DE102013224916A1

DE102013224916A1 - Turbinengenerator mit Kompressorumgehung

Info

Publication number: DE102013224916A1
Application number: DE102013224916.0A
Authority: DE
Inventors: Gregory Patrick McConville; Karen Elizabeth Maceroni
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-06-12
Also published as: RU144414U1; US20140157774A1; CN203730120U; US9163555B2

Abstract

Ausführungsformen für eine Turbinengeneratorposition in einem Umgehungsströmungspfad eines Kompressors werden vorgestellt. In einem Beispiel umfasst ein Verfahren für einen Motor mit einem Kompressor das Erzeugen von Energie über einen Turbinengenerator, welcher in einem Umgehungsströmungspfad des Kompressors positioniert ist. Auf diese Weise kann die Energie der rückgeführten Ansaugluft durch den Turbinengenerator zurückgewonnen werden.

Description

Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor.
Die Turboaufladung eines Motors ermöglicht es dem Motor, eine Leistung bereitzustellen, die mit der Leistung eines Motors mit größerem Hubraum vergleichbar ist. Somit kann die Turboaufladung den Betriebsbereich eines Motors erweitern. Turbolader funktionieren durch Komprimieren von Ansaugluft in einem Kompressor über eine durch Abgasfluss betriebene Turbine. Unter bestimmten Bedingungen können der Durchfluss und das Druckverhältnis über den Kompressor auf Niveaus fluktuieren, die zu einer Lärmbelästigung, und in noch gravierenderen Fällen zu Leistungsproblemen und Kompressorverschleiß führen können.
Ein solcher Kompressorstoß kann durch ein oder mehrere, im Einlass befindliche Kompressorumgehungsventile (Compressor Bypass Valves, CBV) abgeschwächt werden. Die Kompressorumgehungsventile können komprimierte Luft von dem Kompressorauslass an den Kompressoreinlass zurückführen. Allerdings haben die Erfinder erkannt, dass durch die Rückführung komprimierter Luft die Energie, welche für das Komprimieren der Luft genutzt wird, verschwendet werden kann, was unter bestimmten Bedingungen zu einem ungünstigeren Kraftstoffverbrauch führt.
Dementsprechend wird ein Verfahren bereitgestellt, um dem Energieverlust, der mit der Rückführung komprimierter Ansaugluft verbunden ist, Rechnung zu tragen. In einem Beispiel umfasst ein Verfahren für einen Motor mit einem Kompressor das Erzeugen von Energie über einen Turbinengenerator, welcher in einem Umgehungsströmungspfad des Kompressors positioniert ist.
Auf diese Weise kann die Energie der rückgeführten Ansaugluft durch einen in dem Umgehungsströmungspfad des Kompressors positionierten Turbinengenerator rückgewonnen werden. Der Luftfluss durch den Turbinengenerator kann durch ein Kompressorumgehungsventil gesteuert werden. Typischerweise wird das Kompressorumgehungsventil so gesteuert, dass dieses Ventil komprimierte Luft zurückführt, um Kompressorstöße zu vermeiden. Bei geringem Fluss durch den Kompressorumgehungskanal kann das Ventil so gesteuert werden, dass es Luft durch den Turbinengenerator zurückführt, bevor diese Luft den Einlass des Kompressors erreicht. Die Position des Ventils kann den Massenfluss steuern, der um den Kompressor rückgeführt werden darf. Hierdurch kann eine genau bemessene Luftmenge zurückgeführt werden, wodurch ein Betrieb des Kompressors an einem günstigeren Punkt des Kompressorkennfeldes erzielt wird. Im transienten Betrieb, wenn größere Mengen rückgeführter Luft erwünscht sind, beispielsweise wenn die Ansaugdrossel schließt, kann das Ventil so gesteuert werden, dass es sich in einer Position befindet, die es gestattet, dass Luft unter Umgehung der Turbine über einen Kompressorumgehungskanal von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Kompressors fließt. Der Kompressorumgehungskanal kann relativ groß sein und/oder einen ungehinderten Fluss um den Kompressor ermöglichen. Auf diese Weise können Kompressorstöße unter den meisten Betriebsbedingungen abgeschwächt werden, wobei gleichzeitig zusätzliche Energie über den Turbinengenerator erzeugt wird.
Die vorstehend erwähnten Vorteile und andere Vorteile sowie Merkmale der vorliegenden Beschreibung sind in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung leicht erkennbar – sei es für sich alleine genommen oder in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die vorstehend erwähnte Zusammenfassung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung ausführlicher beschrieben werden. Die Zusammenfassung hat nicht die Aufgabe, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstandes zu identifizieren; der Schutzbereich des Erfindungsgegenstandes wird ausschließlich durch die Patentansprüche definiert, die auf die detaillierte Beschreibung folgen. Des Weiteren ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die vorstehend oder an irgendeiner anderen Stelle dieser Offenlegung angemerkte Nachteile beseitigen.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Beispielmotors mit einem Turbinengenerator, der von einem Kompressorumgehungsventil gesteuert wird.
Die 2A bis 2C zeigen das Kompressorumgehungsventil aus 1 in mehreren Betriebspositionen.
Die 3A bis 3C zeigen eine alternative Ausführungsform des Kompressorumgehungsventils in mehreren Betriebspositionen.
4 ist ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung einer Steuerroutine für das Reduzieren von Kompressorstößen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung.
5 ist ein Beispiel für ein Strömungskennfeld eines Kompressors.
6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung von beispielhaften Betriebsparametern, welche von Interesse sind.
Kompressorstöße können auftreten, wenn sich das Druckverhältnis über den Kompressor in Relation zum Massendurchfluss durch den Kompressor erhöht. Kompressorstöße können zu Lärmbelästigung, Schwankungen hinsichtlich der Motorleistung und, unter bestimmten Bedingungen, zu Motorverschleiß führen. Um Kompressorstöße zu kontrollieren, kann ein Kompressorumgehungsventil geöffnet werden, damit ein Teil der komprimierten Ansaugluft nach stromaufwärts des Kompressors rückgeführt wird, um auf diese Weise den Fluss durch den Kompressor zu erhöhen. Eine Turbine kann in dem Umgehungsströmungspfad des Kompressors positioniert werden. Die Turbine kann an eine Energieumwandlungsvorrichtung gekoppelt werden, beispielsweise einen Generator. Auf diese Weise kann, wenn das Kompressorumgehungsventil geöffnet wird, die rückgeführte Luft durch die Turbine strömen, um Energie in der Energieumwandlungsvorrichtung zu erzeugen.
Ein Motorsystem mit einem Kompressor, einem Kompressorumgehungsventil und einem Turbinengenerator ist in 1 dargestellt. Das Kompressorumgehungsventil kann in mehrere Positionen gebracht werden, was in den bis dargestellt ist. Das Motorsystem aus 1 weist außerdem eine Steuerungseinrichtung auf, welche die in 4 dargestellte Routine gemäß einem in 5 dargestellten Kennfeld ausführen kann. Verschiedene Betriebsparameter, die während der Ausführung der Routine aus 4 zu beobachten sind, sind in 6 dargestellt.
