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Die
Erfindung betrifft einen mehrstufigen Turbolader für eine turboaufladbare
Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Turbolader.
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Bei
herkömmlichen,
nicht aufgeladenen Brennkraftmaschine (Otto- oder Dieselmotor) wird beim
Ansaugen von Luft ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt, der mit
wachsender Drehzahl ansteigt und die theoretisch erreichbare Leistung
des Motors begrenzt. Eine Möglichkeit,
dem entgegenzuwirken und damit eine Leistungssteigerung zu erzielen,
ist die Verwendung eines Abgasturboladers. Ein Abgasturbolader (ATL)
oder kurz Turbolader ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine,
mittels dem die Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem erhöhten Ladeluftdruck
beaufschlagt werden.
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Der
detaillierte Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Turboladers
ist vielfach bekannt und wird daher nachfolgend nur kurz erläutert. Ein Turbolader
besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom (Abströmpfad),
die über
eine gemeinsame Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden
ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt
und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck
im Ansaugtrakt (Anströmpfad)
des Motors, sodass durch diese Verdichtung während des Ansaugtaktes eine
größere Menge Luft
in die Zylinder der Brennkraftmaschine gelangt als bei einem herkömmlichen
Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung. Dadurch
steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die
Leistungsabgabe signifikant erhöht.
Das Zuführen
einer größeren Menge an
Frischluft verbunden mit dem Verdichtungsprozess nennt man Aufladen.
Die Energie für
die Aufladung wird durch die Abgasturbine den schnell strömenden,
heißen
Abgasen entnommen. Diese Energie, die sonst durch das Abgassystem
verloren ginge, wird zur Verringerung der Ansaugverluste benutzt. Durch diese
Art der Aufladung steigt der Gesamtwirkungsgrad einer turboaufgeladenen
Brennkraftmaschine.
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An
die Betriebsweise von mit Abgasturboladern ausgestatteten Antriebseinheiten
werden die gleichen hohen Anforderungen wie an leistungsgleiche
herkömmliche
Brennkraftmaschinen gestellt. Dies führt dazu, dass zur Erreichung
einer geforderten Motorleistung der volle Ladeluftdruck des Abgasturboladers
auch bereits bei sehr niedrigen Motordrehzahlen zur Verfügung stehen
muss. Das führt
zu dem folgenden Problem:
Beim Beschleunigen aus niedrigen
Drehzahlen fehlt im Abströmpfad
die richtige Abgasmenge, um den im Anströmpfad gewünschten Ladedruck für die angesaugte
Frischluft zu erzeugen. Erst wenn zum Beispiel mit steigender Drehzahl
ein ausreichend starker Abgasstrom zur Verfügung steht, setzen die gewünschte Verdichtung
der angesaugten Frischluft und damit die gewünschte Aufladung ein. Diesen Leistungsmangel
bei niedrigen Drehzahlen bezeichnet man im Allgemeinen als Turboloch.
Auch generell setzt diese Aufladung bei plötzlichem Gasgeben erst verzögert ein,
da die Brennkraftmaschine die Frischluft sehr viel schneller verbraucht,
als verdichtete Luft durch den Verdichter bereitgestellt werden
kann. Das heißt,
der eingangsseitig am Verdichter anliegende Druck PE ist höher als
der ausgangsseitig von dem Verdichter bereitgestellte Druck PA der
Frischluft. Erst nachdem sich abströmseitig über die Turbine ein ausreichend
hoher Abgasstrom eingestellt hat, stellt sich anströmseitig
am Verdichter auch ein ausreichender Druck PA ≅ PE ein.
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Dadurch,
dass bei niedrigen Drehzahlen der Druck PA < PE ist, drosselt der Verdichter die
Brennkraftmaschine, statt dieser verdichtete Frischluft zuzuführen und
damit zu einer Leistungssteigerung beizutragen. Die Brennkraftmaschine
kann abgasseitig auch weniger Abgas zur Verfügung stellen, was in der Folge
auch zu einer geringeren Drehzahl der Turbine führt. Dies bringt wiederum eine
negative Rückwirkung
auf die Drehzahl des Verdichters und damit auf die verdichtete Luft
mit sich.
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Diese
Eigenheit eines Turboladers kann man zum Beispiel durch eigens dafür vorgesehene
Regelsysteme, wie zum Beispiel eine variable Turbinengeometrie (VTG)
oder Verdichtergeometrie, zu einem großen Teil kompensieren. Allerdings
erfordert dies eine entsprechende Regelung. Zudem sind diese Systeme
herstellungstechnisch aufwändiger.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, einen zweistufigen Turbolader zu verwenden, der eine
Niederdruckstufe und eine mit dieser verbundene Hochdruckstufe aufweist.
Problematisch bei einem zweistufigen Turbolader ist indes, dass
die Frischluft typischerweise über
beide Verdichter sowie über
beide Turbinen geleitet wird, was insbesondere bei geringen Luftdurchsätzen nachteilig
ist.
