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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsmaschine, welche einen Verdichter enthält, der an einem Ansaugdurchgang vorgesehen ist, der mittels eines Elektromotors elektromotorunterstützt ist.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Zur Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit von Fahrzeugen ist eine Technologie zum Bereitstellen eines Verdichters, der mittels eines Elektromotors angetrieben wird, an einem Einlassdurchgang zur Erhöhung einer Ausgabe einer Maschine (Verbrennungsmaschine) bekannt. Der Elektromotor ist an einer Welle einer Turbine oder eines Kompressors vorgesehen und weist die folgenden Eigenschaften auf. Der Elektromotor dreht sich in dem Fall, in dem ein gewünschter Ladedruck aufgrund des Fehlbetrags von Abgas, wenn eine Verdichtung erforderlich ist, nicht erhalten wird, oder in dem Fall, in dem der Verdichter sich mit einer geringen Geschwindigkeit dreht. In dem Fall, in dem die Turbine durch das Abgas gedreht wird, um den gewünschten Ladedruck erfolgreich zu erhalten, wird der Elektromotor von dem Abgas gedreht.
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Auf der anderen Seite, wenn ein Verdichten erforderlich ist, wandelt ein Mechanismus, der eine Turbine an einem Abgasdurchgang enthält, Abgasenergie mittels der Turbine in Drehenergie um, um einen Kompressor anzutreiben, der mit der Turbine vermittels einer Drehwelle gekoppelt ist, wodurch eine Verdichtungsarbeit ausgeführt wird. Allerdings, wenn kein Verdichten erforderlich ist oder eine hohe Last angelegt ist, wirkt die Turbine als ein Abgaswiderstand. Als Folge davon wird die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsperformanz verringert.
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Ferner enthält eine Verdichter im Allgemeinen ein Ventil, das als Westsperrventil bezeichnet wird, zum Veranlassen, dass das Abgas die Turbine umgeht, um zu vermeiden, dass die Last aufgrund des Abgases zu hoch wird, wenn die Maschine mit einer hohen Last betrieben wird. Folglicht weist der Verdichter einen Strömungsweg zum Veranlassen des Abgases auf, die Turbine zu umgehen, wenn die Last hoch ist. Auf diese Weise wird das Abgas veranlasst, ein Turbinenrad zu umgehen, um zu vermeiden, dass sich der Abgaswiderstand erhöht, bis der Ladedruck ansteigt (vergleiche beispielsweise
JP 2005-171 896 A ).
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In diesem Fall ist kein Abgaswiderstand vorhanden, da der Abgasumgehungsweg geöffnet ist, um den Abgasfluss zu veranlassen, das Turbinenrad zu umgehen, bis der Ladedruck steigt. Allerdings ist es notwendig, den Ladedruck durch die Drehung des Elektromotors in der Zwischenzeit zu erhöhen, was einen Verbrauch eines erheblichen Leistungsbetrags zur Folge hat. Folglich besteht ein Problem darin, dass die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsperformanz mit hoher Wahrscheinlichkeit dadurch verschlechtert wird.
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Die
EP 1 749 990 A2 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Kompressor, der in einer Ansaugleitung vorgesehen ist und zumindest teilweise durch einen elektrischen Motor zum Komprimieren von Ansaugluft mit Energie versorgt wird, einer Motorsteuerung zum Steuern/Regeln des Elektromotors, einer Turbine, welche in einer Abgasleitung vorgesehen ist und mit dem Kompressor zum Antreiben des Kompressors verbunden ist. Ferner ist in der Abgasleitung ein Durchgang zur Umgehung der Turbine vorgesehen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde erdacht, um das oben beschriebene Problem zu lösen, und weist eine Aufgabe des Bereitstellens einer Verbrennungsmaschine zum Verbessern der Kraftstoffwirtschaftlichkeitsperformanz in dem Fall, in dem eine Verdichtung mittels eines elektrischen Verdichters erforderlich ist, und/oder in dem Fall, in dem eine Verdichtung nicht erforderlich ist, auf.
