DE102018122032A1

DE102018122032A1 - Systeme und verfahren für eine variable einlassvorrichtung eines verdichters

Info

Publication number: DE102018122032A1
Application number: DE102018122032.4A
Authority: DE
Inventors: Tao Zeng; Leon Hu
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2019-03-14
Also published as: US20190078586A1; CN109488639A; US10578124B2

Abstract

Es sind Verfahren und Systeme für eine variable Einlassvorrichtung eines Verdichters bereitgestellt. In einem Beispiel kann ein Verdichter ein Laufrad drehbar um eine Mittelachse und eine Einlassleitung beinhalten, beinhaltend eine variable Einlassleitung (VID), die stromaufwärts des Laufrads positioniert ist und zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position anpassbar ist, die eine Vordrallströmung zum Laufrad einschränkt und erzeugt. Die VID kann eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln beinhalten, die einen Ring um die Mittelachse bilden, wobei Innenflächen der Schaufeln einen Strömungskanal durch die VID bilden, wobei jede der Schaufeln um eine Achse, die tangential zum Ring angeordnet ist, zwischen der offenen und geschlossenen Position schwenkbar ist.

Description

Gebiet
Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme für eine variable Einlassvorrichtung eines Verdichters und zum Steuern der variablen Einlassvorrichtung, um Luftstrom, der in den Verdichter eintritt, einzustellen.
Allgemeiner Stand der Technik/Kurzdarstellung
Ein Turbolader kann in einem Verbrennungsmotor bereitgestellt werden, um das Verbrennungsmotordrehmoment oder die Leistungsausgabedichte zu erhöhen. Zum Turbolader kann eine abgasbetriebene Turbine gehören, die über eine Antriebswelle mit einem Verdichter gekoppelt ist. Der Verdichter kann fluidisch mit einem Luftansaugkrümmer im Verbrennungsmotor gekoppelt sein, der mit einer Vielzahl von Zylindern verbunden ist. Der Abgasstrom von einem oder mehreren Verbrennungsmotorzylindern kann zu einem Turbinenrad geleitet werden, wodurch die Turbine veranlasst wird, sich um eine feste Achse zu drehen. Die Drehbewegung der Turbine treibt ein Laufrad (z. B. Rad) des Verdichters an, der Luft im Luftansaugkrümmer verdichtet, um den Ladedruck auf Grundlage der Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen zu erhöhen.
Die Effizienz des Verdichters beeinflusst die Gesamtmotorleistung und den Kraftstoffverbrauch. Zum Beispiel kann eine geringere Verdichtereffizienz zu einer langsamen Verbrennungsmotorübergangsantwort und einem höheren Kraftstoffverbrauch sowohl für den stationären als auch für den transienten Verbrennungsmotorbetrieb führen. Bei geringeren Verbrennungsmotorlasten, wenn die Verdichtereffizienz reduziert ist, kann es während einer Pedalbetätigung zu einem vergrößerten Turboladerloch kommen. Zusätzlich kann ein Betrieb bei geringer Last zu einer geringeren Verdichtereffizienz führen und Verdichterpumpgrenzen können den Ladedruckanstieg bei geringen Verbrennungsmotordrehzahlen einschränken.
Andere Versuche, eine geringe Verdichtereffizienz anzugehen, beinhalten Verwenden eines Verdichters mit variablem Einlass, der Leitflügel verwendet, um den Strom durch ein Laufrad des Verdichters zu leiten und anzupassen. Ein beispielhafter Ansatz wird von Sconfietti et al. in EP2024645 gezeigt. Darin ist eine variable Einlassvorrichtung offenbart, die benachbart zu dem Verdichtereinlass angeordnet ist und eine Vielzahl von Flügeln beinhaltet. Jeder dieser Flügel ist zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar, um die Menge an Fluid zu steuern, die das Laufrad durchläuft. Insbesondere sind die Flügel um eine Mitte einer Radvorrichtung positioniert und drehen sich um eine Achse parallel zu einer Mittelachse des Verdichters. In einer geschlossenen Position ist das Durchlaufen von Strom zu dem Laufrad blockiert und in einer offenen Position kann Gas zwischen benachbarten Schaufeln um die Mitte der Radvorrichtung fließen.
Die Erfinder haben in der vorliegenden Schrift jedoch mögliche Probleme bei solchen Systemen erkannt. Als ein Beispiel ist sogar in der offenen Position aufgrund der Ausrichtung und Schwenkrichtung dieser Flügel der Strom durch die variable Einlassvorrichtung und zu dem Laufrad eingeschränkt (z. B. teilweise blockiert). Infolgedessen weist diese Art von variablem Einlass eine reduzierte High-End-Effizienz auf und schränkt den High-End-Strom mit Problemen hinsichtlich des einschränkenden Stroms ein. Ferner erzeugt diese Art von Vorrichtung keine Vordrallströmung für den Verdichter, was die Low-End-Effizienz des Verdichters erhöhen kann.
In einem Beispiel können die vorstehend beschriebenen Probleme durch einen Verdichter angegangen werden, der Folgendes umfasst: ein Laufrad, das um eine Mittelachse drehbar ist; und eine Einlassleitung, beinhaltend eine variable Einlassvorrichtung (VID), die darin positioniert ist, stromaufwärts des Laufrads, und beinhaltend eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln, die einen Ring um die Mittelachse bilden, wobei Innenflächen der Schaufeln einen Strömungskanal durch die VID bilden, wobei jeder der Schaufeln um eine Achse, die tangential zum Ring angeordnet ist, zwischen einer offenen und geschlossenen Position schwenkbar ist. In der offenen Position können die Schaufeln wenig bis keine Überlagerung miteinander aufweisen und die Innenflächen bilden einen breiteren Strömungskanal mit reduzierter Strömungsbegrenzung. In der geschlossenen Position können die Schaufeln eine erhöhte Überlagerung miteinander an einem Auslassende der VID aufweisen, wodurch der Strom begrenzt wird, wenn er durch den Strömungskanal der VID gelangt. Ferner erzeugt das Überlagern der Schaufeln eine glatte Fläche mit Spiralnuten, die eine Vordrallströmung zum Laufrad erzeugt, wenn Ansaugluft durch den Strömungskanal der VID strömt. Infolgedessen wird die Verdichtereffizienz in der geschlossenen Position aufgrund der begrenzten Vordrallströmung, die durch die VID erzeugt wird, erhöht. Die Verdichtereffizienz wird ferner bei höheren Lasten erhöht, wenn die VID in der offenen Position ist, und zwar aufgrund der reduzierten Strömungsbegrenzung durch die Einlassleitung und die VID. Auf diese Weise können die Verdichtereffizienz und die gesamte Verbrennungsmotorleistung und Kraftstoffeffizienz an einem breiten Spektrum an Verbrennungsmotorbetriebsdrehzahlen und -lasten erhöht werden.
Es versteht sich, dass die vorstehende Kurzdarstellung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung näher beschrieben sind. Sie ist nicht dazu vorgesehen, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu nennen, dessen Umfang einzig durch die Patentansprüche im Anschluss an die detaillierte Beschreibung definiert ist. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, die vorstehend oder in einem beliebigen Teil der vorliegenden Offenbarung angeführte Nachteile überwinden.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fahrzeugsystems.
2A-2C zeigen eine erste und zweite Ausführungsform eines Turboladerverdichters, der eine variable Einlassvorrichtung beinhaltet, die in einer Einlassleitung des Verdichters positioniert ist.
3A-3D zeigen eine Ausführungsform einer variablen Einlassvorrichtung für einen Turboladerverdichter in offenen und geschlossenen Positionen.
4A-4B zeigen eine aufgeschnittene Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Turboladerverdichters, der eine Gehäusestrukturierung und eine variable Einlassvorrichtung positioniert in einer Einlassleitung des Verdichters beinhaltet.
5A-5B zeigen eine aufgeschnittene Ansicht einer vierten Ausführungsform eines Turboladerverdichters, der eine aktive Gehäusestrukturierung und eine variable Einlassvorrichtung positioniert in einer Einlassleitung des Verdichters beinhaltet.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Position einer variablen Einlassvorrichtung.
7 zeigt eine Abbildung mit Verbrennungsmotorlast und Verbrennungsmotordrehzahl zum Steuern einer Position einer variablen Einlassvorrichtung.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Koordinieren der Steuerung einer Position einer variablen Einlassvorrichtung und einer aktiven Gehäusestrukturierung eines Verdichters.
9 zeigt eine Abbildung mit Verbrennungsmotorlast und Verbrennungsmotordrehzahl zum Steuern einer Position einer variablen Einlassvorrichtung und einer aktiven Gehäusestrukturierung eines Verdichters.
2A-3B und 4A-5B sind ungefähr maßstabsgetreu gezeigt.

Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren für eine variable Einlassvorrichtung eines Turboladerverdichters. Ein Verdichter eines Turboladers, wie zum Beispiel der Verdichter des Verbrennungsmotorsystems, der in 1 gezeigt ist, kann in einem Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors positioniert sein. Der Verdichter kann ein äußeres Gehäuse mit einer Einlassleitung (z. B. Ansaugkanal) und einem Laufrad (z. B. Verdichterrad), das stromabwärts in der Einlassleitung angeordnet ist, beinhalten. Das Laufrad kann eine oder mehrere Schaufeln beinhalten und ist um eine Mittelachse des Verdichters drehbar. Wie in 2A-2C gezeigt, kann eine variable Einlassvorrichtung (variable inlet device - VID) innerhalb der Einlassleitung des Verdichters stromaufwärts des Laufrads angeordnet sein. Die VID kann zwischen einer offenen Position (wie in 2A, 2C, 3A, 3C, 4B und 5B gezeigt) und einer geschlossenen Position (wie in 2B, 3B, 3D, 4A und 5A gezeigt) anpassbar sein. Ein passives Verfahren zur Betätigung der VID ist in 2C veranschaulicht. Wie in 3A-3B gezeigt, beinhaltet die VID eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln, die einen Ring um die Mittelachse des Verdichters bilden. Die Schaufeln sind zu und weg von der Mittelachse zwischen der offenen und geschlossenen Position schwenkbar. Wenn die VID in der offenen Position ist, begrenzen die Innenflächen der Schaufeln der VID den Strom durch die VID und die Einlassleitung weniger, als wenn die VID in der geschlossenen Position ist. Wie in 3C gezeigt, wird in der offenen Position das Ausmaß der VID, die den Strom vom Einlassende zum Auslassende begrenzt, reduziert. Im Gegensatz dazu, wenn die VID in der geschlossenen Position ist, wie in 3D gezeigt, werden die Schaufeln derart geschwenkt, dass ein Strömungskanal der VID, der durch die Innenflächen der Schaufeln gebildet ist, sich vom Einlassende zum Auslassende verengt. Zusätzlich bilden die Innenflächen in der geschlossenen Position eine glatte Fläche mit Spiralnuten, die einen Drallströmung aufgrund des Überlagerns der Schaufeln am Auslassende erzeugen. Wie in den 4A-4B gezeigt, kann die VID außerdem in Verbindung mit einem Verdichter verwendet werden, der eine Gehäusestrukturierung aufweist, beinhaltend eine Resonanzkammer zum Rückführen von Strom vom Laufrad zur Einlassleitung, stromaufwärts der VID. Wie in den 5A-5B gezeigt, kann die VID ferner in Verbindung mit einem Verdichter verwendet werden, der eine aktive Gehäusestrukturierung aufweist, die angepasst ist, um den Rückführstrom zwischen einer Rückführöffnung und einer von einer Entlüftungsöffnung und einer Einspritzöffnung, die in einer Wand der Einlassleitung angeordnet ist, anzupassen. Wie in den 6-7 gezeigt, kann die Position der VID auf Grundlage der Verbrennungsmotorlast- und Verbrennungsmotordrehzahlbedingungen relativ zu einem Pumpschwellenwert gesteuert werden. In der Ausführungsform der VID, die in Verbindung mit einer aktiven Gehäusestrukturierung verwendet wird, kann die Position der VID und der aktiven Gehäusestrukturierung in Abstimmung aufeinander gemäß den Verbrennungsmotorlast- und Verbrennungsmotordrehzahlbedingungen relativ zu einem Pumpschwellenwert und Drosselschwellenwert gesteuert werden, wie in den 8-9 dargestellt. Auf diese Weise kann eine VID für einen Verdichter verwendet werden, um die Verdichtereffizienz bei verschiedenen Betriebsbedingungen, wie etwa geringeren Lastbedingungen, zu erhöhen. Die Anordnung der VID kann unerwünschte Strömungsbegrenzungen in der offenen Position reduzieren und eine gleichmäßige Vordrallströmung zum Verdichterlaufrad in der geschlossenen Position erzeugen, wodurch die Low-End-Effizienz und Strömungsrate des Verdichters verbessert werden.
Nun wird auf die Figuren Bezug genommen, wobei 1 ein Ausführungsbeispiel eines Zylinders 14 eines Verbrennungsmotors 10 darstellt, der in einem Fahrzeug 5 enthalten sein kann. Der Verbrennungsmotor 10 kann zumindest teilweise durch ein Steuersystem, das eine Steuerung 12 beinhaltet, und durch eine Eingabe von einem Fahrzeugführer 130 über eine Eingabevorrichtung 132 gesteuert werden. In diesem Beispiel beinhaltet die Eingabevorrichtung 132 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Der Zylinder (hier auch „Brennkammer“) 14 des Verbrennungsmotors 10 kann Brennkammerwände 136 beinhalten, in denen ein Kolben 138 positioniert ist. Der Kolben 138 kann an eine Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, sodass eine Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle übersetzt wird. Die Kurbelwelle 140 kann über ein Getriebe 54 an mindestens ein Antriebsrad 55 des Personenkraftwagens gekoppelt sein, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. Ferner kann ein Anlasser (nicht gezeigt) über ein Schwungrad mit der Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, um einen Anlassvorgang des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen.
In einigen Beispielen kann das Fahrzeug 5 ein Hybridfahrzeug mit mehreren Drehmomentquellen sein, die einem oder mehreren Fahrzeugrädern 55 zur Verfügung stehen. In anderen Beispielen ist das Fahrzeug 5 ein herkömmliches Fahrzeug nur mit einem Verbrennungsmotor oder ein Elektrofahrzeug nur mit (einer) elektrischen Maschine(n). In dem gezeigten Beispiel beinhaltet das Fahrzeug 5 einen Verbrennungsmotor 10 und eine elektrische Maschine 52. Bei der elektrischen Maschine 52 kann es sich um einen Elektromotor oder einen Elektromotor/Generator handeln. Die Kurbelwelle 140 des Verbrennungsmotors 10 und die elektrische Maschine 52 sind über ein Getriebe 54 mit den Fahrzeugrädern 55 verbunden, wenn eine oder mehrere Kupplungen 56 eingekuppelt sind. In dem dargestellten Beispiel ist eine erste Kupplung 56 zwischen der Kurbelwelle 140 und der elektrischen Maschine 52 bereitgestellt und eine zweite Kupplung 56 zwischen der elektrischen Maschine 52 und dem Getriebe 54 bereitgestellt. Die Steuerung 12 kann ein Signal an einen Aktor jeder Kupplung 56 senden, um die Kupplung einzukuppeln oder auszukuppeln, um so die Kurbelwelle 140 mit bzw. von der elektrischen Maschine 52 und den damit verbundenen Komponenten zu verbinden oder zu trennen und/oder um die elektrische Maschine 52 mit bzw. von dem Getriebe 54 und den damit verbundenen Komponenten zu verbinden oder zu trennen. Das Getriebe 54 kann ein Schaltgetriebe, ein Planetenradsystem oder eine andere Getriebeart sein. Der Antriebsstrang kann auf verschiedene Weisen konfiguriert sein, darunter als ein paralleles, serielles oder seriell-paralleles Hybridfahrzeug.
Die elektrische Maschine 52 nimmt elektrische Leistung von einer Traktionsbatterie 58 auf, um den Fahrzeugrädern 55 Drehmoment bereitzustellen. Die elektrische Maschine 52 kann auch als Generator betrieben werden, um zum Beispiel während eines Bremsbetriebs elektrische Leistung zum Aufladen der Batterie 58 bereitzustellen.
