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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen turboaufgeladenen Verbrennungsmotor mit Verwendung einer Zylinderdeaktivierung.
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HINTERGRUND
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Verbrennungsmotoren (ICE) können ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in einer oder mehreren Verbrennungskammern verbrennen, um eine mechanische Ausgabe zu erzeugen. Während der Verbrennung werden verschiedene Abgase erzeugt und in die Atmosphäre ausgestoßen. In einigen Fällen können ein oder mehrere Zylinder deaktiviert werden, um das Erfordernis zu beseitigen, unnötige Mengen an Kraftstoff zu verbrennen, wenn ein kleiner Betrag eines Drehmoments angefordert wird (d. h. mittels einer ”Zylinderdeaktivierung”). Die Zylinderdeaktivierung umfasst typischerweise, dass die Ventile für die Zylinder gezwungen werden, in einem geschlossenen Zustand zu bleiben, wodurch die eingeschlossene (kraftstofflose) Luft in eine Gasfeder verwandelt wird. Dies ermöglicht, dass die angeforderte Leistung mit verringerten Drosselverlusten erzeugt wird.
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Verbrennungsmotoren werden oft in Anspruch genommen, um beträchtliche Niveaus an Leistung für ausgedehnte Zeitdauern auf einer zuverlässigen Basis zu erzeugen. Viele solche ICE-Baugruppen verwenden eine Turbokompressoreinrichtung, wie beispielsweise einen mit einer Abgasturbine angetriebenen Turbolader, um die Luftströmung zu komprimieren, bevor diese in den Einlasskrümmer des Motors eintritt, um die Leistung und die Effizienz zu verbessern.
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Speziell ist ein Turbolader ein Zentrifugal-Gaskompressor, der mehr Luft und dadurch mehr Sauerstoff in die Verbrennungskammern des ICE drückt, als ansonsten mit dem umgebenden Atmosphärendruck erreichbar ist. Die zusätzliche Masse der Sauerstoffenthaltenden Luft, die in den ICE gedrückt wird, verbessert die volumetrische Effizienz des Motors und ermöglicht, dass dieser in einem gegebenen Zyklus mehr Kraftstoff verbrennt und dadurch mehr Leistung erzeugt.
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Ein typischer Turbolader weist eine zentrale Welle auf, die durch ein oder mehrere Lager getragen ist und eine Drehbewegung zwischen einem durch Abgas angetriebenen Turbinenrad und einem Luftkompressorrad überträgt. Sowohl das Turbinen- als auch das Kompressorrad sind an der Welle befestigt, was in Kombination mit verschiedenen Lagerkomponenten die drehende Baugruppe des Turboladers darstellt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Motorbaugruppe umfasst eine Einlassbaugruppe, einen funkengezündeten Verbrennungsmotor, eine Auslassbaugruppe und einen Turbolader. Der Verbrennungsmotor ist mit der Einlassbaugruppe gekoppelt und definiert sowohl eine erste Vielzahl von Zylindern als auch eine zweite Vielzahl von Zylindern. Die Auslassbaugruppe umfasst einen ersten Auslasskrümmer in fluidtechnischer Verbindung mit der ersten Vielzahl der Zylinder und einen zweiten Auslasskrümmer in fluidtechnischer Verbindung mit der zweiten Vielzahl der Zylinder.
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Der Turbolader umfasst einen Doppeleinlasskompressor in fluidtechnischer Verbindung mit der Einlassbaugruppe und eine Doppelschneckenturbine in fluidtechnischer Verbindung mit der Auslassbaugruppe. Der Doppeleinlasskompressor und die Doppelschneckenturbine sind über eine Welle funktional verbunden, und der funkengezündete Verbrennungsmotor ist ausgebildet, um selektiv in einem Zylinderdeaktivierungsmodus zu arbeiten, bei dem Kraftstoff nur in der ersten Vielzahl der Zylinder verbrannt wird.
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Die Doppelschneckenturbine umfasst ein Gehäuse und ein Turbinenrad, das in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse definiert sowohl eine erste Schnecke als auch eine zweite Schnecke, wobei sowohl die erste Schnecke als auch die zweite Schnecke umlaufend um einen Abschnitt des Turbinenrades herum angeordnet sind und mit dem Turbinenrad in fluidtechnischer Verbindung stehen. Die erste Schnecke steht mit dem ersten Auslasskrümmer in fluidtechnischer Verbindung, und die zweite Schnecke steht mit dem zweiten Auslasskrümmer in fluidtechnischer Verbindung.