Die erste Abbildung, 1, ist ein schematisches Diagramm, das einen beispielhaften Motor 10 zeigt, welcher sich in einem Antriebssystem eines Automobils befinden kann. Der Motor 10 wird mit vier Zylindern 30 gezeigt. Es kann jedoch auch eine andere Anzahl von Zylindern in Übereinstimmung mit der aktuellen Offenlegung zur Anwendung kommen. Der Motor 10 kann zumindest teilweise von einem Steuerungssystem mit einer Steuerungseinrichtung 12 gesteuert werden, sowie durch Eingaben von einem Fahrzeugbediener 132 über eine Eingabevorrichtung 130. In diesem Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 130 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 für das Generieren eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Jede Brennkammer (z. B. ein Zylinder) 30 eines Motors 10 kann Brennkammerwände mit einem darin positionierten (nicht gezeigten) Kolben aufweisen. Die Kolben können so an eine Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, dass die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle übersetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein (nicht gezeigtes) Zwischenübertragungssystem an mindestens ein Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Ferner kann ein Startermotor über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Startbetrieb des Motors 10 zu ermöglichen.
Brennkammern 30 können Ansaugluft vom Ansaugkrümmer 44 über den Ansaugkanal 42 empfangen und können Verbrennungsgase über den Abgaskrümmer 46 an den Abgaskanal 48 ausstoßen. Der Ansaugkrümmer 44 und der Abgaskrümmer 46 können selektiv mit der Brennkammer 30 über entsprechende (nicht gezeigte) Ansaugventile und Abgasventile kommunizieren. In einigen Ausführungsformen kann die Brennkammer 30 zwei oder mehr Ansaugventile und/oder zwei oder mehr Abgasventile aufweisen.
Die gezeigten Kraftstoffeinspritzdüsen 50 sind direkt an die Brennkammer 30 gekoppelt, um ein direktes Einspritzen von Kraftstoff in diese Brennkammer zu ermöglichen, wobei das Einspritzen von Kraftstoff in Proportion zu der Impulsbreite des von der Steuerungseinrichtung 12 empfangenen Signals FPW erfolgt. Auf diese Weise stellt die Kraftstoffeinspritzdüse 50 das bereit, was als Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Brennkammer 30 bekannt ist; es versteht sich jedoch, dass eine Kanaleinspritzung ebenfalls möglich ist. Kraftstoff kann für die Kraftstoffeinspritzdüse 50 durch eine (nicht gezeigte) Kraftstoffanlage bereitgestellt werden, welche einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoffverteilerleiste aufweist.
Der Ansaugkanal 42 kann eine Drossel 21 aufweisen, welche über eine Drosselplatte 22 zum Regeln des Luftflusses an den Ansaugkrümmer verfügt. In diesem speziellen Beispiel kann die Position der Drosselklappe 22 durch die Steuerungseinrichtung 12 verändert werden, um eine elektronische Drosselsteuerung (Electronic Throttle Control, ETC) zu ermöglichen. Auf diese Weise kann die Drossel 21 betrieben werden, um die für die Brennkammer 30 bereitgestellte Ansaugluft zwischen anderen Zylindern zu variieren. In einigen Ausführungsformen können zusätzliche Drosseln in dem Ansaugkanal 42 vorhanden sein. So befindet sich beispielsweise, wie in 1 dargestellt, eine zusätzliche Drossel 23 mit einer Drosselklappe 24 stromaufwärts des Kompressors 60.
Ferner kann in den offengelegten Ausführungsformen ein System zur Abgasrückführung (AGR) einen gewünschten Teil der Abgase vom Abgaskanal 48 über den AGR-Kanal 140 an den Ansaugkanal 42 weiterleiten. Die für den Ansaugkanal 42 bereitgestellte AGR-Menge kann durch die Steuerungseinrichtung 12 über das AGR-Ventil 142 variiert werden. Unter bestimmten Bedingungen kann das AGR-System verwendet werden, um die Temperatur der Luft und die Kraftstoffmischung im Innern der Brennkammer zu regeln. 1 zeigt ein Hochdruck-AGR-System, bei dem die rückgeführten Abgase von stromaufwärts einer Turbine eines Turboladers nach stromabwärts eines Kompressors eines Turboladers geleitet werden. In anderen Ausführungsformen kann der Motor zusätzlich oder alternativ ein Niedrigdruck-AGR-System aufweisen, bei dem die rückgeführten Abgase von stromabwärts einer Turbine eines Turboladers nach stromaufwärts eines Kompressors des Turboladers geleitet werden.
Der Motor 10 kann ferner eine Kompressionsvorrichtung wie beispielsweise einen Turbolader oder einen Verdrängerlader mit mindestens einem Kompressor 60 aufweisen, welcher entlang des Ansaugkrümmers 44 angeordnet ist. Bei einem Turbolader kann der Kompressor 60 zumindest teilweise von einer Turbine 62 angetrieben werden, beispielsweise über eine Welle oder eine andere Kopplungsanordnung. Die Turbine 62 kann entlang des Abgaskanals 48 angeordnet sein. Verschiedene Ausführungsformen können bereitgestellt werden, um den Kompressor anzutreiben. Bei einem Verdrängerlader kann der Kompressor 60 zumindest teilweise von dem Motor und/oder einer elektrischen Maschine angetrieben werden und weist unter Umständen keine Turbine auf. Somit kann die für einen oder mehrere Zylinder des Motors über einen Turbolader oder einen Verdrängerlader bereitgestellte Kompressionsmenge durch die Steuerungseinrichtung 12 variiert werden.
Ferner kann der Abgaskanal 48 ein Ladedruckregelventil (Wastegate) 26 aufweisen, welches Abgase von der Turbine 62 weg leitet. Zusätzlich kann ein Kompressorumgehungsventil 27 (Compressor Bypass Valve, CBV), welches dafür konfiguriert ist, Ansaugluft um den Kompressor 60 umzuleiten, in einem Kompressorumgehungskanal 64 um den Kompressor 60 positioniert werden. Das Ladedruckregelventil (Wastegate) 26 und/oder das Kompressorumgehungsventil 27 können durch die Steuerungseinrichtung 12 gesteuert werden, damit sich diese Ventile öffnen, beispielsweise wenn ein niedrigerer Ladedruck erwünscht ist.
