| Dokumentenidentifikation |
EP1191229 22.11.2007 |
| EP-Veröffentlichungsnummer |
0001191229 |
| Titel |
Turboladersteuereinrichting |
| Anmelder |
Caterpillar Inc., Peoria, Ill., US |
| Erfinder |
Gladden, John R. c/o Caterpil, Peoria, Illinois 61629-6490, US |
| Vertreter |
derzeit kein Vertreter bestellt |
| DE-Aktenzeichen |
60130851 |
| Vertragsstaaten |
DE, FR, GB |
| Sprache des Dokument |
EN |
| EP-Anmeldetag |
20.07.2001 |
| EP-Aktenzeichen |
011175403 |
| EP-Offenlegungsdatum |
27.03.2002 |
| EP date of grant |
10.10.2007 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
22.11.2007 |
| IPC-Hauptklasse |
F04D 27/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
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| IPC-Nebenklasse |
F04D 17/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP
F04D 25/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP
F02B 37/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP
F04D 27/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP
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| Beschreibung[en] |
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Technical Field
The present invention relates to a turbocharger system
for use in an internal combustion engine, and, more particularly, to a turbocharger
system with a multi-stage compressor.
Background Art
An internal combustion engine may include one or more turbochargers
for compressing a fluid which is supplied to one or more combustion chambers within
corresponding combustion cylinders. Each turbocharger typically includes a turbine
driven by exhaust gases of the engine and a compressor which is driven by the turbine.
The compressor receives the fluid to be compressed and supplies the fluid to the
combustion chamber. The fluid which is compressed by the compressor may be in the
form of combustion air or a fuel and air mixture.
During low load conditions such as an idle condition in
a diesel engine, the exhaust gases do not drive the turbocharger at a rotational
speed which is sufficient to significantly compress the combustion air. In fact,
under low load conditions the turbocharger can act as a restriction to the combustion
air which is transported to the intake manifold. It is thus possible that under
certain low load conditions the turbocharger may in fact impede the efficient operation
of the internal combustion engine.
It is also known that a turbocharger in an internal combustion
engine may undergo a surge condition, during which the volumetric flow rate to the
compressor is too low and the pressure ratio is too high. Thus, the flow can no
longer adhere to the suction side of the blades of the compressor wheels and the
discharge process is interrupted. The air flow through the compressor is reversed
until a stable pressure ratio with positive volumetric flow rate is reached, the
pressure builds up again and the cycle repeats. It is known to sense the impending
or actual occurrence of a surge condition associated with a compressor and bleed
off compressed gas within the compressor to alleviate the surge condition. It is
also known to bleed off compressed gas within the compressor upon the occurrence
of other operating conditions, such as a high pressure condition, etc. An example
of a compressor in a turbocharger which bleeds off high pressure gas from the compressor
is disclosed in
U.S. Patent No. 3,044,683 (Woollenweber
).
A further example of a multi-stage compressor is disclosed
in
U.S. Patent No. 6, 062, 028
.
The present invention is directed to overcoming one or
more of the problems as set forth above.
Disclosure of the Invention
In one aspect of the invention, a turbocharger system for
an internal combustion engine is provided with a turbocharger including a rotatable
shaft and a multi-stage compressor. The multi-stage compressor includes a first
compressor wheel carried by the shaft, an axially extending first inlet associated
with the first compressor wheel, a radially extending first outlet associated with
the first compressor wheel, a second compressor wheel carried by the shaft, a second
inlet associated with the second compressor wheel, a radially extending second outlet
associated with the second compressor wheel, and an interstage duct fluidly interconnecting
in series the first outlet associated with the first compressor wheel with the second
inlet associated with the second compressor wheel. One or more sensors are each
configured to sense a pressure associated with the multi-stage compressor and provide
an output signal. A valve is fluidly coupled with the interstage duct and an ambient
environment. A controller is coupled with each sensor and a valve. The controller
controls operation of the valve dependent upon at least one output signal.
In another aspect of the invention, an internal combustion
engine is provided with at least one intake manifold and a turbocharger. The turbocharger
includes a rotatable shaft; a turbine having a turbine wheel carried by the shaft;
and a multi-stage compressor. The multi-stage compressor includes a first compressor
wheel carried by the shaft, an axially extending first inlet associated with the
first compressor wheel, a radially extending first outlet associated with the first
compressor wheel, a second compressor wheel carried by the shaft, a second inlet
associated with the second compressor wheel, a radially extending second outlet
associated with the second compressor wheel, and an interstage duct fluidly interconnecting
in series the first outlet associated with the first compressor wheel with the second
inlet associated with the second compressor wheel. The second outlet is fluidly
coupled with the intake manifold. One or more valves are each fluidly coupled with
an ambient environment and the interstage duct or intake manifold. Each valve is
adapted to open when a pressure of the ambient environment is less than a pressure
within the interstage duct or intake manifold.