Der Zylinder 14 des Verbrennungsmotors 10 kann über eine Reihe von Ansaugluftkanälen 142, 144 und 146 Ansaugluft aufnehmen. Der Ansaugluftkanal 146 kann zusätzlich zu dem Zylinder 14 mit anderen Zylindern des Verbrennungsmotors 10 kommunizieren. In einigen Beispielen können ein oder mehrere der Ansaugkanäle eine Aufladevorrichtung, wie etwa einen Turbolader oder einen Kompressor, umfassen. Zum Beispiel zeigt 1 den Verbrennungsmotor 10, der mit einem Turbolader konfiguriert ist, der einen zwischen den Ansaugkanälen 142 und 144 angeordneten Verdichter 174 und eine entlang eines Abgaskanals 148 angeordnete Abgasturbine 176 beinhaltet. Der Verdichter 174 kann zumindest teilweise über eine Welle 180 durch die Abgasturbine 176 mit Strom versorgt werden, wenn die Aufladevorrichtung als ein Turbolader konfiguriert ist. In anderen Beispielen jedoch, wie etwa, wenn der Verbrennungsmotor 10 mit einem Kompressor versehen ist, kann der Verdichter 174 durch mechanische Eingabe von einem Elektromotor oder dem Verbrennungsmotor angetrieben werden und die Abgasturbine 176 kann optional weggelassen werden.
Eine Drossel 162, beinhaltend eine Drosselklappe 164, kann in den Verbrennungsmotoransaugkanälen bereitgestellt sein, um die Strömungsrate und/oder den Druck der Ansaugluft, die den Verbrennungsmotorzylindern bereitgestellt wird, zu variieren. Beispielsweise kann die Drossel 162 stromabwärts des Verdichters 174 positioniert sein, wie in 1 gezeigt, oder sie kann alternativ stromaufwärts des Verdichters 174 positioniert sein.
Der Abgaskanal 148 kann zusätzlich zu dem Zylinder 14 Abgase von anderen Zylindern des Verbrennungsmotors 10 aufnehmen. Ein Abgassensor 128 ist der Darstellung nach stromaufwärts von einer Emissionssteuervorrichtung 178 an den Abgaskanal 148 gekoppelt. Der Abgassensor 128 kann aus verschiedenen geeigneten Sensoren zum Bereitstellen einer Angabe eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (air/fuel ratio - AFR) des Abgases ausgewählt sein, wie beispielsweise einer linearen Lambdasonde oder UEGO-Sonde (Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor - Breitband- oder Weitbereichslambdasonde), einer binären Lambdasonde oder EGO-Sonde (wie dargestellt), einer HEGO-Sonde (beheizten EGO-Sonde), einem NOx-, HC- oder CO-Sensor. Bei der Emissionssteuervorrichtung 178 kann es sich um einen Dreiwegekatalysator, eine NOx-Falle, verschiedene andere Emissionssteuervorrichtungen oder Kombinationen davon handeln.
Jeder Zylinder des Verbrennungsmotors 10 kann ein oder mehrere Einlassventile und ein oder mehrere Auslassventile beinhalten. Zum Beispiel beinhaltet der Zylinder 14 der Darstellung nach mindestens ein Einlasstellerventil 150 und mindestens ein Auslasstellerventil 156, die in einer oberen Region des Zylinders 14 angeordnet sind. In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Verbrennungsmotors 10, einschließlich des Zylinders 14, mindestens zwei Einlasstellerventile und mindestens zwei Auslasstellerventile beinhalten, die in einer oberen Region des Zylinders angeordnet sind. Das Einlassventil 150 kann über einen Aktor 152 durch die Steuerung 12 gesteuert werden. Gleichermaßen kann das Auslassventil 156 über einen Aktor 154 durch die Steuerung 12 gesteuert werden. Die Positionen des Einlassventils 150 und des Auslassventils 156 können durch entsprechende Ventilpositionssensoren (nicht gezeigt) bestimmt werden.
Unter einigen Bedingungen kann die Steuerung 12 die den Aktoren 152 und 154 bereitgestellten Signale variieren, um das Öffnen und Schließen der jeweiligen Einlass- und Auslassventile zu steuern. Die Ventilaktoren können einem Typ mit elektrischer Ventilbetätigung, einem Typ mit Nockenbetätigung oder einer Kombination davon entsprechen. Die Einlass- und Auslassventilansteuerung können gleichzeitig gesteuert werden oder es kann eine beliebige von einer Möglichkeit zur variablen Einlassnockenansteuerung, zur variablen Auslassnockenansteuerung, zur dualen unabhängigen variablen Nockenansteuerung oder zur festgelegten Nockenansteuerung verwendet werden. Jedes Nockenbetätigungssystem kann einen oder mehrere Nocken beinhalten und eines oder mehrere aus Systemen zur Nockenprofilverstellung (cam profile switching - CPS), variablen Nockenansteuerung (variable cam timing - VCT), variablen Ventilansteuerung (variable valve timing - WT) und/oder zum variablen Ventilhub (variable valve lift - VVL), die durch die Steuerung 12 betrieben werden können, zum Variieren des Ventilbetriebs verwenden. Zum Beispiel kann der Zylinder 14 alternativ ein über elektrische Ventilbetätigung gesteuertes Einlassventil und ein über Nockenbetätigung einschließlich CPS und/oder VCT gesteuertes Auslassventil beinhalten. In anderen Beispielen können das Einlass- und das Auslassventil durch einen gemeinsamen Ventilaktor (oder ein gemeinsames Betätigungssystem) oder einen Aktor (oder ein Betätigungssystem) zur variablen Ventilansteuerung gesteuert werden.
Der Zylinder 14 kann ein Verdichtungsverhältnis aufweisen, bei dem es sich um ein Verhältnis von Volumina handelt, wenn sich der Kolben 138 am unteren Totpunkt (bottom dead center - BDC) oder oberen Totpunkt (top dead center - TDC) befindet. In einem Beispiel liegt das Verdichtungsverhältnis im Bereich von 9:1 bis 10:1. In einigen Beispielen, in denen andere Kraftstoffe verwendet werden, kann das Verdichtungsverhältnis jedoch erhöht sein. Hierzu kann es beispielsweise kommen, wenn Kraftstoffe mit einer höheren Oktanzahl oder Kraftstoffe mit einer höheren latenten Verdampfungsenthalpie verwendet werden. Wenn eine Direkteinspritzung verwendet wird, kann das Verdichtungsverhältnis aufgrund von deren Auswirkung auf das Verbrennungsmotorklopfen ebenfalls erhöht sein.
In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Verbrennungsmotors 10 eine Zündkerze 192 zum Initiieren der Verbrennung beinhalten. Unter ausgewählten Betriebsmodi kann ein Zündsystem 190 der Brennkammer 14 über eine Zündkerze 192 einen Zündfunken als Reaktion auf ein Vorzündungssignal SA (Spark Advance) von der Steuerung 12 bereitstellen. Ein Zeitpunkt des Signals SA kann auf Grundlage der Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen und des Fahrerdrehmomentbedarfs angepasst werden. Zum Beispiel kann Zündung bei einem Zeitpunkt mit maximalem Bremsmoment (maximum brake torque - MBT) bereitgestellt werden, um Verbrennungsmotorleistung und - effizienz zu maximieren. Die Steuerung 12 kann Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen, einschließlich Verbrennungsmotordrehzahl, Verbrennungsmotorlast und Abgas-AFR, in eine Lookup-Tabelle eingeben und den entsprechenden MBT-Zeitpunkt für die eingegebenen Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen ausgeben.
In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Verbrennungsmotors 10 mit einer oder mehreren Kraftstoffeinspritzvorrichtungen konfiguriert sein, um diesem Kraftstoff bereitzustellen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel beinhaltet der Zylinder 14 der Darstellung nach eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 kann dazu konfiguriert sein, Kraftstoff, der von einem Kraftstoffsystem 8 aufgenommen wird, abzugeben. Das Kraftstoffsystem 8 kann einen/eine oder mehrere Kraftstofftanks, Kraftstoffpumpen und Kraftstoffleitungen beinhalten. Der Darstellung nach ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 direkt an den Zylinder 14 gekoppelt, um Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW, das von der Steuerung 12 über einen elektronischen Treiber 168 empfangen wird, direkt in diesen einzuspritzen. Auf diese Art und Weise stellt die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 eine sogenannte Direkteinspritzung (im Folgenden auch als „DI“ (direct injection) bezeichnet) von Kraftstoff in den Zylinder 14 bereit. Während die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 der Darstellung in 1 nach auf einer Seite des Zylinders 14 positioniert ist, kann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 alternativ dazu oberhalb des Kolbens angeordnet sein, wie etwa in der Nähe der Position der Zündkerze 192. Eine derartige Position kann das Mischen und Verbrennen verbessern, wenn der Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoff auf Alkoholbasis betrieben wird, da einige Kraftstoffe auf Alkoholbasis eine niedrigere Flüchtigkeit aufweisen. Alternativ kann sich die Einspritzvorrichtung oberhalb und in der Nähe des Einlassventils befinden, um das Mischen zu verbessern. Kraftstoff kann der Kraftstoff einspritzvorrichtung 166 aus einem Kraftstofftank des Kraftstoffsystems 8 über eine Hochdruckkraftstoffpumpe und einen Kraftstoffverteiler zugeführt werden. Ferner kann der Kraftstofftank einen Druckwandler aufweisen, welcher der Steuerung 12 ein Signal bereitstellt.
Der Darstellung nach ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 im Ansaugkanal 146 angeordnet und nicht direkt an den Zylinder 14 gekoppelt, und zwar in einer Konfiguration, welche eine sogenannte Saugrohreinspritzung von Kraftstoff (nachfolgend als „PFI“ (port fuel injection) bezeichnet) in eine Ansaugöffnung stromaufwärts des Zylinders 14 bereitstellt. In noch anderen Beispielen kann der Zylinder 14 mehrere Einspritzvorrichtungen beinhalten, die als Direktkraftstoffeinspritzvorrichtungen, Saugrohrkraftstoffeinspritzvorrichtungen oder eine Kombination davon konfiguriert sein können. Demnach versteht es sich, dass die hierin beschriebenen Kraftstoffsysteme nicht durch die hierin beispielhaft beschriebenen konkreten Konfigurationen von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen beschränkt sein sollen.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 kann konfiguriert sein, um unterschiedliche Kraftstoffe aus dem Kraftstoffsystem 8 in variierenden relativen mengen als ein Kraftstoffgemisch auszunehmen, und sie kann ferner konfiguriert sein, um dieses Kraftstoffgemisch direkt in den Zylinder einzuspritzen. Ferner kann Kraftstoff während unterschiedlicher Takte eines einzelnen Zyklus des Zylinders an den Zylinder 14 abgegeben werden. Zum Beispiel kann direkt eingespritzter Kraftstoff mindestens teilweise während eines vorhergehenden Ausstoßtakts, während eines Ansaugtakts und/oder während eines Verdichtungstakts abgegeben werden. Daher können bei einem einzelnen Verbrennungsereignis eine oder mehrere Einspritzungen des Kraftstoffs pro Zyklus durchgeführt werden. Die mehreren Einspritzungen können während des Verdichtungstakts, Ansaugtakts oder einer beliebigen geeigneten Kombination davon durchgeführt werden, was als geteilte Kraftstoffeinspritzung bezeichnet wird.
Kraftstofftanks in dem Kraftstoffsystem 8 können Kraftstoffe unterschiedlicher Art enthalten, wie etwa Kraftstoffe mit unterschiedlichen Kraftstoffeigenschaften und unterschiedlichen Kraftstoffzusammensetzungen. Die Unterschiede können Unterschiede in Bezug auf den Alkoholgehalt, den Wassergehalt, die Oktanzahl, Verdampfungswärme, Kraftstoffgemische und/oder Kombinationen davon usw. beinhalten. Ein Beispiel für Kraftstoffe mit unterschiedlichen Verdampfungswärmen beinhaltet Benzin als erste Kraftstoffart mit einer niedrigeren Verdampfungswärme und Ethanol als zweite Kraftstoffart mit einer größeren Verdampfungswärme. In einem anderen Beispiel kann der Verbrennungsmotor Benzin als erste Kraftstoffart und ein alkoholhaltiges Kraftstoffgemisch, wie etwa E85 (das ungefähr zu 85 % aus Ethanol und zu 15 % aus Benzin besteht) oder M85 (das ungefähr zu 85 % aus Methanol und zu 15 % aus Benzin besteht), als zweite Kraftstoffart verwenden. Zu weiteren möglichen Stoffen gehören Wasser, Methanol, ein Gemisch aus Alkohol und Wasser, ein Gemisch aus Wasser und Methanol, ein Gemisch aus Alkoholen usw. In noch einem anderen Beispiel kann es sich ferner bei beiden Kraftstoffen um Alkoholgemische mit variierenden Alkoholzusammensetzungen handeln, wobei die erste Kraftstoffart ein Benzin-Alkohol-Gemisch mit einer niedrigeren Alkoholkonzentration sein kann, wie etwa E10 (das ungefähr zu 10 % aus Ethanol besteht), während die zweite Kraftstoffart ein Benzin-Alkohol-Gemisch mit einer höheren Alkoholkonzentration sein kann, wie etwa E85 (das ungefähr zu 85 % aus Ethanol besteht). Darüber hinaus können sich der erste und der zweite Kraftstoff auch in Bezug auf weitere Kraftstoffeigenschaften unterscheiden, wie etwa einen Unterschied hinsichtlich der Temperatur, Viskosität, Oktanzahl usw. Darüber hinaus können die Kraftstoffeigenschaften eines oder beider Kraftstofftanks häufig variieren, zum Beispiel aufgrund täglicher Schwankungen beim Auffüllen des Tanks.
Die Steuerung 12 wird in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, welcher eine Mikroprozessoreinheit 106, Eingabe-/Ausgabeanschlüsse 108, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme (z. B. ausführbare Anweisungen) und Kalibrierungswerte, das in diesem konkreten Beispiel als nichtflüchtiger Festwertspeicherchip 110 gezeigt wird, Direktzugriffsspeicher 112, Keep-Alive-Speicher 114 und einen Datenbus beinhaltet. Die Steuerung 12 kann verschiedene Signale von an den Verbrennungsmotor 10 gekoppelten Sensoren empfangen, einschließlich bereits erörterter Signale, und zusätzlich einschließlich einer Messung des eingeleiteten Luftmassenstroms (mass air flow - MAF) von einem Luftmassenstromsensor 122; einer Verbrennungsmotorkühlmitteltemperatur (engine coolant temperature - ECT) von einem Temperatursensor 116, der an eine Kühlhülse 118 gekoppelt ist; einer Abgastemperatur von einem Temperatursensor 158, der an den Abgaskanal 148 gekoppelt ist; eines Profilzündungsaufnahmesignals (profile ignition pickup - PIP) von einem Hall-Effekt-Sensor 120 (oder einer anderen Art), der an die Kurbelwelle 140 gekoppelt ist; einer Drosselposition (throttle position - TP) von einem Drosselpositionssensor; eines EGO-Signals von einem Abgassensor 128, das durch die Steuerung 12 zum Bestimmen des AFR des Abgases verwendet werden kann, und eines Absolutkrümmerdrucksignals (absolute manifold pressure- MAP) von einem MAP-Sensor 124. Ein Verbrennungsmotordrehzahlsignal, RPM, kann durch die Steuerung 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von dem MAP-Sensor 124 kann dazu verwendet werden, eine Angabe von Vakuum oder Druck in dem Ansaugkrümmer bereitzustellen. Die Steuerung 12 kann eine Verbrennungsmotortemperatur auf der Grundlage einer Verbrennungsmotorkühlmitteltemperatur ableiten und eine Temperatur des Katalysators 178 auf der Grundlage des Signals, das vom Temperatursensor 158 empfangen wurde, ableiten.
Die Steuerung 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren aus 1 und setzt die verschiedenen Aktoren aus 1 ein, um den Verbrennungsmotorbetrieb auf Grundlage der empfangenen Signale und Anweisungen, die in einem Speicher der Steuerung gespeichert sind, anzupassen. Beim Empfangen von Signalen von verschiedenen Sensoren kann die Verbrennungsmotorsteuerung beispielsweise Steuersignale an einen Aktor, um die Position einer variablen Einlassvorrichtung (VID) des Verdichters 174 zu verändern, und/oder an einen Aktor einer aktiven Gehäusestrukturierung (wie etwa einer verschiebbaren Hülse), die entlang einer Einlassleitung des Verdichters 174 angeordnet ist, senden (wie weiter unten in Bezug auf die 6 und 8 beschrieben). Beispielsweise kann die Steuerung ein elektronisches Signal an einen Aktor der VID senden, um die VID von einer offenen zu einer geschlossenen Position oder einer geschlossenen zu einer offenen Position als Reaktion auf eine aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast relativ zu einem Pumpschwellenwert und/oder Drosselschwellenwert des Verdichter senden.
Wie vorstehend beschrieben, zeigt 1 lediglich einen Zylinder eines Mehrzylinderverbrennungsmotors. Demnach kann jeder Zylinder gleichermaßen seinen eigenen Satz Einlass-/Auslassventile, Kraftstoffeinspritzvorrichtung(en), Zündkerze usw. beinhalten. Es versteht sich, dass der Verbrennungsmotor 10 jede geeignete Anzahl von Zylindern, einschließlich 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 oder mehr Zylinder, beinhalten kann. Ferner kann jeder dieser Zylinder einige oder alle der verschiedenen Komponenten enthalten, die in 1 unter Bezugnahme auf den Zylinder 14 beschrieben und abgebildet sind.
