DE102009048817A1

DE102009048817A1 - Stufenaufladung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009048817A1
Application number: DE102009048817A
Authority: DE
Inventors: Gerald Gruber; Thomas Mitterauer; Peter Steininger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-04-14

Abstract

Stufenaufladung für eine Brennkraftmaschine mit einem Hochdruck-Abgasturbolader (1) mit einem Hochdruckturbinengehäuse (2) und mit einem Niederdruckturbolader (3) mit einem Niederdruckturbinengehäuse (4), wobei das Hochdruckturbinengehäuse (2) einerseits an einen Abgaskrümmer (5) der Brennkraftmaschine abgasführend anordenbar und das Niederdruckturbinengehäuse (4) andererseits an den Abgaskrümmer (5) abgasführend anordenbar ist und wobei ein Abgasauslass (2'') des Hochdruckturbinengehäuses (2) und ein Abgaseinlass (4') des Niederdruckturbinengehäuses (4) abgasführend miteinander verbunden sind und wobei ein Bypass (6) mit einer Bypassklappe (7) zum Öffnen und Verschließen des Bypasses (6) für das Hochdruckturbinengehäuse (2) vorgesehen ist, mit dem der Abgaskrümmer (5) und das Niederdruckturbinengehäuse (4) abgasführend verbindbar sind und wobei bei geschlossenem Bypass (6) ein Abgas der Brennkraftmaschine aus dem Abgaskrümmer (5) kommend erst das Hochdruckturbinengehäuse (2) und anschließend das Niederdruckturbinengehäuse (4) durchflutet und bei offenem Bypass (6) das Abgas, abhängig von einem Öffnungswinkel der Bypassklappe (7), das Niederdruckturbinengehäuse (4) direkt und das Hochdruckturbinengehäuse (2) und anschließend das Niederdruckturbinengehäuse (4) durchflutet, wobei die Bypassklappe (7) auf der, dem Abgaskrümmer (5) zugewandten Seite im Niederdruckturbinengehäuse (4) angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung lassen sich höhere Drehmomente ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Stufenaufladung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Sie geht von der deutschen Patentschrift DE 102 30 934 B4 aus, in der ein schaltbarer, zweistufiger Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine beschrieben ist. Die schaltbare, zweistufige Abgasturboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine besteht aus einem oberhalb eines Abgassammlers angeordneten Hochdrucklader mit einer mit dem Abgassammler abgasleitend verbundenen Hochdruckturbine, der ein Hochdruckbypass zugeordnet ist. Weiter weist die Anordnung einen unterhalb des Abgassammlers angeordneten Niederdrucklader mit einer am Abgassammler angeordneten Niederdruckturbine auf, der wiederum ein Niederdruckbypass zugeordnet ist. Die Hochdruckturbine ist hierbei über zumindest ein abgasführendes Rohr mit der Niederdruckturbine in Reihe verbunden. Gekennzeichnet ist diese Anordnung dadurch, dass das abgasführende Rohr mit zumindest einem Abschnitt annähernd senkrecht durch den Abgassammler von dessen Oberseite zu dessen Unterseite verläuft.
Auch wenn die gattungsgemäße Abgasturboladeranordnung keine prinzipiellen Nachteile aufweist, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad für eine gattungsgemäße Abgasturboladeranordnung weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Aufgrund der erfindungsgemäßen „vertauschten” Strömungsführung, bei der der Bypasskanal und die Bypassklappe nun an der Außenseite des Turbinengehäuses angeordnet ist, wird die Verbindungsleitung, welche von der Hochdruckturbine kommt, umgelenkt. Durch die vertauschte Anordnung muss der Hauptabgasmassenstrom, welcher über den Bypasskanal einströmt, nicht mehr umgelenkt werden. Durch diese Strömungsführung ergibt sich ein höherer Turbinenwirkungsgrad aufgrund geringerer Strömungsverluste des Abgases. Dies macht sich in vorteilhafter Weise durch einen höheren Gesamtwirkungsgrad des Aufladesystems bemerkbar. Durch diese Wirkungsgradsteigerung können folgende Funktionseigenschaften einer Brennkraftmaschine maßgeblich verbessert werden:

– Geringerer Verbrauch durch verbesserten Ladungswechsel,
– Höhere Drehmomente und Leistungen der Brennkraftmaschine durch verbesserten Wirkungsgrad,
– Verbessertes Dynamikverhalten durch spontanen Abgasturboladerhochlauf,
– Emissionsreduzierung beim Dieselmotor durch höhere Abgasrückführraten (AGR-Raten) bzw. höhere Ladedrücke.

