DE69734530T2

DE69734530T2 - Geladener hybridmotor

Info

Publication number: DE69734530T2
Application number: DE69734530T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kawasaki-city KANESAKA
Original assignee: KANESAKA GIJYUTSU KENKYUSHO CO; Kanesaka Gijyutsu Kenkyusho Co Ltd Kawasaki
Current assignee: KANESAKA GIJYUTSU KENKYUSHO CO; Kanesaka Gijyutsu Kenkyusho Co Ltd Kawasaki
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH10238354A; WO1998029647A1; DE69734530D1; EP0957247B1; EP0957247A4; EP0957247A1; US6343473B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybrid-Ladermotor, bei dem ein Verdrängungslader mit einer Energiequelle, mit Ausnahme eines Abgases, in einem Ladersystem eines Motors angeordnet ist, besonders in einem Dieselmotor (nachfolgend Motor genannt), der einen Turbolader (nachfolgend TC genannt) als Verdrängungslader in Serie mit dem TC umfasst, um dadurch den Motor in zwei Schritten aufzuladen, sowie eine Verbesserung der japanischen Patentanmeldung Nr. 8-358847.
BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Eine Aufladung durch den TC zwecks Erhöhung der Leistung des Dieselmotors ist in Europa und Amerika sehr populär, wo es viel Flachland gibt, ist aber derzeit in Japan nicht populär, wo es viele Berge und Gefälle gibt, und zwar aus den folgenden Gründen.
Der oben erwähnte TC ist nämlich ein Drehzahltyp und hat eine in 2 gezeigte Kenngröße, jedoch mit den folgenden Nachteilen:

(a) Wenn der TC in einem Fahrzeugmotor montiert ist, der ein Drehmoment im unteren Drehzahlbereich gemäß einem Kennwert des Erhöhens eines Druckverhältnisses (nachfolgend Druck genannt) proportional zu einer Drehzahl und einer Durchflussmenge im TC benötigt, dann ist es möglich, ein von der Linie c-d angedeutetes Drehmoment zu einem Zeitpunkt ohne Aufladung bis zu einer Linie a-b bei einer mittleren Drehzahl oder mehr durch Einstellen einer Betriebslinie als Linie a-b in 2 zu erhöhen, aber ein Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich reicht im Vergleich zu einem Motor ohne Aufladung nicht aus, so dass eine Start- und Beschleunigungsleistung aus dem Stillstand (nachfolgend Nullstartleistung genannt) in einem Fahrzeugmotor besonders unzureichend ist.
(b) Aufgrund der Kenngröße des TC ist es im TC-Ladermotor unmöglich, außer einem Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich auch ein Drehmoment im mittleren Drehzahlbereich ausreichend höher als ein Drehmoment im hohen Drehzahlbereich einzustellen, ausgenommen durch Begrenzen der Höchstleistung.
(c) Im oben erwähnten Punkt (a) schneidet die Betriebslinie a-b des in 2 gezeigten TC nur eine Maximaler-Wirkungsgrad-Kurve c-d in einem Punkt r, so dass ein bestimmter Kraftstoffverbrauch (nachfolgend BS-FC genannt) in der Nähe eines Punktes r in 3 niedrig ist, der Punkt r in 2 entspricht, aber ein Wirkungsgrad des TC ist in einem anderen Motorbetriebszustand als diesem niedrig, so dass kein niedriger BSFC erzielt wird.
(d) Als Fahrzeugmotor wird der Motor entlang einer Laufwiderstandskurve f-b in 3 betrieben, so dass ein bestimmter Laufkraftstoffverbrauch des Fahrzeugs, in einer Einheit von km/l ausgedrückt, gemäß dem BSFC in einer Zone g in 3 mit der höchsten Betriebsfrequenz, stark beeinflusst wird. Es ist bekannt, dass der BSFC des Motors zu einem illustrierten bestimmten Kraftstoffverbrauch hin tendiert (nachfolgend ISFC genannt), der durch eine Kettenlinie e-f entsprechend einer Zunahme des BMEP gemäß 5 gezeigt wird, und niedrig wird. Dies sei anhand von 3 erläutert. Der entlang Linie a-b in 3 arbeitende Fahrzeugladermotor, der vom TC aufgeladen wird, erhöht die Leistung bis zu BMEP, z.B. 16 kg/cm², und der BSFC kann zu diesem Zeitpunkt auf 140 g/ps-hr eingestellt werden, wie in 5 bei Punkt a zu sehen ist. In Zone g in 3 wird eine Last des Motors jedoch etwa ein Viertel und der BSFC steigt zu diesem Zeitpunkt auf 200 g/ps-hr gemäß Punkt t in 5. Wenn also der BMEP weiter bis auf das Zweifache des TC-Ladermotors erhöht werden kann, wie in 5 bei Punkt j zu sehen ist, z.B. 32 kg/cm², dann kann der BSFC im Viertellastzustand von 200 g/ps-hr (Punkt t) auf 155 g/ps-hr (Punkt i) zurückgehen. Der derzeitige TC-Ladermotor sollte ferner den BMEP erhöhen, und dadurch soll nicht nur der BSFC gesenkt werden, sondern es soll auch ein kompakterer, leichterer und kostenärmerer Motor bei gleicher Leistung bereitgestellt werden, aber dies ist aus den oben erwähnten Gründen unmöglich.