In yet another aspect of the invention, a method of operating
a turbocharger system in an internal combustion engine is provided with the steps
of: providing at least one intake manifold; providing a turbocharger including:
a rotatable shaft; and a multi-stage compressor including a first compressor wheel
carried by the shaft, an axially extending first inlet associated with the first
compressor wheel, a radially extending first outlet associated with the first compressor
wheel, a second compressor wheel carried by the shaft, an axially extending second
inlet associated with the second compressor wheel, a radially extending second outlet
associated with the second compressor wheel, and an interstage duct fluidly interconnecting
in series the first outlet associated with the first compressor wheel with the second
inlet associated with the second compressor wheel, the second outlet being fluidly
coupled with the intake manifold; fluidly coupling at least one valve between an
ambient environment and one of the interstage duct and the intake manifold; and
opening at least one valve when a pressure within the intake manifold is less than
a pressure of the ambient environment.
Brief Description of the Drawings
The sole figure is a partially sectioned, partially schematic
view of an internal combustion engine including an embodiment of a turbocharger
system of the present invention.
Best Mode for Carrying Out the Invention
Referring now to the drawing, there is shown an internal
combustion engine 10 including an embodiment of a turbocharger system 12 of the
present invention. Internal combustion engine 10 includes an engine block (not shown)
carrying a plurality of combustion cylinders (not shown). An intake manifold 14
is fluidly coupled with the combustion cylinders and provides combustion air or
a fuel and air mixture to the combustion cylinders. Intake manifold 14 is constructed
as a single intake manifold in the embodiment shown, but may also be constructed
as a multi-part manifold with each part providing combustion air to a different
subset of the combustion cylinders.
Turbocharger system 12 includes a multi-stage compressor
16, a controller 18, one or more valves 20 and 22, and one or more sensors 24 and
26.
Multi-stage compressor 16 includes a first compressor wheel
28 having a plurality of blades 29 and a second compressor wheel 30 having a plurality
of blades 31, each carried by a common shaft 32. An axially extending first inlet
34 and a radially extending first outlet 36 are associated with first compressor
wheel 28; and an axially extending second inlet 38 and a radially extending second
outlet 40 are associated with second compressor wheel 30. An interstage duct 42
fluidly interconnects first outlet 36 in series with second inlet 38. A plurality
of diffuser vanes 44 are positioned at the downstream side of first outlet 36 in
fluid communication with interstage duct 42. Diffuser vanes 44 cause the air flow
exiting from first outlet 36 to decrease in velocity and increase in static pressure.
A plurality of deswirler vanes 46 positioned within interstage duct 42 upstream
from second inlet 38 reduce the swirling of the air flowing through interstage duct
42, and direct the air into second inlet 38. A plurality of diffuser vanes 48 are
positioned downstream from second outlet 40 associated with second compressor wheel
30. Diffuser vanes 48 function similarly to diffuser vanes 44, and thereby cause
a decreased velocity and increased static pressure in the air flow exiting from
second outlet 40. A volute 50 on the downstream side of diffuser vanes 48 discharges
the compressed air to intake manifold 14 via fluid line 52. Valve 20 may be configured
to simply provide an open passageway between the ambient environment and interstage
duct 42 or may be configured as a one-way valve to only allow fluid flow from the
ambient environment into interstage duct 42.
Valve 20 is fluidly interconnected with interstage duct
42 via fluid line 54. Valve 20 has an inlet which receives ambient air, as indicated
by arrow 56. Valve 20 is electrically coupled with controller 18 and is selectively
actuated by controller 18, as will be described in more detail hereinafter.
Valve 22 is fluidly coupled with intake manifold 14 via
fluid line 58. Valve 22 has an inlet which receives ambient air, as indicated by
directional arrow 60. Valve 22 is electrically coupled with controller 18 and is
selectively controlled by controller 18, as will be described in more detail hereinafter.
Valve 22 may be configured to simply provide an open passageway between the ambient
environment and the interior of intake manifold 14, or may be configured as a one-way
valve to only allow flow from the ambient environment into intake manifold 14.
Sensors 24 and 26 are each electrically coupled with controller
18 and provide one or more output signals to controller 18. Regardless of the specific
configuration of the particular sensor(s) utilized, an output signal is intended
to be provided which is used to determine whether the pressure within intake manifold
14 is less than the ambient pressure. Sensor 24 senses a pressure at second collector
50. Sensor 26 senses a pressure within intake manifold 14. Alternatively, since
second outlet 40 is fluidly coupled with intake manifold 14 via fluid line 52, the
pressure sensed by sensor 24 can also be used to infer the pressure within intake
manifold 14.
Other sensor configurations are also possible. For example,
the fuel consumption rate of internal combustion engine 10 may be used to infer
that the engine is at an idle or low load condition, thereby inferring that multi-stage
compressor 16 is not providing substantial compression to the combustion air. Alternatively,
the rotational speed of shaft 32 may be directly sensed. Moreover, sensors 24 and
27 may each provide an output signal to controller 18, which in turn determines
a pressure drop across multi-stage compressor 16 from the output signals. Thus,
regardless of the output signal received, controller 18 determines that either multi-stage
compressor 16 is not operating efficiently, or is in fact impeding the flow of combustion
air into intake manifold 14, and thereby independently or dependently actuates valves
20 and/or 22.
Industrial Applicability
During use, exhaust gas from the exhaust manifold (not
shown) drives the turbine wheel (not shown) carried by shaft 32. Shaft 32 in turn
rotationally drives first compressor wheel 28 and second compressor wheel 30. Combustion
air enters multi-stage compressor 16 at first inlet 34. Blades 29 of first compressor
wheel 28 accelerate the flow to first outlet 36. The accelerated air impinges upon
diffuser vanes 44, resulting in a decreased velocity and increased static pressure.
