DE10155851A1 - Doppelturbinenabgasrückzirkulationssystem mit einer zweistufigen Turbine mit variabler Düse - Google Patents

Doppelturbinenabgasrückzirkulationssystem mit einer zweistufigen Turbine mit variabler Düse

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DE10155851A1
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James J Faletti
Dennis D Feucht
David A Pierpont
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Abstract

Ein Verbrennungsmotor, der insbesondere für ein Motorfahrzeug geeignet ist, ist mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern versehen, mit mindestens einer ersten Auslaßsammelleitung und einer zweiten Auslaßsammelleitung und mindestens einer Einlaßsammelleitung. Jede Auslaßsammelleitung ist mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern gekoppelt. Jede Einlaßsammelleitung ist mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern gekoppelt. Ein erster Turbolader weist eine erste Turbine mit mindestens einem Einlaß und einem Auslaß auf und einen ersten Kompressor mit einem Einlaß und einem Auslaß. Der mindestens eine erste Turbineneinlaß ist strömungsmittelmäßig mit der ersten Auslaßsammelleitung gekoppelt. Ein zweiter Turbolader weist eine zweite Turbine mit einem Einlaß und einem Auslaß auf und einen zweiten Kompressor mit einem Einlaß und einem Auslaß. Der zweite Turbineneinlaß ist strömungsmittelmäßig mit der zweiten Auslaßsammelleitung gekoppelt und weist eine steuerbare variable Einlaßdüse auf. Der erste Kompressorauslaß ist strömungsmittelmäßig mit dem zweiten Kompressoreinlaß gekoppelt. Der Motor hat gute Brennstoffverbrauchscharakteristiken und eine gute Abgasrückzirkulationsflußratensteuerung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Turbolader für Verbrennungsmo­ toren und Abgasrückzirkulationssysteme und insbesondere auf einen Ver­ brennungsmotor mit mehreren Abgassammelleitungen, einem Doppelturbi­ nenturbolader und einem Abgasrückzirkulationssystem.
Technischer Hintergrund
Ein Verbrennungsmotor kann einen oder mehrere Turbolader aufweisen, um ein Strömungsmittel zu komprimieren, das an eine oder mehrere Brenn­ kammern innerhalb entsprechender Verbrennungszylinder zu liefern ist. Je­ der Turbolader weist typischerweise eine Turbine auf, die von den Abgasen des Motors angetrieben wird, und einen Kompressor, der von der Turbine angetrieben wird. Der Kompressor nimmt das zu komprimierende Strö­ mungsmittel auf und liefert das komprimierte Strömungsmittel an die Brenn­ kammern. Das Strömungsmittel, das vom Kompressor komprimiert wird, kann nur in Form von Verbrennungsluft vorliegen oder kann eine Mischung aus Brennstoff und Verbrennungsluft sein.
Es ist bekannt, mehrere Turbolader innerhalb eines Turboladersystems in einem Verbrennungsmotor vorzusehen. Beispielsweise offenbart das US-Patent 3,250,068 (Vulliamy) einen Verbrennungsmotor mit zwei Turboladern. Ein erster Turbolader weist eine Turbine auf, die von einer einzigen Auslaß­ sammelleitung des Verbrennungsmotors angetrieben wird. Das verbrauchte Abgas aus der Turbine des ersten Turboladers wird in serieller Weise zum Einlaß einer Turbine des zweiten Turboladers transportiert. Das verbrauchte Abgas wird dann in die Umgebung aus der Turbine des zweiten Turboladers ausgelassen. Der Kompressor des zweiten Turboladers komprimiert die um­ gebende Verbrennungsluft und liefert die komprimierte Verbrennungsluft in serieller Weise zum Kompressor des ersten Turboladers, der wiederum die komprimierte Verbrennungsluft zur Einlaßsammelleitung des Motors trans­ portiert.
Ein Problem bei einem Turboladersystem, wie oben beschrieben, ist, daß das verbrauchte Abgas aus der Turbine des ersten Turboladers nicht genü­ gend Energie haben kann, um ein erwünschtes Kompressionsverhältnis in­ nerhalb des zweiten Turboladers vorzusehen. Das Gesamtverdichtungsver­ hältnis des Turboladersystems ist somit entsprechend der Energiemenge begrenzt, die an der Turbine des zweiten Turboladers verfügbar ist.