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Der Doppeleinlasskompressor umfasst ein Kompressorgehäuse und ein doppelseitiges Flügelrad, das in dem Kompressorgehäuse angeordnet ist. Das Kompressorgehäuse definiert einen ersten Einlass, einen zweiten Einlass und einen Auslass, wobei der Auslass mit der Einlassbaugruppe in direkter Verbindung steht. Das doppelseitige Flügelrad weist eine erste Schaufelanordnung auf einer ersten Seite des Flügelrads und eine zweite Schaufelbaugruppe auf, die auf einer zweiten Seite des Flügelrads angeordnet ist. Das Kompressorgehäuse definiert einen ersten Strömungspfad zwischen dem ersten Einlass und der ersten Schaufelanordnung des Flügelrads und einen zweiten Strömungspfad zwischen dem zweiten Einlass und der zweiten Schaufelanordnung des Flügelrads.
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Der Doppeleinlasskompressor ist ausgebildet, um eine komprimierte Zufuhr von Luft durch die Einlassbaugruppe und nur an die erste Vielzahl der Zylinder zu liefern, wenn der funkengezündete Verbrennungsmotor in dem Zylinderdeaktivierungsmodus arbeitet. Die zugeführte komprimierte Luft kann einen Druck größer als der atmosphärische Druck aufweisen.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der Erfindung leicht offensichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Diagramm einer turboaufgeladenen Verbrennungsmotorbaugruppe.
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2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Doppelschneckenturbine, die mit der Verbrennungsmotorbaugruppe von 1 verwendet werden kann.
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Doppeleinlasskompressors, die mit der Verbrennungsmotorbaugruppe von 1 verwendet werden kann.
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4 ist schematisches Diagramm einer Verbrennungsmotorbaugruppe in einem Zylinderdeaktivierungsmodus.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um in den verschiedenen Ansichten gleiche oder identische Komponenten zu identifizieren, stellt 1 eine Motorbaugruppe 10 schematisch dar, die einen Verbrennungsmotor 12, ein Lufteinlasssystem 14 und ein Auslasssystem 16 umfasst. Das Lufteinlasssystem 14 und das Auslasssystem 16 können beide jeweils mit dem Motor 12 in fluidtechnischer Verbindung stehen, und sie können miteinander über einen Turbolader 18 in mechanischer Verbindung stehen.
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Der Verbrennungsmotor 12 (d. h. der Motor 12) kann ein funkengezündeter Verbrennungsmotor sein, und er kann mehrere Zylinder 20 definieren (die als Zylinder 1–4 bezeichnet werden). Jeder der entsprechenden Zylinder 20 kann eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 22 aufweisen, die flüssigen Kraftstoff (als ein Aerosol) zur Verbrennung in jeden Zylinder selektiv einleiten können. Jeder der Zylinder 20 kann mit dem Lufteinlasssystem 14 in einer selektiven fluidtechnischen Verbindung stehen, um frische/sauerstoffreiche Luft aufzunehmen, und verschiedene der Zylinder 20 können mit dem Auslasssystem 16 in selektiver fluidtechnischer Verbindung stehen, um die Nebenprodukte der Verbrennung auszustoßen. Obgleich der dargestellte Motor 12 einen 4-Zylindermotor zeigt, ist die vorliegende Technologie gleichermaßen auf Reihenmotoren mit drei und sechs Zylindern sowie auf Motoren mit V8-, V10- und V12-Konfiguration anwendbar, neben anderen.
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Das Lufteinlasssystem 14 kann allgemein einen Frischlufteinlass 24, einen Ladeluftkühler 28, eine Drossel 30 und einen Einlasskrümmer 32 umfassen. Wie einzusehen ist, kann während des Betriebs des Motors 12 Frischluft 34 über den Frischlufteinlass 24 durch das Lufteinlasssystem 14 aus der Atmosphäre (oder aus einer zugeordneten Luftfilterbaugruppe) eingelassen werden. Die Drossel 30 kann ein steuerbares Leitblech aufweisen, das ausgebildet ist, um die gesamte Luftströmung durch das Einlasssystem 14 und letztlich in die Zylinder 20 (über den Einlasskrümmer 32) selektiv zu regeln.
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Bei einem typischen 4-Zylindermotor kann die Verbrennung in den verschiedenen Motorzylindern 20 auf eine sequentielle Weise erfolgen. Beispielsweise kann die Zündreihenfolge sequentiell lauten: Zylinder 1; Zylinder 3; Zylinder 4; Zylinder 2. Wie einzusehen ist, kann der Motor 12 anschließend Gas aus den Zylindern in der gleichen sequentiellen Reihenfolge ausstoßen; und daher kann die Abgasströmung einer Reihe von Pulsen eher ähnlich sein als einer kontinuierlichen Strömung.