Die 2A-2B zeigen eine Ausschnitts(z. B. Querschnitts)-ansicht einer ersten Ausführungsform des Verdichters 202 eines Turboladers, beinhaltend eine variable Einlassvorrichtung (VID) 204, die in einer Einlassleitung 206 des Verdichters 202 positioniert ist. In einer Ausführungsform kann der Verdichter 202 der Verdichter 174 aus 1 sein. 2C zeigt eine zweite Ausführungsform der VID 204 positioniert in der Einlassleitung 206 des Verdichters 202, wobei der Verdichter 202 einen zusätzlichen Weg 226 beinhaltet, der in der Einlassleitung 206 stromaufwärts des Laufrads 208 und stromabwärts eines Einlassendes der VID 204 angeordnet ist, wie weiter nachfolgend erläutert. Der Verdichter 202 beinhaltet eine Einlassleitung 206, ein Laufrad 208, eine Spirale 216, einen Diffusor 218 und ein Gehäuse 220. Elemente des Verdichters 202 können in der Richtung des Gasstroms 203 durch den Verdichter 202 beschrieben werden und ein beliebiges Element im Gasströmungspfad relativ zu einem Bezugspunkt wird stromabwärts des Bezugspunkts betrachtet. Im Gegensatz dazu befindet sich ein beliebiges Element, das in der Rückwärtsrichtung des Gasstroms relativ zu einem Bezugspunkt positioniert ist, stromaufwärts des Bezugspunkts. Zusätzlich beinhaltet der Verdichter 202 eine Mittelachse 205, die eine Mittelachse der Einlassleitung 206 ist, und eine mittlere Drehachse des Laufrads 208 (z. B. ist das Laufrad um die Mittelachse 205 drehbar).
Der Gasstrom (z. B. Ansaugluft von einem Ansaugkanal, wie etwa dem in 1 gezeigten Ansaugkanal 142) 203 gelangt in die Einlassleitung 206 und strömt durch die VID 204, die sich stromaufwärts des Laufrads 208 befindet. Die VID 204 beinhaltet eine Vielzahl von Schaufeln 207, die in einer Ringkonfiguration um die Mittelachse 205 benachbart zueinander angeordnet sind. Die Konfiguration der VID 204 ist weiter unten unter Bezugnahme auf die 3A-3D beschrieben. Die VID 204 ist derart positioniert, dass eine Mittelachse des Rings der Schaufeln 207 senkrecht zu den Wänden der Einlassleitung 206 und kollinear mit der Mittelachse 205 des Verdichters 202 ist. Das Laufrad 208 beinhaltet eine Vielzahl von Laufradschaufeln 210, die an einer Nabe 212 befestigt sind. Die Nabe 212 ist mit einer drehbaren Welle 214 verbunden, die parallel zur Richtung des Gasstroms und der Mittelachse 205 ausgerichtet ist, und ist mit einem Turbinenrad verbunden (das die Rotation der Welle und des Laufrads 208 antreibt). Die Rotation des Laufrads 208 zieht Gas durch die Einlassleitung 206 des Gehäuses 220 und dann durch die VID 204 in den Verdichter 202. Von der VID 204 bewegt sich das Gas zu dem Laufrad 208 und in den Diffusor 218. Das Gas beschleunigt durch den Diffusor 218 in die Spirale 216, was eine Verlangsamung des Gasstroms und eine Erhöhung des Drucks der Spirale 216 verursacht. Der hohe Druck in der Spirale 216 kann zum Gasstrom zum Ansaugkrümmer führen.
Wie in den 2A-2C gezeigt, umspannt die VID 204 eine Gesamtheit der Einlassleitung 206. Insbesondere sind Enden der Schaufeln 207 der VID 204 nahe Innenwänden 219 des Gehäuses 220 positioniert. Zusätzlich ist eine Gesamtheit der VID 204 stromaufwärts einer Gesamtheit des Laufrads 208 positioniert, beinhaltend eine Vorderkante der Laufradschaufeln 210. Wie in 2A-2B gezeigt, ist ein Aktor 209 in elektronischer Kommunikation mit einer Steuerung 211 (die die gleiche wie die in 1 gezeigte Steuerung 12 oder ähnlich sein kann) mechanisch an die VID 204 gekoppelt. Auf Grundlage eines oder mehrerer von der Steuerung 211 empfangener elektronischer Signale ist der Aktor 209 ausgelegt, um die Schaufeln 207 der VID 204 zwischen offenen und geschlossenen Positionen zu schwenken. In einem Beispiel kann der Aktor ein Verbrennungsmotor sein, der an das Einlassende der VID 204 gekoppelt ist. 2A zeigt eine erste schematische Darstellung 200 des Verdichters 202 mit der VID 204 in einer offenen Position mit Auslassschaufelenden 222 der Schaufeln 207, die am weitesten stromabwärts in der Einlassleitung 206 relativ zu den Einlassschaufelenden 224 der Schaufeln 207 angeordnet sind, die nahe den Innenwänden 219 der Einlassleitung 206 angeordnet sind. In einem Beispiel können die Auslassschaufelenden 222 die Innenwände 219 kontaktieren (z. B. flächenteilenden Kontakt damit haben). In der offenen Position kann ein Durchmesser des Rings, der durch die Auslassschaufelenden 222 gebildet wird, gleich dem oder größer als der Durchmesser des Rings sein, der durch die Einlassschaufelenden 224 gebildet wird. In der offenen Position erzeugen Innenwände der Schaufeln 207 wenig bis keine Durchflussbegrenzung durch die VID 204 und damit die Einlassleitung 206. 2B zeigt ein zweites Schema 201 des Verdichters 202 mit der VID 204 in einer geschlossenen Position, wobei die Einlassschaufelenden 224 nahe den Innenwänden 219 der Einlassleitung 206 angeordnet sind. In einem Beispiel können die Einlassschaufelenden 224 Innenwände 219 kontaktieren (z. B. flächenteilenden Kontakt damit haben). In der geschlossenen Position ist der Durchmesser des Rings, der durch die Auslassschaufelenden 222 gebildet wird, schmaler als der Durchmesser des Rings, der durch die Einlassschaufelenden 224 gebildet wird. Somit ist der Gasstrom durch die VID 204 und Einlassleitung 206 (und zu dem Laufrad 208) durch die Innenflächen der Schaufeln 207 begrenzt, wenn sich die VID in der in 2B gezeigten geschlossenen Position befindet.
2C zeigt ein drittes Schema 221 des Verdichters 202, das einen passiven Betätigungsmechanismus zum Anpassen der VID 204 zwischen offenen und geschlossenen Positionen veranschaulicht. Insbesondere beinhaltet das Gehäuse 220 einen zusätzlichen Weg 226, der in der Einlassleitung 206 stromaufwärts des Laufrads 208 und stromabwärts des Einlassendes der VID 204 gebildet ist. Wie in 2C gezeigt, kann sich der Weg 226 von der Mittelachse 205 nach außen erstrecken, sodass die Innenwände 219 in der Region des Wegs 226 weiter weg von der Mittelachse 205 positioniert sind als die Innenwände 219 in einer Region der Einlassleitung 206, die stromaufwärts des Einlassendes der VID 204 angeordnet ist. Bei bestimmten Betriebsbedingungen wird der Gasstrom vom Laufrad 208 zur VID 204 zurückgeführt, und zwar in einer Richtung entgegengesetzt zum Gasstrom 203 über den Weg 226 in die Einlassleitung 206, wie durch den Pfeil 213 gezeigt. Dieser rückgeführte Gasstrom über den Weg 226 führt zu einem höheren Druck, der auf den Außenflächen (z. B. den Flächen, die den Innenwänden 219 der Einlassleitung 206 zugewandt sind) der Schaufeln 207 am Auslassende der VID 204 zu beobachten ist, als der Druck, der durch die Innenflächen der Schaufeln 207 aufgrund des Gasstroms 203 zu beobachten ist. Infolgedessen wird die VID 204 über diese Druckdifferenz von der offenen Position zur geschlossenen Position passiv betätigt (wie in 2C gezeigt). Ein Beispiel für solch eine Druckdifferenz kann während Pumpbedingungen auftreten, bei denen der Druck am Auslassende des Verdichters 202 zunimmt und eine Umkehr des Gasstroms 203 durch den Weg 226 einleitet. Der erhöhte Druck auf den Außenflächen der Schaufeln 207 am Auslassende der VID 204 ermöglicht den Schaufeln 207, zur Mittelrotationsachse 205 am Auslassende der VID 204 zu schwenken, wodurch die VID 204 zur geschlossenen Position bewegt wird. Während Bedingungen, bei denen der Druck auf den Außenflächen der Schaufeln 207 gleich oder geringer als der Druck auf den Innenflächen der Schaufeln 207 ist, wird die VID 204 zur offenen Position angepasst (oder dort gehalten).
3A-3D zeigen Details einer variablen Einlassvorrichtung (VID) 300, die als eine der variablen Einlassvorrichtungen 204, 404 und 540, die in 2A-2B, 4A-4B und 5A-5B gezeigt sind, verwendet werden kann. Insbesondere zeigt 3A eine Seitenansicht der VID 300 in einer offenen Position, zeigt 3B eine Seitenansicht der VID 300 in einer geschlossenen Position, zeigt 3C eine Vorderansicht der VID 300 in der offenen Position und zeigt 3D eine Vorderansicht der VID 300 in der geschlossenen Position.
Wie in den 3A-3D gezeigt, beinhaltet die VID 300 eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln 306, die einen Ring um eine Mittelachse 301 der VID 300 bilden, der kollinear zu einer Mittelachse eines Verdichters sein kann, wie in den 2A-2B, 4A-4B und 5A-5B gezeigt. Die VID 300 weist ein Einlassende auf, das durch Einlassenden (z. B. Einlassschaufelränder) 304 der Schaufeln 306 gebildet ist, wobei das Einlassende einen ersten Ring bildet, der einen ersten Durchmesser 303 aufweist. Die VID 300 weist auch ein Auslassende auf, das durch Auslassenden (z. B. Auslassschaufelränder) 302 der Schaufeln 306 gebildet ist, wobei das Auslassende einen zweiten Ring bildet, der einen zweiten Durchmesser 305 aufweist. Die Einlassenden 304 sind stromaufwärts der Auslassenden 302 angeordnet, wenn die VID 300 in einem Strömungskanal positioniert ist, wie etwa den in den 2A-2B, 4A-4B und 5A-5C gezeigten Einlassleitungen (z. B. Ansaugkanälen). Jede Schaufel 306 weist eine Außenfläche 307 und eine Innenfläche 309 auf, wobei die Innenflächen 309 aller Schaufeln 306 einen Strömungskanal 311 durch die VID 300 bilden. Auf diese Weise kontaktiert Gas (z. B. Ansaugluft), das durch einen Kanal strömt, in dem die VID 300 positioniert ist (wie etwa den Einlassleitungen oder Ansaugkanälen, die in den 2A-2B, 4A-4B und
5A-5B gezeigt sind), die Innenflächen 309 und gelangt über den Strömungskanal 311 durch die VID 300. Die Richtung des Gasstroms durch die VID 300 ist durch den Pfeil 313 gezeigt. In den 3C-3D erfolgt die Richtung des Gasstroms durch die VID 300 in die Seite. Die offene und geschlossene Position der VID 300 werden durch Schwenken der Schaufeln 306 zu und weg von der Mittelachse 301 bei einer Drehachse 329, die tangential zum Einlassring und senkrecht zur Mittelachse 301 angeordnet ist, erreicht, wie weiter unten beschrieben.
3A zeigt eine Seitenansicht der VID 300 in der offenen Position, in der der zweite Durchmesser 305 gleich dem (wie in 3A gezeigt) oder größer als der erste Durchmesser 303 sein kann. Folglich ist der Strom durch die VID 300 von dem Einlassende zu dem Auslassende nicht begrenzt. Eine Frontalansicht der VID 300 von den Einlassenden 304 der Schaufeln 306 in der offenen Position ist in 3C gezeigt. Wie in 3C gezeigt, sind der erste Durchmesser 303 und der zweite Durchmesser 305 gleich. Somit sind in der offenen Position die Schaufeln 306 von den Einlassenden 304 zu den Auslassenden 302 relativ gerade und annähernd parallel zu der Mittelachse angeordnet. Jede Schaufel 306 weist eine Schwenkachse 329 auf, um die das Einlassende jeder Schaufel zwischen der offenen und geschlossenen Position schwenkt. Wie in 3C gezeigt, beinhaltet das Einlassende jeder Schaufel 306 ein Gelenkelement 331, das an der Schwenkachse 329 angeordnet ist. Somit können die Gelenkelemente 331 jeder Schaufel 306 ermöglichen, zwischen der offenen und der geschlossenen Position zu schwenken. In einem Beispiel kann es sich bei den Gelenkelementen 331 um Torsionsfedern handeln, die ungefähr tangential zum Einlassring der VID 300 und zentriert innerhalb der Dicke 333 der Schaufeln 306 positioniert sind. Die Querschnittsfläche der Schaufeln 306, wie in 3C zu sehen ist, ist im Vergleich zu der der geschlossenen Position (wie weiter unten erörtert und in den 3B und 3D gezeigt) und im Vergleich zu der der Vorrichtungen, die Schaufeln oder Flügel aufweisen, die von einer Mittelachse der Vorrichtung zu einem äußeren Umfang der Vorrichtung ausgerichtet sind, kleiner. Als Folge der Positionierung der Schaufeln 306 in der offenen Position kann die Strömungsbegrenzung durch die VID 300 und zum Laufrad in der offenen Position reduziert (z. B. minimiert) werden.
Wie ebenfalls in den 3A und 3C zu sehen ist, beinhaltet jede Schaufel 306 Seitenflächen, die sich zwischen dem Einlassende 304 und Auslassende 302 erstrecken. Zum Beispiel weist eine erste Schaufel 315 eine erste Seitenfläche 317 auf, die eine Seitenfläche 319 einer benachbarten zweiten Schaufel 321 kontaktiert. Die erste Schaufel 315 weist eine zweite Seitenfläche 323 auf, die eine Seitenfläche 325 einer benachbarten dritten Schaufel 327 kontaktiert. In der offenen Position kontaktieren die Seitenflächen (z. B. Innenflächen) der Schaufeln 306 einander, sind allerdings womöglich nicht überlagernd. Eine Seiten(z. B. Profil)-ansicht der VID 300 in der geschlossenen Position ist in 3B gezeigt. 3D zeigt eine Frontalansicht (von dem Einlassende) der VID 300 in der geschlossenen Position. Um sich von der offenen Position zur geschlossenen Position zu bewegen, werden die Auslassenden 302 der Schaufeln 306 über die Drehachsen 329, die an den Einlassenden der Schaufeln 306 angeordnet sind, zur Mittelachse 301 geschwenkt. Infolgedessen verkleinert sich der zweite Durchmesser 305 und der erste Durchmesser bleibt gleich, wie wenn die VID 300 in der offenen Position ist. In der geschlossenen Position, wie in den 3B und 3D gezeigt, ist der zweite Durchmesser 305 kleiner als der erste Durchmesser 303. Konkret ist der zweite Durchmesser 305 um einen ersten Betrag kleiner als der erste Durchmesser 303 (z. B. ist die Differenz zwischen dem ersten Durchmesser 303 und dem zweiten Durchmesser 305 der erste Betrag in der geschlossenen Position). In der geschlossenen Position sind die Schaufeln 306 von den Einlassenden 304 zu den Auslassenden 302 nach innen in Richtung der Mittelachse 301 gewinkelt. In der geschlossenen Konfiguration schränken die Innenflächen 309 der Schaufeln 306 den Strom vom Einlassende 304 zum Auslassende 302 aufgrund des allmählich abnehmenden Durchmessers des Strömungskanals 311 der VID 300 vom Einlassende 304 zum Auslassende 302 ein (z. B., wenn Strom, der durch den Strömungskanal 311 gelangt, sich stromabwärts bewegt). Die Innenflächen 309 weisen eine relativ glatte Oberfläche zum Leiten von Strom vom Einlassende 304 zum Auslassende 302 auf. Wie in 3B zu sehen ist, überlagern die Auslassenden 302 der Schaufeln 306 einander (z. B. überlagert jede Schaufel eine benachbarte Schaufel und wird von einer anderen benachbarten Schaufel überlagert). Allerdings können die Einlassenden 304 der Schaufeln 306 in der geschlossenen Position sich nicht überlagern oder können sich weniger als die Auslassenden 302 überlagern. Die Überlagerungsanordnung der Schaufeln an den Auslassenden 302 in der geschlossenen Position stellt eine glatte Innenfläche mit Spiralnuten 308 bereit, wie in 3D dargestellt, was dazu führt, dass sich der Gasstrom verwirbelt, wenn er durch die VID 300 gelangt. Konkret, wie in 3D zu sehen ist, ist jede Schaufel 306 von benachbarten Schaufeln 306 über eine Spiralnut 308 getrennt. Die Spiralnuten 308 krümmen sich relativ zur Mittelachse 301. In einem Beispiel ist die Krümmung der Spiralnuten 308 zum Wegstrom in einer Rotationsrichtung vorgespannt, die die gleiche ist wie die Rotation des Laufrads des Verdichters. Zum Beispiel überlagern sich die Schaufeln 306 in 3B und 3D, um Spiralnuten zu erzeugen, die Gas gegen den Uhrzeigersinn relativ zur Mittelachse 301, die zu einer Mittelrotationsachse des Verdichterlaufrads kollinear sein kann, verwirbeln, wenn sie stromaufwärts des Laufrads in einer Verdichtereinlassleitung installiert sind (wie in den 2A-2B, 4A-4B und 5A-5B gezeigt). Das gewirbelte Gas kann dann von dem Auslassende der VID 300 zu dem Laufrad strömen, das sich auch gegen den Uhrzeigersinn dreht.
