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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrstufiges Turboladersystem für Verbrennungsmotoren, und insbesondere ein mehrstufiges Turboladersystem mit zumindest zwei Turboladern, die in Serie verbunden sind.
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In einem als sequenzielles Turboladersystem bekannten zweistufigen Turboladersystem sind ein Hochdruckturbolader und ein Niederdruckturbolader in einem Einlass- und Auslasssystem eines Motors vorgesehen. Die Strömungsrate des jedem Turbolader zugeführten Abgases wird gemäß der Drehzahl des Motors geregelt. Bei einem solchen zweistufigen Turboladersystem wird der Hochdruckturbolader mit relativ geringer Kapazität benutzt, wenn die Drehzahl des Motors niedrig ist, und der Niederdruckturbolader mit größerer Kapazität als der Hochdruckturbolader wird benutzt, wenn die Drehzahl des Motors hoch ist, so dass bei einem breiten Drehzahlbereich des Motors eine hohe Ladeeffizienz erzielt werden kann.
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Ein mehrstufiges Turboladersystem erfordert relativ viel Platz, weil es zwei Turbolader und die Rohrleitung zwischen den zwei Turboladern enthält. Insbesondere ist ein mehrstufiges Turboladersystem notwendigerweise mit einem Bypasskanal ausgestattet, um die Auswahl zwischen dem Hochdruckturbolader und dem Niederdruckturbolader in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors zu erlauben, sowie einem Aktuator zum Antreiben eines Bypassventils, das in dem Bypasskanal vorgesehen ist, so dass eine kompakte Konstruktion eines mehrstufigen Turboladersystems eine große Herausforderung darstellt.
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Gemäß der
JP 2011-174425 A sind die Drehmittellinien des Hochdruckturboladers und des Niederdruckturboladers parallel zueinander angeordnet, und das Turbinengehäuse jedes Turboladers ist so angeordnet, dass es dem Kompressorgehäuse des anderen Turboladers entlang der Drehmittellinie entspricht. Insbesondere ist, zu dem Zweck, eine kompakte Konstruktion des mehrstufigen Turboladersystems zu erzielen, das Turbinengehäuse des Niederdruckturboladers von dem Turbinengehäuse des Hochdruckturboladers versetzt, so dass eine gegenseitige Störung der breitesten Teile des Turboladers vermieden wird und die Drehmittellinien der zwei Turbolader so nahe aneinander wie möglich gebracht werden können.
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In einem solchen mehrstufigen Turboladersystem ist die Freiheit bei der Anordnung des Aktuators zum Aktivieren des Bypassventils im Hinblick auf die kompakte Konstruktion des gesamten Systems begrenzt, und der Aktuator zum Betätigen des Bypassventils des Auslasskanals muss an den benachbarten Teil des Turbinengehäuses oder des Auslasskanals angebracht werden. Daher wird unvermeidlich die Wärme von dem Abgas, das durch das Turbinengehäuse und den Auslasskanal fließt, auf den Aktuator übertragen, und es ist viel Sorgfalt erforderlich, um eine etwaige Verformung oder Verschlechterung des Aktuators aufgrund der Wärme zu verhindern, was den stabilen oder richtigen Betrieb des Bypassventils beeinträchtigen könnte. Insbesondere werden in Turboladersystemen häufig Aktuatoren verwendet, die eine Membran enthalten, und die Membran ist auf Beschädigungen durch Wärme besonders empfindlich.
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Die
DE 10 2011 105 041 B4 offenbart eine Schmiervorrichtung für einen Turbolader eines Motors für ein Fahrzeug, wobei ein erster Turbolader und ein zweiter Turbolader an einer Seitenwand des Motors vorgesehen sind und der zweite Turbolader oberhalb des Niveaus des ersten Turboladers angeordnet ist.
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Die
DE 42 09 526 C2 offenbart eine Kraftübertragungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, bei dem Motor und Getriebe hintereinander, sowie insgesamt quer ausgerichtet, angeordnet sind.
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Die
JP 2010-150955 A offenbart einen Abgashauptdurchgangsabschnitt, welcher Abgas von einem Abgassammelteil, der von einer Mehrzahl von Zylindern abgegebenes Abgas zusammenführt, zu einer zweiten Turbine leitet. Der Abgashauptdurchgangsabschnitt erstreckt sich in einer Richtung, die in Bezug auf den Verbrennungsmotorkörper getrennt ist, von dem Abgassammelteil in einer Position, welche an einer Seite in einer Zylinderreihenrichtung in Bezug auf die Zwischentrennlinie einer Zylinderreihe abweicht. Eine erste Turbine ist in der Zylinderreihenrichtung weiter außen angeordnet als der Abgashauptdurchgangsabschnitt und die zweite Turbine ist nahe der oberen Seite des Abgashauptdurchgangsabschnitts angeordnet.
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Die
JP S63-246415 A offenbart eine Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Sekundärkompressor, der einen Sekundäreinlasskanal mit einem Umgehungskanal aufweist, der sowohl eine Einlassöffnung zur stromabwärtigen Seite des Sekundäreinlasskanals als auch ein Absperrventil aufweist, das durch einen Druckanstieg an der stromabwärtigen Seite geschlossen wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein mehrstufiges Turboladersystem anzugeben, das besonders kompakt ist und frei von den nachteiligen Einflüssen der Abgaswärme auf den im System enthaltenen Aktuator ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein mehrstufiges Turboladersystem gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung angegeben.
