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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein einstellbares Trimmsystem für einen Turboladerkompressor, der eine Ported Shroud bzw. Anschlussummantelung umfasst.
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EINFÜHRUNG
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Diese Einführung stellt allgemein den Kontext der Offenbarung dar. Arbeiten der derzeit genannten Erfinder werden zu dem Ausmaß, zu dem sie in dieser Einleitung beschrieben sind, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung sonst nicht als Stand der Technik gelten könnten, gegen diese Offenbarung weder ausdrücklich noch stillschweigend als Stand der Technik anerkannt.
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Turbolader werden verwendet, um den Ansaugluftdruck von Verbrennungsmotoren zu erhöhen, und werden zunehmend verwendet, um die Verbrennungsmotorausgabe bei geringeren Motorhubräumen und verbesserter Kraftstoffeffizienz zu erhöhen. Ein Turbolader umfasst ein Turbinenrad und ein Kompressorrad, die allgemein an einer gemeinsamen Welle angebracht und in getrennten Gehäusen angeordnet sind. Abgas des Motors wird durch die Turbine geleitet, wobei es ein Turbinenrad antreibt, das allgemein ein Pumpenrad mit Schaufeln oder Flügel umfasst und direkt oder indirekt mit einem Kompressorrad gekoppelt ist, das ebenfalls allgemein ein Flügelrad mit Schaufeln oder Flügeln umfasst. Das Kompressorrad saugt im Allgemeinen Ansaugluft durch ein Filtriersystem in eine Einlassrohrleitung ein, wo sie über die Schaufeln oder Flügel gezogen, komprimiert und dem Ansauganschluss oder Krümmer des Motors zugeführt wird.
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Um die Kompressorleistung zu erhöhen, werden Umgehungsanschlüsse zum Kompressoreinlass hinzugefügt. Diese Anschlüsse können in mehreren Formen hinzugefügt werden, die eine Ported Shroud umfassen. Ein Kompressor ohne Umgehungsanschluss weist allgemein einen einzigen Einlass, der durch das Kompressorgehäuse definiert ist, an dem Kompressorrad auf. Ein Umgehungsanschluss mit einer Ported Shroud stellt einen Kompressoreinlass bereit, der einen inneren und einen äußeren Abschnitt aufweist. Ein Kompressor mit Umgehungsanschluss mit einer Ported Shroud kann ein Gehäuse aufweisen, das denjenigen von Kompressoren ähnelt, die keinen Anschluss aufweisen, bei denen das Gehäuse einen Kompressoreinlass und -auslass definiert, jedoch auch eine zusätzliche Außenwand aufweist, die von der (inneren) Einlasswand getrennt ist. Bei derartigen Konfigurationen ist das Kompressorrad in einem zentralen Abschnitt des Kompressorgehäuses innerhalb der Innenwand des Einlasses angebracht und der Umgehungsanschluss ist durch eine zusätzliche Außenwand definiert, die eine Ummantelung bzw. Shroud um die Innenwand des Kompressorgehäuses herum bildet. Die Innenwand erstreckt sich über das Kompressorrad hinaus, jedoch nicht so weit nach außen wie die Außenwand. Der Umgehungsabschnitt des Einlasses oder der Umgehungskanal liegt zwischen der Außenfläche der Innenwand und der Innenfläche der Außenwand. Der Hauptabschnitt oder innere Abschnitt des Einlasses umfasst einen zentralen Kanal, der innerhalb der Innenfläche der Innenwand definiert ist, und stellt einen Pfad an der Vorderseite des Kompressorrades bereit. Der innere Abschnitt des Einlasses weist auch einen oder mehrere Kanäle auf, die zwischen dem Haupteinlass und der Innenfläche der Innenwand durch die Innenwand hindurch zu der Außenfläche der Innenwand definiert sind, welche den Umgehungsabschnitt des Einlasses und den Umgehungsanschluss fluidmäßig verbinden. Der bzw. die ringförmigen Kanäle münden in der Innenfläche der Innenwand in der Nähe der Schaufeln oder Flügel des Kompressorrades.
