DE10312990A1

DE10312990A1 - Luftströmungssystem für einen Motor mit in Serie angeordneten Turboladern

Info

Publication number: DE10312990A1
Application number: DE10312990A
Authority: DE
Inventors: David A Pierpont
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2003-11-27
Also published as: US6658848B1; US20030213243A1

Abstract

Ein Luftströmungssystem für einen Motor umfasst eine erste Turbine, die mit einem ersten Kompressor gekoppelt ist und eine zweite Turbine, die mit einem zweiten Kompressor gekoppelt ist. Die erste Turbine empfängt Abgas von dem Motor und der erste Kompressor liefert komprimierte Luft an den Motor. Der zweite Kompressor komprimiert Luft aus der Atmosphäre. Eine erste Leitung verbindet strömungsmittelmäßig die ersten und zweiten Turbinen und eine zweite Leitung verbindet strömungsmittelmäßig die ersten und zweiten Kompressoren. Ein Abgasventil ist strömungsmittelmäßig mit der Abgassammelleitung gekoppelt und bewegbar zwischen einer ersten Position, in der dem Abgasfluid erlaubt wird, die erste Turbine zu umgehen und einer zweiten Position, in der verhindert wird, dass das Fluid die erste Turbine umgeht. Das Luftströmungssystem umfasst eine dritte Leitung, die strömungsmittelmäßig den zweiten Kompressor mit dem Abgasventil verbindet. Das Abgasventil bewegt sich zu der ersten Position, wenn komprimierte Luft in der dritten Leitung wenigstens einen vorbestimmten Druck besitzt.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor und insbesondere auf ein Luftströmungssteuersystem für einen Verbrennungsmotor mit in Serie geschalteten Turboladern.

Ausgangspunkt

Ein Verbrennungsmotor kann einen oder mehrere Turbolader aufweisen zum Komprimieren eines Fluids, das an eine oder mehrere Verbrennungskammern innerhalb entsprechender Verbrennungszylinder geliefert wird. Jeder Turbolader umfasst üblicherweise eine Turbine, die durch Abgase von dem Motor angetrieben wird und einen Kompressor, der durch die Turbine angetrieben wird. Der Kompressor nimmt das zu komprimierende Fluid auf und liefert das komprimierte Fluid an die Verbrennungskammern. Das durch den Kompressor komprimierte Fluid kann in der Form von Verbrennungsluft oder einer Luft/Brennstoffmischung vorliegen.

Ein Verbrennungsmotor mit in Serie geschalteten Turboladern kann ein Abgasventil zwischen der Abgassammelleitung und dem Turbinenabschnitt aufweisen. Wie in dem US-Patent Nr. 5,974,801 (erteilt für Houtz am 2. November 1999) beschrieben ist, kann das Abgasventil betätigt werden durch komprimierte Luft von der Einlasssammelleitung des Motors oder einer unabhängigen Quelle komprimierter Luft. Wenn es betätigt ist kann das Abgasventil Abgas um die Turbinen herum leiten.

