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Gebiet
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Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme zum Steuern eines Fahrzeugverbrennungsmotors, um eine Emissionssteuervorrichtung schnell zu erwärmen.
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Allgemeiner Stand der Technik/Kurzdarstellung
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Verbrennungsmotoren können mit aufgeladener Luftfüllung, die durch einen Turbolader bereitgestellt wird, betrieben werden, wobei ein Ansaugverdichter durch eine Abgasturbine angetrieben wird. Das Platzieren einer Turbine in einem Abgassystem kann jedoch die Kaltstartemissionen eines Verbrennungsmotors erhöhen, da die Turbine wie eine Wärmesenke agiert. Insbesondere kann die Verbrennungsmotorabgaswärme während des Verbrennungsmotorkaltstarts an der Turbine absorbiert werden, was die Menge an Abgaswärme verringert, die an einem nachgelagerten Abgaskatalysator aufgenommen wird. Von daher wird das Anspringen des Katalysators verzögert. Folglich kann eine Spätzündung erforderlich sein, um den Abgaskatalysator zu aktivieren. Jedoch kann durch den Kraftstoffanstieg, der mit der Verwendung einer Spätzündung verknüpft ist, der Vorteil der Kraftstoffeffizienz des aufgeladenen Verbrennungsmotorbetriebs aufgewogen oder übertroffen werden.
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Dementsprechend wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um das Erreichen einer Anspringtemperatur des Katalysators während Kaltstartbedingungen in einem aufgeladenen Verbrennungsmotor zu beschleunigen. Ein beispielhafter Ansatz, gezeigt von Andrews in
US 8,234,865 , beinhaltet ein Leiten des Abgases in Richtung eines Abgasendrohrs über einen Durchlass, der die Abgasturbine während Kaltstartbedingungen umgeht. Ein passives, thermatisch betriebenes Ventil wird dazu verwendet, den Strom von Abgas durch den Durchlass zu regeln, wobei sich das Ventil bei Niedrigtemperaturbedingungen (wie etwa beim Kaltstart) öffnet. Das thermatisch betriebene Ventil umfasst ein Bimetallelement, welches sich auf Grundlage der Temperatur verformt, wodurch das Öffnen des Ventils geregelt wird. Durch das Umgehen der Turbine kann die Abgaswärme direkt an den Abgaskatalysator abgegeben werden.
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Die Erfinder haben hierin jedoch mögliche Probleme bei derartigen Systemen erkannt. Als ein Beispiel kann nach dem Anspringen des Katalysators die Temperatur des ungestörten Abgases, das den Katalysator erreicht, höher sein als gewünscht. Insbesondere kann der Katalysator dank einer Beschichtung auf der Katalysatorfläche (wie etwa auf der Fläche eines Abgasoxidationskatalysators oder Dreiwegekatalysators) bei niedrigeren Abgastemperaturen eine höhere Umwandlungseffizienz aufweisen. Daraus resultierend kann die höher als gewünscht liegende Temperatur von Abgas, das den Katalysator erreicht, zu einer reduzierten Funktion des Katalysators führen.
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Die Erfinder haben hierin einen Ansatz festgestellt, mit dem die vorstehend beschriebenen Probleme zumindest teilweise angegangen werden können. Ein Beispielverfahren schließt das Strömen von Abgas von einem Verbrennungsmotor zunächst durch eine Emissionssteuervorrichtung und dann durch eine Turbine ein, um die Turbine in einer Rückwärtsrichtung zu drehen, wobei die Drehung der Turbine in der Rückwärtsrichtung einen Unterdruck im Ansaugkrümmer für einen Unterdruckabnehmer über einen Verdichter generiert, der an die Turbine gekoppelt ist.
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Auf diese Art und Weise kann das Abgas zunächst durch die Emissionssteuervorrichtung geleitet werden, bevor es zu der Turbine geleitet wird, wodurch das Aufwärmen des Katalysators beschleunigt wird. Jedoch wird das Abgas immer noch zu der Turbine geleitet, jedoch auf eine Art und Weise, die eine Rückwärtsdrehung der Turbine veranlasst. Dadurch kann ein Unterdruck im Ansaugkrümmer für einen Unterdruckabnehmer, wie etwa einen Bremskraftverstärker, generiert werden. Indem die Turbine und der Verdichter rückwärts betrieben werden, um einen Unterdruck im Ansaugkrümmer zu generieren, kann auf eine Ansaugdrossel verzichtet werden, wodurch Systemkosten gesenkt werden und die Komplexität gesteuert wird.
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Es versteht sich, dass die vorstehende Kurzdarstellung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die in der detaillierten Beschreibung weitergehend beschrieben sind. Es ist nicht beabsichtigt, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu nennen, dessen Umfang einzig in den Ansprüchen im Anschluss an die detaillierte Beschreibung definiert ist. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, die oben oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung erwähnte Nachteile lösen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1A und 2A zeigen eine schematische Abbildung eines Verbrennungsmotorsystems.
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1B und 2B zeigen eine detaillierte schematische Abbildung des Abgasregelventils aus 1A und 2A.
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3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors veranschaulicht.
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4 ist ein Diagramm, das beispielhafte Betriebsparameter zeigt, die während der Ausführung des Verfahrens aus 3 beobachtet werden können.
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Detaillierte Beschreibung
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Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zum Beschleunigen des Aufwärmens des Katalysators, während außerdem ein Unterdruck generiert wird, um eine Unterdruckversorgung für einen Unterdruckabnehmer aufzufüllen. Ein Verbrennungsmotorsystem, wie etwa das Verbrennungsmotorsystem aus 1A und 2A, kann einen Abgaskanal mit verzweigten Strömungspfaden einschließen. Eine Turbine kann an den ersten Pfad gekoppelt sein und ein Katalysator kann an den zweiten Pfad gekoppelt sein. Ein Vierwege-Abgasregelventil, wie etwa das in 1B und 2B veranschaulichte Ventil, kann verwendet werden, um den Strom von Abgas durch den verzweigten Abgaskanal zu steuern. Wie durch das Verfahren aus 3 und den beigefügten Zeitstrahl des Verbrennungsmotorbetriebs veranschaulicht, kann Abgas bei Kaltstartbedingungen zunächst durch den Katalysator geleitet werden, um die Katalysatortemperatur zu erhöhen und dann durch die Turbine in einer Richtung geleitet werden, die der üblichen Richtung des Abgasstroms durch die Turbine entgegengesetzt ist. Aufgrund der entgegengesetzten Richtung des Abgasstroms kann sich die Turbine in einer Rückwärtsrichtung drehen, wodurch ein höherer Druck an der Turbine erzeugt werden kann, was ein beschleunigtes Anspringen des Katalysators erleichtern kann. Ferner veranlasst die Rückwärtsdrehung der Turbine eine Rückwärtsdrehung des Verdichters, wodurch wiederum ein niedrigerer Druck (Unterdruck) an einem Ejektor erzeugt wird. Der Ejektor kann Luft aus einem Unterdruckbehälter, wie etwa einem Behälter eines Bremskraftverstärkers, ansaugen, wodurch ein gewünschter Unterdruck erzeugt wird. Während eines Betriebs bei höherer Last kann Abgas nach dem Anspringen des Katalysators zunächst durch die Turbine und dann durch den Katalysator geleitet werden.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein beispielhaftes Verbrennungsmotorsystem 10, einschließend einen Verbrennungsmotor 12, gezeigt. In dem vorliegenden Beispiel ist der Verbrennungsmotor 12 ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, wobei der Verbrennungsmotor eine Vielzahl von Zylindern 11 einschließt. Verbrennungsereignisse in jedem Zylinder treiben einen Kolben an, der wiederum eine Kurbelwelle dreht, was einem Fachmann wohlbekannt ist. Ferner kann der Verbrennungsmotor 12 eine Vielzahl von Verbrennungsmotorventilen zum Steuern des Ansaugens und Abführens von Gasen in der Vielzahl von Zylindern einschließen.