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Die Aufgabe wird mit einer Verbrennungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen.
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Die Verbrennungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung stellt die folgenden Wirkungen bereit. Wenn das Verdichten, das von dem elektrischen Verdichter ausgeführt wird, nicht erforderlich ist, wird der Abgasstrom veranlasst, die Abgasturbine zu umgehen, um einen Abgaswiderstand zu verringern, wodurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsperformanz verbessert wird. Auf der anderen Seite, wenn die Verdichtung, die mittels des elektrischen Verdichters ausgeführt wird, erforderlich ist, wird der Abgasumgehungsdurchgang rasch geschlossen, um der Abgasturbine zu ermöglichen, von dem Abgas gedreht zu werden. Anschließend wird der Verdichter mit einer Kombination aus Abgasenergie und Energie des Elektromotors gedreht, um einen Ladedruck auf einen Zielladedruck zu steuern, wodurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsperformanz verbessert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den begleitenden Zeichnungen:
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1 ist ein Diagramm, das einen Gesamtaufbau einer Verbrennungsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist ein Flussdiagramm, das einen Arbeitsablauf einer Steuereinheit für einen elektrischen Verdichter gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 ist ein Graph, der Betriebspunkte einer Verbrennungsmaschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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4 ist ein Ablaufdiagramm zur Beschreibung eines spezifischen Arbeitsablaufs gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuereinheit für eine Verbrennungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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1 ist ein schematisches Aufbaudiagramm einer Verbrennungsmaschine, welche einen elektrischen Verdichter gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
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Die Verbrennungsmaschine, d. h. eine Maschine 1 der vorliegenden Erfindung, ist eine Maschine mit mehreren Zylindern. Allerdings stellt 1 einen Querschnitt von lediglich einem der mehreren Zylinder dar.
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Die Maschine 1 ist von einer Art, welche Kraftstoff in einen Zylinder 18 mittels eines Einspritzers 12 einspritzt. Ein größerer Betrag von Ansaugluft wird von einem Verdichter (Kompressorflügelrad) 13 mit einer Elektromotorunterstützung eines Elektromotors 14, der unten beschrieben ist, verdichtet. Auf diese Weise kann nicht nur eine Erhöhung einer Ausgabe, sondern auch eine Erhöhung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit realisiert werden.
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Die Maschine 1, für welche die vorliegende Erfindung angewendet wird, ist nicht nur eine Direkteinspritzmaschine zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder 18. Die vorliegende Erfindung ist auch für eine Kanaleinspritzmaschine zum Einspritzen des Kraftstoffs in einen Ansaugdurchgang 17 auf einer Stromabwärtsseite eines Drosselventils 8 anwendbar.
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Der Elektromotor 14 ist an einer Welle einer Abgasturbine (Turbinenrad) 15 positioniert, das mittels eines Abgases und eines Verdichters 13 angetrieben wird. Der Verdichter 13, der Elektromotor 14 und die Abgasturbine 15 bilden einen elektrischen Verdichter (elektromotorunterstützer Turbolader).
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In der Maschine 1, nachdem zunächst Schmutz, Staub und dergleichen mittels eines Luftreinigers 3 von der Ansaugluft entfernt werden, strömt die Ansaugluft in einen Stromabwärtsdurchgang 2, in dem der Verdichter 13 vorgesehen ist. Die Luft, die von dem Verdichter 13 verdichtet wird, strömt anschließend von einem Stromaufwärtsdurchgang 4 in einen Zwischenkühler 7.
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Der Zwischenkühler 7 verringert die Temperatur der Ansaugluft, die mit einer Erhöhung des Drucks, die von dem Verdichter bewirkt wird, erhöht wird, wodurch die Fülleffizienz verbessert wird. Anschließend wird die Luft, die durch das Drosselventil 8 verdichtet ist, in den Zylinder 18 angesaugt.
