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Dokumentenidentifikation DE60103646T2 09.06.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001305506
Titel BRENNKRAFTMASCHINENLADER
Anmelder Visteon Global Technologies, Inc., Dearborn, Mich., US;
Visteon UK Ltd., Laindon, Essex, GB
Erfinder CRIDDLE, Anderton, Mark, Chelmsford, Essex CM2 9TY, GB;
MORRIS, David, Guy, South Woodham Ferrers, Essex CM3 5ZG, GB;
NEW, Charles, John, Basildon, Essex SS15 5GR, GB;
PETROVITCH, Simon, Ditton Fields, Cambridge CB5 8QJ, GB;
WINTLE, Austen, Peter, Hertfordshire CM23 5LS, GB
Vertreter Bauer-Vorberg-Kayser, 50968 Köln
DE-Aktenzeichen 60103646
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 26.07.2001
EP-Aktenzeichen 019844315
WO-Anmeldetag 26.07.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/GB01/03377
WO-Veröffentlichungsnummer 0002010565
WO-Veröffentlichungsdatum 07.02.2002
EP-Offenlegungsdatum 02.05.2003
EP date of grant 02.06.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.06.2005
IPC-Hauptklasse F02B 39/10
IPC-Nebenklasse F02B 37/16   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Superlader für einen Verbrennungsmotor. Ein Verbrennungsmotor nach dem einleitenden Teil von Anspruch 1 ist aus EP 0 312107A bekannt.

Es gibt viele Faktoren, die den Drehmomentausgang eines bestimmten Verbrennungsmotors kennzeichnen, zum Beispiel das Hubvolumen in Zylindern, die Zylinderkonfiguration, das Bohrung/Hub-Verhältnis, das Verdichtungsverhältnis, die Ventiltriebanordnung und die Einlass- und Auspuffanordnung.

Motorentwickler "tunen" ständig Motoren, das heißt, stellen in dem Bemühen, einen sparsameren Kraftstoffverbrauch und eine bessere Leistung zu erzielen, diese und jene Parameter ein. Dies führt jedoch in der Wahrnehmung des Lenkers nicht unbedingt zu einer höheren Leistungsfähigkeit oder einem höheren Drehmoment. Unter realen Fahrbedingungen ist das Motordrehmoment für die Wahrnehmung von Leistung (oder des Gefühls einer Leistung) für den Lenker am wichtigsten, und insbesondere das Motordrehmoment, das bei geringen Motordrehzahlen (U/min) abgegeben wird, zum Beispiel unter 3500 U/min für eine typische Personenkraftwagenanwendung mit geringer Beanspruchung.

Aus diesem Grund müsste ein Motor so eingestellt werden, dass ein höheres Drehmoment bei geringeren U/min erhalten wird, aber dies führt für gewöhnlich zu einem Verlust an Drehmoment bei höheren Motordrehzahlen, zum Beispiel bei einer Motordrehzahl, die über etwa 3500 U/min liegt. Dies ist insbesondere ein Problem bei Benzinmotoren geringer Kapazität, die auf dem europäischen Markt vorherrschen.

Derselbe Motor könnte leicht "neueingestellt" werden, um dasselbe Drehmoment jedoch bei viel höheren Kurbelwellendrehzahlen abzugeben. Dies führt zu einer deutlich höheren Spitzenleistung, allerdings auf Kosten des Drehmoments bei geringeren U/min. Obwohl dies "sportliche" Lenker anspricht, wird die Beschleunigungsleistung bei geringeren Motordrehzahlen verringert.

Motordesigner haben zahlreiche Techniken und Technologien in dem Versuch verwendet, diesen traditionellen Kompromiss zu überwinden. Beispiele für solche Systeme sind Ansaugsysteme variabler Geometrie, variable Nockenwellenzeitsteuerung und variabler Ventilhub und variable Ventilzeitsteuerung. Alle diese Methoden sind dazu bestimmt, mehr als einen Einstellungszustand abhängig von Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten.

Eine andere allgemein verwendete Technik ist die Abwendung von der Motoreinstellung als Methode zur Erhöhung der Leistung und statt dessen das Einpumpen von Luft in den Motor mit Hilfe eines Turboladers oder Superladers. Eine solche Zwangseinleitung führt im Allgemeinen zu deutlichen Anstiegen im Drehmoment und in der Leistungsfähigkeit.

Einige Arten von Turboladern und Superladern (die hierin allgemein als "Verdichter" bezeichnet werden) können jedoch die Kosten eines Motors deutlich erhöhen, was eine besondere Hemmschwelle für die Verwendung eines Verdichters bei Motoren geringerer Kapazität in einem sparsamen Auto darstellt. Da Turbolader durch Abgase angetrieben werden, sind diese bei hohen Motordrehzahlen am nützlichsten und tragen daher selbst nicht zur Lösung des Problems bei geringem Drehmoment bei.

Der Begriff "Superlader" wird hierin zur Bezeichnung von Verdichtern verwendet, die nicht vollständig von Abgasen angetrieben werden. Für gewöhnlich werden Superlader durch eine mechanische Anordnung, zum Beispiel einen Riemenantrieb, der mit der Motorkurbelwelle verbunden ist, angetrieben. Eine solche mechanische Anordnung ist jedoch relativ teuer und voluminös in der Ausführung, und bietet keine leichte Steuerung der Superladerdrehzahl durch ein Motorsteuersystem.

Es sind auch elektrisch angetriebene Superlader bekannt, aber diese verbrauchen große Mengen an elektrischem Strom. Daher wurden solche elektrisch angetriebene Superlader nicht allgemein in der Herstellung von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Kraftwägen, verwendet.

Obwohl ein Luftverdichter das verfügbare maximale Motordrehmoment deutlich verstärken kann, geschieht dies für gewöhnlich auf Kosten eines weniger sparsamen Kraftstoffverbrauchs. Das, gemeinsam mit den damit verbundenen Kosten für herkömmliche Verdichteranordnungen, bedeutet, dass solche Verdichter für gewöhnlich nur bei teuren oder Hochleistungskraftfahrzeugen verfügbar sind.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten und wirtschaftlichen Verbrennungsmotorverdichter bereitzustellen, mit dem auf diese Probleme eingegangen wird, und der besonders bei Motoren geringerer Kapazität nützlich ist.

Gemäß der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor bereitgestellt, umfassend: eine oder mehr Verbrennungskammern; einen Lufteinlass für die Ansaugung in die Verbrennungskammern; eine Drosselklappe in dem Lufteinlass, die zur Regulierung der Ansaugung in die Verbrennungskammern eingestellt werden kann; ein Kraftstoffabgabesystem zum Zuleiten von Kraftstoff zu den Verbrennungskammern; einen Luftverdichter zur Unterstützung der Ansaugung in die Verbrennungskammern und somit des Motordrehmomentausganges durch Verdichten von Luft in dem Lufteinlass; einen Verdichterantrieb zum Zuführen von Energie zum Betreiben des Luftverdichters; und ein Motorsteuersystem zum Steuern des Motordrehmomentausganges abhängig von einem Motordrehmomentbedarf; wobei der Motor so eingestellt ist, dass er sein Spitzendrehmoment nur mit Selbstansaugung bei einer Spitzendrehmoment-Motordrehzahl erzeugt, die über einer Leerlaufdrehzahl und unter einer maximalen Nennmotordrehzahl liegt, wobei der Verdichterantrieb einen Elektromotor unter der Steuerung des Motorsteuersystems enthält; dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsteuersystem auf den Drehmomentbedarf und die Motordrehzahl anspricht, um den Motor selektiv in einem von mehreren Betriebsmoden zu betreiben, umfassend:

  • a) einen Selbstansaugungsmodus, der bei jeder Motordrehzahl verfügbar ist; in dem der Luftverdichter effektiv abgeschaltet ist und das Motorsteuersystem das Motordrehmoment durch Anpassung der Drosselklappeneinstellung steuert; und
  • b) einen drehmomentverstärkten Modus, der nur verfügbar ist, wenn die Motordrehzahl unter einer vorbestimmten Motordrehzahl N liegt und der Motordrehmomentbedarf unter Verwendung der Selbstansaugung nicht erfüllt werden kann, wobei die Drosselklappeneinstellung bei einer maximalen Einstellung gehalten wird und das Motorsteuersystem den Elektromotor steuert, um ein unterstütztes Ansaugen bei einem Wert bereitzustellen, der notwendig ist, damit der Motor das erforderliche Drehmoment erreicht, wobei N bei oder nahe bei der Spitzenmotordrehmoment-Motordrehzahl für den Motor im Selbstansaugungsmodus liegt.