Die 4A-4B zeigen eine Ausschnittsansicht einer dritten Ausführungsform eines Verdichters 402 eines Turboladers, beinhaltend eine Gehäusestrukturierung 416 und eine VID 404 (wie etwa die in den 3A-3D gezeigte VID 300), die in einer Einlassleitung (hier auch als der Verdichtereinlass beschrieben) 406 des Verdichters 402 positioniert ist. In einer Ausführungsform kann der Verdichter 402 der Verdichter 174 aus 1 sein. Der Verdichter 402 beinhaltet die Einlassleitung 406, das Laufrad 408, den Diffusor 410, die Spirale 412, das Gehäuse 414 und die Gehäusestrukturierung 416. Elemente des Verdichters 402 können in der Richtung des Gasstroms beschrieben werden und ein beliebiges Element im Gasströmungspfad relativ zu einem Bezugspunkt wird stromabwärts des Bezugspunkts betrachtet. Im Gegensatz dazu befindet sich ein beliebiges Element, das in der Rückwärtsrichtung des Gasstroms relativ zu einem Bezugspunkt positioniert ist, stromaufwärts des Bezugspunkts. Die Richtung des Gasstroms ist parallel zu der Mittelrotationsachse 403 des Laufrads 408 und durch den Pfeil 405 gezeigt. Die Mittelrotationsachse des Laufrads 408 wird hier als die Mittelachse des Verdichters bezeichnet. Die Mittelrotationsachse des Verdichters 402 kann auch eine Mittelachse der Einlassleitung 406 und Mittelachse der VID 404 sein, wie vorstehend und weiter unten beschrieben.
Der Verdichter 402 kann drehbar an eine Welle gekoppelt sein, die mit einer Turbine (wie etwa 180 und 176 in 1) verbunden ist, die parallel zur Mittelrotationsachse angeordnet ist und Energie zum Laufrad 408 überträgt. Das Laufrad 408 kann hier auch als Verdichterrad bezeichnet werden. Durch die Rotation des Laufrads 408 wird Gas durch die Einlassleitung 406 des Gehäuses 414 in den Verdichter 402 gezogen. Gas strömt durch die VID 404 und zum Laufrad 408 und dann wird der Gasstrom durch das Laufrad 408 durch den Diffusor 410 in die Spirale 412 beschleunigt. Eine Verlangsamung tritt während des Stroms durch den Diffusor 410 in die Spirale 412 auf, was eine Erhöhung des Drucks verursacht. Unter Druckstehendes Gas kann von der Spirale 412 zum Ansaugkrümmer strömen.
Das Laufrad 408 beinhaltet eine Vielzahl von Schaufeln 418, eine Nabe 420 und weist die Mittelrotationsachse 403 auf, die parallel zur Strömungsrichtung durch die Einlassleitung 406 angeordnet ist. Die Gehäusestrukturierung 416 beinhaltet einen Rückführkanal (auch als eine Resonanzkammer bezeichnet) 424, eine Entlüftungsöffnung 422, eine Betätigungsöffnung 423 und eine Rückführöffnung 430. Die Betätigungsöffnung 423 ist in der Innenwand 425 der Einlassleitung 406 gebildet und koppelt den Rückführkanal fluidisch an die Einlassleitung 406 an einer Position direkt benachbart zu einer Vielzahl von Schaufeln 407 der VID 404. Konkret ist die Betätigungsöffnung 423 zwischen einem Einlassende (z. B. stromaufwärts) und einem Auslassende (z. B. stromabwärts) der VID 404 positioniert. Ferner ist die Betätigungsöffnung 423 zwischen der Entlüftungsöffnung 422 und der Rückführöffnung 430 im Rückführkanal 424 positioniert.
Der Rückführkanal 424 ist durch das Gehäuse (z. B. äußere Gehäuse) 414 des Verdichters 402 gebildet und umgibt die Einlassleitung 406. Somit kann der Rückführkanal 424 ein ringförmiger Kanal sein, der die Einlassleitung 406 umgibt und parallel zu dieser angeordnet ist. Der Rückführkanal 424 ist von der Einlassleitung 406 durch eine Innenwand 425 des Gehäuses 414 getrennt, wobei die Wand die Einlassleitung 406 bildet. Zusätzlich ist der Rückführkanal 424 über die Entlüftungsöffnung 422 und die Rückführöffnung 430 fluidisch mit der Einlassleitung 406 gekoppelt. Die Entlüftungsöffnung 422 ist in der Innenwand 425 stromabwärts einer Vorderkante des Laufrads 408 und stromaufwärts des Diffusors 410 gebildet. In einem Beispiel ist die Entlüftungsöffnung 422 ein Schlitz, der sich in der und durch die Innenwand 425 befindet. Ein Einlass zur Entlüftungsöffnung 422 kann direkt benachbart zu den Laufradschaufeln 418 angeordnet sein. Die Entlüftungsöffnung 422 ist ein Zugang zum Rückführkanal 424. Der Rückführkanal 424 grenzt an die Rückführöffnung 430 an, die in der Wand 425 stromaufwärts eines Einlassendes der VID 404 gebildet ist. Die Rückführöffnung 430 ist dazu konfiguriert, zu ermöglichen, dass Gas zwischen der Einlassleitung 406 und dem Rückführkanal 424 strömen kann. Die Entlüftungsöffnung 422, die Betätigungsöffnung 423, der Rückführkanal 424 und die Rückführöffnung 430 verringern den Druckaufbau stromabwärts des Laufrads 408. Dies kann Pumpbedingungen durch Zirkulieren von Luft zurück zum Verdichtereinlass 406 reduzieren und vergrößert die Pumpgrenze des Verdichters 402.
Wie in den 4A-4B gezeigt, ist die VID 404 in der Einlassleitung 406 stromaufwärts der Vorderkante des Laufrads 408 und stromabwärts der Stelle, an der die Rückführöffnung 430 an die Einlassleitung 406 gekoppelt ist, angeordnet. Die VID 404 beinhaltet die Vielzahl von Schaufeln 407, die in einer Ringkonfiguration um die Mittelachse 403 benachbart zueinander angeordnet sind. Die Konfiguration der VID 404 ist vorstehend detailliert unter Bezugnahme auf 3A-3D beschrieben. Wie in 4A-4B gezeigt, umspannt die VID 404 eine Gesamtheit der Einlassleitung 406. Insbesondere sind die Enden der Schaufeln 407 der VID 404 nahe der Innenwand 425 des Gehäuses 414 positioniert. Zusätzlich ist eine Gesamtheit der VID 404 stromaufwärts einer Gesamtheit des Laufrads 408 positioniert, beinhaltend eine Vorderkante der Laufradschaufeln 418.
4A zeigt eine erste schematische Darstellung 400 des Verdichters 402 mit der VID 404 in einer geschlossenen Position (wie etwa der geschlossenen Position der VID 300, die in den 3B und 3D gezeigt ist) mit Auslassschaufelenden 426 der Schaufeln 407, die am weitesten stromabwärts in der Einlassleitung 406 relativ zu den Einlassschaufelenden 428 der Schaufeln 407 angeordnet sind, nach innen zur Mittelachse 403 geschwenkt sind, und wobei die Einlassschaufelenden 428 nahe den Innenwänden 425 der Einlassleitung 406 angeordnet sind. In einem Beispiel kann die Betätigungsöffnung 423 ermöglichen, dass die rückgeführten Gase durch den Rückführkanal 424 in ähnlicher Weise wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2C beschrieben auf die VID 404 wirken. Bei Bedingungen, bei denen der Druck an den Laufradschaufeln 418 und im Rückführkanal 424 höher als in der Einlassleitung 406 stromaufwärts der VID 404 ist, wird der Rückführstrom in einer entgegengesetzten Richtung vom Gasstrom 405 durch den Rückführkanal 424 erhöht, wie durch den Pfeil 431 angegeben. Der Gasstrom folgt außerdem dem Pfad, der durch den Pfeil 429 angegeben ist, wodurch ein größerer Druck auf den Außenflächen (z. B. den Flächen, die zur Innenwand 425 gerichtet sind) der Schaufeln 407 der VID 404 als der Druck, der an den Innenflächen der Schaufeln 407 aufgrund des Gasstroms 405 zu beobachten ist, angewandt wird. Somit werden die Auslassschaufelenden 426 der VID 404 nach innen zur Mittelrotationsachse 403 geschwenkt und die VID 404 wird zu einer geschlossenen Position betätigt.
Wie in 4A gezeigt, können die Einlassschaufelenden 428 die Innenwände 425 berühren oder kontaktieren, wenn sich die VID 404 in der geschlossenen Position befindet. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 3B und 3D erläutert, bilden die Auslassschaufelenden 426 einen Ring mit einem kleineren Durchmesser als die Einlassschaufelenden 428. Die überlagernde Anordnung der Auslassschaufelenden 426 erzeugt eine glatte Innenfläche, die den Strom durch den Verdichtereinlass 406 begrenzt, wodurch die Verdichtereffizienz unter geringen Verbrennungsmotorlasten verbessert wird. Die inneren Nuten, die durch die überlagernden Schaufelkanten 426 gebildet werden, erzeugen einen Vordrall im Strom stromaufwärts des Laufrads 408, wobei der Strom in der gleichen Richtung wie die Rotation der Laufradschaufeln 418 rotiert wird.
4B zeigt eine zweite schematische Darstellung 401 mit der VID 404 in einer offenen Position (wie etwa der offenen Position der VID 300, die in den 3A und 3C gezeigt ist). In einem Beispiel ist der Druck an den Laufradschaufeln 418 und stromaufwärts des Rückführkanals 424 gleich oder geringer als der Druck in der Einlassleitung 406 stromaufwärts der VID 404, und der Druck des Gasstroms durch den Rückführkanal, wie durch den Pfeil 431 angegeben, kann gleich oder geringer als der Gasstrom 405 sein. Infolgedessen ist an den Schaufeln 407 der VID 404 ein gleicher oder geringerer Druck an den Außenflächen als an den Innenflächen zu beobachten und die VID 404 wird zur offenen Position betätigt.
In der offenen Position sind die Auslassschaufelenden 426 nach außen in Richtung der Innenwand 425 und weg von der Mittelachse 403 geschwenkt. In einem Beispiel können sowohl die Einlassschaufelenden 428 als auch die Auslassschaufelenden 426 die Innenwand 425 in der offenen Position kontaktieren. Wenn sich die VID 404 in der offenen Position befindet, ist der Durchmesser des Rings, der durch die Auslassschaufelenden 426 gebildet wird, gleich dem Durchmesser des Rings, der durch die Einlassschaufelenden 428 gebildet wird. Dies minimiert die Einschränkung des Gasstroms durch die VID 404 und zum Laufrad 408 und kann die befohlene Konfiguration der VID 404 unter mittleren bis hohen Verbrennungsmotorlasten sein, wie weiter unten beschrieben.
Die 5A-5B zeigen eine Ausschnittsansicht einer vierten Ausführungsform eines Verdichters 502 eines Turboladers, beinhaltend eine aktive Gehäusestrukturierung (active casing treatment - ACT) und eine VID 540 (wie etwa die in den 3A-3D gezeigte VID 300), die in einer Einlassleitung (z. B. Ansaugkanal) des Verdichters 502 positioniert ist. In einer Ausführungsform kann der Verdichter 502 der Verdichter 174 aus 1 sein. Eine Turbine, wie etwa die in 1 gezeigte Turbine 176, kann über eine Welle 504 drehbar an den Verdichter 502 gekoppelt sein. Konkret wandelt die Turbine die Energie des Abgases in Rotationsenergie zum Rotieren der Antriebswelle 504, die mit dem Laufrad 506 verbunden ist, um. Das Laufrad 506 kann hier auch als Verdichterrad bezeichnet werden. Der Verdichter 502 beinhaltet das Laufrad 506, den Diffusor 508, die Spirale (z. B. Verdichterkammer) 510, die aktive Gehäusestrukturierung 512 und das Gehäuse 514. Die Rotation des Laufrads 506 zieht Gas durch den Verdichtereinlass 516 des Gehäuses 514 in den Verdichter 502. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Gas Luft von einem Ansaugkanal, Abgas (wie etwa bei der Verwendung einer AGR mit langen Schleife), gasförmigen Kraftstoff (wie etwa bei der Verwendung von Saugrohreinspritzung von Kraftstoff) und Kombinationen davon beinhalten. Gas strömt aus dem Verdichtereinlass 516 und wird durch das Laufrad 506 durch den Diffusor 508 in die Spirale 510 beschleunigt. Der Diffusor 508 und die Spirale 510 verlangsamen das Gas, was zu einer Erhöhung des Drucks in der Spirale 510 führt. Unter Druckstehendes Gas kann von der Spirale 510 zum Ansaugkrümmer strömen.
Elemente in dem Verdichter 502 können bezogen auf die Richtung des Gasströmungsweges durch den Verdichter 502 beschrieben werden. Ein Element, das sich im Wesentlichen in der Richtung des Gasstroms bezogen auf einen Bezugspunkt befindet, ist stromabwärts von dem Bezugspunkt. Ein Element, das sich im Wesentlichen der Richtung des Gasstroms entgegengesetzt bezogen auf einen Bezugspunkt befindet, ist stromaufwärts von dem Bezugspunkt. Beispielsweise befindet sich der Verdichtereinlass 516 stromaufwärts von dem Laufrad 506, das sich stromaufwärts von dem Diffusor 508 befindet. Der Diffusor 508 befindet sich stromabwärts von dem Laufrad 506, das sich stromabwärts von dem Verdichtereinlass 516 befindet.
Das Laufrad 506 beinhaltet die Nabe 518 und eine Vielzahl von Schaufeln, einschließlich des Vollblatts 520 und des Teilers 522. Das Vollblatt 520 und der Teiler 522 sind an der Nabe 518 angebracht. Bei der Kante des Vollblattes 520, die sich in dem Verdichter 502 am meisten stromaufwärts befindet, handelt es sich um die Vorderkante des Vollblattes 520. Gleichermaßen beinhaltet der Teiler 522 eine Vorderkante an dem am meisten stromaufwärtigen Abschnitt des Teilers 522. Die Vorderkante des Vollblattes 520 befindet sich stromaufwärts der Teilers 522. Das Laufrad 506 beinhaltet eine Rotationsachse 524, die mit der Rotationsachse für die Antriebswelle 504 und eine Turbinennabe der Turbine ausgerichtet ist. Die Rotationsachse 524 ist im Wesentlichen parallel zu dem Gasstrom an dem Verdichtereinlass 516 und im Wesentlichen senkrecht zu dem Gasstrom an dem Diffusor 508. Die Rotationsachse 524 kann hierin auch als eine Mittelachse des Verdichters 502 bezeichnet werden.
Das Gehäuse 514 beinhaltet den Verdichtereinlass 516, den Ansaugkanal (hier auch als eine Einlassleitung bezeichnet) 526, den Rückführkanal 528, die Rückführöffnung 530, die Betätigungsöffnung 525, die Entlüftungsöffnung 532 und die Einspritzöffnung 534. Das Laufrad 506 ist in dem Ansaugkanal 526 enthalten. Der Entlüftungsanschluss 532 befindet sich stromabwärts der Vorderkante des Vollblattes 520 und stromaufwärts der Vorderkante des Teilers 522. Die Einspritzöffnung 534 befindet sich stromabwärts der Vorderkante des Teilers 522. Die Betätigungsöffnung 525 befindet sich direkt benachbart zur VID 540 stromaufwärts des aktiven Gehäuses 512, der Entlüftungsöffnung 532 und der Einspritzöffnung 534 und stromabwärts des Rückführkanals 530. Die Rückführöffnung 530 befindet sich stromabwärts des Verdichtereinlasses 516 und stromaufwärts des Laufrads 506. Die Rückführöffnung 530 ist dazu konfiguriert, zu ermöglichen, dass Gas zwischen dem Ansaugkanal 526 und dem Rückführkanal 528 strömen kann.
