Verbrennungskraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung zum Verdichten eines Betriebsgases

Abstract

 Es wird eine Verbrennungskraftmaschine (1) mit einer Aufladevorrichtung (2) zum Verdichten eines Betriebsgases, insbesondere Luft, wobei wenigstens eine Kühleinheit (3) zum Kühlen des verdichteten Betriebsgases vorgesehen ist, wobei in Strömungsrichtung (15) des Betriebsgases vor der Aufladevorrichtung (2) wenigstens eine Verzweigungsstelle (5, 7) einer Bypass-Leitung (4) zur Umgehung der Aufladevorrichtung (2) sowie der Kühleinheit (3) und wobei in Strömungsrichtung (15) des Betriebsgases nach der Kühleinheit (3) wenigstens eine Verbindungsstelle (6) der Bypass-Leitung (4) vorgesehen sind, wobei die Bypass-Leitung (4) zumindest ein Stellglied (9) zum Kontrollieren der Durchströmung des Betriebsgases umfasst, wobei das Stellglied (9) als selbsttätiges Rückschlagventil (9) ausgebildet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung zum Verdichten eines Betriebsgases nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Durch die Ausrüstung von Brennkraftmaschinen mit Aufladegeräten bzw. Verdichtern zum Verdichten bzw. Aufladen der Ansaugluft, insbesondere mit sog. Abgasturboladern oder dergleichen, ist es möglich, eine höhere Leistung der Brennkraftmaschine zu generieren und/oder wenigstens einen Teil der im Abgas vorhandenen Verlustenergie zurückzugewinnen und der Brennkraftmaschine wieder zuzuführen. Hierfür sind bereits unterschiedlichste Systeme bekannt.

[0003] Zum Beispiel werden in der DE 34 200 15 sowie in der EP 025 30 76 B1 Ladersysteme beschrieben, wobei zum einen die Luft für den Verbrennungsmotor über einen Luftfilter zu einem Abgasladegerät und von diesem zu einem Ladeluftkühler und schließlich zum Verbrennungsmotor geleitet wird. Das Ladegerät wird durch eine Abgasturbine angetrieben, wodurch die angesaugte Luft entsprechend verdichtet wird. Durch die Verdichtung erhöht sich die Temperatur der Luft für den Verbrennungsmotor, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors führen würde. Aus diesem Grund wird diese Temperaturerhöhung durch den vorhandenen Ladeluftkühler wenigstens teilweise ausgeglichen bzw. vollständig kompensiert.

[0004] Für bestimmte Betriebsverhältnisse des Verbrennungsmotors wird gemäß der oben genannten Druckschriften das Aufladegerät über einen Bypass bzw. eine Nebenschlussleitung überbrückt, wobei der Bypass für eine direkte Zufuhr der Luft vom Luftfilter für den Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Das bedeutet, dass der Bypass nicht nur das Ladegerät, sondern auch den Ladeluftkühler überbrückt.

[0005] In diesem Bypass ist gemäß den oben genannten Druckschriften ein Stellglied bzw. ein Ventil vorgesehen, das über eine Kontrolleinheit bzw. ein elektronisches Steuergerät gesteuert wird.

[0006] Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei einem Fahrzeug mit einer derartigen Verbrennungskraftnaschine die Steuerung des Bypassventils beispielsweise bei schnellen Lastwechseln oder dergleichen nur ungenügend ist. Zudem ist der Einsatz eines entsprechenden elektronischen Steuergeräts mit erheblichem konstruktiven als auch finanziellen Aufwand verbunden.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung vorzuschlagen, die nicht nur mit geringerem Aufwand betrieben werden kann, sondern auch eine verbesserte Betriebsweise aufweist.

[0008] Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer. Verbrennungskraftmaschine in der einleitend genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

[0009] Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine dadurch aus, dass das Stellglied als selbsttätiges Rückschlagventil ausgebildet ist.

