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Motoren können Turbolader verwenden, um Motordrehmoment und/oder Motorleistungsdichte zu verbessern. In einem Beispiel kann ein Turbolader einen Verdichter und eine Turbine, die durch eine Antriebswelle verbunden sind, enthalten, wobei die Turbine mit der Auslasskrümmerseite gekoppelt ist und der Verdichter mit der Ansaugkrümmerseite gekoppelt ist. Auf diese Weise führt die abgasgetriebene Turbine dem Verdichter Energie zu, um den Druck im Ansaugkrümmer (zum Beispiel Aufladung oder Aufladedruck) zu erhöhen und den Luftstrom in den Motor zu erhöhen. Die Aufladung kann durch Einstellung der die Turbine erreichenden Gasmenge, wie zum Beispiel mit einem Wastegate, gesteuert werden.
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Bei Anpassung eines Turboladers an einen Motor gibt es jedoch ständig Kompromisse zwischen Drehmomentleistungsgrenzen im unteren Drehzahlbereich aufgrund von Pumpen und durch Strömungsverluste und Turbinendimensionierung begrenzte Leistung im oberen Drehzahlbereich. Um diesen Problemen zu begegnen, können Vorrichtungen wie beispielsweise Einlassleitschaufeln (IGV – Inlet Guide Vanes), Verdichtergehäusenuten und Ummantelungsbehandlungen in das Turboladerdesign integriert werden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch erkannt, dass solche Vorrichtungen die Strömungsleistungsverluste im oberen Drehzahlbereich beeinträchtigen können, da solche Lösungsansätze in das Strömungsfeld oder die Grenzschicht eingreifen und zu Grenzen für die Verdichterströmungsleistung im oberen Drehzahlbereich, reduziertem Spitzenleistungsvermögen des Motors und Problemen hinsichtlich Geräuschen, Schwingungen und Rauigkeit (NVH – Noise Vibration and Harshness) führen können. Des Weiteren haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, dass Versuche, die Strömungsleistung eines Verdichters im oberen Drehzahlbereich über Einstellung des Raddurchmessers, des Aspektverhältnisses und des Fläche/Radius-Verhältnisses (A/R-Verhältnisses, A/R-area/radius) zu verbessern, das Leistungsvermögen im unteren Drehzahlbereich und das instationäre Ansprechverhalten des Motors auch beeinträchtigen können.
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Als Beispiel kann den obigen Problemen durch ein Verfahren zur Steuerung eines Verdichtereinlassstroms eines Motorturboladersystems begegnet werden, das Folgendes umfasst: Leiten von Luft von einer Hochdruckquelle zu einem Einlass stromaufwärts eines Verdichterrads über eine mit dem Einlass und der Hochdruckquelle gekoppelte Leitung, wobei die Leitung schräg mit dem Einlass gekoppelt ist.
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Auf diese Weise kann das Verdichtereinlassgeschwindigkeitsströmungsfeld maßgeschneidert und dazu gesteuert werden, den Wirkungsgrad des Verdichterrotors zu erhöhen, die Pumpreserve des Verdichters zu erhöhen, die NVH-Auswirkungen im unteren Drehzahlbereich, wie zum Beispiel Tip-in- und Tip-out-Rauschen, zu reduzieren, instationäre Ansprechverhaltenseigenschaften, wie zum Beispiel die Zeitspanne bis zum Drehmomentaufbau, zu verbessern und zum Beispiel mit eingreifenden Vorrichtungen verbundene Strömungsverlustwirkungen im oberen Drehzahlbereich auf ein Minimum zu reduzieren.
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Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung dazu vorgesehen ist, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands aufzeigen, dessen Schutzbereich einzig durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Des Weiteren ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem anderen Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile lösen.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines turboaufgeladenen Motors.
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2–3 zeigen beispielhafte Verdichtereinlassstromsteuersysteme gemäß der Offenbarung.
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4 zeigt beispielhafte Bypass-Einlässe stromaufwärts eines Verdichters.
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5 zeigt beispielhafte Verdichtereinlassgeschwindigkeitsdreiecke.
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6 zeigt eine beispielhafte Kopplungskonfiguration einer Bypass-Leitung mit einem Verdichter.
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7 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung des Verdichtereinlassstroms in einem Motorturboladersystem.
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Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zur Steuerung des Verdichtereinlassstroms in einem Turbolader eines Motors, wie zum Beispiel dem in 1 gezeigten Motor. Als Beispiel kann eine Verdichter-Bypass-Leitung, wie zum Beispiel in 2 gezeigt, verwendet werden, um Druckluft von stromabwärts des Verdichters zu dem Verdichtereinlass zu leiten. Als weiteres Beispiel kann eine Leitung verwendet werden, um Druckluft von einer Hochdruckquelle zu dem Verdichtereinlass zu leiten, wie in 3 gezeigt. Die Verdichter-Bypass-Leitungsausführung kann auf verschiedenen Komponenten des Verdichters basieren, wie zum Beispiel in 3 gezeigt, so dass das Verdichtereinlassgeschwindigkeitsströmungsfeld maßgeschneidert und dazu gesteuert werden kann, den Wirkungsgrad des Verdichterrotors zu erhöhen, die Pumpreserve des Verdichters zu erhöhen, die NVH-Auswirkungen, wie beispielweise das Tip-in- und Tip-out-Rauschen, im unteren Drehzahlbereich zu reduzieren, instationäre Ansprechverhaltenseigenschaften, wie zum Beispiel die Zeitspanne bis zum Drehmomentaufbau, zu verbessern und mit eingreifenden Vorrichtungen verbundene Strömungsverlustwirkungen im oberen Drehzahlbereich auf ein Minimum zu reduzieren.
