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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Verbesserte Leistung und Brennstoffausnutzung sind von überragender Bedeutung für Personen- und Nutzfahrzeuge. Ein Verfahren, das eingesetzt wird, um die verfügbare Leistung eines Motors zu erhöhen, besteht darin, einen Turbolader einzusetzen, um die Luftmenge zu vergrößern, die an die Zylinder des Motors geliefert wird. Mit einer vergrößerten Luftmenge kann eine vergrößerte Brennstoffmenge während jedes Verbrennungszyklus eingesetzt werden, so dass die von dem Motor erzeugte Leistung erhöht wird.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher ein Motorsystem umfassen, welches einen hohen Wirkungsgrad aufweist, umfassend: einen Motor; einen mit dem Motor gekoppelten Super-Turbolader, um mechanische Rotationsenergie zwischen einem Antriebsstrang und dem Super-Turbolader zu übertragen; ein Ventil, das einen Strom komprimierter Luft von dem Super-Turbolader, die mit Abgasen von dem Motor gemischt wird, bevor die Abgase in den Super-Turbolader eintreten, regelt, so dass die komprimierte Luft die Abgase auf eine Temperatur kühlt, die unterhalb einer vorbestimmten maximalen Temperatur liegt, um eine Beschädigung des Super-Turboladers zu verhindern.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher weiterhin ein Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrads eines Motorsystems umfassen, umfassend: Koppeln eines Super-Turboladers mit einem Motor; Zugeben eines Stroms komprimierter Luft von dem Super-Turbolader zu Abgasen von dem Motor, bevor die Abgase in den Super-Turbolader eintreten, so dass die komprimierte Luft die Abgase auf eine Temperatur kühlt, die unterhalb einer vorbestimmten maximalen Temperatur liegt, um eine Beschädigung des Super-Turboladers zu verhindern, und die eine zusätzliche Masse zu den Abgasen, die in den Super-Turbolader eintreten, hinzufügt.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher weiterhin ein mit einem Super-Turbolader versehenes Motorsystem umfassen, das einen hohen Wirkungsgrad aufweist, umfassend: einen Motor; einen Super-Turbolader, mit: einer Turbine, die mechanische Rotationsenergie aus einem durch die Turbine strömenden Gasgemisch erzeugt, einem Kompressor, der mechanisch mit der Turbine gekoppelt ist und eine Quelle von Luft komprimiert und einen Zustrom an komprimierter Luft an eine Eingangs-Verteilleitung des Motors bereitstellt; einem Getriebe, das mechanisch mit der Turbine und dem Kompressor gekoppelt ist und die mechanische Rotationsenergie der Turbine von der Turbine an einen Antriebsstrang überträgt, um die Ausgangsleistung des Motors zu erhöhen und um eine Beschädigung des Super-Turboladers zu verhindern, und mechanische Antriebsstrang-Rotationsenergie von dem Antriebsstrang an den Kompressor überträgt, um eine Turbolader-Verzögerung des Motors zu verringern; ein Rückführungsventil, das einen Teil der komprimierten Luft, der mit dem Abgasen gemischt wird, regelt, um das Gasgemisch zu erzeugen, wobei der Anteil der komprimierten Luft ausreichend ist, um die Abgase unterhalb einer vorbestimmten maximalen Temperatur zu kühlen, um eine Beschädigung der Turbine zu verhindern, und auch um eine zusätzliche Masse der Luft zu den Abgasen hinzuzufügen, die eine zusätzliche Rotationsenergie für die Turbine hinzufügt.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher weiterhin ein Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrads eines mit einem Super-Turbolader versehenen Motorsystems umfassen, umfassend: Bereitstellen komprimierter Luft von einem Kompressor eines Super-Turboladers; Mischen eines Teils der komprimierten Luft mit Abgasen von dem Motor, um ein Gasgemisch zu erzeugen, das eine Temperatur aufweist, die eine vorbestimmte maximale Temperatur nicht überschreitet, um eine Beschädigung einer Turbine des genannten Super-Turboladers zu verhindern; Antreiben der Turbine mit dem Gasgemisch; Übertragen von überschüssiger mechanischer Rotationsenergie der Turbine von der Turbine an einen Antriebsstrang, die anderenfalls die Turbine veranlassen würde, sich mit einer Drehzahl zu drehen, die eine Beschädigung des Kompressors zur Folge hätte.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher weiterhin ein Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrads eines mit einem Super-Turbolader versehenen Motorsystems umfassen, umfassend: Bereitstellen eines Motors; Bereitstellen eines katalytischen Konverters, der mit einem Abgasauslass nahe an dem Motor verbunden ist, der Motorabgase von dem Motor erhält, die eine exotherme Reaktion in dem katalytischen Konverter erzeugen, was zusätzliche Energie zu den Motorabgasen hinzufügt und katalytische Konverter-Abgase an einem Ausgang des katalytischen Konverters erzeugt, die heißer sind als die Motorabgase; Erzeugen eines Stroms komprimierter Luft zu einem Einlass des Motors unter Verwendung eines Kompressors; Mischen eines Teils der komprimierten Luft mit den Abgasen des katalytischen Konverters in einer Mischkammer, die sich stromab des katalytischen Konverters befindet, um ein Gasgemisch der Abgase des katalytischen Konverters und der komprimierten Luft zu erzeugen; Regeln des Strom der komprimierten Luft in die Mischkammer unter Verwendung eines Steuerventils, um das Gasgemisch unterhalb einer maximalen Temperatur zu halten und um einen Strom der komprimierten Luft durch den Kompressor während Betriebsphasen des Motors aufrechtzuerhalten, in denen ansonsten ein Pumpen in dem Kompressor auftreten würde, Zuführen des Gasgemischs zu einer Turbine, die mechanische Rotationsenergie ansprechend auf eine Strömung des Gasgemischs erzeugt; Übertragen der mechanischen Rotationsenergie der Turbine von der Turbine an den Kompressor, der die Rotationsenergie nutzt, um eine Quelle von Luft zu komprimieren, um die komprimierte Luft zu erzeugen, wenn der Strom des Gasgemischs durch die Turbine ausreicht, um den Kompressor anzutreiben; Abziehen zumindest eines Teils der mechanischen Rotationsenergie der Turbine und Einbringen dieses Teiles der mechanischen Rotationsenergie der Turbine in einen Antriebsstrang, wenn dieser Teil der mechanischen Rotationsenergie der Turbine von der Turbine nicht benötigt wird, um den Kompressor zu betreiben; Bereitstellen mechanischer Antriebsstrang-Rotationsenergie von dem Antriebsstrang an den Kompressor, um eine Turbolader-Verzögerung zu verhindern, wenn der Strom des Gasgemischs durch die Turbine nicht ausreicht, um den Kompressor anzutreiben.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher weiterhin einen mit einem Super-Turbolader versehenen Motor umfassen, umfassend: einen Motor, einen katalytischen Konverter, der mit einer Abgasleitung nahe einem Abgasauslass des Motors verbunden ist, so dass die heißen Abgase von dem Motor eine exotherme Reaktion in dem katalytischen Konverter erzeugen, die Energie zu den heißen Abgasen hinzufügt und heißere Abgase erzeugt; einen Kompressor, der mit einer Quelle von Luft verbunden ist, der komprimierte Luft erzeugt, die einen Druck aufweist, der größer ist als ein Druckniveau der Abgase; eine Leitung, die die komprimierte Luft den heißeren Abgasen zuführt, so dass zumindest ein Teil der komprimierten Luft mit den heißeren Abgasen gemischt wird, um ein Gasgemisch zu erzeugen; ein Ventil, das einen Strom des Teils der komprimierten Luft durch die Leitung reguliert, um die Gasmischung unterhalb einer vorbestimmten maximalen Temperatur zu halten und um einen Strom von Luft von der Quelle von Luft durch den Kompressor während Betriebsphasen des Motors aufrechtzuerhalten, in denen ansonsten ein Pumpen in dem Kompressor erfolgen würde; ein Getriebe, das mechanische Antriebsstrang-Rotationsenergie von einem Antriebsstrang an den Kompressor liefert, um eine Turbolader-Verzögerung zu reduzieren, wenn der Strom der Abgase durch die Turbine nicht ausreicht, um den Kompressor auf ein gewünschtes Ladedruckniveau anzutreiben, und überschüssige mechanische Rotationsenergie der Turbine von der Turbine abzieht, um die Drehzahlen des Kompressors unterhalb einer vorbestimmten maximalen Drehzahl zu halten, bei der ein Schaden an dem Kompressor eintreten würde.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein vereinfachtes Übersichts-Systemdiagramm einer Ausführungsform eines mit einem Super-Turbolader versehenen Motors gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Umsetzung der Ausführungsform nach 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine vereinfachte Form einer Übersichtsdarstellung mit einzelnen Linien einer Ausführungsform eines Motorsystems 100 mit hohem Wirkungsgrad, das mit einem Super-Turbolader versehen ist, und das entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Wie für einen Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet anhand der folgenden Beschreibung deutlich wird, findet ein derartiges, mit einem Super-Turbolader versehenes Motorsystem 100 besondere Anwendung in funkengezündeten Benzinmotoren, die in Personen- und Nutzfahrzeugen eingesetzt werden, und daher beziehen sich die erläuternden Beispiele, die hier besprochen sind, auf eine solche Umgebung, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Allerdings sollte anerkannt werden, dass Ausführungsformen des Systems 100 nach der vorliegenden Erfindung auch in anderen betrieblichen Umgebungen verwendet werden können, wie etwa in landbasierten Stromerzeugungsmaschinen, und in anderen landbasierten Maschinen, und daher sollten die Beispiele lediglich aus Erläuterung und nicht als Beschränkung aufgefasst werden.