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Es wurde gefunden, dass die Motoreffizienz maximiert wird, wenn Abgaspulse separiert sind, damit sie sich nicht gegenseitig überlagern. Zusätzlich zum Verringern der Überlagerung zwischen den Pulsen kann die Separierung das Auftreten eines Klopfens und/oder einer unregelmäßigen Verbrennung verringern. Um eine ausreichende Pulsseparation zu erreichen, kann die Abgasströmung in verschiedene Strömungen aufgeteilt werden, die über mehrere Auslasskrümmer separat zu dem Turbolader 18 geleitet werden können. Daher kann das Auslasssystem 16 bei einer Konfiguration einen ersten Auslasskrümmer 36 und einen zweiten Auslasskrümmer 38 aufweisen, die strömende Abgase 40 weg von dem Motor 12 leiten können. Die Abgase 40 können schließlich durch eine Nachbehandlungseinrichtung 42 hindurchtreten, um bestimmte Nebenprodukte zu katalysieren und/oder zu entfernen, bevor sie das Auslasssystem 16 über einen Auspuff 44 verlassen.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, können das Lufteinlasssystem 14 und das Auslasssystem 16 über einen Turbolader 18 in mechanischer Verbindung stehen. Der Turbolader 18 kann eine Turbine 50 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Auslasssystem 16 und einen Kompressor 52 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Einlasssystem 14 aufweisen. Die Turbine 50 und der Kompressor 52 können über eine drehbare Welle 54 mechanisch gekoppelt sein. Der Turbolader 18 kann die Energie der Abgase 40, die aus dem Motor 12 strömen, verwenden, um die Turbine 50 und die Kompressor 52 zu drehen. Die Drehung des Kompressors 52 kann anschließend Frischluft 34 aus dem Einlass 24 ansaugen und diese in den Rest des Einlasssystems 14 hinein komprimieren.
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2 stellt eine Ausführungsform einer Turbine 50 dar. Wie es gezeigt ist, umfasst die Turbine 50 ein Gehäuse 60 und ein drehbares Turbinenrad 62, das funktional mit der drehbaren Welle 54 verbunden ist. Das Gehäuse kann einen Spiralenabschnitt 64 definieren, der das Turbinenrad 62 im Wesentlichen umgibt und der mit dem Auslasssystem 16 in direkter fluidtechnischer Verbindung steht. Wie es gezeigt ist, kann der Spiralenabschnitt 64 eine erste Schnecke 66 und eine zweite Schnecke 68 umfassen, die durch eine Unterteilung 70 separiert sind (daher kann das Gehäuse 60 als ein ”Doppelschneckengehäuse 60” bezeichnet werden). In einem Auslasssystem mit zwei Auslasskrümmern 36, 38 kann jede Schnecke 66, 68 Abgase 40 aus einem der jeweiligen Krümmer aufnehmen. Beispielsweise kann die erste Schnecke 66 mit dem ersten Auslasskrümmer 36 in fluidtechnischer Verbindung stehen, und die zweite Schnecke 68 kann mit dem zweiten Auslasskrümmer 38 in fluidtechnischer Verbindung stehen. Jede Schnecke kann die strömenden Abgase 40 in Richtung des Turbinenrades 62 leiten, wo diese das Rad 62 in Drehung versetzen können, bevor sie das Turbinenrad 50 über einen Auslass 72 verlassen.
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3 stellt eine Ausführungsform eines Kompressor 52 dar, der mit dem vorliegenden System verwendet werden kann. Der dargestellte Kompressor 52 ist ein Beispiel eines sequentiellen Kompressors, der in einem einzelnen Gehäuse 80 enthalten ist (und der Kürze halber als ein ”einzeln sequentieller Kompressor 52” bezeichnet wird). Das Gehäuse kann einen ersten Einlass 82, einen zweiten Einlass 84 und einen Auslass 86 definieren, wobei jeder Einlass 82, 84 funktional mit dem Frischlufteinlass 24 des Einlasssystems 14 gekoppelt ist und der Auslass 86 funktional mit dem Ladeluftkühler 28 gekoppelt ist. Jeder Einlass 82, 84 kann eine entsprechende Einlassströmung 88, 90 aufnehmen, die eine Teilmenge der eingelassenen Frischluft 34 sein kann, und der Auslass 86 kann eine Strömung komprimierter Luft 92 an den Ladeluftkühler 28 ausstoßen.
