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Die
Erfindung betrifft ein Turboladersystem für einen Verbrennungsmotor,
der zumindest zwei Turbolader aufweist, von denen ein primärer
Turbolader mit seinem Kompressor in einer ersten Frischluftleitung
und mit seiner Turbine in einer ersten Abgasleitung angeordnet ist,
wobei ein sekundärer Turbolader mit seiner Turbine in einer
zweiten Abgasleitung und mit seinem Kompressor in einer zweiten
Frischluftleitung angeordnet ist, wobei der Turbine des sekundären
Turboladers ein Regelsystem zum Zuschalten des sekundären
Turboladers bei hohen Lastzuständen des Verbrennungsmotors
zugeordnet ist, und wobei die erste und zweite Frischluftleitung stromaufwärts
des jeweiligen Kompressors zu einer gemeinsamen Versorgungsleitung,
in der ein Ladeluftkühler angeordnet ist, zusammengeführt
sind.
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Die
DE 29 11 727 (=
US 4,299,090 ) offenbart eine
Kolben-Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern.
Beide Turbolader sind parallel geschaltet, wobei einer der Turbolader
abschaltbar ist. in der Saugleitung des abschaltbaren Turboladers
ist ein Rückschlagventil angeordnet. Zur Erhöhung
der Abgasmenge nach dem Zuschaltvorgang kann eine Brennkammer zwischen
einer Ladeluftleitung und einer Abgasleitung Verwendung finden,
wobei die Luftmenge mittels eines regelbaren Ventils stromaufwärts
der Brennkammer steuerbar ist.
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Die
DE 602 11 384 T2 (=
EP 1 472 444 B1 ) beschäftigt
sich ebenfalls mit einem Turboladersystem mit mindestens zwei parallel
geschaltet angeordneten Turboladern. In einem ersten Frischluftkanal
ist eine Strömungsregelungseinrichtung an dem Einlass des
ersten Verdichters vorgesehen, wobei der erste Verdichter mit einem
Frischluftrückführsystem versehen ist. Das Frischluftrückführsystem
weist eine zusätzliche Regeleinrichtung zum Einstellen
der Menge der durch den ersten Verdichter rückgeführten Frischluft
auf.
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Bekannt
ist, einen Verbrennungsmotor mit zwei Turboladern unterschiedlicher
Größe zu versehen, wobei beide Turbolader parallel
geschaltet angeordnet sind. Ein primärer Turbolader ist
ständig im Betrieb, wobei der sekundäre Turbolader
nur bei hohen Lastzuständen des Verbrennungsmotors zugeschaltet
wird. Der primäre Turbolader kann also im Einzelbetrieb
betrieben werden und deckt die Lastbreite bis zum unteren Volllastbereich
des Verbrennungsmotors ab. Seine Ausgestaltung hinsichtlich seiner
Leistungsfähigkeit ist ausschlaggebend für eine
schnelle Beschleunigung. Der sekundäre Turbolader dagegen
ist in seiner Leistungsfähigkeit kleiner dimensioniert,
und wird nur bei hohen Geschwindigkeiten und oberen Volllastbereichen
zugeschaltet. Dieses System hat sich in der Praxis bewährt,
jedoch werden umfangreiche Steuermaßnahmen (Ventile, Aktuatoren)
benötigt um ein Wechsel zwischen den Zuständen
(Einzelbetrieb, Doppelbetrieb) gewährleisten zu können.
Hierbei kann ein System mit drei Ventilen vorgesehen werden, wobei
jedem Ventil ein Aktuator zugeordnet ist:
Ein Steuerventil
ist der Turbine des sekundären Turboladers zugeordnet,
um diese durch Öffnen oder Schließen an oder abzuschalten;
Ein
Steuerventil ist dem Kompressor des sekundären Turboladers
zugeordnet, um im abgeschalteten Zustand Frischluftverluste zu verhindern;
Zudem
kann eine Frischluftrückführleitung zwischen der
ersten und der zweiten Frischluftleitung vorgesehen sein, wobei
in der Frischluftrückführleitung ebenfalls ein
Steuerventil mit Aktuator angeordnet ist. Die Frischluftrückführleitung
muss genauestens für die jeweiligen Verbrennungsmotoren
bzw. die beiden Turbolader ausgelegt sein.
