DE102018122039A1

DE102018122039A1 - Systeme und verfahren für eine variable einlassvorrichtung eines verdichters

Info

Publication number: DE102018122039A1
Application number: DE102018122039.1A
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: US10584719B2; CN109488638A; US20190078587A1

Abstract

Es sind Verfahren und Systeme für eine variable Einlassvorrichtung eines Verdichters bereitgestellt. In einem Beispiel kann ein Verdichter ein Gehäuse, das einen Rückführkanal bildet, der einen Ansaugkanal umgibt, eine aktive Gehäusestrukturierung, die eine Wand umgibt, die den Ansaugkanal und den Rückführkanal trennt und ausgelegt ist, um einen Gasfluss durch eine Vielzahl von in der Wand angeordneten Anschlüssen selektiv zu steuern, und ein Laufrad beinhalten. Zusätzlich kann eine variable Einlassvorrichtung in dem Ansaugkanal positioniert sein, stromaufwärts des Laufrads, wobei die variable Einlassvorrichtung eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln beinhaltet, die einen Ring bilden, wobei jede der Schaufeln um eine Achse schwenkbar ist, die tangential zu dem Ring angeordnet ist, zwischen der offenen und geschlossenen Position.

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. Der Turbolader kann eine abgasbetriebene Turbine beinhalten, die über eine Antriebswelle mit einem Verdichter gekoppelt ist. Der Verdichter kann fluidisch mit einem Luftansaugkrümmer in dem Verbrennungsmotor gekoppelt sein, der mit einer Vielzahl von Verbrennungsmotorzylindern 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 in den Luftansaugkrümmer verdichtet, um den Ladedruck auf Grundlage der Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen zu erhöhen.
Die Effizienz des Verdichters beeinflusst die Gesamtverbrennungsmotorleistung und den Kraftstoffverbrauch. Zum Beispiel kann geringere Verdichtereffizienz zu langsamer Verbrennungsmotorübergangsreaktion und höherem Kraftstoffverbrauch sowohl für den stetigen als auch den vorübergehenden Verbrennungsmotorbetrieb führen. Bei leichteren Verbrennungsmotorlasten, wenn die Verdichtereffizienz reduziert ist, kann während einer Pedalbetätigung erhöhte Turboladerverzögerung entstehen. Zusätzlich kann Leichtlastbetrieb zu geringerer Verdichtereffizienz führen und Verdichterpumpschwellen können Anstieg des Ladedrucks bei niedrigen Verbrennungsmotordrehzahlen einschränken.
Andere Versuche, geringe Verdichtereffizienz anzusprechen, beinhalten das Verwenden eines variablen Einlassverdichters, der Leitschaufeln verwendet, um Fluss durch ein Laufrad des Verdichters zu leiten und einzustellen. 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 Schaufeln beinhaltet. Jede dieser Schaufeln ist zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar, um die Menge an Fluid zu steuern, die zu dem Laufrad gelangt. Insbesondere sind die Schaufeln um eine Mitte einer Radvorrichtung positioniert und schwenken um eine Achse parallel zu einer Mittelachse des Verdichters. In einer geschlossenen Position ist das Durchlaufen von Fluss 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 derartigen Systemen erkannt. Als ein Beispiel ist sogar in der offenen Position aufgrund der Ausrichtung und Schwenkrichtung dieser Schaufeln Fluss durch die variable Einlassvorrichtung und zu dem Laufrad eingeschränkt (z. B. teilweise blockiert). Folglich weist diese Art von variablem Einlass reduzierte Effizienz am oberen Ende auf und schränkt den Fluss am oberen Ende mit Flusseinschränkungsproblemen ein. Ferner kann diese Art von Vorrichtung keinen Vorwirbelfluss für den Verdichter erzeugen, wodurch sich die Effizienz des Verdichters am unteren Ende erhöhen kann.
In einigen Ausführungsformen kann der Verdichter eine aktive Gehäusestrukturierung mit zwei separaten Schlitzen an der Verdichterabdeckung beinhalten, einen zwischen Voll- und geteilten Schaufeln, der als Entlüftungsschlitz für die Pumpsteuerung dient, und den anderen Schlitz stromabwärts der geteilten Schaufeln, der als Einspritzschlitz für die Steigerung der Drosselstromkapazität dient. Diese beiden Schlitze können individuell abgedeckt werden, um erhöhte Effizienz am unteren Ende und Pumpleistung des Verdichters sowie Drosselstromkapazität am oberen Ende zu erreichen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch erkannt, dass die aktive Gehäusestrukturierung alleine die Leichtlastverdichterflussspanne und Betriebseffizienz nicht ausreichend erhöhen kann, insbesondere, um eine Verkleinerung des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Folglich kann die Verbrennungsmotorleistung immer noch niedriger als gewünscht sein.
In einem Beispiel können die vorstehend beschriebenen Probleme durch einen Verdichter angegangen werden, umfassend: ein Gehäuse, das einen Rückführkanal bildet, der einen Ansaugkanal umgibt; eine aktive Gehäusestrukturierung, die eine Wand umgibt, die den Ansaugkanal und den Rückführkanal trennt und ausgelegt ist, um einen Gasfluss durch eine Vielzahl von in der Wand angeordneten Anschlüssen selektiv zu steuern; ein Laufrad; und eine einstellbare Vorrichtung, die in dem Ansaugkanal positioniert ist, stromaufwärts des Laufrads, und eine Vielzahl von schwenkbaren und benachbart angeordneten Schaufeln, die einen Ring bilden, beinhaltend. Die Schaufeln der einstellbaren Vorrichtung können ausgelegt sein, um zwischen einer offenen Position und geschlossenen Position zu schwenken, wodurch die einstellbare Vorrichtung in die offene und geschlossene Position eingestellt wird. In der geschlossenen Position überlappen Auslassenden der Schaufeln mehr als Einlassenden der Schaufeln, wodurch eine Durchflussbegrenzung durch die einstellbare Vorrichtung und zu dem Laufrad erzeugt wird. Zusätzlich erzeugen die überlappenden Schaufeln Spiralnuten an Innenflächen der Schaufeln, die dem Gasfluss in dem Ansaugkanal zugewandt sind. Folglich wird Vorwirbelstrom zu dem Laufrad erzeugt. In der offenen Position sind die Schaufeln weg von der Mittelachse des Verdichters an dem Auslassende geschwenkt, wodurch das Überlappen der Schaufeln reduziert und Durchflussbegrenzung durch den Ansaugkanal und die einstellbare Vorrichtung zu dem Laufrad reduziert wird. Auf diese Weise wird die Verdichtereffizienz am unteren Ende aufgrund des eingeschränkten Vorwirbelflusses erhöht, der durch die einstellbare Vorrichtung in der geschlossenen Position erzeugt wird, sowie die Verdichtereffizienz am oberen Ende aufgrund reduzierter Durchflussbegrenzung erhöht, wenn sich die einstellbare Vorrichtung in der offenen Position befindet.
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 gedacht, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu nennen, dessen Schutzumfang einzig durch die Patentansprüche im Anschluss an die detaillierte Beschreibung definiert ist. Zudem ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, die vorstehend oder in einem beliebigen Teil dieser 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 Karte 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 Karte 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 Außengehäuse 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 (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) einstellbar sein. Ein passives Verfahren zur Betätigung der VID ist in 2C veranschaulicht. Wie in 3A und 3B gezeigt, beinhaltet die VID eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln, die einen Ring um die Mittelachse des Verdichters bilden. Die Schaufeln sind in Richtung und weg von der Mittelachse zwischen der offenen und geschlossenen Position schwenkbar. Wenn sich die VID in der offenen Position befindet, begrenzen Innenflächen der Schaufeln der VID Fluss durch die VID und Einlassleitung weniger als wenn sich die VID in der geschlossenen Position befindet. Zum Beispiel, wie in 3C gezeigt, ist in der offenen Position die Flussmenge, die von der VID von dem Einlassende zu dem Auslassende eingeschränkt wird, reduziert. Umgekehrt, wenn sich die VID in der geschlossenen Position befindet, wie in 3D gezeigt, werden die Schaufeln geschwenkt, sodass ein Strömungskanal der VID, der durch die Innenflächen der Schaufeln gebildet wird, von dem Einlassende zu dem Auslassende schmaler wird. Zusätzlich bilden in der geschlossenen Position die Innenflächen eine glatte Fläche mit Spiralnuten, die aufgrund von Überlappung der Schaufeln an dem Auslassende Wirbelfluss erzeugen. Wie in 4A-4B gezeigt, kann die VID auch in Verbindung mit einem Verdichter verwendet werden, der eine Gehäusestrukturierung aufweist, die eine Resonanzkammer beinhaltet, um Fluss von dem Laufrad zu der Einlassleitung stromaufwärts der VID zurückzuführen. Ferner, wie in 5A-5B gezeigt, kann die VID in Verbindung mit einem Verdichter verwendet werden, der eine aktive Gehäusestrukturierung aufweist, die ausgelegt ist, um Rückführstrom zwischen einem Rückführanschluss und einem von einem Entlüftungsanschluss und Einspritzanschluss, die in der Wand der Einlassleitung angeordnet sind, einzustellen. Wie in 6-7 gezeigt, kann die Position der VID auf Grundlage von Verbrennungsmotorlast- und Verbrennungsmotordrehzahlbedingungen relativ zu einer Pumpschwelle gesteuert werden. In der Ausführungsform der VID, die in Verbindung mit einer aktiven Gehäusestrukturierung verwendet wird, können die Position der VID und der aktiven Gehäusestrukturierung gesteuert werden, in Koordination miteinander, gemäß Verbrennungsmotorlast- und Verbrennungsmotordrehzahlbedingungen relativ zu einer Pumpschwelle und Drosselschwelle, wie in 8-9 dargestellt. Auf diese Weise kann eine VID für einen Verdichter verwendet werden, um die Verdichtereffizienz bei verschiedenen Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel leichteren Lastbedingungen, zu erhöhen. Die Anordnung der VID kann unerwünschte Flusseinschränkung in der offenen Position reduzieren und glatten Vorwirbelfluss zu dem Verdichterlaufrad in der geschlossenen Position erzeugen, wodurch die Effizienz am unteren Ende und Flussrate des Verdichters verbessert werden.
Nun wird auf die Figuren Bezug genommen, wobei 1 eine beispielhafte Ausführungsform 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, so dass 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 Anlassermotor (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 ist 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 Parallel-, Serien- oder Serien-Parallel-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, beinhalten. 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 ausgelegt ist. In anderen Beispielen jedoch, wie etwa, wenn der Verbrennungsmotor 10 mit einem Kompressor bereitgestellt 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 Ansaugkanälen des Verbrennungsmotors bereitgestellt sein, um die Flussrate 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 - VVT) 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, bei 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 eingestellt 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 Kraftstoffverteiler 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 Kraftstoff einspritzvorrichtung 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.
In einem alternativen Beispiel kann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 im Ansaugkanal 146 angeordnet anstatt direkt an den Zylinder 14 gekoppelt sein, in einer Konfiguration, welche eine sogenannte Saugrohreinspritzung von Kraftstoff (nachfolgend auch als „PFI“ (port fuel injection) bezeichnet) in einen Einlasskanal 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 hier beschriebenen Kraftstoffsysteme nicht durch die hier 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 aufzunehmen, 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. Zu diesen Unterschieden können Unterschiede in Bezug auf den Alkoholgehalt, den Wassergehalt, die Oktanzahl, Verdampfungswärmen, Kraftstoffgemische und/oder Kombinationen davon usw. gehören. Ein Beispiel für Kraftstoffe mit unterschiedlichen Verdampfungswärmen beinhaltet Benzin als erste Kraftstoffart mit niedrigerer Verdampfungswärme und Ethanol als zweite Kraftstoffart mit größerer 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 anderen denkbaren Substanzen 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 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-AlkoholGemisch 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. Außerdem können sich die Kraftstoffeigenschaften eines oder beider Kraftstofftanks häufig ändern, zum Beispiel aufgrund täglicher Schwankungen beim Auffüllen des Tanks.