Deswirler vanes 46 reduce the swirling action of the air flowing through interstage
duct 42 and direct the air into second inlet 38 associated with second compressor
wheel 30. Blades 31 of second compressor wheel 30 accelerate the air to second outlet
40 where the high velocity air impinges upon diffuser vanes 48, resulting in an
increased static pressure. The compressed air then flows into volute 50. From volute
50, the compressed air is transported to intake manifold 14.
During engine operating conditions other than at low load
or engine idle conditions, multi-stage compressor 16 provides a positive pressure
ratio resulting in compressed air being supplied to intake manifold 14 at a pressure
above the ambient pressure. However, at certain low load or engine idle conditions,
turbocharger 16 may operate inefficiently or in fact act as a restriction to the
combustion air transported to intake manifold 14. Sensors 24, 26, 27 and/or other
suitable sensors as described above are utilized to determine whether multi-stage
compressor should in essence be bypassed to provide ambient combustion air to intake
manifold 14. For example, sensors 24, 26 and 27 may each provide one or more output
signals via lines 62, 64 and 66, respectively, to controller 18. Controller 18 receives
the output signals from one or more sensors and determines whether a selected valve
20 and/or 22 should be opened by outputting a control signal via line 68 or 70,
respectively. When valve 20 and/or 22 is opened, ambient air flows into interstage
duct 42 or directly into intake manifold 14, as indicated by arrows 56 and 60, respectively.
In the embodiment shown in the drawing, valve 20 is disposed
in fluid communication with interstage duct 42 to in essence bypass first compressor
wheel 28 of multi-stage compressor 16. This configuration has been found to alleviate
pressure drop across multi-stage compressor 16. It will also be appreciated that
valve 20 may be disposed in fluid communication with volute 50, thereby providing
combustion air at ambient pressure to intake manifold 14 via fluid line 52.
The turbocharger system of the present invention allows
a multi-stage compressor to efficiently operate at conditions other than a low load
or idle condition when substantial compressing of the combustion air occurs. On
the other hand, upon sensing of a low load or engine idle condition, at least a
part or all of multi-stage compressor 16 is bypassed by opening a valve allowing
ambient air to be drawn into the flow path of the combustion air. This ensures that
a negative pressure drop does not occur across the multi-stage compressor, and also
ensures that the combustion air is provided at least at ambient pressure to intake
manifold 14.
Other aspects, objects and advantages of this invention
can be obtained from a study of the drawings, the disclosure and the appended claims.
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| Anspruch[de] |
Turboladersystem (12) für einen Verbrennungsmotor (10), welches
Folgendes aufweist:
einen Turbolader, der Folgendes aufweist:
eine drehbare Welle (32);
einen mehrstufigen Kompressor (16), der ein erstes Kompressorrad (28)
aufweist, welches von der Welle (32) getragen wird, einen sich axial erstreckenden
ersten Einlass (34), der mit dem ersten Kompressorrad (28) assoziiert ist, einen
sich radial erstreckenden ersten Auslass (36), der mit dem ersten Kompressorrad
(28) assoziiert ist, ein zweites Kompressorrad (30), welches von der Welle (32)
getragen wird, einen zweiten Einlass (38), der mit dem zweiten Kompressorrad (30)
assoziiert ist, einen sich radial erstreckenden zweiten Auslass (40), der mit dem
zweiten Kompressorrad (30) assoziiert ist, und eine Zwischenstufenleitung (42),
die strömungsmittelmäßig in Reihe den ersten Auslass (36), der mit
dem ersten Kompressorrad (28) assoziiert ist, mit dem zweiten Einlass (38) verbindet,
der mit dem zweiten Kompressorrad (30) assoziiert ist;
gekennzeichnet durch
mindestens einen Sensor (24, 26, 27), wobei jeder Sensor (24, 26, 27)
konfiguriert ist, um einen Druck abzufühlen, der mit dem mehrstufigen Kompressor
(16) assoziiert ist, und um ein Ausgangssignal zu liefern;
ein Ventil (20, 22), welches strömungsmittelmäßig mit
der Zwischenstufenleitung (42) und einer Umgebung gekoppelt ist; und
eine Steuervorrichtung (18), die mit sowohl dem Sensor (24, 26, 27)
als auch dem Ventil (20, 22) gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung (18) den
Betrieb des Ventils (20, 22) abhängig von mindestens einem erwähnten Ausgangssignal
steuert.
Turboladersystem (12) nach Anspruch 1, wobei jeder erwähnte Sensor
(24, 26, 27) konfiguriert ist, um eine der folgenden Größen abzufühlen:
einen Druck, der mit dem ersten Auslass (36) assoziiert ist;
einen Druck, der mit dem zweiten Auslass (40) assoziiert ist; einen
Druck innerhalb der Zwischenstufenleitung (42); und
eine Druckdifferenz zwischen dem zweiten Auslass (40) und dem ersten
Einlass (34).
Turboladersystem (12) nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Sensor
(24, 26, 27) eine Vielzahl von Sensoren (24, 26, 27) aufweist.
Turboladersystem (12) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Sensor
(24, 26, 27) eine Vielzahl von Sensoren (24, 26, 27) aufweist, wobei die Steuervorrichtung
(18) ein Ausgangssignal von mindestens zwei der Sensoren (24, 26, 27) aufnimmt,
und einen Druckabfall an dem mehrstufigen Kompressor (16) bestimmt.