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Der Verbrennungsmotor 12 weist eine Verbrennungsmotoransaugvorrichtung 14 auf, die einen Verbrennungsmotoransaugkrümmer 16 einschließt, der an einen Ansaugkanal 18 gekoppelt ist. Luft kann in den Ansaugkanal 18 von einem Luftansaugsystem (Air Intake System – AIS), einschließend einen Luftreiniger 20 in Kommunikation mit der Umgebung des Fahrzeugs, eintreten. Die Ansaugvorrichtung 14 kann einen Massenstromsensor 22 und einen Krümmerluftdrucksensor 24 zum Bereitstellen entsprechender MAF- und MAP-Signale an die Steuerung 50 einschließen.
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Das Verbrennungsmotorsystem 10 ist ein aufgeladenes Verbrennungsmotorsystem, wobei das Verbrennungsmotorsystem ferner eine Aufladevorrichtung einschließt. In dem vorliegenden Beispiel schließt der Ansaugkanal 18 einen Verdichter 26 zum Aufladen einer angesaugten Luftfüllung ein, die entlang des Ansaugkanals 18 aufgenommen wird. Ein Ladeluftkühler 28 (oder Zwischenkühler) ist nachgelagert zu dem Verdichter 26 gekoppelt, um die aufgeladene Ladeluft vor der Abgabe an den Ansaugkrümmer abzukühlen. In Ausführungsformen, bei denen die Aufladevorrichtung ein Turbolader ist, kann der Verdichter 26 an eine Abgasturbine 30 gekoppelt sein und davon angetrieben werden, wobei der Verdichter über eine Welle 32 an die Turbine gekoppelt ist. Ferner kann der Verdichter 26 zumindest teilweise von einem Elektromotor 34 oder der Verbrennungsmotorkurbelwelle angetrieben werden.
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Ein optionaler Umgehungskanal kann durch den Verdichter 26 gekoppelt sein, um zumindest einen Teil der Ansaugluft, die durch den Verdichter 26 verdichtet wird, zurück vorgelagert von dem Verdichter umzuleiten. Eine Menge an Luft, die durch den Umgehungskanal umgeleitet wird, kann durch das Öffnen eines Verdichterumgehungsventils (Compressor Bypass Valve – CBV) 36 gesteuert werden, das sich in dem Umgehungskanal befindet. Indem das CBV gesteuert und eine Menge an Luft, die durch den Umgehungskanal umgeleitet wird, variiert wird, kann ein Ladedruck, der nachgelagert von dem Verdichter bereitgestellt wird, geregelt werden. Dies ermöglicht eine Aufladungssteuerung und Pumpregelung.
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Ferner kann die Turbine 30 ein Wastegate 31 einschließen. Das Wastegate 31 kann durch die Turbine 30 gekoppelt und eingestellt sein, um die Drehzahl der Turbine und letztlich die Menge an Ladedruck zu steuern, der von dem Verdichter bereitgestellt wird. Das Wastegate kann geöffnet werden, um zu ermöglichen, dass Abgas die Turbine umgeht. Das Wastegate kann zum Beispiel elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigt werden.
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Eine Leitung 38, parallel zu dem Luftansaugkanal 18, kann konfiguriert sein, um einen Teil der Ansaugluft, die nachgelagert von dem Luftreiniger 20 und dem Verdichter 26 aufgenommen wird, über einen Ejektor 40 zu dem Ansaugkrümmer 16 umzuleiten. Die Leitung 38 kann an den Luftansaugkanal 18 an einem Punkt gekoppelt sein, der dem Ladeluftkühler 28 nachgelagert ist. Der Ejektor 40 kann ein Ejektor, ein Aspirator, ein Eduktor, ein Venturi, eine Strahlpumpe oder eine ähnliche passive Vorrichtung sein. In dem vorliegenden Beispiel ist der Ejektor eine Vorrichtung mit drei Anschlüssen, einschließend einen Antriebseinlass, einen Mischstromauslass und einen Durchlass-/mitführenden Einlass. Der Ejektor 40 weist einen vorgelagerten Antriebsstromeinlass auf, über den Luft in den Ejektor eintritt. Der Ejektor 40 schließt ferner einen Hals oder mitführenden Einlass ein, der mit einem Unterdruckbehälter 42 entlang eines ersten Durchlasses 44 kommuniziert. Luft, die durch den Antriebseinlass strömt, kann in dem Ejektor 40 in Strömungsenergie umgewandelt werden, wodurch ein Unterdruck erzeugt wird, der zu dem Hals (oder mitführenden Einlass) kommuniziert wird und ein Unterdruck an dem Hals angesaugt wird. Ein Unterdruck, der an dem Hals des Ejektors 40 angesaugt wird, wird durch das erste Rückschlagventil 46, das sich in dem ersten Durchlass 44 befindet, zu dem Unterdruckbehälter 42 gelenkt. Das erste Rückschlagventil 46 ermöglicht, dass der Unterdruckbehälter 42 einen Teil seines Unterdrucks zurückhält, falls die Drücke in dem Antriebseinlass des Ejektors und dem Unterdruckbehälter gleich sein sollten. Obwohl die abgebildete Ausführungsform das erste Rückschlagventil 46 als ein eigenständiges Ventil zeigt, kann das Rückschlagventil 46 in alternativen Ausführungsformen des Ejektors in den Ejektor integriert sein.
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Der Ejektor 40 schließt ferner einen nachgelagerten Mischstromauslass ein, über den Luft, die durch den Ejektor 40 hindurchgegangen ist, austreten und zu dem Ansaugkrümmer 16 gelenkt werden kann. Von daher ist der Ansaugkrümmer 16 entlang des zweiten Durchlasses 48 ebenso an den Unterdruckbehälter 42 gekoppelt. Das Rückschlagventil 60 in dem zweiten Durchlass 48 ermöglicht, dass Unterdruck, der an dem Ansaugkrümmer generiert wird, zu dem Unterdruckbehälter 42 gelenkt wird, ermöglicht jedoch keinen Luftstrom von dem Ansaugkrümmer zu dem Unterdruckbehälter. Außerdem ermöglicht das Rückschlagventil 60 bei Bedingungen, bei denen ein Luftdruck in dem Ansaugkrümmer höher ist, nicht, dass Luft zurück durch den Ejektor und in die Leitung 38 strömt, von wo aus die Luft zurück zu dem Ansaugkanal, dem Verdichter 26 vorgelagert, gelenkt werden kann. Da der Unterdruckbehälter 42 direkt Unterdruck von dem Ansaugkrümmer 16 aufnehmen kann, ermöglicht das zweite Rückschlagventil 60, dass der Unterdruckbehälter 42 einen Teil seines Unterdrucks zurückhält, falls der Druck in dem Ansaugkrümmer 16 und dem Unterdruckbehälter gleich sein sollte. In einigen Ausführungsformen kann das Rückschlagventil 60 als der Umgehungspfad bezeichnet werden, der einen Pfad für Luft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit von dem Unterdruckbehälter zu dem Ansaugkrümmer bereitstellt. Dieser Strömungspfad dominiert, während der Behälterdruck über dem Krümmerdruck liegt. Von daher kann sich der Hochdruckpunkt in dem abgebildeten System (Verdichterauslass) immer mit dem Ejektoreinlass verbinden und der Ejektorauslasspunkt kann zu dem Niederdruckpunkt (Ansaugkrümmer) geleitet werden. In einer alternativen Ausführungsform kann der Ejektorauslass über Rückschlagventile zu dem Punkt mit dem niedrigsten Druck geleitet werden. An einem aufgeladenen Verbrennungsmotor kann der Niederdruckpunkt gelegentlich der Ansaugkrümmer und zu anderen Zeitpunkten der Verdichtereinlass sein. In weiteren Ausführungsformen können aktiv gesteuerte Ventile anstelle der passiven Rückschlagventile verwendet werden, wenn dies kostengünstig ist.
