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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Frischgasstrang, einem in den Frischgasstrang integrierten Ladeluftkühler sowie mit einem in den Frischgasstrang integrierten, elektrisch angetriebenen Verdichter.
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Aus der
EP 1 995 427 A1 ist eine mittels eines Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühler bekannt, bei der zusätzlich zu dem Verdichter des Abgasturboladers noch ein elektrisch angetriebener Verdichter, ein sogenannter E-Booster, in den Frischgasstrang integriert ist. Der E-Booster ist dort entweder stromauf oder stromab des Verdichters des Abgasturboladers, jedoch in beiden Ausgestaltungen stromauf des Ladeluftkühlers angeordnet. Bei der Ausgestaltung mit einer Anordnung stromab des Verdichters des Abgasturboladers ist der E-Booster in einen Bypass des Frischgasstrangs integriert. Über ein an der stromab gelegenen Mündung des Bypasses angeordnetes Umschaltelement wird die Frischgasströmung entweder über den Bypass und damit den E-Booster oder über eine direkte Verbindung zwischen dem Verdichter des Abgasturboladers und dem Ladeluftkühler geführt. Dadurch kann vermieden werden, dass der E-Booster, der nur kurzfristig zur Unterstützung des Abgasturboladers zum Einsatz kommen soll, bei Nichtnutzung von dem Frischgas durchströmt werden muss.
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In der
EP 1 995 427 A1 ist die Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit der entsprechenden Anordnung der einzelnen Funktionskomponenten lediglich schematisch in Blockschaltbildern dargestellt und entsprechend allgemein erläutert. Eine tatsächliche räumliche Anordnung der einzelnen Funktionskomponenten und insbesondere des E-Boosters in Relation zu dem Ladeluftkühler ist nicht offenbart.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Integration eines E-Boosters in eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine, die insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein kann und einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Diesel-Verbrennungsmotor, einen Frischgasstrang, einen in den Frischgasstrang integrierten Ladeluftkühler sowie einen in den Frischgasstrang integrierten, elektrisch angetriebenen Verdichter („E-Booster“) umfasst, ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass der E-Booster direkt neben dem Ladeluftkühler angeordnet ist.
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Dabei ist unter „direkt neben“ zu verstehen, dass auf dem direkten Weg zwischen dem Ladeluftkühler und dem E-Booster keine Funktionskomponente der Brennkraftmaschine und vorzugsweise überhaupt kein Bauteil angeordnet ist.
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Dadurch kann der E-Booster direkt an dem Ladeluftkühler anliegend oder in nur äußerst geringer Entfernung (z.B. 1 Millimeter bis 50 Millimeter) dazu angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, den E-Booster in ein Gehäuse des Ladeluftkühlers zu integrieren.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung des E-Boosters können mehrere Vorteile generiert werden. Einer davon kann darin liegen, dass der E-Booster strömungstechnisch möglichst nah an dem Ladeluftkühler in den Frischgasstrang integriert werden kann, d.h. der Strömungsweg zwischen dem E-Booster und dem Ladeluftkühler kann möglichst kurz ausgebildet sein. Dies kann einen möglichst schnellen Druckaufbau durch den E-Booster und somit ein besonders gutes Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors auf Laständerungen aus niedrigen Drehzahlen und/oder Lasten heraus gewährleisten.
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Ein anderer Vorteil, der durch die erfindungsgemäße Anordnung des E-Boosters erzielt werden kann, liegt in einer kompakten Ausgestaltung der Brennkraftmaschine. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Abschnitt des Frischgasstrangs, der in den Ladeluftkühler mündet, wie regelmäßig in einem relativ großen Bogen verläuft, wodurch Strömungsverluste in dem Rohrbogen, die u.a. von der Stärke der Krümmung abhängen, minimiert werden können. Eine solche Ausbildung des in den Ladeluftkühler mündenden Abschnitts des Frischgasstrangs kann sich insbesondere dann ergeben, wenn, wie bevorzugt vorgesehen, der Ladeluftkühler in ein Saugrohr des Frischgasstrangs integriert ist. Dabei stellt das Saugrohr den direkt am Verbrennungsmotor gelegenen Abschnitt des Frischgasstrangs dar, der zudem dadurch gekennzeichnet ist, dass dieser eine Aufweitung des Strömungsquerschnitts im Vergleich zu dem davor liegenden Abschnitt des Frischgasstrangs aufweist, wodurch ein Sammelraum ausgebildet wird, von dem aus einzelne Einlasskanäle zu den einzelnen Zylindern des (Hubkolben-)Verbrennungsmotors abgehen.
