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ERFINDUNGSGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbolader zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen und insbesondere Steuersysteme zur Verwendung in geregelten zweistufigen und sequenziellen Turboladern.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Turbolader sind in der Technik wohl bekannt. Im Grunde ist ein Turbolader eine Zentrifugalluftpumpe, die von dem Abgas des Motors angetrieben wird. Der Turbolader zwingt eine zusätzliche Menge an Luft oder Luft-Kraftstoff-Mischung in den Motor, was dabei hilft, den Verbrennungsdruck und die Motorleistung zu erhöhen. Dadurch kann ein relativ kleinerer Motor unter normalen Fahrbedingungen einen akzeptablen Kraftstoffverbrauch liefern und, falls benötigt, die erhöhten Leistungscharakteristika eines größeren Motors aufweisen. Turbolader wurden sowohl in Benzin- als auch Dieselmotoren für sowohl Nutz- als auch Personenfahrzeuganwendungen integriert.
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Beispiele für Turboladertechnologie findet man unter Bezugnahme auf die folgenden eigenen
US-Patente mit den Nummern 6,089,019 an Roby;
6,263,672 and Roby et al.;
6,415,846 an O'Hara;
6,543,228 an Deacon;
6,694,736 an Pfluger;
6,709,160 an Ward et al.;
6,715,288 an Engels et al.;
6,802,184 an Huter et al.; und die US-Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern 2003/0206798 an Allmang et al.; 2004/0037716 an Jaisle; 2004/0062645 an Decker et al.; 2004/0088976 an Jaisle; 2004/0134193 an Klingel; 2004/0194447 an Roby und 2004/0197212 an Roby, deren ganze Spezifikationen durch Bezugnahme hier ausdrücklich aufgenommen sind.
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Eine jüngste Entwicklung bei der Turboladertechnologie waren geregelte zweistufige oder sequenzielle Turbolader, wobei zwei relativ kleinere Turboladereinheiten anstatt eines einzelnen, relativ großen herkömmlichen Turboladers verwendet werden. Diese geregelten zweistufigen Turboladersysteme verwenden in der Regel eine relativ kleinere Hochdruckturboladereinheit in Reihe mit einer relativ größeren Niederdruckturboladereinheit.
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Herkömmliche geregelte zweistufige Turbolader weisen leider immer noch unzufriedenstellende Charakteristika auf, insbesondere während der überlappenden Übergangsperiode, wenn die Turbodrehzahl der kleineren Hochdruckturboladereinheit rapide abnimmt und die Turbodrehzahl der größeren Niederdruckturboladereinheit rapide zunimmt. Es wird angenommen, dass diese Phänomen ein vorübergehender Drehmomentverlust ist, der auftritt, bevor die Niederdruckturboladereinheit ihre jeweilige erforderliche Turbodrehzahl erreicht hat. Dieser ”Abfall” beim Drehmoment während der Übergangsperiode ist recht wahrnehmbar und wird von vielen Fahrern beanstandet, insbesondere jenen, die teure Hochleistungsluxusmodelle fahren.
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Dementsprechend besteht ein Bedarf an neuen und verbesserten geregelten zweistufigen Turboladersystemen, die zwischen dem Betrieb der Hochdruck- und Niederdruckturboladereinheit eine relativ glatte und nicht wahrnehmbare Übergangsperiode erzeugen.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung werden neue und verbesserte Turboladersysteme bereitgestellt.
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Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Strömungsregelventil zur Verwendung zwischen Turbinenstufen in einem Reihen-/sequenziellen Turboladersystem mit einer Modulation der Stufenbeladung bereit, von der angenommen wird, dass sie für das Aufrechterhalten gewünschter Motordrehmomentcharakteristika und einer instationären Antwort kritisch ist.
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Insbesondere verwendet die vorliegende Erfindung zwei Ventilglieder. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen die beiden Ventilglieder zueinander eine unterschiedliche Fläche und/oder Größe auf (z. B. Umkreis, Durchmesser, Portdurchmesser und/oder dergleichen). Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können die beiden Ventilglieder (die entweder gleich bemessen oder von unterschiedlicher Größe und/oder Fläche sind) dahingehend betrieben werden, unabhängig voneinander geöffnet (d. h. betätigt) zu werden.