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Neben
einem zweistufigen Turbolader wäre auch
denkbar, zwei getrennte Turbolader zu verwenden, wobei der erste
Turbolader auf geringe Luftdurchsätze optimiert ist und der andere
Turbolader für
hohe Luftdurchsätze
optimiert ist. Neben dem Bereitstellen zwei getrennter Turbolader
(z. B. ein kleiner Hochdruckturbolader und ein großer Niederdruckturbolader),
was aus Kostengründen
sowie aufgrund des im Motorraum nur begrenzt vorhandenen Raums nachteilig
ist, müssen
hier die Ein- und
Auslässe
des Turboladers mit dem Ausgangkrümmer und dem Abgaskrümmer des
Motors verbunden werden. Hierzu sind entsprechende Rohrleitungen
erforderlich, die je nach Art und Aufbau der jeweiligen Turbolader
und des Motors mitunter sehr lang sein können. Problematisch ist hier
vor allem, dass kleine Turbolader aufgrund ihres vergleichsweise
geringen Verdichterraddurchmessers zwar in der Lage sind, ihre volle
Verdichterleistung und damit ihre Nennumdrehung sehr schnell zu
erreichen. Allerdings ist die Verdichterleistung vergleichsweise
gering, so dass diese Verdichter eine relativ lange Zeit benötigen, den
gewünschten
Druck im Ansaugkrümmer
und den entsprechenden Rohrleitungen bereitzustellen. Diese Zeitdauer
ist um so länger,
je länger
diese Rohrleitung zu dem Ansaugkrümmer des Motors und je größer der
Rohrdurchmesser dieser Rohrleitung ist. Konstruktionsbedingt, dass
heißt
aufgrund der dem Motor und dem Turbolader inhärenten Geometrie, lässt sich
aber die Länge
dieser Rohrleitungen nicht ohne weiteres verringern.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
den unerwünschten
Effekt des Turbolochs bei mehrstufigen Turboladern zu verringern.
Eine zusätzliche
oder alternative Aufgabe besteht darin, bei einem mehrstufigen Turbolader
die Entfernung zwischen dem Auslass eines der Verdichter, insbesondere
des Hochdruckverdichters, und dem Ansaugkrümmer des Motors möglichst
kurz zu gestalten.
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Erfindungsgemäß wird zumindest
eine der genannten Aufgaben durch einen Turbolader mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- – Ein
mehrstufiger Turbolader für
eine turboaufladbare Brennkraftmaschine, mit einer ersten und zumindest
einer zweiten Turboladerstufe, mit einem gemeinsamen Gehäuse für beide
Turboladerstufen, wobei innerhalb des Gehäuses ein Ansaugtrakt zum Ansaugen,
Weiterleiten und Verdichten von Frischluft integriert ist, der einen
ersten Frischluftkanal für
die erste Turboladerstufe und einen davon getrennt ausgebildeten
zweiten Frischluftkanal für
die zweite Turboladerstufe aufweist.
- – Eine
turboaufgeladene Brennkraftmaschine, mit einem Motor, der ansaugseitig
zumindest einen Ansaugkrümmer
aufweist, mit einem erfindungsgemäßen Turbolader, der zumindest
zwei getrennte Frischluftauslässe
aufweist, die über Rohrleitungen
jeweils mit dem Ansaugkrümmer verbunden
sind.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
bei einem zumindest zweistufig ausgebildeten Turbolader die Kanäle der Ansaugseite
voneinander zu trennen. Damit weist der erfindungsgemäße Turbolader
auf der Verdichterseite zwei voneinander (nahezu) getrennte Frischluftkanäle (bzw.
Pfade) auf. Diese Kanäle
können
nun hinsichtlich der in diesen Kanälen entsprechend angeordneten
Verdichter und der von diesen Verdichtern bereit gestellten Verdichterleistungen
optimiert werden. Beispielsweise kann der effektive Durchmesser und/oder
die effektive Länge
des Frischluftkanals für den
kleineren der Verdichter entsprechend geringer dimensioniert werden
für den
größeren der
Verdichter. Als effektive Länge
sei hier die Entfernung zwischen dem Auslass des entsprechenden
Verdichters und dem entsprechenden Frischluftauslass des Turboladers
zu verstehen. Da auf diese Weise erfindungsgemäß die Frischluftkanäle für die entsprechenden
Verdichter an deren Verdichterleistung angepasst wird, lässt sich
insgesamt das Turboloch signifikant reduzieren. Zudem lässt sich
insbesondere auch das transiente Turboladerverhalten verbessern.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht
darin, dass durch das Auftrennen der Frischluftkanäle und damit
der Luftführungen
der verschiedenen Verdichter insbesondere das stromabwärts der
Verdichter vorgesehene Volumen innerhalb des Turboladers bzw. der
entsprechenden Rohrzuleitungen zu dem Motor der Brennkraftmaschine
eben genau auf die Verdichterleistung des jeweils zugeordneten,
in diesem Frischluftkanal angeordneten Verdichters optimiert werden
kann. Da beispielsweise ein kleiner Verdichter zwar relativ schnell
seine Verdichterleistung bereit stellen kann, allerdings nicht oder
nur wenig in der Lage ist, große Volumina
mit Druck zu beaufschlagen, kann insbesondere für einen kleinen Verdichter
das entsprechende Volumen der Luftführungen innerhalb des Turboladers
(also innerhalb dessen Gehäuse)
sowie in den Rohrleitungen zu dem Motor der Brennkraftmaschine auf
eben diese Verdichterleistung optimiert werden. Insbesondere wird
daher die effektive Länge und/oder
Durchmesser der stromabwärts
des kleinen Verdichters vorgesehenen Kanäle und Rohre möglichst
gering gehalten.
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Da
die Frischluftkanäle
zudem vollständig
innerhalb desselben Gehäuses
des Turboladers integriert sind, lässt sich zudem eine sehr kompakte, Platz
sparende mehrstufige Turboladeranordnung bereitstellen, die im Motorraum
wenig Platz einnimmt und die zudem auch aus montagetechnischer Hinsicht
von Vorteil ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den weiteren Unteransprüchen
sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit der Zeichnung.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Turboladers
ist die erste Turboladerstufe als Hochdruckstufe und die zweite
Turboladerstufe als Niederdruckstufe ausgebildet. Die Hochdruckstufe
weist eine Hochdruckturbine und einen Hochdruckverdichter auf, während die
Niederdruckstufe eine Niederdruckturbine und einen Niederdruckverdichter
aufweist. Eine jeweilige Turbine und Verdichter sind jeweils über eine
gemeinsame Welle miteinander mechanisch gekoppelt.
