DE102005025885B4

DE102005025885B4 - Aufladevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102005025885B4
Application number: DE102005025885A
Authority: DE
Inventors: Halit Genc
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: DE102005025885A1

Abstract

Aufladevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit zwei Zylinderbänken (11), insbesondere für einen V-Motor, mit einer ein Gehäuse aufweisenden Niederdruckturbine (13) einer ersten Stufe und einer Hochdruckturbine (16) einer zweiten Stufe, die ein Gehäuse (39) zur Aufnahme eines Turbinenrades und einer Turbinenspirale (40) aufweist, wobei Abgas von Zylinderköpfen der ersten und zweiten Zylinderbank (11) in einer Abgassammelleitung (27) zusammenführt und in Abhängigkeit von einer Schaltstellung eines Turbinenzuschaltventils (30) aus der Abgassammelleitung (27) über eine erste Abgasleitung (28), in der das Turbinenrad angeordnet ist, oder eine zweite Abgasleitung (29), in der das Turbinenzuschaltventil (30) angeordnet ist, der Niederdruckturbine (13) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgassammelleitung (27) und die erste und zweite Abgasleitung (28, 29) in dem Gehäuse (39) der Hochdruckturbine (16) vorgesehen sind und dass das Turbinenzuschaltventil (30) mit seinem Gehäuse zwischen der Niederdruckturbine (13) und der Hochdruckturbine (16) angeordnet und das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils (30) mit dem Gehäuse (39) der Hochdruckturbine...