Ein Abgasrückzirkulationssystem (AGR-System) wird verwendet, um die Er­ zeugung von nicht wünschenswerten Verunreinigungsgasen und Partikelstof­ fen im Betrieb der Verbrennungsmotoren zu steuern. Solche Systeme haben sich insbesondere bei Verbrennungsmotoren als nützlich erwiesen, wie bei­ spielsweise bei Passagierbussen, Leichtlastwägen und anderen auf der Straße fahrenden Ausrüstungsgegenständen. AGR-Systeme zirkulieren in erster Linie die Abgasnebenprodukte in die Einlaßluftversorgung des Ver­ brennungsmotors zurück. Das Abgas, das in den Motorzylinder erneut einge­ leitet wird, reduziert die Konzentration des Sauerstoffs darin, was wiederum die maximale Verbrennungstemperatur innerhalb des Zylinders absenkt und die chemische Reaktion des Verbrennungsprozesses verlangsamt, was die Bildung von Stickoxyden (NOx) verringert. Weiterhin enthalten die Abgase typischerweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die bei der erneuten Ein­ leitung in den Motorzylinder verbrannt werden, was weiter die Menge der Abgasnebenprodukte verringert, die als unerwünschte Verunreinigungen aus dem Verbrennungsmotor ausgestoßen werden.
Abhängig von gewissen Betriebsumständen, die mit einem Dieselmotor as­ soziiert sind, kann es wünschenswert sein, eine fettere oder magerere Mi­ schung des Abgases in der Verbrennungsluft vorzusehen, die zur Einlaß­ sammelleitung transportiert wird. Eine bekannte Technik zur Steuerung der Menge des Abgases, die mit der Verbrennungsluft vermischt wird, verwendet steuerbar betätigbare Ventile, die die Auslaßsammelleitung mit dem Kom­ pressor verbinden, der das Abgas aufnimmt. Der Fluß des Abgases zum zweiten Kompressor kann vollständig abgeschlossen werden oder kann auf zeitgesteuerter Basis gesteuert werden, um einen erwünschten durchschnitt­ lichen Fluß des Abgases zu liefern, der sich mit der Verbrennungsluft ver­ mischt. Eine weitere bekannte Technik ist es, eine Bypass- bzw. Umge­ hungsströmungsmittelleitung vorzusehen, die mit der Verbrennungsluft oder dem Abgas assoziiert ist. Ein steuerbar betätigbares Butterfly- bzw. Flügel- oder Klappenventil oder ähnliches ist innerhalb der Umgehungsströmungs­ mittelleitung positioniert und wird gesteuert, um wiederum die Menge des Abgases zu steuern, die sich mit der Verbrennungsluft vermischt. Obwohl solche Systeme wirksam sind, um die Abgasrückzirkulation innerhalb des Dieselmotors zu steuern, erfordern sie gewöhnlicherweise, daß eine zusätz­ liche Struktur in Form von Sensoren, Leitungen, Ventilen und assoziierten Steuervorrichtungen dem Verbrennungsmotor hinzugefügt wird.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß eines Aspektes der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern versehen, mit einer ersten Auslaßsam­ melleitung und einer zweiten Auslaßsammelleitung, die jeweils mit einer Vielzahl der Verbrennungszylinder gekoppelt sind, und mindestens einer Einlaßsammelleitung, die mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern ge­ koppelt ist. Ein erster Turbolader weist eine erste Turbine mit mindestens einem Einlaß und einem Auslaß auf, und einen ersten Kompressor mit ei­ nem Einlaß und einem Auslaß. Der mindestens eine erste Turbineneinlaß ist strömungsmittelmäßig mit der ersten Auslaßsammelleitung gekoppelt. Ein zweiter Turbolader weist eine zweite Turbine mit einem Einlaß und einem Auslaß auf, und einen zweiten Kompressor mit einem Einlaß und einem Auslaß. Der Einlaß der zweiten Turbine hat eine steuerbare variable Einlaß­ düse und ist strömungsmittelmäßig mit der zweiten Auslaßsammelleitung gekoppelt. Der zweite Kompressoreinlaß ist strömungsmittelmäßig mit dem ersten Kompressorauslaß gekoppelt.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung ist ein Turboladersystem vor­ gesehen und zwar zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern, mit einer Einlaßsammelleitung und er­ sten und zweiten Auslaßsammelleitungen. Das Turboladersystem hat einen ersten Turbolader, der eine erste Turbine aufweist, die mindestens einen Einlaß und einen Auslaß hat, und einen ersten Kompressor mit einem Einlaß und einem Auslaß. Der mindestens eine erste Turbineneinlaß ist strö­ mungsmittelmäßig mit der ersten Auslaßsammelleitung gekoppelt. Ein zwei­ ter Turbolader weist eine zweite Turbine mit einem Einlaß und einem Auslaß auf, und einen zweiten Kompressor mit einem Einlaß und einem Auslaß. Der zweite Turbineneinlaß ist strömungsmittelmäßig mit der zweiten Auslaß­ sammelleitung gekoppelt und hat eine steuerbare variable Einlaßdüse. Der zweite Kompressoreinlaß ist strömungsmittelmäßig mit dem ersten Kom­ pressorauslaß gekoppelt.
