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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf abgasgetriebene Turbolader
und auf Systeme zur Anwendung bei Verbrennungsmotoren und insbesondere
auf einen Turbolader mit einem integralen Elektromotor-Generator
und einer Steuerung für
verbesserte Motorleistung und zur Erzeugung von elektrischen Strom.
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Hintergrund
der Erfindung
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Turbolader
sind wohlbekannt und werden weithin bei Verbrennungsmotoren zum
Zwecke der Steigerung der Leistungsausgabe verwendet, weiter zur
Verringerung des Brennstoffverbrauches und der Emissionen und zur
Kompensation eines Luftdichtenverlustes während eines Betriebes bei großen Höhen. Im
allgemeinen liefern Turbolader eine gesteigerte Ladeluftversorgung
für den
Verbrennungsprozess, die in anderer Weise durch natürliche Beatmung
durch Verwendung der Abgasenergie zum Antrieb eines Luftkompressors
eingeleitet werden kann. Diese gesteigerte Luftversorgung gestattet,
dass mehr Brennstoff verbrannt wird, wodurch die Leistung und die
Ausgabe gesteigert wird, die anders aus einem Motor mit einer gegebenen
Zylinderverdrängung
bzw. einem gegebenen Hubraum unter Bedingungen der natürliche Beatmung
nicht erhalten werden kann. Zusätzliche
Vorteile weisen die Möglichkeit auf,
leichtere Motoren mit niedrigerer Verdrängung mit entsprechendem niedrigeren
gesamten Fahrzeuggewicht zu verwenden, um den Brennstoffverbrauch
zu reduzieren, und die Anwendung von verfügbaren Produktionsmotoren,
um verbesserte Leistungscharakteristiken zu erhalten, und um eine
Kombination aus gesteigerter Leistung mit verringertem Brennstoffverbrauch
zu erreichen.
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Einige
Turboladeranwendungen weisen das Vorsehen eines Zwischenkühlers auf,
um Wärme
aus der Ladeluft abzuführen
(sowohl eine Umgebungswärmekomponente
als auch Wärme,
die während der
Ladeluftkompression erzeugt wird), bevor sie in den Motor eintritt,
wodurch eine noch dichtere Luftladung vorgesehen wird, die zu den
Motorzylindern zu liefern ist. Zwischengekühlte Turboaufladung, die auf Verbrennungsmotoren,
wie beispielsweise Dieselmotoren, angewandt wurde, hat bekannterweise
signifikant die Leistungsausgaben einer gegebenen Motorgrösse im Vergleich
zu natürlich
beatmeten Motoren mit der gleichen Motorverdrängung bzw. dem gleichen Hubraum
gesteigert.
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Zusätzliche
Vorteile der Turboaufladung weisen Verbesserungen des thermischen
Wirkungsgrades aufgrund der Anwendung von einem Teil der Energie
des Abgasstroms auf, die sonst an die Umgebung verloren gehen würde, und
die Tatsache, dass Nenn-Leistungen auf Höhe des Meeresspiegels bis zu
großen
Höhen aufrecht
erhalten werden.
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Bei
mittleren bis hohen Motordrehzahlen gibt es übermäßig viel Energie im Motorabgasstrom,
und über
diesen Betriebsdrehzahlbereich kann der Turbolader die Motorzylinder
mit der gesamten Luft beliefern, die für eine effiziente Verbrennung
und maximale Leistung und maximale Drehmomentausgabe für eine gegebene
Motorkonstruktion benötigt
wird. Bei gewissen Anwendungen jedoch wird eine Abgasauslassklappe
benötigt,
wenn das heißt
eine Entlüftung,
um übermäßige Energie
in dem Motorabgasstrom abzuleiten, bevor er in die Turbolader Turbine eintritt,
um zu verhindern, dass der Motor überladenen wird. Typischerweise
wird die Auslassklappe eingestellt, so dass sie sich bei einem Druck öffnet, unter dem
eine nicht wünschenswerte
Vorzündung
oder ein inakzeptabel hoher Verbrennungsmotorzylinderdruck erzeugt
werden kann.
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Jedoch
leidet der turboaufgeladene Motor unter einer innewohnenden Schwäche dahingehend, dass
es bei sehr niedrigen Motordrehzahlen nicht ausreichend Gasenergie
im Abgasstrom gibt, wie diese bei höheren Motordrehzahlen zu finden
ist, um signifikante Niveaus des Luftladedruckes zu erzeugen, und
diese fehlende Energie verhindert, dass der Turbolader ein signifikantes
und leicht verfügbares Niveau
der Aufladung in dem Motoreinlassluftsystem bei niedrigen Motordrehzahlen
liefert. Als eine Folge gibt es eine merkliche Zeitverzögerung zwischen dem
Zeitpunkt, wenn die Drossel zum Zwecke der Beschleunigung des Motors
aus niedrigen Drehzahlen geöffnet
wird, und dem Zeitpunkt, wenn der Turboladerrotor sich schnell genug
bewegt, um genügend
Luftladedruck (Aufladungsdruck) zu erzeugen, um die erwünschte Beschleunigung
zu erzeugen, während
man merkliche Mengen von Ruß eliminiert, wenn
der Motor beschleunigt wird. Brennstoffsteuervorrichtungen, wie
beispielsweise Zahnstangenwegbegrenzungen (Rack-Begrenzungen) oder Anaeroid-Steuerungen
sind im Stand der Technik eingesetzt worden, um die Brennstoffmenge
zu begrenzen, die zum Motorzylinder geliefert wird, bis der Turbolader schnell
genug läuft,
um ausreichend Luft zu liefern, um die im allgemeinen rußfreie Verbrennung
zu erzeugen. Jedoch rufen diese Brennstoffbegrenzungsvorrichtungen
bekannterweise ein merklich langsameres Ansprechen auf das Öffnen der
Drossel (Turboloch) hervor, und zwar mit entsprechendem langsamen
Verhalten des Ansprechens des Motors und des Fahrzeugs.
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Turbolader
können
einen sehr effizienten Betrieb bei den Bedingungen bezüglich des
Massenflusses und des Druckes ausführen, für die sie ausgelegt sind. Wenn
Sie jedoch außerhalb
der ausgelegten Fluss- unter Druckparameter betrieben werden, sinken
die Komponentenwirkungsgrade der Turbine und des Kompressors. Wenn
beispielsweise ein Turbolader ausgelegt und optimiert ist, um mit
einem Spitzenwirkungsgrad bei der maximalen Drehzahl und dem maximalen
Lastbereich eines speziellen Motors zu laufen, dann werden die Wirkungsgrade der
Turbinen- und Kompressorkomponenten wahrscheinlich bei niedrigen
Motordrehzahlen beeinträchtigt
sein. Um die zum Motor bei der Drehmomentspitze oder unter der Drehmomentspitze
gelieferte Luftmenge zu steigern wird die Turboladerturbine an den niedrigen
Motordrehzahlenbereich angepasst, und zwar durch Verringerung des
Halsteils des Turbinengehäuses,
um die Gasgeschwindigkeit zu verringern, die in das Turbinenrad
eintritt. Dies steigert die Drehzahl des Turboladerrotors, bringt
aber auch einen höheren
Rückdruck
in das Motorauslasssystem, was schädlich für die Motorleistung ist, insbesondere
bei höheren
Motordrehzahlen und Motorbelastungen.
