DE102008052167A1

DE102008052167A1 - Zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008052167A1
Application number: DE102008052167A
Authority: DE
Inventors: Gerald Gruber; Wilfried Barth
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-04-22

Abstract

Zweistufige Abgasturboaufladung (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit zumindest zwei Zylindern (Z), mit einem Abgaskrümmer (2a), wobei die Abgasturboaufladung (1) in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine (2) einen ersten (4) und einen zweiten (5), parallel zueinander angeordneten Hochdruckturbolader und einen in Reihe danach angeordneten Niederdruckturbolader (3) aufweist, wobei der Abgaskrümmer (2a), eine erste Hochdruckturbine (4a) des ersten Hochdruckturboladers (4) und eine Niederdruckturbine (3a) des Niederdruckturboladers (3) abgasführend miteinander verbunden sind und der Abgaskrümmer (2a) mit einer zweiten Hochdruckturbine (5a) des zweiten Hochdruckturboladers (5) abgasführend verbindbar ist, und wobei die zweite Hochdruckturbine (5a) und die Niederdruckturbine (3a) abgasführend miteinander verbunden sind, und wobei im Abgaskrümmer (2a) ein Schließelement (13) vorgesehen ist, damit Abgase von unterschiedlichen Zylindern (Z) getrennt der ersten und der zweiten Hochdruckturbine (4a, 5a) zuführbar sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine mit der zweistufigen Abgasturboaufladung möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die europäischen Patentschrift EP 0 377 712 B1 hingewiesen. In dieser ist eine zweistufige Abgasturbolaufladung für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Die Abgasturboaufladung besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten Hochdruckabgasturboladern, sowie zwei parallel zueinander angeordneten Niederdruckabgasturboladern. Während das Abgas ständig zuerst einen Hochdruckabgasturbolader und anschließend einen Niederdruckabgasturbolader durchströmt, sind der zweite Hochdruckabgasturbolader und der zweite Niederdruckabgasturbolader zuschaltbar angeordnet. Zwischen den Niederdruckabgasturboladern und den Hochdruckabgasturboladern befindet sich jeweils ein Ladeluftkühler, ebenso zwischen den beiden Hochdruckabgasturboladern und der Sauganlage der Brennkraftmaschine. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung ist für eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine eine Anordnung geschaffen, die eine rasche Lastaufschaltung auf Nennleistung erlaubt und thermische und/oder mechanische Überlastung des zuzuschaltenden Abgasturboladers vermeidet.
Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 011 188 A1 , von der diese Erfindung ausgeht, eine zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer bekannt, bei der das Abgas in Strömungsrichtung des Abgases zuerst einen ersten und einen zweiten, parallel zueinander angeordneten Hochdruckturbolader und einen in Reihe danach angeordneten Niederdruckturbolader durchströmt. Weiter sind der Abgaskrümmer, die erste Hockdruckturbine des ersten Hochdruckturboladers und die Niederdruckturbine des Niederdruckturboladers abgasführend miteinander verbunden und der Abgaskrümmer ist mit der zweiten Hochdruckturbine des zweiten Hochdruckturboladers abgasführend verbindbar. Weiter sind die zweite Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine abgasführend miteinander verbunden. Der Niederdruckverdichter des Niederdruckturboladers ist in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem ersten Hochdruckverdichter des ersten Hochdruckturboladers und dem zweiten Hochdruckverdichter des zweiten Hochdruckturboladers angeordnet.
Auch wenn die gattungsgemäße zweistufige Abgasturboaufladung keinen prinzipiellen Nachteil aufweist, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad der zweistufigen Abgasturboaufladung zu verbessern.
Diese Aufgabe ist durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Impulsenergie der Abgasdruckwellen durch den Abgasturbolader ausgenutzt und der Wirkungsgrad des Aufladesystems gesteigert. Insbesondere wird dadurch auch das instationäre Verhalten des Abgasturboladers deutlich verbessert und es kommt dadurch zu einem spontaneren Hochlauf der Brennkraftmaschine im Beschleunigungsfall.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 wird in vorteilhafter Weise ein Pumpen des zweiten Hochdruckverdichters vermieden.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 erlaubt ein ständiges Regeln oder Steuern des Bypasses für den zweiten Hochdruckverdichter.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 kann ein exakter Verbrennungsluftdurchsatz durch den zweiten Hochdruckverdichter eingestellt werden.