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Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels kann durch Verwendung von zwei Ventilen mit verschiedenen Portdurchmessern das Ventil mit dem Port mit dem kleineren Durchmesser zuerst geöffnet werden, wodurch der Strom beim anfänglichen Ventilöffnen im Vergleich zu zwei Ventilen, die parallel öffnen, oder zwei Ventilen mit gleichem Portdurchmesser, die zur gleichen Zeit öffnen, reduziert wird. Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels, wenn der erste Portstrom eine im Wesentlichen lineare Zunahme bei einer Änderung im Öffnungswinkel erreicht, beginnt sich das zweite Ventil zu öffnen, was eine bessere Strommodulation bei gleicher maximaler Stromkapazität gestattet. Ohne auf irgendeine bestimmte Theorie hinsichtlich der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung begrenzt zu werden, wird angenommen, dass die maximale Stromkapazität und die Modulation des Stroms durch eine angemessene Wahl der Portdurchmesser für eine Gesamtstromfläche mit einem größten Differential bei der Portfläche optimiert werden.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Turboladersystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst: (1) eine Hochdruckturboladereinheit; (2) eine Niederdruckturboladereinheit, die operativ mit der Hochdruckturboladereinheit assoziiert ist; und (3) ein Ventilsystem, das operativ mit entweder der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit assoziiert ist, wobei das Ventilsystem mindestens zwei Ventilglieder enthält, die dahingehend betätigt werden können, einen Gasstrom selektiv entweder zu der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit zu dosieren.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Turboladersystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst: (1) eine Hochdruckturboladereinheit mit einem Turbinenabschnitt; (2) eine Niederdruckturboladereinheit mit einem Turbinenabschnitt, wobei die Niederdruckturboladereinheit operativ mit der Hochdruckturboladereinheit assoziiert ist; und (3) ein Ventilsystem, das operativ mit einem der Turbinenabschnitte der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit assoziiert ist, wobei das Ventilsystem mindestens zwei Ventilglieder enthält, die dahingehend betätigt werden können, einen Gasstrom zu einem der Turbinenabschnitte der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit selektiv zu dosieren.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Turboladersystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst: (1) eine Hochdruckturboladereinheit mit einem Turbinenabschnitt; (2) eine Niederdruckturboladereinheit mit einem Turbinenabschnitt, wobei die Niederdruckturboladereinheit operativ mit der Hochdruckturboladereinheit assoziiert ist; und (3) ein Ventilsystem, das operativ mit einem der Turbinenabschnitte der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit assoziiert ist, wobei das Ventilsystem mindestens zwei Ventilglieder enthält, die dahingehend betätigt werden können, einen Gasstrom zu einem der Turbinenabschnitte der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit selektiv zu dosieren, wobei die Ventilglieder dahingehend betätigt werden können, von dem Ventilsystem unabhängig oder sequenziell betätigt zu werden.
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Gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Turboladersystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst: (1) eine Hochdruckturboladereinheit; (2) eine Niederdruckturboladereinheit, die operativ mit der Hochdruckturboladereinheit assoziiert ist; und (3) ein Ventilsystem, das operativ mit entweder der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit assoziiert ist, wobei das Ventilsystem mindestens zwei Ventilglieder enthält, die dahingehend betätigt werden können, einen Gasstrom selektiv entweder zu der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit zu dosieren, wobei die Ventilglieder zueinander asymmetrisch sind.
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Gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Turboladersystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst: (1) eine Hochdruckturboladereinheit mit einem Turbinenabschnitt; (2) eine Niederdruckturboladereinheit mit einem Turbinenabschnitt, wobei die Niederdruckturboladereinheit operativ mit der Hochdruckturboladereinheit assoziiert ist; und (3) ein Ventilsystem, das operativ mit einem der Turbinenabschnitte der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit assoziiert ist, wobei das Ventilsystem mindestens zwei Ventilglieder enthält, die dahingehend betätigt werden können, einen Gasstrom zu einem der Turbinenabschnitte der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit selektiv zu dosieren, wobei die Ventilglieder zueinander asymmetrisch sind.
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Gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Turboladersystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst: (1) eine Hochdruckturboladereinheit mit einem Turbinenabschnitt; (2) eine Niederdruckturboladereinheit mit einem Turbinenabschnitt, wobei die Niederdruckturboladereinheit operativ mit der Hochdruckturboladereinheit assoziiert ist; und (3) ein Ventilsystem, das operativ mit einem der Turbinenabschnitte der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit assoziiert ist, wobei das Ventilsystem mindestens zwei Ventilglieder enthält, die dahingehend betätigt werden können, einen Gasstrom zu einem der Turbinenabschnitte der Hochdruck- oder Niederdruckturboladereinheit selektiv zu dosieren, wobei die Ventilglieder dahingehend betätigt werden können, von dem Ventilsystem unabhängig oder sequenziell betätigt zu werden, wobei die Ventilglieder zueinander asymmetrisch sind.