Das Spitzendrehmoment mit unterstütztem Ansaugen kann dann sowohl höher sein als auch bei einer geringeren Motordrehzahl erreicht werden als das Spitzendrehmoment bei der Selbstansaugung.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Drehzahl, bei welcher der Motordrehmomentausgang nur mit Selbstansaugung den Höchstwert erreicht, eine mäßig hohe Motordrehzahl. Dies ist besonders bei einem Motor geringer Kapazität für einen Kraftwagen vorteilhaft, der dann für einen höheren maximalen Drehmomentausgang bei mäßigen und/oder mäßig hohen Motordrehzahlen eingestellt werden kann, auf Kosten eines maximalen Drehmomentausgangs bei geringen Motordrehzahlen. Die Drehmomentverstärkung, die von dem Verdichter bereitgestellt wird, ist dann unterhalb der hohen Motordrehzahlen verfügbar, insbesondere bei geringen und mäßigen Motordrehzahlen, sobald das vom Lenker geforderte Drehmoment jenes übersteigt, der bei einer weit geöffneten Drosselklappe verfügbar ist. Der Motor wird daher auf kraftstoffeffiziente Weise betrieben, wenn der Motordrehmomentbedarf unter dem Maximum liegt, das bei einer Selbstansaugung verfügbar ist. Wenn der Motordrehmomentbedarf bei oder über diesem Wert liegt, ist die Drosselklappeneinstellung eine maximale Einstellung und der Verdichter wird aktiviert und derart gesteuert, dass der Motordrehmomentausgang nicht durch die Änderung der Einstellung der Drosselklappe, sondern wenigstens teilweise durch Steuerung der Menge an verdichteter Luft, die in die Verbrennungskammern angesaugt wird, gesteuert wird. Die Kraftstoffzufuhr wird auch normalerweise in Verbindung mit der Luftzufuhr gesteuert.

Die Kraftstoffeffizienz wird verbessert und der Batterie/Alternator-Energieverbrauch wird verringert, da der Verdichter erst eingeschaltet wird, nachdem der Motordrehmomentbedarf sich dem maximalen, nicht verstärkten Motordrehmomentausgang bei dieser Motordrehzahl stark genähert oder diesen erreicht hat.

Der Verdichter wird dann angetrieben, wenn der Motordrehmomentbedarf nur durch Selbstansaugung nicht erfüllt werden kann, und wird deaktiviert, wenn der Motordrehmomentbedarf nur durch Selbstansaugung erfüllt werden kann. Die Motoransaugung ist normal, wenn der Verdichter nicht eingeschaltet ist. Der Motor kann eine Luftumführung über den Verdichter umfassen. Die Menge an verdichteter Luft kann dann wenigstens teilweise durch Steuern der Luftmenge, die den Verdichter umgeht, gesteuert werden. Es ist jedoch vorteilhaft, die Luft vorwiegend über die Menge an elektrischem Strom zu steuern, die dem Elektromotor zugeführt wird, so dass die Menge an elektrischem Strom, die vom Elektromotor verbraucht wird, minimiert werden kann. Dies ist besonders wichtig, wenn der Motor ein Ladesystem hat, das nicht imstande ist, dem Elektromotor kontinuierlich elektrischen Strom zuzuführen, wie dies der Fall ist, wenn nicht teure Modifizierungen an dem Fahrzeugladesystem und seiner Speicherbatterie vorgenommen werden.

Zusätzlich oder als Alternative kann der Verdichter einstellbare aerodynamische Elemente enthalten, wie einstellbare Laufradflügel. Die Menge an verdichteter Luft kann dann durch Einstellen der aerodynamischen Elemente zur Steuerung der Luftmenge, die von dem Verdichter verdichtet wird, gesteuert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verdichterantrieb imstande, den Verdichter über einen Bereich von Verdichterdrehzahlen anzutreiben, wobei die Luftmenge, die in die Verbrennungskammern angesaugt wird, von der Verdichterdrehzahl abhängig ist.

Da der Verdichterantrieb ein elektrisch betriebener Motor ist, kann die Leistung und somit Drehzahl eines solchen Elektromotors einfach durch geeignete Steuerelektronik gesteuert werden, die für eine präzise und ausreichend schnelle Steuerung des Ausgangsdrehmoments über jenes hinaus sorgt, das nur mit einer Selbstansaugung erreichbar ist.

Der Motor enthält normalerweise ein Kraftstoffabgabesystem, durch das die Kraftstoffmenge, die in die Verbrennungskammern gelangt, gesteuert werden kann. Der Motordrehmomentausgang hängt dann wenigstens teilweise von der Kraftstoffmenge ab, die an die Verbrennungskammern abgegeben wird. Es kann dann ein Sensor bereitgestellt werden, der die Zusammensetzung von Abgasen von den Verbrennungskammern erfasst. Dies ist nützlich, da das Motorsteuersystem dann so aufgebaut werden kann, dass es das Kraftstoffabgabesystem abhängig von einem Ausgang steuert, der von dem Sensor empfangen wird und die Zusammensetzung des Abgases anzeigt. Das Motorsteuersystem spricht dann auf die erfasste Zusammensetzung des Abgases an, um die Menge an verdichteter Luft und/oder die Menge an abgegebenem Kraftstoff zu steuern.

Der Verbrennungsmotor kann ein Hubkolben-Verbrennungsmotor sein. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff "mäßig" in Bezug auf die Motordrehzahl eine Motordrehzahl bei oder nahe dem mittleren Bereich von Motordrehzahlen, zwischen einer Leerlauf-Motordrehzahl und einer maximalen Nennmotordrehzahl. Vorzugsweise ist der Motor so eingestellt, dass die mäßige Drehzahl sich über eine obere Hälfte des Motordrehzahlbereichs erstreckt.

Vorzugsweise ist der Motor so eingestellt, dass das Drehmoment in einem oberen Ende der mäßigen Motordrehzahl ohne Verdichterverstärkung optimiert ist, selbst wenn das einen Verlust an Motordrehmoment bei mäßigen oder geringen Motordrehzahlen bedeutet. Die Verdichterverstärkung kann dann nur bei solchen mäßigen und geringen Motordrehzahlen verwendet werden, um eine zusätzliche Motorleistung und zusätzliches Drehmoment bei diesen Motordrehzahlen bereitzustellen.

Die Motorsteuerung ermöglicht die Verwendung des Verdichterantriebs wenn die Motordrehzahl relativ gering oder mäßig ist, und sperrt die Verwendung des Verdichters, wenn die Motordrehzahl relativ hoch ist. Dadurch werden übermäßige Anforderungen an die Stromversorgung des Elektromotors vermieden.

