EP2205870A1 - Aufgeladener kompressor und verfahren zur steuerung eines aufgeladenen kompressors - Google Patents

Aufgeladener kompressor und verfahren zur steuerung eines aufgeladenen kompressors

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EP2205870A1
EP2205870A1 EP08846108A EP08846108A EP2205870A1 EP 2205870 A1 EP2205870 A1 EP 2205870A1 EP 08846108 A EP08846108 A EP 08846108A EP 08846108 A EP08846108 A EP 08846108A EP 2205870 A1 EP2205870 A1 EP 2205870A1
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EP
European Patent Office
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compressor
dead space
air
supercharged compressor
supercharged
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EP08846108A
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English (en)
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EP2205870B1 (de
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Jörg MELLAR
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Original Assignee
Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Publication date
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Publication of EP2205870B1 publication Critical patent/EP2205870B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/16—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by adjusting the capacity of dead spaces of working chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2201/00—Pump parameters
    • F04B2201/08—Cylinder or housing parameters
    • F04B2201/0808—Size of the dead volume
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/03—Pressure in the compression chamber

Definitions

  • the invention relates to a supercharged compressor for compressed air supply of a commercial vehicle with a piston chamber, a dead space and a valve device for switching the dead space.
  • the invention further relates to a method for controlling a supercharged compressor for supplying compressed air to a commercial vehicle with a piston chamber, a dead space and a valve device for switching the dead space.
  • Modern commercial vehicles often have air-operated subsystems, such as a compressed air-operated service brake and air suspension, which is why usually a compressed air supply device comprising a compressor, is integrated into the commercial vehicle.
  • the commercial vehicle usually has an internal combustion engine, which is often equipped with a turbocharger for efficiency reasons.
  • the compressor to absorb ambient air.
  • One possibility is to suck in uncompressed air in front of the turbocharger, ambient air also being able to be simply sucked in, while the other is to branch off already pre-compressed air downstream of the turbocharger and ideally after an intercooler associated with the turbocharger.
  • the invention has for its object to provide a supercharged compressor, which does not have the disadvantages mentioned.
  • the invention is based on the supercharged compressor of the generic type in that the valve device is designed in such a way that the volume of air delivered by the supercharged compressor can be reduced to a value other than zero by connecting polluting cavities.
  • the valves used can therefore be designed for lower volume flows, while at the same time can be dispensed with a permanently existing dead space.
  • the components of the crank mechanism can remain largely unreinforced.
  • the valve device comprises a plurality of individually switchable valves.
  • the connection of dead space is usually carried out by switching a valve device, which releases a connection between the piston chamber and the dead space in the form of a defined valve cross-section.
  • a valve device which releases a connection between the piston chamber and the dead space in the form of a defined valve cross-section.
  • the supercharged compressor breathes air into the dead space during the compression phase.
  • the valve cross-section of the released connection is important because it determines the flow resistance for the air.
  • Several individually switchable valves therefore allow an enlargement of the valve cross-section adapted to the charging pressure, or a lowering of the flow resistance.
  • the dead space comprises a plurality of separate volumes, which can be switched individually by the valve device.
  • the connection of further dead space volume allows, if necessary, a further reduction of peak pressures occurring in the supercharged compressor.
  • valve device comprises an at least two-stage switchable valve. Even with an at least two-stage switchable
  • Valve the shared valve cross-section between the piston chamber and dead space can be adjusted as needed, which is why in this way also occurring in the supercharged compressor peak pressures are gradually reduced.
  • the volume of air delivered by the supercharged compressor can be reduced to zero by connecting dead space. Is the releasable by the valve device valve cross-section between the piston chamber and the dead space sufficiently large and at the same time the volume of the dead space sufficient, the achievable by the supercharged compressor discharge pressure below the pressure necessary to promote an air volume can be lowered. In this state, the supercharged compressor no longer promotes air volume and accordingly requires less energy because of it does less work. In this way, a system for energy saving can be realized.
  • a clutch assigned to the supercharged compressor is suitable for disconnecting the supercharged compressor from the engine.
  • the invention is based on the generic method, characterized in that the volume of air delivered by the supercharged compressor is reduced by adding dead space to a value other than zero.
  • volume of air delivered is influenced by changing an overall open valve cross-section of the valve device between the dead space and the piston chamber.
  • the volume of air delivered by the supercharged compressor is reduced to zero by connecting dead space.