Die Betätigungsöffnung 525 ist angepasst, um die VID 540 in Abhängigkeit von Druckdifferenzen, die zwischen der Außenfläche (z. B. der Fläche, die zur Ansaugkanalwand 507 gerichtet ist) eines Auslassendes 503 der Schaufeln der VID 540 und der Innenfläche des Auslassendes 503 der Schaufeln der VID 540 zu beobachten sind, passiv zwischen einer offenen und geschlossenen Bedingung zu betätigen. Während Bedingungen, bei denen der Druck am stromabwärts befindlichen Auslassende des Verdichters 502 (nahe dem Laufrad 506, der Entlüftungsöffnung 532 und/oder der Einspritzöffnung 534) höher als stromaufwärts in der Einlassleitung 516 (z. B. stromaufwärts der VID 540) ist, wird die Gasstromrückführung durch den Rückführkanal 528 in einer Richtung entgegengesetzt zum Strom durch den Ansaugkanal 526 erhöht. Gas kann von dem Rückführkanal 528 und durch die Betätigungsöffnung 525 über den durch den Pfeil 542 dargestellten Weg strömen und höheren Druck auf den Außenflächen des Auslassendes 503 der VID 540 erzeugen als der Druck, der an den Innenflächen des Auslassendes 503 aufgrund des Gasstroms durch 526 zu beobachten ist. Infolgedessen kann die Position des Auslassendes 503 der VID 540 zur geschlossenen Position angepasst werden, wie in 5A gezeigt. Wenn der Druck, der an den Außenflächen des Auslassendes 503 der VID 540 zu beobachten ist, geringer als oder gleich dem ist, der auf die Innenflächen ausgeübt wird, wird die VID 540 zur offenen Position betätigt, wie in 5B gezeigt, wodurch die Begrenzung des Gasstroms durch den Ansaugkanal 526 minimiert wird.
Die aktive Gehäusestrukturierung 512 ist dazu konfiguriert, den Gasstrom durch den Verdichter 502 zu steuern. Konkret kann die aktive Gehäusestrukturierung 512, die von einer Steuerung (z. B. der Steuerung 12, die in 1 gezeigt ist) gesteuert wird, den Gasstrom durch die Entlüftungsöffnung 532 und die Einspritzöffnung 534 selektiv steuern. Während Strömungsbedingungen mit geringer Masse kann die aktive Gehäusestrukturierung 512 den Gasstrom aus dem Ansaugkanal 526 durch die Entlüftungsöffnung 532 in den Rückführkanal 528 ermöglichen. Das Gas strömt ferner weiter aus dem Rückführkanal 528 durch die Rückführöffnung 530 und in den Ansaugkanal 526. Somit kann der Gasstrom, der auf die Vorderkante des Vollblattes 520 auftrifft, größer als ohne die Entlüftungsöffnung 532 sein. Der zusätzliche Gasstrom kann ermöglichen, dass der Turboladerverdichter mit weniger Gasstrom durch den Verdichter arbeitet, bevor ein Pumpen auftritt.
Während Strömungsbedingungen mit hoher Masse kann die aktive Gehäusestrukturierung 512 den Gasstrom durch die Einspritzöffnung 534 ermöglichen. Während Strömungsbedingungen mit hoher Masse kann eine Niederdruckzone im Ansaugkanal 526 stromabwärts der Vorderkante des Teilers 522 benachbart zur Einspritzöffnung 534 vorhanden sein. Die Niederdruckzone kann Gas dazu veranlassen, aus dem Ansaugkanal 526 durch die Rückführöffnung 530 in den Rückführkanal 528 und durch die Einspritzöffnung 534 zurück zum Ansaugkanal 526 zu strömen. Der Kurzschlussweg durch den Rückführkanal 526 kann ermöglichen, dass der Gasstrom durch den Verdichter bei Bedingungen mit hoher Masse verglichen mit einem Verdichter ohne Einspritzöffnung 534 erhöht wird. Auf diese Weise kann der Kurzschlussgasstrom ermöglichen, dass mehr Gas strömt, bevor sich der Turbolader in der Drosselbetriebsbedingung befindet.
Der Ansaugkanal 526 kann im Wesentlichen zylindrisch sein. Der Rückführkanal 528 kann im Wesentlichen kreisförmig sein, da er sich außerhalb des Ansaugkanals 526 befindet. Die Öffnungen, die den Ansaugkanal 526 und den Rückführkanal 528 verbinden, wie etwa die Rückführöffnung 530, die Einspritzöffnung 534 und die Entlüftungsöffnung 532, können jeweils mit verschiedenen Mitteln umgesetzt sein. Zum Beispiel können die Öffnungen als ein oder mehrere Löcher ausgebildet sein, die in einer Wand 525 des Ansaugkanals 526 gebildet sind (z. B. einer Wand, die diesen bildet). In einem Beispiel kann die Wand 525 Teil des Gehäuses 514 sein. Als ein anderes Beispiel können die Öffnungen als ein oder mehrere Schlitze ausgebildet sein, die sich um den Umfang des Ansaugkanals und durch eine Wand des Gehäuses erstrecken, der den Ansaugkanal bildet. Die Öffnungen können eine einheitliche oder nicht einheitliche Breite entlang der Länge der Öffnung von dem Ansaugkanal 526 zu dem Rückführkanal 528 aufweisen. Jede Öffnung kann eine Mittellinie aufweisen, die sich entlang der Länge der Öffnung von dem Ansaugkanal 526 zu dem Rückführkanal 528 erstreckt. Die Mittellinie kann normal zu der Rotationsachse 524 des Laufrads 506 sein oder die Mittellinie kann eine Neigung ungleich null verglichen mit der Normalen zu der Rotationsachse des Laufrads 506 aufweisen.
Die aktive Gehäusestrukturierung 512 kann auf viele Arten umgesetzt sein. Zum Beispiel kann eine verschiebbare Gehäusehülse im Rückführkanal eingepasst sein, um den Gasstrom durch die Einspritzöffnung 534 und/oder Entlüftungsöffnung 532 selektiv zu blockieren. Die Gehäusehülse kann ein oder mehrere Löcher und/oder einen oder mehrere Schlitze 536 beinhalten, wie in den 5A-5B gezeigt, die sich an der Einspritzöffnung 534 und/oder Entlüftungsöffnung 532 in Abhängigkeit von der Position der Gehäusehülse ausrichten. Wenn beispielsweise eine Steuerung, wie etwa die Steuerung 12, Strömungsbedingungen mit geringer Masse detektiert, kann die Gehäusehülse derart angepasst werden, dass sich die Schlitze 536 in der Gehäusehülse an der Entlüftungsöffnung 532 ausrichten und die Schlitze 536 der Gehäusehülse sich nicht an der Einspritzöffnung 534 ausrichten. Auf diese Weise kann die Gehäusehülse derart angepasst werden, dass die Entlüftungsöffnung 532 offen ist und die Einspritzöffnung 534 während Strömungsbedingungen mit geringer Masse blockiert wird.
Als ein anderes Beispiel, wenn eine Steuerung Strömungsbedingungen mit hoher Masse detektiert, kann die Gehäusehülse derart angepasst werden, dass sich die Schlitze 536 in der Gehäusehülse an der Einspritzöffnung 534 ausrichten, die Schlitze 536 in der Gehäusehülse sich jedoch nicht an der Entlüftungsöffnung 532 ausrichten. Auf diese Weise kann die Gehäusehülse derart angepasst werden, dass die Einspritzöffnung 534 offen ist und die Entlüftungsöffnung 532 während Strömungsbedingungen mit hoher Masse blockiert ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die aktive Gehäusestrukturierung 512 auf Grundlage einer Druckdifferenz am Verdichtereinlass 516 und am Ansaugkrümmer angepasst werden. In noch einer anderen alternativen Ausführungsform kann die aktive Gehäusestrukturierung 512 auf Grundlage einer Druckdifferenz am Ansaugkrümmer und Turbineneinlass angepasst werden. In noch einer anderen alternativen Ausführungsform kann die aktive Gehäusestrukturierung 512 auf Grundlage von Verbrennungsmotorlast- und Verbrennungsmotordrehzahlbedingungen des Verbrennungsmotors (z. B. einer aktuellen Betriebsdrehzahl und -last des Verbrennungsmotors) in Bezug auf Pump- und Drosselschwellenwerte angepasst werden. Es versteht sich, dass diese konkreten Ausführungsformen als Beispiel dargestellt sind und nicht der Einschränkung auf jegliche Weise dienen.
Wie in den 5A-5B gezeigt, ist eine variable Einlassvorrichtung (VID) 540 innerhalb des Ansaugkanals 526 stromaufwärts des Laufrads 506 positioniert. Die VID 540 kann die in den 3A-3D gezeigte VID 300 sein, wie vorstehend beschrieben. 5A zeigt eine erste schematische Darstellung 500 mit der VID, die zu einer geschlossenen Position angepasst (z. B. betätigt) ist, wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 3A und 3C beschrieben, während 5B eine zweite schematische Darstellung 550 mit der VID zeigt, die zu einer offenen Position angepasst (z. B. betätigt) ist, wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 3B und 3D beschrieben.
Konkret ist das Auslassende 503 der VID 540 stromaufwärts der Entlüftungsöffnung 532 angeordnet und das Einlassende 505 ist stromabwärts der Rückführöffnung 530 angeordnet. Die VID 540 überspannt eine Gesamtheit des Ansaugkanals 526 und ist benachbart zu den Wänden 507 des Ansaugkanals 526 angeordnet. Unter Bedingungen mit geringerer Last kann die VID 540 durch Strom durch die Betätigungsöffnung passiv zur geschlossenen Position betätigt werden, wie in 5A gezeigt, und das aktive Gehäuse 512 kann zu einer Position angepasst werden, die der Entlüftungsöffnung 532 ermöglicht, offen zu sein. Die inneren Spiralnuten, die durch die überlagernde Anordnung der Schaufeln der VID 540 am Auslassende erzeugt werden, erzeugen eine Vordrallströmung in der Luft, die durch die VID 540 gelangt, bevor sie das stromabwärts befindliche Laufrad 506 kontaktieren. Die Kombination aus dem Rückführen von Luftstrom aus dem Ansaugkanal 526 stromabwärts der VID 540 durch die Entlüftungsöffnung 532 in den Rückführkanal 528 und zurück in den Ansaugkanal 526 über die Rückführöffnung 530 mit der Vordrallströmung, der durch die geschlossene VID 540 erzeugt wurde, kann die Verdichterpumpgrenze erhöhen.
Bei mittleren Verbrennungsmotorlasten wird die VID 540 durch das vorstehend beschriebene Betätigungsverfahren zur offenen Position betätigt, wie in 5A gezeigt, und das aktive Gehäuse 512 wird derart angepasst, dass die Entlüftungsöffnung 532 und die Einspritzöffnung 534 geschlossen werden. Die Strömungsbegrenzung wird durch die VID 540 minimiert und die Zirkulation durch die Entlüftungsöffnung 532 und die Einspritzöffnung 534 wird gehemmt. Bei einem Strom mit höherer Masse und Bedingungen mit höherer Verbrennungsmotorlast bleibt die VID 540 offen und das aktive Gehäuse 512 wird angepasst, um zu ermöglichen, dass die Einspritzöffnung 534 zum Ansaugkanal 526 offen ist. Der Strom von Luft durch die Rückführöffnung 530 wird ermöglicht, wobei er in den Rückführkanal fortgesetzt wird und durch die Einspritzöffnung 534 in den Ansaugkanal 526 gelangt. Dieser Kurzschlussstrom verbessert die Drosselgrenze bei hohen Verbrennungsmotorlasten.
In alternativen Ausführungsformen der 4A-4B und 5A-5B kann die VID über einen Aktor in elektronischer Kommunikation mit einer Steuerung aktiv gesteuert werden (wie in den 2A-2B gezeigt). In diesen Ausführungsformen beinhaltet der Rückführkanal den vorstehend beschriebenen Betätigungskanal womöglich nicht.
2A-5B zeigen beispielhafte Konfigurationen mit einer relativen Positionierung der verschiedenen Komponenten. Wenn derartige Elemente so gezeigt sind, dass sie einander direkt berühren oder direkt miteinander gekoppelt sind, dann können sie zumindest in einem Beispiel als sich direkt berührend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Gleichermaßen können Elemente, die aneinander angrenzend oder benachbart gezeigt sind, zumindest in einem Beispiel aneinander angrenzend bzw. benachbart sein. Als ein Beispiel können Komponenten, die in flächenteilendem Kontakt zueinander liegen, als in flächenteilendem Kontakt bezeichnet werden. Als ein anderes Beispiel können Elemente, die voneinander getrennt positioniert sind, wobei sich nur ein Raum und keine anderen Komponenten dazwischen befinden, in mindestens einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als noch ein anderes Beispiel können Elemente, die über-/untereinander, an gegenüberliegenden Seiten voneinander oder links/rechts voneinander gezeigt sind, relativ zueinander als solche bezeichnet werden. Außerdem kann, wie in den Figuren gezeigt, in mindestens einem Beispiel ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements als eine „Oberseite“ der Komponente bezeichnet werden und ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements kann als eine „Unterseite“ der Komponente bezeichnet werden. Im vorliegenden Zusammenhang können sich Oberseite/Unterseite, obere(r/s)/untere(r/s), über/unter auf eine vertikale Achse der Figuren beziehen und dazu verwendet werden, die Positionen 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 anderes Beispiel können Formen der Elemente, die in den Figuren abgebildet sind, als diese Formen (z. B. kreisförmig, gerade, eben, gekrümmt, abgerundet, abgeschrägt, abgewinkelt oder dergleichen) aufweisend bezeichnet werden. Außerdem können Elemente, die so gezeigt sind, dass sie einander schneiden, in mindestens einem Beispiel als sich schneidende Elemente oder einander schneidend bezeichnet werden. Darüber hinaus kann ein Element, das innerhalb eines anderen Elements oder außerhalb eines anderen Elements gezeigt ist, in einem Beispiel als solches bezeichnet werden.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Steuern des Betriebs (z. B. Steuern einer Position) einer variablen Einlassvorrichtung, in einer Einlassleitung eines Verdichters positioniert ist, gezeigt. Insbesondere kann die variable Einlassvorrichtung (VID) die in 3A-3D gezeigte VID 300 sein. Die VID kann in einer Einlassleitung eines Verdichters stromaufwärts eines Laufrads positioniert sein, wie etwa die in den 2A-2C gezeigte VID 204. In einigen Ausführungsformen kann die VID in der Einlassleitung eines Verdichters stromaufwärts des Laufrads positioniert sein, wobei der Verdichter zusätzlich eine Gehäusestrukturierung beinhaltet, die einen Rückführkanal beinhaltet, wie etwa die in den 4A-4B gezeigte VID 404. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 600 und der übrigen in dieser Schrift enthaltenen Verfahren können durch eine Steuerung (wie zum Beispiel der in 1 gezeigten Steuerung 12) auf der Grundlage von auf einem Speicher der Steuerung gespeicherten Anweisungen und in Verbindung mit von Sensoren des Verbrennungsmotorsystems empfangenen Signalen ausgeführt werden, wie zum Beispiel den vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Sensoren. Die Steuerung kann Verbrennungsmotoraktoren des Verbrennungsmotorsystems einsetzen, um den Verbrennungsmotorbetrieb gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren anzupassen. Zum Beispiel kann die Steuerung einen Aktor der VID einsetzen, um die VID zwischen einer offenen Position (wie in 2A, 3A, 3C und 4B gezeigt) und einer geschlossenen Position (wie in 2B, 3B, 3D und 4A gezeigt) anzupassen. Ein Beispiel für einen derartigen Aktor, der an die VID gekoppelt ist, ist in 2A-2B gezeigt, wie vorstehend beschrieben. In alternativen Ausführungsformen kann die VID über eine Druckdifferenz zwischen der Außen- und Innenfläche der Auslassenden der Schaufeln der VID passiv betätigt werden, wie in den 2C und 4A-4B gezeigt. In diesen Ausführungsformen kann das Verfahren 600 nicht von einer Steuerung ausgeführt werden, jedoch passiv über die verschiedenen Wege und Betätigungskanäle, die vorstehend beschrieben sind, gemäß den sich verändernden Druckdifferenzen, die an bestimmten Schwellenwerten, wie etwa einem Pumpschwellenwert, auftreten. Somit kann das Öffnen und Schließen der VID in dem nachfolgend beschriebenen Verfahren auf Grundlage der sich verändernden Druckdifferenzen über und unter dem Pumpschwellenwert passiv erfolgen.