Die Steuerung 12 ist in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, beinhaltend eine Mikroprozessoreinheit 106, Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 108, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme (z. B. ausführbare Anweisungen) und Kalibrierungswerte, in diesem konkreten Beispiel als nichtflüchtiger Nurlesespeicherchip 110 gezeigt, Direktzugriffsspeicher 112, Keep-Alive-Speicher 114 und einen Datenbus. Die Steuerung 12 kann verschiedene Signale von Sensoren empfangen, die an den Verbrennungsmotor 10 gekoppelt sind, darunter zuvor erörterte Signale und zusätzlich beinhaltend eine Messung von eingeleitetem Luftmassenstrom (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 signal - PIP) von einem Hall-Effekt-Sensor 120 (oder einer anderen Art), der an die Kurbelwelle 140 gekoppelt ist; Drosselposition (throttle position - TP) von einem Drosselpositionssensor; Signal-EGO von dem Abgassensor 128, der von der Steuerung 12 verwendet werden kann, um das AFR des Abgases zu bestimmen; und eines Krümmerabsolutdrucksignals (absolute manifold pressure signal - 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, einzustellen. Zum Beispiel kann die Verbrennungsmotorsteuerung bei dem Empfangen von Signalen von verschiedenen Sensoren Steuersignale an einen Aktor senden, um die Position einer variablen Einlassvorrichtung (VID) des Verdichters 174 zu verändern und/oder an einen Aktor einer aktiven Gehäusestrukturierung (wie zum Beispiel einer verschiebbaren Hülle), die entlang einer Einlassleitung des Verdichters 174 angeordnet ist (wie weiter nachfolgend unter Bezugnahme auf 6 und 8 erläutert). Zum Beispiel kann die Steuerung ein elektronisches Signal an einen Aktor der VID senden, um die VID als Reaktion auf eine aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast relativ zu einer Pumpschwelle und/oder Drosselschwelle des Verdichters aus einer offenen in eine geschlossene Position oder einer geschlossenen in eine offene Position einzustellen.
Wie vorstehend beschrieben, zeigt 1 lediglich einen Zylinder eines Mehrzylinderverbrennungsmotors. Demnach kann jeder Zylinder gleichermaßen seinen eigenen Satz Einlass-/Auslassventile, Kraftstoffeinspritzvorrichtung(en), seine eigene Zündkerze usw. aufweisen. Es versteht sich, dass der Verbrennungsmotor 10 jede geeignete Anzahl an 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.
2A-2B zeigen eine aufgeschnittene (z. B. Querschnitt) Ansicht einer ersten Ausführungsform des Verdichters 202 eines Turboladers, der eine variable Einlassvorrichtung (VID) 204 beinhaltet, 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 Kanal 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, ein Spiralgehäuse 216, einen Diffusor 218 und ein Gehäuse 220. Elemente des Verdichters 202 können in der Richtung von Gasfluss 203 durch den Verdichter 202 beschrieben sein und jegliches Element auf der Strecke von Gasfluss relativ zu einem Bezugspunkt wird als stromabwärts des Bezugspunktes angesehen. Umgekehrt befindet sich jedes Element, das bezogen auf einen Bezugspunkt der Richtung des Gasflusses entgegengesetzt positioniert ist, stromaufwärts des Bezugspunktes. Zusätzlich beinhaltet der Verdichter 202 eine Mittelachse 205, die eine Mittelachse der Einlassleitung 206 und eine Mitteldrehachse des Laufrads 208 ist (z. B. ist das Laufrad um die Mittelachse 205 drehbar).
Gasfluss (z. B. Ansaugluft von einem Ansaugkanal, wie zum Beispiel dem in 1 gezeigten Ansaugkanal 142) 203 tritt in die Einlassleitung 206 ein und fließt 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 nachfolgend unter Bezugnahme auf 3A-3D weiter 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 angebracht sind. Die Nabe 212 ist mit einer drehbaren Welle 214 verbunden, die parallel zu der Richtung des Gasflusses und der Mittelachse 205 ausgerichtet ist und mit einem Turbinenrad (das die Rotation der Welle und des Laufrads 208 antreibt) verbunden ist. Durch die Rotation des Laufrads 208 wird Gas durch die Einlassleitung 206 des Gehäuses 220 und dann durch die VID 204 in den Verdichter 202 gezogen. Von der VID 204 bewegt sich das Gas zu dem Laufrad 208 und in den Diffusor 218. Das Gas wird durch den Diffusor 218 in das Spiralgehäuse 216 beschleunigt, wodurch eine Entschleunigung von Gasfluss und eine Erhöhung des Drucks des Spiralgehäuses 216 bewirkt wird. Der hohe Druck in dem Spiralgehäuse 216 kann zu Gasfluss zu dem Ansaugkrümmer führen.
Wie in 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, einschließlich einer 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 Motor sein, der an das Einlassende der VID 204 gekoppelt ist. 2A zeigt ein erstes Schema 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 Einlassschaufelenden 224 der Schaufeln 207, angeordnet in der Nähe der Innenwände 219 der Einlassleitung 206, angeordnet sind. In einem Beispiel können die Auslassschaufelenden 222 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 Gasfluss 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 geschlossenen Position befindet, die in 2B gezeigt ist.
2C zeigt ein drittes Schema 221 des Verdichters 202, das einen passiven Betätigungsmechanismus zum Einstellen der VID 204 zwischen offenen und geschlossenen Positionen veranschaulicht. Insbesondere beinhaltet das Gehäuse 220 einen zusätzlichen Kanal 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 Kanal 226 von der Mittelachse 205 nach außen erstrecken, sodass die Innenwände 219 in der Region des Kanals 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. Während bestimmter Betriebsbedingungen wird Gasfluss von dem Laufrad 208 zu der VID 204 zurückgeführt, in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Gasfluss 203 in die Einlassleitung 206, über den Kanal 226, wie bei Pfeil 213 gezeigt. Dieser rückgeführte Gasfluss über den Kanal 226 bewirkt einen an den Außenflächen (z. B. den Flächen, die den Innenwänden 219 der Einlassleitung 206 zugewandt sind) der Schaufeln 207 an dem Auslassende der VID 204 höher wahrzunehmenden Druck als der Druck, der von den Innenflächen der Schaufeln 207 aufgrund von Gasfluss 203 wahrgenommen wird. Folglich wird die VID 204 über diese Druckdifferenz passiv aus der offenen Position in die geschlossene Position betätigt (wie in 2C gezeigt). Ein Beispiel für eine derartige Druckdifferenz kann während Pumpbedingungen auftreten, bei denen sich der Druck an dem Auslassende des Verdichters 202 erhöht und eine Umkehr des Gasflusses 203 über den Kanal 226 initiiert. Der erhöhte Druck an den Außenflächen der Schaufeln 207 an dem Auslassende der VID 204 ermöglicht den Schaufeln 207, in Richtung der Mittelrotationsachse 205 an dem Auslassende der VID 204 zu schwenken, wodurch die VID 204 in die geschlossene Position bewegt wird. Während Bedingungen, bei denen der Druck an den Außenflächen der Schaufeln 207 gleich dem oder weniger als der Druck an den Innenflächen der Schaufeln 207 ist, wird die VID 204 in die offene Position eingestellt (oder in dieser 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 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, die kollinear mit einer Mittelachse eines Verdichters sein kann, wie in 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 zum Beispiel den Einlassleitungen (z. B. Ansaugkanälen), die in 2A-2B, 4A-4B und 5A-5C gezeigt sind. 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 Durchlass fließt, in dem die VID 300 positioniert ist (wie zum Beispiel den Einlassleitungen oder Ansaugkanälen, die in 2A-2B, 4A-4B und 5A-5B gezeigt sind) die Innenflächen 309 und durchläuft die VID 300 über den Strömungskanal 311. Die Richtung des Gasflusses durch die VID 300 ist durch den Pfeil 313 gezeigt. In 3C-3D ist die Richtung von Gasfluss durch die VID 300 in die Seite hinein. Die offene und geschlossene Position der VID 300 werden erreicht, indem die Schaufeln 306 in Richtung von und weg von der Mittelachse 301 geschwenkt werden, an einer Schwenkachse 329, die tangential zu dem Einlassring und senkrecht zu der Mittelachse 301 angeordnet ist, wie weiter nachfolgend erläutert.
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 Fluss 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 können Gelenkelemente 331 Torsionsfedern sein, die annähernd tangential zu dem Einlassring der VID 300 positioniert und innerhalb der Dicke 333 der Schaufeln 306 zentriert sind. Der Querschnittsbereich der Schaufeln 306, wie in 3C zu sehen, ist kleiner im Vergleich zu demjenigen der geschlossenen Position (wie weiter nachfolgend erörtert und in 3B und 3D gezeigt) und im Vergleich zu demjenigen von Vorrichtungen, die Schaufeln oder Flügel aufweisen, die von einer Mittelachse der Vorrichtung zu einem Außenumfang der Vorrichtung ausgerichtet sind. Infolge der Positionierung der Schaufeln 306 in der offenen Position kann Durchflussbegrenzung durch die VID 300 und zu dem Laufrad in der offenen Position reduziert (z. B. minimiert) werden.
Wie ebenfalls in 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, aber überlappen gegebenenfalls nicht. Eine Seitenansicht (z. B. Profil) 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 in die geschlossene Position zu bewegen, werden die Auslassenden 302 der Schaufeln 306 über die Schwenkachsen 329, die an den Einlassenden der Schaufeln 306 angeordnet sind, in Richtung der Mittelachse 301 geschwenkt. Folglich nimmt der zweite Durchmesser 305 ab und bleibt der erste Durchmesser derselbe als wenn sich die VID 300 in der offenen Position befindet. In der geschlossenen Position, wie in 3B und 3D gezeigt, ist der zweite Durchmesser 305 kleiner als der erste Durchmesser 303. Insbesondere ist der zweite Durchmesser 305 um eine erste Menge kleiner als der erste Durchmesser 303 (z. B. Differenz zwischen dem ersten Durchmesser 303 und dem zweiten Durchmesser 305 ist die erste Menge 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 beschränken die Innenflächen 309 der Schaufeln 306 den Fluss von dem Einlassende 304 zu dem Auslassende 302 aufgrund des schrittweise abnehmenden Durchmessers des Strömungskanals 311 der VID 300, von dem Einlassende 304 zu dem Auslassende 302 (z. B. wenn sich Fluss, der den Strömungskanal 311 durchläuft, stromabwärts bewegt). Die Innenflächen 309 weisen eine relativ glatte Fläche auf, um Fluss von dem Einlassende 304 zu dem Auslassende 302 zu leiten. Wie in 3B zu sehen, überlappen die Auslassenden 302 der Schaufeln 306 einander (z. B. überlappt jede Schaufel eine benachbarte Schaufel und wird von einer anderen benachbarten Schaufel überlappt). Jedoch kann es sein, dass Einlassenden 304 der Schaufeln 306 in der geschlossenen Position nicht überlappen oder weniger als die Auslassenden 302 überlappen. Die überlappende Anordnung der Schaufeln an den Auslassenden 302 in der geschlossenen Position stellt eine glatte Innenfläche mit Spiralnuten 308 bereit, wie in 3D dargestellt, wodurch bewirkt wird, dass der Gasfluss beim Durchlaufen der VID 300 verwirbelt wird. Insbesondere, wie in 3D zu sehen, ist jede Schaufel 306 über eine Spiralnut 308 von benachbarten Schaufeln 306 getrennt. Die Spiralnuten 308 sind relativ zu der Mittelachse 301 gebogen. In einem Beispiel ist die Biegung der Spiralnuten 308 vorgespannt, um Fluss in eine Rotationsrichtung zu kanalisieren, welche dieselbe ist wie die Rotation des Laufrads des Verdichters. Zum Beispiel überlappen die Schaufeln 306 in 3B und 3D, um Spiralnuten zu erzeugen, die Gas gegen den Uhrzeigersinn relativ zu der Mittelachse 301 verwirbeln, die kollinear mit einer Mittelrotationsachse des Verdichterlaufrads sein kann, wenn stromaufwärts des Laufrads in einer Verdichtereinlassleitung montiert (wie in 2A-2B, 4A-4B und 5A-5B gezeigt). Das gewirbelte Gas kann dann von dem Auslassende der VID 300 zu dem Laufrad fließen, das sich auch gegen den Uhrzeigersinn dreht.