Turboladersystem (12) nach Anspruch 4, wobei die Steuervorrichtung (18)
das Ventil (20, 22) auf die Bestimmung des erwähnten Druckabfalls hin öffnet.
Turboladersystem (12) nach Anspruch 1, wobei das Ventil (20, 22) ein
Einweg-Ventil (20, 22) ist, welches einen Luftfluss von der Umgebung in die Zwischenstufenleitung
(42) gestattet.
Verbrennungsmotor (10), der Folgendes aufweist:
mindestens eine Einlasssammelleitung (14);
einen Turbolader, der Folgendes aufweist:
eine drehbare Welle (32); und
einen mehrstufigen Kompressor (16), der ein erstes Kompressorrad (28)
aufweist, welches von der Welle (32) getragen wird, einen sich axial erstreckenden
ersten Einlass (34), der mit dem ersten Kompressorrad (28) assoziiert ist, einen
sich radial erstreckenden ersten Auslass (36), der mit dem ersten Kompressorrad
(28) assoziiert ist, ein zweites Kompressorrad (30), welches von der Welle (32)
getragen wird, einen zweiten Einlass (38), der mit dem zweiten Kompressorrad (30)
assoziiert ist, einen sich radial erstreckenden zweiten Auslass (40), der mit dem
zweiten Kompressorrad (30) assoziiert ist, und eine Zwischenstufenleitung (42),
die strömungsmittelmäßig in Reihe den ersten Auslass (36), der mit
dem ersten Kompressorrad (28) assoziiert ist, mit dem zweiten Einlass (38) verbindet,
der mit dem zweiten Kompressorrad (30) assoziiert ist; wobei der zweite Auslass
(40) strömungsmittelmäßig mit der Einlasssammelleitung (14) gekoppelt
ist; und gekennzeichnet durch
mindestens ein Ventil (20, 22), wobei jedes Ventil (20, 22) strömungsmittelmäßig
mit einer Umgebung und einer Zwischenstufenleitung (42) oder der Einlasssammelleitung
(14) gekoppelt ist, wobei jedes Ventil (20, 22) geeignet ist, um sich zu öffnen,
wenn ein Druck der Umgebung größer als ein Druck innerhalb der Zwischenstufenleitung
(42) oder der Einlasssammelleitung (14) ist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 7, der mindestens einen Sensor
(24, 26, 27) aufweist, wobei jeder Sensor (24, 26, 27) konfiguriert ist, um einen
Druck abzufühlen, der mit dem mehrstufigen Kompressor (16) und/oder der Einlasssammelleitung
(14) assoziiert ist, wobei jeder Sensor (24, 26, 27) ein Ausgangssignal liefert;
und
eine Steuervorrichtung (18), die mit jedem erwähnten Sensor (24,
26, 27) und jedem erwähnten Ventil (20, 22) gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung
(18) den Betrieb der erwähnten Ventile (20, 22) abhängig von dem mindestens
einen erwähnten Ausgangssignal steuert.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8, wobei jeder Sensor (24, 26,
27) konfiguriert ist, um eine der folgenden Größen abzufühlen:
einen Druck, der mit dem ersten Auslass (36) assoziiert ist;
einen Druck, der mit dem zweiten Auslass (40) assoziiert ist;
einen Druck innerhalb der Zwischenstufenleitung (42);
eine Druckdifferenz zwischen dem zweiten Auslass (40) und dem ersten
Einlass (34); und
einen Druck innerhalb der Einlasssammelleitung (14).
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Sensor
(24, 26, 27) eine Vielzahl von Sensoren (24, 26, 27) aufweist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Sensor
(24, 26, 27) eine Vielzahl von Sensoren (24, 26, 27) aufweist, wobei mindestens
zwei der erwähnten Sensoren (24, 26, 27) mit dem mehrstufigen Kompressor (16)
assoziiert sind, wobei die Steuervorrichtung (18) ein Ausgangssignal von mindestens
zwei der erwähnten Sensoren (24, 26, 27) aufnimmt, die mit dem mehrstufigen
Kompressor (16) assoziiert sind, und einen Druckabfall an dem mehrstufigen Kompressor
(16) bestimmt.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 11, wobei die Steuervorrichtung
(18) zumindest ein Ventil (20, 22) auf die Bestimmung des erwähnten Druckabfalls
hin öffnet.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8, wobei die Steuervorrichtung
(18) unabhängig den Betrieb von jedem der erwähnten Ventile (20, 22) abhängig
von zumindest einem erwähnten Ausgangssignal steuert.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 7, wobei eines der erwähnten
Ventile (20, 22) strömungsmittelmäßig mit der Zwischenstufenleitung
(42) gekoppelt ist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 7, wobei eines der erwähnten
Ventile (20, 22) strömungsmittelmäßig mit der Einlasssammelleitung
(14) gekoppelt ist.
