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GEBIET DER ERFINDUNG
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Der hier beschriebene Gegenstand betrifft Systeme und Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine, die einen zweistufigen Turbolader aufweist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Turbolader können in einem Maschinensystem zur Erhöhung eines Drucks von Luft verwendet werden, die der Maschine zur Verbrennung zugeführt wird. In einem Beispiel beinhaltet der Turbolader eine in einem Abgaskanal der Maschine eingekoppelte Turbine, die einen Verdichter zum Erhöhen des Ansaugluftdrucks wenigstens teilweise antreibt. In einigen Beispielen kann das Maschinensystem zwei oder mehr Turbolader beinhalten, um den Druck der Ansaugluft weiter zu erhöhen, wie z. B. einen zweistufigen Turbolader, der zwei Turbolader beinhaltet. In einem derartigen Beispiel können die Turbinen in Reihe angeordnet sein und die Verdichter können in Reihe angeordnet sein, so dass die Ansaugluft durch beide Verdichter strömt und Abgas durch beide Turbinen strömt. Während Teillastbedingungen kann der Wirkungsgrad des Turboladers aber reduziert sein.
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In einem Ansatz ist ein gedrosselter Bypass vorgesehen, so dass Abgas während Teillastbetrieb der Maschine eine der Turbinen im Abgaskanal umgehen kann, um den Turboladerwirkungsgrad zu erhöhen. Der Bypass kann aber zu einem höheren Staudruck führen, der Verluste erzeugt und den Turboladerwirkungsgrad bei Volllastbetrieb verringert. Des Weiteren kann durch die Aufnahme eines Bypasses in das System der Platzbedarf des Systems größer werden.
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KURZDARSTELLUNG
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In einer Ausführungsform beinhaltet ein Maschinensystem einen zweistufigen Turbolader. Der zweistufige Turbolader kann einen ersten Turbolader mit einer ersten Turbine und einem ersten Verdichter und einen zweiten Turbolader mit einer zweiten Turbine und einem zweiten Verdichter beinhalten. Die erste Turbine und die zweite Turbine sind parallel angeordnet und der erste Verdichter und der zweite Verdichter sind in Reihe angeordnet. Das System kann eine Durchführung, die Turbineneinlässe der ersten und der zweiten Turbine verbindet, und ein Ventil, das zwischen die Durchführung und den ersten Turbineneinlass geschaltet ist, beinhalten.
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Durch paralleles Anordnen der ersten Turbine und der zweiten Turbine kann durch die erste Turbine strömendes Abgas nicht durch die zweite Turbine strömen. Ferner kann durch Einfügen eines Ventils stromaufwärts des ersten Turbineneinlasses der Abgasstrom zur ersten Turbine reduziert werden. Auf diese Weise können Verluste, die durch die erste und die zweite Turbine miteinander verbindende Durchführungen entstehen, sowie Verluste, die durch Bypass-Durchführungen entstehen, reduziert werden. Während des Betriebs kann es möglich sein, die erste Turbine abzuschalten, wodurch der gesamte Strom durch die zweite Turbine hindurchgeführt wird, indem der Betriebspunkt des Systems in einen Bereich mit relativ höherem Wirkungsgrad verschoben wird. Darüber hinaus kann das Einbauraumvolumen nicht das gleiche sein wie bei anderen Systemen mit mehreren Turboladern.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren für eine Maschine mit einem Abgasrückführungssystem und einem zweistufigen Turbolader, wobei der zweistufige Turbolader einen ersten Turbolader und einen zweiten Turbolader beinhaltet, vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Einstellen des Abgasstroms zu einer Turbine des ersten Turboladers auf Basis einer Maschinenlast, wobei die Turbine des ersten Turboladers parallel zu einer Turbine des zweiten Turboladers angeordnet ist und ein Verdichter des ersten Turboladers mit einem Verdichter des zweiten Turboladers in Reihe angeordnet ist, und das Einstellen einer Abgasrückführungsmenge, die stromaufwärts der ersten und der zweiten Turbine entnommen wird.