(e) Ein weiterer Grund dafür, warum der TC-Ladermotor nicht populär werden kann, ist ein Turboloch. Eine Drehzahl des TC des Motors in einem Leerlaufzustand bei stehendem Fahrzeug beträgt etwa 5000 UpM, und der TC muss beim Beschleunigen des Fahrzeugs auf etwa 50.000 UpM beschleunigt werden, aber der TC hat bei einer Nullstartbeschleunigung keine Aufladefunktion, so dass das Fahrzeug gezwungen ist, eine Nullstartbeschleunigung mit aufladungsloser Leistung durchzuführen, wie die Linie c-d in 3 andeutet.
(f) Ein Kompressionsdruck des Motors wird durch Aufladung erhöht, so dass der maximale Druck bei der Verbrennung theoretisch über den zulässigen Maximaldruck des Motors hinausgeht, aber dagegen wird, ebenfalls im TC-Ladermotor, eine Gegenmaßnahme getroffen, indem das Kompressionsverhältnis verringert wird.

Das Kompressionsverhältnis des Dieselmotors wird jedoch im Allgemeinen durch Berücksichtigen einer Startleistung entschieden, so dass eine Reduzierung des Kompressionsverhältnisses den Start des Motors erschwert. Eine Starthilfevorrichtung wie z.B. eine Glühkerze oder dergleichen ist zum Starten des Motors nützlich, kann aber nicht verhindern, dass weißer Rauch, der schädliches Material wie Formaldehyd und dergleichen enthält, unmittelbar nach dem Start austritt. Und dann hat sie bei 100 UpM beim Starten im TC und bei 600 UpM bei Leerlauf unmittelbar nach dem Start keine Funktion als Verdrängungslader und erhöht auch den Kompressionsdruck und die Kompressionstemperatur beim Start nicht, so dass eine Gegenmaßnahme gegen einen Start für den TC-Ladermotor derzeit keine gute Lösung ist.
55 der GB 2,300,450A zeigt ein Hybrid-Ladermotorsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Bei diesem bekannten System wird der Verdrängungslader von der Motorabtriebswelle durch ein Differentialgetriebesystem mit einem weiteren Antriebselement angetrieben, dem regulierte Leistungsmengen zugeführt werden.
Ein Motorsystem gemäß der Erfindung ist durch die in Anspruch 1 dargelegten Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine vollkommen schematische Ansicht einer Ausgestaltung eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Kurve, die ein Verhältnis zwischen der Durchflussmenge und dem Druck in einem TC zeigt;
3 eine Kurve, die ein Verhältnis zwischen der Motordrehzahl und dem Drehmoment sowie dem Speiseluftdruck zeigt;
4 eine Kurve, die das Verhältnis zwischen Motorlast und Speiseluftdruck zeigt;
5 eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Verhältnis von Speiseluftdruck im Motor und dem spezifischen Kraftstoffverbrauch zeigt;
6 eine Kurve, die eine p-V-Line in einem Miller-Zyklus zeigt;
7 ein Diagramm, das das Öffnen und Schließen eines Ventils in einem Motor zeigt;
8 ein Diagramm, das eine Zykluslinie zeigt; und
9 eine schematische Ansicht eines Speiseluftkühlgerätes.
BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die 1 bis 9 ausführlicher beschrieben.
1 zeigt eine Ausgestaltung eines Hybrid-Ladermotors gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Riemenscheibe 3 an einem vorderen Ende 2 einer Kurbelwelle eines Motors 1 befestigt und über einen Riemen 4 mit einer Riemenscheibe 7 verbunden ist, die an einer Antriebswelle 6 eines SC 5 befestigt ist. Der vom Motor 1 angetriebene SC saugt Umgebungsluft durch ein Einlassrohr 8 an, komprimiert die Umgebungsluft und leitet sie zu einem Kompressor 10a eines TC 10 durch ein Auslassrohr 9 und eine Speiseluftkühlvorrichtung 11. Die Umgebungsluft wird im TC 10 weiter komprimiert und unter erhöhtem Druck durch ein Speiseluftrohr 13 und eine Speiseluftkühlvorrichtung 12 zum Motor 1 geleitet.
Ein Drucksensor 21 ist am Speiseluftrohr 13 montiert, so dass der Speiseluftdruck einem elektronischen Regler 17 gemeldet wird. In diesem Fall bezeichnet die Bezugsziffer 5a einen an der Antriebswelle 6 des SC montierten SC-Drehzahlsensor, der über eine Leitung angeschlossen ist, um dem elektronischen Regler 17 die Drehzahl des SC 5 zu melden.
Das Abgas des Motors 1 treibt eine Turbine 10b des TC durch einen Abgasverteiler 14 an und tritt durch ein Auspuffrohr 15 in die Umgebung aus, und die Kraft der Turbine 10b treibt den Kompressor 10a durch eine Welle 10c an. Die Drehzahl der Turbine 10b und des Kompressors 10a wird mit einem an der Welle 10c montierten TC-Drehzahlsensor 10d erfasst und dem elektronischen Regler 17 gemeldet.
