DE102016200327A1 - Exhaust Turbo Charger for an Internal combustion engine - Google Patents

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Stefan Leopold Ablinger
Herbert Berger
Peter Raschl
Peter Staub
Thomas Waldhäusl
Anton Rudelstorfer
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Abstract

Abgasturbo-Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einem Hochdruck-Abgasturbolader mit einer in einem Abgasstrang angeordneten Hochdruck-Turbine und einem in einem Ansaugsystem angeordneten Hochdruck-Verdichter und mit einem Niederdruck-Abgasturbolader mit einer in dem Abgasstrang angeordneten Niederdruck-Turbine und einem in dem Ansaugsystem angeordneten Niederdruck-Verdichter, wobei zuerst der Niederdruck-Verdichter und dann der Hochdruck-Verdichter von einer Verbrennungsluft durchströmbar ist, die anschließend in die Brennkraftmaschine gefördert wird und anschließend als Abgas zuerst durch die Hochdruck-Turbine und anschließend durch die Niederdruck-Turbine strömbar ist, wobei in der Niederdruck-Turbine ein Strömungsleitelement vorgesehen ist, wobei das Strömungsleitelement als eine variable Turbinen-Geometrie (VTG) aus einer Mehrzahl einzelner radial außen und schwenkbeweglich um ein Niederdruck-Turbinenrad in der Niederdruck-Turbine angeordneten Leitschaufeln dargestellt ist und wobei der Abgasstrang zwischen der Brennkraftmaschine und vor der Hochdruck-Turbine über eine Hochdruck-Abgasrückführleitung mit dem Ansaugsystem nach dem Hochdruck-Verdichter und vor der Brennkraftmaschine verbindbar ist, wobei in der Hochdruck-Abgasrückführleitung ein erster Wärmetauscher angeordnet ist.An exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, comprising a high pressure turbocharger having a high pressure turbine disposed in an exhaust line and a high pressure compressor disposed in an intake system and a low pressure exhaust gas turbocharger having a low pressure turbine disposed in the exhaust line and one in the intake system arranged low-pressure compressor, wherein first of the low-pressure compressor and then the high-pressure compressor is flowed through by a combustion air, which is then fed into the internal combustion engine and then as exhaust gas first through the high-pressure turbine and then through the low-pressure turbine is flowable, wherein in the low-pressure turbine, a flow guide is provided, wherein the flow guide as a variable turbine geometry (VTG) of a plurality of individual radially outwardly and pivotally mounted about a low-pressure turbine wheel in the low-pressure turbine vanes is shown and wherein the exhaust gas line between the engine and before the high-pressure turbine via a high-pressure exhaust gas recirculation line to the intake system to the high-pressure compressor and before the internal combustion engine is connectable, wherein in the high-pressure exhaust gas recirculation line, a first heat exchanger is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasturbo-Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to an exhaust gas turbocharger charging device for an internal combustion engine with the features of the preamble of patent claim 1.

Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die Deutsche Offenlegungsschrift DE 102 35 531 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Abgasturbo-Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Hochdruck-Abgasturbolader mit einer in dem Abgasstrang angeordneten Hochdruck-Turbine und einem in dem Ansaugsystem angeordneten Hochdruck-Verdichter und mit einem Niederdruck-Abgasturbolader mit einer in dem Abgasstrang angeordneten Niederdruck-Turbine und einem in dem Ansaugsystem angeordneten Niederdruck-Verdichter, wobei zuerst der Niederdruck-Verdichter und dann der Hochdruck-Verdichter von der Verbrennungsluft durchströmbar ist, die anschließend in die Brennkraftmaschine gefördert wird und anschließend als Abgas zuerst durch die Hochdruck-Turbine und dann durch die Niederdruck-Turbine strömt. Weiter weisen der Hochdruck-Verdichter und die Hochdruck-Turbine jeweils einen Bypass mit einem Stellglied auf. For technical environment is for example on the German disclosure DE 102 35 531 A1 pointed. From this publication, an exhaust gas turbocharger charging device for an internal combustion engine is known, comprising a high-pressure turbocharger having a high-pressure turbine arranged in the exhaust line and a high-pressure compressor arranged in the intake system and a low-pressure turbocharger having a low-pressure exhaust gas arranged in the exhaust system. Turbine and arranged in the intake low-pressure compressor, wherein first of the low-pressure compressor and then the high-pressure compressor is flowed through by the combustion air, which is then fed into the internal combustion engine and then as exhaust first through the high-pressure turbine and then through the Low-pressure turbine flows. Furthermore, the high-pressure compressor and the high-pressure turbine each have a bypass with an actuator.