[0010] Mit Hilfe eines derartigen, selbsttätig arbeitenden Rückschlagventils kann auf eine aufwändige elektronische Steuerung des Bypassventils wie beim Stand der Technik verzichtet werden. Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, dass die Betriebsweise mit einem selbsttätig arbeitenden Rückschlagventil gemäß der Erfindung zu einer Optimierung der Steuerung des Aufladesystems für die Brennkraftmaschine führt. Es kann nicht nur auf den konstruktiven als auch auf den finanziellen Aufwand für eine elektronische Steuerung des Bypassventils einschließlich der hierfür notwendigen Sensorik verzichtet werden. Es hat sich vielmehr gezeigt, dass auch die Ansprechzeit bzw. die Dynamik des Aufladesystems durch das erfindungsgemäße selbsttätige Rückschlagventil des Bypasses deutlich verbessert wird.

[0011] Gemäß der Erfindung öffnet der Bypass mit dem selbsttätigen Rückschlagventil in vorteilhafter Weise dann, wenn die Aufladevorrichtung kein ausreichender Volumenstrom fördern kann, z.B. im Leerlauf oder im Saugbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, sodass der Druck in Strömungsrichtung hinter dem Aufladegerät bzw. der Aufladevorrichtung geringer ist, als im Bereich vor dem Aufladegerät bzw. der Aufladevorrichtung. Dementsprechend ist in Strömungsrichtung der Luft bzw. des Betriebsgases am Anfang des Bypasses ein höherer Druck als am Ende des Bypasses, sodass das selbsttätige Rückschlagventil gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise automatisch so weit öffnet, bis es zu einem Druckausgleich kommt und zusätzliches Betriebsgas bzw. Luft der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden kann.

[0012] Darüber hinaus wird durch das selbsttätige Rückschlagventil gemäß der Erfindung auch sichergestellt, dass kein Betriebsgas bzw. keine Luft rückwärts durch den Bypass strömen kann, dass heißt vom Bereich der Brennkraftmaschine des Ansaugtrakts zurück in Richtung des Luftfilters. Zudem ist ein Rückschlagventil weit aus weniger störanfällig als eine aufwendige Elektroniksteuerung. Auch diese Merkmale des Rückschlagsventils gemäß der Erfindung verbessern die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zum Stand der Technik.

[0013] Vorteilhafterweise ist die Aufladevorrichtung als Volumenstrom des Betriebsgases regelbare Aufladevorrichtung ausgebildet. Durch die Regelung des Volumenstroms der Aufladevorrichtung, vorzugsweise durch eine Drehzahlregelung der Aufladevorrichtung, die in vorteilhafter Weise entkoppelt vom Betrieb der Brennkraftmaschine bzw. deren Drehzahl und/oder Abgasvolumenstromes ausgebildet ist, kann eine vorteilhafte Anpassung an unterschiedlichste Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine unter anderem bei Lastwechseln bzw. hoher Dynamik erreicht werden. Vorteilhafterweise ist eine abgestufte oder stufenlose Drehzahlregelung vorgesehen.

[0014] Die Volumenstromregelung bzw. Drehzahlregelung der Aufladevorrichtung kann beispielsweise mit Hilfe eines Getriebes oder getriebelos durch mechanische und/oder hydraulische und/oder pneumatische und/oder elektronische Komponenten realisiert werden. Durch die vorteilhafte Entkopplung der Aufladevorrichtung von der Drehzahl bzw. des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine kann eine Optimierung der zugeführten Luft bzw. der aufgeladenen Volumenstrommenge für die Brennkraftmaschine erreicht werden.

