DE102007024527A1

DE102007024527A1 - Turbolader-Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007024527A1
Application number: DE102007024527A
Authority: DE
Inventors: Christian Oertel
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbolader-Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine - mit zwei Turboladern, die jeweils eine Turbine und einen Verdichter aufweisen; - der ersten Turbine ist eine Bypassleitung zugeordnet; - der zweiten Turbine ist eine Bypassleitung zugeordnet; - dem zweiten Verdichter ist eine Bypassleitung zugeordnet. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - die beiden Verdichter sind zueinander parallel geschaltet; - die Turbine des ersten Turboladers ist nicht ständig vom gesamten Abgasmassenstrom beaufschlagt; - bei Nennlast der Vorrichtung sind die Turbinen beider Turbolader ständig vom Abgasmassenstrom durchströmt.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Abgasturbolader. Sie betrifft eine Turbolader-Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine, zum beispiel für Otto-Motoren. Dabei geht es um zweistufige Vorrichtungen, die zwei Turbolader umfasst, jeweils mit einer Turbine und einem Verdichter.
DE 195 14 572 A1 offenbart eine Turboladergruppe mit einer Hochdruckstufe und einer Niederdruckstufe, die im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine in Reihe geschaltet sind. Das Abgas durchströmt dabei zunächst die Hochdruckturbine und anschließend die Niederdruckturbine. Die Ladeluft wird zunächst vom Niederdruckverdichter und anschließend vom Hochdruckverdichter verdichtet und nach Abkühlung in einem Wärmetauscher der Frischgasseite der Brennkraftmaschine zugeführt. Bei steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine kann auf einstufige Verdichtung im Niederdruckverdichter umgeschaltet werden. Hierzu werden mittels Rohrschaltern die Hochdruckturbine und der Hochdruckverdichter vollständig umfahren.
DE 39 03 563 C1 beschreibt eine Vorrichtung, bei welcher eine Umschaltung von einer zweistufigen auf eine einstufige Aufladung vorgesehen ist. DE 1 98 37 978 A1 beschreibt eine zweistufige Turbolader-Vorrichtung, bei welcher die Hochdruckturbine ständig von einem Abgas-Massenstrom durchströmt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbolader-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass sich die Betriebsweise der Vorrichtung in jeder Beziehung optimieren lässt. So soll insbesondere bei schnellen Last- und Drehzahländerungen das Beschleunigungsverhalten stetig sein. Im Beschleunigungsfalle soll sich der Ladedruck rasch aufbauen und stufenlos variabel den Motorerfordernissen anpassen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt eine Turbolader-Vorrichtung in einem Blockschaltbild.
2 zeigt die Turbolader-Vorrichtung gemäß 1 in einer vergegenständlichten Darstellung.
Die Vorrichtung weist einen ersten Turbolader 1 und einen zweiten Turbolader 2 auf. Der erste Turbolader umfasst eine Turbine 1.1 sowie einen Verdichter 1.2. Der zweite Turbolader umfasst eine Turbine 2.1 und einen Verdichter 2.2.
Die beiden Turbolader 1, 2 weisen jeweils eine Welle 1.3, 2.3 auf, auf der sowohl das betreffende Turbinenrad als auch das betreffende Verdichterrad montiert sind. Turbinenrad und Verdichterrad könnten aber auch durch andere Mittel miteinander in Triebverbindung stehen.
Es ist eine Bypassleitung 3 vorgesehen, mit der die Turbine 1.1 des ersten Turboladers 1 umfahren werden kann. In die Bypassleitung 3 ist ein Rohrventil 3.1 geschaltet.
Turbolader 2 weist eine Turbine 2.1 und einen Verdichter 2.2 auf. Beide stehen wiederum mittels einer Weile in Triebverbindung. Die Turbine 2.1 des zweiten Turboladers 2 ist ebenfalls über eine Bypassleitung 4 umfahrbar. Diese weist ein Ventil 4.1 auf.
Der Abgas-Massenstrom verläuft so, wie durch die Pfeile veranschaulicht.