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1 zeigt ein Beispiel für einen turboaufgeladenen Motor. Ein Verbrennungsmotor 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen ein Zylinder in 1 gezeigt, wird. Der Motor 10 kann Steuerparameter von einem die Steuerung 12 enthaltenden Steuersystem und Eingaben von einem Fahrzeugführer 130 über eine Eingabevorrichtung 132 erhalten. In diesem Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 132 ein Fahrpedal und einen Pedalstellungssensor 134 zur Erzeugung eines proportionalen Pedalstellungssignals PP. Der (hier auch als "Brennkammer" bezeichnete) Zylinder 14 des Motors 10 kann Brennkammerwände 136 mit darin positioniertem Kolben 138 enthalten. Der Kolben 138 kann mit der Kurbelwelle 140 verbunden sein, so dass eine Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt wird. Die Kurbelwelle 140 kann über ein Getriebesystem mit mindestens einem Antriebsrad des Personenkraftwagens gekoppelt sein. Des Weiteren kann ein Startermotor über ein Schwungrad mit der Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, um einen Startbetrieb des Motors 10 zu ermöglichen.
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Der Zylinder 14 kann Einlassluft über eine Reihe von Einlassluftleitungen 142, 144 und 146 empfangen. Die Einlassluftleitung 146 kann zusätzlich zu dem Zylinder 14 mit anderen Zylindern des Motors 10 in Verbindung stehen. Bei einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Einlassleitungen eine Turboladeraufladungsvorrichtung enthalten. Zum Beispiel ist der Motor 10 mit einem Turbolader konfiguriert, der einen zwischen den Einlassleitungen 142 und 144 angeordneten Verdichter 174 und eine zwischen den Auslassleitungen 148 und 149 angeordnete Auslassturbine 176 enthält. Insbesondere ist die Luftleitung 142 mit dem Verdichtereinlass verbunden, ist die Luftleitung 144 mit dem Verdichterauslass verbunden, ist die Auslassleitung 148 mit dem Turbineneinlass verbunden und ist die Auslassleitung 149 mit dem Turbinenauslass verbunden.
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Wie unten ausführlicher beschrieben, kann in einigen Beispielen eine Verdichter-Bypass-Leitung 175 in den Lufteinlassleitungen 142 und 144 enthalten und dazu konfiguriert sein, Luftstrom vom stromabwärtigen Verdichter 174 abzuziehen und Verdichter-Bypass-Luft zu einem stromaufwärts des Verdichters 174 positionierten Einlass zu leiten. In einigen Beispielen kann die Verdichter-Bypass-Leitung 175 eine darin angeordnete Dosiervorrichtung 179, zum Beispiel ein Verdichter-Bypass-Ventil, eine Öffnung usw., enthalten. In anderen Beispielen kann die Leitung 175, wie in nachstehend beschriebener 3 gezeigt, mit einer Hochdruckluftquelle, zum Beispiel einem externen Pumpenspeicher, Doppelturboanwendungen usw., gekoppelt sein, so dass Hochdruckluft zur Einlassleitung 142 stromaufwärts des Verdichters 174 geleitet werden kann.
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Der Verdichter 174 kann zumindest teilweise von der Auslassturbine 176 über eine Welle 180 angetrieben werden. Das Wastegate 177 enthält einen Weg, über den Abgase von der Auslassleitung 148 von der Turbine 176 weg zur Auslassleitung 149 strömen können. Die durch die Turbine 176 zugeführte Energie kann durch Steuerung der Abgasmenge, die die Turbine 176 von der Auslassleitung 148 erreicht, gesteuert werden. Insbesondere kann der Ladedruck durch das von der Steuerung 12 empfangene WGC-Signal durch Modulieren eines Öffnungsgrads und/oder einer Öffnungsdauer eines Wastegate-Ventils eingestellt werden.
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Bei der beispielhaften Ausführungsform wird das Wastegate 177 pneumatisch betätigt, um das Wastegate-Ventil und daher den Ladedruck zu steuern. Das Wastegate 177 umfasst bei der so genannten Wastegate-Konfiguration auf "Aufladungsbasis" ein Solenoidventil mit einem (nicht gezeigten) ersten Kanal, der mit der Einlassleitung 146 verbunden ist, und einem (nicht gezeigten) zweiten Kanal, der mit einer Einlassleitung auf Atmosphärendruck verbunden ist, wie z. B. der Einlassleitung 142. Der Druck des ersten Kanals liegt auf dem Ladedruck und kann mit dem Sensor 125 gemessen werden. Der Messwert kann über das TIP-Signal zur Steuerung 12 gesandt werden. Der Atmosphärendruck kann durch den Sensor 123 gemessen werden und der Messwert kann über das PA-Signal zur Steuerung 12 übertragen werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist das Wastegate-Ventil normalerweise geschlossen, aber die durch den Ladedruck gelieferte Kraft kann zum Öffnen des Wastegate-Ventils verwendet werden.
