WO2012045464A1 - Luftverdichtungseinrichtung für einen kraftwagen sowie verfahren zum betreiben einer solchen luftverdichtungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftverdichtungseinrichtung (10) für einen Kraftwagen, insbesondere einen Nutzkraftwagen, mit einem Luftkompressor (12), welcher einen ersten Verdichter (14) und wenigstens einen zweiten Verdichter (16) umfasst, mittels welchen Luft für eine Druckluftanlage des Kraftwagens zu verdichten ist, wobei die Verdichter (14, 16) wahlweise zwischen einem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand und einem parallel zueinander geschalteten Betriebszustand umschaltbar sind, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Luftverdichtungseinrichtung (10).

Description

Luftverdichtungseinrichtung für einen Kraftwagen sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Luftverdichtungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Luftverdichtungseinrichtung für einen Kraftwagen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Luftverdichtungseinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art.

Die DE 2008 026 023 A1 offenbart einen Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, der eine Abtriebswelle aufweist und der einen heißen Abgasstrom erzeugt. Der

Antriebsstrang umfasst ein Turbocompoundsystem, dass eine Abgasturbine umfasst, die durch Abgas beaufschlagbar im Abgasstrom angeordnet ist und Abgasenergie in

Antriebsenergie umwandelt. Dabei steht die Abgasturbine in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors oder ist in eine solche Triebverbindung schaltbar. Ferner treibt die Abgasturbine einen Turboverdichter oder

Verdrängungsverdichter an, mittels welchem der Verbrennungsmotor frischluftseitig aufgeladen wird. Das Turbocompoundsystem umfasst des Weiteren ein Druckluftsystem mit einem Luftkompressor, der mittels des Verbrennungsmotors oder eines zusätzlichen Motors antreibbar ist und Druckluft in wenigstens einen Druckluftkreis oder eine

Druckluftleitung speist. Dabei ist der Luftkompressor mittels des Turboverdichters oder Verdrängungsverdichters des Turbocompoundsystem aufladbar, wobei durch den Turboverdichter oder Verdrängungsverdichter verdichtete Luft im Luftkompressor auf dessen Saugseite zugeführt wird. Der Luftkompressor kann dabei als zweistufiger Kompressor mit zwei Zylindern aber auch als einstufiger Kompressor mit einem Zylinder ausgeführt sein.

Zudem sind aus dem Serienbau von Kraftwagen einstufige und zweistufige

Luftkompressoren bekannt, mit welchen Luft verdichtbar ist. Insbesondere einstufige Luftkompressoren weisen dabei den Nachteil einer relativ hohen Verdichtungsendtemperatur auf. Ebenso weisen sie eine große Dimensionierung auf, welche am Luftbedarf im Leerlauf sowie an der geringsten Einschalte- und der notwendigen Leerlaufdauer orientiert, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Daraus resultiert eine unerwünscht hohe Verlustleistung zum aktiven und passiven Betrieb sowie eine unnötig große Dimensionierung. Ebenso hat sich gezeigt, dass ein unerwünscht hoher Verschleiß von Schmieröl sowie des Luftkompressors selbst aufgrund der hohen Verdichtungstemperatur auftritt, was insbesondere dem Luftkompressor nachgeschaltete und mit der von dem Luftkompressor verdichteten Luft zu versorgende Komponenten beeinträchtigen kann, falls keine anderweitigen Vorkehrungen getroffen sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luftverdichtungseinrichtung für einen Kraftwagen mit wenigsten einem Luftkompressor sowie ein Verfahren zum

Betreiben einer solchen Luftverdichtungseinrichtung bereitzustellen, welche einen verbesserten Betrieb des Luftkompressors ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Luftverdichtungseinrichtung für einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Luftverdichtungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine solche Luftverdichtungseinrichtung für einen Kraftwagen, insbesondere einen Nutzkraftwagen, umfasst einen Luftkompressor, welcher einen ersten Verdichter, insbesondere einen ersten Zylinder mit einem in dem Zylinder translatorisch

aufgenommenen Kolben, sowie einen zweiten Verdichter, insbesondere einen zweiten Zylinder mit einem darin translatorisch verschiebbar aufgenommenen Kolben, umfasst, mittels welchen Luft für eine Druckluftanlage des Kraftwagens zu verdichten ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verdichter wahlweise zwischen einem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand und einem parallel zueinander geschalteten Betriebszustand umschaltbar sind. Mit anderen Worten können die Verdichter in einem der Betriebszustände parallel zueinander geschaltet sein und die Luft für die

