Es ist bekannt, die Leistungsdichten einer kraftfahrzeugtechnischen Verbrennungsmaschine durch Verdichtung der zur Verbrennung des Kraftstoffes benötigten Ladeluft zu erhöhen. Dazu werden in der Regel Abgasturbolader benutzt. Der Abgasturbolader weist dabei eine Turbine auf, die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordnet ist und einen, in der Ladeluftzuführung der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter betreibt.

Abgasturbolader weisen, insbesondere bei Kraftfahrzeugantrieben, den Nachteil eines verzögerten und unzureichenden Ansprechverhaltens bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine auf ("Turboladerloch").

Zur Verbesserung der Ladeluftzuftillrung speziell im Bereich niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine ist es bekannt, den Abgasturbolader mittels eines elektrischen Hilfsantriebes zu unterstützen. Dies kann beispielsweise durch einen in den Abgasturbolader integrierten Elektromotor erreicht werden. Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine treibt der Elektromotor die Welle des Abgasturboladers unterstützend an. Dies erfordert jedoch sowohl eine hohe Drehzahlbelastbarkeit des Elektromotors, als auch die Möglichkeit der Generierung eines hohen elektrischen Leistungsbedarfs, der auf Grund des großen Massenträgheitsmomentes der Turbine eines Abgasturboladers notwendig ist.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist beispielsweise aus der US 6,029, 452 bekannt, einen separaten, rein elektrisch betriebenen Hilfslader (elektrischer Zusatzverdichter, EZV) in die Ladeluftzufiihrung einer Brennkraftmaschine zu integrieren. Der elektrische Zusatzverdichter wird dabei in Reihe zu einem konventionellen Abgasturbolader betrieben und dient zumeist zur Vorverdichtung der dem Abgasturbolader zugeführten Ladeluft. Dies hat den Vorteil, dass der separat in der Ladetuftzufuhrung eingesetzte

elektrische Zusatzverdichter auf einen Einsatz im untersten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine optimiert werden kann. Im hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, der seinerseits zu einer hohen Drehzahl des Abgasturboladers führt, wird beispielsweise eine Bypass-Lösung verwandt, um die Ladeluft unter Umgehung des dann nicht benötigten elektrischen Zusatzverdichters direkt dem Abgasturbolader zuzuführen.

Einer der Hauptunterschiede zwischen einem elektrischen Zusatzverdichter und einem klassischen Abgasturbolader ist die sehr unterschiedliche, zur Verfügung stehende Antriebsleistung für diese Systeme. Diese kann bei einem Abgasturbolader mehrere 10 kW betragen, bei einem elektrischen Zusatzverdichter ist die Antriebsleistung jedoch wegen der zusätzlichen Bordnetzbelastung maximal auf einige wenige kW begrenzt.

Insbesondere beim Hochlaufen des Verdichterrades eines elektrischen Zusatzverdichters ist dies von Bedeutung, da die Anlaufzeit hauptsächlich von der verfügbaren Antriebsleistung und dem Massenträgheitsmoment des zu beschleunigenden Rotors des Zusatzverdichters bestimmt ist.

Betrachtet man das Einschaltverhalten eines elektrischen Zusatzverdichters, so erkennt man, dass gerade im Stadtverkehr eine deutliche Anzahl von Einschaltzuständen des Verdichters erforderlich ist. Bei jeder Volllastbeschleunigung ist der elektrische Zusatzverdichter dabei auf Umdrehungen bis zu ca. 60.000 pro Minute zu beschleunigen.

Dabei wird eine mechanische Rotationsenergie von typischerweise 450 Wattsekunden aufgenommen, die vom Bordnetz des Fahrzeuges zur Verfügung gestellt werden müssen.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft, insbesondere zur Verdichtung von Ladeluft für eine kraftfahrzeugtechnische Verbrennungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht eine reduzierte elektrische Energieaufnahme beim Beschleunigen des elektrischen Zusatzverdichters.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung, insbesondere durch die erfindungsgemäßen Verbindungsmittel, die es ermöglichen, verdichtete Ladeluft in den Verdichterraum des elektrischen Ladeluftverdichters zu leiten, ist es möglich, das Hochlaufen des elektrischen Zusatzverdichters durch eine Vorbeschleunigung auf Grund

der eingeleiteten, verdichteten Luft zu ermöglichen. Damit wird sowohl die notwendige Beschleunigungsenergie des elektrischen Zusatzverdichters, als auch seine Ansprechzeit bis zum Erreichen seiner Maximaldrehzahl, reduziert.

