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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Turbomotor. Ferner betrifft die Erfindung einen Turbomotor sowie ein Verfahren zum Kühlen eines Turboladers eines Turbomotors.
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Üblicherweise werden Turbolader bei Fahrzeugen eingesetzt, um eine Motorleistung zu erhöhen.
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Der Turbolader besteht aus einer Turbine, welche an einem Auslasskanal angeordnet ist, einem Kompressor, welcher an einem Einlasskanal angeordnet ist, und einer Kopplungswelle, welche die Turbine mit dem Kompressor koppelt, und ist dafür konfiguriert, eine Drehung der Turbine über die Kopplungswelle auf den Kompressor zu übertragen. Die Kopplungswelle dreht mit einer hohen Drehzahl, während sie Wärme von der Turbine empfängt, durch welche heißes Abgas strömt, und somit ist es notwendig, die Kopplungswelle und die die Kopplungswelle haltenden Lager vollständig zu kühlen.
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Die
JP 5 494 294 B2 offenbart ein Fahrzeug mit einem Turbomotor, bei dem ein Motorkühlmittel in ein Gehäuse geleitet wird, welches eine Kopplungswelle eines Turboladers beherbergt. Das Gehäuse, welche die Kopplungswelle beherbergt, kommuniziert mit einem in einem Motorkörper ausgebildeten Wassermantel, und das durch einen Kühler gekühlte Motorkühlmittel wird über den Wassermantel in das Gehäuse geleitet. Das Gehäuse kommuniziert ebenso mit einem oberen Behälter des Kühlers, und das Motorkühlmittel strömt, nachdem es die Kopplungswelle haltende Lager gekühlt hat, in den oberen Behälter und strömt dann zurück zu dem Kühler.
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Da das Motorkühlmittel bei einer relativ niedrigen Temperatur nahe 100°C siedet, kann die Struktur, bei der der Turbolader wie in der
JP 5 494 294 B2 offenbart durch das Motorkühlmittel gekühlt wird, bald nachdem der Motor nach einer Turbobetätigung angehalten wird, Dampf innerhalb des Gehäuses erzeugen, in welches das Motorkühlmittel geleitet wird. Wenn sich der Dampf in dem Gehäuse sammelt, erschwert dies das Einführen von frischem Motorkühlmittel, und die Lager der Kopplungswelle werden möglicherweise nicht vollständig gekühlt. Wenn der Dampf bei dem in der
JP 5 494 294 B2 offenbarten Fahrzeug aus dem Gehäuse ausgelassen werden soll, muss die Höhe der vertikalen Mitte des Gehäuses, d.h. die Höhe der axialen Mitte der Kopplungswelle unterhalb eines oberen Endes des oberen Behälters des Kühlers liegen. Selbst wenn eine Wasserpumpe, welche das Motorkühlmittel zwangsläufig zirkuliert, auf das Anhalten des Motors hin angehalten wird, bewegen sich das heiße Motorkühlmittel und der Dampf durch freie Konvektion aufwärts und werden dann von dem oberen Behälter des Kühlers aus ausgelassen, während kaltes Kühlmittel in den Raum um die Lager herum strömt, um das Blockieren (Festfressen) der Lager zu verhindern. Der Raum unter dem Turbolader wird jedoch um den Motorkörper herum kleiner, was zu einem geringeren Freiheitsgrad bei der Motorgestaltung führt.
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DE 100 61 846 A1 offenbart einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasturbine und einem von der Abgasturbine angetriebenen Verdichter, wobei die Abgasturbine ein Turbinengehäuse mit einem drehbar gelagerten Turbinenrad umfasst. Das Turbinengehäuse ist aus zwei beabstandeten Einzelteilen aus Blech aufgebaut, von denen eines eine Innenschale und eines eine Außenschale bildet, zwischen denen ein Zwischenraum ausgebildet ist.
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US 9 097 171 B2 offenbart eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Abgasturbolader und einem Thermosiphonsystem.