Da komprimierte Luft von dem Hochdruckkompressor von in Serie geschalteten Turboladern einen hohen Druck und eine hohe Temperatur besitzt, muss das Abgasventil aus Materialien hergestellt sein, das in der Lage ist dem hohen Druck und der hohen Temperatur zu widerstehen. Solche Materialien können erheblich die Kosten des Abgasventils erhöhen. Die Verwendung einer unabhängigen Quelle komprimierter Luft zum Vorsehen komprimierter Luft an das Abgasventil macht jedoch die unerwünschten Kosten für einen zusätzlichen Kompressor und die Energie zum Komprimieren der Luft notwendig.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem beispielhaften Aspekt der Erfindung ist ein Luftströmungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Einlasssammelleitung und einer Auslasssammelleitung vorgesehen. Das Luftströmungssystem kann einen ersten Turbolader umfassen einschließlich einer ersten Turbine, die mit einem ersten Kompressor gekoppelt ist. Die erste Turbine kann so konfiguriert sein, dass sie eine Abgasströmung von der Abgassammelleitung empfängt und der erste Kompressor kann so konfiguriert sein, dass er komprimierte Luft an die Einlasssammelleitung liefert. Ein zweiter Turbolader kann eine zweite Turbine umfassen, die mit einem zweiten Kompressor gekoppelt ist, wobei der zweite Kompressor konfiguriert ist zum Komprimieren von Luft, die aus der Atmosphäre angesaugt wird. Das Luftströmungssystem kann auch eine erste Leitung umfassen, die eine Fluidkommunikation zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine vorsieht, und eine zweite Leitung, die eine Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Kompressor und dem ersten Kompressor vorsieht. Ein Abgasventil ist strömungsmittelmäßig mit der Abgassammelleitung gekoppelt und bewegbar zwischen einet ersten Position und einer zweiten Position. Die erste Position erlaubt, dass eine Fluidströmung die durch den Motor ausgegeben wird, die erste Turbine umgeht und die zweite Position verhindert, dass eine Fluidströmung, die durch den Motor ausgestoßen wird, die erste Turbine umgeht. Das Luftströmungssystem umfasst eine dritte Leitung, die eine Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Kompressor und dem Abgasventil vorsieht. Das Abgasventil wird zu der geöffneten Position bewegt in Zeiten, in denen komprimierte Luft in der dritten Leitung wenigstens einen vorbestimmten Druck aufweist.

Gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor einschließlich einer Einlasssammelleitung, einer Auslasssammelleitung und einem Motorblock vorgesehen. Der Motorblock definiert wenigstens einen Zylinder, der konfiguriert ist zur Aufnahme von komprimierter Luft über die Einlasssammelleitung, und die Auslassammelleitung ist konfiguriert zum Aufnehmen einer Abgasströmung aus dem Zylinder. Der Motor umfasst auch einen ersten Turbolader und einen zweiten Turbolader. Der erste Turbolader umfasst eine erste Turbine, die mit einem ersten Kompressor gekoppelt ist. Die erste Turbine kann konfiguriert sein zum Aufnehmen einer Abgasströmung von der Abgassammelleitung und der erste Kompressor kann konfiguriert sein zum Liefern komprimierter Luft zu der Einlasssammelleitung. Der zweite Turbolader kann eine zweite Turbine umfassen, die mit einem zweiten Kompressor gekoppelt ist, wobei der zweite Kompressor zum Komprimieren von Luft konfiguriert ist, die aus der Atmosphäre angesaugt wird. Das Luftströmungssystem kann auch eine erste Leitung umfassen, die eine Fluidkommunikation zwischen der erste Turbine und der zweiten Turbine vorsieht und eine zweite Leitung die eine Fluidkommunikation zwischen einem zweiten Kompressor und dem ersten Kompressor vorsieht. Ein Abgasventil ist strömungsmittelmäßig mit der Abgassammelleitung gekoppelt und bewegbar zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position. Die erste Position erlaubt dass eine Fluidströmung, die durch den Motor ausgestoßen wird, die erste Turbine umgeht und die zweite Position verhindert, dass eine Fluidströmung, die durch den Motor ausgestoßen wird, die erste Turbine umgeht. Das Luftströmungssystem umfasst eine dritte Leitung, die eine Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Kompressor und dem Abgasventil vorsieht. Das Abgasventil wird zu der offenen Position bewegt, während komprimierte Luft in der dritten Leitung wenigstens einen vorbestimmten Druck aufweist.

