DE102008026025A1

DE102008026025A1 - Antriebsstrang mit zwei Strömungsmaschinen, insbesondere Turboladern

Info

Publication number: DE102008026025A1
Application number: DE102008026025A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Kley
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-09-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, - mit einem einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor; - im Abgasstrom sind eine erste Abgasturbine und eine zweite Abgasturbine hintereinander angeordnet, und/oder in einem dem Verbrennungsmotor zugeleiteten Frischluftstrom sind ein erster Frischluftverdichter und ein zweiter Frischluftverdichter hintereinander angeordnet, wobei die zweite Abgasturbine in Strömungsrichtung des Abgases hinter der ersten Abgasturbine und/oder der erste Frischluftverdichter in Strömungsrichtung der Frischluft hinter dem zweiten Frischluftverdichter angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass - die beiden Abgasturbinen als Radialturbinen ausgeführt sind, derart, dass die Anströmung der ersten und die Abströmung der zweiten Abgasturbine mit Abgas in Radialrichtung und die Abströmung der ersten und die Anströmung der zweiten Abgasturbine mit Abgas in Axialrichtung der jeweiligen Abgasturbine erfolgt, und/oder die Richtung der Anströmung des ersten Frischluftverdichters der Richtung der Abströmung des zweiten Frischluftverdichters entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit zwei hintereinandergeschalteten Turbinen oder Verdichtern, insbesondere mit zwei Turboladern, umfassend jeweils eine Turbine und einen Verdichter.
Antriebsstränge mit einem oder auch mit zwei Turboladern sind bekannt. Hierbei sind im Abgasstrom eines Antriebsleistung in den Antriebsstrang speisenden Verbrennungsmotor zwei Abgasturbinen hintereinander angeordnet, sowie im Frischluftstrom zwei Frischluftverdichter, von denen der erste Frischluftverdichter mittels der ersten Abgasturbine angetrieben wird und der zweite Frischluftverdichter mittels der zweiten Abgasturbine angetrieben wird.
Abgasturbinen bekannter Turbolader sind in der Regel als Radialturbinen mit einer radialen Zuströmung und einer axialen Abströmung ausgeführt. Die Verdichter solcher Turbolader sind in der Regel als Radialverdichter mit einer axialen Zuströmung und einer radialen Abströmung ausgeführt. Wenn nun ein Antriebsstrang mit zwei Turboladern ausgerüstet werden soll, so führt dies beim Heranziehen bekannter Strömungsmaschinen zu einem verhältnismäßig großen erforderlichen Bauraum und zu einer häufigen Umlenkung sowohl des Abgasstromes als auch des Frischluftstromes. Beides ist mit Nachteilen behaftet, da insbesondere der in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang zur Verfügung stehende Bauraum stark begrenzt ist und die häufige Strömungsumlenkung zu Strömungsverlusten führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang anzugeben, welcher die genannten Nachteile vermeidet und durch eine geschickte Anordnung auch eine zweifache Turboaufladung eines Verbrennungsmotors oder die Integration eines Turbocompoundsystems in einen Antriebsstrang mit einem einfach, zweifach oder mehrfach aufgeladenen Verbrennungsmotor ermöglicht, mit einem vergleichsweise geringen erforderlichen Bauraum und geringen Strömungsverlusten.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine besonders dichte Packung der Abgasturbinen und/oder der Frischluftverdichter. Beispielsweise sind die Abgasturbinen eines ersten Turboladers und eines zweiten Turboladers, welche im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordnet sind und jeweils einen Frischluftverdichter antreiben, der in einem dem Verbrennungsmotor zugeleiteten Frischluftstrom angeordnet ist, als in Reihe hintereinander angeordnete Radialturbinen ausgeführt, derart, dass die Anströmung der ersten und die Abströmung der zweiten Abgasturbine mit Abgas in Radialrichtung erfolgt, wobei die Abströmung der ersten und die Anströmung der zweiten Abgasturbine in Axialrichtung der jeweiligen Abgasturbine erfolgt. Somit kann die zweite Abgasturbine axial sehr dicht hinter die erste Abgasturbine gesetzt werden, was zu einem geringen Bauraum in Axialrichtung führt, und zugleich kann eine Umlenkung des Abgasstromes zwischen der ersten Abgasturbine und der zweiten Abgasturbine vermieden werden. Die Bezeichnung erste Abgasturbine steht vorliegend für die Abgasturbine des ersten Turboladers und die Bezeichnung zweite Abgasturbine steht vorliegend für die Abgasturbine des zweiten Turboladers, wobei die zweite Abgasturbine in Strömungsrichtung des Abgases hinter der ersten Abgasturbine angeordnet ist. Man könnte die zweite Abgasturbine auch als Niederdruckturbine und die erste Abgasturbine als Hochdruckturbine bezeichnen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, eine oder beide Turbinen nicht in einem Turbolader mit einem Frischluftverdichter vorzusehen, sondern in einer Triebverbindung mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, um ein Turbocompoundsystem zu schaffen.