Gemäß noch eines weiteren Aspektes der Erfindung weist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors folgende Schritte auf: Vorsehen ei­ ner Vielzahl von Verbrennungszylindern, einer Einlaßsammelleitung, die Verbrennungsgas zu der Vielzahl von Verbrennungszylindern liefert, und er­ ster und zweiter Auslaßsammelleitungen; Transportieren des Abgases von der Vielzahl von Verbrennungszylindern zu der ersten Auslaßsammelleitung und der zweiten Auslaßsammelleitung; Vorsehen eines ersten Turboladers, der eine erste Turbine mit mindestens einem Einlaß und einem Auslaß auf­ weist, und eines ersten Kompressors mit einem Einlaß und einem Auslaß; Vorsehen eines zweiten Turboladers, der eine zweite Turbine mit einem steuerbaren variablen Einlaß und einem Auslaß aufweist, und eines zweiten Kompressors mit einem Einlaß und einem Auslaß; drehbares Antreiben der ersten Turbine mit dem Abgas, das in die erste Turbine an mindestens ei­ nem Einlaß von jedem zweiten Turbinenauslaß und der ersten Auslaßsam­ melleitung eingeleitet wird; drehbares Antreiben der zweiten Turbine mit Ab­ gas, das in den Einlaß der zweiten Turbine aus der zweiten Auslaßsammel­ leitung eingeleitet wird; Einleiten von Verbrennungsgas in den ersten Kom­ pressoreinlaß; Transportieren des komprimierten Verbrennungsgases aus dem ersten Kompressorauslaß in den zweiten Kompressoreinlaß; Transpor­ tieren des komprimierten Verbrennungsgases vom zweiten Kompressoraus­ laß zur Einlaßsammelleitung; Abfühlen von mindestens einem Betriebszu­ stand des Motors und der Leistung der Turbolader; und Steuern der steuer­ baren variablen Einlaßdüse ansprechend auf mindestens eine Größe der Motorbetriebszustände und der Leistung des Turboladers.
Gemäß noch eines weiteren Aspektes der Erfindung ist ein Turbolader- und Motoremissionssteuersystem vorgesehen, und zwar zur Anwendung bei ei­ nem Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern, mit einer Einlaßsammelleitung und ersten und zweiten Auslaßsammelleitungen. Ein erster Turbolader weist eine erste Turbine mit mindestens einem Einlaß und einem Auslaß auf, und einem ersten Kompressor mit einem Einlaß und einem Auslaß. Der mindestens eine erste Turbineneinlaß ist strömungsmit­ telmäßig mit der ersten Auslaßsammelleitung gekoppelt. Ein zweiter Turbo­ lader weist eine zweite Turbine mit einem Einlaß und einem Auslaß auf, und einen zweiten Kompressor mit einem Einlaß und einem Auslaß. Der zweite Turbineneinlaß hat eine steuerbare variable Einlaßdüse und ist strö­ mungsmittelmäßig mit der zweiten Auslaßsammelleitung gekoppelt. Der zweite Kompressoreinlaß ist strömungsmittelmäßig mit dem ersten Kom­ pressorauslaß gekoppelt. Eine Abgasrückzirkulationsleitung ist strömungs­ mittelmäßig mit der zweiten Auslaßsammelleitung und der Einlaßsammellei­ tung gekoppelt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die einzige Zeichnungsfigur ist eine schematische Darstellung eines Ver­ brennungsmotors, der Turbolader- und Abgasrückzirkulationssysteme der vorliegenden Erfindung aufweist.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Mit Bezug auf die Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel eines Verbren­ nungsmotors 10 gezeigt, der ein Ausführungsbeispiel eines Turboladersy­ stems 12 der vorliegenden Erfindung aufweist.
Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 14 auf, wie beispielsweise die sechs Verbrennungszylinder 14, die in Fig. 1 gezeigt sind, wobei jeder davon mit einer entsprechenden Einlaßsammellei­ tung 16 und einer Auslaßsammelleitung 18, 20 gekoppelt ist. Der Verbren­ nungsmotor 10 weist eine oder mehrere Einlaßsammelleitungen 16 auf, und weist in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine einzige Einlaß­ sammelleitung 16 auf, die strömungsmittelmäßig mit jedem Verbrennungszy­ linder 14 gekoppelt ist, und liefert eine Luftmischung an jeden Verbren­ nungszylinder 14 wie im folgenden beschrieben wird. Der Verbrennungsmo­ tor 10 weist auch eine oder mehrere Auslaßsammelleitungen 18, 20 auf, und weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine erste Auslaßsammelleitung 18 und eine zweite Auslaßsammelleitung 20 auf. Die erste Auslaßsammellei­ tung 18 ist strömungsmittelmäßig mit drei Verbrennungszylindern 14 gekop­ pelt und die zweite Auslaßsammelleitung 20 ist strömungsmittelmäßig mit den restlichen drei Verbrennungszylindern 14 gekoppelt. Ein Brennstoff, wie beispielsweise Dieselbrennstoff, wird in jeden Verbrennungszylinder 14 ein­ gespritzt und darin in bekannter Weise verbrannt.
