DE112010005233B4

DE112010005233B4 - Superturbolader mit hochtourigem Traktionsantrieb und stufenlosen Getriebe

Info

Publication number: DE112010005233B4
Application number: DE112010005233.6T
Authority: DE
Inventors: Barry T. Brinks; Jared William Brown; Michael B. Riley
Original assignee: VanDyne SuperTurbo Inc
Current assignee: VanDyne SuperTurbo Inc
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2020-07-16
Anticipated expiration: 2030-02-06
Also published as: SE1250994A1; GB2489647A; DE112010005233T5; ES2453204A2; ES2453204R1; CN102822471A; GB2489647B; ES2453204B1; JP5688417B2; CN102822471B; AU2010345054B2; MX2012009009A; GB201214265D0; AU2010345054A1; MX356972B; CA2786580A1; WO2011096936A1; JP2013519034A

Abstract

Superturbolader, der mit einem Motor gekoppelt ist, umfassend:eine Turbine, die mechanische Turbinenrotationsenergie aus der Enthalpie von Abgasen, die von dem Motor erzeugt werden, generiert;einen Verdichter, der Ansaugluft verdichtet und dem Motor als Reaktion auf die mechanische Turbinenrotationsenergie und auf mechanische Motorrotationsenergie, die von dem Motor generiert wird, verdichtete Luft zuführt;eine Welle, die Endabschnitte, die mit der Turbine und dem Verdichter verbunden sind, und einen mittleren Abschnitt mit einer Wellentraktionsfläche aufweist;einen Planeten-Traktionsantrieb, der mindestens zwei Planetenrollen mit mehreren Durchmessern aufweist, wobei der Planeten-Traktionsantrieb einen Planetenträger aufweist, auf dem die Planetenrollen mit mehreren Durchmessern montiert sindwobei der Planeten-Traktionsantrieb um die Wellentraktionsfläche der Welle herum angeordnet ist, wobei die Planetenrollen mit mehreren Durchmessern eine erste Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen aufweisen, die eine Grenzfläche mit der Wellentraktionsfläche bilden, so dass eine erste Mehrzahl von Traktionsgrenzflächen zwischen der ersten Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen und der Wellentraktionsfläche vorhanden ist;wobei der Planeten-Traktionsantrieb weiterhin umfasst:eine Ringrolle, die durch jede der Planetenrollen mit mehreren Durchmessern durch eine zweite Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen der Planetenrollen mit mehreren Durchmessern gedreht wird, wobei die zweite Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen der Planetenrollen mit mehreren Durchmessern eine zweite Mehrzahl von Traktionsgrenzflächen zwischen der Ringrolle und den Planetenrollen mit mehreren Durchmessern bilden;undein stufenloses Getriebe, das mechanisch mit der Ringrolle und dem Motor gekoppelt ist und in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen des Superturboladers einen Teil der mechanischen Turbinenrotationsenergie an den Motor oder einen Teil der mechanischen Motorrotationsenergie an den Planeten-Traktionsantrieb überträgt.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Herkömmliche Turbolader werden durch Abwärme und Abgase angetrieben, die durch ein Abgasturbinengehäuse auf ein Turbinenrad gedrückt werden. Das Turbinenrad ist über eine gemeinsame Turbowelle mit einem Verdichterrad verbunden. Wenn die Abgase auf das Turbinenrad treffen, drehen sich beide Räder gleichzeitig. Die Drehung des Verdichterrads saugt Luft durch ein Verdichtergehäuse an, das verdichtete Luft in den Motorkolben drückt, um eine verbesserte Motorleistung und einen verbesserten Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Turbolader für Anwendungen mit variabler Geschwindigkeit/Last sind typischerweise für maximale Effizienz auf der Drehmoment-Spitzengeschwindigkeit bemessen, um eine ausreichende Aufladung zu entwickeln, um das Spitzendrehmoment zu erreichen. Auf niedrigeren Geschwindigkeiten erzeugt der Turbolader jedoch eine unangemessene Aufladung für das richtige Motoreinschwingverhalten.
Um diese Probleme zu überwinden und eine Anlage bereitzustellen, welche die Effizienz erhöht, kann ein Superturbolader verwendet werden, der die Merkmale eines Aufladers und eines Turboladers kombiniert. Superturbolader vereinigen die Vorzüge eines Aufladers, der hauptsächlich für ein hohes Drehmoment auf niedriger Geschwindigkeit gut ist, und eines Turboladers, der gewöhnlich nur für hohe Leistung auf hohen Geschwindigkeiten gut ist. Ein Superturbolader kombiniert einen Turbolader mit einem Getriebe, das ein Motordrehmoment auf die Turbowelle zum Aufladen und zum Eliminieren einer Turboverzögerung anlegen kann. Sobald die Abgasenergie damit beginnt, mehr Arbeit bereitzustellen als zum Antrieb des Verdichters notwendig ist, gewinnt der Superturbolader die überschüssige Energie wieder, indem er die zusätzliche Leistung gewöhnlich über die Kurbelwelle an den Kolbenmotor anlegt. Daraufhin stellt der Superturbolader sowohl die Vorzüge einer niedrigen Geschwindigkeit mit hohem Drehmoment als auch den zusätzlichen Wert einer hohen Geschwindigkeit mit hoher Leistung von ein und derselben Anlage bereit.
Druckschrift JP H07-286526 A zeigt einen Superturbolader mit einem Luftkompressor, der Saugluft unter Druck setzt und Druckluft über einen Einlasskrümmer zu einem Motor liefert, und welcher durch die Leistung einer Abgasturbine gedreht wird, um sich durch die Antriebskraft des Motors über ein stufenlos verstellbares Riemengetriebe zu drehen, einen Kettengetriebemechanismus und einen Geschwindigkeitserhöhungsmechanismus. Wenn die Gangwechselsteuerung des Kettengetriebemechanismus erfolgt ist, wird ein Sollwert des Ladedrucks ausgelesen, der der Ausgabe eines Gaspedalöffnungsgradsensors entspricht, und der Sollwert wird mit einem Wert des Ladedrucks verglichen, der von einem Ladedrucksensor erfasst wird. Wenn der erfasste Wert unter dem eingestellten Wert liegt, wird der Kettengetriebemechanismus um ein bestimmtes Änderungsübersetzungsverhältnis drehzahlerhöht, und wenn der erfasste Wert über dem eingestellten Wert liegt, wird der Kettengetriebemechanismus um ein bestimmtes Änderungsübersetzungsverhältnis drehzahlverringert.
Druckschrift WO 2008/024895 A1 zeigt einen Superturbolader zum Aufladen des Saugrohrdrucks in einer Brennkraftmaschine und zum Erzeugen elektrischer Energie, welcher eine Eingangswelle, eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, einen Kompressor mit einem Laufrad und ein Planetengetriebe, das zwischen der Eingangswelle und dem Rotor der elektrischen Maschine und dem Laufrad des Kompressors angeordnet ist, umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass das die Eingangswelle sowohl das Flügelrad als auch den Rotor antreibt, oder der Rotor und die Eingangswelle das Flügelrad antreiben. Das Planetengetriebe umfasst ein Hohlrad, der betriebsmäßig mit der Eingangswelle gekoppelt ist, ein Sonnenrad, das betriebsmäßig mit dem Laufrad gekoppelt ist, einen Planetenradsatz, der zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenelement angeordnet ist, und einen Träger, der mit dem Planetenradsatz und dem Rotor gekoppelt ist. Jedes Planetenaggregat des Planentenradsatzes umfasst eine Innenrolle und eine Außenrolle.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Superturbolader mit einem Planeten-Traktionsantrieb zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Superturbolader gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann demnach einen Superturbolader umfassen, der mit einem Motor gekoppelt ist, der Folgendes umfasst: eine Turbine, die mechanische Turbinenrotationsenergie aus der Enthalpie von Abgasen generiert, die vom Motor erzeugt werden; einen Verdichter, der Ansaugluft verdichtet und dem Motor als Reaktion auf die mechanische Turbinenrotationsenergie, die von der Turbine generiert wird, und die mechanische Motorrotationsenergie, die vom Motor übertragen wird, verdichtete Luft zuführt; eine Welle, die Endabschnitte, die mit der Turbine und dem Verdichter verbunden sind, und einen mittleren Abschnitt mit einer Wellentraktionsfläche aufweist; einen Traktionsantrieb, der um den mittleren Abschnitt der Welle herum angeordnet ist, wobei der Traktionsantrieb Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Planetenrollen, die eine Vielzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen aufweisen, die an die Wellentraktionsfläche angrenzen, so dass eine erste Vielzahl von Traktionsgrenzflächen zwischen der Vielzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen und der Wellentraktionsfläche vorliegt; eine Ringrolle, die von der Vielzahl von Planetenrollen durch eine zweite Vielzahl von Traktionsgrenzflächen gedreht wird; ein stufenloses Getriebe, das mechanisch mit dem Traktionsantrieb und dem Motor gekoppelt ist und mechanische Turbinenrotationsenergie auf den Motor überträgt und mechanische Motorrotationsenergie auf den Superturbolader auf den Betriebsgeschwindigkeiten des Motors überträgt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Verfahren zum Übertragen mechanischer Rotationsenergie zwischen einem Superturbolader und einem Motor umfassen, das folgende Schritte umfasst: Generieren mechanischer Turbinenrotationsenergie in einer Turbine aus der Enthalpie von Abgasen, die vom Motor erzeugt werden; Verdichten von Ansaugluft, um dem Motor als Reaktion auf die mechanische Turbinenrotationsenergie, die von der Turbine generiert wird, und auf die mechanische Motorrotationsenergie, die von dem Motor generiert wird, verdichtete Luft zuzuführen; Bereitstellen einer Welle, die Endabschnitte, die mit der Turbine und dem Verdichter verbunden sind, und einen mittleren Abschnitt mit einer Wellentraktionsfläche aufweist; mechanisches Koppeln eines Traktionsantriebs mit der Wellentraktionsfläche der Welle; Anordnen einer Vielzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen einer Vielzahl von Planetenrollen in Kontakt mit der Wellentraktionsfläche, so dass eine Vielzahl von ersten Traktionsgrenzflächen zwischen der Vielzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen und der Wellentraktionsfläche erstellt wird; Anordnen einer Ringrolle in Kontakt mit der Vielzahl von Planetenrollen, so dass eine Vielzahl von zweiten Traktionsgrenzflächen zwischen der Vielzahl von Planetenrollen und der Ringrolle erstellt wird; mechanisches Koppeln eines stufenlosen Getriebes mit dem Traktionsantrieb und dem Motor, um die mechanische Turbinenrotationsenergie auf den Motor und die mechanische Motorrotationsenergie auf den Superturbolader auf den Betriebsgeschwindigkeiten des Motors zu übertragen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Verfahren zum Erleichtern einer Abgasrückführung in einer Brennkraftmaschine mit Superturboladung umfassen, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Hochdruck-Abgasöffnung einer ersten vorherbestimmten Größe in der Brennkraftmaschine; Bereitstellen einer Niederdruck-Abgasöffnung einer zweiten vorherbestimmten Größe in der Brennkraftmaschine, wobei die zweite vorherbestimmte Größe wesentlich größer ist als die erste vorherbestimmte Größe; Antreiben eines Hochdruck-Superturboladers mit mindestens einem ersten Teil von Hochdruck-Abgasen aus der Hochdruck-Abgasöffnung; Bereitstellen mindestens eines zweiten Teils der Hochdruck-Abgase aus der Hochdruck-Abgasöffnung für ein Ansaugrohr der Brennkraftmaschine; Antreiben eines Niederdruck-Superturboladers mit Niederdruck-Abgasen aus der Niederdruck-Abgasöffnung; Bereitstellen verdichteter Luft aus einem Ausgang des Niederdruck-Verdichters für einen Lufteingang des Hochdruck-Verdichters; Bereitstellen verdichteter Luft aus einem Ausgang des Hochdruck-Verdichters auf einem vorherbestimmten Druck für ein Ansaugrohr der Brennkraftmaschine; Öffnen der Hochdruck-Abgasöffnung, während der Druck in der Hochdruck-Abgasöffnung größer ist als der vorherbestimmte Druck, so dass der zweite Teil der Hochdruck-Abgase durch die Brennkraftmaschine zurückgeführt wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Verfahren zum Erleichtern der Abgasrückführung in einer Brennkraftmaschine mit Superturboladung umfassen, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Hochdruck-Abgasöffnung einer ersten vorherbestimmten Größe in der Brennkraftmaschine; Bereitstellen einer Niederdruck-Abgasöffnung einer zweiten vorherbestimmten Größe in der Brennkraftmaschine, wobei die zweite vorherbestimmte Größe wesentlich größer ist als die erste vorherbestimmte Größe; Antreiben eines Hochdruck-Superturboladers mit Hochdruck-Abgasen aus der Hochdruck-Abgasöffnung; Antreiben eines Niederdruck-Superturboladers mit Niederdruck-Abgasen aus der Niederdruck-Abgasöffnung; Bereitstellen verdichteter Luft aus einem Ausgang des Niederdruck-Verdichters für einen Lufteingang des Hochdruck-Verdichters; Bereitstellen verdichteter Luft aus einem Ausgang des Hochdruck-Verdichters auf einem vorherbestimmten Druck für ein Ansaugrohr der Brennkraftmaschine; Kanalisieren der Hochdruck-Abgase aus einem Ausgang des Hochdruck-Superturboladers zu einem Ansaugrohr der Brennkraftmaschine; Öffnen der Hochdruck-Abgasöffnung, während der Druck in der Hochdruck-Abgasöffnung größer ist als der vorherbestimmte Druck, so dass die Hochdruck-Abgase aus dem Ausgang des Hochdruck-Superturboladers durch die Brennkraftmaschine zurückgeführt werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Verfahren zum Erleichtern der Abgasrückführung in einer Brennkraftmaschine mit Superturboladung umfassen, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Hochdruck-Abgasöffnung einer ersten vorherbestimmten Größe in der Brennkraftmaschine; Bereitstellen einer Niederdruck-Abgasöffnung einer zweiten vorherbestimmten Größe in der Brennkraftmaschine, wobei die zweite vorherbestimmte Größe wesentlich größer ist als die erste vorherbestimmte Größe; Bereitstellen von Hochdruck-Abgasen aus der Hochdruck-Abgasöffnung für ein Ansaugrohr der Brennkraftmaschine; Antreiben eines Niederdruck-Superturboladers mit Niederdruck-Abgasen aus der Niederdruck-Abgasöffnung; Bereitstellen verdichteter Luft aus einem Ausgang des Niederdruck-Verdichters auf einem vorherbestimmten Druck für ein Ansaugrohr der Brennkraftmaschine; Öffnen der Hochdruck-Abgasöffnung, während der Druck in der Hochdruck-Abgasöffnung größer ist als der vorherbestimmte Druck, so dass der zweite Teil der Hochdruck-Abgase durch die Brennkraftmaschine zurückgeführt wird.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine Abbildung in Seitenansicht einer Ausführungsform eines Superturboladers.
2 eine durchsichtige isometrische Ansicht der Ausführungsform des Superturboladers aus 1.
3A eine durchsichtige Seitenansicht einer Ausführungsform des Superturboladers, der in 1 und 2 abgebildet ist.
3B eine seitliche Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Superturboladers.
3C eine durchsichtige Seitenansicht von Änderungen an der Ausführungsform des Superturboladers, der in 1, 2 und 3A abgebildet ist.
4 bis 9 diverse Zeichnungen eines Superturboladers, der eine Ausführungsform eines Planetenrollen-Traktionsantriebs mit mehreren Durchmessern verwendet.
10 eine Abbildung einer anderen Ausführungsform eines hochtourigen Traktionsantriebs.
11 und 12 Abbildungen einer Ausführungsform eines stufenlosen Traktionsgetriebes.
13 eine seitliche Schnittansicht einer anderen Ausführungsform.
14A eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Gasrückführvorrichtung mit Superturboladung.
14B eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Gasrückführvorrichtung mit Superturboladung.
14C eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Gasrückführvorrichtung mit Superturboladung.
14D eine Grafik von Ventilhub, Durchfluss und Zylinderdruck zu Kolbenposition für die Ausführungsformen aus 14A bis C.
14E ein PV-Diagramm von Zylinderdruck zu Zylindervolumen für die Ausführungsformen aus 14A bis C.
15 eine grafische Abbildung einer simulierten BSFC-Verbesserung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine schematische Abbildung einer Ausführungsform eines Superturboladers 100, der einen hochtourigen Traktionsantrieb 114 und ein stufenloses Getriebe 116 verwendet. Wie in 1 gezeigt, ist der Superturbolader 100 mit dem Motor 101 gekoppelt. Der Superturbolader umfasst eine Turbine 102, die über eine Abgasleitung 104 mit dem Motor 101 gekoppelt ist. Die Turbine 102 empfängt die heißen Abgase aus der Abgasleitung 104 und generiert mechanische Rotationsenergie, bevor sie die Abgase in einen Abgasauslass 112 ausstößt. Ein katalysierter Dieselpartikelfilter (nicht gezeigt) kann zwischen der Abgasleitung 104 und der Turbine 102 angeschlossen sein. Alternativ kann der katalysierte Dieselpartikelfilter (nicht gezeigt) an den Abgasauslass 112 angeschlossen sein. Die mechanische Rotationsenergie, die von der Turbine 102 generiert wird, wird über eine Turbinen-/Verdichterwelle, wie etwa die Welle 414 aus 4, an den Verdichter 106 übertragen, um ein Verdichtergebläse zu drehen, das in dem Verdichter 106 angeordnet ist, der den Lufteinzug 110 verdichtet und die verdichtete Luft an eine Leitung 108 überträgt, die mit einem Ansaugrohr (nicht gezeigt) des Motors 101 gekoppelt ist. Wie es in der zuvor erwähnten Anmeldung offenbart wird, sind Superturbolader anders als Turbolader mit einem Triebstrang gekoppelt, um Energie zu und von dem Triebstrang zu übertragen. Der Triebstrang, wie er hier erwähnt wird, kann den Motor 101, das Getriebe eines Fahrzeugs, in dem der Motor 101 angeordnet ist, den Antriebsstrang eines Fahrzeugs, in dem der Motor 101 angeordnet ist, oder andere Anwendungen der mechanischen Rotationsenergie, die von dem Motor 101 generiert wird, umfassen. Mit anderen Worten kann mechanische Rotationsenergie von dem Superturbolader auf den Motor durch mindestens eine dazwischen liegende mechanische Vorrichtung, wie etwa ein Getriebe oder ein Antriebsstrang eines Fahrzeugs, und umgekehrt gekoppelt oder übertragen werden. Bei der Ausführungsform aus 1 wird die mechanische Rotationsenergie des Superturboladers direkt mit einer Kurbelwelle 122 des Motors 101 über eine Welle 118, eine Riemenscheibe 120 und einen Riemen 124 gekoppelt. Wie es ebenfalls in 1 abgebildet ist, ist ein hochtouriger Traktionsantrieb 114 mechanisch mit einem stufenlosen Getriebe 116 gekoppelt.
