DE102008052170B4 - Zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Zweistufige Abgasturboaufladung (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgaskrümmer (2a), wobei die Abgasturboaufladung (1) in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine (2) einen ersten (4) und einen zweiten (5), parallel zueinander angeordneten Hochdruckturbolader und ein in Reihe danach angeordneten Niederdruckturbolader (3) aufweist, wobei der Abgaskrümmer (2a), ein erstes Hochdruck-Turbinengehäuse (4a) des ersten Hochdruckturboladers (4) und ein Niederdruck-Turbinengehäuse (3a) des Niederdruckturboladers (3) abgasführend miteinander verbunden sind und der Abgaskrümmer (2a) mit einem zweiten Hochdruck-Turbinengehäuse (5a) des zweiten Hochdruckturboladers (5) abgasführend verbindbar ist und wobei das zweite Hochdruck-Turbinengehäuse (5a) und das Niederdruck-Turbinengehäuse (3a) abgasführend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Hochdruck-Turbinengehäuse (4a, 5a) einerseits an den Abgaskrümmer (2a) und das Niederdruck-Turbinengehäuse (3a) andererseits an den Abgaskrümmer (2a) anordenbar sind und wobei das Abgas von den Hochdruck-Turbinengehäusen (4a, 5a) kommend durch einen Strömungskanal (13) in oder an dem Abgaskrümmer (2a) zu dem Niederdruck-Turbinengehäuse (3a) geführt ist, wobei für den Niederdruck-Abgasturbolader (3) ein erster Ladeluftkühler (11) vorgesehen ist und wobei ein Niederdruck-Verdichtergehäuse (3b) des Niederdruck-Abgasturboladers (3) einstückig mit einem Gehäuse des ersten Ladeluftkühlers (11) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 011 188 A1 aus. Aus dieser ist eine zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer bekannt. Die Abgasturboaufladung weist in Strömungsrichtung des Abgases der Brennkraftmaschine einen ersten und einen zweiten, parallel zueinander angeordneten, kleinen Hochdruckturbolader und weiter einen in Reihe danach angeordneten großen Niederdruckturbolader auf. Der Abgaskrümmer, das erste Hochdruck-Turbinengehäuse des ersten Hochdruckturboladers und das Niederdruck-Turbinengehäuse des Niederdruckturboladers sind abgasführend miteinander verbunden. Ferner ist der Abgaskrümmer mit dem zweiten Hochdruck-Turbinengehäuse des zweiten Hochdruckturboladers abgasführend über ein Drosselelement verbindbar, während das erste Hochdruck-Turbinengehäuse und das Niederdruck-Turbinengehäuse ständig abgasführend miteinander verbunden sind.
  • Mit dieser gattungsgemäßen zweistufigen Abgasturboaufladung sind sehr hohe Leistungsdichten für eine Brennkraftmaschine erzielbar, wobei außer einem relativ hohen Bauteileaufwand und relativ großer Baugröße keine weiteren Nachteile vorliegen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit für eine möglichst kompakte Bauform (wg. Package) für eine gattungsgemäße, zweistufige Abgasturboaufladung aufzuzeigen.
  • Diese Aufgabe ist durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • In vorteilhafter Weise ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein Package- und somit auch ein Kostenvorteil.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine besonders bevorzugte, servicefreundliche Montagemöglichkeit. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine bewährte Schraubverbindung handeln.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 reduziert nochmals den Bauteileaufwand und somit die Kosten.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in drei Figuren näher erläutert.
    • 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen, zweistufigen Abgasturbolaufladung für eine Brennkraftmaschine.
    • 2 zeigt eine dreidimensionale Aufsicht auf die erfindungsgemäße, zweistufige Abgasturbolaufladung.
    • 3 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße, zweistufige Abgasturbolaufladung in 2.
  • Im Folgenden gelten für gleiche Bauteile in den 1 bis 3 die gleichen Bezugsziffern.