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Der zwischen dem Rohrbogen und dem Ladeluftkühler ausgebildete Raum kann vorzugsweise für die Anordnung des E-Boosters genutzt werden, so dass sich die Gesamtabmessungen der Brennkraftmaschine durch die Integration des E-Boosters nicht oder nicht wesentlich erhöhen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist dementsprechend vorgesehen, dass ein Rohrbogen des Frischgasstrangs, insbesondere der in den Ladeluftkühler mündende Abschnitt des Frischgasstrangs, um zumindest einen Abschnitt des E-Boosters herumgeführt ist. Dabei kann eine Ebene, die durch die gekrümmte Längsachse des Rohrbogens definiert wird, insbesondere senkrecht zur Rotationsachse des (Elektromotors und/oder Laufrads des) E-Boosters angeordnet sein, wobei Abweichungen von der Senkrechten von bis zu 20° regelmäßig unproblematisch sein können.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass der E-Booster in einen Bypass zu einem Hauptströmungsabschnitt des Frischgasstrangs und insbesondere des Rohrbogens integriert ist, wozu eine von dem Hauptströmungsabschnitt bzw. dem Rohrbogen abgehende Zuführleitung und eine in den Hauptströmungsabschnitt bzw. den Rohrbogen mündende Abführleitung vorgesehen ist, die zu dem E-Booster bzw. von diesem weg führen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Frischgasströmung bei Nichtnutzung des E-Boosters nicht durch diesen hindurch geführt werden muss, sondern über den Hauptströmungsabschnitt geführt werden kann. Ein Druckabfall infolge einer Durchströmung des E-Boosters kann dadurch vermieden werden.
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Eine solche Ausgestaltung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn – wie grundsätzlich bevorzugt vorgesehen – der E-Booster als Unterstützung für einen Abgasturbolader der Brennkraftmaschine dient. Ein solcher Abgasturbolader umfasst eine in einen Abgasstrang integrierte Turbine und einen in den Frischgasstrang integrierten Verdichter, die über eine Welle verbunden sind. Der E-Booster kann dann immer ausgeschaltet und umgangen werden, wenn der Abgasstrom in dem Abgasstrang ausreichend groß ist, dass eine ausreichende Verdichtungsleistung für das Frischgas von dem Abgasturbolader bereit gestellt werden kann.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Mündung der Zuführleitung und/oder der Abführleitung auf der Krümmungsinnenseite (d.h. der Seite der Rohrbogenwandung, die im Gegensatz zur gegenüberliegenden Seite den kleineren Krümmungsradius aufweist) des Rohrbogens angeordnet ist. Dadurch können sich zum einen in Kombination mit der bevorzugten Anordnung des E-Boosters zwischen dem Ladeluftkühler und dem Rohrbogen besonders kurze Strömungswege für die Zuführ- und Abführleitung ergeben. Zudem kann dadurch eine Beeinflussung der Frischgasströmung in dem Rohrbogen bei der Nichtnutzung des E-Boosters gering gehalten werden, da sich die Frischgasströmung dann tendenziell auf der Krümmungsaußenseite der Innenseite der Rohrbogenwand anlegt. Dies gilt insbesondere bei den vergleichsweise hohen Strömungsgeschwindigkeiten, die bei einem alleinigen Betrieb des Abgasturboladers herrschen. Befürchtungen, wonach eine solche Anordnung der Mündung von Zuführ- und/oder Abführleitung die Frischgasströmung durch den E-Booster bei dessen Betrieb negativ beeinflussen würde, haben sich nicht bestätigt. Dies ist insbesondere auf die nur geringe Strömungsgeschwindigkeit des Frischgases zurückzuführen, die in den Betriebszuständen des Verbrennungsmotors herrscht, wenn ein unterstützender Betrieb des E-Boosters vorgesehen ist.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann eine in den Frischgasstrang integrierte Regelklappe vorgesehen sein, die im Bereich der Mündung des Abführkanals angeordnet und derart ausgebildet ist, dass diese in einer ersten Klappenstellung den Strömungsquerschnitt des Rohrbogens stromauf und in einer zweiten Klappenstellung stromab der Mündung der Abführleitung verschließt.
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Eine solche Regelklappe ist bei einer Vielzahl von gattungsgemäßen Brennkraftmaschinen vorgesehen, um die Frischgaszufuhr zu dem Verbrennungsmotor bedarfsweise zu drosseln oder vollständig zu unterbinden. Bei einem Diesel-Verbrennungsmotor kann ein vollständiges Verschließen des Frischgasstrangs insbesondere erfolgen, um ein Nachlaufen des Verbrennungsmotors nach dessen Abschalten zu vermeiden.