Im Betrieb ist der hochtourige Traktionsantrieb 114 aus 1 ein hochtouriger Traktionsantrieb mit festgelegtem Verhältnis, der mit der Turbinen-/Verdichterwelle unter Verwendung einer Traktionsgrenzfläche mechanisch gekoppelt ist, um mechanische Rotationsenergie zu und von der Turbinen-/Verdichterwelle zu übertragen. Der hochtourige Traktionsantrieb 114 weist ein festgelegtes Verhältnis auf, das mit Bezug auf die Größe des Motors 101 unterschiedlich sein kann. Für kleine Motoren ist ein großes festgelegtes Verhältnis des hochtourigen Traktionsantriebs 114 erforderlich.
Für kleinere Motoren müssen Verdichter und Turbine eines Superturboladers unbedingt kleiner sein, um eine kleine Motorgröße beizubehalten und den Strömungsanforderungen des Verdichters und der Turbine gerecht zu werden. Damit eine kleinere Turbine und ein kleinerer Verdichter richtig funktionieren, müssen sie sich auf einer höheren Drehzahl drehen. Beispielsweise kann es bei kleineren Motoren notwendig sein, dass sich der Verdichter und die Turbine auf 300.000 RPM drehen. Bei sehr kleinen Motoren, wie etwa Halblitermotoren, kann es notwendig sein, dass sich der Superturbolader auf 900.000 RPM dreht. Einer der Gründe dafür, dass kleinere Motoren Verdichter benötigen, die auf einem höheren Drehzahlniveau funktionieren, besteht darin, ein Pumpen zu vermeiden. Um zudem effizient zu funktionieren, muss die Verdichtergeschwindigkeit an den Spitzen knapp unter der Schallgeschwindigkeit liegen. Da die Spitzen bei kleineren Verdichtern nicht so lang sind, bewegen sich die Spitzen eines kleineren Verdichters nicht so schnell wie die Spitzen an größeren Verdichtern auf der gleichen Drehzahl. In dem Maße, wie die Größe des Verdichters abnimmt, erhöht sich die Drehgeschwindigkeit, die benötigt wird, um effizient zu funktionieren, exponentiell. Da Zahnräder auf etwa 100.000 RPM beschränkt sind, können keine standardmäßigen Zahnradsysteme verwendet werden, um den Abtrieb auf den höheren Geschwindigkeiten zu erreichen, der für einen Superturbolader eines Automotors notwendig sind. Daher verwenden diverse Ausführungsformen einen hochtourigen Traktionsantrieb 114, um Leistung zu der Turbowelle hinzuzufügen oder davon zu empfangen.
Die mechanische Rotationsenergie aus dem hochtourigen Traktionsantrieb 114 wird daher auf ein Drehzahlniveau reduziert, das je nach der Drehgeschwindigkeit der Turbine/ des Verdichters variabel ist, jedoch auf ein Drehzahlniveau, das in dem Betriebsbereich des stufenlosen Getriebes (CVT) 116 liegt. Beispielsweise kann der hochtourige Traktionsantrieb 114 eine Ausgangsleistung aufweisen, die zwischen Null und 7000 RPM variiert, während die Eingangsleistung von der Turbinen-/Verdichterwelle von Null bis 300.000 RPM oder mehr variieren kann. Das stufenlose Getriebe 116 passt das Drehzahlniveau des hochtourigen Traktionsantriebs 114 an das Drehzahlniveau der Kurbelwelle 122 und der Riemenscheibe 120 an, um eine mechanische Rotationsenergie an den Motor 101 anzulegen oder eine mechanische Rotationsenergie aus dem Motor 101 auf dem richtigen Drehzahlniveau zu entnehmen. Mit anderen Worten umfasst das stufenlose Getriebe 116 eine Grenzfläche zum Übertragen einer mechanischen Rotationsenergie zwischen dem Motor 101 und dem hochtourigen Traktionsantrieb 114 auf dem richtigen Drehzahlniveau, das gemäß der Motordrehgeschwindigkeit und der Drehgeschwindigkeit der Turbine/ des Verdichters variiert. Das stufenlose Getriebe 116 kann einen beliebigen gewünschten stufenlosen Getriebetyp umfassen, der auf den benötigten Drehgeschwindigkeiten funktionieren kann und ein Verhältnis aufweisen kann, um der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle 122 oder anderen Mechanismen, die direkt oder indirekt mit dem Motor 101 gekoppelt sind, zu entsprechen. Beispielsweise können zusätzlich zu den hier offenbarten Ausführungsformen CVTs mit zwei Rollen sowie Traktionskugelantriebe und CVTs mit Stahltreibriemen verwendet werden.
Ein Beispiel eines stufenlosen Getriebes, das zur Verwendung als das stufenlose Getriebe 116, das in 1 offenbart wird, geeignet ist, ist das stufenlose Getriebe, das in 11 und 12 offenbart wird. Andere Beispiele von stufenlosen Getrieben, die als das stufenlose Getriebe 116 aus 1 verwendet werden können, umfassen das US-Patent mit der Seriennummer US 7 540 818 B2 , erteilt am 2. Juni 2009, im Namen von Miller et al. Das Miller-Patent ist ein Beispiel eines stufenlosen Getriebes mit Traktionsantrieb, das ein Planetenkugellager verwendet. Der Traktionsantrieb von Miller ist auf ungefähr 10.000 RPM beschränkt, so dass das stufenlose Getriebe von Miller nicht als hochtouriger Traktionsantrieb, wie etwa als der hochtourige Traktionsantrieb 114, verwendbar ist. Das Miller-Patent offenbart jedoch sehr wohl ein stufenloses Getriebe, das einen Traktionsantrieb verwendet, und ist zur Verwendung als Beispiel eines stufenlosen Getriebes geeignet, das als das stufenlose Getriebe 116 verwendet werden könnte, wie es in 1 bis 3 abgebildet ist. Ein anderes Beispiel eines geeigneten stufenlosen Getriebes wird in dem US-Patent mit der Seriennummer US 7 055 507 B2 , erteilt am 6. Juni 2006, im Namen von William R. Kelley, Jr., und abgetreten an Borg Warner, offenbart. Ein anderes Beispiel eines stufenlosen Getriebes wird in dem US-Patent mit der Seriennummer US 5 033 269 A , erteilt am 23. Juli 1991, im Namen von Smith, offenbart. Ferner offenbart auch das US-Patent US 7 540 818 B2 , ein stufenloses Getriebe, das zur Verwendung als stufenloses Getriebe 116 geeignet wäre. Das US-Patent US 7 491 149 B2 , erteilt am 17. Februar 2009, im Namen von Greenwood et al. und abgetreten an Torotrak Limited, offenbart ein Beispiel eines stufenlosen Getriebes, das einen Traktionsantrieb verwendet und als stufenloses Getriebe 116 verwendet werden kann. Alle diese Patente werden spezifisch zur Bezugnahme für alles, was sie offenbaren und lehren, übernommen. Die europäische Anmeldung Nr. 92 830 258.7 , veröffentlicht am 9. August 1995 unter der Veröffentlichungsnummer EP 0 517 675 B1 , erläutert ebenfalls ein anderes stufenloses Getriebe 3, das zur Verwendung als stufenloser Traktionsantrieb 116 verwendbar ist.
Diverse Arten von hochtourigen Traktionsantrieben können als hochtouriger Traktionsantrieb 114 verwendet werden. Beispielsweise kann der hochtourige Planetentraktionsantrieb 406 verwendet werden, der in 4 bis 9 gezeigt wird, und der hochtourige Planetenantrieb aus 10 kann als hochtouriger Traktionsantrieb 114 verwendet werden.
Beispiele von Hochgeschwindigkeitsantrieben, die Zahnräder verwenden, werden in dem US-Patent Nr. US 2 397 941 A , erteilt am 9. April 1946 im Namen von Birgkigt, und dem US-Patent Nr. US 5 729 978 A , erteilt am 24. März 1998 im Namen von Hiereth et al., offenbart. Diese beiden Patente werden hiermit insbesondere zur Bezugnahme für alles, was sie offenbaren und lehren, übernommen. Diese beiden Referenzen verwenden Standardzahnräder und verwenden keine Traktionsantriebe. Daher sind auch mit hoch polierten, speziell ausgelegten Zahnradsystemen die Zahnräder bei diesen Anlagen auf Drehgeschwindigkeiten von ungefähr 100.000 RPM oder weniger eingeschränkt. Das US-Patent Nr. US 6 960 147 B2 , erteilt am 1. November 2005 im Namen von Kolstrup und abgetreten an Rulounds Roadtracks Rotrex A/S, offenbart ein Planetenrad, das in der Lage ist, Übersetzungsverhältnisse von 13:1 zu erzeugen. Das Planetenrad von Kolstrup ist ein Beispiel eines hochtourigen Antriebs, der anstelle eines hochtourigen Traktionsantriebs 114 aus 1 verwendet werden könnte. Das US-Patent Nr. US 6 960 147 B2 wird hiermit ebenfalls spezifisch zur Bezugnahme für alles, was es offenbart und lehrt, übernommen.
2 ist eine schematische durchsichtige Seitenansicht des Superturboladers 100. Wie in 2 gezeigt, weist die Turbine 102 eine Abgasleitung 104 auf, die Abgase empfängt, die auf das Turbinengebläse 130 angelegt werden. Der Verdichter 106 weist eine Druckluftleitung 108 auf, welche die verdichtete Luft dem Ansaugrohr zuführt. Das Verdichtergehäuse 128 schließt das Verdichtergebläse 126 ein und ist mit der Druckluftleitung 108 verbunden. Wie zuvor offenbart, ist der hochtourige Traktionsantrieb 114 ein Traktionsantrieb mit festgelegtem Verhältnis, der mit einem stufenlosen Getriebe 116 gekoppelt ist. Das stufenlose Getriebe 116 treibt die Welle 118 und die Riemenscheibe 120 an.
3A ist eine durchsichtige Seitenansicht der Ausführungsform des Superturboladers 100, der in 1 und 2 abgebildet ist. Wie in 3A gezeigt, umfasst auch hier die Turbine 102 ein Turbinengebläse 130, während der Verdichter 106 ein Verdichtergebläse 126 umfasst. Eine Welle (nicht gezeigt), die das Turbinengebläse 130 und das Verdichtergebläse 126 verbindet, ist mit einem hochtourigen Traktionsantrieb 114 gekoppelt. Die mechanische Rotationsenergie wird von dem hochtourigen Traktionsantrieb 114 auf ein Übertragungszahnrad 132 übertragen, das die mechanische Rotationsenergie auf ein CVT-Zahnrad 134 und das stufenlose Getriebe (CVT) 116 überträgt. Das stufenlose Getriebe 116 ist mit der Welle 118 und der Riemenscheibe 120 gekoppelt.
3B ist eine schematische Schnittansicht eines anderen Beispiels eines Superturboladers 300, der mit einem Motor 304 gekoppelt ist. Wie in 3B gezeigt, sind die Turbine 302 und der Verdichter 306 durch die Welle 320 mechanisch gekoppelt. Der hochtourige Traktionsantrieb 308 überträgt mechanische Rotationsenergie auf das Übertragungszahnrad 322 und empfängt mechanische Rotationsenergie davon. Ein spezifisches Beispiel eines hochtourigen Traktionsantriebs 308 ist in 3B abgebildet. Das Übertragungszahnrad 322 überträgt mechanische Rotationsenergie zwischen dem Traktionsantrieb 308 und dem stufenlosen Getriebe 310. Ein spezifisches Beispiel eines stufenlosen Getriebes 310 ist auch in 3B abgebildet. Die Welle 312, die Riemenscheibe 314 und der Riemen 316 übertragen mechanische Rotationsenergie zwischen der Kurbelwelle 318 und dem stufenlosen Getriebe 310.
3C ist eine schematische Seitenansicht im Schnitt von Änderungen an der Ausführungsform des Superturboladers 100, der in 1, 2 und 3A abgebildet ist. Wie in 3C gezeigt, sind die Turbine 102 und der Verdichter 106 durch eine Welle (nicht gezeigt) zusammen gekoppelt. Die hochtourige Traktionsvorrichtung 114 ist mit der Welle gekoppelt. Mechanische Rotationsenergie wird von der hochtourigen Traktionsvorrichtung 114 auf ein Übertragungszahnrad 132 übertragen, das die mechanische Rotationsenergie auf ein Vorgelegezahnrad 134 überträgt. Der hochtourige Traktionsantrieb 114, das Übertragungszahnrad 132 und das Vorgelegezahnrad 134 können alle in dem gleichen Gehäuse untergebracht sein. Das Vorgelegezahnrad 134 ist mit einem Getriebe 140 verbunden, das ein Schaltgetriebe, eine CVT, eine gerade Welle, ein Automatikgetriebe oder ein Hydraulikgetriebe umfassen kann. Das Getriebe 140 ist dabei mit einer Welle 118 verbunden, die mit einer Riemenscheibe 120 verbunden ist. Die Riemenscheibe 120 ist mit dem Triebstrang gekoppelt. Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Riemenscheibe 120 mit einem Elektromotor/Generator 142 gekoppelt.
4 ist eine schematische durchsichtige Ansicht einer anderen Ausführungsform des Superturboladers 400, der einen hochtourigen Traktionsantrieb 416 verwendet, der mit einem stufenlosen Getriebe 408 gekoppelt ist. Wie in 4 gezeigt, ist die Turbine 404 über eine Verdichter-/Turbinenwelle 414 mit dem Verdichter 402 mechanisch gekoppelt. Mechanische Rotationsenergie wird zwischen der Verdichter-/Turbinenwelle 414 und dem Traktionsantrieb 416 mit mehreren Durchmessern auf eine Art und Weise übertragen, die nachstehend ausführlicher offenbart wird. Das Übertragungszahnrad 418 überträgt mechanische Rotationsenergie zwischen dem Traktionsantrieb 416 mit mehreren Durchmessern und dem CVT-Zahnrad 420 des stufenlosen Getriebes 408. Die Welle 410 und die Riemenscheibe 412 sind mit dem stufenlosen Getriebe 408 gekoppelt und übertragen Kraft zwischen dem stufenlosen Getriebe 408 und einem Triebstrang.
5 ist eine schematische Seitenansicht im Schnitt des Traktionsantriebs 416 mit mehreren Durchmessern, der mit dem Übertragungszahnrad 418 gekoppelt ist, das wiederum mit dem CVT-Zahnrad 420 gekoppelt ist. Die Verdichter-/Turbinenwelle 414 weist eine polierte, gehärtete Oberfläche auf einem mittleren Abschnitt auf, wie es nachstehend ausführlicher offenbart wird, der als Sonnenantrieb in dem Traktionsantrieb 416 mit mehreren Durchmessern funktioniert.
6 ist eine aufgelöste Ansicht 600 der Ausführungsform des Superturboladers 400, der in 4 abgebildet ist. Wie 6 gezeigt, nimmt das Turbinengehäuse 602 ein Turbinengebläse 604 auf. Die Abdeckplatte 606 der heißen Seite ist neben dem Turbinengebläse 604 und dem Hauptgehäuseträger 608 montiert. Eine Ringdichtung 610 dichtet den Auspuff an der Abdeckplatte 606 der heißen Seite ab. Ein Ringrollenlager 612 ist in der Ringrolle 614 montiert. Die Verdichter-/Turbinenwelle 414 erstreckt sich durch den Hauptgehäuseträger 608. Die Abdeckplatte 606 der heißen Seite ist mit dem Turbinengebläse 604 verbunden. Ein Planetenträger-Kugellager 618 ist auf dem Planetenträger 620 montiert. Die Ringrollen 622 mit mehreren Durchmessern sind rotationsmäßig mit dem Planetenträger 620 verbunden. Es werden Ölschläuche 624 verwendet, um der Traktionsfläche Traktionsfluid zuzuführen. Ein Planetenträger 626 ist auf dem Planetenträger 620 montiert und verwendet ein Planetenträger-Kugellager 628. Dabei ist der feststehende Ring 630 außerhalb des Planetenträgers 626 montiert. Der Laufring 632 ist zwischen dem feststehenden Ring 630 und der Abdeckplatte 636 der kalten Seite montiert. Das Verdichtergebläse 638 ist mit der Verdichter-/Turbinenwelle 414 gekoppelt. Das Verdichtergehäuse 640 umschließt das Verdichtergebläse 638. Der Hauptgehäuseträger 608 trägt auch das stufenlose Getriebe und das Übertragungszahnrad 418. Diverse Lager 646 werden verwendet, um das Übertragungszahnrad 418 und den Hauptgehäuseträger 608 zu montieren. Das stufenlose Getriebe umfasst eine CVT-Abdeckung 642 und eine CVT-Lagerplatte 644. Das CVT-Zahnrad 420 ist innerhalb des Hauptgehäuseträgers 608 mit den Lagern 650 montiert. Die CVT-Lagerplatte 652 ist auf der gegenüberliegenden Seite des CVT-Zahnrads 420 im Verhältnis zur CVT-Lagerplatte 644 montiert. Die CVT-Abdeckung 654 deckt die diversen Abschnitte der CVT-Vorrichtung ab. Die Welle 410 ist mit dem stufenlosen Getriebe gekoppelt. Die Riemenscheibe 412 ist an der Welle 410 montiert und überträgt mechanische Rotationsenergie zwischen der Welle 410 und einem Triebstrang.
7 ist eine perspektivische Ansicht von isolierten Hauptkomponenten des Traktionsantriebs 416 mit mehreren Durchmessern, sowie des Turbinengebläses 604 und des Verdichtergebläses 638. Wie in 7 gezeigt, ist die Verdichter-/Turbinenwelle 414 mit dem Turbinengebläse 604 und dem Verdichtergebläse 638 verbunden und geht durch die Mitte des Traktionsantriebs 416 mit mehreren Durchmessern. Der Traktionsantrieb 416 mit mehreren Durchmessern umfasst Planetenrollen 664, 666 (9), 668 mit mehreren Durchmessern. Diese Planetenrollen mit mehreren Durchmessern sind rotationsmäßig mit einem Planetenträger 626 (9) gekoppelt. Die Kugeln 656, 658, 660, 662 liegen auf einer geneigten Oberfläche für Kugelrampen auf dem feststehenden Ring 630. Die Ringrolle 614 wird durch einen Innendurchmesser der Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern angetrieben, wie es nachstehend ausführlicher offenbart wird.