Die Feineinstellung des Verbrennungsluftdurchsatzes durch den Hochdruckverdichter kann in vorteilhafter Weise gemäß Patentanspruch 5 ebenfalls geregelt oder gesteuert werden.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 wird die Hochdruckturbine des zweiten Abgasturboladers ständig auf einer definierten Drehzahl gehalten. Dies verbessert die dynamischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Abgasturboaufladung.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 7 ist der zweite Hochdruckabgasturbolader jederzeit zu- oder abschaltbar.
Mit der Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 8 und 9 wird die geförderte Ladeluft abgekühlt, wodurch ein besserer Füllgrad der Brennkraftmaschine erzielt wird und gleichzeitig der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert wird.
Die Ausgestaltungen gemäß Patentanspruch 10 sind besonders bevorzugte Ausführungsvarianten.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen in zwei Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen zweistufigen Abgasturbolaufladung für eine Brennkraftmaschine.
2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen zweistufigen Abgasturbolaufladung für eine Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen zweistufigen Abgasturboaufladung 1 für eine Brennkraftmaschine 2 mit sechs Zylindern (Z) in einer Reihe angeordnet. Sechs schematisch angedeutete Zylinder (Z) der Brennkraftmaschine 2 münden in einen einzigen Abgaskrümmer 2a, in dem erfindungsgemäß ein Schließelement 16 angeordnet ist. Der Abgaskrümmer 2a ist permanent mit einer Hochdruckturbine 4a eines Hochdruckabgasturboladers 4 abgasführend verbunden. Ferner ist der Abgaskrümmer 2a über ein viertes Drosselelement 6 mit einer zweiten Hochdruckturbine 5a eines parallel zum ersten Hochdruckabgasturbolader 4 angeordneten zweiten Hochdruckabgasturboladers 5 abgasführend verbindbar. Die erste und die zweite Hochdruckturbine 4a, 5a sind wiederum abgasführend mit einer Niederdruckturbine 3a eines Niederdruckabgasturboladers 3 verbunden. Erfindungsgemäß weist die Niederdruckturbine 3a neben einem weiteren erfindungsgemäßen, später ausgeführten zweiten Bypass 13, dritten Bypass 15 auf, in dem ein zweites Drosselelement 9 angeordnet ist. Die Strömungsrichtung des Abgases ist durch Pfeile symbolisch dargestellt.
Wie aus 1 erkennbar ist, setzt sich die zweistufige Abgasturboladung 1 aus einem Niederdruckabgasturbolader 3 sowie zwei parallel zueinander angeordneten Hochdruckabgasturboladern 4, 5 zusammen. Während der erste Hochdruckabgasturbolader 4 permanent von Abgas durchströmt wird, ist der zweite Hochdruckabgasturbolader 5 mit Hilfe des vierten Drosselelementes 6, welches steuer- oder regelbar ist, zuschaltbar. Somit ist, wie im Folgenden beschrieben wird, die Verbrennungsluftzuführung zur Brennkraftmaschine 2 variabel ausgestaltet.