Gemäß dieser Anordnung ist der Aktuatorhauptkörper nicht an dem Hochdruckturbinengehäuse oder dem Niederdruckturbinengehäuse, durch die das Abgas fließt, vorgesehen, sondern an dem Hochdruckkompressorgehäuse oder dem Niederdruckkompressorgehäuse, durch die Einlassluft in den Motor fließt, so dass der Bypassventil-Aktuator vor der Abgaswärme geschützt wird. Daher wird der Bypassventil-Aktuator weniger Abgaswärme ausgesetzt, und kann in zuverlässiger Weise eine verlängerte Zeitdauer arbeiten, ohne dass er thermisch beschädigt oder verschlechtert wird.
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Weil sich das Ausgangselement zwischen dem Hoch- und dem Niederdruckturbolader in Bezug auf die vertikale Richtung und parallel zu den Drehmittellinien des Hoch- und des Niederdruckturboladers erstreckt, fügt das Ausgangselement nichts zum Außenprofil des mehrstufigen Turboladersystems hinzu, so dass das mehrstufige Turboladersystem als besonders kompakte Einheit konstruiert und angebracht werden kann.
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Der Bypassventil-Aktuator enthält typischerweise eine Membran, die einen Innenraum des Hauptkörpers in zwei Kammern unterteilt, und das Ausgangselement an seinem Ende mit der Membran und an seinem anderen Ende mit dem Bypassventil verbunden ist.
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Weil der Bypassventil-Aktuator vor den thermischen Einflüssen des Abgases geschützt ist, kann der Bypassventil-Aktuator genau und zuverlässig arbeiten, auch wenn der Bypassventil-Aktuator mit einer Membran versehen ist, die wärmeempfindlich sein kann.
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Der Hochdruckturbolader kann eine in dem Hochdruckturbinengehäuse vorgesehene Düsenflügelverstelleinheit sowie einen Düsenflügelverstelleinheit-Aktuator zum Aktivieren der Düsenflügelverstelleinheit enthalten, und dieser Düsenflügelverstelleinheit-Aktuator kann einen zweiten Hauptkörper, der an dem ersten Kompressorgehäuse oder dem zweiten Kompressorgehäuse angebracht ist, sowie ein zweites Ausgangselement, das an diesem Hauptkörper beweglich gelagert und mit der Düsenflügelverstelleinheit verbunden ist, enthalten.
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Gemäß dieser Anordnung wird auch der Düsenflügelverstelleinheit-Aktuator für den Antrieb der Düsenflügelverstelleinheit weniger der Abgaswärme ausgesetzt, und kann in zuverlässiger Weise für eine verlängerte Zeitdauer arbeiten, ohne dass er thermisch beschädigt oder verschlechtert wird.
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Weil sich das Ausgangselement zwischen den ersten und zweiten Turboladern in Bezug auf die vertikale Richtung und parallel zu den Drehmittellinien der ersten und zweiten Turbolader erstreckt, fügt das Ausgangselement nichts zum Außenprofil des mehrstufigen Turboladersystems hinzu, so dass das mehrstufige Turboladersystem als besonders kompakte Einheit konstruiert und angebracht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung sieht ferner einen Verbrennungsmotor vor, der einen Motorhauptkörper und das vorstehende mehrstufige Turboladersystem enthält, wobei der Motorhauptkörper an einem Fahrzeugkörper quer und nach hinten geneigt angebracht ist, so dass seine Auslassseite nach vorne weist und seine Einlassseite nach hinten weist, und der Niederdruckturbolader vor dem Motorhauptkörper höher und weiter hinten als der erste Turbolader angeordnet ist, wobei der Bypassventil-Aktuator über dem Hochdruckturbolader und vor dem Niederdruckturbolader angeordnet ist.
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Weil der Hoch- und der Niederdruckturbolader entlang der Vorderseite des nach hinten geneigten Motorhauptkörpers angeordnet werden können, kann der Bypassventil-Aktuator bequem in einem Raum oder einer Vertiefung angeordnet werden, die oberhalb des Hochdruckturbolader und vor dem Niederdruckturbolader definiert ist, so dass der Verbrennungsmotor in besonders kompakter Weise mit einem mehrstufigen Turboladersystem ausgestattet werden kann.
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Mit der vorstehenden Struktur können die thermischen Einflüsse auf den Aktuator des mehrstufigen Turboladersystems minimiert werden.
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Ein mehrstufiges Turboladersystem für einen Kraftfahrzeugverbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
- 1 ist eine Vorderansicht eines die Erfindung verkörpernden Verbrennungsmotors;
- 2 ist eine linke Seitenansicht des Verbrennungsmotors;
- 3 zeigt schematisch ein die Erfindung verkörperndes mehrstufiges Turboladersystem;
- 4 ist eine Vorderansicht des mehrstufigen Turboladersystems;
- 5 ist eine rechte Seitenansicht des mehrstufigen Turboladersystems;
- 6 ist eine linke Seitenansicht des mehrstufigen Turboladersystems; und
- 7 ist eine Schnittansicht eines in der dargestellten Ausführung verwendeten Aktuators.
