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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Verfahren und Systeme für ein Kraftmaschinensystem, das einen Drosselklappen-Turbinengenerator enthält.
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Hintergrund und Zusammenfassung
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Einige Kraftmaschinensysteme enthalten Vorrichtungen, wie z. B. Drosselklappen-Turbinengeneratoren, um die Energie von einem Druckunterschied über einer Drosselklappe zu verwenden, die andernfalls in einem Einlasskanal einer Kraftmaschine verschwendet wird. In einigen Beispielen, wie z. B. durch Leone u. a. in
US 20130092126 gezeigt ist, enthält der Drosselklappen-Turbinengenerator eine Turbine, die mechanisch an einen Generator gekoppelt ist, der Strom erzeugen kann, der einer Batterie der Kraftmaschine zugeführt wird. Durch das Laden der Batterie mit einem derartigen Generator kann die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Kraftmaschinensystems verbessert werden. Es wird z. B. die Notwendigkeit, die Batterie mit einem durch die Kraftmaschine angetriebenen Generator zu laden, verringert.
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Die Erfinder haben hier erkannt, dass es durch das Koppeln der Turbine an einen Motor-Generator Bedingungen geben kann, unter denen die Turbine durch den Motor angetrieben sein kann. Insbesondere kann der Motor-Generator als ein Motor betrieben werden, der Strom von einer Batterie zieht und den Turbinenpropeller als einen Kompressor dreht. Mit anderen Worten, das System kann nach Bedarf als ein Generator mit Turbinenantrieb oder ein Kompressor mit Motorantrieb betrieben werden. Durch das Koppeln des Kompressors mit Motorantrieb an einen Kraftstoffdampf-Entleerungskanister kann während der Bedingungen, wenn es keinen ausreichenden Einlasskrümmer-Unterdruck gibt, die Kanisterentleerung durch das Ziehen der Entleerungsdämpfe unter Verwendung des Kompressors erreicht werden. Dies ermöglicht, dass eine Kanisterentleerungsrate aufrechterhalten wird, selbst wenn der Einlasskrümmer-Unterdruck nicht ausreichend ist, um die Soll-Entleerungsrate aufrechtzuerhalten. Der Kompressor kann alternativ verwendet werden, um Luft durch andere Unterdruck erfordernde Vorrichtungen und Aktuatoren des Kraftmaschinensystems zu ziehen.
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In einem Beispiel kann ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftmaschinensystems, das einen Drosselklappen-Turbinengenerator enthält, Folgendes umfassen: selektives Betreiben eines Motor-Generators, um einen Turbinenpropeller zu drehen, der in eine Einlassdrosselklappenumgehung gekoppelt ist; und Ziehen von Kraftstoffdämpfen aus einem Kraftstoffsystemkanister durch den sich drehenden Propeller in einen Einlasskrümmer der Kraftmaschine.
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In dieser Weise werden die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteile eines Drosselklappen-Turbinengenerators vergrößert. Unter Verwendung der Turbine während ausgewählter Bedingungen, um einen elektrischen Motor-Generator anzutreiben, kann der Energieverlust über einer Einlassdrosselklappe wiedergewonnen werden, wobei der Kraftmaschinenbetrieb zum Laden einer Systembatterie nicht erforderlich ist. Unter Verwendung des elektrischen Motor-Generators, um den Turbinenpropeller während ausgewählter anderer Bedingungen anzutreiben, kann durch das Betreiben der Turbine als ein Kompressor Luft durch einen Entleerungskanister gezogen werden, wobei dadurch die Kanisterentleerung selbst dann ermöglicht wird, wenn es einen unzureichenden Einlasskrümmer-Unterdruck gibt. Durch das Verbessern der Kanisterentleerung und das Aufrechterhalten einer Kanisterentleerungsrate über einen größeren Bereich der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine werden die Abgasemissionen der Kraftmaschine verbessert.
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Es sollte selbstverständlich sein, dass die obige Zusammenfassung bereitgestellt ist, um eine Auswahl der Konzepte in vereinfachter Form einzuführen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben sind. Sie ist nicht beabsichtigt, Schlüssel- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Umfang eindeutig durch die Ansprüche definiert ist, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Außerdem ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf die Implementierungen eingeschränkt, die alle oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angegebenen Nachteile beseitigen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische graphische Darstellung eines Kraftmaschinensystems.
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2 zeigt eine schematische graphische Darstellung eines Drosselklappen-Turbinengenerators in einem Kraftmaschinensystem.
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3 zeigt einen Ablaufplan, der eine Routine zum Einstellen eines Betriebsmodus einer Turbine des Drosselklappen-Turbinengenerators zwischen einem ersten Turbinenmodus zur Erzeugung elektrischer Energie und einem zweiten Kompressormodus zur Kanisterentleerung veranschaulicht.
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4 zeigt ein beispielhaftes Drosselklappen-Kennfeld für den Drosselklappen-Turbinengenerator nach 2.
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5 zeigt einen beispielhaften Betrieb der Turbine als eine Turbine und einen Kompressor während verschiedener Betriebsbedingungen.
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Ausführliche Beschreibung
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Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Systeme und Verfahren für eine Kraftmaschine mit einem Drosselklappen-Turbinengenerator. In einigen Ausführungsformen enthält ein beispielhaftes Kraftmaschinensystem eine Drosselklappenumgehung um eine Drosselklappe, die in einem Einlasssystem des Kraftmaschinensystems angeordnet ist. Ferner enthält die Drosselklappenumgehung eine Turbine, die mit einem Motor-Generator in Verbindung steht, wie in den Kraftmaschinensystemen nach den 1–2 gezeigt ist. Ein Kraftmaschinen-Controller kann konfiguriert sein, eine Steuerroutine, wie z. B. die Routine nach 3, auszuführen, um den Turbinengenerator in einem ersten Modus, in dem ein Druckdifferential über der Drosselklappe über die Turbine und den Generator nutzbar gemacht wird und als elektrische Energie in einer Systembatterie gespeichert wird, selektiv zu betreiben. Der Controller kann zusätzlich den Turbinengenerator in einem zweiten Modus betreiben, in dem der Motor die Turbine als einen Kompressor antreibt, um Entleerungsluft durch einen Kraftstoffsystemkanister zu ziehen. Die Auswahl kann basierend auf den in einem Drosselklappen-Kennfeld, wie z. B. dem Kennfeld nach 4, definierten Eigenschaften getroffen werden. Ein beispielhafter Turbinenbetrieb ist bezüglich 5 gezeigt.
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1 ist eine schematische graphische Darstellung, die einen Zylinder einer Mehrzylinder-Kraftmaschine 10 zeigt, die in einem Antriebssystem eines Fahrzeugs enthalten sein kann. Die Kraftmaschine 10 kann wenigstens teilweise durch ein Steuersystem, das einen Controller 12 enthält, und durch eine Eingabe von einer Bedienungsperson 132 des Fahrzeugs über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert sein. In diesem Beispiel enthält die Eingabevorrichtung 130 ein Fahrpedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Eine Verbrennungskammer (d. h., ein Zylinder) 30 der Kraftmaschine 10 kann die Verbrennungskammerwände 32 enthalten, in denen ein Kolben 36 positioniert ist. Der Kolben 36 kann an eine Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, so dass eine Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein Zwischengetriebesystem an wenigstens ein Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Ferner kann ein Startermotor über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um eine Startoperation der Kraftmaschine 10 zu ermöglichen.
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Die Verbrennungskammer 30 kann die Einlassluft über einen Einlasskanal 42 von einem Einlasskrümmer 44 empfangen und kann die Verbrennungsgase über einen Auslasskanal 48 ablassen. Der Einlasskrümmer 44 und der Auslasskanal 48 können wahlweise über ein Einlassventil 52 bzw. ein Auslassventil 54 mit der Verbrennungskammer 30 in Verbindung stehen. In einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 zwei oder mehr Einlassventile und/oder zwei oder mehr Auslassventile enthalten.
