Bezeichnung : Verfahren zum Betreiben einer Kolbenbrenn- kraftmaschine mit Vorverdichtung der Ver- brennungsluft und Kolbenbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens Beschreibung Bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit Vorverdichtung der Verbren- nungsluft, die im instationären Betrieb, beispielsweise als Fahrzeugantriebe eingesetzt werden, besteht das Problem, das für den Motorbetrieb erforderliche Druckniveau der Verbren- nungsluft oder auch Ladeluft über den gesamten Drehzahl-und Lastbereich der Kolbenbrennkraftmaschine in der gewünschten Höhe zu halten, da die üblicherweise als Abgasturbolader aus- gebildeten Luftverdichter die erforderliche Abdeckung des ge- samten Betriebsbereiches in vertretbarem Aufwand nicht erlau- ben. Insbesondere in Lastbereichen, in denen das für den Be- trieb der Abgasturbine des Turboladers zur Verfügung stehende Energiegefälle des Abgases niedrig ist, oder auch bei Be- schleunigungsvorgängen kann die geforderte Verdichtung der Verbrennungsluft nicht oder nicht schnell genug erreicht wer- den.

Zur Abhilfe hat man vorgeschlagen, dem Turbolader auf der Saugseite einen zusätzlichen Luftverdichter vorzuschalten, der unmittelbar über die Kurbelwelle des Motors angetrieben wird. Hierdurch wird erreicht, daß dem Turbolader bereits verdichtete Luft zugeführt wird, so daß auf der Druckseite des Turboladers das gewünschte Druckniveau für die Verbren- nungsluft für den gesamten Lastbereich eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann eine Minderleistung der Abgastur- bine bei geringem Energiegefälle im Abgas durch die Verdich- tungsleistung des vorgeschalteten Luftverdichters kompensiert werden. Reicht das Energiegefälle im Abgas zur Erzielung der gewünschten Druckhöhe aus, wird dem vorgeschalteten Luftver- dichter die Luft"weggesaugt", so daß dieser praktisch im "Leerlauf"betrieben wird und daher weiterhin ohne Leistungs-

abnahme mit der Kolbenbrennkraftmaschine antriebsseitig in Verbindung bleiben kann. Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, daß neben einem entsprechend groß dimensionier- ten Turbolader auch der mechanische Lader im Hinblick auf die geforderte Verdichtungsleistung entsprechend groß dimensio- niert werden muß und dementsprechend auch einen hohen Ver- brauch an Antriebsenergie aufweist, der bei einer Kolben- brennkraftmaschine für den instationären Betrieb durch die Kolbenbrennkraftmaschine zusätzlich zur Verfügung gestellt werden muß.

Aus der DE-PS 943 203 ist es bekannt, die vorstehend be- schriebenen Nachteile dadurch zu beheben, daß einem Abgastur- bolader ein von der Kolbenbrennkraftmaschine angetriebener Nachverdichter in Form eines mechanischen Laders in einer By- paßleitung nachgeordnet ist. Mittels eines Stellschiebers in der Druckleitung einerseits und einer Schaltkupplung für den mechanischen Lader andererseits, kann nun bei hoher ausrei- chender Verdichtungsleistung des Abgasturboladers die Kolben- brennkraftmaschine unmittelbar vom Abgasturbolader mit ver- dichteter Verbrennungsluft beaufschlagt werden. Der mechani- sche Lader bleibt außer Funktion. Fällt jedoch die Drehzahl und damit die Verdichtungsleistung des Abgasturboladers ab, wird der mechanische Lader zugeschaltet und über den Stell- schieber die Bypaßleitung aktiviert, so daß die vom Abgastur- bolader nicht ausreichend vorverdichtete Luft im mechanischen Lader nachverdichtet wird und die Kolbenbrennkraftmaschine wieder mit ausreichend verdichteter Luft versorgt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer derart ausgebildeten Kolbenbrennkraftmaschine zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren ent- sprechend Anspruch 1 gelöst. Mit diesem Verfahren kann der Vorteil besser genutzt werden., daß bei einer Verminderung der Lastanforderung der Kolbenbrennkraftmaschine und der da- durch im Abgasturbolader bedingten Verminderung der Verdich-

tung der Verbrennungsluft dieses verminderte Druckniveau als Vorverdichtung für einen nachgeschalteten Nachverdichter zur Verfügung steht. Der weitere Verdichter kann auch hinsicht- lich seines Bauvolumens deutlich kleiner ausgelegt werden, so daß die üblicherweise bei einem Kraftfahrzeug bestehenden Raum-und Gewichtsprobleme für derartige Zusatzaggregate so- wie der Verbrauch an Antriebsenergie vermindert werden. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß bei Kraftfahrzeugen mit ihrem instationären Betrieb ent- sprechend einer in einer Motorsteuerung den Lastanforderungen zugeordneten Verdichtungsleistung, bei einer nicht ausrei- chenden Verdichtungsleistung des Abgasturboladers über eine entsprechende Ansteuerung der Nachverdichtungsstufe die ge- wünschte Endverdichtung der Verbrennungsluft erreicht wird.