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1 ist eine Vorderansicht eines Verbrennungsmotors, der mit einem die Erfindung verkörpernden Turboladersystem ausgestattet ist, und 2 ist eine linke Seitenansicht des Verbrennungsmotors. In Bezug auf die 1 und 2 enthält der Verbrennungsmotor 1 einen Motorhauptkörper 2. Der Motorhauptkörper kann einen Benzinmotor oder einen Dieselmotor darstellen. Der Motorhauptkörper 2 enthält eine Mehrzahl von in einer einzelnen Reihe angeordneten Zylinder und ist am Fahrzeugkörper in einer seitlichen Konfiguration so angebracht, dass sich die Zylinderreihe quer zum Fahrzeugkörper erstreckt. Der Motorhauptkörper 2 enthält eine Ölwanne 5, einen Zylinderblock 6, einen Zylinderkopf 7 und einen Kopfdeckel 8, von der Unter- zur Oberseite des Motors in dieser Reihenfolge. Der Motorhauptkörper 2 ist am Fahrzeugkörper derart angebracht, dass seine Zylinderachslinie A in Bezug auf die vertikale (senkrechte) Linie B mit einem Winkel θ nach hinten gekippt ist. Der Zylinderblock 6 enthält ein Kurbelgehäuse 6A, das an seinem unteren Teil sowohl nach vorne als auch nach hinten vorsteht. Am linken Ende des Zylinderblocks 6 ist eine Getriebeeinheit 9 angebracht.
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Der Zylinderkopf 7 ist mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung ausgebildet, die jeweils mit im Zylinderblock 6 ausgebildeten Zylindern in Verbindung stehen. Die Auslassöffnungen öffnen sich zur Vorderseite des Zylinderkopfs 7, und die Einlassöffnungen öffnen sich zur Rückseite des Zylinderkopfs 7.
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An der Vorderseite des Zylinderkopfs 7 ist ein Auslasskrümmer 11 angebracht, der mit den Auslassöffnungen in Verbindung steht. Das stromabwärtige Ende des Auslasskrümmers 11 ist mit einem mehrstufigen Turboladersystem 12 ausgestattet.
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Falls die Auslassöffnungen innerhalb des Zylinderkopfs 7 zusammenfließen, ist der Auslasskrümmer 11 einstückig mit dem Zylinderkopf 7 ausgebildet, und das mehrstufige Turboladersystem 12 ist direkt an dem Zylinderkopf 7 angebracht. Das stromabwärtige Ende des mehrstufigen Turboladersystems 12 ist mit einem katalytischen Wandler 13 verbunden, und das stromabwärtige Ende des katalytischen Wandlers 13 ist mit einem DPF, einer NOx Reinigungsvorrichtung und einem Schalldämpfer in Serie verbunden.
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Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, ist an der Rückseite des Zylinderkopfs 7 ein Einlasskrümmer angebracht, der mit den Einlassöffnungen in Verbindung steht. Das stromaufwärtige Ende des Einlasskrümmers ist mit einem Drosselventil, einem Ladeluftkühler, dem Einlassende des mehrstufigen Turboladersystems 12, einem Luftfilter und einem Lufteinlass in Serie verbunden.
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Wie in 1 gezeigt, ist eine Batterie 15 am Fahrzeugkörper oberhalb der Getriebeeinheit 9 und links des Zylinderkopfs 7 befestigt, in Betrachtung von der Vorderseite. Zwischen dem Zylinderkopf 7 und der Batterie 5 ist eine Lücke definiert. Wie in 2 gezeigt, ist ein Kühler 17 vor dem Motorhauptkörper 2 angeordnet. Der Kühler 17 enthält eine Wärmeaustauschereinheit 17A, einschließlich einem gerippten Wasserrohr, das sich in einem Schlangenweg erstreckt, oder einer Mehrzahl von gerippten Wasserrohren, die sich parallel zueinander erstrecken, welche in jedem Fall in einer Ebene angeordnet sind; sowie eine Gebläseeinheit 17B, die hier aus einer kastenförmigen Axialgebläseeinheit besteht, um der Wärmetauschereinheit 17A einen Luftfluss zuzuführen, und unmittelbar hinter der Wärmetauschereinheit 17A angeordnet ist. Die Gebläseeinheit 17B ist vor dem Motorhauptkörper 2 angeordnet, wobei sich dessen Drehmittellinie in der Fahrzeuglängsrichtung erstreckt, und die Wärmetauschereinheit 17A ist vor der Gebläseeinheit 17B angeordnet, wobei sich dessen Hauptebene orthogonal zur Drehmittellinie der Gebläseeinheit 17B erstreckt. Die Gebläseeinheit 17B ist mit einer Abschirmung versehen, die das hintere Ende der Wärmetauschereinheit 17A und das Gebläse selbst abdeckt. Die Gebläseeinheit 17B ist insgesamt kastenförmig, mit einer relativ kleinen Abmessung in der Fahrzeuglängsrichtung. Weil das untere Teil des Zylinderblocks als das Kurbelgehäuse 6a ausgebildet ist, das sowohl in Richtung nach vorne als auch nach hinten vorsteht, und weil der Motorhauptkörper 2 nach hinten geneigt ist, ist eine Lücke 18, die zwischen der Vorderseite des Motorhauptkörpers 2 und der Gebläseeinheit 17B erzeugt wird, in ihrem oberen Teil breiter als in ihrem unteren Teil, bei Betrachtung von der Seite her.