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In diesem Beispiel können das Einlassventil 52 und die Auslassventile 54 durch Nockenbetätigung über die Nockenbetätigungssysteme 51 bzw. 53 gesteuert sein. Jedes Nockenbetätigungssystem 51 und 53 kann einen oder mehrere Nocken enthalten und kann ein Nockenkurvenschaltsystem (CPS) und/oder ein System mit variabler Nockenzeitsteuerung (VCT) und/oder ein System mit variabler Ventilzeitsteuerung (VVT) und/oder ein System mit variablem Ventilhub (VVL) verwenden, die durch den Controller 12 betrieben werden können, um den Ventilbetrieb zu variieren. Die Positionen des Einlassventils 52 und des Auslassventils 54 können durch die Ventilpositionssensoren 55 bzw. 57 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen können das Einlassventil 52 und/oder das Auslassventil 54 durch eine elektrische Ventilbetätigung gesteuert sein. Der Zylinder 30 kann z. B. alternativ ein Einlassventil, das über eine elektrische Ventilbetätigung gesteuert ist, und ein Auslassventil, das über eine Nockenbetätigung, die das CPS und/oder die VCT enthält, gesteuert ist, enthalten.
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Es ist gezeigt, dass eine Kraftstoffeinspritzdüse 66 direkt an die Verbrennungskammer 30 gekoppelt ist, um Kraftstoff proportional zu der Impulsbreite eines Signals FPW, das über einen elektronischen Treiber 68 von dem Controller 12 empfangen wird, direkt darin einzuspritzen. In dieser Weise stellt die Kraftstoffeinspritzdüse 66 das bereit, was als die Direkteinspritzung des Kraftstoffs in die Verbrennungskammer 30 bekannt ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse kann z. B. an der Seite der Verbrennungskammer oder im Oberteil der Verbrennungskammer angebracht sein. Der Kraftstoff kann durch ein (nicht gezeigtes) Kraftstoffsystem, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und einen Kraftstoffverteiler enthält, der Kraftstoffeinspritzdüse 66 zugeführt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 alternativ oder zusätzlich eine Kraftstoffeinspritzdüse enthalten, die im Einlasskrümmer 44 in einer Konfiguration angeordnet ist, die das bereitstellt, was als die Kanaleinspritzung des Kraftstoffs in die Einlassöffnung stromaufwärts der Verbrennungskammer 30 bekannt ist.
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Der Einlasskanal 42 kann eine Drosselklappe 62 enthalten, die eine Drosselklappen-Platte 64 aufweist. In diesem speziellen Beispiel kann die Position der Drosselklappen-Platte 64 über ein Signal, das einem Elektromotor oder einem Aktuator, der in der Drosselklappe 62 enthalten ist, bereitgestellt wird, durch den Controller 12 variiert werden, eine Konfiguration, die im Allgemeinen als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC) bezeichnet wird. In dieser Weise kann die Drosselklappe 62 betrieben werden, um die der Verbrennungskammer 30 unter den anderen Kraftmaschinenzylindern bereitgestellte Einlassluft zu variieren. Die Position der Drosselklappen-Platte 64 kann durch ein Drosselklappen-Positionssignal TP dem Controller 12 bereitgestellt werden. Der Einlasskanal 42 kann einen Luftmassendurchflusssensor 120 und/oder einen Krümmer-Absolutdrucksensor 122 enthalten, um die Signale MAF bzw. MAP dem Controller 12 bereitzustellen.
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Ferner ist ein Drosselklappen-Turbinengenerator 202 in einer Umgehung um die Drosselklappe 62 an den Einlasskanal 42 gekoppelt. Der Drosselklappen-Turbinengenerator 202, der bezüglich 2 ausführlicher beschrieben wird, enthält eine Turbine, die einen Generator antreibt. In einem Beispiel treibt die Turbine einen Hilfsgenerator an, um einer Batterie der Kraftmaschine Ladung bereitzustellen. Der Generator kann als ein Motor-Generator konfiguriert sein. Die durch den Generator der Batterie zugeführte Ladung kann als eine Ergänzung zum Laden durch einen mechanisch angetriebenen primären Generator bereitgestellt werden. Wie außerdem in den 2–3 ausgearbeitet ist, kann der Motor-Generator außerdem während ausgewählter Bedingungen als ein Motor betrieben werden, wobei der Motor einen Turbinenpropeller antreibt, so dass die Turbine im Wesentlichen als ein Kompressor arbeitet. In dieser Weise kann die Turbine durch das Einstellen des Betriebs des Motor-Generators in Reaktion auf die Betriebsbedingungen der Kraftmaschine als eine einen Generator antreibende Turbine oder als ein Kompressor mit Motorantrieb verwendet werden.
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Das Zündsystem 88 kann gemäß ausgewählten Betriebsmodi in Reaktion auf ein Zündvorverstellungssignal SA vom Controller 12 über eine Zündkerze 92 der Verbrennungskammer 30 einen Zündfunken bereitstellen. Obwohl Funkenzündungskomponenten gezeigt sind, können in einigen Ausführungsformen die Verbrennungskammer 30 oder ein oder mehrere andere Verbrennungskammern der Kraftmaschine 10 in einem Kompressionszündungsmodus mit oder ohne einen Zündfunken betrieben werden.
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Es ist gezeigt, dass ein Abgassensor 126 stromaufwärts einer Abgasreinigungsvorrichtung 70 an den Auslasskanal 48 gekoppelt ist. Der Sensor 126 kann irgendein geeigneter Sensor sein, um eine Angabe des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses der Abgase bereitzustellen, wie z. B. ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO-(ein universeller oder Weitbereichs-Abgassauerstoff-), ein Zweizustands-Sauerstoffsensor oder EGO-, ein HEGO-(ein erwärmter EGO-), ein NOx-, HC- oder CO-Sensor. Es ist gezeigt, dass die Abgasreinigungsvorrichtung 70 stromabwärts des Abgassensors 126 entlang dem Auslasskanal 48 angeordnet ist. Die Vorrichtung 70 kann ein Dreiwegekatalysator (TWC), eine NOx-Falle, verschiedene andere Abgasreinigungsvorrichtungen oder Kombinationen daraus sein. In einigen Ausführungsformen kann während des Betriebs der Kraftmaschine 10 die Abgasreinigungsvorrichtung 70 durch das Betreiben wenigstens eines Zylinders der Kraftmaschine innerhalb eines speziellen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses periodisch zurückgesetzt werden.
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Der Controller 12 ist in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingabe-/Ausgabe-Ports 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Eichwerte, das in diesem speziellen Beispiel als ein Festwertspeicher-Chip 106 gezeigt ist, einen Schreib-Lese-Speicher 108, einen Haltespeicher 110 und einen Datenbus enthält. Der Controller 12 kann zusätzlich zu jenen Signalen, die vorher erörtert worden sind, verschiedene Signale von an die Kraftmaschine 10 gekoppelten Sensoren empfangen, einschließlich der Messung des eingeleiteten Luftmassendurchflusses (MAF) von dem Luftmassendurchflusssensor 120; einer Kraftmaschinen-Kühlmitteltemperatur (ECT) von einem Temperatursensor 112, der an eine Kühlhülse 114 gekoppelt ist; eines Profil-Zündungs-Ansprechsignals (PIP) von einem Hall-Effekt-Sensor 118 (oder einem anderen Typ), der an die Kurbelwelle 40 gekoppelt ist; einer Drosselklappenposition (TP) von einem Drosselklappenpositionssensor; und eines Krümmer-Absolutdrucksignals MAP von einem Sensor 122. Das Kraftmaschinen-Drehzahlsignal, RPM, kann durch den Controller 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann verwendet werden, um eine Angabe des Unterdrucks oder des Drucks in dem Einlasskrümmer bereitzustellen. Es wird angegeben, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie z. B. ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Während des stöchiometrischen Betriebs kann der MAP-Sensor eine Angabe des Kraftmaschinendrehmoments angeben. Ferner kann dieser Sensor zusammen mit der detektierten Kraftmaschinendrehzahl eine Schätzung der in den Zylinder eingeleiteten Ladung (einschließlich der Luft) bereitstellen. In einem Beispiel kann der Sensor 118, der außerdem als ein Kraftmaschinen-Drehzahlsensor verwendet wird, bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine vorgegebene Anzahl gleich beabstandeter Impulse erzeugen.
