 50 bildet.
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Die
Batteriefachabdeckplatte 60 hat zwei Öffnungen 61, 63,
durch die ein Paar Batterieanschlussklemmen 65, 67 durch
das Gehäuse 50 ragen können, wenn
die Batterieabdeckplatte an der Gehäusebasis 66 befestigt
wird.
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Die
Einheitsgehäusebasis 66 ist
an einer Reihe von Stützen 68 befestigt,
die sich von der Gehäusebasis 66 zu
einer Stahlbefestigungsplatte 70 nach unten erstrecken,
die ihrerseits an eine Innenfläche
eines Motorfachs (nicht dargestellt) angeschraubt ist.
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Das
hohle Gehäuse 50 ist
aus einem geformten Kunststoffmaterial, zum Beispiel ABS, oder glasgefülltem Nylon
gebildet.
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7 zeigt
die Befestigungsplatte, das hohle Gehäuse 50 und eine Reihe
von Komponenten im Inneren des Gehäuses 50 in einer in
Einzelteile zerlegten, perspektivischen Ansicht. Die Batterie 16 ist in
dem Batteriefach 56 gemeinsam mit einer Superladerleistungselektronik 72 untergebracht.
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Das
Superladerfach 58 enthält
eine größere Anzahl
von Komponenten, einschließlich
des Filters 9, des Superladers 10 und des Superladermotors 14. In
dem Superladerfach 58 befinden sich auch die Teilungsplatte 74,
die sich horizontal über
einen Teil des Superladerfachs 58 unterhalb der Superladerabdeckplatte 62 erstreckt,
und das Klappen- Luftumleitungsventil 13.
Der Luftfilter 9 hat einen rechteckigen Umriss und sitzt
in einer gleichen rechteckigen Ausnehmung 56 in der Teilungsplatte 74.
Die Teilungsplatte 74 weist ein Luftgitter 78 auf,
an dessen Unterseite die Luftklappe 13 befestigt ist, und
eine gekrümmte
Platte 80 zur Begrenzung der Ablenkung der Luftklappe 13 weg
vom Gitter 78.
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Das
Superladerfach 58 ist in einen Hauptabschnitt 82,
der den Verdichter 10, den Motor 14 und den Luftfilter 9 enthält, und
einen Nebenabschnitt 84, der hierin als Verteilerkammer 84 bezeichnet
wird, unterteilt. Das Teilungsplattenluftgitter 78 und
die Luftklappe 13 liegen über der Verteilerkammer 74, wobei
eine flexible Dichtung 86 zwischen der Verteilerkammer 84 und
der Teilungsplatte 74 einen luftdichten Verschluss herstellt.
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Der
Luftversorgungspfad 3 zwischen dem Lufteinlass 52 und
dem Luftauslass 54 verläuft
um die Batterie 16 und die Superladerleistungselektronik 72 in
dem Batteriefach 56, durch eine Öffnung 90 in einer
Trennwand 92, die das Batteriefach 56 vom Superladerfach 58 trennt.
Wie in 7 erkennbar ist, liegt die Luftöffnung 90 auf
einer höheren
Ebene in dem Batteriefach 56 als der Lufteinlass 52.
Der Luftversorgungspfad durch das Batteriefach 56 steigt
daher im Allgemeinen zur Luftöffnung 90 hin
an.
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Die
Luftöffnung 90 weist
eine Reihe von Flügeln
auf, von welchen einer 94 in 7 erkennbar
ist. Diese Flügel 94 lenken
den Luftstrom in einen unteren Abschnitt des Superladerfachs 58,
in die Nähe des
Superladermotors 14. Der Luftversorgungspfad trägt daher
zur Kühlung
des Superladermotors 14 bei, wenn dieser in Betrieb ist.
Der Luftversorgungspfad 3 steigt, nachdem er um den Superladermotor 4 gegangen
ist, vertikal nach oben durch den Luftfilter 9 in der Teilungsplatte 74 in
ein Luftvolumen zwischen der Teilungsplatte 74 und der
Superladerabdeckplatte 62. In 7 ist dieses
eingeschlossene Luftvolumen allgemein mit dem Bezugszeichen 96 bezeichnet.
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Wenn
der Superlader nicht in Betrieb ist, hält die Luftansaugung, die vom
Ansaugkrümmer 4 bereitgestellt
wird, das Klappenventil 13 nach unten auf die Klappenventilbegrenzungsplatte 80,
so dass Luft durch das Luftgitter 78 in der Teilungsplatte 74 und
in die Verteilerkammer 84 strömen kann. Von der Verteilerkammer 84 kann
die Luft dann frei in den Luftauslass 54 strömen. Obwohl
nicht dargestellt, folgt der Luftpfad dann einem herkömmlichen
flexiblen Schlauch zur Drosselklappe 17.