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In
einer typischen Ausgestaltung ist das Verdichterrad des Hochdruckverdichters
kleiner und insbesondere signifikant kleiner als das Verdichterrad des
Niederdruckverdichters ausgebildet, so dass der Hochdruckverdichter
für einen
geringeren Luftdurchsatz als der Niederdruckverdichter ausgelegt
ist. Dieser Luftdurchsatz wird auch als Mass Air Flow (AMF) bezeichnet.
Daher weist das Verdichterrad des Hochdruckverdichters auch einen
geringeren Verdichterraddurchmesser auf als das Verdichterrad des
Niederdruckverdichters.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein gemeinsamer Frischlufteinlass
des Turboladers sowohl für
den ersten Frischluftkanal als auch für den zweiten Frischluftkanal
innerhalb des Turboladers zum Ansaugen von Frischluft vorgesehen.
Von dem gemeinsamen Frischlufteinlass zweigen dann die beiden Frischluftkanäle, die
den jeweiligen Verdichtern zugeordnet sind, ab. Denkbar und vorteilhaft wäre selbstverständlich auch,
wenn zwei getrennte Frischlufteinlässe vorgesehen sind.
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Der
erfindungsgemäße Turbolader
weist zwei getrennte Frischluftauslässe auf, über die die in dem jeweiligen
Verdichter verdichtete Frischluft einer Brennkraftmaschine zuführbar ist.
Dabei ist ein jeweiliger Frischluftauslass mit einem eigens für diesen Frischluftauslass
zugeordneten Verdichter verbunden, d. h. dem Hochdruckverdichter
ist ein eigener Frischluftauslass zugeordnet und dem Niederdruckverdichter
ist ein eigener Frischluftauslass zugeordnet.
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Zwischen
dem Auslass des Hochdruckverdichters und dem entsprechende Frischluftauslass des
Turboladers einerseits sowie zwischen dem Auslass des Niederdruckverdichters
und dem entsprechende Frischluftauslass andererseits ist jeweils
eine effektive Kanallänge
innerhalb des Gehäuses
des Turboladers definiert. "Effektiv" deshalb, da bei
der Kanallänge
auch Krümmungen
in der Rohrleitung zu berücksichtigen
sind. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die effektive
Kanallänge
des ersten Frischluftkanals im Bereich zwischen dem Auslass des
Hochdruckverdichters und dem entsprechenden Frischluftauslass deutlich
geringer als die effektive Kanallänge zwischen dem Auslass des
Niederdruckverdichters und dem entsprechenden Frischluftauslass.
In diesem Falle ist der Hochdruckverdichter sehr schnell in der
Lage, den entsprechenden Druck in der entsprechenden Rohrleitung
aufzubauen.
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Der
erste Frischluftkanal zwischen dem Auslass des Hochdruckverdichters
und dem Frischluftauslass weist vorzugsweise einen deutlich geringeren
(effektiven) Durchmesser auf als der zweite Frischluftkanal zwischen
dem Auslass des Niederdruckverdichters und dem entsprechenden Frischluftauslass.
Auf diese Weise ist es dem Hochdruckverdichter zusätzlich möglich, auch
bei geringen Drehzahlen bereits den gewünschten Druck in dieser Rohrleitung
aufzubauen und damit ein Turboloch zu verringern.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest eine steuerbare
erste Bypasseinrichtung zur Überbrückung mindestens
eines Verdichters vorgesehen. Diese erste Bypasseinrichtung ist
dazu ausgelegt, im Betrieb zumindest einen Teil der zugeführten Frischluft
an dem jeweils überbrückten Verdichter
vorbeizuleiten. Zusätzlich
oder alternativ kann auch eine zweite steuerbare Bypasseinrichtung
vorgesehen sein, die dazu ausgelegt ist, zumindest eine Turbine
des Turboladers zu überbrücken. Diese
zweite Bypasseinrichtung enthält
typischerweise ein so genanntes Waste-Gate und dient dem Überlastschutz
des Turboladers und damit auch der Brennkraftmaschine.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der turboaufgeladenen
Brennkraftmaschine ist zwischen dem Turbolader und dem Motor eine
Drosseleinrichtung angeordnet, die turboladerseitig mit beiden Frischluftauslässen des
Turboladers und die motorseitig mit mindestens einem Ansaugkrümmer der
Brennkraftmaschine verbunden ist.
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In
einer ersten Ausgestaltung weist diese Drosseleinrichtung eine einzige
Drosselklappe auf, die turboladerseitig über ein gabelförmiges Rohrteil mit
den beiden Frischluftauslässen
des Turboladers verbunden ist. Die Drosselklappe kann vorzugsweise steuerbar
ausgebildet sein. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass
zwischen dem gabelförmigen Rohrteil
und einem jeweiligen Frischluftauslass des Turboladers jeweils zumindest
ein schaltbares Ventil in der Rohrleitung angeordnet ist. Vorzugsweise weist
der Motor in der ersten Ausgestaltung einen einzigen, gemeinsamen
Ansaugkrümmer
auf, der ansaugseitig über
die Drosselklappe und dem gabelförmigen
Rohrteil mit beiden Frischluftauslässen des Turboladers verbunden
ist.