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Eine Drosselklappe 162 mit einer Drosselplatte 164 kann entlang einer Einlassleitung des Motors zum Ändern der Durchflussrate und/oder des Drucks der den Motorzylindern zugeführten Einlassluft vorgesehen sein. Die Drosselklappe 162 kann beispielsweise stromabwärts des Verdichters 174 angeordnet sein, wie in 1 gezeigt, oder kann alternativ stromaufwärts des Verdichters 174 vorgesehen sein.
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Die Auslassleitung 148 kann Abgase von anderen Zylindern des Motors 10 zusätzlich zum Zylinder 14 empfangen. Ein Abgassensor 128 ist in der Darstellung mit der Auslassleitung 148 stromaufwärts der Turbine 176 und der Abgasreinigungsvorrichtung 178 gekoppelt. Der Sensor 128 kann aus verschiedenen geeigneten Sensoren zum Vorsehen einer Anzeige des Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, wie zum Beispiel einem linearen Sauerstoffsensor oder UEGO (universal oder wide-range exhaust gas oxygen), einem Zweizustands-Sauerstoffsensor oder einem EGO-Sensor, einem NOx-, einem HC- oder einem CO-Sensor, ausgewählt werden. Die Abgasreinigungsvorrichtung 178 kann ein Dreiwegekatalysator (TWC – three way catalyst), eine NOx-Falle, verschiedene andere Abgasreinigungsanlagen oder Kombinationen daraus sein.
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Die Abgastemperatur kann durch einen oder mehrere (nicht gezeigte) Temperatursensoren, die in den Auslassleitungen 148 und 149 positioniert sind, geschätzt werden. Als Alternative dazu kann die Abgastemperatur auf Grundlage von Motorbetriebsbedingungen, wie zum Beispiel Drehzahl, Last, Luft-/Kraftstoff-Verhältnis (AFR – air-fuel ratio), Zündfunkenverstellung nach spät usw. abgeleitet werden. Des Weiteren kann die Abgastemperatur durch einen oder mehrere Abgassensoren 128 berechnet werden. Es versteht sich, dass die Abgastemperatur als Alternative auch durch eine beliebige Kombination von hier angeführten Temperaturschätzungsverfahren geschätzt werden kann.
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Jeder Zylinder des Motors 10 kann ein oder mehrere Einlassventile oder ein oder mehrere Auslassventile enthalten. Zum Beispiel enthält der Zylinder 14 in der Darstellung mindestens ein Einlasstellerventil 150 und mindestens ein Auslasstellerventil 156, die in einem oberen Bereich des Zylinders 14 angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Motors 10, darunter der Zylinder 14, mindestens zwei Einlasstellerventile und mindestens zwei Auslasstellerventile, die in einem oberen Bereich des Zylinders positioniert sind, enthalten. Das Öffnen und Schließen der Ventile kann durch hydraulisch betätigte Heber, die mit Ventilstößelstangen gekoppelt sind, oder durch einen Nockenprofilschaltmechanismus gesteuert werden. Zum Beispiel können das Einlassventil 150 und das Auslassventil 156 durch Nockenbetätigung über jeweilige Nockenbetätigungssysteme 151 und 153 gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 151 und 153 können jeweils einen oder mehrere Nocken enthalten und können ein Nockenprofilumschaltungs-(CPS-) und/oder ein variables Nockensteuerungs-(VCT-) und/oder ein variables Ventilsteuerungs-(VVT-) und/oder ein variables Ventilhub-(VVL-)System zur Änderung des Ventilbetriebs verwenden, die durch die Steuerung 12 betätigt werden können. Die Position des Einlassventils 150 und des Auslassventils 156 kann durch einen Ventilpositionssensor 155 bzw. 157 bestimmt werden. Bei anderen Ausführungsformen können das Einlassventil und/oder das Auslassventil durch elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Der Zylinder 14 kann als Alternative zum Beispiel ein über elektrische Ventilbetätigung gesteuertes Einlassventil und ein über Nockenbetätigung, darunter CPS- und/oder VCT-Systeme, gesteuertes Auslassventil enthalten. In einem speziellen Beispiel kann eine unabhängige variable Doppelnockenwellenverstellung verwendet werden, wobei sowohl der Einlass- als auch der Auslassnocken durch das Steuersystem unabhängig eingestellt werden können.
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Bei einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Motors 10 eine Zündkerze 192 zur Einleitung von Verbrennung enthalten. Das Zündsystem 190 kann der Brennkammer 14 unter gewählten Betriebsbedingungen über die Zündkerze 192 als Reaktion auf ein Zündfrühverstellungssignal SA von der Steuerung 12 einen Zündfunken zuführen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Zündkerze 192 jedoch auch weggelassen werden, zum Beispiel wenn der Motor 10 Verbrennung durch Kompressionszündung oder durch Einspritzung von Kraftstoff einleiten kann, wie bei einigen Dieselmotoren der Fall sein kann.