4A-4B zeigen eine aufgeschnittene Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Verdichters 402 eines Turboladers, einschließlich einer Gehäusestrukturierung 416 und einer VID 404 (wie zum Beispiel der VID 300, die in 3A-3D gezeigt ist), positioniert in einer Einlassleitung (hier auch als der Verdichtereinlass beschrieben) 406 des Verdichters 402. 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, das Spiralgehäuse 412, das Gehäuse 414 und die Gehäusestrukturierung 416. Elemente des Verdichters 402 können in der Richtung von Gasfluss beschrieben sein und jegliches Element auf der Strecke von Gasfluss bezogen auf einen Bezugspunkt wird als stromabwärts des Bezugspunktes angesehen. Umgekehrt befindet sich jedes Element, das bezogen auf einen Bezugspunkt der Richtung des Gasflusses entgegengesetzt positioniert ist, stromaufwärts des Bezugspunktes. Die Richtung des Gasflusses ist parallel zu der Mittelrotationsachse 403 des Laufrads 408 und durch den Pfeil 405 gezeigt. Die Mittelrotationsachse des Laufrads 308 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 nachfolgend beschrieben.
Der Verdichter 402 kann an eine Welle drehgekoppelt sein, die mit einer Turbine (wie zum Beispiel 180 und 176 in 1) verbunden ist, die parallel zu der Mittelrotationsachse angeordnet ist und Energie auf das 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 fließt durch die VID 404 und zu dem Laufrad 408 und dann wird der Gasfluss durch das Laufrad 408 durch den Diffusor 410 in das Spiralgehäuse 412 beschleunigt. Entschleunigung findet während Fluss durch den Diffusor 410 in das Spiralgehäuse 412 statt, wodurch ein Druckanstieg bewirkt wird. Unter Druck stehendes Gas kann von dem Spiralgehäuse 412 zu dem Ansaugkrümmer fließen.
Das Laufrad 408 beinhaltet eine Vielzahl von Schaufeln 418, eine Nabe 420 und weist die Mittelrotationsachse 403 auf, die parallel zu der Flussrichtung durch die Einlassleitung 406 angeordnet ist. Die Gehäusestrukturierung 416 beinhaltet einen Rückführkanal (auch als Resonanzkammer bezeichnet) 424, einen Entlüftungsanschluss 422, einen Betätigungsanschluss 423 und einen Rückführanschluss 430. Der Betätigungsanschluss 423 ist in der Innenwand 425 der Einlassleitung 406 gebildet und koppelt den Rückführkanal an einer Position direkt benachbart zu einer Vielzahl von Schaufeln 407 der VID 404 fluidisch an die Einlassleitung 406. Insbesondere ist der Betätigungsanschluss 423 zwischen einem Einlassende (z. B. stromaufwärts) und Auslassende (z. B. stromabwärts) der VID 404 positioniert. Ferner ist der Betätigungsanschluss 423 zwischen dem Entlüftungsanschluss 422 und Rückführanschluss 430 in dem Rückführkanal 424 positioniert.
Der Rückführkanal 424 ist durch das Gehäuse (z. B. Außengehäuse) 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 dazu angeordnet ist. Der Rückführkanal 424 ist durch eine Innenwand 425 des Gehäuses 414, wobei es sich um die Wand handelt, die die Einlassleitung 406 bildet, von der Einlassleitung 406 getrennt. Zusätzlich ist der Rückführkanal 424 über den Entlüftungsanschluss 422 und Rückführanschluss 430 fluidisch mit der Einlassleitung 406 gekoppelt. Der Entlüftungsanschluss 422 ist in der Innenwand 425 stromabwärts einer Vorderkante des Laufrads 408 und stromaufwärts des Diffusors 410 gebildet. In einem Beispiel ist der Entlüftungsanschluss 422 ein Schlitz, der sich in der und durch die Innenwand 425 befindet. Ein Einlass zu dem Entlüftungsanschluss 422 kann direkt benachbart zu den Laufradschaufeln 418 angeordnet sein. Der Entlüftungsanschluss 422 ist ein Eingang zu dem Rückführkanal 424. Der Rückführkanal 424 schließt sich an den Rückführanschluss 430 an, der in der Wand 425 stromaufwärts eines Einlassendes der VID 404 gebildet ist. Der Rückführanschluss 430 ist konfiguriert, um zu ermöglichen, dass Gas zwischen der Einlassleitung 406 und dem Rückführkanal 424 fließt. Der Entlüftungsanschluss 422, der Betätigungsanschluss 423, der Rückführkanal 424 und der Rückführanschluss 430 mildern die Druckansammlung stromabwärts des Laufrads 408 ab. Dies kann Pumpbedingungen reduzieren, indem Luft zurück zu dem Verdichtereinlass 406 zirkuliert wird und erweitert die Pumpschwelle des Verdichters 402.
Wie in 4A-4B gezeigt, ist die VID 404 in der Einlassleitung 406 angeordnet, stromaufwärts der Vorderkante des Laufrads 408 und stromabwärts der Stelle, an der der Rückführanschluss 430 an die Einlassleitung 406 koppelt. 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 unter Bezugnahme auf 3A-3D detailliert beschrieben. Wie in 4A-4C gezeigt, umspannt die VID 404 eine Gesamtheit der Einlassleitung 406. Insbesondere sind 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, einschließlich einer Vorderkante der Laufradschaufeln 418.
4A zeigt ein erstes Schema 400 des Verdichters 402 mit der VID 404 in einer geschlossenen Position (wie zum Beispiel der geschlossenen Position der VID 300, die in 3B und 3D gezeigt ist) mit Auslassschaufelenden 426 der Schaufeln 407, die am weitesten stromabwärts in der Einlassleitung 406 relativ zu Einlassschaufelenden 428 der Schaufeln 407, einwärts in Richtung der Mittelachse 403 geschwenkt, und den Einlassschaufelenden 428, angeordnet in der Nähe der Innenwände 425 der Einlassleitung 406, angeordnet sind. In einem Beispiel kann der Betätigungsanschluss 423 ermöglichen, dass durch den Rückführkanal 424 rückgeführte Gase auf eine ähnliche Weise auf die VID 404 einwirken wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2C beschrieben. Während Bedingungen, bei denen der Druck an den Laufradschaufeln 418 und in dem Rückführkanal 424 höher als in der Einlassleitung 406 ist, stromaufwärts der VID 404, wird Rückführfluss in eine entgegengesetzte Richtung zu dem Gasfluss 405 durch den Rückführkanal 424 erhöht, wie durch den Pfeil 431 angegeben. Gasfluss folgt auch der Strecke, die durch den Pfeil 429 angegeben ist, wodurch größerer Druck auf die Außenflächen (z. B. die Flächen, die der Innenwand 425 zugewandt sind) der Schaufeln 407 der VID 404 ausgeübt wird als der Druck, der von den Innenflächen der Schaufeln 407 aufgrund des Gasflusses 405 wahrgenommen wird. Somit werden die Auslassschaufelenden 426 der VID 404 nach innen in Richtung der Mittelrotationsachse 403 geschwenkt und wird die VID 404 in eine geschlossene 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 3B und 3D erläutert, bilden die Auslassschaufelenden 426 einen Ring mit einem kleineren Durchmesser als die Einlassschaufelenden 428. Die überlappende Anordnung der Auslassschaufelenden 426 erzeugt eine glatte Innenfläche, die den Fluss durch den Verdichtereinlass 406 einschränkt, wodurch die Verdichtereffizienz unter leichten Verbrennungsmotorlasten verbessert wird. Die durch die überlappenden Schaufelränder 426 gebildeten inneren Nuten erzeugen Vorwirbeln in dem Fluss stromaufwärts des Laufrads 408, wodurch der Fluss in dieselbe Richtung gedreht wird wie die Rotation der Laufradschaufeln 418.
4B zeigt ein zweites Schema 401 mit der VID 404 in einer offenen Position (wie zum Beispiel der offenen Position der VID 300, die in 3A und 3C gezeigt ist). In einem Beispiel ist der Druck an den Laufradschaufeln 418 und stromaufwärts in dem Rückführkanal 424 gleich dem oder weniger als der Druck in der Einlassleitung 406, stromaufwärts der VID 404, und der Druck von Gasfluss durch den Rückführkanal wie durch den Pfeil 431 angegeben kann gleich dem oder weniger als der Gasfluss 405 sein. Folglich erleben die Schaufeln 407 der VID 404 gleich viel oder weniger Druck an den Außenflächen als den Innenflächen und wird die VID 404 in die offene 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 Gasflusses durch die VID 404 und zu dem Laufrad 408 und kann die befohlene Konfiguration der VID 404 unter mittleren bis hohen Verbrennungsmotorlasten sein, wie weiter nachfolgend beschrieben.
5A-5B zeigen eine aufgeschnittene Ansicht einer vierten Ausführungsform eines Verdichters 502 eines Turboladers, einschließlich einer aktiven Gehäusestrukturierung (ACT) und einer VID 540 (wie zum Beispiel der VID 300, die in 3A-3D gezeigt ist), positioniert in einer Einlassleitung (z. B. dem Ansaugkanal) des Verdichters 502. In einer Ausführungsform kann der Verdichter 502 der Verdichter 174 aus 1 sein. Eine Turbine, wie zum Beispiel die Turbine 176, die in 1 gezeigt ist, kann über eine Welle 504 an den Verdichter 502 drehgekoppelt sein. Insbesondere wandelt die Turbine die Energie des Abgases in Rotationsenergie zum Rotieren der mit dem Laufrad 506 verbundenen Antriebswelle 504 um. Das Laufrad 506 kann hier auch als Verdichterrad bezeichnet werden. Der Verdichter 502 beinhaltet das Laufrad 506, den Diffusor 508, das Spiralgehäuse (z. B. die Verdichterkammer) 510, die aktive Gehäusestrukturierung 512 und das Gehäuse 514. Durch die Rotation des Laufrads 506 wird Gas durch den Verdichtereinlass 516 des Gehäuses 514 in den Verdichter 502 gezogen. Als nicht einschränkende Beispiele kann das Gas Luft aus einem Ansaugkanal, Abgas (wie etwa bei Verwendung von Langschleifen-AGR), gasförmigen Kraftstoff (wie etwa bei Verwendung von Saugrohreinspritzung von Kraftstoff) und Kombinationen davon beinhalten. Gas strömt aus dem Verdichtereinlass 516 und wird durch den Diffusor 508 in das Spiralgehäuse 510 beschleunigt. Der Diffusor 508 und das Spiralgehäuse 510 bremsen das Gas ab, wodurch ein Druckanstieg in dem Spiralgehäuse 510 hervorgerufen wird. Unter Druck stehendes Gas kann von dem Spiralgehäuse 510 zu dem Ansaugkrümmer fließen.
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, darunter die Vollschaufel 520 und einen Teiler 522. Die Vollschaufel 520 und der Teiler 522 sind an der Nabe 518 angebracht. Bei der Kante der Vollschaufel 520, die sich in dem Verdichter 502 am meisten stromaufwärts befindet, handelt es sich um die Vorderkante der Vollschaufel 520. Gleichermaßen beinhaltet der Teiler 522 eine Vorderkante an dem am meisten stromaufwärtigen Abschnitt des Teilers 522. Die Vorderkante der Vollschaufel 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 hier auch als eine Mittelachse des Verdichters 502 bezeichnet werden.
Das Gehäuse 514 beinhaltet den Verdichtereinlass 516, den Ansaugkanal (hier auch als Einlassleitung bezeichnet) 526, den Rückführkanal 528, den Rückführanschluss 530, den Betätigungsanschluss 525, den Entlüftungsanschluss 532 und den Einspritzanschluss 534. Das Laufrad 506 ist in dem Ansaugkanal 526 enthalten. Der Entlüftungsanschluss 532 befindet sich stromabwärts der Vorderkante der Voll schaufel 520 und stromaufwärts der Vorderkante des Teilers 522. Der Einspritzanschluss 534 befindet sich stromabwärts der Vorderkante des Teilers 522. Der Betätigungsanschluss 525 ist direkt benachbart zu der VID 540, stromaufwärts des aktiven Gehäuses 512, des Entlüftungsanschlusses 532 und des Einspritzanschlusses 534 und stromabwärts des Rückführanschlusses 530. Der Rückführanschluss 530 befindet sich stromabwärts des Verdichtereinlasses 516 und stromaufwärts des Laufrads 506. Der Rückführanschluss 530 ist konfiguriert, um zu ermöglichen, dass Gas zwischen dem Ansaugkanal 526 und dem Rückführkanal 528 strömen kann.