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Ein Umgehungsanschluss vergrößert den Betriebsbereich eines Kompressors durch Expandieren des Ausmaßes sowohl seines Bereichs mit niedriger Massenströmung als auch den Bereich mit hoher Massenströmung. Der niedrige Massenströmungsbereich ist durch ein als „Surge“ bezeichnetes Phänomen begrenzt, bei dem das Druckverhältnis die Kompressorfähigkeit überschreitet, und bei hoher Massenströmung durch ein als „Choke“ bezeichnetes Phänomen begrenzt, bei dem die Vorgaben des Systems nach Luft die maximale Strömungsrate des Kompressors überschreiten. Der ringförmige Kanal oder Anschluss wirkt in Kommunikation mit dem Kompressorrad als eine Umgehung. Bei niedrigen Massenströmen, die ohne den Umgehungsanschluss anderenfalls eine Pumpbedingung bzw. Choke Condition verursachen würden, ermöglicht die Anwesenheit des Umgehungsanschlusses ein Rückströmen vom Kompressorrad zum Haupteinlass, um dadurch dem System zu ermöglichen, ein Gleichgewicht bei niedrigsten Massenströmen zu erreichen. Dieses Rückströmen von dem Kompressorrad zu dem Haupteinlass ist als Rezirkulation bekannt und die Ported Shroud wird unter diesen Bedingungen in einem „Rezirkulationsmodus“ betrieben. Bei hohen Massenströmen, die anderenfalls eine Pumpbedingung ohne den Umgehungsanschluss verursachen würden, ermöglicht die Anwesenheit des Anschlusses, dass zusätzliche Luft direkt in den Umgehungsanschluss aus dem Haupteinlass und den Schaufeln des Kompressorrades gesaugt werden kann. Aufgrund des erweiterten Betriebsbereichs sind Kompressoren, die mit dieser Art von Einlass konfiguriert sind, manchmal als Kompressoren mit „erweiterter Kennfeldbreite“ bekannt. Es ist wünschenswert, den Betriebsbereich zu erhöhen, über den der Turbolader effizient betrieben werden kann, während die Leistung verbessert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In einem beispielhaften Aspekt umfasst ein einstellbares Trimmsystem für einen Turboladerkompressor eine Ported Shroud für ein Fahrzeugantriebssystem, das ein Turbinengehäuse und ein Turbinenrad umfasst, das in dem Turbinengehäuse angebracht und mit einer drehbaren Welle verbunden ist, ein Kompressorgehäuse und ein Kompressorrad, das in dem Kompressorgehäuse angebracht und mit der drehbaren Welle verbunden ist. Das Kompressorgehäuse weist eine Lufteinlasswand auf, die einen Lufteinlass definiert, um Luft im Allgemeinen axial in das Kompressorrad zu führen. Das Kompressorgehäuse definiert ferner ein Ported-Shroud-System, das eine Ummantelungsinnenwand und eine Ummantelungsaußenwand definiert. Die Ummantelungsaußenwand ist radial nach außen von der Ummantelungsinnenwand beabstandet und definiert einen ringförmigen Raum zwischen der Ummantelungsinnenwand und der Ummantelungsaußenwand. Ein erster Ummantelungsanschluss bzw. Shroud Port ist durch die Ummantelungsinnenwand ausgebildet und erstreckt sich zu dem Kompressorrad, um zu ermöglichen, dass Luft zwischen dem ringförmigen Raum und dem Kompressorrad laufen kann, und ein zweiter Ummantelungsanschluss ist durch die Ummantelungsinnenwand ausgebildet und erstreckt sich in den Lufteinlass des Kompressorgehäuses und ist stromaufwärts des ersten Ummantelungsanschlusses positioniert, um zu ermöglichen, dass Luft zwischen dem ringförmigen Raum und dem Kompressorgehäuselufteinlass laufen kann. Ein Kompressoreinlasseinsteller, der in dem Kompressorlufteinlass positioniert ist und zwischen einer vollständig offenen Konfiguration, einer geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration und einer teilweise offenen Ported-Shroud-Rezirkulationskonfiguration zwischen der vollständig offenen Konfiguration und der geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration kontinuierlich einstellbar ist. Ein Innenradius des Kompressoreinlasseinstellers ist gleich einem Innenradius des zweiten Ummantelungsanschlusses in der geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration, so dass der zweite Ummantelungsanschluss geschlossen ist und der Lufteinlass des Kompressorgehäuses vollständig offen ist, wenn in der geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration. Ein Turboladerkompressortemperaturmodul umfasst einen Kompressoreinlasslufttemperatureingang in Kommunikation mit einem Kompressoreinlasslufttemperatursensor und einen Kompressorauslasslufttemperatureingang in Kommunikation mit einem Kompressorauslasstemperatursensor. Ein Turboladerkompressordruckmodul umfasst einen Kompressoreinlassluftdruckeingang in Kommunikation mit einem Kompressoreinlassluftdrucksensor und einen Kompressorauslassluftdruckeingang in Kommunikation mit einem Kompressorauslassluftdrucksensor. Das Turboladerkompressordruckmodul bestimmt ein Turboladerdruckverhältnis basierend auf dem Kompressoreinlassluftdruckeingang und dem Kompressorauslassluftdruckeingang. Ein Turboladerkompressor-Korrekturluftströmungsmodul bestimmt eine korrigierte Kompressorluftströmung in den Kompressorgehäuselufteinlass basierend auf dem Kompressoreinlasslufttemperatureingang, Kompressorauslasslufttemperatureingang, Kompressoreinlassluftdruckeingang und Kompressorauslassluftdruckeingang und ein Kompressoreinlasseinsteller-Steuermodul stellt die Konfiguration des Kompressoreinlasseinstellers basierend auf dem Turboladerdruckverhältnis und der korrigierten Kompressorluftströmung ein. Das Kompressoreinlasseinsteller-Steuermodul stellt die Konfiguration des Kompressoreinlasseinstellers auf eine Konfiguration zwischen der vollständig offenen Konfiguration und der geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration ein, wenn das Turboladerdruckverhältnis höher als ein vorbestimmter Druckverhältnisschwellenwert ist und die korrigierte Kompressorluftströmung in den Kompressorgehäuseeinlass niedriger als eine maximale korrigierte Luftströmung eines Kompressorströmungskennfeldes für den Turboladerkompressor ist.