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Ein Ansaugventil 9 wird geöffnet, um den Zylinder 18 mit der verdichteten Luft zu füllen. Anschließend wird der Kraftstoff mittels einer Zündkerze 10 gezündet, um verbrannt zu werden. Abgas, das erzeugt wird, wenn der Kraftstoff verbrannt wird, wird von einem Abgasventil 11 abgegeben. Hier verzweigt sich ein Abgasdurchgang in zwei Durchgänge, d. h. einen Abgasdurchgang 22, der zur Abgasturbine 15 führt, und einen Abgasumgehungsdurchgang 5. Ein Abgasströmungsrateneinstellmittel 6, das eine Strömungsrate des Abgases in dem Abgasumgehungsdurchgang 5 einstellen kann, ist an dem Abgasumgehungsdurchgang 5 vorgesehen. Das Abgasströmungsrateneinstellmittel 6 empfängt ein Signal von einer Steuereinheit 16 für den elektrischen Verdichter, um die Strömungsrate des Abgases einzustellen. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft das Abgasströmungsrateneinstellmittel 6, und folglich werden die Details davon unten beschrieben. Ein Abgasreinigungskatalysator 21 zum Reinigen des Abgases ist mit dem Abgasumgehungsdurchgang 5 verbunden.
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Als nächstes werden das Abgasströmungsrateneinstellmittel 6, welches das Signal von der Steuereinheit 16 für den elektrischen Verdichter empfängt, um die Strömungsrate des Abgases einzustellen, und der Elektromotor 14 im Detail beschrieben.
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Die Steuereinheit 16 für den elektrischen Verdichter empfängt Befehlswerte der Maschinendrehzahl, eines Öffnungsgrads eines Gashebels, der Leistung, die zum elektrischen Verdichter zugeführt wird, eines Ansaugdrucks, den Betrag der Ansaugluft und dergleichen, um den Elektromotor 14 anzutreiben. Genauer gesagt, wenn ein zuzuführender Strom detektiert werden kann, kann die zuzuführende Leistung zum elektrischen Verdichter mittels einer Multiplikation des zugeführten Stroms mit einem Spannungswert berechnet werden.
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Der Ansaugdruck kann beispielsweise durch Bereitstellen eines Drucksensors in dem Ansaugdurchgang 17 stromabwärts des Drosselventils 8 erhalten werden.
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Der Betrag der Ansaugluft kann beispielsweise durch Bereitstellen eines Luftstromsensors auf der Stromabwärtsseite des Luftreinigers 3 erhalten werden.
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Als nächstes wird ein Arbeitsablauf des Elektromotors 14 beschrieben.
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Die Steuereinheit 16 für den elektrischen Verdichter empfängt einen Verdichtungsbefehlswert von beispielsweise einem Computer der Maschine. Zu dieser Zeit wird in dem Fall, in dem der Ladedruck einen notwendigen Ladedruck nicht erreicht hat, der Elektromotor 14 angetrieben, um die Erhöhung des Ladedrucks zu unterstützen. Auf der anderen Seite, in dem Fall, in dem eine hinreichend große Anzahl von Umdrehungen der Abgasturbine 15 durch das Maschinenabgas erhalten wird, kann der Elektromotor 14 als ein Leistungsgenerator dienen.
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Als nächstes wird ein spezifischer Arbeitsablauf mit Bezug auf ein von 2 beschrieben.
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2 stellt fünf Schritte dar, d. h. Schritte S201 bis S205 zwischen START und ENDE.
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Zunächst lädt im Schritt S201 die Steuereinheit 16 für den elektrischen Verdichter die Maschinendrehzahl, den Öffnungsgrad des Gashebels, ein Maschinendrehmoment, den Ansaugdruck und den Betrag der Ansaugluft, um diese in einem Speicher (nicht gezeigt) eines Mikrocomputers zu speichern.