Gemäß noch einem weiteren beispielhaften Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern einer Luftströmung zu einem Verbrennungsmotor mit einer Lufteinlasssammelleitung und einer Abgassammelleitung vorgesehen. Das Verfahren kann das Anlegen bzw. Bewirken einer Rotationsbewegung einer ersten Turbine und eines ersten Kompressors eines ersten Turboladers mit Abgasluft, die aus der Abgassammelleitung des Motors strömt, umfassen. Das Verfahren kann auch das Anlegen bzw. Bewirken einer Rotationsbewegung einer zweiten Turbine und eines zweiten Kompressors eines zweiten Turboladers mit Abgasluft, die aus einer Abgasleitung des ersten Turboladers strömt, umfassen. Das Verfahren kann ferner umfassen, dass Luft, die aus der Atmosphäre mit dem zweiten Kompressor angesaugt wird, komprimiert wird und dass Luft, die von einem zweiten Kompressor empfangen wird, mit dem ersten Kompressor komprimiert wird. Das Verfahren kann auch das Liefern komprimierter Luft von dem ersten Kompressor an die Lufteinlasssammelleitung und das Liefern komprimierter Luft von dem zweiten Kompressor an ein Abgasventil umfassen, um eine Strömung der Abgasluft von der Abgassammelleitung zu der ersten Turbine zu steuern.

Es sei bemerkt, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft sind und zu Erklärungszwecken dienen und die Erfindung nicht einschränken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen, welche einbezogen werden und einen Teil dieser Beschreibung bilden, illustrieren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und zusammen mit der Beschreibung dienen sie dazu die Prinzipien der Erfindung zu erklären.