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In einem weiteren beispielhaften Aspekt ist der vorbestimmte Druckverhältnisschwellenwert zwischen etwa 2 und 2,8.
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In einem weiteren beispielhaften Aspekt ist der vorbestimmte Druckverhältnisschwellenwert etwa 2,5.
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In einem weiteren beispielhaften Aspekt wird das Ported-Shroud-System in einem Rezirkulationsmodus betrieben, wodurch Luft von dem ersten Ummantelungsanschluss zu dem zweiten Ummantelungsanschluss strömt, wenn das Kompressoreinlasseinsteller-Steuermodul die Konfiguration des Kompressoreinlasseinstellers auf eine Konfiguration zwischen der vollständig offenen Konfiguration und der geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration einstellt, wenn das Turboladerdruckverhältnis höher als der vorbestimmte Druckverhältnisschwellenwert ist und die korrigierte Kompressorluftströmung in den Kompressorgehäuseeinlass niedriger als ein maximale korrigierte Kompressorluftströmung eines Kompressorströmungskennfeldes für den Turboladerkompressor ist.
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In einem weiteren beispielhaften Aspekt stellt das Kompressoreinlasseinsteller-Steuermodul die Konfiguration des Kompressoreinlasseinstellers auf eine verringerte Einlasskonfiguration ein, wenn das Turboladerdruckverhältnis niedriger als der vorbestimmte Druckverhältnisschwellenwert ist und die korrigierte Kompressorluftströmung in den Kompressorgehäuseeinlass niedriger als eine vorbestimmte korrigierte Kompressorluftströmung ist.
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In einem weiteren beispielhaften Aspekt ist ein Innenradius des Kompressoreinlasseinstellers kleiner als ein Innenradius des zweiten Ummantelungsanschlusses bei der verringerten Einlasskonfiguration.
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In einem weiteren beispielhaften Aspekt stellt das Kompressoreinlasseinsteller-Steuermodul die Konfiguration des Kompressoreinlasseinstellers auf die geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration ein, wenn das Turboladerdruckverhältnis niedriger als der vorbestimmte Druckverhältnisschwellenwert ist und die korrigierte Kompressorluftströmung in den Kompressorgehäuseeinlass höher als eine vorbestimmte korrigierte Kompressorluftströmung ist.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier nachstehend bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Es sei zu verstehen, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht bestimmt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind ohne Weiteres aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen aufgenommen werden.
