DE102005056797A1 - Two-stage turbo charging system for high power demand e.g. in automobile sector, has two turbochargers first and second shaft which are coaxially mounted - Google Patents

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Abstract

Turbo charging system has first turbocharger (1) which has an exhaust gas turbine (5), axially running through a first shaft (3), and a first compressor wheel (7). The second turbocharger (2) has a second exhaust gas turbine (6), axially running through a second shaft (4), and a second compressor wheel (8). The first and the second shafts are coaxially mounted.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufladungssystem mit zwei in Serie geschalteten Turboladern.The The invention relates to a charging system with two series connected Turbochargers.

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.Out the prior art are radial turbocharger and Axialturbolader known. Axial turbochargers are used in particular when a higher one Power requirement exists. From the automotive sector, i. in the field of application the radial turbocharger, is the series switching of several turbochargers known to over the entire operating range of an internal combustion engine optimal Achieve efficiency. That means it will be a low-pressure turbocharger and a high-pressure turbocharger used in combination already at partial load of the internal combustion engine, a good supply of the internal combustion engine to ensure with charge air.

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.adversely in the known from the prior art use of two in Series connected turbochargers is the increased piping costs for pipe joints between the turbochargers and the required larger installation space. With the increased piping effort this is accompanied by a lower efficiency of the series-connected Turbocharger, as flow losses occur in the piping.

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.outgoing from the explained Disadvantages of the prior art, it is the task of the present Invention to provide a compact turbocharger system that over the entire operating range of an internal combustion engine with increased efficiency is working.

Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.These Task is by the independent Claim 1 of the present invention solved. The dependent claims are advantageous embodiments of the invention.

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.According to the present Invention is provided a charging system with two integrated turbochargers. Each turbocharger has on its shaft an exhaust gas turbine and a Compressor wheel on. Since it is an axial turbocharger, the exhaust gas turbines are axially, i. flows through parallel to the waves. The Shafts of the two turbochargers are arranged coaxially with each other.

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.By the coaxial arrangement of the waves, e.g. by using a can be realized about the first shaft mounted second hollow shaft, a space optimization is possible. Due to the coaxial arrangement can be placed on additional piping between the turbochargers are largely dispensed with, so that flow losses between the two turbochargers can be minimized.

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.According to one advantageous embodiment of the invention, the turbocharger are so in the exhaust gas flow arranged that first the first exhaust gas turbine disposed farther out in the charging system and only then the further inside the case lying second exhaust gas turbine is traversed with exhaust gases.

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.These measure allows also the Verrohrungsaufwand for the supply of the exhaust stream low because of the space required to the center of the charging system out gets bigger. That is, through the imposition of the outside lying exhaust gas turbine in front of the inside can be on pipelines be waived, the first apply exhaust gases to the internal second exhaust gas turbine should. Because these pipes are expensive in shape and space requirements and therefore disadvantageous. Furthermore, it is by this measure and the compact design of the proposed two-stage charging system possible, the charging system according to the invention in exchange for to install a single-stage charging system on an internal combustion engine.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer oder sind beide Turbolader mit einem Antrieb und/oder einem Abtrieb ausgestattet.According to one Another advantageous embodiment of the invention is one or Both turbochargers are equipped with a drive and / or an output.

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, kann wird der Antrieb genutzt, um bei Teillast die Emissionswerte des Verbrennungsmotors durch Zuführen zusätzlicher Ladeluft zu optimieren.Should on the internal combustion engine a fast load connection, so there is not enough charge air ready at the beginning of load application. In this Phase can therefore over a drive powered by the shaft of one or both turbochargers so that enough charge air is already available at this early stage to disposal stands and the response of the internal combustion engine improves. This measure thus takes place in addition to Use of low pressure and High-pressure turbocharger. Furthermore, it comes just in the partial load range of Internal combustion engine to an increased soot, since the combustion process in the internal combustion engine in the partial load range not optimal. To counteract this problem, the drive can be used to At partial load, the emission levels of the internal combustion engine by supplying additional Optimize charge air.

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 vorbei zu leiten. 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.Furthermore, it is advantageous to provide an output on one or both shafts of the charging system. The output can also be formed integrally with the drive. From the prior art it is known to use a so-called "waste gate" to pass excess exhaust gases through a bypass on the turbocharger.With a downforce, it is now possible to use these excess exhaust gases, since the output for the If the turbocharger shaft is used as the power output shaft, the flow is increased energy of the excess exhaust gases usable.

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.According to one advantageous embodiment of the invention is between the exhaust gas turbines a guide grid provided. The Leitgitter serves to the flow conditions to optimize between the exhaust gas turbines. The elements of the Leitgitters can do that dependent be adjustable by the speed of the turbocharger.

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.According to one Another embodiment of the invention is to improve the efficiency of Charging system both the low-pressure turbocharger and the High-pressure turbocharger equipped with intercooler. That is, it is an intermediate cooling arranged after the low-pressure turbocharger. Alternatively, too only one of the turbochargers to be equipped with intercooling or both turbochargers use the same intercooler.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden nachstehend zwei Ausführungsformen der Erfindung aufgezeigt. Zur Erläuterung werden Zeichnungen herangezogen, diese zeigen into further explanation In the following, two embodiments of the invention will be described demonstrated. In order to explain Drawings are used, these show in

1 eine schematische Darstellung des Aufladungssystems einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und in 1 a schematic representation of the charging system of a first embodiment of the invention; and in

2 eine schematische Darstellung des Aufladungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 a schematic representation of the charging system according to a second embodiment of the present invention.