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In
einer dazu alternativen Ausgestaltung kann die Drosseleinrichtung
zwei Drosselklappen aufweisen, wobei jeweils eine dieser Drosselklappen turboladerseitig über ein
jeweiliges Rohrteil mit jeweils einem der Frischluftauslässe des
Turboladers verbunden ist. In diesem Falle ist es vorteilhaft, wenn der
Motor zwei getrennte Ansaugkrümmer
aufweist, wobei ein jeweiliger Ansaugkrümmer über jeweils ein Saugrohr mit
jeweils einer der Drosselklappen verbunden ist. Vorzugsweise sind
die beiden Drosselklappen hinsichtlich ihres Luftdurchsatzes unterschiedlich
dimensioniert und dabei vorzugsweise auf den Luftdurchsatz und damit
die Verdichterleistung des jeweils zugeordneten Verdichters abgestimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die beiden Drosselklappen
in einem gemeinsamen Gehäuse,
insbesondere in einem gemeinsamen Klappenstutzen, angeordnet. In
einer Weiterbildung ist zumindest ein schaltbares Ventil vorgesehen,
welches zwischen den beiden Saugrohren angeordnet ist und über welches
die beiden Saugrohre in einem geöffneten
Zustand dieses Ventils miteinander verbindbar sind.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest eines der schaltbaren
Ventile als Rückschlagventil
ausgebildet. Das Rückschlagventil
ermöglicht,
dass die Luft aus dem Niederdruckverdichter durch beide Ansaugkrümmer und
somit durch beide Einlassventile strömen kann. Dies reduziert insgesamt
die Druckverluste bei hohen Luftmassenströmen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen dem zumindest einen
Frischlufteinlass des Turboladers und einem Frischlufteinlass der
turboaufgeladenen Brennkraftmaschine ein einziger Luftfilter, der
beiden Turboladerstufen zugeordnet ist, angeordnet. Dieser Luftfilter
dient der Filterung der Luft für
beide Frischluftkanäle
des Turboladers.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen dem dem Niederdruckverdichter zugeordneten
Frischluftauslass des Turboladers und dem entsprechenden Ansaugkrümmer ein
Ladeluftkühler
angeordnet. Vorzugsweise ist zwischen dem dem Hochdruckverdichter
zugeordneten Frischluftauslass des Turboladers und dem Ansaugkrümmer kein
Ladeluftkühler
vorgesehen.
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Dieser
würde in
dem Frischluftkanal des Hochdruckverdichters lediglich einen Widerstand darstellen,
der es dem Hochdruckverdichter erschweren würde, den entsprechenden Druck
in der Rohrleitung aufzubauen. Aus diesem Grunde wird hier auf einen
eigenen Ladeluftkühler
verzichtet, auch wenn dies eine Erwärmung der verdichteten Luft
und damit einen geringeren Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine nach
sich zieht. Dies wird hier in Kauf genommen, da dadurch das Turboloch
signifikant reduziert wird. Falls erforderlich kann aber auch ein
Ladeluftkühler
zur Anwendung kommen. Dies ist dann bevorzugt, wenn der Ladeluftkühler in
dem Ansaugkrümmer
angeordnet ist und somit das Volumen zwischen Verdichterauslass
und Verdichtereinlass signifikant erhöht. Der Ladeluftkühler kann
als Wasserkühler
oder als Luftkühler
ausgebildet sein.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die
effektive Rohrlänge
zwischen dem Auslass des Hochdruckverdichters und dem entsprechenden
Ansaugkrümmer
der Brennkraftmaschine geringer als die effektive Rohrlänge zwischen
dem Auslass des Niederdruckverdichters und dem entsprechenden Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine.
In gleicher Weise ist der effektive Durchmesser dieser Rohrleitung
zwischen dem Auslass des Hochdruckverdichters und dem entsprechenden
Ansaugkrümmer
signifikant geringer als der effektive Durchmesser der Rohrleitung
zwischen dem Auslass des Niederdruckverdichters und dem entsprechenden
Ansaugkrümmer
der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise muss der Hochdruckverdichter,
der gegenüber
dem Niederdruckverdichter deutlich kleiner ausgebildet ist, sehr
viel weniger Frischluft verdichten und ist damit in der Lage, ausgangsseitig
das Volumen in der Rohrleitung sehr schnell mit dem gewünschten
Druck zu beaufschlagen. Auf diese Weise wird ein Turboloch bei niedrigen
Drehzahlen weitestgehend vermieden oder zumindest signifikant reduziert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen,
welche mindestens eine Bypasseinrichtung und/oder ein schaltbares Ventil,
wie z. B. das Rückschlagventil,
steu ert. Diese Steuereinrichtung kann als Mikroprozessor oder Mikrocontroller
ausgebildet sein und ist vorzugsweise Bestandteil der Motorsteuerung
zur Steuerung der Funktion des Turboladers und der Brennkraftmaschine.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Figuren der Zeichnungen
angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen dabei:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten, allgemeinen Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Turboladers;
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2 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Turboladers;
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3 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen turboaufgeladenen
Brennkraftmaschine;
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4 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen turboaufgeladenen
Brennkraftmaschine;
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5 eine
schematische Darstellung eines stark vereinfachten dritten Ausführungsbeispiels
einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine.
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In
den Figuren der Zeichnungen sind gleiche und funktionsgleiche Elemente,
Merkmale und Größen – sofern
nichts Anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen worden.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines ersten allgemeinen Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Turboladers.
In 1 ist der Turbolader mit Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Der Turbolader 10 ist hier zweistufig ausgebildet, d. h.
er weist eine erste Turboladerstufe 11a und eine zweite Turboladerstufe 11b auf.
Die erste Turboladerstufe 11a ist hier als Niederdruckstufe 11a ausgebildet, während die
zweite Turboladerstufe 11b als Hochdruckstufe 11b ausgebildet
ist. Die Niederdruckstufe 11a weist in bekannter Weise
einen Niederdruckverdichter 12a und eine Niederdruckturbine 13a auf,
die über
eine gemeinsame Welle 14a miteinander mechanisch gekoppelt
sind. In gleicher Weise weist auch die Hochdruckstufe 11b einen
Hochdruckverdichter 12b und eine Hochdruckturbine 13b auf,
die über
eine gemeinsame Welle 14b mechanisch gekoppelt sind.
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Die
Verdichter 12a, 12b sind in einem Anströmpfad 14 und
die Turbinen 13a, 13b sind in einem Abströmpfad 15 angeordnet.