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Der Unterdruckbehälter 42 kann an eine oder mehrere Verbrennungsmotorunterdruckverbrauchsvorrichtungen 62 gekoppelt sein. Zum Beispiel kann die Unterdruckverbrauchsvorrichtung 62 ein Bremskraftverstärker sein, der an Fahrzeugradbremsen gekoppelt ist, wobei der Unterdruckbehälter 42 ein Unterdruckhohlraum vor einer Membran des Bremskraftverstärkers ist. Darin kann der Unterdruckbehälter 42 ein innerer Unterdruckbehälter sein, der konfiguriert ist, um eine Kraft, die von einem Fahrzeugführer 130 über ein Bremspedal 134 bereitgestellt wird, zum Betätigen von Fahrzeugradbremsen zu verstärken (nicht gezeigt). Eine Stellung des Bremspedals 134 kann durch einen Bremspedalsensor 132 überwacht werden. In alternativen Ausführungsformen kann der Unterdruckbehälter ein Niederdruckspeichertank, der in einem Kraftstoffdampfspülsystem eingeschlossen ist, ein Unterdruckbehälter, der an ein Turbinen-Wastegate gekoppelt ist, ein Unterdruckbehälter, der an ein Ladungsbewegungsregelventil gekoppelt ist usw. sein. In einigen Ausführungsformen, wie abgebildet, kann ein Unterdrucksensor 64 (oder Drucksensor) an den Unterdruckbehälter 42 gekoppelt sein, um eine Schätzung hinsichtlich des Unterdruckniveaus an dem Behälter bereitzustellen. In einigen Beispielen kann ein Antriebsstromregelventil dem Ejektor 40 vorgelagert in der Leitung 38 gekoppelt sein. Das Antriebsstromregelventil kann eingestellt sein, um einen Antriebsstrom (Menge und/oder Geschwindigkeit) durch den Ejektor zu variieren.
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Wie in 1A gezeigt, ist ein Hals des Ejektors 40 entlang des ersten Durchlasses 44 an den Unterdruckbehälter 42 gekoppelt, während ein Auslass des Ejektors 40 entlang des zweiten Durchlasses 48 an den Unterdruckbehälter 42 gekoppelt ist. Jeder des ersten und zweiten Durchlasses kann dann an dem dritten Durchlass 66 einem Auslass des Unterdruckbehälters nachgelagert (in der Strömungsrichtung) zusammenlaufen. Jeder des ersten und zweiten Durchlasses schließt entsprechende Rückschlagventile ein, um die Strömungsrichtung zu/von dem Behälter zu steuern. Der zweite Durchlass 48 koppelt ferner einer Verbindungsstelle mit dem Ejektorauslass nachgelagert (in der Strömungsrichtung) den Unterdruckbehälter 42 an den Verbrennungsmotoransaugkrümmer 16.
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Das Verbrennungsmotorsystem 10 schließt ferner eine Verbrennungsmotorabgasvorrichtung 70 ein. Die Verbrennungsmotorabgasvorrichtung 70 schließt einen Abgaskrümmer 72 ein, der zu einem verzweigten Abgaskanal 74 führt, der schließlich Abgas in die Atmosphäre leitet. Der verzweigte Abgaskanal 74 schließt einen ersten Zweig 76, einen zweiten Zweig 78 und einen dritten Zweig 80 ein. Die Verbrennungsmotorabgasvorrichtung 70 kann eine oder mehrere Emissionssteuervorrichtungen 82 einschließen, die in dem zweiten Zweig 78 befestigt sein können. Eine oder mehrere Emissionssteuervorrichtungen können einen Dreiwegekatalysator, eine Mager-NOx-Falle, einen Dieselpartikelfilter, einen Oxidationskatalysator usw. einschließen. Ein Schalldämpfer 84 oder eine andere Abgasschalldämpfervorrichtung ist in dem dritten Zweig 80 positioniert. Der Schalldämpfer 84 wird dann an die Atmosphäre gekoppelt.
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Die Verbrennungsmotorabgasvorrichtung 70 schließt die Turbine 30 ein, die an dem ersten Zweig 76 positioniert ist. Die Turbine schließt einen Einlass, der an den ersten Zweig 76 gekoppelt ist und einen Auslass ein, der an den zweiten Zweig 78 gekoppelt ist. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Turbineneinlass auf eine Öffnung in dem Gehäuse der Turbine oder eine andere Struktur, die konfiguriert ist, um Abgas einzulassen und das eingelassene Abgas einem Turbinenrotor zuzuführen, wenn die Turbine in einem standardmäßigen, sich vorwärts drehenden Modus betrieben wird. Der Turbinenauslass bezieht sich auf eine Öffnung in dem Gehäuse der Turbine oder eine andere Struktur, die konfiguriert ist, um Abgas aus dem Turbinenrotor zu einem gekoppelten Abgaskanal abzuleiten, wenn die Turbine in dem standardmäßigen, sich vorwärts drehenden Modus betrieben wird. Obwohl in 1A nicht gezeigt, kann ein Wastegate bereitgestellt werden, um zu ermöglichen, dass Abgas die Turbine zum Beispiel bei Bedingungen mit einer hohen Verbrennungsmotorlast umgeht.
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Der Strom durch den verzweigten Abgaskanal 74 wird durch ein Vierwege-Abgasregelventil 86 gesteuert, das sich an einer Verbindungsstelle zwischen dem ersten Zweig 76, dem zweiten Zweig 78 und dem dritten Zweig 80 befindet. Das Vierwege-Abgasregelventil 86 schließt vier Anschlüsse und einen Teiler (nachfolgend ausführlicher beschrieben) ein, was zwei getrennte Strömungspfade durch das Regelventil ermöglicht. Das Vierwege-Abgasregelventil 86 kann durch einen Aktor als Reaktion auf ein Signal, das von der Steuerung 50 gesendet wird, zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung bewegt werden. Der Aktor kann ein elektrischer Aktor, ein hydraulischer Aktor, ein pneumatischer Aktor oder dergleichen sein.
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Das Verbrennungsmotorsystem 10 kann ferner ein Steuersystem 56 einschließen. Es ist gezeigt, dass das Steuersystem 56 Informationen von einer Vielzahl von Sensoren 51 (für die verschiedene Beispiele hierin beschrieben sind) empfängt und Steuersignale an eine Vielzahl von Aktoren 52 (für die verschiedene Beispiele hierin beschrieben sind) sendet. Beispielsweise können die Sensoren 51 den der Emissionssteuervorrichtung vorgelagerten Abgassensor 126, Temperatursensorsensor 128, Drucksensor 129, MAF-Sensor und MAP-Sensor einschließen. Andere Sensoren wie etwa Druck-, Temperatur-, Luft-Kraftstoff-Verhältnis- und Zusammensetzungssensoren können mit verschiedenen Stellen in dem Verbrennungsmotorsystem 10 gekoppelt sein. Als ein anderes Beispiel können die Aktoren Kraftstoffeinspritzvorrichtungen (nicht gezeigt), das Ventil 86 und den Elektromotor 34 einschließen. Das Steuersystem 56 kann eine Steuerung 50 einschließen. Die Steuerung kann Eingangsdaten von den verschiedenen Sensoren empfangen, die Eingangsdaten verarbeiten und die Aktoren als Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten auf Grundlage einer darin programmierten Anweisung oder eines darin programmierten Codes gemäß einer oder mehrerer Routinen auslösen. Beispielhafte Steuerungsroutinen werden hierin in Bezug auf 3 beschrieben.
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Wie in 1A gezeigt, befindet sich das Vierwege-Abgasregelventil 86 in einer ersten Stellung. In der ersten Stellung wird eine fluidische Kopplung zwischen dem Abgaskrümmer 72 und dem ersten Zweig 76 an der Verbindungsstelle der Abgaskanalzweige hergestellt und eine direkte fluidische Kopplung an der Verbindungsstelle zwischen dem Abgaskrümmer 72 und dem zweiten Zweig 78 wird blockiert. Die erste Stellung des Ventils stellt außerdem eine fluidische Kopplung zwischen dem zweiten Zweig 78 und dem dritten Zweig 80 an der Verbindungsstelle her.
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Die erste Stellung des Vierwege-Abgasregelventils 86 definiert einen ersten Strömungspfad durch das Abgassystem. Der erste Strömungspfad schließt Abgas von dem Verbrennungsmotor ein, das durch den Abgaskrümmer und zu der Turbine 30 über den ersten Zweig 76 strömt. Der erste Strömungspfad schließt ferner das Abgas von der Turbine 30 ein, das dann über den zweiten Zweig 78 zu der Emissionssteuervorrichtung 82 strömt. Der erste Strömungspfad schließt ferner das Abgas von der Emissionssteuervorrichtung 82 über den zweiten Zweig 78 zu dem dritten Zweig 80 ein. Von dem dritten Zweig 80 bewegt sich das Abgas durch den Schalldämpfer 84 und dann in die Atmosphäre.