Druckluftanlage des Kraftwagens parallel verdichten, wobei die Verdichter beispielsweise an eine gemeinsame Luftversorgung angeschlossen sind und den Verdichter zumindest im Wesentlichen gleichzeitig Luft zugeführt wird, die von den Verdichtern verdichtet wird. In dem zweiten Betriebszustand sind die Verdichter seriell zueinander geschaltet. Dabei wird zunächst lediglich einer der Verdichter mit Luft versorgt, welcher die Luft verdichtet, insbesondere vorverdichtet. Die von dem ersten Verdichter verdichtete, insbesondere vorverdichtete, Luft wird dann zudem stromab und seriell angeordneten zweiten

Verdichter geleitet, welcher die vom ersten Verdichter als erste Stufe verdichtete, insbesondere vorverdichtete Luft, als zweite Stufe weiter verdichtet, bevor sie schließlich der Druckluftanlage bzw. einer Speichereinrichtung, insbesondere einem Tank, einer Druckflasche, oder dergleichen, zugeführt wird.

Durch diese wahlweise Umschaltung der Verdichter können die Verdichter und damit der Luftkompressor zunächst hinsichtlich ihrer Dimensionierung, also ihrer Baumaße, zumindest nahezu wie ein zweistufiger Verdichter ausgelegt und dargestellt werden, wobei ein solcher als zweistufiger Verdichter ausgelegter Verdichter einen besonders geringen Bauraumbedarf, sowie einen besonders geringes Gewicht aufweist,

insbesondere im Vergleich zu einem einstufigen Kompressor bei zumindest nahezu gleicher Leistungsfähigkeit. Dies ermöglicht es, den Luftkompressor der

erfindungsgemäßen Luftverdichtungseinrichtung gemäß dem Downsizinig-Konzept darzustellen, so dass der Luftkompressor ein geringes Gewicht und einen geringen Bauraumbedarf, aber gleichzeitig eine besonders hohe Leistungsfähigkeit aufweist. Des Weiteren weist ein solcher als zweistufiger Luftkompressor ausgelegter Luftkompressor eine besonders geringe Verlustleistung und damit einen besonders effizienten Betrieb sowohl im aktiven als auch im passiven Betrieb auf, insbesondere im Vergleich zu einem einstufigen Luftkompressor, so dass der Luftkompressor der erfindungsgemäßen Luftverdichtungseinrichtung und damit die erfindungsgemäße Luftverdichtungseinrichtung selbst besonders effizient und energieverbrauchsarm betrieben werden kann.

Die Parallelschaltung im parallel zueinander geschalteten Betriebszustand des

Luftkompressors zweier kleinerer Verdichter, insbesondere Zylinder, welche im Vergleich zu dem einstufigen Luftkompressor und dessen einen Verdichter kleiner dimensioniert sind, ergibt zudem eine verbesserte Kühlung als bei einem einstufigen Luftkompressor, da der zweistufige Luftkompressor eine größere Oberfläche aufweist, von welcher Wärme besonders gut abgeführt werden kann. Daher weist der zweistufige Luftkompressor mit seinen beiden Verdichtern der erfindungsgemäßen Luftverdichtungseinrichtung auch im parallel zueinander geschalteten und damit einstufigen Betrieb einen sehr effizienten und insbesondere effizienteren Betrieb als ein einstufiger Luftkompressor auf. Die erfindungsgemäße Luftverdichtungseinrichtung erlaubt es somit, den umschaltbaren Luftkompressor beispielsweise überwiegend in dem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand zu betreiben, so dass der Luftkompressor die Luft mittels seinen zwei seriell zueinander geschalteten Verdichtern zweistufig verdichtet. Bei erhöhten Bedarf ist eine pneumatische Parallelschaltung der beiden Verdichter zueinander möglich, so dass eine einstufige Verdichtung der Luft dargestellt ist, bei welcher die Luft also einstufig und parallel von den Verdichtern verdichtet wird.