Weiter ist aus der japanischen Offenlegungsschrift SHO-JP-62-000625 A , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, eine Abgasturbo-Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Hochdruck-Abgasturbolader mit einer in dem Abgasstrang angeordneten Hochdruck-Turbine und einem in dem Ansaugsystem angeordneten Hochdruck-Verdichter und mit einem Niederdruck-Abgasturbolader mit einer in dem Abgasstrang angeordneten Niederdruck-Turbine und einem in dem Ansaugsystem angeordneten Niederdruck-Verdichter, wobei zuerst der Niederdruck-Verdichter und dann der Hochdruck-Verdichter von der Verbrennungsluft durchströmbar ist, die anschließend in die Brennkraftmaschine gefördert wird und anschließend als Abgas zuerst durch die Hochdruck-Turbine und anschließend durch die Niederdruck-Turbine strömt, wobei in der Niederdruck-Turbine ein einzelnes Strömungsleitelement vorgesehen ist, mit dem eine Tumble-Strömung einstellbar ist. Weiter weist die bekannte Brennkraftmaschine jeweils einen Bypass für den Hochdruck-Verdichter, die Hochdruck-Turbine und die Niederdruck-Turbine auf. Next is from the Japanese Laid-Open Patent SHO-JP-62-000625 A , from which the present invention proceeds, known an exhaust gas turbocharger charging device for an internal combustion engine, comprising a high pressure turbocharger with a arranged in the exhaust line high pressure turbine and arranged in the intake high pressure compressor and with a low pressure exhaust gas turbocharger with a in the Exhaust line arranged low-pressure turbine and arranged in the intake low-pressure compressor, wherein first the low-pressure compressor and then the high-pressure compressor can be flowed through by the combustion air, which is then fed into the internal combustion engine and then as exhaust first through the high-pressure turbine and then flows through the low-pressure turbine, wherein in the low-pressure turbine, a single flow guide is provided with a tumble flow is adjustable. Next, the known internal combustion engine each have a bypass for the high-pressure compressor, the high-pressure turbine and the low-pressure turbine.

Nachteilig am bekannten Stand der Technik ist, vor allem mit einstufiger Aufladung bzw. Mono VTG (Variable Turbinen Geometrie), dass in gewissen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine nahe der Volllast kaum Spülgefälle für eine ausreichende Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) vorhanden ist. Um in diesen Betriebsbereichen Hochdruck-AGR einzusetzen müsste das Spülgefälle durch Drosseln erreicht werden. Dies führt in negativer Weise zu Verbrauchsnachteilen. Alternativ bietet eine zusätzliche Niederdruck-AGR (ND-AGR) die Möglichkeit, in diesen speziellen Betriebsbereichen die Brennkraftmaschine mit Niederdruck-AGR zu versorgen. Die zusätzliche Niederdruck-AGR stellt allerdings einen beträchtlichen baulichen und somit finanziellen Aufwand dar und hat darüber hinaus den Nachteil, dass sie vor allem bei hohen Lasten zu sehr hohen Verdichter-Austrittstemperaturen führt und somit wiederum nur beschränkt eingesetzt werden kann. A disadvantage of the known state of the art, especially with single-stage turbocharger or mono VTG (Variable Turbine Geometry), that in certain operating ranges of the internal combustion engine near the full load hardly purging gradient for sufficient high-pressure exhaust gas recirculation (HD-EGR) is present. In order to use high-pressure EGR in these operating areas, the scavenging gradient would have to be achieved by throttling. This leads in a negative way to consumption disadvantages. Alternatively, an additional low-pressure EGR (ND-EGR) offers the possibility of supplying the internal combustion engine with low-pressure EGR in these special operating ranges. However, the additional low-pressure EGR represents a considerable structural and thus financial expense and has the additional disadvantage that it leads, especially at high loads to very high compressor outlet temperatures and thus again can only be used to a limited extent.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasturbo-Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine aufzuzeigen, die die oben genannten Nachteile vermeidet. Object of the present invention is to show an exhaust gas turbocharger charging device for an internal combustion engine, which avoids the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.  This object is solved by the features in the characterizing part of patent claim 1.