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Auf diese Weise kann der zweistufige Turbolader gesteuert werden, so dass die Maschine mit einem oder mit zwei Turbolader(n) läuft. In einem Beispiel kann die erste Turbine während Bedingungen abgeschaltet werden, wenn die Maschine unter Teillastbedingungen ist, wodurch ein Druckverhältnis an der zweiten Turbine verbessert wird. Ferner kann durch Einstellen des Abgasdurchflusses zur ersten Turbine der Staudruck so geregelt werden, dass die Abgasrückführungsmenge eingestellt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein System für eine Maschine einen ersten Turbolader, der sowohl eine erste Turbine mit einem ersten Turbineneinlass, der in einem ersten Abgaskanal positioniert ist, durch den Abgas strömt, als auch einen ersten Verdichter, der stromabwärts eines Hauptlufteinlasses eines Ansaugkanals positioniert ist und durch den Ansaugluft strömt, beinhaltet, und einen zweiten Turbolader, der sowohl eine zweite Turbine mit einem zweiten Turbineneinlass, der in einem zweiten Abgaskanal positioniert ist, durch den Abgas strömt, als auch einen zweiten Verdichter, der stromabwärts des ersten Verdichters im Ansaugkanal positioniert ist, beinhaltet. Das System beinhaltet des Weiteren eine Konstruktion, die eine Kommunikationsdurchführung definiert, die den ersten Abgaskanal stromaufwärts von Einlässen des ersten Turbineneinlasses und des zweiten Turbineneinlasses mit dem zweiten Abgaskanal verbindet, ein Abgasrückführungssystem mit einem Abgaseinlass stromaufwärts der Einlässe der ersten und der zweiten Turbine und ein zwischen der Kommunikationsdurchführung und dem ersten Turbineneinlass positioniertes Ventil, wobei das Ventil zum Einstellen einer Abgasdurchflussmenge zur ersten Turbine und zum Abgasrückführungssystem funktionell ist.
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Durch Betätigen des Ventils zum Einstellen des Durchflusses zur ersten Turbine kann möglicherweise der Maschinenbetriebswirkungsgrad über einen Betriebsbereich erhöht werden. Zum Beispiel können durch Schließen des Ventils während Teillastbedingungen Drosselungsverluste und/oder Staudruck unter Beibehaltung erwünschter Druckverhältnisse verringert werden. Während Vollastbedingungen kann das Ventil zum Beispiel so geöffnet werden, dass beide Turbolader ausreichend Durchfluss bereitstellen. Des Weiteren kann der Staudruck durch Einstellen des Ventils reguliert werden; von daher kann die Abgasdurchflussmenge zum Abgasrückführungssystem eingestellt werden.
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Die Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden, in vereinfachter Form vorzustellen. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands bestimmen, dessen Umfang von den Ansprüchen, die der ausführlichen Beschreibung folgen, eindeutig definiert wird. Des Weiteren ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Ausgestaltungen beschränkt, die irgendwelche der oben oder in einem Teil dieser Offenbarung genannten Nachteile lösen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird durch Lesen der folgenden Beschreibung nichtbeschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die angehängten Begleitzeichnungen besser verständlich, wobei unten:
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1 eine beispielhafte Ausführungsform einer mobile Plattform zeigt, die ein Maschinensystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung trägt,
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2 eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems mit einem zweitstufigen Turbolader gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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3 eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems mit einem zweitstufigen Turbolader gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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4 eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems mit einem zweitstufigen Turbolader gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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5 ein Flussdiagramm zeigt, das ein Steuerverfahren für ein System veranschaulicht, das einen zweistufigen Turbolader aufweist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung betrifft verschiedene Ausführungsformen eines Verfahrens und von Systemen für eine Maschine, die einen zweistufigen Turbolader aufweist. In einem Beispielsystem beinhaltet der Turbolader einen ersten Turbolader mit einer ersten Turbine und einem ersten Verdichter und einen zweiten Turbolader mit einer zweiten Turbine und einem zweiten Verdichter, wobei die erste Turbine und die zweite Turbine parallel angeordnet sind und der erste Verdichter und der zweite Verdichter in Reihe angeordnet sind. Das System kann eine Durchführung, die Turbineneinlässe der ersten und der zweiten Turbine verbindet, und ein zwischen die Durchführung und den ersten Turbineneinlass geschaltetes Ventil beinhalten. Das Ventil kann zum Beispiel zum Regeln der Abgasdurchflussmenge zu der ersten Turbine auf Basis der Maschinenlast eingestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann das System ein Abgasrückführungssystem beinhalten. In einer derartigen Ausführungsform kann das Ventil zum Regeln einer Abgasrückführungsmenge auf der Basis von Maschinenbetriebsbedingungen eingestellt werden.