Zusätzlich oder alternativ kann auch die Anordnung der beiden Frischluftverdichter, des ersten Frischluftverdichters (Hochdruckverdichters) im ersten Turbolader beziehungsweise des zweiten Frischluftverdichters (Niederdruckverdichters) im zweiten Turbolader, wobei der erste Frischluftverdichter des ersten Turboladers in Strömungsrichtung der Frischluft hinter dem zweiten Frischluftverdichter des zweiten Turboladers angeordnet ist, dadurch optimiert werden, dass die Richtung der Anströmung des Frischluftverdichters des ersten Turboladers der Richtung der Abströmung des Frischluftverdichters des zweiten Turboladers entspricht. Somit ist es möglich, den zweiten Frischluftverdichter in Axialrichtung unmittelbar vor dem ersten Frischluftverdichter, bezogen auf die Strömungsrichtung des Frischluftstromes, anzuordnen, und eine Umlenkung des Frischluftstromes zwischen den beiden Frischluftverdichtern kann vorteilhaft vermieden werden. Auch hier ist es möglich, die Frischluftverdichter zusätzlich zu der Triebverbindung mit der Abgasturbine oder alternativ hierzu in eine Triebverbindung mit einem anderen antreibenden Aggregat, beispielsweise der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors oder auch einem Elektromotor oder sonstigen Motor vorzusehen.
Besonders vorteilhaft ist der erste Frischluftverdichter, insbesondere des ersten Turboladers als Radialverdichter ausgeführt, derart, dass die Anströmung mit Frischluft in Axialrichtung und die Abströmung mit Frischluft in Radialrichtung des Frischluftverdichters erfolgt. Der zweite Frischluftverdichter, insbesondere des zweiten Turboladers, kann vorteilhaft als Axialverdichter ausgeführt sein, so dass die Anströmung und die Abströmung mit Frischluft in Axialrichtung des Frischluftverdichters erfolgt. Auch ist es möglich, den zweiten Frischluftverdichter beziehungsweise den Frischluftverdichter des zweiten Turboladers als Radialverdichter auszuführen, so dass die Anströmung mit Frischluft in Radialrichtung und die Abströmung von Frischluft in Axialrichtung erfolgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Frischluftverdichter als axial mit Frischluft angeströmter Verdichter ausgeführt, mit axialer Abströmung der Frischluft. Der zweite Frischluftverdichter kann dann auch als sowohl axial angeströmter als auch axial abgeströmter Verdichter ausgeführt sein. Grundsätzlich können als Frischluftverdichter Turbomaschinen vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, einen Verdrängungsverdichter vorzusehen, beispielsweise ein Rootsgebläse, ein Schraubenverdichter, eine Zahnradpumpe oder dergleichen.
Besonders vorteilhaft weist der erfindungsgemäße Antriebsstrang ein Turbocompoundsystem auf, wobei die erste Abgasturbine und/oder die zweite Abgasturbine in einer Triebverbindung mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang steht/stehen oder in eine solche schaltbar ist/sind. Vorteilhaft ist in der Triebverbindung eine hydrodynamische Kupplung vorgesehen, welche Drehschwingungen des Verbrennungsmotors dämpft.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Abgasturbinen, die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors hintereinander angeordnet sind, als Radialturbinen ausgeführt, derart, dass die Anströmung in Radialrichtung und die Abströmung in Axialrichtung erfolgt, oder umgekehrt. Wenn nun die Drehachse der zweiten Abgasturbine gegenüber der Drehachse der ersten Abgasturbine um 90° versetzt angeordnet wird, so ist es möglich, die Abgasführung des aus der ersten Abgasturbine ausströmenden Abgases so auszuführen, dass dieses ohne Umlenkung in die zweite Abgasturbine einströmt, das heißt im wesentlichen oder vollständig linear. Wenn die zweite Abgasturbine auf ihrer Einströmseite ein Spiralgehäuse aufweist, wird die Einströmung in dieses Gehäuse im wesentlichen oder vollständig in Tangentialrichtung bezogen auf die Drehachse der zweiten Abgasturbine erfolgen. Der Eintritt des Abgases in die Beschaufelung wird in der Regel in Radialrichtung erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können auch die beiden Frischluftverdichter als Radialmaschinen, in der Regel Radialturbomaschinen, ausgeführt sein, wobei die Drehachse des ersten Frischluftverdichters gegenüber der Drehachse des zweiten Frischluftverdichters derart um 90° versetzt angeordnet ist, dass die aus dem zweiten Frischluftverdichter austretende Frischluft linear und ohne Umlenkung in den ersten Frischluftverdichter einströmt. Auch hier ist zu beachten, dass bei einer radialen Anströmung oder Abströmung in die jeweilige Beschaufelung oder aus der jeweiligen Beschaufelung auch eine tangentiale Anströmung oder Abströmung in ein vorgeschaltetes oder nachgeschaltetes Spiralgehäuse möglich ist. Frei von einer Umlenkung bedeutet dabei, dass die Einströmung in das Gehäuse des nachgeschalteten ersten Frischluftverdichters ohne Umlenkung erfolgt, was bei einem Verdichter mit axialer Abströmung sowohl eine Einströmung in das Gehäuse in Tangentialrichtung als auch in Radialrichtung bezogen auf die Drehachse bedeuten kann.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert werden.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit zwei Abgasturbinen, die in Axialrichtung unmittelbar hintereinander angeordnet werden können;
2 ein Ausführungsbeispiel zweier Frischluftverdichter, die in Axialrichtung unmittelbar hintereinander angeordnet werden können;