  • At least one condition for switching dead space is met only during an acceleration phase of the commercial vehicle.
  • the switching of dead space takes place as a function of at least one of the following variables:
  • the boost pressure of the turbocharger or the turbocharger speed or the engine speed and the engine load can be used as a basis for decision whether the addition of dead space for lowering occurring in the supercharged compressor peak pressures makes sense. Furthermore, the air requirement of the commercial vehicle can be used as a criterion for connecting dead space. If the commercial vehicle has sufficient compressed air, the supercharged compressor can be converted into an energy-saving state regardless of other variables.
  • a compressor associated with the clutch is switched to separate the compressor from the engine.
  • At least one condition for switching the clutch is fulfilled only during an acceleration phase of the commercial vehicle.
  • the switching of the clutch takes place as a function of at least one of the following variables:
  • Figure 1 is a schematically simplified representation of a vehicle with a supercharged compressor
  • Figure 2 is a sectional view of a compressor
  • FIG. 3 shows the delivered air volume of a supercharged compressor according to the invention as a function of the boost pressure
  • FIG. 4 shows an engine map with different operating ranges of a supercharged compressor according to the invention to illustrate the operation of the method.
  • FIG. 1 shows a schematically simplified representation of a vehicle 12 with a supercharged compressor 10.
  • the commercial vehicle 12 is driven by a motor 20, whose exhaust gas flow drives a turbocharger 22.
  • the turbocharger 22 draws fresh air via an air filter 24, which is supplied to the engine 20 with a boost pressure which is dependent on the mass flow of the engine exhaust gas.
  • the supercharged compressor 10 is also supplied via a node 26 with fresh air, said node 26 is disposed downstream of the turbocharger 22. It is conceivable that between the node 26 and the turbocharger 22 still arrange a charge air cooler, which cools the pre-compressed by the turbocharger 22 air again.
  • the compressor 10 is associated with a clutch 72 which is disposed between the engine 20 and the compressor 10. By opening the clutch 72, the compressor 10 can be disconnected from the engine 20.
  • FIG. 2 shows a sectional view of a compressor 10.
  • the compressor 10 comprises a cylinder housing 38 with cooling fins 40, which encloses a piston 36 which moves in a piston chamber 14 and is driven by a crankshaft 42.
  • the cooling fins 40 are not absolutely necessary, but provide for a cooling of the cylinder housing 38, wherein other types not shown the Cooling of the cylinder housing 38, for example, by a water cooling, often have a higher cooling capacity.
  • an air inlet 30 with an air inlet valve 28, an air outlet 34 with an air outlet valve 32 and a dead space 16 with a valve device 18 are shown.
  • the piston 36 moves downwardly within the piston chamber 14, with air being drawn in through the air inlet valve 28 from the air inlet 30 into the co-cavity 14.
  • the air outlet valve 32 is closed by design.
  • the piston 36 in the piston chamber 14 moves upward, the air inlet valve 28 closes, the air outlet valve 32 opens upon reaching a sufficiently high pressure and air is conveyed into the air outlet 34.
  • valve device 18 When the valve device 18 is switched, opens a connection between the piston chamber 14 and the dead space 16 through which air can flow.
  • the flow resistance is essentially dependent on the shared valve cross-sectional area, which switches the valve device 18. If the compressor 10 is in a delivery phase, the air is compressed not only in the interior of the piston chamber 14 but also in the dead space 16. The relative compression of the air is thus reduced because the volume of the piston chamber to be compressed is increased by that of the dead space when the valve device 18 releases a sufficiently large valve cross-section. If the released valve cross-section is not sufficiently large, it acts as a throttle. In this case, the pressure occurring during compression is lowered less.
  • FIG. 3 shows the delivered volume of air of a compressor 10 according to the invention as a function of the boost pressure.
  • the solid lines 44, 46, 48 and 50 are curves, interpolated from the associated data points, showing the delivered air volume of a supercharged compressor as a function of the number of revolutions of the compressor.
  • the curve 44 corresponds to the delivered air volume without turbocharging, that is, a boost pressure of 0 psi.
  • Curves 46, 48 and 50 correspond to boost pressures of 20 psi, 40 psi and 60 psi.
  • a dotted line 52 is shown, which represents the measured conveyed air quantity of a supercharged compressor according to the invention as a function of the number of revolutions of the compressor. In the lower part of this curve between approximately 600 and 800 revolutions per minute, the curve 52 coincides with the curve 44.