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, bei Verbrennungskraftmaschinen zur Leistungssteigerung und zur Verminderung von Schadstoffemissionen Abgasturbolader einzusetzen. Es sind ein- und mehrstufige Aufladevorrichtungen bekannt. Bei V-Motoren ist es aus Platzgründen problematisch, mehrstufige Aufladevorrichtungen unterzubringen.
Beispielsweise ist aus der DE 100 15 291 A1 eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, die über V-förmig angeordnete Zylinderreihen und zwei Abgasturbolader verfügt, wobei Abgasturbinen der Abgasturbolader über Abgaskrümmer mit Auslassseiten und Radialverdichter der Abgasturbolader über Ladeluftverteilerleitungen mit Einlassseiten der Zylinderreihen verbunden sind. Es ist dabei vorgesehen, dass die Abgaskrümmer auf den einander zugewandten Seiten der Zylinderreihen liegen und die Abgasturbolader eine unterschiedliche Größe aufweisen und im Wesentlichen in dem von den Zylinderreihen gebildeten V-Raum untergebracht sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte Aufladevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen V-Motor, zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einen V-Motor, zeichnet sich neben ihren gattungsgemäßen Merkmalen dadurch aus, dass die Abgassammelleitung und die erste und zweite Abgasleitung in dem Gehäuse der Hochdruckturbine vorgesehen sind und dass das Turbinenzuschaltventil mit seinem Gehäuse zwischen der Niederdruckturbine und der Hochdruckturbine angeordnet und das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils mit dem Gehäuse der Hochdruckturbine und dem Gehäuse der Niederdruckturbine direkt verbunden ist, wobei in dem Gehäuse der Niederdruckturbine zwei Strömungskanäle für die Zuleitung von Abgas aus der Hochdruckturbine angeordnet sind, von denen einer mit der ersten Abgasleitung und der andere mit der zweiten Abgasleitung verbunden ist, und wobei das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils als Konsole für eine Anbindung der Aufladevorrichtung an die Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Dabei ist die Hochdruckturbine der zweiten Stufe in ihrem Gehäuse zum Zusammenführen von Abgas nach Zylinderköpfen der ersten und der zweiten Zylinderbank und zum Verteilen von Abgas in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Turbinenzuschaltventils ausgebildet. Durch diese Bauweise reduziert sich die Zahl der Flansche. Die Länge der Strömungskanäle wird verkürzt, was sich vorteilhaft auf Druckverlust und Reibung in der Anordnung auswirkt. Die kompakte Bauweise macht eine Unterbringung der zweistufigen Aufladung bei Verbrennungskraftmaschinen mit V-Anordnung der Zylinderbänke möglich, wobei die Aufladevorrichtung innerhalb der V-Anordnung oder auch im hinteren Bereich der Verbrennungskraftmaschine untergebracht werden kann. In dem Gehäuse der Hochdruckturbine der zweiten Stufe sind eine Turbinenspirale, zwei Strömungskanäle für Abgas vor und nach der Turbinenspirale und eine Abgassammelleitung von Abgas der ersten und der zweiten Zylinderbank angeordnet. Diese Art von Turbinengehäuse kann bei allen Abgasturboladervarianten verwendet werden, die bei einer zweistufigen Aufladung zum Einsatz kommen, z. B. bei einem Festlader, einem Wastegate-Lader und/oder einem VTG-Lader mit variabler Turbinengeometrie etc. In dem Gehäuse der Niederdruckturbine der ersten Stufe sind zwei Strömungskanäle für die Zuleitung von Abgas angeordnet, von denen einer direkt, in einer Weise, in der die Turbine angetrieben werden kann, und einer indirekt durch die Hochdruckturbine der zweiten Stufe geleitet ist. Stromabwärts der Hochdruckturbine der zweiten Stufe ist das Abgas in der Niederdruckturbine der ersten Stufe über das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils zweiflutig zusammengeführt. Diese Kanalführung kann ebenfalls für jede Ladervariante verwendet werden. Das Turbinenzuschaltventil ist mit seinem Gehäuse zwischen den beiden Turbinen angeordnet, bevorzugt verschraubt. Das Gehäuse wird auch gleichzeitig als Konsole für die Anbindung der Aufladevorrichtung zur Verbrennungskraftmaschine genutzt. Die beiden Turbinen sind mit ihren Gehäusen direkt mit dem Gehäuse des Turbinenzuschaltventils zu verbinden, um auftretende Temperaturausdehnungen der Bauteile aufzufangen. Bevorzugt sind die Turbinen zur Verbrennungskraftmaschine entkoppelt.
In einer günstigen Weiterbildung ist in dem Gehäuse der Hochdruckturbine eine Entnahmestelle zur Abgasrückführung angeordnet.
Weiterhin ist es günstig, am Gehäuse des Turbinenzuschaltventils dessen Stellmechanismus anzuordnen. Das Verschlussorgan des Turbinenzuschaltventils kann aus einer mittig oder einseitig gelagerten Achse bestehen und kann elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch geregelt werden. Der Stellmechanismus kann z. B. ein hydraulisches Ventil sein, eine Unterdruckdose oder ein elektrischer Steller.
In einer weiteren günstigen Weiterbildung weist das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils zwei Strömungskanäle für eine direkte Leitung des Abgases vor und/oder nach der zweiten Turbine auf.