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Das Maschinensystem der Erfindung kann in verschiedenen von Maschinen angetriebenen Systemen mit Turboladern zum Einsatz kommen. Einige dieser Systeme können stationär sein, während andere auf semimobilen oder mobilen Plattformen sein können. Semimobile Plattformen können, z. B. auf Tieflader montiert, zwischen Betriebsperioden an einen anderen Standort versetzt werden. Zu mobilen Plattformen zählen selbstfahrende Fahrzeuge. Zu derartigen Fahrzeugen können Bergbaumaschinen, Schiffe, Straßentransportfahrzeuge, Fahrzeuge für den Geländeeinsatz und Schienenfahrzeuge zählen. Zum Straßentransport können sowohl Personenkraftwagen als auch Nutz- oder Industriefahrzeuge zählen. Zur deutlichen Veranschaulichung ist als beispielhafte mobile Plattform, die ein System trägt, das eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet, eine Lokomotive bereitgestellt.
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Vor der weiteren Besprechung des Maschinensystems der Erfindung wird ein Beispiel für eine Plattform zum Tragen einer Ausführungsform des Maschinensystems offenbart. Speziell ist in 1 ein beispielhafter Zug 100 abgebildet, der eine Vielzahl von Lokomotiven 102, 104, 106 und eine Vielzahl von Wagen 108 beinhaltet, die zum Fahren auf einem Gleis 110 ausgeführt sind und über Kupplungen 112 miteinander verbunden sind. Die Vielzahl von Lokomotiven 102, 104, 106 beinhaltet eine führende Lokomotive 102 und eine oder mehrere geführte Lokomotiven 104, 106. Das abgebildete Beispiel zeigt zwar drei Lokomotiven und vier Wagen, in den Zug 100 kann aber jede beliebige geeignete Anzahl von Lokomotiven und Wagen eingeschlossen sein.
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In einem Beispiel können die Lokomotiven 102 dieselelektrische Lokomotiven sein, die von Dieselmotoren 10 angetrieben werden. In anderen Ausführungsformen können andere Lokomotiven von einer anderen Maschinenkonfiguration angetrieben werden, wie z. B. einem Ottomotor, einem Biodieselmotor, einem Erdgasmotor oder durch streckenseitige (z. B. Fahrleitung oder Stromschiene) Elektrizität.
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Ein Lokomotivensteuergerät 22 kann Informationen von jeder der Lokomotiven des Zugs 100 empfangen und Signale an sie senden. Zum Beispiel kann das Lokomotivensteuergerät 22 Signale von einer Reihe verschiedener Sensoren im Zug 100 empfangen und den Zugbetrieb entsprechend einstellen. Das Lokomotivensteuergerät 22 kann zum Einstellen des Maschinenbetriebs jeder Lokomotive mit einem Maschinensteuergerät 12 verbunden sein. Das Maschinensteuergerät 12 kann ein oder mehrere Signale in Bezug auf Betriebsbedingungen empfangen und den Maschinenbetrieb wie z. B. das Aufladen und/oder den Abgasrückführungsbetrieb wie hierin erwähnt einstellen.
