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Die
Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftwagens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine
solche zweistufige Turboladeranordnung ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 015253 A1 bekannt.
Anstelle eines einzelnen Turboladers sind hierbei zwei Turbolader
in Serie geschaltet, wobei die vom Verdichterrad eines ersten Turboladers vorverdichtete
Luft einer Lufteintrittsöffnung des zweiten Turboladers
zugeführt wird und von dessen Verdichterrad noch weiter
verdichtet wird. Hierdurch lassen sich besonders hohe Ladedrücke
und damit auch besonders gute Wirkungsgrade der zugeordneten Brennkraftmaschine
erzielen. Insbesondere ermöglicht eine mehrstufige Aufladung
der genannten Art höhere Abgasrückführungsraten,
ohne dass dabei Verluste bezüglich der spezifischen Leistung
der zugeordneten Brennkraftmaschine auftreten. Hierdurch lassen
sich die Emissionswerte der Brennkraftmaschine weiter verringern.
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Aufgrund
der Bauraumverhältnisse im Motorraum ist es in der Regel
notwendig, die Turbinenachsen der beiden hintereinander geschalteten
Turbolader nahezu parallel zueinander anzuordnen. Weiterhin besteht
aus Bauraumgründen im Allgemeinen ein axialer Versatz zwischen
dem Luftaustritt des ersten Turboladers, also der Niederdruckstufe,
und dem Verdichtereintritt des zweiten Turboladers, also der Hochdruckstufe.
Um die vom ersten Verdichter vorverdichtete Luft zum zweiten Verdichter
leiten zu können, sind daher in der Regel komplexe Krümmeranordnungen
notwendig, die meist aus einem ersten 90°-Krümmer
und einem diesem nachgeschalteten 180°-Krümmer
bestehen. Eine derartige Strömungsführung ist
hochgradig ungünstig, da durch die massive Änderung
der Strömungsrichtung im Krümmerbereich hohe Druckverluste
auftreten, was die Effizienz der Verdichtung wieder senkt.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turboladeranordnung
der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass zwischen dem
Luftaustritt des ersten Turboladers und dem Lufteintritt des zweiten
Turboladers eine strömungsgünstigere Strömungsführung
ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Turboladeranordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine
derartige Turboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftwagens umfasst zwei in Serie geschaltete Turbolader zum
Verdichten von Ladeluft. Hierbei ist eine Luftaustrittsöffnung
der Verdichterseite des ersten Turboladers mit einer Lufteintrittsöffnung
der Verdichterseite des zweiten Turboladers verbunden.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass von einem Verdichterrad des ersten Turboladers
verdichtete Ladeluft über einen radial bezüglich
des Verdichterrads verlaufenden Radialdiffusor und einen diesem
nachgeschalteten inneren Krümmer in einen axial bezüglich
des Verdichterrads verlaufenden Axialdiffusor gelangt. Sowohl Radialdiffusor
als auch innerer Krümmer und Axialdiffusor sind dabei innerhalb des
Gehäuses des ersten Turboladers angeordnet. Durch die Erstreckung
des Axialdiffusors kann in der Folge auch eine Sammelspirale des
ersten Turboladers verglichen mit nach dem Stand üblichen
Turboladern in axialer Richtung verschoben werden, so dass der axiale
Versatz zwischen der Luftaustrittsöffnung des ersten Turboladers
und der Lufteintrittsöffnung des zweiten Turboladers in
einer erfindungsgemäßen Turboladeranordnung verglichen
mit dem Stand der Technik verkleinert wird. Dies ermöglicht eine
einfachere Strömungsführung zwischen den beiden
Turboladern und reduziert die Druckverluste der verdichteten Ladeluft
in diesem Bereich.
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Insbesondere
ist es möglich, zwischen Luftaustrittsöffnung
des ersten Turboladers und Lufteintrittsöffnung des zweiten
Turboladers einen externen Krümmer mit deutlich verringertem
Umlenkwinkel zu verwenden. Durch den Axialdiffusor wird vorteilhafterweise
zusätzlich eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit
der in der Niederdruckstufe verdichteten Ladeluft erzielt, so dass
strömungsbedingte Druckverluste weiter verringert werden.