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Wie anhand 1 ersichtlich ist, umfasst das System 100 einen Motor 102, der einen Super-Turbolader 104 nutzt, um die Leistung des Motors 102 zu erhöhen. Im allgemeinen umfasst ein Super-Turbolader einen Kompressor und eine Turbine, die mit einer Turbinenwelle miteinander gekoppelt sind. Auch andere Möglichkeiten der Kupplung von Kompressor und Turbine sind genutzt worden. Weiterhin umfasst der Super-Turbolader ein Getriebe, das Leistung zwischen der Turbinenwelle und dem Kraft- oder Triebstrang (Antriebsstrang) des Fahrzeugs überträgt. Als Beispiel kann das Getriebe mechanisch mit der Kurbelwelle eines Motors oder mit dem Getriebe des Fahrzeugs gekoppelt sein oder mit anderen Abschnitten des Kraft- oder Triebstrangs. Auf diese wird allgemein als der Antriebsstrang des Fahrzeugs Bezug genommen. Das Getriebe kann ein mechanisches Getriebe sein, bei dem Zahnräder, eine hydraulische Übertragung, eine pneumatische Übertragung, eine Reibantriebsübertragung oder eine elektrische Übertragung eingesetzt wird. Ein elektrischer Motor/Generator kann mit der Turbinenwelle gekoppelt sein und verwendet werden, um entweder die Turbinenwelle anzutreiben oder durch die Turbinenwelle angetrieben zu werden und elektrische Energie zu erzeugen. Die elektrische Energie, die von dem Motor/Generator erzeugt wird, kann zum Laden von Batterien, zum Antrieb von Motoren oder Generatoren, die für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden, oder zur Unterstützung für den Antrieb des Fahrzeugs in Hybridfahrzeugen verwendet werden. In dieser Hinsicht kann das mit einem Super-Turbolader versehene Motorsystem 100 für die Zwecke der Erzeugung von Strom in einem elektrischen Fahrzeugsystem bemessen und genutzt werden, oder es kann verwendet werden, um sowohl Energie zu erzeugen als auch den Antrieb des Fahrzeugs mit mechanischer Energie zu unterstützen, wie etwa bei einem Hybridfahrzeugsystem.
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Wie in 1 dargestellt ist, umfasst der Super-Turbolader 104 eine Turbine 106, einen Kompressor 108 und ein Getriebe 110, das mit der Kurbelwelle 112 des Motors 102 oder mit anderen Bereichen des Antriebsstrangs gekoppelt ist. Während dies nicht in allen Ausführungsformen notwendig ist, umfasst die in 1 dargestellte Ausführungsform auch einen Zwischenkühler 114, um die Dichte der an den Motor 102 von dem Kompressor 108 gelieferten Luft zu erhöhen, um die von dem Motor 102 zur Verfügung gestellte Leistung weiter zu erhöhen.
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Super-Turbolader haben gegenüber Turboladern bestimmte Vorteile. Bei einem Turbolader wird eine Turbine verwendet, die vom Abgas des Motors angetrieben wird. Diese Turbine ist mit einem Kompressor gekoppelt, der die Einlassluft komprimiert, die in die Zylinder des Motors eingespeist wird. Die Turbine in einem Turbolader wird vom Abgas des Motors angetrieben. Von daher zeigt der Motor eine Verzögerung beim Ladedruckaufbau, wenn anfangs eine Beschleunigung vorliegt, bis genug heißes Abgas vorhanden ist, um die Turbine auf eine Drehzahl zu bringen, um einen Kompressor anzutreiben, der mechanisch mit der Turbine gekoppelt ist, um einen ausreichenden Ladedruck zu erzeugen. Um die Verzögerung zu minimieren, werden typischerweise kleinere und/oder leichtere Turbolader eingesetzt. Die geringere Trägheit der Turbolader mit geringem Gewicht ermöglichen es diesen, sehr schnell auf Drehzahl zu kommen, so dass die Verzögerung in der Leistungsfähigkeit minimiert wird.
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Ungünstigerweise können derartige kleinere und/oder leichtere Turbolader bei einem Betrieb des Motors mit hoher Drehzahl überdreht werden, wenn eine große Menge Abgasstrom bei hoher Temperatur erzeugt wird. Um solche übermäßigen Drehzahlen zu vermeiden, enthalten typische Turbolader ein Ladedruckregelventil (waste gate valve), das in der Abgasleitung stromauf der Turbine eingebaut ist. Das Ladedruckregelventil ist ein druckbetätigtes Ventil, das einen Teil des Abgases um die Turbine herum leitet, wenn der Ausgangsdruck des Kompressors eine vorbestimmte Grenze überschreitet. Diese Grenze wird auf einen Druck eingestellt, der anzeigt, dass der Turbolader im Begriff ist, zu überdrehen. Ungünstigerweise führt dies dazu, dass ein Teil der von den Abgasen des Motors verfügbaren Energie nicht genutzt wird.
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In der Erkenntnis, dass bei herkömmlichen Turboladern das Leistungsvermögen im niedrigen Bereich für Leistung im oberen Bereich geopfert wird, wurden Vorrichtungen entwickelt, die als Super-Turbolader bekannt geworden sind. Ein derartiger Super-Turbolader ist im
US-Patent 7,490,594 mit dem Titel „Super-Turbocharger” (Super-Turbolader) beschrieben, das am 17. Februar 2009 dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung erteilt worden ist. Diese Anmeldung wird hier unter Bezugnahme auf ihre gesamte Offenbarung und Lehre aufgenommen.