Das Turboladersystem 12 weist einen ersten Turbolader 22 und einen zwei­ ten Turbolader 24 auf. Der erste Turbolader 22 weist eine auslaßgesteuerte erste Turbine 26 mit festem Gehäuse mit einem ersten Einlaß 27, einem zweiten Einlaß 28 und einem Auslaß 30 auf. Der erste Turbolader 22 weist weiter einen ersten Kompressor 32 mit einem Einlaß 34 und einem Auslaß 36 auf.
Die erste Turbine 26 ist mechanisch mit dem ersten Kompressor 32 gekop­ pelt, wie beispielsweise durch eine Welle 37, und treibt dadurch drehbar den ersten Kompressor 32 an. Der zweite Einlaß 28 der ersten Turbine 26 ist strömungsmittelmäßig mit der Auslaßsammelleitung 18 über eine Strö­ mungsmittelleitung 38 gekoppelt und nimmt Abgas davon auf, um drehbar die erste Turbine 26 anzutreiben. Der erste Turbinenauslaß 30 läßt ver­ brauchtes Abgas zu einem Auslaßsystem aus, das irgendeinen benötigten (nicht gezeigten) Schalldämpfer aufweist, und dann zur Umgebung. Der er­ ste Kompressoreinlaß 34 nimmt Verbrennungsluft von der Umgebung auf, und zwar zur Verdichtung innerhalb des ersten Kompressors 32.
Der zweite Turbolader 24 weist eine zweite Turbine 40 mit einem Einlaß 42 und einem Auslaß 44 auf, und einen zweiten Kompressor 46 mit einem Ein­ laß 48 und einem Auslaß 50. Der Einlaß 42 der zweiten Turbine 40 weist eine steuerbar betätigbare variable Einlaßdüse 52 am Einlaß 42 auf, und zwar mit einem Einschränkungsquerschnitt, der steuerbar eingestellt werden kann, um dadurch eine Einlaßzumeßöffnung zur zweiten Turbine 40 mit va­ riablem Querschnitt vorzusehen. Durch Variieren des Querschnittes der Einlaßdüse 52 wird die Flußrate durch die zweite Turbine 40 gesteuert, was wiederum die Ausgangsdrehzahl der zweiten Turbine 40 steuert.
Der zweite Turbinenauslaß 44 ist strömungsmittelmäßig mit dem ersten Ein­ laß 27 der ersten Turbine 26 über eine Strömungsmittelleitung 53 gekoppelt. Es sei bemerkt, daß die erste Turbine 26 auch mit nur einem einzigen Einlaß versehen sein kann, wie beispielsweise dem Einlaß 28, der mit der ersten Auslaßsammelleitung 18 durch die Leitung 38 gekoppelt ist, wobei in diesem Fall die Strömungsmittelleitung 53 strömungsmittelmäßig mit dem Einlaß 28 in Verbindung stehen wird, vielleicht durch die Leitung 38. Der Einlaß 42 der zweiten Turbine 40 ist strömungsmittelmäßig mit der zweiten Auslaßsammel­ leitung 20 über eine Strömungsmittelleitung 54 gekoppelt.
Der zweite Kompressor 46 ist mechanisch mit der zweiten Turbine 40 durch eine Welle 55 gekoppelt und wird drehbar davon angetrieben. Der zweite Kompressoreinlaß 48 ist strömungsmittelmäßig mit dem ersten Kompressor­ auslaß 36 über eine Strömungsmittelleitung 56 gekoppelt. Ein optionaler Zwischenkühler 58 ist in Strömungsmittelverbindung mit der Strömungsmit­ telleitung 56 angeordnet, um das komprimierte Verbrennungsgas zu kühlen, das vom ersten Kompressor 32 zum zweiten Kompressor 46 transportiert wird. Ein Nachkühler 60 ist in Strömungsmittelverbindung mit einer Strö­ mungsmittelleitung 62 angeordnet, die strömungsmittelmäßig den Auslaß 50 des zweiten Kompressors 46 mit der Einlaßsammelleitung 16 koppelt.