Vor allem der starre Hochdruck-Verdichter, ohne eine variable Geometrie, hat im Teillastbereich einen sehr guten Wirkungsgrad und kann auch in allen anderen Betriebsbereichen, inklusive der Volllast, ein ausreichendes Spülgefälle für die Hochdruck-AGR liefern. Zusätzlich kann der Ladedruck durch den guten Auflade-Wirkungsgrad aber auch durch einen baulich kleinen Hochdruck-Abgasturbolader deutlich angehoben werden, was wesentliche Verbrauchs- und Emissionsvorteile bringt. Diese sehr spezielle baulich kleine Auslegung des Hochdruck-Abgasturboladers ist nur durch die besondere Kombination mit einem Niederdruck-Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie (VTG) möglich. Durch eine VTG Niederdruckstufe kann sehr früh auch auf einen einstufigen Betrieb umgeschaltet werden, wenn die HD-Stufe zu klein wird. Especially the rigid high-pressure compressor, without a variable geometry, has a very good efficiency in the partial load range and can provide a sufficient purging gradient for the high-pressure EGR in all other operating ranges, including the full load. In addition, the boost pressure can be significantly increased by the good supercharging efficiency but also by a structurally small high-pressure exhaust gas turbocharger, which brings significant consumption and emission benefits. This very special structurally small design of the high-pressure exhaust gas turbocharger is only possible by the special combination with a low-pressure exhaust gas turbocharger with a variable turbine geometry (VTG). A VTG low-pressure stage can switch to a single-stage operation at a very early stage if the HD stage becomes too small.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben. Advantageous developments of the invention are described in subclaims.

Mit den Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 2 bis 5 wird eine deutlich bessere Regelbarkeit der Abgasturbo-Aufladevorrichtung erzielt. With the embodiments according to claims 2 to 5, a significantly better controllability of the exhaust gas turbocharger is achieved.

Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine sowie deren Leistung erhöht, da die Ansaugluft zwischengekühlt und somit der Füllgrad verbessert wird. With the embodiment according to claim 6, the efficiency of the internal combustion engine and its performance is increased, since the intake air is cooled and thus the degree of filling is improved.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 7 verstärkt den Effekt gemäß Patentanspruch 6 nochmals. The embodiment according to claim 7 reinforces the effect according to claim 6 again.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 8 verbessert nochmals die Regelung der Abgasturbo-Aufladevorrichtung. The embodiment according to claim 8 further improves the regulation of the exhaust gas turbocharger.

Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 9 kann die rückgeführte Abgasmasse je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eingeregelt werden. With the embodiment according to claim 9, the recirculated exhaust gas mass can be adjusted depending on the operating point of the internal combustion engine.

Mit den Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 10 bis 12 kann die Menge des rückgeführten Abgases, je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, nochmals weiter erhöht werden, was wiederum Verbrauchs- und Emissionsvorteile bringt. With the embodiments according to the claims 10 to 12, the amount of recirculated exhaust gas, depending on the operating point of the internal combustion engine, can be increased even further, which in turn brings consumption and emission benefits.

Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 13 werden die Abgase gereinigt, bevor sie über die Niederdruck-Abgasrückführleitung rückgeführt werden, so dass ein Versotten (teerartige Ablagerungen) der Verdichter vermieden ist. With the embodiment according to claim 13, the exhaust gases are purified before they are returned via the low-pressure exhaust gas recirculation line, so that a Versotten (tarry deposits) of the compressor is avoided.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand einer einzigen Figur näher erläutert. In the following, the invention is explained in more detail with reference to a single figure.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Abgasturbo-Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine. 1 shows an exhaust gas turbocharger charging device according to the invention for an internal combustion engine.

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abgasturbo-Aufladevorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine 2. Die Abgasturbo-Aufladevorrichtung 1 weist einen Hochdruck-Abgasturbolader 3 mit einer in einem Abgasstrang 4 angeordneten Hochdruck-Turbine 3‘ und einem in einem Ansaugsystem 5 angeordneten Hochdruck-Verdichter 3‘‘ auf, sowie einen Niederdruck-Abgasturbolader 6 mit einer in dem Abgasstrang 4 angeordneten Niederdruck-Turbine 6‘ und einem in dem Ansaugsystem 5 angeordneten Niederdruck-Verdichter 6‘‘. Eine Verbrennungsluft durchströmt zuerst den Niederdruck-Verdichter 6‘‘ und anschließend den Hochdruck-Verdichter 3‘‘ und wird dann in der Brennkraftmaschine 2 verbrannt und durchströmt als Abgas zuerst die Hochdruck-Turbine 3‘ und anschließend die Niederdruck-Turbine 6‘. 1 shows schematically an exhaust gas turbocharger according to the invention 1 for an internal combustion engine 2 , The turbocharger charger 1 has a high pressure exhaust gas turbocharger 3 with one in an exhaust system 4 arranged high-pressure turbine 3 ' and one in an intake system 5 arranged high-pressure compressor 3 '' on, as well as a low-pressure exhaust gas turbocharger 6 with one in the exhaust system 4 arranged low-pressure turbine 6 ' and one in the intake system 5 arranged low-pressure compressor 6 '' , A combustion air flows through the low-pressure compressor first 6 '' and then the high pressure compressor 3 '' and then in the internal combustion engine 2 burned and flows through as exhaust first the high-pressure turbine 3 ' and then the low-pressure turbine 6 ' ,

Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Niederdruck-Turbine 6‘ um eine Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie (VTG) die aus einer Mehrzahl einzelner radial außen und schwenkbeweglich um ein Niederdruck-Turbinenrad in der Niederdruck-Turbine 6‘‘ angeordneten Leitschaufeln dargestellt ist. Darüber hinaus ist der Abgasstrang 4 zwischen der Brennkraftmaschine 2 vor der Hochdruck-Turbine 3‘‘ über eine Hochdruck-Abgasrückführung 7 mit dem Ansaugsystem 5 nach dem Hochdruck-Verdichter 3‘ und vor der Brennkraftmaschine 2 verbindbar. Weiter ist in einer Hochdruck-Abgasrückführleitung 7 ein erster Wärmetauscher, ein Abgasrückführkühler 13, angeordnet. According to the invention, it is in the low-pressure turbine 6 ' to a turbine with a variable turbine geometry (VTG) consisting of a plurality of individual radially outward and pivotable about a low-pressure turbine wheel in the low-pressure turbine 6 '' arranged guide vanes is shown. In addition, the exhaust system 4 between the internal combustion engine 2 in front of the high-pressure turbine 3 '' via a high-pressure exhaust gas recirculation 7 with the intake system 5 after the high pressure compressor 3 ' and in front of the internal combustion engine 2 connectable. Next is in a high pressure exhaust gas recirculation line 7 a first heat exchanger, an exhaust gas recirculation cooler 13 arranged.

Ein VTG-Lader (Turbine mit variabler Turbinengeometrie) ist ein Abgasturbolader der wie ein üblicher Abgasturbolader ein Turbinenrad und ein Verdichterrad aufweist, die starr auf einer Welle miteinander verbunden sind. Der Unterschied zum starren Abgasturbolader liegt darin, dass der VTG-Lader auf der Eingangsseite der Turbine, erfindungsgemäß die Niederdruck-Turbine 6‘‘, eine Mehrzahl verstellbarer Leitschaufeln besitzt, die um das Turbinenrad radial außen herum angeordnet sind. Die Leitschaufeln sind üblicher Weise mit ihren Wellen auf einem Trägerring befestigt. Auf der Rückseite des Trägerrings haben die Wellen der Leitschaufeln einen Führungszapfen, die jeweils in einen Verstellring eingreifen. Alle Leitschaufeln werden somit gleichzeitig über den Verstellring verdreht. Der Verstellring wird entweder über einen elektrischen Stellmotor (E-Steller) oder durch eine Unterdruckdose in dem Turbinengehäuse gedreht. A VTG (turbocharger with variable turbine geometry) turbocharger is an exhaust gas turbocharger which, like a conventional turbocharger, has a turbine wheel and a compressor wheel which are rigidly connected to one another on a shaft. The difference to the rigid exhaust gas turbocharger is that the VTG supercharger on the input side of the turbine, according to the invention, the low-pressure turbine 6 '' , a plurality of adjustable vanes, which are arranged around the turbine radially outward. The vanes are usually mounted with their shafts on a support ring. On the back of the carrier ring, the shafts of the vanes have a guide pin, each engaging in an adjusting ring. All vanes are thus simultaneously rotated over the adjusting ring. The adjusting ring is rotated either by an electric servomotor (e-actuator) or by a vacuum box in the turbine housing.

Beim größten Unterdruck in der, außen am Abgasturbolader befestigten Unterdruckdose werden die Leitschaufeln über den Verstellring in ihre flachste Stellung gedreht. Bei niedrigem Unterdruck in der Unterdruckdruckdose werden die Leitschaufeln durch eine Feder in der Unterdruckdose in eine steilere Stellung gedreht. Die Verstellung bewirkt, dass das Turbinenrad immer bestmöglich durch das Abgas angeströmt wird, auch wenn stets eine variierende Abgasmasse zur Verfügung steht. Bei einer kleinen Abgasmenge werden die Leitschaufeln flach gestellt. Hieraus resultiert für die Abgase ein geringerer Strömungsquerschnitt an den Leitschaufeln. Damit in derselben Zeit die gleich Abgasmenge durch die Leitschaufeln strömen kann, muss die geringe Abgasmasse schneller strömen. Das führt zu einer schnelleren Anströmung des Turbinenrades und somit zu einer höheren Drehzahl des Turbinenrads, wodurch verdichterseitig mehr Verbrennungsluft gefördert wird und ein höherer Ladedruck für die Brennkraftmaschine bereitsteht. Das geschieht also beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen und Volllast, weil ein schneller „Ladedruckaufbau“ benötigt wird. Mit zunehmender Abgasmenge werden die Leitschaufeln steiler gestellt und der Strömungsquerschnitt für die Abgasmasse vergrößert sich, die Anströmung des Turbinenrades bleibt aber weiterhin weitgehend konstant und der Ladedruck, sowie die Turbinenleistung bleiben annähernd konstant. At the greatest negative pressure in the, attached to the exhaust gas turbocharger vacuum box, the vanes are rotated via the adjusting ring in its flattest position. At low vacuum in the vacuum pressure box, the vanes are rotated by a spring in the vacuum unit in a steeper position. The adjustment causes the turbine wheel is always best flows through the exhaust gas, even if there is always a varying exhaust gas mass available. With a small amount of exhaust gas, the vanes are flattened. This results in a lower flow cross section of the vanes for the exhaust gases. So that in the same time the same amount of exhaust gas can flow through the vanes, the low exhaust gas mass must flow faster. This leads to a faster flow of the turbine wheel and thus to a higher speed of the turbine wheel, which more compressor side combustion air is promoted and a higher boost pressure for the internal combustion engine is available. This happens, for example, at low speeds and full load, because a faster "boost pressure build-up" is needed. As the amount of exhaust gas increases, the guide vanes become steeper and the flow cross section for the exhaust gas mass increases, but the flow of the turbine wheel remains largely constant and the boost pressure and the turbine output remain approximately constant.