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Bei einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Motors 10 mit einem oder mehreren Kraftstoffeinspritzventilen zum Zuführen von Kraftstoff zu diesem konfiguriert sein. Als nicht einschränkendes Beispiel wird der Zylinder 14 mit einem Kraftstoffeinspritzventil 166 gezeigt. Das Kraftstoffeinspritzventil 166 ist direkt mit dem Zylinder 14 gekoppelt gezeigt, um Kraftstoff direkt in diesen proportional zur Impulsbreite eines Signals FPW-1, das von der Steuerung 12 über einen elektronischen Treiber 168 empfangen wird, einzuspritzen. Auf diese Weise stellt das Kraftstoffeinspritzventil 166 die so genannte Direkteinspritzung (im Folgenden als "DI" (direct injection) bezeichnet) von Kraftstoff in den Verbrennungszylinder 14 bereit. Obgleich 1 das Einspritzventil 166 als ein Seiteneinspritzventil zeigt, kann es auch oben über dem Kolben positioniert sein, wie zum Beispiel in der Nähe der Position der Zündkerze 192. Solch eine Position kann bei Betrieb des Motors mit einem Kraftstoff auf Alkoholbasis die Mischung und Verbrennung aufgrund der geringeren Flüchtigkeit einiger Kraftstoffe auf Alkoholbasis verbessern. Als Alternative dazu kann das Einspritzventil oben liegend und in der Nähe des Einlassventils positioniert sein, um das Mischen zu verbessern. Kraftstoff kann dem Kraftstoffeinspritzventil 166 von einem Hochdruckkraftstoffsystem 8, das Kraftstofftanks, Kraftstoffpumpen und eine Kraftstoff-Verteilerleitung enthält, zugeführt werden. Als Alternative dazu kann Kraftstoff durch eine einstufige Kraftstoffpumpe auf niedrigerem Druck zugeführt werden, wobei dann der Zeitpunkt der Kraftstoffdirekteinspritzung während des Verdichtungshubs begrenzter sein kann als wenn ein Hochdruckkraftstoffsystem verwendet wird. Obgleich dies nicht gezeigt ist, können die Kraftstofftanks des Weiteren einen Druckwandler aufweisen, der der Steuerung 12 ein Signal zuführt. Es versteht sich, dass das Einspritzventil 166 bei einer anderen Ausführungsform ein Kanal-Einspritzventil sein kann, das Kraftstoff stromaufwärts des Zylinders 14 in den Einlasskanal liefert.
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Die Steuerung 12 wird in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 106, Einlass-/Ausgangs-Ports 108, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem speziellen Beispiel als ein Nurlesespeicherchip (ROM) 110 gezeigt wird, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 112, einen Erhaltungsspeicher (KAM) 114 und einen Datenbus enthält. Das Nurlesespeicher-110-Speichermedium kann mit computerlesbaren Daten programmiert sein, die Anweisungen darstellen, welche von dem Prozessor 102 ausgeführt werden können, um die unten beschriebenen Verfahren sowie andere Varianten, die erwartet werden, aber nicht speziell angeführt sind, durchzuführen. Die Steuerung 12 kann neben den zuvor besprochenen Signalen verschiedene Signale von mit des Motors 10 gekoppelten Sensoren erhalten, darunter Messung der eingeleiteten Luftmasse (MAF – mass air flow) von dem Luftmassensensor 122; die Motorkühlmitteltemperatur (ECT – engine coolant temperature) von dem mit der Kühlhülse 118 gekoppelten Temperatursensor 116; ein Profilzündungsaufnahmesignal (PIP – profile ignition pickup signal) von dem mit der Kurbelwelle 140 gekoppelten Hall-Sensor 120 (oder Sensor anderer Art); die Drosselstellung (TP – throttle position) von einem Drosselstellungssensor; Drosseleinlassdruck (TIP – throttle inlet pressure) vom Sensor 125 und ein Absolutkrümmerdrucksignal (MAP – manifold pressure signal) vom Sensor 124. Das Motordrehzahlsignal RPM (Revolutions per Minute) kann von der Steuerung 12 aus dem Signal PIP generiert werden. Des Weiteren können die Kurbelwellenstellung sowie die Kurbelwellenbeschleunigung und Kurbelwellenschwingungen auch auf Grundlage des PIP-Signals identifiziert werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von dem Krümmerdrucksensor 124 kann dazu verwendet werden, eine Angabe hinsichtlich Vakuum oder Druck in dem Ansaugkrümmer zu liefern. Des Weiteren kann Krümmerdruck auf Grundlage anderer Betriebsparameter, wie zum Beispiel auf Grundlage von MAF und RPM, geschätzt werden.
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Nunmehr auf 2 Bezug nehmend, wird ein Schemadiagramm eines Verdichter-Bypass-Systems 175 gezeigt. Das Verdichter-Bypass-System 175 enthält eine Bypass-Leitung 202, die stromaufwärts des Verdichters 174 mit der Einlassleitung 142 gekoppelt ist und stromabwärts des Verdichters 174 mit der Einlassleitung 144 gekoppelt ist. Insbesondere ist die Bypass-Leitung 202 an einer Einlassstromsteuerungseingangsstelle 204 stromaufwärts des Verdichters 174 mit der Einlassleitung 142 gekoppelt und stromabwärts des Verdichters 174 mit einer Auslassstromsteuerungsextraktionsstelle 206 gekoppelt. In anderen Beispielen kann die Bypass-Leitung 202 jedoch auch stromabwärts des Verdichters 174 mit verschiedenen anderen Komponenten gekoppelt sein. Zum Beispiel kann die Bypass-Leitung 202 mit einem Ansaugkrümmer in einem Motor, einem im Einlass gekoppelten Ladeluftkühler usw. gekoppelt sein.
