CH699742B1

CH699742B1 - Zweistufiges Aufladungssystem.

Info

Publication number: CH699742B1
Application number: CH01834/06A
Authority: CH
Inventors: Matthias Soengen
Original assignee: Man Diesel Se
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2010-04-30
Also published as: FI20061034A0; CN100465417C; DE102005056797A1; JP2007146849A; FI122852B; CN1982670A; FI20061034A; KR20070056961A

Abstract

Zweistufiges Aufladungssystem mit einem ersten axialen Turbolader (1)und einem zweiten axialen Turbolader (2), wobei der zweite Turbolader (2) eine Hohlwelle (4) aufweist, die drehbar auf der Welle (3) des ersten Turboladers (2) gelagert ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Aufladungssystem mit zwei in Serie geschalteten Turboladern.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Radialturbolader und Axialturbolader bekannt. Axialturbolader werden insbesondere dann eingesetzt, wenn ein höherer Leistungsbedarf besteht. Aus dem Automobilsektor, d.h. auf dem Verwendungsgebiet der Radialturbolader, ist das Hintereinanderschalten mehrerer Turbolader bekannt, um über den gesamten Betriebsbereich eines Verbrennungsmotors einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Das heisst, es wird ein Niederdruckturbolader und ein Hochdruckturbolader in Kombination verwendet, um bereits bei Teillast des Verbrennungsmotors eine gute Versorgung des Verbrennungsmotors mit Ladeluft zu gewährleisten.

[0003] Nachteilig an der aus dem Stand der Technik bekannten Verwendung von zwei in Serie geschalteten Turboladern ist der erhöhte Verrohrungsaufwand für Rohrverbindungen zwischen den Turboladern und der benötigte grössere Bauraum. Mit dem erhöhten Verrohrungsaufwand einher geht ein geringerer Wirkungsgrad der in Serie geschalteten Turbolader, da in den Verrohrungen Strömungsverluste auftreten.

[0004] Ausgehend von den erläuterten Nachteilen des Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes Turboladersystem bereitzustellen, das über den gesamten Betriebsbereich eines Verbrennungsmotors mit erhöhtem Wirkungsgrad arbeitet.

[0005] Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0006] Gemäss der vorliegenden Erfindung ist ein Aufladungssystem mit zwei integrierten Turboladern vorgesehen. Jeder Turbolader weist auf seiner Welle eine Abgasturbine und ein Verdichterrad auf. Da es sich um einen Axialturbolader handelt, werden die Abgasturbinen axial, d.h. parallel zu den Wellen durchströmt. Die Wellen der beiden Turbolader sind koaxial zueinander angeordnet.

[0007] Durch die koaxiale Anordnung der Wellen, die z.B. durch Verwendung einer um die erste Welle gelagerten zweiten Hohlwelle verwirklicht werden kann, wird eine Bauraumoptimierung möglich. Durch die koaxiale Anordnung kann auf zusätzliche Rohrleitungen zwischen den Turboladern weitgehend verzichtet werden, so dass auch Strömungsverluste zwischen den beiden Turboladern minimiert werden können.

[0008] Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Turbolader derart in der Abgasströmung angeordnet, dass zunächst die im Aufladungssystem weiter aussen angeordnete erste Abgasturbine und erst dann die weiter im Gehäuseinneren liegende zweite Abgasturbine mit Abgasen durchströmt wird.

[0009] Diese Massnahme ermöglicht ebenfalls, den Verrohrungsaufwand für die Zuführung des Abgasstromes gering zu halten, da der Platzbedarf zur Mitte des Aufladungssystems hin grösser wird. Das heisst, durch die Beaufschlagung der aussen liegenden Abgasturbine vor der innen liegenden kann auf Rohrleitungen verzichtet werden, die zunächst die innen liegende zweite Abgasturbine mit Abgasen beaufschlagen sollen. Denn diese Rohrleitungen sind in Form und Platzbedarf aufwendig und deshalb nachteilig. Ferner wird es durch diese Massnahme und die kompakte Bauart des vorgeschlagenen zweistufigen Aufladungssystems möglich, das erfindungsgemässe Aufladungssystem im Austausch für ein einstufiges Aufladungssystem an einem Verbrennungsmotor anzubringen.

[0010] Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer oder sind beide Turbolader mit einem Antrieb und/oder einem Abtrieb ausgestattet.