Ansaugseitig der Brennkraftmaschine 2 ist die zweistufige Abgasturboaufladung 1 folgendermaßen ausgestaltet:
Die frische Verbrennungsluft wird von der zweistufigen Abgasturboladung 1 angesaugt, wiederum dargestellt durch einen kleinen Pfeil an einer Eingangsöffnung des Ansaugsystems. Die Verbrennungsluft durchströmt zuerst einen Niederdruckverdichter 3b des Niederdruckabgasturboladers 3, wird anschließend in einem ersten Ladeluftkühler 11 heruntergekühlt und anschließend auf zwei separate gasführende Zweige aufgeteilt. So wird Verbrennungsluft permanent durch einen Hochdruckverdichter 4b des Hochdruckabgasturboladers 4 gefördert und anschließend durch einen zweiten Ladeluftkühler 12, der die nochmals verdichtete Verbrennungsluft wiederum abkühlt. Anschließend wird die Verbrennungsluft in die Zylinder der Brennkraftmaschine 2 gefördert. Parallel zum ersten Hochdruckverdichter 4b, in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hinter der Auftrennung in zwei separate gasführende Zweige, ist ein zweiter Hochdruckverdichter 5b des zweiten Abgasturboladers 5 angeordnet. In Strömungsrichtung der Verbrennungsluft nach dem zweiten Hochdruckverdichter 5b ist ein drittes Drosselelement 10 angeordnet, welches ebenfalls steuer- oder regelbar ist. Parallel zum Hochdruckverdichter 5b ist ein Bypass 7 angeordnet. In dem Bypass 7 ist ein steuer- oder regelbares erstes Drosselelement 8.
Der Niederdruckverdichter 3b weist einen zweiten Bypass 13 auf, der gasführend mit den Hochdruckverdichtern 4b, 5b verbunden ist. Bevorzugt ist in dem zweiten Bypass 13 ein viertes Drosselelement 14 angeordnet, das regel- oder steuerbar ist. Das zweite Drosselelement 9 und das vierte Drossel element 14 werden bevorzugt synchron betätigt. In anderen Ausführungsbeispielen ist auch eine beispielsweise phasenverschobene Betätigung möglich.
Erfindungsgemäß ist wie oben bereits beschrieben, in dem Abgaskrümmer 2a das Schließelement 16 angeordnet, mit dem ein Abgaspfad im Abgaskrümmer 2 vollständig verschlossen werden kann. Hierdurch kann im Betriebsbereich mit den beiden Hochdruckturbolader 4, 5, das Abgas gezielt auf die beiden Hochdruckturbolader 4, 5 aufgeteilt werden. Durch die zylinderselektive Zusammenführung kann die Impulsenergie der Abgasdruckwellen durch die Hochdruckturbolader 4, 5 genutzt werden. Dies ist bei allen mehrzylindrischen Brennkraftmaschinen möglich. Bevorzugt ist das Schließelement 16 eine Klappe oder ein Drehschieber aus einem hochtemperaturfesten Material.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Impulsenergie der Abgasdruckwellen durch den Abgasturbolader ausgenutzt und der Wirkungsgrad des Aufladesystems gesteigert. Insbesondere wird dadurch auch das instationäre Verhalten des Abgasturboladers deutlich verbessert und es kommt dadurch zu einem spontaneren Hochlauf der Brennkraftmaschine im Beschleunigungsfall.
2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen zweistufigen Abgasturbolaufladung für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern (Z). Aufbau und Vorteile entsprechen denen aus 1.
Grundsätzliche Beschreibung der Anordnung in 1 und 2: Insgesamt werden drei Abgasturbolader benötigt, zwei Hochdruckabgasturbolader 4, 5 von identischer Baugröße, welche parallel zueinander angeordnet sind. Beide Hochdruckabgasturbolader 4, 5 sind vorzugsweise mit variablem Turbinenleitapparaten ausgeführt. Beispielsweise kann für die Hochdruckstufe, bestehend aus den Hochdruckabgasturboladern 4, 5, eine Ab gasturboladeranordnung zum Einsatz kommen, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 032 585 A1 beschrieben ist. Weiter wird der Hochdruckstufe in Serie ein Niederdruckabgasturbolader 3 vorgeschaltet. Zwischen Niederdruck- 3b und Hochdruckverdichtern 4b, 5b, ist eine Zwischenkühlung zur Senkung der Ladungstemperatur vorgesehen. Zur Zwischenkühlung dienen der erste und der zweite Ladeluftkühler 11, 12. Nach dem zu- bzw. abschaltbaren zweiten Hochdruckverdichter 5b befindet sich das dritte Drosselelement 10, es handelt sich um allgemeine Ventile zur Absperrung sowie eine Umgehungsleitung, der Bypass 7, welche den Eintritt des zweiten Hochdruckverdichters 5b mit dem Austritt des zweiten Hochdruckverdichters 5b verbindet, ebenfalls zuschaltbar. Auf der Abgasseite befindet sich ein Absperrventil, das vierte Drosselelement 6, vor dem Eintritt der somit zu- bzw. abschaltbaren zweiten Hochdruckturbine 5a um sie vom Abgasstrom zu trennen. Der Niederdruckverdichter 3b weist einen zweiten Bypass 13 auf, der gasführend mit den Hochdruckverdichtern 4b, 5b verbunden ist. Bevorzugt ist in dem zweiten Bypass 13 ein viertes Drosselelement 14 angeordnet, das regel- oder steuerbar ist. Auch die Niederdruckturbine 31 weist einen dritten Bypass 15 auf mit einem zweiten Drosselelement 9, das ebenfalls regel- oder steuerbar ist.