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In 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Maschinensystems 200 abgebildet, das in jeder der Lokomotiven (102, 104, 106) des Zugs 100 enthalten sein kann (1). In einem Beispiel beinhaltet das Maschinensystem 200 eine Maschine 202, wie z. B. die in 1 gezeigte Maschine 10, die ein Dieselmotor sein kann, der Luft und Dieselkraftstoff durch Kompressionszündung verbrennt. In anderen nicht begrenzenden Ausführungsformen kann die Maschine 202 Kraftstoff einschließlich Benzin, Erdgas, Wasserstoff, Kerosin, Biodiesel oder anderer Erdöldestillate ähnlicher Dichte durch Kompressionszündung (und/oder Funkenzündung) verbrennen. Des Weiteren ist zu beachten, dass die Maschine 202 nicht darauf beschränkt ist, in ein Lokomotivenantriebssystem eingebaut zu sein; in anderen Ausführungsformen kann die Maschine 202 eine stationärer Maschine, wie in einer Kraftwerkanwendung, oder eine Maschine in einem Antriebssystem für ein Schiff oder ein Fahrzeug für den Geländeeinsatz sein.
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Die Maschine 202 erhält Ansaugluft zur Verbrennung aus einem Ansaugkanal 210. Der Ansaugkanal 210 erhält Luft aus einem Hauptlufteinlass 212 und die Luft strömt durch einen Luftfilter (nicht gezeigt), der die Luft filtert. Abgas aus den Zylindern strömt durch Sammeltrakte zu einem Abgaskanal 215 zur Durchführung 218, von der es in einen Einlass der ersten Turbine 214 und einen Einlass der zweiten Turbine 216 abzweigt. Das Maschinensystem 200 beinhaltet ferner einen zweistufigen Turbolader mit einem ersten Turbolader 220 und einem zweiten Turbolader 226.
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Wie in 2 gezeigt, ist der erste Turbolader 220 zwischen dem Ansaugkanal 210 und der Durchführung 218 angeordnet. Der erste Turbolader 220 beinhaltet eine erste Turbine 222, die einen ersten Verdichter 224, der mechanisch mit der ersten Turbine 222 verbunden ist (z. B. über eine Welle), wenigstens teilweise antreibt. Ferner ist der zweite Turbolader 226 zwischen dem Ansaugkanal 210 und der Durchführung 218 angeordnet. Der zweite Turbolader 226 beinhaltet eine zweite Turbine 228, die einen zweiten Verdichter 230, der mechanisch mit der zweiten Turbine 228 verbunden ist (z. B. über eine Welle), wenigstens teilweise antreibt. Die Turbolader 220 und 226 erhöhen den Druck der in den Ansaugkanal 210 gesaugten Luft, um für eine größere Ladungsdichte während der Verbrennung zu sorgen, um die Leistung und/oder den Maschinenbetriebswirkungsgrad zu erhöhen.
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Wie in 2 abgebildet, ist der erste Verdichter 224 stromaufwärts des zweiten Verdichters 230 positioniert, so dass Ansaugluft, die durch den Hauptlufteinlass 212 in den Ansaugkanal 210 eintritt, durch den ersten Verdichter 224, wo sie verdichtet wird, und dann durch den zweiten Verdichter 230 strömt, wo sie weiter verdichtet wird, bevor sie in die Zylinder 204 der Maschine 202 eintritt. Von daher ist der erste Verdichter 224 ein Niederdruckverdichter, der Teil eines Niederdruckturboladers ist, und der zweite Verdichter 230 ist ein Hochdruckverdichter, der Teil eines Hochdruckturboladers ist. Des Weiteren strömt im Wesentlichen sämtliche Luft, die durch den ersten Verdichter 224 strömt, durch den zweiten Verdichter 230, so dass der erste und der zweite Verdichter in Reihe angeordnet sind. Im Gegensatz dazu, wie abgebildet, sind die erste Turbine 222 und die zweite Turbine 228 parallel angeordnet. Zum Beispiel strömt Abgas, das aus der ersten Zylinderreihe 206 oder der zweiten Zylinderreihe 208 und durch die erste Turbine 222 strömt, nicht durch die zweite Turbine 228 und Abgas, das aus der ersten Zylinderreihe 206 oder der zweiten Zylinderreihe 208 und durch die zweite Turbine 228 strömt, strömt nicht durch die erste Turbine 222.