Die beiden Verdichter 1.2 und 2.2 der beiden Turbolader 1, 2 saugen einen Frischluftstrom an. Verdichter 2.2 von Turbolader 2 ist mit einer Bypassleitung 5 umfahrbar. Diese kann wiederum ein Ventil 5.1 aufweisen. (Schubumluftventil)
Dem Verdichter 2.2 ist ein druckgesteuertes Ventil 6 nachgeschaltet.
Die beiden Frischluftströme aus den Verdichtern 1.2 und 2.2 können in eine gemeinsame Frischluftleitung 7 einmünden, die die verdichtete Frischluft dem Verbrennungsprozess zuführt.
2 zeigt die Vorrichtung gemäß 1, jedoch in etwas gegenständlicherer Darstellung. Hierbei ist zusätzlich der zugehörende Verbrennungsmotor 8 dargestellt. An diesen ist eine Abgasleitung 8.1 angeschlossen, ferner eine Frischluftleitung 8.2. Der Abgas-Massenstrom kann über die Abgasleitung 8.1 in vollem Umfange der Turbine 1.1 des ersten Turboladers 1 zugeführt werden. Der Turbine 1.1 ist jedoch eine erste Regelklappe 3.1 vorgeschaltet. Hiermit lässt sich der Abgas-Massenstrom aufteilen, so dass nur ein erster Teilstrom die Turbine 1.1 des ersten Laders 1 beaufschlagt, und ein zweiter Teilstrom die Turbine 1.1 umströmt. Die Regelklappe ist derart gestaltet und betreibbar, dass die Aufteilung in einen ersten und einen zweiten Abgas-Massenstrom auf beliebige Weise und in beliebigen Grenzen durchgeführt werden kann.
Der Abgas-Massenstrom, falls zuvor aufgeteilt, wird nach der Turbine 1.1 wieder zusammengeführt und kann der zweiten Turbine 2.1 zugeführt werden. Er kann aber auch durch eine zweite Regelklappe 4.1 auch in beliebiger Weise aufgeteilt werden. Die zweite Regelklappe 4.1 erlaubt es, entweder den gesamten Abgas-Massenstrom der Turbine 2.1 des zweiten Turboladers zuzuführen, oder nur einen Teil hiervon. Ob aufgeteilt oder nicht tritt der gesamte Abgas-Massenstrom schließlich durch einen Katalysator 9, von wo aus er ins Freie gelangt.
Die beiden Turbinen 1.1 und 2.1 können unterschiedlich dimensioniert sein. Turbine 1.1 hat im vorliegenden Fall einen kleineren Durchmesser als Turbine 2.1.
Auf der Verdichterseite erkennt man den Verdichter 1.2 des ersten Turboladers 1 sowie den Verdichter 2.2 des zweiten Turboladers 2. Beide haben einen eigenen Frischluft-Ansaugkanal 1.4 beziehungsweise 2.4.
Der gemeinsame Frischluftstrom gelangt durch die gemeinsame Frischluftleitung 7 zu einem Ladeluftkühler 10, und von dort zum Verbrennungsmotor. Dem Ladeluftkühler 10 ist eine Drosselklappe 11 nachgeschaltet – nur bei Ottomotoren.
Die Turbinen können in klassischer Weise aus einem Spiralgehäuse radial beaufschlagt werden. Die Rotoren können aber auch durch einen diagonal verlaufenden Abgas-Massenstrom beaufschlagt werden. Das Turbinenrad besitzt hierbei einen diagonal gestalteten Eintritt.
Wie man aus den Darstellungen erkennt, können die beiden Turbinen 1.1, 2.1 in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden. Die beiden Verdichter 1.2, 2.2 hingegen sind parallel zueinander geschaltet.
Bei niedrigen Massenströmen/Motordrehzahlen wird der erste Turbolader 1 bis zur gewünschten Drehzahl hochgefahren. Der aus der ersten Turbine 1.1 austretende Abgas-Massenstrom kann entweder um die zweite Turbine 2.1 herumgeleitet werden – sogenannter Sparmodus. Stattdessen kann er aber auch direkt durch die zweite Turbine 2.1 hindurchgeführt werden, um das Laufzeug (Turbinenrad, Welle, Verdichterrad) für eine Übergangsphase auf Drehzahl zu bringen – sogenannter Sportmodus. Ventil 5.1 in 2 – sogenanntes Schubumluftventil – ist hierbei voll geöffnet.