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Insbesondere
ist eine nicht wünschenswerte Konsequenz
der Verringerung des Halsteils bzw. Querschnittteils des Turbinengehäuses, das
der kleinerer Halsquerschnitt bewirkt, dass der Turboladerrotor
sich "mit übermäßiger Drehzahl" dreht, wenn der
Motor bei maximaler Belastung und maximaler Drehzahl betrieben wird,
und dies erzeugt einen Luftladedruck, der die Konstruktionsbegrenzungen
aufgrund eines Übermaßes an Abgasenergie
bei hohen Motordrehzahlen und hohen Motorbelastungen überschreiten
kann. Diese Konsequenz machte die Anwendung einer "Auslassklappe" oder eines Abgasüberleitungsventils
(Bypass Ventils) in dem Abgassystem nötig, was einen Teil des Abgasstroms
aus der Turbine heraus entlüftet
und die Rotordrehzahl auf einen festen Wert beschränkt. Als
eine Folge ist der maximale Luftladungsdruck über den hohen Bereich der Motordrehzahl
begrenzt, um die Motorzylinderdrücke
auf gesteuerten Niveaus zu halten, während wirkungsvoll ein Betrieb über diesen
eingeschränkten
Niveaus verhindert wird.
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Typischerweise
werden jedoch Turbolader an existierende Motoren mit guter Leistung
in der Mitte des Motordrehzahlbereiches angepasst, gewöhnlicherweise
bei der Drehzahl, wo maximales Drehmoment erforderlich ist, und
im allgemeinen nicht bei der maximalen Motordrehzahlen und Motorbelastung. Entsprechend
erfordert dieses Anpassungsverfahren auch allgemein eine Auslassklappe
im Auslasssystem, um eine Überdrehzahl
des Turboladers bei maximalen Motordrehzahlen und Motorbelastungen
in der oben beschriebenen Weise zu verhindern. Ungeachtet dessen,
wie der Turbolader angepasst ist, gibt es jedoch immer noch einen
Mangel an Abgasfluss bei Motordrehzahlen unter der Drehmomentspitze und
bei niedrigen Motordrehzahlen, einschließlich der Leerlaufdrehzahl.
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Die
Turboverzögerungsperiode
und der Mangel an Wirkungsgrad des Turboladers bei niedriger Motordrehzahl
und während
der Beschleunigung kann abgemildert werden und kann in manchen Fällen nahezu
eliminiert werden, indem man eine externe Leistungsquelle verwendet,
um den Turbolader dabei zu helfen, auf Steigerungen der Motordrehzahl und
der Motorbelastung anzusprechen. Ein solches Verfahren ist es, eine
externe elektrische Energieversorgung zu verwenden, wie beispielsweise
Energie, die in Gleichstrom-Batterien
gespeichert ist, um einen Elektromotor mit Leistung zu versorgen,
der an der Turboladerdrehanordnung bzw. Turboladerantriebsanordnung
angebracht ist, der Drehmoment an den Turboladerrotor liefert, um
die Rotordrehzahl bei niedrigen Motorauslassflussraten bzw. Motorabgasflussraten
aufrecht zu erhalten oder zu steigern, um ausreichend Ladeluft zur
Verringerung von Ruß und Emissionen
während
der Beschleunigung des Motors zu liefern.
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Turboaufladungssysteme
mit integralen Hilfsmotoren werden vollständiger in den US-Patenten 5
605 045 und 5 870 894 beschriebenen, wobei diese Offenbarungen hier
durch Bezugnahme mitaufgenommen seien.
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Bezüglich des
Standes der Technik sei weiter hingewiesen auf US-A-5 088 286, die
ein Turboladersystem zur Anwendung bei einem Verbrennungsmotor offenbart,
wobei das Turboaufladungssystem ein Steuersystem aufweist, welches
einen Turbolader steuert, der eine sich drehende elektrische Maschine aufweist,
die als Motor oder Generator betreibbar ist. Wenn die sich drehende
elektrische Maschine als Motor arbeitet, der mit elektrischer Leistung
versorgt wird, steuert das Steuersystem die Menge, um die die elektrische
Leistung zu reduzieren oder zu steigern ist, und zwar abhängig von
der Veränderungsrate
der Drehzahl des Turboladers in einem Drehzahlsteuerbereich für den Turbolader,
wodurch das Ausmaß reduziert
wird, in dem die Drehzahl des Turboladers variiert.
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Weiterhin
sei hingewiesen auf
US
4 745 755 A , die einen Superlader beschreibt, der mit einem Verbrennungsmotor
assoziiert ist, der eine drehbare Welle hat, auf der eine elektrische
sich drehende Maschine montiert ist, die als ein Elektromotor oder
als elektrischer Generator betreibbar ist. Wenn das Motorfahrzeug,
das durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, abgebremst wird,
um gebremst zu werden, wird die sich drehende Maschine als Generator
betrieben, um der Superlader-Turbine zu ermöglichen, virtuell als eine
Last auf die Auslasssammelleitung des Motors zu wirken, wodurch
die Kraft einer Motorbremse gesteigert wird. Wenn das Motorfahrzeug
weiter abgebremst werden soll, wird die sich drehende Maschine als
Motor betrieben, um die Drehung des Turbinenlaufrad des um zu klären, um weiter
die Last auf die Auslasssammelleitung zu steigern, um der Motorbremse
Kraft zuzuführen.
Während
die sich drehende Maschine als der Generator betrieben wird, wird
dadurch erzeugte elektrische Leistung verwendet, um eine Batterie
aufzuladen. Wenn die sich drehende Maschine als der Motor betrieben
wird, wird die gespeicherte elektrische Leistung von der Batterie
zu der sich drehenden Maschine geliefert.
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Entsprechend
gibt es immer noch eine Notwendigkeit eines verbesserten Verbrennungsmotorsystems,
welches die Motorleistung und das Ansprechen des Motors bei niedriger
Drehzahl verbessert und Emissionscharakteristiken eines herkömmlichen Verbrennungsmotors
verbessert, und auch für
ein verbessertes Turboaufladungssystem zur Steuerung und Optimierung
der Leistung eines turboaufgeladenen Motors.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zur Turboaufladung eines Verbrennungsmotors
nach Anspruch 1 und eines Turboaufladungssystems zur Anwendung bei
einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 10 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die Probleme von früheren
Systemen und sieht einen verbesserten Verbrennungsmotor und verbesserte Turboaufladungssysteme
vor, indem sie einen Verbrennungsmotor mit einem durch einen Motor-Generator
unterstützten
Turbolader vorsieht, und weiter ein Steuersystem zur Verbesserung
der Motorleistung über
seinen gesamten Betriebsbereich.