Dieser parallel zueinander geschaltete Betriebszustand kann dabei vorteilhafterweise so lange durchgeführt werden, bis beispielsweise die Temperatur des Luftkompressors oder der Druck in einem Luftkessel der Druckluftanlage einen vorgegebenen Schwellwert erreicht bzw. diesen überschreitet, wobei dann der Luftkompressor bzw. die Verdichter in den seriell zueinander geschalteten Betriebszustand geschaltet werden können. Ebenso ist der parallel zueinander geschaltete Betriebszustand im Motorbremsbetrieb sinnvoll zur schnellen Rekuperation von Druckluft, solange die Temperaturgrenzen eingehalten werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Verdichter mittels einer Ventileinrichtung, insbesondere eines Magnetventils zwischen den Betriebszuständen umschaltbar. Dies ermöglicht eine besonders schnelle und bedarfsgerechte Umschaltung zwischen den Betriebszuständen, so dass der Betriebszustand der Verdichter bzw.

Luftkompressors besonders schnell an sich ändernde Bedingungen und Anforderungen anpassbar ist.

Des Weiteren weist somit die erfindungsgemäße Luftverdichtungseinrichtung einen relativ geringen Aufwand sowie eine geringe Komplexität auf, was die Teileanzahl, den

Bauraumbedarf, das Gewicht sowie die Kosten der Luftverdichtungseinrichtung in einem geringen Rahmen hält.

Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen

Luftverdichtungseinrichtung, wobei die Verdichter des Luftkompressors zum Verdichten der Luft wahlweise zwischen dem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand und dem parallel zueinander geschalteten Betriebszustand umgeschaltet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Luftverdichtungseinrichtung sind dabei als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt anzusehen. Durch die wahlweise und bedarfsgerechte Umschaltung des Luftkompressors bzw. der Verdichter ermöglicht das Verfahren einen besonders effizienten Betrieb des

Luftkompressors und damit der gesamten Luftverdichtungseinrichtung, was einem effizienten Gesamtbetrieb des Kraftwagens zugute kommt, der somit emissions- und energieverbrauchsarm, insbesondere kraftstoffverbrauchsarm, betrieben werden kann.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Verdichter des Luftkompressors in

Abhängigkeit von einem Luftdruck in einer Speichereinrichtung zum Speichern der von den Verdichtern des Luftkompressors verdichteten Luft und/oder in Abhängigkeit von einer Temperatur von zumindest einem der Verdichter des Luftkompressors und/oder in Abhängigkeit von einem Betriebszustand einer Verbrennungskraftmaschine des

Kraftwagens zwischen den Betriebszuständen umgeschaltet werden. Ist wie bereits angedeutet, infolge der pneumatischen Parallelschaltung der beiden Verdichter bei einem erhöhten Luftbedarf eine bestimmte, vorgegebene Temperatur der Verdichter oder ein vorgegebener Druck des Luftkessels bzw. der Speichereinrichtung der Druckluftanlage erreicht, so wird vorteilhafterweise in den seriell zueinander geschalteten Betriebszustand zueinander umgeschaltet, um somit die Temperatur in Grenzen zu halten und

gegebenenfalls wieder abzusenken.

Insbesondere bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine und/oder bei einem Leerlauf derselbigen bei einer Motor-Leerlaufdrehzahl sowie im Bereich niedriger Drücke der Speichereinrichtung, insbesondere niedriger Kesseldrücke, wobei beispielsweise 10 bar in der Speichereinrichtung vorliegen, ist es vorteilhaft, in den parallel zueinander geschalteten Betriebszuständen der Verdichter zu schalten, da dann die

Temperaturbelastung des Luftkompressors bzw. des Luftverdichters als relativ gering einzustufen ist.

Ebenso kann eine Pendelung zwischen dem parallel und dem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand des Verdichters vorgesehen sein, wenn eine maximal zulässige Temperatur des Luftkompressors im parallel zueinander geschalteten Zustand erreicht ist. Der parallel zueinander geschaltete Betriebszustand ermöglicht durch den größeren Volumenstrom evtl. einen Verzicht auf eine erhöhte Leerlaufdrehzahl beim Befüllen der Speichereinrichtung, welches auch als Aufpumpen bezeichnet wird, während der Kraftwagen stillsteht und die Verbrennungskraftmaschine sich im Leerlauf befindet. Dadurch ist ein besonders effizienter, emissions- und kraftstoffverbrauchsarmer

