WO2019020281A1 - Turbocharger device for an internal combustion engine - Google Patents
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- WO2019020281A1 WO2019020281A1 PCT/EP2018/066337 EP2018066337W WO2019020281A1 WO 2019020281 A1 WO2019020281 A1 WO 2019020281A1 EP 2018066337 W EP2018066337 W EP 2018066337W WO 2019020281 A1 WO2019020281 A1 WO 2019020281A1
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- F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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Definitions
- the invention relates to an exhaust gas turbocharger device for a
- DE 10 2014 218 345 A1 describes two exhaust gas turbochargers connected in series, each comprising a turbine and a compressor and of which a first exhaust gas turbocharger as a low pressure stage and a second exhaust gas turbocharger as
- High pressure stage is used.
- EP 0 014 778 A1 discloses a two-stage turbocharger unit with a low-pressure turbocharger and a high-pressure turbocharger. To make room for
- Low-pressure turbocharger selected at least 40% larger than a pressure ratio of a high-pressure compressor of the high-pressure turbocharger.
- DE 25 50 054 A1 describes a two-stage exhaust gas turbocharger with in one
- each shaft carries a turbine wheel and a compressor wheel.
- the arranged on each wave wheels belong to the same stage.
- Object of the present invention is to provide an exhaust gas turbocharger device of the type mentioned, which is operable with particularly high efficiency and very compact.
- the invention is based on an exhaust gas turbocharger device for a
- Internal combustion engine comprising a low pressure exhaust gas turbocharger, which coupled to the exhaust gas of the internal combustion engine low pressure turbine and a rotatably mounted in a housing of the exhaust gas turbocharger device first shaft coupled to the low pressure turbine, with air to supply the
- Internal combustion engine through-flowable low-pressure compressor comprises and with a high-pressure exhaust gas turbocharger, which a istströmmbare with the exhaust gas
- High-pressure turbine and one, via a rotatably mounted in the housing second shaft coupled to the high-pressure turbine, with the air to supply the
- Internal combustion engine comprises flow-through high pressure compressor.
- the high-pressure turbine is designed as asymmetric Halbaxial high-pressure turbine, in particular as a twin high-pressure turbine, and is coupled fluidly with the low-pressure turbine.
- asymmetric Halbaxial high-pressure turbine in particular as a twin high-pressure turbine, and is coupled fluidly with the low-pressure turbine.
- fluidically coupled is meant that the
- High-pressure turbine exhaust gas is connected to the low-pressure turbine.
- the invention is based on the general knowledge that the designed as a Halbaxial high-pressure turbine high-pressure turbine can be supplied with asymmetric flows with exhaust gas, which is an adaptation to particularly good Turbine efficiency levels compared to radial turbines from single-stage systems allows lower pressure ratios.
- Low-pressure turbocharger directly in extension to the high-pressure turbocharger allows.
- the respective shafts can also be oriented coaxially to each other, whereby a particularly space-saving arrangement is possible.
- the high-pressure turbine can be designed to be at least double-flowed, that is to say have at least one first flow through which exhaust gas can flow and a second flow through which exhaust gas can flow.
- the first flood can be configured as a so-called AGR flood.
- the second flood can be configured as a so-called ⁇ -flood.
- the floods may at least partially have different sized flow cross-sections and thereby be asymmetric, whereby different Abgaströmungs horren in the respective floods can be achieved.
- the first tide may have a smaller flow cross-section than the second tide, wherein a vane tip of respective vanes of the high-pressure turbine can be targeted by means of the first tide.
- a vane tip of respective vanes of the high-pressure turbine can be targeted by means of the first tide.
- Shovel foot of respective blades of the high pressure turbine to be anströmbar.
- At least in the ⁇ -flood may preferably be arranged an exhaust flap, whereby a targeted adjustment of passing through the ⁇ -flood
- the low-pressure turbine is designed as an axial low-pressure turbine.
- the axial low pressure turbine may also be referred to as an axial low pressure turbine.
- a discharge of the exhaust gas into a housing-solid volute with slight residual twist can take place.
- the low-pressure compressor is designed as a half-axial low-pressure compressor.
- the semi-axial low pressure compressor may also be referred to as a semi-axial low pressure compressor.
- Such a configuration favors the efficiency of the exhaust gas turbocharger device targeted adaptation of the compressor geometry to lower pressure conditions and no unnecessary map reserve as in the radial compressor.
- the low-pressure compressor may have a housing-fixed, in the radial direction outwardly curved, first diffuser.
- the high-pressure compressor is designed as a semi-axial high-pressure compressor.
- the semi-axial high pressure compressor may also be referred to as a semi-axial high pressure compressor.
- the high-pressure compressor may have a housing-fixed, in the radial direction outwardly curved, second diffuser.
- the high-pressure turbine is arranged in the exhaust gas flow direction of the exhaust gas upstream of the low-pressure turbine. This is advantageous, since in this way a particularly efficient utilization of
- Exhaust gas energy is made possible by means of the exhaust gas turbocharger device.