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Figurenliste
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Die vorliegende Offenbarung will vollständiger aus der ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, wobei:
- 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugantriebssystem ist, das einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader umfasst, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 eine Veranschaulichung eines Datenflussdiagramms ist, das verschiedene Elemente veranschaulicht, die in einem Turbolader eingebettet sein können, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 3A eine Querschnittsansicht eines Kompressorabschnitts eines Turboladers für ein Fahrzeugantriebssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
- 3B eine Aufrissansicht eines Kompressoreinlasseinstellers für den Turbolader von 3A ist;
- 4 ein Kompressorkennfeld 400 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 5A eine Querschnittsansicht eines Kompressorabschnitts eines Turboladers mit einem Kompressoreinlasseinsteller in einer vollständig offenen Konfiguration ist;
- 5B eine Aufrissansicht des Kompressoreinlasseinstellers von 5A in der vollständig offenen Konfiguration ist;
- 6A eine Querschnittsansicht eines Kompressorabschnitts eines Turboladers mit einem Kompressoreinlasseinsteller in einer geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration ist;
- 6B eine Aufrissansicht des Kompressoreinlasseinstellers von 6A in der geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration ist;
- 7A eine Querschnittsansicht eines Kompressorabschnitts eines Turboladers mit einem Kompressoreinlasseinsteller in einer verringerten Einlasskonfiguration ist;
- 7B eine Aufrissansicht des Kompressoreinlasseinstellers von 7A in der verringerten Einlasskonfiguration ist;
- 8 eine Nahquerschnittsansicht eines Kompressorabschnitts eines Turboladers mit einem Kompressoreinlasseinsteller in einer vollständig offenen Konfiguration ist; und
- 9 eine Nahquerschnittsansicht eines Kompressorabschnitts eines Turboladers mit einem Kompressoreinlasseinsteller in einer teilweise offenen Ported-Shroud-Rezirkulationskonfiguration ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es wird nun im Detail auf mehrere Beispiele der Offenbarung Bezug genommen, die in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind. Wann immer möglich, werden die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen in den Zeichnungen und der Beschreibung verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile oder Schritte zu bezeichnen. Die Zeichnungen sind in vereinfachter Form und nicht maßstabsgetreu. Lediglich aus Gründen der Zweckmäßigkeit und Übersichtlichkeit können Richtungsbegriffe wie oben, unten, links, rechts, nach oben, über, unter, unten, rückseitig, vorn, innen und außen in Bezug auf die Zeichnungen verwendet werden. Diese und ähnliche Richtungsbegriffe sind nicht so auszulegen, dass sie den Schutzumfang der Offenbarung in irgendeiner Weise einschränken.
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Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Figuren gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, veranschaulicht 1 ein Fahrzeugantriebssystem 100, das einen Verbrennungsmotor 102 mit einem Turbolader 104 umfasst, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der Verbrennungsmotor 102 umfasst einen Motorblock 106, der mit mehreren Kolbenzylindern versehen ist, von denen einer mit 108 angegeben ist. Der Motorblock 106 umfasst ebenfalls einen Motorkopf (nicht gezeigt), der über Zylindern 108 angebracht ist. Der Verbrennungsmotor 102 umfasst ebenfalls mehrere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, von denen eine mit 110 angegeben ist, die in dem Zylinderkopf unterstützt werden können. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 110 sind mit einem Kraftstoffeinspritzverteiler 112 fluidmäßig verbunden. Der Kraftstoffeinspritzverteiler 112 umfasst einen Kraftstoffeinspritzcontroller 114, der Kraftstoff an die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 110 durch einen Kraftstoffeinlass 116 liefert. Der Kraftstoffeinspritzcontroller 114 steuert ebenfalls einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder eine Kraftstoffeinspritzmenge durch ein Steuerglied 118.
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Der Verbrennungsmotor 102 umfasst ebenfalls ein Lufteinlasssystem 120, das mit dem Motorblock 106 fluidmäßig verbunden ist. Das Lufteinlasssystem 120 umfasst einen Lufteinlass 122, der Luft an mehrere Abführleitungen 124 liefert, die mit dem Motorblock 106 (typischerweise mit dem Motorzylinderkopf) fluidmäßig verbunden sind. Das Lufteinlasssystem 120 umfasst ebenfalls einen Turbolader 104 mit einem Kompressorabschnitt 124 und einem Turbinenabschnitt 126. Der Kompressorabschnitt 124 ist zwischen dem Lufteinlass 122 und Abführleitungen 124 fluidmäßig verbunden. Der Turbinenabschnitt 126 ist mit einem Abgassystem 128 fluidmäßig verbunden. Abgase, die durch Abgassystem 128 laufen, treiben den Turbinenabschnitt 126 an. Der Turbinenabschnitt 126 treibt den Kompressorabschnitt 124 an, um die durch das Lufteinlasssystem 120 laufende Einlassluft zu komprimieren. Das Abgassystem 128 umfasst einen Abgaskrümmer 130, der mit dem Motorblock 106 typischerweise durch den Zylinderkopf fluidmäßig verbunden ist, und einen Abgasauslass 132, der Abgase an den Turbolader 104 liefert. Abgase laufen von einem Auslass 134 des Turbinenabschnitts 126 durch eine Abgasleitung 136 an eine oder mehrere Emissionsverringerungsvorrichtungen (nicht gezeigt).