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Systeme
der Erfindung weisen vorzugsweise Turbolader auf, wie beispielsweise
jene, die in den US-Patenten Nr. 5 605 045 und 5 870 894 offenbart werden,
die einen oder mehrere Permanentmagneten aufweisen, wodurch integrale
unterstützende
Motor-Generatoren vorgesehen werden. Die Magneten sind benachbart
zu den Motorwicklungen, wie beispielsweise den Statorwicklungen
in einem Turboladerlagergehäuse.
Da die Permanentmagneten des Motors an der sich drehenden Anordnung
des Turboladers gesichert sind, kann der unterstützende Motor-Generator in einem
Unterstützungsbetriebszustand
bzw. Hilfsbetriebszustand betrieben werden und Drehmoment erzeugen,
um die verfügbare
Abgasenergie bei der Beschleunigung des Motors bis zu einer gegebenen
Rotordrehzahl zu unterstützen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das System so ausgelegt werden, dass das unterstützende Motordrehmoment
einen Wert von Null auf oder über
der Drehmomentspitzendrehzahl des Motors erreicht, wenn der Turbolader
beim höchsten
Wirkungsgrad läuft.
Ein elektronisches Steuersystem wird eingesetzt, um den Hilfsmotor
zu gestatten, Drehmoment zum Turboladermotor über den Bereich niedriger Motordrehzahl
zu liefern, und das elektronische Steuersystem kann auf einen Generatorbetriebszustand über den
Bereich mit hoher Motordrehzahl umschalten. Durch Anwendung einer
solchen Steuerung kann die von dem Hilfsmotor erzeugte Leistungsmenge
an die übermäßige Abgasenergie
angepasst werden, die notwendigerweise in dem Bereich mit hoher
Motordrehzahl geliefert wird, so dass ein konstantes Ladeniveau
in dem Lufteinlasssystem aufrechterhalten werden kann. Entsprechend
ist ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die herkömmliche
Auslassklappe weggelassen wird, wodurch die schlechten Wirkungsgrade
der früheren Systeme
minimiert oder eliminiert werden, die direkt in Beziehung mit dem
nicht geleiteten und verschwendeten Abgasfluss sind. Wenn der unterstützende Motor-Generator
elektrischen Strom aus der übermäßigen Abgasenergie
erzeugt, wenn der Motor mit hohen Drehzahlen im Generatorbetriebszustand läuft, kann
weiterhin der Regenerationsstrom in das elektrische Systemen des
Fahrzeugs zum Zwecke der Aufladung der Batterien gespeist werden,
und der unterstützende
Motor-Generator kann eine Bremswirkung für den Turboladerrotor vorsehen.
Somit kann der unterstüt zende
Motor Strom von den Batterien aufnehmen, wenn die Aufladung über den
Bereich mit niedriger Motordrehzahl gesteigert werden muss, und
kann Strom zurück
in die Batterien während
des Bereiches mit hoher Motordrehzahl einspeisen, wenn es eine Notwendigkeit
gibt, die maximale Turboladerdrehzahl zu begrenzen, und wenn übermäßige Energie
vorhanden ist, die in dem Motorabgas Strom verfügbar ist.
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Entsprechend
können
der verbesserte Turbolader und das Steuersystem der vorliegenden
Erfindung die Elemente einer sich drehenden elektrischen Maschine
und eines Turboladers mit optimaler integrierter Konstruktion kombinieren,
der das auf den Turboladerrotor aufgebrachte Drehmoment maximieren
kann und irgend einen Kompromiss in der grundlegenden Auslegungskonfiguration
des Turboladers minimieren kann, und zwar mit einer elektrischen
Steuervorrichtung, die die Auslassklappe von Systemen des Standes
der Technik eliminieren kann, wodurch die Motorleistung und der
Betriebswirkungsgrad verbessert werden und die Motoremissionen verringert
werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den Zeichnungen und
einer detaillierten Beschreibung offensichtlich, die folgt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht von einem Ausführungsbeispiel der Turboladervorrichtung der
vorliegenden Erfindung, die in einer Ebene durch die Längsachse
der Hauptwelle des Turboladers aufgenommen ist;
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2 ist
eine Ansicht eines Stators, der konfiguriert ist, um radial außerhalb
der Kompressorradmagneten in dem in 1 gezeigten
Turbolader aufgenommen zu werden;
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3 ist
eine Querschnittsansicht von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Turboladervorrichtung,
die in einer Ebene durch die Längsachse der
Hauptwelle des Turboladers aufgenommen ist, die den Stator in einer
axialen versetzten Orientierung relativ zu den Kompressorradmagneten
zeigt;
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4 ist
eine Ansicht des Kompressorrades der 3, die die
Motormagneten zeigt, die an dem Kompressorrad befestigt sind;
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5 ist
eine Ansicht der Motorwicklungen, die an einer Stirnseitenplatte
gesichert sind, die an dem Turboladergehäuse benachbart zu den Motormagneten
anzubringen ist;
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6 ist
noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Turboladervorrichtung, aufgenommen in einer Ebene durch die
Längsachse
der Hauptwelle des Turboladers, die einen Wassermantel zeigt, der
integral mit dem mittleren Gehäuse
davon ausgeformt ist, um einen Motorkühlmittelfluss aufzunehmen;
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7 ist
eine grafische Darstellung des Ladedruckes gegenüber der Motordrehzahl des Turboladersystems
und der Steuervorrichtung der vorliegenden Erfindung, und zwar diagrammartig
aufgelistet gegen Überladungsverluste
eines Turboladers des Standes der Technik, der mit einer Auslassklappe
versehen ist;
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8 ist
eine schematische Ansicht eines Steuersystems der vorliegenden Erfindung
für einen Zwei-Takt-Motor
gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung; und
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9 ist
eine schematische Ansicht eines Steuersystems der vorliegenden Erfindung
für einen Vier-Takt-Motor
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung weisen einen Turbolader mit einem internen unterstützende Motor-Generator
auf, der in einer Anzahl von Konfigurationen verkörpert sein
kann. Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 kombiniert
beispielsweise der Turbolader 10 die Elemente einer sich
drehenden elektrischen Maschine und eines Turboladers bei der Erfindung.
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Der
Turbolader 10 ist außer
den internen Elementen des Motor-Generators im wesentlichen von herkömmlicher
Konstruktion, Struktur und Größe. Der
Turbolader 10 weist ein Turbinengehäuse oder ein Gehäuse 12 auf,
um ein Abgas Turbinenrad 14 mit mehreren Flügeln und
ein Luftladekompressorrad 16 mit einer Vielzahl von Flügeln 17 aufzunehmen, das
an den gegenüberliegenden
Enden einer gemeinsamen Verbindungswelle 18 montiert ist.