  • the supercharged compressor 10 promotes at least the same amount of air such as a non-supercharged compressor shown in curve 44. In particular, at idle, therefore, at least the same amount of air can be promoted as without turbocharging.
  • FIG. 4 shows an engine map with various operating ranges of a supercharged compressor according to the invention to illustrate the operation of the method. Plotted are in the usual way on the x-axis, the engine rotation, on the y-axis, the torque supplied by the engine and additionally starting from the right in the form of hyperbola lines of the same engine power. Furthermore, in the interior of the engine map lines of the same boost pressure in millibar are offered. A first operating region 62, a second operating region 64 and a third operating region 66 are provided by a first operating region 62
  • Switching limit 58 and a second switching limit 60 separately.
  • the bold line 56 represents a measured curve of engine data, with reference to which the method is explained below.
  • the dead space 16 In the first operating range of the supercharged compressor no dead space 16 is switched on. In the second operating region 64, the dead space 16 is partially switched by the valve device 18, while in the third operating region 66 the dead space 16 is completely switched or the clutch 72 is open. Starting from the idle 54 in the first operating region 62 accelerates the vehicle, wherein the state of the motor 20 moves from bottom left to top right along the s-shaped curve 56 through the engine map. Upon reaching the first switching limit 58 of the dead space 16 is partially switched to lower the peak pressures occurring in the supercharged compressor 10 during the compression of the air.
  • the first switching limit 58 has been selected such that it is traversed only once during the acceleration phase of the commercial vehicle 12. All subsequent processes take place in the second operating region 64 and in the third operating region 66. Upon reaching the final speed of the commercial vehicle 12, the engine 20 is typically within the normal operating range 68 that is remote from the first shift limit 58 and the second shift limit 60. It is also conceivable to put the compressor into an energy-saving state by switching in further dead space or increasing the free valve cross-section, in which the delivered air volume approaches zero.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen aufgeladenen Kompressor (10) zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs (12) mit einem Kolbenraum (14), einem Schadraum (16) und einer Ventileinrichtung (18) zum Schalten des Schadraumes (16). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung (18) in der Weise ausgebildet ist, dass das von dem aufgeladenen Kompressor (10) geförderte Luftvolumen durch Zuschalten von Schadraum (16) auf einen von Null verschiedenen Wert reduzierbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines aufgeladenen Kompressors (10) zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs (12) mit einem Kolbenraum (14), einem Schadraum (16) und einer Ventileinrichtung (18) zum Schalten des Schadraumes (16).

Description

KNORR-BREMSE Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH EM 3501-K
Aufgeladener Kompressor und Verfahren zur Steuerung eines aufgeladenen Kompressors
Die Erfindung betrifft einen aufgeladenen Kompressor zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs mit einem Kolbenraum, einem Schadraum und einer Ventileinrichtung zum Schalten des Schadraums.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines aufgeladenen Kompressors zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs mit einem Kolbenraum, einem Schadraum und einer Ventileinrichtung zum Schalten des Schadraumes.