- the high-pressure turbine is first flowed through during operation of the internal combustion engine and thus before the low-pressure turbine with exhaust gas.
- the single FIGURE shows a schematic sectional view of a
- the exhaust gas turbocharger device 10 comprises a low-pressure exhaust gas turbocharger 20 which can flow through an exhaust gas 14 of the internal combustion engine
- Low-pressure turbine 24 and one, via a rotatable in a housing 12 of the
- Exhaust gas turbocharger device 10 mounted first shaft 22 coupled to the low-pressure turbine 24, with air 16 for supplying the internal combustion engine
- flow-through low-pressure compressor 26 includes.
- the exhaust gas turbocharger device 10 comprises a
- High-pressure turbine 44 and one, via a rotatably mounted in the housing 12 second shaft 42 coupled to the high-pressure turbine 44, with the air 16 for supplying the internal combustion engine can be flowed through high-pressure compressor 46 includes.
- the shafts 22, 42 are rotatably mounted in the housing 12 via respective roller bearings 50.
- the high-pressure turbine 44 has a double-flow design and can be supplied with the exhaust gas 14 via a first flow 60 through which exhaust gas 14 can flow and a second flow 62 through which exhaust gas 14 can flow.
- the first flood 60 may be configured as a so-called EGR flood.
- the second flood 62 may be configured as a so-called ⁇ -flood.
- the floods 60, 62 may have different sized flow cross sections at least in regions, as a result of which different exhaust gas flow velocities in the respective floods 60, 62 can be achieved.
- the first flow 60 may have a smaller flow cross-section than the second flow 62, wherein a blade tip of respective blades of the high-pressure turbine 44 can be targeted by means of the first flow.
- a blade root of respective blades of the high-pressure turbine 44 can be targeted.
- a particularly high turbine efficiency can be achieved.
- At least in the ⁇ -flood (second flood 62) can preferably be arranged here not shown exhaust flap, whereby a targeted adjustment of passing through the ⁇ -flood exhaust gas mass flow is made possible.
- the high-pressure turbine 44 is arranged upstream of the low-pressure turbine 24 in the exhaust gas flow direction of the exhaust gas 14.
- the exhaust gas 14 is presently represented by an arrow, wherein the exhaust gas flow direction of the exhaust gas 14 is oriented in the arrow direction of this arrow.
- the air 16 is also shown by an arrow, wherein an air flow direction of the air 16 is oriented in the arrow direction of this arrow.
- the high-pressure turbine 44 is designed as an asymmetrical, semi-axial twin-high-pressure turbine and is fluidically coupled to the low-pressure turbine 24.
- the low-pressure turbine 24 is in the present case designed as an axial low-pressure turbine.
- a discharge of the exhaust gas 14 from the low-pressure turbine 24 may in a
- the low-pressure compressor 26 is in the present case designed as a half-axial low-pressure compressor.
- the low-pressure compressor 26 has a housing-fixed, in the radial direction outwardly curved, the first diffuser 28.
- the high-pressure compressor 46 is in the present case designed as a half-axial high-pressure compressor.
- the high-pressure compressor 46 has a housing-fixed, in the radial direction outwardly curved, second diffuser 48.
- the invention is based on the general knowledge that the execution of
- Compressors as Halbaxialmaschinen generally lowers their maximum pressure ratio and offers the possibility for efficiency-optimal operation within their maps compared to a conventional compressor design with radial outflow.
- the High-pressure turbine 44 which is designed as a high pressure half-axial turbine and may have a variable turbine geometry, with the present asymmetric floods 60, 62 allows adaptation to particularly good turbine efficiencies compared to radial turbines from single-stage systems lower pressure ratios.
- Low pressure turbine offers ideal installation conditions.
- the low-pressure exhaust gas turbocharger 20 may be arranged directly in extension to the Hochdruckabgasturbolader 40, as shown in the figure, with even a coaxial shaft arrangement of the shafts 22, 42 is made possible.
- a slight angular offset or lateral offset of the shafts 22, 42 of the low-pressure exhaust gas turbocharger 20 and the high-pressure exhaust gas turbocharger 40 is also possible by adapting a connecting piece between the high-pressure turbocharger 40 and the low-pressure turbocharger 20. Due to a low
- Low pressure exhaust gas turbocharger 20 a good, transient startup behavior can be achieved. Due to small surfaces, particularly low heat losses are achieved. In addition, there is a weight advantage and a very compact arrangement in the narrow engine compartment. Direct connection of the axial low-pressure exhaust gas turbocharger 20 after outflow of the high-pressure turbine 44 results in very low pressure losses. In addition - in contrast to radial turbines - can be dispensed with a flow deflection.