Ein Luftmengenvolumenmessmittel 16, ein Kühlwassertemperatursensor 24, ein Motordrehzahlsensor 25 und ein Positionssensor 23 für eine Lastregeleingriffsmenge des Fahrers sind jeweils im Einlassrohr 8 im Kühlwasser des Motors 1, am vorderen Ende 2 der Kurbelwelle und in einem Gaspedal zum Steuern eines Fahrzustands des Motors 1 vorgesehen, so dass der elektronische Regler 17 die jeweiligen Informationen erhält. Das Regelgerät 17 ermittelt eine Regeleingriffsmenge für die Übertragung zu einem Stellglied, so dass ein Öffnungsgrad eines Bypassventils 20 in einem Bypass 19 durch das Stellglied 18 geregelt wird.
Der in einem Kühlwassermantel des Motors 1 montierte Kühlwassertemperatursensor 24 misst die Kühlwassertemperatur im Motor 1 und der Motordrehzahlsensor 25 misst die Drehzahl des vorderen Endes 2 der Kurbelwelle im Motor 1 und meldet sie jeweils dem elektronischen Regler 17. Der Regler 17 weist das Stellglied 18 an, den Öffnungsgrad des Bypassventils 20 zu steuern, um den Start des Motors 1 zu erleichtern und die Schadstoffkonzentration des Abgases zu reduzieren.
In dem oben erwähnten Hybrid-Ladermotor gemäß der vorliegenden Erfindung wird der TC 10 im Motor 1 so abgestimmt, dass das Druckverhältnis entlang einer Maximaler-Wirkungsgrad-Linie c-d in der in 2 gezeigten Leistungskurve zusammen mit der Zunahme der Durchflussmenge erhöht wird, auf eine solche Weise, dass dies zu einem Punkt d wird, der einer maximalen Kapazität des TC 10 bei Höchstdrehzahl des Motors 1 entspricht, so dass der Motor 1 mit Speiseluft mit einem Druckverhältnis geladen wird, das durch eine Linie a-h in 3 ausgedrückt wird, und zu einer Leistung wird, die durch eine entsprechende Drehmomentkurve dargestellt ist. Die durch die oben erwähnte Linie a-h ausgedrückte Drehmomentkurve zeigt einen Antriebszustand, bei dem das Bypassventil 20 ganz offen ist und der SC 5 die Speiseluftmenge und das Druckverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung nicht erhöht.
Wenn das Fahrzeug mit dem Motor mit einer Leistung fährt, die durch die mit der Linie a-h in 3 angedeutete Drehmomentkurve ausgedrückt wird, dann wird die Laufwiderstandskurve des Fahrzeugs im Wesentlichen gleich der Linie a-h, so dass keine Beschleunigungskapazität des Fahrzeugs erzielt wird und das Fahrzeug erst dann fahren kann, wenn das Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich erhöht wird, aber gemäß der vorliegenden Erfindung werden der Speiseluftdruck und die Speiseluftdurchflussmenge durch den wie oben erwähnt abgestimmten TC-Ladermotor und ferner durch den in Serie mit dem TC geschalteten SC erhöht.
Demgemäß entsprechen bei einer maximalen Drehzahl des Motors 1, z.B. bei 2000 UpM, die Durchflussmenge und das Druckverhältnis des TC 10 einem Punkt d in 2, aber wenn die Durchflussmenge erhöht werden soll, während das Druckverhältnis in Punkt d gemäß der Kenngröße des TC gehalten wird, dann liegt der Punkt d jenseits einer Linie f-g, die einer Drehmomentgrenzlinie von 2 entspricht, so dass die Gefahr besteht, dass ein Rotor (nicht dargestellt) aufgrund von Zentrifugalkraft bricht. Ferner bedeutet eine Reduzierung der Durchflussmenge, dass sich der Punkt d auf der linken Seite einer aufsteigenden Begrenzungslinie h-f befindet, so dass der TC seine Funktion verliert.
Demgemäß werden in einem Volllastzustand des Motors gemäß der vorliegenden Erfindung das Speiseluftdruckverhältnis und die durch den SC 5 erzeugte Durchflussmenge so eingestellt, dass Punkt d in 2 gehalten wird.
Wenn beispielsweise zu einer Zeit mit niedriger Drehzahl im TC-Ladermotor, z.B. bei 1000 UpM, die Durchflussmenge des TC halbiert wird, dann wird das vom TC erzeugte Speiseluftdruckverhältnis zu einem Punkt i in 2, und das Drehmoment, das entsteht, wenn der Motor die Speiseluft in Punkt i ansaugt, wird auf einen Punkt i in 3 reduziert.
Wenn der Motor dem TC 10 eine Abgasenergie mit einer Durchflussmenge bei 2000 UpM zuführen kann, die als die Ansaugdurchflussmenge eingestellt werden kann, dann wird der TC 10 an Punkt d in 2 arbeiten. Demgemäß wird zu einer Zeit mit niedriger Drehzahl und Volllast in der vorliegenden Erfindung die Durchflussmenge der Ansaugluft mit dem Luftmengenvolumenmessmittel 16 gemessen, um zu bewirken, dass sie bei 2000 UpM dieselbe Durchflussmenge wie sogar bei 1000 UpM ist. Dies wird dem elektronischen Regler 17 gemeldet, der Regler 17 das Stellglied 18 anweist, das Bypassventil 20 in einer Schließrichtung des Bypassventils 20 zu drehen, so dass die Speiseluftmenge des SC 5 erhöht wird.