Der Betätigungsanschluss 525 ist ausgelegt, um die VID 540 passiv zwischen offenen und geschlossenen Bedingungen zu betätigen, abhängig von zwischen der Außenfläche (z. B. Fläche, die der Ansaugkanalwand 507 zugewandt ist) eines Auslassendes 503 von Schaufeln der VID 540 versus der Innenfläche des Auslassendes 503 von Schaufeln der VID 540 erlebten Druckdifferenzen. Während Bedingungen, bei denen der Druck an dem stromabwärtigen Auslassende des Verdichters 502 (in der Nähe des Laufrads 506, des Entlüftungsanschlusses 532 und/oder des Einspritzanschlusses 534) höher ist als stromaufwärts in der Einlassleitung 516 (z. B. stromaufwärts der VID 540), ist die Gasflussrückführung durch den Rückführkanal 528 in eine Richtung entgegengesetzt zu dem Fluss durch den Ansaugkanal 526 erhöht. Gas kann von dem Rückführkanal 528 und durch den Betätigungsanschluss 525 über die durch den Pfeil 542 dargestellte Strecke fließen und höheren Druck an den Außenflächen des Auslassendes 503 der VID 540 erzeugen als der Druck, der von den Innenflächen des Auslassendes 503 aufgrund von Gasfluss durch 526 wahrgenommen wird. Folglich kann die Position des Auslassendes 503 der VID 540 in die geschlossene Position eingestellt werden, wie in 5A gezeigt. Wenn der von den Außenflächen des Auslassendes 503 der VID 540 wahrgenommene Druck weniger als derjenige oder gleich demjenigen ist, der an den Innenflächen ausgeübt wird, wird die VID 540 in die offene Position betätigt, wie in 5B gezeigt, wodurch Einschränkung des Gasflusses durch den Ansaugkanal 526 minimiert wird.
Die aktive Gehäusestrukturierung 512 ist konfiguriert, um den Gasstrom durch den Verdichter 502 zu steuern. Insbesondere kann die aktive Gehäusestrukturierung 512, gesteuert durch eine Steuerung (z. B. die Steuerung 12, die in 1 gezeigt ist), den Fluss von Gas durch den Entlüftungsanschluss 532 und Einspritzanschluss 534 selektiv steuern. Während geringer Massenflussbedingungen kann die aktive Gehäusestrukturierung 512 ermöglichen, dass Gas aus dem Ansaugkanal 526 durch den Entlüftungsanschluss 532 in den Rückführkanal 528 strömt. Das Gas strömt ferner weiter aus dem Rückführkanal 528, durch die Rückführöffnung 530 und in den Ansaugkanal 526. Somit kann der Gasstrom, der auf der Vorderkante der Vollschaufel 520 auftrifft, umfangreicher sein als ohne den Entlüftungsanschluss 532. Der zusätzliche Gasstrom kann ermöglichen, dass der Turboladerverdichter mit weniger Gasstrom durch den Verdichter arbeitet, bevor ein Pumpen auftritt.
Während Bedingungen mit hohem Massenfluss kann die aktive Gehäusestrukturierung 512 ermöglichen, dass Gas durch den Einspritzanschluss 534 fließt. Während Bedingungen mit hohem Massenfluss kann eine Niederdruckzone in dem Ansaugkanal 526 stromabwärts der Vorderkante des Teilers 522 benachbart zu dem Einspritzanschluss 534 vorhanden sein. Die Niederdruckzone kann Gas dazu veranlassen, aus dem Ansaugkanal 526 durch den Rückführanschluss 530 in den Rückführkanal 528 durch den Einspritzanschluss 534 zurück in den Ansaugkanal 526 zu fließen. Der Kurzschlussweg durch den Rückführkanal 526 kann ermöglichen, dass der Gasstrom durch den Verdichter bei Bedingungen eines hohen Massenstroms verglichen mit einem Verdichter ohne den Einspritzanschluss 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 Anschlüsse, die den Ansaugkanal 526 mit dem Rückführkanal 528 verbinden, wie etwa der Rückführanschluss 530, der Einspritzanschluss 534 und der Entlüftungsanschluss 532, können jeweils mit verschiedenen Mitteln umgesetzt sein. Zum Beispiel können die Anschlüsse als ein oder mehrere Löcher konstruiert sein, die in einer Wand 525 des (z. B. eines wandbildenden) Ansaugkanals 526 gebildet sind. In einem Beispiel kann die Wand 525 Teil des Gehäuses 514 sein. Als ein weiteres Beispiel können die Anschlüsse als ein oder mehrere Schlitze konstruiert sein, die sich um den Umfang des Ansaugkanals und durch eine Wand des Gehäuses, das den Ansaugkanal bildet, erstrecken. Die Anschlüsse können eine einheitliche oder nichteinheitliche Breite entlang der Länge des Anschlusses von dem Ansaugkanal 526 zu dem Rückführkanal 528 aufweisen. Jeder Anschluss kann eine Mittellinie aufweisen, die sich entlang der Länge des Anschlusses 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. Beispielsweise kann eine verschiebbare Gehäusehülse in dem Rückführkanal eingepasst sein, um den Gasstrom durch den Einspritzanschluss 534 und/oder Entlüftungsanschluss 532 selektiv zu blockieren. Die Gehäusehülse kann ein oder mehrere Löcher und/oder einen oder mehrere Schlitze 536 beinhalten, wie in 5A-5B gezeigt, die abhängig von der Position der Gehäusehülse auf den Einspritzanschluss 534 und/oder Entlüftungsanschluss 532 ausgerichtet sind. Wenn zum Beispiel eine Steuerung, wie zum Beispiel die Steuerung 12, geringe Massenflussbedingungen erfasst, kann die Gehäusehülse eingestellt sein, sodass Schlitze 536 in der Gehäusehülse auf den Entlüftungsanschluss 532 ausgerichtet sind und Schlitze 536 in der Gehäusehülse nicht auf den Einspritzanschluss 534 ausgerichtet sind. Auf diese Weise kann die Gehäusehülse eingestellt werden, sodass während Bedingungen mit geringem Massendurchfluss der Entlüftungsanschluss 532 offen ist und der Einspritzanschluss 534 blockiert ist.
Als ein anderes Beispiel, wenn eine Steuerung hohe Massenflussbedingungen erfasst, kann die Gehäusehülse eingestellt sein, sodass Schlitze 536 in der Gehäusehülse auf den Einspritzanschluss 534 ausgerichtet sind, aber Schlitze 536 in der Gehäusehülse nicht auf den Entlüftungsanschluss 532 ausgerichtet sind. Auf diese Weise kann die Gehäusehülse eingestellt werden, sodass während Bedingungen mit hohem Massendurchfluss der Einspritzanschluss 534 offen ist und der Entlüftungsanschluss 532 blockiert ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die aktive Gehäusestrukturierung 512 auf Grundlage einer Druckdifferenz über den Verdichtereinlass 516 und den Ansaugkrümmer eingestellt werden. In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die aktive Gehäusestrukturierung 512 auf Grundlage einer Druckdifferenz über den Ansaugkrümmer und den Turbineneinlass eingestellt 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 Drosselschwellen eingestellt sein. Es versteht sich, dass diese konkreten Ausführungsformen als Beispiel dargestellt sind und nicht der Einschränkung auf jegliche Weise dienen.
Wie in 5A-5B gezeigt, ist eine variable Einlassvorrichtung (VID) 540 innerhalb des Ansaugkanals 526, stromaufwärts des Laufrads 506 positioniert. Die VID 540 kann die in 3A-3D gezeigte VID 300 sein, wie vorstehend beschrieben. 5A zeigt ein erstes Schema 500 mit der VID in eine geschlossene Position eingestellt (z. B. betätigt, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3A und 3C beschrieben, während 5B ein zweites Schema 550 mit der in eine offene Position eingestellte (z. B. betätigte) VID zeigt, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3B und 3D beschrieben.
Insbesondere ist das Auslassende 503 der VID 540 stromaufwärts des Entlüftungsanschlusses 532 angeordnet und ist das Einlassende 505 stromabwärts des Rückführanschlusses 530 angeordnet. Die VID 540 umspannt eine Gesamtheit des Ansaugkanals 526 und ist benachbart zu Wänden 507 des Ansaugkanals 526 angeordnet. Unter leichteren Lastbedingungen kann die VID 540 durch Fluss durch den Betätigungsanschluss passiv in die geschlossene Position betätigt werden, wie in 5A gezeigt, und kann das aktive Gehäuse 512 in eine Position eingestellt werden, die es dem Entlüftungsanschluss 532 ermöglicht, offen zu sein. Die durch die überlappende Anordnung der Schaufeln der VID 540 an dem Auslassende erzeugten inneren Spiralnuten erzeugen Vorwirbelfluss in der Luft, die die VID 540 durchläuft, bevor sie das stromabwärtige Laufrad 506 kontaktiert. Die Kombination aus rückgeführtem Luftstrom aus dem Ansaugkanal 526 stromabwärts der VID 540 durch den Entlüftungsanschluss 532 in den Rückführkanal 528 und zurück in den Ansaugkanal 526 über den Rückführanschluss 530 mit dem durch die geschlossene VID 540 erzeugten Vorwirbelfluss kann die Verdichterpumpschwelle erhöhen.
Für mittlere Verbrennungsmotorlasten wird die VID 540 durch das vorstehend beschriebene Betätigungsverfahren in die offene Position betätigt, wie in 5A gezeigt, und das aktive Gehäuse 512 wird eingestellt, sodass der Entlüftungsanschluss 532 und Einspritzanschluss 534 geschlossen sind. Durchflussbegrenzung ist durch die VID 540 minimiert und Zirkulation durch den Entlüftungsanschluss 532 und Einspritzanschluss 534 wird verhindert. Für höheren Massenfluss und höhere Verbrennungsmotorlastbedingungen bleibt die VID 540 offen und wird das aktive Gehäuse 512 angepasst, um dem Einspritzanschluss 534 zu ermöglichen, offen zu dem Ansaugkanal 526 zu sein. Der Luftstrom durch den Rückführanschluss 530 ist aktiviert, wird in den Rückführkanal fortgesetzt und tritt durch den Einspritzanschluss 534 in den Ansaugkanal 526 ein. Dieser Kurzschlussfluss verbessert die Pumpschwelle bei hohen Verbrennungsmotorlasten.
In alternativen Ausführungsformen aus 4A-4B und 5A-5B kann die VID über einen Aktor in elektronischer Kommunikation mit einer Steuerung (wie in 2A-2B gezeigt) aktiv gesteuert werden. In diesen Ausführungsformen enthält der Rückführkanal den vorstehend beschriebenen Betätigungsdurchlass gegebenenfalls nicht.
2A-5B zeigen beispielhafte Konfigurationen mit einer relativen Positionierung der verschiedenen Komponenten. Wenn derartige Elemente so gezeigt sind, dass sie einander direkt kontaktieren oder direkt miteinander gekoppelt sind, können sie in zumindest einem Beispiel als sich direkt kontaktierend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Gleichermaßen können Elemente, die aneinander angrenzend oder benachbart gezeigt sind, zumindest in einem Beispiel aneinander angrenzend bzw. benachbart sein. Beispielsweise können Komponenten, die in flächenteilendem Kontakt zueinander liegen, als in flächenteilendem Kontakt bezeichnet werden. Als ein weiteres Beispiel können Elemente, die voneinander getrennt positioniert sind, wobei sich dazwischen lediglich ein Raum befindet und keine anderen Komponenten, zumindest in einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als noch ein weiteres Beispiel können Elemente, die über-/untereinander, an gegenüberliegenden Seiten voneinander oder links/rechts voneinander gezeigt sind, in Bezug aufeinander als solche bezeichnet werden. Ferner kann, wie in den Figuren gezeigt, ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements in zumindest einem Beispiel als eine „Oberseite“ der Komponente bezeichnet werden und kann ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements als eine „Unterseite“ der Komponente bezeichnet werden. Wie hier verwendet, können sich Oberseite/Unterseite, obere(r/s)/untere(r/s), über/unter auf eine vertikale Achse der Figuren beziehen und dazu verwendet werden, um die Positionierung von Elementen der Figuren in Bezug aufeinander zu beschreiben. Somit sind Elemente, die über anderen Elementen gezeigt sind, in einem Beispiel vertikal über den anderen Elementen positioniert. Als noch ein weiteres Beispiel können zudem Formen der Elemente, die in den Figuren dargestellt sind, als diese Formen (z. B. kreisförmig, gerade, eben, gekrümmt, abgerundet, abgeschrägt, abgewinkelt oder dergleichen) aufweisend bezeichnet werden. Zudem können Elemente, die so gezeigt sind, dass sie einander schneiden, in zumindest 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.