[0011] Soll am Verbrennungsmotor eine schnelle Lastaufschaltung erfolgen, so steht zu Beginn der Lastaufschaltung nicht genügend Ladeluft bereit. In dieser Phase kann deshalb über einen Antrieb die Welle eines oder beider Turbolader angetrieben werden, so dass bereits zu diesem frühen Zeitpunkt ausreichend Ladeluft zur Verfügung steht und das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors sich verbessert. Diese Massnahme erfolgt somit zusätzlich zur Verwendung von Niederdruck-und Hochdruckturbolader. Ferner kommt es gerade im Teillastbereich des Verbrennungsmotors zu einer erhöhten Russentwicklung, da der Verbrennungsvorgang im Verbrennungsmotor im Teillastbereich nicht optimal verläuft. Um diesem Problem zu begegnen, wird der Antrieb genutzt, um bei Teillast die Emissionswerte des Verbrennungsmotors durch Zuführen zusätzlicher Ladeluft zu optimieren.

[0012] Ferner ist es vorteilhaft, einen Abtrieb an einer oder beiden Wellen des Aufladungssystems vorzusehen, Der Abtrieb kann auch integral mit dem Antrieb ausgebildet sein. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, ein so genanntes "waste gate" zu verwenden, um überschüssige Abgase über einen Bypass am Turbolader vorbeizuleiten. Über einen Abtrieb ist es nunmehr möglich, auch diese überschüssigen Abgase zu nutzen, da der Abtrieb für den Fall zugeschaltet wird, dass nicht so viel Ladeluft wie produziert benötigt wird. Durch Verwendung der Turboladerwelle als Leistungsabtriebswelle wird die Strömungsenergie der überschüssigen Abgase nutzbar.

[0013] Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Abgasturbinen ein Leitgitter vorgesehen, Das Leitgitter dient dazu, die Strömungsverhältnisse zwischen den Abgasturbinen zu optimieren. Die Elemente des Leitgitters können dazu abhängig von der Drehzahl des Turboladers verstellbar sein.

[0014] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Aufladungssystems sowohl der Niederdruckturbolader als auch der Hochdruckturbolader mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet. Das heisst, es ist eine Zwischenkühlung nach dem Niederdruckturbolader angeordnet. Alternativ kann auch nur einer der Turbolader mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet sein oder beide Turbolader dieselbe Ladeluftkühlung verwenden.

[0015] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden nachstehend zwei Ausführungsformen der Erfindung aufgezeigt. Zur Erläuterung werden Zeichnungen herangezogen, diese zeigen in
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung des Aufladungssystems einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und in

<tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung des Aufladungssystems gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

[0016] Fig. 1 zeigt einen ersten Turbolader 1 mit einer ersten Welle 3, auf der eine Abgasturbine 5 und ein Verdichterrad 7 angeordnet ist. Bei dem ersten Turbolader 1 handelt es sich um den Hochdruckturbolader, dessen Abgasturbine 5 dementsprechend grösser als beim Niederdruckturbolader ausgebildet sein kann, um der Abgasströmung ein kleineres Trägheitsmoment entgegenzusetzen. Es sei darauf hingewiesen, dass im Vergleich zum einstufigen Turbolader die Durchmesser beider Abgasturbinen 5, 6 kleiner sind, so dass das Trägheitsmoment der Abgasturbinen im Vergleich zum einstufigen Aufbau kleiner ist.

[0017] Der zweite Turbolader 2 weist die zweite Abgasturbine 6 und das zweite Verdichterrad 8 jeweils an den Enden der Welle 4 auf. Die Welle 4 ist als Hohlwelle ausgebildet und auf der Welle 3 gelagert. Durch diese Bauform ist eine insgesamt kompakte Bauweise des Aufladungssystems möglich. Zwischen den Abgasturbinen 5, 6 ist ein Leitgitter 11 vorgesehen, das zur Optimierung der Luftströmung hin zur zweiten Abgasturbine vorgesehen ist. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Leitgitter auch vor der ersten Abgasturbine 5 angebracht sein kann, um den gleichen Zweck für die erste Abgasturbine 5 zu erfüllen. Am Ende der ersten Welle 3 ist ein kombinierter An-/Abtrieb 9, 10 vorgesehen, um die Welle für den Fall zu geringer Drehzahlen anzutreiben oder für den Fall zu hoher Drehzahlen durch Energierückgewinnung abzubremsen.