Die Figur zeigt eine Kombination einer diagrammartigen und schematischen Darstellung eines beispielhaften Luftströmungssystems für einen Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Gemäß der Figur ist ein beispielhaftes Luftströmungssystem 100 für einen Verbrennungsmotor 110 gezeigt. Der Motor 110 umfasst einen Motorblock 111 der eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 112 definiert, deren Anzahl von der bestimmten Anwendung abhängt. Z. B. würde ein Vierzylindermotor vier Verbrennungszylinder umfassen, ein Sechszylindermotor würde sechs Verbrennungszylinder umfassen usw. In der Figur sind sechs Verbrennungszylinder 112 gezeigt.
Der Verbrennungsmotor 110 umfasst auch eine Einlasssammelleitung 114 und eine Auslasssammelleitung 116. Die Einlasssammelleitung 114 sieht Fluid, wie beispielsweise Luft oder eine Brennstoff/Luftmischung an die Verbrennungszylinder 112 vor. Die Abgassammelleitung 116 empfängt ausgestoßenes Fluid, beispielsweise Abgas von den Verbrennungszylindern 112. Die Einlasssammelleitung 114 und die Auslasssammelleitung 116 sind für eine Vereinfachung der Zeichnung als eine einteilige Konstruktion gezeigt. Es sei jedoch bemerkt, dass die Einlasssammelleitung 114 und/oder die Auslasssammelleitung 116 als mehrteilige Sammelleitungen aufgebaut sein können, und zwar abhängig von der bestimmten Anwendung.
Das Luftströmungssystem 100 kann einen ersten Turbolader 120 und einen zweiten Turbolader 140 umfassen. Die ersten und zweiten Turbolader 120, 140 können in Serie zueinander angeordnet sein. Der erste Turbolader 120 kann eine erste Turbine 122 und einen ersten Kompressor 124 aufweisen. Die erste Turbine 122 kann strömungsmittelmäßig mit der Abgassammelleitung 116 verbunden sein über eine Abgasleitung 126. Die erste Turbine 122 kann ein Turbinenrad 128 umfassen, das durch eine erste Welle 130 getragen wird, die wiederum drehbar durch ein Gehäuse 132 getragen wird, z. B. ein einteiliges oder mehrteiliges Gehäuse. Der Fluidströmungspfad von der Abgassammelleitung 116 zu der ersten Turbine 122 kann eine variable Düse (nicht gezeigt) oder eine andere Anordnung mit variabler Geometrie umfassen, die in der Lage ist, die Geschwindigkeit des Abgasfluids, das auf das Turbinenrad 128 auftrifft zu steuern.
Der erste Kompressor 124 kann ein Kompressorrad 134 umfassen, das durch die erste Welle 130 getragen ist. Somit kann eine Drehung der ersten Welle 130 durch das Turbinenrad 128 wiederum eine Drehung des Kompressorrades 134 bewirken. Eine Einlassleitung 152 kann eine Fluidkommunikation zwischen dem ersten Turbolader 120 und der Einlasssammelleitung 114 vorsehen, so dass der erste Kompressor 124 komprimierte Luft zu der Einlasssammelleitung 114 des Motors 110 liefern kann.
Der zweite Turbolader 140 kann eine zweite Turbine 142 und einen zweiten Kompressor 144 umfassen. Eine erste Leitung 137 kann eine Fluidkommunikation zwischen dem ersten Turbolader 120 und dem zweiten Turbolader 140 vorsehen, so dass Abgas von der ersten Turbine 122 zu der zweiten Turbine 142 geliefert werden kann. Die zweite Turbine 142 kann ein Turbinenrad 146 umfassen, dass durch eine zweite Welle 148 getragen ist, die wiederum drehbar durch das Gehäuse 132 getragen ist. Der zweite Kompressor 144 kann ein Kompressorrad 150 umfassen, das durch die zweite Welle 148 getragen ist. Somit kann eine Drehung der zweiten Welle 148 durch das Turbinenrad 146 wiederum einen Drehung des Kompressorrades 150 bewirken.
Der zweite Turbolader 140 kann einen Lufteinlass 136 vorsehen, der eine Fluidkommunikation zwischen der Atmosphäre und dem zweiten Kompressor 144 vorsieht. Eine zweite Leitung 138 kann eine Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Turbolader 140 und dem ersten Turbolader 120 vorsehen, so dass der zweite Kompressor 144 komprimierte Luft zu dem ersten Kompressor 124 liefern kann. Der zweite Turbolader 140 kann einen Abgasauslass 154 umfassen zum Aufnehmen von Abgasfluid von der zweiten Turbine 142 und zum Vorsehen einer Fluidkommunikation mit der Atmosphäre. In einem Ausführungsbeispiel können die Turbolader 120, 140 so bemessen sein, dass sie im Wesentlichen ähnliche bzw. gleiche Kompressionsverhältnisse vorsehen. Z. B. können der erste Turbolader 120 und der zweite Turbolader 140 Kompressionsverhältnisse zwischen 1,5 zu 1 und 3 zu 1 vorsehen.