Der Ansaugkanal 42 kann ferner einen Ladeluftkühler 80 (Charge Air Cooler, CAC) aufweisen (z. B. einen Zwischenkühler), um die Temperatur der per Turbolader oder per Verdrängerlader aufgeladenen Ansauggase zu senken. In einigen Ausführungsformen kann der Ladeluftkühler 80 als Luft/Luft-Wärmetauscher ausgeführt sein. In anderen Ausführungsformen kann der Ladeluftkühler 80 als Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher ausgeführt sein. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Ladeluftkühler 80 entlang des Ansaugkanals 42 positioniert, zwischen dem Kompressor 60 und dem Ansaugkrümmer 44, und nach der Stelle, an der sich der Kompressorumgehungskanal 64 von dem Ansaugkanal 42 abtrennt. Dies kann dafür sorgen, dass relativ kühle komprimierte Ansaugluft an den Motor weitergeleitet wird, während wärmere komprimierte Ansaugluft an den Einlass des Kompressors zurückgeführt wird. Die wärmere komprimierte Luft kann eine stärkere Ausdehnung der Luft über einen (nachfolgend ausführlicher beschriebenen) Turbinengenerator 63 gestatten, welcher in dem Rückführungsströmungspfad des Kompressors positioniert ist. Allerdings kann der Ladeluftkühler 80 in anderen Ausführungsformen auch in dem Ansaugkanal 42 positioniert werden, zwischen dem Kompressor 60 und dem Ansaugkrümmer 44, aber stromaufwärts von da, wo sich der Kompressorumgehungskanal 64 von dem Ansaugkanal 42 abtrennt. Auf diese Weise kann die komprimierte Ansaugluft gekühlt werden, bevor diese wieder an den Kompressoreinlass zurückgeführt wird, wodurch zu hohe Temperaturen am Kompressorauslass gesenkt werden.
Der Turbinengenerator 63 weist eine Turbine 66 auf, welche einen Hilfsgenerator 68 antreibt. Der Hilfsgenerator kann eine Batterie des Motors laden, als Ergänzung zum Laden durch einen mechanisch angetriebenen Primärgenerator und/oder als Hauptladequelle, beispielsweise wenn der Primärgenerator nachlässt oder ausfällt.
Der Turbinengenerator 63 nutzt Energie, die typischerweise beim Rückführen von Ansaugluft um den Kompressor 60 verschwendet wird. So kann beispielsweise eine Druckänderung über den Kompressor 60 dazu verwendet werden, einen Luftfluss durch die Turbine 66 zu leiten. Die Turbine 66 treibt den Hilfsgenerator 68 an, welcher die Batterie 150 mit Strom versorgt. In einer solchen Konfiguration kann die Gesamteffizienz des Motorsystems verbessert werden, beispielsweise da unter bestimmten Betriebsbedingungen das Laden der Batterie 150 über einen mechanisch angetriebenen (nicht gezeigten) Primärgenerator reduziert werden kann und das Laden über einen Hilfsgenerator 68 erhöht werden kann. In anderen Beispielen kann, indem die von dem Turbinengenerator erzeugte Energie in Verbindung mit der von dem Primärgenerator (z. B. einem Wechselstromgenerator) erzeugten Energie für das Laden der Batterie verwendet wird, die Motorlast gesenkt und ein günstigerer Kraftstoffverbrauch erzielt werden.
Wie dargestellt fließt die Ansaugluft durch den Ansaugkanal 42 und durch den Kompressor 60, bevor sie den Motor erreicht. Die Position des Kompressorumgehungsventils kann durch die Steuerungseinrichtung 12 so variiert werden, dass die Menge der Ansaugluft, welche um den Kompressor 60 zurückgeführt wird, variiert. Der Kompressorumgehungskanal 64 leitet Ansaugluft von einer Position stromabwärts des Kompressors 60 und um den Kompressor 60 an eine Position stromaufwärts des Kompressors 60. Die Ansaugluft kann beispielsweise durch eine Druckdifferenz über das Kompressorumgehungsventil durch den Kompressorumgehungskanal 64 geleitet werden. Das Kompressorumgehungsventil 27 kann moduliert werden, um den Fluss komprimierter rückgeführter Ansaugluft durch den Rückführungskanal wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die bis beschrieben anzupassen. In einigen Fällen kann es sich bei dem Kompressorumgehungsventil 27 um ein Ein/Aus-Ventil handeln, welches den Kompressorumgehungskanal 64 öffnet und schließt. In anderen Beispielen kann es sich bei dem Kompressorumgehungsventil 27 um ein flussmodulierendes Ventil handeln, welches eine variable Luftflussmenge durch den Kompressorumgehungskanal 64 steuert. Bei dem Kompressorumgehungsventil 27 kann es sich um ein Drosselventil, ein Drei-Wege-Kugelventil, ein Kolben- oder ein Spulenventil, ein Schieberventil, ein Flügelhahnventil oder eine andere geeignete Flusssteuerungsvorrichtung handeln. Ferner kann das Kompressorumgehungsventil 27 durch einen Magnetschalter, einen impulsbreitenmodulierten Magnetschalter, einen Gleichstrommotor, einen Schrittmotor, ein Vakuum-Diaphragma oder eine ähnliche Vorrichtung betätigt werden.
Unter bestimmten Bedingungen kann mindestens ein Teil des durch den Kompressorumgehungskanal 64 geleiteten Luftflusses die Turbine 66 durchströmen. Die Turbine 66 dreht den Hilfsgenerator 68 mit der aus dem Luftfluss extrahierten Energie. Der Hilfsgenerator 68 erzeugt Strom, welcher an die Batterie 150 geliefert wird. Die Batterie 150 kann Energie für verschiedene Komponenten eines elektrischen Systems des Fahrzeugs bereitstellen, in dem der Motor 10 untergebracht ist, beispielsweise Lampen, Pumpen, Lüfter, Kraftstoffeinspritzung, Zündung, Klimaanlage und dergleichen. Die Batterie 150 kann ferner durch einen Primärgenerator geladen werden, welcher mechanisch durch den Motor 10 angetrieben wird. Die in 1 dargestellte Turbine 66 ist zwar an einen Generator gekoppelt; es sind jedoch auch andere Konfigurationen möglich. So kann die Turbine 66 beispielsweise an eine unterschiedliche Energieumwandlungsvorrichtung gekoppelt sein, beispielsweise einen Wechselstromgenerator.
Das Kompressorumgehungsventil 27 kann einen Teil des Luftflusses, den gesamten Luftfluss oder nichts von dem Luftfluss, welcher den Kompressor 60 verlässt, durch den Kompressorumgehungskanal 64 leiten. So kann beispielsweise, wenn das Kompressorumgehungsventil 27 geschlossen ist, der gesamte Luftfluss, welcher den Kompressor 60 verlässt, an den Motor geleitet werden. Im geöffneten Zustand kann mindestens ein Teil des Luftflusses, welcher den Kompressor 60 verlässt, durch den Kompressorumgehungskanal 64 geleitet werden.