8 ist eine seitliche Schnittansicht des Traktionsantriebs 416 mit mehreren Durchmessern. Wie in 8 gezeigt, ist die Verdichter-/Turbinenwelle 414 gehärtet und poliert, um eine Traktionsfläche zu bilden, die als Sonnenrolle 674 verwendet wird, die eine Traktionsgrenzfläche 676 mit der Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern aufweist. Die Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern dreht sich an der Planetenrollenachse 672 mit mehreren Durchmessern entlang. Die Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern berührt den feststehenden Ring 630 an der Grenzfläche 690 der Planetenrolle 664 und des feststehenden Rings 630. Die Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern berührt die Ringrolle 614 an der Grenzfläche 691, die sich in einem anderen radialen Abstand als die Grenzfläche 691 von der Planetenrollenachse 672 mit mehreren Durchmessern befindet. 8 bildet auch den Planetenträger 626 und die Kugelrampe 630 ab, die sich mit der Kugel 656 schneidet, und die Kugelrampe 631, die sich mit der Kugel 660 schneidet. Die Kugeln 656, 658, 660, 662 sind zwischen einem Gehäuse (nicht gezeigt) und der Kugelrampe, wie etwa der Kugelrampe 630, auf dem feststehenden Ring 664 eingesetzt. Wenn ein Drehmoment an die Ringrolle 614 angelegt wird, veranlasst dies den feststehenden Ring 664, sich geringfügig in die Drehrichtung der Ringrolle 614 zu bewegen. Dadurch werden die Kugeln veranlasst, auf die diversen Kugelrampen, wie etwa die Kugelrampen 630, 631, hinauf zu rollen, was wiederum den feststehenden Ring 630 veranlasst, gegen die Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern zu drücken. Da die Grenzfläche 691 der Planetenrolle 664 und des feststehenden Rings 630 geneigt ist und die Grenzfläche der Planetenrolle 664 und der Ringrolle 690 geneigt ist, wird eine nach innen gerichtete Kraft auf die Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern generiert, die eine Kraft auf die Traktionsgrenzfläche 676 generiert, um die Traktion an der Traktionsgrenzfläche 676 zwischen der Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern und der Sonnenrolle 674 zu erhöhen. Zudem wird eine Kraft an der Grenzfläche 691 der Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern und der Ringrolle 614 aufgebracht, welche die Traktion an der Grenzfläche 691 erhöht. Wie es in 8 ebenfalls gezeigt wird, sind das Verdichtergebläse 630 und das Turbinengebläse 604 beide mit der Verdichter-/Turbinenwelle 414 gekoppelt. Die Ringrolle 614 ist mit dem Übertragungszahnrad 418 gekoppelt, wie es ebenfalls in 8 gezeigt wird.
9 ist eine seitliche Schnittansicht des Traktionsantriebs 416 mit mehreren Durchmessern. Wie in 9 gezeigt, dreht sich die Sonnenrolle 674 im Uhrzeigersinn, wie es die Drehrichtung 686 zeigt. Die Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern haben Außendurchmesser-Rollenflächen, wie etwa die Außendurchmesser-Rollenfläche 688 der Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern. Diese Außendurchmesser-Rollenflächen berühren die Sonnenrolle 674, wodurch die Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern dazu veranlasst werden, sich im Gegenuhrzeigersinn, wie etwa in der Drehrichtung 684 der Planetenrolle 666 mit mehreren Durchmessern, zu drehen. Die Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern haben auch eine Innendurchmesser-Rollenfläche, wie etwa die Innendurchmesser-Rollenfläche 680 der Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern. Die Innendurchmesser-Rollenfläche jeder Planetenrolle mit mehreren Durchmessern berührt die Rollenfläche 687 der Ringrolle 614. Daher bildet die Grenzfläche 678 der Planetenrolle 664 mit der Rollenfläche 687 der Ringrolle 614 eine Traktionsgrenzfläche, welche mechanische Rotationsenergie überträgt, wenn ein Traktionsfluid angewendet wird. Die Grenzfläche zwischen jeder der Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern und der Sonnenrolle 674 bildet auch eine Traktionsgrenzfläche, die mechanische Rotationsenergie bei Anwendung eines Traktionsfluids überträgt.
Wie zuvor mit Bezug auf 8 und 9 angegeben, generiert der feststehende Ring 630 eine Kraft, welche die Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern in Richtung auf die Sonnenrolle 674 drückt, um Traktion zu generieren. Jede der Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern ist rotationsmäßig an dem Planetenträger 626 über Planetenrollenachsen, wie etwa die Planetenrollenachse 672 mit mehreren Durchmessern der Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern, angebracht. Diese Achsen haben ein wenig Spiel, so dass sich die Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern geringfügig bewegen und eine Kraft zwischen der Sonnenrolle 674 und der Außendurchmesser-Rollenfläche der Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern, wie etwa dem Außendurchmesser der Rollenfläche 688 der Planetenrolle 664, erstellen können. Die Bewegung der Planetenrolle 664 mit mehreren Durchmessern in Richtung auf die Sonnenrolle 674 erhöht auch die Traktion an der Grenzfläche der Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern und der Ringrolle 614, da die Grenzfläche zwischen den Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern und der Ringrolle 614, wie etwa die Grenzfläche 678, geneigt ist. Der Kontakt mit den Planetenrollen 664, 666, 668 mit mehreren Durchmessern mit der Rollenfläche 687 der Ringrolle 614 veranlasst den Planetenträger 626, sich im Uhrzeigersinn zu drehen, wie etwa in der Drehrichtung 682, die in 9 abgebildet ist. Daraufhin dreht sich die Ringrolle 614 im Gegenuhrzeigersinn, wie etwa in der Drehrichtung 687, und treibt das Übertragungszahnrad 418 im Uhrzeigersinn an.
10 ist eine schematische Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines hochtourigen Traktionsantriebs 1000. Wie in 10 gezeigt, kann eine Welle 1002, die eine Welle ist, die eine Turbine und einen Verdichter in einem Superturbolader verbindet, als Sonnenrolle in dem hochtourigen Traktionsantrieb 1000 dienen. Die Planetenrolle 1004 berührt die Welle 1002 an der Traktionsgrenzfläche 1036. Die Planetenrolle 1004 dreht sich um eine Achse 1006 unter Verwendung von Lagern 1008, 1010, 1012, 1014. Wie es ebenfalls in 10 gezeigt wird, ist das Zahnrad 1016 angeordnet und mit der äußeren Oberfläche des Trägers 1018 verbunden. Der Träger 1018 ist mit einem Gehäuse (nicht gezeigt) über die Lager 1032, 1034 gekoppelt, die es dem Träger 1018 und dem Zahnrad 1016 ermöglichen, sich zu drehen. Die feststehenden Ringe 1020, 1022 umfassen jeweils die Kugelrampen 1028, 1030. Die Kugelrampen 1028, 1030 sind ähnlich wie die Kugelrampen 630, die in 7 und 8 abgebildet sind. Wenn sich das Zahnrad 1016 bewegt, bewegen sich jeweils die Kugeln 1024, 1026 in den Kugelrampen 1028, 1030 und drücken die feststehenden Ringe 1020, 1022 nach innen aufeinander zu. Eine Kraft entsteht zwischen den feststehenden Ringen 1020, 1022 und der Oberfläche der Planetenrolle 1004 an den Traktionsflächen 1038, 1040, während die Kugeln 1024, 1026 die feststehenden Rampen 1020, 1022 nach innen aufeinander zu drücken. Die Kraft, die durch die feststehenden Ringe 1020, 1022 erstellt wird, drückt auch die Planetenrolle 1004 nach unten, wie in 10 abgebildet, so dass eine Kraft zwischen der Welle 1002 und der Planetenrolle 1004 an der Traktionsgrenzfläche 1036 entsteht. Daraufhin wird eine größere Traktion an einer Traktionsgrenzfläche 1036 und den Traktionsflächen 1038, 1040 erreicht. Das Traktionsfluid wird auf diese Oberflächen aufgetragen, die klebrig werden und die Reibung an den Traktionsgrenzflächen erhöhen, da sich das Traktionsfluid auf Grund der Reibung erhitzt, die an den Traktionsgrenzflächen 1036, 1038, 1040 entsteht.
Der hochtourige Traktionsantrieb 1000, der in 10 abgebildet ist, kann sich auf hohen Geschwindigkeiten von mehr als 100.000 RPM drehen, was mit Getriebesystemen nicht erreichbar ist. Beispielsweise kann sich der hochtourige Traktionsantrieb 1000 auf Geschwindigkeiten von mehr als 300.000 RPM drehen. Der hochtourige Traktionsantrieb 1000 ist jedoch wegen der physischen Größeneinschränkungen auf ein Übersetzungsverhältnis von ungefähr 10:1 eingeschränkt. Der hochtourige Traktionsantrieb 1000 kann drei Planetenrollen verwenden, wie etwa die Planetenrolle 1006, die radial um die Welle 1002 herum angeordnet sind. Wie in 9 abgebildet, ist die Größe der Planetenrollen im Verhältnis zur Sonnenrolle eingeschränkt. Wenn der Durchmesser der Planetenrollen in 9 zunimmt, stoßen die Planetenrollen aneinander. Somit können Übersetzungsverhältnisse von nur ungefähr 10:1 mit einem Planetentraktionsantrieb erreicht werden, wie etwa in 10 abgebildet, während die Planetenantriebe mit mehreren Durchmessern, die mit einem Planetenträger verbunden sind, wie etwa in 7 bis 9 abgebildet, ein Verhältnis von bis zu 47:1 oder mehr aufweisen können. Wenn entsprechend ein Verdichter für einen kleineren Motor benötigt wird, der sich auf 300.000 RPM drehen muss, um effizient zu sein, kann ein Traktionsantrieb mit einem Verhältnis von 47:1, wie etwa in 7 bis 9 abgebildet, die maximale Drehgeschwindigkeit von 300.000 RPM auf ungefähr 6400 RPM reduzieren. Mit standardmäßigen Zahnrädern versehene oder stufenlose Traktionsgetriebe können dann verwendet werden, um die mechanische Rotationsenergie zwischen dem hochtourigen Traktionsantrieb und dem Triebstrang des Motors zu übertragen.
Wie zuvor offenbart, kann der hochtourige Traktionsantrieb 1000, der in 10 abgebildet ist, ein Verhältnis bis zu 10:1 aufweisen. Wenn man annimmt, dass eine Drehgeschwindigkeit der Welle 1002 für einen Superturbolader für einen kleinen Motor 300.000 RPM beträgt, kann die Drehgeschwindigkeit der Welle von 300.000 RPM auf 30.000 RPM am Zahnrad 1016 reduziert werden. Es können diverse Arten von stufenlosen Getrieben 116 verwendet werden, die unter Verwendung von standardmäßigen Getriebetechniken auf bis zu 30.000 RPM funktionieren. Stufenlose Getriebe mit Traktionsantrieb, wie etwa das stufenlose Getriebe mit Traktionsantrieb, das in 11 und 12 abgebildet ist, können ebenfalls als das stufenlose Getriebe 116 verwendet werden, das in 1 abgebildet ist. Ferner können Verhältnisse von bis zu 100:1 mit dem Traktionsantrieb 416 mit mehreren Durchmessern erreicht werden, der in 4 bis 9 abgebildet ist. Entsprechend können kleine Motoren mit 0,5 Litern, die eventuell einen Verdichter benötigen, der sich auf 900.000 RPM läuft, auf 9.000 RPM reduziert werden, was eine Drehgeschwindigkeit ist, die von diversen stufenlosen Getrieben 116 mühelos verwendet werden kann, um mechanische Rotationsenergie zwischen einem Triebstrang und einer Turbinen-/Verdichterwelle zu koppeln.
11 und 12 bilden ein Beispiel eines stufenlosen Getriebes mit Traktionsantrieb ab, das als das stufenlose Getriebe 116 aus 1 verwendet werden kann. Das stufenlose Getriebe mit Traktionsantrieb, das in 11 und 12 abgebildet ist, funktioniert, indem es die Laufringe 1116, 1118, die einen Krümmungsradius aufweisen, der veranlasst, dass sich die Kontaktstellen der Kugellager bewegen, was die Kugeln wiederum dazu veranlasst, sich mit einem anderen Drehwinkel zum Antriebslaufring 1122 auf anderen Geschwindigkeiten zu drehen, in einer seitlichen Richtung auf den Laufringflächen translationsmäßig verschiebt. Mit anderen Worten wird die Kontaktstelle jedes der Lager auf den Laufringflächen als Ergebnis der seitlichen Translation der Laufringe 1116, 1118 geändert, was die Geschwindigkeit ändert, auf der sich die Lager an der Kontaktstelle drehen, wie es nachstehend ausführlicher erklärt wird.
Wie in 11 gezeigt, ist die Antriebswelle 1102 mit dem Übertragungszahnrad 132 (3A) gekoppelt. Beispielsweise können die Schiebekeile 1104 mit dem CVT-Zahnrad 134, das in 3A abgebildet ist, verzahnt sein. Dadurch kann das Keilantriebsritzel 1104 der Antriebswelle 1102 durch einen hochtourigen Traktionsantrieb 114, wie in 3A abgebildet, mit dem Superturbolader gekoppelt sein. Auf diese Art und Weise wird das Eingangsdrehmoment des Triebstrangs verwendet, um das Keilantriebsritzel 1104 der Antriebswelle 1102 anzutreiben. Das Eingangsdrehmoment an dem Keilantriebsritzel 1104 versetzt sowohl die Antriebswelle 1102 als auch ihre dazugehörige Struktur, einschließlich des Antriebslaufrings 1114, in eine Drehung in die Drehrichtung 1112. Der Antriebslaufring 1116 wird als Reaktion auf das Drehmoment, das durch den Schiebekeil 1166 von der Antriebswelle 1102 auf den Antriebslaufring 1116 ausgeübt wird, ebenfalls um die Drehachse 1106 herum gedreht. Die Drehung der Antriebswelle 1102, des Antriebslaufrings 1114 und des Antriebslaufrings 1116 versetzt die Vielzahl von Kugellagern 1132 in Drehung, weil der stationäre Laufring 1120 die Drehung der Kugellager am Kontaktpunkt mit dem stationären Laufring 1120 verhindert. Der Antriebslaufring 1114 und der Antriebslaufring 1116 drehen sich mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit, da sie durch den Schiebekeil 1116 gekoppelt sind. Der Antriebslaufring 1114 und der Antriebslaufring 1116 veranlassen die Kugellager 1132 zu einer Umdrehung in einer im Wesentlichen senkrechten Orientierung, da die Kugellager 1132 den stationären Laufring 1120 berühren. Der Kontakt der Kugellager 1132 an dem stationären Laufring 1120 veranlasst die Kugellager 1132 auch, um den Umkreis der Laufringe 1114, 1116, 1118, 1120 herum vorherzugehen. Bei der in 11 abgebildeten Ausführungsform kann es bis zu 20 Kugellager 1132 geben, die sich an den Oberflächen der Laufringe 1114, 1116, 1118, 1120 drehen. Dadurch dass sie von dem Antriebslaufring 1114 und dem Antriebslaufring 1116 angetrieben wird, erstellt die Rotation der Kugellager 1132 einen Tangentialkontakt der Kugellager 1132 an dem Abtriebslaufring 1118. Je nach der Kontaktposition der Kugellager 1132 auf dem Abtriebslaufring 1118, kann das Verhältnis der Drehgeschwindigkeit der Antriebslaufringe 1114, 1116 im Verhältnis zum Abtriebslaufring 1118 variiert werden. Der Abtriebslaufring 1118 ist mit einem Abtriebsritzel 1122 gekoppelt. Das Abtriebsritzel 1122 greift in ein Abtriebsritzel 1124 ein, das wiederum mit der Abtriebswelle 1126 verbunden ist.
Die Art und Weise, auf der das stufenlose Getriebe mit Traktionsantrieb 1100, das in 11 abgebildet ist, das Verhältnis zwischen der Antriebswelle 1102 und der Abtriebswelle 1126 verschiebt, wird erreicht, indem die relative Position des Kontaktpunktes zwischen den vier Laufringen 1114, 1116, 1118, 1120 geändert wird, die mit den Kugellagern 1132 in Kontakt stehen. Die Art und Weise, wie die Kontaktflächen der Laufringe 1114, 1116, 1118, 1120 mit den Kugellagern 1132 geändert werden, besteht darin, die Position der Translationsklammer 1152 zu verschieben. Die Translationsklammer 1152 wird als Reaktion auf das elektrische Stellglied 1162 waagerecht bewegt, wie in 11 abgebildet. Das elektrische Stellglied 1162 weist eine Welle auf, die in die Teleskopschaltvorrichtung 1158 eingreift und die Teleskopschaltvorrichtung 1158 dreht. Die Teleskopschaltvorrichtung 1158 weist auf einem Innenabschnitt und einem Außenabschnitt unterschiedliche Gewindearten auf. Ein Unterschied bei der Gewindesteigung der verschiedenen Gewindearten veranlasst die Translationsklammer 1152, sich als Reaktion auf die Drehung der Welle des elektrischen Stellglieds 1162, das die Teleskopschaltvorrichtung 1158 in Drehung versetzt, sich waagerecht translationsmäßig zu verschieben. Eine seitliche Translation der Translationsklammer 1152, die in Kontakt mit der Lagerklammer 1164 steht, verursacht einen seitlichen Übergang des Antriebslaufrings 1116 und des Abtriebslaufrings 1118. Die seitliche Translation des Antriebslaufrings 1116 und des Abtriebslaufrings 1118 kann bei der in 11 abgebildeten Ausführungsform um ungefähr ein Zehntel Zoll variieren. Die Translation des Antriebslaufrings 1116 und des Abtriebslaufrings 1118 ändert den Kontaktwinkel zwischen den Kugellagern 1132 und dem Abtriebslaufring 1118, der das Verhältnis oder die Geschwindigkeit ändert, bei dem bzw. der sich die Kugellager 1132 in den Laufringen bewegen, auf Grund einer Änderung des Kontaktwinkels zwischen dem stationären Laufring 1120 und dem Antriebslaufring 1114 und dem Antriebslaufring 1116. Die Kombination der Winkeländerung zwischen den Laufringen ermöglicht es, dass die Kontaktgeschwindigkeit oder der Kontaktpunkt zwischen den Kugellagern 1132 und dem Abtriebslaufring 1118 variiert, was zu einer Variation der Geschwindigkeit zwischen 0 Prozent der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 1102 und bis zu 30 Prozent der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 1102 führt. Die Variation der Geschwindigkeit bei dem Abtriebslaufring 1118 von 0 bis 30 Prozent der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 1102 sorgt für viele verschiedene einstellbare Drehgeschwindigkeiten, die an der Abtriebswelle 1126 zu erreichen sind.
Um das richtige Feststellen der Kugellager 1132 zwischen den Laufringen 1114, 1116, 1118, 1120 sicherzustellen, werden Federn 1154, 1156 bereitgestellt. Die Feder 1154 generiert eine Feststellkraft zwischen dem Antriebslaufring 1114 und dem stationären Laufring 1120. Die Feder 1156 generiert eine Feststellkraft zwischen dem Antriebslaufring 1116 und dem Abtriebslaufring 1118. Diese Feststellkräfte gegen die Kugellager 1132 werden über den gesamten Translationsabstand der Translationsklammer 1152 beibehalten. Die Teleskopschaltvorrichtung 1158 weist Gewinde auf einer Innenfläche auf, die sich mit den Gewinden an der feststehenden Gewindevorrichtung 1160 verbinden. Die feststehende Gewindevorrichtung 1160 ist im Verhältnis zu dem Gehäuse 1172 fest und stellt eine feste Position im Verhältnis zu dem Gehäuse 1172 bereit, so dass sich die Translationsklammer 1152 durch die unterschiedlichen Gewinde auf den beiden Seiten der Teleskopschaltvorrichtung 1158 in einer waagerechten Richtung translationsmäßig verschieben kann.