3 Alternativen der Anordnung von besonderen Frischluftverdichtern.
In der 1 sind schematisch ein Verbrennungsmotor 2, dem ein Frischluftstrom 5 zugeführt wird und welcher einen Abgasstrom 1 erzeugt, sowie zwei Abgasturbinen 3, 4, die im Abgasstrom 1 in Reihe hintereinander angeordnet sind, dargestellt. Die erste Abgasturbine 3 ist einem ersten Turbolader mit einem ersten Frischluftverdichter (in der 1 nicht dargestellt) zugeordnet, und die zweite Abgasturbine 4 ist einem zweiten Turbolader mit einem zweiten Frischluftverdichter (in der 1 nicht dargestellt) zugeordnet. Die erste Abgasturbine 3 treibt den ersten Frischluftverdichter an, und die zweite Abgasturbine 4 treibt den zweiten Frischluftverdichter an. Die beiden Frischluftverdichter sind in Reihe hintereinander in dem Frischluftstrom 5 angeordnet, um diesen zu verdichten. Dabei ist der erste Frischluftverdichter in Strömungsrichtung der Frischluft hinter dem zweiten Frischluftverdichter angeordnet, wie dies in den 2 und 3 gezeigt ist.
Wie man in der 1 erkennt, weist die erste Abgasturbine 3 eine radiale Anströmung und eine axiale Abströmung für das Abgas beziehungsweise den Abgasstrom 1 auf. Die zweite Abgasturbine 4 weist hingegen eine axiale Anströmung und eine radiale Abströmung auf. Hierdurch ist es möglich, die zweite Abgasturbine 4 in Axialrichtung bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases unmittelbar hinter der ersten Abgasturbine 3 und frei von einer Umlenkung des Abgases zwischen den beiden Abgasturbinen 3, 4 anzuordnen. Prinzipiell wäre es natürlich auch möglich, die zweite Abgasturbine 4 als Axialturbine mit axialer Anströmung und axialer Abströmung auszuführen.
In der 2 ist eine erste Maßnahme gezeigt, mittels welcher der erste Frischluftverdichter 6 in Axialrichtung bezogen auf den Frischluftstrom 5 unmittelbar hinter dem zweiten Frischluftverdichter 7 und frei von einer Umlenkung der Frischluft zwischen den beiden Frischluftverdichtern 6, 7 angeordnet werden kann. So weist der erste Frischluftverdichter 6 eine axiale Anströmung und eine radiale Abströmung für die Frischluft auf, wohingegen der zweite Frischluftverdichter 7 eine axiale Anströmung und eine axiale Abströmung für die Frischluft aufweist.
Gemäß der 3 weist der zweite Frischluftverdichter 7 eine radiale Anströmung und eine axiale Abströmung für die Frischluft auf, wohingegen der erste Frischluftverdichter 6 wiederum, wie bei der 2, eine axiale Anströmung und eine radiale Abströmung für die Frischluft aufweist. In gestrichelten Linien ist ferner angedeutet, dass der zweite Frischluftverdichter 7 auch eine axiale Anströmung anstelle der radialen Anströmung für die Frischluft 5 aufweisen könnte, sowie der erste Frischluftverdichter 6 eine axiale Abströmung anstelle der gezeigten radialen Abströmung für die Frischluft.