In einer günstigen Ausgestaltung weist das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils einen Kühlkanal auf, der vorzugsweise in das Gehäuse eingegossen ist. Der Kühlkanal schützt das Turbinenzuschaltventil und dessen Achslagerung vor Übertemperaturen. Das Turbinenzuschaltventil sorgt weiterhin für ein dichtes System.
In einer kompakten Weiterbildung sind die beiden Turbinen an einem inneren Bereich einer V-Anordnung eines V-Motors angeordnet.
In einer günstigen Weiterbildung sind die beiden Turbinen, das Turbinenzuschaltventil mit seinem Gehäuse sowie ein Abgasrückführrohr als eine gemeinsame Baueinheit gebildet. Diese Baueinheit kann separat gefertigt und auf seine Funktion getestet werden, bevor sie mit der Verbrennungskraftmaschine zusammengebaut wird.
Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine Prinzipskizze einer bekannte zweistufigen Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine mit zwei Zylinderbänken;
2 eine bevorzugte Aufladevorrichtung mit einer Turbine mit Turbinenzuschaltventil und aktiver Turbine;
3 eine bevorzugte Aufladevorrichtung mit einer Turbine mit Turbinenzuschaltventil und deaktivierter Turbine.
1 zeigt zur Veranschaulichung eine Prinzipskizze einer bekannten zweistufigen Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine 10 mit zwei Zylinderbänken 11. Ein erster Lader ND als erste Stufe mit Niederdruck weist einen Verdichter 12 und eine Niederdruckturbine 13 auf, die auf einer gemeinsamen Welle 14 angeordnet sind. In Strömungsrichtung der angesaugten Luft nachgeschaltet ist ein zweiter Lader HD als zweite Stufe mit Hochdruck, der einen Verdichter 15 und eine der Niederdruckturbine 13 im Abgasstrom vorgeschaltete Hochdruckturbine 16 aufweist, die auf einer gemeinsamen Welle 17 angeordnet sind. Bekanntermaßen treibt die Turbine 13 bzw. 16 den jeweiligen Verdichter 12 bzw. 14 jeweilig über die gemeinsame Welle 14, 17 an. Der erste Verdichter 12 ist in einer Zuleitung 20 der Luft angeordnet, stromabwärts folgt in einer Zuleitung 21 der zweite Verdichter 15. Es ist ein Bypassventil 19 vorgesehen, mit dem der zweite Lader HD bzw. dessen Verdichter 15 umgangen werden kann. In einer Zuleitung 22 für Luft stromabwärts der beiden Lader ND, HD ist ein Ladeluftkühler 18 angeordnet. Die dort abgekühlte Luft wird dann über Zuleitungen 23 den beiden Zylinderbänken 11 zugeführt und dient dort der Verbrennung von Kraftstoff. Das dabei erzeugte Abgas der Zylinderbänke 11 gelangt in die Turbinen 16, 13 der beiden Lader HD, ND, wobei ein Abgasrückführventil 25 mit einer Abgasrückführleitung 24 vorgesehen ist, die zwischen dem Ladeluftkühler 18 und den Zuleitungen 23 in die Zuleitung 22 mündet.
Abgasleitungen 26 führen von jeder Zylinderbank 11 zu einer Abgassammelleitung 27, die in eine erste Abgasleitung 28, die direkt zur Hochdruckturbine 16 der zweiten Stufe und die zweite Abgasleitung 29, die direkt zur Niederdruckturbine 13 der ersten Stufe führt. Die zweite Abgasleitung 29 kann mit dem Turbinenzuschaltventil 30 gesperrt oder freigegeben werden. Ist die Abgasleitung 29 gesperrt, wird das Abgas erst in der Hochdruckturbine 16 der zweiten Stufe des Laders HD expandiert und der Verdichter 15 angetrieben, bevor das Abgas in die Niederdruckturbine 13 der ersten Stufe des Laders ND gelangt und dort weiter expandiert wird, um den Verdichter 12 der ersten Stufe anzutreiben. Parallel zur in der Abgasleitung 33 angeordneten Niederdruckturbine 13 ist eine Abgasleitung 31 mit einem Ventil 32 angeordnet, das die Abgasleitung 31 sperren oder freigeben kann. Das Abgas gelangt dann in eine Abgasleitung 34 zum Endrohr. Die Hochdruckturbine 16 der zweiten Stufe leitet Abgas in die Abgasleitung 33.
Die Ausgestaltung in 2 und 3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Hochdruckturbine 16 der zweiten Stufe entsprechend dem zweiten Lader HD der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung. Zwei von den in 1 dargestellten Zylinderbänken 11 kommende Abgasleitungen 26, die als Kompensatorrohre ausgebildet sind, führen zur Hochdruckturbine 16, die ein Gehäuse 39 aufweist. Die Abgasleitungen 26 münden in dem Gehäuse 39 in eine Abgassammelleitung 27, von der aus ein Strömungskanal in eine Turbinenspirale 40 und ein Strömungskanal 41 zu einem Turbinenzuschaltventil 30 führt. Ist das Turbinenzuschaltventil 30 geschlossen, wird das Abgas in einen Strömungskanal 42 nach der Turbinenspirale 40 geleitet und tritt von dort nach der Expansion aus der Hochdruckturbine 16 aus in Richtung der Niederdruckturbine 13 der ersten Stufe entsprechend dem ersten Lader ND in 1. In dem Strömungskanal 41 ist stromaufwärts des Turbinenzuschaltventils 30 eine Entnahmestelle 43 für eine Abgasrückführung vorgesehen. Eine alternative Position für das Turbinenzuschaltventil 30 stromaufwärts der Entnahmestelle 43 ist angedeutet. Die Aufladevorrichtung mit der Hochdruckturbine 16 ist im Innen-V oberhalb einer als V-Motor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet. Ist das Turbinenzuschaltventil 30 geöffnet, gelangt das Abgas in den Strömungskanal 41 vor der Turbinenspirale 40 und von dort Richtung erster Stufe. Diese Situation ist in 3 festgehalten. Das Turbinenabschaltventil 30 ist geöffnet, so dass Abgas aus der Sammelleitung 27 an der Hochdruckturbine 16 vorbei zu der Niederdruckturbine 13 des ersten Laders geleitet wird.