Wie ebenfalls in 11 abgebildet, drehen sich alle Drehkomponenten des stufenlosen Getriebes mit Traktionsantrieb 1100 in die gleiche Richtung, d.h. die Drehrichtung 1112 und die Ausgangsdrehung 1128 des Abtriebsritzels 1122. Die Knebelmutter 1168 hält die Feder 1156 an Ort und Stelle und spannt die Feder 1156 vor, um den richtigen Diagonaldruck zwischen dem stationären Laufring 1120 und dem Antriebslaufring 1114 zu erstellen. Wenn die Translationsklammer 1152 waagerecht verschoben wird, wie in 11 abgebildet, ist basierend auf den Winkeln der Laufringe 1114 bis 1120, welche die Kugellager 1132 berühren, eine geringfügige Translation der Antriebswelle 1102 gegeben. Das Keilantriebsritzel 1104 ermöglicht eine Translationsbewegung in den Richtungen 1108, 1110 basierend auf den Punkten, an denen die Kugellager 1132 die Laufringe 1114 bis 1120 berühren, und auf dem bestimmten Kontaktwinkel der Laufringe im Verhältnis zu den Kugellagern 1132. Das Gehäuse 1170 ist fest an dem Gehäuse 1172 angeschraubt, um die Feder 1154 zu enthalten, welche die richtige Ausmaß an Klemmkraft zwischen dem Antriebslaufring 1114 und dem stationären Laufring 1120 erstellt. Wie in 11 abgebildet, weisen die Kugellager 1132 einen Drehverlauf 1131 in den vier Laufringen 1114, 1116, 1118, 1120 auf. Die Drehrichtung 1112 der Welle 1102 veranlasst das Ritzel 1122, sich in einer Drehrichtung 1128 zu drehen, wie in 11 abgebildet.
12 ist eine Nahansicht der Laufringe 1114 bis 1120 und der Kugel 1132, die den Betrieb des stufenlosen Getriebes mit Traktionsantrieb 1100 abbildet. Wie in 12 gezeigt, berührt der Laufring 1114 zwangsläufig die Kugel 1132 an der Kontaktstelle 1134. Der Laufring 1116 berührt die Kugel 1132 zwangsläufig an der Kontaktstelle 1136. Der Laufring 1118 berührt die Kugel 1132 zwangsläufig an der Kontaktstelle 1138. Der Laufring 1120 berührt die Kugel 1132 zwangsläufig an der Kontaktstelle 1140. Jede der Kontaktstellen 1134, 1136, 1138, 1140 befindet sich auf einem gemeinsamen großen Kreis auf der Oberfläche der Kugel 1132. Der große Kreis befindet sich in einer Ebene, die den Mittelpunkt der Kugel 1132 und die Achse 1106 der Welle 1102 enthält. Die Kugel 1132 dreht sich um eine Umdrehungsachse 1142, die durch den Mittelpunkt der Kugel 1132 geht, und halbiert den großen Kreis, der die Kontaktstellen 1134, 1136, 1138, 1140 enthält. Die Umdrehungsachse 1142 der Kugel 1132 ist in einem Winkel 1146 zu der senkrechten Achse 1144 geneigt. Der Neigungswinkel 1146 ist der gleiche für jede der Kugeln, die in den Laufringen um den Umfang des Traktionsantriebs 1100 herum angeordnet sind. Der Neigungswinkel 1146 erstellt einen mathematischen Zusammenhang zwischen einem Abstandsverhältnis und einem Umfangsgeschwindigkeitsverhältnis. Das Abstandsverhältnis ist das Verhältnis zwischen dem ersten Abstand 1148, welcher der orthogonale Abstand von der Umdrehungsachse 1142 zur Kontaktstelle 1134 ist, und einem zweiten Abstand 1150, welcher der orthogonale Abstand von der Umdrehungsachse 1142 zur Kontaktstelle 1136 ist. Dieses Abstandsverhältnis ist gleich dem Umfangsgeschwindigkeitsverhältnis. Das Umfangsgeschwindigkeitsverhältnis ist das Verhältnis zwischen der ersten Umfangsgeschwindigkeit und der zweiten Umfangsgeschwindigkeit, wobei die erste Umfangsgeschwindigkeit der Unterschied zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Kugel 1132 am Laufring 1114 und einer gemeinsamen orbitalen Umfangsgeschwindigkeit der Kugel 1132 und der anderen Kugeln in den Laufringen ist, während die zweite Umfangsgeschwindigkeit der Unterschied zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Kugel 1132 auf dem Laufring 1116 und der gemeinsamen orbitalen Umfangsgeschwindigkeit der Kugel 1132 sowie der anderen Kugeln, die in den Laufringen angeordnet sind, ist. Der Krümmungsradius jedes der Laufringe 1114 bis 1120 ist größer als der Krümmungsradius der Kugel 1132. Zudem muss der Krümmungsradius jedes der Laufringe 1114 bis 1120 nicht unbedingt ein konstanter Krümmungsradius sein, sondern kann variieren. Ferner muss der Krümmungsradius jedes der vier Laufringe nicht unbedingt gleich sein.
Wenn sich die Laufringe 1116, 1118 gleichzeitig in einer seitlichen Richtung translationsmäßig verschieben, wie etwa in der seitlichen Translationsrichtung 1108, ändern sich das Übersetzungsverhältnis der Drehung der Welle 1102 und die Drehrichtung 1112 im Verhältnis zu der Drehung des Zahnrads 1122 und der Drehrichtung 1128. Eine Translation der Laufringe 1116, 1118 in einer seitlichen Translationsrichtung 1108 macht den ersten Abstand 1148 größer und den zweiten Abstand 1150 kleiner. Daher ändern sich das Verhältnis der Abstände sowie das Umfangsgeschwindigkeitsverhältnis, wodurch sich die Drehgeschwindigkeit des Zahnrads 1122 im Verhältnis zur Welle 1102 ändert.
Wie zuvor angegeben, steht der Ausgang des stufenlosen Getriebes in Verzahnungskontakt mit dem Untersetzungsmechanismus des Traktionsantriebs, der mit der Turbinen-/Verdichterwelle verbunden ist. Wie zuvor angegeben, gibt es mindestens zwei oder drei verschiedene Arten von Traktionsantrieb-Untersetzungssystemen, die man verwenden kann. Die typische Art ist ein planetenartiger Traktionsantrieb für eine große Untersetzung, die in 6 bis 9 und 10 offenbart wird. Falls ein großes Geschwindigkeitsdifferenzial zwischen der Turbinenwelle und der Planetenrolle erwünscht ist, kann die Ausführungsform von 10 nur zwei statt drei Rollen verwenden, um die gewünschte Änderung des Übersetzungsverhältnisses zu erreichen.
Bei drei Rollen besteht eine Untersetzungsgrenze von ungefähr 10:1, und es kann eher ein Getriebe mit etwa 20:1 benötigt werden, um einen hochtourigen Betrieb auf 250.000 RPM unter 25.000 RPM zu erhalten, für den ein Getriebe mit 10:1 notwendig wäre. Daher kann ein Planetentraktionsantrieb mit zwei Rollen anstelle eines Antriebssystems mit drei Planetenrollen in 10 verwendet werden, um die Untersetzung zu erreichen, die von den kleinsten Anlagen mit der höchsten Geschwindigkeit gefordert werden. Zwei Rollen sorgen auch für geringe Trägheit, da jede Rolle eine gewisse Trägheit zur Anlage hinzufügt. Für die geringste Trägheit sollten zwei Rollen ausreichen. Die Breite der Traktionsrolle ist geringfügig größer als eine Ausführungsform mit drei Rollen.
Die Planetenrollen mit mehreren Durchmessern, die an der Welle laufen, werden aus einem federnden Material hergestellt, z.B. aus einem Federstahl oder einem anderen Material, das eine gewisse Verformung der Rolle innerhalb der Außentrommel zulässt. Das Anlegen einer federbelasteten Rolle kann den notwendigen Druck auf die Welle bereitstellen, jedoch die Fähigkeit der Welle nicht einschränken, ihren idealen Drehungsmittelpunkt zu finden.
Wenn ein Turbolader auf extrem hohen Geschwindigkeiten läuft, hat er Gleichgewichtsbeschränkungen, die es nötig machen, dass die Welle ihren eigenen Drehungsmittelpunkt findet. Das Gleichgewicht wird durch die Bewegung der Mittelwelle ausgeglichen. Diese Bewegung kann durch federbelastete Rollen ausgeglichen werden. Die federbelasteten Rollen können auch extrem leicht gemacht werden, indem sie aus einem dünnen Stahlband hergestellt werden, das es ihnen ermöglicht, mit sehr geringer Trägheit gegen die Welle zu funktionieren. Die Banddicke muss dick genug sein, um genug Druck auf die Traktionsflächen auszuüben, um die normale Kraft bereitzustellen, die für die Traktion benötigt wird. Ein Nockenstößel kann im Innern der Rolle angeordnet sein und jede Rolle positionieren und diese Position innerhalb der Anlage halten. Die Rollen müssen in einer sehr geraden Ausrichtung zwischen der Außentrommel und der Turbinen-/Verdichterwelle funktionieren, doch der Schlüssel zu geringer Trägheit liegt in der Leichtigkeit. Es können ein oder zwei Nockenstößel verwendet werden, um das Stahlband an Ort und Stelle zu halten, so dass das Stahlband in der Anlage ausgerichtet bleibt.
Die Ringrolle 614 ist mit einem Zahnrad auf der Außenseite verbunden, so dass die Ringrolle die Kraft in den oder aus dem Traktionsantrieb 416 mit mehreren Durchmessern übertragen kann. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten zur Herstellung der Ringrolle 614. Die Ringrolle 614 kann einfach ein festes Stück Stahl oder ein anderes geeignetes Material sein, das in der Lage ist, das Drehmoment in den oder aus dem Traktionsantrieb 416 mit mehreren Durchmessern zu übertragen. Die Ringrolle 614 kann aus zahlreichen Materialien hergestellt sein, die es der Ringrolle 614 ermöglichen, leicht zu sein, doch die Ringrolle 614 muss aus einem Material bestehen, das als Oberfläche des Traktionsantriebs auf der Rollenfläche 687 verwendet werden kann. Eine richtige Rollenfläche 687 ermöglicht es den Planetenrollen 664, 666, 668, das Drehmoment durch Traktion zu übertragen.
Auch muss die Turbinen-/Verdichterwelle 414 in einer sehr genauen Ausrichtung gehalten werden. Die Ausrichtung der Turbinen-/Verdichterwelle 414 im Innern des Gehäuses ermöglicht das Einhalten von Spielräumen zwischen den Spitzen der Schaufeln des Verdichters und dem Verdichtergehäuse. Ein engerer Spielraum erhöht die Effizienz des Verdichters. Eine genauere Position verringert das Berührungsrisiko zwischen dem Turbinenverdichtergebläse 638 und dem Verdichtergehäuse 640. Ein Verfahren zum Regeln der Schublast, die sich aus dem Verdichten des Gases gegen das Verdichterrad ergibt, ist notwendig, um sicherzustellen, dass ein minimaler Spielraum vorhanden ist. Dies kann unter Verwendung eines Drucklagers (nicht gezeigt), das mit Öl versorgt wird, oder eines Drucklagers, das ein Lager nach Art eines Kugellagers oder Rollenlagers ist, erfolgen.
Typischerweise sind in einem Turbolader die Lager der Zuverlässigkeit halber einfache Gleitlager, die einen Ölspielraum sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite aufweisen, damit sich die Turbinenwelle in ihrer harmonischen Drehung selber zentrieren kann. Die Gleichgewichtsanforderungen für einen massenproduzierten Turbolader werden durch die Verwendung eines Lagers mit doppeltem Spielraum reduziert. Diese Lagerarten wurden wegen der Anforderung von engeren Spielräumen und einer genaueren Ausrichtung der Welle des Turboladers verwendet. Ein Kugellager wird verwendet, sowohl um den Verdichter und die Turbine zu halten als auch um eine bessere Ausrichtung auf das Gehäuse aus Sicht einer seitlichen Hin- und Herbewegung beizubehalten. Dies kann mit einem oder mit zwei Kugellagern erreicht werden. Die Ausrichtung der Lager im Innern einer Außenfläche, die mit Öl unter Druck gesetzt wird, ermöglicht es den Lagern zu schweben und ermöglicht es dem Lager, einen Mittelpunkt zu finden. Dies wirkt sich auf den Spielraum zwischen dem Gehäuse, der Turbine und den Außenrändern des Verdichters aus, ermöglicht jedoch einen geringen Schubspielraum. Turbowellenlager stellen einen dritten Beschränkungspunkt bereit, um die Ausrichtung der Rollen beizubehalten. Die Nockenstößel in der Mitte der Rollen können die Rollen auf 120 Grad zueinander halten. Es können zwei kleine Nockenstößel für jede Rolle verwendet werden, um Zahnspiel zu beseitigen, wenn sich die Kraftrichtung ändert.
Es kann auch eine größere Turbine verwendet werden. Das Turbinenrad kann im Durchmesser größer als normal gemacht werden. Es besteht die Möglichkeit, den Turbinenaußendurchmesser sogar noch größer als das Verdichterrad zu machen, ohne die kritische Geschwindigkeit zu erreichen, bei der sich die Spitzen der Schallgeschwindigkeit nähern, weil die Dichte der Abgase geringer als die Einlassluft ist und die Schallgeschwindigkeit daher höher ist. Dadurch können die Abgase ein größeres Drehmoment an der Turbinen-/Verdichterwelle ohne höheren Gegendruck generieren. Das Vorliegen eines höheren Drehmoments veranlasst die Turbine, mehr Energie wiederzugewinnen als notwendig ist, um die Ansaugluft zu verdichten. Dies erzeugt mehr Energie als wiedergewonnen und an den Motor übertragen werden kann. Mehr Energie aus dem gleichen Abgasfluss, die nicht zum Verdichten benötigt wird, wird auf die Kurbelwelle übertragen und erstellt einen geringeren Kraftstoffverbrauch.
Ferner kann die Turbineneffizienz verbessert werden, indem Leitschaufeln verwendet werden, die den Einfallwinkel regeln, in dem die Abgase auf das Turbinenrad treffen. Dies erhöht die Spitzeneffizienz, schränkt jedoch den Geschwindigkeitsbereich ein, über den diese Effizienz erreicht wird. Ein eingeschränkter Geschwindigkeitsbereich ist für einen normalen Turbolader schlecht und ist kein Problem für einen Superturbolader, bei dem der Regler die notwendige Geschwindigkeitsregelung bereitstellen kann.
Ein höherer Gegendruck durch die Turbine im Vergleich zu dem Druck durch den Verdichter kann ebenfalls zu einem unausgeglichenen Superturbolader führen. Für einen normalen Turbolader ist dieser Druckunterschied umgekehrt. Ein höherer Gegendruck veranlasst die Turbine, mehr Energie wiederzugewinnen als benötigt wird, um die Ansaugluft zu verdichten. Dies erzeugt mehr Energie, die wiedergewonnen und an den Motor übertragen werden kann. Ein höherer Gegendruck wird für Hochdruck-EGR-Schleifen bei Dieselmotoren benötigt. Ein hoher Gegendruck erfordert normalerweise ein Ventil oder eine Drosselung, so dass der hohe Gegendruck normalerweise Verlustenergie ist, weil ein normaler Turbolader nicht unausgeglichen sein kann, ohne zu überdrehen. Das Erhöhen des Gegendrucks ist schlecht für Benzin- und Erdgasmotoren, weil es die Abgasmenge erhöht, die im Zylinder eingeschlossen wird, wodurch der Motor für Explosionsprobleme anfälliger ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein zweites Turbinenrad an der Turbinen-/Verdichterwelle positioniert sein, um die Energie zu erhöhen, die von der Turbine wiedergewonnen wird, und um die Kraftstoffeffizienz der Motoranlage zu verbessern. Auch kann ein zweites Verdichterrad auf derselben Welle positioniert sein, um das Aufladungsdruckpotenzial des Superturboladers zu steigern und eine Ladeluftkühlung zwischen den Stufen zu ermöglichen. Dies macht die Ansaugtemperatur für eine bestimmte Aufladung kühler und reduziert somit NOx.
Zudem kann die Turbinenschaufelkühlung durch die Flügelspitzen bereitgestellt werden, um die Temperaturen bei Hochtemperaturanwendungen zu reduzieren. Dies kann mit hohlen Flügelspitzen am Außenrand der Turbine erfolgen. Dieses spezielle Spitzenmodell erhöht die Turbineneffizienz und stellt einen Weg für Kühlluft bereit, um durch die Schaufeln zu gehen. Die Turbinenflügelkühlung kann auch durch verdichtete Luft aus dem Verdichter bereitgestellt werden, die seitlich durch das Gehäuse der Rückseite des Turbinenrads zugeführt wird. Zudem kann ein Wärmerohr verwendet werden, um das Turbinenrad und die Schaufeln abzukühlen.
Zudem kann eine Drehabschwächungsvorrichtung auf dem Kraftweg verwendet werden. Die Kurbelwellenenergie oder mechanische Rotationsenergie von einem Triebstrang kann derart durch eine Flexwelle oder eine Impulsabschwächungsvorrichtung (entweder mit Federbelastung oder Biegung) gebracht werden, dass Drehmomentimpulse von Motor oder Triebstrang ohne Verlust dieser Energie beseitigt werden, bevor sie in das Gehäuse eindringt. Dadurch dass das Getriebe nicht mit hohen Drehmomentstörzonen am Traktionsantrieb beaufschlagt wird, wird die Anforderung des Spitzendrehmoments reduziert. Dadurch dass diese Drehmomentstörzonen beseitigt werden, sind die Traktionsantriebe zuverlässiger, weil die Traktionsanforderungen durch das maximale Drehmoment an der Anlage eingeschränkt sind. Dadurch dass diese Drehmomentstörzonen an den Traktionsantrieben minimiert werden, können Größe und Oberflächenkontaktbereiche der Traktionsantriebe minimiert werden. Minimale Oberflächenkontaktbereiche maximieren die Effizienz der Anlage und können immer noch das Drehmoment erreichen, das zum Übertragen der kontinuierlichen Kraft notwendig ist.
Alternativ und gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Modell eines Traktionsantriebs mit variabler Geschwindigkeit mit Konstantpumpen statt Wellen-, Riemen- oder Zahnradantrieb verwendet werden. Dadurch ist die Anlage leichter unterzubringen, was bei sehr großen Motoren, die mehrere Turbolader aufweisen, besonders nützlich sein könnte.
Im folgenden werden Kombinationsmöglichkeiten von zwei Superturboladern sowie weitere Ausgestaltungen beschrieben, welche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.