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Das Lufteinlasssystem 120 umfasst einen Kompressoreinlasslufttemperatursensor 138, der stromaufwärts des Kompressorabschnitts 124 angeordnet ist, und einen Kompressorauslasstemperatursensor 140, der stromabwärts des Kompressorabschnitts 124 angeordnet ist. Außerdem ist ein Kompressoreinlassluftdrucksensor 142 stromaufwärts des Kompressorabschnitts 124 angeordnet und ein Kompressorauslassluftdrucksensor 144 ist stromabwärts des Kompressorabschnitts 124 angeordnet. Der Kompressoreinlasslufttemperatursensor 138 und der Kompressoreinlassluftdrucksensor 142 können in einen einzigen Sensor kombiniert werden. In einer beispielhaften Ausführungsform können einige dieser Sensoren physisch nicht vorhanden sein. Stattdessen kann beispielsweise ein Motorsteuermodul diese Werte basierend auf einem Simulationsmodell schätzen. Auf ähnliche Weise können der Kompressorauslasstemperatursensor 140 und der Kompressorauslassluftdrucksensor 144 in einen einzigen Sensor kombiniert werden. Das Lufteinlasssystem 120 kann ferner ebenfalls einen Luftströmungssensor 146 umfassen, der ein Luftströmungsvolumen und/oder eine Luftströmungsgeschwindigkeit durch den Kompressorabschnitt 124 erfasst.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Verbrennungsmotor einen Turboladercontroller 148. Der Turboladercontroller 148 umfasst ein Kompressoreinlasseinsteller-Steuermodul 150, das die Konfiguration eines Kompressoreinlasseinstellers basierend auf einem Turboladerdruckverhältnis und einer korrigierten Kompressorluftströmung einstellt, wie nachstehend weiter erläutert wird. Der Turboladercontroller 148 ist in Kommunikation mit dem Kompressoreinlasslufttemperatursensor 138, dem Kompressorauslasstemperatursensor 140, dem Kompressoreinlassluftdrucksensor 142 und dem Kompressorauslassluftdrucksensor 144.
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2 ist eine Veranschaulichung eines Datenflussdiagramms, das verschiedene Elemente veranschaulicht, die innerhalb des Turboladers 104 eingebettet sein können. Verschiedene Ausführungsformen des Turboladercontrollers 148 von 1 können gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Anzahl von Untermodulen umfassen, die kombiniert oder ebenso weiter partitioniert werden können. Der Turboladercontroller 148 umfasst ein Kompressoreinlasseinsteller-Steuermodul 150, das verschiedene Algorithmen umfasst, die, wenn implementiert, einen Kompressoreinlasseinsteller (nachstehend beschrieben) steuern. Der Turboladercontroller 148 umfasst ferner ein Turboladerkompressordruckmodul 152, das mit dem Kompressoreinlasseinsteller-Steuermodul 150 betriebsmäßig gekoppelt ist. Das Turboladerkompressordruckmodul 152 umfasst einen Kompressoreinlassluftdruckeingang 154, der mit dem Kompressoreinlassluftdrucksensor 142 betriebsmäßig verbunden ist (1), und einen Kompressorauslassluftdruckeingang 156, der mit dem Kompressorauslassluftdrucksensor 144 betriebsmäßig verbunden ist.
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In weiterer Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Turboladercontroller 148 ein Speichermodul 158, das mit dem Kompressoreinlasseinsteller-Steuermodul 150 betriebsmäßig verbunden ist. Das Speichermodul 158 speichert eine Kompressoreinlasseinsteller-Nachschlagetabelle 160. Außerdem umfasst der Turboladercontroller 148 ein Kompressorluftströmungsmodul 162 mit einem Kompressorluftströmungseingang 164, der mit dem Kompressorluftströmungssensor 146 betriebsmäßig verbunden ist. Wie nachstehend vollständiger erläutert wird, steuert das Kompressoreinlasseinsteller-Steuermodul 150 einen Kompressoreinlasseinsteller basierend auf aktuellen Umgebungsbedingungen und Turboladereffizienz. Ferner wird der Turboladercontroller 148 den Kompressoreinlasseinsteller basierend auf einem erfassten Kompressordruckverhältnis und einer Luftströmung durch den Kompressor 124 einstellen.
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3A ist eine Querschnittsansicht eines Kompressorabschnitts 300 eines Turboladers für ein Fahrzeugantriebssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der Kompressorabschnitt 300 umfasst ein Kompressorgehäuse 302. Ein Kompressorrad 304 ist in dem Kompressorgehäuse 302 an einem Ende einer drehbaren Welle 306 angebracht. Das Kompressorgehäuse 302 definiert einen Lufteinlass 308, um Luft im Allgemeinen axial in das Kompressorrad 304 zu empfangen. Die drehbare Welle 306 wird durch ein Turbinenrad (nicht gezeigt) gedreht, das in einem Turbinenabschnitt des Turboladers angebracht ist, um dadurch das Kompressorrad 304 drehbar anzutreiben, das durch den Lufteinlass 308 eingesaugte Luft komprimiert und die komprimierte Luft allgemein radial nach außen von dem Kompressorrad in einen Spiralbereich 310 abführt. Von dem Spiralbereich 310 wird die Luft zu dem Einlass eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) zum Verbessern der Leistung des Fahrzeugantriebssystems geleitet.