Die Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche 2 bis 5 sind besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Im Folgenden ist die Erfindung in zwei Figuren anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Stufenaufladung für eine Brennkraftmaschine.
2 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Stufenaufladung für eine Brennkraftmaschine.
Im Folgenden gelten in den 1 und 2 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Stufenaufladung für eine Brennkraftmaschine. Die Stufenaufladung besteht im Wesentlichen aus einem Hochdruckabgasturbolader 1 mit einem Hochdruckturbinengehäuse 2 und einem Niederdruckturbolader 3 mit einem Niederdruckturbinengehäuse 4. Das Hochdruckturbinengehäuse 2 ist einerseits an einen Abgaskrümmer 5 der Brennkraftmaschine abgasführend anordenbar und das Niederdruckturbinengehäuse 4 andererseits an den Abgaskrümmer 5 abgasführend anordenbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Hochdruckturbinengehäuse 2 geodätisch oben und das Niederdruckturbinengehäuse 4 geodätisch unten an den Abgaskrümmer 5 angeordnet. Selbstverständlich kann die Anordnung auch gewechselt werden.
Ein Abgasauslass 2'' des Hochdruckturbinengehäuses 2 und ein Abgaseinlass 4' des Niederdruckturbinengehäuses 4 sind über eine Verbindungsleitung 8 abgasführend miteinander verbunden. Weiter ist ein Bypass 6 mit einer Bypassklappe 7 zum Öffnen und Verschließen des Bypasses 6 für das Hochdruckturbinengehäuse 2 vorgesehen. Mit dem Bypass 6 sind der Abgaskrümmer 5 und das Niederdruckturbinengehäuse 4 direkt, d. h. unter Umgehung der Hochdruckturbinengehäuses, abgasführend miteinander verbindbar, wobei bei geschlossenem Bypass 6 ein Abgas der Brennkraftmaschine aus dem Abgaskrümmer 5 kommend erst das Hochdruckturbinengehäuse 2 und anschließend das Niederdruckturbinengehäuse 4 durchflutet. Bei offenem Bypass 6 durchströmt das Abgas, abhängig von einem Öffnungswinkel der Bypassklappe 7, d. h. in unterschiedlichen Abgasmassenverteilungen, das Niederdruckturbinengehäuse 4 direkt und das Hochdruckturbinengehäuse 2 und anschließend das Niederdruckturbinengehäuse 4.
Erfindungsgemäß sind ein Teil des Bypasses 6 und die Bypassklappe 7 auf der, dem Abgaskrümmer 5 zugewandten Seite im Niederdruckturbinengehäuse 4 angeordnet. Das heißt, der Bypass 6 ist gegenüber dem Stand der Technik abgaskrümmernah und die Verbindungsleitung 8 zwischen dem Hochdruckturbinengehäuse 2 und dem Niederdruckturbinengehäuse 4 ist abgaskrümmerfern angeordnet. Dies ist die sog. gegenüber dem Stand der Technik „vertauschte” Strömungsführung, die im Wesentlichen die Wirkungsgradsteigerung der Stufenaufladung ermöglicht.
Weiter ist eine Trennebene 9 zwischen dem Abgaskrümmer 5 und dem Niederdruckturbinengehäuse 4 in einem Winkel zwischen 15° und 75° zu einer Hauptströmrichtung des Abgases durch den Bypass ausgerichtet. Die Hauptströmungsrichtungen des Abgases sind durch Pfeile symbolisch dargestellt. Durch diese angewinkelte Ausgestaltung ist es möglich, dass die geschlossene Bypassklappe 7 zu mindestens 80% in dem Niederdruckturbinengehäuse 4 versenkbar ist, um die Strömungsverluste nochmals zu minimieren. Weiter sind das Hochdruckturbinengehäuse 2 und das Niederdruckturbinengehäuse 4, wie aus 2 ersichtlich ist, entlang einer Brennkraftmaschinen-Längsachse zueinander versetzt an den Abgaskrümmer 5 angeordnet, wodurch ebenfalls nochmals die Strömungsverluste minimiert werden.
2 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Stufenaufladung für eine Brennkraftmaschine. Zentrisch in 2 ist horizontal der Abgaskrümmer 5 angeordnet. Geodätisch oben ist der Hochdruckabgasturbolader 1 und geodätisch unten ist der Niederdruckabgasturbolader 3 an den Abgaskrümmer 5 angeordnet. Die für die Stufenaufladung notwendige Verbindungsleitung 8 verbindet den Abgasauslass 2'' des Hochdruckabgasturboladers 1 mit dem Abgaseinlass 4' des Niederdruckabgasturboladers 3. Im Gegensatz zu 1 sind auch die jeweiligen nicht separat bezifferten Hochdruck- und Niederdruckverdichter der Abgasturbolader 1 und 3 dargestellt. Zwei Stellorgane zur Betätigung von Drosselelementen, wie z. B. Klappen, sind mit 10 beziffert. Wie bereits dargestellt ist es auch möglich, den Niederdruckturbolader 3 geodätisch oben und den Hochdruckabgasturbolader 1 geodätisch unten an den Abgaskrümmer 5 anzuordnen.
Weiter ist aus 2 ersichtlich, dass das Hochdruckturbinengehäuse 2 und das Niederdruckturbinengehäuse 4 entlang der Brennkraftmaschinen-Längsachse (Haupterstreckungsrichtung des Abgaskrümmers 5 entlang von Abgasauslässen von Zylindern) zueinander versetzt an den Abgaskrümmer 5 angeordnet sind. Durch die Auftrennung der Abgasauslässe vom Abgaskrümmer 5 zu den Turbinengehäusen der Abgasturbolader 1, 3 kann eine strömungsoptimierte Abgaskrümmergeometrie umgesetzt werden. Die Hochdruckturbine ist gegenüber dem Stand der Technik um eine Zylindereinheit verschoben, damit die getrennten Abgasauslässe des Abgaskrümmers für das Niederdruck- und Hochdruckturbinengehäuse 2, 4 realisiert werden können. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann auch die Niederdruckturbine verschoben werden. Auch eine Verschiebung um mehr oder weniger als eine Zylindereinheit entlang der Brennkraftmaschinen-Längsachse ist möglich.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgasturboladeranordnung können die Strömungsverluste durch die Abgasführung deutlich verringert werden. Dies macht sich durch einen höheren Gesamtwirkungsgrad des Aufladesystems bemerkbar. Durch diese Wirkungsgradsteigerung können folgende Funktionseigenschaften einer Brennkraftmaschine maßgeblich verbessert werden:

– Geringer Verbrauch durch verbesserten Ladungswechsel,
– Höhere Drehmomente und Leistungen für die Brennkraftmaschine durch den verbesserten Wirkungsgrad der Turboladeranordnung,
– Verbessertes Dynamikverhalten durch spontanen Abgasturboladerhochlauf,
– Emissionsreduzierung beim Dieselmotor durch höhere AGR-Raten (Abgasrückführraten) bzw. höhere Ladedrücke.

Bezugszeichenliste

1: Hochdruckabgasturbolader
2: Hochdruckturbinengehäuse
2'': Abgasauslass
3: Niederdruckturbolader
4: Niederdruckturbinengehäuse
4': Abgaseinlass
5: Abgaskrümmer
6: Bypass
7: Bypassklappe
8: Verbindungsleitung
9: Trennebene
10: Stellelement

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

DE 10230934 B4 [0002]

Claims

Stufenaufladung für eine Brennkraftmaschine, mit einem Hochdruckabgasturbolader (1) mit einem Hochdruckturbinengehäuse (2) und mit eifern Niederdruckturbolader (3) mit einem Niederdruckturbinengehäuse (4), wobei das Hochdruckturbinengehäuse (2) einerseits an einen Abgaskrümmer (5) der Brennkraftmaschine abgasführend anordenbar und das Niederdruckturbinengehäuse (4) andererseits an den Abgaskrümmer (5) abgasführend anordenbar ist und wobei ein Abgasauslass (2'') des Hochdruckturbinengehäuses (2) und ein Abgaseinlass (4') des Niederdruckturbinengehäuses (4) abgasführend miteinander verbunden sind und wobei ein Bypass (6) mit einer Bypassklappe (7) zum Öffnen und Verschließen des Bypasses (6) für das Hochdruckturbinengehäuse (2) vorgesehen ist, mit dem der Abgaskrümmer (5) und das Niederdruckturbinengehäuse (4) abgasführend verbindbar sind und wobei bei geschlossenem Bypass (6) ein Abgas der Brennkraftmaschine aus dem Abgaskrümmer (5) kommend erst das Hockruckturbinengehäuse (2) und anschließend das Niederdruckturbinengehäuse (4) durchflutet und bei offenem Bypass (6) das Abgas, abhängig von einem Öffnungswinkel der Bypassklappe (7), das Niederdruckturbinengehäuse (4) direkt und das Hockruckturbinengehäuse (2) und anschließend das Niederdruckturbinengehäuse (4) durchflutet, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassklappe (7) auf der, dem Abgaskrümmer (5) zugewandten Seite im Niederdruckturbinengehäuse (4) angeordnet ist.
Stufenaufladung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (6) abgaskrümmernah und eine Verbindungsleitung (8) zwischen dem Hochdruckturbinengehäuse (2) und dem Niederdruckturbinengehäuse (4) abgaskrümmerfern angeordnet sind.
Stufenaufladung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennebene (9) zwischen dem Abgaskrümmer (5) und dem Niederdruckturbinengehäuse (4) einen Winkel zwischen 15° und 75° zu einer Hauptströmrichtung des Abgases durch den Bypass (6) bildet.
Stufenaufladung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Bypassklappe (7) zu mindestens 80% in dem Niederdruckturbinengehäuse (4) versenkbar ist.
Stufenaufladung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckturbinengehäuse (2) und das Niederdruckturbinengehäuse (4) entlang einer Brennkraftmaschinenlängsachse zueinander versetzt an den Abgaskrümmer (5) angeordnet sind.