Durch die Verknüpfung mit der Motorsteuerung kann dies lastabhängig erfolgen, so daß eine optimale Aufladung er- reicht werden kann. Das Verfahren hat den Vorteil, daß im Be- darfsfall, wenn die Verdichtungsleistung des Nachverdichters benötigt wird, dieser zugeschaltet und das Stellventil in der Druckleitung in Schließrichtung verstellt werden kann und so der Nachverdichter entsprechend seiner Drehzahl die geforder- te Nachverdichtung aufbringt. Ist durch das Stellventil die Druckleitung ganz geschlossen, wird die gesamte Fördermenge des Abgasturboladers zur weiteren Verdichtung durch den Nach- verdichter geführt. Sobald jedoch die Leistung des Abgastur- boladers ansteigt, kann das Stellventil entsprechend geöffnet und die Leistung des Nachverdichters zurückgenommen und schsließlich abgeschaltet werden, so daß der Förderstrom nur noch teilweise oder gar nicht mehr über die Bypaßleitung strömen kann.

Bei der Verwendung eines Nachverdichters, der nach dem Ver- drängerprinzip arbeitet, beispielsweise einen Roots- Verdichter, kann ein zusätzliches Stellventil in der Bypaß- leitung entfallen, da mit der Drehzahlreduzierung am Verdich- terantrieb der Nachverdichter selbst wie ein Stellventil bis hin zur vollständigen Sperrung der Bypaßleitung wirksam wird

Für die Erfüllung der von der Motorsteuerung gegebenen Vorga- ben für die Endverdichtung der Verbrennungsluft ist es zweck- mäßig, wenn dies über die Vorgabe eines Solldrucks in der in der Einlaßleitung der Kolbenbrennkraftmaschine über den vor- handenen Ist-Druck erfaßt wird und in Abhängigkeit von diesem Ist-Druck die Nachverdichtungsstufe angesteuert wird, um so durch eine Nachverdichtung der Verbrennungsluft den vorgege- benen Soll-Druck und damit die geforderte Endverdichtung ein- zustellen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Nachverdichtung zur Erfüllung der geforderten Endver- dichtung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Abgasturbola- ders erfolgt. Da das drehzahlabhängige Kennfeld des Abgastur- boladers bekannt ist, besteht in Verbindung mit einer ohnehin vorhandenen Motorsteuerung, in der das Kennfeld des Abgastur- boladers abgelegt ist, eine weitere Möglichkeit, die vorgege- bene Endverdichtung der Verbrennungsluft auf der Druckseite durch entsprechende Ansteuerung der Nachverdichtungsstufe einzustellen. Dies kann zweckmäßigerweise mit einer Erfassung des Ist-Druckes auf der Gaseinlaßseite der Kolbenbrennkraft- maschine gekoppelt werden."Ansteuerung der Nachverdichtungs- stufe"im Sinne der Erfindung umfaßt zum einen das Zu-und Abschalten des Nachverdichters. Ist der Nachverdichter mit einem drehzahlgeregelten Antrieb versehen, dann besteht auch die vorteilhafte Möglichkeit einer stufenlosen Anpassung der vom Nachverdichter zusätzlich zum Abgasturbolader aufzubrin- genden Verdichtungsleistung, so daß in Verbindung mit der Mo- torsteuerung lastabhängig eine optimale Verdichtung der Ver- brennungsluft erreicht werden kann. Ein drehzahlregelbarer Antrieb kann zum einen über einen entsprechenden autonomen Direktantrieb des Nachverdichters erfolgen und zum anderen bei einem Antrieb über die Kolbenbrennkraftmaschine mittels eines stufenlos versstellbaren Getriebes erfolgen. Da zweck- mäßigerweise der Nachverdichter in einer Bypaßleitung zur Druckleitung angeordnet ist, die über ein Stellventil bei

entsprechender Schließung der Zweigleitung zur Bypaßleitung aktiviert werden kann, umfaßt der Begriff"Ansteuerung"im Sinne der Erfindung auch die Ansteuerung dieses Stellventils.

Zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß der Erfindung eine Kolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgesehen.