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 entgegen zu setzen. 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. 1 shows a first turbocharger 1 with a first wave 3 on which an exhaust gas turbine 5 and a compressor wheel 7 is arranged. At the first turbocharger 1 it is the high-pressure turbocharger, its exhaust gas turbine 5 Accordingly, larger than the low-pressure turbocharger may be formed to oppose the exhaust gas flow, a smaller moment of inertia. It should be noted that in comparison to the single-stage turbocharger, the diameters of both exhaust gas turbines 5 . 6 are smaller, so that the moment of inertia of the exhaust gas turbine is smaller compared to the single-stage design.

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.The second turbocharger 2 has the second exhaust gas turbine 6 and the second compressor wheel 8th each at the ends of the shaft 4 on. The wave 4 is designed as a hollow shaft and on the shaft 3 stored. Due to this design, an overall compact design of the charging system is possible. Between the exhaust gas turbines 5 . 6 is a guide grid 11 provided, which is provided for optimizing the air flow to the second exhaust gas turbine. It should be noted that a guide grille also before the first exhaust gas turbine 5 may be appropriate to the same purpose for the first exhaust gas turbine 5 to fulfill. At the end of the first wave 3 is a combined drive / output 9 . 10 provided to drive the shaft in the event of low speeds in the case or slow down in case of too high speeds by energy recovery. Input and output can also be used for the hollow shaft 4 be provided, the design must, however, according to the space in the space 15 be adjusted.

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.The through the compressor wheel 8th flowing air is via an intermediate cooling 12 guided and then the compressor wheel 7 fed to the high pressure turbocharger. After flowing through the compressor wheel 7 of the high pressure turbocharger 1 the charge air is then in another intercooler 13 cooled. To the intercooler 12 . 13 to cool, are connections 16 provided for coolant on the turbocharger housing. To reduce the noise emissions is a silencer 14 attached to the turbocharger housing.

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. 2 shows a further embodiment of the present invention. The components of the charging system are numbered according to the first embodiment. The second embodiment differs from the first embodiment in that the first turbocharger 1 now forms the low-pressure turbocharger and the second turbocharger 2 that is in relation to the first turbocharger 1 lies in the charging system, serves as a high-pressure turbocharger. Accordingly, the intercooling 12 on the compressor wheel 7 the first turbocharger attached and the soundproofing 14 is no longer provided at the periphery of the charging system, but at the end.

11
erster Turboladerfirst turbocharger
22
zweiter Turboladersecond turbocharger
33
erste Wellefirst wave
44
zweite Wellesecond wave
55
erste Abgasturbinefirst exhaust turbine
66
zweite Abgasturbinesecond exhaust turbine
77
erstes Verdichterradfirst compressor
88th
zweites Verdichterradsecond compressor
99
Antriebdrive
1010
Abtrieboutput
1111
Leitgitterguide grid
1212
Zwischenkühlungintercooling
1313
LadeluftkühlungIntercooling
1414
Schalldämpfersilencer
1515
Einbauraum für An-/Abtriebinstallation space for input / output
1616
Anschluss für Kühlflüssigkeitsversorgungconnection for cooling fluid supply

Claims (10)

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.Charging system with a first turbocharger ( 1 ), on a first wave ( 3 ) an axially flown first exhaust gas turbine ( 5 ) and a first Compressor wheel ( 7 ), and with a second turbocharger ( 2 ), on a second wave ( 4 ) an axially flowed through the second exhaust gas turbine ( 6 ) and a second compressor wheel ( 8th ), characterized in that the first and second shafts ( 3 . 4 ) are mounted coaxially. Aufladungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die im Aufladungssystem weiter außen angeordnete erste Abgasturbine (5) und erst dann die zweite Abgasturbinen (6) mit Abgasen durchströmt wird.Charging system according to Claim 1, characterized in that initially the first exhaust gas turbine arranged further outside in the charging system ( 5 ) and only then the second exhaust gas turbine ( 6 ) is flowed through with exhaust gases. 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.Charging system according to claim 1 or 2, characterized in that the first and / or second turbocharger ( 1 . 2 ) with a drive ( 9 ) and / or downforce ( 10 ) Is provided. 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.Charging system according to one of the preceding claims, characterized in that the second shaft ( 4 ) of the second turbocharger ( 2 ) is formed as a hollow shaft and rotatable about the first shaft ( 3 ) is stored. 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.Charging system according to one of claims 1 to 4, characterized in that one of the turbochargers ( 1 . 2 ) as a high-pressure turbocharger and the other turbocharger ( 1 . 2 ) is designed as a low-pressure turbocharger. 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.Charging system according to one of claims 1 to 5, characterized in that between the first exhaust gas turbine ( 5 ) and the second exhaust gas turbine ( 6 ) a guide grid ( 11 ) to the air duct between the exhaust gas turbines ( 5 . 6 ) is provided. Aufladungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Leitgitters (11) abhängig von der Drehzahl verstellbar ist.Charging system according to claim 6, characterized in that the geometry of the guide grid ( 11 ) is adjustable depending on the speed. Aufladungssystem nach einem der Ansprüche 1 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.Charging system according to one of claims 1 to 7, characterized in that after the compressor wheel ( 7 . 8th ) of the low pressure turbocharger a charge air cooling ( 12 ) and / or after the compressor wheel ( 7 . 8th ) of the high-pressure turbocharger another intercooling ( 13 ) is provided. Aufladungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Abgasturbine (5, 6) des Niederdruckturboladers größer ist als der Durchmesser der Abgasturbine (5, 6) des Hochdruckturboladers.Charging system according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the exhaust gas turbine ( 5 . 6 ) of the low-pressure turbocharger is greater than the diameter of the exhaust gas turbine ( 5 . 6 ) of the high pressure turbocharger. Aufladungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalldämpfer (13) an dem Aufladungssystem vorgesehen ist.Charging system according to one of the preceding claims, characterized in that a silencer ( 13 ) is provided on the charging system.
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