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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft,
insbesondere eine Vorrichtung zur Verdichtung von Ladeluft für eine kraftfahrzeugtechnische
Verbrennungsmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Es
ist bekannt, die Leistungsdichten einer kraftfahrzeugtechnischen
Verbrennungsmaschine durch Verdichtung der zur Verbrennung des Kraftstoffes
benötigten
Ladeluft zu erhöhen.
Dazu werden in der Regel Abgasturbolader benutzt. Der Abgasturbolader
weist dabei eine Turbine auf, die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors
angeordnet ist und einen, in der Ladeluftzuführung der Brennkraftmaschine
angeordneten Verdichter betreibt.
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Abgasturbolader
weisen, insbesondere bei Kraftfahrzeugantrieben, den Nachteil eines
verzögerten
und unzureichenden Ansprechverhaltens bei niedrigen Drehzahlen der
Brennkraftmaschine auf ("Turboladerloch").
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Zur
Verbesserung der Ladeluftzuführung speziell
im Bereich niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine ist es bekannt,
den Abgasturbolader mittels eines elektrischen Hilfsantriebes zu
unterstützen.
Dies kann beispielsweise durch einen in den Abgasturbolader integrierten
Elektromotor erreicht werden. Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine
treibt der Elektromotor die Welle des Abgasturboladers unterstützend an.
Dies erfordert jedoch sowohl eine hohe Drehzahlbelastbarkeit des
Elektromotors, als auch die Möglichkeit
der Generierung eines hohen elektrischen Leistungsbedarfs, der auf Grund
des großen
Massenträgheitsmomentes
der Turbine eines Abgasturboladers notwendig ist.
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Zur
Vermeidung dieser Nachteile ist beispielsweise aus der
US 6,029,452 bekannt, einen separaten,
rein elektrisch betriebenen Hilfslader (elektrischer Zusatzverdichter,
EZV) in die Ladeluftzuführung
einer Brennkraftmaschine zu integrieren. Der elektrische Zusatzverdichter
wird dabei in Reihe zu einem konventionellen Abgasturbolader betrieben und
dient zumeist zur Vorverdichtung der dem Abgasturbolader zugeführten Ladeluft.
Dies hat den Vorteil, dass der separat in der Ladeluftzuführung eingesetzte
elektrische Zusatzverdichter auf einen Einsatz im untersten Drehzahlbereich
der Brennkraftmaschine optimiert werden kann. Im hohen Drehzahlbereich
der Brennkraftmaschine, der seinerseits zu einer hohen Drehzahl
des Abgasturboladers führt, wird
beispielsweise eine Bypass-Lösung
verwandt, um die Ladeluft unter Umgehung des dann nicht benötigten elektrischen
Zusatzverdichters direkt dem Abgasturbolader zuzuführen.
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Einer
der Hauptunterschiede zwischen einem elektrischen Zusatzverdichter
und einem klassischen Abgasturbolader ist die sehr unterschiedliche, zur
Verfügung
stehende Antriebsleistung für
diese Systeme. Diese kann bei einem Abgasturbolader mehrere 10 kW
betragen, bei einem elektrischen Zusatzverdichter ist die Antriebsleistung
jedoch wegen der zusätzlichen
Bordnetzbelastung maximal auf einige wenige kW begrenzt. Insbesondere
beim Hochlaufen des Verdichterrades eines elektrischen Zusatzverdichters
ist dies von Bedeutung, da die Anlaufzeit hauptsächlich von der verfügbaren Antriebsleistung
und dem Massenträgheitsmoment
des zu beschleunigenden Rotors des Zusatzverdichters bestimmt ist.
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Betrachtet
man das Einschaltverhalten eines elektrischen Zusatzverdichters,
so erkennt man, dass gerade im Stadtverkehr eine deutliche Anzahl von
Einschaltzuständen
des Verdichters erforderlich ist. Bei jeder Volllastbeschleunigung
ist der elektrische Zusatzverdichter dabei auf Umdrehungen bis zu
ca. 60.000 pro Minute zu beschleunigen. Dabei wird eine mechanische
Rotationsenergie von typischerweise 450 Wattsekunden aufgenommen,
die vom Bordnetz des Fahrzeuges zur Verfügung gestellt werden müssen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft, insbesondere zur Verdichtung
von Ladeluft für
eine kraftfahrzeugtechnische Verbrennungsmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 ermöglicht
eine reduzierte elektrische Energieaufnahme beim Beschleunigen des elektrischen
Zusatzverdichters.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Vorrichtung, insbesondere durch die erfindungsgemäßen Verbindungsmittel,
die es ermöglichen, verdichtete
Ladeluft in den Verdichterraum des elektrischen Ladeluftverdichters
zu leiten, ist es möglich, das
Hochlaufen des elektrischen Zusatzverdichters durch eine Vorbeschleunigung
auf Grund der eingeleiteten, verdichteten Luft zu ermöglichen.