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Dieses
Drei-Ventil System ist durchaus praxisgerecht. Bei einem Umschalten
von einem Zustand zu einem anderen Zustand ist jedoch ein sehr genauer
synchronisierter Betrieb der beiden Turbolader sowie aller Ventile
mit ihren Aktuatoren erforderlich.
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Bei
dem Drei-Ventil System ist als nachteilig anzusehen, dass dieses
z. B. aufgrund der drei Ventile mit ihren Aktuatoren, der hohen
Komplexität sowie des großen Herstellungs- und
Steueraufwandes äußerst kostenintensiv ist. Aufgrund
der hohen Anzahl von Steuerventilen werden zudem hohe Anforderungen
an das Unterdrucksystem gestellt; Denn sämtliche Aktuatoren
werden pneumatisch betrieben. Für einen simultanen Betrieb
der Aktuatoren fordern diese gleichzeitig den Unterdruck der Vakuumpumpe
an. Demgemäß muss diese entsprechend groß und
leistungsstark dimensioniert werden, um das benötigte Vakuum
stets bereitstellen zu können. Dies verursacht nicht nur
hohe Kosten, sondern bewirkt auch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch.
Zusätzlich muss ein Öldichtsystem für
den sekundären Turbolader wegen der entstehenden Saugkraft
bei Einzelbetrieb des primären Turboladers vorgesehen werden,
wenn das Steuerventil zum Steuern des zweiten Kompressors stromabwärts
des Kompressors angeordnet ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor
bzw. ein Turboladersystem der Eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln
so zu verbessern, dass dieses bei geringer Komplexität
sowie geringem Herstellungs- und Steueraufwand kostengünstiger
ist, wobei gleichzeitig eine geringe Unterdruckversorgung benötigt
wird, und wobei auf eine gesondertes Öldichtsystem für den
sekundären Turbolader verzichtet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe dadurch gelöst, dass in der zweiten Frischluftleitung
ein Volumenausgleichselement zum Bereitstellen eines Frischluftvolumenausgleichs
für den sekundären Kompressor bei dessen Zuschalten
angeordnet ist, wobei dem Volumenausgleichselement ein Rückschlagventil,
das in der zweiten Frischluftleitung angeordnet ist, zugeordnet
ist.
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Denkbar
ist, dass das Volumenausgleichselement außerhalb der Frischluftleitung
angeordnet ist, und mittels einer Verbindungsleitung mit dieser verbunden
ist. Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn das Volumenausgleichselement
direkt in der Frischluftleitung quasi als Verdickung derselben angeordnet
ist, so dass die zweite Frischluftleitung im Bereich des Volumenausgleichelementes
in ihrem Volumen bezogen auf die erste Frischluftleitung vergrößert
ist. Das Volumenausgleichselement ist dabei so ausgelegt, dass eine
gestörte Verdichterförderung des Kompressors des
sekundären Turboladers bei dessen Hochfahren vermieden
wird.
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Mit
der Erfindung wird erreicht, dass auf die bisher eingesetzte Vielzahl
an Steuerventilen und deren Aktuatoren verzichtet werden kann. Lediglich
ein einziges Steuerventil mit Aktuator (Regelsystem) ist in der
zweiten Abgasleitung vorgesehen, welches durch Öffnen den
sekundären Turbolader zuschaltet. Insofern ist das erfindungsgemäße
Turboladersystem in seiner Komplexität und seinem Einstellaufwand
erheblich reduziert, was sich vorteilhaft auf geringere Kosten auswirkt.
Zudem kann auf eine gesonderte Frischluftrückführung
zwischen den beiden Frischluftleitungen verzichtet werden, wobei
auch ein gesondertes Öldichtsystem für den sekundären
Turbolader entfallen kann.