Die Turbine 20 weist ein Turbinengehäuse 12 auf, welches
einen Abgasstromeinlassraum 12 aufweist, der angeschlossen
ist, um Abgas von einem Verbrennungsmotor aufzunehmen, der bei manchen
Anwendungen eine Auslasssammelleitung hat, die in zwei Abschnitte 22a, 22b aufgeteilt
ist, wobei jeder Abschnitt Abgas von einem anderen Satz von (nicht
gezeigten) Motorzylindern aufnimmt. Das Abgas wird zum Turbinenrad 14 und
zur Welle 18 geleitet und treibt diese zur Drehung an.
Nach dem Durchleiten durch das Turbinenrad 14 fließt der Abgasstrom
aus dem Turbolader durch eine Auslassentlüftung 24.
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Die
Drehung der Welle 18, die in dem Lagergehäuse 19 befestigt
ist, dreht das angebrachte Kompressorrad 16 am gegenüberliegenden
Ende der Verbindungswelle 18, und Verbrennungsluft wird durch
eine Lufteinlassöffnung 26 gezogen,
die in einem Kompressorgehäuse 28 ausgeformt
ist, und zwar nach der durch Leitung durch einen (nicht gezeigten)
geeigneten Filter, um Verunreinigungen zu entfernen. Das Kompressorgehäuse 28 weist
einen Raum 30 auf, um die komprimierte Verbrennungsluft zu
einer (nicht gezeigten) Motoreinlasssammelleitung zu leiten. Das
Kompressorrad 16 ist auf der sich drehenden Welle 18 zwischen
einer Verriegelungsmutter bzw. Wellenmutter 32 und einer
Hülse 34 in dem
Lagergehäuse 19 gesichert.
Die herein fließende
Verbrennungsluft wird durch die angetriebenen Kompressorradflügel 17 zusammen
gedrückt,
die auf einer Vorderseite des Kompressorrades 16 ausgeformt
sind. Nachdem sie durch das Kompressorrad 16 komprimiert
worden ist und durch einen Diffusorabschnitt 35 gelaufen
ist, wird die komprimierte Verbrennungsluft durch den Einlassraum 30 geleitet
und zu dem (nicht gezeigten) Einlasssammelleitungssystem des Motors
geliefert.
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Die 1 und 2 zeigen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer internen Anordnung des Motor-Generators und des Turboladers
der Erfindung. Wie beispielsweise in 1 gezeigt,
ist in einer solchen inneren Anordnung 33 eines Motor-Generators
eine Vielzahl von Magneten 36 im allgemeinen in einer umlaufenden
Anordnung um die Rückseite
des Kompressorrades 16 mit einer konstanten radialen Versetzung
von der Verbindungswelle 18 montiert, obwohl in Betracht
gezogen wird, dass eine solche Anordnung gestuft sein kann oder
in anderer Weise anders in Maschinen der Erfindung zum besseren Ausgleich
der Trägheit
und der erzeugten Drehmomente und so weiter positioniert sein kann.
In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Magneten 36 auf einer umlaufenden Schulter oder
Kante 38 montiert, die in der Rückseite des Kompressorrades 18 ausgeformt ist,
und werden gegen Zentrifugale Kräfte
und axiale Kräfte
durch eine sich umlaufend erstreckende Stahl-Haltehülse 40 am
Platz gehalten.
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Eine
Motorwicklung, wie beispielsweise eine Statorwicklung 42,
die aus einem elektrischen Leiter besteht, wie beispielsweise aus
einem Kupferdraht 44, der um einen laminierten Stahl-Kern 46 gewickelt ist,
ist in dem Lagergehäuse 19 des
Turboladers 10 gelegen und erstreckt sich radial nach außerhalb
der Magneten 36, die an dem Kompressorrad 16 gesichert
sind. Ein Luftspalt, der im allgemeinen bei 48 gezeigt
ist, ist zwischen der Stahl-Haltehülse 40 und dem
Innendurchmesser der Motorwicklung 42 vorgesehen, um ein
notwendiges Laufspiel vorzusehen und irgendeinen physischen Kontakt
dazwischen zu verhindern.
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Die
Drähte 44 der
Motorwicklung 42 erstrecken sich zu Verbindungsdrähten 50,
die an der Stelle 52 enden (die außerhalb der Ebene gezeigt ist),
wo sie aus dem mittleren Gehäuse
durch eine abgedichtete Passung bzw. Verschraubung 54 austreten kann,
und werden dann zu einer Steuerung und Leistungsversorgung geführt (wie
beispielsweise in den 8 und 9, wie weiter
unten beschrieben). Die abgedichtete Verschraubung 54 umkapselt
die Verbindungsdrähte 50,
um das Eintreten von Feuchtigkeit und Verunreinigungen zu verhindern.
Die Motorwicklung 42 wird in einer Orientierung ko axial
zur Verbindungswelle 18 durch eine oder mehrere Einstellschrauben 56 gehalten,
die sich durch ein sich nach außen
erstreckendes Segment 58 des Lagergehäuses 19 erstrecken,
und die mit dem Aussenumfang der Motorwicklung 42 in Eingriff
stehen.
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Bei
der Erfindung wird Drehmoment auf das Kompressorrad 16 durch
die Magneten 36 aufgebracht, wenn der Stator, d.h. die
Motorwicklung 42, durch die Steuerung und die Leistungsquelle
erregt wird (beispielsweise 8 und 9),
und dies steigert das Drehmoment, das auf die Verbindungswelle 18 durch
die Abgasturbine 14 aufgebracht wird, was bewirkt, dass
die sich drehende Anordnung des Turboladers sich schneller dreht,
als wenn sie nicht gemäß der Erfindung
betrieben werden würde.
Die schnellere Drehung des Kompressorrades 16 gestattet,
dass es den Motor mit einem größeren Luftfluss mit
höherem
Druck bei jeder Motordrehzahl versorgt, wodurch die Motorleistung
verbessert wird, während die
Menge des Rußes
und der Verunreinigungen reduziert wird, die während der Beschleunigung des Motors
ausgestoßen
werden.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass die zusätzlichen
Komponenten des Turboladers, die nicht im Detail besprochen werden,
in der Technik wohlbekannt sind, wobei diese die Wellenlager aufweisen,
die in dem Lagergehäuse 19 aufgenommen
sind, und Öldichtungselemente,
die für
eine zuverlässige
Unterstützung
der sich drehenden Anordnung und zum Halten und Filtern des Schmiermittels
notwendig sind, das gewöhnlicherweise
von einem unter Druck gesetzten Ölsystem
geliefert wird, um die Lager zu schmieren und zu kühlen. Beispielsweise
tritt ein Ölstrom
in das mittleren Gehäuse
beim Öleinlass 60 ein,
und nach dem Durchlaufen durch das Lagersystem, das beispielsweise
Kugellager 62 und Ölleitungen 64, 66, 68 aufweist,
fließt Öl zum Ablauf 70 und
wird dann zurück
zum (nicht gezeigten) Motorölsumpf
geleitet.