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Abstract
The invention relates to a turbocharger device (10) for an internal combustion engine, comprising a low-pressure turbocharger (20) that comprises a low-pressure turbine (24), through which exhaust gas (14) of the internal combustion engine can flow, and a low-pressure compressor (26), which is coupled to the low-pressure turbine (24) via a first shaft (22) rotatably mounted in a housing (12) of the turbocharger device (10) and through which air (16) for supplying the internal combustion engine can flow. The turbocharger device also comprises a high-pressure turbocharger (40) that comprises a high-pressure turbine (44) through which the exhaust gas (14) can flow and a high-pressure compressor (46), which is coupled to the high-pressure turbine (44) via a second shaft (42) rotatably mounted in the housing (12) and through which air (16) for supplying the internal combustion engine can flow. The high-pressure turbine (44) is designed as an asymmetrical semi-axial high-pressure turbine, in particular as a twin high-pressure turbine, and is fluidically coupled to the low-pressure turbine (24).
Description
Abgasturboladervorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine Exhaust gas turbocharger device for an internal combustion engine
Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladervorrichtung für eine The invention relates to an exhaust gas turbocharger device for a
Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 . Internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Aus dem Stand der Technik bekannte Abgasturboladersysteme (Aufladesysteme) in zweistufiger Konfiguration verwenden meist handelsübliche bzw. vorhandene From the prior art known exhaust gas turbocharger systems (charging systems) in two-stage configuration usually use commercially available or existing
Komponenten aus einstufigen Systemen. Dadurch kann zwar der Aufwand beim Aufbau solcher Systeme gering gehalten werden, gleichzeitig sind jedoch diese Komponenten nicht optimal an gegebene Betriebsbedingungen im zweistufigen Betrieb angepasst. So sind vor allem Druckverhältnisse von Turbinen und Verdichtern im zweistufigen Betrieb deutlich niedriger als in vergleichbaren, einstufigen Aufladesystemen. Components from single-stage systems. As a result, while the cost of building such systems can be kept low, but at the same time these components are not optimally adapted to given operating conditions in two-stage operation. In particular, pressure ratios of turbines and compressors in two-stage operation are significantly lower than in comparable single-stage turbochargers.
Aus der DE 199 48 220 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern bekannt, welche jeweils eine Abgasturbine und jeweils einen Verdichter aufweisen. Die Antriebswellen der beiden Abgasturbolader weisen eine gemeinsame Längsachse auf. From DE 199 48 220 A1 an internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers is known, which in each case have an exhaust gas turbine and in each case a compressor. The drive shafts of the two exhaust gas turbochargers have a common longitudinal axis.
Die DE 10 2014 218 345 A1 beschreibt zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader, welche jeweils eine Turbine und einen Verdichter umfassen und von welchen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe und ein zweiter Abgasturbolader als DE 10 2014 218 345 A1 describes two exhaust gas turbochargers connected in series, each comprising a turbine and a compressor and of which a first exhaust gas turbocharger as a low pressure stage and a second exhaust gas turbocharger as
Hochdruckstufe dient. High pressure stage is used.
Aus der EP 0 014 778 A1 ist ein zweistufiges Abgasturboladeraggregat mit einem Niederdruckturbolader und einem Hochdruckturbolader bekannt. Um Platz für EP 0 014 778 A1 discloses a two-stage turbocharger unit with a low-pressure turbocharger and a high-pressure turbocharger. To make room for
Zusatzkomponenten wie Ladeluftkühler zu schaffen und eine kompakte Baueinheit zu ermöglichen, ist ein Druckverhältnis eines Niederdruckverdichters des To provide additional components such as intercoolers and to enable a compact unit, is a pressure ratio of a low-pressure compressor of the
Niederdruckturboladers mindestens 40 % größer gewählt als ein Druckverhältnis eines Hochdruckverdichters des Hochdruckturboladers.
Die DE 25 50 054 A1 beschreibt einen zweistufigen Abgasturbolader mit in einem Low-pressure turbocharger selected at least 40% larger than a pressure ratio of a high-pressure compressor of the high-pressure turbocharger. DE 25 50 054 A1 describes a two-stage exhaust gas turbocharger with in one
Gehäuse untergebrachten, ineinander liegenden Wellen einer Hochdruckstufe und einer Niederdruckstufe, welche je ein Beschaufelung des Turbinenrads und ein geschaufeltes Verdichterrad aufweisen, wobei jede Welle ein Turbinenrad und ein Verdichter Rad trägt. Die auf jeweils einer Welle angeordneten Räder gehören derselben Stufe an. Housing housed, intermeshing shafts of a high-pressure stage and a low-pressure stage, each having a blading of the turbine wheel and a bladed compressor wheel, each shaft carries a turbine wheel and a compressor wheel. The arranged on each wave wheels belong to the same stage.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasturboladervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche mit besonders hohem Wirkungsgrad betreibbar und besonders kompakt ist. Object of the present invention is to provide an exhaust gas turbocharger device of the type mentioned, which is operable with particularly high efficiency and very compact.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasturboladervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved by an exhaust gas turbocharger device having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
Die Erfindung geht aus von einer Abgasturboladervorrichtung für eine The invention is based on an exhaust gas turbocharger device for a
Verbrennungskraftmaschine, mit einem Niederdruckabgasturbolader, welcher eine mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Niederdruckturbine und einen, über eine drehbar in einem Gehäuse der Abgasturboladervorrichtung gelagerte erste Welle mit der Niederdruckturbine gekoppelten, mit Luft zur Versorgung der Internal combustion engine, comprising a low pressure exhaust gas turbocharger, which coupled to the exhaust gas of the internal combustion engine low pressure turbine and a rotatably mounted in a housing of the exhaust gas turbocharger device first shaft coupled to the low pressure turbine, with air to supply the
Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Niederdruckverdichter umfasst und mit einem Hochdruckabgasturbolader, welcher eine mit dem Abgas durchströmbare Internal combustion engine through-flowable low-pressure compressor comprises and with a high-pressure exhaust gas turbocharger, which a durchströmmbare with the exhaust gas
Hochdruckturbine und einen, über eine drehbar in dem Gehäuse gelagerte zweite Welle mit der Hochdruckturbine gekoppelten, mit der Luft zur Versorgung der High-pressure turbine and one, via a rotatably mounted in the housing second shaft coupled to the high-pressure turbine, with the air to supply the
Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Hochdruckverdichter umfasst. Internal combustion engine comprises flow-through high pressure compressor.