Damit wird sowohl die notwendige Beschleunigungsenergie des elektrischen
Zusatzverdichters, als auch seine Ansprechzeit bis zum Erreichen
seiner Maximaldrehzahl, reduziert.
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Dem
Hochschaltvorgang während
einer Beschleunigungsphase des Fahrzeuges geht in der Regel ein
Ladedruckabbau unmittelbar voraus. Bisher wurde zur Vermeidung des
sogenannten "Verdichterpumpens" bei Gaswegnahme
aus dem Ladedruckbereich ein sogenanntes Schubumluftventil geöffnet. Durch Öffnung dieses
Schubumluftventils wird das Ladedruck führende Volumen auf näherungsweise Umgebungsdruck
evakuiert. Die durch diese Maßnahme
frei werdende pneumatische Energie wurde dabei nicht genutzt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich,
die pneumatische Energie des Ladeluftsystems zur unterstützenden
Beschleunigung des elektrischen Zusatzverdichters zu nutzen. Da
dem Hochschaltvorgang während
einer Beschleunigungsphase des Fahrzeuges in der Regel ein Ladedruckabbau über das
Umluftventil vorausgeht, kann die abzuführende Luft genutzt werden,
um den elektrischen Ladeluftverdichter für den anstehenden Beschleunigungsvorgang
des Kraftfahrzeuges bereits zu beschleunigen. So ist es möglich, den
für die
Beschleunigungsphase des Kraftfahrzeuges wichtigen Wiederaufbau
des Ladedruckes mit Unterstützung des
elektrischen Zusatzverdichters deutlich schneller zu realisieren.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
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In
vorteilhafter Weise sind die Verbindungsmittel, die es ermöglichen,
verdichtete Ladeluft in den Verdichterraum des elektrischen Ladeluftverdichters zu
leiten, abstromseitig des zweiten Ladeluftverdichters angeordnet,
zweigen von dort ab und münden
direkt in den Verdichterraum des elektrischen Ladeluftverdichters.
Somit kann die in der verdichteten Ladeluft enthaltene pneumatische
Energie in effektiver Weise zur Vorbeschleunigung des elektrischen
Zusatzverdichters genutzt werden.
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Die
Verbindungsmittel münden
dabei in einen Ringkanal des Gehäuses
des elektrischen Ladeluftverdichters. In vorteilhafter Weise münden die Verbindungsmittel
auf der Niederdruckseite des Verdichtungsraumes des elektrischen
Ladeluftverdichters. Durch entsprechende Öffnungen in der Wandung des
Verdichterraumes kann erreicht werden, dass ein gerichteter Luftstrom
beispielsweise auf die Verdichterschaufeln des Verdichterrades des
elektrischen Ladeluftverdichters auftrifft und somit das Hochlaufen
des Verdichterrades unterstützt.
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In
vorteilhafter Weise weist der Ringkanal des Verdichters, in den
die Verbindungsmittel münden,
eine Mehrzahl von über
seinem Umfang verteilten Einleitstellen für die verdichtete Ladeluft
auf. Dabei sind die Einleitstellen so auszubilden, dass sich ein
möglichst
jetartiger Luftstrom zur Beschleunigung des Verdichterrades ausbildet.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft weisen die Verbindungsmittel,
die es ermöglichen,
verdichtete Ladeluft in den Verdichterraum des elektrischen Ladeluftverdichters
zu leiten, ein Ventil auf, das es verhindert, dass die Luft vom
elektrischen Ladeluftverdichter über
diese Verbindungsmittel zurück
in Richtung des zweiten Ladeluftverdichters strömen kann. Dieses Ventil kann
bzw. die Ventile können
in vorteilhafter Weise als elektronisch ansteuerbare(s) Membranventil(e)
ausgebildet sein.
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Das
Ventil bzw. die Ventile zur Verhinderung der Rückströmung lassen sich in vorteilhafter
Weise direkt in das Gehäuse
des elektrischen Ladeluftverdichters integrieren.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft ist es somit in vorteilhafter
Weise möglich,
die notwendige Beschleunigungsenergie des elektrischen Zusatzverdichters
sowie dessen Ansprechzeit deutlich zu reduzieren. Dies wiederum
führt zu
einer Entlastung des elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeuges.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind der nachfolgenden Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu entnehmen.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft dargestellt, das in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert
wird. Die Figur der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen, weiteren Kombinationen
zusammenfassen, die somit ebenfalls als in der Beschreibung offenbart
anzusehen sind.
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Es
zeigt:
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1 eine schematische Darstellung
eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer Detaildarstellung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft, insbesondere zur Verdichtung
von Ladeluft für
eine kraftfahrzeugtechnische Verbrennungsmaschine in einer vereinfachten,
schematischen Detaildarstellung.