Um die Speiseluftmenge bei 2000 UpM dieselbe zu machen wie sogar bei 1000 UpM der Motordrehzahl, was der Hälfte davon entspricht, muss die Speiseluftmenge um das Zweifache erhöht werden, damit die durch das Luftmengenvolumenmessmittel 16 strömende Ansaugluftmenge konstant wird, indem das Druckverhältnis im Ablassrohr des SC 5 auf etwa 2 eingestellt wird. Demgemäß wird das Druckverhältnis im Speiseluftrohr zu einem Druckverhältnis, das durch 3 (vom TC erzeugt) × 2 (vom SC erzeugt) = 6 ausgedrückt wird, und der Motor 1 kann dann mittels der Speiseluft das Drehmoment erzeugen, das in 3 durch Punkt j angegeben ist.
Ferner wird selbst dann, wenn die Motordrehzahl gesenkt wird, die Bypassmenge durch das Luftmengenvolumenmessmittel 16, den elektronischen Regler 17, das Stellglied 18 und das Bypassventil 20 so eingestellt, dass die Saugluftmenge des Motors 1 konstant wird, so dass das vom SC 5 bei einer niedrigeren Drehzahl als 1000 UpM erzeugte Druckverhältnis und das Drehmoment auf einen Punkt k in 3 erhöht werden, um das Druckverhältnis im Speiseluftrohr auf einen Wert über 6 einzustellen, aber in diesem Fall wird der Verbrennungsdruck des diese Luft ansaugenden Motors höher als der zulässige Maximaldruck des Motors 1, so dass dies nicht realisiert werden kann.
Demgemäß kann bei der Motordrehzahl, die tiefer liegt als Punkt j in 3, Speiseluftdruck vom Drucksensor 21 im Speiseluftrohr 13 zum elektronischen Regler 17 übertragen werden, so dass das Speiseluftdruckverhältnis nicht über beispielsweise 6 liegt, und der Regler 17 weist das Stellglied 18 an, den Öffnungsgrad des Bypassventils 20 einzustellen, so dass das Speiseluftdruckverhältnis konstant wird, so dass das vom Motor 1 erzeugte Drehmoment auf einen Wert eingestellt wird, der einem Punkt m in 3 entspricht.
In der obigen Beschreibung wurde der Betrieb des Hybrid-Ladermotors gemäß der vorliegenden Erfindung bei Volllast dargestellt, aber ein Beispiel für einen Betrieb mit Teillast wird durch eine Linie n-i-j bei beispielsweise 1000 UpM in 3 dargestellt, und ein Speiseluftdruck von einem Nulllastzustand bis zu einem Volllastzustand ist in 4 illustriert.
Demgemäß ist ein Punkt n in 4 in einem Nulllastzustand, das Gaspedal 22 in 1 steht in der durch eine durchgehende Linie angedeuteten Position, der Positionssensor 23 überträgt den Nulllastzustand zum elektronischen Regler 17 und der Regler 17 weist das Stellglied 18 an, das Bypassventil 20 in die ganz offene Position zu stellen.
Demgemäß funktioniert SC 5 nicht, die Umgebungsluft wird durch das Einlassrohr 8, den Bypass 19, das Auslassrohr 9, den TC 10 und das Speiseluftrohr 13 zum Motor 1 geleitet, der TC 10 erhöht das Speiseluftdruckverhältnis in diesem Zustand nicht, und der Umgebungsluftdruck, d.h. das Druckverhältnis bleibt auf einem Grad von 1.
Um die Last des Motors 1 auf das Drehmoment des Punktes i in 3 zu erhöhen, wenn das Gaspedal 22 etwas niedergedrückt und bis zu einer punktierten Linie bewegt wird, so dass die Kraftstoffzufuhrmenge etwas erhöht wird, meldet der Positionssensor 23 diese Position dem elektronischen Regler 17, aber der Regler 17 weist das Stellglied 18 an, das Bypassventil 20 weiter im völlig offenen Zustand zu halten.
Demgemäß erfolgt in Punkt i in den 3 und 4 eine Aufladung nur durch den TC 10, und die Abgastemperatur wird durch Erhöhen der Kraftstoffzufuhrmenge erhöht, so dass der TC 10 das Speiseluftdruckverhältnis bis zu Punkt i in 4 erhöht, und der Motor 1 nutzt den Speiseluftdruck, um ein Drehmoment zu erzeugen, das höher ist als Punkt p zu einer Zeit ohne Aufladung gemäß Punkt i in 3.
Wenn das Gaspedal 22 in einer Richtung einer durch die punktierte Linie dargestellten Position bewegt wird, um die Kraftstoffzufuhrmenge zu erhöhen, dann überträgt der Positionssensor 23 diese Position zum elektronischen Regler 17, und der Regler 17 weist das Stellglied 18 an, das Bypassventil 20 in der Schließrichtung des Bypassventils 20 zu drehen, um den Druck im Ablassrohr 9 zu erhöhen, und zusammen mit dem TC 10 wird das Druckverhältnis im Speiseluftrohr 13 auf eine solche Weise erhöht, dass eine Speiseluftmenge entsteht, die der Kraftstoffzufuhrmenge entspricht.