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Als nächstes wird im Schritt S202 ein Zielladedruck des elektrischen Verdichters aus der Maschinendrehzahl, dem Öffnungsgrad des Gashebels und dem Maschinendrehmoment berechnet. In diesem Arbeitsablauf ist es beispielsweise ausreichend, dass ein notwendiger Verdichtungsunterstützungsbetrag, der aus der Drehzahl der Maschine, dem Öffnungsgrad des Gashebels und dem Maschinendrehmoment erhalten wird, in einer Speicherabbildung oder dergleichen zwischengespeichert wird, um den Zielladedruck zu berechnen. Ein genauerer Arbeitsablauf wird in Bezug auf 3 beschrieben.
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3 ist ein Graph, der eine Ausgabecharakteristik der Verbrennungsmaschine darstellt, der die Beziehung zwischen der Drehzahl der Verbrennungsmaschine, einem Ausgabedrehmoment und dem Ladedruck zeigt. Beispielsweise, während die Verbrennungsmaschine an einem Punkt A in 3 betrieben wird, ist eine Verdichtung nicht erforderlich. Folglich ist der Zielladedruck im Schritt S202 gleich 1, wenn ein atmosphärischer Druck gleich 1 ist. Eine Verdichtung ist nicht erforderlich, wenn die Verbrennungsmaschine an dem Punkt A, wie es in 3 dargestellt ist, betrieben wird. Folglich wird unter Verwendung des Abgasumgehungsdurchgangs 5 als den Abgasdurchgang, um das Abgas zu veranlassen, die Abgasturbine 15 zu umgehen, die Wirkung bereitgestellt, dass ein Abgaswiderstand verringert wird, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsperformanz zu verbessern.
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Auf der anderen Seite, wenn ein Betriebszustand der Verbrennungsmaschine vom Punkt A zum Punkt B, die in 3 dargestellt sind, geändert wird, ist der Punkt B in einem Bereich enthalten, in dem eine Verdichtung erforderlich ist. Folglich ist es notwendig, den Abgasumgehungsdurchgang 5 mittels des Abgasströmungsrateneinstellmittels 6 rasch zu schließen, um die Abgasturbine 15 mit der Abgasenergie zu drehen.
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Ein spezifischer Betriebsablauf zu dieser Zeit wird mit Bezug auf 4 beschrieben. 4 ist ein Ablaufdiagramm, wenn der Betriebszustand der Verbrennungsmaschine vom Punkt A zum Punkt B, der die in 3 dargestellt sind, übergeht.
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Zu einer Zeit t0 wird eine Beschleunigung durch Betätigung eines Gashebels begonnen, der durch einen Fahrer ausgeführt wird. Zu einer Zeit t1 beginnt mit einer Erhöhung des Öffnungsgrads des Gashebels eine Erhöhung eines Drucks eines Ansaugrohrs. Zu dieser Zeit, in dem Fall, in dem beurteilt wird, dass die Verdichtung erforderlich ist, wird der Abgasumgehungsdurchgang 5 geschlossen, wie es in 4 dargestellt ist. Ferner wird zu dieser Zeit gemäß dem Grad der Beschleunigung beurteilt, ob oder ob nicht eine Elektromotorunterstützung auszuführen ist. Wenn die Elektromotorunterstützung erforderlich ist, wird die Elektromotorunterstützung mit einer elektrischen Energie ausgeführt.
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Zu einer Zeit t2, wenn der Druck des Ansaugrohrs den Zielverdichtungsdruck erreicht und ein ausreichender Betrag der Abgasenergie erhalten wird, wird die Unterstützungskraft des Elektromotors 14 verringert, ohne Verringerung des Drucks des Ansaugrohrs.
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Zu einer Zeit t3, wenn beurteilt wird, dass der Zieldruck des Abgasrohrs allein durch die Abgasenergie beibehalten werden kann, wird eine Anregung des Elektromotors 14 gestoppt, um die Verdichtung allein mit der Abgasenergie auszuführen.
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Der Arbeitsablauf wird weiter mit Rückkehr zum Flussdiagramm der 2 beschrieben.