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Ein doppelseitiges Schaufelrad 94 kann in dem Gehäuse 80 angeordnet und fluidtechnisch zwischen jedem der jeweiligen Einlässe 82, 84 und dem Auslass 86 angeordnet sein. Das doppelseitige Flügelrad 94 kann eine erste Schaufelanordnung 96 in fluidtechnischer Verbindung mit der ersten Einlassströmung 88 und eine entgegengesetzte zweite Schaufelanordnung 98 in fluidtechnischer Verbindung mit der zweiten Einlassströmung 90 umfassen. Wenn das Flügelrad 94 durch die drehbare Welle 54 gedreht wird (die durch die Turbine 50 angetrieben wird), kann es Luft aus der ersten und der zweiten Einlassströmung 88, 90 in einen Spiralendurchgang 100 hinein komprimieren, der um das Flügelrad 94 herum angeordnet und zu dem Auslass 86 hin offen ist.
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Das doppelseitige Flügelrad 94 kann ermöglichen, dass der Kompressor 52 die erforderlichen niedrigen Niveaus der Strömungskompression/des Ladedrucks erreicht, die bewirken können, dass herkömmlichere (einseitige) Kompressoren zum Stillstand kommen und/oder einen Druckstoß erleiden. Diese Eigenschaft ist vorteilhaft bei Motoren, die eine Zylinderdeaktivierung verwenden, da die gesamte Motorluftströmungsanforderung ähnlich bleibt, wenn ein oder mehrere Zylinder aufhören, Luft anzusaugen, die Ladedruckanforderung aber zunimmt, um diese angeforderte Luftströmung mit einer verringerten Anzahl aktiver Zylinder zu erzeugen. Auf diese Weise kann der Kompressor eine komprimierte Zufuhr an Luft durch die Einlassbaugruppe und nur an die aktiven Zylinder liefern, wenn der funkengezündete Verbrennungsmotor in dem Zylinderdeaktivierungsmodus arbeitet. Diese komprimierte Zufuhr an Luft kann im Allgemeinen einen größeren Druck als der Frischlufteinlass 34 aufweisen, der im Wesentlichen beim atmosphärischen Druck liegen kann.
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4 stellt die Motorbaugruppe 10 von 1 dar, bei der die Zylinder 2 und 3 des Motors 12 deaktiviert wurden (das ”X” bezeichnet ein Fehlen der Luftströmung). Wie vorstehend erwähnt wurde, bleiben die Einlass- und Auslassventile für die Zylinder über die gesamte Dauer des Motorzyklus geschlossen, wenn ein Zylinder deaktiviert ist. Auf diese Weise wirkt die Luft, die in dem Zylinder eingeschlossen/enthalten sein kann, als eine Gasfeder, obwohl sie keine Netto-Arbeitsausgabe erzeugt. In dem in 4 vorgesehenen Beispiel kann die gesamte Luftströmung durch den Motor 12 bei einer Deaktivierung der Zylinder 2 und 3 um ungefähr 50% verringert sein.
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Die Zylinder können durch den Befehl eines Controllers 110 deaktiviert werden, der eine oder mehrere digitale Verarbeitungseinrichtungen, einen Speicher und Steuerroutinen verwenden kann. Gemäß einer Ausbildung kann der Controller 110 die Zylinder deaktivieren, die einen gemeinsamen Auslasskrümmer teilen, bevor er diejenigen an einem anderen Auslasskrümmer deaktiviert. Somit können die Verbrennungs-/Abgaspulse, die in den übrigen aktiven Zylindern auftreten, weiterhin so weit wie möglich beabstandet sein, während eine minimale Strömungsrate durch den im Betrieb befindlichen Krümmer (d. h. den ersten Krümmer 36) sichergestellt sein kann.