Dem Hochschaltvorgang während einer Beschleunigungsphase des Fahrzeuges geht in der Regel ein Ladedruckabbau unmittelbar voraus. Bisher wurde zur Vermeidung des sogenannten"Verdichterpumpens"bei Gaswegnahme aus dem Ladedruckbereich ein sogenanntes Schubumluftventil geöffnet. Durch Öffnung dieses Schubumluftventils wird das Ladedruck führende Volumen auf näherungsweise Umgebungsdruck evakuiert. Die durch diese Maßnahme frei werdende pneumatische Energie wurde dabei nicht genutzt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die pneumatische Energie des Ladeluftsystems zur unterstützenden Beschleunigung des elektrischen Zusatzverdichters zu nutzen. Da dem Hochschaltvorgang während einer Beschleunigungsphase des Fahrzeuges in der Regel ein Ladedruckabbau über das Umluftventil vorausgeht, kann die abzuführende Luft genutzt werden, um den elektrischen Ladeluftverdichter für den anstehenden Beschleunigungsvorgang des Kraftfahrzeuges bereits zu beschleunigen. So ist es möglich, den für die Beschleunigungsphase des Kraftfahrzeuges wichtigen Wiederaufbau des Ladedruckes mit Unterstützung des elektrischen Zusatzverdichters deutlich schneller zu realisieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.

In vorteilhafter Weise sind die Verbindungsmittel, die es ermöglichen, verdichtete Ladeluft in den Verdichterraum des elektrischen Ladeluftverdichters zu leiten, abstromseitig des zweiten Ladeluftverdichters angeordnet, zweigen von dort ab und münden direkt in den Verdichterraum des elektrischen Ladeluftverdichters. Somit kann die in der verdichteten Ladeluft enthaltene pneumatische Energie in effektiver Weise zur Vorbeschleunigung des elektrischen Zusatzverdichters genutzt werden.

Die Verbindungsmittel münden dabei in einen Ringkanal des Gehäuses des elektrischen Ladeluftverdichters. In vorteilhafter Weise münden die Verbindungsmittel auf der Niederdruckseite des Verdichtungsraumes des elektrischen Ladeluftverdichters. Durch entsprechende Öffnungen in der Wandung des Verdichterraumes kann erreicht werden,

dass ein gerichteter Luftstrom beispielsweise auf die Verdichterschaufeln des Verdichterrades des elektrischen Ladeluftverdichters auftrifft und somit das Hochlaufen des Verdichterrades unterstützt.

In vorteilhafter Weise weist der Ringkanal des Verdichters, in den die Verbindungsmittel münden, eine Mehrzahl von über seinem Umfang verteilten Einleitstellen für die verdichtete Ladeluft auf. Dabei sind die Einleitstellen so auszubilden, dass sich ein möglichst jetartiger Luftstrom zur Beschleunigung des Verdichterrades ausbildet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft weisen die Verbindungsmittel, die es ermöglichen, verdichtete Ladeluft in den Verdichterraum des elektrischen Ladeluftverdichters zu leiten, ein Ventil auf, das es verhindert, dass die Luft vom elektrischen Ladeluftverdichter über diese Verbindungsmittel zurück in Richtung des zweiten Ladeluftverdichters strömen kann. Dieses Ventil kann bzw. die Ventile können in vorteilhafter Weise als elektronisch ansteuerbare (s) Membranventil (e) ausgebildet sein.

Das Ventil bzw. die Ventile zur Verhinderung der Rückströmung fassen sich in vorteilhafter Weise direkt in das Gehäuse des elektrischen Ladeluftverdichters integrieren.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft ist es somit in vorteilhafter Weise möglich, die notwendige Beschleunigungsenergie des elektrischen Zusatzverdichters sowie dessen Ansprechzeit deutlich zu reduzieren. Dies wiederum führt zu einer Entlastung des elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeuges.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der nachfolgenden Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung eines Ausfiihrungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu entnehmen.

Zeichnung In der Zeichnung ist ein Ausfuhrungsbeispie) der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft dargestellt, das in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert wird. Die Figur der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche

enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu sinnvollen, weiteren Kombinationen zusammenfassen, die somit ebenfalls als in der Beschreibung offenbart anzusehen sind.

Es zeigt : Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Detaildarstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft, insbesondere zur Verdichtung von Ladeluft für eine kraftfahrzeugtechnische Verbrennungsmaschine in einer vereinfachten, schematischen Detaildarstellung.