Das Kompressorumgehungsventil 27 kann ferner den Luftfluss durch die Turbine 66 steuern. Wie in 1 gezeigt kann ein Turbinenkanal 70 an einen Kompressorumgehungskanal 64 gekoppelt sein. Bei geringem Eintrittsfluss in den Kompressorumgehungskanal 64 kann die Luft, welche den Kompressor 60 verlässt, durch den Turbinenkanal 70 und die Turbine 66 geleitet werden, wodurch über einen Generator 68 Elektrizität erzeugt wird, die in der Batterie 150 gespeichert werden soll. Bei hohem Eintrittsfluss in den Kompressorumgehungskanal 64 kann die Luft, welche den Kompressor 60 verlässt, durch den Kompressorumgehungskanal 64 geleitet werden, ohne den Turbinenkanal 70 zu durchlaufen. Um unter bestimmten Bedingungen Luft durch den Turbinenkanal 70 zu leiten und unter anderen Bedingungen Luft vom Turbinenkanal 70 zu blockieren, kann das Kompressorumgehungsventil 27 als Drei-Wege-Ventil konfiguriert werden. In vollständig geschlossener Position kann die komprimierte Ansaugluft am Durchströmen des Kompressorumgehungskanals 64 gehindert und an den Motor geleitet werden. In einer ersten offenen Position kann ein Teil der komprimierten Ansaugluft durch den Turbinenkanal 70 geleitet werden. In einer zweiten offenen Position kann ein Teil der komprimierten Ansaugluft durch den Kompressorumgehungskanal 64 geleitet werden.
Die Steuerungseinrichtung 12 ist in 1 als Mikrocomputer gezeigt, mit einer Mikroprozessoreinheit 102, Eingabe/Ausgabe-Ports 104, einem elektronischen Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, welches in diesem speziellen Beispiel als Festwertspeicher-Chip 106 gezeigt wird, einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff 108, einem Erhaltungsspeicher (Keep Alive Memory, KAM) 110 und einem Datenbus. Die Steuerungseinrichtung 12 kann, zusätzlich zu den vorstehend besprochenen Signalen, verschiedene Signale von Sensoren empfangen, welche an den Motor 10 gekoppelt sind, um verschiedene Funktionen für den Betrieb des Motors 10 durchzuführen; dies schließt Folgendes ein: Messung des induzierten Luftmassenflusses (Mass Air Flow, MAF) von dem Luftmassenfluss-Sensor 120; Messung der Motorkühlmitteltemperatur (Engine Coolant Temperature, ECT) von dem Temperatursensor 112, schematisch dargestellt an einem Ort im Innern des Motors 10; ein Profilzündungsaufnahme-Signal (Profile Ignition Pickup, PIP) von dem an die Kurbelwelle 40 gekoppelten Hall-Effekt-Sensor 118 (oder einem anderen Sensortyp); wie besprochen die Drosselposition (Throttle Position, TP) von einem Drosselpositionssensor; und, ebenfalls wie besprochen, ein absolutes Krümmerdrucksignal, MAP, von Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal, RPM, kann von der Steuerungseinrichtung 12 aus dem PIP-Signal generiert werden. Das Krümmerdrucksignal, MAP, von einem Krümmerdrucksensor kann verwendet werden, um Hinweise auf ein Vakuum oder den Druck im Ansaugkrümmer 44 bereitzustellen. Hierbei ist zu beachten, dass verschiedenen Kombinationen der vorstehend erwähnten Sensoren verwendet werden können, beispielsweise ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Im stöchiometrischen Betrieb kann der MAP-Sensor einen Hinweis auf das Motordrehmoment geben. Ferner kann dieser Sensor zusammen mit der erkannten Motordrehzahl einen Schätzwert zu der in den Zylinder induzierten Ladung (einschließlich Luft) geben. In einem Beispiel kann der Sensor 118, welcher auch als Motordrehzahlsensor verwendet wird, eine vorgegebene Anzahl von abstandsgleichen Impulsen bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 40 generieren.
Andere Sensoren, die Signale an die Steuerungseinrichtung 12 senden können, sind unter anderem ein Temperatursensor 124 am Auslass des Ladeluftkühlers 80 und ein Ladedrucksensor 126. Der Ladedrucksensor 126 kann sich, wie dargestellt, stromaufwärts des Ladeluftkühlers 80 befinden, oder der Ladedrucksensor 126 kann sich stromabwärts des Ladeluftkühlers 80 befinden und kann in einigen Ausführungsformen als kombinierter Druck/Temperatur-Sensor ausgeführt sein. Andere, hier nicht dargestellte Sensoren können ebenfalls vorhanden sein, beispielsweise ein Sensor zum Bestimmen der Ansaugluftgeschwindigkeit am Einlass des Ladeluftkühlers, sowie weitere Sensoren. In einigen Beispielen kann das Speichermedium Festwertspeicher 106 mit computer-lesbaren Daten programmiert sein, welche Anweisungen repräsentieren, die von einem Prozessor 102 ausgeführt werden können, um die nachfolgend beschriebenen Verfahren sowie andere Varianten durchzuführen, die antizipiert, aber nicht speziell aufgeführt sind.
1 zeigt zwar einen einzelnen Kompressor; in einigen Ausführungsformen können jedoch auch zwei oder mehr Kompressoren vorhanden sein. So können beispielsweise zwei Kompressoren parallel betrieben werden. In solchen Fällen verfügt unter Umständen nur einer der Kompressoren über einen Umgehungsströmungspfad mit einem Turbinengenerator. Allerdings können in anderen Ausführungsformen beide Kompressoren Turbinengeneratoren in ihrem jeweiligen Umgehungsströmungspfad aufweisen.
Die – veranschaulichen das Kompressorumgehungsventil 27 aus 1 in verschiedenen Betriebspositionen. Wie in den und bis dargestellt, kann es sich bei dem Kompressorumgehungsventil 27 um ein Ventil mit Drossel handeln. Das Kompressorumgehungsventil kann über einem Schnittpunkt des Kompressorumgehungskanals 64 und des Turbinenkanals 70 positioniert sein. Somit kann die Position des Kompressorumgehungsventils bestimmen, wie viel komprimierte Ansaugluft, sofern vorhanden, durch die Turbine 66 fließt. 2A zeigt das Kompressorumgehungsventil 27 in einer vollständig geschlossenen Position. In dieser Position wird im Wesentlichen die gesamte komprimierte Luft am Durchströmen des Kompressorumgehungskanals 64 gehindert und stattdessen an den Motor geleitet. Das Kompressorumgehungsventil 27 kann geschlossen sein, beispielsweise wenn der Kompressor nicht in einem Stoßbereich arbeitet oder wenn hohe Ladedrücke erwünscht sind.
2B zeigt das Kompressorumgehungsventil 27 in einer ersten offenen Position. In der ersten offenen Position kann der Rand des Kompressorumgehungsventils eine Berührungsstelle mit einem fernen Rand des Turbinenkanals 70 aufweisen, wo es den Kompressorumgehungskanal 64 schneidet. Dies öffnet den Turbinenkanal 70, wodurch komprimierte Luft über die Turbine 66 von dem Kompressorauslass an den Kompressoreinlass zurückströmen kann. Allerdings kann der Kompressorumgehungskanal 64 weiterhin blockiert sein, so dass im Wesentlichen die gesamte rückgeführte Luft durch die Turbine geleitet wird.