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Wie in der oben genannten Anmeldung erläutert ist, wird in einem Super-Turbolader der Kompressor von der Kurbelwelle des Motors über ein Getriebe angetrieben, das mit dem Motor gekoppelt ist, während eines Betriebs des Motors mit niedriger Drehzahl, wenn nicht genug erhitztes Motorabgas für den Antrieb der Turbine zur Verfügung steht. Die mechanische Energie, die von dem Motor an den Kompressor geliefert wird, reduziert das Problem der Turbolader-Verzögerung, das bei herkömmlichen Turboladern vorhanden ist, und ermöglicht den Einsatz von größeren oder effizienteren Turbinen und Kompressoren.
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Der Super-Turbolader 104, der in 1 dargestellt ist, arbeitet so, dass er komprimierte Luft von dem Kompressor 108 an den Motor 102 liefert, ohne unter der Turbolader-Verzögerung eines herkömmlichen Turboladers am unteren Ende zu leiden, und ohne am oberen Ende Energie ungenutzt zu lassen, die von der Abgaswärme des Motors, die der Turbine 106 zugeführt wird, verfügbar ist. Diese Vorteile werden durch Einschluss des Getriebes 110 erreicht, das sowohl Antriebsleistung von der Kurbelwelle 112 des Motors abziehen kann als auch Antriebsleistung dieser zuführen kann, um sowohl den Kompressor 108 anzutreiben als auch die Turbine 106 zu beaufschlagen, während unterschiedlicher Betriebsweisen des Motors 102.
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Beim Start oder Hochfahren, wenn herkömmliche Turbolader unter einer Verzögerung leiden, aufgrund des Fehlens von ausreichend Leistung von der Motorabgaswärme, um die Turbine anzutreiben, stellt der Super-Turbolader 104 eine Überladewirkung bereit, wobei Antriebskraft von der Kurbelwelle 102 über das Getriebe 110 entnommen wird, um den Kompressor 108 anzutreiben, um einen ausreichenden Ladedruck für den Motor 102 bereitzustellen. Wenn der Motor auf Drehzahl kommt und die Menge an Antriebsleistung, die von der Motorabgaswärme verfügbar ist, ausreicht, um die Turbine 106 anzutreiben, wird die Menge an Antriebsleistung, die über das Getriebe 110 von der Kurbelwelle 112 entnommen wird, reduziert. Danach liefert die Turbine 106 weiterhin Antriebskraft an den Kompressor 108 um die Einlassluft zur Nutzung durch den Motor 103 zu komprimieren.
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Wenn die Motordrehzahl zunimmt, steigt die Menge an verfügbarer Antriebsleistung von der Motorgaswärme bis zu dem Punkt an, an dem die Turbine 106 bei einem herkömmlichen Turbolader eine übermäßige Drehzahl erreichen würde. Bei dem Super-Turbolader 104 wird allerdings die überschüssige Energie, die von der Motorabgaswärme an die Turbine 106 bereitgestellt wird, durch das Getriebe 110 an die Kurbelwelle 112 des Motors geleitet, während der Kompressor 108 auf der richtigen Drehzahl gehalten wird, um den idealen Ladedruck für den Motor 102 zu liefern. Je größer die Ausgangsleistung ist, die von der Abgaswärme des Motors 102 verfügbar ist, um so mehr Leistung, die von der Turbine 106 erzeugt wird, wird über das Getriebe 110 an die Kurbelwelle 112 geleitet, während der optimale verfügbare Ladedruck von dem Kompressor 108 aufrechterhalten wird. Diese Beaufschlagung dieser Turbine 106 durch das Getriebe 110 verhindert, dass die Turbine 106 eine übermäßige Drehzahl erreicht, und maximiert die Effizienz der von den Motorabgasen gewonnenen Leistung. Hierbei wird ein herkömmliches Ladedruckregelventil nicht benötigt.
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Während die Größe der verfügbaren Leistung für den Antrieb der Turbine 106 bei einer herkömmlichen Anwendung mit Super-Turbolader streng auf die Größe der von dem Motorabgas verfügbaren Leistung begrenzt ist, ist die Turbine 106 in der Lage, wesentlich mehr Leistung zu erzeugen, wenn die thermische Energie und der Massenstrom, die den Turbinenschaufeln zugeführt werden, vollständig genutzt werden können und/oder erhöht werden können. Allerdings kann die Turbine 106 nicht oberhalb einer bestimmten Temperatur arbeiten, ohne beschädigt zu werden, und der Massenstrom ist herkömmlicherweise auf die Abgase begrenzt, die aus dem Motor 102 kommen.
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Nachdem dies erkannt worden ist, schützt die Ausführungsform des Systems 100 die Turbine 106 vor hohen Temperaturübergängen, indem der katalytische Konverter 116 stromauf der Turbine 106 neu angeordnet wird. In einer Ausführungsform wird der katalytische Konverter stromauf der Turbine in der Nähe der Auspuff-Verteilleitung angeordnet, wodurch exotherme Reaktionen möglich sind, die zu einem Anstieg in der Abgastemperatur während einem anhaltenden Betrieb des Motors bei hoher Drehzahl oder hoher Last führen. Um das Abgas vor dem Eintritt in die Turbine zu kühlen, wird ein Teil der von dem Kompressor erzeugten komprimierten Luft direkt in das Abgas stromauf der Turbine über ein steuerbares Ventil eingespeist und den Motorabgasen zugefügt, die den katalytischen Konverter verlassen. Die kühlere Einlassluft dehnt sich aus und kühlt das Abgas und fügt zusätzliche Masse zu dem Abgasstrom hinzu was der Turbine des Super-Turboladers zusätzliche Leistung hinzufügt, wie weiter unten noch im einzelnen beschrieben werden wird. Wenn mehr kühlere Luft zu den heißen Abgasen zugeführt wird, um die Temperatur des vereinten Stroms an die Turbine bei der optimalen Temperatur zu halten, steigt auch die Energie und der Massenstrom, die an die Turbinenschaufeln abgegeben werden. Dies erhöht wesentlich die Leistung, die von der Turbine zum Antrieb der Kurbelwelle des Motors geliefert wird.
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Damit die Kompressor-Rückführungsluft nicht mit der stöchiometrischen Reaktion innerhalb des katalytischen Konverters in störendes Zusammenwirken tritt, wird sie stromab des katalytischen Konverters zugeführt. In einer solchen Ausführungsform wird das Motorabgas durch den katalytischen Konverter geschickt, und die Temperatur des Abgases wird durch die exotherme Reaktion erhöht. Die Kompressor-Rückführungsluft wird dann zugeführt und dehnt sich aus, so dass der gesamte Massenstrom, der der Turbine zufließt, erhöht wird. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Menge der komprimierten Rückführungsluft, die zum Kühlen des Abgases und zum Antreiben der Turbine zugeführt wird, gesteuert, um sicherzustellen, dass die Summe aus der kühleren Kompressor-Rückführungsluft und der Motorabgase bei einer optimalen Temperatur für den Betrieb der Turbinenschaufeln an die Turbine geliefert wird.