Im inneren Krümmer zwischen radialem und axialem Diffusor
wird die Strömung dagegen im Bereich der 90°-Umlenkung
beschleunigt, um dort lokal auftretende Verluste zu senken.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die
Innenwandung des Axialdiffusors dabei parallel zur einer Rotationsachse
des Verdichterrads des ersten Turboladers. In anderen Worten bildet
die Innenwandung des Axialdiffusors die Mantelfläche eines
Zylinders aus. Die Außenfläche des Axialdiffusors
dagegen ist bevorzugt in einem Winkel zu der Innenwandung angeordnet,
wobei sich ein Strömungsquerschnitt des Axialdiffusors
in Strömungsrichtung der ihn durchströmenden Ladeluft
erweitert. Der Axialdiffusor nimmt somit insgesamt eine im Wesentlichen
konische Gestalt an, so dass die gewünschte Verringerung
der Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden kann, um geringe
Strömungsgeschwindigkeiten im verdichterexternen Krümmer
zu erzielen. Durch das Anliegen der Strömung im Axialdiffusor
an der äußeren Wandung wird durch den Fliehkraftdruck der
Strömung zusätzlich vorteilhaft eine Begünstigung
der drei Komponenten der Strömung erreicht.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung von Radialdiffusor,
innerem Krümmer und Axialdiffusor im Gehäuse des
ersten Turboladers kann die so entstehende vergrößerte
Strömungsfläche zusätzlich vorteilhaft
genutzt werden, um eine Vorkühlung der vorverdichteten
Ladeluft zu erzielen. Hierzu kann wenigstens ein Kühlmittelkanal
im Nahbereich des Radialdiffusors und/oder des inneren Krümmers und/oder
des Axialdiffusors im Gehäuse des ersten Turboladers vorgesehen
sein. Die so verbesserte Ladeluftkühlung ermöglicht
eine weitere Leistungssteigerung des zugeordneten Motors, da höhere
Luftmassenströme zum Aufladen des Motors benutzt werden
können. Die Anordnung des wenigstens einen Kühlmittelkanals
insbesondere im Nahbereich des Verdichterrads bzw. des Radialdiffusors
ermöglicht eine besonders effiziente Kühlung,
da dort die höchsten Wärmeübergänge
zu erzielen sind.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mündet
der Axialdiffusor in einen spiralförmigen Sammelkanal mit
einer Luftaustrittsöffnung. Diese Luftaustrittsöffnung
stellt den Übergangspunkt zwischen der Niederdruck- und
der Hochdruckstufe der Turboladeranordnung dar und dient der Anbindung eines
externen Krümmers zur Verbindung des zweiten Turboladers.
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Aufgrund
der niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, die durch den
erfindungsgemäßen Axialdiffusor erzielt werden,
ist es in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch
möglich, den Axialdiffusor direkt in einen Sammelbehälter
münden zu lassen, welcher unmittelbar mit einer Lufteintrittsöffnung des
zweiten Turboladers verbunden ist. Der zweite Turbolader saugt also
die Ladeluft direkt aus dem Sammelbehälter, wodurch eine
externe Krümmeranordnung zwischen dem ersten und dem zweiten
Turbolader unnötig wird. Dies verbessert wiederum die Gesamtleistung
der Turboladeranordnung, da Druckverluste weiter minimiert werden.
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Ist
aus Bauraumgründen das Anbringen eines derartigen Sammelbehälters
nicht möglich, so ist es in einer alternativen Ausführungsform
möglich, die Luftaustrittsöffnung des ersten Turboladers
mit einer Lufteintrittsöffnung des zweiten Turboladers
durch einen externen Krümmer mit einem Umlenkwinkel von in
etwa 90° zu verbinden. Verglichen mit den konventionell üblichen
Krümmeranordnungen aus einem 90°- und einem 180°-Krümmer
treten hierbei wesentlich geringere Druckverluste zwischen Niederdruck- und
Hochdruckstufe der Turboladeranordnung auf.
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Im
Folgenden sollen die Erfindung und ihre Ausführungsformen
anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Turboladeranordnung nach dem Stand
der Technik;
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2 eine
perspektivische Darstellung einer Turboladeranordnung nach dem Stand
der Technik und
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3 eine
Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines ersten Turboladers
für eine erfindungsgemäße Turboladeranordnung.
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In 1 ist
zunächst schematisch das Prinzip der mehrstufigen Aufladung
einer Brennkraftmaschine 10, bei der es sich hier um einen
Vierzylinder-Reihenmotor handelt, veranschaulicht. Den vier Zylindern 12 der
Brennkraftmaschine wird dabei über einen Ansaugtrakt 14 mithilfe
einer Turboladeranordnung 16 Ladeluft zugeführt.
Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 aus den vier Zylindern 12 wird
in einem Abgaskrümmer 18 gesammelt, wobei ein
Teil des Abgases über einen Abgasrückführungskühler 20 und
ein Regelventil 22 in den Ansaugtrakt 14 zurückgeführt
wird. Hierdurch lassen sich insbesondere Stickoxidemissionen reduzieren.
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Ein
weiterer Teil des Abgases wird über eine erste Abgasleitung 24 einer
Turbine 26 eines Hochdruckabgasturboladers 28 zugeführt.
Diese treibt über eine Turbinenwelle 30 ein zugeordnetes
Verdichterrad 32 des Hochdruckturboladers 28.
Bedarfsweise kann über eine zweite Abgasleitung 34,
gesteuert durch ein Regelventil 36, das Abgas am Hochdruckturbolader 28 vorbeigeführt
werden. Aus der Turbine 26 des Hochdruckabgasturboladers 28 austretendes
Abgas wird weiter auf eine Turbine 38 des Turboladers 40 der
Niederdruckstufe der Turboladeranordnung 16 geleitet. Diese
Turbine 38 treibt über eine weitere Turbinenwelle 42 den
Niederdruckverdichter 44. Über eine Ansaugleitung 46 angesaugte
Ladeluft wird somit zunächst durch den ersten Turbolader 40,
also die Niederdruckstufe im Niederdruckverdichter 44 vorverdichtet
und über eine weitere Ladeluftleitung 48 dem Turbolader 28 der
Hochdruckstufe zugeführt, wo sie im Verdichter 32 der Hochdruckstufe
weiter verdichtet und schließlich über einen Ladeluftkühler 50 in
den Ansaugtrakt 14 geführt wird. Hierdurch lassen
sich höhere Verdichtungsverhältnisse und damit
auch verbesserte Motorwirkungsgrade erzielen. Insbesondere kann
durch eine derartige zweistufige Verdichtung eine höhere Abgasrückführungsrate
erzielt werden, was die Stickstoffoxidemissionen des Motors weiter
senkt.
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2 zeigt
eine derartige Turboladeranordnung 16 in einer perspektivischen
Darstellung. Ladeluft strömt in Richtung des Pfeils 52 zunächst
in eine Ansaugöffnung 54 des Niederdruckturboladers 40, wird
dort verdichtet und gelangt über einen Spiralkanal 56 zu
einer Luftaustrittsöffnung 58 des Niederdruckturboladers 40.
Aus Bauraumgründen ist die Hochdruckstufe 28 der
Turboladeranordnung 16 so angeordnet, dass die Turbinenwellen 30 und 42 der beiden
Turbolader 28 und 40 parallel zueinander liegen.
Es tritt nun das Problem auf, dass die Luftaustrittsöffnung 58 des
Turboladers 40 der Niederdruckstufe einen axialen Versatz
zur Lufteintrittsöffnung 60 des Turboladers 28 der
Hochdruckstufe aufweist. Um eine Verbindung der beiden Turbolader 40 und 28 herstellen
zu können, ist eine Verbindungsleitung 62 nötig,
welche einen ersten 90°-Krümmer 64 und
einen daran angeschlossenen 180°-Krümmer 66 aufweist.
Dadurch treten in der Ladeluftführung zwischen dem Turbolader 40 der
Niederdruckstufe und dem Turbolader 28 der Hochdruckstufe
hohe Druckverluste auf. Über einen Spiralkanal ??66??
gelangt die hochverdichtete Ladeluft schließlich zur Austrittsöffnung 68 des
Turboladers 28 der Hochdruckstufe und wird in Richtung
des Pfeils 70 zum Ansaugtrakt 14 weitergeleitet.
Auf der Abgasseite ergibt sich ein ähnliches Bild. Von
der Abgasleitung 24 her strömt Abgas in Richtung
des Pfeils 72 in eine Abgaseintrittsöffnung 74 des
Hochdruckturboladers 28, und treibt über die innerhalb
des Gehäuses befindliche und daher in der Zeichnung nicht
zu erkennende Turbine das ebenfalls nicht gezeigte Verdichterrad
des Turboladers 28. Über einen Krümmer 76 wird
abströmendes Abgas in einen Spiralkanal 78 des
Turboladers 40 geleitet und treibt dort die Turbine 38 zum
Antrieb des Verdichterrads 44. Über eine Abgasausströmöffnung 80 strömt
das Abgas schließlich in Richtung des Pfeils 82 aus
dem Turbolader 40 aus und wird weiteren Komponenten des
Abgassystems zugeleitet.