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Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend bereitgestellten ausführlichen Beschreibung. Es versteht sich, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, zu Zwecken der Darstellung gedacht sind und den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken sollen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
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1A eine Perspektivansicht, die ein geregeltes zweistufiges Turboladersystem darstellt gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung;
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1B eine Seitenansicht des in 1A dargestellten geregelten zweistufigen Turboladersystems gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung;
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1C eine Vorderansicht des in 1A dargestellten geregelten zweistufigen Turboladersystems gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung;
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2 eine perspektivische Vorderansicht eines alternativen geregelten zweistufigen Turboladersystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine perspektivische Rückansicht des in 2 dargestellten alternativen geregelten zweistufigen Turboladersystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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4 eine schematische Ansicht eines zweiten alternativen geregelten zweistufigen Turboladersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen) der vorliegenden Erfindung ist von lediglich beispielhafter Natur und soll auf keinerlei Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen beschränken.
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Bezüglich der Verwendung von ”Fluid”, wie dieser Ausdruck hierin verwendet wird, ist zu verstehen, dass er ein beliebiges gasförmiges Material einschließlich unter anderem Luft, Abgas und/oder dergleichen beinhaltet.
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Bezüglich der Verwendung von ”Fluidkommunikation”, wie diese Phrase hierin verwendet wird, ist zu verstehen, dass sie jede Struktur beinhaltet, die gestattet, dass eine Komponente ein Fluid empfängt und/oder es zu oder in eine zweite Komponente leitet, einschließlich unter anderem Rohre, Kanäle, Röhren, Schläuche und/oder dergleichen, wobei diese Ausdrücke hierin austauschbar verwendet werden.
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Bezüglich der Verwendung von ”Gasstrom”, wie diese Phrase hierin verwendet wird, ist zu verstehen, dass sie jeden Gasstrom oder Gasfluss beinhaltet, einschließlich unter anderem einen Luftstrom, einen Abgasstrom und/oder dergleichen.
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Allgemein unter Bezugnahme auf die Figuren und spezifisch auf die 1–3 wird allgemein bei 10 eine geregelte zweistufige Turboladerbaugruppe gezeigt. Die Baugruppe 10 enthält zwei Abgasturbinensysteme 12 beziehungsweise 14. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die assoziierten Verdichtersysteme nicht gezeigt.
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Das erste Turbinensystem 12 ist eine Hochdruckturbine, die in Reihe mit dem Niederdruckturbinensystem 14 geschaltet ist. Die Baugruppe 10 enthält auch ein Ansaugrohr 16, das mit einem Hochdruckturbinenrohr 18 verbunden ist. Ein erster Ansaugport 20 arbeitet in Verbindung mit einem zweiten Ansaugport 22, um Abgase von dem nicht gezeigten Kraftfahrzeugmotor entweder in das Ansaugrohr 16 oder die Portansaugrohre 24 der Baugruppe 10 zu leiten.
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Beim normalen turboladenden Betrieb erzeugen bei niedriger Motordrehzahl die Abgase von dem Motor nicht genug Energie, um eine große Niederdruckturbine, ähnlich der Niederdruckturbine 14, zu betreiben, aber jene gleichen Abgase liefern genug Energie, um eine kleinere Turbine wie etwa die Hochdruckturbine 12 zu betreiben. In einem ersten Arbeitsmodus strömen die Abgase sequenziell in den ersten Ansaugport 20, den zweiten Ansaugport 22, das Ansaugrohr 16, das Hochdruckturbinenrohr 18 und dann schließlich in die Hochdruckturbine 12. Die Hochdruckturbine dreht dann ihren assoziierten Verdichter (Element 32, wie in 2 gezeigt), wodurch Druckluft geliefert wird, zum Zurückdrücken in den Ansaugkrümmer, um die Motorleistung und das Motordrehmoment zu erhöhen. Mit der Motordrehzahl steigen auch der Abgasdruck und die Abgasenergie.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung tritt der Abgasstrom von der Hochdruckturbine 12 in die Niederdruckturbine 14 in Reihe ein. Dies ist selbst dann wichtig, wenn nicht genug Energie vorliegt, um die Niederdruckturbine 14 anzutreiben. Während sich Drehzahl und Last aufbauen, liefern die Niederdruckturbine 14 in Reihe mit der Hochdruckturbine 12 beide eine Ansaugdruckzunahme.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung stehen der erste Port 20 und der zweite Port 22 durch das Ansaugrohr 16 miteinander in Kommunikation, was gestattet, dass asymmetrische Ventile mit einer unabhängigen Steuerung im Übergang von einem ersten Modus (z. B. geringe Last) zu ganz offen in einem zweiten Modus (z. B. starke Last) arbeiten. Dementsprechend ist es bemerkenswert, dass der Druck zwischen dem linken und rechten Auspuffkrümmer ausgeglichen ist. Ohne eine Kommunikation zwischen den Ports 20 beziehungsweise 22 wird der Motor nicht druckausgeglichen sein.