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Der Festwertspeicher 106 des Speichermediums kann mit computerlesbaren Daten programmiert sein, die durch den Prozessor 102 ausführbare Anweisungen zum Ausführen sowohl der im Folgenden beschriebenen Verfahren als auch anderer Varianten, die vorausgesehen werden, aber nicht spezifisch aufgelistet sind, repräsentieren.
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Wie oben beschrieben worden ist, zeigt 1 nur einen Zylinder einer Mehrzylinderkraftmaschine, wobei jeder Zylinder ähnlich seinen eigenen Satz aus Einlass-/Auslassventilen, einer Kraftstoffeinspritzdüse, einer Zündkerze usw. enthalten kann.
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In 2 ist ein Drosselklappen-Turbinengenerator 202 in einem Kraftmaschinensystem 200 gezeigt, das eine Kraftmaschine 10 enthält, die oben bezüglich 1 beschrieben worden ist. Die Kraftmaschine 10 ist mit einem Einlasskrümmer 44 dargestellt, um den Kraftmaschinenzylindern Luft zuzuführen. Der Drosselklappen-Turbinengenerator 202 enthält eine Turbine 206 und ein Drosselklappen-Umgehungsventil 208, das in einer Drosselklappenumgehung 204 angeordnet ist, und einen Generator 210, der durch die Turbine 206 angetrieben ist. Insbesondere wird die Drehung der Turbine 206 verwendet, um den Generator 210 über eine mechanische Welle 205 anzutreiben.
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Der Generator 210 kann als ein Motor-Generator konfiguriert sein, der betrieben werden kann, um das über die Welle 205 empfangene Turbinendrehmoment in elektrische Energie umzusetzen, die in einer Speichervorrichtung für elektrische Energie, wie z. B. einer Batterie 212, zu speichern ist. Zusätzlich kann der Motor-Generator betrieben werden, um entlang der Welle 205 Drehmoment zuzuführen, um die Turbine 206 zu drehen. Der Motor-Generator kann einen Elektromotor umfassen, der mechanisch an einen elektrischen Generator (oder einen Drehstromgenerator) gekoppelt ist. Wenn der Generator im Generatormodus arbeitet, erzeugt er einen elektrischen Ausgangsstrom. Insbesondere treibt das Drehen der Turbine den Motor-Generator an, der gleichzeitig eine Batterie lädt, die elektrisch an den Motor-Generator gekoppelt ist. Wenn im Vergleich der Motor im Motormodus arbeitet, läuft der er an einem elektrischen Eingangsstrom. Insbesondere wird eine Ladung (in der Form eines Stroms) von der Batterie gezogen, um den Motor-Generator zu betreiben, wobei der Motorbetrieb eine Drehung der Turbine antreibt. Die sich drehende Turbine kann dann als ein Kompressor wirken, der eine Luftströmung zu dem Einlasskrümmer zieht, wie z. B. über einen Kraftstoffsystemkanister. Während des Betriebs in irgendeinem Modus kann Leistung zwischen den beiden elektrischen Arbeitsmaschinen als ein mechanisches Drehmoment strömen, wobei dadurch eine elektrische Isolation und etwas Pufferung der Leistung zwischen den beiden elektrischen Arbeitsmaschinen bereitgestellt wird.
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Der Drosselklappen-Turbinengenerator 202 verwendet Energie, die durch das Drosseln der Einlassluft der Kraftmaschine typischerweise verschwendet wird. Die Änderung des Drucks über der Drosselklappe 62 kann z. B. verwendet werden, um eine Luftströmung durch die Turbine 206 zu lenken. Die Turbine 206 treibt den Generator 210 an, der der Batterie 212 Strom bereitstellt. In einer derartigen Konfiguration kann der Gesamtwirkungsgrad des Kraftmaschinensystems verbessert werden. Wenn der Generator 210 z. B. ein Hilfsgenerator ist, kann während einiger Betriebsbedingungen das Laden der Batterie 212 über einen mechanisch angetrieben primären Generator verringert werden und kann das Laden über den Hilfsgenerator vergrößert werden. Dies verringert als solches die Notwendigkeit zum Betreiben der Kraftmaschine, um die Batterie zu laden.
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Wie dargestellt ist, strömt die Einlassluft durch den Einlasskanal 42 und durch die Drosselklappe 62. Wie im Folgenden beschrieben wird, kann die Drosselklappenposition durch den Controller 12 variiert werden, so dass eine Menge der Einlassluft, die den Zylindern der Kraftmaschine bereitgestellt wird, variiert wird. Die Drosselklappenumgehung 204 lenkt die Einlassluft von einer Position stromaufwärts der Drosselklappe 62 und um die Drosselklappe 62 zu einer Position stromabwärts der Drosselklappe 62. Die Einlassluft kann z. B. durch einen Druckunterschied über der Drosselklappe durch die Drosselklappenumgehung 204 und die Turbine 206 gelenkt werden. Ferner enthält in der in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform der Turbinengenerator 202 ein Drosselklappen-Umgehungsventil 208. Das Drosselklappen-Umgehungsventil 208 kann moduliert werden, um die Strömung der Einlassluft durch die Drosselklappenumgehung 204 einzustellen. In einigen Beispielen kann das Drosselklappen-Umgehungsventil 208 ein Schaltventil sein, das die Drosselklappenumgehung 204 öffnet und schließt. In anderen Beispielen kann das Drosselklappen-Umgehungsventil 208 ein Strömungsmodulationsventil sein, das eine variable Menge der Luftströmung durch die Drosselklappenumgehung 204 steuert. Das Drosselklappen-Umgehungsventil 208 kann ein Kolben- oder Schieberventil, ein Absperrschieber, eine Schmetterlings-Klappe oder eine andere geeignete Strömungssteuervorrichtung sein. Ferner kann das Drosselklappen-Umgehungsventil 208 durch ein Solenoid, ein pulsbreitenmoduliertes Solenoid, einen DC-Motor, einen Schrittmotor, eine Unterdruckmembran oder dergleichen betätigt sein.
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Die durch die Drosselklappenumgehung 204 gelenkte Luftströmung strömt durch die Turbine 206, die den Generator 210 mit der aus der Luftströmung extrahierten Energie über die Welle 205 dreht. Der Generator 210 erzeugt Strom, der der Batterie 212 zugeführt wird. Die Batterie 212 kann verschiedenen Komponenten eines elektrischen Systems des Fahrzeugs, in dem das Kraftmaschinensystem 200 angeordnet ist, Leistung bereitstellen, wie z. B. den Leuchten, den Pumpen, den Lüftern, der Kraftstoffeinspritzung, der Zündung, der Klimaanlage und dergleichen. In den Ausführungsformen, in denen der Generator 210 ein Hilfsgenerator ist, kann die Batterie 212 ferner durch einen (nicht gezeigten) primären Generator geladen werden, der durch die Kraftmaschine 10 mechanisch angetrieben ist. Dabei kann der Hilfsgenerator ein weniger leistungsfähiger Generator sein, der z. B. weniger Strom als der primäre Generator erzeugt.