Das Luftströmungssystem 100 kann einen oder mehrere Luftkühler 156 umfassen, die so strukturiert und angeordnet sind, dass sie Wärme aus der Luft extrahieren, um die Temperatur der Einlasssammelleitung zu verringern und die Luftdichte zu erhöhen. Z. B. kann das System 100 einen oder mehrere Luftkühler 156 z. B. Nachkühler zwischen dem ersten Kompressor 124 und der Einlasssammelleitung 114 aufweisen. Optional kann das Luftströmungssystem 100 einen zusätzlichen Luftkühler (nicht gezeigt) z. B. einen Zwischenkühler zwischen dem zweiten Kompressor 144 und dem ersten Kompressor 124 aufweisen.
Ein Abgasventil 160 kann zwischen der Abgasleitung 126 und der ersten Leitung 137 verbunden sein. Das Abgasventil 160 kann bewegbar sein zwischen einer ersten Position, in der eine Fluidströmung, die durch den Motor 110 ausgestoßen wird, die erste Turbine 122 umgeht und einer zweiten Position vor, in der eine Fluidströmung die durch den Motor 110 ausgestoßen wird, davon abgehalten wird, die erste Turbine 122 zu umgehen. Das Abgasventil 160 kann eine Abgasleitung 161 umfassen, die einen Abgaspfad bildet, der parallel zu einem Abgaspfad ist, der zu der ersten Turbine 122 läuft. Das Abgasventil 160 kann ein Gehäuse 162 und eine Membran 164 umfassen, die mit dem Gehäuse 162 in der Nähe eines Umfangs der Membran 164 verbunden ist. Das Abgasventil 160 kann auch ein Ventilglied 166 und eine Feder 168 aufweisen, die mit der Membran 164 assoziiert ist. Die Feder 168 spannt das Ventilglied 166 zu einer geschlossenen Position, in der das Ventilglied 166 eine Abgasumgehungsöffnung 170 verschließt, um zu verhindern, dass Abgas das Turbinenrad 128 der ersten Turbine 122 umgeht. Ein Teiler 172 kann innerhalb des Gehäuses 162 angebracht sein zum Erzeugen getrennter Hohlräume innerhalb des Gehäuses 162. Z. B. kann das Gehäuse 162 einen Hohlraum 174 für komprimierte Luft und einen Hohlraum 176 für Abgas umfassen. Eine dritte Leitung 178 kann strömungsmittelmäßig den Hohlraum 174 für komprimierte Luft mit dem zweiten Kompressor 144 verbinden bzw. koppeln.
Das Luftströmungssystem 100 kann ein Steuerventil 190 umfassen, dass mit der dritten Leitung 178 assoziiert ist. Das Steuerventil 190 kann betriebsmäßig die Strömung komprimierter Luft von dem zweiten Kompressor 144 zu dem Hohlraum 174 für komprimierte Luft des Abgasventils 160 steuern. Z. B. kann das Steuerventil 190 ein elektronischer Druckregulierer bzw. Regler sein. Das System 100 kann ferner eine Steuerung 192 umfassen, die elektrisch mit dem Steuerventil 190 gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Steuern der Strömung komprimierter Luft durch das Steuerventil 190. Das System 100 kann einen oder mehrere Sensoren 194 aufweisen, die mit dem Motor 110 oder Komponenten des Luftströmungssystems 100 assoziiert sind. Die Sensoren 194 können so konfiguriert sein, dass sie einen oder mehrere Motorzustände bzw. -bedingungen, wie beispielsweise die Motordrehzahl, die Last, die Lufttemperatur und/oder den Druck in der Sammelleitung, und die Lufttemperatur und/oder der Druck an dem ersten Kompressor 144. Wie der Fachmann erkennen wird, kann die Motorbelastung implizit abgeleitet werden aus einem abgefühlten Brennstoffbefehl. Die Steuerung 192 kann elektrisch mit den Sensoren 194 gekoppelt sein und kann den Betrieb des Steuerventils 190 steuern, basierend auf Eingängen, die von den Sensoren 194 empfangen werden.
Das Steuerventil 190 kann ein Zweipositionsventil sein, das entweder Druckfluid an das Abgasventil 160 liefert oder die Lieferung stoppt. Alternativ kann das Steuerventil 190 ein Ventil mit variablen Positionen sein. Z. B. kann die Steuerung 192 nicht nur steuern, ob das Steuerventil 190 geöffnet oder geschlossen ist, sondern auch wie weit das Ventil 190 geöffnet ist.