Verfahren zum Betrieb eines Turboladersystems (12) in einem Verbrennungsmotor
(10), welches Folgende Schritte aufweist:
Vorsehen von mindestens einer Einlasssammelleitung (14); Vorsehen eines
Turboladers, der Folgendes aufweist:
eine drehbare Welle (32); und
einen mehrstufigen Kompressor (16), der ein erstes Kompressorrad (28)
aufweist, welches von der Welle (32) getragen wird, einen sich axial erstreckenden
ersten Einlass (34), der mit dem ersten Kompressorrad (28) assoziiert ist, einen
sich radial erstreckenden ersten Auslass (36), der mit dem ersten Kompressorrad
(28) assoziiert ist, ein zweites Kompressorrad (30), welches von der Welle (32)
getragen wird, einen zweiten Einlass (38), der mit dem zweiten Kompressorrad (30)
assoziiert ist, einen sich radial erstreckenden zweiten Auslass (40), der mit dem
zweiten Kompressorrad (30) assoziiert ist, und eine Zwischenstufenleitung (42),
die strömungsmittelmäßig in Reihe den ersten Auslass (36), der mit
dem ersten Kompressorrad (28) assoziiert ist, mit dem zweiten Einlass (38) verbindet,
der mit dem zweiten Kompressorrad (30) assoziiert ist; wobei der zweite Auslass
(40) strömungsmittelmäßig mit der Einlasssammelleitung (14) gekoppelt
ist; gekennzeichnet durch
strömungsmittelmäßiges Koppeln von mindestens einem Ventil
(20, 22) zwischen einer Umgebung und der Zwischenstufenleitung (42) oder der Einlasssammelleitung
(14); und
Öffnen von mindestens einem der erwähnten Ventile (20, 22),
wenn ein Druck innerhalb der Einlasssammelleitung (14) geringer als ein Druck der
Umgebung ist.
Verfahren nach Anspruch 16, welches folgende Schritte aufweist:
Abfühlen eines Druckes, der mit dem mehrstufigen Kompressor (16)
und/oder der Einlasssammelleitung (14) assoziiert ist, und zwar unter Verwendung
von mindestens einem der erwähnten Sensoren (24, 26, 27); und
Liefern eines Ausgangssignals aus jedem erwähnten Sensor (24, 26,
27), welches dem jeweiligen abgefühlten Druck entspricht; wobei der Öffnungsschritt
aufweist, den Betrieb von jedem erwähnten Ventil (20, 22) unter Verwendung
einer Steuervorrichtung (18) zu steuern, die mit jedem Sensor (24, 26, 27) und jedem
erwähnten Ventil (20, 22) gekoppelt ist, und zwar abhängig von mindestens
einem der erwähnten Ausgangssignale.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Abfühlschritt das Abfühlen
von mindestens einer der folgenden Größen aufweist:
einen Druck, der mit dem ersten Auslass (36) assoziiert ist;
einen Druck, der mit dem zweiten Auslass (40) assoziiert ist;
einen Druck innerhalb der Zwischenstufenleitung (42);
eine Druckdifferenz zwischen dem zweiten Auslass (40) und dem ersten
Einlass (34); und
einen Druck innerhalb der Einlasssammelleitung (14).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der mindestens eine Sensor (24, 26,
27) eine Vielzahl von Sensoren (24, 26, 27) aufweist, wobei mindestens zwei der
Sensoren (24, 26, 27) mit dem mehrstufigen Kompressor (16) assoziiert sind und wobei
das Verfahren folgende Schritte aufweist.
Aufnehmen eines Ausgangssignals aus mindestens zwei der Sensoren (24,
26, 27) an der Steuervorrichtung (18); und Bestimmen eines Druckabfalls an dem mehrstufigen
Kompressor (16).
Verfahren nach Anspruch 19, welches den Schritt aufweist, zumindest
eines der Ventile (20, 22) unter Verwendung der Steuervorrichtung (18) auf das Bestimmen
des erwähnten Druckabfalls hin zu öffnen.
Verfahren nach Anspruch 16, welches den Schritt aufweist, strömungsmittelmäßig
eines der Ventile (20, 22) mit der Zwischenstufenleitung (42) zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 16, welches den Schritt aufweist, strömungsmittelmäßig
eines der Ventile (20, 22) mit der Einlasssammelleitung (14) zu koppeln.
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| Anspruch[en] |
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A turbocharger system (12) for an internal combustion engine (10), comprising:
a turbocharger including:
a rotatable shaft (32) ;
a multi-stage compressor (16) including a first compressor wheel (28)
carried by said shaft (32), an axially extending first inlet (34) associated with
said first compressor wheel (28), a radially extending first outlet (36) associated
with said first compressor wheel (28), a second compressor wheel (30) carried by
said shaft (32), a second inlet (38) associated with said second compressor wheel
(30), a radially extending second outlet (40) associated with said second compressor
wheel (30), and an interstage duct (42) fluidly interconnecting in series said first
outlet (36) associated with said first compressor wheel (28) with said second inlet
(38) associated with said second compressor wheel (30) ; characterised in that
at least one sensor (24, 26, 27), each said sensor (24, 26, 27) configured
to sense a pressure associated with said multi-stage compressor (16) and provide
an output signal;
a valve (20, 22) fluidly coupled with said interstage duct (42) and
an ambient environment; and
a controller (18) coupled with each said sensor (24, 26, 27) and said
valve (20, 22), said controller (18) controlling operation of said valve (20, 22)
dependent upon at least one said output signal.