Nun wird unter Bezugnahme auf 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zur Steuerung des Betriebs (z. B. Steuerung einer Position) einer variablen Einlassvorrichtung, die 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 zum Beispiel die VID 204, die in 2A-2C gezeigt ist. In einigen Ausführungsformen kann die VID in der Einlassleitung eines Verdichters stromaufwärts des Laufrads positioniert sein, wo der Verdichter zusätzlich eine Gehäusestrukturierung beinhaltet, die einen Rückführkanal beinhaltet, wie zum Beispiel die VID 404, die in 4A-4B gezeigt ist. Anweisungen zum Durchführen 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 einzustellen. 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) einzustellen. 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 Außen- und Innenflächen der Auslassenden der Schaufeln der VID passiv betätigt werden, wie in 2C und 4A-4B gezeigt. In diesen Ausführungsformen kann das Verfahren 600 nicht durch eine Steuerung ausgeführt werden, sondern passiv über die verschiedenen vorstehend beschriebenen Kanäle und Betätigungsdurchlässe gemäß sich ändernden Druckdifferenzen, die bei bestimmten Schwellen auftreten, wie zum Beispiel einer Pumpschwelle. Somit kann in dem nachfolgend beschriebenen Verfahren das Öffnen und Schließen der VID auf Grundlage der sich ändernden Druckdifferenzen über und unter der Pumpschwelle passiv stattfinden.
Bei 602 beinhaltet das Verfahren das Schätzen und/oder Messen von Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen. Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen können Verbrennungsmotordrehzahl, Verbrennungsmotorlast, Verbrennungsmotortemperaturen (wie zum Beispiel Verbrennungsmotorkühlmitteltemperatur), Massenluftstrom zu dem Verbrennungsmotor, Ansaugkrümmerdruck, eine Druckdifferenz durch einen Verdichter, eine Massenluftstromrate durch den Verdichter, eine Position der VID usw. beinhalten. Bei 604 beinhaltet das Verfahren, ob aktueller Verbrennungsmotorbetrieb unterhalb einer Pumpschwelle liegt. Aktueller Verbrennungsmotorbetrieb unterhalb einer Pumpschwelle kann beinhalten, dass eine aktuelle (z. B. aktuell bestimmte) Verbrennungsmotorlast und Verbrennungsmotordrehzahl unterhalb einer Pumplinie oder -schwelle liegen. Zum Beispiel kann eine Karte von Verbrennungsmotorlast vs. Verbrennungsmotordrehzahl, wie zum Beispiel die Karte 700, die in 7 gezeigt ist, in einem Speicher der Steuerung gespeichert sein. Mit Blick auf 7 beinhaltet die Karte 700 eine Betriebsbegrenzungslinie 702. All die möglichen Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastbetriebspunkte des Verbrennungsmotors können innerhalb der Achsen und Betriebsgrenzlinie 702 enthalten sein. Die Karte 700 beinhaltet zudem eine Pumpschwellenlinie 704. Wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der unter die oder links der Pumpschwellenlinie 704 fällt, kann die Wahrscheinlichkeit von Verdichterpumpen relativ dazu, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der über die oder rechts der Pumpschwellenlinie 704 fällt, erhöht sein. Die Karte 700 beinhaltet zwei Bereiche: einen ersten Bereich 706, der unter oder links der Pumpschwellenlinie 704 liegt und einen zweiten Bereich 708, der über oder rechts der Pumpschwellenlinie 704 liegt. Wie weiter nachfolgend erläutert, kann der Verbrennungsmotor, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der in den ersten Bereich 706 fällt, unter einer leichteren Lastbedingung arbeiten und kann die Steuerung die VID betätigen, sodass sie in der geschlossenen Position ist. Umgekehrt kann der Verbrennungsmotor, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der in den zweiten Bereich 708 fällt, unter einer höheren Lastbedingung arbeiten und kann die Steuerung die VID betätigen, sodass sie in der offenen Position ist. In alternativen Ausführungsformen kann die Steuerung anstelle einer Karte von Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast eine Karte von Verdichterbedingungen verwenden, wie zum Beispiel Differenzdruck durch den Verdichter und Massenluftstrom durch den Verdichter relativ zu einer Pumplinie, um zu bestimmen, in welche Position die VID einzustellen ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf 6 kann die Steuerung bei 604 unter Verwendung einer gespeicherten Karte oder Lookup-Tabelle, die derjenigen der Karte 700 ähnlich ist, die in 7 gezeigt ist, bestimmen, ob der Verbrennungsmotor unterhalb der Pumpschwelle arbeitet. Zum Beispiel kann die Steuerung die aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast bestimmen und dann nachschlagen, ob dieser Betriebspunkt oberhalb oder unterhalb der Pumpschwelle liegt. In einem Beispiel kann die Pumpschwelle eine voreingestellte Pumpschwelle sein, die in der Karte oder Lookup-Tabelle gespeichert ist. Wenn der Verbrennungsmotor nicht unterhalb der Pumpschwelle arbeitet (z. B. der aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt in dem zweiten Bereich 708 liegt, der in Karte 700 gezeigt ist), wird das Verfahren mit 606 fortgesetzt, um die VID zu öffnen. Das Öffnen der VID kann beinhalten, dass die Steuerung ein elektronisches Signal an einen Aktor der VID (wie zum Beispiel einen in 2A-2B gezeigten Aktor 209) sendet, um entweder die VID von der geschlossenen Position in die offene Position einzustellen oder um 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 in der offenen Position eine Innenfläche der VID Fluss durch die VID von einem Einlassende zum Auslassende der VID nicht. Das Einstellen der VID aus der geschlossenen Position in die offene Position kann das Schwenken einer Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln der VID beinhalten, über den Aktor, der an Schwenkachsen der Schaufeln gekoppelt ist, in eine Richtung relativ zu einer Mittelachse des Verdichters (um die sich das Laufrad dreht), um Überlappen der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln an dem Auslassende der VID zu reduzieren und einen Durchmesser des Auslassendes der VID zu erhöhen.
In einer alternativen Ausführungsform, wenn die VID über Druckdifferenzen durch die VID über einen Kanal oder Betätigungsanschluss in einer Wand der Einlassleitung passiv betätigt wird (anstatt aktiv über die Steuerung), kann das Verfahren das Strömen von Gas durch eine(n) Rückführkammer oder Kanal (wie in 4A-4B gezeigt) in die entgegengesetzte Flussrichtung durch den Ansaugkanal beinhalten, wodurch Gas zu dem Ansaugkanal zurückgeführt wird. Dies kann während Bedingungen stattfinden, bei denen der Verbrennungsmotor unterhalb der Pumpschwelle arbeitet, d. h. bei 608 in 6, und führt zu höherem Druck an dem Auslassende des Verdichters (wie als stromabwärts der Vorderkante des Verdichterlaufrads definiert) versus dem Einlassende des Verdichters (wie als stromaufwärts des Laufrads und der VID definiert). Die Druckdifferenz über den Verdichter führt zu umgekehrtem Fluss durch die/den Rückführkammer oder -kanal, was Gasfluss durch einen Kanal oder Betätigungsanschluss direkt benachbart zu der VID erzeugt, und angeordnet in dem Rückführkanal, stromabwärts des Laufrads und stromaufwärts des Rückführanschlusses, wie in 4A-4B gezeigt. Der Gasfluss durch den Kanal oder Betätigungsanschluss übt einen Druck auf die Außenflächen (z. B. den Wänden des Ansaugkanals zugewandt) der Schaufeln der VID aus, der größer ist als der Druck, der von den Innenflächen der Schaufeln wahrgenommen wird, der sich aus Gasfluss durch den Ansaugkanal ergibt. Die Druckdifferenz über die Schaufeln der VID betätigt die VID in die geschlossene Position, wodurch 604 dazu geleitet wird, mit 608 in 6 fortzufahren.
Während Bedingungen, bei denen der Verbrennungsmotor oberhalb der Pumpschwelle arbeitet und der Druck an dem Auslassende weniger als der oder gleich dem Druck an dem Einlassende des Verdichters ist, kann das Verfahren Gasfluss durch den Ansaugkanal beinhalten, der gleich dem oder größer als Gasfluss durch die Rückführkammer und den Kanal oder Betätigungsanschluss ist, was dazu führt, dass der Druck, der an den Innenflächen der Schaufeln der VID wahrgenommen wird, größer als der oder gleich dem Druck ist, der auf die Außenflächen der Schaufeln ausgeübt wird, wodurch die VID in die offene Position betätigt oder in dieser gehalten wird. Somit wird 604 mit 606 in 6 fortgesetzt.
Alternativ wird das Verfahren, wenn der Verbrennungsmotor unterhalb der Pumpschwelle arbeitet (z. B. der aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt in dem ersten Bereich 706 liegt, der in Karte 700 gezeigt ist), mit 608 fortgesetzt, um die VID zu schließen. 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 in die geschlossene Position einzustellen oder um 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 unter Bezugnahme auf diese Figuren erläutert, engt in der geschlossenen Position die Innenfläche der VID eine Länge der VID ein und erzeugt Wirbelfluss an dem Auslassende der VID. Das Einstellen der VID aus der offenen Position in die geschlossene Position kann das Schwenken jeder Schaufel der VID über den Aktor, der an Schwenkachsen der Schaufeln gekoppelt ist, beinhalten, sodass das Auslassende jeder Schaufel in Richtung der Mittelachse des Verdichters schwenkt und das Einlassende jeder Schaufel weg von der Mittelachse des Verdichters schwenkt.
Nun ist unter Bezugnahme auf 8 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 zum Beispiel die VID 540, die in 5A-5B gezeigt ist. Anweisungen zum Durchführen des Verfahrens 800 können durch eine Steuerung (z. B. die in 1 gezeigte Steuerung 12 oder die in 2A-2B gezeigte Steuerung 211) ausgeführt werden, 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 unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Sensoren. Die Steuerung kann Verbrennungsmotoraktoren des Verbrennungsmotorsystems einsetzen, um den Verbrennungsmotorbetrieb gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren einzustellen. 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) einzustellen. 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 Außen- und Innenflächen der Auslassenden der Schaufeln der VID passiv betätigt werden, wie in FIG und 5A-5B gezeigt. In diesen Ausführungsformen kann das Verfahren 800 nicht durch eine Steuerung ausgeführt werden, sondern passiv über die verschiedenen vorstehend beschriebenen Kanäle und Betätigungsdurchlässe gemäß sich ändernden Druckdifferenzen, die bei bestimmten Schwellen auftreten, wie zum Beispiel einer Pumpschwelle. Somit kann in dem nachfolgend beschriebenen Verfahren das Öffnen und Schließen der VID auf Grundlage der sich ändernden Druckdifferenzen über und unter der Pumpschwelle passiv stattfinden.
Bei 802 beinhaltet das Verfahren das Schätzen und/oder Messen von Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen. Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen können Verbrennungsmotordrehzahl, Verbrennungsmotorlast, Verbrennungsmotortemperaturen (wie zum Beispiel Verbrennungsmotorkühlmitteltemperatur), Massenluftstrom zu dem Verbrennungsmotor, Ansaugkrümmerdruck, eine Druckdifferenz durch einen Verdichter, eine Massenluftstromrate 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 das Bestimmen, ob aktueller Verbrennungsmotorbetrieb unterhalb einer Pumpschwelle liegt. Aktueller Verbrennungsmotorbetrieb unterhalb einer Pumpschwelle kann beinhalten, dass eine aktuelle (z. B. aktuell bestimmte) Verbrennungsmotorlast und Verbrennungsmotordrehzahl unterhalb einer Pumplinie oder -schwelle liegen. Zum Beispiel kann eine Karte von Verbrennungsmotorlast vs. Verbrennungsmotordrehzahl, wie zum Beispiel die Karte 900, die in 9 gezeigt ist, in einem Speicher der Steuerung gespeichert sein. Mit Blick auf 9 beinhaltet die Karte 900 eine Betriebsbegrenzungslinie 902. All die möglichen Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastbetriebspunkte des Verbrennungsmotors können innerhalb der Achsen und Betriebsgrenzlinie 902 enthalten sein. Die Karte 900 beinhaltet zudem eine Pumpschwellenlinie 904 und eine Drosselschwellenlinie 906. Wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der unter die oder links der Pumpschwellenlinie 904 fällt, kann die Wahrscheinlichkeit von Verdichterpumpen relativ dazu, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der unter die oder rechts der Pumpschwellenlinie 904 fällt, erhöht sein. Wenn ferner der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der über die oder rechts der Drosselschwellenlinie 906 fällt, kann die Wahrscheinlichkeit von Verdichterdrosseln relativ dazu, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der unter die oder links der Drosselschwellenlinie 906 fällt, erhöht sein.