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Im Schritt S203 wird aus dem Betriebszustand der Maschine 1 beurteilt, ob oder ob nicht eine Verdichtung erforderlich ist. Der Ablauf in diesem Schritt ist so, wie oben beschrieben. Wenn keine Verdichtung erforderlich ist, fährt der Arbeitsablauf mit dem Schritt S205 fort. Auf der anderen Seite, wenn eine Verdichtung erforderlich ist, fährt der Arbeitsablauf mit dem Schritt S204 fort.
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Im Schritt S204 wird der Abgasumgehungsdurchgang 5 rasch geschlossen, um das Abgas zu veranlassen, zur Abgasturbine 15 zu strömen. Auf diese Weise arbeitet der elektrische Verdichter, um die Verdichtung unter Verwendung der Abgasenergie auszuführen.
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Im Schritt S205 wird der Abgasumgehungsdurchgang 5 geöffnet. Auf diese Weise wird der elektrische Verdichter betrieben, um zu vermeiden, dass die Abgasturbine 15 als Abgaswiderstand wirkt.
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Daneben kann die Maschine 1 beispielsweise ein Drosselpositionsdetektionsmittel zum Detektieren einer Drosselposition eines Treibers (driver) enthalten. Der Unterstützungsbetrag von dem Elektromotor 14 kann bestimmt werden und der Abgasumgehungsdurchgang 5 kann gemäß einer Ausgabe des Drosselpositionsdetektionsmittels geschlossen werden.
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Daneben kann die Maschine 1 beispielsweise ein Detektionsmittel des atmosphärischen Drucks zum Detektieren eines atmosphärischen Drucks und ein Ansaugrohrdruckdetektionsmittel zum Detektieren eines Drucks eines Ansaugrohrs enthalten. Der Abgasumgehungsdurchgang 5 kann gemäß einer Ausgabe des Detektionsmittels des atmosphärischen Drucks und einer Ausgabe des Ansaugrohrdetektionsmittels geschlossen werden.
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Danben kann die Maschine 1 beispielsweise ein Hochlastzustand-Detektionsmittel der Verbrennungsmaschine zum Detektieren eines Hochlastzustands der Verbrennungsmaschine enthalten. Wenn die Maschine 1 in dem Hochlastzustand betrieben wird, kann der Abgasumgehungsdurchgang 5 geöffnet werden, um einen Rückdruck zu verringern, wenn der Rückdruck übermäßig groß wird, wobei der Abgasumgehungsdurchgang 5 geschlossen ist.
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Erfindungsgemäß weist die Maschine 1 ein Verbrennungsmaschinen-Warmlaufzustand-Detektionsmittel zum Detektieren eines Warmlaufzustands der Verbrennungsmaschine enthalten. Wenn ein Warmlaufen erforderlich ist, da die Maschine 1 gerade erste gestartet wurde, wird der Abgasumgehungsdurchgang 5 geschlossen, um den Abgaswiderstand kontinuierlich zu erhöhen. Auf diese Weise kann das Warmlaufen der Verbrennungsmaschine früher beendet werden. Folglich kann die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsperformanz durch Erhöhen des Abgaswiderstands verbessert werden, wenn ein Warmlaufen erforderlich ist. Wie es oben beschrieben ist, wenn erforderlich ist, dass die Verbrennungsmaschine warmläuft oder dergleichen, kann der Abgasumgehungsdurchgang 5 geschlossen werden, selbst wenn keine Verdichtung erforderlich ist.
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Wie es oben beschrieben ist, wird das Abgasströmungsrateneinstellmittel 6 gemäß verschiedener Bedingungen gesteuert. Folglich kann ein optimaler Ladedruck erhalten werden. Ferner, wenn kein Verdichten erforderlich ist, wird das Abgas veranlasst, durch den Abgasumgehungsdurchgang 5 zu treten, um den Abgaswiderstand durch die Abgasturbine 15 zu verringern. Auf diese Weise kann die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsperformanz verbessert werden.