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In einigen Ausführungsformen können die erste Turbine 222 und die zweite Turbine 228 im Wesentlichen gleich sein. In anderen Ausführungsformen können die erste Turbine 222 und die zweite Turbine 228 verschieden sein. Der erste Verdichter 224 und der zweite Verdichter 230 können aufgrund der verschiedenen Drücke verschieden sein. Zum Beispiel kann die zweite Turbine 228 für eine höhere Drehzahl konstruiert sein als die erste Turbine 222, da im zweiten Verdichter 230 ein höherer Druck herrscht, weshalb dieser kleiner ist und schneller rotiert als der erste Verdichter 224. Der erste und der zweite Turbolader können zum Beispiel zum Bereitstellen erwünschter Druckverhältnisse für ein bestimmtes Maschinensystem konstruiert sein.
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In der beispielhaften Ausführungsform von 2 beinhaltet das Maschinensystem 200 ferner einen stromabwärts des ersten Verdichters 224 und stromaufwärts des zweiten Verdichters 230 angeordneten Ladeluftkühler 232, der die vom ersten Verdichter 224 verdichtete Ansaugluft kühlt, bevor sie in den zweiten Verdichter 230 eintritt. Das Maschinensystem 200 beinhaltet ferner einen stromabwärts des zweiten Verdichters 230 positionierten Nachkühler 234, der die vom zweiten Verdichter 230 verdichtete Ansaugluft kühlt, bevor die Ansaugluft in die Zylinder 204 der Maschine 202 eintritt.
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Wie in 2 abgebildet, beinhaltet das Maschinensystem 200 ein Ventil 236, das zwischen der Durchführung 218 und dem Einlass der ersten Turbine 214 positioniert ist. Das Ventil 236 kann eingestellt werden (z. B. über ein Steuergerät wie das in 1 gezeigte Maschinensteuergerät 12), um eine in die erste Turbine 222 eintretende Abgasmenge zu regulieren. Auf diese Weise kann der Abgasstrom zum ersten Turbolader 220 im Wesentlichen reduziert oder abgestellt werden, so dass nur der zweite Turbolader 226 die Maschine mit verdichteter Luft versorgt (z. B. während Teillastbetrieb). Wenn der Abgasstrom zur ersten Turbine 222 abgestellt ist, kann im Wesentlichen sämtliches Abgas durch die zweite Turbine 228 strömen. In einigen Ausführungsformen kann das Ventil 236 ein Schieber sein, der zwischen einer offenen Stellung, so dass Abgas zur ersten Turbine 222 strömt, und einer geschlossenen Stellung, so dass im Wesentlichen kein Abgas zur ersten Turbine 222 strömt, bewegt werden kann. In anderen Ausführungsformen kann das Ventil 236 ein Proportionalventil wie eine Absperrklappe sein, die zum Regulieren einer in die erste Turbine 222 eintretenden Durchflussmenge eingestellt werden kann. Es ist zu beachten, dass das Ventil 236 ein beliebiges geeignetes Ventil für eine jeweilige Maschinensystemkonfiguration sein kann.
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In der in 2 abgebildeten beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Maschinensystem ferner ein Ventil 238 wie ein Rückschlagventil, das am Ansaugkanal 210 entlang an einem zweiten Lufteinlass 240 positioniert ist. In anderen Ausführungsformen beinhaltet das Maschinensystem möglicherweise kein an einem zweiten Lufteinlass positioniertes Rückschlagventil. Der zweite Lufteinlass und somit das Rückschlagventil 238 sind stromabwärts des Ladeluftkühlers 232 und stromaufwärts des zweiten Verdichters 230 positioniert. Zum Beispiel kann eine Änderung des Drucks im Ansaugkanal 210 verursachen, dass das Rückschlagventil 238 sich öffnet, so dass der zweite Verdichter 230 Ansaugluft erhält, wenn der erste Turbolader 220 den zweiten Verdichter 230 nicht mit verdichteter Luft versorgt (z. B. wenn das Ventil 236 geschlossen ist). Desgleichen kann ein Druck im Ansaugkanal 210 verursachen, dass das Rückschlagventil 238 sich schließt, so dass keine Luft durch den zweiten Lufteinlass 240 in den Ansaugkanal eintritt, wenn der erste Turbolader 220 den zweiten Verdichter 230 mit verdichteter Luft versorgt (z. B. wenn das Ventil 236 offen ist).