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Mit
Bezug auf 2 weist die Motorwicklung, d.h.
der Stator 42, eine Vielzahl von Lamellen bzw. Schichten 46 von
geeignetem magnetisch permeab lem Material auf. Die Lamellen 46 des
Stators 42 sind so ausgeformt, dass sie 6 Pole definieren,
die jeweils eine Polwicklung 72 aus Kupferdraht 44 tragen,
der elektrisch außerhalb
der Lamellen angeschlossen ist, und der progressiver erregt werden kann,
um ein sich drehendes Magnetfeld um den Aussenumfang der Magneten 36 herum
zu erzeugen. Das daraus resultierende sich drehende Magnetfeld stellt
eine Koppelung mit dem Magnetfeld der Magneten 36 her,
die an dem Kompressorrad 16 angebracht sind, um bei der
Drehung des Turboladers zu helfen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen.
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3, 4 und 5 zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel
80 eines Turboladers der Erfindung, der einen internen Motor-Generator
bzw. internen Komponenten eines Motor-Generators 38 aufweist.
Das zweite Ausführungsbeispiel
80 weist eine Vielzahl von Magneten 82 auf, die eine größere Abmessung
in radialer Richtung haben, die sich von einer Schulter 84 erstrecken,
die an einer radial dazwischen liegenden Stelle an der Rückseite
des Kompressorrades 16 ausgeformt sind. Insbesondere erstrecken
sich die Magneten 82 des zweiten Ausführungsbeispiels zu einer größeren radialen
Höhe in
einen ringförmigen
Raum, der zwischen der Schulter 84 und einer Innenseite 86 des
Gehäuseteils 58 definiert
ist. Ein Stator 88 wird in dem Lagergehäuse 37 in gegenüber liegender
axial versetzter Beziehung zu den Motormagneten 82 getragen.
Eine Haltehülse 85 gesichert
die Magneten 82 an dem Kompressorrad 16 gegen
zentrifugale Kräfte
und axiale Kräfte
in der zuvor beschriebenen Weise. Die restlichen Komponenten des
in 3 gezeigten Turboladers sind im wesentlichen die
Gleichen wie jene, die in 1 gezeigt
sind, und führen
die gleichen Funktionen aus, wie zuvor beschrieben.
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Die
Montage der Magneten mit den von den Motormagneten 36 axial
versetzten Wicklungen, wie in 3 gezeigt,
gestattet die Anwendung von größeren Magneten mit vergrößerter Abmessung in radialer
Richtung entlang der hinteren Stirnseite des Kompressorrades. Größere Magnetgrößen entsprechen
größeren Drehmomenten,
die somit auf das Kompressorrad 16 im Vergleich zu dem
in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgeübt werden können. Jedoch
trägt das
in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel, welches einen
axial versetzten Stator verwendet, zum zusätzlichen axialen Raum im Inneren
des Lagergehäuses 19 bei
und verlängert
den Überhang
des Kompressorrades 16 von dem Kompressor und den Lagern.
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Wiederum
mit Bezug auf 3 ist der Stator 88 benachbart
zu den Magneten 82 mit einem kleinen Luftspalt 90 dazwischen
positioniert. Die Wicklungen des Stators 88 weisen sechs
laminierte Kerne 92 auf, um die ein Kupferdraht 94 in
einer oder mehreren Lagen gewickelt ist. Die Verbindungen mit jedem
Draht 94 werden zu einer einzigen Stelle geleitet und treten
aus dem Lagergehäuse 37 durch
eine abgedichtete Armatur bzw. Verschraubung 96 aus und sind
zur Verbindung mit einer Steuerung und Leistungsversorgung verfügbar (beispielsweise
wie in 8 und 9 weiter unten beschrieben).
Die Magneten 82, die an der Rückseite des Kompressorrades 16 angebracht
sind, können
beispielsweise gemäß einem
Ausführungsbeispiel
mit vier Magneten 82 angeordnet sein, wie in 4 gezeigt;
jedoch kann eine größere oder
geringere Anzahl von Motormagneten 82 und eine größere oder
geringere Anzahl von Statorpolen bei diesem Turboaufladungssystem
verwendet werden. Gemäß dem in 4 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind die vier Magneten 82 in abwechselnder Nord-Süd-Polarität auf dem
hinteren Teil des Kompressorrades 16 benachbarte zum Stator
angeordnet und sind elektrischen voneinander isoliert.
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5 zeigt
eine Frontansicht der laminierten magnetischen Kerne 92,
wenn die auf einer Stirnseitenplatte 98 vorgesehen sind,
die an dem Lagergehäuse 37 des
Turboladers angebracht ist. Ein oder mehrere Hall-Effekt-Sensoren 100,
die an der Anordnung und vorzugsweise an einer zentrierten Stelle
an einem oder mehreren laminierten Magnetenkernen 92 befestigt
sind, werden verwendet, um die Position der Magneten 82 (4)
auf dem sich drehenden Glied zu detektieren, und um ein Signal an
die Steuerung zu senden (beispielsweise wie bei 8 und 9,
wie weiter unten beschrieben), um die Drehzahl des Turboladerrotors
anzuzeigen, und auch wann jedes der getrennten Wicklungsfelder zu
erregen ist.
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Wie
zuvor beschrieben, bleiben die Motormagneten von jedem Turboladerausführungsbeispiel 10
oder 80 relativ kühl,
und zwar dadurch, dass sie an dem sich drehenden Kompressorrad des
Turboladers angebracht sind und davon isoliert werden können. Das
Kompressorrad zieht Luft mit Umgebungstemperatur ein, und der Temperaturanstieg
aufgrund des Kompressionsprozesses findet ziemlich außerhalb
der Lage der Magneten auf dem Hinterteil des Kompressionsrades statt.
Jedoch können
die Wicklungen gekühlt
werden, indem man einen Kühlmittelflusspfad
integral mit dem Turboladerlagergehäuse vorsieht, beispielsweise
dem Lagergehäuse 19 der 1,
wie in 6 gezeigt. Insbesondere kann das Kühlwasser
von dem Motorkühlsystem
in den Wassermantel 102 beim Einlass 104 eintreten,
kann durch den Wassermantel 102 zirkulieren und am Auslass 106 austreten.
Der Kühlmantel 102 erstreckt sich
zu signifikanten Wärmesenkenzonen
und durch diese hindurch in Wärmeübertragungsbeziehung
zu der Statorwicklung 42 in dem Turboladergehäuse. Die
Zirkulation des Kühlströmungsmittels
kann natürlich
unabhängig
von dem Kühlungssystem
des Verbrennungsmotors sein, an dem der Turbolader der vorliegenden
Erfindung angebracht ist.