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DE 10 2008 062 145 A1 offenbart einen Kraftfahrzeugmotor mit einem Turbo-Superlader, in dem ein Kühler in einem vorderen Abschnitt eines Motorraums angeordnet ist, ein Motorhauptkörper an einer Rückseite des Kühlers in Richtung von der Vorderseite zur Rückseite des Fahrzeuges angeordnet ist, und der Turbo-Superlader und ein Katalysator oder Partikelfilter an einer Vorderseite des Motorhauptkörpers in Richtung von der Vorderseite zur Rückseite des Fahrzeuges angeordnet sind, so dass sie in vertikaler Richtung des Fahrzeuges übereinanderliegen, wobei, wenn der Motorraum von der Vorderseite in Richtung von der Vorderseite zur Rückseite des Fahrzeuges betrachtet wird, ein Raum zwischen einer oberen Oberfläche des Kühlers und einer unteren Oberfläche eines oberen Elements, das über dem Kühler angeordnet ist, gebildet wird, und der Turbo-Superlader an einer Position angeordnet ist, wo er von der oberen Oberfläche des Kühlers in vertikaler Richtung des Fahrzeuges nach oben ragt.
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GB 2 117 831 A beschreibt einen Turbolader mit Wärmeradiatorelementen.
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JP 2003 / 56 352 A beschreibt einen flüssigkeitsgekühlten Turbolader für ein Kraftfahrzeug.
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US 2015 / 0 052 891 A1 beschreibt eine Turboladervorrichtung mit zwei Turboladern.
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DE 10 2012 105 462 A1 offenbart eine Kühlvorrichtung für ein Fahrzeug, die folgendes aufweist: eine elektrische Luftverdichtungspumpe, die mittels Batterieleistung des Fahrzeugs verdichtete Luft erzeugt, einen Haupt-verdichtete-Luft-Behälter, der die von der elektrischen Luftverdichtungspumpe erzeugte verdichtete Luft speichert, ein verdichtete-Luft-Steuerventil, das mit dem Haupt-verdichtete-Luft-Behälter in Fluidverbindung ist und die an einen Kühler abzuleitende verdichtete Luft steuert, wenn eine Temperatur der Kühlflüssigkeit, die durch den Kühler strömt, einen vorbestimmten Wert überschreitet, und eine Luftverstärkungs-Zuführvorrichtung, die vor dem Kühler angeordnet ist und mit dem verdichtete-Luft-Steuerventil in Fluidverbindung ist, wobei die Luftverstärkungs-Zuführvorrichtung aus dem verdichtete-Luft-Steuerventil abgeleitete verdichtete Luft entlang einem Innenumfang der Luftverstärkungs-Zuführvorrichtung einleitet, so dass die aus dem verdichtete-Luft-Steuerventil abgeleitete verdichtete Luft in den Kühler eingespritzt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung ist angesichts der obigen Punkte konzipiert und stellt ein Fahrzeug mit einem Turbomotor bereit, welches einen Freiheitsgrad einer Gestaltung um einen Motorkörper herum erhöht, während der Turboblader ausreichend gekühlt wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Nach einem Aspekt dieser Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem Turbomotor bereitgestellt, welches einen Motorkörper, an dem zumindest ein Zylinder ausgebildet ist, einen Einlasskanal, in dem dem Motorkörper zuzuführende Ansaugluft strömt, einen Auslasskanal, in dem von dem Motorkörper abgegebenes Abgas strömt, mindestens einen Turbolader zum Verstärken bzw. Verdichten der dem Motor zugeführten Ansaugluft, und einen Kühler zum Kühlen von Motorkühlmittel zum Kühlen des Motorkörpers enthält. Der Kühler ist mit einer Kühleinheit zum Kühlen des Motorkühlmittels und einem oberen Behälter ausgestattet, welcher an einem oberen Teil der Kühleinheit angeordnet ist und in den das Motorkühlmittel nach Kühlen des Motorkörpers geleitet wird. Der Turbolader ist mit einer an dem Auslasskanal angeordneten Turbine, einem an dem Einlasskanal angeordneten Kompressor, einer die Turbine und den Kompressor verbindenden Kopplungswelle und mit die Kopplungswelle haltenden Lagern ausgestattet. Die Turbine ist mit einem Laufrad, welches durch eingeleitetes Abgas zu drehen ist, und einem das Laufrad aufnehmenden Turbinengehäuse ausgestattet. Der Turbolader ist vorzugsweise ölgekühlt, d.h. durch ein Schmiermittel gekühlt. Zumindest das Turbinengehäuse ist aus einem Metallblech ausgebildet. Die Kopplungswelle des Turboladers verläuft im Wesentlichen horizontal, und eine Höhe einer axialen Mitte der Kopplungswelle liegt über einer Höhe eines oberen Endes des oberen Behälters des Kühlers.