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Das Maschinensystem beinhaltet also einen zweistufigen Turbolader, der einen ersten Verdichter und einen zweiten Verdichter in Reihe und eine erste Turbine und eine zweite Turbine parallel zueinander beinhaltet. In einer derartigen Konfiguration kann der Abgasstrom zur ersten Turbine reduziert werden, indem das Ventil im ersten Turbineneinlass eingestellt wird, so dass das Maschinensystem mit dem zweiten Turbolader und nicht dem ersten Turbolader arbeitet.
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3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Maschinensystems 300, das in jede der Lokomotiven (102, 104, 106) des Zugs 100 (1) eingebaut sein kann. Die in 3 veranschaulichte Ausführungsform setzt sich aus vielen der gleichen Bauteile wie die in 2 veranschaulichten Ausführungsformen zusammen. Dementsprechend werden jene Bauteile, die ähnlich wie die in 2 veranschaulichten funktionieren, in 3 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden möglicherweise nicht noch einmal beschrieben.
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Das Maschinensystem 300 beinhaltet ein Abgasrückführungs-(AGR)-System 242, das Abgas aus dem Abgaskanal 215 stromaufwärts der Durchführung 218 und der Einlässe der ersten und der zweiten Turbine 214 und 216 zum Ansaugkanal 210 stromabwärts des Nachkühlers 234 leitet. Das AGR-System 242 beinhaltet einen AGR-Kanal 244 und ein AGR-Ventil 246 zum Regulieren einer Abgasmenge, die von der ersten Zylinderreihe 206 und der zweiten Zylinderreihe 208 der Maschine 202 zum Ansaugkanal 210 der Maschine 202 rückgeführt wird. Durch Einführen von Abgas in die Zylinder 204 der Maschine 202 wird die Menge des zur Verbrennung verfügbaren Sauerstoffs verringert, wodurch die Verbrennungsflammentemperaturen gesenkt und die Bildung von Stickoxiden (z. B. NOx) verringert wird. Das AGR-Ventil 246 kann ein vom Steuergerät, wie dem oben in Bezug auf 1 beschriebenen Maschinensteuergerät 12, gesteuertes Schaltventil sein oder es kann zum Beispiel eine variable AGR-Menge regeln.
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In einigen Ausführungsformen, wie in 3 gezeigt, beinhaltet das AGR-System 242 ferner einen AGR-Kühler 248 zum Senken der Temperatur des Abgases, bevor es in den Ansaugkanal 210 eintritt. Wie in der nicht einschränkenden beispielhaften Ausführungsform von 3 gezeigt wird, ist das AGR-System 242 ein Hochdruck-AGR-System. In anderen Ausführungsformen kann das Maschinensystem 300 zusätzlich oder alternativ ein Niederdruck-AGR-System beinhalten, das die AGR von stromabwärts der ersten Turbine 222 und/oder der zweiten Turbine 228 zu stromaufwärts des ersten Verdichters 224 beziehungsweise des zweiten Verdichters 230 leitet.
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In einer Ausführungsform, in der das Maschinensystem ein AGR-System beinhaltet, wie in 3 abgebildet, kann eine AGR-Menge durch Einstellen des Ventils 236, das den Abgasstrom zur ersten Turbine 222 regelt, weiter reguliert werden, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird. Zum Beispiel kann der Druck im Abgaskanal 215, wenn das Ventil 236 geschlossen ist, ansteigen und dadurch den AGR-Strom vergrößern, wenn das AGR-Ventil 246 offen ist.
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4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Maschinensystems 400. Die in 4 veranschaulichte Ausführungsform besteht aus vielen der gleichen Bauteile wie den in den 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsformen. Dementsprechend werden jene Bauteile, die ähnlich den in den 2 und 3 veranschaulichten funktionieren, in 4 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und brauchen nicht noch einmal beschrieben zu werden.