Befüllbetrieb des Kraftwagens im Stand ermöglicht. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist stromab des ersten Verdichters und stromauf des zweiten Verdichters eine Kühleinrichtung angeordnet, mittels welcher die von dem ersten Verdichter verdichtete Luft kühlbar ist. In dem parallel zueinander geschalteten Betriebszustand ermöglicht eine solche Kühleinrichtung die Kühlung der von dem ersten Verdichters verdichteten Luft, wobei vorteilhafterweise auch stromab des zweiten Verdichters eine Kühleinrichtung angeordnet ist, so dass im parallel zueinander geschalteten Betriebszustand sowohl die von dem einen als auch die von dem anderen Verdichter verdichtete Luft effizient kühlbar ist. Im seriell zueinander geschalteten Betriebszustand ist durch diese Ausführungsform eine Zwischenkühlung der von dem ersten Verdichter als erste Stufe verdichteten Luft dargestellt, so dass die von dem ersten Verdichter verdichtete, insbesondere vorverdichtete, Luft gekühlt und anschließend dem zweiten Verdichter als zweite Stufe zugeführt wird. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Verdichtung und einen besonders hohen Verdichtungsgrad der Luft, was den effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Luftverdichtungseinrichtung zugute kommt.

Um die Luft besonders effizient verdichten zu können, ist in einer Ausführungsform stromab beider Verdichter eine Kühleinrichtung angeordnet, mittels welcher die verdichtete Luft kühlbar ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die

Luftverdichtungseinrichtung wenigstens einen Verdichter eines Abgasturboladers, mittels welchem eine von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte und der

Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtbar ist, wobei den Verdichtern des Luftkompressors die von dem Verdichter des Abgasturboladers verdichtete, insbesondere vorverdichtete, Luft zumindest teilweise zuführbar ist. Dadurch kann die durch den Verdichter vorverdichtete Luft insbesondere im gefeuerten und damit

verbrennungsmotorischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden, woraus eine direkte Ersparnis an Verdichtungsarbeit des Luftkompressors ermöglicht ist. Dadurch weist der Luftkompressor und damit die gesamte Luftverdichtungseinrichtung einen besonders energieverbrauchsarmen Betrieb auf.

Ist stromab des Verdichters des Abgasturboladers und stromauf des Verdichters des Luftkompressors eine Kühleinrichtung, insbesondere einen Ladeluftkühler, angeordnet, mittels welcher die von dem Verdichter des Abgasturboladers verdichtete Luft kühlbar ist, so kann die vorverdichtete und durch die Kühleinrichtung rückgekühlte Luft den

Verdichtern zugeführt werden, was eine weitere Ersparnis an Verdichtungsarbeit mit sich bringt und damit den Betrieb des Luftkompressors weiter verbessert. Sowohl im gefeuerten als auch im Motorbremsbetrieb durch eine Motorbremsintegration der Verbrennungskraftmaschine wird dadurch der Luftkompressor geschont und weist einen geringeren Verschleiß auf infolge der abgesenkten Endtemperatur der Luft und infolge einer Erhöhung der Förderleistung. Dies schafft weiteren Freiraum, den Luftkompressor und damit die gesamte Luftverdichtungseinrichtung gemäß dem Downsizinig-Konzept hinsichtlich der Dimension und des Gewichts weiter zu verkleinern bei gleichbleibender oder gar steigender Leistungsfähigkeit.

Der Motorbremsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine wird beispielsweise durch eine so genannte Jake-Brake durchgeführt, welche auch als Dekompressionsbremse bezeichnet wird. Dabei wird die von der Verbrennungskraftmaschine im Verdichtungstakt geleistete Arbeit für den folgenden Takt ungenutzt gelassen, wobei am Ende des Verdichtungstakts die Auslassventile oder ein zusätzliches Ventil geöffnet wird, um damit Druck im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere im Zylinder abzubauen. Dadurch kann im Expansionstakt keine Arbeit in einer im Brennraum verdichteten Luft genutzt werden, da die für die Kompression der Luft aufgewendete Energie durch das Öffnen der Auslassventile bzw. des zusätzlichen Ventils bereits abgeführt wurde.

Im Motorbremsbetrieb mit einer solchen Jake-Brake erfolgt ein Enthalpieeintrag in einen Auslass vor einer Turbine des Abgasturboladers, über welche der Verdichter antreibbar ist, bei zumindest nahezu unverändertem Liefergrad, ähnlich wie bei einer Verbrennung. Durch den Ladedruck, insbesondere den Ladeüberdruck, und die Rückkühlung durch die Kühleinrichtung ergibt sich eine Erhöhung der Förderleistung sowie eine

Aggregateschonung. Insbesondere beim Bremsen in Stadtverkehrszyklen ist so auch bei dem nach dem Downsizing-Konzept ausgelegten Luftkompressor der

erfindungsgemäßen Luftverdichtungseinrichtung in Verbindung mit der

Motorbremsintegration eine angemessene Rekuperation von Luft möglich.