Moderne Nutzfahrzeuge verfügen oftmals über druckluftbetriebenen Teilsysteme, wie eine druckluftbetriebene Betriebsbremse und Luftfederung, weshalb üblicherweise eine Druckluftversorgungseinrichtung, die einen Kompressor umfasst, in das Nutzfahrzeug integriert wird. Weiterhin verfügt das Nutzfahrzeug normalerweise über einen Verbrennungsmotor, der aus Effizienzgründen oftmals mit einem Turbolader ausgestattet ist. Grundsätzlich bestehen nun zwei verschiedene Mög- lichkeiten für den Kompressor Umgebungsluft aufzunehmen. Eine Möglichkeit besteht darin vor dem Turbolader unverdichtete Luft anzusaugen, wobei auch einfach Umgebungsluft angesaugt werden kann, während die andere darin besteht, nach dem Turbolader und idealerweise nach einem dem Turbolader zugehörigen Ladeluftkühler bereits vorverdichtete Luft abzuzweigen. Durch das Ansau- gen bereits durch den Turbolader komprimierter Luft entsteht, insbesondere bei höheren Motordrehzahlen und hohen Motorlasten, ein stark erhöhter Luftdurchsatz im Kompressor. Bei geringen Motordrehzahlen ist jedoch kaum eine gesteigerte Luftförderung feststellbar. Ursächlich sind hier die typischen Turboladerauslegungen die bei niedrigen Motordrehzahlen und geringen Lasten noch keinen nutzba- ren Ladedruck aufbauen. Nachteilig ist weiterhin, dass sehr große Ventile innerhalb des Kompressors benötigt werden, um die bei hohen Ladedrücken auftretenden hohen Volumenströme verkraften zu können. Bei Verwendung der herkömmlichen Ventile können Spitzendrücke von 20 bis 30 bar auftreten, die deutlich über den ohne die Turboaufladung auftretenden Spitzendrücken von 12 bis 18 bar liegen. Alternativ ist es möglich, die maximale Verdichtung des Kompressors durch einen permanent vorhandenen Schadraum zu senken, was sich jedoch nachteilig auf die Luftförderung, insbesondere bei niedrigem Ladedruck, des Kompressors auswirkt und die Luftförderung in diesem Bereich weiter senken würde. Weiterhin ist anzumerken, dass das Nutzfahrzeug oft bei geringen Motordrehzahlen einen erhöhten Luftbedarf aufweist. Beispiel hierfür ist der Containerwechselbetrieb und der Haltestellenluftbedarf eines Busses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aufgeladenen Kompressor be- reitzustellen, der die genannten Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen aufgeladenen Kompressor dadurch auf, dass die Ventileinrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass das von dem aufgeladenen Kompressor geförderte Luftvolumen durch Zuschalten von Schad- räum auf einen von Null verschiedenen Wert reduzierbar ist. Durch das Zuschalten von Schadraum und dem damit zusammenhängenden Reduzieren des geförderten Luftvolumens werden die während einer Komprimierungsphase entstehenden Spitzendrücke im Inneren des aufgeladenen Kompressors reduziert. Die verwendeten Ventile können deshalb für geringere Volumenströme ausgelegt werden, wobei gleichzeitig auf einen permanent vorhandenen Schadraum verzichtet werden kann. Weiterhin können die Bauteile des Kurbeltriebes weitgehend unverstärkt bleiben. Vorteilhafterweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung mehrere einzeln schaltbare Ventile umfasst. Das Zuschalten von Schadraum erfolgt üblicherweise durch das Schalten einer Ventileinrichtung, die eine Verbindung zwischen dem Kolbenraum und dem Schadraum in Form eines definierten Ventil- querschnitts freigibt. Über diesen definierten Ventilquerschnitt atmet der aufgeladene Kompressor während der Komprimierungsphase Luft in den Schadraum. Neben dem Schadraumvolumen ist der Ventilquerschnitt der freigegebenen Verbindung von Bedeutung, da dieser den Strömungswiderstand für die Luft bestimmt. Mehrere einzeln schaltbare Ventile ermöglichen daher ein an den Lade- druck angepasstes Vergrößern des Ventilquerschnitts, bzw. ein Senken des Strömungswiderstandes.
Nützlicherweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Schadraum mehrere separate Volumen umfasst, die von der Ventileinrichtung einzeln Schaltbar sind. Das Zuschalten von weiterem Schadraumvolumen ermöglicht im Bedarfsfall eine weitere Absenkung der in dem aufgeladenen Kompressor auftretenden Spitzendrücke.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung ein zumindest zweistu- fig schaltbares Ventil umfasst. Auch mit einem zumindest zweistufig schaltbaren
Ventil kann der freigegebene Ventilquerschnitt zwischen Kolbenraum und Schadraum bedarfsgerecht angepasst werden, weshalb auf diese Weise ebenfalls die in dem aufgeladenen Kompressor auftretenden Spitzendrücke stufbar reduzierbar sind.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das von dem aufgeladenen Kompressor geförderte Luftvolumen durch Zuschalten von Schadraum auf Null reduzierbar ist. Ist der von der Ventileinrichtung freigebbare Ventilquerschnitt zwischen dem Kolbenraum und dem Schadraum genügend groß und gleichzeitig das Volumen des Schadraumes ausreichend, so ist der von dem aufgeladenen Kompressor erreichbare Förderdruck unter den zur Förderung eines Luftvolumens notwendigen Druck absenkbar. In diesem Zustand fördert der aufgeladene Kompressor kein Luftvolumen mehr und benötigt dementsprechend weniger Energie, da er weniger Arbeit verrichtet. Auf diese Weise lässt sich ein System zur Energieeinsparung realisieren.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine dem aufgeladenen Kompressor zuge- ordnete Kupplung geeignet ist, den aufgeladenen Kompressor von dem Motor zu trennen. Durch das vollständige Trennen der Verbindung zwischen Kompressor und Motor wird die Luftförderung und damit zusammenhängend die Belastung des Kompressors auf Null gesenkt
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass das von dem aufgeladenen Kompressor geförderte Luftvolumen durch Zuschalten von Schadraum auf einen von Null verschiedenen Wert reduziert wird.
Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Kompressors auch im Rahmen eines Verfahrens umgesetzt. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dieses wird in nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass das geförderte Luftvolumen durch Veränderung eines insgesamt offenen Ventilquerschnitts der Ventileinrichtung zwischen dem Schadraum und dem Kolbenraum beeinflusst wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das von dem aufgeladenen Kompressor geförderte Luftvolumen durch Zuschalten von Schadraum auf Null reduziert wird.
Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Bedingung zum Schalten von Schadraum nur während einer Beschleunigungsphase des Nutzfahrzeugs erfüllt wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Schalten von Schadraum in Abhängigkeit von zumindest einer der folgenden Größen erfolgt:
Motordrehzahl, Turboladerdrehzahl,
Ladedruck des Turboladers,
Motorlast,
Luftbedarf des Nutzfahrzeugs.
Der Ladedruck des Turboladers beziehungsweise die Turboladerdrehzahl oder die Motordrehzahl und die Motorlast können als Entscheidungsgrundlage herangezogen werden, ob das Zuschalten von Schadraum zur Absenkung von in den aufgeladenen Kompressor auftretenden Spitzendrücken sinnvoll ist. Weiterhin kann der Luftbedarf des Nutzfahrzeugs als Kriterium zum Zuschalten von Schadraum herangezogen werden. Wenn das Nutzfahrzeug über ausreichend Druckluft verfügt, kann der aufgeladene Kompressor unabhängig von anderen Größen in einen energiesparenden Zustand überführt werden.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass eine dem Kompressor zugeordnete Kupplung geschaltet wird, um den Kompressor von dem Motor zu trennen.
Nützlicherweise ist dabei vorgesehen, dass zumindest eine Bedingung zum Schalten der Kupplung nur während einer Beschleunigungsphase des Nutzfahrzeugs erfüllt wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Schalten der Kupplung in Abhängigkeit von zumindest einer der folgenden Größen erfolgt:
- Motordrehzahl,
Turboladerdrehzahl,
Ladedruck des Turboladers,
Motorlast,
Luftbedarf des Nutzfahrzeugs
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs mit einem aufgeladenen Kompressor;
Figur 2 ein Schnittbild eines Kompressors;
Figur 3 das geförderte Luftvolumen eines erfindungsgemäßen aufgeladenen Kompressors in Abhängigkeit des Ladedrucks und
Figur 4 ein Motorenkennfeld mit verschiedenen Betriebsbereichen eines erfindungsgemäßen aufgeladenen Kompressors zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des Verfahrens.
In den nachfolgenden Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Teile.
Figur 1 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs 12 mit einem aufgeladenen Kompressor 10. Das Nutzfahrzeug 12 wird von einem Motor 20 angetrieben, dessen Abgasstrom einen Turbolader 22 antreibt. Der Turbolader 22 saugt über einen Luftfilter 24 Frischluft an, die dem Motor 20 mit einem vom Massenstrom des Motorabgases abhängigen Ladedruck zugeführt wird. Der aufgeladene Kompressor 10 wird über einen Knotenpunkt 26 ebenfalls mit Frischluft versorgt, wobei dieser Knotenpunkt 26 stromabwärts des Turboladers 22 angeordnet ist. Es ist denkbar, dass zwischen dem Knotenpunkt 26 und dem Turbolader 22 noch einen Ladeluftkühler anzuordnen, der die von dem Turbolader 22 vorverdichtete Luft wieder abkühlt. Weiterhin ist dem Kompressor 10 eine Kupplung 72 zugeordnet, die zwischen dem Motor 20 und dem Kompressor 10 angeordnet ist. Durch das Öffnen der Kupplung 72 kann der Kompressor 10 von dem Motor 20 getrennt werden.