The turbocharger system (12) of claim 1, each said sensor (24, 26, 27)
being configured to sense one of:
a pressure associated with said first outlet (36) ;
a pressure associated with said second outlet (40) ;
a pressure within said interstage duct (42); and
a pressure difference between said second outlet (40) and said first
inlet (34).
The turbocharger system (12) of claim 2, said at least one sensor (24,
26, 27) including a plurality of sensors (24, 26, 27).
The turbocharger system (12) of claim 1, said at least one sensor (24,
26, 27) including a plurality of sensors (24, 26, 27), said controller (18) receiving
an output signal from at least two of said sensors (24, 26, 27) and determining
a pressure drop across said multi-stage compressor (16).
The turbocharger system (12) of claim 4, said controller (18) opening
said valve (20, 22) upon said determining of said pressure drop.
The turbocharger system (12) of claim 1, said valve (20, 22) being a
one-way valve (20, 22) allowing flow of air from the ambient environment into said
interstage duct (42).
An internal combustion engine (10), comprising:
at least one intake manifold (14);
a turbocharger including:
a rotatable shaft (32); and
a multi-stage compressor (16) including a first compressor wheel (28)
carried by said shaft (32), an axially extending first inlet (34) associated with
said first compressor wheel (28), a radially extending first outlet (36) associated
with said first compressor wheel (28), a second compressor wheel (30) carried by
said shaft (32), a second inlet (38) associated with said second compressor wheel
(30), a radially extending second outlet (40) associated with said second compressor
wheel (30), and an interstage duct (42) fluidly interconnecting in series said first
outlet (36) associated with said first compressor wheel (28) with said second inlet
(38) associated with said second compressor wheel (30), said second outlet (40)
being fluidly coupled with said intake manifold (14); and characterised in that
at least one valve (20, 22), each said valve (20, 22) being fluidly
coupled with an ambient environment and one of said interstage duct (42) and said
intake manifold (14), each said valve (20, 22) being adapted to open when a pressure
of the ambient environment is more than a pressure within said one of said interstage
duct (42) and said intake manifold (14).
The internal combustion engine (10) of claim 7, including at least one
sensor (24, 26, 27), each said sensor (24, 26, 27) configured to sense a pressure
associated with at least one of said multi-stage compressor (16) and said intake
manifold (14), each said sensor .(24, 26, 27) providing an output signal; and
a controller (18) coupled with each said sensor (24, 26, 27) and each
said valve (20, 22), said controller (18) controlling operation of each said valve
(20, 22) dependent upon at least one said output signal.
The internal combustion engine (10) of claim 8, each said sensor (24,
26, 27) being configured to sense one of:
a pressure associated with said first outlet (36) ;
a pressure associated with said second outlet (40) ;
a pressure within said interstage duct (42) ;
a pressure difference between said second outlet (40) and said first
inlet (34); and
a pressure within said intake manifold (14).
The internal combustion engine (10) of claim 9, said at least one sensor
(24, 26, 27) including a plurality of sensors (24, 26, 27).
The internal combustion engine (10) of claim 8, said at least one sensor
(24, 26, 27) including a plurality of sensors (24, 26, 27), at least two of said
sensors (24, 26, 27) associated with said multi-stage compressor (16), said controller
(18) receiving an output signal from at least two of said sensors (24, 26, 27) associated
with said multi-stage compressor (16) and determining a pressure drop across said
multi-stage compressor (16).
The internal combustion engine (10) of claim 11, said controller (18)
opening at least one said valve (20, 22) upon said determining of said pressure
drop.
The internal combustion engine (10) of claim 8, said controller (18)
independently controlling operation of each said valve (20, 22) dependent upon at
least one said output signal.
The internal combustion engine (10) of claim 7, one said valve (20,
22) being fluidly coupled with said interstage duct (42).
The internal combustion engine (10) of claim 7, one said valve (20,
22) being fluidly coupled with said intake manifold (14).
A method of operating a turbocharger system (12) in an internal combustion
engine (10), comprising the steps of:
providing at least one intake manifold (14);
providing a turbocharger including:
a rotatable shaft (32); and
a multi-stage compressor (16) including a first compressor wheel (28)
carried by said shaft (32), an axially extending first inlet (34) associated with
said first compressor wheel (28), a radially extending first outlet (36) associated
with said first compressor wheel (28), a second compressor wheel (30) carried by
said shaft (32), a second inlet (38) associated with said second compressor wheel
(30), a radially extending second outlet (40) associated with said second compressor
wheel (30), and an interstage duct (42) fluidly interconnecting in series said first
outlet (36) associated with said first compressor wheel (28) with said second inlet
(38) associated with said second compressor wheel (30), said second outlet (40)
being fluidly coupled with said intake manifold (14) ; characterised by
fluidly coupling at least one valve (20, 22) between an ambient environment
and one of said interstage duct (42) and said intake manifold (14); and
opening at least one said valve (20, 22) when a pressure within said
intake manifold (14) is less than a pressure of said ambient environment.
The method of claim 16, including the steps of:
sensing a pressure associated with at least one of said multi-stage
compressor (16) and said intake manifold (14) using at least one said sensor (24,
26, 27); and
providing an output signal from each said sensor (24, 26, 27) corresponding
to said respective sensed pressure;
said opening step including controlling operation of each said valve
(20, 22) using a controller (18) coupled with each said sensor (24, 26, 27) and
each said valve (20, 22), dependent upon at least one said output signal.