Damit es in einem Abblasebetrieb der Luftverdichtungseinrichtung bzw. des

Luftkompressors nicht zu einem Entweichen der von dem Verdichter des

Abgasturboladers verdichteten Luft (Ladeluft) kommt, bläst der Luftkompressor die Luft vorteilhafterweise in Strömungsrichtung der Luft stromauf in die dem Verdichter des Abgasturboladers zugeordnete Kühleinrichtung ab. So ist vorteilhafterweise eine

Rückführleitung vorgesehen, mittels welcher, abgeblasene Luft von stromab der

Verdichter des Luftkompressors zu stromauf der Verdichter des Luftkompressors rückführbar ist, um einen Leerlaufbetrieb des Luftkompressors zu ermöglichen, ohne dass vorverdichtete Ladeluft ins Freie entweicht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die abgeblasene Luft mittels der Rückführleitung zu stromauf der Kühleinrichtung, insbesondere des Ladeluftkühlers, rückführbar ist, so dass ein evtl. vorhandener (geringer) Wärmeeintrag infolge eines warmen Luftkompressors von der Kühleinrichtung, mittels welcher die von dem Verdichter des Abgasturboladers verdichtete Luft kühlbar ist, aufgefangen werden kann. In einem Leerlaufbetrieb des Luftkompressors rezirkuliert dann ein entsprechender Teilstrom der Luft nochmals durch die Kühleinrichtung, insbesondere den Ladeluftkühler.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Ladeluftverdichtungsanordnung kann vorgesehen sein, dass der Luftkompressor auch mehr als zwei Verdichter, insbesondere zwei Zylinder zum Verdichten der Luft, aufweist, die dann in beliebiger Kombination in einem parallel bzw. seriell zueinander geschalteten Betriebszustand betrieben werden können. Die Anzahl an Verdichtern des Luftkompressors orientiert sich insbesondere an vorliegenden Randbedingungen und Anforderungen an die Luftverdichtungseinrichtung.

Infolge des als gering einzustufenden Temperaturniveaus des Luftkompressors der erfindungsgemäßen Luftverdichtungseinrichtung ist es gegebenenfalls möglich, auf einen besonders langen Kühlnachlauf zur Kühlung des Luftkompressors zu verzichten, wobei dann der Luftkompressor eine mechanische Abschaltung ähnlich eines Kompressors einer Klimaanlage des Kraftwagens aufweist, wobei entsprechende Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen sind.

Ebenso ist es insbesondere infolge des geringen Temperaturniveaus möglich, wenigstens einen Verdichter, insbesondere einen Zylinder, des Luftkompressors, und insbesondere den bei einer zweistufigen Verdichtung als erste Stufe fungierenden Verdichter lediglich durch eine Luftkühlung zu kühlen. Dabei ist der Verdichter vorteilhafterweise derart angeordnet, dass er bei einer Vorwärtsfahrt des Kraftwagens einem Kaltluftstrom infolge von Fahrtwind ausgesetzt und von diesem umströmt wird, wobei der Verdichter vorteilhafterweise eine Kühlrippenanordnung mit Kühlrippen aufweist, um die Wärme besonders effizient von dem Verdichter abzuführen. Dies ermöglicht es, einen

Wärmeeintrag in den Luftkompressor durch warmes Kühlwasser infolge einer Kühlung mit Wasser zu vermeiden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass aus einer Kühleinrichtung des Kraftwagens, beispielsweise zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine, zurückströmendes

Kühlwasser zunächst dem Luftkompressor zugeführt wird, um den geschilderten

Wärmeeintrag zu vermeiden oder zumindest zu verringern.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und

Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen

Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnung zeigt in der Figur eine Prinzipdarstellung einer Luftverdichtungseinrichtung für einen Nutzkraftwagen mit einem Luftkompressor, welcher zwei Verdichter aufweist, die wahlweise zwischen einem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand und einem parallel zueinander geschalteten Betriebszustand umschaltbar sind.

Die Figur zeigt eine Luftverdichtungseinrichtung 10 für einen Nutzkraftwagen, mittels welcher Luft für eine Druckluftanlage des Nutzkraftwagens zu verdichten ist. Die so erzeugte Druckluft wird dabei beispielsweise einer Betriebsbremseinrichtung sowie einer Luftfedereinrichtung des Nutzkraftwagens zugeführt.