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In
einer ersten Ausführung ist vorteilhaft vorgesehen, das
Steuerventil mit seinem Aktuator stromaufwärts der Turbine
des sekundären Turboladers in der zweiten Abgasleitung
anzuordnen. Das Volumenausgleichselement kann dabei stromaufwärts
des Kompressors des sekundären Turboladers angeordnet sein,
wobei das Rückschlagventil stromaufwärts des Volumenausgleichelementes
in der zweiten Frischluftleitung angeordnet ist.
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In
einer zweiten Ausgestaltung ist das Steuerventil mit seinem Aktuator
wie zur ersten Ausführung stromaufwärts der Turbine
des sekundären Turboladers angeordnet, wobei das Volumenausgleichselement
stromabwärts des Kompressors des sekundären Turboladers
und das Rückschlagventil stromabwärts des Volumenausgleichselements
in der zweiten Frischluftleitung angeordnet ist.
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In
einer dritten Ausführung ist das Steuerventil mit seinem
Aktuator stromabwärts der Turbine des sekundären
Turboladers angeordnet, wobei das Volumenausgleichselement entsprechend
zur ersten Ausführung stromaufwärts des Kompressors
des sekundären Turboladers angeordnet ist, wobei das Rückschlagventil
stromaufwärts des Volumenausgleichelementes in der zweiten
Frischluftleitung angeordnet ist.
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In
einer vierten denkbaren Ausführung ist das Steuerventil
mit seinem Aktuator stromabwärts der Turbine des sekundären
Turboladers angeordnet, wobei das Volumenausgleichselement stromabwärts
des Kompressors des sekundären Turboladers und das Rückschlagventil
stromabwärts des Volumenausgleichselementes in der zweiten
Frischluftleitung angeordnet ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
sowie in der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
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1 ein
Turboladersystem für einen Verbrennungsmotors in prinzipieller
Darstellung,
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2 ein
Drei-Ventil System nach dem Stand der Technik,
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3 ein
Turboladersystem gemäß der Erfindung, und
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4 bis 7 unterschiedliche
Ausführungen des erfindungsgemäßen Turboladersystems
in prinzipieller Darstellung.
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In
den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben
Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben
werden.
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1 zeigt
ein Turboladersystem 1 für einen Verbrennungsmotor 2,
der beispielhaft zwei sequenziell, parallel geschaltete Turbolader 3 bzw. 4 aufweist.
Einer der Turbolader ist als primärer Turbolader 3 ausgeführt,
wobei der andere Turbolader als sekundärer Turbolader 4 ausgeführt
ist. Der Verbrennungsmotor 2 weist beispielhaft zwei Abgasleitungen 6 und 7 auf,
von denen eine erste Abgasleitung 6 einer Zylinderbank
und eine zweite Abgasleitung 7 einer anderen Zylinderbank
zugeordnet ist. Beide Abgasleitungen 6 und 7 sind
miteinander verbunden, bzw. kommunizieren miteinander.
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Die
beiden Turbolader 3 bzw. 4 sind parallel geschaltet,
wobei der sekundäre Turbolader 4 sequenziell betrieben
wird. Der primäre Turbolader 3 ist mit seiner
Turbine 8 in der ersten Abgasleitung 6 angeordnet,
wobei der sekundäre Turbolader 4 mit seiner Turbine 9 in
der zweiten Abgasleitung 7 angeordnet ist. Mit seinem Kompressor 11 ist
der primäre Turbolader 3 in einer ersten Frischluftleitung 12 angeordnet,
wobei der sekundäre Turbolader 4 mit seinem Kompressor 13 in
einer zweiten Frischluftleitung 14 angeordnet ist.
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Die
beiden Frischluftleitungen 12 bzw. 14 sind stromabwärts
der beiden Kompressoren 11 und 13 zu einer gemeinsamen
Versorgungsleitung 16 zusammengefasst, welche in einer
Einlassgalerie 17 des Verbrennungsmotors 2 mündet.
In der Versorgungsleitung 16 ist ein Ladeluftkühler 18 angeordnet.