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Da der katalytische Konverter 116, der in 1 dargestellt ist, eine große thermische Masse besitzt, arbeitet er anfangs als ein thermischer Dämpfer, der verhindert, dass ein thermischer Spitzenwert mit hoher Temperatur die Turbine 106 erreicht. Da allerdings die Reaktionen in dem katalytischen Konverter 116 von ihrer Art her exotherm sind, werden die Temperaturen der Abgase, die den katalytischen Konverter 116 verlassen, schließlich höher als die des Abgases, das in den katalytischen Konverter 116 eintritt. Solange die Temperatur des Abgases, das in die Turbine eintritt, unterhalb der maximalen Betriebstemperatur der Turbine 106 bleibt, besteht kein Problem.
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Bei andauerndem Betrieb des Motors 102 mit hoher Drehzahl und hoher Last können allerdings die Austrittstemperaturen des umgewandelten Abgases aus dem katalytischen Konverter 116 die maximale Betriebstemperatur der Turbine 106 überschreiten. Wie weiter oben dargelegt ist, wird die Temperatur der Abgase, die aus dem katalytischen Konverter 116 austreten, dadurch reduziert, dass ein Teil der komprimierten Luft von dem Kompressor 108 Fiber ein Rückführungsventil 118 zugeführt wird und mit dem Abgas, dass den katalytischen Konverter 116 verlässt, gemischt wird. Eine wesentlich verbesserte Brennstoffausnutzung wird dadurch erreicht, dass nicht Brennstoff als Kühlmittel während solcher Bedingungen verwendet wird, wie dies in herkömmlichen Systeme der Fall ist. Zusätzlich ist der Betrieb des Getriebes gesteuert, um es dem Kompressor 108 zu ermöglichen, eine ausreichende Menge an komprimierter Luft zu liefern, um einen optimalen Ladedruck für den Motor 102 bereitzustellen, und die komprimierte Rückführungsluft an die Turbine 106 über das Rückführungsventil 118. Die überschüssige Leistung, die durch die Turbine 106 erzeugt wird, resultierend von dem vergrößerten Massenstrom der komprimierten Luft durch die Turbine, wird über das Getriebe 110 zur Kurbelwelle 112 geleitet, was die Ausnutzung des Brennstoffs noch weiter erhöht.
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Die Ausgangstemperatur der komprimierten Luft von dem Kompressor 108 liegt typischerweise zwischen etwa 200°C und 300°C. Eine herkömmliche Turbine kann optimal arbeiten, um Arbeitsvermögen aus Gasen bei etwa 950°C zu entnehmen, aber nicht höher, ohne Verformung oder mögliches Versagen. Aufgrund der Materialgrenzen der Turbinenschaufeln wird die optimale Leistung bei etwa 950°C erreicht. Da die Materialien die Abgastemperaturen auf etwa 950°C begrenzen, vergrößert das Zuführen von mehr Luft zur Erhöhung des Massenstroms durch die Turbine an der Temperaturgrenze, beispielsweise 950°C, das Leistungsvermögen der Turbine.
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Während ein solcher Strom an komprimierter Rückführungsluft mit 200°C bis 300°C hilfreich ist, um die Temperatur des Abgases, dass aus dem katalytischen Konverter 116 kommt, zu reduzieren, wird auch gesehen, dass eine maximale Leistung von der Turbine 106 geliefert werden kann, wenn die Temperatur und der Massenstrom innerhalb der thermischen Grenzen der Turbine 106 maximiert werden. In einer Ausführungsform wird die Menge an Rückführungsluft gesteuert, so dass das Abgas und die Rückführungsluft gemeinsam an oder in der Nähe des Maximums der Betriebstemperatur der Turbine gehalten werden, so dass die Größe der Leistung, die an die Turbine geliefert wird, maximiert oder wesentlich vergrößert wird. Da diese überschüssige Leistung normalerweise nicht in voller Höhe von dem Kompressor 108 benötigt wird, um dem Motor 102 den optimalen Ladedruck zuzuführen, und um die Kompressor-Rückführungsluft über das Rückführungsventil 118 zuzuführen, kann die überschüssige Leistung über das Getriebe 110 an die Kurbelwelle 112 des Motors 102 übertragen werden, so dass dadurch der gesamte Wirkungsgrad oder die Leistung des Motors 102 vergrößert wird.
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Wie oben erläutert ist, wird in einer Ausführungsform bei dem Anschluss der Kompressor-Rückführungsluft über das Rückführungsventil 118 ein katalytischer Konverter 116 als thermischer Puffer zwischen dem Motor 102 und der Turbine 106 verwendet. Als solches wird die Zuführung von Luft von dem Kompressor stromab des katalytischen Konverters 116 ausgeführt, um die stöchiometrische Reaktion innerhalb des katalytischen Konverters 116 nicht zu unterbrechen. Dies bedeutet, dass in Ausführungsformen, bei denen ein katalytischer Konverter 116 verwendet wird, die Zuführung von Kompressor-Rückführungsluft stromauf des katalytischen Konverters 116 dazu führen würde, dass dem katalytischen Konverter 116 übermäßig viel Sauerstoff zugeführt würde, so dass der katalytische Konverter 116 dadurch daran gehindert würde, eine stöchiometrische Reaktion zu erzeugen, die für den richtigen Betrieb erforderlich ist.
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Da der optimale Wirkungsgrad der Leistungserzeugung durch die Turbine 106 dann erreicht wird, wenn die Temperatur des Gasgemischs der Kompressor-Rückführungsluft und des Abgases an den Turbinenschaufeln maximiert wird (innerhalb der Materialgrenzen der Turbine selbst), wird die Menge der Kompressor-Rückführungsluft, die durch das Rückführungsventil 118 zugelassen wird, so begrenzt, dass sie die Temperatur nicht wesentlich unterhalb einer solchen optimalen Temperatur reduziert. Wenn der katalytische Konverter 116 mehr thermische Energie im Wege einer exothermen Reaktion erzeugt und die Temperatur der umgewandelten Abgase aus dem katalytischen Konverter 116 auf eine Temperatur oberhalb der maximalen Betriebstemperatur der Turbine 106 ansteigt, kann mehr Kompressor-Rückführungsluft über das Rückführungsventil 118 zugeführt werden, wodurch der Massenstrom und die Energie, die der Turbine 106 zugeführt werden, vergrößert werden. Wenn die Menge an thermischer Energie, die durch den katalytischen Konverter 116 erzeugt wird, abnimmt, kann auch die Menge an Kompressor-Rückführungsluft, die durch das Rückführungsventil 118 zugeführt wird, reduziert werden, um zu vermeiden, dass mehr Luft als notwendig zugeführt wird, was dazu führt, dass die Temperatur des Gasgemischs an einem optimalen Betriebszustand oder Betriebspunkt gehalten wird.
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In einer anderen Ausführungsform wird bei dem System das Rückführungsventil 118 zum Rückspeisen der kühleren Kompressorluft in das Abgas oberhalb der Turbine bei Betriebszuständen mit niedriger Drehzahl und hoher Last verwendet, um ein Pumpen des Kompressors zu vermeiden. Pumpen des Kompressors tritt ein, wenn der Druck des Kompressors hoch wird, aber der Massenstrom, der in den Motor möglich ist, als Ergebnis davon, dass der Motor bei einer niedrigen Drehzahl dreht und keinen großen Einlassluftstrom benötigt, niedrig ist. Ein Pumpen (oder aerodynamischer Strömungsabriss) des Kompressors als Folge eines niedrigen Luftstroms über die Kompressorschaufeln führt dazu, dass der Wirkungsgrad des Kompressors sehr schnell absinkt. Im Falle eines normalen Turboladers kann ein ausreichendes Pumpen bewirken, dass die Turbine aufhört, sich zu drehen. Im Falle eines Super-Turboladers besteht die Möglichkeit, Leistung von der Kurbelwelle des Motors abzuziehen, um den Kompressor zum Pumpen zu bringen. Ein Öffnen des Rückführungsventils 118 ermöglicht, dass ein Teil der komprimierten Luft um den Motor herum rückgeführt wird. Dieser Rückführungsstrom bringt den Kompressor aus dem Pumpen heraus und lässt zu, dass ein höherer Ladedruck den Motor 102 erreicht, so dass der Motor 102 die Möglichkeit erhält, mehr Leistung zu erzeugen, als normalerweise bei niedrigen Motordrehzahlen möglich wäre. Eine Eindüsung der komprimierten Luft in das Abgas oberhalb der Turbine hält den gesamten Massenstrom durch den Kompressor konstant, so dass der gesamte Strom die Turbine erreicht, wodurch die vom Motor benötigte Leistung, um eine Super-Turboaufladung auf ein hohes Ladedruckniveau zu erreichen, minimiert wird.