Bei einer ersten Ausführungsform, die in 13 abgebildet ist, wird ein zweiter Superturbolader von einem Getriebe aus betrieben, als Möglichkeit, ein höheres Druckverhältnis zu erhalten, und als Möglichkeit, kühlere Ansaugtemperaturen zu erhalten, indem ein zweiter Zwischenkühler verwendet wird. Dies ist mit einem festgelegten Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Superturboladern möglich. Der erste Superturbolader 1302 weist eine Luftansaugleitung 1308 auf und verdichtet Luft, die dem Motor aus der Druckluftleitung 1310 zugeführt wird. Eine Abluftleitung 1314 empfängt Abgase vom Motor, um die Turbine des ersten Superturboladers 1302 laufen zu lassen. Die Abgase verlassen die Abgasausgangsleitung 1312. Der erste Superturbolader 1302 ist mit dem zweiten Superturbolader 1304 über ein Übertragungszahnrad 1306 gekoppelt.
14A bildet eine andere Ausführungsform einer Umsetzung der Verwendung von zwei Superturboladern ab, wie etwa einen Niederdruck-Superturbolader 1402 und einen Hochdruck-Superturbolader 1404. Ein standardmäßiger Superturbolader kann den Hochdruckimpuls nicht so gut wiedergewinnen, der aus dem Zylinder kommt, wenn sich das Abgasventil beim ersten Mal öffnet. Um diese Impulsdruckwiedergewinnung zu verbessern, wie in 14A abgebildet, sind die Hochdruck-Abgasventilöffnungen 1406, 1408 von den Niederdruck-Abgasventilöffnungen 1410, 1412 eines Vierventilmotors getrennt. Die Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 sind über den Hochdruck-Abgassammler 1430 auf die Hochdruck-Turbine 1434 gerichtet, während die Niederdruck-Abgasöffnungen über den Niederdruck-Abgassammler 1428 auf die Niederdruck-Turbine 1420 gerichtet sind. Dadurch, dass die Ventileinstellung der Ventile in den Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 geändert wird, so dass sich die Ventile an den Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 zuerst öffnen und in die Hochdruck-Turbine 1434 münden, wird die Impulsenergie besser wiedergewonnen. Die Ventile an den Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 werden schnell geschlossen, und dann werden die Ventile an den Niederdruck-Abgasöffnungen 1410, 1412 für die Dauer des Abgashubs geschlossen. Die Ventile an den Niederdruck-Abgasöffnungen 1410, 1412 münden in eine Niederdruck-Turbine 1420. Dieser Prozess reduziert die Arbeit, die der Kolben benötigt, um den Zylinder zu entleeren. Dieser Prozess verbessert die Kraftstoffeffizienz im Leerlauf oder behebt zumindest Störverluste im Leerlauf. Der Auslass der Hochdruck-Turbine 1434 ist auch mit der Niederdruck Turbine 1420 verbunden. Ein katalysierter Dieselpartikelfilter (nicht gezeigt) kann ebenfalls vor der Niederdruck-Turbine angeordnet sein.
Wie ebenfalls in 14A abgebildet, ist eine EGR-Leitung 1438 mit dem Hochdruck-Abgassammler 1430 verbunden. Die EGR-Leitung 1438 ermöglicht es, einen Teil der Abgase aus dem Hochdruck-Abgassammler 1430 über den Kühler 1440 und das EGR-Ventil 1442 in das Ansaugrohr 1444 zurück kanalisiert zu werden. Die Abgase aus dem Hochdruck-Abgassammler 1430, die durch die EGR-Leitung 1438 kanalisiert werden, werden zum Zwecke der Rückführung von Abgasen zum Ansaugrohr 1444 kanalisiert. Die Abgase, die durch die Abgasrückführleitung 1438 fließen, tragen zur Absenkung der Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer bei, insbesondere nachdem sie in dem Kühler 1440 abgekühlt wurden. Die Abgase enthalten Feuchtigkeit und andere Flüssigkeiten, die dazu beitragen, die Temperatur der Verbrennungskammer abzusenken, um dadurch NOx-Emissionen aus dem Motor zu reduzieren. Die Menge der zurückgeführten Abgase wird durch das EGR-Ventil 1442 geregelt. Das EGR-Ventil 1442 kann feststehend sein, wie etwa durch die Verwendung eines Drosselventils, oder kann variabel sein, je nach den kontrollierten NOx-Emissionen des Motors.
Wie ebenfalls in 14A gezeigt, wird die Hochdruck-Luft durch das Hochdruck-Verdichterrohr 1446 von dem Hochdruck-Verdichter 1432 zum Ansaugrohr 1444 gelenkt. Daher wird das Ansaugrohr 1444 auf einem vorherbestimmten Hochdruckpegel gehalten, der durch die Leistungsabgabe des Hochdruck-Verdichters 1432 vorgeschrieben wird. Damit die zurückgeführten Gase durch die EGR-Leitung 1438 fließen, muss der Druck in dem Hochdruckrohr 1430 höher sein als der Druck in dem Ansaugrohr 1444, wie es durch den Ausgangsdruck des Hochdruck-Verdichters 1432 vorgeschrieben wird. In dieser Hinsicht werden die Ventile in den Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 früh genug während des Abwärtshubs des Kolbens geöffnet, wenn im Kolben noch Restdruck vorliegt, um einen ausreichend hohen Druck in dem Hochdruck-Abgassammler 1430 zu schaffen, um die Abgase aus dem Hochdruck-Abgassammler 1430 durch die EGR-Leitung 1438 zu treiben. Wie nachstehend offenbart, öffnen sich die Ventile in den Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 an einem Punkt, an dem es in dem Prozess des Antreibens der Kolben nach unten einen geringen Energieverlust gibt. Der Öffnungspunkt der Hochdruck-Ventile liegt vor dem unteren Totpunkt, doch nach dem Punkt des maximalen Drehmoments des Kolbens an der Kurbelwelle, welcher der Punkt ist, an dem die Stangen im Wesentlichen bei 90° liegen. Dieser Punkt tritt bei ungefähr 100° auf. Die Drehmomentmenge ist proportional zum Kosinus des Winkels der Stangen, so dass je tiefer der Kolben ist, wenn sich die Hochdruck-Ventile öffnen, desto weniger Energie beim Antreiben der Kolben verloren geht. Es bleibt jedoch eine wesentliche Restdruckmenge in der Zylinderkammer, die durch die Hochdruck-Ventile aus der Zylinderkammer entleert werden kann, bevor sie den unteren Totpunkt erreicht, der verwendet werden kann, um die Abgase in der EGR-Leitung 1438 in die Hochdruck-Turbine 1434 zu treiben. Durch Vorentleeren des Zylinders unter Verwendung der Hochdruck-Ventile der Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 wird eine große Menge des Restdrucks in dem Zylinder vor dem Öffnen der Niederdruck-Abgasöffnungen 1410, 1412 entleert. Wenn sie geöffnet werden, können die Niederdruck-Abgasöffnungen 1410, 1412 den meisten Druck aus den Zylindern entleeren. Auf diese Art und Weise wird der Restdruck in den Zylindern verwendet, sowohl um Abgase durch die EGR-Leitung 1438 zu kanalisieren, um NOx-Emissionen zu reduzieren, als auch um die Hochdruck-Turbine 1434 anzutreiben, die dem Motor zusätzliche Kraft und Effizienz verleiht.
Wie ebenfalls in 14A gezeigt, werden die Abgase aus dem Niederdruck-Abgassammler verwendet, um eine Niederdruck-Turbine 1420 des Niederdruck-Superturboladers 1402 anzutreiben. Abgase, die von der Hochdruck-Turbine 1434 emittiert werden, werden mit den Niederdruck-Abgasen aus den Niederdruck-Abgasöffnungen 1410, 1412 kombiniert, um die Niederdruck-Turbine 1420 anzutreiben. Die Abgase aus der Niederdruck-Turbine 1420 werden durch den Abgasauslass 1436 entleert. Die Niederdruck-Turbine 1420 ist mit dem Niederdruck-Verdichter 1418 gekoppelt, der die Einlassluft 1422 um eine vorherbestimmte Menge verdichtet. Die Leitung 1424 kanalisiert die verdichtete Luft aus dem Niederdruck-Verdichter 1418 für den Eingang des Hochdruck-Verdichters 1432, der funktioniert, um die Druckluft bei 1424 weiter zu verdichten, um stärker verdichtete Luft zu erzeugen, die durch das Hochdruck-Verdichterrohr 1446 zum Einlassrohr 1444 kanalisiert wird.
14B bildet eine Variante der in 14A abgebildeten Ausführungsform ab. Wie in 14B abgebildet, werden die Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 in einen Hochdruck-Abgassammler kombiniert, der mit der Hochdruck-Turbine 1434 gekoppelt ist. Mit anderen Worten werden alle Hochdruck-Abgase aus dem Hochdruck-Abgassammler 1430 auf die Hochdruck-Turbine 1434 angelegt, um die Hochdruck-Turbine 1434 anzutreiben, die wiederum den Hochdruck-Verdichter 1432 antreibt. Der Hochdruck-Verdichter 1432 empfängt verdichtete Luft in der Leitung 1424 aus dem Niederdruck-Verdichter 1418 des Niederdruck-Superturboladers 1402, der die Einlassluft 1422 verdichtet. Die Ausgabe des Hochdruck-Verdichters 1432 wird über das Hochdruck-Verdichterrohr 1446 dem Ansaugrohr 1444 zugeführt. Der Niederdruck-Verdichter 1418 wird von der Niederdruck-Turbine 1420 angetrieben, die von den Niederdruck-Abgasen in dem Niederdruck-Abgassammler 1428 angetrieben wird, die von den Niederdruck-Abgasöffnungen 1410, 1412 emittiert werden. Abgase aus der Niederdruck-Turbine 1420 werden durch den Abgasauslass 1436 entleert. Die Hochdruckgase aus dem Hochdruck-Abgassammler 1430, welche die Hochdruck-Turbine 1434 antreiben, sind mit der Abgasrückführungs- (EGR) Leitung 1426 verbunden und werden an das Ansaugrohr 1444 zurückgegeben. Die Hochdruck-Gase aus dem Hochdruck-Abgassammler 1430, welche die Hochdruck-Turbine 1434 antreiben, werden nicht wesentlich druckreduziert und weisen einen ausreichend hohen Druck auf, um die Abgase aus der EGR-Leitung 1426 in das Ansaugrohr 1444 einzubringen. 14B stellt die größte Reduzierung der NOx-Gase bereit, da im Wesentlichen alle Abgase aus dem Hochdruck-Abgassammler 1430 zum Ansaugrohr 1444 zurückgeführt werden.
Wie ebenfalls in 14B abgebildet, kann ein Ladedruckregelventil 1448 verwendet werden, um Hochdruck-Abgase von dem Hochdruck-Abgassammler 1430 zur EGR-Leitung 1426 umzuleiten. Die Hochdruck-Abgase können manchmal zu heiß sein und/oder können Abgase auf einem Druck bereitstellen, der die Hochdruck-Turbine 1434 überdreht. In diesem Fall kann das Ladedruckregelventil 1448 geöffnet werden, um einen Teil der Hochdruck-Abgase aus dem Hochdruck-Abgassammler 1430 direkt in die EGR-Leitung 1426 zu führen. Zudem kann ein EGR-Ventil 1450 hinzugefügt werden, das die EGR-Leitung 1426 mit dem Niederdruck-Abgassammler 1428 verbindet. Falls eine ausreichende Menge von Abgasen durch die EGR-Leitung 1426 geführt wird, kann ein Teil dieser Gase von der EGR-Leitung 1426 über das EGR-Ventil 1450 zum Niederdruck-Abgassammler 1428 geleitet werden. Die überschüssigen Gase aus der EGR-Leitung 1426 können dann verwendet werden, um die Niederdruck-Turbine 1420 laufen zu lassen, um dem Motor zusätzliche Kraft zu geben, indem der Ansaugrohrdruck 1444 erhöht wird. Die Verwendung des EGR-Ventils 1450 bietet eine zusätzliche Möglichkeit zur Wiedergewinnung zurückgeführter Gase, um dem Motor zusätzliche Kraft zu geben und die Effizienz des Betriebs des Motors zu steigern.
14C bildet eine andere Änderung der Ausführungsformen aus 14A und 14B ab. Wie in 14C gezeigt, wird die Einlassluft 1422 durch den Niederdruck-Verdichter 1418 verdichtet. Die verdichtete Luft aus dem Niederdruck-Verdichter 1418 wird dem Ansaugrohr 1444 durch die Leitung 1424 zugeführt. Wie es ebenfalls in 14C abgebildet ist, wird die zweite Hochdruck-Turbine nicht verwendet, und das gesamte Rückführgas wird von den Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 über die EGR-Leitung 1426 zum Ansaugrohr 1444 zurückgeführt. Abgase aus den Niederdruck-Abgasöffnungen 1410, 1412 werden in der Leitung 1428 kombiniert, um die Niederdruck-Turbine 1420 zu betreiben. Die Abgase werden dann an dem Abgasauslass 1436 entleert. Daher werden alle Schließgase aus den Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 in das Ansaugrohr 1444 zurückgeführt, um eine große Reduzierung der NOx-Gase zu bewirken. Alternativ kann ein EGR-Ventil 1450 verwendet werden, um einen Teil der Abgase in der EGR-Leitung 1426 zum Niederdruck-Abgassammler 1428 zu kanalisieren, was weitere Kraft zu der Niederdruck-Turbine 1420 hinzufügt und die Menge von zurückgeführten Gasen in der EGR-Leitung 1426 reduziert. Das EGR-Ventil 1450 kann eingestellt werden, um die Menge von Abgasen anzupassen, die von der EGR-Leitung 1426 zum Niederdruck-Abgassammler 1428 geführt werden. Dieser Prozess kann vorteilhaft sein, falls eine ausreichende Menge von Abgasen in der EGR-Leitung 1426 zurückgeführt wird, um die NOx-Ausgabe des Motors zu reduzieren.
14D ist eine Grafik des Ventilhubs, des Zylinderdrucks und des Durchflusses im Verhältnis zur Kolbenposition nach dem oberen Totpunkt. Wie in 14D gezeigt, nimmt der Zylinderdruck 1450 nach dem oberen Totpunkt über den gesamten Kolbenhub stetig ab. Das Anheben des Hochdruck-Ventils 1456 bewirkt die Hochdruck-Strömung 1452. Das Anheben des Hochdruck-Ventils 1456 erfolgt bei einer Drehung von etwa 100° und bewirkt beim Schließen ein starkes Pumpen der Hochdruck-Strömung 1452, die durch die Hochdruck-Abgasöffnungen 1406, 1408 entleert wird (14A, 14B und 14C). Das Anheben des Niederdruck-Ventils ist in der Kurve 1454 abgebildet. Das Anheben des Niederdruck-Ventils bewirkt die Niederdruck-Strömung 1458 in den Niederdruck-Abgasöffnungen 1410, 1412. Daraufhin wird der Zylinderdruck 1450 in dem Zylinder weiter reduziert.
14E ist ein PV-Diagramm des Zylinderdrucks im Verhältnis zum Volumen in dem Zylinder, während der Kolben im Zylinder nach unten und dann nach oben geht. Nahezu Null bedeutet den oberen Totpunkt, während 1 den unteren Totpunkt der Drehung des Zylinders bedeutet. In 14E sind zwei Kurven gezeigt. Die Kurve 1464 stellt die Kurve von Zylinderdruck zu Volumen für einen Motor dar, der den Riley-Zyklus nicht verwendet. Die Kurve 1462 ist eine Kurve, die den Zylinderdruck im Verhältnis zum Volumen in dem Zylinder für eine Riley-Zyklusvorrichtung darstellt, wie etwa in 14A-C abgebildet. In Punkt 1466 wird das Hochdruck-Ventil an der Riley-Zyklusvorrichtung geöffnet, wie in 14A-C abgebildet, und der Druck wird reduziert. Die Fläche 1468 zwischen den Punkten 1466, 1470 stellt die Energie dar, die durch das Öffnen des Hochdruck-Ventils verloren geht. Wie jedoch in 14E angegeben, fällt der Druck in der Riley-Zyklusvorrichtung bei Punkt 1472 unter den Druck in einer nicht Riley-Zyklusvorrichtung ab und bleibt die ganze Zeit bis zu Punkt 1474 unter dem Druck der nicht Riley-Zyklusvorrichtung. Zwischen 1472 und Punkt 1474 ist weniger Druck im Zylinder, was zu einem geringeren Gegendruck auf den Zylinder führt, wenn sich der Zylinder von Punkt 1472 zu Punkt 1474 bewegt. Die große Flächenmenge zwischen der Riley-Zykluskurve 1462 und der normalen Kurve 1464 zwischen den Punkten 1472 und 1476, wie bei 1478 angegeben, gibt die Energie an, die durch die Bewegung des Kolbens in dem Zylinder auf dem niedrigeren Druck eingespart wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein Superturbolader als Luftpumpe zur Nachbehandlung und auch für den Motor verwendet werden und behebt die Notwendigkeit einer getrennten Pumpe nur für den Brenner.
Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Regler (nicht gezeigt) bereitgestellt, um ein Überdrehen zu verhindern, wobei der Verdichter außerhalb eines Pumpzustands gehalten wird und die maximale Effizienz der Turbine und des Verdichters geregelt wird. Ein Superturbolader kann gegenüber einem normalen Turbolader einzigartig sein, weil der Höchstwert der Turbineneffizienz und der Höchstwert der Verdichtereffizienz auf der gleichen Geschwindigkeit vorliegen können. Das Regeln auf diese Geschwindigkeit mit der höchsten Effizienz für eine bestimmte Aufladungsanforderung kann in einem elektronischen Regler modelliert und programmiert werden. Ein Stellglied kann das Regeln bereitstellen, obwohl für das elektrische Getriebe kein Stellglied benötigt wird.
Bei einer anderen Ausführungsform saugt das Schmiersystem für den Superturbolader ein Vakuum im Innern des Gehäuses an, und reduziert somit aerodynamische Verluste der hochtourigen Komponenten.
Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst ein Superturbolader mit doppelter Kupplung ein automatisch geschaltetes Schaltgetriebe. Diese Getriebeart schaltet sehr gleichmäßig, weil sie an beiden Enden eine Kupplung aufweist. 3C veranschaulicht, dass das Getriebe eine von vielen verschiedenen Arten sein könnte.
Bei einer anderen Ausführungsform werden Traktionsantriebe sowohl für das Getriebe als auch für die Geschwindigkeitsreduzierung der Turbowelle verwendet. Mit Kugellagern funktioniert das Traktionsfluid auch als Schmiermittel. Während des Aufladens verbessert die Anlage die Lastaufnahme, reduziert Rußemissionen, stellt eine Erhöhung von bis zu 30 % des unteren Grenzdrehmoments und eine Erhöhung von bis zu 10 % der Höchstleistung bereit. Während des Turbomischens stellt die Anlage eine um bis zu 10 % verbesserte Kraftstoffersparnis bereit und regelt den Gegendruck. Zum Verkleinern des Motors stellt die Anlage 30 % mehr unteres Grenzdrehmoment bereit, so dass der Motor um 30 bis 50 % kleiner sein kann, da er eine geringere Motormasse und eine um 17 % oder mehr verbesserte Kraftstoffersparnis des Fahrzeugs aufweist. 15 bildet die simulierte BSFC-Verbesserung für einen Erdgasmotor ab.