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Das Kraftmaschinensystem 100 enthält ferner einen Kraftstofftank 26, der einen flüchtigen flüssigen Kraftstoff lagert, der in der Kraftmaschine 10 verbrannt wird. Um die Emission von Kraftstoffdämpfen aus dem Kraftstofftank und in die Atmosphäre zu vermeiden, ist der Kraftstofftank durch einen Adsorptionsmittelkanister 22 zur Atmosphäre entlüftet. Der Adsorptionsmittelkanister kann eine signifikante Kapazität zum Lagern von kohlenwasserstoff-, alkohol- und/oder ester-basierten Kraftstoffen in einem adsorbierenden Zustand aufweisen; er kann z. B. mit Aktivkohle-Körnchen und/oder einem anderen Material mit einem großen Oberflächeninhalt gefüllt sein. Dennoch verringert die anhaltende Adsorption von Kraftstoffdampf schließlich die Kapazität des Adsorptionsmittelkanisters für die weitere Lagerung. Deshalb kann der Adsorptionsmittelkanister periodisch von dem adsorbierenden Kraftstoff entleert werden, wie im Folgenden weiter beschrieben wird. In der in 2 gezeigten Konfiguration ist das Kraftstoffsystem mit einem doppelten Entleerungsweg konfiguriert. Spezifisch steuert das Kanisterentleerungsventil 218 das Entleeren der Kraftstoffdämpfe aus dem Kanister entlang einer Entleerungsleitung 282 und einer Entleerungsleitung 82 in den Einlasskrümmer. Die Entleerungsleitung 82 kann an einem Ort stromaufwärts der Turbine 206 und stromabwärts des Ventils 208 in der Drosselklappenumgehung 204 an den Einlasskrümmer 44 gekoppelt sein. Ein optionales Rückschlagventil 84 kann in die Entleerungsleitung 82 gekoppelt sein, um die Rückströmung von dem Einlasskrümmer 44 in den Kanister 22 zu verhindern. Die Entleerungsleitung 282 kann an einem Ort stromabwärts der Turbine 206 in der Drosselklappenumgehung 204 an den Einlasskrümmer 44 gekoppelt sein. Ein optionales Rückschlagventil 284 kann in die Entleerungsleitung 282 gekoppelt sein, um die Rückströmung von dem Einlasskrümmer 44 in den Kanister 22 zu verhindern.
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Wenn die Entleerungsbedingungen erfüllt sind, wie z. B. wenn der Kanister gesättigt ist, können die in dem Kraftstoffdampfkanister 22 gelagerten Dämpfe durch das Öffnen des Kanisterentleerungsventils 218 in den Einlasskrümmer 44 entleert werden. Während ein einziger Kanister 22 gezeigt ist, wird erkannt, dass irgendeine Anzahl von Kanistern an das Kraftmaschinensystem 100 gekoppelt sein kann. In einem Beispiel kann das Kanisterentleerungsventil 218 ein Solenoid-Ventil sein, wobei das Öffnen oder das Schließen des Ventils über die Betätigung des Kanisterentleerungs-Solenoids ausgeführt wird. Der Kanister 22 enthält ferner eine Entlüftungsöffnung 217, um die Gase aus dem Kanister 22 zu der Atmosphäre zu leiten, wenn die Kraftstoffdämpfe vom Kraftstofftank 26 gelagert oder aufgefangen werden. Die Entlüftungsöffnung 217 kann außerdem ermöglichen, dass Frischluft in den Kraftstoffdampfkanister 22 gezogen wird, wenn die gelagerten Kraftstoffdämpfe über die Entleerungsleitung 82 und das Entleerungsventil 218 zu dem Einlasskrümmer 44 entleert werden. Während dieses Beispiel zeigt, dass die Entlüftungsöffnung 217 mit frischer, nicht erwärmter Luft in Verbindung steht, können außerdem verschiedene Modifikationen verwendet werden. Die Entlüftungsöffnung 217 kann ein Kanister-Entlüftungsventil 220 enthalten, um eine Strömung von Luft und Dämpfen zwischen dem Kanister 22 und der Atmosphäre einzustellen.
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Während der Bedingungen, unter denen es ein großes Druckdifferential über der Drosselklappe 62 gibt und während die Turbine 206 in einem Turbinengeneratormodus betrieben wird, kann die über die Entlüftungsöffnung 217 in den Kraftstoffdampfkanister 22 gezogene Frischluft verwendet werden, um die gelagerten Kraftstoffdämpfe über die Entleerungsleitung 282 und das Entleerungsventil 218 an einem Ort stromabwärts der Turbine zum Einlasskrümmer 44 zu entleeren.
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Während der Bedingungen, unter denen die Kraftmaschine ohne Aufladung arbeitet und es einen ausreichenden Einlasskrümmer-Unterdruck gibt, kann der Kanister 22 unter Verwendung des verfügbaren Einlasskrümmer-Unterdrucks zum Einlasskrümmer der Kraftmaschine entleert werden. Insbesondere können das Entlüftungsventil 220 und das Entleerungsventil 218 geöffnet sein, so dass Frischluft über den Einlasskrümmer-Unterdruck durch die Entlüftungsöffnung 217 gezogen werden kann. Die durch die Entlüftungsöffnung eingezogene Frischluft wird dann in den Kanister 22 gezogen, wobei die aus dem Kanister 22 freigesetzten Kraftstoffdämpfe entlang einer der Entleerungsleitungen 82 und 282 zum Einlasskrümmer 44 der Kraftmaschine entleert werden. Während der Bedingungen, wenn die Kraftmaschine ohne Aufladung arbeitet und es einen unzureichenden Einlasskrümmer-Unterdruck gibt, kann jedoch die Kanisterentleerung eingeschränkt sein. Falls sich die Kanisterladung über einem Pegel befindet, wo ein Entleeren erforderlich ist, kann das Fehlen eines ausreichenden Unterdrucks zu verschlechterten Abgasemissionen führen. Außerdem kann es erwünscht sein, eine relativ konsistente (z. B. konstante) Kanisterentleerungsrate aufrechtzuerhalten, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit der Kraftmaschine zu verbessern.
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Während dieser Bedingungen, wenn der Einlasskrümmer-Unterdruck eingeschränkt ist, kann der Generator 210 selektiv betrieben werden, um die Turbine zu drehen, die in die Einlassdrosselklappenumgehung gekoppelt ist. Die Kraftstoffdämpfe können dann durch den Kraftstoffsystemkanister 22 über die Drehung der Turbine 206, die als ein Kompressor betrieben wird, in den Einlasskrümmer 244 der Kraftmaschine gezogen werden. Insbesondere kann die Kompressorwirkung des aktiven Drehens der Turbine (oder des Propellers) über den Motor-Generator vorteilhaft verwendet werden, um Luft durch den Kanister zu ziehen und die Kraftstoffdämpfe des Kanisters zum Kraftmaschineneinlass zu entleeren. Dies ermöglicht, dass Luft durch den Kanister eingezogen wird, wenn der Einlasskrümmer-Unterdruck begrenzt ist. Außerdem kann eine Kanisterentleerungsrate über einen größeren Bereich der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine aufrechterhalten werden.
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Wie bezüglich 3 ausgearbeitet ist, kann ein Kraftmaschinen-Controller die Kraftmaschine in einem ersten Modus betreiben, wobei die Turbine und der Generator als ein Generator mit Turbinenantrieb arbeiten. Der Kraftmaschinen-Controller kann die Kraftmaschine alternativ in einem zweiten Modus betreiben, wobei die Turbine und der Generator als ein Kompressor mit Motorantrieb arbeiten. Der Controller kann zwischen den beiden Modi basierend auf den Betriebsbedingungen der Kraftmaschine einschließlich des Einlasskrümmer-Unterdrucks und der Kanisterladung auswählen.