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In einer anderen Ausführungsform kann ein zusätzliches Kaltstart-Steuerventil 120 vorhanden sein, zum Betrieb bei Kaltstartvorgängen des Motors mit bremstoffreichem Gemisch. Bei einem solchen Kaltstart des Motors enthalten die Abgase von dem Motor 102 typischerweise überschüssigen unverbrannten Brennstoff. Da diese brennstoffreiche Mischung nicht stöchiometrisch ist, ist der katalytische Konverter 116 nicht in der Lage, die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (UHC, unburnt hydrocarbons) im Abgas vollständig zu reduzieren. Während solcher Zeiten kann das Kaltstart-Steuerventil 120 geöffnet werden, um Kompressor-Rückführungsluft zum Eingang des katalytischen Konverters 116 zu leiten, um den zusätzlichen Sauerstoff zur Verfügung zu stellen, der benötigt wird, um die brennstoffreiche Mischung herunter auf stöchiometrische Niveaus zu bringen. Dies ermöglicht es dem katalytischen Konverter 116, schneller auf seine Betriebstemperatur zu kommen und die Emissionen während des Kaltstartvorgangs wirkungsvoller zu reduzieren. Wenn der Motor im Leerlauf dreht, hätte ein normaler Turbolader keinen Ladedruck, um in der Lage zu sein, die Rückführungsluft bereitzustellen. Allerdings kann das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 110 eingestellt werden, um dem Kompressor eine ausreichende Drehzahl zu erteilen, um den Druck zu erzeugen, der benötigt wird, damit die Luft durch das Ventil 120 strömt. In dieser Hinsicht kann das Steuersignal 124 verwendet werden, um das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 110 so einzustellen, dass eine ausreichende Drehzahl von der Antriebswelle 112 des Motors für den Kompressor 108 während des Leerlaufs bereitgestellt werden kann, insbesondere während eines Kaltstarts, um genügend Luft zu komprimieren, die durch das Kaltstartventil 120 strömt und den katalytischen Konverter 116 mit einer ausreichenden Menge Sauerstoff zündet.
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Der Bedarf nach zusätzlichem Sauerstoff ist typischerweise auf einen Kaltstartvorgang begrenzt und besteht häufig nur während 30 bis 40 Sekunden. Viele Fahrzeuge weisen zur Zeit eine eigene Luftpumpe auf, um diesen Sauerstoff während des Kaltstartvorgangs bereitzustellen, zu erheblichen Kosten und Gewicht, verglichen mit der begrenzten Zeitdauer, während der der Betrieb einer solchen Luftpumpe benötigt wird. Durch Ersetzen der separaten Luftpumpe durch das einfache Kaltstart-Regelventil 120 werden erhebliche Einsparungen an Kosten, Gewicht und Komplexität erzielt. Da der Super-Turbolader 104 die Drehzahl des Kompressors 108 über das Getriebe 110 steuern kann, kann das Kaltstart-Regelventil 120 ein einfaches Ein-/Aus-Ventil sein. Die Menge an Luft, die während des Kaltstartvorgangs zugeführt wird, kann dann durch Steuern der Drehzahl des Kompressors 108 über das Getriebe 110 gesteuert werden, betrieben durch das Steuersignal 124.
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Das Kaltstart-Steuerventil 120 kann auch während Zeiten eines Betriebs bei extrem hoher Temperatur verwendet werden, wenn Brennstoff als Kühlmittel innerhalb des Motors und/oder für den katalytischen Konverter 116 verwendet wird, trotz der negativen Wirkung auf die Brennstoffausnutzung. In solchen Situationen ist das Kaltstart-Steuerventil 120 in der Lage, den zusätzlich benötigten Sauerstoff zuzuführen, um das brennstoffreiche Abgas zurück auf stöchiometrische Niveaus herunterzubringen, um dem katalytischen Konverter 116 zu ermöglichen, die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in dem Abgas ordnungsgemäß zu reduzieren. Dies bringt einen erheblichen Vorteil für die Umwelt im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Systemen.
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In Ausführungsformen, in denen das Kaltstart-Steuerventil 120 ein Ein-/Aus-Ventil ist, kann das System das Kaltstart-Steuerventil 120 modulieren, um die Menge an zugeführter komprimierter Luft zu verändern, um das Abgas auf stöchiometrische Niveaus herunterzubringen. Andere Bauarten von variablen Strömungssteuerventilen können auch verwendet werden, um die gleiche Funktion zu erzielen.
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1 zeigt auch eine Steuerung 140. Die Steuerung 140 steuert den Betrieb des Rückführungsventils 118 und des Kaltstart-Ventils 120. Die Steuerung 140 arbeitet so, dass die Menge des Luftstroms durch das Rückführungsventil 118 für unterschiedliche Betriebszustände optimiert wird. Die Menge an Luft, die durch das Rückführungsventil 118 strömt, ist die minimale Menge an Luftstrom, die notwendig ist, um einen bestimmten gewünschten Zustand zu erhalten, wie vorstehend beschrieben ist. Es gibt zwei bestimmte Zustände, in denen die Steuerung 140 das Rückführungsventil 118 in Betrieb setzt, nämlich: 1) die Pumpgrenze des Kompressors für eine gegebene Ladeanforderung ist bei niedriger Drehzahl und hoher Last des Motors in der Nähe; und 2) die Temperatur des Gasgemischs, das in die Turbine 106 eintritt, ist bei Zuständen mit hoher Drehzahl und hoher Last in der Nähe.
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Wie in 1 dargestellt ist, erhält die Steuerung 140 das Gasgemisch-Temperatursignal 130 von einem Temperatursensor 138, der die Temperatur des Gasgemischs aus der Kühlluft, die von dem Kompressor 108 geliefert wird, und die mit den heißen Abgasen, die von dem katalytischen Konverter 116 erzeugt werden, gemischt wird, erfasst. Weiterhin erfasst die Steuerung 140 das Einlassdrucksignal 132 der komprimierten Luft, das durch den Drucksensor 136 erzeugt wird, der in der Leitung der komprimierten Luft angeordnet ist, die von dem Kompressor 108 geliefert wird. Weiterhin werden ein Motordrehzahlsignal 126 und ein Motorlastsignal 128, die von dem Motor 102 oder von einer Drossel geliefert werden, in die Steuerung 140 eingespeist.