Der Anströmpfad 15 des
Turboladers 10 ist definiert zwischen Frischlufteinlässen 17, 18, über die
Frischluft in den Turbolader 10 angesaugt wird, und Frischluftauslässen 19, 20, über die
durch die jeweiligen Verdichter 12a, 12b verdichtete
Frischluft vom Turbolader 10 ausgangsseitig bereit gestellt
wird. Diese abgegebene, verdichtete Frischluft wird einer Frischlufteinlassseite
einer (in der 1 nicht dargestellten) Brennkraftmaschine
zugeführt.
Der Abströmpfad 16 des
Turboladers 10 ist definiert zwischen einem Abgaseinlass 21, über den
von der (in der 1 nicht dargestellten) Brennkraftmaschine
erzeugtes Abgas in den Turbolader 10 eingeleitet wird,
und einem Abgasauslass 22, über den das Abgas ausströmen kann.
Der Anströmpfad 15 wird
häufig
auch als Ansaugtrakt, Frischluftseite, Verdichterseite oder Ladeluftseite
bezeichnet. Der Abströmpfad 16 wird
häufig
auch als Abgaspfad, Turbinenseite oder Abgasseite bezeichnet.
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Hinsichtlich
der in der vorliegenden Patentanmeldung gewählten Terminologie weist ein
jeweiliger Verdichter 12a, 12b eingangsseitig
einen Einlass und ausgangsseitig einen Auslass auf. Die Strömungsrichtung
wird auf der Verdichterseite 16 jeweils durch die Richtung
des Frischluftstroms, d. h. hin zur Brennkraftmaschine, bestimmt.
Die Strömungsrichtung
auf der Abgasseite wird durch die Strömung des Abgasstroms, d. h.
hin zu dem Abgasauslass 22, bestimmt. In sämtlichen
Figuren der Zeichnung ist die Strömungsrichtung der Frischluft
bzw. des Abgases durch entsprechende Pfeile in den Rohrleitungen dargestellt.
Die jeweilige Frischluft ist dabei mit Bezugszeichen 23 und
die jeweilige Abgasluft mit Bezugszeichen 24 bezeichnet.
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Zwischen
dem Abgaseinlass 21 und dem Einlass der Hochdruckturbine 13b ist
eine erste Rohrleitung 25a, zwischen dem Auslass der Hochdruckturbine 13b und
dem Einlass der Niederdruckturbine 13a ist eine zweite
Rohrleitung 25b und zwischen dem Auslass der Niederdruckturbine 13a und dem
Abgasauslass 22 ist eine dritte Rohrleitung 25c angeordnet.
Somit ist im Abströmpfad 16 durch
die verschiedenen Rohrleitungen 25a–25c und Verdichter 13a, 13b eine
gemeinsame Abgasführung
vorgesehen.
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Erfindungsgemäß sind im
Anströmpfad 15 die
Frischluftführungen
für den
Hochdruckverdichter 12b und Niederdruckverdichter 12a voneinander
getrennt. Hierzu ist zwischen dem Frischlufteinlass 17 und
dem Einlass des Niederdruckverdichters 12a eine erste Rohrleitung 26a und
zwischen dem Auslass des Niederdruckverdichters 12a und
dem ersten Frischluftauslass 20 eine zweite Rohrleitung 26b vorgesehen.
In gleicher Weise ist zwischen dem zweiten Frischlufteinlass 18 und
dem Einlass des Hochdruckverdichters 12b eine erste Rohrleitung 27a und
zwischen dem Auslass des Hochdruckverdichters 12b und dem
zweiten Frischluftauslass 19 eine zweite Rohrleitung 27b vorgesehen.
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Wenngleich
im letzten Absatz stets von Rohrleitungen die Rede war, versteht
es sich von selbst, dass hier innerhalb des jeweiligen Turboladers 10 natürlich die
entsprechenden Kanalführungen
zu verstehen sind.
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Die
jeweiligen Verdichter 12a, 12b sind dazu ausgelegt,
die ihnen über
die einlassseitigen Rohrleitungen 26a, 27a zugeführte Frischluft 23 zu
verdichten und ausgangssseitig über
die Rohrleitungen 26b, 27b in verdichteter Form
bereit zu stellen. In diesen Rohrleitungen 26b, 27b weist
die verdich tete Frischluft einen jeweiligen Druck P1, P2 auf, der
zumindest größer ist
als der entsprechende Druck P1',
P2' der Frischluft 23 in
den einlassseitigen Rohrleitungen 26a, 27a.
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In 1 ist
lediglich schematisch die effektive Entfernung für die Rohrleitung 27b,
d. h. zwischen dem Auslass der Hochdruckturbine 12b und
dem Frischluftauslass 20, mit Bezugszeichen A1 bezeichnet.
In gleicher Weise ist die effektive Entfernung für die Rohrleitung 26b zwischen
dem Auslass der Niederdruckturbine 12a und dem Frischluftauslass 19 mit
Bezugszeichen A2 bezeichnet.
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Erfindungsgemäß sind die
Elemente der Niederdruckstufe 11a und Hochdruckstufe 11b sowie
die entsprechenden Rohrzu- und -ableitungen innerhalb eines gemeinsamen
Gehäuses 28 des
Turboladers 10 angeordnet.
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Da
nun die entsprechenden Rohrleitungen 26a, 26b für den Niederdruckverdichter 12a und
die entsprechenden Rohrleitungen 27a, 27b für den Hochdruckverdichter 12b vollständig getrennt
voneinander in dem gemeinsamen Gehäuse 28 des Turboladers 10 angeordnet
sind, lassen sich diese auch hinsichtlich der Verdichterleistung
der jeweiligen Verdichter 12a, 12b optimieren.
Diese Anpassung bezieht sich insbesondere auf eine jeweilige Optimierung
der von den Verdichtern 12a, 12b auslassseitig angeordneten
Rohrleitungen 26a, 27a. Diese Rohrleitungen 26b, 27b lassen
sich dabei hinsichtlich der entsprechenden Verdichterleistung optimieren.