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Bei diesem Fahrzeug ist das Turbinengehäuse des Turboladers aus dem Metallblech ausgebildet, sodass dessen Wärmekapazität niedriger als für Gusseisen ist. Da die Wärmemenge, welche direkt nach Anhalten des Motors hauptsächlich von dem Turbinengehäuse auf die Lager übertragen wird, beträchtlich reduziert ist, wird folglich ein übermäßiger Temperaturanstieg der Lager eingeschränkt, ohne den Lagern Motorkühlmittel zuzuführen. Außerdem werden während des Betriebs des Motors die Lager ausreichend durch das Schmiermittel gekühlt, und der übermäßige Temperaturanstieg der Lager wird eingeschränkt. Da der übermäßige Temperaturanstieg der Lager eingeschränkt wird, ist es außerdem nicht notwendig, die axiale Mitte der Kopplungswelle unter dem oberen Ende des oberen Behälters des Kühlers anzuordnen. Daher werden die Lager des Turboladers ausreichend gekühlt, während der Turbolader an einer relativ hohen Position angeordnet ist, sodass die Höhe der axialen Mitte der Kopplungswelle über dem oberen Ende des oberen Behälters liegt. Folglich wird ein größerer Raum unter dem Turbolader um den Motorkörper sichergestellt, und damit erhöht sich ein Freiheitsgrad der Motorgestaltung.
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Der Turbolader kann hinter dem Motorkörper angeordnet sein, und der Motorkörper kann in einer derartigen Stellung an dem Fahrzeug montiert sein, dass ein oberer Teil einer Mittelachse des Zylinders nach hinten geneigt ist.
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Bei diesem Fahrzeug ist der Turbolader an einer relativ höheren Position gegenüber dem Motorkörper angeordnet, und die absolute Höhe des Turboladers ist niedrig gehalten. Daher ist ein größerer Raum unter dem Turbolader in dem Raum hinter dem Motorkörper sichergestellt, die Höhe des Turboladers ist niedrig gehalten und der Schwerpunkt des Motorkörpers ist abgesenkt.
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Erfindungsgemäß ist der Turbolader ein erster Turbolader, und das Fahrzeug hat ferner einen zweiten Turbolader, welcher unter dem ersten Turbolader angeordnet ist. Der zweite Turbolader ist mit einer an dem Auslasskanal angeordneten zweiten Turbine, einem an dem Einlasskanal angeordneten zweiten Kompressor, einer die zweite Turbine und den zweiten Kompressor verbindenden zweiten Kopplungswelle und mit die zweite Kopplungswelle haltenden zweiten Lagern ausgestattet. Die zweite Turbine ist mit einem Laufrad, welches durch eingeleitetes Abgas zu drehen ist, und einem das Laufrad aufnehmenden zweiten Turbinengehäuse ausgestattet. Das zweite Turbinengehäuse besteht aus Gusseisen, und eine Kapazität des Turbinengehäuses des ersten Turboladers ist größer als eine Kapazität des zweiten Turbinengehäuses des zweiten Turboladers.
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Bei diesem Fahrzeug ist der Raum unter dem ersten Turbolader wie oben beschrieben sichergestellt. Daher wird der zweite Turbolader auf geeignete Weise unter dem ersten Turbolader angeordnet, und diese beiden Turbolader werden zum Erhöhen der Turboladefunktion verwendet.