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Die
Leistung des Turboladers von jedem Ausführungsbeispiel 10 oder 80 oder
von einem externen Motor-Generator unter dem Befehl der elektrischen
Steuervorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in einer Kurve
des Ladedruckes gegenüber
der Motordrehzahl eines beispielhaften turboaufgeladenen Dieselmotors
gezeigt, der in 7 gezeigt ist, und wie weiter
in den 8 und 9 gezeigt, steuern die Steuervorrichtungen 144, 162 die
unterstützenden
Motor-Generatoren 146, 164 der Turboladeranordnungen 142, 162,
deren Betrieb weiter unten beschrieben wird.
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Wie
oben gezeigt, können
die Turbolader der Erfindung einen oder mehrere Sensoren aufweisen (beispielsweise
100), der bzw. die die Turboladerrotordrehzahl als ein Signal an
die Steuerung 144, 182 des unterstützenden
Motor-Generators ausgeben kann. Die Motor-Generatorsteuerung 144, 182 kann Mittel
zur Umwandlung der Turboladerrotordrehzahl in die Motordrehzahl
aufweisen, oder kann programmiert sein, so dass sie diese aufweist,
wenn sie einen Mikroprozessor aufweist. Die Steuerung kann zusätzlich oder
als Alternative mit einem Motordrehzahlsignal vom Motortachometer
und/oder mit einem Motorsammelleitungsdrucksignal beliefert werden, oder
mit anderen verwendbaren Motorparametersignalen (in den 8 und 9 durch
gestrichelte Linien 145 und 165 gezeigt), und
kann solche Motorsignale verwenden, um den unterstützenden
Motor-Generator wie unten beschrieben zu erregen bzw. einzuschalten,
zu entregen bzw. auszuschalten und durch eine Verbindung mit einer
elektrischen Stromlast zu laden.
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Bei
einer niedrigen Leerlaufdrehzahl von ungefähr 600 U/min könnte ein
Turbolader von Systemen des Standes der Technik keinen signifikanten Laderdruck
aufgrund der niedrigen Temperatur und der geringen Menge des Abgasflusses
erzeugen, wie durch die durchgezogene Leistungskurve 130 gezeigt.
Bei Motordrehzahlen über
ungefähr
1400 U/min, d.h. bei voller Belastung, wird der Turbolader übermäßig hohe
Drehzahl zeigen, und würde
ohne eine Auslassklappe Ladedrücke über einer
zulässigen
Grenze erzeugen (gezeigt als ein beispielhafter Ladedruck von ungefähr 45 Inch
Quecksilbersäule), wie
mit der Linie 134 mit abwechselnden langen und kurzen Strichen
in 7 gezeigt. Jedoch wird mit einer ladedruckgesteuerten
Auslassklappe, die auf oder ungefähr bei der zulässigen Ladedruckgrenze arbeitet
(beispielsweise 45 Inch Quecksilbersäule) die Turboladeraufladung
auf die zulässige
Grenze eingeschränkt,
wie durch die durchgezogene Linie 130 gezeigt. Die Auslassklappe
verschwendet jedoch in nicht wünschenswerter
Weise Energie über jener
Grenze durch Entlüftung
des Abgasstroms um die Turboladerturbine herum und aus dem Auslassrohr
heraus.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann jedoch ein Turbolader mit einem unterstützenden
Motor-Generator den Motor mit einer idealen Ladedruckkurve über den
gesamten Motordrehzahlbereich bis zu einer Nenn-Drehzahl von 2000
U/min für einen
beispielhaften Dieselmotor versehen (und bei höheren oder niedrigeren Motordrehzahlen
für andere
Dieselmotoren und an dere Arten von Verbrennungsmotoren). Der unterstützende Motor-Generator,
beispielsweise die internen Motor-Generatoren 33 oder 83 der
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele,
wirken als Motoren und helfen dem Turbolader dabei, sich mit einer
vorbestimmten minimalen Drehzahl im Leerlauf und bis zu der zwischen
Drehmomentspitzen Drehzahl von 1400 U/min zu drehen, wie von der
durchgezogenen Linie 132 gezeigt. Über der zwischen Drehmomentspitzendrehzahl
von 1400 U/min wirkt der unterstützende
Motor-Generator, beispielsweise 33 oder 83, als ein Generator, was
den Turbolader bei Geschwindigkeiten über 1400 U/min bremst, um einen
im wesentlichen konstanten Ladedruck aufrecht zu erhalten, wie von
der gestrichelten Linie 132 gezeigt, und zwar bei der zulässigen Ladedruckgrenze,
ohne in anderer Weise nützliche
Abgasstromenergie zu entlüften,
wie vom Stand der Technik angefordert. Der übermäßige Ladedruck von einer nicht
unterstützten Überdrehzahl
des Turboladers ohne Auslassklappenentlüftung ist durch die Kurve 134 mit
den abwechselnden langen und kurzen Strichen gezeigt, die sich von
der Leistungskurve 130 bei Ladedrücken über der Ladedruckgrenze erstrecken.
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Der
unterstützende
Motor-Generator, beispielsweise die internen Motoren-Generatoren 33 oder 83 der
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele,
kann ausgelegt sein, um den Turbolader mit einer erwünschten
maximalen Rotordrehzahl zu drehen, die volle Spannung der Batterie
des Verbrennungsmotors (beispielsweise die Batterie 150 oder 168 in
den 8 und 9) durch eine Steuervorrichtung
auf den unterstützenden
Motor-Generator aufgebracht wird, und wenn der Turboladerrotor durch
die Motorabgasenergie in zu höheren
Drehzahlen gezwungen wird (beispielsweise bei Motordrehzahlen oberhalb
von 1400 U/min im Beispiel der 7). Der
unterstützende
Motor-Generator kann Strom für
eine elektrische Last erzeugen, beispielsweise bei der erneuten
Aufladung der Batterie des Verbrennungsmotors, und kann als eine
Bremse für die
Drehung des Turboladerrotors zu wirken. Die Generator Abbremsung
als eine Folge der Erfindung ist als die Differenz des Ladedruckes
zwischen den Kurven 132 und 134 für Motordrehzahlen über 1400 U/min
gezeigt. 7 ist ein Beispiel für ein Ergebnis der Erfindung.
Das Motordrehmoment und die Generatorausgabe des unterstützenden
Motor-Generators können
durch die Steuermittel zugeschnitten sein, um andere Charakteristiken
des Ladedruckes gegenüber
der Motordrehzahl zu erzeugen, und zwar gemäß den Anforderungen von unterschiedlichen
Arten von Motoranwendungen.