Figur 2 zeigt ein Schnittbild eines Kompressors 10. Der Kompressor 10 umfasst eine Zylindergehäuse 38 mit Kühlrippen 40, das einen sich in einem Kolbenraum 14 bewegenden Kolben 36 umschließt, der von einer Kurbelwelle 42 angetrieben wird. Die Kühlrippen 40 sind nicht zwingend notwendig, sorgen jedoch für eine Kühlung des Zylindergehäuses 38, wobei andere nicht dargestellte Arten der Kühlung des Zylindergehäuses 38, beispielsweise durch eine Wasserkühlung, oftmals eine höhere Kühlleistung aufweisen. Weiterhin sind ein Lufteinlass 30 mit einem Lufteinlassventil 28, ein Luftauslass 34 mit einem Luftauslassventil 32 sowie ein Schadraum 16 mit einer Ventileinrichtung 18 dargestellt.
Während einer dargestellten Luftansaugphase bewegt sich der Kolben 36 im Inneren des Kolbenraumes 14 nach unten, wobei Luft durch das Lufteinlassventil 28 von dem Lufteinlass 30 in den Kobenraum 14 eingesaugt wird. In der Ansaugphase ist das Luftauslassventil 32 konstruktionsbedingt geschlossen. Während der nicht dargestellten Förderphase bewegt sich der Kolben 36 in dem Kolbenraum 14 nach oben, wobei das Lufteinlassventil 28 schließt, das Luftauslassventil 32 bei Erreichen eines ausreichend hohen Druckes öffnet und Luft in den Luftauslass 34 gefördert wird.
Wenn die Ventileinrichtung 18 geschaltet wird, öffnet sich eine Verbindung zwischen dem Kolbenraum 14 und dem Schadraum 16, durch die Luft strömen kann. Der Strömungswiderstand ist dabei im Wesentlichen von der freigegebenen Ventilquerschnittsfläche abhängig, die die Ventileinrichtung 18 schaltet. Befindet sich der Kompressor 10 in einer Förderphase, wird die Luft nicht nur im Inneren des Kolbenraumes 14 sondern auch im Schadraum 16 komprimiert. Die relative Komprimierung der Luft wird also reduziert, da das zu komprimierende Volumen des Kolbenraumes um das des Schadraumes vergrößert wird, wenn die Ventileinrichtung 18 einen ausreichend großen Ventilquerschnitt freigibt. Ist der freigegebene Ventilquerschnitt nicht hinreichend groß, so wirkt er als Drossel. In diesem Fall wird der während der Komprimierung auftretende Druck weniger stark abgesenkt.
Übersteigen das Volumen des Schadraumes 16 und der von der Ventileinrichtung 18 freigeschaltete Ventilquerschnitt eine bestimmte Grenze, so kann der während einer Förderphase im Kolbenraum 14 erreichbare Druck geringer sein als der im Bereich des Luftauslasses 34 herrschende Druck. Eine Luftförderung findet dann nicht mehr statt, wobei gleichzeitig weniger Arbeit zur Komprimierung der Luft verrichtet werden muss. Auf diese Weise ist ein Energiesparsystem für den aufgeladenen Kompressor 10 realisierbar. Figur 3 zeigt das geförderte Luftvolumen eines erfindungsgemäßen Kompressors 10 in Abhängigkeit des Ladedrucks. Die durchgezogenen Linien 44, 46, 48 und 50 sind von den zugehörigen Datenpunkten interpolierte Kurven, die das geförderte Luftvolumen eines aufgeladenen Kompressors in Abhängigkeit von der Umdre- 5 hungszahl des Kompressors zeigt. Die Kurve 44 entspricht dem geförderten Luftvolumen ohne Turboaufladung, das heißt einem Ladedruck von 0 psi. Die Kurven 46, 48 und 50 entsprechen Ladedrücken von 20 psi, 40 psi und 60 psi. Weiterhin ist eine gepunktet eingezeichnete Linie 52 dargestellt, die die gemessene geförderte Luftmenge eines erfindungsgemäßen aufgeladenen Kompressors in0 Abhängigkeit von der Umdrehungszahl des Kompressors darstellt. Im unteren Bereich dieser Kurve zwischen ca. 600 und 800 Umdrehungen pro Minute stimmt die Kurve 52 mit der Kurve 44 überein. Diese Umdrehungszahlen des Kompressors 10 korrelieren mit geringen Umdrehungszahlen des Motors 20, bei dem der Turbolader 22 noch keinen nennenswerten Ladedruck entwickeln kann. Zwischen5 800 und 3000 Umdrehungen pro Minute steigt die geförderte Luftmenge aufgrund des wachsenden Ladedrucks des Kompressors 10 an, verflacht jedoch im oberen Bereich bei erreichen des maximalen Ladedrucks des verwendeten Turboladers 22. Zu beachten ist, dass der erfindungsgemäße aufgeladene Kompressor 10 zumindest die gleiche Luftmenge fördert, wie ein in Kurve 44 dargestellter nicht o aufgeladener Kompressor. Insbesondere im Leerlauf kann daher zumindest die gleiche Luftmenge gefördert werden wie ohne Turboaufladung.