Ferner wird das Gaspedal 22 bei Volllast in eine durch die punktierte Linie in 1 dargestellte Position niedergedrückt, die Kraftstoffzufuhrmenge wird maximal, der Positionssensor 23 meldet dies dem elektronischen Regler 17, der Regler 17 weist das Stellglied 18 an, das Bypassventil 20 weiter in Schließrichtung des Bypassventils 20 zu drehen, der Druck im Auslassrohr wird erhöht, indem die Durchflussmenge, die in Gegenrichtung durch das Bypassventil 20 strömt, reduziert wird, und der Druck im Speiseluftrohr 10 zusammen mit dem TC 10 wird erhöht.
Die Einlassluftmenge zum Motor 1 wird zu diesem Zeitpunkt vom Luftmengenvolumenmessmittel 16 gemessen und dem elektronischen Regler 17 gemeldet, und der Regler 17 weist das Stellglied 18 an, den Öffnungsbereich des Bypassventils 20 so einzustellen, dass die Luftmenge nicht über dem Punkt d in 2 liegt, der einer Grenze des TC 10 entspricht.
Demgemäß wird das vom TC 10 erzeugte Speiseluftdruckverhältnis beispielsweise 3 und wird aus den oben erwähnten Gründen so eingestellt, dass das Druckverhältnis des Punktes j in 4 6 und das vom SC 5 erzeugte Druckverhältnis im Auslassrohr 2 wird.
In diesem Zustand bleibend wird, wenn die Drehzahl des Motors 1 beispielsweise auf 1000 UpM oder darunter sinkt, die Einlassluftmenge des Motors 1 proportional zur Motordrehzahl reduziert, und das vom TC 10 erzeugte Druckverhältnis wird entlang der Linie c-d in 2 reduziert, so dass das vom Motor 1 erzeugte Drehmoment zu einer Linie q-j in 3 wechselt.
Und in diesem Moment wird die Drehmomentkurve des Hybrid-Ladermotors gemäß der vorliegenden Erfindung, die durch eine Linie q-j-h in 3 dargestellt wird, zu einer Leistung, die um ein Mehrfaches höher ist als die Leistung der Drehmomentkurve a-r-b des TC-Ladermotors gemäß der herkömmlichen bekannten Technik, aber wenn das Drehmoment bei geringer Drehzahl für den Fahrzeugmotor wichtiger wird, dann kann eine ideale Drehmomentkurve erzeugt werden, die durch eine Linie m-j ausgedrückt wird, solange das Drehmoment im Speiseluftdruckverhältnis bei Volllast gemäß 4 gehalten wird, z.B. 6, selbst bei einer Drehzahl von 1000 UpM oder weniger, so dass er nicht über dem zulässigen Maximaldruck des Motors 1 liegt.
Um dies zu bewältigen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Drucksensor 21 im Speiseluftrohr 13 montiert, der Druck im Speiseluftrohr 13 wird gemessen und dem elektronischen Regler 17 gemeldet und der Regler 17 weist das Stellglied 18 an, die Linie q-j in 3 auf die Linie m-j zu korrigieren und den Öffnungsbereich des Bypassventils 20 zu justieren.
Als Nächstes wird der BSFC des Motors mit dem Hybrid-Ladersystem gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in 5 gezeigt, ist der BSFC aufgrund der oben erwähnten Gründe unendlich, wenn BMEP null ist, aber mit steigendem BMEP tendiert er zu ISFC, und der BSFC nimmt ab.
Der BSFC ist, wenn der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung das Drehmoment von Punkt j in 3 erzeugt, auf Punkt j in 5, und zu dieser Zeit arbeitet der TC 10 in Punkt d in 2 mit einem hohen Wirkungsgrad, was einen niedrigen BSFC ergibt. Die Antriebskraft des mechanisch angetriebenen SC wird als effektiver Reibmitteldruck FMEP addiert und erhöht den BSFC vom Punkt j in 5 auf Punkt j', so dass im maximalen Drehmomentpunkt anscheinend kein ausgezeichneter BSFC-Wert vorliegt.
Ein Lastverhältnis mit der höchsten Gebrauchsfrequenz des Fahrzeugmotors ist eine Zone s in 3, hat ein Lastverhältnis von etwa einem Viertel davon, und der BSFC ermittelt zu diesem Zeitpunkt einen laufenden spezifischen Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs. Wenn dies in 5 eingezeichnet wird, dann kann die Zone s erhalten werden.
Im Gegensatz dazu wird das maximale Drehmoment des allgemeinen TC-Motors zu einem Punkt r in 3 und eine Zone mit einer hohen Gebrauchsfrequenz wird g. Wenn diese in 5 eingezeichnet wird, dann wird der BSFC zur g-Zone, der Unterschied im laufenden spezifischen Kraftstoffverbrauch geht aus einem Vergleich mit der Zone s des Motors gemäß der vorliegenden Erfindung hervor.