Bei der Optimierung kann einerseits der Durchmesser der jeweiligen
Rohrleitungen 26b, 27b auf die entsprechende Verdichterleistung
abgestimmt werden. Zusätzlich
oder alternativ kann auch die effektive Entfernung A1, A2 zwischen
dem Auslass des jeweiligen Verdichters 12a, 12b und
in entsprechenden Frischluftauslässen 19, 20 auf
eben diese Verdichterleistung abgestimmt werden.
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In
einer konkreten Implementierung ist vorzugsweise der Hochdruckverdichter 12b signifikant kleiner
ausgebildet als der Niederdruckverdichter 12a, d. h. das
Verdichterrad des Hoch druckverdichters 12b weist einen
geringeren Durchmesser als das Verdichterrad des Niederdruckverdichters 12a auf. Dadurch
ist indes die Verdichterleistung des Hochdruckverdichters entsprechend
geringer als die des Niederdruckverdichters 12a. Aus diesen
Gründen
ist es daher sinnvoll und zweckmäßig, dass
der Rohrdurchmesser der Rohrleitung 27b möglichst
gering ist und typischerweise geringer ist als der Rohrdurchmesser
der Rohrleitung 26b. Zusätzlich oder alternativ ist
es auch vorteilhaft, wenn die effektive Entfernung A1 geringer ist
als die effektive Entfernung A2. Dies bedeutet, dass das entsprechende
Volumen innerhalb der Rohrleitung 27b sehr viel geringer
ist als in der Rohrleitung 26b. Dies führt dazu, dass der Hochdruckverdichter 12b bereits
sehr schnell einen gewünschten
Druck P2 in der Rohrleitung 27b bereit stellen kann, so
dass auf diese Weise ein Turboloch mit dieser Art eines Turboladers 10 vermieden
oder weitgehend reduziert werden kann.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Turboladers.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel
in 1 weist der Turbolader 10 in 2 auf
der Anströmseite 15 lediglich
einen einzigen, gemeinsamen Frischlufteinlass 17 auf, über den
Frischluft 23 beiden Verdichtern 12a, 12b über entsprechende
Rohrleitungen 26a, 27a zugeführt wird. Hierzu ist eine Abzweigung 29 vorgesehen,
die mit dem gemeinsamen Frischlufteinlass 17 verbunden
ist und von der die beiden Rohrleitungen 26a, 27a hin
zu den Einlässen
der Verdichter 12a, 12b abzweigen.
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Der
Turbolader 10 in 2 weist
ferner eine erste Bypasseinrichtung 30 auf. Die erste Bypasseinrichtung 30 umfasst
einen Bypassschalter, der z. B. als Bypassventil, Bypassklappe,
Bypassrohrschalter oder dergleichen, ausgebildet sein kann. Die
Bypasseinrichtung 30 ist dazu ausgelegt, den Frischluftstrom 23 je
nach Betriebsweise zumindest teilweise über entsprechende Bypassrohrleitungen
und den Bypassschalter vorbeizuleiten. Die Bypasseinrichtung 30 kann
in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden, beispielsweise kann
die Bypasseinrichtung 30 vollständig geöffnet, vollständig ge schlossen oder
teilweise geöffnet
und geschlossen ausgebildet sein. Je nach Betriebsmodus strömt somit
die Frischluft vollständig über den
Hochdruckverdichter 12b, vollständig über die Bypasseinrichtung 30 oder
sowohl über
den Hochdruckverdichter 12b als auch über die Bypasseinrichtung 30.
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Im
Abströmpfad 16 ist
ferner eine zweite Bypasseinrichtung 31 vorgesehen, die
ein so genanntes Waste-Gate-Ventil zwischen den beiden Rohrleitungen 25a, 25b aufweist. Über diese
zweite Bypasseinrichtung 31 lässt sich Abgas 24 an
der Hochdruckturbine 13b vorbeileiten und damit verhindern, dass
die Hochdruckturbine 13b zu hohe Drehzahlen erreicht und
damit der Motor der Brennkraftmaschine über seine Leistungsgrenze gebracht
wird.
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Des
Weiteren kann im Abströmpfad 16 eine dritte
Bypasseinrichtung 32 vorgesehen sein, die ein weiteres
Waste-Gate-Ventil
zwischen den Rohrleitungen 25b und 25c (siehe
gestrichelte Linien in 2 aufweist. Über diese dritte Bypasseinrichtung 32 lässt sich
Abgas 24 an der Niederdruckturbine 13a vorbei
leiten und damit der Ladedruck begrenzen.
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Beide
Bypasseinrichtungen 30, 31, 32 bzw. deren
Bypassschalter sind jeweils über
ein Steuersignal S1, S2, SZ' steuerbar
ausgebildet.
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3 zeigt
anhand einer schematischen Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen turboaufgeladenen
Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, wie er in 2 dargestellt
ist.
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Im
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in
der 1 ist in dem Ausführungsbeispiel in 3 zusätzlich eine
Brennkraftmaschine 40, die mit dem Turbolader 10 gekoppelt
ist, dargestellt. Die Brennkraftmaschine 40 weist einen
Motor oder Motorblock 41 mit im vorliegenden Ausführungsbeispiel
vier Zylindern 42 auf, was allerdings lediglich beispielhaft
zu verstehen ist. Der Motor 41 weist zur Ankopplung des Turbola ders 10 frischluftseitig
einen Ansaugkrümmer 43 und
abgasseitig einen Abgaskrümmer 44 auf.
Der Ansaugkrümmer 43 bildet
dabei die Lufteinlassseite des Motors 41, wohingegen der
Abgaskrümmer 44 dessen
Abgasauslassseite darstellt, die mit dem Abgaseinlass 21 des
Turboladers 10 direkt (oder über eine Rohrleitung) verbunden
ist. Im gezeigten Beispiel in 3 weist
der Ansaugkrümmer 43 und
Abgaskrümmer 44 jeweils
zwei Kanäle
zu den entsprechenden Zylindern 42 auf.