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Durch die bevorzugte Anordnung und Ausgestaltung der Regelklappe kann diese neben der bekannten Funktion auch die Steuerung der Menge des über den E-Booster geführten Frischgasstroms übernehmen, so dass auf ein dafür vorgesehenes separates Regelelement verzichtet werden kann. In der ersten Klappenstellung, wenn der Strömungsquerschnitt des Frischgasstrangs stromauf der Mündung des Abführkanals verschlossen ist, bewirkt die Regelklappe somit einen den E-Booster integrierenden Strömungsweg für das Frischgas. In der zweiten Klappenstellung, wenn der Strömungsquerschnitt des Frischgasstrangs stromab der Mündung des Abführkanals verschlossen ist, bewirkt die Regelklappe dann ein vollständiges Verschließen des Frischgasstrangs, das auch den in den Bypass integrierten E-Booster umfasst. Dadurch kann vermieden werden, dass der Verbrennungsmotor infolge einer anhaltenden Strömung des Frischgases durch den Bypass und den E-Booster nachläuft.
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Insbesondere wenn eine Regelung dahingehend vorgesehen ist, dass eine bestimmte oder verschiedene Teilmengen des Frischgases über den Hauptströmungsabschnitt und den Bypass geführt werden sollen, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Regelklappe in einer oder mehreren Zwischenstufen oder auch stufenlos zwischen der ersten und der zweite Klappenstellung verstellbar ist.
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Ein weiterer Vorteil, der sich aus der erfindungsgemäßen Anordnung des E-Boosters ergibt, ist die Möglichkeit, auf einfache Weise ein gemeinsames Kühlsystem für den Ladeluftkühler und den E-Booster auszubilden. Demnach kann insbesondere dasselbe Kühlmittel, das zur Wärmeaufnahme und -abfuhr den Ladeluftkühler durchströmt, auch zur Kühlung des E-Boosters genutzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung;
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2: ein Strukturschaubild der Brennkraftmaschine gemäß der 1;
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3: einen Schnitt durch einen Teil der Brennkraftmaschine gemäß der 1 mit der Regelklappe des Frischgastrangs in einer ersten Klappenstellung; und
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4: den Schnitt gemäß der 3 mit der Regelklappe des Frischgastrangs in einer zweiten Klappenstellung
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Die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 10. Dieser ist beispielhaft und bevorzugt als vierzylindriger, nach dem Diesel-Prinzip betriebener Hubkolben-Verbrennungsmotor ausgebildet. Dem Verbrennungsmotors 10 wird über einen Frischgasstrang Frischgas zugeführt, das in Brennräumen, die von den Zylindern 12 in Verbindung mit den darin auf und ab geführten Kolben ausgebildet sind, zur Verbrennung von direkt eingespritztem Kraftstoff genutzt wird. Die Brennkraftmaschine umfasst dazu ein Hochdruck-Kraftstoffzuführsystem 14. Das bei der Verbrennung entstandene Abgas wird über einen Abgasstrang abgeführt.
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In den Abgasstrang ist eine Turbine 16 eines Abgasturbolader integriert. Ein Laufrad der Turbine 16 wird durch den Abgasstrom rotierend angetrieben, wobei diese Rotation über eine Welle 18 auf ein Laufrad eines in den Frischgasstrang integrierten Verdichters 20 des Abgasturboladers übertragen wird. Die Rotation des Laufrads des Verdichters 20 bewirkt eine Verdichtung des Frischgases und somit eine Erhöhung der Masse des in den Brennräumen umsetzbaren Frischgases. Dadurch verbessert sich die Füllung der Brennräume und damit die erzielbare Leistung des Verbrennungsmotors.
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Um zu verhindern, dass ein Teil der durch die Verdichtung realisierten Füllungsverbesserung durch die mit der Verdichtung einhergehende Temperaturerhöhung des Frischgases kompensiert wird, ist ein Ladeluftkühler 22 vorgesehen, der das verdichtete Frischgas abkühlt. Der Ladeluftkühler 22 ist in ein Saugrohr 24 des Frischgasstrangs integriert, wodurch eine kompakte Ausgestaltung der Brennkraftmaschine und eine wirkungsvolle Kühlung des Frischgases realisiert werden kann.
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Die Leistung des Abgasturboladers ist von dem Abgasmassenstrom abhängig. Dies wirkt sich insbesondere dann negativ aus, wenn kurzfristig aus niedrigen Drehzahlen und Lasten heraus eine erhöhte Lastanforderung (Lastsprung) an den Verbrennungsmotor 10 gestellt wird. Diese erhöhte Lastanforderung muss zunächst in einen erhöhten Abgasmassenstrom umgesetzt werden, der dann erst zu der gewünschten Verdichtung des Frischgases führen kann. Insbesondere um das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors 10 nach einem solchen Lastsprung zu verbessern, weist die Brennkraftmaschine einen E-Booster 26 auf, der stromab des Verdichters 20 des Abgasturboladers angeordnet ist.