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Stromabwärts
der beiden Kompressoren 11 und 13 mündet
die jeweilige Frischluftleitung 12 bzw. 14 beispielhaft
in einer Luftbox 19 (siehe 2), in dem
z. B. ein Luftfilter angeordnet sein kann. Möglich ist
aber auch, dass die zweite Frischluftleitung 14 aus der
ersten Frischluftleitung 12, welche mit der Luftbox 19 verbunden
ist, abzweigt, wie 2 zeigt.
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In 2 ist
beispielhaft ein Drei-Ventil System 21 für das
Turboladersystem 1 dargestellt, wobei ein erstes Steuerventil 22 mit
seinem Aktuator 23 (Regelsystem 22, 23)
stromaufwärts der Turbine 9 des sekundären
Turboladers 4 in der zweiten Abgasleitung 7 angeordnet
ist. Ein zweites Steuerventil 24 ist mit seinem Aktuator 26 stromabwärts
des Kompressors 13 des sekundären Turboladers 4 angeordnet.
Zwischen der ersten Frischluftleitung 12 und der zweiten
Frischluftleitung 14 ist eine Frischluftrückführung 27 vorgesehen.
Die Frischluftrückführung 27 weist eine
Rückführleitung 28 auf, welche stromabwärts
des Kompressors 13 des sekundären Turboladers 4,
aber stromaufwärts des zweiten Steuerventils 24 aus
der zweiten Frischluftleitung 14 abzweigt und stromaufwärts
des Kompressors 11 des primären Turboladers 3 in
der ersten Frischluftleitung 12 mündet. In der
Rückführleitung 28 ist ein drittes Steuerventil 29 mit
Aktautor 31 angeordnet.
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In
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mündet
die zweite Frischluftleitung 14 stromabwärts der
Kompressoren 11 bzw. 13 in der ersten Frischluftleitung 12,
in welcher beispielhaft der Ladeluftkühler 18 angeordnet
sein kann. Die erste Abgasleitung 6 mündet beispielhaft
stromabwärts der beiden Turbinen 8 und 9 in
der zweiten Abgasleitung 7.
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Mittels
dem in 2 beispielhaft dargestellten Drei-Ventil System 21 des
Turboladersystems 1 sind die beiden Turbolader 3 bzw. 4 so
schaltbar, dass der sekundäre Turbolader 4 nur
bei bestimmten Betriebbedingungen des Verbrennungsmotors 2,
beispielsweise bei hohen Lastanforderungen zu dem sich ständig
im Betrieb befindenden primären Turbolader 3 zuschaltbar
und wieder abschaltbar ist.
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Jedoch
erfordert das in 2 dargestellte Drei-Ventil System 21 einen
erheblichen Steueraufwand, um die beiden Turbolader 3 bzw. 4,
insbesondere den sekundären Turbolader 4 und die
drei Ventile 22, 24 und 29 mittels ihrer
Aktautoren 23, 26 und 31 präzise
und synchron zu steuern.
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Um
diesen großen Aufwand zu vermeiden, ist daher vorteilhaft
vorgesehen, in der zweiten Frischluftleitung 14 ein Volumenausgleichselement 32 anzuordnen,
wobei dem Volumenausgleichselement 32 ein einfaches Rückschlagventil 33 zugeordnet
ist, wie beispielhaft 3 zeigt.
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Zum
Zu- oder Abschalten des sekundären Turboladers 4 ist
nach wie vor das erste Steuerventil 22 mit seinem Aktuator 23 (Regelsystem 22, 23)
in der zweiten Abgasleitung 7 angeordnet. In der zweiten
Frischluftleitung 14 dagegen ist das Volumenausgleichselement 32 mit
dem Rückschlagventil 33 angeordnet. Das in 2 dargestellte
zweite Steuerventil 24 sowie das dort erforderliche Rückführsystem 27 mit
dem dritten Steuerventil 29 ist bei dem erfindungsgemäßen
Beispiel gemäß 3 vorteilhaft entfallen.