Die Karte 900 beinhaltet drei Bereiche: einen ersten Bereich 908, der unterhalb oder links der Pumpschwellenlinie 904 liegt, einen zweiten Bereich 910, der oberhalb oder rechts der Pumpschwellenlinie 904 und unterhalb oder links der Drosselschwellenlinie 906 liegt und einen dritten Bereich 912, der oberhalb oder rechts der Drosselschwellenlinie 906 liegt. Wie nachfolgend weiter erläutert, kann der Verbrennungsmotor, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der in den ersten Bereich 908 fällt, unter einer leichteren Lastbedingung arbeiten und kann die Steuerung die VID betätigen, sodass sie in der geschlossenen Position ist, während auch die aktive Gehäusestrukturierung (ACT) in eine Position zur Drosselsteuerung betätigt wird. In einem Beispiel kann das Betätigen der ACT in die Position zur Pumpsteuerung das Einstellen einer verschiebbaren Hülse der ACT in eine erste Position beinhalten, in der eine Vielzahl von Hülsenschlitzen der verschiebbaren Hülse auf einen Entlüftungsanschluss (wie zum Beispiel den Entlüftungsanschluss 532, der in 5A-5B gezeigt ist) ausgerichtet ist. In der ersten Position kann Gas zwischen dem Ansaugkanal des Verdichters und Rückführkanal der ACT über den Entlüftungsanschluss und Rückführanschluss der ACT fließen. Wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der in den zweiten Bereich 910 fällt, kann der Verbrennungsmotor unter einer mittleren Lastbedingung arbeiten und kann die Steuerung die VID, sodass sie in der offenen Position ist, und die ACT, sodass sie sowohl zu dem Pumpanschluss als auch zu dem Einspritzanschluss (wie zum Beispiel dem Einspritzanschluss 534, der in 5A-5B gezeigt ist) geschlossen ist, betätigen. In einem Beispiel kann das Betätigen der ACT, sodass sie sowohl zu dem Pump- als auch Einspritzanschluss geschlossen ist, das Einstellen der verschiebbaren Hülse der ACT in eine zweite Position beinhalten, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen weder auf den Entlüftungsanschluss noch auf den Einspritzanschluss ausgerichtet ist. Folglich fließt kein Gas zwischen dem Ansaugkanal und Rückführkanal über den Entlüftungsanschluss und Einspritzanschluss. Schließlich kann der Verbrennungsmotor, wenn der Verbrennungsmotor bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastpunkt arbeitet, der in den dritten Bereich 912 fällt, unter einer höheren Lastbedingung arbeiten und kann die Steuerung die VID, sodass sie in der offenen Position ist, und die ACT in eine Position zur Drosselsteuerung betätigen. In einem Beispiel kann das Betätigen der ACT in die Position zur Drosselsteuerung das Einstellen der verschiebbaren Hülse der ACT in eine dritte Position beinhalten, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen auf den Einspritzanschluss ausgerichtet ist. In der dritten Position fließt Gas zwischen dem Ansaugkanal und Rückführkanal über den Einspritzanschluss und Rückführanschluss. In alternativen Ausführungsformen kann die Steuerung anstelle einer Karte von Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast eine Karte von Verdichterbedingungen verwenden, wie zum Beispiel Differenzdruck durch den Verdichter und Massenluftstrom durch den Verdichter relativ zu einer Pumplinie und Drossellinie, um zu bestimmen, in welche Position die VID und ACT einzustellen sind.
Unter erneuter Bezugnahme auf 8 kann die Steuerung bei 804 unter Verwendung einer gespeicherten Karte oder Lookup-Tabelle, die derjenigen der Karte 900 ähnlich ist, die in 9 gezeigt ist, bestimmen, ob der Verbrennungsmotor unterhalb der Pumpschwelle arbeitet. Zum Beispiel kann die Steuerung die aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast bestimmen und dann nachschlagen, ob dieser Betriebspunkt oberhalb oder unterhalb der Pumpschwelle und/oder oberhalb oder unterhalb der Drosselschwelle liegt. In einem Beispiel kann die Pumpschwelle eine voreingestellte Pumpschwelle sein und kann die Drosselschwelle eine voreingestellte Drosselschwelle sein, die in der Karte oder Lookup-Tabelle gespeichert sind. Wenn der Verbrennungsmotor unterhalb der Pumpschwelle arbeitet (z. B. der aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt in dem ersten Bereich 908 liegt), wird das Verfahren mit 806 fortgesetzt, um die VID zu schließen und die ACT einzustellen, sodass sie zu dem 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 in die geschlossene Position einzustellen oder um 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 unter Bezugnahme auf diese Figuren erläutert, engt in der geschlossenen Position die Innenfläche der VID eine Länge der VID ein und erzeugt Wirbelfluss an dem Auslassende der VID. Das Einstellen der VID aus der offenen Position in die geschlossene Position kann das Schwenken jeder Schaufel der VID über den Aktor, der an Schwenkachsen der Schaufeln gekoppelt ist, beinhalten, sodass das Auslassende jeder Schaufel in Richtung der Mittelachse des Verdichters schwenkt und das Einlassende jeder Schaufel weg von der Mittelachse des Verdichters schwenkt. Das Einstellen der ACT, sodass sie offen zu dem Pumpschlitz ist, kann das Einstellen der verschiebbaren Hülse der ACT in eine erste Position beinhalten, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen der ACT auf den Entlüftungsanschluss ausgerichtet ist (wie zum Beispiel die ACT 512 und der Entlüftungsanschluss 532, die in 5A-5B gezeigt sind). In einem Beispiel kann das Verfahren bei 806 das Schließen der VID gleichzeitig mit dem Einstellen der ACT, sodass sie zu dem Pumpschlitz offen ist, beinhalten. Auf diese Weise kann die Steuerung zwei Betätigungssignale senden, eines zum Schließen der VID und eines zum Öffnen der ACT zu dem Pumpschlitz als Reaktion darauf, dass der Verbrennungsmotor unterhalb der Pumpschwelle arbeitet.
Alternativ wird das Verfahren bei 804, wenn der Verbrennungsmotor nicht unterhalb der Pumpschwelle arbeitet (z. B. der aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt in dem zweiten Bereich 910 oder dritten Bereich 912 liegt, die in Karte 900 gezeigt sind), mit 808 fortgesetzt, um zu bestimmen, ob der Verbrennungsmotor oberhalb der Drosselschwelle arbeitet. Zum Beispiel kann die Steuerung die aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast bestimmen und dann (unter Verwendung der Karte 900 oder einer ähnlichen Karte oder Lookup-Tabelle, die in dem Speicher der Steuerung gespeichert ist) nachschlagen, ob dieser Betriebspunkt oberhalb oder unterhalb der Drosselschwelle liegt. Wenn der Verbrennungsmotor oberhalb der Drosselschwelle arbeitet (z. B. der aktuelle Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt in dem dritten Bereich 912 liegt), wird das Verfahren mit 810 fortgesetzt, um die VID zu öffnen und die ACT einzustellen, sodass sie zu dem Drosselschlitz offen ist. Das Öffnen der VID kann beinhalten, dass die Steuerung ein elektronisches Signal an einen Aktor der VID (wie zum Beispiel einen in 2A-2B gezeigten Aktor 209) sendet, um entweder die VID von der geschlossenen Position in die offene Position einzustellen oder um 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 in der offenen Position eine Innenfläche der VID Fluss durch die VID von einem Einlassende zum Auslassende der VID nicht. Das Einstellen der VID aus der geschlossenen Position in die offene Position kann das Schwenken einer Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln der VID beinhalten, über den Aktor, der an Schwenkachsen der Schaufeln gekoppelt ist, in eine Richtung relativ zu einer Mittelachse des Verdichters (um die sich das Laufrad dreht), um Überlappen der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln an dem Auslassende der VID zu reduzieren und einen Durchmesser des Auslassendes der VID zu erhöhen. Das Einstellen der ACT, sodass sie offen zu dem Drosselschlitz ist, kann das Einstellen der verschiebbaren Hülse der ACT in eine dritte Position beinhalten, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen der ACT auf den Einspritzanschluss ausgerichtet ist (wie zum Beispiel die ACT 512 und der Einspritzanschluss 534, die in 5A-5B gezeigt sind). In einem Beispiel kann das Verfahren bei 810 das Öffnen der VID gleichzeitig mit dem Einstellen der ACT, sodass sie zu dem Drosselschlitz offen ist, beinhalten. Auf diese Weise kann die Steuerung zwei Betätigungssignale senden, eines zum Öffnen der VID und eines zum Öffnen der ACT zu dem Drosselschlitz als Reaktion darauf, dass der Verbrennungsmotor oberhalb der Drosselschwelle arbeitet.
Alternativ kann der Verbrennungsmotor bei 808, wenn der Verbrennungsmotor nicht oberhalb der Drosselschwelle arbeitet, bei einem Verbrennungsmotordrehzahl- und -lastpunkt in dem zweiten Bereich 910 arbeiten, der in Karte 900 gezeigt ist. Als Reaktion auf Betrieb unterhalb der Drosselschwelle, aber oberhalb der Pumpschwelle, wird das Verfahren mit 812 fortgesetzt, um die VID zu öffnen und die ACT einzustellen, sodass sie sowohl zu dem Pumpschlitz (z. B. dem Entlüftungsanschluss 532, der in 5A-5B gezeigt ist) als auch dem Drosselschlitz (z. B. dem Einspritzanschluss 534, der in 5A-5B gezeigt ist) geschlossen ist. Das Einstellen der ACT, sodass sie sowohl zu dem Pumpschlitz als auch Drosselschlitz geschlossen ist, kann das Einstellen der verschiebbaren Hülse der ACT in eine zweite Position beinhalten, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen weder auf den Entlüftungsanschluss noch auf den Einspritzanschluss ausgerichtet ist. In einem Beispiel kann das Verfahren bei 812 das Öffnen der VID gleichzeitig mit dem Einstellen der ACT, sodass sie sowohl zu dem Pump- als auch zu dem Drosselschlitz geschlossen ist, beinhalten. Auf diese Weise kann die Steuerung zwei Betätigungssignale senden, eines zum Öffnen der VID und eines zum Schließen der ACT zu dem Drossel- und Pumpschlitz als Reaktion darauf, dass der Verbrennungsmotor unterhalb der Drosselschwelle und oberhalb der Pumpschwelle arbeitet.
In einer alternativen Ausführungsform, wenn die VID über Druckdifferenzen durch die VID über einen Kanal oder Betätigungsanschluss in einer Wand der Einlassleitung passiv betätigt wird (anstatt aktiv über die Steuerung), kann das Verfahren das Strömen von Gas durch eine Rückführkammer (wie in 4A und 5A gezeigt) in die entgegengesetzte Flussrichtung durch den Ansaugkanal beinhalten, wodurch Gas zu dem Ansaugkanal zurückgeführt wird. Dies kann während Bedingungen stattfinden, bei denen der Verbrennungsmotor unterhalb der Pumpschwelle arbeitet, d. h. bei 806 in 8, und führt zu höherem Druck an dem Auslassende des Verdichters versus dem Einlassende. Die Druckdifferenz über den Verdichter führt zu umgekehrtem Fluss durch die Rückführkammer, was Gasfluss durch einen Kanal oder Betätigungsanschluss direkt benachbart zu der VID erzeugt, und stromabwärts des Entlüftungsanschlusses, Pumpschlitzes und Laufrads und stromaufwärts des Rückführanschlusses, wie in 5A-5B gezeigt. Der Gasfluss durch den Kanal oder Betätigungsanschluss übt einen Druck auf die Außenflächen (z. B. den Wänden des Ansaugkanals zugewandt) der Schaufeln der VID aus, der größer ist als der Druck, der von den Innenflächen der Schaufeln wahrgenommen wird, der sich aus Gasfluss durch den Ansaugkanal ergibt. Die Druckdifferenz über die Schaufeln der VID betätigt die VID in die geschlossene Position, was dazu führt, dass 804 in 8 mit 806 fortgesetzt wird.