Der Nachverdichter ist in einer Ausgestaltung der Erfindung als sogenannter mechanischer Lader ausgebildet, beispielswei- se in Form eines Roots-Laders. Da dem nachgeschalteten Nach- verdichter bereits verdichtete Luft zugeführt wird, ergibt sich eine geringere Baugröße. Der Abgasturbolader kann für hohe Drehzahlen ausgelegt und optimiert werden, so daß im Be- trieb bei niedrigeren Drehzahlen die Verdichtungsleistung stärker durch den Nachverdichter erbracht wird.

Um den Nachverdichter entsprechend den Betriebsanforderungen ansteuern bzw. zu-und abschalten zu können, ist der Nachver- dichter in einer Ausgestaltung der Erfindung mit der Kurbel- welle der Kolbenbrennkraftmaschine über eine schaltbare Kupp- lung antreibbar verbunden. Die schaltbare Kupplung ist wie- derum über die vorhandene Motorsteuerung ansteuerbar, so daß in den Lastbereichen, in denen die Leistung des Abgasturbola- ders nicht ausreicht, der Nachverdichter zugeschaltet werden kann. Der Antrieb kann beispielsweise über einen Keilriemen- trieb erfolgen. In Verbindung mit oder anstelle einer Schalt- kupplung, kann auch ein schaltbares, zweckmäßigerweise stu- fenlos verstellbares Getriebe vorgesehen werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Nachverdichter mit einem gesonderten, regel-und/oder steuerbaren Antrieb verbunden ist. Dieser Antrieb kann bei- spielsweise durch einen elektrischen oder hydraulischen An- trieb gebildet werden. Auch hier kann der gesonderte Antrieb entsprechend den Anforderungen angesteuert bzw. zu-und abge- schaltet werden. Zweckmäßig ist es, wenn der gesonderte An-

trieb regelbar ausgebildet ist, um die Verdichtung der Ver- brennungsluft entsprechend den Lastanforderungen möglichst stufenlos nachführen zu können, so daß etwaige Druckstöße beim Zu-und Abschalten sowie Verzögerungen durch Beschleuni- gungsvorgänge beim Anschalten des Nachverdichters vermieden werden. Ein weiterer Vorteil des eigenen Antriebs für den Nachverdichter besteht darin, daß man in der räumlichen Zu- ordnung einen größeren Spielraum besitzt, als dies bei einem Antrieb über die Kurbelwelle gegeben ist.

Damit ist eine feinfühlige Anpassung und Nachführung der Ver- brennungsluftverdichtung an wechselnde Lastzustände möglich, wie sie beispielsweise beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs ge- geben sind und die sich immer auf die Verdichtungsleistung eines Abgasturboladers auswirken, wenn die Drehzahl in einen unteren kritischen Drehzahlbereich absinkt.

Bei einer Anordnung jeweils eines stufenlos gegenläufig ver- stellbaren Stellventils in der Druckleitung und in der Bypaß- leitung kann mit Hilfe der Steuereinrichtung bei eingeschal- tetem Nachverdichter durch entsprechende Ansteuerung der Stell-bzw. Stellventile auf jede Druckabweichung in der Lufteinlaßleitung reagiert werden, beispielsweise bei Be- schleunigungs-oder Bremsvorgängen.

Die Erfindung wird mit weiteren Merkmalen anhand schemati- scher Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vierzylinder-Kolben- brennkraftmaschine mit einem über die Kurbelwelle angetriebenen Nachverdichter, Fig. 2 die Kolbenbrennkraftmaschine gem. Fig. 1 mit einem Nachverdichter mit Eigenantrieb.

In Fig. 1 ist eine Vierzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine 1 dargestellt, deren Abgasleitung 2 über eine Abgasturbolader-

Einheit 4 mit Abgasturbine 3 und Turbolader 5 geführt ist.

Der Turbolader 5 ist über eine Druckleitung 6 mit der Luft- einlaßleitung 7 der-Kolbenbrennkraftmaschine 1 verbunden. Der Druckleitung 6 ist eine Bypaßleitung 8 zugeordnet, in der ein Nachverdichter 9, beispielsweise ein Roots-Verdichter, ange- ordnet ist. Der Nachverdichter 9 steht über einen Riementrieb 10 mit der Kurbelwelle 11 der Kolbenbrennkraftmaschine an- treibbar in Verbindung. Über eine Schaltkupplung 12, die ei- nen über eine Motorsteuerung 13 ansteuerbaren Stellantrieb 14 aufweist, kann der Nachverdichter 9 entsprechend den Be- triebsanforderungen zu-und abgeschaltet werden. An dieser Stelle kann auch ein schaltbares oder stufenlos drehzahlver- änderbares Getriebe vorgesehen sein.