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Die Verdichter-Bypass-Leitung leitet Hochdruckauslassluft von stromabwärts des Verdichters zu der Leitung 142, so dass Hochdruckluft mit der Niederdruckeinlassluft durch die Einlassleitung 142 gemischt wird. Auf diese Weise kann eine Vergrößerung des den Verdichter 174 treibenden Luftstroms erreicht werden.
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In einigen Beispielen kann die Bypass-Leitung 202 des Weiteren eine Dosiervorrichtung 179 enthalten, die darin zwischen dem Auslass stromabwärts des Verdichters und dem Einlass stromaufwärts des Verdichters positioniert ist, so dass eine Bypass-Luftmenge eingestellt werden kann. Die Dosiervorrichtung 179 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung zur passiven oder aktiven Steuerung des Luftstroms durch die Bypass-Leitung sein, zum Beispiel ein Verdichter-Bypass-Ventil oder eine Öffnung. Die Dosiervorrichtung 179 kann durch die Steuerung 12 gesteuert werden und kann als Reaktion auf verschiedene Motorbetriebsbedingungen, zum Beispiel Aufladungsanforderungen, Drosselklappenänderungen. Motorlast, Tip-in oder Tip-out usw. eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Dosiervorrichtung 179 als Reaktion auf einen Turbolader-Hochlaufzustand eingestellt werden, um eine die Bypass-Leitung 202 durchströmende Luftmenge zu vergrößern und wiederum die Ansprechzeit des Verdichters 174 zu verkürzen.
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Nunmehr auf 3 Bezug nehmen, wird ein Schemadiagramm einer anderen Ausführungsform eines Verdichtereinlassstromsteuersystems 175 gezeigt. Das Verdichtereinlassstromsteuersystem 175 enthält eine stromaufwärts des Verdichters 174 mit der Einlassleitung 142 und mit einer Hochdruckquelle 181 gekoppelte Leitung 202. Die Hochdruckluftquelle 181 kann eine beliebige geeignete Hochdruckluftquelle sein, zum Beispiel ein externer Pumpenspeicher, Doppelturboanwendungen usw., so dass Hochdruckluft zu dem Einlass 142 stromaufwärts des Verdichters 174 geleitet werden kann.
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Insbesondere ist die Leitung 202 an einer Einlassstromsteuerungseingangsstelle 204 stromaufwärts des Verdichters 174 mit der Einlassleitung 142 gekoppelt und mit einer Auslassstromsteuerungsextraktionsstelle an der Hochdruckquelle 181 gekoppelt.
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Die Verdichter-Bypass-Leitung leitet Hochdruckauslassluft von der Hochdruckquelle 181 zu der Leitung 142, so dass die Hochdruckluft mit der Niederdruckeinlassluft, die durch die Einlassleitung 142 strömt, vermischt wird. Auf diese Weise kann eine Vergrößerung des den Verdichter 174 treibenden Luftstroms erreicht werden.
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Wie oben beschrieben, kann die Leitung 202 in einigen Beispielen eine Dosiervorrichtung 179 enthalten, die darin zwischen der Hochdruckquelle 181 und dem Einlass stromaufwärts des Verdichters angeordnet ist, so dass eine stromaufwärts des Verdichters 174 zugeführte Hochdruckluftmenge eingestellt werden kann.
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Wie oben angemerkt, kann die Verdichtereinlassstromsteuersystemausführung auf verschiedenen Komponenten des Verdichters basieren, so dass das Verdichtereinlassgeschwindigkeitsströmungsfeld vorteilhaft maßgeschneidert und dazu gesteuert werden kann, den Wirkungsgrad des Verdichterbetriebs zu erhöhen. Somit zeigt 4 beispielhafte Kopplungskonfigurationen der Bypass-Leitung 202 und des Bypass-Einlasses 204 stromaufwärts des Verdichters 174. Insbesondere kann die Bypass-Leitung 202 auf verschiedenste Weisen mit dem Bypass-Einlass 204 gekoppelt sein, um in den Verdichter 174 eintretenden Luftstrom zu vergrößern und/oder zu beschleunigen, und kann somit auf verschiedenen Komponenten des Verdichters 174, zum Beispiel auf einem Schaufelanströmwinkel, wie unten beschrieben, basieren.
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Zum Beispiel kann ein Eintrittswinkel 302 zwischen einer mittleren Achse 303 der Bypass-Leitung 202 und einer mittleren Achse 318 des Verdichters 174 gewählt werden, um eine Menge und/oder Richtung der in den Verdichter 174 eintretenden Bypass-Gase maßzuschneidern. Als Beispiel kann der Eintrittswinkel 302 im Wesentlichen 90° betragen, so dass die Bypass-Leitung 202 im Wesentlichen senkrecht zu einer Außenfläche der Einlassleitung 142 mit dem Einlass 204 gekoppelt ist. Als anderes Beispiel kann der Eintrittswinkel 302 ein vorbestimmter Winkel ungleich null von unter 90° sein, so dass stromaufwärts des Verdichters 174 in den Einlass 142 eintretende Bypass-Luft stromabwärts zum Verdichter 174 geleitet wird. Als weiteres Beispiel kann der Eintrittswinkel 302 ein vorbestimmter Winkel ungleich null von über 90° sein, so dass stromaufwärts des Verdichters 174 in den Einlass 142 eintretende Bypass-Luft stromaufwärts von dem Verdichter 174 weg geleitet wird.