2C zeigt das Kompressorumgehungsventil 27 in einer zweiten offenen Position. In der zweiten offenen Position kann sich das Kompressorumgehungsventil hinter der Verbindungsstelle mit dem Turbinenkanal 70 befinden. So kann das Kompressorumgehungsventil beispielsweise wie in 2C gezeigt vollständig geöffnet sein. Infolgedessen kann die rückgeführte Luft auf ihrem Weg von dem Kompressorauslass zu dem Kompressoreinlass durch den Kompressorumgehungskanal 64 strömen. Je nach Position des Kompressorumgehungsventils kann im Wesentlichen die gesamte rückgeführte Luft durch den Kompressorumgehungskanal 64 strömen, ohne durch die Turbine 66 zu strömen. Allerdings kann ein Teil der rückgeführten Luft durch die Turbine 66 strömen, selbst wenn sich das Kompressorumgehungsventil in der zweiten Position befindet.
Während die bis das Kompressorumgehungsventil 27 in einer geschlossenen Position oder in einer ersten oder zweiten offenen Position zeigen, versteht es sich, dass das Kompressorumgehungsventil in verschiedene Positionen gebracht werden kann. So kann es sich bei dem Kompressorumgehungsventil beispielsweise um ein stufenlos verstellbares Ventil handeln, das an eine nahezu unendlich große Anzahl von Einschränkungsniveaus angepasst werden kann. Somit kann das Kompressorumgehungsventil als in der ersten offenen Position befindlich angesehen werden, wenn das Ventil wie in 2A dargestellt über die vollständig geschlossene Position hinausgehend geöffnet ist, aber noch nicht so weit geöffnet, dass die in 2B dargestellte Position überschritten wird. Das Kompressorumgehungsventil kann sich in der zweiten offenen Position befinden, wenn die in 2B dargestellte Ventilposition überschritten wird. Ferner kann die Position des Kompressorumgehungsventils die Luftmenge steuern, welche durch die Turbine hindurch zurückgeführt wird. Somit kann eine genau bemessene Menge von Ansaugluft auf Basis der Position des Kompressorumgehungsventils durch die Turbine geleitet werden.
Die bis veranschaulichen ein weiteres Beispiel eines Kompressorumgehungsventils. Das Kompressorumgehungsventil 127 kann als Drei-Wege-Ventil ausgeführt sein, welches nur in drei Positionen gebracht werden kann. In der geschlossenen Position, dargestellt in 3A, kann das Kompressorumgehungsventil 127 eine Rückführung der komprimierten Ansaugluft blockieren, so dass die gesamte komprimierte Ansaugluft an den Motor geleitet wird. In einer ersten Position, dargestellt in 3B, kann im Wesentlichen die gesamte rückgeführte Ansaugluft durch die Turbine 66 geleitet werden. In einer zweiten Position, dargestellt in 3C, kann im Wesentlichen die gesamte rückgeführte Ansaugluft durch den Kompressorumgehungskanal 64 geleitetet werden, und die Luft kann daran gehindert werden, die Turbine 66 zu erreichen.
Die in der vorliegenden Offenlegung veranschaulichten Systeme stellen ein System bereit, welches Folgendes umfasst: einen Kompressorumgehungskanal für das Rückführen komprimierter Ansaugluft von einem Auslass eines Turboladerkompressors an einen Einlass des Turboladerkompressors; eine in einem Strömungspfad der rückgeführten komprimierten Ansaugluft positionierte Turbine; und eine an die Turbine gekoppelte Energieumwandlungsvorrichtung.
Das System kann ein in dem Kompressorumgehungskanal positioniertes Ventil aufweisen. Die Turbine kann in einem an den Kompressorumgehungskanal gekoppelten Turbinenkanal positioniert sein. Das System kann ferner eine Steuerungseinrichtung aufweisen, die dafür konfiguriert ist, das Ventil in eine erste Position zu bringen, damit mindestens ein Teil der rückgeführten komprimierten Ansaugluft durch die Turbine und an den Einlass des Kompressors geleitet wird.
Die Steuerungseinrichtung kann dafür konfiguriert sein, das Ventil in eine zweite Position zu bringen, um die rückgeführte komprimierte Ansaugluft durch den Kompressorumgehungskanal zu leiten und um die rückgeführte komprimierte Ansaugluft daran zu hindern, die Turbine zu erreichen. Die Steuerungseinrichtung kann dafür konfiguriert sein, das Ventil zu schließen, um eine Rückführung der komprimierten Ansaugluft zu blockieren und die komprimierte Ansaugluft an den Motor zu leiten. Die Steuerungseinrichtung kann dafür konfiguriert sein, das Ventil basierend auf einem Druckverhältnis und einem Massendurchfluss des Kompressors anzupassen.
Bei der Turbine kann es sich um eine erste Turbine handeln, und das System kann ferner eine zweite Turbine umfassen, welche in einem Abgaspfad des Motors positioniert ist und über eine Welle an den Kompressor gekoppelt ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung kann an eine Batterie gekoppelt sein. In einem Beispiel kann die Energieumwandlungsvorrichtung als Generator ausgeführt sein.
4 zeigt eine beispielhafte Steuerroutine 400 für das Anpassen eines Kompressorumgehungsventils, beispielsweise das Kompressorumgehungsventil 27, um Kompressorstöße über einen Kompressor (z. B. den Kompressor 60) zu verhindern. Die Routine 400 kann von der Steuerungseinrichtung 12 ausgeführt werden. Bei 401 leitet die Routine 400 komprimierte Ansaugluft an den Motor. Je nach aktueller Position des Kompressorumgehungsventils kann die gesamte komprimierte Ansaugluft an den Motor geleitet werden (wenn das Ventil geschlossen ist), oder nur ein Teil der komprimierten Ansaugluft kann an den Motor geleitet werden (wenn das Ventil geöffnet ist; ein Teil der komprimierten Ansaugluft wird an den Einlass des Kompressors zurückgeführt). Bei 402 wird ein zum Vermeiden von Kompressorstößen erforderlicher Massendurchfluss durch den Kompressor bestimmt. Der Durchfluss zum Vermeiden von Kompressorstößen kann auf Basis eines bestimmten Durchflusses an der Ansaugluftdrossel des Motors (beispielsweise Drossel 21) geschätzt werden. Der Massenfluss durch die Drossel, welcher durch einen Sensor bestimmt werden kann, beispielsweise Sensor 122, kann verwendet werden, um den Fluss durch den Kompressor im Dauerzustand zu bestimmen. Der Massendurchfluss durch den Kompressor zum Vermeiden von Kompressorstößen, , kann auf Basis dieser Gleichung bestimmt werden: ṁ_req = ṁ_SL – ṁ_C wobei gilt: ṁ_C ist der Massenfluss durch den Kompressor und ṁ_SL ist der Massenfluss durch den Kompressor an der Stoßlinie. Der Massenfluss durch den Kompressor an der Stoßlinie kann durch ein in der Steuerungseinrichtung gespeichertes Kennfeld bestimmt werden und kann auf dem Druckverhältnis über den Kompressor basieren.