Es hat sich gezeigt, dass der Elektromotor und seine Stromversorgung und Steuerungen ein kritischer Faktor für den erfolgreichen Betrieb eines Motors sind, der die Erfindung verkörpert. Für eine rasche Reaktion auf einen Anstieg im vom Lenker geforderten Drehmoment (Niederdrücken des Gaspedals) muss der Motor imstande sein, rasch auf die erforderliche Drehzahl zu beschleunigen, die 70 000 U/min oder höher sein kann. Dies erfordert eine geringe Trägheit der Motorkomponenten und hohe Ströme (insbesondere, wenn der Motoreinbau ein 12 Volt Gleichstromsystem benötigt). Kompakte Komponenten mit hohen Stromdichten führen zu Wärmemanagement- und Haltbarkeitsproblemen.

Wenn der Motor ein Hubkolbenmotor in einem Kraftwagen ist, ist die mäßige Drehzahl vorzugsweise wenigstens etwa 3500 U/min und kann bis zu etwa 5500 U/min betragen. Dadurch kann der Motor, insbesondere wenn er ein Motor relativ geringer Kapazität mit weniger als etwa 1,8 Liter Kapazität ist, so eingestellt werden, dass sein maximales Drehmoment im Bereich von etwa 5500 U/min bereitgestellt wird, was eine relative hohe Drehzahl für einen solchen Motor ist. Dies trägt dazu bei, einen guten sparsamen Kraftstoffverbrauch bei Teillast durch den Einbau eines Motors geringerer Kapazität zu erreichen. Die daraus folgende Abnahme im Drehmoment bei geringeren U/min würde der Lenker selbst während eines mäßigen Fahrens erkennen, insbesondere wenn der Lenker bei geringen U/min rasch beschleunigen muss, wobei aber das geringere Drehmoment durch die Verwendung des Verdichters verstärkt werden kann. Da der Verdichter bei relativ hohen U/min nicht arbeiten darf, wird der sparsame Kraftstoffverbrauch bei solchen Drehzahlen beibehalten und eine übermäßige Stromentnahme vermieden. Die Erfindung bietet auch den Vorteil, die maximale Fahrzeugdrehzahl nicht zu erhöhen, da sie den Spitzenmotorleistungsausgang nicht erhöht, der für die meisten Fahrzeugtypen in den meisten Ländern normalerweise in jedem Fall deutlich über den nationalen Geschwindigkeitsbeschränkungen liegt. Dies bietet einen Sicherheitsvorteil und kann für das Fahrzeug eine geringere Versicherungseinstufung bedeuten, insbesondere für jüngere Lenker. Gleichzeit sorgt die Erfindung für eine gute Beschleunigung bei geringen Motordrehzahlen, die unter vielen Umständen ein Sicherheitsmerkmal sein kann.

Wenn der Motor vom Hubkolbentyp ist, sind bei dem Motor zahlreiche Ansaug-/Auslassventile angeordnet, um zu vorbestimmten Zeitpunkten im Motorzyklus zu arbeiten. Wegen der Leistungsverstärkung, die durch den Verdichter bereitgestellt wird, kann daher die Zeitsteuerung des Ventilbetriebs unveränderlich sein. Dies trägt dazu bei, unnötige Kosten bei der Konstruktion und Wartung des Motors zu vermeiden.

Im Allgemeinen ist es wünschenswert, wenn das Motorsteuersystem einen Übergangsmodus bereitstellt, in dem die Verwendung des Verdichters im Bereich des Spitzendrehmoments nur mit Selbstansaugung progressiv gesperrt wird. Diese Nähe kann einen Motordrehzahlbereich etwas über der mäßigen Drehzahl enthalten. Das Motorsteuersystem kann tatsächlich die Verwendung des Verdichters über der mäßigen Motordrehzahl sperren, aber vorzugsweise findet eine Sperre der Verwendung des Verdichters deutlich unter der hohen Motordrehzahl statt.

Eine andere Art dies auszudrücken ist, dass die Verdichterdrehmomentverstärkung den Motorleistungsausgang über der mäßigen Motordrehzahl nicht deutlich erhöht.

Gemäß der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, umfassend ein Gaspedal, das von dem Lenker bewegbar ist, und einen Verbrennungsmotor, wobei der Verbrennungsmotor wie zuvor beschrieben gemäß der Erfindung ist, wobei der Motordrehmomentbedarf wenigstens teilweise durch die Position des Gaspedals eingestellt wird.

Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bereit, wobei der Motor umfasst: eine oder mehr Verbrennungskammern; einen Lufteinlass für die Ansaugung in die Verbrennungskammern; eine Drosselklappe in dem Lufteinlass, die zur Regulierung der Ansaugung in die Verbrennungskammern eingestellt werden kann; ein Kraftstoffabgabesystem zum Zuleiten von Kraftstoff zu den Verbrennungskammem; einen Luftverdichter in dem Lufteinlass zur Unterstützung der Ansaugung in die Verbrennungskammern und somit des Motordrehmomentausganges durch Verdichten von Luft in dem Lufteinlass; einen Verdichterantrieb zum Zuführen von Energie zum Betreiben des Luftverdichters; und ein Motorsteuersystem zum Steuern des Motordrehmomentausganges abhängig von einem Motordrehmomentbedarf, wobei der Motor so eingestellt ist, dass er sein Spitzendrehmoment nur mit Selbstansaugung bei einer Spitzendrehmoment-Motordrehzahl erzeugt, die über einer Leerlaufdrehzahl und unter einer maximalen Nennmotordrehzahl liegt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

  • i) Bereitstellen eines Elektromotors zum Antreiben des Verdichters; gekennzeichnet durch
  • ii) Verwenden des Motorsteuersystems zum selektiven Betreiben des Motors in einem von mehreren Betriebsmoden als Reaktion auf einen Drehmomentbedarf und eine Motordrehzahl, umfassend:
  • a) einen Selbstansaugungsmodus, der bei jeder Motordrehzahl verfügbar ist, in dem der Luftverdichter effektiv abgeschaltet ist und das Motorsteuersystem das Motordrehmoment durch Anpassung der Drosselklappeneinstellung steuert; und
  • b) einen drehmomentverstärkten Modus, der nur verfügbar ist, wenn die Motordrehzahl unter einer vorbestimmten Motordrehzahl N liegt und der Motordrehmomentbedarf unter Verwendung der Selbstansaugung nicht erfüllt werden kann, wobei die Drosselklappeneinstellung bei einer maximalen Einstellung gehalten wird und das Motorsteuersystem den Elektromotor steuert, um ein unterstütztes Ansaugen bei einem Wert bereitzustellen, der notwendig ist, damit der Motor das erforderliche Drehmoment erreicht, wobei N bei oder nahe bei der Spitzenmotordrehmoment-Motordrehzahl für den Motor im Selbstansaugungsmodus liegt.