Auch kann man einen Katalysator, einen DPF oder sogar einen Brenner plus DPF vor der Turbine des Superturboladers positionieren, um die Abgase auf eine höhere Temperatur als die Hitze des Motors zu erhitzen. Höhere Temperaturen dehnen die Luft noch mehr aus, was den Durchfluss durch die Turbine erhöht. Ungefähr 22 % dieser Wärmezufuhr können in mechanische Arbeit über den Superturbolader umgesetzt werden, wenn man von einer Turbineneffizienz von 80 % ausgeht. Normalerweise würde ein größeres Volumen in den Abgasen, die der Turbine zugeführt werden, die Turbinenreaktion verlangsamen und eine noch größere Turboverzögerung bewirken, doch der Superturbolader löst dieses Problem durch den Traktionsantrieb 114 und das stufenlose Getriebe 116, welche die Druckreaktion bestimmen. Ähnliche Techniken, die einen Katalysator verwenden, werden in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ US 2009/051742 , eingereicht am 24. Juli 2009 von Van Dyne et al. unter dem Titel „Improving Fuel Efficiency for a Piston Engine Using a Super-Turbocharger“ offenbart, die hiermit ausdrücklich zur Bezugnahme für alles, was sie offenbart und lehrt, übernommen wird.
16 ist eine vereinfachte Abbildung als einfache Linie einer Ausführungsform einer hoch effizienten Motoranlage 1600 mit Superturboladung. Wie es der Fachmann aus der nachstehenden Beschreibung entnehmen wird, findet eine derartige Motoranlage 1600 mit Superturboladung eine besondere Anwendung bei Dieselmotoren und bei einigen Benzinmotoren mit Fremdzündung, die in Passagier- und Nutzfahrzeugen verwendet werden, und daher verwenden die erläuternden Beispiele, die hier besprochen werden, eine derartige Umgebung, um zum Verständnis der Erfindung beizutragen. Wenn man jedoch davon ausgeht, dass die Ausführungsformen der Anlage 1600 auf andere Betriebsumgebungen anwendbar sind, wie beispielsweise auf landbasierte, Energie erzeugende Motoren und andere landbasierte Motoren, sind diese Beispiele als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung anzusehen.
Wie in 16 gezeigt, umfasst der Superturbolader 1604 eine Turbine 1606, einen Verdichter 1608 und ein Getriebe 1610, das mit der Kurbelwelle 1612 des Motors 1602 oder anderen Teilen des Triebstrangs gekoppelt ist. Obwohl dies nicht bei allen Ausführungsformen notwendig ist, umfasst die abgebildete Ausführungsform von 16 auch einen Zwischenkühler 1614, um die Dichte der Luft zu erhöhen, die dem Motor 1602 aus dem Verdichter 108 zugeführt wird, um die vom Motor 1602 verfügbare Leistung weiter zu steigern.
Superturbolader haben gewisse Vorteile von Turboladern. Ein Turbolader verwendet eine Turbine, die von den Abgasen des Motors angetrieben wird. Diese Turbine ist mit einem Verdichter gekoppelt, der die Ansaugluft verdichtet, die den Zylindern des Motors zugeführt wird. Die Turbine in einem Turbolader wird durch die Abgase aus dem Motor angetrieben. Somit erfährt der Motor eine Verzögerung bei der Aufladung, wenn er zum ersten Mal beschleunigt, bis es genug heiße Abgase gibt, um die Turbine in Drehung zu versetzen, um einen Verdichter mit Strom zu versorgen, der mechanisch mit der Turbine gekoppelt ist, um eine ausreichende Aufladung zu generieren. Um die Verzögerung zu minimieren, werden typischerweise kleinere und/oder leichtere Turbolader verwendet. Die geringere Trägheit der leichten Turbolader ermöglicht es ihnen, sehr schnell in Drehung zu kommen, wodurch sie die Leistungsverzögerung minimieren.
Leider können solche kleineren und/oder leichteren Turbolader während des Betriebs bei hoher Motordrehzahl überdreht werden, wenn viel Abgasströmung und Temperatur erzeugt wird. Um das Auftreten solch überhöhter Geschwindigkeiten zu verhindern, umfassen typische Turbolader ein Ladedruckregelventil, das in der Abgasleitung der Turbine vorgeschaltet eingebaut ist. Das Ladedruckregelventil ist ein druckbetätigtes Ventil, das einen Teil der Abgase um die Turbine herum ableitet, wenn der Ausgangsdruck des Verdichters einen vorherbestimmten Grenzwert überschreitet. Dieser Grenzwert wird auf einen Druck eingestellt, der angibt, dass der Turbolader kurz vor der Überdrehung steht. Leider führt dies dazu, dass ein Teil der Energie, die aus den Abgasen des Motors verfügbar ist, verloren geht.
Durch die Erkenntnis, dass herkömmliche Turbolader schwache Leistung an der unteren Grenze für Energie an der oberen Grenze opfern, wurden Vorrichtungen entwickelt, die als Superturbolader bezeichnet werden. Ein derartiger Superturbolader wird in dem US-Patent Nr. 7,490,594 unter dem Titel „Super-Turbocharger“, erteilt am 17. Februar 2009, beschrieben, das hiermit ausdrücklich zur Bezugnahme für alles, was es offenbart und lehrt, übernommen wird.
Wie es in der oben erwähnten Anmeldung besprochen wird, wird der Verdichter bei einem Superturbolader durch die Motorkurbelwelle über ein Getriebe angetrieben, das mit dem Motor während des Betriebs auf niedriger Motordrehzahl gekoppelt ist, wenn nicht keine ausreichend aufgeheizten Motorabgase verfügbar sind, um die Turbine anzutreiben. Die mechanische Energie, die dem Verdichter durch den Motor zugeführt wird, reduziert das Problem der Turboverzögerung, unter dem herkömmliche Turbolader leiden, und ermöglicht die Verwendung von größeren und effizienteren Turbinen und Verdichtern.
Der Superturbolader 1604, der in 16 abgebildet ist, funktioniert, um verdichtete Luft aus dem Verdichter 1608 dem Motor 1602 zuzuführen, ohne unter dem Problem der Turboverzögerung eines herkömmlichen Turboladers an der unteren Grenze zu leiden, und ohne Energie zu vergeuden, die aus der Motorabgaswärme verfügbar ist, die der Turbine 1606 an der oberen Grenze zugeführt wird. Diese Vorteile werden durch das Einbeziehen des Superturbolader-Getriebes 1610 bereitgestellt, das sowohl Kraft aus der Motorkurbelwelle 1612 entnehmen als auch derselben Kraft zuführen kann, um jeweils sowohl den Verdichter 1608 anzutreiben als auch die Turbine 1606 während diverser Betriebsarten des Motors 1602 zu beaufschlagen.
Während des Anfahrens, wenn herkömmliche Turbolader unter einer Verzögerung leiden, die auf einen Mangel an ausreichender Kraft aus der Motorabgashitze zurückzuführen ist, um die Turbine anzutreiben, stellt der Superturbolader 1604 eine Aufladungsaktion bereit, durch die Kraft von der Kurbelwelle 1612 über das Superturbolader-Getriebe 1610 abgenommen wird, um den Verdichter 1608 anzutreiben, um dem Motor 1602 eine ausreichende Aufladung bereitzustellen. Da der Motor beschleunigt und die Kraftmenge, die aus der Motorabgashitze verfügbar ist, ausreicht, um die Turbine 1606 anzutreiben, wird die Kraftmenge, die von der Kurbelwelle 1612 durch das Getriebe 1610 abgenommen wird, reduziert. Anschließend fährt die Turbine 1606 damit fort, dem Verdichter 1608 Kraft zuzuführen, um die Ansaugluft zur Verwendung durch den Motor 1602 zu verdichten.
Während die Motordrehzahl zunimmt, erhöht sich die Kraftmenge, die aus der Motorabgashitze verfügbar ist, bis auf den Punkt, an dem die Turbine 1606 in einem herkömmlichen Turbolader überdrehen würde. Mit dem Superturbolader 1604 wird die überschüssige Energie, die durch die Motorabgashitze der Turbine 1606 bereitgestellt wird, jedoch durch das Getriebe 1610 zur Motorkurbelwelle 1612 kanalisiert, während der Verdichter 1608 auf der richtigen Geschwindigkeit gehalten wird, um dem Motor 1602 die ideale Aufladung zuzuführen. Je größer die Ausgangsleistung, die aus der Abgashitze des Motors 1602 verfügbar ist, desto mehr Kraft, die durch die Turbine 1606 generiert wird, wird durch das Getriebe 1610 zur Kurbelwelle 1612 kanalisiert, während die optimale Aufladung, die aus dem Verdichter 1608 verfügbar ist, beibehalten wird. Diese Beaufschlagung der Turbine 1606 durch das Getriebe 1610 verhindert das Überdrehen der Turbine 1606 und maximiert die Effizienz der Kraft, die den Motorenabgasen entnommen wird. Somit ist kein herkömmliches Ladedruckregelventil notwendig.
Während die Kraftmenge, die verfügbar ist, um die Turbine 1606 bei einer herkömmlichen Anwendung mit Superturboladung anzutreiben, streng auf die Kraftmenge eingeschränkt ist, die aus den Motorabgasen verfügbar ist, ist die Turbine 1606 in der Lage, wesentlich mehr Kraft zu generieren, falls die thermische Energie und Massenströmung, die den Turbinenschaufeln zugeführt werden, voll ausgenutzt und/oder erhöht werden können. Die Turbine 1606 kann jedoch über einer bestimmten Temperatur nicht ohne Schaden funktionieren, und die Massenströmung ist herkömmlicherweise auf die Abgase beschränkt, die aus dem Motor 1602 kommen.
Mit dieser Erkenntnis schützt die Ausführungsform der Anlage 1600 die Turbine 1606 vor hohen Temperaturtransienten, indem ein katalysierter Dieselpartikelfilter 1616 der Turbine 1606 vorgeschaltet angeordnet wird. Bei einer Ausführungsform wird der katalysierte Dieselpartikelfilter der Turbine vorgeschaltet in der Nähe des Abgassammlers angeordnet, was exotherme Reaktionen ermöglicht, die zu einer Erhöhung der Abgastemperatur während eines Dauerbetriebs des Motors auf hoher Geschwindigkeit oder mit hoher Last führt. Unter Verwendung eines katalysierten digitalen Partikelfilters kann Energie aus Ruß, Kohlenwasserstoffen und aus dem Kohlenmonoxid wiedergewonnen werden, das an dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 verbrannt wird, um dem Superturbolader, der sich dem katalysierten digitalen Partikelfilter 1616 nachgeschaltet befindet, zusätzliche Kraft zu verleihen. Die Energiewiedergewinnung kann entweder mit einem herkömmlichen Dieselpartikelfilter erreicht werden, der eine sehr eingeschränkte Durchflusskapazität aufweist, mit nahezu 100 % Rußansammlung, oder unter Verwendung eines katalysierten digitalen Durchfluss-Partikelfilters. Ein katalysierter digitaler Durchfluss-Partikelfilter ist ein Dieselpartikelfilter, der nur etwa die Hälfte des Rußes ansammelt und die andere Hälfte durchlässt. Die beiden Arten von digitalen Partikelfiltern werden katalysiert, damit Emissionen auf einer angemessen niedrigen Temperatur verbrennen. Das Katalysieren des digitalen Partikelfilters wird durch Bereitstellen einer Platinverkleidung an den Partikelfilterelementen erreicht, die sicherstellt, dass Ruß, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid auf niedrigen Temperaturen verbrennen. Zudem ist es möglich, einen Dieselpartikelfilter und einen Brenner zu verwenden, um den Ruß von dem digitalen Partikelfilter oberhalb des Superturboladers abzubrennen. Benzinmotoren haben typischerweise nicht genug Ruß, um einen Dieselpartikelfilter zu benötigen. Einige Benzinmotoren mit Direkteinspritzung erzeugen jedoch genug Ruß und andere Partikel, so dass die Verwendung eines Partikelfilters vorteilhaft sein kann, und die Verwendung eines katalysierten Dieselpartikelfilters wie hier offenbart umgesetzt werden kann.
Um die Abgase abzukühlen, bevor sie die Turbine erreichen, wird ein Teil der verdichteten Luft, die von dem Verdichter erzeugt wird, über ein Regelventil 1618 direkt in die Abgase oberhalb der Turbine eingeführt und zu den Motorabgasen hinzugefügt, die den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 verlassen. Die kühlere Ansaugluft expandiert und kühlt die Abgase ab und fügt zusätzliche Masse zu der Abgasströmung hinzu, was zusätzliche Kraft zur Turbine 1606 hinzufügt, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird. In dem Maße, wie noch mehr kühlere Luft für die heißen Abgase bereitgestellt wird, um die Temperatur der kombinierten Strömung zur Turbine 1606 auf der optimalen Temperatur zu halten, erhöht sich auch die Energie und der Massenstrom, die an die Turbinenschaufeln abgegeben werden. Dadurch erhöht sich die Kraft erheblich, die durch die Turbine zugeführt wird, um die Motorkurbelwelle anzutreiben.
Um die stöchiometrische Reaktion im Innern des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 nicht zu stören, wird die Verdichterrücklaufluft unterhalb des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 hinzugefügt. Bei einer derartigen Ausführungsform werden die Motorabgase durch den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 gegeben, und die Temperatur der Abgase wird durch die exotherme Reaktion erhöht. Die verdichtete Rücklaufluft wird dann hinzugefügt und expandiert, so dass sich der Gesamt Massenstrom, welcher der Turbine zugeführt wird, erhöht. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung regeln die Menge der verdichteten Rücklaufluft, die zugeführt wird, um die Abgase abzukühlen und die Turbine anzutreiben, um sicherzustellen, dass die Kombination der kühleren verdichteten Rücklaufluft und der Motorabgase an die Turbine auf einer optimalen Temperatur für den Betrieb der Turbinenschaufeln abgegeben wird.
Da der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616, der in 16 abgebildet ist, eine größere thermische Masse als die Abgase aus dem Motor 1602 aufweist, funktioniert der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 anfänglich wie ein thermischer Dämpfer, der verhindert, dass ein Hochtemperatur-Erhitzungsbereich die Turbine 1606 erreicht. Da jedoch die Reaktionen in dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 exothermer Art sind, ist die Temperatur der Abgase, die den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 verlassen, höher als die der Abgase, die in den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 eintreten. Solange die Temperatur der Abgase, die in der Turbine eintreten, unter der maximalen Betriebstemperatur der Turbine 1606 bleibt, ist das kein Problem.
Während einem Dauerbetrieb des Motors 1602 mit hoher Geschwindigkeit und hoher Last können die Austrittstemperaturen der konvertierten Abgase aus dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 jedoch die maximale Betriebstemperatur der Turbine 1606 überschreiten. Wie zuvor dargelegt, wird die Temperatur der Abgase, die den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 verlassen, reduziert, indem ein Teil der verdichteten Luft von dem Verdichter 1608 über ein Rücklaufventil 1618 geführt wird und mit den Abgasen gemischt wird, die den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 verlassen. Es wird eine deutlich verbesserte Kraftstoffersparnis erreicht, indem unter diesen Bedingungen kein Kraftstoff als Kühlmittel verwendet wird, wie es bei herkömmlichen Anlagen der Fall ist. Zudem wird der Betrieb des Getriebes geregelt, um es dem Verdichter 1608 zu ermöglichen, eine ausreichende Menge verdichteter Luft zuzuführen, um eine optimale Aufladung für den Motor 1602 und über das Rücklaufventil 1618 die verdichtete Rücklaufluft für die Turbine 1606 bereitzustellen. Die überschüssige Kraft, die von der Turbine 1606 generiert wird und sich aus dem erhöhten Massenstrom der verdichteten Luft durch die Turbine ergibt, wird über das Getriebe 1610 zur Kurbelwelle 1612 kanalisiert, was die Kraftstoffeffizienz noch weiter erhöht.
Die Ausgangstemperatur der verdichteten Luft aus dem Verdichter 1608 liegt typischerweise zwischen ungefähr 200 °C und 300 °C. Eine herkömmliche Turbine kann optimal funktionieren, um ohne Verformung oder eventuelles Versagen Kraft aus Gasen bei ungefähr 950 °C, jedoch nicht mehr, zu entnehmen. Auf Grund der materiellen Einschränkungen der Turbinenschaufeln wird die optimale Kraft bei ungefähr 950 °C erreicht. Da die Materialien die Abgastemperaturen auf ungefähr 950 °C einschränken, erhöht das Zuführen von mehr Luft, um den Massenstrom durch die Turbine an der Temperaturgrenze, z.B. 950 °C, zu erhöhen, die Leistung der Turbine.
Obwohl eine derartige Strömung von verdichteter Rücklaufluft von 200 °C bis 300 °C hilfreich ist, um die Temperatur der Abgase zu reduzieren, die aus dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 stammen, versteht es sich, dass eine maximale Kraft aus der Turbine 1606 zugeführt werden kann, wenn die Temperatur und der Massenstrom innerhalb der thermischen Grenzen der Turbine 1606 maximiert werden. Somit wird bei einer Ausführungsform die Menge der Rücklaufluft derart geregelt, dass die Kombination von Abgasen und Rücklaufluft auf oder nahe an der maximalen Betriebstemperatur der Turbine gehalten wird, so dass die Kraftmenge, die an die Turbine abgegeben wird, maximiert oder wesentlich erhöht wird. Da diese ganze überschüssige Kraft normalerweise von dem Verdichter 1608 nicht benötigt wird, um dem Motor 1602 die optimale Aufladung zuzuführen und die Verdichterrücklaufluft über das Rücklaufventil 1618 zuzuführen, kann die überschüssige Kraft von dem Getriebe 1610 an die Kurbelwelle 1612 des Motors 1602 übertragen werden, um dadurch die Gesamteffizienz oder die Leistung des Motors 1602 zu steigern.
Wie zuvor besprochen, verwendet die Verbindung der Verdichterrücklaufluft über das Rücklaufventil 1618 bei einer Ausführungsform einen katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 als thermischen Puffer zwischen dem Motor 1602 und der Turbine 1606. Somit wird die Luftzufuhr aus dem Verdichter unterhalb des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 bereitgestellt, um die stöchiometrische Reaktion im Innern des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 nicht zu unterbrechen. D.h. bei Ausführungsformen, die einen katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 verwenden, würde das Zuführen der Verdichterrücklaufluft oberhalb des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 dazu führen, dass dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 überschüssiger Sauerstoff zugeführt würde, wodurch der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 daran gehindert würde, eine stöchiometrische Reaktion zu generieren, die für den richtigen Betrieb notwendig ist.