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Wenn
der Superlader in Betrieb ist, wird etwas Luft von dem eingeschlossenen
Luftvolumen 96 in einen Einlass 98 in dem oberen
mittleren Abschnitt des Superladers 10 gezogen. Die Luft
des Superladers wird dann verdichtet und bei bis zu 40 % über Atmosphärendruck
durch den Superladerauslass 100 ausgestoßen. Ein
kleiner Gummiring 102 verbindet den Superladerluftauslass 100 mit
einem Einlass 104 zu der Verteilerkammer 84.
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Bis
der Superlader 10 bei hoher Kapazität arbeitet, tritt auch etwas
Luft durch die Luftklappe 13 in die Verteilerkammer 84.
Die Luft, die vom Superlader 10 durch den Verteilerkammerlufteinlass 104 ausgestoßen wird,
geht in ein Verteilerrohr 106, das allmählich nach außen zu einem
Verteilerrohrauslass 108 hin konisch zuläuft. Der
Verteilerrohrauslass 108 hat drei radiale Rippen 110,
die in gleichem Abstand um den Umfang um den Raum des Verteilerrohrauslasses 108 angeordnet
sind. Die Rippen 110 sitzen in entsprechenden Nuten 112 an
den Innenflächen
des Luftauslasses 54, so dass ein ringförmiger Spalt 114 zwischen
dem Luftverteilerrohr 106 und dem Luftauslass 54 aufrechterhalten
wird.
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Die
Luft, die vom Superlader 110 ausgestoßen wird, wird daher von der
Luft getrennt gehalten, die durch das Klappenventil 13 in
die Verteilerkammer 84 eintritt, bis sich diese Luft stromabwärts von dem
ringförmigen
Spalt 114 mischt, der den Verteilerrohrauslass 108 umgibt.
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Es
hat sich gezeigt, dass die Luftstromwirksamkeit durch diese Anordnung
erhöht
wird, da Energie in der Luft, die vom Superlader 10 ausgestoßen wird,
dazu beiträgt,
Luft aus der Verteilerkammer 84 zu ziehen, die durch das
Luftklappenventil 13 zugeführt wird. Zur Dämpfung von
Geräuschen
und Vibration sind der Superlader 10 und sein Motor 14 physisch
durch drei Gummistäbe 116 befestigt,
die in gleichem Abstand um eine schalenförmige Aluminiumbefestigungsschelle 118 angeordnet
sind, an der der Superlader 10 fest montiert ist. Die drei
Gummibefestigungen 116 sitzen auf drei entsprechenden Stäben 120,
die sich von einem unteren Abschnitt des Superladerfachs 58 nach
oben erstrecken. Diese drei Gummibefestigungen 116, gemeinsam
mit dem flexiblen kurzen Auslassschlauch 102 zwischen dem Superladerauslass 100 und
dem Verteilerkammereinlass 104 dämpfen alle Vibrationen, die
von dem Superlader 10 und seinem Motor 14 durch
den Körper
des Einheitsgehäuses 50 übertragen
werden.
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Der
Superlader 10 ist auch durch einen Gummiring 122,
der sich um den Umfang des Superladerlufteinlasses 98 erstreckt,
bezüglich
der Vibrationen von der Teilungsplatte 74 isoliert. Der
Gummiring 122 sitzt in einem kreisförmigen Vorsprung 124, der
sich von einer Unterseite 126 der Teilungsplatte 74 nach
unten erstreckt. Der Vorsprung 124 hat einen Durchlass 127,
so dass Luft durch die Teilungsplatte 74 in den Superlader 10 strömen kann.
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Unter
Bezugnahme nun auf 9 und 10 zeigen
diese, wie sich der Lufteinlasspfad 3 in das Batteriefach 56 zunächst in
einer Ausnehmung 128 in einer Unterseite 156 des
Batteriefachs 56 erstreckt. Die Ausnehmung 128 verschwindet
allmählich
stromabwärts
des Lufteinlasses 52, wodurch einströmende Luft seitlich von einer
Achse 130 des Lufteinlasses 52 zu lateralen Seitenabschnitten 132 des Batteriefachs 56 gepresst
wird, wo eine Reihe von hochragenden Rippen 134 von den
Seitenabschnitten 132 abstehen. Die Rippen 134 stützen eine
Unterseite 136 des Batteriefachs 16, so dass sich
Luftkanäle 138 zwischen
den Rippen 134 seitlich von der Lufteinlassachse 130 weg
erstrecken. Die einströmende
Luft wird daher über
nahezu die volle Unterseite der Batterie gelenkt, was dazu beiträgt, die
Batterie kühl
zu halten. Sobald die einströmende
Luft die lateralen Seitenwände 140 des
Batteriefachs 56 erreicht, wird die Luft durch vertikal
verlaufende Rippen 144, die seitlich nach innen von den
vertikalen Seitenwänden 140 des
Batteriegehäuses
abstehen, so gelenkt, dass sie aufwärts über entsprechende, sich vertikal
erstreckende Seiten 142 der Batterie 16 strömt. Die
vertikalen Rippen 144 tragen auch zur Positionierung der
Batterie 16 quer in dem Batteriefach 56 bei.