Bei 602 beinhaltet das Verfahren das Schätzen und/oder Messen von Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen. Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen können Verbrennungsmotordrehzahl, Verbrennungsmotorlast, Verbrennungsmotortemperaturen (wie etwa Verbrennungsmotorkühlmitteltemperatur), Luftmassenstrom zum Verbrennungsmotor, Ansaugkrümmerdruck, eine Druckdifferenz an einem Verdichter, eine Luftmassenstromrate durch den Verdichter, eine Position der VID usw. beinhalten. Bei 604 beinhaltet das Verfahren Bestimmen, ob die aktuelle Verbrennungsmotorbedingung unter einem Pumpschwellenwert ist. Der Verbrennungsmotorbetrieb unter einem Pumpschwellenwert kann eine aktuelle (z. B. aktuell bestimmte) Verbrennungsmotorlast und Verbrennungsmotordrehzahl unter einer Pumplinie oder einen Pumpschwellenwert beinhalten. Zum Beispiel kann eine Abbildung der Verbrennungsmotorlast im Vergleich zur Verbrennungsmotordrehzahl, wie etwa die in 7 gezeigte , in einem Speicher der Steuerung gespeichert werden. Mit Blick auf 7 beinhaltet die eine Betriebsbegrenzungslinie 702. Alle möglichen Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastbetriebspunkte des Verbrennungsmotors können in den Achsen und der Betriebsbegrenzungslinie 702 enthalten sein. Die beinhaltet außerdem eine Pumpschwellenwertlinie 704. Wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der unter oder links der Pumpschwellenwertlinie 704 liegt, kann die Wahrscheinlichkeit von Verdichterpumpen relativ dazu erhöht werden, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der über oder rechts der Pumpschwellenwertlinie 704 liegt. Die beinhaltet zwei Bereich: einen ersten Bereich 706, der unter oder links der Pumpschwellenwertlinie 704 ist, und einen zweiten Bereich 708, der über oder rechts der Pumpschwellenwertlinie 704 ist. Wie weiter unten erläutert, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der innerhalb des ersten Bereichs 706 liegt, kann der Verbrennungsmotor unter einer Bedingung mit geringerer Last arbeiten und die Steuerung kann die VID zur geschlossenen Position betätigen. Im Gegensatz dazu, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der innerhalb des zweiten Bereichs 708 liegt, kann der Verbrennungsmotor unter einer Bedingung mit höherer Last arbeiten und die Steuerung kann die VID zur offenen Position betätigen. In alternativen Ausführungsformen kann die Steuerung anstelle einer Abbildung der Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast eine Abbildung von Verdichterbedingungen verwenden, wie etwa Druckdifferenz am Verdichter und Luftmassenstrom durch den Verdichter relativ zu einer Pumplinie, um zu bestimmen, zu welcher Position die VID anzupassen ist.
Wieder bei 6 kann die Steuerung bei 604 unter Verwendung einer gespeicherten Abbildung oder Lookup-Tabelle, die ähnlich wie die in 7 gezeigte ist, bestimmen, ob der Verbrennungsmotor unter dem Pumpschwellenwert arbeitet. Zum Beispiel kann die Steuerung die aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast bestimmen und dann nachsehen, ob dieser Betriebspunkt über oder unter dem Pumpschwellenwert ist. In einem Beispiel kann der Pumpschwellenwert ein voreingestellter Pumpschwellenwert sein, der in der Abbildung oder Lookup-Tabelle gespeichert ist. Wenn der Verbrennungsmotor nicht unter dem Pumpschwellenwert arbeitet (z. B. ist der aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastbetriebspunkt im zweiten Bereich 708, wie in der gezeigt), geht das Verfahren zu 606 über, um die VID zu öffnen. Das Öffnen der VID kann beinhalten, dass die Steuerung ein elektronisches Signal an einen Aktor der VID (wie etwa den in den 2A-2B gezeigten Aktor 209) sendet, um entweder die VID von der geschlossenen Position zur offenen Position anzupassen oder die VID in der offenen Position zu halten. Die offene Position der VID ist in 2A, 3A, 3C und 4B gezeigt, wie vorstehend beschrieben. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf diese Figuren erläutert, begrenzt eine Innenfläche der VID in der offenen Position den Strom durch die VID von einem Einlassende zu einem Auslassende der VID nicht ein. Das Anpassen der VID von der geschlossenen Position zur offenen Position kann Schwenken einer Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln der VID über den Aktor, der an Drehachsen der Schaufeln gekoppelt ist, in einer Richtung relativ zu einer Mittelachse des Verdichters (um die das Laufrad rotiert) beinhalten, um ein Überlagerung der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln am Auslassende der VID zu verringern und einen Durchmesser des Auslassendes der VID zu erhöhen.
In einer alternativen Ausführungsform, wenn die VID über Druckdifferenz an der VID durch einen Weg oder eine Betätigungsöffnung in einer Wand der Einlassleitung passiv betätigt wird (anstatt über die Steuerung aktiv betätigt wird), kann das Verfahren Strömen von Gas durch eine Rückführkammer oder einen Kanal (wie in den 4A-4B) in die entgegengesetzte Richtung des Stroms durch den Ansaugkanal beinhalten, wodurch Gas zum Ansaugkanal rückgeführt wird. Dies kann während Bedingungen auftreten, bei denen der Verbrennungsmotor unter dem Pumpschwellenwert betrieben wird, z. B. bei 608 in 6, und führt zu einem höheren Druck am Auslassende des Verdichters (wie als stromabwärts der Vorderkante des Verdichterlaufrads definiert) im Vergleich zum Einlassendes Verdichters (wie als stromaufwärts des Laufrads und der VID definiert). Die Druckdifferenz am Verdichter führt zu einem Rückwärtsstrom durch die Rückführkammer oder den Kanal, der einen Gasstrom durch einen Weg oder eine Betätigungsöffnung direkt benachbart zur VID und in dem Rückführkanal stromabwärts des Laufrads und stromaufwärts der Rückführöffnung angeordnet erzeugt, wie in den 4A-4B gezeigt. Der Gasstrom durch den Weg oder die Betätigungsöffnung legt einen Druck auf den Außenflächen (die z. B. zu den Wänden des Ansaugkanals gerichtet sind) der Schaufeln der VID an, der größer als der Druck ist, der an den Innenflächen der Schaufeln zu beobachten ist, was durch einen Gasstrom durch den Ansaugkanal erfolgt. Die Druckdifferenz an den Schaufeln der VID betätigt die VID zur geschlossenen Position, wodurch angewiesen wird, dass 604 zu 608 in 6 übergeht.
Während Bedingungen, bei denen der Verbrennungsmotor über dem Pumpschwellenwert arbeitet und der Druck am Auslassende geringer als oder gleich dem Druck am Einlassende des Verdichters ist, kann das Verfahren Gasstrom durch den Ansaugkanal beinhalten, der gleich oder größer als der Gasstrom durch die Rückführkammer und den Weg oder die Betätigungsöffnung ist, was dazu führt, dass der Druck, der an den Innenflächen der Schaufeln der VID zu beobachten ist, größer als oder gleich dem Druck ist, der auf die Außenflächen der Schaufeln angelegt wird, wodurch die VID zur offenen Position betätigt oder dort gehalten wird. Somit wird 604 mit 606 in 6 fortgesetzt.
Alternativ geht das Verfahren bei 604 zu 608 über, um die VID zu schließen, wenn der Verbrennungsmotor unter dem Pumpschwellenwert arbeitet (z. B. der aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt im ersten Bereich 706 ist, der in der gezeigt ist). Das Schließen der VID kann beinhalten, dass die Steuerung ein elektronisches Signal an den Aktor der VID sendet, um entweder die VID von der offenen Position zur geschlossenen Position anzupassen oder die VID in der geschlossenen Position zu halten. Die geschlossene Position der VID ist in 2B, 3B, 3D und 4A gezeigt, wie vorstehend beschrieben. Wie vorstehend in Bezug auf diese Figuren erläutert, verengt sich die Innenfläche der VID in der geschlossenen Position entlang einer Länge der VID und erzeugt Drallstrom am Auslassende der VID. Das Anpassen der VID von der offenen Position zur geschlossenen Position kann Schwenken von jeder Schaufel der VID über den Aktor beinhalten, der an die Drehachsen der Schaufeln gekoppelt ist, sodass das Auslassende jeder Schaufel zur Mittelachse des Verdichters schwenkt und das Einlassende jeder Schaufel weg von der Mittelachse des Verdichters schwenkt.
Unter Bezugnahme auf 8 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Koordinieren der Steuerung einer Position einer variablen Einlassvorrichtung, die in einer Einlassleitung eines Verdichters positioniert ist, und der Steuerung einer aktiven Gehäusestrukturierung des Verdichters gezeigt. Insbesondere kann die variable Einlassvorrichtung (VID) die in 3A-3D gezeigte VID 300 sein. Die VID kann in einer Einlassleitung eines Verdichters, der eine aktive Gehäusestrukturierung aufweist, stromaufwärts eines Laufrads positioniert sein, wie etwa die in den 5A-5B gezeigte VID 540. Die Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 800 können durch eine Steuerung (z. B. die in 1 gezeigte Steuerung 12 oder die in den 2A-2B gezeigte Steuerung 211) ausgeführt werden, und zwar auf Grundlage von Anweisungen, die in einem Speicher der Steuerung gespeichert sind, und in Verbindung mit Signalen, die von Sensoren des Verbrennungsmotorsystems erhalten werden, wie etwa den vorstehend in Bezug auf 1 beschriebenen Sensoren. Die Steuerung kann Verbrennungsmotoraktoren des Verbrennungsmotorsystems einsetzen, um den Verbrennungsmotorbetrieb gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren anzupassen. Zum Beispiel kann die Steuerung einen Aktor der VID einsetzen, um die VID zwischen einer offenen Position (wie in 3A, 3C und 5B gezeigt) und einer geschlossenen Position (wie in 3B, 3D und 5A gezeigt) anzupassen. Ein Beispiel für einen derartigen Aktor, der an die VID gekoppelt ist, ist in 2A-2B gezeigt, wie vorstehend beschrieben. In alternativen Ausführungsformen kann die VID über eine Druckdifferenz zwischen der Außen- und Innenfläche der Auslassenden der Schaufeln der VID passiv betätigt werden, wie in den 5A-5B gezeigt. In diesen Ausführungsformen kann das Verfahren 800 nicht von einer Steuerung ausgeführt werden, jedoch passiv über die verschiedenen Wege und Betätigungskanäle, die vorstehend beschrieben sind, gemäß den sich verändernden Druckdifferenzen, die an bestimmten Schwellenwerten, wie etwa einem Pumpschwellenwert, auftreten. Somit kann das Öffnen und Schließen der VID in dem nachfolgend beschriebenen Verfahren auf Grundlage der sich verändernden Druckdifferenzen über und unter dem Pumpschwellenwert passiv erfolgen.
Bei 802 beinhaltet das Verfahren ein Schätzen und/oder Messen von Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen. Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen können Verbrennungsmotordrehzahl, Verbrennungsmotorlast, Verbrennungsmotortemperaturen (wie etwa Verbrennungsmotorkühlmitteltemperatur), Luftmassenstrom zum Verbrennungsmotor, Ansaugkrümmerdruck, eine Druckdifferenz an einem Verdichter, eine Luftmassenstromrate durch den Verdichter, eine Position der VID, die Position der aktiven Gehäusestrukturierung (z. B. die Position einer verschiebbaren Hülse entlang einer Innenwand des Gehäuses relativ zu Entlüftungs-, Pump- und Rückführschlitzen der Innenwand) usw. beinhalten.. Bei 804 beinhaltet das Verfahren Bestimmen, ob der aktuelle Verbrennungsmotorbetrieb unter einem Pumpschwellenwert ist. Der Verbrennungsmotorbetrieb unter einem Pumpschwellenwert kann eine aktuelle (z. B. aktuell bestimmte) Verbrennungsmotorlast und Verbrennungsmotordrehzahl unter einer Pumplinie oder einen Pumpschwellenwert beinhalten. Zum Beispiel kann eine Abbildung der Verbrennungsmotorlast im Vergleich zur Verbrennungsmotordrehzahl, wie etwa die in 9 gezeigte , in einem Speicher der Steuerung gespeichert werden. Mit Blick auf 9 beinhaltet die eine Betriebsbegrenzungslinie 902. Alle möglichen Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastbetriebspunkte des Verbrennungsmotors können in den Achsen und der Betriebsbegrenzungslinie 902 enthalten sein. Die beinhaltet außerdem eine Pumpschwellenwertlinie 904 und eine Drosselschwellenwertlinie 906. Wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der unter oder links der Pumpschwellenwertlinie 904 liegt, kann die Wahrscheinlichkeit von Verdichterpumpen relativ dazu erhöht werden, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der über oder rechts der Pumpschwellenwertlinie 904 liegt. Außerdem, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der über oder rechts der Drosselschwellenwertlinie 906 liegt, kann die Wahrscheinlichkeit von Verdichterdrosseln relativ dazu erhöht werden, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der unter oder links der Drosselschwellenwertlinie 906 liegt.
Die beinhaltet drei Bereiche: einen ersten Bereich 908, der unter oder links der Pumpschwellenwertlinie 904 liegt, einen zweiten Bereich 910, der über oder rechts der Pumpschwellenwertlinie 904 und unter oder links der Drosselschwellenwertlinie 906 liegt, und einen dritten Bereich 912, der über oder rechts der Drosselschwellenwertlinie 906 liegt. Wie weiter unten erläutert, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der innerhalb des ersten Bereichs 908 liegt, kann der Verbrennungsmotor unter einer Bedingung mit geringerer Last arbeiten und die Steuerung kann die VID zur geschlossenen Position betätigen, während sie außerdem die aktive Gehäusestrukturierung (ACT) zu einer Position zur Pumpsteuerung betätigt. In einem Beispiel kann das Betätigen der ACT zur Position zur Pumpsteuerung Anpassen einer verschiebbaren Hülse der ACT zu einer ersten Position beinhalten, wobei eine Vielzahl von Hülsenschlitzen der verschiebbaren Hülse an einer Entlüftungsöffnung (wie etwa der in den 5A-5B gezeigten Entlüftungsöffnung 532) ausgerichtet ist. In der ersten Position kann Gas zwischen dem Ansaugkanal des Verdichters und dem Rückführkanal der ACT über die Entlüftungsöffnung und die Rückführöffnung der ACT strömen. Wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der innerhalb des zweiten Bereichs 910 liegt, kann der Verbrennungsmotor unter einer Bedingung mit mittlerer Last arbeiten und die Steuerung kann die VID zur offenen Position betätigen und die ACT zu der Pumpöffnung und einer Einspritzöffnung (wie etwa der in den 5A-5B gezeigten Einspritzöffnung 534) schließen. In einem Beispiel kann das Anpassen, die ACT zur Pump- und Einspritzöffnung zu schließen, Anpassen der verschiebbaren Hülse der ACT zu einer zweiten Position beinhalten, bei der die Vielzahl von Hülsenschlitzen nicht an der Entlüftungsöffnung oder der Einspritzöffnung ausgerichtet ist. Infolgedessen strömt kein Gas zwischen dem Ansaugkanal und dem Rückführkanal entweder über die Entlüftungsöffnung und die Einspritzöffnung. Schließlich, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der innerhalb des dritten Bereichs 912 liegt, kann der Verbrennungsmotor unter einer Bedingung mit höherer Last arbeiten und die Steuerung kann die VID zur offenen Position und die ACT zu einer Position zur Drosselsteuerung betätigen. In einem Beispiel kann das Betätigen der ACT zur Position zur Drosselsteuerung Anpassen der verschiebbaren Hülse der ACT zu einer dritten Position beinhalten, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen an der Einspritzöffnung ausgerichtet ist. In der dritten Position strömt Gas zwischen dem Ansaugkanal und dem Rückführkanal über die Einspritzöffnung und die Rückführöffnung. In alternativen Ausführungsformen kann die Steuerung anstelle einer Abbildung der Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast eine Abbildung von Verdichterbedingungen verwenden, wie etwa Druckdifferenz am Verdichter und Luftmassenstrom durch den Verdichter relativ zu einer Pumplinie und Drossellinie, um zu bestimmen, zu welcher Position die VID und ACT anzupassen sind.