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Um
das geschilderte Problem der Druckverluste in der Verbindungsleitung 62 zwischen
den beiden Turboladern 40 und 28 zu verringern,
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, im Gehäuse 84 des Turboladers 40 der
Niederdruckstufe der Turboladeranordnung 16 eine modifizierte
Ladeluftführung vorzusehen.
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Ein
Ausführungsbeispiel ist hierzu in schematischer Schnittdarstellung
in 3 gezeigt. Ladeluft strömt in Richtung
des Pfeils 52 auf das Verdichterrad 86 der Verdichterseite 44 des
Turboladers 40 der Niederdruckstufe. Die gezeigte Anordnung
ist dabei symmetrisch zur Achse 88, welche gleichzeitig die
Rotationsachse der Turbinenwelle 42, von der auch das Verdichterrad 86 getragen
wird, darstellt. Vom Verdichterrad 86 wird die geförderte
Ladeluft radial in Richtung des Pfeils 90 zunächst
in einen Radialdiffusor 92 eingeleitet. Über einen
internen, ebenfalls im Gehäuse 84 des Turboladers 40 angeordneten
90°-Krümmer gelangt die Ladeluft in einen Axialdiffusor 96.
Die Innenwandung 98 des Axialdiffusors verläuft
dabei parallel zur Symmetrieachse 88 des Turboladers 44.
Die Außenwandung 100 des Axialdiffusors dagegen
schließt einen Winkel α mit einer parallel zur
Achse 88 liegenden Achse ein, so dass sich in Strömungsrichtung 102 der
Ladeluft im Axialdiffusor 96 der Strömungsquerschnitt
des Axialdiffusors erweitert. Der Axialdiffusor 96 mündet
schließlich in einen Spiralkanal 104, in dem die
Ladeluft in Richtung des Pfeils 106 mit einem Drall beaufschlagt schließlich
in einer Hauptströmung in Umfangsrichtung zur Drehachse 88 zur
nicht gezeigten Austrittsöffnung 58 geleitet wird.
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Eine
derartige Ausführung des Turboladers 44 bringt
den Vorteil mit sich, dass die Luftaustrittsöffnung 58 des
Turboladers 44 in axialer Richtung gegenüber der
in 2 gezeigten, dem Stand der Technik entsprechenden
Anordnung verschoben ist. Der Versatz zwischen Luftaustrittsöffnung 58 des
Turboladers 40 der Niederdruckstufe und Lufteintrittsöffnung 60 des
Turboladers 28 der Hochdruckstufe ist somit geringer, was
die Verwendung eines vereinfachten Krümmers zwischen den
genannten Öffnungen erlaubt. Insbesondere ist es nun möglich,
auf einen 180°-Krümmer zu verzichten und eine
Verbindung lediglich über einen 90°-Krümmer
herzustellen. Dadurch werden die Strömungsverluste zwischen den
Turboladern 40 und 28 verringert. Zusätzlich
wird durch die Aufweitung des Axialdiffusors 96 aufgrund der
Winkelabweichung α zwischen dessen Innen- (98)
und Außenwandung (100) die Strömungsgeschwindigkeit
der Ladeluft in Strömungsrichtung 102 verringert,
so dass auch weniger strömungsgeschwindigkeitsbedingte
Druckverluste bei der Umlenkung der Ladeluft im Verbindungsrohr 62 zwischen den
Turboladern 40 und 28 auftreten.
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Durch
die Strömungsführung im Gehäuse 84 des
Turboladers 40 steht dort zudem eine größere angeströmte
Fläche zur Verfügung, was das Anbringen eines
Kühlmittelkanals 108 im Bereich des Radialdiffusors 92,
des internen Krümmers 94 sowie des Axialdiffusors 98 möglich
macht. Durch das Durchströmen des Kanals 108 mit
einem flüssigen Kühlmedium kann bereits hier direkt
nach dem Verdichterradaustritt eine Vorkühlung der Ladeluft
erzielt werden, was noch höhere Luftmassenströme
zur Brennkraftmaschine 10 erlaubt. Hierdurch werden die
Ladedrücke weiter verbessert und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 10 erhöht,
sowie deren Emissionen gesenkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0002]