Claims

Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, 1.1 mit einem einen Abgasstrom (1) erzeugenden Verbrennungsmotor (2); 1.2 im Abgasstrom sind eine erste Abgasturbine (3) und eine zweite Abgasturbine (4) hintereinander angeordnet, und/oder in einem dem Verbrennungsmotor (2) zugeleiteten Frischluftstrom (4) sind ein erster Frischluftverdichter (6) und ein zweiter Frischluftverdichter (7) hintereinander angeordnet, wobei die zweite Abgasturbine (4) in Strömungsrichtung des Abgases hinter der ersten Abgasturbine (3) und/oder der erste Frischluftverdichter (6) in Strömungsrichtung der Frischluft hinter dem zweiten Frischluftverdichter (7) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass 1.3 die beiden Abgasturbinen (3, 4) als Radialturbinen ausgeführt sind, derart, dass die Anströmung der ersten und die Abströmung der zweiten Abgasturbine (3, 4) mit Abgas in Radialrichtung und die Abströmung der ersten und die Anströmung der zweiten Abgasturbine (3, 4) mit Abgas in Axialrichtung der jeweiligen Abgasturbine (3, 4) erfolgt, und/oder die Richtung der Anströmung des ersten Frischluftverdichters (6) der Richtung der Abströmung des zweiten Frischluftverdichters (7) entspricht.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Turbolader vorgesehen ist, der die erste Abgasturbine (3) umfasst, welche den ersten Frischluftverdichter (6) antreibt, und ein zweiter Turbolader vorgesehen ist, der die zweite Abgasturbine (4) umfasst, welche den zweiten Frischluftverdichter (7) antreibt.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frischluftverdichter (7) als Radialverdichter ausgeführt ist, derart, dass die Anströmung mit Frischluft in Radialrichtung und die Abströmung von Frischluft in Axialrichtung des zweiten Frischluftverdichters (7) erfolgt, oder der zweite Frischluftverdichter als Axialverdichter mit axialer An- und Abströmung ausgeführt ist.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Frischluftverdichter (6) als Axialverdichter ausgeführt ist, so dass die An- und die Abströmung mit Frischluft in Axialrichtung des ersten Frischluftverdichters (6) erfolgt.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Frischluftverdichter (6) als Radialverdichter ausgeführt ist, so dass die Anströmung mit Frischluft in Axialrichtung und die Abströmung von Frischluft in Radialrichtung erfolgt.
Antriebsstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasturbine (3) und/oder die zweite Abgasturbine (4) in einer Triebverbindung mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors (2) zum Einspeisen von Antriebsleistung in den Antriebsstrang steht oder in eine solche schaltbar ist.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Triebverbindung eine hydrodynamische Kupplung angeordnet ist.
Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, 8.1 mit einem einen Abgasstrom (1) erzeugenden Verbrennungsmotor (2); 8.2 mit einer ersten Abgasturbine (3) und einer zweiten Abgasturbine (4), die im Abgasstrom (1) angeordnet sind, wobei die zweite Abgasturbine (4) in Strömungsrichtung des Abgases hinter der ersten Abgasturbine (3) angeordnet ist; wobei 8.3 die beiden Abgasturbinen (3, 4) als Radialturbinen ausgeführt sind, derart, dass die Anströmung mit Abgas in Radialrichtung und die Abströmung von Abgas in Axialrichtung der jeweiligen Abgasturbine (3, 4) erfolgt; dadurch gekennzeichnet, dass 8.4 die Drehachse der zweiten Abgasturbine (4) gegenüber der Drehachse der ersten Abgasturbine (3) um 90° versetzt angeordnet ist, so dass das aus der ersten Abgasturbine (3) abströmende Abgas im wesentlichen linear und frei von einer Umlenkung tangential oder radial zur Drehachse der zweiten Abgasturbine (4) in die zweite Abgasturbine (4) einströmt.
Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang, 9.1 mit einem Verbrennungsmotor (2), dem ein Frischluftstrom (5) zugeleitet wird; 9.2 mit einem ersten Frischluftverdichter (6) und einem zweiten Frischluftverdichter (7), die in dem Frischluftstrom (5) angeordnet sind, wobei der erste Frischluftverdichter (6) in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Frischluftverdichter (7) angeordnet ist; und 9.3 die beiden Frischluftverdichter (6, 7) als Radialverdichter ausgeführt sind, derart dass die Anströmung mit Frischluft in Axialrichtung und die Abströmung von Frischluft in Radialrichtung des jeweiligen Frischluftverdichters (6, 7) erfolgt; dadurch gekennzeichnet, dass 9.4 die Drehachse des ersten Frischluftverdichters (6) gegenüber der Drehachse des zweiten Frischluftverdichters (7) derart um 90° versetzt angeordnet ist, dass aus dem zweiten Frischluftverdichter (7) abströmende Frischluft im wesentlichen linear und ohne Umlenkung axial in den ersten Frischluftverdichter (6) einströmt.