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Das
Volumenausgleichselement 32 ist in der dargestellten Ansicht
beispielhaft quadratisch ausgeführt, kann aber natürlich
jede andere geeignete Ausgestaltung aufweisen. Prinzipiell ist das
Volumenausgleichselement 32 so ausgeführt bzw.
ausgelegt, dass eine gestörte Verdichterförderung
des Kompressors 13 des sekundären Turboladers 4 vermieden
ist. Das bedeutet, dass der Kompressor 13 bei dem Zuschalten
des sekundären Turboladers 4 aufgrund des in dem
Volumenausgleichselement 32 gespeicherten Volumens (Frischluft)
störungsfrei Hochlaufen kann, da dem Kompressor 13 bei
seinem Zuschalten ein Ausgleichsvolumen zur Verfügung gestellt
wird.
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Im
Vergleich mit 2 ist ersichtlich, dass bei
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß 3 ein
erheblich geringere Steuer- und Installationsaufwand anfällt,
da auf zwei der drei Steuerventile inklusive ihrer Aktuatoren verzichtet
werden kann. Stattdessen ist lediglich das Volumenausgleichselement 32 mit
dem zugeordneten einfach wirkenden Rückschlagventil 33,
bei dem auf einen Aktuator verzichtet werden kann, vorgesehen.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
das Steuerventil 22 mit seinem Aktuator 23 stromaufwärts
der Turbine 9 des sekundären Turboladers 4 angeordnet.
Das Volumenausgleichselement 32 ist stromaufwärts
des Kompressors 13 des sekundären Turboladers 4 angeordnet.
Das Rückschlagventil 33 ist stromaufwärts
des Volumenausgleichselementes 32 in der zweiten Frischluftleitung 14,
also hinter der Luftbox 19 und vor dem Volumenausgleichselement 32 angeordnet.
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Diese
Ausführung soll nicht beschränkend sein. Vielmehr
ist denkbar, Steuerventil 22 und Volumenausgleichselement 32 unterschiedlich
zu positionieren. Dies ist in den 4 bis 7 prinzipiell
dargestellt, wobei 4 mit der Anordnung von Steuerventil 22 und
Volumenausgleichselement 32 zu 3 identisch
ist. 4 soll lediglich als vereinfachte Darstellung
und zum leichteren Verständnis der 5 bis 7 dienen,
wobei jeweils lediglich die zweite Frischluftleitung 14 und
die zweite Abgasleitung 7 abschnittsweise dargestellt sind.
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In
einer zweiten Ausgestaltung (5) ist das
Steuerventil 22 mit seinem Aktuator 23 wie zur ersten
Ausführung (3 und 4) stromaufwärts der
Turbine 9 des sekundären Turboladers 4 angeordnet,
wobei das Volumenausgleichselement 32 stromabwärts
des Kompressors 13 des sekundären Turboladers 4 und
das Rückschlagventil 33 stromabwärts
des Volumenausgleichselements 32 in der zweiten Frischluftleitung 14 angeordnet
ist.
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In
einer dritten Ausführung (6) ist das Steuerventil 22 mit
seinem Aktuator 23 stromabwärts der Turbine 9 des
sekundären Turboladers 4 angeordnet, wobei das
Volumenausgleichselement 32 entsprechend zur ersten Ausführung
(3 und 4) stromaufwärts des
Kompressors 13 des sekundären Turboladers 4 angeordnet
ist, wobei das Rückschlagventil 33 stromaufwärts
des Volumenausgleichelementes 32 in der zweiten Frischluftleitung 14 angeordnet
ist.
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In
einer vierten denkbaren Ausführung (7) ist das
Steuerventil 22 mit seinem Aktuator 23 stromabwärts
der Turbine 9 des sekundären Turboladers 4 angeordnet,
wobei das Volumenausgleichselement 32 stromabwärts
des Kompressors 13 des sekundären Turboladers 4 und
das Rückschlagventil 33 stromabwärts
des Volumenausgleichselementes 32 in der zweiten Frischluftleitung 14 angeordnet
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2911727 [0002]
- - DE 4299090 [0002]
- - DE 60211384 T2 [0003]
- - EP 1472444 B1 [0003]