Um eine Abgasturboladervorrichtung zu schaffen, welche mit besonders hohem To provide an exhaust gas turbocharger device, which with particularly high
Wirkungsgrad betreibbar und besonders kompakt ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hochdruckturbine als asymmetrische Halbaxial-Hochdruckturbine, insbesondere als Zwillings-Hochdruckturbine, ausgebildet und fluidisch mit der Niederdruckturbine gekoppelt ist. Unter dem Ausdruck„fluidisch gekoppelt" ist zu verstehen, dass die Efficiency is operable and particularly compact, it is inventively provided that the high-pressure turbine is designed as asymmetric Halbaxial high-pressure turbine, in particular as a twin high-pressure turbine, and is coupled fluidly with the low-pressure turbine. By the term "fluidically coupled" is meant that the
Hochdruckturbine abgasleitend mit der Niederdruckturbine verbunden ist. High-pressure turbine exhaust gas is connected to the low-pressure turbine.
Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass die als Halbaxial- Hochdruckturbine ausgestaltete Hochdruckturbine mit asymmetrischen Fluten mit Abgas versorgt werden kann, welche eine Anpassung auf besonders gute
Turbinenwirkungsgrade bei im Vergleich zu Radialturbinen aus einstufigen Systemen niedrigeren Druckverhältnissen ermöglicht. The invention is based on the general knowledge that the designed as a Halbaxial high-pressure turbine high-pressure turbine can be supplied with asymmetric flows with exhaust gas, which is an adaptation to particularly good Turbine efficiency levels compared to radial turbines from single-stage systems allows lower pressure ratios.
Durch das fluidische Koppeln ist eine platzsparende Anordnung des By fluidic coupling is a space-saving arrangement of
Niederdruckturboladers direkt in Verlängerung zum Hochdruckturbolader ermöglicht. Die jeweiligen Wellen können zudem koaxial zueinander orientiert sein, wodurch eine besonders platzsparende Anordnung ermöglicht ist. Low-pressure turbocharger directly in extension to the high-pressure turbocharger allows. The respective shafts can also be oriented coaxially to each other, whereby a particularly space-saving arrangement is possible.
Insbesondere kann die Hochdruckturbine zumindest zweiflutig ausgebildet sein, also zumindest eine mit Abgas durchströmbare erste Flut und eine mit Abgas durchströmbare zweite Flut aufweisen. Die erste Flut kann als sogenannte AGR-Flut ausgestaltet sein. Die zweite Flut kann als sogenannte λ-Flut ausgestaltet sein. Die Fluten können wenigstens bereichsweise verschieden große Strömungsquerschnitte aufweisen und dadurch asymmetrisch sein, wodurch unterschiedliche Abgaströmungsgeschwindigkeiten in den jeweiligen Fluten erzielbar sind. In particular, the high-pressure turbine can be designed to be at least double-flowed, that is to say have at least one first flow through which exhaust gas can flow and a second flow through which exhaust gas can flow. The first flood can be configured as a so-called AGR flood. The second flood can be configured as a so-called λ-flood. The floods may at least partially have different sized flow cross-sections and thereby be asymmetric, whereby different Abgaströmungsgeschwindigkeiten in the respective floods can be achieved.
So kann die erste Flut einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweisen, als die zweite Flut, wobei mittels der ersten Flut gezielt eine Schaufelspitze jeweiliger Schaufeln der Hochdruckturbine anströmbar sein kann. Mittels der zweiten Flut kann gezielt ein Thus, the first tide may have a smaller flow cross-section than the second tide, wherein a vane tip of respective vanes of the high-pressure turbine can be targeted by means of the first tide. By means of the second flood can be targeted
Schaufelfuß jeweiliger Schaufeln der Hochdruckturbine anströmbar sein. Shovel foot of respective blades of the high pressure turbine to be anströmbar.