Ein Motoremissionssteuersystem in Form eines Abgasrückzirkulationssy­ stems 64 verbindet strömungsmittelmäßig die zweite Auslaßsammelleitung 20 mit der Einlaßsammelleitung 16. Ein Ventil 66 und einer Kühler 68 sind in Strömungsmittelverbindung mit einer Abgasrückzirkulationsleitung 70 posi­ tioniert. Das Ventil 66 steuert einen Fluß des Abgases, das aus der Auslaß­ sammelleitung 20 zurückzirkuliert wird, zur Einlaßsammelleitung 16. Der Kühler 68 wirkt als Wärmetauscher zur Kühlung des Abgases, das in die Einlaßsammelleitung 16 zurückzirkuliert bzw. zurückgeleitet wird.
Das Ventil 66 weist einen Einlaß 72 und einen Auslaß 74 auf und ist strö­ mungsmittelmäßig mit der Abgasrückzirkulationsleitung 70 gekoppelt, um den Fluß zur Einlaßsammelleitung 16 zu steuern.
Ein Mischer 80 nimmt einen Abgasfluß von der Abgasrückzirkulationsleitung 70 auf, und einen komprimierten Verbrennungsströmungsmittelfluß von der Strömungsmittelleitung 62 und liefert eine Mischung davon zur Einlaßsam­ melleitung 16 über eine Strömungsmittelleitung 82.
Eine Steuervorrichtung 84 ist mit (nicht gezeigten) Motor- und Turboladerbe­ triebs- und -leistungssensoren gekoppelt und nimmt Daten von diesen auf, und überträgt Steuersignale über eine Signalleitung 86 zur variablen Einlaß­ düse 52 zur Steuerung und Einstellung ihres Querschnittes.
Industrielle Anwendbarkeit
Während des Gebrauches des Motors 10 und des Turbolader- und Abgas­ rückzirkulationssystems 12 wird Brennstoff, wie beispielsweise Dieselbrenn­ stoff, in die Verbrennungszylinder 14 eingespritzt und wird verbrannt, wenn ein (nicht gezeigter) Kolben, der in jedem Verbrennungszylinder 14 angeord­ net ist, auf oder nahe einer oberen Totpunktposition (tdc = top dead center) ist. Das Abgas wird von jedem Verbrennungszylinder 14 zur damit assoziier­ ten Auslaßsammelleitung transportiert, d. h. entweder der ersten Auslaß­ sammelleitung 18 oder der zweiten Auslaßsammelleitung 20. Abgas inner­ halb der ersten Auslaßsammelleitung 18 wird zur ersten Turbine 26 über die Strömungsmittelleitung 38 transportiert, um die erste Turbine 26 drehbar an­ zutreiben. Die erste Turbine 26 wiederum treibt den ersten Kompressor 32 über die Welle 37 drehbar an.
Gleichzeitig wird Abgas von der Auslaßsammelleitung 20 zum zweiten Turbi­ neneinlaß 42 über die Strömungsmittelleitung 54 transportiert, um die zweite Turbine 40 anzutreiben. Die zweite Turbine 40 wiederum treibt drehbar den zweiten Kompressor 46 über die Welle 55 an. Das verbrauchte Abgas aus der zweiten Turbine 40 fließt vom zweiten Turbinenauslaß 44 durch die Strömungsmittelleitung 53 zum ersten Einlaß 27 der ersten Turbine 26, um die erste Turbine 26 drehbar anzutreiben, was die weitere Verwendung der restlichen Energie des Abgases gestattet. Das verbrauchte Abgas wird aus dem Auslaß 30 der ersten Turbine 26 in die Umgebung ausgelassen.
Ansprechend auf Daten, die bezüglich der Motorbetriebszustände erhalten wurden, oder Daten bezüglich der Leistung der Turbolader, wird die steuer­ bare variable Einlaßdüse 52 am Einlaß 42 der zweiten Turbine 40 eingestellt. Beispielsweise kann ein (nicht gezeigter) Sensor oder mehrere Sensoren Motorlastzustände, die Motorkühlmitteltemperatur, die Verbrennungsluftein­ laßtemperatur oder einen Motorstartzustand abfühlen, genauso wie ver­ schiedene Leistungsdaten, die vom ersten Turbolader 22 und vom zweiten Turbolader 24 erhalten wurden, die zu der Steuervorrichtung 84 übertragen werden und von dieser verarbeitet werden. Durch Variieren des Querschnit­ tes der variablen Einlaßdüse 52 am Einlaß 42 wird die Flußrate durch die zweite Turbine 40 gesteuert, was wiederum die Ausgangsdrehzahl der zweiten Turbine 40 steuert, und daher die Drehzahl und Leistung des zwei­ ten Kompressors 46, der von der zweiten Turbine 40 angetrieben wird.