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen, zweistufigen Abgasturboaufladung 1 für eine Brennkraftmaschine 2. Die Brennkraftmaschine 2 ist beispielhaft als eine 6-zylindrige Brennkraftmaschine dargestellt. Sechs schematisch angedeutete Zylinder der Brennkraftmaschine 2 münden in einen einzigen Abgaskrümmer 2a. Der Abgaskrümmer 2a ist permanent mit einem Hochdruck-Turbinengehäuse 4a eines Hochdruckabgasturbola- ders 4 abgasführend verbunden. Ferner ist der Abgaskrümmer 2a über ein viertes Drosselelement 6 mit einer zweiten Hochdruckturbine 5a eines paral- lel zum ersten Hochdruckabgasturbolader 4 angeordneten zweiten Hochdruckabgasturboladers 5 abgasführend verbindbar. Das erste und das zweite Hochdruck-Turbinengehäuse 4a, 5a sind wiederum abgasführend mit einem Niederdruck-Turbinengehäuse 3a eines Niederdruckabgasturboladers 3 verbunden. Die Strömungsrichtung des Abgases ist durch Pfeile symbolisch dargestellt.
  • Wie aus 1 erkennbar ist, setzt sich die zweistufige Abgasturboaufladung 1 abgasseitig aus einem Niederdruckabgasturbolader 3 sowie zwei parallel zueinander angeordneten Hochdruckabgasturboladern 4, 5 zusammen. Während der erste Hochdruckabgasturbolader 4 permanent von Abgas durchströmt wird, ist der zweite Hochdruckabgasturbolader 5 mit Hilfe des vierten Drosselelementes 6, welches steuer- oder regelbar ist, zuschaltbar. Somit ist, wie im Folgenden beschrieben wird, die Verbrennungsluftzuführung zur Brennkraftmaschine 2 variabel ausgestaltet.
  • Ansaugseitig der Brennkraftmaschine 2 ist die zweistufige Abgasturboaufla- dung 1 folgendermaßen ausgestaltet:
    • Die frische Verbrennungsluft wird von der zweistufigen Abgasturboaufladung 1 angesaugt, wiederum dargestellt durch einen kleinen Pfeil an einer Eintrittsöffnung des Ansaugsystems. Die Verbrennungsluft durchströmt zuerst ein Niederdruck-Verdichtergehäuse 3b des Niederdruckabgasturboladers 3, wird anschließend in einem ersten Ladeluftkühler 11 heruntergekühlt und anschließend auf zwei separate gasführende Zweige aufgeteilt. So wird Verbrennungsluft permanent durch ein Hochdruck-Verdichtergehäuse 4b des Hochdruckabgasturboladers 4 gefördert und anschließend durch einen zweiten Ladeluftkühler 12, der die nochmals verdichtete und dadurch aufgeheizte Verbrennungsluft wiederum abkühlt. Anschließend wird die Verbrennungsluft in die durch Ovale dargestellte Zylinder der Brennkraftmaschine 2 gefördert.
  • Parallel zum ersten Hochdruck-Verdichtergehäuse 4b, in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hinter der Auftrennung in zwei separate gasführende Zweige, ist ein zweites Hochdruck-Verdichtergehäuse 5b des zweiten Abgasturboladers 5 angeordnet. In Strömungsrichtung der Verbrennungsluft ist vor dem Hochdruck-Verdichtergehäuse 5b ein zweites Drosselelement 9 angeordnet, welches steuer- oder regelbar ist. Wiederum in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft nach dem zweiten Hochdruck-Verdichtergehäuse 5b ist ein drittes Drosselelement 1O angeordnet, welches ebenfalls steuer- oder regelbar ist. Das erste und das zweite Drosselelement 9, 10 sind zwei Alternativen zur Ausführung. Zwischen dem Hochdruck-Verdichtergehäuse 5b sowie dem zweiten Drosselelement 9 und dem dritten Drosselelement 10 ist ein Bypass 7 parallel zum Hochdruck-Verdichtergehäuse 5b vorgesehen. In dem Bypass 7 ist ebenfalls ein steuer- oder regelbares erstes Drosselele- ment 8, vorzugsweise eine Abgasklappe, angeordnet.