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In einem zweiten Arbeitsmodus geht das Abgas von dem Motor durch die Portansaugrohre 24 und strömt direkt in die Niederdruckturbine 14, wobei die Hochdruckturbine 12 umgangen wird, und dreht ihren assoziierten Verdichter (Element 34, wie in 2 gezeigt), wodurch Druckluft zu dem Ansaugkrümmer des Motors bei hohen Motordrehzahlen geliefert wird. Die Hochdruckturbine 12 verliert ihre Effektivität bei höheren Motordrehzahlen, und die größere Niederdruckturbine 14 wird dazu verwendet, die Motorleistung bei dem höheren Motordrehzahlbereich effektiv zu erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung überwindet das Problem schlechter Übergangscharakteristika von der Hochdruckturbine zu der Niederdruckturbine, die typischerweise in herkömmlichen geregelten zweistufigen Turboladersystemen anzutreffen sind, und gestattet einen glatten Übergang von der Hochdruckturbine 12, die die Leistung hauptsächlich bei niedrigen Motordrehzahlen beeinflusst, zu der Niederdruckturbine 14, die die Leistung hauptsächlich bei hohen Motordrehzahlen beeinflusst. Die vorliegende Erfindung verwendet ein Ventilsystem 26, das dahingehend betätigt werden kann, den Strom von Abgas sowohl zu der Hoch- als auch Niederdruckturbine 12 beziehungsweise 14 selektiv zu steuern.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Ventilsystem 26 dahingehend betätigt werden, mindestens ein Ventilglied entweder unabhängig oder sequenziell und gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Ventilglieder so zu steuern, dass der Gasstrom (z. B. Abgas) dort hindurch gesteuert wird. Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Ventilglieder des Ventilsystems 26 zueinander asymmetrisch, dass sie unter anderem unterschiedliche Durchmesser aufweisen (z. B. Portdurchmesser). Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen die Ventilglieder des Ventilsystems 26 zueinander verschiedene Flächen auf (z. B. Umkreise, Durchmesser und/oder dergleichen).
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Wie bereits angemerkt, steigen mit der Motordrehzahl der Abgasmassenstrom und der Abgasdruck. Wenn der Abgasdruck einen gewissen vorbestimmten Wert erreicht, öffnet sich ein relativ kleines Ventilglied 28 (z. B. in oder in operativer Assoziation mit dem Ventilsystem 26 angeordnet), um damit zu beginnen, dass das Abgas die Hochdruckturbine 12 umgehen und direkt in die Niederdruckturbine 14 strömen kann. Mit steigendem Abgasdruck beginnt sich ein relativ großes Ventilglied 30 (z. B. ebenfalls in oder in operativer Assoziation mit dem Ventilsystem 26 angeordnet) zu öffnen, wodurch unter noch höherem Druck stehendes Abgas in die Niederdruckturbine 14 strömen kann. Das Öffnen und Schließen des kleinen Ventilglieds 28 und des großen Ventilglieds 30 können derart gesteuert werden, dass ein glatter Übergang von der Verwendung der Hochdruckturbine 12 zu der Niederdruckturbine 14 bereitgestellt und somit die vorübergehende Reduktion von Drehmoment an dem Übergang zwischen dem Betrieb der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine eliminiert oder zumindest gemindert wird.
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Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Ventilglieder 28 beziehungsweise 30 in einer beliebigen Anzahl von Formen konfiguriert sein, einschließlich unter anderem Kreise, Ovale, Quadrate, Rechtecke und/oder dergleichen.
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Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Ventilglieder 28 beziehungsweise 30 in einer beliebigen Anzahl von Weisen gesteuert werden, einschließlich mechanisch (z. B. Federn oder andere vorspannbare Glieder, Leerlaufeinrichtungen und/oder dergleichen), pneumatisch, elektronisch (z. B. durch impulsbreitenmodulierte (PWM) Elektromagnete) oder einer Kombination aus mechanischen, pneumatischen und/oder elektronischen Verfahren. Außerdem können zusätzliche Steuermechanismen, wie etwa unter anderem das MSG des Fahrzeugs, z. B. in Verbindung mit entsprechenden Überwachungseinrichtungen die Funktion des Ventilsystems 26 überwachen und/oder steuern.