Wieder bei 8 kann die Steuerung bei 804 unter Verwendung einer gespeicherten Abbildung oder Lookup-Tabelle, die ähnlich wie die in 9 gezeigte ist, bestimmen, ob der Verbrennungsmotor unter dem Pumpschwellenwert arbeitet. Zum Beispiel kann die Steuerung die aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast bestimmen und dann nachsehen, ob dieser Betriebspunkt über oder unter dem Pumpschwellenwert und/oder über oder unter dem Drosselschwellenwert ist. In einem Beispiel kann der Pumpschwellenwert ein voreingestellter Pumpschwellenwert sein und der Drosselschwellenwert kann ein voreingestellter Drosselschwellenwert sein, der in der Abbildung oder Lookup-Tabelle gespeichert ist. Wenn der Verbrennungsmotor unter dem Pumpschwellenwert arbeitet (z. B. der aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt in dem ersten Bereich 908 liegt), geht das Verfahren zu 806 über, um die VID zu schließen und die ACT derart anzupassen, dass sie zum Pumpschlitz offen ist. Das Schließen der VID kann beinhalten, dass die Steuerung ein elektronisches Signal an den Aktor der VID sendet, um entweder die VID von der offenen Position zur geschlossenen Position anzupassen oder die VID in der geschlossenen Position zu halten. Die geschlossene Position der VID ist in 3B, 3D und 5A gezeigt, wie vorstehend beschrieben. Wie vorstehend in Bezug auf diese Figuren erläutert, verengt sich die Innenfläche der VID in der geschlossenen Position entlang einer Länge der VID und erzeugt Drallstrom am Auslassende der VID. Das Anpassen der VID von der offenen Position zur geschlossenen Position kann Schwenken von jeder Schaufel der VID über den Aktor beinhalten, der an die Drehachsen der Schaufeln gekoppelt ist, sodass das Auslassende jeder Schaufel zur Mittelachse des Verdichters schwenkt und das Einlassende jeder Schaufel weg von der Mittelachse des Verdichters schwenkt. Das Anpassen der ACT derart, dass sie zum Pumpschlitz offen ist, kann Anpassen der verschiebbaren Hülse der ACT in eine erste Position beinhalten, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen der ACT an der Entlüftungsöffnung ausgerichtet ist (wie etwa die ACT 512 und Entlüftungsöffnung 532, wie in den 5A-5B gezeigt). In einem Beispiel kann das Verfahren bei 806 Schließen der VID zur gleichen Zeit wie das Anpassen der ACT derart, dass sie zum Pumpschlitz offen ist, beinhalten. Auf diese Weise kann die Steuerung zwei Betätigungssignale senden, eines zum Schließen der VID und eines zum Öffnen der ACT zum Pumpschlitz, und zwar als Reaktion darauf, dass der Verbrennungsmotor unter dem Pumpschwellenwert arbeitet.
Alternativ geht das Verfahren bei 804 zu 808 über, um zu bestimmen, ob der Verbrennungsmotor über dem Drosselschwellenwert arbeitet, wenn der Verbrennungsmotor nicht unter dem Pumpschwellenwert arbeitet (z. B. der aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt im zweiten Bereich 910 oder dritten Bereich 912 liegt, wie in der gezeigt). Zum Beispiel kann die Steuerung die aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast bestimmen und dann (unter Verwendung der oder einer ähnlichen Abbildung oder Lookup-Tabelle, die im Speicher der Steuerung gespeichert ist) nachsehen, ob dieser Betriebspunkt über oder unter dem Drosselschwellenwert liegt. Wenn der Verbrennungsmotor unter dem Drosselschwellenwert arbeitet (z. B. der aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt in dem dritten Bereich 912 liegt), geht das Verfahren zu 810 über, um die VID zu öffnen und die ACT derart anzupassen, dass sie zum Drosselschlitz offen ist. Das Öffnen der VID kann beinhalten, dass die Steuerung ein elektronisches Signal an einen Aktor der VID (wie etwa den in den 2A-2B gezeigten Aktor 209) sendet, um entweder die VID von der geschlossenen Position zur offenen Position anzupassen oder die VID in der offenen Position zu halten. Die offene Position der VID ist in 3A, 3C und 5B gezeigt, wie vorstehend beschrieben. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf diese Figuren erläutert, begrenzt eine Innenfläche der VID in der offenen Position den Strom durch die VID von einem Einlassende zu einem Auslassende der VID nicht ein. Das Anpassen der VID von der geschlossenen Position zur offenen Position kann Schwenken einer Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln der VID über den Aktor, der an Drehachsen der Schaufeln gekoppelt ist, in einer Richtung relativ zu einer Mittelachse des Verdichters (um die das Laufrad rotiert) beinhalten, um ein Überlagerung der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln am Auslassende der VID zu verringern und einen Durchmesser des Auslassendes der VID zu erhöhen. Das Anpassen der ACT derart, dass sie zum Drosselschlitz offen ist, kann Anpassen der verschiebbaren Hülse der ACT zu einer dritten Position beinhalten, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen der ACT an der Einspritzöffnung ausgerichtet ist (wie etwa die ACT 512 und Entlüftungsöffnung 534, wie in den 5A-5B gezeigt). In einem Beispiel kann das Verfahren bei 810 Öffnen der VID zur gleichen Zeit wie Anpassen der ACT derart, dass sie zum Drosselschlitz offen ist, beinhalten. Auf diese Weise kann die Steuerung zwei Betätigungssignale senden, eines zum Öffnen der VID und eines zum Öffnen der ACT zum Drosselschlitz, und zwar als Reaktion darauf, dass der Verbrennungsmotor unter dem Drosselschwellenwert arbeitet.
Alternativ kann der Verbrennungsmotor bei 808 bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt im zweiten Bereich 910 in betrieben werden. Als Reaktion auf den Betrieb unter dem Drosselschwellenwert, aber über dem Pumpschwellenwert, geht das Verfahren zu 812 über, um die VID zu öffnen und die ACT derart anzupassen, dass sie sowohl zum Pumpschlitz (z. B. Entlüftungsöffnung 532, wie in den 5A-5B gezeigt) als auch zum Drosselschlitz (z. B. Einspritzöffnung 534, wie in den 5A-5B gezeigt) geschlossen ist. Das Anpassen der ACT derart, dass sie sowohl zum Pumpschlitz als auch zum Drosselschlitz geschlossen ist, kann Anpassen der verschiebbaren Hülse der ACT zu einer zweiten Position beinhalten, in der eine Vielzahl von Hülsenschlitzen weder an die Entlüftungsöffnung noch die Einspritzöffnung ausgerichtet ist. In einem Beispiel kann das Verfahren bei 812 Öffnen der VID zur gleichen Zeit wie Anpassen der ACT derart, dass sie sowohl zum Pump- als auch zum Drosselschlitz geschlossen ist, beinhalten. Auf diese Weise kann die Steuerung zwei Betätigungssignale senden, eines zum Öffnen der VID und eines zum Schließen der ACT zum Drossel- und Pumpschlitz, und zwar als Reaktion darauf, dass der Verbrennungsmotor unter dem Drosselschwellenwert und über dem Pumpschwellenwert arbeitet.
In einer alternativen Ausführungsform, wenn die VID über Druckdifferenz an der VID durch einen Weg oder eine Betätigungsöffnung in einer Wand der Einlassleitung passiv betätigt wird (anstatt über die Steuerung aktiv betätigt wird), kann das Verfahren Strömen von Gas durch eine Rückführkammer (wie in den 4A und 5A gezeigt) in die entgegengesetzte Richtung des Stroms durch den Ansaugkanal beinhalten, wodurch Gas zum Ansaugkanal rückgeführt wird. Dies kann während Bedingungen auftreten, bei denen der Verbrennungsmotor unter dem Pumpschwellenwert arbeitet, z. B. bei 806 in 8, und führt zu einem höheren Druck am Auslassende des Verdichters im Vergleich zum Einlassende. Die Druckdifferenz am Verdichter führt zu einem Rückwärtsstrom durch die Rückführkammer, die einen Gasstrom durch einen Weg oder eine Betätigungsöffnung direkt benachbart zur VID und stromabwärts der Entlüftungsöffnung, des Pumpschlitzes und des Laufrads und stromaufwärts der Rückführöffnung erzeugt, wie in den 5A-5B gezeigt. Der Gasstrom durch den Weg oder die Betätigungsöffnung legt einen Druck auf den Außenflächen (die z. B. zu den Wänden des Ansaugkanals gerichtet sind) der Schaufeln der VID an, der größer als der Druck ist, der an den Innenflächen der Schaufeln zu beobachten ist, was durch einen Gasstrom durch den Ansaugkanal erfolgt. Die Druckdifferenz an den Schaufeln der VID betätigt die VID zur geschlossenen Position, was dazu führt, dass 804 zu 806 in 8 übergeht.
Während Bedingungen, bei denen der Verbrennungsmotor über dem Pumpschwellenwert arbeitet und der Druck am Auslassende geringer als oder gleich dem Druck am Einlassende des Verdichters ist, kann das Verfahren Gasstrom durch den Ansaugkanal beinhalten, der gleich oder größer als der Gasstrom durch die Rückführkammer und den Weg oder die Betätigungsöffnung ist, was dazu führt, dass der Druck, der an den Innenflächen der Schaufeln der VID zu beobachten ist, größer als oder gleich dem Druck ist, der auf die Außenflächen der Schaufeln angelegt wird, wodurch die VID zur offenen Position betätigt oder dort gehalten wird. Somit geht 804 zu 808 in 8 über.
Auf diese Weise kann eine variable Einlassvorrichtung (VID), die innerhalb einer Einlassleitung eines Verdichters stromaufwärts eines Laufrads des Verdichters positioniert ist, verwendet werden, um den Strom durch die Einlassleitung und zum Laufrad anzupassen. Die VID kann eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln beinhalten, die in einem Ring angeordnet ist, der entlang einer Mittelrotationsachse des Verdichters angeordnet ist. Jede Schaufel beinhaltet ein Einlassende stromaufwärts von einem Auslassende, wobei jede Schaufel angepasst ist, um um eine Achse zu schwenken, die tangential zum Ring und senkrecht zur Mittelrotationsachse des Verdichters angeordnet ist. In einem Beispiel kann die VID zu einer offenen Position angepasst sein, in der die Auslassenden der Schaufeln weg von der Mittelrotationsachse geschwenkt werden und nahe einer Wand der Einlassleitung positioniert sind. In dieser Position kann die Strömungsbegrenzung durch die VID und zum Laufrad reduziert werden, wodurch die Verdichterleistung in dieser Position erhöht wird. In einem anderen Beispiel kann die VID zu einer geschlossenen Position angepasst sein, in der die Auslassenden der Schaufeln zu einer Mittelrotationsachse geschwenkt werden und benachbart angeordnete Schaufeln sich einander überlagern. Dies erzeugt einen sich verengenden Pfad durch die VID vom Einlass- zum Auslassende und innere Spiralnuten, die eine Vordrallströmung zum Laufrad erzeugen. Der technische Effekt für das Anpassen der VID zur geschlossenen Position unter Bedingungen mit geringerer Last erhöht die Verdichtereffizienz, während außerdem die Wahrscheinlichkeit von Pumpen reduziert wird. Der technische Effekt für das Anpassen der VID zur offenen Position unter Bedingungen mit höherer Last reduziert die Strömungsbegrenzung zum Laufrad, wodurch die Verdichtereffizienz erhöht wird und die Wahrscheinlichkeit von Drosseln unter einigen Bedingungen reduziert wird. Durch Kombinieren der VID mit einer aktiven Gehäusestrukturierung am Verdichter kann zusätzlich die Verdichterpumpsteuerung und - drosselsteuerung erhöht werden, während außerdem die Verdichtereffizienz bei Bedingungen mit geringerer und höherer Last verbessert wird, wie vorstehend erläutert.
Als eine Ausführungsform beinhaltet ein Verdichter: ein Laufrad, das um eine Mittelachse drehbar ist; und eine Einlassleitung, beinhaltend eine variable Einlassvorrichtung (VID), die darin positioniert ist, stromaufwärts des Laufrads, und beinhaltend eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln, die einen Ring um die Mittelachse bilden, wobei die Innenflächen der Schaufeln einen Strömungskanal durch die VID bilden, wobei jede der Schaufeln um eine Achse, die tangential zum Ring angeordnet ist, zwischen einer offenen und geschlossenen Position schwenkbar ist. In einem ersten Beispiel des Verdichters beinhaltet jede Schaufel der Vielzahl von Schaufeln ein Einlassende und ein Auslassende, wobei das Einlassende stromaufwärts des Auslassendes angeordnet ist, und wobei der Strömungskanal innerhalb der Innenflächen der Schaufeln zwischen dem Einlassende und dem Auslassende jeder Schaufel gebildet ist. Ein zweites Beispiel des Verdichters beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, dass jede Schaufel Seitenflächen beinhaltet, die sich zwischen dem Einlassende und dem Auslassende erstrecken, wobei bei jeder Schaufel eine erste Seitenfläche der Seitenfläche eine Seitenfläche einer ersten benachbarten Schaufel berührt und eine zweite Seitenfläche der Seitenflächen eine Seitenfläche einer zweiten benachbarten Schaufel berührt. Ein drittes Beispiel des Verdichters beinhaltet eines oder mehrere des ersten und zweiten Beispiels und beinhaltet ferner, dass ein Einlassende der VID durch das Einlassende von jeder Schaufel gebildet ist und ein Auslassende der VID durch das Auslassende von jeder Schaufel gebildet ist und wobei das Einlassende der VID in der geschlossenen Position einen größeren Durchmesser als das Auslassende der VID aufweist. Ein viertes Beispiel des Verdichters beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis dritten Beispiels und beinhaltet ferner, dass Auslassenden von benachbarten Schaufeln der Vielzahl von Schaufeln sich mehr als die Einlassenden von benachbarten Schaufeln der Vielzahl von Schaufeln in der geschlossenen Position überlagern. Ein fünftes Beispiel des Verdichters beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis vierten Beispiels und beinhaltet ferner, dass jedes des Einlassendes der VID und des Auslassendes der VID in der offenen Position einen größeren Durchmesser als das Auslassende der VID in der geschlossenen Position aufweist und wobei eine Differenz des Durchmessers zwischen dem Einlassende und dem Auslassende der VID in der offenen Position relativ zur geschlossenen Position verringert wird. Ein sechstes Beispiel des Verdichters beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis fünften Beispiels und beinhaltet ferner, dass das Auslassende von jeder Schaufel in der geschlossenen Position näher an der Mittelachse als das Einlassende von jeder Schaufel positioniert ist und das Einlassende von jeder Schaufel nahe der Innenwand der Einlassleitung positioniert ist. Ein siebentes Beispiel des Verdichters beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis sechsten Beispiels und beinhaltet ferner, dass die Innenflächen der Schaufeln in der offenen Position einander berühren, sich jedoch nicht überlagern, und parallel zur Mittelachse angeordnet sind. Ein achtes Beispiel des Verdichters beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis siebenten Beispiels und beinhaltet ferner, dass die Innenflächen der Schaufeln in der geschlossenen Position relativ zum Strom durch die Einlassleitung angewinkelt sind und eine glatte Fläche mit einer Vielzahl von Spiralnuten bilden, die zum Strom gerichtet sind, wobei die Schaufeln nach innen zur Mittelachse von einem Einlassende zu einem Auslassende der VID angewinkelt sind, wobei das Auslassende stromabwärts der Einlassleitung vom Einlassende angeordnet ist und wobei die Vielzahl von Spiralnuten durch Überlagern von Innenflächen der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln gebildet sind. Ein neuntes Beispiel des Verdichters beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis achten Beispiels und umfasst ferner einen Weg, der in der Einlassleitung stromaufwärts des Laufrads und stromabwärts eines Einlassendes der VID angeordnet ist, wobei sich der Weg nach außen von der Mittelachse erstreckt, sodass die Innenwände der Einlassleitung in der Region des Wegs weiter weg von der Mittelachse als die Innenwände der Einlassleitung in einer Region der Einlassleitung, die stromaufwärts des Einlassendes der VID angeordnet ist, positioniert sind. Ein zehntes Beispiel des Verdichters beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis neunten Beispiels und beinhaltet ferner einen Rückführkanal, der durch ein äußeres Gehäuse des Verdichters gebildet ist und die Einlassleitung umgibt, wobei der Rückführkanal über eine Entlüftungsöffnung und eine Rückführöffnung fluidisch mit der Einlassleitung gekoppelt ist, wobei die Entlüftungsöffnung in einer Wand der Einlassleitung stromabwärts einer Vorderkante des Laufrads gebildet ist und die Rückführöffnung in der Wand der Einlassleitung stromaufwärts eines Einlassendes der VID gebildet ist.