Während Bedingungen, bei denen der Verbrennungsmotor oberhalb der Pumpschwelle arbeitet und der Druck an dem Auslassende weniger als der oder gleich dem Druck an dem Einlassende des Verdichters ist, kann das Verfahren Gasfluss durch den Ansaugkanal beinhalten, der gleich dem oder größer als Gasfluss durch die Rückführkammer und den Kanal oder Betätigungsanschluss ist, was dazu führt, dass der Druck, der an den Innenflächen der Schaufeln der VID wahrgenommen wird, größer als der oder gleich dem Druck ist, der auf die Außenflächen der Schaufeln ausgeübt wird, wodurch die VID in die offene Position betätigt oder in dieser gehalten wird. Somit geht 804 zu 808 in 8 über.
Auf diese Weise kann eine variable Einlassvorrichtung (VID), die innerhalb einer Einlassleitung eines Verdichters positioniert ist, stromaufwärts eines Laufrads des Verdichters, verwendet werden, um den Fluss durch die Einlassleitung und zu dem Laufrad einzustellen. Die VID kann eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln beinhalten, die in einem Ring angeordnet sind, der entlang einer Mittelrotationsachse des Verdichters zentriert ist. Jede Schaufel beinhaltet ein Einlassende, das stromaufwärts eines Auslassendes angeordnet ist, wobei jede Schaufel dazu ausgelegt ist, um eine Achse zu schwenken, die tangential zu dem Ring und senkrecht zu der Mittelrotationsachse des Verdichters angeordnet ist. In einem Beispiel kann die VID in eine offene Position eingestellt werden, in der die Auslassenden der Schaufeln weg von der zentralen Rotationsachse geschwenkt und nahe einer Wand der Einlassleitung positioniert sind. In dieser Position kann Durchflussbegrenzung durch die VID und zu dem Laufrad reduziert werden, wodurch in dieser Position die Verdichterleistung erhöht wird. In einem anderen Beispiel kann die VID in eine geschlossene Position eingestellt werden, in der die Auslassenden der Schaufeln in Richtung der zentralen Rotationsachse geschwenkt sind und benachbart angeordnete Schaufeln einander überlappen. Dies erzeugt einen sich verengenden Weg durch die VID, von dem Einlass zu dem Auslassende, und interne Spiralnuten, die einen Vorwirbelfluss zu dem Laufrad erzeugen. Der technische Effekt des Einstellens der VID in die geschlossene Position unter leichteren Lastbedingungen ist sich erhöhende Verdichtereffizienz, während auch die Wahrscheinlichkeit des Pumpens reduziert wird. Der technische Effekt des Einstellens der VID in die offene Position unter höheren Lastbedingungen ist das Reduzieren von Durchflussbegrenzung zu dem Laufrad, wodurch die Verdichtereffizienz erhöht und die Wahrscheinlichkeit von Drosselung unter einigen Bedingungen reduziert wird. Zusätzlich können durch Kombinieren der VID mit einer aktiven Gehäusestrukturierung an dem Verdichter die Verdichterpumpsteuerung und Drosselungssteuerung erhöht werden, während auch die Verdichtereffizienz bei leichteren und höheren Lastbedingungen erhöht wird, wie vorstehend erläutert.
Als eine Ausführungsform beinhaltet ein Verdichter: ein Gehäuse, das einen Rückführkanal bildet, der einen Ansaugkanal umgibt; eine aktive Gehäusestrukturierung, die eine Wand umgibt, die den Ansaugkanal und den Rückführkanal trennt und ausgelegt ist, um einen Gasfluss durch eine Vielzahl von in der Wand angeordneten Anschlüssen selektiv zu steuern; ein Laufrad; und eine einstellbare Vorrichtung, die in dem Ansaugkanal positioniert ist, stromaufwärts des Laufrads, und eine Vielzahl von schwenkbaren und benachbart angeordneten Schaufeln, die einen Ring bilden, beinhaltend. In einem ersten Beispiel des Verdichters beinhaltet die Vielzahl von Anschlüssen einen Entlüftungsanschluss, einen Einspritzanschluss und einen Rückführanschluss, wobei sowohl der Entlüftungsanschluss als auch der Einspritzanschluss stromabwärts einer Vorderkante einer Schaufel des Laufrads angeordnet sind und der Einspritzanschluss stromabwärts des Entlüftungsanschlusses angeordnet ist, und wobei der Rückführanschluss stromaufwärts der einstellbaren Vorrichtung angeordnet ist. Ein zweites Beispiel für den Verdichter beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, dass das Laufrad um eine Mittelachse des Verdichters drehbar ist und wobei Innenflächen der Schaufeln der einstellbaren Vorrichtung einen Strömungskanal durch die einstellbare Vorrichtung bilden, der entlang der Mittelachse ausgerichtet ist, wobei jede der Schaufeln um eine Achse, die tangential zu dem Ring und senkrecht zu der Mittelachse angeordnet ist, zwischen einer offenen und geschlossenen Position schwenkbar ist. Ein drittes Beispiel für den Verdichter beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten und zweiten Beispiel und beinhaltet ferner, dass jede Schaufel ein Einlassende und ein Auslassende beinhaltet, wobei das Einlassende stromaufwärts des Auslassendes angeordnet ist, und wobei der Strömungskanal innerhalb der Innenflächen der Schaufeln gebildet ist, zwischen dem Einlassende und Auslassende jeder Schaufel. Ein viertes Beispiel für den Verdichter beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten bis dritten Beispiel und beinhaltet ferner, dass jede Schaufel Seitenflächen beinhaltet, die sich zwischen dem Einlassende und Auslassende erstrecken und wobei für jede Schaufel eine erste Seitenfläche der Seitenflächen eine Seitenfläche einer ersten benachbarten Schaufel kontaktiert und eine zweite Seitenfläche der Seitenflächen eine Seitenfläche einer zweiten benachbarten Schaufel kontaktiert. Ein fünftes Beispiel für den Verdichter beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten bis vierten Beispiel und beinhaltet ferner, dass in der geschlossenen Position Auslassenden von benachbarten Schaufeln der Schaufeln mehr überlappen als Einlassenden von benachbarten Schaufeln der Schaufeln, das Auslassende jeder Schaufel näher an der Mittelachse positioniert ist als das Einlassende jeder Schaufel und das Einlassende jeder Schaufel in der Nähe der Wand positioniert ist. Ein sechstes Beispiel für den Verdichter beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten bis fünften Beispiel und beinhaltet ferner, dass in der offenen Position die Innenflächen der Schaufeln einander kontaktieren, aber nicht überlappen und parallel zu der Mittelachse angeordnet sind. Ein siebtes Beispiel für den Verdichter beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten bis sechsten Beispiel und beinhaltet ferner, dass in der geschlossenen Position die Innenflächen der Schaufeln relativ zu Fluss durch den Ansaugkanal gewinkelt sind und eine glatte Fläche mit einer Vielzahl von Spiralnuten bilden, die dem Fluss zugewandt sind, wobei die Schaufeln einwärts in Richtung der Mittelachse von einem Einlassende zu einem Auslassende der einstellbaren Vorrichtung gewinkelt sind, wobei das Auslassende stromabwärts in dem Ansaugkanal von dem Einlassende angeordnet ist und wobei die Vielzahl von Spiralnuten durch Überlappen von Innenflächen der Schaufeln gebildet ist. Ein achtes Beispiel für den Verdichter beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten bis siebten Beispiel und beinhaltet ferner, dass die einstellbare Vorrichtung zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position einstellbar ist und wobei in der geschlossenen Position ein Einlassende der einstellbaren Vorrichtung einen größeren Durchmesser aufweist als ein Auslassende der einstellbaren Vorrichtung, wobei sich die Schaufeln zwischen dem Einlassende und Auslassende erstrecken. Ein neuntes Beispiel für den Verdichter beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten bis achten Beispiel und umfasst ferner einen Betätigungsanschluss, der in der Wand angeordnet ist, die den Ansaugkanal und den Rückführkanal trennt, wobei der Betätigungsanschluss zwischen einem stromaufwärtigen Ende und stromabwärtigen Ende der einstellbaren Vorrichtung positioniert ist, benachbart zu Außenflächen der benachbart angeordneten Schaufeln. Ein zehntes Beispiel für den Verdichter beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten bis neunten Beispiel und beinhaltet ferner, dass die aktive Gehäusestrukturierung eine verschiebbare Hülse ist, die einen oder mehrere Schlitze beinhaltet, die ausgelegt sind, um sich auf einen oder mehrere Anschlüsse aus der Vielzahl von Anschlüssen auszurichten, abhängig von einer Position der verschiebbaren Hülse entlang einer Länge der Wand.
Als eine andere Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren: als Reaktion auf Verbrennungsmotorbetrieb relativ zu jeder von einer Pumpschwelle und Drosselschwelle eines Verdichters Einstellen einer Position von jedem von: einer verschiebbaren Hülse, die eine Wand eines Ansaugkanals des Verdichters umgibt, wobei die verschiebbare Hülse eine Vielzahl von Hülsenschlitzen beinhaltet, die ausgelegt sind, um sich selektiv auf einen Entlüftungsanschluss und Einspritzanschluss auszurichten, die in der Wand angeordnet sind, stromabwärts einer Vorderkante einer Schaufel eines Laufrads, das innerhalb des Ansaugkanals angeordnet ist; und einer variablen Einlassvorrichtung (VID), die in dem und über den Ansaugkanal positioniert ist, stromaufwärts des Laufrads, wobei die VID eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln beinhaltet, die einen Ring um eine Mittelachse des Verdichters bilden und ausgelegt sind, um zwischen einer offenen Position und geschlossenen Position zu schwenken. In einem ersten Beispiel für das Verfahren bilden Innenflächen aus der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln eine Innenfläche der VID und einen Strömungskanal durch die VID, der entlang der Mittelachse ausgerichtet ist, wobei in der offenen Position die Innenfläche der VID Fluss durch die VID von einem Einlassende zu einem Auslassende der VID nicht einschränkt und parallel zu der Mittelachse angeordnet ist und wobei in der geschlossenen Position die Innenfläche der VID entlang einer Länge der VID schmaler wird und Wirbelfluss an dem Auslassende der VID erzeugt. Ein zweites Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, dass das Einstellen der Position von jeder von der verschiebbaren Hülse und der VID das Einstellen der VID in die geschlossene Position und der verschiebbaren Hülse in eine erste Position beinhaltet, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen auf den Entlüftungsanschluss ausgerichtet ist, als Reaktion auf Verbrennungsmotorbetrieb bei einer Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast, die unterhalb der Pumpschwelle liegt. Ein drittes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten und zweiten Beispiel und beinhaltet ferner, dass das Einstellen der Position von jeder von der verschiebbaren Hülse und der VID das Einstellen der VID in die offene Position und der verschiebbaren Hülse in eine zweite Position beinhaltet, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen weder auf den Entlüftungsanschluss noch auf den Einspritzanschluss ausgerichtet ist, als Reaktion auf Verbrennungsmotorbetrieb bei einer Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast, die oberhalb der Pumpschwelle und unterhalb der Drosselschwelle liegt. Ein viertes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten bis dritten Beispiel und beinhaltet ferner, dass das Einstellen der Position von jeder von der verschiebbaren Hülse und der VID das Einstellen der VID in die offene Position und der verschiebbaren Hülse in eine dritte Position beinhaltet, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen auf den Einspritzanschluss ausgerichtet ist, als Reaktion auf Verbrennungsmotorbetrieb bei einer Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast, die oberhalb der Drosselschwelle liegt.