Im Bereich der Bypaßleitung 8 ist in der Druckleitung 6 ein Stellventil 15 angeordnet, dessen Stellantrieb 16 über die Motorsteuerung 13 ansteuerbar ist. Das Stellventil 15 kann so eingestellt sein, daß es grundsätzlich geschlossen ist und somit bei niedrigen Motordrehzahlen und damit geringer Lei- stung des Abgasturboladers 4 die erforderliche Nachverdich- tung der Verbrennungsluft durch den Nachverdichter 9 erfolgt.

Reicht die Verdichtungsleistung des Abgasturboladers 4 für die zum Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine notwendige End- verdichtung der Verbrennungsluft aus, dann wird über die Mo- torsteuerung 13 das Stellventil 15 geöffnet, so daß die Druckleitung 6 unmittelbar mit dem Lufteinlaßleitung 7 in Verbindung steht. Da der Nachverdichter 9 bei einer Ausbil- dung als Verdrängermaschine, beispielsweise eines Roots- Verdichters, aufgrund seiner Bauform bei Stillstand wie ein Stellventil für die Bypaßleitung 8 wirkt, genügt es durch Öffnen der Kupplung 12 den Nachverdichter 9 abzuschalten und die hierdurch bedingten Verluste zu vermeiden.

Die Ausführungsform gem. Fig. 2 entspricht in ihrem Grundauf- bau der anhand von Fig. 1 erläuterten Ausführungsform, so daß hier auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden kann.

Für gleiche Bauteile sind gleiche Bezugszeichen eingesetzt.

Der Unterschied zur Ausführungsform gem. Fig. 1 besteht dar- in, daß der Nachverdichter 9 mit einem eigenen steuer- und/oder drehzahlregelbaren Antrieb 17 versehen ist, bei- spielsweise in Form eines elektrischen oder hydraulischen An- triebs, der über die Steuereinrichtung 13 entsprechend ange- steuert werden kann. Die Betriebsweise entspricht im Prinzip der anhand von Fig. 1 beschriebenen Betriebsweise. Bei Ver- wendung eines regelbaren Antriebs für den Nachverdichter 9 besteht, wie dies auch bei der Ausführung gem. Fig. 1 mittels eines drehzahlveränderbaren Getriebes erreicht wird, die Mög- lichkeit, über die Drehzahl des Nachverdichters 9 eine stu- fenlose Anpassung der Endverdichtung durch das Zusammenwir- kenvon Abgasturbolader und Nachverdichter 9 zu erreichen.

Die Ansteuerung der Verdichtungsstufe mit Hilfe der Motor- steuerung kann bei beiden Ausführungsformen in der Weise er- folgen, daß in der Lufteinlaßleitung 7 ein Drucksensor 18 an- geordnet ist, der auf die Motorsteuerung 13 aufgeschaltet ist und über den die geforderte Endverdichtung der Verbrennungs- luft und damit auch indirekt die Verdichtungsleistung des Ab- gasturboladers erfaßt wird. Sobald über den Drucksensor 18 ein von der Motorsteuerung 13 vorgegebener Mindestdruck un- terschritten wird, wird dann über die Motorsteuerung der Nachverdichter 9 entsprechend angesteuert. Über diesen Druck- sensor 18 hinter dem Bypaßbereich, also in dem bereits der Lufteinlaßleistung 7 zuzurechnenden Bereich, kann auch eine Druckobergrenze überwacht und eingehalten werden.

Über die Motorsteuerung 13, der der jeweilige Lastwunsch vom Fahrer über das Gaspedal 20 vorgegeben werden kann, besteht auch die Möglichkeit, bei einer entsprechenden Ansteuerung durch den Fahrer, die aus Abgasturbolader 4 und Nachverdich- ter 9 gebildete Verdichtungseinrichtung für einen Bremsbe- trieb der Kolbenbrennkraftmaschine zu verwenden. Dies ist be- sonders zweckmäßig, wenn der Nachverdichter 9 über einen ei- genen Antrieb verfügt, so daß trotz sich vermindernder Dreh-

zahlen der Bereich der Kolbenbrennkraftmaschine und des damit verbundenen Abfalls der Verdichtungsleistung des Abgasturbo- laders eine hohe Endverdichtung der Luft und damit eine hohe Aufladung der Zylinder erreicht und eine entsprechende Brems- wirkung erzielt wird.

Die Anordnung kann, kombiniert mit einem Drucksensor 18 oder auch allein in der Weise angesteuert werden, daß über einen Drehzahlsensor 19 die Drehzahl des Abgasturboladers abgegrif- fen und so wiederum die Verdichtungsleistung des Abgasturbo- laders erfaßt wird. Durch entsprechendes Ansteuern des Nach- verdichters 9 in Abhängigkeit von einem entsprechenden, aus beispielsweise einem Kennfeld des Abgasturboladers abgegrif- fenen Soll-Wertes kann dann die benötigte Endverdichtung er- reicht werden.