Zumindest in der λ-Flut (zweite Flut) kann bevorzugt eine Abgasklappe angeordnet sein, wodurch eine gezielte Einstellung eines durch die λ-Flut durchtretenden At least in the λ-flood (second flood) may preferably be arranged an exhaust flap, whereby a targeted adjustment of passing through the λ-flood
Abgasmassenstroms ermöglicht ist. Exhaust gas mass flow is possible.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Niederdruckturbine als Axial- Niederdruckturbine ausgebildet. Die Axial-Niederdruckturbine kann auch als axiale Niederdruckturbine bezeichnet werden. In an advantageous development of the invention, the low-pressure turbine is designed as an axial low-pressure turbine. The axial low pressure turbine may also be referred to as an axial low pressure turbine.
Bevorzugt kann eine Abströmung des Abgases in eine gehäusefeste Volute mit leichtem Restdrall erfolgen. Preferably, a discharge of the exhaust gas into a housing-solid volute with slight residual twist can take place.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Niederdruckverdichter als Halbaxial-Niederdruckverdichter ausgebildet. Der Halbaxial-Niederdruckverdichter kann auch als halbaxialer Niederdruckverdichter bezeichnet werden. Eine derartige Ausgestaltung begünstigt den Wirkungsgrad der Abgasturboladervorrichtung durch
gezielte Anpassung der Verdichtergeometrie auf niedrigere Druckverhältnisse und keine unnötige Kennfeldreserve wie beim Radialverdichter. In a further advantageous embodiment of the invention, the low-pressure compressor is designed as a half-axial low-pressure compressor. The semi-axial low pressure compressor may also be referred to as a semi-axial low pressure compressor. Such a configuration favors the efficiency of the exhaust gas turbocharger device targeted adaptation of the compressor geometry to lower pressure conditions and no unnecessary map reserve as in the radial compressor.
Bevorzugt kann der Niederdruckverdichter einen gehäusefesten, in radialer Richtung nach außen gekrümmten, ersten Diffusor aufweisen. Preferably, the low-pressure compressor may have a housing-fixed, in the radial direction outwardly curved, first diffuser.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Hochdruckverdichter als Halbaxial-Hochdruckverdichter ausgebildet. Der Halbaxial-Hochdruckverdichter kann auch als halbaxialer Hochdruckverdichter bezeichnet werden. Eine derartige In a further advantageous development of the invention, the high-pressure compressor is designed as a semi-axial high-pressure compressor. The semi-axial high pressure compressor may also be referred to as a semi-axial high pressure compressor. Such
Ausgestaltung begünstigt ebenfalls den Wirkungsgrad der Abgasturboladervorrichtung. Design also favors the efficiency of the exhaust gas turbocharger device.
Bevorzugt kann der Hochdruckverdichter einen gehäusefesten, in radialer Richtung nach außen gekrümmten, zweiten Diffusor aufweisen. Preferably, the high-pressure compressor may have a housing-fixed, in the radial direction outwardly curved, second diffuser.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Hochdruckturbine in Abgasströmungsrichtung des Abgases vor der Niederdruckturbine angeordnet. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders wirkungsgradgünstige Ausnutzung von In a further advantageous development of the invention, the high-pressure turbine is arranged in the exhaust gas flow direction of the exhaust gas upstream of the low-pressure turbine. This is advantageous, since in this way a particularly efficient utilization of
Abgasenergie mittels der Abgasturboladervorrichtung ermöglicht ist. Mit anderen Worten wird also die Hochdruckturbine beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zuerst und damit vor der Niederdruckturbine mit Abgas durchströmt. Exhaust gas energy is made possible by means of the exhaust gas turbocharger device. In other words, therefore, the high-pressure turbine is first flowed through during operation of the internal combustion engine and thus before the low-pressure turbine with exhaust gas.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing (s). The features mentioned above in the description and
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Feature combinations as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures are not only in the respectively indicated combination but also in others
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Combinations or alone, without departing from the scope of the invention.
Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Schnittdarstellung einer The only Fig. Shows a schematic sectional view of a
Abgasturboladervorrichtung.
Die einzige Fig. zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Turbocharger device. The single FIGURE shows a schematic sectional view of a
Abgasturboladervorrichtung 10 für eine hier nicht weiter dargestellte Exhaust gas turbocharger device 10 for a not shown here
Verbrennungskraftmaschine. Internal combustion engine.
Die Abgasturboladervorrichtung 10 umfasst einen Niederdruckabgasturbolader 20, welcher eine mit Abgas 14 der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare The exhaust gas turbocharger device 10 comprises a low-pressure exhaust gas turbocharger 20 which can flow through an exhaust gas 14 of the internal combustion engine
Niederdruckturbine 24 und einen, über eine drehbar in einem Gehäuse 12 der Low-pressure turbine 24 and one, via a rotatable in a housing 12 of the
Abgasturboladervorrichtung 10 gelagerte erste Welle 22 mit der Niederdruckturbine 24 gekoppelten, mit Luft 16 zur Versorgung der Verbrennungskraftmaschine Exhaust gas turbocharger device 10 mounted first shaft 22 coupled to the low-pressure turbine 24, with air 16 for supplying the internal combustion engine
durchströmbaren Niederdruckverdichter 26 umfasst. flow-through low-pressure compressor 26 includes.