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben werden, wobei:

1 ein schematisches Diagramm eines Kraftfahrzeuges mit einem 1,4 Liter Vierzylindermotorsystem ist, mit einer Luftansaugvorrichtung gemäß der Erfindung, die einen elektrisch angetriebenen Ansaugverdichter enthält;

2 eine Graphik ist, die das Motordrehmoment gegenüber der Motordrehzahl für den 1,4 Liter Motor von 1 bei Selbstansaugung zeigt, der entweder auf ein maximales Drehmoment bei einer geringen mäßigen Motordrehzahl oder auf ein maximales Motordrehmoment bei einer höheren mäßigen Motordrehzahl eingestellt ist;

3 eine Graphik ähnlich jener von 2 ist, die auch die Wirkung auf den Motordrehmomentzusgang bei dem Motor von 1 zeigt, wenn der Ansaugverdichter verwendet wird;

4 eine Graphik ist, welche die Motorverdichter-Drehmomentverstärkung gegenüber dem vom Lenker geforderten Drosselklappenwinkel für den Motor von 1 zeigt;

5 eine Graphik des Verdichterbedarfs gegenüber dem vom Lenker geforderten Drosselklappenwinkel für den Motor von 1 ist;

6 eine perspektivische Ansicht der Luftansaugvorrichtung ist, die bei dem Motor von 1 verwendet wird;

7 eine in Einzelteile aufgelöste Ansicht eines Gehäuses und der inneren Komponenten ist, welche die Luftansaugvorrichtung von 6 bilden;

8 eine Draufsicht von oben auf die Luftansaugvorrichtung von 7 ist, die zwei getrennte, entfernbare Abdeckplatten an den oberen Oberflächen des Gehäuses zeigt;

9 eine Draufsicht von oben auf die Luftansaugvorrichtung ähnlich jener von 8 ist, wobei aber die zwei Abdeckplatten entfernt und in dem Gehäuse keine Komponenten vorhanden sind;

10 eine perspektivische Ansicht des leeren Gehäuses von 9 ist;

11 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Gehäuses ist, wobei eine Abdeckplatte entfernt ist, um den Verdichter in dem Gehäuse zu zeigen, und ein Luftauslassrohr von dem Verdichter durch eine Luftverteilerkammer zu einem Luftauslass von dem Gehäuse verläuft;

12 eine andere perspektivische Ansicht des in 11 dargestellten Teils des Gehäuses ist, mit Blick in den Luftauslass, um die Anordnung des Luftauslassrohres in Bezug auf den Luftauslass und die Verteilerkammer zu zeigen;

13 eine perspektivische Ansicht von unterhalb eines Abschnittes einer Teilungsplatte ist, die den Luftverdichter und die Luftverteilerkammer von 11 und 12 bedeckt, die ein Luftklappenventil in der Verteilerplatte in einer geschlossenen Position zeigt; und

14 eine perspektivische Ansicht ähnlich jener von 13 ist, wobei das Luftklappenventil entfernt ist, um ein Luftgitter durch die Teilungsplatte zu zeigen, durch das umgeleitete Luft in die Verteilerkammer zu dem Gehäuseluftauslass strömt. 1 zeigt schematisch einen Teil eines Kraftfahrzeuges 7 mit einem supergeladenen Hubkolben-Verbrennungsmotor 1, mit vier Reihenzylindern 2, einem Luftansaugkrümmer 4, und einem Auspuffkrümmer 6, der zu beziehungsweise von jedem der Zylinder 2 weg führt, und einem Kraftstoffeinspritzsystem 8 zum Zuleiten von Kraftstoff zu den Zylindern 2 in einer in der Technik gut bekannten Weise. Ein Verdichter, hier ein elektrisch betriebener Superlader 10, ist stromaufwärts des Ansaugkrümmers 4 bereitgestellt.

Luft strömt durch den Superlader 10, wenn dieser arbeitet, oder wenn der Superlader ausgeschaltet ist, durch eine Luftumleitung 12 parallel zu dem Superlader 10 zu dem Ansaugkrümmer 4. Luft wird über einen Einlassluftpfad 3 zu dem Superlader 10 und/oder der Umleitung 12 geleitet.

Die Luftumleitung 12 hat ein Luftventil 13, das sich automatisch öffnet, um einströmende Luft 5 um den Superlader umzuleiten, wenn der Superladerluftstrom 15 unzureichend ist, um die Motorzylinder 2 mit Luft zu laden. Die Luftversorgung zu dem Motor 1 wird dann durch die Einstellung einer Drosselklappe 17 stromabwärts des Superladers 10 und der Umleitung 12 sowie durch die Aktivierung des Superladers 10 eingestellt. Wenn der Superlader 10 nicht aktiviert ist, ist der Motor 1 normal saugend, und wenn der Superlader 10 aktiviert ist, ist der Luftstrom zu dem Motor erhöht.

Der Superlader wird nur durch einen geschalteten Reluktanzmotor (M) 14, der von einer 12 Volt Blei-Säure-Batterie 16 gespeist wird, und einem riemenbetriebenen Alternator (nicht dargestellt) angetrieben. Die Batterie hat einen Nennstrom, der etwa 30 A höher ist, als normalerweise für ein Massenfabrikat eines Vierzylindermotor-Kraftwagens spezifiziert ist. Die Batterie 16 speist nicht nur den Superlader, sondern sorgt auch für das Starten des Fahrzeuges, die Beleuchtung und Zündung. Wie durch 1 gezeigt wird, liegt die Batterie 16 auch in dem Luftversorgungspfad 3, so dass einströmende Luft um die Batterie 16 strömt.

In dem Luftversorgungspfad 3 ist ein Luftfilter 9 stromabwärts der Batterie 16 und stromaufwärts des Superladers 10 und der Luftumleitung 12 bereitgestellt. Wie in der Folge ausführlicher erklärt wird, sind die Batterie 16, der Filter 9, der Superlader 10 und die Luftumleitung 12 alle in einem hohlen Gehäuse 50 untergebracht. Der Fahrzeuglenker (nicht dargestellt) kann die Motorleistung über eine bewegbare Gaspedalvorrichtung 18 steuern, die ein elektrisches Signal 20 zu einer Motorsteuereinheit ("engine control unit" – ECU 22 leitet. Die Motorsteuereinheit empfängt eine Reihe von Eingangssignalen, die die Motor- und Fahrzeugbetriebsparameter anzeigen, einschließlich eines Motordrehzahlsignals 24 von einem Motordrehzahlsensor 26. Die Motorsteuereinheit 22 berechnet aus den verschiedenen Eingangssignalen einen Motordrehmomentbedarf und stellt eine Reihe von Ausgangssignalen zur Steuerung verschiedener Fahrzeug- und Motorbetriebsparameter bereit, einschließlich eines Kraftstoffeinspritzungssteuersignals 28, eines Drosselklappensteuersignals 36 und eines Superladermotorsteuersignals 42. Der Motordrehmomentbedarf wird daher wenigstens teilweise durch die Position des Gaspedals eingestellt.

Wenn der Lenker, wie in der Folge ausführlicher erklärt wird, das Gaspedal bewegt, um ein Motordrehmoment über jenem anzufordern, das von dem Motor 1 bei einer Selbstansaugung abgegeben werden kann, bewegt sich die Drosselklappe 17 in eine Maximaleinstellung, so dass das maximale Luftvolumen in die Zylinder strömen kann, und die Motorsteuereinheit 22 aktiviert dann den Superladermotor 14 bei gewissen mäßigen oder geringen Motordrehzahlen, nicht aber bei hohen Motordrehzahlen. Danach wird der verstärkte Motordrehmomentausgang durch die Superladerdrehzahl und die Kraftstoffmenge, die den Zylindern zugeführt wird, gesteuert. Wenn der Motor ein Einspritzmotor ist, kann die Motorsteuereinheit 22 die Menge an eingespritztem Kraftstoff durch elektrische Steuerung der Injektoren steuern.

Vorzugsweise enthält der Motor einen Abgassensor 31 zur Überwachung der Motorverbrennungsbedingungen. Der Sensor 31 kann ein Abgassauerstoffsensor ("exhaust gas oxygen sensor" – EGO-Sensor) sein. Dieser kann zur Bestimmung verwendet werden, ob der Motor mager oder fett läuft. Die Motorsteuereinheit 22 stellt zunächst sowohl die Superladerdrehzahl als auch die abgegebene Kraftstoffmenge entsprechend dem aktuellen Drehmomentbedarf ein. Die Motorsteuereinheit überwacht den Ausgang vom Sensor 31 und stellt dann die Superladerdrehzahl und/oder die abgegebene Kraftstoffmenge ein, um einen entsprechenden Zustand an fettem oder magerem Motorbetrieb zu erreichen.