  • 2 zeigt eine dreidimensionale Aufsicht auf die erfindungsgemäße, zweistufige Abgasturbolaufladung 1, mit den bereits zu 1 ausgeführten Komponenten, jedoch ohne die Brennkraftmaschine 2. In 2 ist deutlich erkennbar, wie kompakt der Aufbau der zweistufigen Abgasturbolaufladung 1 aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, dass die zwei Hochdruck-Turbinengehäuse 4a, 5a einerseits an den Abgaskrümmer 2a und das Niederdruck-Turbinengehäuse 3a andererseits an den Abgaskrümmer 2a anordenbar sind und wobei das Abgas von den Hochdruck-Turbinengehäusen 4a, 5a kommend durch einen Strömungskanal 13 (sichtbar in 3) in dem Abgaskrümmer 2a zu dem Niederdruck-Turbinengehäuse 3a geführt ist, baut.
  • Die Gehäuse des ersten Ladeluftkühlers 11 und des Niederdruck-Verdichtergehäuses 3b sind zur weiteren Bauraumminimierung vorzugsweise einstückig und materialeinheitlich. Zusätzliche Komponenten sind nicht weiter beziffert, da es sich vor allem um Rohrleitungen handelt, die in 1 ebenfalls nicht beziffert dargestellt sind. Zwei mit 3 bezifferte Pfeile zeigen einen Schnitt durch die zweistufige Abgasturboladeranordnung 1, der in 3 dargestellt ist.
  • 3 zeigt den Schnitt 3-3 durch die erfindungsgemäße, zweistufige Abgasturbolaufladung aus 2. Eine Strömungsrichtung des Abgases vom ersten Hochdruck-Turbinengehäuse 4a zu dem Niederdruck-Turbinengehäuse 3a durch den Strömungskanal 13 in dem Abgaskrümmer 2a ist mit einem Pfeil schematisch dargestellt.
  • Grundsätzliche Beschreibung der Anordnung:
  • Insgesamt werden drei Abgasturbolader benötigt, zwei Hochdruckabgasturbolader 4, 5 von identischer oder unterschiedlicher Baugröße, welche parallel zueinander angeordnet sind. Zumindest einer der Hochdruckabgasturbolader 4, 5 ist vorzugsweise mit einem variablen Turbinenleitapparat ausgeführt. Dazu wird in Serie ein Niederdruckabgasturbolader 3 vorgeschaltet. Zwischen Niederdruck- 3b und Hochdruck-Verdichtergehäuse 4b, 5b, ist eine Zwischenkühlung zur Senkung der Ladungstemperatur vorgesehen. Zur Zwischenkühlung dienen der erste und der zweite Ladeluftkühler 11, 12. Vor und nach dem zu- bzw. abschaltbaren zweiten Hochdruck-Verdichtergehäuse 5b befinden sich das zweite und das dritte Drosselelement 9, 10, es handelt sich um allgemeine Ventile zur Absperrung sowie eine Umgehungsleitung, der Bypass 7, welche den Eintritt das zweite Hochdruck-Verdichtergehäuse 5b mit dem Austritt des zweiten Hochdruck-Verdichtergehäuse 5b verbindet, ebenfalls zuschaltbar. Auf der Abgasseite befindet sich ein Absperrventil, das vierte Drosselelement 6, vor dem Eintritt der somit zu- bzw. abschaltbaren zweiten Hochdruck-Turbinengehäuse 5a um sie vom Abgasstrom zu trennen.
  • Man unterscheidet je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine unterschiedliche Betriebsstrategie der Abgasturboaufladung 1.
  • 1. Niedriger Drehzahlbereich:
  • Das Abgasventil, das vierte Drosselelement 6 ist geschlossen, der Abgasmassenstrom fließt permanent durch das erste Hochdruck-Turbinengehäuse 4a und anschließend durch das Niederdruck-Turbinengehäuse 3a. Der angesaugte Verbrennungsluftmassenstrom wird durch das Niederdruck-Verdichtergehäuse 3b vorverdichtet, im Zwischenkühler, dem zweiten Ladeluftkühler 11, abgekühlt und anschließend im ersten permanent arbeitenden Hochdruckverdichter 4b verdichtet. Der zweite, zuschaltbare Hochdruckabgasturbolader 5 wird von einem definierten Abgasmassenstrom durchströmt und damit auf Drehzahl gehalten, der zweite Hochdruck-Verdichtergehäuse 5b läuft im Umluftbetrieb, um „Pumpen“ zu vermeiden. Beide Ventile, zweites und drittes Drosselelement 9, 1O vor und nach dem zweiten zuschaltbaren Hochdruckverdichter sind geschlossen.