Ein beispielhaftes Kennfeld 500 ist in 5 dargestellt. Der Durchfluss durch den Kompressor ist auf der x-Achse dargestellt, während das Druckverhältnis des Kompressors auf der y-Achse dargestellt ist. Eine beispielhafte Stoßlinie wird durch die Linie 502 angezeigt. Die Druck-Fluss-Koordinaten links von der Stoßlinie 502 liegen im Stoßbereich 504, wo die Bedingungen dergestalt sind, dass der Fluss gering genug ist und der Druck hoch genug ist, um Kompressorstöße zu verursachen. In 5 ist nur eine Stoßlinie dargestellt; es können jedoch auch mehrere Stoßlinien genutzt werden. So kann sich beispielsweise eine weiche Stoßlinie rechts von der Stoßlinie 502 befinden, welche ihrerseits als harte Stoßlinie bezeichnet werden kann. Die Druck-Fluss-Koordinaten zwischen der weichen Stoßlinie und der harten Stoßlinie verursachen unter Umständen keine Kompressorstöße, aber diese Druck-Fluss-Koordinaten können ausreichend nah an der harten Stoßlinie liegen, dass eine Änderung der Betriebsparameter (z. B. ein Gaspedal-Treten-Ereignis) Kompressorstöße verursachen kann; somit können verschiedene Betriebsparameter (beispielsweise eine Einstellung des Kompressorumgehungsventils) angepasst werden, wenn der Kompressor in diesem Bereich arbeitet. Ferner kann in einigen Beispielen die Position der einen oder mehreren Stoßlinien von Betriebsparametern abhängig sein. So kann sich beispielsweise die weiche Stoßlinie bei niedrigeren Druckverhältnissen relativ nah an der harten Stoßlinie befinden, aber bei höheren Druckverhältnissen im Wesentlichen rechts von der harten Stoßlinie.
In einem Beispiel können bei einem Druckverhältnis von 2,5 und einem Durchfluss von 5 lbm/min, angezeigt durch Punkt 506, Kompressorstöße auftreten. Um Kompressorstöße zu vermeiden, kann der Durchfluss durch den Kompressor bis zum Erreichen der Stoßlinie erhöht werden, beispielsweise kann der Durchfluss durch den Kompressor um annähernd 4 lbm/min auf 9 lbm/min erhöht werden, um Kompressorstöße zu vermeiden. Um den Fluss durch den Kompressor zu erhöhen, kann das Kompressorumgehungsventil wie nachfolgend erläutert geöffnet werden.
Zurück zu 402 aus 4; wenn der Durchfluss über die Drossel geringer ist als der Durchfluss an der Stoßlinie, arbeitet der Kompressor in einem Stoßbereich. Um Kompressorstöße zu reduzieren, kann der Durchfluss durch den Kompressor durch Öffnen des Kompressorumgehungsventils erhöht werden. Ferner, wenn der Kompressor nahe einer Stoßlinie arbeitet und vorherzusehen ist, dass der Kompressor bei einer zukünftigen Betriebsbedingung (beispielsweise bei einem vorübergehenden Loslassen des Gaspedals) in den Stoßbereich eintreten wird, kann der Durchfluss durch den Kompressor proaktiv erhöht werden, um ein zukünftiges Kompressorstoßereignis zu vermeiden.
Bei 404 wird bestimmt, ob ṁ_req gleich Null ist. Wenn ṁ_req gleich Null ist, sind keine Anpassungen hinsichtlich der Position des Kompressorumgehungsventils erforderlich, um Kompressorstöße zu vermeiden, und somit fährt die Steuerroutine 400 mit 406 fort, um das Kompressorumgehungsventil in seiner aktuellen Position zu halten, und die Routine 400 kehrt zurück.
Wenn ṁ_req nicht gleich Null ist, fährt die Routine 400 mit 408 fort, um den zum Vermeiden von Kompressorstößen erforderlichen Fluss durch den Kompressor (ṁ_CBV) zu bestimmen und auf Basis dieser Flussmenge die Position des Kompressorumgehungsventils für das Bereitstellen des erforderlichen Flusses zum Vermeiden von Kompressorstößen zu bestimmen. Die Position des Kompressorumgehungsventils und somit die Öffnungsmenge oder der Öffnungsquerschnitt, A, können durch eine standardmäßige Öffnungsflussgleichung bestimmt werden:
wobei gilt: ṁ_CBV ist der Fluss durch das Kompressorumgehungsventil, um Kompressorstöße zu vermeiden (was in einigen Ausführungsformen gleich ṁ_req sein kann), C = Koeffizient der Öffnungsflusskonstante, A = Querschnittsbereich der Öffnung, ρ = Fluiddichte, P₁ = Druck stromaufwärts des Kompressorumgehungsventils und P₂ = Druck stromabwärts des Kompressorumgehungsventils.
Bei 410 wird das Kompressorumgehungsventil angepasst, um die angezeigte Flussmenge bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann dies ein Vergrößern der Öffnung des Kompressorumgehungsventils beinhalten, während dies in anderen Ausführungsformen ein Verkleinern der Öffnung des Kompressorumgehungsventils beinhalten kann. Wenn ṁ_CBV kleiner als der erste Schwellwert ist, beispielsweise wenn ṁ_CBV gleich Null ist, weil das Kompressorumgehungsventil zuvor geöffnet war, um Kompressorspitzen zu reduzieren, sich der Massenfluss durch den Kompressor aber ändert und der Kompressor nicht mehr nahe der Stoßlinie arbeitet, kann das Kompressorumgehungsventil wie in 412 angezeigt geschlossen werden. Wenn das Kompressorumgehungsventil geschlossen ist, wird im Wesentlichen die gesamte komprimierte Ansaugluft an den Motor geleitet und daran gehindert, um den Kompressor zurückgeführt zu werden.
Wenn ṁ_CBV größer als der erste Schwellwert, aber kleiner als der zweite Schwellwert ist, kann über den Umgehungsströmungspfad des Kompressors durch einen Turbinengenerator wie in 414 angezeigt Energie erzeugt werden. Wie an früherer Stelle erläutert, kann der Kompressorumgehungsfluss bei Bedingungen mit geringerem Kompressorumgehungsdurchfluss, beispielsweise wenn der Kompressor nahe einer Stoßlinie arbeitet, durch den Turbinengenerator geleitet werden. Die von dem Turbinengenerator erzeugte Energie kann beispielsweise in einer Fahrzeugbatterie gespeichert oder genutzt werden, um eine oder mehrere elektrische Komponenten des Fahrzeugs mit Strom zu versorgen. Damit mindestens ein Teil der komprimierten Ansaugluft durch die Turbine geleitet wird, kann das Kompressorumgehungsventil in eine erste Position gebracht werden. Die erste Position kann einen an den Kompressorumgehungskanal gekoppelten Turbinenkanal öffnen, wodurch die komprimierte Luft durch die Turbine strömen kann. Bei der ersten Position kann es sich um die Position des Kompressorumgehungsventils handeln, die in 2B oder 3B dargestellt ist. Die erste Position kann eine eindeutige Position des Kompressorumgehungsventils sein, beispielsweise wenn es sich bei dem Kompressorumgehungsventil wie in 3B dargestellt um ein Drei-Wege-Ventil handelt. In anderen Beispielen kann die erste Position jedoch einen Bereich von Positionen des Kompressorumgehungsventils aufweisen, die es ermöglichen, dass Ansaugluft durch die Turbine fließt (siehe hierzu 2B).