The method of claim 17, wherein said sensing step includes sensing at
least one of:
a pressure associated with said first outlet (36) ;
a pressure associated with said second outlet (40) ;
a pressure within said interstage duct (42);
a pressure difference between said second outlet (40) and said first
inlet (34); and
a pressure within said intake manifold (14).
The method of claim 16, said at least one sensor (24, 26, 27) including
a plurality of sensors (24, 26, 27), at least two of said sensors (24, 26, 27) associated
with said multi-stage compressor (16), and including the steps of:
receiving an output signal from at least two of said sensors (24, 26,
27) at said controller (18); and
determining a pressure drop across said multi-stage compressor (16).
The method of claim 19, including the step of opening at least one said
valve (20, 22) using said controller (18) upon said determining of said pressure
drop.
The method of claim 16, including the step of fluidly coupling one said
valve (20, 22) with said interstage duct (42).
The method of claim 16, including the step of fluidly coupling one said
valve (20, 22) with said intake manifold (14).
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| Anspruch[fr] |
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Système turbocompresseur (12) pour un moteur à combustion
interne (10), comprenant :
un turbocompresseur comprenant :
un arbre tournant (32) ;
un compresseur à plusieurs étages (16) comprenant une première
roue de compresseur (28) portée par l'arbre (32), une première entrée
s'étendant axialement (34) associée à la première roue de compresseur
(28), une première sortie s'étendant radialement (36) associée à
la première roue de compresseur (28), une seconde roue de compresseur (30)
portée par l'arbre (32), une seconde entrée (38) associée à
la seconde roue de compresseur (30), une seconde sortie s'étendant radialement
(40) associée à la seconde roue de compresseur (30), et un conduit inter-étage
(42) connectant en série la première sortie (36) associée à
la première roue de compresseur (28) et la seconde entrée (38) associée
à la seconde roue de compresseur (30) ;
caractérisé par :
au moins un capteur (24, 26, 27), chaque capteur (24, 26, 27) étant
agencé pour détecter la pression associée au compresseur à plusieurs
étages (16) et pour fournir un signal de sortie ;
une vanne (20, 22) couplée au conduit inter-étage (42) et
à l'environnement ambiant ; et
un contrôleur (18) couplé à chaque capteur (24, 26, 27)
et à la vanne (20, 22), le contrôleur (18) contrôlant le fonctionnement
de la vanne (20, 22) en fonction dudit au moins un signal de sortie.
Système turbocompresseur (12) selon la revendication 1, dans lequel
chaque capteur (24, 26, 27) est agencé pour détecter :
la pression associée à la première sortie (36) ;
la pression associée à la seconde sortie (40) ;
la pression dans le conduit inter-étage (42) ; et
la différence de pression entre la seconde sortie (40) et la première
entrée (34).
Système turbocompresseur (12) selon la revendication 2, dans lequel
ledit au moins un capteur (24, 26, 27) inclut une pluralité de capteurs (24,
26, 27).
Système turbocompresseur (12) selon la revendication 1, dans lequel
ledit au moins un capteur (24, 26, 27) inclut une pluralité de capteurs (24,
26, 27), le contrôleur (18) recevant un signal de sortie d'au moins deux des
capteurs (24, 26, 27) et déterminant la chute de pression dans le compresseur
à plusieurs étages (16).
Système turbocompresseur (12) selon la revendication 4, dans lequel
le contrôleur (18) ouvre la vanne (20, 22) lors de la détermination de
la chute de pression.
Système turbocompresseur (12) selon la revendication 1, dans lequel
la vanne (20, 22) est une vanne unidirectionnelle (20, 22) permettant la circulation
d'air de l'environnement ambiant dans le conduit inter-étage (42).
Moteur à combustion interne (10) comprenant :
au moins un distributeur d'admission (14) ;
un turbocompresseur comprenant :
un arbre tournant (32) ; et
un compresseur à plusieurs étages (16) comprenant une première
roue de compresseur (28) portée par l'arbre (32), une première entrée
s'étendant axialement (34) associée à la première roue de compresseur
(28), une première sortie s'étendant radialement (36) associée à
la première roue de compresseur (28), une seconde roue de compresseur (30)
portée par l'arbre (32), une seconde entrée (38) associée à
la seconde roue de compresseur (30), une seconde sortie s'étendant radialement
(40) associée à la seconde roue de compresseur (30), et un conduit inter-étage
(42) connectant en série la première sortie (36) associée à
la première roue de compresseur (28) et la seconde entrée (38) associée
à la seconde roue de compresseur (30), la seconde sortie (40) étant couplée
au distributeur d'admission (14) ; et
caractérisé par au moins une vanne (20, 22), chaque vanne (20,
22) étant couplée à l'environnement ambiant et à l'un du conduit
inter-étage (42) et du distributeur d'admission (14), chaque vanne (20, 22)
étant adaptée à s'ouvrir quand la pression ambiante est supérieure
à la pression dans l'un du conduit inter-étage (42) et du distributeur
d'admission (14).