Da die optimale Effizienz der Krafterzeugung durch die Turbine 1606 erreicht wird, wenn die Temperatur des Gasgemischs der Verdichterrücklaufluft und der Abgase an den Turbinenschaufeln maximiert ist (innerhalb der Materialgrenzen der Turbine selber), wird die Menge der Verdichterrücklaufluft, die von dem Rücklaufventil 1618 eingelassen wird, eingeschränkt, um die Temperatur nicht wesentlich unter eine derartige optimierte Temperatur zu reduzieren. Da der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 mehr thermische Energie über eine exotherme Reaktion erzeugt und die Temperatur der konvertierten Abgase aus dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 bis auf eine Temperatur über der maximalen Betriebstemperatur der Turbine 1606 ansteigt, kann mehr Verdichterrücklaufluft über das Rücklaufventil 1618 zugeführt werden, was den Massenstrom und die Energie erhöht, die der Turbine 1606 zugeführt werden. Da die Menge an thermischer Energie, die durch den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 generiert wird, reduziert ist, kann die Menge an Verdichterrücklaufluft, die durch das Rücklaufventil 1618 zugeführt wird, ebenfalls reduziert werden, um zu vermeiden, dass mehr Luft als notwendig zugeführt wird, was zum Erhalt der Temperatur des Gasgemischs unter den optimalen Betriebsbedingungen führt.
Bei einer anderen Ausführungsform verwendet die Anlage das Rücklaufventil 1618, um die kühlere Verdichterluft in die Abgase vor der Turbine unter Betriebsbedingungen mit niedriger Geschwindigkeit und hoher Last zurückzubringen, um Einschaltstöße des Verdichters zu vermeiden. Ein Abreißen am Verdichter erfolgt, wenn der Verdichterdruck ansteigt, doch der Massenstrom, der in den Motor gelassen wird, niedrig ist, weil sich der Motor auf einer langsamen Drehzahl dreht und keinen großen Ansaugluftstrom benötigt. Ein Pumpen (bzw. ein Strömungsabriss) des Verdichters, das sich aus einem schwachen Luftstrom durch die Verdichterschaufeln ergibt, führt dazu, dass die Effizienz des Verdichters sehr schnell abnimmt. Bei einem normalen Turbolader kann ein ausreichendes Pumpen die Umdrehung der Turbine anhalten. Im Falle eines Superturboladers ist es möglich, Kraft aus der Motorkurbelwelle zu verwenden, um den Verdichter zum Pumpen zu bringen. Das Öffnen des Rücklaufventils 1618 lässt einen Teil der verdichteten Luft um den Motor herum zurücklaufen. Diese Rücklaufströmung holt den Verdichter aus dem Pumpzustand und ermöglicht, dass ein höherer Aufladungsdruck den Motor 1602 erreicht, wodurch der Motor 1602 mehr Kraft generieren kann, als normalerweise auf langsamen Motordrehzahlen möglich wäre. Das Einspritzen der verdichteten Luft in die Abgase vor der Turbine bewahrt den Gesamtmassenstrom durch den Verdichter, so dass die gesamte Strömung die Turbine erreicht, was die Kraft minimiert, die von dem Motor benötigt wird, um auf einen hohen Aufladungsdruckpegel aufzuladen.
Bei einer anderen Ausführungsform kann ein zusätzliches Kaltstart-Regelventil 1620 zum Betrieb bei fetten Motorkaltstarts einbezogen sein. Bei einem derartigen Motorkaltstart umfassen die Abgase aus dem Motor 1602 typischerweise überschüssigen, unverbrannten Kraftstoff. Da dieses fette Gemisch nicht stöchiometrisch ist, kann der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (UHC) in den Abgasen nicht ganz reduzieren. Dabei kann das Kaltstart-Regelventil 1620 geöffnet werden, um dem Eingang des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 Verdichterrücklaufluft bereitzustellen, um den zusätzlichen Sauerstoff zuzuführen, der notwendig ist, um das fette Gemisch auf stöchiometrische Pegel herunter zu bringen. Dadurch kann der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 schneller anspringen und die Emissionen während des Kaltstartereignisses effizienter reduzieren. Wenn der Motor im Leerlauf wäre, würde ein normaler Turbolader keinen Aufladungsdruck aufweisen, um die Rücklaufluft zuführen zu können. Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 1610 kann jedoch angepasst werden, um dem Verdichter genug Geschwindigkeit zu verleihen, um den Druck zu generieren, der benötigt wird, damit die Luft durch das Ventil 1620 strömt. In dieser Hinsicht kann das Regelsignal 1624 verwendet werden, um das Verhältnis des Getriebes 1610 anzupassen, so dass die Motorantriebswelle 1612 dem Verdichter 1608 im Leerlauf eine ausreichende Drehgeschwindigkeit bereitstellen kann, insbesondere bei einem Kaltstart, um genug Luft zu verdichten, um durch das Kaltstartventil 1620 zu strömen und den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 mit einer ausreichenden Menge Sauerstoff zu zünden.
Der Bedarf an zusätzlichem Sauerstoff ist bei einem Kaltstartereignis typischerweise begrenzt und dauert oft nur 30 bis 40 Sekunden. Viele Fahrzeuge umfassen derzeit eine getrennte Luftpumpe, um diesen Sauerstoff während des Kaltstartereignisses zuzuführen, und das mit erheblichen Kosten und Gewicht im Vergleich zu der begrenzten Zeit, während der eine derartige Luftpumpe funktionieren muss. Dadurch dass die getrennte Luftpumpe durch das einfache Kaltstart-Regelventil 1620 ersetzt wird, werden erhebliche Ersparnisse an Kosten, Gewicht und Komplexität erzielt. Da der Superturbolader 1604 die Geschwindigkeit des Verdichters 1608 über das Getriebe 1610 regeln kann, kann das Kaltstart-Regelventil 1620 ein einfaches An-/Aus-Ventil umfassen. Die Luftmenge, die während des Kaltstartereignisses zugeführt wird, kann dann geregelt werden, indem die Geschwindigkeit des Verdichters 1608 über das Getriebe 1610 bei Betrieb des Regelsignals 1624 geregelt wird.
Das Kaltstart-Regelventil 1620 kann auch während Betriebsperioden auf extrem hohen Temperaturen verwendet werden, falls Kraftstoff als Kühlmittel im Innern des Motors und/oder für den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 verwendet wird, trotz der negativen Auswirkung auf die Kraftstoffeffizienz. In solchen Fällen kann das Kaltstart-Regelventil 1620 den zusätzlichen Sauerstoff zuführen, der benötigt wird, um die fetten Abgase wieder auf stöchiometrische Pegel herunter zu bringen, damit der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 die unverbrannten Wasserkohlenstoff-Emissionen in den Abgasen richtig reduzieren kann. Dies ergibt einen wesentlichen Vorteil für die Umwelt gegenüber früheren Anlagen.
Bei Ausführungsformen, bei denen das Kaltstart-Regelventil 1620 ein An-/Aus-Ventil ist, kann die Anlage das Kaltstart-Regelventil 1620 modulieren, um die Menge zugeführter verdichteter Luft zu variieren, um die Abgase auf stöchiometrische Pegel herunter zu bringen. Es können auch andere Arten von variablen Durchflussregelventilen verwendet werden, um die gleiche Funktion zu erfüllen.
16 offenbart auch einen Regler 1640. Der Regler 1640 regelt den Betrieb des Rücklaufventils 1618 und des Kaltstartventils 1620. Der Regler 1640 funktioniert, um die Luftstrommenge durch das Rücklaufventil 1618 für verschiedene Bedingungen zu optimieren. Die Luftmenge, die durch das Rücklaufventil 1618 strömt, ist die Mindestluftstrommenge, die notwendig ist, um eine spezifische gewünschte Bedingung zu erzielen, wie es zuvor beschrieben wurde. Es gibt zwei spezifische Bedingungen, unter denen der Regler 1640 das Rücklaufventil 1618 betätigt, nämlich: 1) die Pumpgrenze des Verdichters für eine bestimmte Aufladungsanforderung liegt nahe an einer niedrigen Drehzahl und hohen Last des Motors; und 2) die Temperatur des Gasgemischs liegt nahe am Eintritt in die Turbine 1606 unter Bedingungen mit hoher Drehzahl und hoher Last.
Wie in 16 gezeigt, empfängt der Regler 1640 das Gasgemisch-Temperatursignal 1630 von einem Temperatursensor 1638, der die Temperatur des Gasgemischs der Kühlluft erkennt, die von dem Verdichter 1608 zugeführt und den heißen Abgasen beigemischt wird, die von dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 erzeugt werden. Zudem erkennt der Regler 1640 das Druckluft-Einzugdrucksignal 1632, das von dem Drucksensor 1636 generiert wird, der in der Leitung der verdichteten Luft angeordnet ist, die aus dem Verdichter 1608 zugeführt wird. Ferner werden ein Motordrehzahlsignal 1626 und ein Motorlastsignal 1628, die von dem Motor 1602 oder einer Drosselklappe zugeführt werden, in den Regler 1640 eingegeben.
Mit Bezug auf die Regelung der Temperatur des Gasgemischs, das der Turbine 1606 unter Bedingungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Last zugeführt wird, begrenzt der Regler 1640 die Temperatur des Gasgemischs auf eine Temperatur, die den Betrieb der Turbine 1606 maximiert, ohne so hoch zu sein, dass sie die Mechanismen der Turbine 1606 beschädigt. Bei einer Ausführungsform ist eine Temperatur von ungefähr 925 °C eine optimale Temperatur für das Gasgemisch, um die Turbine 1606 zu betreiben. Nachdem die Temperatur des Gasgemischs, das der Turbine 1606 zugeführt wird, beginnt, über 900 °C hinauszugehen, wird das Rücklaufventil 1618 geöffnet, damit verdichtete Luft aus dem Verdichter 1608 die heißen Abgase aus dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 abkühlen kann, bevor sie in die Turbine 1606 gehen. Der Regler 1640 kann ausgelegt sein, um auf eine Temperatur von ungefähr 925 °C abzuzielen, mit einer oberen Grenze von 950 °C und einer unteren Grenze von 900 °C. Die Grenze von 950 °C ist eine Grenze, an der Schäden an der Turbine 1606 auftreten können, wenn herkömmliche Materialien verwendet werden. Natürlich kann der Regler für andere Temperaturen ausgelegt sein, je nach den bestimmten Arten von Komponenten und Materialien, die in der Turbine 1606 verwendet werden. Eine herkömmliche Proportional-Integral-Differential- (PID) Regellogikvorrichtung kann in dem Regler 1640 verwendet werden, um diese geregelten Ergebnisse zu erzeugen.
Der Vorteil des Regelns der Temperatur des Gasgemischs, das in die Turbine 1606 eindringt, besteht darin, dass die Verwendung von Kraftstoff in den Abgasen, um die Turbineneinlasstemperaturen des Gasgemischs zu begrenzen, beseitigt wird. Die Verwendung der Strömung der kühleren verdichteten Luft, um die heißen Abgase aus dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 abzukühlen, benötigt eine große Luftmenge, die eine große Masse enthält, um die gewünschten kühleren Temperaturen des Gasgemischs zu erreichen. Die Luftmenge, die benötigt wird, um die heißen Abgase aus dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 abzukühlen, ist groß, weil die kühlere verdichtete Luft aus dem Verdichter 1608 kein gutes Kühlmittel ist, insbesondere im Vergleich zu flüssigem Kraftstoff, der in die Abgase eingefügt wird. Die heißen Abgase aus dem Ausgang des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 veranlassen das kühlere verdichtete Gas aus dem Verdichter 1608 zum Expandieren, um das Gasgemisch zu erstellen. Da eine große Masse der kühleren verdichteten Luft aus dem Verdichter 1608 benötigt wird, um die Temperatur der heißen Abgase aus dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 zu senken, strömt ein großer Massenstrom des Gasgemischs durch die Turbine 1606, was die Ausgangsleistung der Turbine 1606 stark erhöht. Die Turbinenleistung erhöht sich um den Unterschied der Leistung, der durch das Differential des Massenstroms minus der Arbeit, die notwendig ist, um die Luft zu verdichten, die durch das Rücklaufventil 1618 strömt, erstellt wird. Dadurch dass das Gasgemisch-Temperatursignal 1630 von dem Temperatursensor 1638 erzielt wird und das Hinzufügen verdichteter Luft durch das Rücklaufventil 1618 geregelt wird, wird die maximale Temperatur nicht überschritten.
Der Regler 1640 regelt auch das Rücklaufventil 1618, um das Pumpen im Verdichter 1608 einzuschränken. Die Pumpgrenze ist eine Begrenzung, die in Abhängigkeit von dem Aufladungsdruck, dem Luftstrom durch den Verdichter und dem Modell des Verdichters 1608 variiert. Verdichter, wie etwa der Verdichter 1608, die typischerweise bei Turboladern verwendet werden, übersteigen eine Pumpgrenze, wenn der Ansaugluftstrom 1622 schwach ist und das Druckverhältnis zwischen der Ansaugluft 1622 und der verdichteten Luft hoch ist. Bei herkömmlichen Superturboladern ist der Ansaugluftstrom 1622 schwach, wenn die Motordrehzahl (RPM) 1626 niedrig ist. Auf niedrigen Drehzahlen, bei denen die verdichtete Luft nicht in großen Mengen von dem Motor 1602 verwendet wird, ist der Massenstrom der Ansaugluft 1622 schwach, und es erfolgt ein Pumpen, weil der sich drehende Verdichter 1608 keine Luft in eine Hochdruck-Leitung ohne einen angemessenen Ansaugluftstrom 1622 drücken kann. Das Rücklaufventil 1618 ermöglicht eine Strömung durch die Druckluftleitung 1609 und verhindert oder reduziert das Pumpen im Verdichter 1608. Sobald das Pumpen im Verdichter 1608 erfolgt, kann der Druck in der Druckluftleitung 1609 nicht aufrechterhalten werden. Daher unter Bedingungen mit niedriger Drehzahl und hoher Last des Motors 1602 der Druck der verdichteten Luft in der Druckluftleitung 1609 unter die gewünschten Pegel abfallen. Durch Öffnen des Rücklaufventils 1618 wird der Ansaugluftstrom 1622 durch den Verdichter 1608 erhöht, insbesondere unter Betriebsbedingungen mit niedriger Drehzahl und hoher Last des Motors, wodurch der gewünschte Aufladungspegel in der Druckluftleitung 1609 erreicht werden kann. Das Rücklaufventil 1618 kann einfach geöffnet werden, bis der gewünschte Druck in der Druckluftleitung 1609 erreicht ist. Dadurch dass einfach der Aufladungsdruck in der Druckluftleitung 1609 erkannt wird, erfolgt das Pumpen jedoch, bevor das Rücklaufventil 1618 geöffnet wird, um den Verdichter 1608 aus dem Pumpzustand herauszuholen.
Es wird jedoch bevorzugt, eine Pumpgrenze zu bestimmen und das Rücklaufventil 1618 im Voraus, vor dem Auftreten eines Pumpzustandes, zu öffnen. Für eine bestimmte Drehzahl und einen gewünschten Aufladungspegel kann eine Pumpgrenze bestimmt werden. Das Rücklaufventil 1618 kann sich zu öffnen beginnen, bevor der Verdichter 1608 eine berechnete Pumpgrenze erreicht. Das frühzeitige Öffnen des Ventils ermöglicht es dem Verdichter, sich schneller auf einen höheren Aufladungsdruck zu steigern, weil der Verdichter näher an den höheren Effizienzpunkten der Betriebsparameter des Verdichters bleibt. Dadurch kann ein schneller Aufladungsdruckanstieg auf niedriger Drehzahl erreicht werden. Dadurch dass das Ventil geöffnet wird, bevor das Pumpen erfolgt, kann auch eine stabilere Regelanlage erreicht werden.
Das Öffnen des Rücklaufventils 1618, so dass sich die Reaktionsfähigkeit des Motors 1602 verbessert, wird erreicht, indem man den Motor 1602 einen höheren Aufladungsdruck schneller erreichen lässt, wenn sich der Motor 1602 auf einer niedrigeren Drehzahl befindet. Der Verdichter 1608 ist ebenfalls effizienter, was zu weniger Arbeit für das Getriebe 1610 zum Erreichen der Aufladung führt. Die Pumpgrenzenregelung kann in einem standardmäßigen modellbasierten Regelungssimulationscode modelliert sein, wie etwa in MATLAB. Ein derartiges Modellieren ermöglicht die Simulation des Reglers 1640 und das Selbstcodieren von Algorithmen für den Regler 1640.
Eine modellbasierte Regelungsanlage, wie sie etwa zuvor beschrieben wurde, ist dadurch einzigartig, dass die Verwendung des Getriebes 1610 zum Regeln der Drehung der Turbine 1606 und des Verdichters 1608 einen Aufladungsdruck ohne Turboverzögerung generiert. Mit anderen Worten kann das Getriebe 1610 Rotationsenergie aus der Kurbelwelle 1612 entnehmen, um den Verdichter 1608 anzutreiben, um eine gewünschte Aufladung in der Druckluftleitung 1609 sehr schnell zu erreichen, und zwar bevor die Turbine 1606 genug mechanische Energie generiert, um den Verdichter 108 auf einem derartigen gewünschten Pegel anzutreiben. Auf diese Art und Weise werden Regelungen in einem herkömmlichen Turbolader zum Reduzieren der Verzögerung reduziert oder beseitigt. Die modellbasierte Regelung des Reglers 1640 sollte ausgelegt sein, um die optimale Effizienz des Verdichters 1608 innerhalb der Betriebsparameter des Verdichters 108 beizubehalten.
Das Regelungsmodell des Reglers 1640 sollte auch sorgfältig gemäß den Druckbetriebsparametern modelliert sein, wie sie dem Massenstrom zugeordnet sind, der vom Motor für eine bestimmte Zielgeschwindigkeit und Last erlaubt ist, wobei die angestrebte Geschwindigkeit und Last im Verhältnis zur Position der Drosselklappe des Fahrzeugs definiert werden können. Wie in 16 gezeigt, kann das Motordrehzahlsignal 1626 vom Motor 1602 erzielt werden und wird an den Regler 1640 angelegt. Ähnlich kann das Motorlastsignal 1628 vom Motor 1602 erzielt werden und an den Regler 1640 angelegt werden. Alternativ können diese Parameter von einem Sensor erzielt werden, der sich an der Motordrosselklappe befindet (nicht gezeigt). Das Rücklaufventil 1618 kann dann als Reaktion auf ein Regelsignal 1642, das von dem Regler 1640 generiert wird, betätigt werden. Der Drucksensor 1636 generiert das Druckluft-Einzugdrucksignal 1632, das an den Regler 1640 angelegt wird, der das Regelsignal 1642 als Reaktion auf das Motordrehzahlsignal 1626, das Motorlastsignal 1628 und das Druckluft-Einzugdrucksignal 1632 berechnet.