10: Verbrennungskraftmaschine
11: Zylinderbank
12: Verdichter erste Stufe
13: Turbine erste Stufe (Niederdruckturbine)
14: Verbindung
15: Verdichter zweite Stufe
16: Turbine zweite Stufe (Hochdruckturbine)
17: Verbindung
18: Ladeluftkühler
19: Bypassventil
20: Zuleitung
21: Zuleitung
22: Zuleitung
23: Zuleitung
24: Abgasrückführleitung
25: Abgasrückführventil
26: Abgasleitung
27: Abgassammelleitung
28: Abgasleitung zweite Stufe
29: Abgasleitung erste Stufe
30: Turbinenzuschaltventil
31: Abgasleitung
32: Ventil
33: Abgasleitung
34: Abgasleitung zum Endrohr
39: Gehäuse
40: Turbinenspirale
41: Strömungskanal vor Turbinenspirale
42: Strömungskanal nach Turbinenspirale
43: Entnahmestelle Abgasrückführung
ND: Niederdrucklader, erste Stufe
HD: Hochdrucklader, zweite Stufe

Claims

Aufladevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit zwei Zylinderbänken (11), insbesondere für einen V-Motor, mit einer ein Gehäuse aufweisenden Niederdruckturbine (13) einer ersten Stufe und einer Hochdruckturbine (16) einer zweiten Stufe, die ein Gehäuse (39) zur Aufnahme eines Turbinenrades und einer Turbinenspirale (40) aufweist, wobei Abgas von Zylinderköpfen der ersten und zweiten Zylinderbank (11) in einer Abgassammelleitung (27) zusammenführt und in Abhängigkeit von einer Schaltstellung eines Turbinenzuschaltventils (30) aus der Abgassammelleitung (27) über eine erste Abgasleitung (28), in der das Turbinenrad angeordnet ist, oder eine zweite Abgasleitung (29), in der das Turbinenzuschaltventil (30) angeordnet ist, der Niederdruckturbine (13) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgassammelleitung (27) und die erste und zweite Abgasleitung (28, 29) in dem Gehäuse (39) der Hochdruckturbine (16) vorgesehen sind und dass das Turbinenzuschaltventil (30) mit seinem Gehäuse zwischen der Niederdruckturbine (13) und der Hochdruckturbine (16) angeordnet und das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils (30) mit dem Gehäuse (39) der Hochdruckturbine (16) und dem Gehäuse der Niederdruckturbine (13) direkt verbunden ist, wobei in dem Gehäuse der Niederdruckturbine (13) zwei Strömungskanäle (31, 33) für die Zuleitung von Abgas aus der Hochdruckturbine (16) angeordnet sind, von denen einer mit der ersten Abgasleitung (28) und der andere mit der zweiten Abgasleitung (29) verbunden ist, und wobei das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils (30) als Konsole für eine Anbindung der Aufladevorrichtung an die Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist.
Aufladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (39) der Hochdruckturbine (16) eine Entnahmestelle (43) zur Abgasrückführung angeordnet ist.
Aufladevorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse des Turbinenzuschaltventils (30) dessen Stellmechanismus angeordnet ist.
Aufladevorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils (30) zwei Strömungskanäle für eine direkte Leitung des Abgases vor und/oder nach der Hochdruckturbine (16) aufweist.
Aufladevorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils (30) einen Kühlkanal aufweist.
Aufladevorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Hochdruckturbine (16) das Abgas in der Niederdruckturbine (13) über das Gehäuse des Turbinenzuschaltventils (30) zweiflutig zusammengeführt ist.
Aufladevorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Turbinen (13, 16) an einem inneren Bereich einer V-Anordnung eines V-Motors angeordnet sind.
Aufladevorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Turbinen (13, 16), das Turbinenzuschaltventil (30) mit seinem Gehäuse sowie ein Abgasrückführrohr als eine gemeinsame Baueinheit gebildet sind.