Des Weiteren umfasst die Abgasturboladervorrichtung 10 einen Furthermore, the exhaust gas turbocharger device 10 comprises a
Hochdruckabgasturbolader 40, welcher eine mit dem Abgas 14 durchströmbare Hochdruckabgast turbocharger 40, which one with the exhaust gas 14 through-flow
Hochdruckturbine 44 und einen, über eine drehbar in dem Gehäuse 12 gelagerte zweite Welle 42 mit der Hochdruckturbine 44 gekoppelten, mit der Luft 16 zur Versorgung der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Hochdruckverdichter 46 umfasst. High-pressure turbine 44 and one, via a rotatably mounted in the housing 12 second shaft 42 coupled to the high-pressure turbine 44, with the air 16 for supplying the internal combustion engine can be flowed through high-pressure compressor 46 includes.
Die Wellen 22, 42 sind über jeweilige Wälzlager 50 drehbar in dem Gehäuse 12 gelagert. The shafts 22, 42 are rotatably mounted in the housing 12 via respective roller bearings 50.
Die Hochdruckturbine 44 ist vorliegend zweiflutig ausgebildet und über eine mit Abgas 14 durchströmbare erste Flut 60 und eine mit Abgas 14 durchströmbare zweite Flut 62 mit dem Abgas 14 versorgbar. Die erste Flut 60 kann als sogenannte AGR-Flut ausgestaltet sein. Die zweite Flut 62 kann als sogenannte λ-Flut ausgestaltet sein. Die Fluten 60, 62 können wenigstens bereichsweise verschieden große Strömungsquerschnitte aufweisen, wodurch unterschiedliche Abgaströmungsgeschwindigkeiten in den jeweiligen Fluten 60, 62 erzielbar sind. In the present case, the high-pressure turbine 44 has a double-flow design and can be supplied with the exhaust gas 14 via a first flow 60 through which exhaust gas 14 can flow and a second flow 62 through which exhaust gas 14 can flow. The first flood 60 may be configured as a so-called EGR flood. The second flood 62 may be configured as a so-called λ-flood. The floods 60, 62 may have different sized flow cross sections at least in regions, as a result of which different exhaust gas flow velocities in the respective floods 60, 62 can be achieved.
So kann die erste Flut 60 einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweisen, als die zweite Flut 62, wobei mittels der ersten Flut gezielt eine Schaufelspitze jeweiliger Schaufeln der Hochdruckturbine 44 anströmbar ist. Mittels der zweiten Flut 62 ist gezielt ein Schaufelfuß jeweiliger Schaufeln der Hochdruckturbine 44 anströmbar. Dadurch ist ein besonders hoher Turbinenwirkungsgrad erzielbar.
Zumindest in der λ-Flut (zweite Flut 62) kann bevorzugt eine hier nicht weiter dargestellte Abgasklappe angeordnet sein, wodurch eine gezielte Einstellung eines durch die λ-Flut durchtretenden Abgasmassenstroms ermöglicht ist. Thus, the first flow 60 may have a smaller flow cross-section than the second flow 62, wherein a blade tip of respective blades of the high-pressure turbine 44 can be targeted by means of the first flow. By means of the second flood 62, a blade root of respective blades of the high-pressure turbine 44 can be targeted. As a result, a particularly high turbine efficiency can be achieved. At least in the λ-flood (second flood 62) can preferably be arranged here not shown exhaust flap, whereby a targeted adjustment of passing through the λ-flood exhaust gas mass flow is made possible.
Die Hochdruckturbine 44 ist vorliegend in Abgasströmungsrichtung des Abgases 14 vor der Niederdruckturbine 24 angeordnet. Das Abgas 14 ist vorliegend durch einen Pfeil dargestellt, wobei die Abgasströmungsrichtung des Abgases 14 in Pfeilrichtung dieses Pfeils orientiert ist. In the present case, the high-pressure turbine 44 is arranged upstream of the low-pressure turbine 24 in the exhaust gas flow direction of the exhaust gas 14. The exhaust gas 14 is presently represented by an arrow, wherein the exhaust gas flow direction of the exhaust gas 14 is oriented in the arrow direction of this arrow.
Die Luft 16 ist ebenfalls durch einen Pfeil dargestellt, wobei eine Luftströmungsrichtung der Luft 16 in Pfeilrichtung dieses Pfeils orientiert ist. The air 16 is also shown by an arrow, wherein an air flow direction of the air 16 is oriented in the arrow direction of this arrow.
Die Hochdruckturbine 44 ist vorliegend als asymmetrische, halbaxiale Zwillings- Hochdruckturbine ausgebildet und fluidisch mit der Niederdruckturbine 24 gekoppelt. In the present case, the high-pressure turbine 44 is designed as an asymmetrical, semi-axial twin-high-pressure turbine and is fluidically coupled to the low-pressure turbine 24.
Die Niederdruckturbine 24 ist vorliegend als Axial-Niederdruckturbine ausgebildet. The low-pressure turbine 24 is in the present case designed as an axial low-pressure turbine.