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Zudem ist das Turbinengehäuse des ersten Turboladers mit der größeren Kapazität aus dem Metallblech hergestellt, der zweite Turbolader mit der kleineren Kapazität ist aus Gusseisen hergestellt und ist unter dem ersten Turbolader angeordnet. Somit ist die Wärmekapazität des ersten Turbinengehäuses, welches eine große dem heißen Abgas ausgesetzte Oberfläche hat und dazu neigt, eine Temperaturerhöhung zu erfahren, klein gehalten, sodass die Menge der in dem ersten Turbinengehäuse gespeicherten Wärme reduziert wird. Folglich wird der übermäßige Temperaturanstieg der Lager des ersten Turboladers direkt nach Anhalten des Motors beendet, usw., ist eingeschränkt, während die Wärmekapazität des zweiten Turbinengehäuses des zweiten Turboladers klein gehalten wird, indem es aus Gusseisen ausgebildet ist und die Kapazität verringert wird, und der übermäßige Temperaturanstieg der zweiten Lager des zweiten Turboladers wird eingeschränkt. Da das zweite Turbinengehäuse des an der unteren Position angeordneten zweiten Turboladers aus Gusseisen besteht, um das Gewicht relativ zu erhöhen ist der Schwerpunkt des gesamten Motors sicher abgesenkt.
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Der zweite Turbolader verstärkt den Motor nur innerhalb eines Niedrigdrehzahlbereichs, in dem eine Motordrehzahl des Motorkörpers unterhalb einer bestimmten Referenzdrehzahl liegt, und der erste Turbolader verstärkt den Motor innerhalb eines Betriebsbereichs, welcher zumindest einen Hochdrehzahlbereich enthält, in dem die Motordrehzahl des Motorkörpers über der Referenzdrehzahl liegt. Die Turbolader sind nur durch das Schmiermittel gekühlt.
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Bei diesem Fahrzeug ist der Schwerpunkt des gesamten Motors abgesenkt, und die Temperaturen der Lager der Turbolader werden effektiver niedrig gehalten.
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Da beispielsweise eine Abgasdurchflussrate (eine Menge von Abgas, die pro Zeiteinheit strömt) innerhalb des Hochdrehzahlbereichs, in dem die Motordrehzahl hoch ist, zunimmt, neigt der Turbolader zu einer Temperaturerhöhung, wenn er den Motor innerhalb dieses Bereichs verstärkt. Bei diesem Fahrzeug jedoch wird innerhalb des Hochdrehzahlbereichs, in dem die Motordrehzahl hoch ist, das übermäßige Ansteigen der Temperatur des ersten Turboladers verhindert, da bei dem ersten Turbolader, welcher den Motor verstärkt, das Turbinengehäuse aus dem Metallblech besteht, sodass die Wärmekapazität reduziert ist. Wenn der Motor nach dem Betrieb in dem Hochdrehzahlbereich angehalten wird, ist daher die Menge der Wärme, die von dem Turbinengehäuse des ersten Turboladers an die Lager übertragen wird, reduziert, sodass der übermäßige Temperaturanstieg der Lager des ersten Turboladers eingeschränkt ist. Innerhalb des Niedrigdrehzahlbereichs dagegen, in dem die Motordrehzahl niedrig ist und die Temperatur des Abgases (d.h. die Temperatur des Turboladers) leicht niedrig zu halten ist, verstärkt der zweite Turbolader, welcher das zweite Turbinengehäuse hat, das aus Gusseisen besteht und die kleine Kapazität hat, sodass der übermäßige Anstieg der Wärmekapazität eingeschränkt ist, den Motor. Daher ist ebenfalls der übermäßige Temperaturanstieg der Lager des zweiten Turboladers eingeschränkt.
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Da das zweite Turbinengehäuse des zweiten Turboladers aus Gusseisen mit einer relativ hohen Wärmekapazität besteht, wird außerdem ein übermäßiger Temperaturabfall des zweiten Turbinengehäuses eingeschränkt. Daher wird eine Verringerung der Verstärkungsleistung des zweiten Turboladers, welche durch den übermäßigen Temperaturabfall hervorgerufen wird, innerhalb des Niedrigdrehzahlbereichs eingeschränkt, sodass die hohe Verstärkungsleistung sichergestellt ist.