Dazu umfasst die Luftverdichtungseinrichtung 10 einen Luftkompressor 12, welcher einen ersten Verdichter 14 sowie einen zweiten Verdichter 16 umfasst. Der Luftkompressor 12 ist dabei insbesondere hinsichtlich seiner Dimensionierung und seines Gewichts gemäß einem zweistufigen Luftkompressor ausgebildet, so dass der Luftkompressor 12 ein sehr geringes Gewicht und einen sehr geringen Bauraumbedarf aber gleichzeitig eine sehr hohe Leistungsfähigkeit, insbesondere Förderleistung, aufweist. Ein weiterer Vorteil des Luftkompressors 12 ist, dass er eine sehr große Oberfläche aufweist, die eine sehr gute Abfuhr von Wärme und eine daraus resultierende sehr gute Kühlung ermöglicht.

Des Weiteren umfasst der Luftkompressor 12 ein Magnetventil 18, welches gemäß einem Richtungspfeil 20 schaltbar ist. Mittels des Magnetventils 18 sind die Verdichter 14 und 16 zwischen einem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand, in welchem eine zweistufige Verdichtung der Luft durchgeführt wird, und einem parallel zueinander geschalteten Betriebszustand, in welchem eine einstufige Verdichtung durch beide Verdichter 14 und 16 durchgeführt wird, umschaltbar, was im Folgenden erläutert wird.

Eine Verbrennungskraftmaschine des Nutzkraftwagens saugt Luft aus der Umgebung gemäß einem Richtungspfeil 22 an, welche einen Ansaugtrakt des Nutzkraftwagens durchströmt, in welchem ein Verdichter 24 eines Abgasturboladers angeordnet ist. Der Verdichter 24 wird dabei beispielsweise von einer in einem Abgastrakt des

Nutzkraftwagens angeordneten und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbine angetrieben und von der angesaugten Luft angeströmt. Mittels des Verdichters 24 wird die Luft verdichtet und erwärmt. Nach erfolgter Verdichtung strömt die Luft gemäß einem Richtungspfeil 26 aus dem Verdichter 24 und wird einem

Ladeluftkühler 28 zugeführt, welcher die verdichtete und erwärmte Luft kühlt, um damit den Verdichter- bzw. Aufladegrad der Luft weiter zu steigern.

Ein Hauptstrom dieser verdichteten und gekühlten Luft, welche auch als Ladeluft bezeichnet wird, wird dann gemäß einem Richtungspfeil 30 der beispielsweise als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine zugeführt, bei welcher sie in als Zylinder ausgebildete Brennräume einströmt, und mit Kraftstoff beaufschlagt wird, woran sich eine Verbrennung eines so gebildeten Luft-Kraftstoff-Gemisches anschließt. Daraus resultiert das Abgas, mittels welchem die Turbine und darüber der Verdichter 24 antreibbar ist.

Von einem den Ladeluftkühler 28 abströmenden Gesamtstrom der gekühlten und verdichteten Luft wird auch ein im Vergleich zum Hauptstrom geringerer Teilstrom abgezweigt und je nach Betriebszustand zunächst dem Verdichter 14 oder den

Verdichtern 14 und 16 zugeführt.

Ist das Magnetventil 18 in einen ersten Zustand A geschaltet, so ist ein Luftleitungsteil 34 mit einem Luftleitungsteil 36 und ein Luftleitungsteil 38 mit einem Luftleitungsteil 40 fluidisch verbunden. Dies bewirkt, dass die Verdichter 14 und 16 parallel zueinander geschaltet sind. Dabei wird ein erster Teilstrom des Gesamtstroms der gekühlten und verdichteten Luft gemäß Richtungspfeilen 32 sowohl dem Verdichter 14 als auch gemäß Richtungspfeilen 42 parallel dem Verdichter 16 zugeführt, so dass die Verdichter 14 und 16 die von dem Verdichter 24 vorverdichtete und mittels des Ladeluftkühlers 28 gekühlte Luft parallel und einstufig verdichten. Die von dem Verdichter 14 verdichtete Luft strömt gemäß einem Richtungspfeil 44 von diesem ab und wird einem stromab des Verdichters 14 angeordneten Kühler 46 zugeführt, welcher die von dem Verdichter 14 verdichtete und dadurch erwärmte Luft wieder kühlt, wonach die gekühlte Luft gemäß einem Richtungspfeil 48 von dem Kühler 46 abströmt.