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Der erste Strömungspfad schließt das Abgas ein, das an dem Einlass der Turbine in die Turbine 30 eintritt und an dem Auslass der Turbine aus der Turbine austritt, wodurch veranlasst wird, dass sich die Turbine in einer ersten Vorwärtsrichtung dreht. Diese Vorwärtsdrehung wird auf die Welle, wie durch den Pfeil um die Welle 32 gezeigt, und auf den Verdichter übertragen, wodurch eine Vorwärtsdrehung des Verdichters veranlasst wird. Durch die Vorwärtsdrehung des Verdichters wird Fischluft durch den Luftfilter und zu dem Verdichter angesaugt, wo die Luft verdichtet und dann dem Ladeluftkühler und dem Verbrennungsmotor bereitgestellt wird. Die Vorwärtsdrehung des Verdichters wirkt, um den Ansaugkrümmerdruck zu erhöhen, wodurch das bereitgestellt wird, was als Ladedruck bekannt ist.
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Eine detaillierte Abbildung 100 des Vierwegeregelventils 86 in der ersten Stellung wird in 1B gezeigt. Wie gezeigt, schließt das Ventil 86 vier Anschlüsse 101–104 und einen Teiler 105 ein. In der ersten Stellung ist der erste Anschluss 101 an den vorgelagerten Teil des verzweigten Abgaskanals 74 gekoppelt (welcher an den Abgaskrümmer gekoppelt ist), der zweite Anschluss 102 ist an den ersten Zweig 76 gekoppelt, der dritte Anschluss 103 ist an den dritten Zweig 80 gekoppelt und der vierte Anschluss 104 ist an den zweiten Zweig 78 gekoppelt. Der Teiler 105 erzeugt zwei eigenständige Strömungspfade in dem Ventil 86, sodass der erste Anschluss 101 fluidisch an den zweiten Anschluss 102 gekoppelt ist und der dritte Anschluss 103 fluidisch an den vierten Anschluss 104 gekoppelt ist. Demnach kann das Ventil 86 gleichzeitig Abgas durch die zwei getrennten Strömungspfade strömen lassen.
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Auf diese Art und Weise kann, wenn sich das Vierwege-Abgasregelventil in der ersten Stellung befindet, Abgas zu der Turbine 30 strömen, bevor es zu der Emissionssteuervorrichtung 82 strömt. Dieses Leiten des Abgases kann dank des direkten Leitens des Abgases zu der Turbine (z. B. ohne zunächst durch die Emissionssteuervorrichtung hindurchzugehen) eine Erzeugung eines maximalen Ladedrucks und bei Übergangsbedingungen eine schnelle Aufladungssteuerung ermöglichen.
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2A und 2B zeigen das Verbrennungsmotorsystem 10, wobei sich das Vierwege-Abgasregelventil 86 in einer zweiten Stellung befindet. Wie in 2A gezeigt, befindet sich das Vierwege-Abgasregelventil 86 in der zweiten Stellung. In der zweiten Stellung wird eine fluidische Kopplung zwischen dem Abgaskrümmer 72 und dem ersten Zweig 76 an der Verbindungsstelle der Abgaskanalzweige blockiert und eine fluidische Kopplung an der Verbindungsstelle zwischen dem Abgaskrümmer 72 und dem zweiten Zweig 78 wird hergestellt. Die zweite Stellung des Ventils stellt außerdem eine fluidische Kopplung zwischen dem ersten Zweig 76 und dem dritten Zweig 80 an der Verbindungsstelle her.
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Die zweite Stellung des Vierwege-Abgasregelventils 86 definiert einen zweiten Strömungspfad durch das Abgassystem. Der zweite Strömungspfad schließt Abgas von dem Verbrennungsmotor ein, das durch den Abgaskrümmer und zu der Emissionssteuervorrichtung 82 über den zweiten Zweig 78 strömt. Der zweite Strömungspfad schließt ferner das Abgas von der Emissionssteuervorrichtung 82 ein, das über den zweiten Zweig 78 zu der Turbine 30 strömt. Der zweite Strömungspfad schließt ferner das Abgas von der Turbine 30 ein, das über den ersten Zweig 76 zu dem dritten Zweig 80 strömt. Von dem dritten Zweig 80 bewegt sich das Abgas durch den Schalldämpfer 84 und dann in die Atmosphäre.
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Der zweite Strömungspfad schließt das Abgas ein, das an dem Auslass der Turbine in die Turbine 30 eintritt und an dem Einlass der Turbine aus der Turbine austritt, wodurch veranlasst wird, dass sich die Turbine in einer zweiten Rückwärtsrichtung dreht. Diese Rückwärtsdrehung wird auf die Welle, wie durch den Pfeil um die Welle 32 gezeigt, und auf den Verdichter übertragen, wodurch eine Rückwärtsdrehung des Verdichters veranlasst wird. Die Rückwärtsdrehung des Verdichters erzeugt einen Unterdruck an dem Ansaugkrümmer. Der Unterdruck im Ansaugkrümmer stellt eine Unterdruckressource für den Ejektor 40 bereit, um Luft aus dem Unterdruckbehälter 42 anzusaugen, wodurch Luft für eine Verbrennung an dem Verbrennungsmotor bereitgestellt und gleichzeitig der Unterdruck aufgefüllt wird, der in dem Unterdruckbehälter 42 gespeichert ist.
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Eine detaillierte Abbildung 200 des Vierwegeregelventils 86 in der zweiten Stellung wird in 2B gezeigt. Wie gezeigt, schließt das Ventil 86 vier Anschlüsse 101–104 und einen Teiler 105 ein. In der zweiten Stellung ist der vierte Anschluss 104 an den vorgelagerten Teil des verzweigten Abgaskanals 74 gekoppelt (welcher an den Abgaskrümmer gekoppelt ist), der erste Anschluss 101 ist an den ersten Zweig 76 gekoppelt, der zweite Anschluss 102 ist an den dritten Zweig 80 gekoppelt und der dritte Anschluss 103 ist an den zweiten Zweig 78 gekoppelt. Der Teiler 105 erzeugt zwei eigenständige Strömungspfade in dem Ventil 86, sodass der erste Anschluss 101 fluidisch an den zweiten Anschluss 102 gekoppelt ist und der dritte Anschluss 103 fluidisch an den vierten Anschluss 104 gekoppelt ist. Demnach kann das Ventil 86 gleichzeitig Abgas durch die zwei getrennten Strömungspfade strömen lassen.
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Auf diese Art und Weise kann, wenn sich das Vierwege-Abgasregelventil in der zweiten Stellung befindet, Abgas zu der Emissionssteuervorrichtung 82 strömen, bevor es zu der Turbine 30 strömt. Durch dieses Leiten des Abgases kann ein Wärmeverlust an der Turbine vermieden werden, wobei das Aufwärmen der Emissionssteuervorrichtung beschleunigt wird. Sobald die Emissionssteuervorrichtung die Betriebstemperatur erreicht hat, kann das Vierwegeregelventil zurück in die erste Stellung bewegt werden, wodurch die Erzeugung eines Ladedrucks über den Verdichter ermöglicht wird. Ferner kann das Vierwege-Abgasregelventil bei anderen Bedingungen, bei denen kein Ladedruck erwünscht ist, wie etwa bei Verbrennungsmotorleerlaufbedingungen oder anderen Bedingungen mit geringer oder gar keiner Last (z. B. Abbremsen), zu der zweiten Stellung bewegt werden. Zusätzlich kann durch die Erzeugung eines Unterdrucks im Ansaugkrümmer über die Rückwärtsdrehung des Verdichters, wenn sich das Vierwege-Abgasregelventil in der zweiten Stellung befindet, der Unterdruck in einem oder mehreren Unterdruckbehältern zur Verwendung durch einen oder mehrere Unterdruckabnehmer, wie etwa den Bremskraftbeschleuniger, aufgefüllt werden.