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Erfindungsgemäß ist der Turbolader ein erster Turbolader, und das Fahrzeug hat ferner einen zweiten Turbolader, welcher unter dem ersten Turbolader angeordnet ist. Der zweite Turbolader ist mit einer an dem Auslasskanal angeordneten zweiten Turbine, einem an dem Einlasskanal angeordneten zweiten Kompressor, einer die zweite Turbine und den zweiten Kompressor verbindenden zweiten Kopplungswelle und mit die zweite Kopplungswelle haltenden zweiten Lagern ausgestattet. Die zweite Turbine ist mit einem Laufrad, welches durch eingeleitetes Abgas zu drehen ist, und einem das Laufrad aufnehmenden zweiten Turbinengehäuse ausgestattet. Das zweite Turbinengehäuse besteht aus Gusseisen. Der zweite Turbolader verstärkt den Motor nur innerhalb eines Betriebsbereichs, in dem eine Abgasdurchflussrate unter einer bestimmten Referenzdurchflussrate liegt, und der erste Turbolader verstärkt den Motor innerhalb eines Betriebsbereichs, welcher zumindest den Betriebsbereich enthält, in dem die Abgasdurchflussrate die Referenzdurchflussrate übersteigt.
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Bei diesem Fahrzeug ist der zweite Turbolader auf geeignete Art und Weise unter dem ersten Turbolader angeordnet, und diese zwei Turbolader werden zum Erhöhen der Turbofunktion verwendet.
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Außerdem ist das Turbinengehäuse des ersten Turboladers, welcher in Verbindung mit dem Verstärken des Motors innerhalb des Betriebsbereichs, in dem die Abgasdurchflussrate hoch ist, zu einer Temperaturerhöhung neigt, aus dem Metallblech ausgebildet. Das bedeutet, dass die Wärmekapazität des ersten Turbinengehäuses des ersten Turboladers, welches einer großen Menge von heißem Abgas ausgesetzt ist und zu einer Temperaturerhöhung neigt, verringert ist. Daher wird der übermäßige Temperaturanstieg der Lager des ersten Turboladers direkt nach Anhalten des Motors eingeschränkt. Außerdem besteht das zweite Turbinengehäuse des zweiten Turboladers, welches schwerlich eine übermäßige Temperaturerhöhung in Verbindung mit der Verstärkung innerhalb des Betriebsbereichs erfährt, in dem die Abgasdurchflussrate niedrig ist, aus Gusseisen und ist unter dem ersten Turbolader angeordnet. Daher wird der übermäßige Temperaturanstieg der Lager des zweiten Turbinengehäuses des zweiten Turboladers eingeschränkt, das an der unteren Seite angeordnete zweite Turbinengehäuse besteht aus Gusseisen, sodass es das relativ hohe Gewicht hat, und der Schwerpunkt des gesamten Motors wird sicherer abgesenkt, während die zwei Turbolader vertikal zueinander angeordnet sind. Da das zweite Turbinengehäuse des zweiten Turboladers aus Gusseisen mit der relativ hohen Wärmekapazität besteht, wird außerdem der übermäßige Temperaturabfall des zweiten Turbinengehäuses eingeschränkt. Daher wird eine Verringerung der Verstärkungsleistung des zweiten Turboladers, welche durch den übermäßigen Temperaturabfall hervorgerufen wird, innerhalb des Niedrigdrehzahlbereichs eingeschränkt, sodass die hohe Verstärkungsleistung sichergestellt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Turbomotor bereitgestellt, welcher umfasst:
- mindestens einen Turbolader zum Verdichten von dem Motor zugeführter Ansaugluft; und
- einen Kühler zum Kühlen von Motorkühlmittel, welcher mit einer Kühleinheit zum Kühlen des Motorkühlmittels und einem oberen Behälter ausgestattet ist, welcher an einem oberen Teil der Kühleinheit angeordnet ist und in welchen das Motorkühlmittel nach Kühlen des Motors geleitet wird, wobei
- der Turbolader mit einer an dem Auslasskanal angeordneten Turbine, einem an dem Einlasskanal angeordneten Kompressor, einer die Turbine mit dem Kompressor koppelnden Kopplungswelle und die Kopplungswelle haltenden Lagern ausgestattet ist,
- zumindest das Turbinengehäuse aus einem Metallblech ausgebildet ist und/oder
- die Kopplungswelle des Turboladers im Wesentlichen horizontal verläuft und eine Höhe einer axialen Mitte der Kopplungswelle über einer Höhe eines oberen Endes des oberen Behälters des Kühlers liegt.