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In Bezug auf die Steuerung der Temperatur des Gasgemischs, das der Turbine 106 bei Zuständen mit hoher Drehzahl und hoher Last zugeführt wird, begrenzt die Steuerung 140 die Temperatur des Gasgemischs auf eine Temperatur, die den Betrieb der Turbine 106 maximiert, ohne so hoch zu sein, um den Mechanismus der Turbine 106 zu beschädigen. In einer Ausführungsform ist eine Temperatur von etwa 925°C eine optimale Temperatur für das Gasgemisch, um die Turbine 106 zu betreiben. Sobald die Temperatur des Gasgemischs, das in die Turbine 106 eingespeist wird, beginnt, 900°C zu überschreiten, wird das Rückführungsventil 118 geöffnet, um zu ermöglichen, dass komprimierte Luft von dem Kompressor 108 die heißen Abgase von dem katalytischen Konverter 116 abkühlt, bevor sie in die Turbine 106 gelangen. Die Steuerung 140 kann so ausgelegt sein, dass eine Temperatur von etwa 925°C als Ziel besteht, mit einer oberen Grenze von 950°C und einer unteren Grenze von 900°C. Die Grenze von 950°C ist eine Grenze, bei der eine Beschädigung an der Turbine 106 eintreten kann, wenn herkömmliche Materialien verwendet werden. Selbstverständlich kann die Steuerung für andere Temperaturen ausgelegt werden, in Abhängigkeit von den speziellen Arten von Bauelementen und Materialien, die in der Turbine 106 verwendet werden. Eine herkömmliche PID-(Proportional-Integral-Differential)Steuerlogikvorrichtung kann in der Steuerung 140 verwendet werden, um diese kontrollierten Ergebnisse zu erzielen.
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Der Vorteil der Steuerung der Temperatur des Gasgemischs, das in die Turbine 106 eintritt, besteht darin, dass die Verwendung von Brennstoff im Abgas, um die Turbineneintrittstemperaturen des Gasgemischs zu begrenzen, eliminiert wird. Die Verwendung des Stroms der kühleren komprimierten Luft zur Kühlung der heißen Abgase aus dem katalytischen Konverter 116 verlangt eine große Menge Luft, die eine große Masse beinhaltet, um die gewünschten kühleren Temperaturen des Gasgemischs zu erzielen. Die Menge an Luft, die benötigt wird, um die heißen Abgase aus dem katalytischen Konverter 116 zu kühlen, ist groß, da die kühlere komprimierte Luft aus dem Kompressor 108 kein gutes Kühlmittel ist, besonders dann nicht, wenn man sie mit flüssigem Brennstoff vergleicht, der in das Abgas eingedüst wird. Die heißen Abgase vom Ausgang des katalytischen Konverters 116 veranlassen das kühlere komprimierte Gas von dem Kompressor 108 dazu, sich auszudehnen und das Gasgemisch zu erzeugen. Da eine große Masse der kühleren komprimierten Luft von dem Kompressor 108 benötigt wird, um die Temperatur der heißen Abgase von dem katalytischen Konverter 116 abzusenken, strömt ein großer Massenstrom an Gasgemisch durch die Turbine 106, der die Ausgangsleistung der Turbine 106 erheblich vergrößert. Die Turbinenleistung steigt um die Differenz der Leistung, die durch den Unterschied des Massenstroms minus der Arbeit, die benötigt wird, um die komprimierte Luft, die durch das Rückführungsventil 118 strömt, zu komprimieren, erzeugt wird. Dadurch, dass das Temperatursignal 130 der Gasmischung von dem Temperatursensor 138 erhalten wird und die Hinzufügung der komprimierten Luft durch das Rückführungsventil 118 gesteuert wird, wird die maximale Temperatur nicht überschritten.
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Die Steuerung 140 steuert auch das Rückführungsventil 118, um das Pumpen des Kompressors 108 zu begrenzen. Die Pumpgrenze ist eine Grenze, die als Funktion des Ladedrucks, des Luftstroms durch den Kompressor und der Auslegung des Kompressors 108 variiert. Kompressoren wie der Kompressor 108, die typischerweise in Turboladern verwendet werden, überschreiten eine Pumpgrenze, wenn der Strom der Einlassluft 122 niedrig ist und das Druckverhältnis zwischen der Einlassluft 122 und der komprimierten Luft hoch ist. Bei herkömmlichen Super-Turboladern ist der Strom der Eingangsluft 122 niedrig, wenn die Motordrehzahl (Umdrehungen je Minute) 126 niedrig ist. Bei niedriger Drehzahl, wenn die komprimierte Luft nicht in großen Volumenströmen von dem Motor 102 benötigt wird, ist der Massenstrom an Einlassluft 122 niedrig, und es tritt Pumpen auf, da der rotierende Kompressor 108 keine Luft in eine Leitung mit hohem Druck ohne einen vernünftigen Strom an Einlassluft 122 bringen kann. Das Rückführungsventil 118 ermöglicht eine Strömung durch die Leitung 109 für komprimierte Luft und verhindert oder reduziert das Pumpen in dem Kompressor 108. Sobald in dem Kompressor 108 Pumpen auftritt, kann der Druck in der Leitung 109 für komprimierte Luft nicht aufrechterhalten werden. Daher kann bei Betriebsbedingungen des Motors 102 mit niedriger Drehzahl und hoher Last der Druck der komprimierten Luft in der Leistung 109 für komprimierte Luft unter gewünschte Werte fallen. Durch Öffnen des Rückführungsventils 118 wird der Strom an Einlassluft 122 durch den Kompressor 108 vergrößert, insbesondere bei Betriebszuständen des Motors bei niedriger Drehzahl und hoher Last, wodurch die Möglichkeit besteht, das gewünschte Ladeniveau in der Leitung 109 für komprimierte Luft zu erreichen. Das Rückführungsventil 118 kann einfach geöffnet werden, bis der gewünschte Druck in der Leitung 109 für komprimierte Luft erreicht ist. Allerdings tritt durch einfaches Erfassen des Ladedrucks in der Leitung 109 für komprimierte Luft ein Pumpen auf, bevor das Rückführungsventil 118 geöffnet wird, um den Kompressor 108 aus einem Pumpzustand herauszubringen.
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Es ist allerdings vorzuziehen, im Voraus eine Pumpgrenze zu bestimmen und das Rückführungsventil 118 zu öffnen, bevor ein Pumpzustand auftritt. Für eine bestimmte Drehzahl und ein gewünschtes Ladeniveau kann eine Pumpgrenze bestimmt werden. Das Rückführungsventil 118 kann beginnen, sich zu öffnen, bevor der Kompressor 108 eine berechnete Pumpgrenze erreicht. Ein frühzeitiges Öffnen des Ventils ermöglicht es dem Kompressor, schneller auf einen höheren Ladedruck hochzudrehen, da der Kompressor näher an den Punkten höheren Wirkungsgrads der Betriebsparameter des Kompressors bleibt. Ein schneller Ladedruckanstieg bei niedriger Drehzahl kann dann erreicht werden. Durch Öffnen des Ventils, bevor Pumpen eintritt, kann auch ein stabileres Regelsystem erreicht werden.
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Das Öffnen des Rückführungsventils 118 auf eine solche Weise, dass das Ansprechen des Motors 102 verbessert wird, wird erreicht, indem der Motor 102 die Möglichkeit erhält, schneller auf einen höheren Ladedruck zu kommen, wenn sich der Motor 102 bei einer niedrigen Drehzahl befindet. Der Kompressor 108 hat auch einen höheren Wirkungsgrad, was dazu führt, dass das Getriebe 110 weniger Leistung übertragen muss, um eine Aufladung zu erreichen. Eine Pumpgrenzenregelung kann mittels eines auf einem Standardmodell basierenden Regelsimulationscodes modelliert werden, wie etwa MATLAB. Eine derartige Modellierung ermöglicht eine Simulation der Steuerung 140 und eine automatische Kodierung von Algorithmen für die Steuerung 140.