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Da der Ansaugluftstrom zu dem Verbrennungsmotor unter nicht aufgeladenen Bedingungen durch die Luft in dem Unterdruckbehälter und nicht entlang des herkömmlichen Wegs des Frischluftansaugkanals bereitgestellt wird, kann auf eine Ansaugdrossel verzichtet werden und es kann eine Steuerung des Ansaugluftstroms bereitgestellt werden, indem eine Drehgeschwindigkeit des Verdichters gesteuert wird. Die Steuerung der Verdichterdrehzahl kann durch eine Aktivierung und/oder Einstellung des Elektromotors bereitgestellt werden, der an die Turboladerwelle gekoppelt ist (z. B. kann bzw. können die Drehzahl des Elektromotors und/oder die Last, die der Elektromotor an der Welle platziert, eingestellt werden, um die Verdichterdrehzahl zu steuern). Andere Mechanismen zum Steuern der Verdichterdrehzahl sind möglich, wie etwa eine Einstellung einer Wastegate-Stellung.
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1A–2B zeigen beispielhafte Konfigurationen mit einer relativen Positionierung der verschiedenen Komponenten. Wenn sie so gezeigt sind, dass sie einander direkt berühren oder direkt miteinander gekoppelt sind, können derartige Elemente zumindest in einem Beispiel als sich direkt berührend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Gleichermaßen können Elemente, die aneinander anliegend oder angrenzend gezeigt sind, zumindest in einem Beispiel aneinander anliegend bzw. angrenzend sein. Beispielsweise können Komponenten, die in sich eine Fläche teilendem Kontakt zueinander liegen als in sich eine Fläche teilendem Kontakt bezeichnet werden. Als ein weiteres Beispiel können Elemente, die voneinander getrennt positioniert sind, wobei nur ein Raum dazwischen ist und keine anderen Komponenten, zumindest in einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als noch ein weiteres Beispiel können Elemente, die über-/untereinander, an gegenüberliegenden Seiten voneinander oder links/rechts voneinander gezeigt sind, relativ zueinander als solche bezeichnet werden. Ferner kann, wie in den Figuren gezeigt, ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements zumindest in einem Beispiel als ein „Oberteil“ der Komponente bezeichnet werden und ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements kann als ein „Unterteil“ der Komponente bezeichnet werden. Im hier verwendeten Sinne kann sich Oberteil/Unterteil, obere(r/s)/untere(r/s), über/unter auf eine vertikale Achse der Figuren beziehen und dazu verwendet werden, die Positionierung von Elementen der Figuren in Bezug aufeinander zu beschreiben. Demnach sind Elemente, die über anderen Elementen gezeigt sind, in einem Beispiel vertikal über den anderen Elementen positioniert. Als noch ein weiteres Beispiel können Formen der Elemente, die in den Figuren abgebildet sind, als diese Formen (wie etwa kreisförmig, gerade, eben, gekrümmt, abgerundet, abgeschrägt, abgewinkelt oder dergleichen) aufweisend bezeichnet werden. Ferner können Elemente, die so gezeigt sind, dass sie einander schneiden, zumindest in einem Beispiel als sich schneidende Elemente oder einander schneidend bezeichnet werden. Noch ferner kann ein Element, das innerhalb eines anderen Elements oder außerhalb eines anderen Elements gezeigt ist, in einem Beispiel als solches bezeichnet werden.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird ein Verfahren 300 zum Betreiben eines Verbrennungsmotors veranschaulicht. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 300 und der übrigen der hier eingeschlossenen Verfahren können durch eine Steuerung (z. B. die Steuerung 50) auf Grundlage von in einem Speicher der Steuerung gespeicherten Anweisungen und in Verbindung mit von Sensoren des Verbrennungsmotorsystems empfangenen Signalen ausgeführt werden, wie etwa von den zuvor in Bezug auf 1A beschriebenen Sensoren. Die Steuerung kann gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren Verbrennungsmotoraktoren des Verbrennungsmotorsystems einsetzen, um den Verbrennungsmotorbetrieb einzustellen. Zum Beispiel kann, wie nachfolgend erläutert, ein Vierwege-Abgasregelventil (z. B. Ventil 86) eingestellt werden, um Abgas durch einen Katalysator (z. B. die Emissionssteuervorrichtung 82) und dann durch eine Turbine (z. B. die Turbine 30) strömen zu lassen, um den Katalysator schnell zu erwärmen oder das Ventil kann eingestellt werden, um Abgas zunächst durch die Turbine und dann durch den Katalysator strömen zu lassen, um eine schnelle Ladedruckregelung bereitzustellen.
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Bei 302 schließt das Verfahren 300 das Bestimmen von Betriebsparametern ein. Die bestimmten Betriebsparameter können unter anderem die Verbrennungsmotortemperatur und/oder Katalysatortemperatur, die Verbrennungsmotordrehzahl, die Verbrennungsmotorlast, die Zeit, die seit einem Verbrennungsmotorstartereignis vergangen ist, ein vom Bediener angefordertes Drehmoment und andere Parameter einschließen. Bei 304 bestimmt das Verfahren 300, ob der Verbrennungsmotor unter Kaltstart- oder Niedriglastbedingungen betrieben wird. Verbrennungsmotorkaltstartbedingungen können einschließen, dass die Verbrennungsmotortemperatur unter einem Schwellenwert (z. B. unter der Betriebstemperatur, wie etwa unter 190 Grad F (ca. 87,8 °C)) liegt, der Verbrennungsmotor während des Anlassens die Umgebungstemperatur aufweist und/oder eine Schwellenzeit seit einem Verbrennungsmotorstartereignis nicht vergangen ist. Niedriglastbedingungen eines Verbrennungsmotors können einen Verbrennungsmotorleerlauf, eine Verbrennungsmotorlast unter einer Schwellenlast (z. B. unter 25 % einer als maximal eingestuften Verbrennungsmotorlast), ein Abbremsen des Fahrzeugs oder andere geeignete Bedingungen einschließen.
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Wenn der Verbrennungsmotor bei Kaltstart- oder Niedriglastbedingungen betrieben wird, geht das Verfahren zu 312 über, was nachfolgend ausführlicher erläutert wird. Wenn der Verbrennungsmotor nicht bei Kaltstart- oder Niedriglastbedingungen betrieben wird (z. B. wenn der Verbrennungsmotor aufgewärmt ist und sich die Verbrennungsmotorlast in dem Bereich der mittleren bis hohen Last befindet, wie etwa über 25 % einer als maximal eingestuften Last), geht das Verfahren 300 zu 306 über, um das Vierwege-Abgasregelventil in einer ersten Stellung einzustellen (oder zu halten). Wie zuvor in Bezug auf 1A und 1B erläutert, kann das Vierwege-Abgasregelventil an einer Verbindungsstelle eines verzweigten Abgaskanals positioniert werden und die Richtung des Abgasstroms durch das Abgassystem steuern. Bei 308 schließt das Verfahren 300 das Strömen von Abgas von dem Verbrennungsmotor durch einen ersten Strömungspfad und das Drehen der Turbine in einer Vorwärtsrichtung ein. Der erste Strömungspfad schließt das Strömen von Abgas von dem Verbrennungsmotor zu der Turbine, dann von der Turbine zu dem Katalysator, und dann von dem Katalysator zu einem Schalldämpfer und in die Atmosphäre ein. Das Abgas tritt an dem Turbineneinlass in die Turbine ein und tritt an dem Turbinenauslass aus der Turbine aus.
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Bei 310 schließt das Verfahren 300 das Drehen des Verdichters in einer Vorwärtsrichtung ein, um einen gewünschten Ladedruck zu generieren. Die Vorwärtsrichtung der Turbine treibt den Verdichter in der Vorwärtsrichtung an, woraus sich eine Verdichtung der Ansaugluft ergibt, was auch als Ladedruck bezeichnet wird. Der gewünschte Ladedruck kann aus einer Lookup-Tabelle bestimmt werden, die zum Beispiel den Ladedruck zu der Verbrennungsmotordrehzahl und -last indiziert. Der gewünschte Ladedruck kann erreicht werden, indem der Abgasstrom durch die Turbine (z. B. indem eine Wastegate-Stellung gesteuert wird) oder einen anderen geeigneten Mechanismus eingestellt wird.