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Ferner ist der Turbolader ein erster Turbolader, und ein zweiter Turbolader ist unter dem ersten Turbolader angeordnet,
besteht das zweite Turbinengehäuse des zweiten Turboladers aus Gusseisen und
ist eine Kapazität des Turbinengehäuses des ersten Turboladers größer als eine Kapazität des zweiten Turbinengehäuses des zweiten Turboladers und/oder
verstärkt der zweite Turbolader den Motor nur innerhalb eines Niedrigdrehzahlbereichs, in dem eine Motordrehzahl des Motors unterhalb einer bestimmten Referenzdrehzahl liegt, und verstärkt der erste Turbolader den Motor innerhalb eines Betriebsbereichs, welcher zumindest einen Hochdrehzahlbereich enthält, in dem die Motordrehzahl des Motors über der Referenzdrehzahl liegt. Die Turbolader sind nur durch das Schmiermittel gekühlt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Kühlen eines Turboladers eines Turbomotors bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfasst:
- Ausbilden zumindest eines Turbinengehäuses des Turboladers aus einem Metallblech und
- Anordnen einer Kopplungswelle des Turboladers, welche eine Turbine des Turboladers mit einem Kompressor des Turboladers koppelt, derart, dass die Kopplungswelle im Wesentlichen horizontal verläuft und eine Höhe einer axialen Mitte der Kopplungswelle über einer Höhe eines oberen Endes eines oberen Behälters eines Kühlers zum Kühlen von Motorkühlmittel liegt,
- wobei der Turbolader ein erster Turbolader ist und ein zweiter Turbolader unter dem ersten Turbolader angeordnet ist,
- das zweite Turbinengehäuse des zweiten Turboladers aus Gusseisen ausgebildet wird, und
- eine Kapazität des Turbinengehäuses des ersten Turboladers größer als eine Kapazität des zweiten Turbinengehäuses des zweiten Turboladers ist,
- der zweite Turbolader den Motor nur innerhalb eines Niedrigdrehzahlbereichs verstärkt, in dem eine Motordrehzahl des Motors unter einer bestimmten Referenzdrehzahl liegt, und der erste Turbolader den Motor innerhalb eines Betriebsbereichs verstärkt, der zumindest einen Hochdrehzahlbereich enthält, in dem die Motordrehzahl des Motors über der Referenzdrehzahl liegt, und
- die Turbolader nur durch das Schmiermittel gekühlt werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Ansicht, welche die Gesamtstruktur eines Turbomotors nach einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
- 2 ist ein Diagramm, welches einen Öffnungs- und Schließbereich eines Abgas-Bypassventils illustriert.
- 3 ist eine Ansicht um einen Motorkörper herum, aus einer Richtung betrachtet, welche die Zylinderanordnungsrichtung senkrecht schneidet.
- 4 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie IV-IV der 3.