2 zeigt eine Graphik eines Motordrehmoments gegenüber der Motordrehzahl für einen herkömmlichen Vierzylinder-Reihenmotor, wie zuvor beschrieben, aber ohne Superladung. Wie aus der Kurve 30 von 2 erkennbar ist, kann der Motor so eingestellt werden, dass er eine gute Leistung bei mäßig hohen Motordrehzahlen liefert ("Power-Tuning"), aber auf Kosten des Drehmoments am unteren Ende.

Als Alternative, wie durch die Kurve 32 dargestellt ist, kann der Motor so eingestellt werden, dass er ein gutes Drehmoment bei geringen und mäßigen Motordrehzahlen liefert ("Drehmoment-Tuning"), aber auf Kosten der Leistung am oberen Ende. Während Das "Power-Tuning" den sportlichen Lenker anspricht, ist das Maß an Zufriedenheit bei den meisten Autobesitzern geringer. Die Forderung, ein gutes, reales "Leistungsgefühl" zu vermitteln, führt üblicherweise zu einem Motordrehmomentausgang, wie in der "Drehmoment-Tuning"-Kurve dargestellt, bei dem das Drehmoment bei hohen Motordrehzahlen verringert ist, um einen Drehmomentausgang unter 3500 U/min zu verbessern. Obwohl eine Motoruntersetzung gewählt werden kann, um unerwünschte Eigenschaften zu minimieren, sind in der Praxis herkömmliche Motoren so eingestellt, dass ein Kompromiss erreicht wird.

Unter Bezugnahme auf 3 wird in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Motor relativ geringer Kapazität, zum Beispiel mit einer Kapazität unter etwa 1,8 Liter, so eingestellt, dass er eine gute Leistung bei hohen U/min liefert, auf Kosten des Drehmoments bei geringer Motordrehzahl, wie durch die Kurve 30 dargestellt ist. Ein begleitender Effekt ist ein sehr sparsamer Kraftstoffverbrauch bei konstanten Autobahngeschwindigkeiten, da weitere Drosselklappenöffnungen verwendet werden müssen, um die konstante Geschwindigkeit zu erreichen. Wie aus Kurve 34 erkennbar ist, wird dann eine Erhöhung des maximalen Drehmoments mit einer Superlader-Drehmomentverstärkung (oder Motorleistungsverstärkung als Äquivalent) bereitgestellt, wenn der Lenker Leistung über jener verlangt, die von einem Motor mit Selbstansaugung erhältlich ist, wie durch die Kurve mit Superlader-Verstärkung ("supercharger boost") "SCB" dargestellt ist. Die Verstärkung wird unter der Steuerung der Motorsteuereinheit 22 nur im Bereich geringer 38 und mäßiger Motordrehzahlen 33 zur Verfügung gestellt und wird progressiv begrenzt, um bei Punkt 35 sanft in eine Motorleistung ohne Verdichterdrehmomentverstärkung im Bereich höherer Motordrehzahlen 37 überzugehen. Dies erfolgt durch progressive Beschränkung der maximal zulässigen Superladerverstärkung nahe einem Übergangspunkt 40, der in diesem Beispiel bei dem maximalen, unverstärkten Motordrehmoment angenommen wird. Es ist jedoch möglich, entweder über diesen oder unter diesen Punkt abzuweichen, obwohl eine zu große Abweichung unter diesen Punkt (in diesem Beispiel unter etwa 3500 U/min) die möglichen Vorteile verringert, die durch den Superlader bereitgestellt werden, und eine zu große Abweichung über diesen Punkt (in diesem Beispiel über etwa 5750 U/min) zu einem übermäßigen Drehmoment in einem Bereich des Motorbetriebs führt, wo dieses unter den meisten Fahrbedingungen nicht erforderlich oder vom Standpunkt des sparsamen Kraftstoffverbrauchs nicht erwünscht ist.

Somit ermöglicht die Motorsteuerung die Verwendung des Verdichterantriebs nur in einer solchen Weise, dass der Motordrehmomentausgang mit der Verdichterdrehmomentverstärkung in dem Bereich der mäßigen Motordrehzahl seinen Höchstwert erreicht.

Die verstärkte Drehmomentkurve könnte jedoch in einem Bereich geringerer Motordrehzahlen 38 sanft in die unverstärkte Drehmomentkurve 30 übergehen, wie durch die gestrichelte Linie 39 dargestellt ist.

4 zeigt eine Graphik einer Motordrehmoment-Superladerverstärkung gegenüber einem vom Lenker geforderten Drosselklappenwinkel zwischen 0° und 90°. Die diagonalen geraden Linien in der Graphik sind mit Motordrehzahl in U/min zwischen 1250 U/min und 5400 U/min beschriftet. Die vertikale Skala entspricht dem Unterschied im Drehmoment in 3 zwischen der verstärkten Drehmomentkurve 34 und der unverstärkten Drehmomentkurve 30. Bei maximalem Drosselklappenwinkel von 90° ist die Motordrehmoment-Superladerverstärkung der in 3 dargestellte Maximalwert. Wenn der geforderte Drosselklappenwinkel von 90° abnimmt, gilt dies auch für die Motordrehmoment-Superladerverstärkung, bis diese auf eine Nullverstärkung abnimmt, entsprechend der Kurve 30 von 3.

Wie aus 4 erkennbar ist, wenn die Motordrehzahl auf den Übergangspunkt 35 von 3 steigt, nimmt die Neigung der Motordrehmoment-Superladerverstärkungskurve ab, bis beim Übergangspunkt 35 keine Motordrehmoment-Superladerverstärkung vorhanden ist. Dies zeigt graphisch das progressive Ausschalten der Superladerverstärkung.

5 zeigt den Betrieb des Superladers in anderer Weise, wobei der Verdichterbedarf gegen den vom Lenker geforderten "Drosselklappenwinkel" zwischen 0° und 90° eingezeichnet ist. Außer bei hohen Motordrehzahlen, wenn der Betrieb des Superladers abgeschaltet ist, entspricht der Lenker-"Drosselklappenwinkel" nicht dem tatsächlichen Winkel der Drosselklappe 17. Bei Motordrehzahlen, bei welchen der Superladerbetrieb zugelassen ist, erreicht der tatsächliche Drosselklappenwinkel 90° (d.h., die maximale Einstellung), bevor der Lenker-"Drosselklappenwinkel" 90° erreicht. Während der Lenker-Drosselklappenwinkel auf 90° steigt, bleibt danach der tatsächliche Drosselklappenwinkel bei der Maximaleinstellung und der verstärkte Motordrehmomentausgang wird durch die Menge an elektrischem Strom gesteuert, die dem Superladermotor zugeführt wird, in Verbindung mit einer entsprechenden Kraftstoffmenge, die an die Zylinder abgegeben wird.

Die verschiedenen Linien in 5 sind mit der Motordrehzahl in U/min beschriftet. Der Verdichterbedarf ist gleich dem elektrischen Strom, der dem Superladermotor 14 zugeführt wird. Die Kurven beginnen bei einem Verdichterbedarf von etwa 0,2, wobei bei diesem Punkt die Luft, die durch den Superlader zugeführt wird, beginnt, einen nennenswerten Effekt auf das Motordrehmoment zu haben. Wie aus 5 erkennbar ist, steigt mit zunehmender Motordrehzahl der Mindestverdichterbedarf der für eine nennenswerte Verstärkung des Drehmoments erforderlich ist. Dies ist auf den erhöhten Luftstrom zu dem Ansaugkrümmer 4 bei steigernder Motordrehzahl zurückzuführen. 6 bis 14 zeigen alle detaillierte Ansichten der Luftansaugvorrichtung gemäß der Erfindung. 6 zeigt eine äußere perspektivische Ansicht des Einheitsgehäuses 50, das die Batterie 16, den Filter 9, den Verdichter 10 und die Luftumleitung 12 enthält. Der Luftversorgungspfad 3 durch das Einheitsgehäuse 50 beginnt bei einem Lufteinlass 52 in einem unteren Abschnitt des Gehäuses 50 und endet bei einem Luftauslass 54 auf einer höheren Ebene in dem Gehäuse 50.