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Gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun der beabsichtigte Betrieb des Stroms sowohl für die Ansaug- als auch Abgase unter spezifischer Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
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Das Abgas strömt in den ersten Ansaugport 20 und den zweiten Ansaugport 22. Wenn die Ventilglieder 28 und 30 geschlossen sind, strömt das Gas dann durch die Hochdruckturbine 12 und in die Niederdruckturbine 14. Die Hochdruckturbine 12 ist operativ mit einem Verdichter 32 verbunden. Wenn die Hochdruckturbine 12 ihre Drehzahl erhoht, erhöht auch der Verdichter 32 seine Drehzahl und von einem Rohrabschnitt 36 ankommende Frischluft wird verdichtet und in einen anderen Rohrabschnitt 38 hinausgedrückt. Die Druckluft wird dann in noch einen weiteren Rohrabschnitt 40 und schließlich in den Ansaugkrümmer des Motors übertragen.
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Wenn sowohl die kleinen als auch die großen Ventilglieder 28 beziehungsweise 30 ganz geöffnet sind, strömt das Abgas direkt in die Niederdruckturbine 14. Die Niederdruckturbine 14 ist operativ mit einem Verdichter 34 verbunden, der seine Drehzahl mit der Drehzahl der Niederdruckturbine 14 erhöht. Der Verdichter 34 erhält Luft von einer großen Ansaugröhre 42, verdichtet sie, und dann strömt das Hochdruckgas aus dem Rohrabschnitt 40 hinaus. Der Rohrabschnitt 40 enthält bevorzugt ein erstes Verbindungsrohr 44 zum Zuführen von Luft durch den Rohrabschnitt 36 und in den Verdichter 32 und ein zweites Verbindungsrohr 46 zum Übertragen von Luft, nachdem sie von dem Rohrabschnitt 38 unter Druck gesetzt worden ist, zu dem Rohrabschnitt 40. Ein Rohrabschnitt 48 gestattet, dass das die Niederdruckturbine 14 durchlaufende Abgas in das Abgassystem des Fahrzeugs gespeist wird.
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Unter Bezugnahme auf 4 wird eine schematische Ansicht eines zweiten alternativen geregelten zweistufigen Turboladersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Ein geregeltes zweistufiges Turboladersystem ist allgemein bei 100 gezeigt. Das Turboladersystem 100 enthält zwei Abgasturbinensysteme 102 beziehungsweise 104. Die assoziierten Verdichtersysteme 106 beziehungsweise 108 sind z. B. über Wellenglieder 102a beziehungsweise 104a operativ mit den Turbinensystemen 102 beziehungsweise 104 assoziiert.
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Das erste Turbinensystem 102 ist eine Hochdruckturbine, die operativ mit dem Niederdruckturbinensystem 104 assoziiert ist, damit in Fluidkommunikation steht und/oder damit in Reihe geschaltet ist. Das Hochdruckturbinensystem 102 steht in Fluidkommunikation mit einem Motorsystem 110, z. B. über ein Auspuffkrümmersystem 112, z. B. über einen Kanal 114. Das Hochdruckturbinensystem 102 steht z. B. über einen Kanal 116 in Fluidkommunikation mit dem Niederdruckturbinensystem 104.
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Das Auspuffkrümmersystem 112 ist z. B. über den Kanal 120 operativ mit einem Motor 118 assoziiert und/oder steht damit in Fluidkommunikation. Auf diese Weise wird z. B. über Auspuffbänke 122 beziehungsweise 124 aus dem Betrieb des Motors 118 austretendes Abgas z. B. über Kanäle 122a beziehungsweise 124a durch ein optionales AGR-Ventil 126 zu dem Auspuffkrümmersystem 112 gelenkt, wo es schließlich zu dem Turboladersystem 100 gelenkt werden kann. Zusätzlich ist ein Ansaugkrümmersystem 128 z. B. über den Kanal 130 operativ mit dem Motor 118 assoziiert und/oder steht in Fluidkommunikation mit ihm, um Luft in das Motorsystem 110, insbesondere die Zylinder 132, z. B. über Kanäle 132a einzuleiten. Ein optionales Zwischenkühlersystem 134 ist operativ mit dem Ansaugkrümmer z. B. über den Kanal 130 assoziiert und/oder steht in Fluidkommunikation mit ihm. Ein optionales zweites Zwischenkühlersystem 134a ist operativ entweder mit dem Verdichtersystem 106 beziehungsweise 108 assoziiert und/oder steht in Fluidkommunikation damit. Wenngleich ein V-8-Motorsystem gezeigt ist, versteht sich, dass die vorliegende Erfindung mit einer beliebigen Art von Motorkonfiguration praktiziert werden kann, einschließlich unter anderem V-4-, V-6- und/oder Reihenmotorkonfigurationen (z. B. I-4, I-5, I-6 und/oder dergleichen).