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0377712 B1 [0002]
- DE 102006011188 A1 [0003]
- DE 102006032585 A1 [0025]

Claims

Zweistufige Abgasturboaufladung (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit zumindest zwei Zylindern (Z), mit einem Abgaskrümmer (2a), wobei die Abgasturboaufladung (1) in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine (2) einen ersten (4) und einen zweiten (5), parallel zueinander angeordneten Hochdruckturbolader und einen in Reihe danach angeordneten Niederdruckturbolader (3) aufweist, wobei der Abgaskrümmer (2a), eine erste Hockdruckturbine (4a) des ersten Hochdruckturboladers (4) und eine Niederdruckturbine (3a) des Niederdruckturboladers (3) abgasführend miteinander verbunden sind und der Abgaskrümmer (2a) mit einer zweiten Hochdruckturbine (5a) des zweiten Hochdruckturboladers (5) abgasführend verbindbar ist, und wobei die zweite Hochdruckturbine (5a) und die Niederdruckturbine (3a) abgasführend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskrümmer (2a) ein Schließelement (16) vorgesehen ist, damit Abgase von unterschiedlichen Zylindern (Z) getrennt der ersten und der zweiten Hochdruckturbine (4a, 5a) zuführbar sind.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach Patentanspruch 1, wobei ein erster Hockdruckverdichter (4b) des ersten Hockdruckabgasturboladers (4) und ein zweiter Hockdruckverdichter (5b) des zweiten Hockdruckabgasturboladers (5) parallel zueinander angeordnet und gasführend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hochdruckverdichter (5b) einen Bypass (7) aufweist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach Patentanspruch 2; dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bypass (7) ein regel- oder steuerbares erstes Drosselelement (8) angeordnet ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei Verbrennungsluft zuerst durch einen Niederdruckverdichter (3b) des Niederdruckabgasturboladers (3) und anschließend durch den ersten Hochdruckverdichter (4b) in die Brennkraftmaschine (2) förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft zwischen dem Niederdruckverdichter (3b) und dem zweiten Hochdruckverdichter (5b) ein zweites Drosselelement (9) und/oder zwischen dem zweiten Hochdruckverdichter (5b) und der Brennkraftmaschine (2) ein drittes Drosselelement (10) angeordnet ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und das dritte Drosselelement (9, 10) regel- oder steuerbar sind.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abgaskrümmer (2a) und der zweiten Hochdruckturbine (5a) ein viertes Drosselelement (6) angeordnet ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Drosselelement (6) regel- oder steuerbar ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach einem der Patentansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Niederdruckverdichter (3b) und dem ersten und dem zweiten Hochdruckverdichter (4b, 5b) ein erster Ladeluftkühler (11) angeordnet ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach einem der Patentansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Hochdruckverdichter (4b, 5b) und der Brennkraftmaschine (2) ein zweiter Ladeluftkühler (12) angeordnet ist.
Zweistufige Abgasturboaufladung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (16) eine Klappe oder ein Drehschieber ist.