Das Gehäuse 50 enthält das Bateriefach 56 und das Superladerfach 58. Jedes Fach 56, 58 hat eine entsprechende Abdeckplatte 60, 62, die durch Schrauben 64 entfernbar an einer Einheitsgehäusebasis 66 befestigt ist, die einen unteren Teil des Gehäuses 50 bildet.

Die Batteriefachabdeckplatte 60 hat zwei Öffnungen 61, 63, durch die ein Paar Batterieanschlussklemmen 65, 67 durch das Gehäuse 50 ragen können, wenn die Batterieabdeckplatte an der Gehäusebasis 66 befestigt wird.

Die Einheitsgehäusebasis 66 ist an einer Reihe von Stützen 68 befestigt, die sich von der Gehäusebasis 66 zu einer Stahlbefestigungsplatte 70 nach unten erstrecken, die ihrerseits an eine Innenfläche eines Motorfachs (nicht dargestellt) angeschraubt ist.

Das hohle Gehäuse 50 ist aus einem geformten Kunststoffmaterial, zum Beispiel ABS, oder glasgefülltem Nylon gebildet.

7 zeigt die Befestigungsplatte, das hohle Gehäuse 50 und eine Reihe von Komponenten im Inneren des Gehäuses 50 in einer in Einzelteile zerlegten, perspektivischen Ansicht. Die Batterie 16 ist in dem Batteriefach 56 gemeinsam mit einer Superladerleistungselektronik 72 untergebracht.

Das Superladerfach 58 enthält eine größere Anzahl von Komponenten, einschließlich des Filters 9, des Superladers 10 und des Superladermotors 14. In dem Superladerfach 58 befinden sich auch die Teilungsplatte 74, die sich horizontal über einen Teil des Superladerfachs 58 unterhalb der Superladerabdeckplatte 62 erstreckt, und das Klappen-Luftumleitungsventil 13. Der Luftfilter 9 hat einen rechteckigen Umriss und sitzt in einer gleichen rechteckigen Ausnehmung 56 in der Teilungsplatte 74. Die Teilungsplatte 74 weist ein Luftgitter 78 auf, an dessen Unterseite die Luftklappe 13 befestigt ist, und eine gekrümmte Platte 80 zur Begrenzung der Ablenkung der Luftklappe 13 weg vom Gitter 78.

Das Superladerfach 58 ist in einen Hauptabschnitt 82, der den Verdichter 10, den Motor 14 und den Luftfilter 9 enthält, und einen Nebenabschnitt 84, der hierin als Verteilerkammer 84 bezeichnet wird, unterteilt. Das Teilungsplattenluftgitter 78 und die Luftklappe 13 liegen über der Verteilerkammer 74, wobei eine flexible Dichtung 86 zwischen der Verteilerkammer 84 und der Teilungsplatte 74 einen luftdichten Verschluss herstellt.

Der Luftversorgungspfad 3 zwischen dem Lufteinlass 52 und dem Luftauslass 54 verläuft um die Batterie 16 und die Superladerleistungselektronik 72 in dem Batteriefach 56, durch eine Öffnung 90 in einer Trennwand 92, die das Batteriefach 56 vom Superladerfach 58 trennt. Wie in 7 erkennbar ist, liegt die Luftöffnung 90 auf einer höheren Ebene in dem Batteriefach 56 als der Lufteinlass 52. Der Luftversorgungspfad durch das Batteriefach 56 steigt daher im Allgemeinen zur Luftöffnung 90 hin an.

Die Luftöffnung 90 weist eine Reihe von Flügeln auf, von welchen einer 94 in 7 erkennbar ist. Diese Flügel 94 lenken den Luftstrom in einen unteren Abschnitt des Superladerfachs 58, in die Nähe des Superladermotors 14. Der Luftversorgungspfad trägt daher zur Kühlung des Superladermotors 14 bei, wenn dieser in Betrieb ist. Der Luftversorgungspfad 3 steigt, nachdem er um den Superladermotor 4 gegangen ist, vertikal nach oben durch den Luftfilter 9 in der Teilungsplatte 74 in ein Luftvolumen zwischen der Teilungsplatte 74 und der Superladerabdeckplatte 62. In 7 ist dieses eingeschlossene Luftvolumen allgemein mit dem Bezugszeichen 96 bezeichnet.

Wenn der Superlader nicht in Betrieb ist, hält die Luftansaugung, die vom Ansaugkrümmer 4 bereitgestellt wird, das Klappenventil 13 nach unten auf die Klappenventilbegrenzungsplatte 80, so dass Luft durch das Luftgitter 78 in der Teilungsplatte 74 und in die Verteilerkammer 84 strömen kann. Von der Verteilerkammer 84 kann die Luft dann frei in den Luftauslass 54 strömen. Obwohl nicht dargestellt, folgt der Luftpfad dann einem herkömmlichen flexiblen Schlauch zur Drosselklappe 17.

Wenn der Superlader in Betrieb ist, wird etwas Luft von dem eingeschlossenen Luftvolumen 96 in einen Einlass 98 in dem oberen mittleren Abschnitt des Superladers 10 gezogen. Die Luft des Superladers wird dann verdichtet und bei bis zu 40 % über Atmosphärendruck durch den Superladerauslass 100 ausgestoßen. Ein kleiner Gummiring 102 verbindet den Superladerluftauslass 100 mit einem Einlass 104 zu der Verteilerkammer 84.

Bis der Superlader 10 bei hoher Kapazität arbeitet, tritt auch etwas Luft durch die Luftklappe 13 in die Verteilerkammer 84. Die Luft, die vom Superlader 10 durch den Verteilerkammerlufteinlass 104 ausgestoßen wird, geht in ein Verteilerrohr 106, das allmählich nach außen zu einem Verteilerrohrauslass 108 hin konisch zuläuft. Der Verteilerrohrauslass 108 hat drei radiale Rippen 110, die in gleichem Abstand um den Umfang um den Raum des Verteilerrohrauslasses 108 angeordnet sind. Die Rippen 110 sitzen in entsprechenden Nuten 112 an den Innenflächen des Luftauslasses 54, so dass ein ringförmiger Spalt 114 zwischen dem Luftverteilerrohr 106 und dem Luftauslass 54 aufrechterhalten wird.

Die Luft, die vom Superlader 110 ausgestoßen wird, wird daher von der Luft getrennt gehalten, die durch das Klappenventil 13 in die Verteilerkammer 84 eintritt, bis sich diese Luft stromabwärts von dem ringförmigen Spalt 114 mischt, der den Verteilerrohrauslass 108 umgibt.

Es hat sich gezeigt, dass die Luftstromwirksamkeit durch diese Anordnung erhöht wird, da Energie in der Luft, die vom Superlader 10 ausgestoßen wird, dazu beiträgt, Luft aus der Verteilerkammer 84 zu ziehen, die durch das Luftklappenventil 13 zugeführt wird. Zur Dämpfung von Geräuschen und Vibration sind der Superlader 10 und sein Motor 14 physisch durch drei Gummistäbe 116 befestigt, die in gleichem Abstand um eine schalenförmige Aluminiumbefestigungsschelle 118 angeordnet sind, an der der Superlader 10 fest montiert ist. Die drei Gummibefestigungen 116 sitzen auf drei entsprechenden Stäben 120, die sich von einem unteren Abschnitt des Superladerfachs 58 nach oben erstrecken. Diese drei Gummibefestigungen 116, gemeinsam mit dem flexiblen kurzen Auslassschlauch 102 zwischen dem Superladerauslass 100 und dem Verteilerkammereinlass 104 dämpfen alle Vibrationen, die von dem Superlader 10 und seinem Motor 14 durch den Körper des Einheitsgehäuses 50 übertragen werden.

