DE102006011188B4

DE102006011188B4 - Zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006011188B4
Application number: DE102006011188.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Brüne; Wilfried Barth; Gerald Gruber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2026-03-11
Also published as: DE102006011188A1

Abstract

Zweistufige Abgasturboaufladung (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgaskrümmer (2a), wobei die Abgasturboaufladung (1) in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine (2) einen ersten (4) und einen zweiten (5), parallel zueinander angeordneten Hochdruckturbolader und einen in Reihe danach angeordneten Niederdruckturbolader (3) aufweist, wobei der Abgaskrümmer (2a), eine erste Hockdruckturbine (4a) des ersten Hochdruckturboladers (4) und eine Niederdruckturbine (3a) des Niederdruckturboladers (3) abgasführend miteinander verbunden sind und der Abgaskrümmer (2a) mit einer zweiten Hochdruckturbine (5a) des zweiten Hochdruckturboladers (5) abgasführend verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hochdruckturbine (5a) und die Niederdruckturbine (3a) abgasführend miteinander verbunden sind, wobei ein erster Hockdruckverdichter (4b) des ersten Hockdruckabgasturboladers (4) und ein zweiter Hockdruckverdichter (5b) des zweiten Hockdruckabgasturboladers (5) parallel zueinander angeordnet und gasführend miteinander verbunden sind und wobei der zweite Hochdruckverdichter (5b) einen Bypass (7) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Sie geht von der europäischen Patentschrift 0 377 712 B1 aus. In dieser ist eine zweistufige Abgasturbolaufladung für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Die Abgasturboaufladung besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten Hochdruckabgasturboladern, sowie zwei parallel zueinander angeordneten Niederdruckabgasturboladern. Während das Abgas ständig zuerst einen Hochdruckabgasturbolader und anschließend einen Niederdruckabgasturbolader durchströmt, sind der zweite Hochdruckabgasturbolader und der zweite Niederdruckabgasturbolader zuschaltbar angeordnet. Zwischen den Niederdruckabgasturboladern und den Hochdruckabgasturboladern befindet sich jeweils ein Ladeluftkühler, ebenso zwischen den beiden Hochdruckabgasturboladern und der Sauganlage der Brennkraftmaschine. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung ist für eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine eine Anordnung geschaffen, die eine rasche Lastaufschaltung auf Nennleistung erlaubt und thermische und/oder mechanische Überlastung des zuzuschaltenden Abgasturboladers vermeidet.
Nachteilig bei der beschriebenen Ausgestaltung ist der hohe bauliche Aufwand für die gattungsgemäße zweistufige Abgasturboaufladung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit vermindertem baulichem Aufwand eine gattungsgemäße zweistufige Abgasturboaufladung aufzuzeigen.
Diese Aufgabe ist durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. In vorteilhafter Weise ist bei gleichen dynamischen Eigenschaften der zweistufigen Abgasturboaufladung der Bauteilaufwand insofern minimiert, da ein Niederdruckabgasturbolader entfallen ist. Weiter wird in vorteilhafter Weise ein Pumpen des zweiten Hochdruckverdichters vermieden.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 erlaubt ein ständiges Regeln oder Steuern des Bypasses für den zweiten Hochdruckverdichter.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 kann ein exakter Verbrennungsluftdurchsatz durch den zweiten Hochdruckverdichter eingestellt werden.
Die Feineinstellung des Verbrennungsluftdurchsatzes durch den Hochdruckverdichter kann in vorteilhafter Weise gemäß Patentanspruch 4 ebenfalls geregelt oder gesteuert werden.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 wird die Hochdruckturbine des zweiten Abgasturboladers ständig auf einer definierten Drehzahl gehalten. Dies verbessert die dynamischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Abgasturboaufladung.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 ist der zweite Hochdruckabgasturbolader jederzeit zu- oder abschaltbar.
Mit der Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 7 und 8 wird die geförderte Ladeluft abgekühlt, wodurch ein besserer Füllgrad der Brennkraftmaschine erzielt wird und gleichzeitig der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert wird.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen zweistufigen Abgasturbolaufladung für eine Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen zweistufigen Abgasturboaufladung 1 für eine Brennkraftmaschine 2. Die Brennkraftmaschine 2 ist beispielhaft als eine 6-zylindrige Brennkraftmaschine dargestellt. Sechs schematisch angedeutete Zylinder der Brennkraftmaschine 2 münden in einen einzigen Abgaskrümmer 2a. Der Abgaskrümmer 2a ist permanent mit einer Hochdruckturbine 4a eines Hochdruckabgasturboladers 4 abgasführend verbunden. Ferner ist der Abgaskrümmer 2a über ein viertes Drosselelement 6 mit einer zweiten Hochdruckturbine 5a eines parallel zum ersten Hochdruckabgasturbolader 4 angeordneten zweiten Hochdruckabgasturboladers 5 abgasführend verbindbar. Die erste und die zweite Hochdruckturbine 4a, 5a sind wiederum abgasführend mit einer Niederdruckturbine 3a eines Niederdruckabgasturboladers 3 verbunden. Die Strömungsrichtung des Abgases ist durch Pfeile symbolisch dargestellt.