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Ein
sehr wünschenswerter
Betriebszustand kann erzeugt werden durch Betrieb des unterstützenden
Motor-Generators (beispielsweise 33 oder 83) bei niedrigen Motordrehzahlen
auf einem ersten Erregungsniveau, um dem Turbolader dabei zu helfen, ein
vorbestimmtes Drehzahlniveau zur Erzeugung einer Aufladung aufrecht
zu erhalten, dann durch das Anheben des Erregungsniveaus für kurze
Zeitperioden, wenn angefordert wird, dass der Motor von niedrigeren
zu höheren
Motordrehzahlen beschleunigt. In dieser Weise kann der unterstützende Motor-Generator
ein viel höheres
Drehmoment erzeugen als das erste Niveau, und zwar zum Zweck der
Steigerung des Ladedruckes, der von dem Turbolader während der
Beschleunigung des Motors geliefert wird, wodurch Ruß im Abgas
gesenkt wird, wodurch die Abgasemissionen gesenkt werden, wodurch
die Beschleunigungszeit verkürzt
wird, und wodurch das Ansprechen des Motors auf plötzliche
Lastveränderungen
verbessert wird. Es wird offensichtlich sein, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf diese Motoren eingeschränkt ist und auf irgendeine
Art eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasfluss angewandt werden
kann.
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Viele
andere wünschenswerte
Betriebscharakteristiken werden durch Anwendung der geeigneten elektrischen
Steuerungen möglich,
um das Motordrehmomenten und den Abbremsungseffekt des Generators
zu variieren. Mit Bezug wiederum auf die 8 und 9 sind
Steuersysteme zum Betrieb von Zwei-Takt- und Vier-Takt-Verbrennungsmotoren gezeigt;
jene Steuersysteme sehen eine verbesserte betriebliche Steuerung
mit allen oben beschriebenen Vorteilen vor.
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Insbesondere
und mit Bezugnahme auf 8 hat der Motor im Falle eines
Zwei-Takt-Verbrennungsmotors, der schematisch mit dem Bezugszeichen 140 bezeichnet
ist, keinen Ansaughub und kann nicht gestartet werden, außer wenn
ein Kompressor eingesetzt wird, um Verbrennungsluft in einen Zylinder 141 während des
Anlaufens zu drücken. Mit
einem motorunterstützten
Turboladersystem der vorliegenden Erfindung kann der Hilfsmotor
erregt werden, wenn der Motor durch einen Startermotor durchgedreht
wird, und der Turboladerrotor kann durch den Hilfsmotor mit ausreichend
hoher Drehzahl gedreht werden, um einen positiven Ladedruck in dem
Einlasssammelleitungssystem zu liefern. Somit wird die Notwendigkeit
eines getrennten motorgetriebenen Kompressors, um einen Ladedruck
zum Starten zu liefern, zusammen mit der komplizierten Ausführung des
assoziierten mechanischen Antriebssystems eliminiert, was Einsparungen
bezüglich
des Gewichtes und bezüglich
der Komplexität des
Systems zur Folge hat.
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8 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Steuersystems der vorliegenden Erfindung, welches auf einen Zwei-Takt-Motor
mit einem Motor unterstützten
Turbolader 142 angewandt wird. Das Steuersystem weist eine
elektrische Steuervorrichtung 144 auf, die betriebsmässig angeschlossen
ist, um einen Erregungsstrom zu einem Hilfsmotor 146 für den Turbolader
zu liefern. Ein Zündungsschalter 148 wird
geschlossen, wenn der Zwei-Takt-Motor 140 zu
starten ist, wodurch der Hilfsmotor 146 durch die Energiequelle 150 erregt
wird, um den Turboladerrotor bis zur einer minimalen kontinuierlichen
Betriebsdrehzahl zu beschleunigen, die ermöglicht, dass der Motor 140 startet
und mit leichter Belastung läuft.
Wenn ein Gaspedal, eine Drosselverbindung oder ein (nicht gezeigter)
Getriebehebel bewegt wird, um schnell den Motor und/oder das Fahrzeug
zu beschleunigen, schließt
ein "Drosselschalter" 152 und erregt
eine besonders starke Energiequelle 154, die die Energiequelle 150 unterstützt, um
den Hilfsmotor 146 stark zu erregen, um bei der Beschleunigung
des Turboladerrotors zu helfen, und um daher eine verbesserte Beschleunigung
des Motors vorzusehen. Der "Drosselschalter" 152 kann
mit einer Druckpunktbetätigungsvorrichtungen
versehen sein, so dass der "Drosselschalter" nur geschlossen
wird, wenn die Drossel des Motors schnell bewegt wird.
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Ein
Rotordrehzahlsensor 156 für den Turbolader 142,
der benachbart zu einem integralen Elektromotor in dem Turbolader 142 gelegen
sein kann oder in diesem gelegen sein kann, kann ein Rotordrehzahlsignal 156a zur
Steuervorrichtung 144 senden, um beide Erregungsschaltungen 150, 154 des Motors 146 zu öffnen, wenn
die Rotordrehzahl ein vorbestimmtes hohes Niveau überschreitet,
wobei zu diesem Zeitpunkt der Turbolader 142 einen höheren Ladedruck
erzeugen kann als den Auslassdruck, wodurch der Motorbetrieb aufrecht
gehalten wird. Zu irgend einem folgenden Zeitpunkt, wenn die Turboladerrotordrehzahl
unter ein Niveau abfällt,
wo der Turbolader nicht länger
den Betrieb des Motors unterstützen
kann, kann das Rotordrehzahlsignal von der Steuervorrichtung 144 verwendet
werden, um den Hilfsmotor 146 auf seinem minimalen kontinuierlichen
Niveau zu erregen, und der Hilfsmotor 146 kann dem Turbolader
dabei helfen, eine Rotordrehzahl aufrecht zu erhalten, die nötig ist,
um den Motor im Betrieb zu halten. Zu jederzeit, wenn die Motorbeschleunigung
benötigt
wird, schließt
der Drosselschalter 152 die besonders starke Erregungsschaltung 154,
um wiederum dabei zu helfen, dem Turbolader und den Motor zu beschleunigen.
Zu jeder Zeit, wenn die Rotordrehzahl das vorbestimmte hohe Niveau überschreitet,
wie beispielsweise jenes, das der Ladedruckgrenze (7)
entspricht, wird das Rotordrehzahlsignal 156a von der Steuervorrichtung 144 verwendet,
um beide Erregungsschaltungen 150, 154 zu öffnen. Falls
erwünscht,
können
zusätzlich dazu
oder als Alternative ein oder mehrere Motorbetriebssignale 145 zur
Steuerung 144 geliefert werden, um solche Betriebsvorgänge zu bewirken.
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9 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Steuersystems der Erfindung, das auf einen Vier-Takt-Motor angewandt
wird, der schematisch als Bezugszeichen 160 gezeigt ist,
der einen Motor unterstützten
Turbolader 162 verwendet, der von einer Steuervorrichtung 182 gesteuert
wird, wie unten beschrieben. Anders als ein Zwei-Takt-Motor weist
ein Vier-Takt-Motor einen Ansaughub auf und benötigt keinen zusätzlichen
Kompressor, um Motorladeluft zu erzeugen. Somit kann einen Vier-Takt-Motor
ohne Unterstützung
der Turboladeranordnung 162 gestartet werden.