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Außerdem kann die Auswahl auf den Drosselklappenbedingungen bezüglich eines Kennfeldes, wie z. B. des Drosselklappen-Kennfeldes nach 4, basieren. Das Kennfeld 400 nach 4 überlagert das Strömungs-Kennfeld einer Kraftmaschine und den Luftleistungsverlust über die Drosselung. Folglich kann unter Verwendung des Kennfelds 400 für irgendeinen Arbeitspunkt der Kraftmaschine die Luftleistung, die für die Erfassung durch das Turbinen-Generator-System verfügbar ist, bestimmt werden. Der Arbeitspunkt der Kraftmaschine kann durch irgendwelche zwei von drei Parametern definiert sein, nämlich den MAP (über der x-Achse), der Kraftmaschinendrehzahl (die gestrichelten Linien, die von einem gemeinsamen Ursprung ausgehen, und die Kraftmaschinen-Durchflussmenge (entlang der y-Achse). Die Linien konstanter Luftleistung sind als Hyperbeln dargestellt. Vorausgesetzt, dass das Fluid inkompressibel ist, ist die über der Drosselklappe verfügbare Leistung als Leistung = Volumendurchfluss x Druck bestimmt. Die Kraftmaschinen-Durchflussmenge ist als eine Funktion der Kraftmaschinendrehzahl und des MAP bestimmt. Die Leistung kann z. B. als der Druckunterschied (z. B. BP – MAP = 10 kPa) multipliziert mit der Durchflussmenge (5 Liter/s) gleich 50 W bestimmt werden. Folglich sind 50 W Luftleistung an mehreren Punkten einer unterschiedlichen Kombination des Drosselklappen-Druckunterschieds und der Durchflussmenge verfügbar: 5 kPa und 10 l/s, 2,5 kPa und 20 l/s, 10 kPa und 5 l/s, 25 kPa und 2 l/s. Diese Linie konstanter Leistung ist eine Hyperbel.
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Für irgendeine gegebene Drehzahl nimmt die verfügbare Drosselklappenleistung mit dem Krümmerunterdruck zu (d. h., sie nimmt mit dem MAP ab). In dem dargestellten Kennfeld kreuzt die 600-min–1-Linie mehrere Linien der konstanten Drosselklappenleistung. Durch die Kenntnis des Arbeitspunkts der Kraftmaschine kann folglich die verfügbare Drosselklappen-Luftleistung berechnet werden.
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Wie gezeigt ist, nimmt die verfügbare Luftleistung mit dem Einlasskrümmer-Unterdruck (der als der Unterschied zwischen dem Atmosphärendruck und dem Krümmerdruck oder BP – MAP bestimmt ist) und der Luftdurchflussmenge der Kraftmaschine zu. Es wird angegeben, dass, wenn der Krümmerunterdruck fällt (wie z. B. wenn sich der MAP über 90 kPa befindet), die verfügbare Luftleistung scharf fällt. Wenn die verfügbare Luftleistung fällt, verringert sich der Nutzen der Vorrichtung als ein Turbinengenerator. Gleichzeitig verbessert sich jedoch der Nutzen der Vorrichtung als ein Motorkompressor im Bereich niedrigen Unterdrucks beträchtlich. Insbesondere kann die Turbine in diesem Bereich als ein Motorkompressor betrieben werden, um Unterdruck für die Kraftstoffdampfentleerung bereitzustellen. Alternativ kann der Motorkompressor verwendet werden, um Unterdruck für die AGR, die Kurbelgehäuseentlüftung oder andere durch Unterdruck betätigte Aktuatoren bereitzustellen.
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Ein Controller kann eine Linie konstanter Leistung als einen Schwellenwert zum Bestimmen auswählen, ob die Turbine als eine Turbine oder als ein Kompressor zu betreiben ist oder nicht. Basierend auf den Betriebsbedingungen der Kraftmaschine, einschließlich der Kraftmaschinendrehzahl, der Kraftmaschinen-Durchflussmenge und des MAP, kann der Controller z. B. die verfügbare Leistung bestimmen. Falls die Leistung höher als der Schwellenwert (z. B. höher als 300 W) ist, kann der Controller die Turbine als eine Turbine betreiben, die einen Generator antreibt, um eine elektrische Ausgabe zu erzeugen. Falls sonst die verfügbare Leistung kleiner als der Schwellenwert ist, kann der Controller warten, bis sich die Betriebsbedingungen der Kraftmaschine ändern (z. B. die Kraftmaschinendrehzahl zunimmt oder der MAP abnimmt), bevor er die Turbine als eine Turbine betreibt. Außerdem kann der Controller unter dem Schwellenwert die Turbine als einen Kompressor betreiben, der durch einen Motor unter Verwendung der Energie, die von einer Systembatterie gezogen wird, angetrieben wird.
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Es wird erkannt, dass 4 die verfügbare Luftleistung abbildet. Diese ist als solche von der erforderlichen Kompressorleistung verschieden, die dazu neigt, aufgrund des Vorhandenseins einer niedrigeren Durchflussmenge (z. B. 2 Liter pro Sekunde) und einer Unterdruckverbesserung von etwa 10 kPa niedriger zu sein. In diesem Fall würden 20 Luftwatt erforderlich sein, die 100 W von Wellenarbeit und 150 W elektrischer Leistung erfordern können.
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In 3 ist eine beispielhafte Routine 300 zum Betreiben eines Drosselklappen-Turbinengenerators eines Kraftmaschinensystems in verschiedenen Modi basierend auf den Betriebsbedingungen einschließlich einer Entleerungsanforderung eines Kraftstoffsystemkanisters gezeigt. Die Routine ermöglicht es, dass das Kraftmaschinensystem während nicht aufgeladener Bedingungen als ein Generator mit Turbinenantrieb in einem ersten Modus betrieben wird, wobei die Turbine als eine Turbine arbeitet und der Generator als ein Generator arbeitet. Dann wird während anderer nicht aufgeladener Bedingungen das Kraftmaschinensystem in einem zweiten Modus als ein Kompressor mit Motorantrieb betrieben, wobei die Turbine als ein Kompressor arbeitet, um Luft durch einen Kraftstoffsystemkanister zu ziehen, und der Generator als ein Motor arbeitet.
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Bei 302 können die Betriebsbedingungen der Kraftmaschine geschätzt und/oder gemessen werden. Diese können z. B. die Kraftmaschinendrehzahl, die Kraftmaschinenlast, die Kraftmaschinentemperatur, die Kanisterladung, den Krümmerdruck, die Krümmerluftströmung, den Ladedruck, den Drehmomentbedarf, die Umgebungsbedingungen, den Einlasskrümmer-Unterdruckpegel usw. enthalten.
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Beim Bestätigen nicht aufgeladener Bedingungen enthält die Routine bei 304 das Schätzen eines differentiellen Drosselklappendrucks und das Vergleichen des differentiellen Drosselklappendrucks mit einem Schwellenwert. Insbesondere kann bestimmt werden, ob der differentielle Drosselklappendruck höher als ein Schwellenwert ist. In einem Beispiel kann der differentielle Drosselklappendruck basierend auf Drucksensoren, die stromaufwärts und stromabwärts der Drosselklappe angekoppelt sind, geschätzt werden. Alternativ kann der differentielle Drosselklappendruck basierend auf der Krümmer-Luftströmung geschätzt werden.
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Wenn der differentielle Drosselklappendruck höher als der Schwellenwert ist, dann enthält die Routine bei 306 das Öffnen des Drosselklappen-Umgehungsventils, um die Luftströmung, die dem differentiellen Druck entspricht, in die Umgehung zu lenken. In einem Beispiel kann, wenn das Umgehungsventil ein Schaltventil ist, das Ventil in die Einschaltposition geschaltet werden. In einem weiteren Beispiel, in dem das Umgehungsventil ein variables Ventil ist, kann die Ventilöffnung basierend auf der Sollströmung durch die Turbine vergrößert werden.
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Bei 308 enthält die Routine das Lenken der abgelenkten Einlassluftströmung durch die Drosselklappen-Turbine zur Einlassdrosselklappenumgehung, um die Drosselklappen-Turbine zu drehen. Die Menge der durch die Turbine gezogenen Luft kann auf dem Druckdifferential über der Einlassdrosselklappe basieren. Wenn spezifisch der Druckunterschied über der Drosselklappe zunimmt, kann die Menge der durch die Drosselklappen-Turbine gelenkten Luft zunehmen.