Der Superlader 10 ist auch durch einen Gummiring 122, der sich um den Umfang des Superladerlufteinlasses 98 erstreckt, bezüglich der Vibrationen von der Teilungsplatte 74 isoliert. Der Gummiring 122 sitzt in einem kreisförmigen Vorsprung 124, der sich von einer Unterseite 126 der Teilungsplatte 74 nach unten erstreckt. Der Vorsprung 124 hat einen Durchlass 127, so dass Luft durch die Teilungsplatte 74 in den Superlader 10 strömen kann.

Unter Bezugnahme nun auf 9 und 10 zeigen diese, wie sich der Lufteinlasspfad 3 in das Batteriefach 56 zunächst in einer Ausnehmung 128 in einer Unterseite 156 des Batteriefachs 56 erstreckt. Die Ausnehmung 128 verschwindet allmählich stromabwärts des Lufteinlasses 52, wodurch einströmende Luft seitlich von einer Achse 130 des Lufteinlasses 52 zu lateralen Seitenabschnitten 132 des Batteriefachs 56 gepresst wird, wo eine Reihe von hochragenden Rippen 134 von den Seitenabschnitten 132 abstehen. Die Rippen 134 stützen eine Unterseite 136 des Batteriefachs 16, so dass sich Luftkanäle 138 zwischen den Rippen 134 seitlich von der Lufteinlassachse 130 weg erstrecken. Die einströmende Luft wird daher über nahezu die volle Unterseite der Batterie gelenkt, was dazu beiträgt, die Batterie kühl zu halten. Sobald die einströmende Luft die lateralen Seitenwände 140 des Batteriefachs 56 erreicht, wird die Luft durch vertikal verlaufende Rippen 144, die seitlich nach innen von den vertikalen Seitenwänden 140 des Batteriegehäuses abstehen, so gelenkt, dass sie aufwärts über entsprechende, sich vertikal erstreckende Seiten 142 der Batterie 16 strömt. Die vertikalen Rippen 144 tragen auch zur Positionierung der Batterie 16 quer in dem Batteriefach 56 bei.

Etwas Luft strömt jedoch stromabwärts der Batterie 16 auf einer tieferen Ebene, so dass sie auf die Superladerleistungselektronik 72 trifft, die mit metallischen Wärmeabstrahlungslamellen 146 versehen ist.

Die Temperatur der einströmenden Luft steigt daher, während sie durch das Batteriefach 56 geht, aber die Luft ist weiterhin im Vergleich zu den Temperaturen, die von dem Superlademotor 14 erreicht werden können, kühl (und deutlich kühler als die Lufttemperaturen, die in einem turbogeladenen oder Verdränger-Superladersystem auftreten). Dies stellt daher ein effizientes Mittel zum Kühlen der verschiedenen Komponenten in dem Gehäuse 50 dar.

Die Erfindung versucht, die Nutzen sowohl der Motoreinstellung als auch Zwangszuführung zu vereinen, um sowohl ein gutes Drehmoment bei geringen U/min als auch eine gute Leistung bei hohen U/min zu erreichen. Der gegebene Motor wird vorsätzlich eingestellt, um einen. hohen Leistungsausgang auf Kosten eines Drehmoments bei geringen U/min zu erhalten. Ein elektrisch betriebener Verdichter ist in das Lufteinleitungssystem des Motors eingebaut und wird unter der Steuerung des Motorsteuersystems erregt, um den Drehmomentausgang bei Bedarf zu erhöhen.

Die Eigenschaften des elektrisch angetriebenen Verdichters sind im Allgemeinen derart, dass ein längerer Betrieb (z.B. Erreichen einer maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit) nicht möglich ist, ohne die Batterie zu entladen oder den Elektromotor zu überbelasten/zu überheizen.

Die Verwendung eines geschalteten Reluktanzmotors ist gegenüber einem Dauermagnetmotor bevorzugt, selbst wenn im weitesten Sinne beide Typen von Motor zur Erzeugung einer ähnlichen Leistung bei einer bestimmten Größe und einem bestimmten Gewicht entwickelt werden können. In einem geschalteten Reluktanzmotor ist der Rotor aus einem Stapel profilierter Stahlschichten konstruiert. Wenn das Magnetfeld durch die Statorspulen erzeugt wird, dreht der Rotor, um sich so auszurichten, dass das Profil der Schichten den Pfad der geringsten Reluktanz zu dem Magnetfeld darstellt. Durch Umschalten der Statorspulen ist es möglich, ein "drehendes" Magnetfeld zu erzeugen, in dem sich der Rotor dreht.

Ein geschalteter Reluktanzmotor hat keine Magnete, die bei hohen Betriebstemperaturen entmagnetisiert werden können. Zusätzlich können die Stahlschichten leicht den hohen Kräften standhalten, die bei hohen Motordrehzahlen auftreten.

Während des statischen Betriebs des Superladers ist der elektrische Stromverbrauch 2,2 kW oder 185 A bei 12 V. Während der Beschleunigung der Vorrichtung aus dem Leerlauf auf ihre maximale Drehzahl von 70 000 U/min kann jedoch der Stromverbrauch für kurze Perioden 375 A erreichen. Wenn ein solcher Betrieb länger als 30 s andauert oder kontinuierlich bei mehr als 15 % Duty-Cycle gehalten wird, wird die Batterie entladen oder der Superladermotor überhitzt. Die Tatsache, dass der Superlader bei hohen Motordrehzahlen nicht verfügbar ist, oder wenn die Drosselklappe nicht offen ist, verhindert diese Probleme und hält auch einen sehr sparsamen Kraftstoffverbrauch bei Antriebsbedingungen aufrecht, bei welchen ein Superladerbetrteb für eine verbesserte Leistung nicht erforderlich oder von Sicherheitsstandpunkt aus nicht erwünscht ist. Durch derartiges Verringern des elektrischen Stromverbrauchs verwendet die Erfindung die Notwendigkeit für einen teureren und voluminösen mechanischen Antrieb des Superladers, zum Beispiel unter Verwendung eines riemenangetriebenen Antriebs vom Motor. Das Ergebnis ist, dass der Motor so eingestellt werden kann, dass er nicht nur die Spitzenleistung erreicht, die mit dem hohen "Power-Tuning" verbunden ist, sondern auch Anstiege im Drehmoment bei niederen/mittleren U/min erreicht, die normalerweise nur die Zwangseinleitung erreichen konnte.

Die Erfindung stellt daher einen Verbrennungsmotor mit einem kompakten und wirtschaftlichen Verdichter bereit, der derart elektrisch angetrieben wird, dass er mit einem herkömmlichen Kraftfahrzeugladesystem verwendet werden kann, und der besonders bei Motoren geringerer Kapazität nützlich ist, die andernfalls nur über ein bescheidenes maximal verfügbares Drehmoment bei geringen und mittleren Motordrehzahlen verfügen.