In diesem Fall ist in dem Motor, dem der hohe Speiseluftdruck, der beispielsweise das Druckverhältnis 6 erreicht, zugeführt wird, der durch den Punkt b gezeigte Kompressionsdruck beim normalen Kompressionsverhältnis 14 bis 16 hoch, wie die durchgehende Linie a-b in der p-v Kurve von 6 zeigt, ferner steigt der Verbrennungsdruck bis zur Linie b-c-d an und liegt somit über dem zulässigen Maximaldruck des Motors gemäß Linie e-f.
Eine Reduzierung des Kompressionsverhältnisses, um dies zu bewältigen, erhöht nicht nur den BSFC, sondern reduziert auch das Ausdehnungsverhältnis, so dass die Abgastemperatur hoch wird und eine Wärmelast des Motors ansteigt.
Dann kann in dem erfindungsgemäßen Motor bei der anschließenden Verbrennung das Kompressionsverhältnis im Vergleich zur Linie a-b gesenkt werden, der Kompressionsdruck kann bis auf Punkt h gesenkt werden und der Verbrennungsdruck kann niedriger gemacht werden als der zulässige Maximaldruck des Motors (Linie e-f), wie die Linie h-i-j zeigt, indem die Kompression an Punkt g in der Mitte des Kompressionsvorgangs begonnen und der Kompressionsvorgang an Punkt h beendet wird, wie in 6 gezeigt wird, unter Anwendung des Miller-Zyklus.
Demgemäß wird der Ausdehnungsprozess zur Linie j-k, was im Wesentlichen gleich der Linie d-m in dem Fall ist, in dem das Kompressionsverhältnis hoch ist, das Ausdehnungsverhältnis ändert sich selbst bei einer Reduzierung des Kompressionsverhältnisses nicht, und außer der Tatsache, dass sich der BSFC nicht ändert, kann auch die Abgastemperatur durch das hohe Ausdehnungsverhältnis reduziert werden.
Der Miller-Zyklus im Motor gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch ein so genanntes „frühes Schließen" realisiert werden, das so strukturiert ist, dass ein Drehventil in einer Einlassluftpassage des bekannten Motors vorgesehen wird, und ein Schließzeitpunkt wird in der Mitte des Ansaugprozesses vorgesehen, z.B. in Punkt g in 6, aber dies kann auch mit einem bekannten „verzögerten Schließen" erzielt werden.
7 zeigt ein Beispiel dafür, und im normalen Motor öffnet das Ansaugventil (nicht dargestellt) in einem Winkel geringfügig vor einem oberen Totpunkt, der etwa 10 Grad entspricht, und schließt in einem Winkel b etwa 30 Grad hinter einem unteren Totpunkt, aber gemäß der vorliegenden Erfindung beginnt der Einlass bei Winkel a, das Einlassventil wird nach dem Passieren des unteren Totpunkts offen gehalten und wird zu einem Kompressionsvorgang, die Luft im Zylinder, nachdem sie zum unteren Totpunkt des Ansaugprozesses angesaugt wurde, wird weiter in den Saugkanal abgelassen, nachdem sie in den Kompressionsvorgang eingetreten ist, so dass der Druck im Zylinder nicht ansteigt. Nach dem Erreichen eines Winkels c, der etwa 70 Grad nach dem Passieren des unteren Totpunkts entspricht, wird das Einlassventil jedoch wieder geschlossen.
Wenn dies in 6 dargestellt wird, dann wird der Punkt g erreicht, und ab diesem Punkt beginnt der eigentliche Kompressionsvorgang, so dass der verzögerte Miller-Schließzyklus in der oben erwähnten Weise erreicht werden kann.
Falls der Motor der vorliegenden Erfindung ein Motor für ein Schiff ist, das einen maximalen BMEP in der Nähe der Höchstdrehzahl des Motors benötigt, aber keinen hohen BMEP im niedrigen und mittleren Drehzahlbereich benötigt, dann kann, wenn der Motor so abgestimmt wird, dass die Motordrehzahl in Punkt j in 3 die Höchstdrehzahl des Motors beispielsweise bei 2000 UpM ist und Punkt d in 2, der der maximalen Kapazität des TC entspricht, bei Punkt h in 3 liegt, z.B. 4000 UpM, aus den oben erwähnten Gründen der maximale BMEP bei der maximalen Drehzahl des Motors erzeugt werden.
Falls der Motor der vorliegenden Erfindung ein Motor für eine Konstruktionsmaschine ist, die einen BMEP im unteren und mittleren Drehzahlbereich benötigt, der höher ist als der BMEP bei der Höchstdrehzahl des Motors, d.h. ein so genannter hoher Drehmomentanstieg, dann kann der BMEP in Punkt t in 3 beispielsweise bei 2500 UpM erzielt werden, indem die Motordrehzahl in einem Zustand erhöht wird, in dem die Durchflussmenge des TC in dem bei maximaler Leistung des TC arbeitenden Motor (siehe Punkt d in 2) weiter erhöht wird, z.B. 2000 UpM, so dass die Leistung an Punkt h in 3 erzielt wird.