Figur 4 zeigt ein Motorenkennfeld mit verschiedenen Betriebsbereichen eines erfindungsgemäßen aufgeladenen Kompressors zur Veranschaulichung der5 Arbeitsweise des Verfahrens. Aufgetragen sind in üblicher Weise auf der x-Achse die Motorumdrehung, auf der y-Achse das von dem Motor geleistete Drehmoment und zusätzlich von rechts ausgehend in Form von Hyperbeln Linien gleicher Motorleistung. Weiterhin sind im Inneren des Motorenkennfeldes Linien gleichen Ladedruckes in Millibar angetragen. Ein erster Betriebsbereich 62, ein zweiter o Betriebsbereich 64 und ein dritter Betriebsbereich 66 werden von einer ersten
Schaltgrenze 58 und einer zweiten Schaltgrenze 60 getrennt. Die fett eingezeichnete Linie 56 stellt eine gemessene Kurve von Motordaten dar, anhand derer im Folgendem das Verfahren erläutert wird. In dem ersten Betriebsbereich des aufgeladenen Kompressors ist kein Schadraum 16 zugeschaltet. In dem zweiten Betriebsbereich 64 ist der Schadraum 16 durch die Ventileinrichtung 18 teilweise geschaltet, während im dritten Betriebsbereich 66 der Schadraum 16 vollständig geschaltet oder die Kupplung 72 geöffnet ist. Ausgehend vom Leerlauf 54 im ersten Betriebsbereich 62 beschleunigt das Fahrzeug, wobei sich der Zustand des Motors 20 von links unten nach rechts oben entlang der s-förmigen Kurve 56 durch das Motorenkennfeld bewegt. Bei Erreichen der ersten Schaltgrenze 58 wird der Schadraum 16 teilweise geschaltet, um die in dem aufgeladenen Kompressor 10 auftretenden Spitzendrücke während der Komprimierung der Luft abzusenken. Mit steigender Motordrehzahl wachsen die von dem Turbolader 22 bereitgestellten Ladedrücke schnell an und bei Erreichen der zweiten Schaltgrenze 60 wird der Schadraum 16 vollständig geschaltet, um die auftretenden Spitzendrücke im Inneren des aufgeladenen Kompressors 10 nochmals abzusenken, beziehungsweise die Kupplung 72 geöffnet und der Kompressor 10 vollständig von dem Motor 20 getrennt. Bei Erreichen eines oberen Schaltpunktes 70 wird der nächsthöhere Gang eines nicht dargestellten Getriebes eingelegt, wobei gleichzeitig die Umdrehungszahl des Motors 20 steil abfällt. Nach dem Wiedereinkuppeln des Getriebes steigt die Motordrehzahl wieder bis Punkt 70 an. Während des Schaltvorganges überquert die Kurve 56 erneut die zweite Schaltgrenze 60, weshalb der Schadraum 16 wieder teilweise abgeschaltet beziehungsweise die Kupplung 72 wieder geschlossen wird. Zu beachten ist, dass die erste Schaltgrenze 58 so gewählt wurde, dass sie nur einmal während der Beschleunigungsphase des Nutzfahrzeugs 12 überquert wird. Sämtliche anschließenden Vorgänge spielen sich im zweiten Betriebsbereich 64 und im dritten Be- triebsbereich 66 ab. Bei Erreichen der Endgeschwindigkeit des Nutzfahrzeugs 12 befindet sich der Motor 20 üblicherweise innerhalb des normalen Betriebsbereichs 68, der von der ersten Schaltgrenze 58 und der zweiten Schaltgrenze 60 entfernt liegt. Es ist weiterhin denkbar den Kompressor durch zuschalten von weiterem Schadraum beziehungsweise das Vergrößern des freien Ventilquerschnitts in einen energiesparenden Zustand zu versetzen, bei dem die geförderte Luftmenge gegen Null geht. Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
10 Kompressor
12 Nutzfahrzeug
14 Kolbenraum
16 Schadraum
18 Ventileinrichtung
20 Motor
22 Turbolader
24 Luftfilter
26 Kontenpunkt
28 Lufteinlassventil
30 Lufteinlass
32 Luftauslassventil
34 Luftauslass
36 Kolben
38 Zylindergehäuse
40 Kühlrippe
42 Kurbelwelle
44 0 psi Ladedruck
46 20 psi Ladedruck
48 40 psi Ladedruck
50 60 psi Ladedruck
52 Messwerte
54 Leerlauf