Wie aus 1 erkennbar ist, setzt sich die zweistufige Abgasturboladung 1 aus einem Niederdruckabgasturbolader 3 sowie zwei parallel zueinander angeordneten Hochdruckabgasturboladern 4, 5 zusammen. Während der erste Hochdruckabgasturbolader 4 permanent von Abgas durchströmt wird, ist der zweite Hochdruckabgasturbolader 5 mit Hilfe des vierten Drosselelementes 6, welches steuer- oder regelbar ist, zuschaltbar. Somit ist, wie im Folgenden beschrieben wird, die Verbrennungsluftzuführung zur Brennkraftmaschine 2 variabel ausgestaltet.
Ansaugseitig der Brennkraftmaschine 2 ist die zweistufige Abgasturboaufladung 1 folgendermaßen ausgestaltet:
Die frische Verbrennungsluft wird von der zweistufigen Abgasturboladung 1 angesaugt, wiederum dargestellt durch einen kleinen Pfeil an einer Eingangsöffnung des Ansaugsystems. Die Verbrennungsluft durchströmt zuerst einen Niederdruckverdichter 3b des Niederdruckabgasturboladers 3, wird anschließend in einem ersten Ladeluftkühler 11 heruntergekühlt und anschließend auf zwei separate gasführende Zweige aufgeteilt. So wird Verbrennungsluft permanent durch einen Hochdruckverdichter 4b des Hochdruckabgasturboladers 4 gefördert und anschließend durch einen zweiten Ladeluftkühler 12, der die nochmals verdichtete Verbrennungsluft wiederum abkühlt. Anschließend wird die Verbrennungsluft in die Zylinder der Brennkraftmaschine 2 gefördert. Parallel zum ersten Hochdruckverdichter 4b, in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hinter der Auftrennung in zwei separate gasführende Zweige, ist ein zweiter Hochdruckverdichter 5b des zweiten Abgasturboladers 5 angeordnet. In Strömungsrichtung der Verbrennungsluft ist vor dem Hochdruckverdichter 5b ein zweites Drosselelement 9 angeordnet, welches steuer- oder regelbar ist. Wiederum in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft nach dem zweiten Hochdruckverdichter 5b ist ein drittes Drosselelement 10 angeordnet, welches ebenfalls steuer- oder regelbar ist. Zwischen dem Hochdruckverdichter 5b sowie dem zweiten Drosselelement 9 und dem dritten Drosselelement 10 ist ein Bypass 7 parallel zum Hochdruckverdichter 5b angeordnet. In dem Bypass 7 ist ein steuer- oder regelbares erstes Drosselelement 8 angeordnet.
Wie somit aus 1 hervorgeht, ist der Bauteilaufwand bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der zweistufigen Abgasturboaufladung 1 minimiert, da anstelle von zwei Niederdruckabgasturboladern nur noch ein Niederdruckabgasturbolader 3 zum Einsatz kommt, ohne dynamische Nachteile aufzuweisen.
Grundsätzliche Beschreibung der Anordnung:
Insgesamt werden drei Abgasturbolader benötigt, zwei Hochdruckabgasturbolader 4, 5 von identischer Baugröße, welche parallel zueinander angeordnet sind. Beide Hochdruckabgasturbolader 4, 5 sind vorzugsweise mit variablem Turbinenleitapparaten ausgeführt. Dazu wird in Serie ein Niederdruckabgasturbolader 3 vorgeschaltet. Zwischen Niederdruck- 3b und Hochdruckverdichtern 4b, 5b, ist eine Zwischenkühlung zur Senkung der Ladungstemperatur vorgesehen. Zur Zwischenkühlung dienen der erste und der zweite Ladeluftkühler 11, 12. Vor und nach dem zu- bzw. abschaltbaren zweiten Hochdruckverdichter 5b befinden sich das zweite und das dritte Drosselelement 9, 10, es handelt sich um allgemeine Ventile zur Absperrung sowie eine Umgehungsleitung, der Bypass 7, welche den Eintritt des zweiten Hochdruckverdichters 5b mit dem Austritt des zweiten Hochdruckverdichters 5b verbindet, ebenfalls zuschaltbar. Auf der Abgasseite befindet sich ein Absperrventil, das vierte Drosselelement 6, vor dem Eintritt der somit zu- bzw. abschaltbaren zweiten Hochdruckturbine 5a um sie vom Abgasstrom zu trennen.
Man unterscheidet je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine unterschiedliche Betriebsstrategie der Abgasturboaufladung 1.
1. Niedriger Drehzahlbereich:
Das Abgasventil, das vierte Drosselelement 6 ist geschlossen, der Abgasmassenstrom fließt permanent durch die erste Hochdruckturbine 4a und anschließend durch die Niederdruckturbine 3a. Der angesaugte Verbrennungsluftmassenstrom wird durch den Niederdruckverdichter 3b vorverdichtet, im Zwischenkühler, dem zweiten Ladeluftkühler 11, abgekühlt und anschließend im ersten permanent arbeitenden Hochdruckverdichter 4b verdichtet. Der zweite, zuschaltbare Hochdruckabgasturbolader 5 wird von einem definierten Abgasmassenstrom durchströmt und damit auf Drehzahl gehalten, der zweite Hochdruckverdichter 5b läuft im Umluftbetrieb, um „Pumpen” zu vermeiden. Beide Ventile, zweites und drittes Drosselelement 9, 10 vor und nach dem zweiten zuschaltbaren Hochdruckverdichter sind geschlossen.
2. Hoher Drehzahlbereich:
Das Abgasventil, das vierte Drosselelement 6 ist geöffnet, der Abgasmassenstrom fließt nun durch die erste und die zweite Hochdruckturbine 4a, 5a und anschließend durch die Niederdruckturbine 3a. Der angesaugte Verbrennungsluftmassenstrom wird durch den Niederdruckverdichter 3b vorverdichtet, im Zwischenkühler, dem ersten Ladeluftkühler 11, abgekühlt und anschließend in beiden Hochdruckverdichtern 4b, 5b verdichtet. Das Umluftventil, das erste Drosselelement 8, ist geschlossen, beide Ventile, das zweite und das dritte Drosselelement 9, 10, vor und nach dem zweiten, zuschaltbaren Hochdruckverdichter 5b sind, wie auch das Abgasventil, das vierte Drosselelement 6, geöffnet.
Die Abgasturboaufladung 1 ist somit derart ausgestaltet, dass ein zweistufiger Betrieb im gesamten Kennfeld möglich ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann darüber hinaus auf einen zweiten Niederdruckabgasturbolader verzichtet werden.
Bezugszeichenliste