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Beispielhafte Querschnittskonfigurationen einer Kopplung zwischen der Bypass-Leitung 202 und dem Einlass 204 werden bei 304 und 306 gezeigt. Insbesondere sind die bei 304 und 306 gezeigten beispielhaften Konfigurationen Querschnitte A-A der Einlassleitung 142. Die Querschnitte A-A verlaufen senkrecht zur mittleren Achse 318 des Kompressors 174. Als erstes Beispiel kann die Bypass-Leitung 202, wie bei 304 gezeigt, tangential zu einem Umfang 305 der Einlassleitung 142 mit dem Einlass 204 gekoppelt sein, so dass stromaufwärts des Verdichters 174 in die Einlassleitung 142 eintretende Bypass-Luft einen Drall oder einen anderen Luftdruckgradienten in der in den Verdichter 174 eintretenden Luft um die mittlere Achse 318 erzeugen kann. Zum Beispiel kann ein Strömungsfeld 308 von Luft stromaufwärts des Einlasses 204 in der Einlassleitung 142 im Wesentlichen gleichförmig und gegebenenfalls ohne wesentliche Druckgradienten, wie zum Beispiel Drall, sein. Bei der bei 304 gezeigten Konfiguration ist ein Strömungsfeld 310 von Luft stromabwärts des Einlasses 204 jedoch möglicherweise nicht gleichförmig und kann Druckgradienten, wie zum Beispiel einen Drallgradienten, enthalten. Als anderes Beispiel kann die Bypass-Leitung 202, wie bei 306 gezeigt, senkrecht zum Umfang 305 der Einlassleitung 142 mit dem Einlass 204 gekoppelt sein, so dass stromaufwärts des Verdichters 174 in die Einlassleitung 142 eintretende Bypass-Luft einen erhöhten Luftdruckgradienten in einer Nähe des Einlasses 204 erzeugen kann.
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Wie oben angemerkt, kann die Konfiguration der Kopplung zwischen der Bypass-Leitung 202 und dem Einlass 204 auf Grundlage verschiedener Komponenten des Verdichters 174 vorbestimmt sein. Zum Beispiel enthält der Verdichter 174 ein Rotorgehäuse 312, das einen Rotor oder Verdichterschaufeln 314 enthält. Jede Verdichterschaufel kann einen Schaufelwinkel 316 bezüglich der mittleren Achse 318 des Verdichters 174 bilden. Somit kann die Bypass-Leitung 202 in einigen Beispielen in einem vorbestimmten Winkel 302 von der mittleren Achse 318 des Verdichters schräg mit dem Einlass 204 gekoppelt sein. Wie in der unten beschriebenen 6 gezeigt, kann die Kopplung der Bypass-Leitung 202 mit dem Einlass 204 des Weiteren von der mittleren Achse 318 radial versetzt sein, so dass die Bypass-Leitung 202 nicht in den in den Verdichter 174 eintretenden Luftstrom eingreift. In einigen Beispielen kann der vorbestimmte Winkel 302 des Weiteren nicht nur auf dem Verdichterschaufelanströmwinkel 316 des Verdichters 174 basieren, sondern auch auf einer Sollverdichtereinlassdurchflussrate.
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Der Winkel 302 kann zum Beispiel so gewählt werden, dass sich die Bypass-Leitung 202 in einem im Wesentlichen ähnlichen Winkel wie die Verdichterschaufeln 314 befindet, so dass nahezu konstanter Luftstrom zu den Verdichterschaufeln geleitet wird. Als anderes Beispiel kann der Winkel 302 so gewählt werden, dass die Bypass-Leitung 202 einen kleineren Winkel als die Verdichterschaufeln 314 bildet, so dass ein kleinerer Luftstrom die Verdichterschaufeln anströmt. Als weiteres Beispiel kann der Winkel 302 so gewählt werden, dass die Bypass-Leitung 202 einen größeren Winkel als die Verdichterschaufeln 314 bildet, so dass ein größerer oder stärker beschleunigter Luftstrom die Verdichterschaufeln anströmt.
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Ebenso können in einigen Beispielen Kopplungskonfigurationen der Bypass-Leitung 202 und des Bypass-Auslasses 206 stromabwärts des Verdichters 174 auf Grundlage verschiedener Faktoren gewählt werden. Zum Beispiel kann der Winkel, den die Bypass-Leitung 202 mit dem Bypass-Auslass 206 bildet, auf einer Soll-Bypass-Durchflussrate basieren.
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5 zeigt beispielhafte Verdichtereinlassgeschwindigkeitsdreiecke, die eine beispielhafte Konfiguration ohne ein Verdichtereinlassstromsteuersystem, bei 501 gezeigt, mit beispielhaften Konfigurationen mit einem Verdichtereinlassstromsteuersystem, bei 503 und 505 gezeigt, vergleichen. In 5 ist ω eine Drehzahl des Verdichters 174 um die mittlere Achse 318, U ist die Verdichterspitzengeschwindigkeit, V ist der Einlassstromgeschwindigkeitsvektor, W ist der relative Einlassstromvektor zur Verdichterschaufel und Φ ist ein Anströmwinkel der Kopplung der Leitung 202 mit der Einlassleitung 142 stromaufwärts des Verdichters 174.