56 gemessene Kurve
58 erste Schaltgrenze
60 zweite Schaltgrenze
62 erster Betriebsbereich
64 zweiter Betriebsbereich
66 dritter Betriebsbereich
68 normaler Betriebsbereich
70 Schaltpunkt
72 Kupplung

Claims

KNORR-BREMSE Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH EM 3501-KAnsprüche
1. Aufgeladener Kompressor (10) zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs (12) mit einem Kolbenraum (14), einem Schadraum (16) und einer Ventileinrichtung (18) zum Schalten des Schadraumes (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (18) in der Weise ausgebildet ist, dass das von dem Aufgeladenen Kompressor (10) geförderte Luftvolumen durch Zuschalten von Schadraum (16) auf einen von Null verschiedenen Wert reduzierbar ist.
2. Aufgeladener Kompressor (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (18) mehrere einzeln schaltbare Ventile umfasst.
3. Aufgeladener Kompressor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schadraum (14) mehrere separate Volumen umfasst, die von der Ventileinrichtung (18) einzeln schaltbar sind.
4. Aufgeladener Kompressor (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (18) ein zumindest zweistufig schaltbares Ventil umfasst.
5. Aufgeladener Kompressor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem aufgeladenen Kompressor
(10) geförderte Luftvolumen durch Zuschalten von Schadraum (16) auf Null reduzierbar ist.
6. Aufgeladener Kompressor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem aufgeladenen Kompressor (10) zugeordnete Kupplung (72) geeignet ist, den aufgeladenen Kompressor (10) von dem Motor (20) zu trennen.
7. Nutzfahrzeug (12) mit einem aufgeladenen Kompressor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
8. Verfahren zur Steuerung eines aufgeladenen Kompressors (10) zur Druck- luftversorgung eines Nutzfahrzeugs (12) mit einem Kolbenraum (14), einem
Schadraum (16) und einer Ventileinrichtung (18) zum Schalten des Schadraumes (16), dadurch gekennzeichnet, dass das von dem aufgeladenen Kompressor (10) geförderte Luftvolumen durch Zuschalten von Schadraum (16) auf einen von Null verschiedenen Wert reduziert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das geförderte Luftvolumen durch Veränderung eines insgesamt offenen Ventilquerschnitts der Ventileinrichtung (18) zwischen dem Schadraum (16) und dem Kolbenraum (14) beeinflusst wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem aufgeladenen Kompressor (10) geförderte Luftvolumen durch Zuschalten von Schadraum (16) auf Null reduziert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bedingung zum Schalten von Schadraum (16) nur während einer Beschleunigungsphase des Nutzfahrzeugs (12) erfüllt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten von Schadraum (16) in Abhängigkeit von zumindest einer der folgenden Größen erfolgt:
Motordrehzahl, Turboladerdrehzahl, - Ladedruck des Turboladers, Motorlast, Luftbedarf des Nutzfahrzeugs.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Kompressor (10) zugeordnete Kupplung (72) geschaltet wird, um den Kompressor (10) von dem Motor (20) zu trennen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bedingung zum Schalten der Kupplung (72) nur während einer Beschleunigungsphase des Nutzfahrzeugs (12) erfüllt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten der Kupplung (72) in Abhängigkeit von zumindest einer der folgenden Größen erfolgt:
Motordrehzahl, Turboladerdrehzahl, - Ladedruck des Turboladers, Motorlast, Luftbedarf des Nutzfahrzeugs
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