Weiter ist in 1 für den Hochdruck-Verdichter 3‘ ein erster Bypass 8 vorgesehen, mit dem das Ansaugsystem 5 in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft vor dem Hochdruck-Verdichter 3‘ und nach dem Hochdruck-Verdichter 3‘ gasführend verbindbar ist. Next is in 1 for the high pressure compressor 3 ' a first bypass 8th provided with the intake system 5 in the flow direction of the combustion air in front of the high-pressure compressor 3 ' and after the high-pressure compressor 3 ' Gas leading is connectable.

Darüber hinaus ist für den Niederdruck-Verdichter 6‘ ein zweiter Bypass 9 vorgesehen, mit dem der Niederdruck-Verdichter 6‘ umgehbar ist. In addition, for the low-pressure compressor 6 ' a second bypass 9 provided with the low-pressure compressor 6 ' is bypassable.

In diesem Ausführungsbeispiel ist auch für die Hochdruck-Turbine 3‘‘ ein dritter Bypass 10 vorgesehen, mit dem der Abgasstrang 4 in Strömungsrichtung des Abgases vor der Hochdruck-Turbine 3‘‘ und nach der Hochdruck-Turbine 3‘‘ abgasführend verbindbar ist. In this embodiment is also for the high pressure turbine 3 '' a third bypass 10 provided with the exhaust tract 4 in the flow direction of the exhaust gas in front of the high-pressure turbine 3 '' and after the high-pressure turbine 3 '' can be connected to the exhaust gas.

Auch für die Niederdruck-Turbine 6‘‘ ist ein vierter Bypass 11 vorgesehen, mit dem die Niederdruck-Turbine 6‘‘ umgehbar ist. Mit Hilfe dieser optionalen Bypässe 8, 9, 10 und 11 ist eine bessere Regelung der erfindungsgemäßen Abgasturbo-Aufladevorrichtung 1 möglich. Also for the low-pressure turbine 6 '' is a fourth bypass 11 provided with the low-pressure turbine 6 '' is bypassable. With the help of these optional bypasses 8th . 9 . 10 and 11 is a better regulation of the exhaust gas turbocharger according to the invention 1 possible.

Eine nochmalige Verbesserung der Regelungstrategie ist dadurch möglich, dass in dem ersten Bypass 8 ein erstes Absperrelement 14, und im zweiten Bypass 9 ein zweites Absperrelement 15, in einem dritten Bypass ein drittes Absperrelement 16 und im vierten Bypass 11 ein viertes Absperrelement 17 vorgesehen ist. Bei den Absperrelementen 14, 15, 16, 17 kann es sich beispielsweise um Abgasklappen oder Abgaswalzen handeln, die beispielsweise mittels Unterdruckdosen oder elektrisch verstellbar sind. A further improvement of the control strategy is possible because in the first bypass 8th a first shut-off element 14 , and in the second bypass 9 a second shut-off element 15 , in a third bypass, a third shut-off 16 and in the fourth bypass 11 a fourth shut-off element 17 is provided. At the shut-off elements 14 . 15 . 16 . 17 These may be, for example, exhaust gas flaps or exhaust gas cylinders, which can be adjusted for example by means of vacuum boxes or electrically.

Weiter ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem Ansaugsystem 5 zwischen dem Hochdruck-Verdichter 3‘ und der Brennkraftmaschine 2 ein erster Ladeluftkühler 12 angeordnet, um die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine durch kühlere, zugeführte Verbrennungsluft (besserer Füllgrad) zu verbessern. Further, in the present embodiment, in the intake system 5 between the high pressure compressor 3 ' and the internal combustion engine 2 a first intercooler 12 arranged to improve the performance and efficiency of the internal combustion engine by cooler, supplied combustion air (better degree of filling).