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Bei 310 enthält die Routine das Betreiben der Turbine des Kraftmaschinensystems in einem ersten Modus, wobei die Drehung der Turbine in der Einlassdrosselklappenumgehung den Motor-Generator antreibt. Während die sich drehende Turbine den Motor-Generator antreibt, kann eine elektrisch an den Motor-Generator gekoppelte Batterie mit der erzeugten elektrischen Energie geladen werden. Wenn die sich drehende Turbine den Motor-Generator antreibt, wirkt der Motor-Generator hier als ein Generator, wobei die Turbine als eine Turbine arbeitet. In dem ersten Modus ist eine elektrische Ausgabe der Turbine höher. In einem Beispiel kann die elektrische Ausgabe der Turbine die gleiche wie eine oder höher als eine elektrische Last sein, die an eine Systembatterie angelegt ist. Dies kann es ermöglichen, dass die Anforderung der elektrischen Last unter Verwendung der elektrischen Ausgabe der Turbine erfüllt wird und die Batterie geladen wird, falls die elektrische Ausgabe von der Turbine die elektrische Last übersteigt. Wenn zurück bei 304 das Druckdifferential über der Drosselklappe kleiner als der Schwellenwert ist, dann schließt die Routine bei 312 das Drosselklappen-Umgehungsventil, um die Luftströmung in die Umgehung zu sperren. In einem Beispiel, in dem das Umgehungsventil ein Schaltventil ist, kann das Ventil in die Ausschaltposition geschaltet werden. In einem weiteren Beispiel, in dem das Umgehungsventil ein variables Ventil ist, kann die Ventilöffnung verringert werden.
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Sowohl von 312 als auch von 310 geht die Routine zu 314, wo bestimmt wird, ob die Kanisterentleerungsbedingungen erfüllt worden sind. In einem Beispiel können die Kanisterentleerungsbedingungen als erfüllt betrachtet werden, falls die Kanisterladung höher als ein Schwellenwert ist. In einem weiteren Beispiel können die Kanisterentleerungsbedingungen als erfüllt betrachtet werden, falls eine Schwellendauer oder ein Schwellenabstand seit einem letzten Entleeren des Kanisters vergangen ist. Falls die Kanisterentleerungsbedingungen nicht erfüllt sind, kann die Routine zu 322 weitergehen, wo die Drosselklappenposition basierend auf der Luftströmung durch die Turbine, falls vorhanden, eingestellt wird, um die Drehmomentstörungen zu verringern.
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Es wird erkannt, dass in alternativen Beispielen die Kanisterentleerungsbedingungen nicht abgefragt werden können und die Kanisterentleerung immer freigegeben sein kann, während die Kraftmaschine arbeitet, um eine im Wesentlichen konstante Entleerungsdurchflussmenge während des Kraftmaschinenbetriebs zu ermöglichen.
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Beim Bestätigen der Kanisterentleerungsbedingungen enthält die Routine bei 316 das Schätzen des Einlasskrümmer-Unterdruckpegels und das Vergleichen des Einlasskrümmer-Unterdruckpegels mit einem Schwellenwert. Der Schwellenwert kann auf den Betriebsbedingungen der Kraftmaschine, wie z. B. der Kraftstoffdampfladung des Kraftstoffsystemkanisters, basieren. Der Schwellenwert kann z. B. erhöht werden, wenn die Kanisterladung zunimmt und der Betrag des Unterdrucks, der erforderlich ist, um den Kanister vollständig zu entleeren, zunimmt.
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Falls der Einlasskrümmer-Unterdruck höher als der Schwellenwert ist, kann bestimmt werden, dass es ausreichend Einlasskrümmer-Unterdruck zum Ziehen von Luft durch einen Kraftstoffkanister und zum Entleeren des Kanisters zum Kraftmaschineneinlass gibt. Dementsprechend enthält die Routine bei 317 das Ziehen von Kraftstoffdämpfen aus dem Kraftstoffsystemkanister über den Einlasskrümmer-Unterdruck in den Einlasskrümmer der Kraftmaschine. Dabei kann der Controller das Entlüftungsventil und das Entleerungsventil öffnen und es ermöglichen, dass der Einlasskrümmer-Unterdruck an den Kraftstoffsystemkanister angelegt wird, so dass Frischluft in den Kraftstoffsystemkanister gezogen wird, um die Kraftstoffdämpfe aus dem Kanister zu desorbieren, wobei die desorbierten Kraftstoffdämpfe dann entlang der Entleerungsleitung dem Einlasskrümmer der Kraftmaschine zugeführt werden. Falls die Turbine in dem ersten Modus arbeitet, während das Kanisterentleerungsventil geöffnet ist, können die desorbierten Kraftstoffdämpfe an einem Ort stromabwärts der Turbine entlang der Entleerungsleitung 282 in die Drosselklappenumgehung gezogen werden, bevor die Kraftstoffdämpfe dem Einlasskrümmer zugeführt werden. Nach dem Empfangen der Entleerungs-Kraftstoffdämpfe kann die Routine zu 322 gehen, um die Drosselklappenposition basierend auf der empfangenen Entleerungsströmung einzustellen, um die Drehmomentstörungen zu verringern.
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Falls im Vergleich der Einlasskrümmer-Unterdruck niedriger als der Schwellenwert ist, kann bestimmt werden, dass es einen unzureichenden Einlasskrümmer-Unterdruck gibt, um Luft durch einen Kraftstoffkanister zu ziehen und den Kanister zum Kraftmaschineneinlass zu entleeren. Dementsprechend enthält die Routine bei 318 das Betreiben der Turbine des Kraftmaschinensystems in einem zweiten Modus, wobei die Turbine in der Einlassdrosselklappenumgehung durch den Motor-Generator angetrieben wird. Spezifisch kann der Controller den Motor-Generator durch das Ziehen von Ladung von der Batterie, um die Turbine zu drehen, selektiv betreiben. Wenn hier der Motor-Generator die Drehung der Turbine antreibt, wirkt der Motor-Generator als ein Motor und arbeitet die Turbine als ein Kompressor. Im zweiten Modus ist die elektrische Ausgabe der Turbine niedriger. Es gibt z. B. keine elektrische Ausgabe von der Turbine, wenn im zweiten Modus gearbeitet wird.
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Bei 320 enthält die Routine über die Drehung der Turbine, die als ein Kompressor arbeitet, das Ziehen von Frischluft durch den Kraftstoffsystemkanister und das Ziehen von Kraftstoffdämpfen von dem Kraftstoffsystemkanister in den Einlasskrümmer der Kraftmaschine. Die Kraftstoffdämpfe können stromabwärts des Umgehungsventils und stromaufwärts der Drosselklappen-Turbine in die Drosselklappenumgehung gezogen werden. Durch das Ermöglichen, dass die Kraftstoffdämpfe durch die Turbine unter Verwendung des Einlasskrümmer-Unterdrucks in den Einlasskrümmer gezogen werden, wenn ein ausreichender Einlasskrümmer-Unterdruck verfügbar ist, und durch das weitere Ermöglichen, dass die Kraftstoffdämpfe durch die Turbine unter Verwendung der Turbinendrehung über den Motor (und die folgende Kompressorwirkung) in den Einlasskrümmer gezogen werden, wenn kein ausreichender Einlasskrümmer-Unterdruck verfügbar ist, kann die Kanisterentleerung über einen weiten Bereich von Einlasskrümmer-Unterdruckpegeln ermöglicht sein. In einem Beispiel ist die Notwendigkeit für ein dediziertes Entleerungsventil, das die Luftströmung durch den Kanister basierend auf der Verfügbarkeit von Einlassunterdruck ermöglicht oder sperrt, verringert. Das Kanisterentleerungsventil nach 2 kann z. B. entfernt werden.