Dies ist in 8 erläutert, wo der Speiseluftdruck an Punkt h in 3 einer Linie a-b in 3 entspricht, der Motor beginnt mit dem Ansaugen am oberen Totpunkt des Saugprozesses in Punkt a, das Einlassventil wird in der Nähe von Punkt b geschlossen, der dem unteren Totpunkt entspricht, der Kompressionsvorgang beginnt ab Punkt b und wird an Punkt c zum oberen Totpunkt, und das Abgasventil wird an Punkt f durch Ausdehnung nach dem Verbrennen geöffnet, um den Druck bis zur Linie c-d-e zu erhöhen, aber wenn die Motordrehzahl so erhöht wird, dann nimmt die durch den TC strömende Durchflussmenge zu und der Betriebspunkt des TC geht über Punkt d in 2 hinaus, um anzusteigen. Demgemäß beträgt, z.B. wenn die Motordrehzahl um das 1,25fache von 2000 UpM auf 2500 UpM ansteigt, die Saugluftmenge des Motors das 1/1,25fache in Umkehrproportion zur Motordrehzahl, so dass die Durchflussmenge des TC 10 konstant gehalten werden muss. Damit kann der oben erwähnte Miller-Zyklus machen ist möglich.
8 erläutert dann die Situation, in der beispielsweise die Motordrehzahl 2000 UpM beträgt, der Motor Luft in einer Menge von v₁ von Punkt a zu Punkt b ansaugt, aber wenn die Motordrehzahl 2500 UpM erreicht, dann wird die erhebliche Ansaugmenge v₂, was dem 1/1,25fachen der Menge v₁ entspricht, indem das Einlassventil bis zu Punkt g in der Mitte des Kompressionsvorgangs gehalten wird, so dass die Durchflussmenge des TC selbst dann konstant gemacht werden kann, wenn die Motordrehzahl ansteigt.
Die p-v Linie wird jetzt zur Linie g-i-j-k-m-b, und der BMEP wird auf ein Niveau von 1/1,25 des Wertes bei 2000 UpM reduziert, wie aus 8 hervorgeht, so dass er zu Punkt t in 3 wird.
Im Gegensatz dazu wird, wenn die Motordrehzahl gesenkt wird, der Speiseluftdruck wieder aus den oben erwähnten Gründen erhöht. Bei dieser in 8 gezeigten Situation wird der Speiseluftdruck bis auf eine Linie n-p erhöht, die p-v Linie wird zu einer Linie p-q-r-s-t und der Maximaldruck liegt über dem zulässigen Maximaldruck des Motors gemäß der Linie v-v.
Demgemäß wird auch in dem Fall, gemäß Anwendung des Miller-Zyklus, wie oben erwähnt, die p-v Linie zu einer Linie w-c-d-e-f-p, indem das Einlassventil an Punkt w geschlossen wird.
Infolge des Motors mit hohem Verhältnis muss der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung das Kompressionsverhältnis reduzieren, so dass im Hinblick auf die Startleistung, besonders beim Starten bei niedrigen Temperaturen, mit einer neuen Technologie gearbeitet werden muss.
In dem Motor der vorliegenden Erfindung beträgt eine vom Anlasser (nicht dargestellt) erzeugte Drehzahl etwa 100 UpM zum Startzeitpunkt, aber die Drehzahl wird vom Motordrehzahlsensor 25 im vorderen Ende 2 der Kurbelwelle erfasst und dem elektronischen Regler 17 gemeldet und der Regler 17 weist das Stellglied 18 an, das Bypassventil 20 völlig zu schließen, so dass der SC 5 die Einlassluft auf adiabatische Weise komprimiert und den Druck und die Temperatur der Luft im Auslassrohr 9 erhöht.
Demzufolge wird die Speiseluft dem Motor durch das Speiseluftkühlgerät 11, den Kompressor 10a und das Speiseluftkühlgerät 12 zugeführt, aber der TC 10 kann den bei einer so niedrigen Drehzahl nicht erhöhen, so dass der Druck nicht erhöht wird. Aber selbst wenn das Kompressionsverhältnis des Motors 8 ist, dann kann das Druckverhältnis vom SC 5 auf 2 erhöht werden, so dass der Druck im Zylinder auf einen Druck erhöht werden kann, der dem Kompressionsverhältnis gemäß der Formel 8 × 2 = 16 entspricht, aber die Speiseluft, die vom SC 5 auf eine hohe Temperatur gebracht wird, wird ebenfalls durch Leiten durch die Speiseluftkühlgeräte 11 und 12 gekühlt, und die Kompressionstemperatur des Motors wird durch eine Reduzierung der Speiselufttemperatur reduziert, so dass ein Start nicht möglich ist.
Dann wird, wie in 9 gezeigt, ein Bypass 26 zwischen dem Speiselufteinlass und dem Auslass der Speiseluftkühlgeräte 11 und 12 vorgesehen, und ein Schaltventil 27 ist an einem Verbindungsteil zwischen dem Bypassventil 26 und dem Auslassrohr 9 montiert, so dass ein Durchgang zu dem Ende des Auslassrohrs 9 entsteht, an dem sich die Speiseluftkühlgeräte 11 und 12 befinden, so dass die Speiseluft von den Speiseluftkühlgeräten 11 und 12 nicht gekühlt und die Passage zum Bypassventil 26 geöffnet wird. Demzufolge ist die Kühlwassertemperatur des Motors beim Start niedrig, der in 1 gezeigte Kühlwassersensor 24 meldet die Temperatur dem elektronischen Regler 17, der Regler 17 weist ein Stellglied 29 an, einen Hebel 28 zu drücken, die Passage zu dem Ende des Auslassrohrs 9, an dem sich die Speiseluftkühlgeräte 11 und 12 befinden, zu schließen und das Schaltventil 27 zu betätigen, um die Passage des Endes am Bypassventil 26 zu öffnen.