Industrielle Anwendbarkeit

Während der Verwendung arbeitet der Verbrennungsmotor 110 in bekannter Art und Weise unter Verwendung z. B. des Dieselarbeitsprinzips. Gemäß dem beispielhaften Luftströmungssystem, das in der Figur dargestellt ist, wird Abgas von dem Verbrennungsmotor 110 von der Abgassammelleitung 116 durch die Abgasleitung 126 transportiert und trifft auf das Turbinenrad 128 auf und bewirkt eine Drehung desselben. Das Turbinenrad 128 ist mit der Welle 130 gekoppelt, die wiederum das Kompressionsrad 134 trägt. Die Drehgeschwindigkeit des Kompressionsrades 134 entspricht somit der Drehgeschwindigkeit der Welle 130.
Abgas von dem ersten Turbolader 120 wird zu dem zweiten Turbolader 140 transportiert über die Abgasleitung 139. Das Abgas von dem ersten Turbolader 120 trifft auf das Turbinenrad 146 des zweiten Turboladers 140 auf und bewirkt eine Drehung desselben. Das Turbinenrad 146 ist mit der Welle 148 gekoppelt, die wiederum das Kompressionsrad 150 trägt. Die Drehgeschwindigkeit des Kompressionsrades 150 entspricht somit der Drehgeschwindigkeit der Welle 148. Abgas von dem zweiten Turbolader 140 kann zur Atmosphäre geleitet werden und zwar über den Abgasauslass 154.
Eine Drehung des Kompressionsrades 150 des zweiten Turboladers 140 komprimiert Luft, die von der Atmosphäre über den Lufteinlass 136 angesaugt wurde, und zwar auf einen ersten Druck. Die komprimierte Luft kann dann an das Kompressorrad 134 des ersten Turboladers 120 geliefert werden über die zweite Leitung 138. Das Kompressorrad 134 kann ferner die Luft auf einen zweiten Druck komprimieren und die komprimierte Luft an die Einlasssammelleitung 114 des Motors 110 liefern, und zwar über die Luftauslassleitung 152. Die komprimierte Luft kann durch einen oder mehrere Luftkühler 156 gekühlt werden, bevor sie die Einlasssammelleitung 114 erreicht. Da der erste Kompressor 124 komprimierte Luft mit einem höheren Druck als der zweite Kompressor 144 liefert kann der erste Kompressor 124 als ein Hochdruckkompressor und der zweite Kompressor 144 als ein Niedrigdruckkompressor bezeichnet werden.
Die komprimierte Luft von dem Kompressorrad 150 des zweiten Turboladers 140 kann auch selektiv an den Hohlraum 174 für komprimierte Luft des Abgasventils 160 geliefert werden, und zwar über die dritte Leitung 178. Der Druck der Luft, die aus dem Kompressorrad 150 austritt kann bewirken, dass die Membran 164 das Ventilglied 166 gegen die Vorspannkraft der Feder 168 bewegt, wenn der Luftdruck wenigstens einen vorbestimmten Druck besitzt. Wenn z. B. der Luftdruck ausreicht, um zu bewirken, dass die Membran 164 die Feder 168 zusammendrückt, dann wird sich das Ventilglied 166 zu einer geöffneten Position bewegen, wodurch erlaubt wird, dass die Abgasströmung durch den Abgashohlraum 176 und durch die Abgasumgehungsöffnung 170 zu der ersten Leitung 137 strömt. Auf diese Art und Weise wird, wenn die Druckluft, die aus dem zweiten Kompressor 144 austritt, einen vorbestimmten Wert erfüllt oder übersteigt das Abgasventil 170 geöffnet, um dadurch Abgas von dem ersten Turbinenrad 128 wegzuleiten.
Optional kann der Betrieb des Abgasventils 160 modifiziert werden durch das Steuerventil 190 basierend auf den Betriebsbedingungen des Motors 110 und/oder des Luftströmungssystems 100. Z. B. können die Sensoren 194verwendet werden zum Überwachen von Motorbetriebsbedingungen, wie z. B. der Motordrehzahl, der Aufladung, dem Einlasssammelleitungsdruck und der Temperatur, der Motorbelastung (impliziert durch die Brennstoffanforderung) und ähnliches. Die Sensoren 194 können auch verwendet werden, um die Betriebsbedingungen des Luftströmungssystems zu überwachen, wie z. B. die Temperatur und den Druck der komprimierten Luft, die den ersten Kompressor 124 verlässt.
Die Steuerung 192 kann das Steuerventil 190 öffnen oder schließen basierend auf einen oder mehrere der überwachten Betriebszustände bzw. Bedingungen. Wenn das Steuerventil 190 geschlossen ist, wird komprimierte Luft von dem zweiten Kompressor 144 nicht an den Hohlraum 174 für komprimierte Luft geliefert und das Abgasventil 160 ist geschlossen. Wenn das Steuerventil 190 wenigstens teilweise geöffnet wird, wird eine Menge komprimierter Luft von einem zweiten Kompressor 144 an den Hohlraum 174 für komprimierte Luft geliefert und das Abgasventil 160 kann bis zu einem gewissen Grad geöffnet werden, abhängig von der Vorspannung der Feder 168. Somit kann das Steuerventil 190 verwendet werden zum Steuern des Betriebs des Abgasventils 160, um gewünschte Betriebsbedinungen des Motors 110 und des Luftströmungssystems 100 beizubehalten.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Motor 110 ein Viertacktverbrennungsmotor sein, der mit einem "Miller-Zyklus" arbeitet. Ein "Miller-Zyklus" Motor modifiziert den Betrieb eines herkömmlichen "Otto-Zyklus" oder Dieselzyklus-Motors durch Modifizieren der Schließzeitsteuerung bzw. des Schließtimings eines Lufteinlassventils (nicht gezeigt), das mit dem Zylinder 112 assoziiert ist um die komprimierte Luft an den Zylinder 112 zu liefern. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann ein "Miller-Zyklus" Motor das Lufteinlassventil während des Kompressionshubs des Motors 110 schließen, um zu erlauben, dass die Strömung komprimierter Luft in und/oder aus dem Zylinder 112 über einen Teil des Kompressionshubs erlaubt wird. Optional kann der komprimierten Luft erlaubt werden in und/oder aus dem Zylinder 112 zu strömen, und zwar über mehr als die Hälfte des Kompressionshubs. Infolgedessen muss in dem Zylinder 122 eine geringere Kompression erfolgen, wodurch die Temperaturen in dem Zylinder 112 reduziert werden und die Größe der Kompressionsarbeit für den Motorzyklus reduziert wird.
Infolge der potentiellen Umkehrströmung von Luft aus dem Zylinder 112 während des Kompressionshubs bei einem Betrieb im "Miller-Zyklus" kann es erforderlich sein, dass die in Serie geschalteten Turbolader 120, 140 den Ladungssdruck der an den Motor 110 gelieferten Luft erhöhen, um eine ausreichende Luftströmung zu dem Motor 110 beizubehalten. Während sich der Ladungsdruck erhöht, kann sich die Temperatur der komprimierten Luft, die von dem ersten Kompressor 124 zu der Einlasssammlleitung 114 geliefert wird auch auf exzessiv hohe Niveaus erhöhen. Ferner besitzt die komprimierte Luft, die aus dem zweiten Kompressor 144 austritt, eine wesentlich tiefere Temperatur und einen tieferen Druck als die komprimierte Luft, die aus dem ersten Kompressor 124 austritt. Somit wird bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung weniger komprimierte und eine niedrigere Temperatur aufweisende Luft von dem zweiten Kompressor 144 zu dem Hohlraum 174 für komprimierte Luft geliefert, um das Abgasventil 160 zu betreiben. Demgemäß kann das Abgasventil 160 aus weniger teuren und leichter verfügbaren Komponenten aufgebaut sein. Ferner kann die Verwendung komprimierter Luft von dem zweiten Kompressor 144 eine verbesserte Steuerbarkeit des Abgasventils 160 vorsehen, da der Druck der komprimierten Luft eine geringere Größe besitzt.
Dem Fachmann werden sich unterschiedliche Modifikationen und Abwandlungen ergeben, die in dem offenbarten Luft- und Brennstoffversorgungssystem für einen Verbrennungsmotor durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden sich dem Fachmann durch Betrachtung der Beschreibung und die Ausführung der darin offenbarten Erfindung ergeben. Es ist gewollt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur beispielhaft sind.