Die zu verdichtende Ladeluft wird über eine Ansaugöffnung 10 einem ersten Verdichter 12 zugeführt. Dieser erste Verdichter 12 ist ein elektrisch betriebener, sogenannter Zusatzverdichter 14. Der elektrische Zusatzverdichter 14 besteht im Wesentlichen aus einer Verdichtereinheit 16 und einer elektrischen Antriebseinheit 18.

Über eine Eintrittsöffnung 20 wird die zu verdichtende Ladeluft dem Verdichterraum 22 des elektrischen Zusatzverdichters 14 zugeführt. Im Verdichterraum 22 ist ein Verdichterrad 24 angeordnet, welches über eine Welle von der elektrischen Antriebseinheit 18 angetrieben wird. Die zu verdichtende Ladeluft wird im Verdichterraum beschleunigt und typischerweise über einen Ringkanal 26 und eine Austrittsöffnung 28 aus dem elektrischen Zusatzverdichter 14 herausgeleitet.

Über Verbindungsmittel 30 ist der elektrische Zusatzverdichter 14 der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden mit einem zweiten Ladeluftverdichter 32, der im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 1 als Abgasturbolader 34 ausgebildet ist.

Der Abgasturbolader 34 besitzt ein in einem Verdichterraum 36 angeordnetes Verdichterrad 38, welches über eine Welle 40 von einer Turbine 42 angetrieben wird, welche im Abgasstrom eines nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotors eines

Kraftfahrzeuges angeordnet ist. In bekannter Weise dient die kinetische Energie des heißen Abgasstromes 44 zum Antrieb der Turbine 42, die somit wiederum das Verdichterrad 38 des Abgasturboladers 34 beschleunigen kann.

Die durch den elektrischen Zusatzverdichter 14 vorverdichtete Luft wird im Verdichterraum 36 des Abgasturboladers 34 weiter verdichtet und über Verbindungsmittel 46 dem in Figur 1 nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotor zugeführt. Diese Verbindungsmittel 46 können beispielsweise auch noch einen nicht weiter dargestellten Ladeluftkühler oder ein Drosselventil für den Ladeluftstrom aufweisen. Über ein Ventil 48, welches den Volumenstrom des Abgases durch einen Bypasskanal 50 um die Antriebsturbine des Abgasturboladers 34 herum regelt, lässt sich die Verdichterleistung des Abgasturboladers steuern.

Prinzipiell ist auch eine andere Reihenfolge der Verdichterstufen möglich.

Diese zweistufige Vorrichtung zur Verdichtung von Ladeluft ermöglicht es, das sogenannte Turboladerloch, welches bei geringen Motordrehzahlen und somit bei einem geringen Abgasstrom 44 auftritt, weitgehend zu vermeiden. Im Bereich geringer Motordrehzahlen, bei denen der klassische Abgasturbolader 34 auf Grund seiner Antriebsturbine 42 keine hohen Drehzahlen und somit das gewünschte hohe Verdichtungsverhältnis erzeugen kann, wird der elektrische Zusatzverdichter 14 eingeschaltet, um eine gewünschte Vorverdichtung der Ladeluft zu erreichen. Durch diesen elektrischen Zusatzverdichter ist es möglich, den Nachteil eines verzögerten und unzureichenden Ansprechverhaltens eines Abgasturboladers zu kompensieren.

Der elektrische Zusatzverdichter wird auf Grund seiner Aufgabe daher nur jeweils kurzfristig eingeschaltet und erfordert eine möglichst schnelle Ansprechcharakteristik.

Dieser Vorgang ist typisch für Beschleunigungssituationen und tritt insbesondere praktisch bei allen Gangwechseln (Hochschalten) des Fahrzeuges auf. Betrachtet man das Einschaltverhalten des elektrischen Zusatzverdichters, so erkennt man, dass gerade im Stadtverkehr eine deutliche Anzahi von Einschaltzuständen erforderlich ist. Bei jeder Volllastbeschleunigung ist der elektrische Zusatzverdichter auf ca. 60.000 U/min zu beschleunigen. Dabei wird eine mechanische Rotationsenergie im Bereich von 400 bis 500 Wattsekunden aufgenommen, die vom elektrischen Bordsystem des Kraftfahrzeuges zur Verfügung gestellt werden muss. Dem Hochschaltvorgang während einer