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Die bei 501 gezeigte Konfiguration enthält kein Verdichtereinlassstromsteuersystem und ist zum Vergleich mit aufgeführt. Das Geschwindigkeitsdreieck 507 entspricht der Konfiguration 501. Die bei 503 gezeigte Konfiguration enthält ein Verdichtereinlassstromsteuersystem, das eine stromaufwärts des Verdichters 174 mit dem Einlass 204 gekoppelte Leitung 202 enthält. Bei der Konfiguration 503 ist die Leitung 202 senkrecht zur Einlassleitung 142 mit dem Einlass 204 gekoppelt, wie zum Beispiel bei 306 in der oben beschriebenen 4 gezeigt. Wie in dem Geschwindigkeitsdreieck 509 gezeigt, das der Konfiguration 503 entspricht, sind der Einlassstromgeschwindigkeitsvektor V und der relative Einlassstromvektor zur Verdichterschaufel W bezüglich des Einlassstromgeschwindigkeitsvektors V und des relativen Einlassstromvektors zur Verdichterschaufel W im Geschwindigkeitsdreieck 507, das Konfiguration 501 entspricht, vergrößert. Bei beiden Konfigurationen bleibt die Verdichterspitzengeschwindigkeit U jedoch im Wesentlichen unverändert. Diese Vergrößerung des Einlassstromgeschwindigkeitsvektors V und des relativen Einlassstromvektors zur Verdichterschaufel W können zu einem verbesserten instationären Ansprechverhalten oder einer verkürzten Hochlaufzeit des Verdichters 174 unter zum Beispiel Tip-in- oder Tip-out-Bedingungen führen.
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Die bei 505 gezeigte Konfiguration enthält ein Verdichtereinlassstromsteuersystem, das eine stromaufwärts des Verdichters 174 mit dem Einlass 204 gekoppelte Leitung 202 enthält. Bei der Konfiguration 505 ist die Leitung 202 in einem Winkel Φ, der zur Optimierung des Verdichterschaufelanströmwinkels bestimmt werden kann, wie oben unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, mit dem Einlass 204 gekoppelt. Wie in dem Geschwindigkeitsdreieck 511 gezeigt, das der Konfiguration 505 entspricht, sind der Einlassstromgeschwindigkeitsvektor V und der relative Einlassstromvektor zur Verdichterschaufel W bezüglich des Einlassstromgeschwindigkeitsvektors V und des relativen Einlassstromvektors zur Verdichterschaufel W im Geschwindigkeitsdreieck 509, das Konfiguration 503 entspricht, vergrößert. Das der Konfiguration 505 entsprechende Geschwindigkeitsdreieck 511 kann zu einem effizienteren Luftstrom führen, der dem Verdichter 174 zugeführt wird, da Φ so bestimmt wird, dass in den Einlass 204 eintretende Hochdruckluft die Verdichterschaufeln anströmt. Diese Vergrößerung des Einlassstromgeschwindigkeitsvektors V und des relativen Einlassstromvektors zur Verdichterschaufel W kann zu einem verbesserten instationären Ansprechverhalten oder einer verkürzten Hochlaufzeit des Verdichters 174 zum Beispiel unter Tip-in- oder Tip-out-Bedingungen führen.
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6 zeigt eine beispielhafte Kopplungskonfiguration 400 der Bypass-Leitung 202 mit einem stromaufwärts des Verdichters 174 im Einlass 142 angeordneten Einlass 204. Die beispielhafte Konfiguration 400 ist ungefähr maßstäblich gezeigt. Wie in 6 gezeigt, ist die Bypass-Leitung 202 schräg mit dem Einlass 204 gekoppelt, so dass die Bypass-Leitung weder parallel noch senkrecht zur mittleren Achse 318 des Verdichters 174 verläuft. Weiterhin kann die Bypass-Leitung 202 in einigen Beispielen, wie in 6 gezeigt, zumindest teilweise um einen Umfang 205 der Einlassleitung 142 gekrümmt sein, um Packaging-Zwänge zu vermindern und Umfangsluftgradienten in der in den Verdichter 174 eintretenden Luft zu vergrößern.
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Insbesondere ist die Bypass-Leitung 202 stromabwärts des Verdichters 174 am Auslass 206 mit der Leitung 144 gekoppelt. In einigen Beispielen kann eine mittlere Achse 303 der Bypass-Leitung 202 neben dem Auslass 206, wie in 6 gezeigt, im Wesentlichen senkrecht zu einer mittleren Achse 404 der Leitung 144 verlaufen. Die Leitung 144 krümmt sich um den Verdichter 179, und in einigen Beispielen kann eine Krümmung der mittleren Achse 303 der Bypass-Leitung 202, wie in 6 gezeigt, im Wesentlichen die gleiche sein wie eine Krümmung eines Teils der mittleren Achse 404 der Leitung 406, zum Beispiel in einem Bereich der Leitung 144 neben dem Verdichterkörper bei 406.
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Die Bypass-Leitung ist an einem Einlass 204 stromaufwärts des Verdichters 174 mit der Einlassleitung 142 gekoppelt und ist von einer mittleren Achse 318 der Leitung 142 radial versetzt, so dass die Bypass-Leitung nicht in den über die Leitung 142 in den Verdichter 174 eintretenden Luftstrom eingreift. Des Weiteren ist die Bypass-Leitung 202 in einem Winkel 302 mit der Leitung 142 gekoppelt, so dass ein Abstand der Kopplung der Bypass-Leitung 202 mit dem Einlass 204 von dem Körper des Verdichters 174 kleiner ist als ein Abstand der Kopplung der Bypass-Leitung 202 mit dem Auslass 206 in der Leitung 144.