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Das Abgasströmungsradeinstellmittel 6 kann mittels eines elektrisch angetriebenen elektromagnetischen Ventils, eines Sperrventils oder dergleichen realisiert werden.
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Wie es oben beschrieben ist, wird gemäß dieser Ausführungsform, wenn die Verdichtung, die von dem Motorverdichter ausgeführt wird, nicht erforderlich ist, der Abgasstrom veranlasst, die Abgasturbine 15 zu umgehen. Auf diese Weise wird der Abgaswiderstand verringert, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsperformanz zu verbessern. Auf der anderen Seite, wenn die Verdichtung, die von dem Motorverdichter ausgeführt wird, erforderlich ist, wird der Abgasumgehungsdurchgang 5 rasch geschlossen, um die Abgasturbine 15 durch das Abgas zu drehen. Auf diese Weise wird der Verdichter 13 mit der Kombination von zwei Energien, d. h. der Abgasenergie und der Energie des Elektromotors 14, gedreht, um den Ladedruck auf den Zielladedruck zu steuern. Folglich kann die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsperformanz verbessert werden.
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Obwohl der Betrieb der Steuereinheit 16 für den elektrischen Verdichter in dieser Ausführungsform beschrieben wurde, können dieselben Wirkungen erhalten werden, selbst wenn die Steuereinheit für den elektrischen Verdichter als ein einfacher Treiber zum Antreiben des Elektromotors 14 in dem Fall fungiert, in dem die Funktion der Steuereinheit für den elektrischen Verdichter, der oben beschrieben ist, beispielsweise für einen Computer der Maschine oder dergleichen bereitgestellt werden kann.
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Ferner wird in dieser Ausführungsform der Abgasumgehungsdurchgang 5 rasch geschlossen, wenn eine Verdichtung erforderlich ist. Allerdings kann die Maschine ein Abgasturbinendrehzahldetektionsmittel zum Detektieren der Drehzahl der Abgasturbine enthalten, um die Strömungsrate des Abgases einzustellen, das durch den Abgasumgehungsdurchgang 5 strömt, gemäß der Drehzahl der Abgasturbine. Durch Einstellen der Strömungsrate des Abgases in dem Abgasumgehungsdurchgang 5 gemäß der Drehzahl der Abgasturbine, wie es oben beschrieben ist, wird die Abgasturbine 15 auf Drehung gehalten (beispielsweise mit einer konstanten Umdrehungsrate von 20.000 U/min), ohne als Abgaswiderstand zu wirken. Auf diese Weise kann der Ladedruck schnell ansteigen. Folglich werden auch Wirkungen der Verbesserung des Fahrkomforts für den Fahrer erhalten.
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Ferner, nach dem Hindurchtreten durch den Katalysator, wird das Abgas in dem Abgasumgehungsdurchgang 5 zur Atmosphäre in dieser Ausführungsform direkt frei gelassen. Allerdings kann die vorliegende Erfindung auch unter Verwendung eines AGR-Durchgangs und eines AGR-Ventils ausgeführt werden. Daneben kann die vorliegende Erfindung auch unter Verwendung eines herkömmlichen vorhandenen Westabsperrventils ausgeführt werden. Folglich kann die vorliegende Erfindung in einer bekannten Struktur realisiert werden, die den Abgasumgehungsdurchgang zum Veranlassen des Abgases, die Abgasturbine 15 zu umgehen, aufbauen kann.
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Daneben kann beispielsweise, selbst mit einer Struktur, welche einen mechanischen Turbolader nach dem elektrischen Verdichter enthält, im Besonderen eine sog. Twin-Turbostruktur, dieselben Wirkungen erhalten werden.
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Obwohl diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung auf diese beispielhafte oben beschriebene Ausführungsform nicht beschränkt. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass verschieden Ausführungsformen innerhalb des Gegenstands der vorliegenden Erfindung möglich sind.