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Ein modellbasiertes Regelsystem, wie es vorstehend beschrieben wurde, ist dahingehend einzigartig, dass die Verwendung des Getriebes 110 zur Steuerung der Drehung der Turbine 106 und des Kompressors 108 einen Ladedruck ohne Turbolader-Verzögerung erzeugt. Mit anderen Worten kann das Getriebe 110 Drehenergie von der Kurbelwelle 112 abziehen, um den Kompressor 108 anzutreiben, um eine gewünschte Aufladung in der Leitung 109 für komprimierte Luft zu erzeugen, sehr schnell und bevor die Turbine 106 ausreichende mechanische Energie erzeugt, um den Kompressor 108 auf ein solches gewünschtes Niveau anzutreiben. Auf diese Weise werden Steuerungen in einem herkömmlichen Turbolader, um eine Verzögerung zu reduzieren, reduziert oder eliminiert. Die modellbasierte Steuerung der Steuerung 140 sollte so ausgelegt sein, dass der optimale Wirkungsgrad des Kompressors 108 innerhalb der Betriebsparameter des Kompressors 108 aufrechterhalten wird.
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Das Steuermodell der Steuerung 140 sollte auch sorgfältig hinsichtlich der betrieblichen Druckparameter modelliert werden, in der Abbildung gegen den Massenstrom, der von dem Motor für eine bestimmte Zieldrehzahl und -last zugelassen ist, wobei die Zieldrehzahl und -last relativ zu der Position der Drossel des Fahrzeugs definiert werden kann. Wie in 1 dargestellt ist, kann das Motordrehzahlsignal 126 von dem Motor 102 erhalten werden und wird an die Steuerung 140 angelegt. In ähnlicher Weise kann das Motorlastsignal 128 von dem Motor 102 erhalten werden und wird an die Steuerung 140 angelegt. Alternativ können diese Parameter von einem oder mehreren Sensoren erhalten werden, die an der Drossel des Motors (nicht dargestellt) angeordnet sind. Das Rückführungsventil 118 kann dann ansprechend auf ein Steuersignal 142, das von der Steuerung 140 erzeugt wird, betätigt werden. Der Drucksensor 136 erzeugt das Einlassdrucksignal 132 der komprimierten Luft, das an die Steuerung 140 angelegt wird, die das Steuersignal 142 ansprechend auf das Motordrehzahlsignal 126, das Motorlastsignal 128 und das Einlassdrucksignal 132 der komprimierten Luft berechnet.
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Während Betriebszuständen des Motors 102, bei denen sich der Kompressor 108 nicht der Pumpgrenze nähert und die Temperatur des Gasgemischs, die von dem Temperatursensor 138 erfasst wird, nicht erreicht wird, ist das Rückführungsventil 118 geschlossen, so dass das System wie ein herkömmliches System mit Super-Turbolader arbeitet. Dies tritt während des überwiegenden Teils der Betriebsparameter des Motors 102 auf. Wenn Betriebszustände mit hoher Last und niedriger Drehzahl des Motors 102 auftreten, wird das Rückführungsventil 118 geöffnet, um ein Pumpen zu vermeiden. In ähnlicher Weise werden bei Betriebszuständen des Motors 102 mit hoher Drehzahl und hoher Last hohe Temperaturen in den Abgasen am Ausgang des katalytischen Konverters 116 erzeugt, so dass das Rückführungsventil 118 geöffnet werden muss, um die Temperatur des Gasgemischs, das in die Turbine 116 geleitet wird, unter eine Temperatur zu senken, die eine Beschädigung an der Turbine 106 zur Folge hätte.
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2 zeigt ein detailliertes Diagramm der Ausführungsform des mit einem Super-Turbolader versehenen und einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden Motorsystems nach 1. Wie in 2 dargestellt ist, umfasst der Motor 102 einen Super-Turbolader, der wie vorstehend in Bezug auf 1 beschrieben modifiziert worden ist, um einen höheren Gesamtwirkungsgrad als herkömmliche, mit Super-Turboladern ausgerüstete Motoren zu erzeugen, und um sowohl einen hohen, optimalen Wirkungsgrad bei Betriebszuständen mit niedriger Drehzahl und hoher Last zu erzeugen, als auch um einen hohen, optimalen Wirkungsgrad bei Betriebszuständen mit hoher Drehzahl und hoher Last zu erzeugen. Der Super-Turbolader umfasst eine Turbine 106, die durch eine Welle mechanisch mit dem Kompressor 108 verbunden ist. Der Kompressor 108 komprimiert Einlassluft 122 und liefert die komprimierte Einlassluft in eine Leitung 204. Die Leitung 204 ist mit einem Rückführungsventil 118 und einem Zwischenfühler 114 verbunden. Wie weiter oben erläutert ist, arbeitet der Zwischenkühler 114 so, dass er die komprimierte Luft, die während des Kompressionsvorgangs erhitzt wird, kühlt. Der Zwischenkühler 114 ist mit der Leitung 226 für komprimierte Luft verbunden, die ihrerseits mit der nicht dargestellten Einlass-Verteilleitung des Motors 102 verbunden ist. Ein Drucksensor 126 ist mit der Leitung 204 für komprimierte Luft verbunden, um den Druck zu erfassen und eine Druckablesung über das Drucksignal 132 der komprimierten Einlassluft zu liefern, das an die Steuerung 140 angelegt wird. Das Rückführungsventil 118 wird durch ein Steuerungsrückführungsventil-Steuersignal 142 gesteuert, das von der Steuerung 140 erzeugt wird, wie vorstehend beschrieben. Unter bestimmten Betriebszuständen öffnet das Rückführungsventil 118, um komprimierte Luft aus der Leitung 204 für komprimierte Luft an eine Mischkammer 206 zu liefern.