Optional kann in dem Ansaugsystem 5 auch zwischen dem Niederdruck-Verdichter 6‘ und dem Hochdruck-Verdichter 3' ein zweiter, in 1 nicht dargestellter Ladeluftkühler angeordnet sein, für eine weitere Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Optionally, in the intake system 5 also between the low-pressure compressor 6 ' and the high pressure compressor 3 ' a second, in 1 Not shown intercooler be arranged for a further increase in performance of the internal combustion engine.

Bevorzugt ist der Hochdruckabgasrückführleitung 7 ein fünftes Absperrelement 18 angeordnet, zur genauen Abgasmassenstromeinstellung des rückgeführten Abgases. In einer weiteren optionalen Ausbaustufe kann der Abgasstrang 4 in Strömungsrichtung des Abgases nach der Niederdruck-Turbine 6‘‘ und in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft vor dem Niederdruck-Verdichter 6‘ mit dem Ansaugsystem 5 mit einer Niederdruck-Abgasrückführleitung 19 abgasführend verbindbar sein. Mit dieser Konstellation kann die Menge des rückgeführten Abgases in einigen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine nochmals verbessert werden. The high pressure exhaust gas recirculation line is preferred 7 a fifth shut-off element 18 arranged for accurate exhaust gas mass flow adjustment of the recirculated exhaust gas. In a further optional expansion stage, the exhaust system 4 in the flow direction of the exhaust gas to the low-pressure turbine 6 '' and in the flow direction of the combustion air before the low-pressure compressor 6 ' with the intake system 5 with a low pressure exhaust gas recirculation line 19 be connectable exhaust gas. With this constellation, the amount of the recirculated exhaust gas can be further improved in some operating ranges of the internal combustion engine.

Bevorzugt sind in der Niederdruck-Abgasrückführleitung 19 ein zweiter Wärmetauscher 20 sowie ein sechstes Absperrelement 21 angeordnet. Preferred are in the low pressure exhaust gas recirculation line 19 a second heat exchanger 20 and a sixth shut-off element 21 arranged.

Bei Verwendung der Niederdruck-Abgasrückführleitung 19 ist bevorzugt zwischen der Niederdruck-Abgasrückführleitung 19 und der Niederdruck-Turbine 6‘‘ ein Partikelfilter 22, bevorzugt ein katalytisch beschichteter Partikelfilter (CSF) angeordnet. Durch diese Maßnahme wird sicher vermieden, dass Rußpartikel beladenes Abgas die Verdichter 6‘ und 3‘ versottet (mit Teerartigen Ablagerungen verunreinigt). When using the low-pressure exhaust gas recirculation line 19 is preferred between the low pressure exhaust gas recirculation line 19 and the low-pressure turbine 6 '' a particle filter 22 , Preferably, a catalytically coated particulate filter (CSF) arranged. By this measure is reliably avoided soot particles laden exhaust gas the compressor 6 ' and 3 ' spotted (contaminated with tarry deposits).

Insgesamt werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgasturbo-Aufladevorrichtung 1 die Emissionen sowie der Kraftstoffverbrauch deutlich gesenkt. Overall, the inventive design of the exhaust turbo-charging device 1 significantly reduced emissions and fuel consumption.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Abgasturbo-Aufladevorrichtung Exhaust gas turbo-charging
22
Brennkraftmaschine Internal combustion engine
33
Hochdruck-Abgasturbolader High-pressure turbocharger
3‘ 3 '
Hochdruck-Verdichter High pressure compressor
3‘‘ 3 ''
Hochdruck-Turbine High pressure turbine
44
Abgasstrang exhaust gas line
55
Ansaugsystem intake system
66
Niederdruck-Abgasturbolader Low-pressure turbocharger
6‘ 6 '
Niederdruck-Verdichter Low pressure compressor
6‘‘ 6 ''
Niederdruck-Turbine Low pressure turbine
77
Hochdruck-Abgasrückführleitung High-pressure exhaust gas recirculation line
88th
erster Bypass first bypass
99
zweiter Bypass second bypass
1010
dritter Bypass third bypass
1111
vierter Bypass fourth bypass
1212
erster Ladeluftkühler first intercooler
1313
zweiter Ladeluftkühler second intercooler
1414
erstes Absperrelement first shut-off element
1515
zweites Absperrelement second shut-off element
16 16
drittes Absperrelement third shut-off element
17 17
viertes Absperrelement fourth shut-off element
1818
fünftes Absperrelement  fifth shut-off element
1919
Niederdruck-Abgasrückführleitung  Low-pressure exhaust gas recirculation line
2020
zweiter Wärmetauscher second heat exchanger
2121
sechstes Absperrelement sixth shut-off element
2222
Partikelfilter particulate Filter
2323
siebtes Absperrelement seventh shut-off element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10235531 A1 [0002] DE 10235531 A1 [0002]
  • JP 62-000625 A [0003] JP 62-000625 A [0003]