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Die vorliegende Erfindung verwendet ein optionales Ventilsystem 200, das dahingehend betätigt werden kann, den Strom von Abgas zu dem Niederdruckturbinensystem 104 selektiv zu steuern, wodurch es dahingehend betätigt werden kann, Gasstrombedingungen/-anforderungen besser anzupassen und die Reaktion und Leistung des Turboladersystems 100 insgesamt zu verbessern.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Ventilsystem 200 selektiv dahingehend betätigt werden, mindestens zwei Turbinenregelventilglieder 202 beziehungsweise 204 entweder unabhängig oder sequenziell zu steuern, um den Gasstrom (z. B. Abgasstrom) dort hindurch, z. B. durch das Niederdruckturbinensystem 104, zu steuern.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Ventilsystem 200 dahingehend betätigt werden, mindestens ein Ventilglied und gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Ventilglieder entweder unabhängig oder sequenziell zu steuern, um den Gasstrom (z. B. Abgasstrom) dort hindurch zu steuern. Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Ventilglieder des Ventilsystems 200 zueinander asymmetrisch, wie etwa unter anderem weisen sie verschiedene Durchmesser (z. B. Portdurchmesser) auf. Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen die Ventilglieder des Ventilsystems 200 zueinander unterschiedliche Flächen auf (z. B. Umkreise, Durchmesser und/oder dergleichen).
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Die Turbinenregelventilglieder 202 beziehungsweise 204 stehen z. B. über Kanäle 202a beziehungsweise 204a in Fluidkommunikation mit dem Auspuffkrümmersystem 112. Die Turbinenregelventilglieder 202 beziehungsweise 204 stehen auch in Fluidkommunikation z. B. über den Kanal 206 mit dem Niederdruckturbinenabschnitt 104. Ein Kanal 208 gestattet den Austritt von Abgas aus dem Niederdruckturbinenabschnitt 104, z. B. zu einem Wastegate oder zu einem Auspuffsystem (nicht gezeigt). Ein optionales Wastegate oder Turbinenbypasssystem (z. B. ein Ventilglied (300)) steht in Fluidkommunikation mit den Kanälen 300a und 300b, deren beabsichtigter Zweck hierin beschrieben wird.
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Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Turbinenregelventilglieder 202 beziehungsweise 204 in einer beliebigen Anzahl von Weisen gesteuert werden, einschließlich mechanisch (z. B. Federn oder andere vorspannbare Glieder, Leerlaufeinrichtungen und/oder dergleichen), pneumatisch, elektronisch (z. B. durch impulsbreitenmodulierte (PWM) Elektromagnete) oder einer Kombination aus mechanischen, pneumatischen und/oder elektronischen Verfahren. Außerdem können zusätzliche Steuermechanismen, wie etwa unter anderem das MSG des Fahrzeugs, z. B. in Verbindung mit entsprechenden Überwachungseinrichtungen, die Funktion des Ventilsystems 200 und insbesondere der Turbinenregelventilglieder 202 beziehungsweise 204 überwachen und/oder steuern.
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Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das optionale Wastegate oder das Turbinenbypassventilglied 300 in einer beliebigen Anzahl von Weisen gesteuert werden, einschließlich mechanisch (z. B. Federn oder andere vorspannbare Glieder, Leerlaufeinrichtungen und/oder dergleichen), pneumatisch, elektronisch (z. B. durch impulsbreitenmodulierte (PWM) Elektromagnete) oder einer Kombination aus mechanischen, pneumatischen und/oder elektronischen Verfahren. Außerdem können zusätzliche Steuermechanismen, wie etwa unter anderem das MSG des Fahrzeugs, z. B. in Verbindung mit entsprechenden Überwachungseinrichtungen, die Funktion des Wastegates oder des Turbinenbypassventilglieds 300 überwachen und/oder steuern.