Eine Abströmung des Abgases 14 aus der Niederdruckturbine 24 kann in eine A discharge of the exhaust gas 14 from the low-pressure turbine 24 may in a
gehäusefeste Volute 30 mit leichtem Restdrall erfolgen. fixed housing volute 30 with slight residual twist.
Der Niederdruckverdichter 26 ist vorliegend als Halbaxial-Niederdruckverdichter ausgebildet. The low-pressure compressor 26 is in the present case designed as a half-axial low-pressure compressor.
Der Niederdruckverdichter 26 weist einen gehäusefesten, in radialer Richtung nach außen gekrümmten, ersten Diffusor 28 auf. The low-pressure compressor 26 has a housing-fixed, in the radial direction outwardly curved, the first diffuser 28.
Der Hochdruckverdichter 46 ist vorliegend als Halbaxial-Hochdruckverdichter ausgebildet. The high-pressure compressor 46 is in the present case designed as a half-axial high-pressure compressor.
Der Hochdruckverdichter 46 weist einen gehäusefesten, in radialer Richtung nach außen gekrümmten, zweiten Diffusor 48 auf. The high-pressure compressor 46 has a housing-fixed, in the radial direction outwardly curved, second diffuser 48.
Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass die Ausführung von The invention is based on the general knowledge that the execution of
Verdichtern als Halbaxialmaschinen (hier: Halbaxial-Hochdruckverdichter 46, Halbaxial- Niederdruckverdichter 26) generell deren maximales Druckverhältnis absenkt und die Möglichkeit zum wirkungsgradoptimalen Betrieb innerhalb deren Kennfelder im Vergleich zu einer üblichen Verdichterbauweise mit radialer Abströmung bietet. Die
Hochdruckturbine 44, welche als Halbaxial-Hochdruckturbine ausgestaltet ist und eine variable Turbinengeometrie aufweisen kann, mit den vorliegend asymmetrischen Fluten 60, 62 ermöglicht eine Anpassung auf besonders gute Turbinenwirkungsgrade bei im Vergleich zu Radialturbinen aus einstufigen Systemen niedrigeren Druckverhältnissen. Compressors as Halbaxialmaschinen (here: Halbaxial high-pressure compressor 46, Halbaxial- low-pressure compressor 26) generally lowers their maximum pressure ratio and offers the possibility for efficiency-optimal operation within their maps compared to a conventional compressor design with radial outflow. The High-pressure turbine 44, which is designed as a high pressure half-axial turbine and may have a variable turbine geometry, with the present asymmetric floods 60, 62 allows adaptation to particularly good turbine efficiencies compared to radial turbines from single-stage systems lower pressure ratios.
Bei der Niederdruckturbine 24 wird die Erkenntnis genutzt, dass eine axiale In the case of the low-pressure turbine 24, the knowledge is used that an axial
Niederdruckturbine ideale Einbaubedingungen bietet. Der Niederdruckabgasturbolader 20 kann dabei direkt in Verlängerung zu dem Hochdruckabgasturbolader 40 angeordnet sein, wie in der Fig. gezeigt ist, wobei sogar eine koaxiale Wellenanordnung der Wellen 22, 42 ermöglicht ist. Auch ein leichter Winkelversatz oder Lateralversatz der Wellen 22, 42 des Niederdruckabgasturboladers 20 und des Hochdruckabgasturboladers 40 ist durch Anpassung eines Verbindungsstücks zwischen dem Hochdruckabgasturbolader 40 und dem Niederdruckabgasturbolader 20 möglich. Aufgrund eines geringen Low pressure turbine offers ideal installation conditions. The low-pressure exhaust gas turbocharger 20 may be arranged directly in extension to the Hochdruckabgasturbolader 40, as shown in the figure, with even a coaxial shaft arrangement of the shafts 22, 42 is made possible. A slight angular offset or lateral offset of the shafts 22, 42 of the low-pressure exhaust gas turbocharger 20 and the high-pressure exhaust gas turbocharger 40 is also possible by adapting a connecting piece between the high-pressure turbocharger 40 and the low-pressure turbocharger 20. Due to a low
Zwischenvolumens zwischen dem Hochdruckabgasturbolader 40 und dem Intermediate volume between the Hochdruckabgasturbolader 40 and the
Niederdruckabgasturboladers 20 kann ein gutes, transientes Hochlaufverhalten erzielt werden. Aufgrund kleiner Oberflächen werden besonders geringe Wärmeverluste erzielt. Zudem ergibt sich ein Gewichtsvorteil und eine sehr kompakte Anordnung im engen Motorraum. Durch direkte Anbindung des axialen Niederdruckabgasturboladers 20 nach einer Abströmung der Hochdruckturbine 44 ergeben sich sehr geringe Druckverluste. Zudem kann - im Gegensatz zu Radialturbinen - auf eine Strömungsumlenkung verzichtet werden.