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Bei 311 schließt das Verfahren 300 gegebenenfalls vor dem Einstellen des Vierwege-Abgasregelventils zu der ersten Stellung das Einstellen einer Stellung des Wastegates und/oder Verdichterumgehungsventils (CBV) und/oder das Einkuppeln des Elektromotors ein, um die Drehung der Turbine zu verlangsamen. Wenn das Vierwege-Abgasregelventil während des Verbrennungsmotorbetriebs von der zweiten Stellung zu der ersten Stellung bewegt wird, kann zum Beispiel Abgas in den verzweigten Abgaskanälen vorhanden sein, die Turbine und der Verdichter können sich in der Rückwärtsrichtung drehen und verdichtete Luft kann zwischen dem Verdichter und dem Luftfilter vorhanden sein. Demnach kann, um die Richtungsänderung der Drehung der Turbine und des Verdichters zu beschleunigen, der Elektromotor eingekuppelt werden, um die Turbine zu verlangsamen. Eine derartige Aktion kann ein schnelleres Hochdrehen der Turbine ermöglichen, sobald das Vierwege-Abgasregelventil zu der ersten Stellung bewegt wird. Ferner kann, indem eines oder mehrere von dem Wastegate und dem Verdichterumgehungsventil eingestellt (z. B. geöffnet) werden, die Drehzahl der Turbine und des Verdichters weiter verringert werden und in einigen Beispielen kann bzw. können überschüssiges Abgas und/oder überschüssige Ansaugluft aus dem System entfernt werden. Die Einstellung des Elektromotors und/oder die Einstellung des Wastegates und/oder des CBV kann in einem Beispiel während des Verbrennungsmotorbetriebs lediglich bei dem Übergang von der zweiten Stellung zu der ersten Stellung durchgeführt werden. Das Verfahren 300 kehrt dann zurück.
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Zurückkehrend zu 306 geht das Verfahren 300, wenn bestimmt wird, dass der Verbrennungsmotor bei Kaltstart- oder Niedriglastbedingungen betrieben wird, zu 312 über, um das Vierwegeventil zu einer zweiten Stellung einzustellen. Bei 314 strömt Abgas in einem zweiten Strömungspfad durch das Abgassystem und die Turbine wird in einer Rückwärtsrichtung gedreht. Der zweite Strömungspfad schließt das Strömen von Abgas von dem Verbrennungsmotor zu dem Katalysator, dann von dem Katalysator zu der Turbine, und dann von der Turbine zu dem Schalldämpfer und in die Atmosphäre ein. Das Abgas tritt an dem Turbinenauslass in die Turbine ein und tritt an dem Turbineneinlass aus der Turbine aus, wodurch die Rückwärtsdrehung der Turbine generiert wird.
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Bei 316 schließt das Verfahren 300 das Drehen des Verdichters in einer Rückwärtsrichtung ein, um einen Unterdruck im Ansaugkrümmer zu generieren. Die Rückwärtsdrehung der Turbine treibt den Verdichter in der Rückwärtsrichtung an, woraus sich eine Entleerung von Ansaugluft aus dem Ansaugsystem ergibt, wodurch der Unterdruck im Ansaugkrümmer generiert wird. Bei 318 führt das Verfahren 300 dem Verbrennungsmotor Ansaugluft über einen Unterdruckbehälter und einen Ejektor zu. Zum Beispiel, wie zuvor in Bezug auf 1A und 2A erläutert, stellt der Unterdruck im Ansaugkrümmer eine Unterdruckressource für den Ejektor (z. B. den Ejektor 160) bereit, wodurch Luft von einem Unterdruckabnehmer (z. B. dem Bremskraftverstärker) aus einem Unterdruckbehälter (z. B. dem Behälter 42) angesaugt und dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
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In einigen Beispielen kann auf eine standardmäßige Ansaugluftdrossel verzichtet werden und eine Steuerung des Ansaugluftstroms kann bereitgestellt werden, indem die Drehgeschwindigkeit des Verdichters gesteuert wird, wie bei 320 angezeigt. Wie zuvor erläutert, saugt der Unterdruck, der durch die Rückwärtsdrehung des Verdichters erzeugt wird, Luft aus dem Unterdruckbehälter über den Ejektor an und demnach kann die Menge/Geschwindigkeit der Luft, die aus dem Behälter angesaugt wird, eingestellt werden, indem die Drehzahl des Verdichters eingestellt wird. Die Drehzahl des Verdichters kann eingestellt werden, indem in einem Beispiel ein Elektromotor aktiviert oder eingestellt wird, der an die Verdichterwelle gekoppelt ist. Zum Beispiel kann die Verdichterdrehzahl erhöht werden, indem die Welle über den Elektromotor weiter gedreht wird, um die Geschwindigkeit des Ansaugluftstroms zu erhöhen. In einem anderen Beispiel kann die Verdichterdrehzahl verringert werden, indem über den Elektromotor ein Zug auf die Welle angewendet wird, um die Geschwindigkeit des Ansaugluftstroms zu verringern. In anderen Beispielen kann die Verdichterdrehzahl eingestellt werden, indem ein Strom durch die Turbine eingestellt wird (z. B. indem eine Stellung eines Wastegates der Turbine eingestellt wird). Die Geschwindigkeit des Ansaugluftstroms kann auf eine Zielgeschwindigkeit eingestellt werden, die als eine Funktion der Verbrennungsmotorlast und -drehzahl, eines vom Bediener angeforderten Drehmoments oder anderer Parameter bestimmt wird.
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Bei 321 schließt das Verfahren 300 gegebenenfalls vor dem Einstellen des Vierwege-Abgasregelventils zu der zweiten Stellung das Einstellen einer Stellung des Wastegates und/oder Verdichterumgehungsventils (CBV) und/oder das Einkuppeln des Elektromotors ein, um die Drehung der Turbine zu verlangsamen. Wenn das Vierwege-Abgasregelventil während des Verbrennungsmotorbetriebs von der ersten Stellung zu der zweiten Stellung bewegt wird, kann zum Beispiel Abgas in den verzweigten Abgaskanälen vorhanden sein, die Turbine und der Verdichter können sich in der Vorwärtsrichtung drehen und verdichtete Luft kann zwischen dem Verdichter und dem Verbrennungsmotor vorhanden sein. Demnach kann, um die Richtungsänderung der Drehung der Turbine und des Verdichters zu beschleunigen, der Elektromotor eingekuppelt werden, um die Turbine zu verlangsamen. Eine derartige Aktion kann ein schnelleres Hochdrehen der Turbine ermöglichen, sobald das Vierwege-Abgasregelventil zu der zweiten Stellung bewegt wird. Ferner kann, indem eines oder mehrere von dem Wastegate und dem Verdichterumgehungsventil eingestellt (z. B. geöffnet) werden, die Drehzahl der Turbine und des Verdichters weiter verringert werden und in einigen Beispielen kann bzw. können überschüssiges Abgas und/oder überschüssige Ansaugluft aus dem System entfernt werden. Die Einstellung des Elektromotors und/oder die Einstellung des Wastegates und/oder des CBV kann in einem Beispiel während des Verbrennungsmotorbetriebs lediglich bei dem Übergang von der ersten Stellung zu der zweiten Stellung durchgeführt werden. Das Verfahren 300 kehrt dann zurück.
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4 ist ein Diagramm 400, das Betriebsparameter veranschaulicht, die während der Ausführung des Verfahrens aus 3 beobachtet werden können. Das Diagramm 400 schließt die Betätigung des Bremspedals bei Verlauf 402, Änderungen eines Unterdruckniveaus in einem Bremskraftverstärker bei Verlauf 404, die Stellung des Vierwege-Abgasregelventils bei Verlauf 406, die Richtung der Turbinendrehung bei Verlauf 408, den Ansaugkrümmerdruck bei Verlauf 410, die Verbrennungsmotorlast bei Verlauf 412 und das Einkuppeln des Elektromotors bei Verlauf 416 ein. Das Einkuppeln des Elektromotors schließt das Einkuppeln des Elektromotors ein, der konfiguriert ist, um an die Turboladerwelle gekoppelt zu werden, wie etwa Elektromotor 34 aus 1A und 2A. Für jeden Verlauf ist die Zeit entlang der x-Achse abgebildet und entsprechende Werte für jeden Betriebsparameter werden entlang der y-Achse abgebildet.