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Während beider Modi des Turbinenbetriebs kann eine Position der Einlassdrosselklappe basierend auf der Strömung durch die Turbine eingestellt werden, um eine Drehmomentausgabe der Kraftmaschine aufrechtzuerhalten. Spezifisch kann die Routine sowohl von 320 als auch von 317 (oder 314) zu 322 weitergehen, wo die Öffnung der Einlassdrosselklappe basierend auf der Einlasskrümmer-Luftströmung eingestellt wird. Wenn als ein Beispiel die Turbine den Motor-Generator antreibt und Luft durch die Drosselklappenumgehung strömt, kann die Öffnung der Einlassdrosselklappe basierend auf der Menge der Drosselklappen-Umgehungsströmung durch die Turbine vergrößert werden, um sowohl das Kraftmaschinendrehmoment als auch die Menge der Kanisterentleerungsströmung, die stromabwärts der Turbine empfangen wird (falls das Entleeren freigegeben war), aufrechtzuerhalten. In einem weiteren Beispiel kann, wenn die Turbine durch den Motor-Generator angetrieben wird und Luft durch den Kanister und dann in die Drosselklappenumgehung strömt, die Einlassdrosselklappenöffnung basierend auf der von dem Kanister empfangenen Entleerungsströmung verringert werden. Je mehr Luft von dem Entleerungssystem bezogen wird, desto weniger Luft wird in andere Wege abgegeben, weil der Kanister eine Mischung aus Luft und Dampf strömt.
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In dieser Weise kann die Kraftmaschine ohne Aufladung einer Kraftmaschine in einem ersten Modus betrieben werden, wenn sich der Einlassunterdruck über einem Schwellenwert befindet, wobei eine in die Drosselklappenumgehung gekoppelte Turbine einen Motor-Generator antreibt. Ferner kann die Kraftmaschine ohne Aufladung in einem zweiten Modus betrieben werden, wenn sich der Einlassunterdruck unter dem Schwellenwert befindet, wobei die in die Drosselklappenumgehung gekoppelte Turbine durch den Motor-Generator angetrieben wird. Hier wird während des ersten Modus Luft durch die Turbine in einen Einlasskrümmer gezogen, um den Motor-Generator anzutreiben. Im Vergleich wird während des zweiten Modus Luft durch den Kraftstoffdampfkanister und über die Turbine in den Einlasskrümmer gezogen. Ferner wird während des ersten Modus der Kraftstoffdampfkanister unter Verwendung des Einlasskrümmer-Unterdrucks entleert, während während des zweiten Modus der Kraftstoffdampfkanister unter Verwendung der über die Drehung der Turbine in den Einlasskrümmer gezogenen Luft entleert wird. Folglich arbeitet während des ersten Modus der Motor-Generator als ein Generator, wobei elektrische Energie in einer an den Motor-Generator gekoppelten Batterie gespeichert wird; während während des zweiten Modus der Motor-Generator als ein Motor arbeitet und elektrische Energie von der an den Motor-Generator gekoppelten Batterie gezogen wird. Mit anderen Worten, während des zweiten Modus ist die Turbine von einem Turbinenbetriebsmodus zu einem Kompressorbetriebsmodus geschaltet. Während des ersten Modus kann ein Umgehungsventil, das stromaufwärts der Turbine in die Drosselklappenumgehung gekoppelt ist, geöffnet sein, während während des zweiten Modus das Entleerungsventil, das zwischen den Kanister und die Drosselklappenumgehung gekoppelt ist, geöffnet sein kann. Während des zweiten Modus ist das Umgehungsventil basierend auf einem Druckunterschied über der Drosselklappe und einer Sollumgehungsströmung geöffnet. Außerdem werden während beider Modi Drosselklappeneinstellungen verwendet, um das Kraftmaschinendrehmoment aufrechtzuerhalten. Während des ersten Modus wird z. B. die Einlassdrosselklappenöffnung basierend auf der Drosselklappen-Umgehungsströmung durch die Turbine vergrößert, während während des zweiten Modus die Einlassdrosselklappenöffnung basierend auf der Entleerungsströmung von dem Kanister verringert werden kann.
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In 5 ist ein beispielhaftes Steuerszenario 500 zum Einstellen des Turbinenbetriebs basierend auf den Betriebsbedingungen der Kraftmaschine gezeigt. Insbesondere wird der Turbinenbetrieb zwischen einem Turbinenmodus und einem Kompressormodus durch das Einstellen des Betriebs eines Motor-Generators eingestellt. Das Kennfeld 500 stellt den Einlasskrümmer-Unterdruck in der graphischen Darstellung 502, die Turbinendrehung in der graphischen Darstellung 504, eine Ausgabe elektrischer Leistung der Turbine in der graphischen Darstellung 506 und eine Kraftstoffsystemkanister-Ladung in der graphischen Darstellung 508 dar.
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Vor t1 kann die Kraftmaschine ohne Aufladung und mit einem ausreichenden Einlasskrümmer-Unterdruck arbeiten. Es kann jedoch keinen ausreichenden differentiellen Druck über der Drosselklappe geben, um die Drosselklappen-Umgehungsströmung für die Turbinendrehung und die Erzeugung elektrischer Energie nutzbar zu machen. Dementsprechend wird die Turbine nicht betrieben, da keine Umgehungsströmung erzeugt wird.
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Bei t1 kann, während die Kraftmaschine ohne Aufladung betrieben wird, in Reaktion auf eine Zunahme des differentiellen Drucks über der Drosselklappe ein Drosselklappen-Umgehungsventil geöffnet werden und kann die Einlassluftströmung durch die Drosselklappenturbine gelenkt werden, was zu einer Turbinendrehung führt. Zwischen t1 und t2 kann die Strömung kontinuierlich durch die Turbine gelenkt werden, während es einen ausreichenden differentiellen Druck über der Drosselklappe gibt. Das heißt, das hohe Druckdifferential über der Drosselklappe kann die Turbinendrehung antreiben. Außerdem kann zwischen t1 und t2 die Turbine in einem Turbinenmodus betrieben werden, wobei die Turbinendrehung einen Generator antreibt, wobei der Generator elektrische Energie erzeugt, die in einer Systembatterie gespeichert wird. Entsprechend dem hohen Druckdifferential über der Drosselklappe kann zwischen t1 und t2 eine elektrische Ausgabe der Turbine zunehmen, da die Turbine über die Drosselklappen-Umgehungsströmung gedreht wird und da die Turbine den Generator antreibt.
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Außerdem kann zwischen t1 und t2 eine Drosselklappenöffnung basierend auf der Drosselklappen-Umgehungsströmung eingestellt werden, um die Drehmomentausgabe der Kraftmaschine aufrechtzuerhalten. In diesem Beispiel kann die Drosselklappenöffnung vergrößert werden, wenn die Drosselklappen-Umgehungsströmung zunimmt.
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Bei t2 kann aufgrund einer Änderung der Betriebsbedingungen der differentielle Druck über der Drosselklappe fallen. Dementsprechend kann zwischen t2 und t3 das Drosselklappen-Umgehungsventil geschlossen sein und kann die Turbine nicht über die Luftströmung gedreht werden. Folglich kann die elektrische Ausgabe der Turbine fallen. Bei t3, wenn der differentielle Druck über der Drosselklappe abermals ausreichend hoch ist, kann das Drosselklappen-Umgehungsventil abermals geöffnet werden, wobei die Turbine im Turbinenmodus betrieben werden kann, wobei sie den Generator mit einer entsprechenden Zunahme der elektrischen Ausgabe der Turbine antreibt.
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Der Kanister als solcher kann zwischen t1 und t4, während die Kraftmaschine läuft und während es einen ausreichenden Einlasskrümmer-Unterdruck gibt, z. B. mit einer im Wesentlichen konstanten Entleerungsrate zum Kraftmaschineneinlass entleert werden. Die konstante Kanisterentleerung ist als eine monotone Abnahme der Kanisterladung während des Kraftmaschinenbetriebs dargestellt. Die Kanisterentleerung kann das Entleeren des Kanisters zum Kraftmaschineneinlass unter Verwendung des Einlasskrümmer-Unterdrucks durch das Ziehen von Entleerungsströmung in die Drosselklappenumgehung stromaufwärts der Turbine (wie z. B. über die Entleerungsleitung 82 nach 2) enthalten, wenn sich die Turbine nicht dreht, wie z. B. bei t0–t1 und t2–t3. Das Entleeren kann außerdem das Entleeren des Kanisters zum Kraftmaschineneinlass unter Verwendung des Einlasskrümmer-Unterdrucks durch das Ziehen von Entleerungsströmung in die Drosselklappenumgehung stromabwärts der Turbine (wie z. B. über die Entleerungsleitung 282 nach 2) enthalten, wenn sich die Turbine dreht, wie z. B. bei t1–t2 und t3–t4.