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Der E-Booster 26 ist erfindungsgemäß in direkter Nachbarschaft und sehr nah an dem einen Teil des Saugrohrs 24 ausbildenden Ladeluftkühler 22 angeordnet. Zudem befindet sich der E-Booster 26 auf der Krümmungsinnenseite eines Rohrbogens 28 des Frischgasstrangs. Der entsprechende Abschnitt des Frischgasstrangs ist somit bogenförmig um einen Abschnitt des Umfangs des E-Boosters 26 herumgeführt.
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Der E-Booster 26 ist zudem in einen Bypass intergiert. Der Bypass umfasst dazu eine Zuführleitung 30, die in einen ersten Abschnitt des Rohrbogens 28 mündet (bzw. von dieser abgeht), sowie eine Abführleitung 32, die in einen zweiten Abschnitt des Rohrbogens 28 mündet. Die Mündung von sowohl der Zuführleitung 30 als auch der Abführleitung 32 ist dabei auf der Krümmungsinnenseite des Rohrbogens 28 angeordnet.
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Im Bereich der Mündung der Abführleitung 32 ist eine Regelklappe 34 angeordnet. Diese ist stufenlos verstellbar (z.B. elektrisch oder pneumatisch), wobei in einer ersten Klappenstellung der Strömungsweg innerhalb des Rohrbogens 28 stromauf der Mündung der Abführleitung 32 von der Regelklappe 34 verschlossen wird (vgl. 3). Dadurch wird die gesamte Frischgasströmung durch den Bypass und somit den E-Booster 26 gezwungen. Diese Klappenstellung ist während eines Betriebs des E-Boosters 26 vorgesehen. In einer zweiten Klappenstellung verschließt die Regelklappe 34 den Strömungsweg innerhalb des Rohrbogens 28 stromab der Mündung der Abführleitung 32 (vgl. 4). Dadurch ist die Frischgaszufuhr zu dem Verbrennungsmotor 10 vollständig unterbrochen. Diese Klappenstellung ist insbesondere dann vorgesehen, wenn der Verbrennungsmotor 10 nicht (weiter) betrieben werden soll.
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Der Abschnitt des Frischgasstrangs, in dem die Regelklappe 34 angeordnet ist, ist als separater, über eine Schraubverbindung mit den benachbarten Abschnitten des Frischgasstrangs verbundener Rohrabschnitt ausgebildet. Dabei ist dieser Rohrabschnitt integral mit einem Gehäuse des E-Boosters 26 als ein (ein- oder mehrteiliges) Bauteil ausgebildet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den die Regelklappe 34 aufnehmenden Rohrabschnitt und das Gehäuse des E-Boosters 26 als separate Bauteile auszuführen, die fluidleitend miteinander verbunden sind.
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Der Ladeluftkühler 24 umfasst ein Kühlsystem 36 als Teil eines Kühlkreislaufs. Das Kühlsystem 36 wird von einer Kühlflüssigkeit durchströmt, die Wärmeenergie von dem Frischgas aufnimmt in einem Hauptkühler (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine wieder an die Umgebungsluft abgeführt. Das Kühlsystem 36 dient nicht nur zur Kühlung des Frischgases sondern auch des E-Boosters 26. Dafür durchströmt die Kühlflüssigkeit auch in den E-Booster 26 integrierte Kühlleitungen.
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Der Abgasstrang umfasst noch einen Abgaskrümmer 38, in dem die den einzelnen Zylindern 12 zugeordneten Auslasskanäle in einen gemeinsamen Strömungskanal überführt werden. Zudem ist stromab der Turbine 16 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 40 vorgesehen.
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Der Frischgasstrang umfasst noch einen stromauf des Verdichters 20 angeordneten Luftfilter 42 zur Reinigung des aus der Umgebung angesaugten Frischgases.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zylinder
- 14
- Hochdruck-Kraftstoffzuführsystem
- 16
- Turbine
- 18
- Welle
- 20
- Verdichter
- 22
- Ladeluftkühler
- 24
- Saugrohr
- 26
- E-Booster
- 28
- Rohrbogen
- 30
- Zuführleitung
- 32
- Abführleitung
- 34
- Regelklappe
- 36
- Kühlsystem
- 38
- Abgaskrümmer
- 40
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 42
- Luftfilter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1995427 A1 [0002, 0003]