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Die
turboaufgeladene Brennkraftmaschine in 3 weist
ferner einen Frischlufteinlass 45 sowie einen Abgasauslass 46 auf.
Abgasseitig ist zwischen dem Abgasauslass 22 des Turboladers
und dem Abgasauslass 46 der turboaufgeladenen Brennkraftmaschine
ein Abgasauslasssystem 47 vorgesehen, welches typischerweise
einen Katalysator 47a und einen Auspuff 47b enthält.
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Zwischen
dem gemeinsamen Frischlufteinlass 17 des Turboladers 10 und
dem Frischlufteinlass 45 der turboaufgeladenen Brennkraftmaschine
ist ferner ein Luftfilter 48 vorgesehen, der dazu ausgelegt
ist, die angesaugte Frischluft 23 zu filtern und damit
zu reinigen.
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Die
Frischluftauslässe 19, 20 des
Turboladers 10 sind über
entsprechende, voneinander getrennte Rohrleitungen 49, 50 mit
dem Ansaugkrümmer 43 der
Brennkraftmaschine verbunden. Diese Rohrleitungen 49, 50 münden (vorzugsweise
unmittelbar) vor dem Ansaugkrümmer 43 an
einem Einmündungsstück 51 zusammen.
Zwischen diesem Einmündungsstück 51 und
dem Ansaugkrümmer 43 ist
ferner eine gemeinsame Drosselklappe 52 für beide
Frischluftpfade des Turboladers 10 vorgesehen.
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Im
Betrieb des Turboladers 10 sind stets beide Verdichter 12a, 12b in
Betrieb und erzeugen ausgangsseitig verdichtete Luft. Je nachdem,
welcher dieser beiden Verdichter 12a, 12b gerade
einen höheren
Druck in den auslassseitigen Rohrleitungen erzeugt, besteht dann
die Gefahr, dass dieser höhere Druck
statt in Richtung Ansaugkrümmer
weitergeleitet zu wer den, in die jeweilige Rohrleitung des anderen
Frischluftpfades und damit zu der jeweils anderen Verdichterseite übertragen
wird. Um dies zu verhindern, ist in jeder der Rohrleitungen 49, 50 ein
Rückschlagventil 53, 54 vorgesehen.
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Alternativ
können
auch geschaltete Ventile zum Einsatz kommen.
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Ferner
ist in der Rohrleitung 49, d. h. zwischen dem Frischluftauslass 19,
der dem Niederdruckverdichter 12a zugeordnet ist, und dem
Einmündungsteil 51 ein
Ladeluftkühler 55 vorgesehen. Dieser
Ladeluftkühler 55 kühlt die
bei sehr hohen Drehzahlen durch den Niederdruckverdichter 12a typischerweise
stark erhitzte Luft entsprechend ab, damit in dem Motor 41 eine
optimale Verbrennung stattfinden kann.
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Wie
bereits oben anhand der 1 und 2 ausgeführt wurde,
ist es vorteilhaft, dass die Rohrleitungen 49, 50 hinsichtlich
ihrer effektiven Länge
und hinsichtlich ihres Rohrdurchmessers optimal auf die entsprechende
Verdichterleistung, die diesen Rohrleitungen 49, 50 zugeordnet
sind, abgestimmt sind. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang,
wenn die dem Hochdruckverdichter 12b, der sehr viel kleiner
als der Niederdruckverdichter 12a ausgebildet ist, zugeordnete
Rohrleitung 50 möglichst
kurz ist und zudem einen möglichst
geringen Rohrdurchmesser aufweist.
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Bevorzugt
ist in dieser Rohrleitung 50 auch kein Ladeluftkühler angeordnet.
Das Bereitstellen eines Ladeluftkühlers in dieser Rohrleitung 50 würde einen
zusätzlichen
Strömungswiderstand
darstellen, der es dem Hochdruckverdichter schwerer machen würde, den
Druck in dieser Rohrleitung 50 und damit in dem Ansaugkrümmer 43 zur
Verfügung
zu stellen. Denkbar wäre
allerdings auch, wenn innerhalb dieser Rohrleitung 50 ein
lediglich kleiner Ladeluftkühler
mit geringem Strömungswiderstand
vorhanden ist.
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Ebenfalls
können
Wasser-/Luftkühler
zum Einsatz kommen, ohne das Volumen zwischen dem Auslass des Hochdruckladers
und der Einlassventile signifikant zu erhöhen. Auf diese Weise kann ein schneller
Druckaufbau sichergestellt werden.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen turboaufgeladenen
Brennkraftmaschine. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 3 münden die
jeweiligen Rohrleitungen 49, 50 nicht in einem
Einmündungsstück zusammen.
Auch sind hier die Frischlufteinlässe 17, 18,
wie in dem Ausführungsbeispiel
in 1, vollständig voneinander
getrennt. Insgesamt sind somit die Frischluftführungen für den Niederdruckverdichter 12a und
für den
Hochdruckverdichter 12b vollständig voneinander getrennt,
d. h. die Frischluft 23 wird über getrennte Frischlufteinlässe 17, 18 den
jeweiligen Verdichtern 12a, 12b zugeführt. Die
von diesen beiden Verdichtern 12a, 12b entsprechend
verdichtete Frischluft 23 wird dann über getrennte Rohrleitungen jeweils
getrennten Saugrohren 43a, 43b des Abgaskrümmers 43 zugeführt. Zu
diesem Zwecke weist jede dieser Rohrleitungen 49, 50 eine
eigene Drosselklappe 52a, 52b, die beispielsweise
in einem gemeinsamen Klappenstutzen angeordnet sein können, auf.
Von diesen getrennten Drosselklappen 52a, 52b führen dann
jeweils getrennte Saugrohre 43a, 43b zu den jeweiligen
Zylindern des Motorblocks 41. Zwischen den jeweiligen Saugrohren 43a, 43b ist
jeweils ein Rückschlagventil 56, 57 angeordnet.