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Bei
dem System der 9, wenn es erwünscht ist,
dass der Motor 160 unter Belastung beschleunigt wird, beispielsweise
um ein beladenes Fahrzeug zu bewegen, wird der Fahrzeuggetriebehebel
im Falle eines automatischen Getriebes in die Antriebsposition vorgeschoben,
oder im Falle eines manuellen Getriebes wird der geeignete Gang
ausgewählt
und eingelegt. Diese Handlung schließt einen Getriebeschalter 166,
der durch die Steuervorrichtung 182 einen kontinuierlichen
Betrieb des unterstützenden
Motors für
den Turbolader (beispielsweise 164) aktiviert, und zwar
durch seine Erregung durch die kontinuierliche Energiequelle 168,
wie beispielsweise die Verbrennungsmotorbatterie. Dies bereitet
den Motor für
seine erste Beschleunigung vor, und zwar durch Steigerung der Turboladerrotordrehzahl
auf eine vorbestimmte minimale Drehzahl. Wenn dann, das Gaspedal
oder die Drossel (nicht gezeigt) des Fahrzeugs schnell betätigt wird,
beispielsweise für
eine schnelle Beschleunigung des Fahrzeuges, wird ein "Drosselschalter" 170 geschlossen,
und durch die Steuervorrichtung 182 wird der Hilfsmotor 164 durch
eine besonders starke Energiequelle 172 besonders stark
erregt, um dem Turbolader und dem Motor bei der Beschleunigung zu
helfen. Der "Drosselschalter" 170 kann
mit einer Druckpunktbetätigungsvorrichtung
versehen sein, so dass der "Drosselschalter" nur geschlossen
wird, wenn das Gaspedal oder die Drossel des Fahrzeugs schnell bewegt wird.
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Ein
Rotordrehzahlsensor 174 für den Turbolader 162,
der in einem unterstützenden
inneren Elektromotor 164 in dem Turbolader gelegen ist, kann
ein Turboladerdrehzahlsignal 174a für die Steuerung 182 vorsehen,
dass dahingehend wirken kann, dass es beide Energiequellen 168, 172 entregt,
wenn die Turboladerrotordrehzahl eine vorbestimmte maximale Drehzahl
erreicht, wie beispielsweise jene, die der Ladedruckgrenze entspricht.
Jedes Mal, wenn die Rotordrehzahl unter das vorbestimmte minimalen Niveau
fällt,
sendet der Rotordrehzahlsensor 174 ein Drehzahlsignal 174a an
die Steuermittel 182, um die kontinuierliche Erregungsschaltung 168 des
Motors zu schließen,
um die Rotordrehzahl auf dem vorbestimmten minimalen Niveau in Vorbereitung
für die nächste Beschleunigung
des Motors 160 zu halten. Während des Betriebs des Motors 160 wird
ein Ladeluftfluss vom Turbolader 162 durch ein Lufteinlasssystem 176 geleitet,
um über
das Einlassventil 188 in die Motorzylinder 178 eingeleitet
zu werden. Falls erwünscht
kann bzw. können
zusätzlich
oder als Alternative ein oder mehrere Motorbetriebssignale 165 zu der
Steuerung 182 geliefert werden, um solche Betriebsvorgänge zu bewirken.
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Im
Betrieb wird der Motor-Generator 164 bei dem Motor unterstützten Turbolader 162 mit
einer ausreichend hohen Drehzahl arbeiten, um einen elektrischen
Strom zu erzeugen, wenn eine Nenn-Leistung eines Verbrennungsmotors
derart ist, dass ein Übermaß an Abgasenergie
im mittel bis hoch liegenden Motordrehzahlbereich verfügbar ist. In
diesem Fall kann der Strom zurück
durch die Steuervorrichtung 182 gespeist werden, um jede
Energiequelle 168, 172 erneut zu laden, die beispielsweise die
Batterie oder die Batterien für
den Verbrennungsmotor oder das Fahrzeug sein kann bzw. können. Wenn
die Batterien voll aufgeladen sind, kann die Steuervorrichtung 182 programmiert
werden, um den elektrischen Strom zu anderen Zusatzeinrichtungen oder
zu einem Stromableitungswiderstand 190 durch den Schalter 192 abzuleiten,
um eine Abbremsung des Turboladerrotors vorzusehen.
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Bei
dem motorunterstützten
Turbolader 142, 162, der entweder bei einem Zwei-Takt-
oder bei einem Vier-Takt-Motor 140, 160 verwendet
wird, kann der Hilfsmotor mit einem (nicht gezeigten) internen Temperatursensor
versehen werden, um als eine Schutzvorrichtung zu bewirken, in dem
Sie der Steuervorrichtung 144, 182 signalisiert,
dass der Hilfsmotor zu entregen bzw. auszuschalten ist, wenn die
interne Temperatur einen vorbestimmten sicheren Wert überschreitet.
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Für jene Anwendungen,
wo es wünschenswert
sein kann, die Drehzahl des Turboladerrotors zu überwachen, kann eine (nicht
gezeigte) digitale Ausleseanzeige vom Motor oder von der Steuervorrichtung
geliefert werden und an einer passenden Stelle zur Beobachtung zu
irgendeinem Zeitpunkt während des
Betriebs des Motors angezeigt werden.
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Somit
dienen die Systeme der vorliegenden Erfindung zu mehreren Funktionen:
um in einem Hilfsbetriebszustand dazu zu dienen, einen Verbrennungsmotor
bei niedrigen Motordrehzahlen und während der Beschleunigung zu
unterstützen,
und um als eine Bremse für
die Drehung des Turboladerrotors bei mittleren bis hohen Motordrehzahlen
zu wirken. Der unterstützende
Motor-Generator kann in einem Generator Betriebszustand als ein
elektrischer Generator bei hohen Motordrehzahlen und Motorbelastungen
wirken, und zwar in Verbindung mit einer Steuervorrichtung, die
den Strom regeln kann, der zu einer Batterieladeschaltung gespeist
wird, und wenn die elektrischen Speicherbatterien vollständig aufgeladen
sind, um übermäßigen Strom
zur anderen Anwendungen oder zu einem Stromableitungswiderstand
abzuleiten.
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Obwohl
gewisse bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung hier beschrieben worden sind, wird es dem Fachmann
für die
Technik, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, offensichtlich sein,
dass Variationen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele
vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den Ansprüchen definiert
wird. Entsprechend ist beabsichtigt, dass die Erfindung nur in dem
Maß eingeschränkt ist,
wie es durch die beigefügten
Ansprüche
und die anzuwendenden gesetztes Regelungen erforderlich ist.