Anspruch[de]
  1. Verbrennungsmotor (1), umfassend: eine oder mehr Verbrennungskammern (2); einen Lufteinlass (3) für die Ansaugung in die Verbrennungskammern (2); eine Drosselklappe (17) in dem Lufteinlass (3), die zur Regulierung der Ansaugung in die Verbrennungskammern (2) eingestellt werden kann; ein Kraftstoffabgabesystem (8} zum Zuleiten von Kraftstoff zu den Verbrennungskammern (2); einen Luftverdichter (10) im Lufteinlass (3) zur Unterstützung der Ansaugung in die Verbrennungskammern (2) und somit des Motordrehmomentausganges durch Verdichten von Luft in dem Lufteinlass (3); einen Verdichterantrieb (14) zum Zuführen von Energie zum Betreiben des Luftverdichters (10); und ein Motorsteuersystem (22) zum Steuern des Motordrehmomentausganges abhängig von einem Motordrehmomentbedarf, wobei der Motor so eingestellt ist, dass er sein Spitzendrehmoment nur mit Selbstansaugung bei einer Spitzendrehmoment-Motordrehzahl (35) erzeugt, die über einer Leerlaufdrehzahl und unter einer maximalen Nennmotordrehzahl liegt, wobei der Verdichterantrieb einen Elektromotor (14) unter der Steuerung des Motorsteuersystems (22) enthält; dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsteuersystem (22) auf den Drehmomentbedarf und die Motordrehzahl anspricht, um den Motor selektiv in einem von mehreren Betriebsmoden zu betreiben, umfassend:

    a) einen Selbstansaugungsmodus, der bei jeder Motordrehzahl (33, 37, 38) verfügbar ist, in dem der Luftverdichter (10) effektiv abgeschaltet ist und das Motorsteuersystem (22) das Motordrehmoment durch Anpassung der Drosselklappeneinstellung (17) steuert; und

    b) einen drehmomentverstärkten Modus, der nur verfügbar ist, wenn die Motordrehzahl unter einer vorbestimmten Motordrehzahl N (37) liegt und der Motordrehmomentbedarf unter Verwendung der Selbstansaugung nicht erfüllt werden kann, wobei die Drosselklappeneinstellung (17) bei einer maximalen Einstellung gehalten wird und das Motorsteuersystem (22) den Elektromotor (14) steuert, um ein unterstütztes Ansaugen bei einem Wert bereitzustellen, der notwendig ist, damit der Motor das erforderliche Drehmoment erreicht, wobei N bei oder nahe bei der Spitzenmotordrehmoment-Motordrehzahl (35) für den Motor im Selbstansaugungsmodus liegt.
  2. Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1, wobei das Spitzendrehmoment (40) mit unterstützter Ansaugung sowohl höher ist als auch bei einer geringeren Motordrehzahl erreicht wird als ein selbstangesaugtes Spitzendrehmoment (35).
  3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Spitzendrehmoment-Motordrehzahl in einer oberen Hälfte des Motordrehzahlbereichs liegt.
  4. Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Motordrehmomentausgang wenigstens teilweise von der Kraftstoffmenge abhängig ist, die an die Verbrennungskammern (2) abgegeben wird; ein Sensor (31) zum Erfassen der Zusammensetzung der Abgase von den Verbrennungskammern (2) angeordnet ist; das Motorsteuersystem (22) zum Steuern des Kraftstoffabgabesystems (8) angeordnet ist und einen Ausgang von dem Sensor (31) empfängt, der die Abgaszusammensetzung anzeigt; wobei das Motorsteuersystem (22) auf die erfasste Abgaszusammensetzung anspricht, um die Menge an verdichteter Luft und/oder die Menge an abgegebenem Kraftstoff zu steuern.
  5. Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Motor ein Hubkolbenmotor ist und die Spitzendrehmoment-Motordrehzahl (35) wenigstens etwa 3500 U/min ist.
  6. Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kapazität der Verbrennungskammern (2) unter etwa 1,8 Liter liegt.
  7. Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Motorsteuersystem (22) progressiv die Verwendung des Verdichters (10) in dem Bereich von Motordrehzahlen sperrt, bei welchen das Drehmoment nur mit Selbstansaugung einen Spitzenwert erreicht.
  8. Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der maximale Motordrehmomentausgang bei aktiviertem Verdichter (10) sanft in den selbstangesaugten maximalen Motordrehmomentausgang zu höheren Motordrehzahlen übergeht (34).
  9. Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor ein geschalteter Reluktanzmotor (14) ist.
  10. Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Motor eine Luftumleitung (13) über den Verdichter (10) umfasst und die Menge an verdichteter Luft, die den Verbrennungskammem (2) zugeführt wird, wenigstens teilweise durch Steuern der Menge an Luft gesteuert wird, die den Verdichter (10) umgeht.
  11. Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Menge an verdichteter Luft, die den Verbrennungskammern (2) zugeführt wird, über die Menge an elektrischem Strom gesteuert wird, die dem Elektromotor (14) zugeführt wird.
  12. Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (10) einstellbare Laufradflügel enthält, wobei die Laufradflügel einstellbar sind, um die Effizienz des Verdichterbetriebs unter unterschiedlichen Luftstrombedingungen aufrechtzuerhalten.
  13. Kraftfährzeug, umfassend ein Gaspedal (18), das vom Fahrzeuglenker bewegbar ist, und einen Verbrennungsmotor (1), wobei der Verbrennungsmotor (1) wie in einem der vorangehenden Ansprüche beansprucht ist, wobei der Motordrehmomentbedarf wenigstens teilweise durch die Position des Gaspedals (18) eingestellt wird.
  14. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, wobei der Motor (1) umfasst: eine oder mehr Verbrennungskammern (2); einen Lufteinlass (3) für die Ansaugung in die Verbrennungskammern (2); eine Drosselklappe (17) in dem Lufteinlass (3), die zur Regulierung der Ansaugung in die Verbrennungskammern (2) eingestellt werden kann; ein Kraftstoffabgabesystem (8) zum Zuleiten von Kraftstoff zu den Verbrennungskammern (2); einen Luftverdichter (10) im Lufteinlass (3) zur Unterstützung der Ansaugung in die Verbrennungskammern (2) und somit des Motordrehmomentausganges durch Verdichten von Luft in dem Lufteinlass (3); einen Verdichterantrieb (14) zum Zuführen von Energie zum Betreiben des Luftverdichters (10); und ein Motorsteuersystem (22) zum Steuern des Motordrehmomentausganges abhängig von einem Motordrehmomentbedarf wobei der Motor so eingestellt ist, dass er sein Spitzendrehmoment nur mit Selbstansaugung bei einer Spitzendrehmoment-Motordrehzahl (35) erzeugt, die über einer Leerlaufdrehzahl und unter einer maximalen Nennmotordrehzahl liegt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

    i) Bereitstellen eines Elektromotors (14) zum Antreiben des Verdichters (10); gekennzeichnet durch

    ii) Verwenden des Motorsteuersystems (22) zum selektiven Betreiben des Motors in einem von mehreren Betriebsmoden als Reaktion auf einen Drehmomentbedarf und eine Motordrehzahl, umfassend:

    a) einen Selbstansaugungsmodus, der bei jeder Motordrehzahl verfügbar ist, in dem der Luftverdichter (10) effektiv abgeschaltet ist und das Motorsteuersystem (22) das Motordrehmoment durch Anpassung der Drosselklappeneinstellung (17) steuert; und

    b) einen drehmomentverstärkten Modus, der nur verfügbar ist, wenn die Motordrehzahl unter einer vorbestimmten Motordrehzahl N liegt und der Motordrehmomentbedarf unter Verwendung der Selbstansaugung nicht erfüllt werden kann, wobei die Drosselklappeneinstellung (17) bei einer maximalen Einstellung gehalten wird und das Motorsteuersystem (22) den Elektromotor (14) steuert, um ein unterstütztes Ansaugen bei einem Wert bereitzustellen, der notwendig ist, damit der Motor das erforderliche Drehmoment erreicht, wobei N bei oder nahe bei der Spitzenmotordrehmoment-Motordrehzahl (35) für den Motor im Selbstansaugungsmodus liegt.
Es folgen 12 Blatt Zeichnungen






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