Die den Verdichter 16 gemäß den Richtungspfeilen 42 zugeführte Luft wird von dem Verdichter 16 ebenso verdichtet und dadurch erwärmt, wonach sie gemäß einem

Richtungspfeil 50 den Verdichter 16 abströmt. Die von dem Verdichter 14 verdichtete und mittels des Kühlers 46 gekühlte Luft sowie die von dem Verdichter 16 verdichtete Luft strömen an einer Verbindungsstelle 52 zu einem Gesamtstrom zusammen. Dieser Gesamtstrom wird dann einem weiteren Kühler 54 zugeführt, welcher den Gesamtstrom kühlt.

Ist das Magnetventil 18 in einen zweiten Zustand B geschaltet, so sind dadurch die Verdichter 14 und 16 seriell zueinander geschaltet. Aus der Figur geht hervor, dass in dem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand das Leitungsteil 34 mit dem

Leitungsteil 42 fluidisch verbunden ist, während das Leitungsteil 38 durch eine

Sperreinrichtung 56 fluidisch versperrt ist. Somit wird ein Teilstrom des Gesamtstroms der von dem Verdichter 24 verdichteten und mittels des Ladeluftkühlers 28 gekühlten Luft zunächst gemäß den Richtungspfeilen 32 lediglich dem Verdichter 14 als erste Stufe zugeführt, welcher auf die geschilderte Art und Weise die Luft zunächst verdichtet, welche dann von dem Kühler 46 gekühlt wird. Die verdichtete und gekühlte Luft wird dann allerdings gemäß dem Richtungspfeil 42 über die Leitungsteile 34 und 40 dem Verdichter 16 als zweite Stufe zugeführt, welcher die Luft weiter verdichtet. Der Kühler 46 fungiert dabei als Zwischenkühler, da er stromab des Verdichters und stromauf des Verdichters 16 angeordnet ist und die dem Verdichter 16 zuzuführende Luft kühlt.

Die von dem Verdichter 16 als zweite Stufe verdichtete Luft wird dann über die

Verbindungsstelle 52 dem Kühler 54 zugeführt, mittels welchem sie wieder gekühlt wird. Die Luftverdichtungseinrichtung 10 umfasst ferner ein Abschaltventil 58, welches gemäß einem Richtungspfeil 60 zwischen zwei Zuständen C und D schaltbar ist. In dem ersten Zustand C strömt die Luft den Kühler 54 ab und gemäß einem Richtungspfeil 62 zu der Druckluftanlage, wobei sie beispielsweise der Betriebsbremseinrichtung und/oder der Luftfedereinrichtung zugeführt wird und/oder gegebenenfalls in einem Kessel gespeichert wird. In dem Zustand D wird die den Kühler 54 abströmende Luft über eine Rückführleitung 64 gemäß Richtungspfeilen 66 zu einer Einleitstelle 68 zurückgeleitet, wobei die Einleitstelle 68, wie der Figur zu entnehmen ist, stromab des Verdichters 24 und stromauf des Ladeluftkühlers 28 angeordnet ist. Dadurch kann die rückgeführte Luft mittels des Ladeluftkühlers 28 vorteilhafterweise gekühlt werden.

Die Luftverdichtungseinrichtung 10 weist einen besonders effizienten Betrieb auf infolge der Umschaltbarkeit des Luftkompressors 12 bzw. der Verdichter 14 und 16 auf. Ein weiterer, den effizienten Betrieb begünstigender Aspekt ist, dass (je nach

Betriebszustand) dem Verdichter 14 oder den Verdichtern 14 und 16 die Luft stromab des Ladeluftkühlers 28 zugeführt wird, die dadurch so mittels des Verdichters 24 vorverdichtet als auch mittels des Ladeluftkühlers 28 rückgekühlt ist, was die Verdichterarbeit der Verdichter 14 und 16 und damit die Leistungsaufnahme sowie den Energiebedarf des Luftkompressors 12 besonders gering hält.

Alternativ kann beispielsweise im parallel zueinander geschalteten Betriebszustand die Zusammenführung zu einem Gesamtluftstrom, welche in der Figur an der

Verbindungsstelle 52 erfolgt, auch stromab des Kühlers 54 erfolgen. Dann ist jedem der beiden Verdichter 14 und 16 sein eigener Kühler zugeordnet, welcher auf die jeweiligen Volumenströme der beiden Verdichter 14 und 16 abgestimmt ist. Dazu wird das

Leitungsteil 36 nicht zur Verbindungsstelle 52 sondern zu einer Verbindungsstelle stromab des Kühlers 54 geführt, welche in der Figur durch den Punkt stromab des Kühlers 54 angedeutet ist.