Diese Rückschlagventile 56, 57 sollen
ermöglichen,
dass die Luft aus dem Niederdruckverdichter durch beide Ansaugkrümmer und
somit durch beide Anlassventile des Motors strömen kann. Dies reduziert insgesamt
den Druckverlust bei hohen Luftmassenströmen.
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Vorzugsweise
ist insbesondere das Rückschlagventil 56 als
schaltbares Rückschlagventil 56 ausgebildet.
Auf diese Weise lässt
sich sicherstellen, dass beide Saugrohre 43a, 43b mit
von dem Hochdruckverdichter 12b verdichtete Frischluft 23 beaufschlagt
werden können,
so dass innerhalb der jeweiligen Zylinder, an die jeweils zwei Saugrohre 43a, 43b angeschlossen
sind, eine möglichst
gleichmäßige Frischluftzufuhr
mög lich
ist. Dies ist insbesondere auch bei einer Vierventiltechnik von
besonderem Vorteil.
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In
gleicher Weise kann auch das Rückschlagventil 57 schaltbar
ausgebildet sein, um dadurch sicherzustellen, dass auch die von
dem Niederdruckverdichter 12a verdichtete Frischluft in
beide Saugrohrleitungen 43a, 43b gelangen kann.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
in der 4 lassen sich die beiden Rückschlagventile 56, 57 über eigens
dafür vorgesehene
Steuersignale S3, S4 steuern.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen turboaufgeladenen Brennkraftmaschine
näher erläutert:
Über den
gemeinsamen Frischlufteinlass 17 oder die getrennten Frischlufteinlässe 17, 18 wird
Frischluft 23 den beiden Verdichtern 12a, 12b zugeführt. Diese Verdichter 12a, 12b erzeugen
ausgangsseitig entsprechend verdichtete Frischluft in den Rohrleitungen 27a, 27b und
darüber
hinaus in den den Frischluftauslässen 19, 20 des
Turboladers 10 nachgeschalteten Rohrleitungen 49, 50 und
dem Ansaugkrümmer 43.
Das durch den Hochdruckverdichter 12b zu bedienende Rohrvolumen,
d. h. das Rohrvolumen zwischen dem Auslass des Verdichters 12b und
dem Ansaugkrümmer 43,
ist aufgrund der geringen effektiven Entfernung und/oder des geringeren Rohrdurchmessers
signifikant geringer als das entsprechende Volumen für den Niederdruckverdichter 12a.
Bei niedrigen Umdrehungsgeschwindigkeiten ist der Niederdruckverdichter 12a zunächst nicht
in der Lage, in der nachgeschalteten Rohrleitung den entsprechend
gewünschten
Druck aufzubauen. Allerdings ist der Hochdruckverdichter 12b aufgrund
des sehr geringen, von ihm zu bedienenden Rohrvolumens in der Lage,
sehr schnell den gewünschten Druck
P2 aufzubauen. Dieser Druck P2 in den jeweiligen Rohrleitungen 27b, 50, 43 wird
dann unmittelbar dem Ansaugkrümmer 43 zugeführt, was
insbesondere zu einer signifikanten Reduzierung des Turboloches
führt.
Mit dem erzeugten Abgas wird nun gleichermaßen die Hochdruckturbine 13b (und
die Nieder druckturbine 13a) betrieben, die aufgrund der mechanischen
Kopplung u. a. den Niederdruckverdichter 12a antreibt,
der dann in der Lage ist, den gewünschten Druck P1 in den Rohrleitungen 26b, 49 aufzubauen.
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5 zeigt
eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer
turboaufgeladenen Brennkraftmaschine. Die Anordnung in 5 weist
zusätzlich
eine Steuereinrichtung 60 auf. Die Steuereinrichtung 60 kann
Bestandteil des Turboladers 10 oder der Brennkraftmaschine 40 sein
oder auch als getrennte Steuereinrichtung, beispielsweise als Bestandteil
der Motorsteuerung ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung 60 ist dazu
ausgebildet, die Funktion der Bypasseinrichtungen 30, 31 sowie
die Funktion der schaltbaren Rückschlagventile 56, 57 zu
steuern. Hierzu erzeugt die Steuereinrichtung 60 Steuersignale
S1–S4
zur Ansteuerung der Bypasseinrichtungen 30, 31 und
Rückschlagventile 56, 57.
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Ferner
sei noch erwähnt,
dass die vorgeschlagenen Systeme der Turboladeranordnung auch mit
so genannten Swirlklappen kombiniert werden können, die jeweils einen der
beiden Einlassventile pro Zylinder teilweise oder ganz schließen.
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Hinsichtlich
der Dimensionierung ist es vorteilhaft, jedoch nicht notwendig,
wenn der Hochdruckturbolader kleiner ausgebildet ist als der Niederdruckturbolader.
Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, ist der Durchmesser
des Hochdruckturboladers im Bereich zwischen 10% bis 60%, und insbesondere
im Bereich zwischen 20% und 50%, kleiner als der Durchmesser des
Niederdruckturboladers. Da die Trägheit eines Turboladers mit
der fünften
Potenz des Durchmessers proportional ist, ergibt sich daraus ein
signifikant schnellerer Drehzahlanstieg des Hochdruckturboladers
im Vergleich zum Niederdruckturbolader. Der Durchmesser eines Turboladers
ergibt auch den entsprechend mit diesem Turbolader zu verarbeiteten
Luft- bzw. Abgasdurchsetzen. Es sei allerdings hier ausdrücklich erwähnt, dass
diese Zahlenangaben lediglich bei spielhaft zu verstehen sind und
die Erfindung nicht dahingehend beschränken sollen.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern lässt sich
selbstverständlich
auf mannigfaltiger Art und Weise modifizieren und abändern.