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Die
zu verdichtende Ladeluft wird über
eine Ansaugöffnung 10 einem
ersten Verdichter 12 zugeführt. Dieser erste Verdichter 12 ist
ein elektrisch betriebener, sogenannter Zusatzverdichter 14.
Der elektrische Zusatzverdichter 14 besteht im Wesentlichen
aus einer Verdichtereinheit 16 und einer elektrischen Antriebseinheit 18.
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Über eine
Eintrittsöffnung 20 wird
die zu verdichtende Ladeluft dem Verdichterraum 22 des
elektrischen Zusatzverdichters 14 zugeführt. Im Verdichterraum 22 ist
ein Verdichterrad 24 angeordnet, welches über eine
Welle von der elektrischen Antriebseinheit 18 angetrieben
wird. Die zu verdichtende Ladeluft wird im Verdichterraum beschleunigt
und typischerweise über
einen Ringkanal 26 und eine Austrittsöffnung 28 aus dem
elektrischen Zusatzverdichter 14 herausgeleitet.
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Über Verbindungsmittel 30 ist
der elektrische Zusatzverdichter 14 der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verbunden mit einem zweiten Ladeluftverdichter 32, der
im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 als Abgasturbolader 34 ausgebildet
ist.
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Der
Abgasturbolader 34 besitzt ein in einem Verdichterraum 36 angeordnetes
Verdichterrad 38, welches über eine Welle 40 von
einer Turbine 42 angetrieben wird, welche im Abgasstrom
eines nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges
angeordnet ist. In bekannter Weise dient die kinetische Energie
des heißen
Abgasstromes 44 zum Antrieb der Turbine 42, die
somit wiederum das Verdichterrad 38 des Abgasturboladers 34 beschleunigen
kann.
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Die
durch den elektrischen Zusatzverdichter 14 vorverdichtete
Luft wird im Verdichterraum 36 des Abgasturboladers 34 weiter
verdichtet und über
Verbindungsmittel 46 dem in 1 nicht
weiter dargestellten Verbrennungsmotor zugeführt. Diese Verbindungsmittel 46 können beispielsweise
auch noch einen nicht weiter dargestellten Ladeluftkühler oder
ein Drosselventil für
den Ladeluftstrom aufweisen. Über ein
Ventil 48, welches den Volumenstrom des Abgases durch einen
Bypasskanal 50 um die Antriebsturbine des Abgasturboladers 34 herum
regelt, lässt sich
die Verdichterleistung des Abgasturboladers steuern.
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Prinzipiell
ist auch eine andere Reihenfolge der Verdichterstufen möglich.
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Diese
zweistufige Vorrichtung zur Verdichtung von Ladeluft ermöglicht es,
das sogenannte Turboladerloch, welches bei geringen Motordrehzahlen und
somit bei einem geringen Abgasstrom 44 auftritt, weitgehend
zu vermeiden. Im Bereich geringer Motordrehzahlen, bei denen der
klassische Abgasturbolader 34 auf Grund seiner Antriebsturbine 42 keine hohen
Drehzahlen und somit das gewünschte
hohe Verdichtungsverhältnis
erzeugen kann, wird der elektrische Zusatzverdichter 14 eingeschaltet,
um eine gewünschte
Vorverdichtung der Ladeluft zu erreichen. Durch diesen elektrischen
Zusatzverdichter ist es möglich,
den Nachteil eines verzögerten
und unzureichenden Ansprechverhaltens eines Abgasturboladers zu
kompensieren.
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Der
elektrische Zusatzverdichter wird auf Grund seiner Aufgabe daher
nur jeweils kurzfristig eingeschaltet und erfordert eine möglichst
schnelle Ansprechcharakteristik. Dieser Vorgang ist typisch für Beschleunigungssituationen
und tritt insbesondere praktisch bei allen Gangwechseln (Hochschalten) des
Fahrzeuges auf. Betrachtet man das Einschaltverhalten des elektrischen
Zusatzverdichters, so erkennt man, dass gerade im Stadtverkehr eine
deutliche Anzahl von Einschaltzuständen erforderlich ist. Bei
jeder Volllastbeschleunigung ist der elektrische Zusatzverdichter
auf ca. 60.000 U/min zu beschleunigen. Dabei wird eine mechanische
Rotationsenergie im Bereich von 400 bis 500 Wattsekunden aufgenommen,
die vom elektrischen Bordsystem des Kraftfahrzeuges zur Verfügung gestellt
werden muss. Dem Hochschaltvorgang während einer Beschleunigungsphase
geht in der Regel ein Ladedruckabbau über ein sogenanntes Umluftventil
unmittelbar voraus. Bisher wird zur Vermeidung beispielsweise des Verdichterpumpens
beim „Gas
wegnehmen" der Ladedruck
im System durch das Öffnen
des sogenannten Schubumluftventils (Dump Valve) reduziert. Dadurch
wird das Ladedruck führende
Volumen auf näherungsweise
Umgebungsdruck evakuiert. Die durch diese Maßnahme frei werdende pneumatische
Energie wurde bisher nicht genutzt.