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Zum Zeitpunkt t0 beginnt die Verbrennungsmotorlast auf einer relativ hohen Stufe und das Unterdruckniveau des Bremskraftverstärkers ist relativ hoch. Dank der hohen Verbrennungsmotorlast befindet sich das Vierwegeventil in der ersten Stellung, was eine Vorwärtsdrehung der Turbine veranlasst. Die Vorwärtsdrehung der Turbine veranlasst eine Vorwärtsdrehung des Verdichters, woraus sich ein positiver Ansaugkrümmerdruck ergibt. Während die Zeit zum Zeitpunkt t1 voranschreitet, wird das Bremspedal betätigt, um das Fahrzeug zum Beispiel zu einem Halt zu verlangsamen. Von daher wird die Verbrennungsmotorlast verringert und das Unterdruckniveau in dem Bremskraftverstärker wird verringert.
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Zum Zeitpunkt t1 sinkt die Verbrennungsmotorlast unter eine Schwellenlast. Zum Beispiel kann sich der Verbrennungsmotor im Leerlauf befinden. Als Reaktion darauf, dass die Verbrennungsmotorlast unter den Schwellenwert (gezeigt durch Linie 414) sinkt, wird der Elektromotor eingekuppelt, um die Drehung der Turbine zu verlangsamen. Ferner kann bzw. können in einigen Beispielen das Wastegate, das durch die Turbine gekoppelt ist und/oder das Verdichterumgehungsventil geöffnet werden, um einen Ladedruck zu verringern. Indem die Drehung der Turbinenwelle verlangsamt wird und/oder der Ladedruck vor dem Einstellen des Vierwege-Abgasregelventils verringert wird, kann die Umkehrung hinsichtlich der Drehrichtung der Turbine und des Verdichters schneller durchgeführt werden. Zum Zeitpunkt t2 wird das Vierwege-Abgasregelventil zu der zweiten Stellung bewegt. Infolgedessen, dass sich das Ventil in der zweiten Stellung befindet, beginnt die Turbine mit dem Betrieb in der Rückwärtsrichtung. Von daher wird der Ansaugkrümmerdruck verringert, um einen Unterdruck im Ansaugkrümmer zu generieren, welcher dann über den Ejektor dem Bremskraftverstärker Unterdruck zuführt (gezeigt durch den Anstieg des Unterdruckniveaus im Bremskraftverstärker nach dem Zeitpunkt t2). Außerdem wir der Elektromotor zum Zeitpunkt t2 ausgekuppelt, um eine freie Drehung der Turboladerwelle zu ermöglichen. Jedoch kann der Elektromotor in einigen Beispielen zwischen dem Zeitpunkt t2 und t3 eingekuppelt werden, um die Verdichterdrehzahl zu steuern, falls angezeigt. Zum Zeitpunkt t3 wird die Verbrennungsmotorlast über die Schwellenlast erhöht und der Elektromotor wird erneut eingekuppelt, um die Drehung der Turbine zu verlangsamen. Zum Zeitpunkt t4 wird der Elektromotor ausgekuppelt und das Vierwege-Abgasregelventil wird zurück zu der ersten Stellung bewegt, woraus sich eine Vorwärtsdrehung der Turbine und eine Erzeugung von Ladedruck ergeben.
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Der technische Effekt des Strömens von Abgas von einem Verbrennungsmotor zunächst durch einen Katalysator und dann durch eine Turbine, um die Turbine in einer Rückwärtsrichtung zu drehen, liegt darin, dass die Drehung der Turbine in der Rückwärtsrichtung einen Unterdruck im Ansaugkrümmer für einen Unterdruckabnehmer über einen Verdichter generiert, der an die Turbine gekoppelt ist. Ein weiterer technischer Effekt liegt im Vermeiden eines Wärmeverlusts an der Turbine und dem Zuführen von warmem Abgas zu dem Katalysator.
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Eine Ausführungsform eines Verfahrens umfasst das Strömen von Abgas von einem Verbrennungsmotor zunächst durch eine Emissionssteuervorrichtung und dann durch eine Turbine, um die Turbine in einer Rückwärtsrichtung zu drehen, wobei die Drehung der Turbine in der Rückwärtsrichtung einen Unterdruck im Ansaugkrümmer für einen Unterdruckabnehmer über einen Verdichter generiert, der an die Turbine gekoppelt ist. In einem ersten Beispiel des Verfahrens wird das Strömen von Abgas von dem Verbrennungsmotor zunächst durch die Emissionssteuervorrichtung und dann durch die Turbine, um die Turbine in einer Rückwärtsrichtung zu drehen, als Reaktion auf einen ersten Zustand durchgeführt, und das Verfahren schließt ferner als Reaktion auf einen zweiten Zustand das Strömen von Abgas von dem Verbrennungsmotor zunächst durch die Turbine, um die Turbine in einer Vorwärtsrichtung zu drehen und dann das Strömen des Abgases durch die Emissionssteuervorrichtung ein, wobei die Drehung der Turbine in der Vorwärtsrichtung über den Verdichter einen Ansaugladedruck generiert. In einem zweiten Beispiel schließt das Verfahren gegebenenfalls das erste Beispiel ein und schließt ferner ein, wobei der erste Zustand eines oder mehrere von einem Verbrennungsmotorkaltstart und einer Verbrennungsmotorlast unterhalb einer Schwellenlast umfasst und wobei der zweite Zustand eine Verbrennungsmotorlast umfasst, die größer ist als die Schwellenlast. In einem dritten Beispiel schließt das Verfahren gegebenenfalls eines oder beide des ersten Beispiels und des zweiten Beispiels ein und schließt ferner ein, wobei das Strömen des Abgases von dem Verbrennungsmotor zunächst durch die Turbine und dann durch die Emissionssteuervorrichtung das Strömen des Abgases durch das Vierwege-Abgasstromregelventil in einer ersten Stellung umfasst und wobei das Strömen des Abgases von dem Verbrennungsmotor zunächst durch die Emissionssteuervorrichtung und dann durch die Turbine das Strömen des Abgases durch ein Vierwege-Abgasstromregelventil in einer zweiten Stellung umfasst. In einem vierten Beispiel schließt das Verfahren gegebenenfalls eines oder mehrere des ersten bis dritten Beispiels ein und schließt ferner während des ersten Zustands das Strömen des Abgases von der Turbine, dann durch einen Schalldämpfer und dann in die Atmosphäre, und während des zweiten Zustands das Strömen des Abgases von der Emissionssteuervorrichtung, dann durch den Schalldämpfer und dann in die Atmosphäre ein. In einem fünften Beispiel schließt das Verfahren gegebenenfalls eines oder mehrere des ersten bis vierten Beispiels ein und schließt ferner ein, wobei das Generieren eines Unterdrucks im Ansaugkrümmer für den Unterdruckabnehmer das Generieren eines Unterdrucks im Ansaugkrümmer für einen Bremskraftverstärker umfasst, wobei durch die Drehung der Turbine in der Rückwärtsrichtung auch der Verdichter in einer Rückwärtsrichtung gedreht wird, wobei durch die Drehung des Verdichters in der Rückwärtsrichtung Luft von dem Bremskraftverstärker über einen Ejektor angesaugt wird. In einem sechsten Beispiel schließt das Verfahren gegebenenfalls eines oder mehrere des ersten bis fünften Beispiels ein und schließt ferner das Steuern des Ansaugluftstroms ein, indem eine Drehgeschwindigkeit des Verdichters gesteuert wird. In einem siebenten Beispiel schließt das Verfahren gegebenenfalls eines oder mehrere des ersten bis sechsten Beispiels ein und schließt ferner ein, wobei das Steuern der Drehgeschwindigkeit des Verdichters das Einstellen einer Drehgeschwindigkeit einer Welle umfasst, welche die Turbine über einen Elektromotor an den Verdichter koppelt.