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Ein optionales Verdichterbypasssystem (z. B. ein Ventilglied) 400 steht in Fluidkommunikation mit dem Hochdruckverdichterabschnitt 106, dessen beabsichtigter Zweck hierin beschrieben wird. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Verdichterbypasssystem 400 passiv gesteuert. Das Verdichterbypassventilglied 400 steht ebenfalls in Fluidkommunikation mit dem Kanal 400a (der aus dem Niederdruckverdichterabschnitt 108 austritt) und dem Kanal 400b (der in das optionale Zwischenkühlersystem 44 eintritt), z. B. über Kanäle 400c und 400d. Der beabsichtigte Zweck des Verdichterbypassventilglieds 400 wird hierin beschrieben. Frischluft wird über den Kanal 108a in das Niederdruckverdichtersystem 108 und Komponenten dahinter eingeleitet.
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Wenn Bedingungen niedriger Motordrehzahl und geringer Last vorliegen, sind die Motordrehzahl und die Last relativ niedrig, wobei der resultierende Abgasmassenstrom und der Druck ebenfalls relativ niedrig liegen. In diesem Fall läuft der Motor 18 und erzeugt einen Abgasstrom, der schließlich durch das Auspuffkrümmersystem 112 gelenkt wird. Die Turbinenregelventile 202 beziehungsweise 204, das optionale Wastegate oder das optionale Turbinenbypassventilglied 300 und das optionale Verdichterbypassventilglied 400 sind alle geschlossen, d. h. ein Abgasstrom kann nicht dort hindurch erfolgen. Wie bereits angemerkt, kann die aktive Steuerung von einem oder mehreren dieser verschiedenen Ventilglieder durch die Verwendung des MSG des Fahrzeugs sowie über verschiedene, in Kommunikation damit stehende Sensoren erfolgen.
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Als solches muss der Abgasstrom durch das Hochdruckturbinensystem 102 strömen. Da das Hochdruckturbinensystem 102 z. B. über Kanal 116 mit dem Niederdruckturbinensystem 104 in Fluidkommunikation steht, wird mindestens ein Teil des Abgasstroms in das Niederdruckturbinensystem 104 eingeleitet.
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Wenn die Drehzahl des Hochdruckturbinensystems 102 zunimmt, nimmt auch die Drehzahl des assoziierten Hochdruckverdichtersystems 106 zu. Auch die Drehzahl des Niederdruckturbinensystems 104 steigt bis zu einem gewissen Ausmaß, wenngleich in einem geringeren Ausmaß als die des Hochdruckturbinensystems 102, und auch die Drehzahl des assoziierten Niederdruckverdichtersystems 108 nimmt in einem gewissen Ausmaß zu, wenngleich in einem geringeren Ausmaß als die des Hochdruckverdichtersystems 106. Auf diese Weise wird z. B. von dem Kanal 108a kommende Frischluft z. B. über das Niederdruckverdichtersystem 108 und das Hochdruckverdichtersystem 106 verdichtet und schließlich in den Ansaugkrümmer 128 des Motors 118 eingeleitet.
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Wenn Bedingungen einer Übergangsmotordrehzahl und einer Übergangslast vorliegen, nehmen die Motordrehzahl und die Last zu, wobei auch der resultierende Abgasmassenstrom und der Druck zunehmen. In diesem Fall läuft der Motor 118 immer noch und erzeugt einen zunehmenden Abgasstrom, der wieder schließlich durch das Auspuffkrümmersystem 112 gelenkt wird. Das Turbinenregelventil 204, das Wastegate oder das Turbinenbypassventilglied 300 und das Verdichterbypassventilglied 400 sind alle geschlossen, d. h. ein Abgasstrom kann nicht dort hindurch stattfinden. Wie bereits angemerkt, kann die aktive Steuerung von einem oder mehreren dieser verschiedenen Ventilglieder durch die Verwendung des MSG des Fahrzeugs sowie über verschiedene, in Kommunikation damit stehende Sensoren erfolgen. Das Turbinenregelventil 202 ist jedoch geöffnet, d. h. ein Abgasstrom kann dort hindurch stattfinden.
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Als solches muss mindestens ein Teil des Abgasstroms durch das Hochdruckturbinensystem 102 strömen. Da das Turbinenregelventil 202 in Fluidkommunikation mit dem Niederdruckturbinensystem 104 steht, z. B. über den Kanal 206, wird mindestens ein Teil des Abgasstroms in das Niederdruckturbinensystem 104 eingeleitet.