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Wie oben angemerkt, kann die mittlere Achse 404 der Leitung 144 des Weiteren eine Krümmung aufweisen, die den Körper des Verdichters 174 umgibt. In einigen Beispielen kann die mittlere Achse 303 der Bypass-Leitung 202 eine Krümmung aufweisen, die ähnlich ist wie die Krümmung der Leitung 144 am Verdichterkörper, zum Beispiel nahe 406. Auf diese Weise kann über die Bypass-Leitung 202 in die Einlassleitung 142 eintretender Luftstrom entlang einem gekrümmten Strömungsweg um die mittlere Achse 318 der Einlassleitung 142 herum durch den Verdichter geleitet werden.
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Durch eingriffsfreie Bypass-Leitungskonfigurationen können Kosten für Komponenten reduziert werden, während der Wirkungsgrad des Turboladerbetriebs unter gewählten Motorbetriebsbedingungen, wie zum Beispiel Tip-in, Tip-out, Hochlaufen des Turboladers, Motorlaständerungen usw. erhöht wird. 7 zeigt zum Beispiel ein beispielhaftes Verfahren 700 zur Steuerung des Verdichtereinlassstroms in einem Motorturboladersystem.
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Bei 702 umfasst das Verfahren Leiten von Luft von einem Auslass stromabwärts eines Verdichters, zum Beispiel dem Auslass 206, zu einem Einlass stromaufwärts des Verdichters, zum Beispiel dem Einlass 204. Da der Auslass und der Einlass in einer Frischlufteinlassleitung angeordnet sind, kann durch die Bypass-Leitung kein Abgas zirkuliert werden.
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Bei 704 umfasst das Verfahren 700 Einstellen einer vom Auslass zum Einlass geleiteten Luftmenge. Zum Beispiel kann eine vom Auslass zum Einlass geleitete Luftmenge über ein Verdichter-Bypass-Ventil, das in der Bypass-Leitung zwischen dem Auslass und dem Einlass angeordnet ist, oder über eine Öffnung, die in der Bypass-Leitung zwischen dem Auslass und dem Einlass ausgebildet ist, eingestellt werden. In einigen Beispielen kann die vom Auslass zum Einlass geleiteten Luftmenge weiterhin auf Grundlage einer Motorbetriebsbedingung, zum Beispiel auf Grundlage einer Motorlast, einer Motordrehzahl, einer Tip-in- oder Tip-out-Anforderung usw. eingestellt werden. Die Dosiervorrichtung 179 kann zum Beispiel dazu eingestellt werden, eine durch die Bypass-Leitung 202 strömende Bypass-Gasmenge unter einer ersten Motorbetriebsbedingungen, zum Beispiel unter einer Betriebsbedingung im unteren Drehzahlbereich, zu verringern, und kann dazu eingestellt werden, eine durch die Bypass-Leitung 202 strömende Bypass-Gasmenge unter einer zweiten Motorbetriebsbedingung, zum Beispiel unter Betriebsbedingungen im oberen Drehzahlbereich, zu vergrößern. Auf diese Weise kann der Kompromiss zwischen Drehmomentleistungsgrenzen im unteren Drehzahlbereich aufgrund von Pumpen und durch Strömungsverluste und Turbinendimensionierung begrenzte Leistung im oberen Drehzahlbereich durch eine Einstellung der Dosiervorrichtung 179, die zu einem erhöhten Turboladerwirkungsgrad führt, kompensiert werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuerungs- und Schätzungsroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hier beschriebenen bestimmten Routinen können eine oder mehrere einer Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie zum Beispiel ereignisgesteuert, interruptgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, darstellen. Somit können verschiedene dargestellte Handlungen, Betätigungen oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge oder parallel durchgeführt werden oder in einigen Fällen weggelassen werden. Ebenso ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwingend nötig, um die Merkmale und Vorteile der beispielhaften Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, zu erreichen, sondern ist zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen. Eine oder mehrere der dargestellten Handlungen oder Funktionen können in Abhängigkeit von der verwendeten bestimmten Strategie wiederholt durchgeführt werden. Des Weiteren können die beschriebenen Handlungen einen in das computerlesbare Speichermedium im Motorsteuersystem als Mikroprozessoranweisungen zu kodierenden und zu speichernden Code graphisch darstellen.
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Es versteht sich, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen rein beispielhaft sind und dass diese bestimmten Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne betrachtet werden sollen, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Die obige Technologie kann zum Beispiel auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12-, Boxer-4-, Benzin-, Diesel- und andere Motorarten, Kraftstoffarten und Turboladeranwendungen, zum Beispiel einen als elektrischer Generator für ein Hybridelektrofahrzeug (HEV – Hybrid Electric Vehicle) oder eine andere Anwendung verwendeten Turbolader angewandt werden.
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Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt somit alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart sind, ein.
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Die folgenden Ansprüche weisen speziell auf bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hin, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sollten als den Einschluss von einem oder mehreren solchen Elementen umfassend verstanden werden, wobei sie zwei oder mehr solche Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage von neuen Ansprüchen in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob ihr Schutzbereich weiter, enger, gleich oder anders in Bezug auf die ursprünglichen Ansprüche ist, auch als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.