Bei einem höheren Kompressorumgehungsdurchfluss kann der Fluss durch die Turbine den Druck der Luft in dem Kompressorumgehungskanal erhöhen und somit eine effektive Abschwächung von Kompressorstößen verhindern. Somit gilt wie bei 416 gezeigt: Wenn größer ist als ein zweiter Schwellwert, kann die komprimierte Ansaugluft über den Kompressorumgehungskanal nach stromaufwärts des Kompressors zurückgeführt werden, ohne die Turbine zu durchlaufen. Das Kompressorumgehungsventil kann in eine zweite Position gebracht werden, welche den Auslass des Kompressors über den Kompressorumgehungskanal an den Einlass des Kompressors koppelt. Diese Position ermöglicht nach wie vor einen geringen Fluss durch die Turbine (beispielsweise wie in 2C dargestellt) oder kann den Fluss durch die Turbine (wie in 3C dargestellt) im Wesentlichen blockieren. Bei der zweiten Position kann es sich um eine eindeutige Position handeln, bei der Luft durch den Umgehungskanal geleitet wird, aber nicht durch die Turbine, oder diese zweite Position kann einen Bereich von Positionen aufweisen.
Bei dem ersten und dem zweiten Schwellwert kann es sich um geeignete Schwellwerte handeln, die auf dem zum Reduzieren von Kompressorstößen erforderlichen Luftfluss basieren. Der erste Schwellwert kann Null sein oder ein anderer geeigneter Wert für einen niedrigen Fluss durch den Kompressorumgehungskanal. Der zweite Schwellwert kann für einen größeren Durchfluss stehen als den ersten Durchfluss und dieser zweite Schwellwert kann auf dem Druckverhältnis über die Turbine des Turbinengenerators basieren oder auch darauf, in welchem Bereich des Stoßkennfeldes der Kompressor arbeitet. Wenn beispielsweise der Druckabfall über die Turbine groß genug ist, um den Kompressor im Stoßbereich zu halten oder in den Stoßbereich zu bringen, kann das Kompressorumgehungsventil so angepasst werden, dass die komprimierte Luft durch den Kompressorumgehungskanal strömt und nicht durch die Turbine. Während eines transienten Ereignisses, beispielsweise während einer vorübergehenden Drosselschließung, kann eine starke Kompressorrückführung angezeigt sein, um Kompressorstöße zu vermeiden. Somit kann das Kompressorumgehungsventil angepasst werden, um komprimierte Luft durch den Umgehungskanal fließen zu lassen anstatt durch die Turbine, wenn die Drossel schließt.
6 ist ein Diagramm 600 zur Veranschaulichung von beispielhaften Betriebsparametern, die beispielsweise bei Ausführung von Routine 400 auftreten können. Das Diagramm 600 zeigt ein beispielhaftes Druck-zu-Durchfluss-Verhältnis des Kompressors, die Position des Kompressorumgehungsventils und den Turbinengeneratorfluss bei verschiedenen Betriebsbedingungen. Für jeden gezeigten Betriebsparameter werden die Zeit auf der horizontalen Achse und Werte für jeden entsprechenden Betriebsparameter auf der vertikalen Achse dargestellt.
Die Kurve 602 zeigt das Verhältnis des Kompressordruckverhältnisses zum Massendurchfluss, in 6 als Kompressorflussverhältnis bezeichnet. Das auf der vertikalen Achse dargestellte Kompressorflussverhältnis beginnt bei Null und nimmt in Richtung eines maximalen Verhältnisses zu. Zwei Schwellwerte des Kompressorflussverhältnisses sind dargestellt: ein erster Schwellwert (T₁) und ein zweiter Schwellwert (T₂). Unterhalb des ersten Schwellwerts ist das Verhältnis unterhalb einer Stoßlinie des Kompressors. So zeigt beispielsweise das in 5 dargestellte Strömungskennfeld eines Kompressors, dass nahezu alle Punkte in dem Strömungskennfeld mit einem Druckverhältnis-zu-Massenfluss-Verhältnis unter 1:4 nicht innerhalb des dargestellten Stoßbereichs liegen.
Bei einem Betrieb außerhalb des Stoßbereichs ist keine Abschwächung von Kompressorstößen erforderlich, und somit ist das Kompressorumgehungsventil, wie durch Kurve 604 dargestellt, geschlossen. Zum Zeitpunkt t1 nimmt das Kompressordruckverhältnis jedoch relativ zum Massendurchfluss zu, und das Kompressorflussverhältnis übersteigt den ersten Schwellwert. Dies kann aufgrund eines vorübergehenden Motorbetriebsereignisses geschehen, beispielsweise beim Treten oder Loslassen des Gaspedals (tip-in bzw. tip-out). Wenn das Kompressordruckverhältnis über dem ersten Schwellwert liegt, arbeitet der Kompressor unter Umständen gerade im Stoßbereich, und somit kann das Kompressorumgehungsventil geöffnet werden, um Kompressorstöße zu reduzieren oder zu vermeiden.
Wenn das Kompressorflussverhältnis über dem ersten Schwellwert, aber unter dem zweiten Schwellwert liegt, wie zum Zeitpunkt t1 von Kurve 602 dargestellt, kann ein Teil der komprimierten Ansaugluft über einen Turbinengenerator an den Einlass des Kompressors zurückgeführt werden. Um dies zu erreichen, kann das Kompressorumgehungsventil zum Zeitpunkt t1 (dargestellt in Kurve 604) geöffnet und in eine erste Position gebracht werden, die es gestattet, dass die rückgeführte Luft durch den Turbinengenerator fließt, bevor sie den Kompressoreinlass erreicht. Infolgedessen nimmt der Fluss durch die Turbine zu, was in Kurve 606 dargestellt ist. Der Fluss durch die Turbine treibt die Energieerzeugung in dem an die Turbine gekoppelten Generator an, wobei die Energie beispielsweise in einer Batterie gespeichert werden kann.
Nachdem das Kompressorumgehungsventil geöffnet und in die erste Position gebracht worden ist, kehrt das Kompressorflussverhältnis wieder zu dem ersten Schwellwert zurück. Infolgedessen schließt das Ventil, und der Fluss durch den Turbinengenerator wird blockiert. Allerdings kann zum Zeitpunkt t2 die Drossel schließen, oder ein anderes längeres vorübergehendes Ereignis kann erfolgen, was zu einem starken Anstieg des Kompressorflussverhältnisses führt. Somit liegt das Kompressorflussverhältnis nach Zeitpunkt t2 über dem zweiten Schwellwert. Auf diesem Niveau sind unter Umständen größere Rückführungsmengen erforderlich, um Kompressorstöße zu reduzieren oder zu vermeiden. Das Kompressorumgehungsventil wird somit geöffnet und in eine zweite Position gebracht, die bewirkt, dass ein Teil der komprimierten Ansaugluft an den Kompressoreinlass zurückgeführt wird. In der zweiten Position kann die Luft zurückgeführt werden, im Wesentlichen ohne den Turbinengenerator zu durchlaufen. Allerdings kann nach wie vor eine kleine Luftmenge durch den Generator strömen, was zu einem kleinen Anstieg im Fluss durch den Turbinengenerator führt, wie in Kurve 606 dargestellt ist.