Claims

1. Luftströmungssystem für einen Verbrennungsmotor, der eine Einlasssammelleitung und eine Auslasssammelleitung besitzt, wobei das Luftströmungssystem Folgendes aufweist:
einen ersten Turbolader einschließlich einer ersten Turbine, die mit einem ersten Kompressor gekoppelt ist, wobei die erste Turbine konfiguriert ist zur Aufnahme einer Abgasströmung von der Abgassammelleitung, und wobei der erste Kompressor zum Liefern komprimierter Luft an die Einlasssammelleitung konfiguriert ist;
ein zweiter Turbolader einschließlich einer zweiten Turbine, die mit einem zweiten Kompressor gekoppelt ist, wobei der zweite Kompressor konfiguriert ist zum Komprimieren von Luft, die aus der Atmosphäre angesaugt wird;
eine erste Leitung, die eine Fluidkommunikation zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine vorsieht;
eine zweite Leitung, die eine Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Kompressor und dem ersten Kompressor vorsieht;
ein Abgasventil, das strömungsmittelmäßig mit der Abgassammelleitung gekoppelt ist, wobei das Abgasventil bewegbar ist zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position, wobei in der ersten Position einer Fluidströmung, die durch den Motor ausgestoßen wird erlaubt wird, die erste Turbine zu umgehen, und wobei in der zweiten Position verhindert wird, dass die Fluidströmung, die durch den Motor ausgestoßen wird, die erste Turbine umgeht; und
eine dritte Leitung, die eine Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Kompressor und dem Abgasventil vorsieht,
wobei das Abgasventil zu der ersten Position bewegt wird zu Zeiten, wenn komprimierte Luft in der dritten Leitung wenigstens einen vorbestimmten Druck aufweist.