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Ein Beispiel eines Systems schließt Folgendes ein: einen Verbrennungsmotor, der an einen Ansaugkrümmer und an einen Abgaskrümmer gekoppelt ist; eine verzweigte Abgasleitung, die an den Abgaskrümmer gekoppelt ist, wobei die verzweigte Abgasleitung einen ersten Zweig, der den Abgaskrümmer fluidisch an einen Einlass einer Turbine koppelt, einen zweiten Zweig, der den Abgaskrümmer fluidisch an eine Emissionssteuervorrichtung koppelt und einen dritten Zweig umfasst, der fluidisch an den ersten Zweig und an den zweiten Zweig gekoppelt werden kann, wobei der zweite Zweig außerdem fluidisch an einen Auslass der Turbine gekoppelt ist; und ein Vierwege-Abgasregelventil, das an einer Verbindungsstelle zwischen dem ersten Zweig, dem zweiten Zweig und dem dritten Zweig positioniert ist, wobei das Vierwege-Abgasregelventil zu einer ersten Stellung eingestellt werden kann, mit der eine fluidische Kopplung zwischen dem Abgaskrümmer und dem ersten Zweig und zwischen dem zweiten Zweig und dem dritten Zweig hergestellt wird, wobei das Vierwege-Abgasregelventil außerdem zu einer zweiten Stellung eingestellt werden kann, mit der eine fluidische Kopplung zwischen dem Abgaskrümmer und dem zweiten Zweig und zwischen dem ersten Zweig und dem dritten Zweig hergestellt wird. In einem ersten Beispiel schließt das System ein, wobei das Vierwege-Abgasregelventil in der ersten Stellung einen ersten Abgasströmungspfad von dem Abgaskrümmer und durch die Turbine über den ersten Zweig, und von der Turbine und durch den Katalysator über den zweiten Zweig erzeugt; das Vierwege-Abgasstromregelventil in der zweiten Stellung einen zweiten Abgasströmungspfad von dem Abgaskrümmer, durch den Katalysator und dann zu der Turbine über den zweiten Zweig erzeugt; und der erste Strömungspfad Abgas einschließt, das über den Einlass in die Turbine eintritt und über den Auslass austritt und der zweite Strömungspfad Abgas einschließt, das über den Auslass in die Turbine eintritt und über den Einlass austritt. In einem zweiten Beispiel schließt das System gegebenenfalls das erste Beispiel ein und schließt ferner einen Verdichter ein, der über eine Welle an die Turbine gekoppelt ist, wobei der Verdichter in einem Ansaugkanal positioniert ist, der an den Ansaugkrümmer gekoppelt ist, wobei der Ansaugkrümmer über einen Ejektor an einen Unterdruckabnehmer gekoppelt ist. In einem dritten Beispiel schließt das System gegebenenfalls eines oder mehrere des ersten bis zweiten Beispiels ein und schließt ferner eine Steuerung ein, die nicht-flüchtige Anweisungen speichert, die ausführbar sind, um: eine Stellung des Vierwege-Abgasregelventils als Reaktion auf eine Verbrennungsmotorlast, die über einer Schwellenlast liegt, zu der ersten Stellung einzustellen; und eine Stellung des Vierwege-Abgasregelventils als Reaktion auf eine Verbrennungsmotorlast, die unter der Schwellenlast liegt, zu der zweiten Stellung einzustellen. In einem vierten Beispiel schließt das System gegebenenfalls eines oder mehrere des ersten bis dritten Beispiels ein und schließt ferner einen Elektromotor ein, der an eine Welle gekoppelt ist, die den Verdichter mit der Turbine verbindet, und wobei die Anweisungen ferner ausführbar sind, um eine Drehzahl des Elektromotors einzustellen, um eine Drehgeschwindigkeit des Verdichters auf Grundlage eines Zielansaugluftmassenstroms einzustellen. In einem fünften Beispiel schließt das System gegebenenfalls eines oder mehrere des ersten bis vierten Beispiels ein und schließt ferner ein, wobei, wenn sich das Vierwege-Abgasregelventil in der ersten Stellung befindet, eine fluidische Kopplung zwischen dem Abgaskrümmer und dem zweiten Zweig an der Verbindungsstelle blockiert ist, und wenn sich das Vierwege-Abgasregelventil in der zweiten Stellung befindet, eine fluidische Kopplung zwischen dem Abgaskrümmer und dem ersten Zweig an der Verbindungsstelle blockiert ist.
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Ein anderes Beispiel eines Verfahrens schließt Folgendes ein: als Reaktion auf einen ersten Zustand das Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Ladedruck über einem Schwellenniveau, wobei der Ladedruck über eine Vorwärtsdrehung eines Verdichters generiert wird, der in einer Ansaugvorrichtung dem Verbrennungsmotor vorgelagert positioniert ist; und als Reaktion auf einen zweiten Zustand das Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem Unterdruck im Ansaugkrümmer, wobei der Unterdruck im Ansaugkrümmer über eine Rückwärtsdrehung des Verdichters generiert wird und das Zuführen eines Luftstroms zu dem Verbrennungsmotor über einen Unterdruckabnehmer, wobei die Rückwärtsdrehung des Verdichters durch eine Rückwärtsdrehung einer Turbine angetrieben wird, die an den Verdichter gekoppelt ist. In einem ersten Beispiel schließt das Verfahren Folgendes ein: als Reaktion auf den ersten Zustand das Einstellen einer Stellung eines Vierwege-Abgasregelventils zu einer ersten Stellung und das Lenken von Abgas von dem Verbrennungsmotor zu der Turbine über einen ersten Strömungspfad durch das Vierwege-Abgasregelventil, um eine Vorwärtsdrehung der Turbine zu veranlassen, wobei die Vorwärtsdrehung der Turbine die Vorwärtsdrehung des Verdichters antreibt; und als Reaktion auf den zweiten Zustand das Einstellen der Stellung des Vierwege-Abgasregelventils zu einer zweiten Stellung und das Lenken von Abgas von dem Verbrennungsmotor zu der Turbine über einen zweiten Strömungspfad durch das Vierwege-Abgasregelventil, um die Rückwärtsdrehung der Turbine zu veranlassen. In einem zweiten Beispiel schließt das Verfahren gegebenenfalls das erste Beispiel ein und schließt ferner das Einstellen einer Drehzahl der Vorwärtsdrehung und der Rückwärtsdrehung des Verdichters über einen Elektromotor auf Grundlage eines Zielansaugluftstroms ein. In einem dritten Beispiel schließt das Verfahren gegebenenfalls eines oder mehrere des ersten und zweiten Beispiels ein und schließt ferner als Reaktion auf den zweiten Zustand das Zuführen von Unterdruck zu einem Unterdruckabnehmer ein, der an den Ansaugkrümmer gekoppelt ist.
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Es ist zu beachten, dass die hier eingeschlossenen beispielhaften Steuerungs- und Schätzroutinen mit unterschiedlichen Verbrennungsmotor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -Routinen können als ausführbare Anweisungen in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert und durch das Steuersystem, einschließend die Steuerung in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktoren und sonstiger Verbrennungsmotorhardware, ausgeführt werden. Die hier beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere aus einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen darstellen. Demnach können verschiedene veranschaulichte Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel durchgeführt oder in manchen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwangsläufig erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erzielen, sondern wird vielmehr zur Erleichterung der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Ein(e) oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen können je nach konkret eingesetzter Strategie wiederholt durchgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen grafisch für Code stehen, der in nichtflüchtigem Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Verbrennungsmotorsteuersystem programmiert werden soll, in dem die beschriebenen Handlungen durch Ausführen der Anweisungen in einem System, einschließend die verschiedenen Verbrennungsmotorhardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung, ausgeführt werden.
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Es versteht sich, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinn aufzufassen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die vorstehende Technologie auf V-6, I-4, I-6, V-12, 4-Zylinder-Boxer- und andere Verbrennungsmotortypen angewandt werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und weitere hier offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften ein.
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Die folgenden Ansprüche legen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen dar, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer solcher Elemente einschließen und zwei oder mehrere solcher Elemente weder erfordern noch ausschließen. Weitere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Einreichung neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Ansprüche werden unabhängig davon, ob sie im Vergleich zu den ursprünglichen Ansprüchen einen weiteren, engeren, gleichen oder unterschiedlichen Umfang aufweisen, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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