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Eine Motorhaube 19 ist an der Fahrzeugkarosserie oberhalb des Kühlers 17 und des Motorhauptkörpers 2 angebracht und schließt das obere Ende der Lücke 18. Die Batterie 15 ist an der linken Seite der Lücke 18 angeordnet, und der katalytische Wandler 13 ist an der rechten Seite der Lücke 18 angeordnet. In anderen Worten, die Lücke 18 kann als Raum betrachtet werden, der von dem Motorhauptkörper 12, dem Kühler 17, der Motorhaube 19, der Batterie 15 und dem katalytischen Wandler 3 umgeben ist. Die Lücke 18 nimmt darin das mehrstufige Turboladersystem 12 auf.
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3 zeigt schematisch ein mehrstufiges Turboladersystem 12, das die vorliegende Erfindung verkörpert, und die 4 bis 6 sind jeweilige vordere, rechte und linke Seitenansichten des mehrstufigen Turboladersystems 12. Wie in den 1 bis 6 gezeigt, enthält das mehrstufige Turboladersystem 12 einen Hochdruckturbolader (ersten Turbolader) 21 und einen Niederdruckturbolader (zweiten Turbolader) 22, und bildet ein sequenzielles Turboladersystem.
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Wie in 3 gezeigt, enthält der Hochdruckturbolader 21 eine Hochdruckstufenwelle 24, die an ihrem beiden axialen Enden einen Hochdruckturbinenrotor 25 und einen Hochdruckkompressorrotor 26 trägt, ein Hochdruckturbinengehäuse (erstes Turbinengehäuse) 27, das den Hochdruckturbinenrotor 25 darin aufnimmt, ein Hochdruckkompressorgehäuse (erstes Kompressorgehäuse) 28, das darin den Hochdruckkompressorrotor 26 aufnimmt, sowie ein Hochdruckstufenlagergehäuse 29, das das Hochdruckturbinengehäuse 27 und das Hochdruckkompressorgehäuse 26 miteinander verbindet und die Hochdruckstufenwelle 24 drehbar lagert. Das Hochdruckturbinengehäuse 27 und das Hochdruckkompressorgehäuse 24 sind jeweils hohlscheibenförmig und mit den zwei axialen Enden des zylindrischen Hochdruckstufenlagergehäuses 29 koaxial verbunden (Achslinie C in 2).
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Der Hochdruckturbolader 21 enthält einen verstellbaren Turbolader, der mit einer Düsenflügelverstelleinheit 31 versehen ist, die eine Mehrzahl von verstellbaren Düsenflügeln innerhalb des Hochdruckturbinengehäuses 27 enthält. Die Düsenflügelverstelleinheit 31 wird von einem ersten Aktuator 32 betätigt, um die Querschnittsfläche des Strömungswegs vom Abgas in dem Hochdruckturbinengehäuse 27 zu verändern. Typischerweise reduziert die Düsenflügelverstelleinheit 31 die Querschnittsfläche des Strömungswegs vom Abgas, um die Ladewirkung zu verbessern, wenn die Drehzahl des Motors niedrig ist, und vergrößert die Querschnittsfläche des Strömungswegs des Abgases zum Reduzieren des Abgasgegendrucks und Reduzieren des Strömungswiderstands vom Abgas, wenn die Drehzahl des Motors hoch ist.
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Der Niederdruckturbolader 22 enthält eine Niederdruckstufenwelle 33, die an ihren beiden axialen Enden einen Niederdruckturbinenrotor 34 und einen Niederdruckkompressor 35 trägt, ein Niederdruckturbinengehäuse (zweites Turbinengehäuse) 36, das darin den Neiderdruckturbinenrotor 34 aufnimmt, ein Niederdruckkompressorgehäuse (zweites Kompressorgehäuse) 37, das darin den Niederdruckkompressorrotor 35 aufnimmt, und ein Niederdruckstufenlagergehäuse 38, das das Niederdruckturbinengehäuse 36 und das Niederdruckkompressorgehäuse 37 miteinander verbindet und die Niederdruckstufenwelle 33 drehbar lagert. Das Niederdruckturbinengehäuse 36 und das Niederdruckkompressorgehäuse 37 sind jeweils hohlscheibenförmig und an den zwei axialen Enden des zylindrischen Niederdrucklagergehäuses 38 koaxial verbunden (Achslinie D in 2). Das Niederdruckturbinengehäuse 36 hat einen kleineren Durchmesser, und daher ein kleineres Volumen als das Niederdruckkompressorgehäuse 37. Auch hat das Niederdruckturbinengehäuse 36 einen größeren Durchmesser als das Hochdruckturbinengehäuse 27.