2. Luftströmungssystem nach Anspruch 1, das ferner ein Steuerventil umfasst, das mit der dritten Leitung assoziiert ist, wobei das Ventil betätigbar ist zum Steuern des Drucks komprimierter Luft, die an das Abgasventil geliefert wird.

3. Luftströmungsystem nach Anspruch 2, wobei das Steuerventil ein elektrisch steuerbares Ventil ist.

4. Luftströmungsystem nach Anspruch 2 oder 3, das ferner eine Steuerung umfasst, die elektrisch mit dem Steuerventil gekoppelt ist, wobei die Steuerung konfiguriert ist zum Betätigen des Steuerventils basierend auf wenigstens einem überwachten Betriebszustand von wenigstens dem Motor und/oder dem Luftströmungssystem.

5. Luftströmungsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Abgasventil eine Abgasleitung umfasst, wobei die Abgasleitung eine Fluidkommunikation zwischen der Abgassammelleitung und der ersten Leitung vorsieht.

6. Luftströmungsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner eine Feder umfasst, die mit dem Abgasventil assoziiert ist, wobei die Feder das Abgasventil zu der geschlossenen Position vorspannt, wenn das Abgasventil in der ersten Position ist.

7. Ein Motor, der ein Luftströmungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist, wobei der Motor einen Motorblock umfasst, der einen Zylinder definiert, wobei einer Luftströmung erlaubt wird zwischen dem Zylinder und der Einlasssammelleitung des Motors zu strömen, und zwar über mehr als die Hälfte eines Kompressionshubs des Motors.

8. Verfahren zum Steuern einer Luftströmung zu einem Verbrennungsmotor mit einer Einlasssammelleitung und einer Auslasssammelleitung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bewirken einer Drehbewegung einer ersten Turbine und eines ersten Kompressors eines ersten Turboladers mit Abgasluft, die von der Abgassammelleitung des Motors strömt;
Bewirken einer Drehbewegung einer zweiten Turbine und eines zweiten Kompressors eines zweiten Turboladers mit Abgasluft, die von einer Abgasleitung des ersten Turboladers strömt;
Komprimieren von Luft, die aus der Atmosphäre angesaugt wird mit dem zweiten Kompressor;
Komprimieren von Luft, die von dem zweiten Kompressor stammt mit dem ersten Kompressor;
Liefern komprimierter Luft von dem ersten Kompressor zu der Lufteinlasssammelleitung; und
Liefern komprimierter Luft von dem zweiten Kompressor zu einem Abgasventil zum Steuern der Abgasluftströmung von der Abgassammelleitung zu der ersten Turbine.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die komprimierte Luft, die von dem zweiten Kompressor geliefert wird, das Abgasventil zu einer ersten Position bewegt, wenn die komprimierte Luft wenigstens einen vorbestimmten Druck besitzt, wobei in der ersten Position einer Fluidströmung, die durch den Motor ausgestoßen wird, erlaubt wird, die erste Turbine zu umgehen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei ferner vorgesehen ist, dass eine komprimierte Luftströmung zwischen einem Zylinder und einer Einlasssammelleitung des Motors während mehr als der Hälfte eines Kompressionshubs des Motors erlaubt wird.