1: Abgasturboaufladung
2: Brennkraftmaschine
3: Niederdruckturbolader
3a: Niederdruckturbine
3b: Niederdruckverdichter
4: Erster Hochdruckturbolader
4a: Erste Hochdruckturbine
4b: Erster Hochdruckverdichter
5: Zweiter Hochdruckturbolader
5a: Zweite Hochdruckturbine
5b: Zweiter Hochdruckverdichter
6: Viertes Drosselelement
7: Bypass
8: Erstes Drosselelement
9: Zweites Drosselelement
10: Drittes Drosselelement
11: Erster Ladeluftkühler
12: Zweiter Ladeluftkühler

Claims

Zweistufige Abgasturboaufladung (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgaskrümmer (2a), wobei die Abgasturboaufladung (1) in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine (2) einen ersten (4) und einen zweiten (5), parallel zueinander angeordneten Hochdruckturbolader und einen in Reihe danach angeordneten Niederdruckturbolader (3) aufweist, wobei der Abgaskrümmer (2a), eine erste Hockdruckturbine (4a) des ersten Hochdruckturboladers (4) und eine Niederdruckturbine (3a) des Niederdruckturboladers (3) abgasführend miteinander verbunden sind und der Abgaskrümmer (2a) mit einer zweiten Hochdruckturbine (5a) des zweiten Hochdruckturboladers (5) abgasführend verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hochdruckturbine (5a) und die Niederdruckturbine (3a) abgasführend miteinander verbunden sind, wobei ein erster Hockdruckverdichter (4b) des ersten Hockdruckabgasturboladers (4) und ein zweiter Hockdruckverdichter (5b) des zweiten Hockdruckabgasturboladers (5) parallel zueinander angeordnet und gasführend miteinander verbunden sind und wobei der zweite Hochdruckverdichter (5b) einen Bypass (7) aufweist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach Patentanspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bypass (7) ein regel- oder steuerbares erstes Drosselelement (8) angeordnet ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei Verbrennungsluft zuerst durch einen Niederdruckverdichter (3b) des Niederdruckabgasturboladers (3) und anschließend durch den ersten Hochdruckverdichter (4b) in die Brennkraftmaschine (2) förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zwischen dem Niederdruckverdichter (3b) und dem zweiten Hochdruckverdichter (5b) ein zweites Drosselelement (9) und/oder zwischen dem zweiten Hochdruckverdichter (5b) und der Brennkraftmaschine (2) ein drittes Drosselelement (10) angeordnet ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und das dritte Drosselelement (9, 10) regel- oder steuerbar sind.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abgaskrümmer (2a) und der zweiten Hochdruckturbine (5a) ein viertes Drosselelement (6) angeordnet ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Drosselelement (6) regel- oder steuerbar ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Niederdruckverdichter (3b) und dem ersten und dem zweiten Hochdruckverdichter (4b, 5b) ein erster Ladeluftkühler (11) angeordnet ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Hochdruckverdichter (4b, 5b) und der Brennkraftmaschine (2) ein zweiter Ladeluftkühler (12) angeordnet ist.