  • 2. Hoher Drehzahlbereich:
  • Das Abgasventil, das vierte Drosselelement 6 ist geöffnet, der Abgasmassenstrom fließt nun durch das erste und das zweite Hochdruck-Turbinengehäuse 4a, 5a und anschließend durch die Niederdruckturbine 3a. Der angesaugte Verbrennungsluftmassenstrom wird durch das Niederdruck-Verdichtergehäuse 3b vorverdichtet, im Zwischenkühler, dem ersten Ladeluftkühler 11, abgekühlt und anschließend in beiden Hochdruck-Verdichtergehäusen 4b, 5b verdichtet. Das Umluftventil, das erste Drosselelement 8, ist geschlossen, beide Ventile, das zweite und das dritte Drosselelement 9, 10, vor und nach dem zweiten, zuschaltbaren Hochdruckverdichter 5b sind, wie auch das Abgasventil, das vierte Drosselelement 6, geöffnet.
  • Die Abgasturboaufladung 1 ist somit derart ausgestaltet, dass ein zweistufiger Betrieb im gesamten Kennfeld möglich ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann darüber hinaus auf einen zweiten Niederdruckabgasturbolader verzichtet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Abgasturboaufladung
    2
    Brennkraftmaschine
    2a
    Abgaskrümmer
    3
    Niederdruckturbolader
    3a
    Niederdruck-Turbinengehäuse
    3b
    Niederdruck-Verdichtergehäuse
    4
    Erster Hochdruckturbolader
    4a
    Erstes Hochdruck-Turbinengehäuse
    4b
    Erstes Hochdruck-Verdichtergehäuse
    5
    Zweiter Hochdruckturbolader
    5a
    Zweites Hochdruck-Turbinengehäuse
    5b
    Zweites Hochdruck-Verdichtergehäuse
    6
    Viertes Drosselelement
    7
    Bypass
    8
    Erstes Drosselelement
    9
    Zweites Drosselelement
    10
    Drittes Drosselelement
    11
    Erster Ladeluftkühler
    12
    Zweiter Ladeluftkühler
    13
    Strömungskanal

Claims (3)

  1. Zweistufige Abgasturboaufladung (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgaskrümmer (2a), wobei die Abgasturboaufladung (1) in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine (2) einen ersten (4) und einen zweiten (5), parallel zueinander angeordneten Hochdruckturbolader und ein in Reihe danach angeordneten Niederdruckturbolader (3) aufweist, wobei der Abgaskrümmer (2a), ein erstes Hochdruck-Turbinengehäuse (4a) des ersten Hochdruckturboladers (4) und ein Niederdruck-Turbinengehäuse (3a) des Niederdruckturboladers (3) abgasführend miteinander verbunden sind und der Abgaskrümmer (2a) mit einem zweiten Hochdruck-Turbinengehäuse (5a) des zweiten Hochdruckturboladers (5) abgasführend verbindbar ist und wobei das zweite Hochdruck-Turbinengehäuse (5a) und das Niederdruck-Turbinengehäuse (3a) abgasführend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Hochdruck-Turbinengehäuse (4a, 5a) einerseits an den Abgaskrümmer (2a) und das Niederdruck-Turbinengehäuse (3a) andererseits an den Abgaskrümmer (2a) anordenbar sind und wobei das Abgas von den Hochdruck-Turbinengehäusen (4a, 5a) kommend durch einen Strömungskanal (13) in oder an dem Abgaskrümmer (2a) zu dem Niederdruck-Turbinengehäuse (3a) geführt ist, wobei für den Niederdruck-Abgasturbolader (3) ein erster Ladeluftkühler (11) vorgesehen ist und wobei ein Niederdruck-Verdichtergehäuse (3b) des Niederdruck-Abgasturboladers (3) einstückig mit einem Gehäuse des ersten Ladeluftkühlers (11) ist.
  2. Zweistufige Abgasturboaufiadung (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Hochdruck-Turbinengehäuse (4a, 5a) lösbar mit dem Abgaskrümmer (2a) verbindbar sind.
  3. Zweistufige Abgasturboaufladung (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Hochdruck-Turbinengehäuse (4a, 5a) einstückig und materialeinheitlich sind.
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