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Das Kompressorgehäuse 302 definiert ein Ported-Shroud-System 312, das eine Ummantelungsinnenwand 314 und eine Ummantelungsaußenwand 316 umfasst. Die Ummantelungsaußenwand 316 ist radial nach außen von der Ummantelungsinnenwand 314 beabstandet und definiert einen ringförmigen Raum 318 zwischen der Ummantelungsinnenwand 314 und der Ummantelungsaußenwand 316. Das Ported-Shroud-System 312 umfasst ferner einen ersten Ummantelungsanschluss 320, der durch die Ummantelungsinnenwand 314 gebildet wird und sich zu dem Kompressorrad 304 erstreckt, um zu ermöglichen, dass Luft zwischen dem ringförmigen Raum 318 und dem Kompressorrad 304 laufen kann. Das Ported-Shroud-System 312 umfasst ebenfalls einen zweiten Ummantelungsanschluss 322, der durch die Ummantelungsinnenwand 314 gebildet wird und sich in den Lufteinlass 308 des Kompressorgehäuses 302 erstreckt und stromaufwärts des ersten Ummantelungsanschlusses 320 positioniert ist, um zu ermöglichen, dass Luft zwischen dem ringförmigen Raum 318 und dem Kompressorgehäuselufteinlass 308 laufen kann. Ein Kompressoreinlasseinsteller 324 ist ebenfalls in dem Kompressorgehäuse 302 des Kompressorabschnitts 300 angebracht. Der Kompressoreinlasseinsteller 324 ist stromaufwärts des Ported-Shroud-Systems 312 positioniert. Der Kompressoreinlasseinsteller 324 ist zwischen einer vollständig offenen Konfiguration, einer geschlossenen Konfiguration und einer dazwischenliegenden Konfiguration zwischen der vollständig offenen Konfiguration und der geschlossenen Konfiguration kontinuierlich einstellbar, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird.
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3B ist eine Aufrissansicht des Kompressoreinlasseinstellers 324 für den Turbolader von 3A. Der Kompressoreinlasseinsteller 324 ist betreibbar, um einen wirksamen Durchmesser des Lufteinlasses in das Kompressorrad 304 einzustellen und um die Menge an Luft, die zwischen dem Lufteinlass 308 und dem ringförmigen Raum 318 läuft, durch den zweiten Ummantelungsanschluss 322 einzustellen. Die vorliegende Erfindung kann mit verschiedenen Arten von Kompressoreinlasseinstellern praktiziert werden, die betreibbar sind, um den wirksamen Durchmesser des Lufteinlass in das Kompressorrad 304 einzustellen, und um die Menge an Luft, die zwischen die Lufteinlass 308 und dem ringförmigen Raum 318 läuft, durch die zweite Ummantelungsanschluss 322 ohne Beschränkung einzustellen. Beispielsweise kann der Kompressoreinlasseinsteller 324 einen Ring 326 umfassen, der bogenförmige Schlitze umfasst 328, die jeweils einen Schaufelbolzen 330 von einer der mehreren Schaufeln 332 aufnimmt. Eine Drehung des Rings 326 kann dann die mehreren Schaufeln 332 einstellbar nach innen oder nach außen bewegen, um einen Innendurchmesser 334 einstellbar zu definieren, der einen wirksamen Durchmesser des Lufteinlasses in das Kompressorrad 304 bestimmt, und um die Menge an Luft einzustellen, die zwischen dem Lufteinlass 308 und dem ringförmigen Raum 318 durch den zweiten Ummantelungsanschluss 322 läuft.
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4 veranschaulicht ein Kompressorkennfeld 400 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die horizontale Achse 402 des Kompressorkennfelds 400 entspricht einer korrigierten Kompressorluftströmungsrate und die vertikale Achse 404 entspricht einem Kompressordruckverhältnis. Das Kompressorkennfeld 400 wird auf der linken Seite des Kennfelds 400 durch eine Surge-Grenze 406 bzw. Pumpgrenze begrenzt. Ein Betrieb des Kompressors zur linken der Pumpgrenze 406 führt zu momentaner Rückströmung von Luft durch den Kompressor, welche die Betriebseffizienz des Turboladers nachteilig beeinflussen kann. Das Kompressorkennfeld 400 wird ebenfalls auf der rechten Seite durch eine Choke-Grenze 408 bzw. Stopfgrenze begrenzt. Choke-Bedingungen entwickeln sich, wenn die Gasströmung an einem Punkt in dem Kompressor Schallgeschwindigkeit erreicht. Unter Choke-Bedingungen erzeugt ein Verringern des Kompressordruckverhältnis keine erhöhte Kompressorströmung für gegebene Drehzahl und Einlassbedingungen. Somit wird ein Kompressorkennfeld durch ein Minimum, das Surge-Bedingungen zugeordnet ist, und ein Maximum, das Choke-Bedingungen zugeordnet ist, begrenzt. Als Ergebnis ist es wünschenswert, den Betrieb des Kompressors zur rechten der Pumpgrenze 406 und zur linken der Stopfgrenze 408 aufrechtzuerhalten. Natürlich ist es wünschenswert, den Abstand zwischen der Pumpgrenze 406 und der Stopfgrenze 408 über alle Bedingungen zu erhöhen, um die Betriebseffizienz des Kompressors zu erhöhen. Ein erster Bereich 410 wird allgemein durch niedrigere Kompressorluftströmungsraten gekennzeichnet und ein zweiter Bereich 412 wird allgemein durch höhere Kompressorluftströmungsraten gekennzeichnet.