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Das stromabwärtige Ende eines ersten Abgaskanalelements 41, das aus einem rohrförmigen Teil besteht und als Einlass für das Abgas dient, ist tangential mit dem Außenumfangsteil des Hochdruckturbinengehäuses 27 verbunden. Das stromaufwärtige Ende eines Abgasverbindungskanalelements 42, das aus einem rohrförmigen Teil besteht und als Auslass für das Abgas dient, ist mit einer Seite des mittleren Teils des Hochdruckturbinengehäuses 27 so verbunden, dass es von dem Hochdruckstufenlagergehäuse 29 weg weist. Das stromanbwärtige Ende des Abgasverbindungskanalelements 42 ist tangential mit dem Außenumfangsteil des Niederdruckturbinengehäuses 36 verbunden, so dass es als Abgaseinlasskanal für das Niederdruckturbinengehäuse 36 dient. Das stromabwärtige Ende des zweiten Abgaskanalelements 43, das aus einem rohrförmigen Teil besteht und als Auslass für das Abgas dient, ist mit der Seite des mittleren Teils des Niederdruckturbinengehäuses 36 so verbunden, dass es von dem Niederdruckstufenlagergehäuse 38 weg weist.
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Das erste Abgaskanalelement 41 und das Abgasverbindungskanalelement 42 sind über ein Abgasbypasskanalelement 44 miteinander verbunden, das das Hochdruckturbinengehäuse 27 umgeht. Das Abgasbypasskanalelement 44 kann mit dem Abgasverbindungskanalelement 42 in beliebiger Weise verbunden sein. Zum Beispiel kann das stromabwärtige Ende des Abgasbypasskanalelements 44 mit dem Außenumfangsteil des Niederdruckturbinengehäuses 36 verbunden sein, und das stromabwärtige Ende des Abgaskanalverbindungselements 42 kann mit dem Abgasbypasskanalelement 44 verbunden sein. Es besteht auch die Möglichkeit, das Abgasbypasskanalelement 44 und das Abgasverbindungskanalelement 42 einzeln mit unterschiedlichen Teilen vom Außenumfang des Niederdruckturbinengehäuses 36 zu verbinden.
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Das Abgasbypasskanalelement 44 enthält ein Abgasbypassventil 45, das aus einem Schwenkventil (Tellerventil) besteht und durch einen zweiten Aktuator 46 betätigt wird.
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Wie in 5 gezeigt, ist das stromaufwärtige Ende des ersten Abgaskanalelements 41 mit einem Verbindungsflansch 47 versehen. Durch Anbringen des Verbindungsflanschs 47 am stromabwärtigen Endes des Auslasskrümmers 11 stehen die Kanäle, die im Inneren durch den Auslasskrümmer 11 und das erste Auslasskanalelement 41 definiert sind, miteinander in Verbindung. Das stromabwärtige Ende des zweiten Auslasskanalelements 43 ist mit einem Verbindungsflansch 48 versehen. Durch Anbringen des Verbindungsflanschs 48 am stromaufwärtigen Ende des katalytischen Wandlers 13 stehen die Kanäle, die innen durch das zweite Auslasskanalelement 43 und den katalytischen Wandler 13 definiert sind, miteinander in Verbindung.
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Das Niederdruckturbinengehäuse 36 ist mit einem Abblas-(Wast Gate)-Ventilkanal 51 versehen, das das Auslassverbindungskanalelement 42 direkt mit dem zweiten Auslasskanalelement 43 verbindet, indem es das Innere des Niederdruckturbinengehäuses 36 umgeht. Der Abblasventilkanal 51 ist mit einem Abblasventil 52 versehen, das die Strömungsrate des Abgases einstellt, welches in den Abblasventilkanal 51 fließt, und daher die Strömungsrate des Abgases, das in das Niederdruckturbinengehäuse 36 fließt. Das Abblasventil 52 wird von einem dritten Aktuator 54 betätigt.
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Das stromabwärtige Ende des ersten Einlasskanalelements 61, das als Einlass für die Einlassluft dient, ist mit der Seite des zentralen Teils des Niederdruckkompressorgehäuses 37 verbunden, so dass es von dem Niederdrucklagergehäuse 38 weg weist, und das stromaufwärtige Ende eines Einlassverbindungskanalelements 62, das als Auslass für die Einlassluft dient, ist mit einer Seite des zentralen Teils des Niederdruckkompressorgehäuses 37 verbunden, so dass es von dem Niederdrucklagergehäuse 38 weg weist. Das stromabwärtige Ende des Einlassverbindungskanalelements 62, das als Einlass für die Einlassluft dient, ist mit einer Seite des zentralen Teils des Hochdruckkompressorgehäuses 28 verbunden, und das stromaufwärtige Ende des zweiten Einlasskanalelements 63, das als Auslass für die Einlassluft dient, ist mit einem Umfangsteil des Hochdruckkompressorgehäuses 28 verbunden. Das stromaufwärtige Ende des Einlasskanalelements 61 ist mit dem stromabwärtigen Ende eines Luftfilters verbunden, und das stromabwärtige Ende des zweiten Einlasskanalelements 63 ist mit den Einlassöffnungen des Zylinderkopfs 7 verbunden, während der Ladeluftkühler und der Einlasskrümmer in dieser Reihenfolge dazwischen geschaltet sind.
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Das Einlassverbindungskanalelement 62 und das zweite Einlasskanalelement 63 sind über ein Einlassbypasskanalelement 64 miteinander verbunden, welches das Hochdruckkompressorgehäuse 38 umgeht. Das Einlassbypasskanalelement 64 enthält ein Einlassbypassventil 65, das aus einem Schwenkventil besteht und von einem vierten Aktuator 66 betätigt wird. Das Einlassbypassventil 65 stellt die Menge der Einlasströmung in das Einlassbypasskanalelement 64 ein, und daher die Menge der Einlassströmung in das Hochdruckkompressorgehäuse 28.