- 5 ist eine Seitenansicht, welche einen Zustand schematisch darstellt, in dem der Turbomotor in einem Fahrzeug montiert ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM
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Nachfolgend wird ein Fahrzeug mit einem Turbomotor nach einer Ausführungsform dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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(1) Gesamtstruktur des Motors
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Ein Turbomotor 101 nach dieser Ausführungsform ist als Quelle von Antriebskraft in einem Fahrzeug oder Kraftfahrzeug montiert und ist in einem Motorraum 100 angeordnet, welcher in einem vorderen Teil des Fahrzeugs ausgebildet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Richtungsbegriffe, wie z.B. „vorne“ oder „nach vorne“ und „hinten“, „nach hinten“ oder „hinter“, wie sie hier beschrieben sind, auf die Fahrzeuglängsrichtung oder die Vorne-und-Hinten-Richtung des Fahrzeugs in seiner normalen Stellung beziehen, und „oben“, „über“ oder „nach oben“ sowie „unten“, „unter“ oder „nach unten“ sich auf die vertikale Richtung des Fahrzeugs in der normalen Stellung beziehen, während „links“ oder „nach links“ sowie „rechts“ oder „nach rechts“ sich auf die laterale, horizontale oder Breitenrichtung des Fahrzeugs in der normalen Stellung beziehen.
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1 ist ein Systemdiagramm, welches die Gesamtstruktur des Turbomotors 101 zeigt. Dieses Motorsystem enthält einen Motorkörper 1, einen Einlasskanal 20, durch den Luft für die Verbrennung in den Motorkörper 1 geleitet wird, einen Auslasskanal 30, durch den in dem Motorkörper 1 erzeugtes verbranntes Gas (Abgas) abgeführt wird, einen kleineren Turbolader 50 (zweiter Turbolader), einen größeren Turbolader 60 (erster Turbolader) und eine Abgasrückführungsvorrichtung (AGR-Vorrichtung) 80.
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Der kleinere Turbolader 50 und der größere Turbolader 60 erhöhen zwangsweise die Ansaugluft durch Ausnutzen von Energie des Abgases und haben Turbinen 54 bzw. 64, welche in dem Auslasskanal 30 angeordnet sind, sowie Kompressoren 52 bzw. 62, welche in dem Einlasskanal 20 angeordnet sind.
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Genauer gesagt enthält der kleinere Turbolader 50 die kleinere Turbine 54 (zweite Turbine), welche in dem Auslasskanal 30 angeordnet ist, und den kleineren Kompressor 52 (zweiter Kompressor), welcher in dem Einlasskanal 20 angeordnet ist, und enthält ferner eine kleinere Kopplungswelle 51 (zweite Kopplungswelle), welche die kleinere Turbine 54 mit dem kleineren Kompressor 52 koppelt, und kleinere Lager 511 (zweite Lager), welche die kleinere Kopplungswelle halten. Die kleinere Turbine 54 enthält ein kleineres Turbinenrad 541 (Laufrad), welches eine Vielzahl von Schaufeln hat und durch auf die Schaufeln treffendes Abgas gedreht wird, sowie ein kleineres Turbinengehäuse 542, welches das kleinere Turbinenrad 541 aufnimmt. Der kleinere Kompressor 52 enthält ein kleineres Kompressorrad 521 (Laufrad), welches durch das kleinere Turbinenrad 541 drehbar angetrieben wird, und ein kleineres Kompressorgehäuse 522, welches das kleinere Kompressorrad 521 aufnimmt.
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Entsprechend enthält der größere Turbolader 60 die größere Turbine 64 (Turbine), welche in dem Auslasskanal 30 angeordnet ist, und den größeren Kompressor 62 (Kompressor), welcher in dem Einlasskanal 20 angeordnet ist, und enthält ferner eine größere Kopplungswelle 61 (Kopplungswelle), welche die größere Turbine 64 mit dem größeren Kompressor 62 koppelt, und größere Lager 611 (Lager), welche die größere Kopplungswelle halten. Die größere Turbine 64 enthält ein größeres Turbinenrad 641 (Laufrad), welches eine Vielzahl von Schaufeln hat und durch auf die Schaufeln treffendes Abgas gedreht wird, sowie ein größeres Turbinengehäuse 642, welches das größere Turbinenrad 641 aufnimmt. Der größere Kompressor 62 enthält ein größeres Kompressorrad 621 (Laufrad), welches durch das größere Turbinenrad 641 drehbar angetrieben wird, und ein größeres Kompressorgehäuse 622, welches das größere Kompressorrad 621 aufnimmt.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Kapazität des größeren Turboladers 60, welche durch die Kapazitäten des größeren Kompressorgehäuses 622 und des größeren Turbinengehäuses 642 definiert ist, größer als die Kapazität des kleineren Turboladers 50, welche durch die Kapazitäten des kleineren Kompressorgehäuses 522 und des kleineren Turbinengehäuses 542 definiert ist. Somit dreht der größere Turbolader 60 die größere Turbine 64 durch Abgas mit einer größeren Durchflussrate als der kleinere Turbolader 50, um die Drehung des größeren Kompressors 62 zu beschleunigen, sodass eine Durchflussrate von Ansaugluft erhöht wird.