Der erste Kompressor 32 zieht Verbrennungsluft in den ersten Kompres­ soreinlaß 34. Die Verbrennungsluft wird innerhalb des ersten Kompressors 32 komprimiert und wird aus dem Auslaß 36 des ersten Kompressors 32 durch die Strömungsmittelleitung 56 ausgelassen. Die komprimierte Ver­ brennungsluft wird innerhalb des Zwischenkühlers 58 abgekühlt und wird zum zweiten Kompressoreinlaß 48 für eine weitere Verdichtung innerhalb des zweiten Kompressors 46 transportiert. Der erste Kompressor 32 und der zweite Kompressor 46 bilden somit einen mehrstufigen Kompressor zum Komprimieren von Verbrennungsluft, die an die Einlaßsammelleitung 16 ge­ liefert wird.
Die komprimierte Verbrennungsluft wird vom Auslaß 50 des zweiten Kom­ pressors 46 durch die Strömungsmittelleitung 62 zum Nachkühler 60 trans­ portiert. Die komprimierte Verbrennungsluft wird wiederum innerhalb des Nachkühlers 60 gekühlt und wird zur Einlaßsammelleitung 16 über den Mi­ scher 80 und Strömungsmittelleitung 82 transportiert, und zwar zum Ge­ brauch bei der Verbrennung, die innerhalb der Verbrennungszylinder 14 auf­ tritt.
Abgas wird von der zweiten Auslaßsammelleitung 20 zur Einlaßsammellei­ tung 16 über die Abgasrückzirkulationsleitung 70, dem Mischer 80 und die Strömungsmittelleitung 82 zurückzirkuliert. Das Ventil 66 wird steuerbar über (nicht gezeigte) geeignete elektrische Verdrahtungen betätigt, um die Menge des Abgases zu steuern, das zur Einlaßsammelleitung 16 zurückzirkuliert wird. Der Kühler 68 wird verwendet, um das Abgas abzukühlen, das zur Einlaßsammelleitung 16 zurückzirkuliert wird.
Das Ventil 66 wird selektiv betätigt, um den Fluß des Abgases aus dem Auslaß 74 des Ventils 66 zu steuern. Abgas, das durch den Auslaß 74 des Ventils 66 fließt, wird innerhalb des Abgasrückzirkulationskühlers 68 gekühlt und dann zum Mischer 80 transportiert, und zwar zur Vermischung mit der Verbrennungsluft, die von dem ersten Kompressor 32 und dem zweiten Kompressor 46 komprimiert wird, und vom Zwischenstufenkühler 58 und vom Nachkühler 60 gekühlt wird. Die Mischung der Verbrennungsluft und des Abgases wird dann zur Einlaßsammelleitung 16 über die Strömungsmit­ telleitung 82 transportiert.
Das System 12 hat gute Brennstoffverbrauchscharakteristiken und eine her­ vorragende Steuerung der Abgasrückzirkulationsflußrate mit der steuerbar variablen Einlaßdüse 52 am Einlaß 42 der zweiten Turbine 40.
Das Turboladersystem der vorliegenden Erfindung sieht mehrere Turbolader mit Turbinen und Kompressoren vor, die strömungsmittelmäßig miteinander in serieller Anordnung gekoppelt sind, um eine verbesserte Leistung und ei­ nen verbesserten Wirkungsgrad vorzusehen. Der erste Turbolader hat eine Turbine, die Abgas von sowohl einer Auslaßsammelleitung als auch der Turbine des zweiten Turboladers aufnimmt. Durch Verwendung des ver­ brauchten Abgases von dem zweiten Turbolader kann die damit assoziierte Energie wiedergewonnen werden, und zwar zusammen mit der Energie aus der Auslaßsammelleitung, und kann verwendet werden, um die Turbine des ersten Turboladers anzutreiben. Das Turboladersystem ist kompakt, wir­ kungsvoll und liefert komprimierte Luft mit einem relativ hohen Kompressi­ onsverhältnis zur Einlaßsammelleitung.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Stu­ dium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche er­ halten werden.