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Wie in 4 abgebildet, beinhaltet das Maschinensystem 400 eine Maschine 202, die ein 12-Zylinder-Motor ist, der zwölf in zwei Zylinderreihen 206 und 208, wie in einer V-12-Konfiguration, angeordnete Zylinder 204 beinhaltet. In anderen Ausführungsformen kann die Maschine ein V-6-, V-16-, 4-Zylinder-Reihen-, 6-Zylinder-Reihen-, 8-Zylinder-Reihen-, 4-Zylinder-Boxermotor oder ein anderer Motorentyp sein.
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Des Weiteren wird im Maschinensystem 400 von der Verbrennung in der ersten Zylinderreihe 206 herrührendes Abgas einem ersten Abgaskanal 292 zugeführt und von der Verbrennung in der zweiten Zylinderreihe herrührendes Abgas wird einem zweiten Abgaskanal 294 zugeführt. Wie gezeigt, verbindet eine Kommunikationsdurchführung 296 den ersten Abgaskanal 292 und den zweiten Abgaskanal 294 fluidisch, so dass Abgas aus der ersten Zylinderreihe 206 in den zweiten Abgaskanal 294 strömen kann und Abgas aus der zweiten Zylinderreihe 208 in den ersten Abgaskanal 292 strömen kann.
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In 5, zu der jetzt übergegangen wird, wird ein Flussdiagramm gezeigt, das ein Verfahren 500 für ein System veranschaulicht, das einen zweistufigen Turbolader beinhaltet, wie das oben mit Bezug auf 2 beschriebene Maschinensystem 200. Speziell stellt das Verfahren 500 die Stellung des am Einlass der ersten Turbine positionierten Ventils auf Basis der Maschinenlast ein.
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An 502 des Verfahrens 500 werden Maschinenbetriebsbedingungen ermittelt. Zu den Maschinenbetriebsbedingungen können die Maschinendrehzahl, das Maschinendrehmoment, der Aufladungsgrad, die Maschinenöltemperatur, der Verdichterluftdruck oder dergleichen zählen.
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Wenn die Maschinenbetriebsbedingungen ermittelt worden sind, wird das Verfahren 500 mit 504 fortgesetzt, wo ermittelt wird, ob die Maschinenlast größer als ein Maschinenlastschwellenwert ist. In einem Beispiel kann der Maschinenlastschwellenwert auf einem während aktuellen Betriebsbedingungen erwünschten Aufladungsgrad basieren. Als weiteres Beispiel kann der Maschinenlastschwellenwert auf mit den aktuellen Betriebsbedingungen assoziierten Drosselungsverlusten basieren. Zum Beispiel kann der Maschinenlastschwellenwert Maschinenbetrieb bei Teillast, Vollast oder im Leerlauf sein.
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Wenn ermittelt wird, dass die Maschinenlast größer als der Maschinenlastschwellenwert ist, wird das Verfahren mit 506 fortgesetzt und das Ventil wird geöffnet. Wenn beispielsweise der Lastschwellenwert nur eine Teillast ist und die Maschine unter Vollast betrieben wird, kann das Ventil geöffnet werden, so dass das Ventil den Abgasstrom zur ersten Turbine nicht behindert. Von daher kann die Maschine mit beiden Turboladern und daher zum Beispiel mit höheren Druckverhältnissen betrieben werden.
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Wenn dagegen ermittelt wird, dass die Maschinenlast kleiner als der Maschinenlastschwellenwert ist, geht das Verfahren zu 508 über, wo das Ventil geschlossen wird, so dass wenig oder kein Abgas in die erste Turbine eintritt. Auf diese Weise erhält die Maschine die verdichtete Luft vom zweiten Turbolader und nicht vom ersten Turbolader. Wie oben beschrieben, kann das Maschinensystem ein Rückschlagventil beinhalten, das sich aufgrund eines Drucks im Ansaugkanal öffnet, wenn sich der erste Turbolader nicht dreht. Von daher erhält der zweite Verdichter Luft aus dem zweiten Lufteinlass, die nicht durch den ersten Verdichter strömt, anstatt aus dem Hauptlufteinlass. In einem Beispiel kann das Ventil geschlossen sein, wenn die Maschine mit Teillast betrieben wird. Durch Schließen des Ventils während Teillastbetrieb kann das Maschinensystem mit verringerten Drosselungsverlusten und/oder verringertem Staudruck arbeiten, während erwünschte Druckverhältnisse beibehalten werden, wodurch zum Beispiel die Maschinenleistung verbessert wird und der Turboladerwirkungsgrad erhöht wird. Ferner kann das Ventil während Vollastbetrieb und/oder Mittellastbetrieb offen sein und es ist daher möglich, während dieser Bedingungen einen besseren Turboladerwirkungsgrad zu erzielen.