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Wie in 4 gezeigt, sind der Hochdruckturbolader 21 und der Niederdurckturbolader 22 derart angeordnet, dass die Achslinie C der Hochdruckstufenwelle 24 und die Achslinie D der Niederdruckstufenwelle 33 sich parallel zueinander und in der seitlichen Richtung erstrecken. Auch ist das Hochdruckturbinengehäuse 27 an der gleichen Seite des Hochdruckkompressorgehäuses 28 vorgesehen wie die Seite des Niederdruckkompressorgehäuses 37, an der das Niederdruckturbinengehäuse 36 vorgesehen ist. Der Hochdruckturbolader 21 ist niedriger angeordnet als der Niederdruckturbolader 22 und ist, in Bezug auf die Achsrichtung C, weiter nach links versetzt als der Niederdruckturbolader 22. Das Hochdruckturbinengehäuse 27 und das Niederdruckkompressorgehäuse 37 sind so angeordnet, dass sie, bei Betrachtung in Vorderansicht, einander vertikal überlappen. Der Hochdruckturbolader 21 ist relativ zum Niederdruckturbolader 22 derart angeordnet, dass das Teil des Hochdruckkompressorgehäuses 28 mit dem größten Durchmesser und das Teil des Niederdruckkompressorgehäuses 37 mit dem größten Durchmesser einander nicht stören, indem diese Teile entlang der Richtung der Achslinie C voneinander versetzt angeordnet sind. Wie in den 5 und 6 gezeigt, ist der Hochdruckturbolader 21 weiter vorne angeordnet als der Niederdruckturbolader 22. Infolgedessen kann das mehrstufige Turboladersystem entlang der Vorderseite des Motorhauptköropers 2, der nach hinten gekippt ist, angeordnet werden und in der Lücke 18 untergebracht werden, welche zwischen dem Kühler 17 und der Vorderseite des Motorhauptkörpers 2 definiert ist.
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In der oben beschriebenen Anordnung ist der Hochdruckturbolader 21 so nahe wie möglich an dem Niederdruckturbolader 22 angeordnet, ohne das Einlassverbindungskanalelement 62 und das Auslassverbindungskanalelement 42 übermäßig zu krümmen, so dass die Außenkontur des mehrstufigen Turboladersystems minimiert werden kann.
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Der erste Aktuator 32 zum Antrieb der Düsenflügelverstelleinheit 31, der zweite Aktuator 46 zum Antrieb des Auslassbypassventils 45, der dritte Aktuator 54 zum Antrieb des Auslassventils 52 und der vierte Aktuator 66 zum Antrieb des Einlassbypassventils 65 bestehen jeweils aus einem Membranaktuator. Da die Strukturen dieser Aktuatoren 32, 46, 54 und 66 grundlegend gleich sind, wird im Folgenden nur einer von diesen beschrieben. Die verschiedenen Komponenten dieser Aktuatoren 32, 46, 54 und 66 sind mit den gleichen Bezugszeichen und den enstprechenden Suffixen A, B, C und D bezeichnet, um anzuzeigen, zu welchem der Aktuatoren sie gehören, aber diese Suffixe können auch weggelassen werden, wenn einer der Aktuatoren 32, 46, 54 und 66 allgemein beschrieben wird.
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7 ist eine Schnittansicht von einem der Aktuatoren, die in der dargestellten Ausführung allgemein verwendet werden. Der Aktuator 32, 46, 54, 66 enthält einen hohlen Hauptkörper 71, der eine Innenkammer definiert, eine Membran 74, die die Innenkammer des Hauptkörpers 71 und eine erste Kammer 72 und eine zweite Kammer 73 unterteilt, eine Stange (Ausgangselement) 75, deren eines Ende in die erste Kammer 72 des Hauptkörpers 71 vorsteht und deren anderes Ende aus dem Hauptkörper 71 vorsteht, sowie eine Druckschraubenfeder 76, die die erste Kammer 72 zwischen den Hauptkörper 71 und die Membran 74 eingefügt ist und die Membran 74 in der Richtung vorspannt, mit der die Stange 75 in den Hauptkörper 71 gedrückt wird.
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Wenn komprimierte Luft der zweiten Kammer 73 des Aktuators 32, 46, 54, 66 zugeführt wird, verbiegt sich die Membran 74 gegen die Vorspannkraft der Druckschraubenfeder 76, so dass das Volumen in der zweiten Kammer 73 zunimmt und die Stange 75 weiter aus dem Hauptkörper 71 vorsteht. Das freie Ende (Außenende) der Stange 75 ist, je nachdem, mit der Düsenflügelverstelleinheit 31, dem Auslassbypassventil 45, dem Abblasventil 52 oder dem Einlassbypassventil 65 jeweils über einen Gestängemechanismus 78 verbunden. Da die komprimierte Luft dem Aktuator zugeführt und von dem Aktuator ausgeworfen wird, fährt die Stange 75 aus und ein, so dass die Düsenflügelverstelleinheit 31, das Auslassbypassventil 45, das Abblasventil 52 oder das Einlassbypassventil 45 entsprechend betätigt werden.