Claims (21)

1. Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist:
eine Vielzahl von Verbrennungszylindern;
eine erste Auslaßsammelleitung und eine zweite Auslaßsammellei­ tung, wobei die erste Auslaßsammelleitung und die zweite Auslaß­ sammelleitung mit einer Vielzahl der Verbrennungszylinder gekoppelt ist;
mindestens eine Einlaßsammelleitung, wobei jede Einlaßsammellei­ tung mit einer Vielzahl der Verbrennungszylinder gekoppelt ist;
einen ersten Turbolader, der eine erste Turbine mit mindestens einem Einlaß und einem Auslaß aufweist, und einen ersten Kompressor mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der mindestens eine erste Turbineneinlaß eine feste Geometrie hat und strömungsmittelmäßig mit der ersten Auslaßsammelleitung gekoppelt ist; und
einen zweiten Turbolader, der eine zweite Turbine mit einem Einlaß mit einer steuerbaren variablen Einlaßdüse und mit einem Auslaß aufweist, und der einen zweiten Kompressor mit einem Einlaß und ei­ nem Auslaß aufweist, wobei der zweite Turbineneinlaß strömungsmit­ telmäßig mit der zweiten Auslaßsammelleitung gekoppelt ist, wobei der zweite Kompressoreinlaß strömungsmittelmäßig mit dem ersten Kompressorauslaß gekoppelt ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, der eine Abgasrückzirkulations­ leitung aufweist, die die erste Auslaßsammelleitung und/oder die zweite Auslaßsammelleitung mit der Einlaßsammelleitung verbindet.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, der ein Abgasrückzirkulations­ ventil aufweist, das in der Abgasrückzirkulationsleitung angeordnet ist, wobei das Abgasrückzirkulationsventil einen Einlaß in Strömungsmit­ telverbindung mit der zweiten Auslaßsammelleitung hat.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine er­ ste Turbineneinlaß strömungsmittelmäßig mit der ersten Auslaßsam­ melleitung und mit dem zweiten Turbinenauslaß gekoppelt ist.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine er­ ste Turbineneinlaß strömungsmittelmäßig mit der ersten Auslaßsam­ melleitung und mit dem zweiten Turbinenauslaß gekoppelt ist.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, der eine Abgasrückzirkulations­ leitung aufweist, die strömungsmittelmäßig die zweite Auslaßsammel­ leitung und die Einlaßsammelleitung verbindet und ein Ventil und ei­ nen Kühler, der mit der Abgasrückzirkulationsleitung assoziiert ist.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, der einen Nachkühler aufweist, der strömungsmittelmäßig den zweiten Kompressorauslaß und die mindestens eine Einlaßsammelleitung verbindet.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, der einen Zwischenkühler auf­ weist, der den ersten Kompressorauslaß und den zweiten Kompres­ soreinlaß verbindet.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die erste Turbine eine Turbine mit festem Gehäuse ist, und zwar mit einem ersten Einlaß der ersten Turbine mit fester Geometrie, der strömungsmittelmäßig mit dem zweiten Turbinenauslaß verbunden ist, und mit einem zweiten Einlaß der ersten Turbine mit fester Geometrie, der strömungsmittel­ mäßig mit der ersten Auslaßsammelleitung verbunden ist.
10. Turboladersystem zur Anwendung bei einem Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern, mit einer Einlaßsammellei­ tung und ersten und zweiten Auslaßsammelleitungen, wobei das Tur­ boladersystem folgendes aufweist:
einen ersten Turbolader, der eine erste Turbine mit mindestens einem Einlaß und einem Auslaß aufweist, und einen ersten Kompressor mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der mindestens eine erste Turbineneinlaß eine feste Geometrie hat und strömungsmittelmäßig mit der ersten Auslaßsammelleitung gekoppelt ist; und
einen zweiten Turbolader, der eine zweite Turbine mit einem Einlaß und einem Auslaß aufweist, und einen zweiten Kompressor mit einem Einlaß und mit einem Auslaß, wobei der zweite Turbineneinlaß strö­ mungsmittelmäßig mit der zweiten Auslaßsammelleitung gekoppelt ist und eine steuerbare variable Einlaßdüse hat, und wobei der Einlaß des zweiten Kompressors strömungsmittelmäßig mit dem Auslaß des ersten Kompressors gekoppelt ist.
11. Turboladersystem nach Anspruch 10, das eine Abgasrückzirkulations­ leitung aufweist, die die erste Auslaßsammelleitung und/oder die zweite Auslaßsammelleitung mit der Einlaßsammelleitung verbindet.
12. Turboladersystem nach Anspruch 11, das ein Abgasrückzirkulations­ ventil aufweist, das in der Abgasrückzirkulationsleitung angeordnet ist, wobei das Abgasrückzirkulationsventil einen Einlaß in Strömungsmit­ telverbindung mit der zweiten Auslaßsammelleitung und einen Auslaß in Strömungsmittelverbindung mit der Einlaßsammelleitung besitzt.
13. Turboladersystem nach Anspruch 12, wobei die erste Turbine an min­ destens einem Einlaß strömungsmittelmäßig mit der ersten Auslaß­ sammelleitung und mit dem zweiten Turbinenauslaß gekoppelt ist.
14. Turboladersystem nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Einlaß der ersten Turbine strömungsmittelmäßig mit der ersten Aus­ laßsammelleitung und mit dem zweiten Turbinenauslaß gekoppelt ist.