Als noch eine andere Ausführungsform beinhaltet ein System für einen Verbrennungsmotor: einen Verdichter, umfassend ein Gehäuse, das einen Ansaugkanal und einen Rückführkanal bildet der den Ansaugkanal umgibt, wobei der Rückführkanal über einen Entlüftungsanschluss, Einspritzanschluss und einen Rückführanschluss, die in einer Wand angeordnet sind, die den Ansaugkanal und den Rückführkanal trennt, fluidisch an den Ansaugkanal gekoppelt ist; eine aktive Gehäusestrukturierung, die die Wand umgibt und ausgelegt ist, um einen Gasfluss durch den Entlüftungsanschluss und Einspritzanschluss selektiv zu steuern; ein Laufrad, das innerhalb des Ansaugkanals enthalten und um eine Mittelachse drehbar ist; und eine variable Einlassvorrichtung (VID), die in dem Ansaugkanal positioniert ist, stromaufwärts des Laufrads, des Entlüftungsanschlusses und des Einspritzanschlusses und stromabwärts des Rückführanschlusses, wobei die VID eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln beinhaltet, die einen Ring um die Mittelachse bilden. In einem ersten Beispiel für das System ist der Entlüftungsanschluss stromabwärts einer Vorderkante einer Voll schaufel des Laufrads und stromaufwärts einer Vorderkante eines Teilers des Laufrads angeordnet, wobei der Einspritzanschluss stromabwärts der Vorderkante des Teilers angeordnet ist, und wobei die aktive Gehäusestrukturierung eine verschiebbare Hülse ist, die einen oder mehrere Schlitze beinhaltet, die ausgelegt sind, um sich auf einen oder mehrere von dem Einspritzanschluss und Entlüftungsanschluss auszurichten, auf Grundlage einer Position der Hülse entlang der Wand. Ein zweites Beispiel für das System beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, dass Innenflächen aus der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln einen Strömungskanal durch die VID bilden, wobei jede Schaufel aus der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufel um eine Achse, die tangential zu dem Ring angeordnet ist, zwischen einer offenen und geschlossenen Position schwenkbar ist und ein Einlassende aufweist, das stromaufwärts eines Auslassendes positioniert ist. Ein drittes Beispiel für das System beinhaltet optional eines oder mehrere von dem ersten und zweiten Beispiel und beinhaltet ferner eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die für Folgendes in Speicher gespeichert sind: als Reaktion auf Betrieb des Verbrennungsmotors unterhalb einer Pumpschwelle des Verdichters Einstellen der VID in eine geschlossene Position, in der die Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln einander an dem Auslassende überlappen und Innenflächen der Vielzahl von Schaufeln eine von dem Einlasszu dem Auslassende schmaler werdende glatte Fläche bilden, mit einer Vielzahl von Spiralnuten, die um den Ring angeordnet sind, und Einstellen der aktiven Gehäusestrukturierung in eine erste Position, in der Gas zwischen dem Ansaugkanal und Rückführkanal über den Entlüftungsanschluss und Rückführanschluss fließt; als Reaktion auf Betrieb des Verbrennungsmotors oberhalb der Pumpschwelle und unterhalb einer Drosselschwelle des Verdichters Einstellen der VID in eine offene Position, in der die Vielzahl von Schaufeln an dem Auslassende einander nicht überlappen und Innenflächen der Vielzahl von Schaufeln eine von dem Einlass- zu dem Auslassende graduell breiter werdende glatte Fläche ohne die Vielzahl von Spiralnuten bilden und Einstellen der aktiven Gehäusestrukturierung in eine zweite Position, in der Gas nicht zwischen dem Ansaugkanal und Rückführkanal über eines von dem Entlüftungsanschluss und Einspritzanschluss fließt; und als Reaktion auf Betrieb des Verbrennungsmotors oberhalb der Drosselschwelle Einstellen der VID in die offene Position und Einstellen der aktiven Gehäusestrukturierung in eine dritte Position, in der Gas über den Einspritzanschluss und Rückführanschluss zwischen dem Ansaugkanal und Rückführkanal fließt.
In einer anderen Darstellung umfasst ein Verfahren: als Reaktion auf einen aktuellen Verbrennungsmotordrehzahl- und Verbrennungsmotorlastbetriebspunkt eines Verbrennungsmotors Einstellen einer variablen Einlassvorrichtung (VID), die in einer und über eine Einlassleitung des Verdichters positioniert ist, stromaufwärts eines Laufrads, zwischen einer offenen Position, in der eine Innenfläche der VID Fluss durch die VID von einem Einlassende zu einem Auslassende der VID nicht einschränkt, und einer geschlossenen Position, in der die Innenflächen entlang einer Länge der VID schmaler werden und Wirbelfluss an dem Auslassende der VID erzeugen, während Luftstrom von dem Laufrad zu einem Punkt stromaufwärts der VID in der Einlassleitung zurückgeführt wird. In einem Beispiel beinhaltet rückgeführter Luftstrom von dem Laufrad zu dem Punkt stromaufwärts der VID in der Einlassleitung das Rückführen von Luftstrom über einen Rückführkanal, der durch ein Außengehäuse 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, die eine darin positionierte variable Einlassvorrichtung (VID) beinhaltet, stromaufwärts des Laufrads, und eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln beinhaltend, 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 zu dem Ring angeordnet ist, zwischen einer offenen und geschlossenen Position schwenkbar ist, wobei die Innenflächen eine glatte Fläche bilden, die eine Vielzahl von Nuten in der geschlossenen Position beinhaltet, wobei eine Richtung der Biegung der Vielzahl von Nuten ausgerichtet ist, um Fluss durch den Strömungskanal in die erste Richtung zu drehen.
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 spezifischen 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. Ebenso 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 konkret eingesetzter 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 umfasst alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere hier offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Die folgenden Ansprüche legen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen dar, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Derartige Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente einschließen, wobei sie zwei oder mehr derartiger 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 in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Patentansprüche werden unabhängig davon, ob sie im Vergleich zu den ursprünglichen Patentansprüchen einen weiteren, engeren, gleichen oder anderen Umfang aufweisen, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2024645 [0004]

Claims

Verdichter, umfassend: ein Gehäuse, das einen Rückführkanal bildet, der einen Ansaugkanal umgibt; eine aktive Gehäusestrukturierung, die eine Wand umgibt, die den Ansaugkanal und den Rückführkanal trennt und ausgelegt ist, um einen Gasfluss durch eine Vielzahl von Anschlüssen, die in der Wand angeordnet ist, selektiv zu steuern; ein Laufrad; und eine einstellbare Vorrichtung, die in dem Ansaugkanal positioniert ist, stromaufwärts des Laufrads, und eine Vielzahl von schwenkbaren und benachbart angeordneten Schaufeln beinhaltet, die einen Ring bilden.
Verdichter nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Anschlüssen einen Entlüftungsanschluss, einen Einspritzanschluss und einen Rückführanschluss beinhaltet, wobei sowohl der Entlüftungsanschluss als auch der Einspritzanschluss stromabwärts einer Vorderkante einer Schaufel des Laufrads angeordnet sind und der Einspritzanschluss stromabwärts des Entlüftungsanschlusses angeordnet ist, und wobei der Rückführanschluss stromaufwärts der einstellbaren Vorrichtung angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 1, wobei das Laufrad um eine Mittelachse des Verdichters drehbar ist und wobei Innenflächen der Schaufeln der einstellbaren Vorrichtung einen Strömungskanal durch die einstellbare Vorrichtung bilden, der entlang der Mittelachse ausgerichtet ist, wobei jede der Schaufeln um eine Achse, die tangential zu dem Ring und senkrecht zu der Mittelachse angeordnet ist, zwischen einer offenen und geschlossenen Position schwenkbar ist.
Verdichter nach Anspruch 3, wobei jede Schaufel ein Einlassende und ein Auslassende beinhaltet, wobei das Einlassende stromaufwärts des Auslassendes angeordnet ist, und wobei der Strömungskanal innerhalb der Innenflächen der Schaufeln gebildet ist, zwischen dem Einlassende und Auslassende jeder Schaufel.
Verdichter nach Anspruch 4, wobei jede Schaufel Seitenflächen beinhaltet, die sich zwischen dem Einlassende und Auslassende erstrecken und wobei für jede Schaufel eine erste Seitenfläche der Seitenflächen eine Seitenfläche einer ersten benachbarten Schaufel kontaktiert und eine zweite Seitenfläche der Seitenflächen eine Seitenfläche einer zweiten benachbarten Schaufel kontaktiert.
Verdichter nach Anspruch 4, wobei in der geschlossenen Position Auslassenden von benachbarten Schaufeln der Schaufeln mehr überlappen als Einlassenden von benachbarten Schaufeln der Schaufeln, das Auslassende jeder Schaufel näher an der Mittelachse positioniert ist als das Einlassende jeder Schaufel und das Einlassende jeder Schaufel in der Nähe der Wand positioniert ist.
Verdichter nach Anspruch 4, wobei in der offenen Position die Innenflächen der Schaufeln einander kontaktieren, aber nicht überlappen und parallel zu der Mittelachse angeordnet sind.
Verdichter nach Anspruch 4, wobei in der geschlossenen Position die Innenflächen der Schaufeln relativ zu Fluss durch den Ansaugkanal gewinkelt sind und eine glatte Fläche mit einer Vielzahl von Spiralnuten bilden, die dem Fluss zugewandt sind, wobei die Schaufeln einwärts in Richtung der Mittelachse von einem Einlassende zu einem Auslassende der einstellbaren Vorrichtung gewinkelt sind, wobei das Auslassende stromabwärts in dem Ansaugkanal von dem Einlassende angeordnet ist und wobei die Vielzahl von Spiralnuten durch Überlappen von Innenflächen der Schaufeln gebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 1, wobei die einstellbare Vorrichtung zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position einstellbar ist und wobei in der geschlossenen Position ein Einlassende der einstellbaren Vorrichtung einen größeren Durchmesser aufweist als ein Auslassende der einstellbaren Vorrichtung, wobei sich die Schaufeln zwischen dem Einlassende und Auslassende erstrecken.
Verdichter nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Betätigungsanschluss, der in der Wand angeordnet ist, die den Ansaugkanal und Rückführkanal trennt, wobei der Betätigungsanschluss zwischen einem stromaufwärtigen Ende und stromabwärtigen Ende der einstellbaren Vorrichtung positioniert ist, benachbart zu Außenflächen der benachbart angeordneten Schaufeln und wobei die aktive Gehäusestrukturierung eine verschiebbare Hülse ist, die einen oder mehrere Schlitze beinhaltet, die ausgelegt sind, um sich auf einen oder mehrere Anschlüsse aus der Vielzahl von Anschlüssen auszurichten, abhängig von einer Position der verschiebbaren Hülse entlang einer Länge der Wand.
Verfahren, umfassend: als Reaktion auf Verbrennungsmotorbetrieb relativ zu jeder von einer Pumpschwelle und Drosselschwelle eines Verdichters Einstellen einer Position von jeder von: einer verschiebbaren Hülse, die eine Wand eines Ansaugkanals des Verdichters umgibt, wobei die verschiebbare Hülse eine Vielzahl von Hülsenschlitzen beinhaltet, die ausgelegt sind, um sich selektiv auf einen Entlüftungsanschluss und Einspritzanschluss auszurichten, die in der Wand angeordnet sind, stromabwärts einer Vorderkante einer Schaufel eines Laufrads, das innerhalb des Ansaugkanals angeordnet ist; und einer variablen Einlassvorrichtung (VID), die in dem und über den Ansaugkanal positioniert ist, stromaufwärts des Laufrads, wobei die VID eine Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln beinhaltet, die einen Ring um eine Mittelachse des Verdichters bilden und ausgelegt sind, um zwischen einer offenen Position und geschlossenen Position zu schwenken.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Innenflächen aus der Vielzahl von benachbart angeordneten Schaufeln eine Innenfläche der VID und einen Strömungskanal durch die VID bilden, der entlang der Mittelachse ausgerichtet ist, wobei in der offenen Position die Innenfläche der VID Fluss durch die VID von einem Einlassende zu einem Auslassende der VID nicht einschränkt und parallel zu der Mittelachse angeordnet ist und wobei in der geschlossenen Position die Innenfläche der VID entlang einer Länge der VID schmaler wird und Wirbelfluss an dem Auslassende der VID erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Einstellen der Position von jeder von der verschiebbaren Hülse und der VID das Einstellen der VID in die geschlossene Position und der verschiebbaren Hülse in eine erste Position beinhaltet, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen auf den Entlüftungsanschluss ausgerichtet ist, als Reaktion auf Verbrennungsmotorbetrieb bei einer Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast, die unterhalb der Pumpschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Einstellen der Position von jeder von der verschiebbaren Hülse und der VID das Einstellen der VID in offene Position und der verschiebbaren Hülse in eine zweite Position beinhaltet, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen weder auf den Entlüftungsanschluss noch auf den Einspritzanschluss ausgerichtet ist, als Reaktion auf Verbrennungsmotorbetrieb bei einer Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast, die oberhalb der Pumpschwelle und unterhalb der Drosselschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Einstellen der Position von jeder von der verschiebbaren Hülse und der VID das Einstellen der VID in die offene Position und der verschiebbaren Hülse in eine dritte Position beinhaltet, in der die Vielzahl von Hülsenschlitzen auf den Einspritzanschluss ausgerichtet ist, als Reaktion auf Verbrennungsmotorbetrieb bei einer Verbrennungsmotordrehzahl und Verbrennungsmotorlast, die oberhalb der Drosselschwelle liegt.