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Bei t4 kann es aufgrund einer Änderung der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine einen Abfall des Einlasskrümmer-Unterdrucks geben. Aufgrund des unzureichenden Krümmerunterdrucks kann der Kanister nicht mit dem Einlassunterdruck entleert werden. Dementsprechend kann bei t4 die Turbine über den Betrieb des Motor-Generators als ein Motor als ein Kompressor gedreht werden, um es zu ermöglichen, dass der Kanister weiterhin entleert wird, während die Kraftmaschine mit einem niedrigen Einlasskrümmer-Unterdruck arbeitet. Der Motor kann elektrische Energie von der Batterie ziehen, um die Turbine anzutreiben, wobei die Drehung der Turbine zu einem Kompressorbetriebsmodus führt, der Frischluft über den Kanister in den Einlasskrümmer zieht, wobei die Kraftstoffdämpfe zu dem Einlass entleert werden. Während die Turbine in dem Kompressormodus betrieben wird, kann die elektrische Ausgabe der Turbine fallen. Während die Turbine im Kompressormodus betrieben wird, kann außerdem das Drosselklappen-Umgehungsventil geschlossen gehalten werden. Während der Kanister unter Verwendung der Luftströmung, die über die Turbine, die als ein Kompressor wirkt, eingezogen wird, entleert wird, kann die Drosselklappenöffnung basierend auf der empfangenen Entleerungsströmung eingestellt werden, hier verringert werden, um die Drehmomentausgabe der Kraftmaschine aufrechtzuerhalten.
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Außerdem kann die Kraftstoffbeaufschlagung der Kraftmaschine basierend auf einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Entleerungsdämpfe eingestellt werden.
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Bei t5 kann der Einlasskrümmer-Unterdruck ansteigen. Folglich kann bei t5 die Entleerung des Kanisters unter Verwendung des Einlassunterdrucks wiederaufgenommen werden. Außerdem kann die Turbinendrehung über den Motor unterbrochen werden. Bei t6 kann es einen Anstieg des differentiellen Drucks über der Drosselklappe geben, während der Kanister unter Verwendung des Einlassunterdrucks entleert wird. Dementsprechend wird das Drosselklappen-Umgehungsventil abermals geöffnet und wird die Turbine über die Luftströmung gedreht, wobei die Turbine den Generator antreibt und die elektrische Ausgabe der Turbine ansteigt. Hier können die Erzeugung einer elektrischen Ausgabe über die Turbine und die Kanisterentleerung über den Einlasskrümmer-Unterdruck gleichzeitig stattfinden.
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In einem Beispiel umfasst ein System eine Drosselklappe, die in einem Einlasskanal einer Kraftmaschine angeordnet ist; eine Drosselklappenumgehung, die konfiguriert ist, Einlassluft von einer Position stromaufwärts der Drosselklappe zu einer Position stromabwärts der Drosselklappe zu leiten, wobei die Drosselklappenumgehung ein Drosselklappen-Umgehungsventil enthält; eine Turbine, die in der Drosselklappenumgehung angeordnet ist, wobei die Turbine mechanisch an einen Motor-Generator gekoppelt ist und der Motor-Generator mit einer Batterie elektrisch in Verbindung steht; ein Kraftstoffsystem, das einen Kanister enthält, der konfiguriert ist, Kraftstoffdämpfe von einem Kraftstofftank zu empfangen, wobei der Kanister stromabwärts des Umgehungsventils und stromaufwärts der Turbine über ein Entleerungsventil an die Drosselklappenumgehung gekoppelt ist; und einen Controller. Der Controller kann mit computerlesbaren Anweisungen konfiguriert sein, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, zum: wenn der Einlasskrümmer-Unterdruck niedriger ist, Betreiben des Motor-Generators, während elektrische Energie von der Batterie gezogen wird, um die Turbine als einen Kompressor zu drehen; und Ziehen von Einlassluft über die Drehung der Turbine als ein Kompressor durch den Kanister in einen Einlasskrümmer, um den Kanister zu entleeren. Der Controller kann ferner Anweisungen enthalten, zum, wenn der Einlasskrümmer-Unterdruck höher ist, Ziehen von Einlassluft durch die Drosselklappenumgehung, um die Turbine zu drehen und den Motor-Generator anzutreiben, während in der Batterie Energie gespeichert wird; und Entleeren des Kanisters durch das Ziehen von Einlassluft durch den Kanister in den Einlasskrümmer unter Verwendung des Einlasskrümmer-Unterdrucks. Wenn hier der Einlasskrümmer-Unterdruck höher ist, arbeitet die Turbine als eine einen Generator antreibende Turbine, während, wenn der Einlasskrümmer-Unterdruck niedriger ist, die Turbine als ein Kompressor mit Motorantrieb arbeitet. Der Controller kann außerdem Anweisungen zum Vergrößern einer Öffnung der Drosselklappe während des Ziehens von Einlassluft durch die Drosselklappenumgehung, um die Turbine zu drehen und den Motor-Generator anzutreiben; und zum Verringern einer Öffnung der Drosselklappe während des Ziehens von Einlassluft durch den Kanister, um den Kanister zu entleeren, enthalten.
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In dieser Weise kann ein Drosselklappen-Turbinengenerator, der an einen Kraftstoffsystemkanister gekoppelt ist, während der Bedingungen eines niedrigen Krümmerunterdrucks vorteilhaft verwendet werden, um den Kanister zu entleeren. Die technische Wirkung des Betreibens eines Motors, um die Turbine als einen Kompressor anzutreiben, ist, dass die Entleerungsluft durch einen Kanister in einen Kraftmaschineneinlass gezogen werden kann, was es ermöglicht, dass eine Kanisterentleerungsrate über einen weiten Bereich von Einlasskrümmerbedingungen aufrechterhalten wird. Durch das Antreiben eines Generators über eine Drosselklappenturbine durch die Nutzbarmachung der Drosselklappen-Umgehungsströmung kann Energie, die andernfalls verloren werden würde, wiedergewonnen werden. Indem ermöglicht wird, dass die Systembatterie opportunistisch geladen wird, wird die Kraftstoffwirtschaftlichkeit der Kraftmaschine verbessert. Indem dann die Turbine über den Motor während der Bedingungen eines niedrigen Krümmerunterdrucks als ein Kompressor angetrieben wird, wird der Wirkungsgrad der Kanisterentleerung vergrößert, wobei dadurch die Abgasemissionen verbessert werden.
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Es sei angegeben, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Konfigurationen des Kraftmaschinen- und/oder Fahrzeugsystems verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sein. Die hier beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere aus irgendeiner Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie z. B. ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, repräsentieren. Als solche können die veranschaulichten verschiedenen Handlungen, Operationen und/oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge ausgeführt werden, parallel ausgeführt werden oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, sondern sie ist für die Leichtigkeit der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Operationen und/oder Funktionen können in Abhängigkeit von der verwendeten besonderen Strategie wiederholt ausgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Handlungen, Operationen und/oder Funktionen Code graphisch darstellen, der in den nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Kraftmaschinen-Steuersystem zu programmieren ist.
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Es ist klar, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Art sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinn zu betrachten sind, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Die obige Technik kann z. B. auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12-, Boxer-4- und andere Kraftmaschinentypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthält alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und anderen Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart sind.
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Die folgenden Ansprüche legen bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen besonders dar, die als neuartig und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder dessen Äquivalent beziehen. Derartige Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente enthalten und zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Weitere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Darstellung neuer Ansprüche in dieser oder einer in Beziehung stehenden Anmeldung beansprucht werden. Derartige Ansprüche, ob ihr Umfang umfassender als der, enger als der oder gleich dem Umfang der ursprünglichen Ansprüche ist oder vom Umfang der ursprünglichen Ansprüche verschieden ist, werden außerdem als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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