Claims (13)

Abgasturbo-Aufladevorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine (2), mit einem Hochdruck-Abgasturbolader (3) mit einer in einem Abgasstrang (4) angeordneten Hochdruck-Turbine (3‘) und einem in einem Ansaugsystem (5) angeordneten Hochdruck-Verdichter (3‘‘) und mit einem Niederdruck-Abgasturbolader (6) mit einer in dem Abgasstrang (4) angeordneten Niederdruck-Turbine (6‘) und einem in dem Ansaugsystem (5) angeordneten Niederdruck-Verdichter (6‘‘), wobei zuerst der Niederdruck-Verdichter (6‘‘) und dann der Hochdruck-Verdichter (3‘‘) von einer Verbrennungsluft durchströmbar ist, die anschließend in die Brennkraftmaschine (2) gefördert wird und anschließend als Abgas zuerst durch die Hochdruck-Turbine (3‘) und anschließend durch die Niederdruck-Turbine (6‘) strömbar ist, wobei in der Niederdruck-Turbine (6‘) ein Strömungsleitelement vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement als eine variable Turbinen-Geometrie (VTG) aus einer Mehrzahl einzelner radial außen und schwenkbeweglich um ein Niederdruck-Turbinenrad in der Niederdruck-Turbine (6‘‘) angeordneten Leitschaufeln dargestellt ist und wobei der Abgasstrang (4) zwischen der Brennkraftmaschine (2) und vor der Hochdruck-Turbine (3‘‘) über eine Hochdruck-Abgasrückführleitung (7) mit dem Ansaugsystem (5) nach dem Hochdruck-Verdichter (3‘) und vor der Brennkraftmaschine (2) verbindbar ist, wobei in der Hochdruck-Abgasrückführleitung (7) ein erster Wärmetauscher (13) angeordnet ist. Exhaust Turbo Charger ( 1 ) for an internal combustion engine ( 2 ), with a high-pressure exhaust gas turbocharger ( 3 ) with one in an exhaust line ( 4 ) arranged high-pressure turbine ( 3 ' ) and one in an intake system ( 5 ) arranged high-pressure compressor ( 3 '' ) and with a low-pressure exhaust gas turbocharger ( 6 ) with a in the exhaust line ( 4 ) arranged low-pressure turbine ( 6 ' ) and one in the intake system ( 5 ) arranged low-pressure compressor ( 6 '' ), where first the low-pressure compressor ( 6 '' ) and then the high pressure compressor ( 3 '' ) is traversed by a combustion air, which then in the internal combustion engine ( 2 ) and then as exhaust gas first through the high pressure turbine ( 3 ' ) and then through the low-pressure turbine ( 6 ' ) is flowable, wherein in the low pressure turbine ( 6 ' ) a flow-guiding element is provided, characterized in that the flow-guiding element is designed as a variable turbine geometry (VTG) of a plurality of individual radially outwardly and pivotably about a low-pressure turbine wheel in the low-pressure turbine ( 6 '' ) arranged guide vanes is shown and wherein the exhaust gas line ( 4 ) between the internal combustion engine ( 2 ) and in front of the high-pressure turbine ( 3 '' ) via a high-pressure exhaust gas recirculation line ( 7 ) with the intake system ( 5 ) after the high-pressure compressor ( 3 ' ) and in front of the internal combustion engine ( 2 ) is connectable, wherein in the high-pressure exhaust gas recirculation line ( 7 ) a first heat exchanger ( 13 ) is arranged. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Hochruck-Verdichter (3‘) ein erster Bypass (8) vorgesehen ist, mit dem das Ansaugsystem (5) in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft vor dem Hochdruck-Verdichter (3‘) und nach dem Hochdruck-Verdichter (3‘) Gas führend verbindbar ist. Exhaust Turbo-charging device according to claim 1, characterized in that for the high-pressure compressor ( 3 ' ) a first bypass ( 8th ) is provided, with which the intake system ( 5 ) in the flow direction of the combustion air before the high-pressure compressor ( 3 ' ) and after the high-pressure compressor ( 3 ' ) Gas leader is connectable. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Niederdruck-Verdichter (6‘) ein zweiter Bypass (9) vorgesehen ist mit dem der Niederdruck-Verdichter (6‘) umgehbar ist. Exhaust turbo-charging device according to claim 1 or 2, characterized in that for the low-pressure compressor ( 6 ' ) a second bypass ( 9 ) is provided with the low-pressure compressor ( 6 ' ) is bypassable. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Hochruck-Turbine (3‘‘) ein dritter Bypass (10) vorgesehen ist, mit dem der Abgasstrang (4) in Strömungsrichtung des Abgas vor der Hochdruck-Turbine (3‘‘) und nach der Hochdruck-Turbine (3‘‘) Abgas führend verbindbar ist. Exhaust turbo-charging device according to one of the claims 1 to 3, characterized in that for the high-pressure turbine ( 3 '' ) a third bypass ( 10 ) is provided, with which the exhaust line ( 4 ) in the flow direction of the exhaust gas in front of the high pressure turbine ( 3 '' ) and after the high-pressure turbine ( 3 '' ) Exhaust leading is connectable. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Niederdruck-Turbine (6‘‘) ein vierter Bypass (11) vorgesehen ist mit dem die Niederdruck-Turbine (6‘‘) umgehbar ist. Exhaust turbo-charging device according to one of the claims 1 to 4, characterized in that for the low-pressure turbine ( 6 '' ) a fourth bypass ( 11 ) is provided with the low-pressure turbine ( 6 '' ) is bypassable. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ansaugsystem (5) zwischen dem Hochdruck-Verdichter (3‘) und der Brennkraftmaschine (2) ein erster Ladeluftkühler (12) angeordnet ist. Exhaust turbo-charging device according to one of the claims 1 to 5, characterized in that in the intake system ( 5 ) between the high pressure compressor ( 3 ' ) and the internal combustion engine ( 2 ) a first intercooler ( 12 ) is arranged. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ansaugsystem (5) zwischen dem Niederdruck-Verdichter (6‘) und dem Hochdruck-Verdichter (3‘) ein zweiter Ladeluftkühler angeordnet ist. Exhaust turbo-charging device according to one of the claims 1 to 6, characterized in that in the intake system ( 5 ) between the low-pressure compressor ( 6 ' ) and the high pressure compressor ( 3 ' ) A second intercooler is arranged. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten (8) und/oder dem zweiten (9) und/oder dem dritten (10) und/oder dem vierten Bypass (11) ein erstes (14) und/oder ein zweites (15) und/oder ein drittes (16) und/oder ein viertes Absperrelement (17) angeordnet ist. Exhaust Turbo-charging device according to one of the claims 1 to 7, characterized in that in the first ( 8th ) and / or the second ( 9 ) and / or the third ( 10 ) and / or the fourth bypass ( 11 ) a first ( 14 ) and / or a second ( 15 ) and / or a third ( 16 ) and / or a fourth shut-off element ( 17 ) is arranged. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruck-Abgasrückführleitung (7) ein fünftes Absperrelement (18) angeordnet ist. Exhaust turbo-charging device according to one of the claims 1 to 8, characterized in that in the high-pressure exhaust gas recirculation line ( 7 ) a fifth shut-off element ( 18 ) is arranged. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (4) in Strömungsrichtung des Abgases nach der Niederdruck-Turbine (6‘‘) und in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft vor dem Niederdruck-Verdichter (6‘) mit dem Ansaugsystem (5) mit einer Niederdruck-Abgasrückführleitung (19) Abgas führend verbindbar ist. Exhaust Turbo charging device according to one of the claims 1 to 9, characterized in that the exhaust gas line ( 4 ) in the flow direction of the exhaust gas after the low-pressure turbine ( 6 '' ) and in the flow direction of the combustion air before the low-pressure compressor ( 6 ' ) with the intake system ( 5 ) with a low-pressure exhaust gas recirculation line ( 19 ) Exhaust leading is connectable. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Niederdruck-Abgasrückführleitung (19) ein zweiter Wärmetauscher (20) angeordnet ist. Exhaust turbo-charging device according to claim 10, characterized in that in the low pressure exhaust gas recirculation line ( 19 ) a second heat exchanger ( 20 ) is arranged. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Niederdruck-Abgasrückführleitung (19) ein sechstes Absperrelement (21) angeordnet ist. Exhaust Turbo-charging device according to one of the claims 10 or 11, characterized in that in the low pressure exhaust gas recirculation line ( 19 ) a sixth shut-off element ( 21 ) is arranged. Abgasturbo-Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Niederdruck-Abgasrückführleitung (19) und der Niederdruck-Turbine (6‘‘) ein Partikelfilter (22) in dem Abgasstrang (4) angeordnet ist. Exhaust Turbo-charging device according to one of the claims 10 to 12, characterized in that between the low-pressure exhaust gas recirculation line ( 19 ) and the low-pressure turbine ( 6 '' ) a particle filter ( 22 ) in the exhaust gas line ( 4 ) is arranged.
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