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Wie in der Ausführungsform nach 2 dargestellt ist, umfasst die Mischkammer 206 lediglich eine Reihe von Öffnungen 202 in der Ausgangsleitung 208 des katalytischen Konverters, die von der Leitung 204 für komprimierte Luft umgeben ist, so dass komprimierte Luft, die von der Leitung 204 für komprimierte Luft geliefert wird, durch die Öffnungen 202 geht, um sich mit den Abgasen in der Ausgangsleitung 208 des katalytischen Konverters zu mischen. Jegliche gewünschte Art von Mischkammer kann verwendet werden, um die kühlere komprimierte Luft mit den Abgasen zu mischen, um die Temperatur der Abgase abzusenken. Der Temperatursensor 138 ist in der Ausgangsleitung 208 des katalytischen Konverters angeordnet, um die Temperatur der Abgase in der Ausgangsleitung 208 des katalytischen Konverters zu messen. Der Temperatursensor 138 liefert ein Gasgemisch-Temperatursignal 130 an die Steuerung 140, die das Rückführungsventil 118 ansteuert, um sicher zu stellen, dass die Temperatur der Abgase in der Ausgangsleitung 208 des katalytischen Konverters eine maximale Temperatur nicht überschreitet, was die Turbine 106 beschädigen würde. Der katalytische Konverter 116 ist mit der Auslass-Verteilleitung 210 durch die Einlassleitung 214 des katalytischen Konverters verbunden. Dadurch, dass der katalytische Konverter 116 nah an der Auslass-Verteilleitung 210 angeordnet wird, strömen die heißen Abgase aus dem Motor direkt in den katalytischen Konverter 116, wodurch die Aktivierung des katalytischen Konverters 116 unterstützt wird. Mit anderen Worten erlaubt es die Anordnung des katalytischen Konverters 116 in der Nähe des Auslasses der Motorabgase den Abgasen nicht, sich wesentlich abzukühlen, bevor sie in den katalytischen Konverter 116 eintreten, was die Leistung des katalytischen Konverters 116 verbessert. Wenn die Abgase durch den katalytischen Konverter 116 hindurchgehen, fügt der katalytische Konverter 116 den Abgasen zusätzliche Wärme hinzu. Diese sehr heißen Abgase am Ausgang des katalytischen Konverters 116 werden in die Ausgangsleitung 208 des katalytischen Konverters geleitet und in der Mischkammer 206 mit der komprimierten Einlassluft aus der Leitung 204 für komprimierte Luft abgekühlt. In Abhängigkeit von der Temperatur der sehr heißen Abgase, die am Ausgang des katalytischen Konverters 116 erzeugt werden, die in Abhängigkeit von den Betriebszuständen des Motors 102 variiert, wird ein unterschiedlicher Betrag an komprimierter Einlassluft dem Abgas während Betriebszuständen mit hoher Drehzahl und hoher Last hinzugefügt. Bei Betriebszuständen mit niedriger Motordrehzahl und hoher Motorlast arbeitet das Rückführungsventil 118 auch so, dass es ermöglicht, dass Einlassluft durch den Kompressor strömt, um ein Pumpen zu vermeiden. Pumpen ist ähnlich wie ein aerodynamischer Strömungsabriss der Kompressorschaufeln, der als Ergebnis von Betriebsbedingungen mit niedrigem Strömungsdurchsatz durch den Kompressor auftritt, während Betriebszuständen mit niedriger Motordrehzahl. Wenn Pumpen auftritt, fällt der Druck in der nicht dargestellten Einlass-Verteilleitung ab, da der Kompressor 108 nicht in der Lage ist, die Einlassluft zu komprimieren. Dadurch, das zugelassen wird, das Luft durch den Kompressor 108 strömt, als Folge davon, dass das Rückführungsventil 118 geöffnet wird, kann der Druck in der Einlass-Verteilleitung aufrechterhalten werden, so dass dann, wenn ein hohes Drehmoment bei niedrigen Motordrehzahlen benötigt wird, das hohe Drehmoment aufgrund des hohen Drucks in der Einlass-Verteilleitung erreicht werden kann.
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Wie vorstehend beschrieben ist, verursacht der katalytische Konverter 116 dann, wenn der Motor bei Betriebszuständen mit hoher Drehzahl und hoher Last arbeitet, die Erzeugung einer großen Menge von Wärme in den Abgasen, die in die Ausgangsleitung 208 des katalytischen Konverters geliefert werden. Durch Zuführen von komprimierter, kühlerer Einlassluft in die Ausgangsleitung 208 des katalytischen Konverters werden die heißen Abgase bei Betriebsbedingungen mit hoher Drehzahl und hoher Last gekühlt. Wenn die Last und Drehzahl des Motors zunimmt bzw. zunehmen, werden heißere Gase erzeugt, und es wird mehr komprimierte Luft aus der Leitung 204 benötigt. Wenn die Turbine 106 nicht genug Rotationsenergie liefert, um den Kompressor anzutreiben, wie etwa unter Betriebsbedingungen mit niedriger Drehzahl und hoher Last, kann die Kurbelwelle 112 des Motors zusätzliche Rotationsenergie an den Kompressor 108 über den Riemen 222, die Antriebsrolle 218, die Welle 224, das stufenlos veränderbare Getriebe 216 und das Getriebe 228 liefern. Wiederum kann jeglicher Abschnitt des Antriebsstrangs verwendet werden, um Rotationsenergie an den Kompressor 108 zu liefern, und 2 zeigt einen Aufbau gemäß einer beschriebenen Ausführungsform.
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Wie auch in 2 dargestellt ist, ist ferner ein Kaltstartventil 120 mit der Leitung 204 für komprimierte Luft verbunden, das seinerseits mit der Kaltstartleitung 212 verbunden ist. Die Kaltstartleitung 212 ist mit der Einlassleitung 214 des katalytischen Konverters verbunden, die stromauf des katalytischen Konverters 116 angeordnet ist. Der Zweck des Kaltstartventils besteht darin, komprimierte Einlassluft am Eingang des katalytischen Konverters 116 bei Start- oder Anfahrbedingungen bereitzustellen, wie oben beschrieben ist. Unter Anfahrbedingungen wird, bevor der katalytische Konverter 116 seine volle Betriebstemperatur erreicht, zusätzlicher Sauerstoff über die Kaltstartleitung 212 zugeführt, um den katalytischen Prozess einzuleiten. Der zusätzliche Sauerstoff, der über die Kaltstartleitung 212 bereitgestellt wird, unterstützt die Einleitung des katalytischen Prozesses. Die Steuerung 140 steuert das Kaltstartventil 120 über das Steuerungskaltstartventil-Steuersignal 144 ansprechend auf das Motordrehzahlsignal 126, das Motorlastsignal 128 und das Gasgemisch-Temperatursignal 130.
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Daher arbeitet der Motor 100, der einen hohen Wirkungsgrad, Funkenzündung und einen Super-Turbolader aufweist, in einer ähnlichen Weise wie ein Super-Turbolader, mit der Ausnahme, dass das Rückführungsventil 118 einen Teil der komprimierten Luft von dem Kompressor an den Eingang der Turbine liefert, aus zwei Gründen. Ein Grund ist der, dass die Abgase vor dem Eintritt in die Turbine gekühlt werden, so dass die volle Energie der Abgase genutzt werden kann und ein Ladedruckregelventil unter Betriebszuständen mit hoher Drehzahl und hoher Last nicht benötigt wird. Der andere Grund besteht darin, dass ein Luftstrom durch den Kompressor bereitgestellt wird, um ein Pumpen bei Betriebszuständen mit niedriger Drehzahl und hoher Last zu verhindern. Zusätzlich kann der katalytische Konverter in den Abgasstrom geschaltet werden, bevor die Abgase die Turbine erreichen, so dass die Wärme, die durch den katalytischen Konverter 116 erzeugt wird, zum Antrieb der Turbine 106 und zur Ausdehnung der komprimierten Einlassluft, die mit den heißen Gasen von dem katalytischen Konverter 116 gemischt wird, genutzt werden kann, was den Wirkungsgrad des Systems erheblich steigert. Weiterhin kann das Kaltstartventil 120 dazu verwendet werden, den katalytischen Prozess indem katalytischen Konverter 116 einzuleiten, indem bei Anfahrbedingungen Sauerstoff in die Abgase zugegeben wird.
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Die vorstehende Beschreibung der Erfindung dient den Zwecken der Erläuterung und Beschreibung. Sie soll weder erschöpfend sein noch die Erfindung auf die genaue dargestellte Form beschränken, und andere Modifikationen und Veränderungen können im Lichte der vorstehenden Lehre möglich sein. Die Ausführungsform ist ausgewählt und beschrieben worden, um die Grundlagen der Erfindung und ihre praktische Umsetzung bestmöglich darzustellen und dadurch andere Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung in unterschiedlichen Ausführungsformen und verschiedenen Modifikationen, die zu dem jeweils betrachteten konkreten Einsatzfall passen, bestmöglich einzusetzen. Die beigefügten Ansprüche sind so zu verstehen, dass andere alternative Ausführungsformen der Erfindung mit umfasst sind, außer soweit sie durch den Stand der Technik ausgeschlossen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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