An- und Abtrieb können auch für die Hohlwelle 4 vorgesehen sein, die Bauform muss allerdings entsprechend den Platzverhältnissen im Bauraum 15 angepasst sein.

[0018] Die durch das Verdichterrad 8 strömende Luft wird über eine Zwischenkühlung 12 geführt und danach dem Verdichterrad 7 des Hochdruckturboladers zugeführt. Nach Durchströmen des Verdichterrads 7 des Hochdruckturboladers 1 wird die Ladeluft dann in einem weiteren Ladeluftkühler 13 gekühlt. Um die Ladeluftkühler 12, 13 zu kühlen, sind Anschlüsse 16 für Kühlflüssigkeit am Turboladergehäuse vorgesehen. Zur Verringerung der Geräuschemissionen ist ein Schalldämpfer 14 am Turboladergehäuse angebracht.

[0019] Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Bauteile des Aufladungssystems sind entsprechend der ersten Ausführungsform nummeriert. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich dahingehend von der ersten Ausführungsform, dass der erste Turbolader 1 nunmehr den Niederdruckturbolader bildet und der zweite Turbolader 2, der im Verhältnis zum ersten Turbolader 1 im Aufladungssystem innen liegt, als Hochdruckturbolader dient. Dementsprechend ist die Zwischenkühlung 12 an dem Verdichterrad 7 des ersten Turboladers angebracht und die Schalldämpfung 14 ist nicht mehr am Umfang des Aufladungssystems, sondern an dessen Ende vorgesehen.

Bezugszeichenliste

[0020]
<tb>1<sep>erster Turbolader

<tb>2<sep>zweiter Turbolader

<tb>3<sep>erste Welle

<tb>4<sep>zweite Welle

<tb>5<sep>erste Abgasturbine

<tb>6<sep>zweite Abgasturbine

<tb>7<sep>erstes Verdichterrad

<tb>8<sep>zweites Verdichterrad

<tb>9<sep>Antrieb

<tb>10<sep>Abtrieb

<tb>11<sep>Leitgitter

<tb>12<sep>Zwischenkühlung

<tb>13<sep>Ladeluftkühlung

<tb>14<sep>Schalldämpfer

<tb>15<sep>Einbauraum für An-/Abtrieb

<tb>16<sep>Anschluss für Kühlflüssigkeitsversorgung

Claims

1. Aufladungssystem mit einem ersten Turbolader (1), der auf einer ersten Welle (3) eine axial durchströmte erste Abgasturbine (5) und ein erstes Verdichterrad (7) aufweist, und mit einem zweiten Turbolader (2), der auf einer zweiten Welle (4) eine axial durchströmte zweite Abgasturbine (6) und ein zweites Verdichterrad (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Welle (3, 4) koaxial gelagert sind.

2. Aufladungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufladungssystem derart ausgebildet ist, dass zunächst die im Aufladungssystem weiter aussen angeordnete erste Abgasturbine (5) und erst dann die weiter im Gehäuseinnern liegende zweite Abgasturbine (6) mit Abgasen durchströmbar ist.

3. Aufladungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Turbolader (1, 2) mit einem Antrieb (9) und/oder Abtrieb (10) ausgestattet ist.

4. Aufladungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle (4) des zweiten Turboladers (2) als Hohlwelle ausgebildet ist und drehbar um die erste Welle (3) gelagert ist.

5. Aufladungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Turbolader (1, 2) als Hochdruckturbolader und der andere Turbolader (1,2) als Niederdruckturbolader ausgebildet ist.

6. Aufladungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Abgasturbine (5) und der zweiten Abgasturbine (6) ein Leitgitter (11) zur Luftführung zwischen den Abgasturbinen (5, 6) vorgesehen ist.

7. Aufladungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Leitgitters (11) abhängig von der Drehzahl verstellbar ist.

8. Aufladungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verdichterrad (7, 8) des Niederdruckturboladers eine Ladeluftkühlung (12) und/oder nach dem Verdichterrad (7, 8) des Hochdruckturboladers eine weitere Ladeluftkühlung (13) vorgesehen ist.

9. Aufladungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Abgasturbine (5, 6) des Niederdruckturboladers grösser ist als der Durchmesser der Abgasturbine (5, 6) des Hochdruckturboladers.

10. Aufladungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufladesystem einen Schalldämpfer (13) umfasst.