Low pressure exhaust gas turbocharger 20, a good, transient startup behavior can be achieved. Due to small surfaces, particularly low heat losses are achieved. In addition, there is a weight advantage and a very compact arrangement in the narrow engine compartment. Direct connection of the axial low-pressure exhaust gas turbocharger 20 after outflow of the high-pressure turbine 44 results in very low pressure losses. In addition - in contrast to radial turbines - can be dispensed with a flow deflection.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Abgasturboladervorrichtung10 exhaust gas turbocharger device
12 Gehäuse 12 housing
14 Abgas 14 exhaust
16 Luft 16 air
20 Niederdruckabgasturbolader 20 low-pressure exhaust gas turbocharger
22 erste Welle 22 first wave
24 Niederdruckturbine 24 low-pressure turbine
26 Niederdruckverdichter 26 low-pressure compressor
28 erster Diffusor 28 first diffuser
30 Volute 30 volutes
40 Hochdruckabgasturbolader 40 high pressure turbocharger
42 zweite Welle 42 second wave
44 Hochdruckturbine 44 high-pressure turbine
46 Hochdruckverdichter 46 high pressure compressor
48 zweiter Diffusor 48 second diffuser
50 Wälzlager 50 rolling bearings
60 erste Flut 60 first tide
62 zweite Flut
62 second tide
Claims
1 . Abgasturboladervorrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Niederdruckabgasturbolader (20), welcher eine mit Abgas (14) der 1 . An exhaust gas turbocharger device (10) for an internal combustion engine, comprising a low pressure exhaust gas turbocharger (20) which is equipped with exhaust gas (14) of the
Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Niederdruckturbine (24) und einen, über eine drehbar in einem Gehäuse (12) der Abgasturboladervorrichtung (10) gelagerte erste Welle (22) mit der Niederdruckturbine (24) gekoppelten, mit Luft (16) zur Versorgung der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Internal combustion engine through-flowable low-pressure turbine (24) and a rotatably in a housing (12) of the exhaust gas turbocharger device (10) mounted first shaft (22) coupled to the low-pressure turbine (24), with air (16) for supplying the internal combustion engine can be flowed through
Niederdruckverdichter (26) umfasst und mit einem Hochdruckabgasturbolader (40), welcher eine mit dem Abgas (14) durchströmbare Hochdruckturbine (44) und einen, über eine drehbar in dem Gehäuse (12) gelagerte zweite Welle (42) mit der Low-pressure compressor (26) and with a high-pressure exhaust gas turbocharger (40) having a high-pressure turbine (44) through which the high-pressure turbine (44) and a rotatably mounted in the housing (12) second shaft (42) with the
Hochdruckturbine (44) gekoppelten, mit der Luft (16) zur Versorgung der High-pressure turbine (44) coupled to the air (16) to supply the
Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Hochdruckverdichter (46) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Internal combustion engine throughflowable high-pressure compressor (46), characterized in that
die Hochdruckturbine (44) als asymmetrische Halbaxial-Hochdruckturbine, insbesondere als Zwillings-Hochdruckturbine, ausgebildet und fluidisch mit der Niederdruckturbine (24) gekoppelt ist. the high-pressure turbine (44) is designed as an asymmetric, semi-axial high-pressure turbine, in particular as a twin high-pressure turbine, and is fluidically coupled to the low-pressure turbine (24).
2. Abgasturboladervorrichtung (10) nach Anspruch 1 , 2. Exhaust gas turbocharger device (10) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Niederdruckturbine (24) als Axial-Niederdruckturbine ausgebildet ist. the low-pressure turbine (24) is designed as an axial low-pressure turbine.
3. Abgasturboladervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, 3. Exhaust gas turbocharger device (10) according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Niederdruckverdichter (26) als Halbaxial-Niederdruckverdichter ausgebildet ist. the low-pressure compressor (26) is designed as a half-axial low-pressure compressor.
4. Abgasturboladervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. Exhaust gas turbocharger device (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Hochdruckverdichter (46) als Halbaxial-Hochdruckverdichter ausgebildet ist.
the high-pressure compressor (46) is designed as a half-axial high-pressure compressor.
5. Abgasturboladervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 5. Exhaust gas turbocharger device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that
die Hochdruckturbine (44) in Abgasströmungsrichtung des Abgases (14) vor der Niederdruckturbine (24) angeordnet ist. the high-pressure turbine (44) is disposed upstream of the low-pressure turbine (24) in the exhaust gas flow direction of the exhaust gas (14).
6. Abgasturboladervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 6. Exhaust gas turbocharger device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that
die Hochdruckturbine (44) eine symmetrische 2flutigeTurbine ist. the high-pressure turbine (44) is a symmetrical 2-flow turbine.
7. Abgasturboladervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 7. Exhaust gas turbocharger device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that
die Hochdruckturbine (44) eine asymmetrische Segmentturbine ist. the high pressure turbine (44) is an asymmetric segment turbine.
8. Abgasturboladervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 8. Exhaust gas turbocharger device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that
die Hochdruckturbine (44) eine Monoscroll-Turbine ist.
the high pressure turbine (44) is a monoscroll turbine.
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