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Wenn die Drehzahl des Hochdruckturbinensystems 102 zunimmt, nimmt auch die Drehzahl des assoziierten Hochdruckverdichtersystems 106 zu. Auch die Drehzahl des Niederdruckturbinensystems 104 nimmt etwa auf die des Hochdruckturbinensystems 102 zu, und auch die Drehzahl des assoziierten Niederdruckverdichtersystems 104 nimmt zu einem Ausmaß von etwa der des Hochdruckverdichtersystems 106 zu. Auf diese Weise wird z. B. aus dem Kanal 108a kommende Frischluft z. B. über das Niederdruckverdichtersystem 108 und das Hochdruckverdichtersystem 106 verdichtet und schließlich in den Ansaugkrümmer 128 des Motors 118 eingeleitet.
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Wenn Nennbedingungen für Motordrehzahl und Last vorliegen, haben die Motordrehzahl und die Last ihre maximalen Niveaus erreicht, auch der resultierende Abgasmassenstrom und -druck haben ihre maximalen Niveaus erreicht. In diesem Fall läuft der Motor 118 immer noch und erzeugt einen maximalen Abgasstrom, der schließlich wieder durch das Auspuffkrümmersystem 112 gelenkt wird. Die Turbinenregelventile 202 beziehungsweise 204, optional das Wastegate oder das Turbinenbypassventilglied 300 und optional das Verdichterbypassventilglied 400 sind alle offen, d. h., ein Abgasstrom kann dort hindurch stattfinden. Wie bereits angemerkt, kann die aktive Steuerung von einem oder mehreren dieser verschiedenen Ventilglieder durch die Verwendung des MSG des Fahrzeugs sowie über verschiedene, in Kommunikation damit stehende Sensoren erfolgen.
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Als solches strömt der Abgasstrom oder mindestens ein großer Teil davon nicht durch das Hochdruckturbinensystem 102, d. h. das Hochdruckturbinensystem 102 wird im Wesentlichen umgangen. Da das Auspuffkrümmersystem 112 in Fluidkommunikation mit dem Turbinenbypasssystem 200 steht, z. B. über Kanäle 202a beziehungsweise 204a, wird der ganze Abgasstrom oder mindestens ein großer Teil davon in das Niederdruckturbinensystem 104 eingeleitet. Weil auch das Wastegate oder das Turbinenbypassventilglied 300 offen ist, kann mindestens ein Teil des Abgasstroms das Niederdruckturbinensystem 104 umgehen, z. B. falls der Abgasstromdruck ein vorbestimmtes Niveau übersteigt, das das Niederdruckturbinensystem 104 oder irgendwelche anderen Komponenten des Turboladersystems 100 und/oder des Motorsystems 110 beschädigen könnte.
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Da sich das Niederdruckturbinensystem 104 auf maximaler Drehzahl befindet, erreicht auch das assoziierte Hochdruckverdichtersystem 108 die maximale Drehzahl. Auf diese Weise wird z. B. von dem Kanal 108a kommende Frischluft z. B. über das Niederdruckverdichtersystem 108 verdichtet und schließlich in den Ansaugkrümmer 128 des Motors 118 eingeleitet. Wenngleich das Hochdruckturbinensystem 102 im Wesentlichen umgangen wird, kann eine minimale Menge an Abgasstrom dort hindurch gehen, was bewirken kann, dass das assoziierte Hochdruckverdichtersystem 106 bis zu einem gewissen Ausmaß aktiviert werden kann. Selbst falls dies eintritt, ist das Verdichterbypassventilglied 400 offen, so dass das Hochdruckverdichtersystem 106 umgangen oder im Wesentlichen umgangen wird. Der beabsichtigte Zweck des Verdichterbypassventilglieds 400 besteht darin, einen Schaden an dem Hochdruckverdichtersystem 106 zu verhindern, wenn der von dem Niederdruckverdichtersystem 108 kommende Hochgeschwindigkeitsluftstrom z. B. über den Kanal 400a dort austritt. Außerdem verbessert das Verdichterbypassventilglied 400 auch die gesamte Systemeffizienz. Somit kann der Hochgeschwindigkeitsluftstrom stattdessen durch die Kanäle 400c bezeiehungsweise 400d in den Kanal 400b und schließlich in den Ansaugkrümmer 122 fließen.
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Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur, und somit sollen Variationen, die nicht von dem Grundgedanken der Erfindung abweichen, innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen. Solche Variationen sind nicht als eine Abkehr von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6089019 [0003]
- US 6263672 [0003]
- US 6415846 [0003]
- US 6543228 [0003]
- US 6694736 [0003]
- US 6709160 [0003]
- US 6715288 [0003]
- US 6802184 [0003]