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In einigen Ausführungsformen, in denen das Ventil zum Beispiel ein Proportionalventil ist, kann die Ventilstellung eingestellt werden, so dass eine durch den ersten Turbineneinlass strömende Abgasmenge reduziert werden kann. In einem derartigen Beispiel kann der erste Verdichter den zweiten Turbolader weiterhin mit verdichteter Luft versorgen.
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So kann das Ventil so gesteuert werden, dass das Maschinensystem mit einem oder zwei Turboladern betrieben wird. Während Teillastbedingungen kann das Ventil geschlossen sein, um das Druckverhältnis der zweiten Turbine zu verbessern. Während Volllastbedingungen kann das Ventil geöffnet sein, so dass beide Turbolader zum Beispiel einen ausreichenden Durchfluss bereitstellen. Ferner kann das am Einlass der ersten Turbine des ersten Turboladers positionierte Ventil eingestellt werden, um eine zur Maschine geförderte Abgasrückführungsmenge als Reaktion auf Maschinenbetriebsbedingungen zu variieren.
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Ein hierin verwendetes Element oder Schritt, das/der im Singular genannt wird und dem das Wort „ein” oder „eine” vorangestellt ist, ist so zu verstehen, dass es/er den Plural der genannten Elemente oder Schritte nicht ausschließt, es sei denn, ein derartiger Ausschluss ist ausdrücklich angegeben. Es ist des Weiteren nicht vorgesehen, dass die Bezugnahme auf „eine Ausführungsform” oder „eine einzelne Ausführungsform” der vorliegenden Erfindung das Vorhandensein zusätzlicher Ausführungsformen, die ebenfalls die genannten Merkmale beinhalten, ausschließt. Darüber hinaus, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, können Ausführungsformen, die ein Element oder eine Vielzahl von Elementen mit einer bestimmten Eigenschaft „aufweisen”, „beinhalten” oder „haben”, zusätzliche derartige Elemente beinhalten, die diese Eigenschaft nicht besitzen. Die Begriffe „die Folgendes beinhalten” und „bei der/dem/denen” werden als Äquivalente in einfacher Sprache der Begriffe „umfassend” bzw. „wobei” verwendet. Darüber hinaus werden die Begriffe „erste”, „zweite” und „dritte” usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und es ist nicht vorgesehen, dass sie ihren Objekten numerische Anforderungen oder eine besondere positionsbezogene Reihenfolge auferlegen.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um dem Durchschnittsfachmann die Ausführung der Erfindung, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen bzw. Systemen und der Durchführung eingebundener Verfahren zu ermöglichen. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die dem Durchschnittsfachmann einfallen. Es ist vorgesehen, dass derartige andere Beispiele im Umfang der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente haben, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zu den wörtlichen Sprachen der Ansprüche beinhalten.
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Es sind verschiedene Verfahren und Systeme für eine Maschine vorgesehen. In einem Beispiel beinhaltet das System einen zweistufigen Turbolader, der einen ersten Turbolader mit einer ersten Turbine und einem ersten Verdichter und einen zweiten Turbolader mit einer zweiten Turbine und einem zweiten Verdichter hat, wobei die erste Turbine und die zweite Turbine parallel angeordnet sind und der erste Verdichter und der zweite Verdichter in Reihe angeordnet sind. Das System kann eine Durchführung, die Turbineneinlässe der ersten und der zweiten Turbine verbindet, und ein zwischen die Durchführung und den Einlass der ersten Turbine geschaltetes Ventil zum Drosseln des Durchflusses zur ersten Turbine beinhalten.