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Etwas
Luft strömt
jedoch stromabwärts
der Batterie 16 auf einer tieferen Ebene, so dass sie auf die
Superladerleistungselektronik 72 trifft, die mit metallischen
Wärmeabstrahlungslamellen 146 versehen ist.
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Die
Temperatur der einströmenden
Luft steigt daher, während
sie durch das Batteriefach 56 geht, aber die Luft ist weiterhin
im Vergleich zu den Temperaturen, die von dem Superlademotor 14 erreicht
werden können,
kühl (und
deutlich kühler
als die Lufttemperaturen, die in einem turbogeladenen oder Verdränger-Superladersystem
auftreten). Dies stellt daher ein effizientes Mittel zum Kühlen der
verschiedenen Komponenten in dem Gehäuse 50 dar.
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Die
Erfindung versucht, die Nutzen sowohl der Motoreinstellung als auch
Zwangszuführung
zu vereinen, um sowohl ein gutes Drehmoment bei geringen U/min als
auch eine gute Leistung bei hohen U/min zu erreichen. Der gegebene
Motor wird vorsätzlich
eingestellt, um einen. hohen Leistungsausgang auf Kosten eines Drehmoments
bei geringen U/min zu erhalten. Ein elektrisch betriebener Verdichter
ist in das Lufteinleitungssystem des Motors eingebaut und wird unter
der Steuerung des Motorsteuersystems erregt, um den Drehmomentausgang
bei Bedarf zu erhöhen.
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Die
Eigenschaften des elektrisch angetriebenen Verdichters sind im Allgemeinen
derart, dass ein längerer
Betrieb (z.B. Erreichen einer maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit)
nicht möglich
ist, ohne die Batterie zu entladen oder den Elektromotor zu überbelasten/zu überheizen.
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Die
Verwendung eines geschalteten Reluktanzmotors ist gegenüber einem
Dauermagnetmotor bevorzugt, selbst wenn im weitesten Sinne beide
Typen von Motor zur Erzeugung einer ähnlichen Leistung bei einer
bestimmten Größe und einem
bestimmten Gewicht entwickelt werden können. In einem geschalteten
Reluktanzmotor ist der Rotor aus einem Stapel profilierter Stahlschichten
konstruiert. Wenn das Magnetfeld durch die Statorspulen erzeugt wird,
dreht der Rotor, um sich so auszurichten, dass das Profil der Schichten
den Pfad der geringsten Reluktanz zu dem Magnetfeld darstellt. Durch
Umschalten der Statorspulen ist es möglich, ein "drehendes" Magnetfeld zu erzeugen, in dem sich
der Rotor dreht.
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Ein
geschalteter Reluktanzmotor hat keine Magnete, die bei hohen Betriebstemperaturen
entmagnetisiert werden können.
Zusätzlich
können
die Stahlschichten leicht den hohen Kräften standhalten, die bei hohen
Motordrehzahlen auftreten.
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Während des
statischen Betriebs des Superladers ist der elektrische Stromverbrauch
2,2 kW oder 185 A bei 12 V. Während
der Beschleunigung der Vorrichtung aus dem Leerlauf auf ihre maximale Drehzahl
von 70 000 U/min kann jedoch der Stromverbrauch für kurze
Perioden 375 A erreichen. Wenn ein solcher Betrieb länger als
30 s andauert oder kontinuierlich bei mehr als 15 % Duty-Cycle gehalten wird,
wird die Batterie entladen oder der Superladermotor überhitzt.
Die Tatsache, dass der Superlader bei hohen Motordrehzahlen nicht
verfügbar
ist, oder wenn die Drosselklappe nicht offen ist, verhindert diese
Probleme und hält
auch einen sehr sparsamen Kraftstoffverbrauch bei Antriebsbedingungen
aufrecht, bei welchen ein Superladerbetrteb für eine verbesserte Leistung
nicht erforderlich oder von Sicherheitsstandpunkt aus nicht erwünscht ist.
Durch derartiges Verringern des elektrischen Stromverbrauchs verwendet
die Erfindung die Notwendigkeit für einen teureren und voluminösen mechanischen
Antrieb des Superladers, zum Beispiel unter Verwendung eines riemenangetriebenen
Antriebs vom Motor. Das Ergebnis ist, dass der Motor so eingestellt
werden kann, dass er nicht nur die Spitzenleistung erreicht, die
mit dem hohen "Power-Tuning" verbunden ist, sondern
auch Anstiege im Drehmoment bei niederen/mittleren U/min erreicht,
die normalerweise nur die Zwangseinleitung erreichen konnte.
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Die
Erfindung stellt daher einen Verbrennungsmotor mit einem kompakten
und wirtschaftlichen Verdichter bereit, der derart elektrisch angetrieben
wird, dass er mit einem herkömmlichen
Kraftfahrzeugladesystem verwendet werden kann, und der besonders
bei Motoren geringerer Kapazität
nützlich ist,
die andernfalls nur über
ein bescheidenes maximal verfügbares
Drehmoment bei geringen und mittleren Motordrehzahlen verfügen.