15. Turboladersystem nach Anspruch 14, das eine Abgasrückzirkulations­ leitung aufweist, die strömungsmittelmäßig die zweite Auslaßsammel­ leitung und die Einlaßsammelleitung verbindet, und ein Ventil und ei­ nen Kühler, die mit der Abgasrückzirkulationsleitung assoziiert sind.
16. Turboladersystem nach Anspruch 15, das einen Nachkühler aufweist, der strömungsmittelmäßig den zweiten Kompressorauslaß und die Einlaßsammelleitung verbindet.
17. Turboladersystem nach Anspruch 16, das einen Zwischenkühler auf­ weist, der strömungsmittelmäßig den Auslaß des ersten Kompressors und den Einlaß des zweiten Kompressors verbindet.
18. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, das folgende Schritte aufweist:
Vorsehen einer Vielzahl von Verbrennungszylindern, einer Einlaß­ sammelleitung, die Verbrennungsgas zu der Vielzahl von Verbren­ nungszylindern liefert, und erster und zweiter Auslaßsammelleitungen;
Transportieren von Abgas aus der Vielzahl von Verbrennungszylin­ dern zu der ersten Auslaßsammelleitung und der zweiten Auslaß­ sammelleitung;
Vorsehen eines ersten Turboladers, der eine erste Turbine mit min­ destens einem Einlaß und einem Auslaß aufweist, und eines ersten Kompressors mit einem Einlaß und einem Auslaß;
Vorsehen eines zweiten Turboladers, der eine zweite Turbine mit ei­ ner steuerbaren variablen Einlaßdüse an einem Einlaß aufweist, und einen Auslaß besitzt, und Vorsehen eines zweiten Kompressors mit einem Einlaß und einem Auslaß;
drehbares Antreiben der ersten Turbine mit Abgas, das in die erste Turbine an mindestens einem Einlaß sowohl vom zweiten Turbinen­ auslaß als auch der ersten Auslaßsammelleitung eingeleitet wird;
drehbares Antreiben der zweiten Turbine mit Abgas, das am zweiten Turbineneinlaß von der zweiten Auslaßsammelleitung eingeleitet wird;
Einleiten von Verbrennungsgas am ersten Kompressoreinlaß;
Transportieren des komprimierten Verbrennungsgases vom Auslaß des ersten Kompressors zum Einlaß des zweiten Kompressors;
Transportieren des komprimierten Verbrennungsgases vom Auslaß des zweiten Kompressors zu der mindestens einen Einlaßsammellei­ tung;
Abfühlen von mindestens einem der Betriebszustände bzw. der Be­ triebsgrößen des Motors und der Leistung der Turbolader; und
Steuern der steuerbaren variablen Einlaßdüse ansprechend auf den mindestens einen der Motorbetriebszustände und die Leistung der Turbolader.
19. Verfahren nach Anspruch 18, das weiter den Schritt aufweist, die er­ ste Turbine an mindestens einem Einlaß mit mindestens zwei Einläs­ sen für die erste Turbine zu versehen, Strömungsmittel von dem zweiten Turbinenauslaß bzw. Auslaß der zweiten Turbine zu einem der Einlässe der ersten Turbine zu transportieren, und Strömungsmit­ tel von der ersten Auslaßsammelleitung zu einem zweiten der Einläs­ se zu transportieren.
20. Verfahren nach Anspruch 18, das den Schritt aufweist, Abgas in einer Abgasrückzirkulationsleitung zurückzuzirkulieren bzw. zurückzuleiten, die die erste und/oder zweite Auslaßsammelleitung und die Einlaß­ sammelleitung verbindet.
21. Turbolader- und Abgasemissionssteuersystem zur Anwendung in ei­ nem Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Verbrennungszylin­ dern, mit einer Einlaßsammelleitung und ersten und zweiten Auslaß­ sammelleitungen, wobei das Turbolader- und Motoremissionssteuer­ system folgendes aufweist:
einen ersten Turbolader, der eine erste Turbine mit mindestens einem Einlaß und einem Auslaß besitzt und eines ersten Kompressors mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der mindestens eine erste Turbineneinlaß eine feste Geometrie hat und strömungsmittelmäßig mit der ersten Auslaßsammelleitung gekoppelt ist;
einen zweiten Turbolader, der eine zweite Turbine mit einem Einlaß und einem Auslaß aufweist, und einen zweiten Kompressor mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der zweite Turbineneinlaß eine steu­ erbare variable Einlaßdüse besitzt, die mit der zweiten Auslaßsammel­ leitung strömungsmittelmäßig gekoppelt ist, und wobei der Einlaß des zweiten Kompressors strömungsmittelmäßig mit dem Auslaß des er­ sten Kompressors gekoppelt ist; und
eine Abgasrückzirkulationsleitung, die strömungsmittelmäßig mit der zweiten Auslaßsammelleitung und der Einlaßsammelleitung gekoppelt ist.
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