Beschleunigungsphase geht in der Regel ein Ladedruckabbau über ein sogenanntes Umluftventil unmittelbar voraus. Bisher wird zur Vermeidung beispielsweise des Verdichterpumpens beim"Gas wegnehmen"der Ladedruck im System durch das Öffnen des sogenannten Schubumluftventils (Dump Valve) reduziert. Dadurch wird das Ladedruck führende Volumen auf näherungsweise Umgebungsdruck evakuiert. Die durch diese Maßnahme frei werdende pneumatische Energie wurde bisher nicht genutzt.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdichtung von Ladeluft sind Verbindungsmittel 52 vorhanden, die es ermöglichen, bereits verdichtete Ladeluft direkt in den Verdichterraum des elektrischen Ladeluftverdichters zu leiten, um damit ein schnelleres Hochlaufen des elektrischen Zusatzverdichters durch eine Vorbeschleunigung zu ermöglichen.

Im Ausfihrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Figur 1 zweigen die Verbindungsmittel 52 von den Verbindungsmitteln 46, welche den Abgasturbolader mit dem Verbrennungsmotor verbinden, ab. Die Verbindungsmittel 52 fuhren über ein Ventil 54 direkt in den Verdichterraum 22 des elektrischen Zusatzverdichters 14. Dazu können beispielsweise, verteilt über den Umfang des Ringkanals 26 des elektrischen Zusatzverdichters 14, Öffnungen 56 vorgesehen sein, die die verdichtete und über die Verbindungsmittel 52 abgezweigte Ladeluft zielgerichtet in den Ringkanal 26 und anschließend auf die Verdichterschaufeln des Verdichterrades 24 leiten. Durch diese düsenförmige Einleitung der verdichteten Ladeluft auf die Verdichterschaufeln des Verdichterrades des elektrischen Zusatzverdichters ist eine Vorbeschleunigung des Zusatzverdichters möglich, die zu einem schnelleren Hochlaufen, das heißt zu einer kürzen Ansprechcharakteristik des Zusatzverdichters fuhrt. Darüber hinaus bedeutet die Nutzung der pneumatischen Energie des Ladeluftsystemes, dass eine reduzierte Energieaufnahme aus dem Bordnetz des Fahrzeuges beim Beschleunigen des elektrischen Zusatzverdichters möglich ist.

Die Umlufteinleitstelle ist in vorteilhafter Weise direkt im elektrischen Zusatzverdichter 14 integriert und kann beispielsweise auch ein oder mehrere Ventile beinhalten, die ein Rückströmen der zu verdichtenden Ladeluft über die Verbindungsmittel 52 vermeidet.

Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass die durch den elektrischen Zusatzverdichter zu beschleunigende Ladeluft durch die Austrittsöffnung 28 des Zusatzverdichters abgeführt wird und somit dem nachgeschalteten Abgasturbolader 34 zugeführt werden kann. Ein

Abströmen der durch den elektrischen Zusatzverdichter verdichteten Ladeluft über die Verbindungsmittel 52 gilt es zu unterbinden.

In anderen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsmittel 52 ein Speichervolumen 58 umfassen, in das verdichtete Ladeluft geleitet und anschließend bei hohem Druck gespeichert werden kann. Beispielsweise durch eine Ventilanordnung kann dann zu einem gewünschten Zeitpunkt die verdichtete Ladeluft direkt in den Verdichterraum des elektrischen Zusatzverdichters abgegeben werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine sinnvolle Nutzung der pneumatischen Ladeluftenergie bei negativen Lastwechseln des Verbrennungssystems möglich. Dem Hochschaltvorgang während einer Beschleunigungsphase geht in der Regel ein Ladedruckabbau über ein Umluftventil unmittelbar voraus und es erfolgt dann ein Wiederaufbau des Ladedruckes mit Unterstützung des elektrischen Zusatzverdichters.

Der Ladedruckabbau kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise zur Vorbeschleunigung des elektrischen Zusatzverdichters genutzt werden. Damit wird sowohl die notwendige Beschleunigungsenergie des elektrischen Zusatzverdichters, als auch dessen Ansprechzeit bis zum Erreichen seiner Maximaldrehzahl reduziert. Die pneumatische Energie des Ladeluftsystemes beinhaltet selbst bei Berücksichtigung eines moderaten Wirkungsgrades zur Übertragung seiner Energie auf den elektrischen Zusatzverdichter einen nicht unwesentlichen Anteil der erforderlichen Rotationsenergie für einen elektrischen Zusatzverdichter.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.

Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht beschränkt auf die Verwendung eines elektrischen Zusatzverdichters und eines Abgasturboladers.