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Wie in den 4 bis 6 gezeigt, wird der Hauptkörper 71A des ersten Aktuators 32 von einem Trägerelement 81A getragen, das wiederum an dem Hochdruckstufenkompressorgehäuse 28 angebracht ist. Der Hauptkörper 71 B des zweiten Aktuators 46 wird von einem Trägerelement 81 B getragen, das wiederum an dem Hochdruckkompressorgehäuse 28 angebracht ist. Der Hauptkörper 71D des vierten Aktuators 66 wird von einem Trägerelement 81D getragen, das wiederum an dem Hochdruckkompressorgehäuse 28 angebracht ist. Diese Trägerelemente 81A, 81 B und 81 D bestehen entweder aus Elementen, die von dem Hochdruckkompressorgehäuse 28 separat ausgebildet und daran angebracht sind, oder aus Teilen, die einstückig mit dem Hochdruckkompressorgehäuse 28 ausgebildet sind. Der Hauptkörper 71C des dritten Aktuators 54 wird von einem Trägerelement 81C getragen, das wiederum an dem Niederdruckkompressorgehäuse 37 angebracht ist. Dieses Trägerelement 81C kann entweder aus einem Element bestehen, das separat von dem Niederdruckkompressorgehäuse 37 ausgebildet und daran angebracht, oder ein Teil, das einstückig mit dem Niederdruckkompressorgehäuse 37 ausgebildet ist.
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Der Hauptkörper 71B des zweiten Aktuators 46 ist höher als das Hochdruckkompressorgehäuse 28 (oder darüber) angeordnet, und links des Niederdruckkompressorgehäuses 37, bei Betrachtung in Vorderansicht gemäß 4. Der Hauptkörper 71B des zweiten Aktuators 46 ist höher als das Hochdruckkompressorgehäuse 28 (oder darüber) angeordnet und vor dem Niederdruckkompressorgehäuse 37, bei Betrachtung in linker Seitenansicht gemäß 6. Der Hauptkörper 71C des dritten Aktuators 54 ist über dem Hochdruckstufenlagergehäuse 29 und vor dem Niederdruckstufenkompressorgehäuse 37 angeordnet, bei Betrachtung in Vorderansicht gemäß 4. Der Hauptkörper 71C des dritten Aktuators 46 ist höher als das Hochdruckkompressorgehäuse 28 (oder darüber) angeordnet und vor dem Niederdruckkompressorgehäuse 37, bei Betrachtung in linker Seitenansicht gemäß 6. Wie in den 4 und 6 gezeigt, ist der Hauptkörper 71B des zweiten Aktuators 46 niedriger als der und vor dem und links des Hauptkörpers 71C des dritten Aktuators 54 angeordnet.
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Die Stange 75B des zweiten Aktuators 46 und die Stange 75C des dritten Aktuators 54 erstrecken sich parallel zueinander und in der seitlichen Richtung. Bei Betrachtung in Vorderansicht von 4 erstrecken sich die Stangen 75B und 75C der zweiten und dritten Aktuatoren 46 und 54 parallel zu den Achslinien C und D der Hochdruckstufenwelle 24 und der Niederdruckstufenwelle 33 zwischen den Achslinien C und D (mit Bezug auf die vertikale Richtung).
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Wenn in dem mehrstufigen Turboladersystem 12 der dargestellten Ausführung die Drehzahl des Motors 1 niedrig ist, werden das Auslassbypassventil 45, das Abblasventil 54 und das Einlassbypassventil 65 vollständig geschlossen, so dass das Abgas frei durch das Hochdruckturbinengehäuse 27 und das Niederdruckturbinengehäuse 36 strömt, und die Einlassluft frei durch das Niederdruckkompressorgehäuse 37 und das Hochdruckkompressorgehäuse 28 fließt. Gleichzeitig wird die Düsenflügelverstelleinheit 31 verengt, um die Ladewirkung zu erhöhen. Weil unter diesen Umständen die Strömungsrate des Abgases relativ gering ist, ist hauptsächlich nur der Hochdruckturbolader 21 in Betrieb.
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Wenn die Drehzahl des Motors 1 von einem niedrigen Wert zu einem zwischenliegenden Wert ansteigt, wird die Düsenflügelverstelleinheit 31 weiter gemacht, um den Abgasgegendruck zu reduzieren. Mit zunehmender Drehzahl des Motors 1 wird, während das Abblasventil 54 und das Einlassbypassventil 65 geschlossen bleibt, der Öffnungsbetrag des Auslassbypassventils 45 verstellt und wird die Strömungsrate des in das Hochdruckturbinengehäuse 27 fließenden Abgases derart geregelt, dass der Ladedruck eine vorbeschriebene Obergrenze nicht überschreitet. Unter diesen Bedingungen sind sowohl der Hochdruckturbolader 21 als auch der Niederdruckturbolader 22 in Betrieb.
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Wenn die Drehzahl des Motors 1 von dem zwischenliegenden Wert zum hohen Wert ansteigt, wird, während das Auslassbypassventil 45 und das Einlassbypassventil 64 vollständig geöffnet sind, der Öffnungsbetrag des Abblasventils 54 verstellt und wird die Strömungsrate des in das Niederdruckturbinengehäuse 36 fließenden Abgases derart geregelt, dass der Ladedruck eine vorgeschriebene Obergrenze nicht überschreitet. Unter diesen Bedingungen ist hauptsächlich der Niederdruckturbolader22 in Betrieb. Somit kann das mehrstufige Turboladersystem 12 der dargestellten Ausführung gewünschte Ladedrücke über einen weiten Bereich von Motordrehzahlen liefern.