[0015] Die Verzweigungsstelle der Bypassleitung kann beispielsweise in Strömungsrichtung des Betriebsgases hinter dem Luftfilter bzw. unmittelbar vor der Aufladevorrichtung angeordnet werden. Vorzugsweise umfasst der Luftfilter zumindest die Verzweigungsstelle der Bypassleitung. Das bedeutet, dass der Luftfilter zwei Strömungsausgänge aufweist. Einer der mittels entsprechender Leitung zum Aufladegerät bzw. zur Aufladevorrichtung führt und eine zweite Öffnung, die zum selbsttätig arbeitenden Rückschlagventil gemäß der Erfindung bzw. zum Bypass und somit unmittelbar zur Verbrennungskraftmaschine führt. Hierdurch verringert sich der konstruktive Aufwand des Aufladesystems gemäß der Erfindung. In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weist das Rückschlagventil gemäß der Erfindung wenigstens eine einen Ventilkörper mit in vorteilhafter Weise gegen die Strömungsrichtung des Betriebsgases bzw. der Ansaugluft gerichtete Federkraft beaufschlagbare Rückstellfeder zum Verschließen eines Ventilsitzes mittels des Ventilkörpers zumindest bei Druckausgleich in der Bypassleitung auf. Hiermit wird gewährleistet, dass ein besonders geringer konstruktiver Aufwand zur Realisierung der selbsttätigen, automatischen Betriebsweise des Rückschlagventils gemäß der Erfindung realisiert wird. Durch eine vorteilhafte Auswahl/Anpassung der Rückstellfeder und/oder der Aerodynamik des Ventilkörpers kann eine exakte Einstellung der Betriebsbedingungen bzw. Parameter wie Größe des gewünschten/optimalen Öffnungsdifferenzdruckes etc. umgesetzt werden, bei denen das Rückschlagventil öffnet. Zudem wird hierdurch erreicht, dass auch die Volumenstrommenge, die durch das Rückschlagventil strömt, auch im teilgeöffneten Bereich möglichst optimal an den Bedarf der Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist.

[0016] Vorzugsweise ist wenigstens eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Öffnungsdifferenzdruckes des Rückschlagventils vorgesehen. Mit dieser vorteilhaften Einstelleinheit kann beispielsweise eine Anpassung an unterschiedlichste Verbrennungskraftmaschinen und/oder Fahrzeuge realisiert werden. Vorzugsweise kann die Vorspannung der Rückstellfeder und/oder die Aerodynamik des Ventilkörpers in vorteilhafter Weise angepasst bzw. eingestellt werden. Beispielsweise kann die Aerodynamik des Ventilkörpers durch einen Austausch bzw. den Einsatz unterschiedlichster, ggf. standardisierter Ventilkörper realisiert werden.

Ausführungsbeispiel

[0017] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.

[0018] Im Einzelnen zeigt:

Figur 1

einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit Aufladesystem,

Figur 2

einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit einem weiteren Aufladesystem, wobei der Bypasseingang im Luftfilter integriert ist und

Figur 3

eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen, selbsttätigen Rückschlagventils des Bypasses in geschlossener und in geöffneter Stellung.

[0019] In Figur 1 ist schematisch eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Aufladegerät 2 zur Aufladung einer Ansaugluft für die Verbrennungskraftmaschine 1 dargestellt. Bei dem hier dargestellten Aufladegerät 2 handelt es sich um ein mechanisches Aufladegerät 2, das nicht über das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1, sondern mechanisch von dieser aufgeladen bzw. angetrieben wird. Grundsätzlich kann jedoch gemäß der Erfindung auch ein Abgasturbolader oder dergleichen als Aufladegerät 2 verwendet werden.

[0020] Darüber hinaus ist ein Ladeluftkühler 3 vorgesehen, der die verdichtete, erwärmte Ladeluft in bekannter Weise abkühlt, sodass die Verbrennungskraftmaschine 1 keine entsprechenden Wirkungsgradeinbußen durch warme Ansaugluft hinnehmen muss.

[0021] Weiterhin ist ein Bypass 4 vorgesehen, der eine in Strömungsrichtung 15 der Ansaugluft hinter einem Luftfilter 8 angeordnete Verzweigungsstelle 5 aufweist und an einer Verbindungsstelle 6 hinter dem Ladeluftkühler 3 endet. Das bedeutet, dass durch den Bypass 4 ein Kurzschließen bzw. Umgehen des Aufladegeräts 2 sowie des Ladeluftkühlers 3 realisiert wird.

[0022] In Figur 2 ist die Verzweigungsstelle durch eine Verzweigung 7 im Luftfilter 8 ersetzt. Das bedeutet, dass der Luftfilter 8 gemäß dem Beispiel von Figur 2 zwei Ausströmöffnungen für die Luft aufweist.