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Die Konstruktion des vorstehend beschriebenen Turboladers 18 kann besonders nützlich sein, wenn dieser mit einem Motor kombiniert wird, der eine selektive Zylinderdeaktivierung verwendet. Die Verwendung einer Doppelschneckenturbine 50, während versucht wird, die Strömung durch zumindest eine der Schnecken 66, 68 zu maximieren (indem beispielsweise nur Zylinder 20 an einem gemeinsamen Krümmer deaktiviert werden), kann die Leistung maximieren, die aus der Abgasströmung 40 entnommen werden kann, sogar unter Bedingungen mit geringer Strömung. Darüber hinaus kann die Geometrie des Turbinenrades 62 darauf abgestimmt sein, Szenarien mit geringer Strömung zu berücksichtigen, bei denen die Abgase 40 nur durch eine der Schnecken 66, 68 strömen. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann der Doppeleinlasskompressor 52 mit dem doppelseitigen Flügelrad 94 zusätzlich in der Lage sein, den angeforderten erhöhten Betrag an Kompression/Ladedruck zu liefern, um die angeforderte Motorluftströmungsrate zu erzeugen (wie sie während einer Zylinderdeaktivierung auftritt).
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Daher umfasst die Motorbaugruppe 10 bei der Konstruktion, die in 4 dargestellt ist, einen Motor 12, der ausgebildet ist, um einen Kraftstoff zu verbrennen und um als Nebenprodukt Abgase 40 zu erzeugen. Eine erste Teilmenge der Motorzylinder (z. B. die Zylinder 1 und 4) kann mit dem ersten Auslasskrümmer 36 in fluidtechnischer Verbindung stehen, und eine zweite Teilmenge der Motorzylinder (z. B. die Zylinder 2 und 3) kann mit dem zweiten Auslasskrümmer 38 in fluidtechnischer Verbindung stehen. Obgleich die vorliegende Konstruktion bezogen auf einen 4-Zylindermotor dargestellt ist, kann sie gleichermaßen auf größere Motoren anwendbar sein, die andere Konfigurationen aufweisen, wie es vorstehend erwähnt wurde.
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Ein Controller 110 in Verbindung mit dem Motor 12 ist ausgebildet, um einen oder mehrere Zylinder zu deaktivieren, die einen gemeinsamen Auslasskrümmer teilen. Der Controller 110 kann diese Deaktivierung beeinflussen, indem der Kraftstoff und die Luft beschränkt werden, die in den deaktivierten Zylinder eintreten oder aus diesem austreten. Bei dem gezeigten Beispiel wurden die Zylinder 2 und 3 (die den zweiten Auslasskrümmer 38 teilen) deaktiviert. Somit strömen die erzeugten Abgase nur durch den ersten Auslasskrümmer 36.
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Der Motor 12 kann mit einem Turbolader 18 in Verbindung stehen, der sowohl eine Doppelschneckenturbine 50 als auch einen einzeln sequentiellen Kompressor 52 aufweist. Die Doppelschneckenturbine 50 kann dazu dienen, eine minimale Leistungsausgabe trotz der verringerten Abgasströmung 40 aufrechtzuerhalten. Dies kann teilweise dadurch erreicht werden, indem das Abgas 40, das durch die ständig aktiven Zylinder geliefert wird, und das Abgas 40, das durch die selektiv deaktivierbaren Zylinder geliefert wird, separat geleitet werden. Wenn die Zylinder deaktiviert werden, wird nur die Strömung 40 durch eine der zwei Schnecken 66, 68 beeinflusst. Darüber hinaus kann die Geometrie des Turbinenrades 62 die verringerte Gesamtströmung berücksichtigen, indem eine weniger aggressive Steigung in der Nähe der ständig aktiven Schnecke angenommen wird.
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Der einzeln sequentielle Kompressor 52 kann den erforderlichen erhöhten Ladedruck zum Erreichen der angeforderten Motoreinlassströmung liefern, indem zwei parallele Einlassströmungspfade 88, 90 verwendet werden, die zu dem einzelnen, doppelseitigen Flügelrad 94 führen. Somit ist der Stillstandspunkt des Kompressors 52 bezogen auf den Stillstandspunkt eines Kompressors mit einfacher Strömung verschoben (d. h., dass die Druckstoßlinie verschoben ist, um höhere Kompressionsverhältnisse bei geringeren Strömungsraten zu erreichen). Dies ermöglicht den Kompressor 52, weiterhin den erforderlichen erhöhten Ladedruck an den Motor 12 zu liefern, wenn sich dieser in einem Zylinderdeaktivierungszustand befindet. Dadurch kann die Vorbereitungszeit der Turbine verringert werden, wenn schließlich Leistung angefordert wird und die deaktivierten Zylinder erneut aktiviert werden.
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Obgleich die besten Weisen zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute, die diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche auszuüben. Es ist beabsichtigt, dass der gesamte Gegenstand, der in der vorstehenden Beschreibung enthalten oder in den begleitenden Zeichnungen gezeigt ist, lediglich als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung interpretiert werden soll.