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Weil in der dargestellten Ausführung jeder Aktuator 32, 46, 54, 66 nicht an dem Hochdruckturbinengehäuse 27 oder dem Niederdruckturbinengehäuse 36 angebracht ist, sondern über das entsprechende Trägerelement 81 an dem Hochdruckkompressorgehäuse 28 oder dem Niederdruckkompressorgehäuse 37 wird verhindert, dass der Aktuator 32, 46, 54, 66 durch das Abgas thermisch beeinflusst wird, das durch das mehrstufige Turboladersystem 12 hindurch fließt. Mit anderen Worten, es wird effektiv verhindert, dass die Aktuatoren 32, 46, 54 und 66 einer möglichen Beschädigung unterliegen, die andernfalls durch die Abgaswärme verursacht werden könnte. Insbesondere weil in der dargestellten Ausführung jeder Aktuator 32, 46, 54, 66 mit einer Membran 74 versehen ist, die bekanntermaßen relativ wärmeempfindlich ist, trägt die Temperatursenkung jedes Aktuators 32, 46, 54, 66 signifikant dazu bei, die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Aktuators 32, 46, 54, 66 zu erhöhen.
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Weil der Hochdruckturbolader 21 höher angeordnet ist als der Niederdruckturbolader 22 und hinter diesem, und die zweiten und dritten Aktuatoren 46 und 54 in einem Raum angeordnet sind, der vor dem Niederdruckturbolader 22 und oberhalb des Hochdruckturboladers 21 definiert ist, kann das mehrstufige Turboladersystem 21 als hochkompakte Einheit ausgebildet werden. Weil ferner der Niederdruckturbolader 22 höher als der Hochdruckturbolader 21 und hinter diesem angeordnet ist, kann das mehrstufige Turboladersystem 12 günstig entlang der Vorderseite des nach hinten geneigten Motorhauptkörpers 2 in der Lücke 18 angeordnet werden, die vor dem Motorhauptkörper 2 definiert ist.
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Da in diesem mehrstufigen Turboladersystem 12 die Richtung, in der das Hochdruckturbinengehäuse 27 relativ zu dem Hochdruckkompressorgehäuse 28 vorgesehen ist, gleich der Richtung ist, in der das Niederdruckturbinengehäuse 36 relativ zum Niederdruckkompressorgehäuse 37 vorgesehen ist, können das Hochdruckturbinengehäuse 27 und das Niederdruckturbinengehäuse 36 sehr nahe beieinander angeordnet werden, und können das Hochdruckkompressorgehäuse 28 und das Niederdruckkompressorgehäuse 37 sehr nahe beieinander angeordnet werden, so dass die Längen des Abgasverbindungskanalelements 42 und des Einlassverbindungskanalelements 62 minimiert werden können. Auch die Tatsache, dass der Hochdruckturbolader 21 von dem Niederdruckturbolader 22 axial derart versetzt ist, dass das Hochdruckturbinengehäuse 27 zwischen dem Niederdruckturbinengehäuse 36 und dem Niederdruckkompressorgehäuse 37 angeordnet ist, und das Niederdruckkompressorgehäuse 37 zwischen dem Hochdruckturbinengehäuse 27 und dem Hochdruckkompressorgehäuse 28 angeordnet ist, trägt zur kompakten Konstruktion des mehrstufigen Turboladersystems 12 bei.
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Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf eine bestimmte Ausführung beschrieben worden, aber die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführung beschränkt und kann in unterschiedlicher Weise verändert und modifiziert werden, ohne von der Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können zumindest einige des ersten Auslasskanalelements 41, des Hochdruckturbinengehäuses 27, des Auslassverbindungskanalelements 42, des Auslassbypasskanalelements 44, des Niederdruckturbinengehäuses 36, des zweiten Auslasskanalelements 43 und des Abblasventilkanals 51 einstückig gegossen werden. Auch können der Hauptkörper 71 von jedem der Aktuatoren 32, 46, 54 und 66 über ein Trägerelement 81 an zumindest einem des Hochdruckkompressorgehäuses 28, des Niederdruckkompressorgehäuses 37, des ersten Einlasskanalelements 61, des Einlassverbindungskanalelements 62, des zweiten Einlasskanalelements 63 und des Einlassbypasskanalelements 64, durch die die Einlassluft fließt, angebracht werden, ohne von der Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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In einem mehrstufigen Turboladersystem (12) eines Kraftfahrzeugs, das einen Hochdruckturbolader (21) und einen Niederdruckturbolader (22) enthält, enthält ein Aktuator (46) für ein Bypassventil (45), das in einem Bypasskanal (44) des Turbinengehäuses (27) des Hochdruckturboladers (21) vorgesehen ist, einen Hauptkörper (71B), der an dem Kompressorgehäuse (28) des Hochdruckturboladers (21) oder des Niederdruckturboladers (22) angebracht ist, durch den, anstelle des Abgases, die Motoreinlassluft fließt. Daher wird der Aktuator (46) weniger der Abgaswärme ausgesetzt und kann für eine verlängerte Zeitdauer zuverlässig arbeiten, ohne dass er thermisch beschädigt oder verschlechtert wird.