Der quasi differenzlose Leerlaufbetrieb wird (mittels der Rückführleitung 64) im parallel zueinander geschalteten Betriebszustand wahrscheinlich verlustärmer realisiert, als im seriell zueinander geschalteten Betriebszustand. Im letzteren würde der größere

Volumenstrom des (größeren) Verdichters 14 aufs das kleinere Schluckvolumen

(kleineren) Verdichters 16 treffen. Dies hätte eine Druckerhöhung zur Folge, die nach dem Verdichter 16 wieder verpufft und somit eine erhöhte Arbeitsaufnahme der

Verdichter.

Claims

Patentansprüche

Luftverdichtungseinrichtung (10) für einen Kraftwagen, insbesondere einen

Nutzkraftwagen, mit einem Luftkompressor (12), welcher einen ersten Verdichter (14) und wenigstens einen zweiten Verdichter (16) umfasst, mittels welchen Luft für eine Druckluftanlage des Kraftwagens zu verdichten ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Verdichter (14, 16) wahlweise zwischen einem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand und einem parallel zueinander geschalteten Betriebszustand umschaltbar sind.

Luftverdichtungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Verdichter (14, 16) mittels einer Ventileinrichtung (18), insbesondere eines Magnetventils (18), zwischen den Betriebszuständen umschaltbar sind.

Luftverdichtungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

stromab eines der Verdichter (14, 16) und stromauf des anderen Verdichters (14, 16) eine Kühleinrichtung (46) angeordnet ist, mittels welcher die von dem einen Verdichter (14, 16) verdichtete Luft kühlbar ist.

Luftverdichtungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

stromab beider Verdichter (14, 16) eine Kühleinrichtung )54) angeordnet ist, mittels welcher die verdichtete Luft kühlbar ist.

5. Luftverdichtungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Luftverdichtungseinrichtung (10) wenigstens einen Verdichter (24) eines

Abgasturboladers umfasst, mittels welchem eine von einer

Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft verdichtbar ist, wobei den Verdichtern (14, 16) des Luftkompressors (12) die von dem Verdichter (24) des

Abgasturboladers verdichtete Luft zumindest teilweise zuführbar ist.

6. Luftverdichtungseinrichtung (10) nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

stromab des Verdichters (24) des Abgasturboladers und stromauf der Verdichter (14, 16) des Luftkompressors (12) eine Kühleinrichtung (28), insbesondere ein Ladeluftkühler (28), angeordnet ist, mittels welcher die von dem Verdichter (24) des Abgasturboladers verdichtete Luft kühlbar ist.

7. Luftverdichtungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Rückführleitung (64) vorgesehen ist, mittels welcher verdichtete Luft von stromab der Verdichter (14, 16) des Luftkompressors (12) zu stromauf der

Verdichter (14, 16) des Luftkompressors (12) rückführbar ist.

8. Luftverdichtungseinrichtung (10) nach den Ansprüchen 6 und 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

die verdichtete Luft mittels der Rückführleitung (64) zu stromauf der Kühleinrichtung (28), insbesondere des Ladeluftkühlers (28), rückführbar ist.

9. Verfahren zum Betreiben einer Luftverdichtungseinrichtung (10) eines Kraftwagens, insbesondere eines Nutzkraftwagens, bei welchem mittels eines einen ersten Verdichter (14) und wenigstens einen zweiten Verdichter (16) umfassenden

Luftkompressors (12) Luft für eine Druckluftanlage des Kraftwagens verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass

die Verdichter (14, 16) des Luftkompressors (12) zum Verdichten der Luft wahlweise zwischen einem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand und einem parallel zueinander geschalteten Betriebszustand umgeschaltet werden. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Verdichter (14, 16) des Luftkompressors (12) in Abhängigkeit von einem Luftdruck in einer Speichereinrichtung zum Speichern der von den Verdichtern (14, 16) des Luftkompressors (12) verdichteten Luft und/oder von einer Temperatur zumindest eines der Verdichter (14, 16) des Luftkompressors (12) und/oder in Abhängigkeit von einem Betriebszustand einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftwagens zwischen den Betriebszuständen umgeschaltet werden.