[0023] Wie in den Figuren 1 und 2 deutlich wird, weist der Bypass 4 ein Rückschlagventil 9 auf. Das Rückschlagventil 9 arbeitet selbsttätig bzw. öffnet automatisch, wenn in einem Bereich I ein geringerer Druck als in einem Bereich II des Bypasses 4 vorhanden ist. Dies kann dann entstehen, wenn das Aufladegerät 2 kein ausreichender volumenstrom befördern kann, z.B. im Leerlauf oder im Saugbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 1.

[0024] In Figur 3 ist ein Rückschlagventil 9 gemäß der Erfindung schematisch im Schnitt sowohl in der geschlossenen (Figur 3a) als auch in der geöffneten Stellung (Figur 3b) dargestellt. Hierbei wird deutlich, dass ein Ventilkörper 10 in der geschlossenen Stellung gemäß Figur 3a einen Ventilsitz 12 eines Ventilgehäuses 11 vollständig abdichtet, insbesondere mit Hilfe eines Dichtringes 13. So wird der Ventilkörper 10 mit Hilfe einer Rückstellfeder 14 gegen den Ventilsitz 12 bzw. die Strömungsrichtung 15 der Luft gedrückt. Vorzugsweise kann die Vorspannung der Rückstellfeder 14 in vorteilhafter Weise eingestellt werden, ohne dass dies in den Figuren näher dargestellt ist.

[0025] In der geöffneten Stellung gemäß Figur 3b wird deutlich, dass der Ventilkörper 10 in Strömungsrichtung 15 der Luft verstellt ist und einen freien Durchgang durch den Bypass 4 gewährleistet.

[0026] Darüber hinaus wird in den Figuren 1 und 2 deutlich, dass im Ansaugsystem in bekannter Weise eine Drosselklappe 16 sowie ein sogenanntes Pop-Off-Ventil 17 vorgesehen sind.

Bezugszeichenliste

[0027] 

1

Verbrennungsmotor bzw. Verbrennungskraftmaschine

2

Aufladegerät

3

Ladeluftkühler

4

Bypass

5

Verzweigungsstelle

6

Verbindungsstelle

7

Verzweigungsstelle

8

Luftfilter

9

Rückschlagventil

10

Ventilkörper

11

Ventilgehäuse

12

Ventilsitz

13

Dichtung

14

Rückstellfeder

15

Strömungsrichtung

16

Drosselklappe

17

Pop-Off-Ventil

Ansprüche

1. Verbrennungskraftmaschine (1) mit einer Aufladevorrichtung (2) zum Verdichten eines Betriebsgases, insbesondere Luft, wobei wenigstens eine Kühleinheit (3) zum Kühlen des verdichteten Betriebsgases vorgesehen ist, wobei in Strömungsrichtung (15) des Betriebsgases vor der Aufladevorrichtung (2) wenigstens eine Verzweigungsstelle (5, 7) einer Bypass-Leitung (4) zur Umgehung der Aufladevorrichtung (2) sowie der Kühleinheit (3) und wobei in Strömungsrichtung (15) des Betriebsgases nach der Kühleinheit (3) wenigstens eine Verbindungsstelle (6) der Bypass-Leitung (4) vorgesehen sind, wobei die Bypass-Leitung (4) zumindest ein Stellglied (9) zum Kontrollieren der Durchströmung des Betriebsgases umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (9) als selbsttätiges Rückschlagventil (9) ausgebildet ist.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladevorrichtung (2) als Volumenstrom des Betriebsgases regelbare Aufladevorrichtung (2) ausgebildet ist.

3. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahlregelung zum Regeln des Volumenstroms des Betriebsgases der Aufladevorrichtung (2) vorgesehen ist.

4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Luftfilter (8) zum Filtern des Betriebsgases zumindest die Verzweigungsstelle der Bypass-Leitung umfasst.

5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (9) wenigstens eine einen Ventilkörper (10) mit Federkraft beaufschlagbare Rückstellfeder (14) zum Verschließen eines Ventilsitzes (12) mittels des Ventilkörpers (10) zumindest bei Druckausgleich in der Bypass-Leitung (4) aufweist.

6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Öffnungsdifferenzdruckes des Rückschlagventils (9) vorgesehen ist.

7. Fahrzeug, insbesondere Landfahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche.

Zeichnung