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Herkömmliche Systeme und Verfahren für Turbolader können ebenfalls innerhalb des dritten Bereichs 414 betrieben werden. Diese herkömmlichen Systeme und Verfahren sind jedoch nicht imstande, das Pumpverhalten und die Kompressoreffizienz durch Einstellen der Konfiguration des Kompressoreinlasseinstellers auf eine Konfiguration zwischen der vollständig offenen Konfiguration und der geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration zu maximieren, wenn das Turboladerdruckverhältnis höher als ein vorbestimmter Druckverhältnisschwellenwert ist und die korrigierte Kompressorluftströmung in den Kompressorgehäuseeinlass geringer als ein maximale korrigierte Kompressorluftströmung eines Kompressorströmungskennfelds für den Turboladerkompressor ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der vorbestimmte Druckverhältnisschwellenwert zwischen etwa 2 und 2,8 und in noch einer bevorzugteren Ausführungsform ist der vorbestimmte Druckverhältnisschwellenwert etwa 2,5. Auf diese Art und Weise ermöglicht der Betrieb des Kompressors bei höheren Druckverhältnissen den Betrieb eines Motor in einem Fahrzeugantriebssystem bei höheren Drehmoment bei geringeren Motordrehzahlen als herkömmlicherweise vor der vorliegenden Offenbarung möglich war. Zusätzlich zum Ermöglichen eines erheblich verbesserten Betriebs des Kompressors bei höheren Druckverhältnissen behält die vorliegende Offenbarung ebenfalls die Vorteile des Betriebs in einem Ported-Shroud-Rezirkulationsmodus im dritten Bereich 414 bei, während ebenfalls ermöglicht wird, dass die Ported Shroud geschlossen wird, um in einem zweiten Bereich 412 betrieben zu werden, und die Effizienz in diesem Betriebsbereich verbessert und ebenfalls ein Betrieb im ersten Bereich 410 in einem virtuellen Trimmverringerungsmodus erlaubt wird.
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5A ist eine Querschnittsansicht eines Kompressorabschnitts 500 eines Turboladers mit einem Kompressoreinlasseinsteller 502 in einer vollständig offenen Konfiguration und 5B ist eine Aufrissansicht des Kompressoreinlasseinsteller 502 in der vollständig offenen Konfiguration. In der vollständig offenen Konfiguration blockiert der Kompressoreinlasseinsteller 502 keinen Abschnitt des Kompressoreinlasses und blockiert ebenfalls nicht die Strömung von Luft durch das Ported-Shroud-System. Herkömmlicherweise halten Turbolader mit einem Kompressoreinlasseinsteller den Kompressoreinlasseinsteller in der vollständig offenen Konfiguration bei hohen Kompressordrehzahlen und hohen Druckverhältnissen aufrecht, was dem Ported-Shroud-System ermöglicht, die Strömung von Luft in das Kompressorrad zu erhöhen. Diese herkömmlichen Systeme behalten den Kompressoreinlasseinsteller bei der vollständig offenen Konfiguration während des Betriebs in der Nähe der Stopfgrenze 408 des zweiten Bereichs 412 des Kompressorkennfelds 400 bei.
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6A ist eine Querschnittsansicht eines Kompressorabschnitts 600 eines Turboladers mit einem Kompressoreinlasseinsteller 602 in einer geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration und 6B ist eine Aufrissansicht des Kompressoreinlasseinstellers 602 in der geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration. Im Gegensatz zu der in 5A und 5B veranschaulichten vollständig offenen Konfiguration schließt die Ported-Shroud-geschlossene Konfiguration des Kompressoreinlasseinsteller 602 das Ported-Shroud-System und verhindert daher eine Strömung von Luft durch das Ported-Shroud-System. In dieser Konfiguration wird der Kompressor betrieben, als ob er kein Ported-Shroud-System aufweist und den wirksamen Einlassdurchmesser nicht verringert. Herkömmlicherweise können Turbolader mit einem Kompressoreinlasseinsteller den Kompressoreinlasseinsteller in der geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration bei dazwischenliegenden Kompressordrehzahlen positionieren.