Unmittelbar nach dem Start des Motors ist, da die Motorkühlwassertemperatur niedrig ist, die Kompressionstemperatur noch nicht hoch, der Kraftstoff wird unvollständig verbrannt und es tritt weißer Rauch aus, der eine Lösungskomponente wie Formaldehyd und dergleichen enthält.
Um diese Situation zu bewältigen, weist der elektronische Regler 17 in dem Motor gemäß der vorliegenden Erfindung selbst dann, wenn der Positionssensor 23 dem elektronischen Regler 17 meldet, dass das Gaspedal 22 in der Leerlaufposition ist, das Stellglied 18 an, das Bypassventil 20 gemäß der Tieftemperaturinformation vom Kühlwassertemperatursensor 24 zu schließen, und erhöht die Kompressionstemperatur und den Druck des Motors durch Erhöhen des Drucks und der Temperatur des Auslassrohres 9 mit Hilfe des SC 5.
Dadurch wird verhütet, dass die Speiseluft von den Speiseluftkühlgeräten 11 und 12 gekühlt wird.

Claims

Hybrid-Ladermotorsystem, das Folgendes umfasst: einen Motor (1) mit einem Einlass (13) für Luft und einem Auslass (19) für Abgase und mit einer Abtriebswelle (2); einen Turbolader (10) mit einer mit dem Motorabgasauslass (19) verbundenen Turbine (10b) und einem Kompressor (10a), der einen Einlass (9) und einen mit dem Motoreinlass (13) verbundenen Auslass (12) aufweist; einen volumetrischen Verdrängungslader (5) mit einem Lufteinlass (8), einem Luftauslass (9) und einer Antriebswelle (6), wobei der genannte Verdrängungslader (5) in Serie mit dem Turbolader (10) geschaltet ist, wobei die Antriebswelle (6) antriebsmäßig mit der Motorabtriebswelle (2) gekoppelt ist, um den Verdrängungslader zum Erzeugen von Druckluft zum Motor (1) anzutreiben; eine Luftmengendrossel (20) zum Regulieren der Zufuhr von Luftdruck zu dem Verdrängungslader (5); einen Motordrehzahlsensor (25), einen Motorlastsensor (23) und ein Steuermittel (17), das auf die genannten Sensoren anspricht, um den von dem Turbolader und dem volumetrischen Verdrängungslader dem Motor zugeführten Luftdruck zu ändern, dadurch gekennzeichnet, dass: die maximale Kompressorleistung des Turboladers (10) bei einer Motordrehzahl erzeugt wird, die höher ist als die Motordrehzahl bei maximalem Drehmoment für den Motor; Luftmengenvolumenmessmittel (16) vorgesehen sind, um die dem Motor zugeführte Luftmenge zu messen; das Steuermittel (17) auch auf das Luftmengenvolumenmessmittel (16) anspricht, um die Luftströmungsgeschwindigkeit unabhängig von der Motordrehzahl konstant zu halten; und die Verdrängungsladerantriebswelle (16) über ein Antriebsmittel (3, 4, 7) mit festem Übersetzungsverhältnis antriebsmäßig mit der Motorabtriebswelle gekoppelt ist.
Motorsystem nach Anspruch 3, bei dem das Luftmengenvolumenmessmittel (16) einen Luftmengensensor im Lufteinlass des Verdrängungsladers umfasst.
Motorsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Luftmengendrossel einen Bypass am Luftauslass des Verdrängungsladers (5) reguliert und der Bypass sich zwischen dem Lufteinlass (8) und dem Luftauslass (9) des Verdrängungsladers befindet.
Motorsystem nach Anspruch 3, bei dem die Luftmengendrossel ein bewegliches Ventil (20) im Bypass aufweist, um die Luftmenge durch den Bypass zu justieren.
Motorsystem nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Luftmengendrossel auch einen Verdrängungslader-Drehzahlsensor (5a) aufweist.
Motorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Luftmengendrossel Mittel aufweist, um das dem Lufteinlass des Motors zugeführte Luftmengenvolumen im Wesentlichen konstant zu halten.
Motorsystem nach Anspruch 6, bei dem die Luftmengendrossel Mittel (21) aufweist, um den Druck der dem Lufteinlass (13) des Motors zugeführten Luft auf einen vorbestimmten Wert zu beschränken, so dass der maximale Druckbereich des Motors nicht überschritten wird.
Motorsystem nach Anspruch 1, bei dem die Luftmengendrossel auch ein Steuerventeil am Ausgang des Verdrängungsladers aufweist, und wobei dieses Steuerventil den Luftauslassdruck des Verdrängungsladers justieren kann.
Motorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem Kühler (11 oder 12) für den Auslass des Verdrängungsladers (SC) oder Turboladers (TC), einem Bypass (26), der zwischen dem Einlass und dem Auslass des Bypasses (26) verläuft, und einem Ventil (27), das von einem Stellglied (29) betätigt werden kann, um Luft in den Bypass (26) umzuschalten.