Als eine andere Ausführungsform beinhaltet das Verfahren Folgendes: als Reaktion auf den Verbrennungsmotorbetrieb relativ zu einem Pumpschwellenwert eines Verdichters, Anpassen einer variablen Einlassvorrichtung (VID), die in und an einer Einlassleitung des Verdichters stromaufwärts eines Laufrads positioniert ist, zwischen einer offenen Position, in der eine Innenfläche der VID den Strom durch die VID von einem Einlassende zu einem Auslassende der VID nicht einschränkt, und einer geschlossenen Position, in der die Innenfläche sich entlang einer Länge der VID verengt und eine Drallströmung am Auslassende der VID erzeugt. In einem ersten Beispiel des Verfahrens, wobei die VID eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln beinhaltet, die einen Ring um eine Mittelachse des Verdichters bilden, wobei die Innenflächen der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln die Innenfläche der VID und einen Strömungskanal durch die VID bilden und wobei jede Schaufel der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln ein Einlassende und ein Auslassende beinhaltet, wobei das Einlassende stromaufwärts vom Auslassende in der Einlassleitung angeordnet ist. Ein zweites Beispiel des Verfahrens beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, dass Anpassen der VID zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position Anpassen der VID von der offenen Position zur geschlossenen Position als Reaktion auf einen Verbrennungsmotor, in dem der Verdichter derart installiert ist, dass er zum Betrieb bei einer Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast übergeht, die unter dem Pumpschwellenwert ist, beinhaltet und wobei Anpassen der VID von der offenen Position zur geschlossenen Position Schwenken von jeder Schaufel beinhaltet, sodass das Auslassende von jeder Schaufel zur Mittelachse schwenkt. Ein drittes Beispiel des Verfahrens beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten und zweiten Beispiels und beinhaltet ferner, dass Anpassen der VID zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position Anpassen der VID von der geschlossenen Position zur offenen Position als Reaktion auf einen Verbrennungsmotor, in dem der Verdichter derart installiert ist, dass er zum Betrieb bei einer Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast übergeht, die über dem Pumpschwellenwert ist, beinhaltet und wobei Anpassen der VID von der geschlossenen Position zur offenen Position Schwenken von jeder Schaufel beinhaltet, sodass das Auslassende von jeder Schaufel weg von der Mittelachse und zu einer Innenwand der Einlassleitung schwenkt, wobei Schwenken von jeder Schaufel weg von der Mittelachse Verringern des Überlagerns der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln am Auslassende der VID und Vergrößern eines Durchmessers des Auslassendes der VID beinhaltet. Ein viertes Beispiel des Verfahrens beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten bis dritten Beispiels und beinhaltet ferner, dass Anpassen der VID zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position passives Anpassen der VID zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position über eine Betätigungsöffnung, die in einer Wand der Einlassleitung zwischen der Einlassleitung und einem Rückführkanal, der die Einlassleitung umgibt und in Fluidverbindung mit der Einlassleitung stromaufwärts der VID und stromabwärts einer Vorderkante des Laufrads angeordnet ist, beinhaltet, wobei die Betätigungsöffnung zwischen dem Einlassende und dem Auslassende der VID benachbart zu den äußeren Flächen der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln positioniert ist.
Als noch eine andere Ausführungsform beinhaltet ein System für einen Verbrennungsmotor Folgendes: einen Verdichter, beinhaltend ein Laufrad, das um eine Mittelachse drehbar ist, und eine variable Einlassvorrichtung, die stromaufwärts des Laufrads in einer Einlassleitung des Verdichters angeordnet ist, wobei die VID Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Schaufeln, die benachbart zueinander angeordnet sind, um einen Ring mit einem Einlassende und einem Auslassende zu bilden, wobei das Einlassende stromaufwärts in der Einlassleitung vom Auslassende angeordnet ist, wobei die Vielzahl von Schaufeln vom Einlassende zum Auslassende relativ zur Mittelachse schwenkbar ist; und eine Steuerung, beinhaltend computerlesbare Anweisungen, die in einem Speicher gespeichert sind, für Folgendes: als Reaktion auf den Betrieb des Verbrennungsmotors unter einem Pumpschwellenwert des Verdichters, Anpassen der VID zu einer geschlossenen Position, in der die Vielzahl von Schaufeln am Auslassende einander überlagert und die Innenflächen der Vielzahl von Schaufeln eine sich vom Einlass- zum Auslassende verengende glatte Fläche mit einer Vielzahl von Spiralnuten bilden, die um den Ring angeordnet sind; und als Reaktion auf den Betrieb des Verbrennungsmotors über dem Pumpschwellenwert, Anpassen der VID zu einer offenen Position, in der die Vielzahl von Schaufeln sich am Auslassende nicht einander überlagert und die Innenflächen der Vielzahl von Schaufeln eine sich vom Einlass- zum Auslassende allmählich verbreiternde glatte Fläche ohne die Vielzahl von Spiralnuten bildet. In einem ersten Beispiel des Systems umfasst das System ferner einen Rückführkanal, der durch ein äußeres Gehäuse des Verdichters gebildet ist und die Einlassleitung umgibt, wobei der Rückführkanal über eine Entlüftungsöffnung und eine Rückführöffnung fluidisch mit der Einlassleitung gekoppelt ist, wobei die Entlüftungsöffnung in einer Wand der Einlassleitung stromabwärts einer Vorderkante des Laufrads gebildet ist und die Rückführöffnung in der Wand der Einlassleitung stromaufwärts des Einlassendes der VID gebildet ist. Ein zweites Beispiel des Systems beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, dass die Auslassenden der Vielzahl von Schaufeln in der geschlossenen Position eine Innenwand der Einlassleitung kontaktieren und die Einlassenden der Vielzahl von Schaufeln in der offenen Position die Innenwand der Einlassleitung kontaktieren. Ein drittes Beispiel des Systems beinhaltet optional eines oder mehrere des ersten und zweiten Beispiels und beinhaltet ferner, dass ein Durchmesser des Auslassendes der VID in der geschlossenen Position enger als in der offenen Position ist, und wobei jede Spiralnut der Vielzahl von Spiralnuten durch überlagernde Seitenflächen von zwei benachbarten Schaufeln der Vielzahl von Schaufeln gebildet ist.
In einer anderen Darstellung umfasst ein Verfahren: als Reaktion auf einen aktuellen Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastbetriebspunkt eines Verbrennungsmotors, Anpassen einer variablen Einlassvorrichtung (VID), die in und an einer Einlassleitung des Verdichters stromaufwärts eines Laufrads positioniert ist, zwischen einer offenen Position, in der eine Innenfläche der VID den Strom durch die VID von einem Einlassende zu einem Auslassende der VID nicht begrenzt, und einer geschlossenen Position, in der die Innenfläche sich entlang einer Länge der VID verengt und eine Drallströmung am Auslassende der VID erzeugt, während Luftstrom vom Laufrad zu einer Stelle stromaufwärts der VID in der Einlassleitung rückgeführt wird.. In einem Beispiel beinhaltet das Rückführen von Luftstrom vom Laufrad zu der Stelle stromaufwärts der VID in der Einlassleitung Rückführen von Luftstrom über einen Rückführkanal, der von einem äußeren Gehäuse des Verdichters gebildet ist und die Einlassleitung umgibt.
In noch einer anderen Darstellung umfasst ein Verdichter ein Laufrad, das in eine erste Richtung um eine Mittelachse drehbar ist; und eine Einlassleitung, beinhaltend eine variable Einlassvorrichtung (VID), die darin positioniert ist, stromaufwärts des Laufrads, und beinhaltend eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln, die einen Ring um die Mittelachse bilden, wobei Innenflächen der Schaufeln einen Strömungskanal durch die VID bilden, wobei jede der Schaufeln um eine Achse, die tangential zum Ring angeordnet ist, zwischen einer offenen und geschlossenen Position schwenkbar ist, wobei die Innenflächen eine glatte Fläche bilden, beinhaltend eine Vielzahl von Nuten in der geschlossenen Position, in der eine Krümmungsrichtung der Vielzahl von Nuten ausgerichtet ist, um den Strom durch den Strömungskanal in der ersten Richtung zu rotieren.
Es ist zu beachten, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Verbrennungsmotor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sein und können durch das Steuersystem, das die Steuerung in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktoren und sonstiger Verbrennungsmotorhardware beinhaltet, ausgeführt werden. Die hier beschriebenen konkreten Routinen können eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, darstellen. Demnach können verschiedene veranschaulichte Handlungen, Operationen und/oder Funktionen in der veranschaulichten Abfolge oder parallel durchgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwingend erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zu erreichen, sondern wird vielmehr zur einfacheren Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Operationen und/oder Funktionen können je nach der konkreten eingesetzten Strategie wiederholt durchgeführt werden. Zudem können die beschriebenen Handlungen, Operationen und/oder Funktionen grafisch Code darstellen, der in dem nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Verbrennungsmotorsteuersystem zu programmieren ist, wobei die beschriebenen Handlungen durch Ausführen der Anweisungen in einem System, das die verschiedenen Verbrennungsmotorhardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung beinhaltet, durchgeführt werden.
Es versteht sich, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und diese konkreten Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Beispielsweise kann die vorstehende Technik auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12-, 4-Zylinder-Boxer- und andere Verbrennungsmotorarten angewandt werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere in dieser Schrift offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Die folgenden Patentansprüche heben bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen besonders hervor, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Patentansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Derartige Patentansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente einschließen, wobei sie zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Patentansprüche oder durch Einreichung neuer Patentansprüche im Rahmen dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Patentansprüche, egal, ob sie im Vergleich zu den ursprünglichen Patentansprüchen einen weiteren, engeren, gleichen oder anderen Schutzumfang aufweisen, werden ebenfalls als in dem Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2024645 [0004]

Claims

Verdichter, umfassend: ein Laufrad, das um eine Mittelachse drehbar ist; und eine Einlassleitung, beinhaltend eine variable Einlassvorrichtung (VID), die darin positioniert ist, stromaufwärts des Laufrads, und beinhaltend eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln, die einen Ring um die Mittelachse bilden, wobei Innenflächen der Schaufeln einen Strömungskanal durch die VID bilden, wobei jede der Schaufeln um eine Achse, die tangential zum Ring angeordnet ist, zwischen einer offenen und geschlossenen Position schwenkbar ist.
Verdichter nach Anspruch 1, wobei jede Schaufel der Vielzahl von Schaufeln ein Einlassende und ein Auslassende beinhaltet, wobei das Einlassende stromaufwärts des Auslassendes angeordnet ist, und wobei der Strömungskanal innerhalb der Innenflächen der Schaufeln zwischen dem Einlassende und dem Auslassende jeder Schaufel gebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 2, wobei jede Schaufel Seitenflächen beinhaltet, die sich zwischen dem Einlassende und dem Auslassende erstrecken, wobei bei jeder Schaufel eine erste Seitenfläche der Seitenfläche eine Seitenfläche einer ersten benachbarten Schaufel berührt und eine zweite Seitenfläche der Seitenflächen eine Seitenfläche einer zweiten benachbarten Schaufel berührt.
Verdichter nach Anspruch 2, wobei ein Einlassende der VID durch das Einlassende von jeder Schaufel gebildet ist und ein Auslassende der VID durch das Auslassende von jeder Schaufel gebildet ist und wobei das Einlassende der VID in der geschlossenen Position einen größeren Durchmesser als das Auslassende der VID aufweist.
Verdichter nach Anspruch 4, wobei die Auslassenden von benachbarten Schaufeln der Vielzahl von Schaufeln mehr als Einlassenden von benachbarten Schaufeln der Vielzahl von Schaufeln in der geschlossenen Position überlagern, wobei jedes des Einlassendes der VID und des Auslassendes der VID einen größeren Durchmesser als das Auslassende der VID in der geschlossenen Position aufweist und wobei eine Differenz des Durchmessers zwischen dem Einlassende und dem Auslassende der VID in der offenen Position relativ zur geschlossenen Position verringert wird.
Verdichter nach Anspruch 2, wobei das Auslassende von jeder Schaufel in der geschlossenen Position näher an der Mittelachse als das Einlassende von jeder Schaufel positioniert ist und das Einlassende von jeder Schaufel nahe der Innenwand der Einlassleitung positioniert ist.
Verdichter nach Anspruch 1, wobei die Innenflächen der Schaufeln in der offenen Position einander berühren, sich jedoch nicht überlagern, und parallel zur Mittelachse angeordnet sind.
Verdichter nach Anspruch 1, wobei die Innenflächen der Schaufeln in der geschlossenen Position relativ zum Strom durch die Einlassleitung angewinkelt sind und eine glatte Fläche mit einer Vielzahl von Spiralnuten bilden, die zum Strom gerichtet sind, wobei die Schaufeln nach innen zur Mittelachse von einem Einlassende zu einem Auslassende der VID angewinkelt sind, wobei das Auslassende stromabwärts der Einlassleitung vom Einlassende angeordnet ist und wobei die Vielzahl von Spiralnuten durch Überlagern von Innenflächen der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln gebildet sind.
Verdichter nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Weg, der in der Einlassleitung stromaufwärts des Laufrads und stromabwärts eines Einlassendes der VID angeordnet ist, wobei sich der Weg nach außen von der Mittelachse erstreckt, sodass die Innenwände der Einlassleitung in der Region des Wegs weiter weg von der Mittelachse als die Innenwände der Einlassleitung in einer Region der Einlassleitung, die stromaufwärts des Einlassendes der VID angeordnet ist, positioniert sind.
Verdichter nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Rückführkanal, der durch ein äußeres Gehäuse des Verdichters gebildet ist und die Einlassleitung umgibt, wobei der Rückführkanal über eine Entlüftungsöffnung und eine Rückführöffnung fluidisch mit der Einlassleitung gekoppelt ist, wobei die Entlüftungsöffnung in einer Wand der Einlassleitung stromabwärts einer Vorderkante des Laufrads gebildet ist und die Rückführöffnung in der Wand der Einlassleitung stromaufwärts eines Einlassendes der VID gebildet ist.
Verfahren, umfassend: als Reaktion auf den Verbrennungsmotorbetrieb relativ zu einem Pumpschwellenwert eines Verdichters, Anpassen einer variablen Einlassvorrichtung (VID), die in und an einer Einlassleitung des Verdichters stromaufwärts eines Laufrads positioniert ist, zwischen einer offenen Position, in der eine Innenfläche der VID den Strom durch die VID von einem Einlassende zu einem Auslassende der VID nicht einschränkt, und einer geschlossenen Position, in der die Innenfläche sich entlang einer Länge der VID verengt und eine Drallströmung am Auslassende der VID erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die VID eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln beinhaltet, die einen Ring um eine Mittelachse des Verdichters bilden, wobei die Innenflächen der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln die Innenfläche der VID und einen Strömungskanal durch die VID bilden und wobei jede Schaufel der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln ein Einlassende und ein Auslassende beinhaltet, wobei das Einlassende stromaufwärts vom Auslassende in der Einlassleitung angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Anpassen der VID zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position Anpassen der VID von der offenen Position zur geschlossenen Position als Reaktion auf einen Verbrennungsmotor, in dem der Verdichter derart installiert ist, dass er zum Betrieb bei einer Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast übergeht, die unter dem Pumpschwellenwert ist, beinhaltet und wobei Anpassen der VID von der offenen Position zur geschlossenen Position Schwenken von jeder Schaufel beinhaltet, sodass das Auslassende von jeder Schaufel zur Mittelachse schwenkt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Anpassen der VID zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position Anpassen der VID von der geschlossenen Position zur offenen Position als Reaktion auf einen Verbrennungsmotor, in dem der Verdichter derart installiert ist, dass er zum Betrieb bei einer Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast übergeht, die über dem Pumpschwellenwert ist, beinhaltet und wobei Anpassen der VID von der geschlossenen Position zur offenen Position Schwenken von jeder Schaufel beinhaltet, sodass das Auslassende von jeder Schaufel weg von der Mittelachse und zu einer Innenwand der Einlassleitung schwenkt, wobei Schwenken von jeder Schaufel weg von der Mittelachse Verringern des Überlagerns der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln am Auslassende der VID und Vergrößern eines Durchmessers des Auslassendes der VID beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Anpassen der VID zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position passives Anpassen der VID zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position über eine Betätigungsöffnung, die in einer Wand der Einlassleitung zwischen der Einlassleitung und einem Rückführkanal, der die Einlassleitung umgibt und in Fluidverbindung mit der Einlassleitung stromaufwärts der VID und stromabwärts einer Vorderkante des Laufrads angeordnet ist, beinhaltet, wobei die Betätigungsöffnung zwischen dem Einlassende und dem Auslassende der VID benachbart zu den äußeren Flächen der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln positioniert ist.