Während einer Übergangsphase wird der Abgas-Massenstrom, der nicht mehr durch die erste Turbine 1.1 durchsetzbar ist, abgeblasen. Hierzu dient ein Auslassventil – sogenanntes Wastegate. Hierdurch erhöht sich der Staudruck und der Abgas-Massenstrom vor der zweiten Turbine 2.1. Die Drehzahl n des zweiten Turboladers 2 steigt daraufhin abermals an.
Ist die gewünschte Drehzahl des zweiten Turboladers 2 erreicht, so wird das Schubumluftventil 5.1 geschlossen. Es wird ein Ladedruck gegen das druckgesteuerte Ventil 6 aufgebaut. Nach erreichen des gewünschten Ladedruckes (jenes, der vom ersten Turbolader 1 bereits erzeugt wurde), wird das druckgesteuerte Ventil 6 kontinuierlich geöffnet. Bei konstantem Druck kann auf diese Weise der geförderte Luftmassenstrom durch den Turbolader 2 mit dem druckgesteuerten Ventil 6 geregelt werden.
Die Erfindung lässt sich auch bei variabler Turbinengeometrie anwenden, das heißt bei Turboladern mit Turbinen, deren Laufrad ein Kranz von verstellbaren Schaufeln vorgeschaltet ist.
Verwendet man sogenannte Diagonalturbinen beziehungsweise Diagonalverdichter, so lassen sich hohe Massenströme auch bei geringer Massenträgheit durchsetzen.

1: Erster Turbolader
1.1: Erste Turbine
1.2: Erster Verdichter
1.3: Welle des ersten Turboladers
2: Zweiter Turbolader
2.1: Zweite Turbine
2.2: Zweiter Verdichter
2.3: Welle des zweiten Turboladers
3: Bypassleitung
3.1: Erste Regelklappe
4: Bypassleitung
4.1: Zweite Regelklappe
5: Bypassleitung
5.1: Schubumluftventil
6: Druckgesteuertes Ventil
7: Gemeinsame Frischluftleitung
8: Verbrennungsmotor
8.1: Abgasleitung
8.2: Frischgasleitung
9: Katalysator
10: Ladeluftkühler
11: Drosselklappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19514572 A1 [0002]
- DE 3903563 C1 [0003]
- DE 19837978 A1 [0003]

Claims

Turbolader-Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine 1.1 mit zwei Turboladern (1, 2), die jeweils eine Turbine (1.1) und einen Verdichter (2.1) aufweisen; 1.2 der ersten Turbine (1.1) ist eine Bypassleitung (3) zugeordnet; 1.3 der zweiten Turbine (2.1) ist eine Bypassleitung (4) zugeordnet; 1.4 dem zweiten Verdichter (2.2) ist eine Bypassleitung (5) zugeordnet; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.5 die beiden Verdichter (1.2, 2.2) sind zueinander parallel geschaltet; 1.6 die Turbine (1.1) des ersten Turboladers (1) ist nicht ständig vom gesamten Abgasmassenstrom beaufschlagt; 1.7 bei Nennlast der Vorrichtung sind die Turbinen (1.1, 2.1) beider Turbolader (1, 2) ständig vom Abgasmassenstrom durchströmt.
Turbolader-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bypassleitungen zum Umströmen der ersten und/oder der zweiten Turbine (1.1, 2.1) vorgesehen sind.
Turbolader-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (2) durch eine Bypassleitung umfahrbar ist, die ein Schubumluftventil 5.1 aufweist.
Turbolader-Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schubumluftventil (5.1) ein druckgesteuertes Ventil (6) nachgeschaltet ist.
Turbolader-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinen 1.1, 2.1 in Reihe geschaltet sind.
Turbolader-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Abgasmassenstromes auf die einzelnen Turbinen 1.1, 2.1 willkürlich aufteilbar ist.
Turbolader-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Turbinenräder einen diagonalen Eintritt aufweist.
Turbolader-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Turbinen 1.1, 2.1 einen Kranz von einstellbaren Leitschaufeln aufweist.