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In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Ladeluft sind Verbindungsmittel 52 vorhanden,
die es ermöglichen,
bereits verdichtete Ladeluft direkt in den Verdichterraum des elektrischen
Ladeluftverdichters zu leiten, um damit ein schnelleres Hochlaufen
des elektrischen Zusatzverdichters durch eine Vorbeschleunigung
zu ermöglichen.
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Im
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach 1 zweigen die Verbindungsmittel 52 von
den Verbindungsmitteln 46, welche den Abgasturbolader mit
dem Verbrennungsmotor verbinden, ab. Die Verbindungsmittel 52 führen über ein
Ventil 54 direkt in den Verdichterraum 22 des elektrischen
Zusatzverdichters 14. Dazu können beispielsweise, verteilt über den
Umfang des Ringkanals 26 des elektrischen Zusatzverdichters 14, Öffnungen 56 vorgesehen
sein, die die verdichtete und über
die Verbindungsmittel 52 abgezweigte Ladeluft zielgerichtet
in den Ringkanal 26 und anschließend auf die Verdichterschaufeln
des Verdichterrades 24 leiten. Durch diese düsenförmige Einleitung
der verdichteten Ladeluft auf die Verdichterschaufeln des Verdichterrades
des elektrischen Zusatzverdichters ist eine Vorbeschleunigung des
Zusatzverdichters möglich,
die zu einem schnelleren Hochlaufen, das heißt zu einer kürzen Ansprechcharakteristik
des Zusatzverdichters führt.
Darüber
hinaus bedeutet die Nutzung der pneumatischen Energie des Ladeluftsystemes,
dass eine reduzierte Energieaufnahme aus dem Bordnetz des Fahrzeuges
beim Beschleunigen des elektrischen Zusatzverdichters möglich ist.
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Die
Umlufteinleitstelle ist in vorteilhafter Weise direkt im elektrischen
Zusatzverdichter 14 integriert und kann beispielsweise
auch ein oder mehrere Ventile beinhalten, die ein Rückströmen der
zu verdichtenden Ladeluft über
die Verbindungsmittel 52 vermeidet. Darüber hinaus ist darauf zu achten,
dass die durch den elektrischen Zusatzverdichter zu beschleunigende
Ladeluft durch die Austrittsöffnung 28 des
Zusatzverdichters abgeführt
wird und somit dem nachgeschalteten Abgasturbolader 34 zugeführt werden
kann. Ein Abströmen
der durch den elektrischen Zusatzverdichter verdichteten Ladeluft über die
Verbindungsmittel 52 gilt es zu unterbinden.
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In
anderen Ausführungsformen
kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsmittel 52 ein
Speichervolumen 58 umfassen, in das verdichtete Ladeluft
geleitet und anschließend
bei hohem Druck gespeichert werden kann. Beispielsweise durch eine Ventilanordnung
kann dann zu einem gewünschten Zeitpunkt
die verdichtete Ladeluft direkt in den Verdichterraum des elektrischen
Zusatzverdichters abgegeben werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist eine sinnvolle Nutzung der pneumatischen Ladeluftenergie bei
negativen Lastwechseln des Verbrennungssystems möglich. Dem Hochschaltvorgang während einer
Beschleunigungsphase geht in der Regel ein Ladedruckabbau über ein
Umluftventil unmittelbar voraus und es erfolgt dann ein Wiederaufbau
des Ladedruckes mit Unterstützung
des elektrischen Zusatzverdichters. Der Ladedruckabbau kann durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
in vorteilhafter Weise zur Vorbeschleunigung des elektrischen Zusatzverdichters
genutzt werden. Damit wird sowohl die notwendige Beschleunigungsenergie
des elektrischen Zusatzverdichters, als auch dessen Ansprechzeit
bis zum Erreichen seiner Maximaldrehzahl reduziert. Die pneumatische
Energie des Ladeluftsystemes beinhaltet selbst bei Berücksichtigung eines
moderaten Wirkungsgrades zur Übertragung seiner
Energie auf den elektrischen Zusatzverdichter einen nicht unwesentlichen
Anteil der erforderlichen Rotationsenergie für einen elektrischen Zusatzverdichter.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist nicht auf das in 1 dargestellte
Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Insbesondere
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
nicht beschränkt
auf die Verwendung eines elektrischen Zusatzverdichters und eines
Abgasturboladers.