Moteur à combustion interne (10) selon la revendication 7, comprenant
:
au moins un capteur (24, 26, 27), chaque capteur (24, 26, 27) étant
agencé pour détecter la pression associée à au moins un du compresseur
à plusieurs étages (16) et du distributeur d'admission (14), chaque capteur
(24, 26, 27) fournissant un signal de sortie ; et
un contrôleur (18) couplé à chaque capteur (24, 26, 27)
et à chaque vanne (20, 22), le contrôleur (18) commandant le fonctionnement
de chaque vanne (20, 22) en fonction dudit au moins un signal de sortie.
Moteur à combustion interne (10) selon la revendication 8, dans
lequel chaque capteur (24, 26, 27) est agencé pour détecter :
la pression associée à la première sortie (36) ;
la pression associée à la seconde sortie (40) ;
la pression dans le conduit inter-étage (42) ;
la différence de pression entre la seconde sortie (40) et la première
entrée (34) ; et
la pression dans le distributeur d'admission (14).
Moteur à combustion interne (10) selon la revendication 9, dans
lequel ledit au moins un capteur (24, 26, 27) comprend une pluralité de capteurs
(24, 26, 27).
Moteur à combustion interne (10) selon la revendication 8, dans
lequel ledit au moins un capteur (24, 26, 27) comprend une pluralité de capteurs
(24, 26, 27), au moins deux des capteurs (24, 26, 27) étant associés au
compresseur à plusieurs étages (16), le contrôleur (18) recevant
un signal de sortie en provenance d'au moins deux des capteurs (24, 26, 27) associés
au compresseur à plusieurs étages (16) et déterminant la chute de
pression dans le compresseur à plusieurs étages (16).
Moteur à combustion interne (10) selon la revendication 11, dans
lequel le contrôleur (18) ouvre au moins une vanne (20, 22) après détermination
de la chute de pression.
Moteur à combustion interne (10) selon la revendication 8, dans
lequel le contrôleur (18) contrôle indépendamment le fonctionnement
de chaque vanne (20, 22) selon ledit au moins un signal de sortie.
Moteur à combustion interne (10) selon la revendication 7, dans
lequel une vanne (20, 22) est couplée au conduit inter-étage (42).
Moteur à combustion interne (10) selon la revendication 7, dans
lequel une vanne (20, 22) est couplée au distributeur d'admission (14).
Procédé d'actionnement d'un système turbocompresseur
(12) dans un moteur à combustion interne (10) comprenant les étapes suivantes
:
prévoir au moins un distributeur d'admission (14) ;
prévoir un turbocompresseur comprenant :
un arbre tournant (32) ;
un compresseur à plusieurs étages (16) comprenant une première
roue de compresseur (28) portée par l'arbre (32), une première entrée
s'étendant axialement (34) associée à la première roue de compresseur
(28), une première sortie s'étendant radialement (36) associée à
la première roue de compresseur (28), une seconde roue de compresseur (30)
portée par l'arbre (32), une seconde entrée (38) associée à
la seconde roue de compresseur (30), une seconde sortie s'étendant radialement
(40) associée à la seconde roue de compresseur (30), et un conduit inter-étage
(42) connectant en série la première sortie (36) associée à
la première roue de compresseur (28) et la seconde entrée (38) associée
à la seconde roue de compresseur (30), la seconde sortie (40) étant couplée
au distributeur d'admission (14) ; caractérisé par :
coupler au moins une vanne (20, 22) entre l'environnement ambiant et
l'un du conduit inter-étage (42) et du distributeur d'admission (14) ; et
ouvrir au moins une vanne (20, 22) quand la pression dans le distributeur
d'admission (14) est inférieure à la pression ambiante.
Procédé selon la revendication 16, incluant les étapes
suivantes :
détecter la pression associée à au moins l'un du compresseur
à plusieurs étages (16) et du distributeur d'admission (14), en utilisant
au moins un capteur (24, 26, 27) ; et
fournir un signal de sortie à partir de chaque capteur (24, 26,
27) en correspondance avec la pression détectée respective ;
l'étape d'ouverture incluant une opération de commande de
chaque vanne (20, 22) en utilisant un contrôleur (18) couplé à chaque
capteur (24, 26, 27) et à chaque vanne (20, 22), en fonction dudit au moins
un signal de sortie.
Procédé selon la revendication 17, dans lequel l'étape
de détection comprend la détection d'au moins :
la pression associée à la première sortie (36) ;
la pression associée à la seconde sortie (40) ;
la pression dans le conduit inter-étage (42) ;
la différence de pression entre la seconde sortie (40) et la première
entrée (34) ; et
la pression dans le distributeur d'admission (14).
Procédé selon la revendication 16, dans lequel ledit au moins
un capteur (24, 26, 27) inclut une pluralité de capteurs (24, 26, 27), au moins
deux des capteurs (24, 26, 27) étant associés au compresseur à plusieurs
étages (16), et incluant les étapes suivantes :
recevoir un signal de sortie d'au moins deux des capteurs (24, 26, 27)
au niveau du contrôleur (18) ; et
déterminer la chute de pression dans le compresseur à plusieurs
étages (16).
Procédé selon la revendication 19, incluant l'étape d'ouverture
d'au moins une vanne (20, 22) en utilisant le contrôleur (18) lors de la détermination
de la chute de pression.
Procédé selon la revendication 16, incluant l'étape de
couplage d'une vanne (20, 22) avec le conduit inter-étage (42).
Procédé selon la revendication 16, incluant l'étape de
couplage d'une vanne (20, 22) avec le distributeur d'admission (14).
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