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7A ist eine Querschnittsansicht eines Kompressorabschnitts 700 eines Turboladers mit einem Kompressoreinlasseinsteller 702 in einer verringerten Einlasskonfiguration und 7B ist eine Aufrissansicht des Kompressoreinlasseinsteller 702 in der verringerten Einlasskonfiguration. In einer verringerten Einlasskonfiguration verhindert der Kompressoreinlasseinsteller 702 die Luftströmung durch das Ported-Shroud-System und verringert den wirksamen Einlassdurchmesser des Lufteinlasses in den Kompressor. Durch Verringern des wirksamen Einlassdurchmessers kann die Effizienz des Turboladerkompressors bei niedrigen Kompressorströmungsbedingungen verbessert werden. Herkömmliche Turbolader können einen Kompressoreinlasseinsteller 702 umfassen, der betrieben werden kann, um den wirksamen Einlassdurchmesser des Lufteinlasses in den Kompressor bei niedrigen Kompressordrehzahlen oder niedrigerer Kompressorluftströmung zu verringern, die durch den ersten Bereich 410 des Kompressorkennfelds 400 in 4 dargestellt wird. Diese herkömmlichen Systeme behalten die Kompressoreinlasseinsteller zwischen der geschlossenen Ported-Shroud-Konfiguration und der verringerten Einlasskonfiguration während des Betriebs im zweiten Bereich 412 des Kompressorkennfelds 400 bei, wobei Choke- oder Surge-Strömung keineswegs bedenklich ist.
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8 ist eine Nahquerschnittsansicht eines Kompressorabschnitts 800 eines Turboladers mit einem Kompressoreinlasseinsteller 802 in einer vollständig offenen Konfiguration. Im Gegensatz zu dem Betrieb des in 5A und 5B veranschaulichten Kompressoreinlasseinstellers 502 wird der Kompressoreinlasseinsteller 802 gemäß der vorliegenden Offenbarung in der vollständig offenen Konfiguration bei höheren Druckverhältnissen und über einen weiten Bereich von Kompressorströmungsraten betrieben, der relativ niedrige Kompressorströmungsraten umfasst. Auf diese Art und Weise erlaubt der Betrieb des Kompressoreinlasseinstellers 802 die Optimierung einer Rezirkulationsströmung 804, welche die Leistung und Effizienz des Kompressors im dritten Bereich 414 des Kompressorkennfelds 400 von 4 verbessert. Neben anderen Vorteilen verbessert der Betrieb des Kompressoreinlasseinstellers auf diese Art und Weise und unter diesen Bedingungen die Leistung und Effizienz eines Verbrennungsmotors, der unter hohen Drehmomentbelastungen und geringeren Drehzahlen betrieben wird.
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9 ist eine Nahquerschnittsansicht eines Kompressorabschnitts 900 eines Turboladers mit einem Kompressoreinlasseinsteller 902 in einer teilweise offenen Ported-Shroud-Rezirkulationskonfiguration. Insbesondere stellt in der teilweise offenen Ported-Shroud-Rezirkulationskonfiguration der Kompressoreinlasseinsteller 902 das Volumen der durch das Ported-Shroud-System rezirkulierenden Strömung 904 ein. Die vorliegende Offenbarung steht im Gegensatz zu herkömmlichen Kompressorsystemen und -betriebsverfahren durch Einstellen des durch das Ported-Shroud-System bei Kompressorbedingungen rezirkulierenden Strömungsvolumens, die durch den Betrieb an einem beliebigen Punkt innerhalb des dritten Bereichs 414 des Kompressorkennfelds 400 von 4 dargestellt wird, der oberhalb eines Druckverhältnisses eines vorbestimmten Druckverhältnisschwellenwerts und über einen weiten Bereich von Kompressorströmungsraten ist, der relativ niedrige Strömungsraten umfasst. Neben anderen Vorteilen verbessert wiederum der Betrieb des Kompressoreinlasseinsteller auf diese Art und Weise und unter diesen Bedingungen die Leistung und Effizienz eines Verbrennungsmotors, der unter hohen Drehmomentbelastungen und niedrigeren Drehzahlen betrieben wird.
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Diese Beschreibung ist lediglich veranschaulichender Natur und soll die Offenbarung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen in keiner Weise einschränken. Die breiten Lehren der Offenbarung können in einer Vielfalt von Formen implementiert werden. Daher sollte, obwohl diese Offenbarung bestimmte Beispiele umfasst, der wahre Schutzumfang der Offenbarung nicht darauf beschränkt werden, da andere Modifikationen beim Studieren der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich sein werden.