Unter Betriebsbedingungen des Motors 1602, bei denen sich der Verdichter 1608 nicht der Pumpgrenze nähert und die Temperatur des Gasgemischs, wie sie von dem Temperatursensor 1638 erkannt wird, nicht erreicht wird, ist das Rücklaufventil 1618 geschlossen, so dass die Anlage wie eine herkömmliche Anlage mit Superturboladung funktioniert. Dies erfolgt bei den meisten Betriebsparametern des Motors 1602. Wenn Bedingungen mit hoher Last und niedriger Drehzahl des Motors 1602 auftreten, wird das Rücklaufventil 1618 geöffnet, um das Pumpen zu verhindern. Ähnlich werden bei Betriebsbedingungen mit hoher Drehzahl und hoher Last des Motors 1602 in den Abgasen am Ausgang des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 hohe Temperaturen erzeugt, so dass das Rücklaufventil 1618 geöffnet werden muss, um die Temperatur des Kraftstoffgemischs, das auf die Turbine 1606 angewendet wird, unter eine Temperatur zu reduzieren, welche die Turbine 1606 beschädigen würde.
17 ist ein ausführliches Diagramm der Ausführungsform der hoch effizienten Motoranlage 1600 mit Superturboladung, die in 16 abgebildet ist. Wie in 17 gezeigt, umfasst der Motor 1602 einen Superturbolader, der geändert wurde, wie es oben mit Bezug auf 16 beschrieben wurde, um eine insgesamt höhere Effizienz bereitzustellen als herkömmliche Motoren mit Superturboladung, und dabei eine hohe optimale Effizienz unter Betriebsbedingungen mit niedriger Drehzahl und hoher Last und eine hohe optimale Effizienz unter Betriebsbedingungen mit hoher Drehzahl und hoher Last bereitzustellen. Der Superturbolader umfasst eine Turbine 1606, die mechanisch über eine Welle mit dem Verdichter 1608 verbunden ist. Der Verdichter 1608 verdichtet die Ansaugluft 1622 und führt die verdichtete Ansaugluft der Leitung 1704 zu. Die Leitung 1704 ist mit dem Rücklaufventil 1618 und dem Zwischenkühler 1614 verbunden. Wie zuvor offenbart, dient der Zwischenkühler 1614 dazu, die verdichtete Luft, die während des Verdichtungsprozesses erhitzt wird, abzukühlen. Der Zwischenkühler 1614 ist mit der Druckluftleitung 1726 verbunden, die wiederum mit dem Ansaugrohr (nicht gezeigt) des Motors 1602 verbunden ist. Der Drucksensor 1636 ist mit der Druckluftleitung 1704 verbunden, um den Druck zu erkennen und eine Druckanzeige über das Druckluft-Einzugdrucksignal 1632 zuzuführen, das an den Regler 1640 angelegt wird. Das Rücklaufventil 1618 wird durch ein Rücklaufventil-Regelsignal 1642 des Reglers geregelt, das von dem Regler 1640 generiert wird, wie zuvor offenbart. Unter bestimmten Betriebsbedingungen öffnet sich das Rücklaufventil 1618, um verdichtete Luft aus der Druckluftleitung 1704 einer Mischkammer 1706 zuzuführen.
Wie in der Ausführungsform aus 17 gezeigt, umfasst die Mischkammer 1706 einfach eine Reihe von Öffnungen 1702 in der Ausgangsleitung 1708 des katalysierten Dieselpartikelfilters, die von der Druckluftleitung 1704 umgeben ist, so dass verdichtete Luft, die aus der Druckluftleitung 1704 zugeführt wird, durch die Öffnungen 1702 geht, um sich mit Abgasen in der Ausgangsleitung 1708 des katalysierten Dieselpartikelfilters zu vermischen. Es kann jede gewünschte Art von Mischkammer verwendet werden, um die kühlere verdichtete Luft mit den Abgasen zu vermischen, um die Temperatur der Abgase zu senken. Der Temperatursensor 1638 befindet sich in der Ausgangsleitung 1708 des katalysierten Dieselpartikelfilters, um die Temperatur der Abgase in der Ausgangsleitung 1708 des katalysierten Dieselpartikelfilters zu messen. Der Temperatursensor 1638 führt dem Regler 1640, der das Rücklaufventil 1618 regelt, ein Gasgemisch-Temperatursignal 1630 zu um sicherzustellen, dass die Temperatur der Abgase in der Ausgangsleitung 208 des katalysierten Dieselpartikelfilters nicht eine Höchsttemperatur überschreitet, welche die Turbine 1606 beschädigen würde. Der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 ist mit dem Abgassammler 1710 über eine Eingangsleitung 1714 des katalysierten Dieselpartikelfilters verbunden. Dadurch dass der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 in der Nähe des Abgassammlers 1710 angeordnet ist, strömen die heißen Abgase aus dem Motor direkt in den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616, was zur Aktivierung des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 beiträgt. Mit anderen Worten ermöglicht es der nahe Standort des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 in der Nähe des Auslasses der Motorabgase den Abgasen nicht, sich wesentlich abzukühlen, bevor sie in den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 eindringen, was die Leistung des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 erhöht. Während die Abgase durch den katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 gehen, fügt der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 zusätzliche Wärme zu den Abgasen hinzu. Diese sehr heißen Abgase am Ausgang des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 werden der Ausgangsleitung 208 des katalysierten Dieselpartikelfilters zugeführt und werden in der Mischkammer 1706 mit der verdichteten Ansaugluft aus der Druckluftleitung 1704 abgekühlt. Je nach der Temperatur der sehr heißen Abgase, die am Ausgang des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 erzeugt werden, die je nach den Betriebsbedingungen des Motors 1602 variiert, wird eine andere Menge von verdichteter Ansaugluft zu den Abgasen unter Bedingungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Last hinzugefügt. Unter Bedingungen mit niedriger Motordrehzahl und hoher Motorlast funktioniert das Rücklaufventil 1618 auch, um Ansaugluft durch den Verdichter strömen zu lassen, um das Pumpen zu vermeiden. Das Pumpen ist ähnlich wie ein Strömungsabriss an den Verdichterschaufeln, der sich aus den schwachen Strömungsbedingungen durch den Verdichter hindurch unter Bedingungen mit geringer Motordrehzahl ergibt. Wenn ein Pumpen erfolgt, fällt der Druck im Ansaugrohr (nicht gezeigt) ab, weil der Verdichter 1608 nicht in der Lage ist, die Ansaugluft zu verdichten. Dadurch dass man Luft durch den Verdichter 1608 strömen lässt, weil das Rücklaufventil 1618 geöffnet ist, kann der Druck in dem Ansaugrohr gehalten werden, so dass, wenn ein hohes Drehmoment auf niedrigen Motordrehzahlen benötigt wird, das hohe Drehmoment wegen des hohen Ansaugrohrdrucks erreicht werden kann.
Wenn der Motor unter Bedingungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Last funktioniert, wie zuvor offenbart, verursacht der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 die Generierung einer großen Wärmemenge in den Abgasen, die der Ausgangsleitung 1708 des katalysierten Dieselpartikelfilters zugeführt werden. Dadurch dass der Ausgangsleitung 1708 des katalysierten Dieselpartikelfilters verdichtete, kühlere Ansaugluft zugeführt wird, werden die heißen Abgase unter Bedingungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Last abgekühlt. In dem Maße wie Last und Geschwindigkeit des Motors zunehmen, werden heißere Gase erzeugt und es wird mehr verdichtete Luft aus der Leitung 1704 benötigt. Falls die Turbine 1606 nicht genug Rotationsenergie bereitstellt, um den Verdichter anzutreiben, wie etwa unter Bedingungen mit geringer Geschwindigkeit und hoher Last, kann die Motorkurbelwelle 1612 dem Verdichter 1608 über den Antriebsriemen 1722, die Antriebsriemenscheibe 1718, die Welle 1724, das stufenlose Getriebe 1716 und das Getriebe 1728 Rotationsenergie zuführen. Auch hier kann ein beliebiger Teil des Triebstrangs verwendet werden, um dem Verdichter 1608 Rotationsenergie zuzuführen, und 17 offenbart eine Umsetzung gemäß einer offenbarten Ausführungsform.
Wie ebenfalls in 17 abgebildet, ist auch ein Kaltstartventil 1620 mit der Druckluftleitung 1704 verbunden, die wiederum mit der Kaltstartleitung 1712 verbunden ist. Die Kaltstartleitung 1712 ist mit der Einlassleitung 1714 des katalysierten Dieselpartikelfilters verbunden, die sich oberhalb des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 befindet. Der Zweck des Kaltstartventils besteht darin, dem Eingang des katalysierten Dieselpartikelfilters 1616 während der Anfahrbedingungen verdichtete Ansaugluft bereitzustellen, wie zuvor offenbart. Unter Anfahrbedingungen, bevor der katalysierte Dieselpartikelfilter 1616 die vollen Betriebstemperaturen erreicht, wird über die Kaltstartleitung 1712 zusätzlicher Sauerstoff bereitgestellt, um den katalytischen Prozess einzuleiten. Der zusätzliche Sauerstoff, der über die Kaltstartleitung 1712 bereitgestellt wird, trägt zum Einleiten des katalytischen Prozesses bei. Der Regler 1640 regelt das Kaltstartventil 1620 über das Kaltstartventil-Regelsignal 1644 des Reglers als Reaktion auf das Motordrehzahlsignal 1626, das Motorlastsignal 1628 und das Gasgemisch-Temperatursignal 1630.
Daher funktioniert der hoch effiziente Motor 1600 mit Superturboladung ähnlich wie ein Superturbolader, außer dass das Rücklaufventil 1618 dem Eingang der Turbine einen Teil der verdichteten Luft von dem Verdichter zuführt, und zwar aus zwei Gründen. Einerseits um die Abgase abzukühlen, bevor sie in die Turbine eindringen, so dass die gesamte Energie der Abgase verwendet werden kann und kein Ladedruckregelventil unter Bedingungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Last benötigt wird. Andererseits um einen Luftstrom durch den Verdichter hindurch bereitzustellen, um ein Pumpen unter Bedingungen mit niedriger Drehzahl und hoher Last zu verhindern. Zudem kann der katalysierte Dieselpartikelfilter in den Abgasstrom eingeschaltet werden, bevor die Abgase die Turbine erreichen, so dass die Wärme, die von dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 generiert wird, beim Antreiben der Turbine 1606 und beim Expandieren der verdichteten Ansaugluft, die mit den heißen Gasen aus dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 vermischt ist, verwendet werden kann, was die Effizienz der Anlage erheblich steigert. Ferner kann das Kaltstartventil 1620 verwendet werden, um den katalytischen Prozess in dem katalysierten Dieselpartikelfilter 1616 durch Bereitstellen von Sauerstoff für die Abgase unter Anfahrbedingungen einzuleiten.
Folglich wird ein einzigartiger Superturbolader offenbart, der einen hochtourigen Traktionsantrieb verwendet, der ein festgelegtes Verhältnis aufweist, das die mechanische Drehgeschwindigkeit der Turbinen-/Verdichterwelle auf ein Drehzahlniveau reduziert, das von einem stufenlosen Getriebe verwendet werden kann, das Energie zwischen einem Triebstrang und der Turbinen-/Verdichterwelle koppelt. Die Einzigartigkeit des Superturbolader-Modells liegt darin, dass das Getriebe innerhalb der Anlage angeordnet ist. Das stufenlose Getriebe ist innerhalb eines unteren Teils des Superturboladergehäuses angeordnet. Das stufenlose Getriebe 1116 stellt die unendlich variablen Übersetzungsverhältnisse bereit, die benötigt werden, um mechanische Rotationsenergie zwischen dem Superturbolader und dem Motor zu übertragen. Als stufenloses Getriebe 1116 kann entweder ein stufenloses Getriebe mit Zahnradantrieb oder ein stufenloses Getriebe mit Traktionsantrieb verwendet werden. Folglich können Traktionsantriebe sowohl für den hochtourigen Traktionsantrieb 114 als auch für das stufenlose Getriebe 1116 verwendet werden.
Die vorstehende Beschreibung der Erfindung wurde zum Zweck der Erläuterung und Beschreibung vorgelegt. Sie ist nicht dazu gedacht, abschließend oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form einzuschränkend zu sein, und andere Änderungen und Variationen können angesichts der obigen Lehren möglich sein. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Grundlagen der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu erklären, um es dem Fachmann dadurch zu ermöglichen, die Erfindung in diversen Ausführungsformen und diversen Änderungen, wie sie für die bestimmte beabsichtigte Verwendung geeignet sind, am besten zu verwenden. Die beiliegenden Ansprüche sind derart auszulegen, dass sie andere alternative Ausführungsformen der Erfindung umfassen, soweit sie durch den Stand der Technik eingeschränkt sind.

Claims

Superturbolader, der mit einem Motor gekoppelt ist, umfassend: eine Turbine, die mechanische Turbinenrotationsenergie aus der Enthalpie von Abgasen, die von dem Motor erzeugt werden, generiert; einen Verdichter, der Ansaugluft verdichtet und dem Motor als Reaktion auf die mechanische Turbinenrotationsenergie und auf mechanische Motorrotationsenergie, die von dem Motor generiert wird, verdichtete Luft zuführt; eine Welle, die Endabschnitte, die mit der Turbine und dem Verdichter verbunden sind, und einen mittleren Abschnitt mit einer Wellentraktionsfläche aufweist; einen Planeten-Traktionsantrieb, der mindestens zwei Planetenrollen mit mehreren Durchmessern aufweist, wobei der Planeten-Traktionsantrieb einen Planetenträger aufweist, auf dem die Planetenrollen mit mehreren Durchmessern montiert sind wobei der Planeten-Traktionsantrieb um die Wellentraktionsfläche der Welle herum angeordnet ist, wobei die Planetenrollen mit mehreren Durchmessern eine erste Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen aufweisen, die eine Grenzfläche mit der Wellentraktionsfläche bilden, so dass eine erste Mehrzahl von Traktionsgrenzflächen zwischen der ersten Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen und der Wellentraktionsfläche vorhanden ist; wobei der Planeten-Traktionsantrieb weiterhin umfasst: eine Ringrolle, die durch jede der Planetenrollen mit mehreren Durchmessern durch eine zweite Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen der Planetenrollen mit mehreren Durchmessern gedreht wird, wobei die zweite Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen der Planetenrollen mit mehreren Durchmessern eine zweite Mehrzahl von Traktionsgrenzflächen zwischen der Ringrolle und den Planetenrollen mit mehreren Durchmessern bilden; und ein stufenloses Getriebe, das mechanisch mit der Ringrolle und dem Motor gekoppelt ist und in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen des Superturboladers einen Teil der mechanischen Turbinenrotationsenergie an den Motor oder einen Teil der mechanischen Motorrotationsenergie an den Planeten-Traktionsantrieb überträgt.
Superturbolader nach Anspruch 1, wobei das stufenlose Getriebe ein stufenloses Getriebe mit Traktionsantrieb umfasst.
Superturbolader nach Anspruch 2, wobei das stufenlose Getriebe ein stufenloses Getriebe mit Traktionsantrieb mit Planetenkugellagern umfasst.
Superturbolader nach Anspruch 1, wobei der Planeten-Traktionsantrieb mindestens drei Planetenrollen aufweist.
Superturbolader nach Anspruch 1, wobei die Ringrolle eine Ringrollen-Traktionsfläche aufweist, die eine Grenzfläche mit der zweiten Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen bildet, um die zweite Mehrzahl von Traktionsgrenzflächen zu erstellen.
Superturbolader nach Anspruch 5, wobei die Ringrolle eine Ringrollen-Traktionsfläche aufweist, die eine Grenzfläche mit der zweiten Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen bildet, die einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als die erste Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen ist, um die zweite Mehrzahl von Traktionsgrenzflächen zu erstellen.
Verfahren zum Übertragen mechanischer Rotationsenergie zwischen einem Superturbolader und einem Motor, umfassend folgende Schritte: Schritt (a): Generieren mechanischer Turbinenrotationsenergie in einer Turbine aus der Enthalpie von Abgasen, die von dem Motor erzeugt werden; Schritt (b): Verdichten von Ansaugluft unter Verwendung eines Verdichters, um dem Motor als Reaktion auf die mechanische Turbinenrotationsenergie und auf die mechanische Motorrotationsenergie, die von dem Motor generiert wird, verdichtete Luft zuzuführen; Schritt (c): Bereitstellen einer Welle, die Endabschnitte, die mit der Turbine und dem Verdichter verbunden sind, und einen mittleren Abschnitt mit einer Wellentraktionsfläche aufweist; Schritt (d): mechanisches Koppeln eines Planeten-Traktionsantriebs, der mindestens drei Planetenrollen mit mehreren Durchmessern aufweist, mit der Wellentraktionsfläche, wobei der Planeten-Traktionsantrieb einen Planetenträger aufweist, auf dem die Planetenrollen mit mehreren Durchmessern montiert sind; Schritt (e): Anordnen einer ersten Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen der Planetenrollen mit mehreren Durchmessern in Kontakt mit der Wellentraktionsfläche, so dass eine erste Mehrzahl von Traktionsgrenzflächen zwischen der ersten Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen und der Wellentraktionsfläche erstellt wird; Schritt (f): Anordnen einer Ringrolle in Kontakt mit jeder der Planetenrollen an einer zweiten Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen der Planetenrollen mit mehreren Durchmessern, so dass eine zweite Mehrzahl von Traktionsgrenzflächen zwischen den Planetenrollen mit mehreren Durchmessern und der Ringrolle erstellt wird; Schritt (g): mechanisches Koppeln eines stufenlosen Getriebes mit der Ringrolle und dem Motor, um in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen des Superturboladers einen Teil der mechanischen Turbinenrotationsenergie auf den Motor oder einen Teil der mechanischen Motorrotationsenergie auf den Planeten-Traktionsantrieb zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 7, welches weiterhin einen Schritt (h) des Übertragens mechanischer Rotationsenergie durch mindestens eine mechanische Vorrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Schritt (h) weiterhin Schritt (h1) des Übertragens mechanischer Rotationsenergie auf ein Getriebe eines Fahrzeugs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Schritt (h) weiterhin Schritt (h2) des Übertragens mechanischer Rotationsenergie auf einen Triebstrang eines Fahrzeugs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei Schritt (f) folgenden Schritt umfasst: Schritt (f2): Anordnen einer Ringrollen-Traktionsfläche der Ringrolle in Kontakt mit der zweiten Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen, die einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als die erste Mehrzahl von Planetenrollen-Traktionsflächen, um die zweite Mehrzahl von zweiten Traktionsgrenzflächen zu erstellen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei Schritt g folgenden Schritt umfasst: Schritt (g1): mechanisches Koppeln eines stufenlosen Getriebes mit Traktionsantrieb mit der Ringrolle.
Verfahren nach Anspruch 12 , wobei Schritt (g1) folgenden Schritt umfasst: Schritt (gla): mechanisches Koppeln eines stufenlosen Getriebes mit Planetenkugellagern mit der Ringrolle.