Somit umfasst ein Verfahren für einen Motor mit einem Kompressor in einem Beispiel das Erzeugen von Energie über einen Turbinengenerator, welcher in einem Umgehungsströmungspfad des Kompressors positioniert ist. Das Erzeugen von Energie über den Turbinengenerator kann ferner das Leiten von mindestens einem Teil rückgeführter komprimierter Ansaugluft durch den Turbinengenerator umfassen.
Das Verfahren kann das Anpassen eines Kompressorumgehungsventils beinhalten, um komprimierte Ansaugluft von einem Auslass des Kompressors an einen Einlass des Kompressors zurückzuführen. Das Leiten von mindestens einem Teil rückgeführter komprimierter Ansaugluft durch den Turbinengenerator kann ferner das Anpassen des Kompressorumgehungsventils umfassen, wobei das Ventil in eine erste Position gebracht wird. Bei der ersten Position kann es sich um eine eindeutige Position handeln, oder es kann sich um einen Bereich von Positionen handeln. In der ersten Position kann die rückgeführte komprimierte Ansaugluft durch den Turbinengenerator geleitet werden.
Das Verfahren kann das Anpassen des Kompressorumgehungsventils beinhalten, wobei das Ventil in eine zweite Position gebracht wird, um komprimierte Ansaugluft von dem Auslass des Kompressors an den Einlass des Kompressors rückzuführen, ohne dass die komprimierte Ansaugluft durch den Turbinengenerator geleitet wird. Bei der zweiten Position kann es sich um eine eindeutige Position handeln, oder es kann sich um einen Bereich von Positionen handeln. In der zweiten Position kann die rückgeführte komprimierte Ansaugluft durch den Kompressorumgehungskanal geleitet werden, und nicht durch den Turbinengenerator. Das Verfahren kann ferner das Schließen des Kompressorumgehungsventils beinhalten, um eine Rückführung der komprimierten Ansaugluft zu blockieren.
In einem anderen Beispiel umfasst ein Verfahren für einen Motor mit einem Kompressor das Leiten von Ansaugluft durch einen Kompressor und an den Motor; und unter bestimmten Bedingungen, das Rückführen von mindestens einem Teil der Ansaugluft von stromabwärts des Kompressors nach stromaufwärts des Kompressors über einen Turbinengenerator, welcher in einem Umgehungsströmungspfad des Kompressors positioniert ist.
Das Rückführen von mindestens einem Teil der Ansaugluft von stromabwärts des Kompressors nach stromaufwärts des Kompressors über einen Turbinengenerator kann ferner das Öffnen eines Kompressorumgehungsventils umfassen, wobei das Ventil in eine erste Position gebracht wird. Die bestimmten Bedingungen umfassen ein Verhältnis von einem Kompressordruckverhältnis zum Luftmassenfluss, welches über einem ersten Schwellwert und unter einem zweiten Schwellwert liegt.
Das Verfahren kann, wenn das Verhältnis über dem zweiten Schwellwert liegt, das Öffnen des Kompressorumgehungsventils beinhalten, wobei das Ventil in eine zweite Position gebracht wird, um mindestens einen Teil der Ansaugluft von stromabwärts des Kompressors nach stromaufwärts des Kompressors zurückzuführen, ohne den Turbinengenerator zu durchlaufen. Das Verfahren kann, wenn das Verhältnis unter dem ersten Schwellwert liegt, das Schließen des Kompressorumgehungsventils beinhalten, um die Ansaugluft von stromabwärts des Kompressors an den Motor zu leiten.
Es versteht sich, dass die hier offengelegten Konfigurationen und Verfahren naturgemäß beispielhaft sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. So kann die vorstehend beschriebene Technologie auf Motoren des Typs V-6, I-4, I-6 oder V-12 sowie 4-Zylinder-Boxermotoren und andere Motorentypen angewendet werden. Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Offenlegung umfasst alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie andere hier offengelegte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Die nachfolgenden Patentansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, die als neu und nicht offensichtlich angesehen werden. Diese Patentansprüche können auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder das Äquivalent davon verweisen. Solche Patentansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung von einem oder mehreren solcher Elemente beinhalten, wobei zwei oder mehr solcher Elemente weder erforderlich sind noch ausgeschlossen werden. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offengelegten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung oder Ergänzung der vorliegenden Patentansprüche beansprucht werden oder durch Präsentation neuer Patentansprüche in dieser oder einer verwandten Anwendung. Solche Patentansprüche werden, ganz gleich, ob diese weiter oder enger gefasst, gleich oder unterschiedlich im Hinblick auf den Schutzbereich der ursprünglichen Patentansprüche sind, ebenfalls als vom Erfindungsgegenstand der vorliegenden Offenlegung eingeschlossen angesehen.

Claims

Ein System, welches Folgendes umfasst: einen Kompressorumgehungskanal für das Rückführen komprimierter Ansaugluft von einem Auslass eines Turboladerkompressors an einen Einlass des Turboladerkompressors; eine in einem Strömungspfad der rückgeführten komprimierten Ansaugluft positionierte Turbine; und eine an die Turbine gekoppelte Energieumwandlungsvorrichtung.
System nach Anspruch 1, wobei das System ferner ein in dem Kompressorumgehungskanal positioniertes Ventil umfasst.
System nach Anspruch 2, wobei die Turbine in einem an den Kompressorumgehungskanal gekoppelten Turbinenkanal positioniert ist.
System nach Anspruch 2, wobei das System ferner eine Steuerungseinrichtung umfasst, die dafür konfiguriert ist, das Ventil in eine erste Position zu bringen, um mindestens einen Teil der rückgeführten komprimierten Ansaugluft durch die Turbine und an den Einlass des Kompressors zu leiten.
System nach Anspruch 4, wobei die Steuerungseinrichtung dafür konfiguriert ist, das Ventil in eine zweite Position zu bringen, um die rückgeführte komprimierte Ansaugluft durch den Kompressorumgehungskanal zu leiten und um die rückgeführte komprimierte Ansaugluft daran zu hindern, die Turbine zu erreichen.
System nach Anspruch 4, wobei die Steuerungseinrichtung dafür konfiguriert ist, das Ventil zu schließen, um eine Rückführung der komprimierten Ansaugluft zu blockieren und die komprimierte Ansaugluft an den Motor zu leiten.
System nach Anspruch 4, wobei die Steuerungseinrichtung dafür konfiguriert ist, das Ventil basierend auf einem Druckverhältnis und einem Massendurchfluss des Kompressors anzupassen.
System nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Turbine um eine erste Turbine handelt, und wobei das System ferner eine zweite Turbine umfasst, welche in einem Abgaspfad des Motors positioniert ist und über eine Welle an den Kompressor gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Energieumwandlungsvorrichtung an eine Batterie gekoppelt ist.