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Bei dieser Ausführungsform ist die größere Turbine 64 eine Turbine mit variabler Geometrie, und mehrere Leitschaufeln 64b, deren Winkel veränderbar ist, sind um das größere Turbinenrad 641 herum angeordnet. Außerdem sind ein Stab 64c, welcher mit den Leitschaufeln 64b zusammenwirkt, und ein Schaufelbetätiger 64d, welcher den Stab 64c in seine axialen Richtungen antreibt, um den Winkel der Leitschaufeln 64b zu ändern, bereitgestellt. Wenn die Leitschaufeln 64b durch den Schaufelbetätiger 64d über den Stab 64c in eine Schließrichtung (eine Richtung, in welcher der Abstand zwischen benachbarten Leitschaufeln 64b verengt ist) angetrieben werden, wird eine Querschnittsfläche eines Kanals, durch den Abgas in das größere Turbinenrad 641 strömt, reduziert, um eine Strömungsgeschwindigkeit von Abgas zu erhöhen, welches in das größere Turbinenrad 641 strömt.
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Die kleinere Turbine 54 dagegen ist nicht mit Leitschaufeln versehen und ist damit eine Turbine mit fester Geometrie, welche hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases nicht veränderbar ist.
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Mehrere Zylinder 2 sind in dem Motorkörper 1 ausgebildet, und ein Kolben 5 ist sich hin- und herbewegend in jedem Zylinder 2 eingepasst.
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Über jedem Kolben 5 ist ein Brennraum 6 definiert, und von einer (nicht dargestellten) Kraftstoffeinspritzvorrichtung wird Kraftstoff in jeden Brennraum 6 eingespritzt. Bei dieser Ausführungsform ist der Motorkörper 1 ein Dieselmotor, bei dem der von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingespritzte Kraftstoff mit Luft gemischt wird und dann innerhalb des Brennraums 6 selbst zündet. Jeder Kolben 5 wird durch eine durch die Verbrennung hervorgerufen Ausdehnungskraft nach unten gedrückt und bewegt sich in vertikaler Richtung hin und her.
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Eine Kurbelwelle 15, welches eine Ausgangswelle des Motorkörpers 1 ist, ist unter den Kolben 5 angeordnet. Die Kurbelwelle 15 ist durch Pleuel jeweils mit den Kolben 5 gekoppelt und dreht sich in Abhängigkeit der hin- und hergehenden Bewegung der Kolben 5 um ihre Mittelachse.
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An dem Motorkörper 1 (genauer gesagt, an einem Zylinderkopf) sind eine Ansaugöffnung 7 zum Einleiten von von dem Einlasskanal 20 aus zugeführter Luft (Ansaugluft) in jeden Zylinder 2, eine Auslassöffnung 8 zum Abziehen von in jedem Zylinder 2 erzeugtem Abgas in den Auslasskanal 30, ein Einlassventil 9, welches jede Ansaugöffnung 7 öffnet und schließt, und ein Auslassventil 10, welches jede Auslassöffnung 8 öffnet und schließt, angeordnet.
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Der Einlasskanal 20 ist so ausgebildet, dass er mit jeder Einlassöffnung 7 verbunden ist. Ein Luftfilter 21, der größere Kompressor 62, der kleinere Kompressor 52, ein Ladeluftkühler 22 und ein Drosselventil 23 sind in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite aus an dem Einlasskanal 20 angeordnet.
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Der Einlasskanal 20 ist ferner mit einem Einlass-Bypasskanal 122 ausgestattet, durch welchen die Ansaugluft den kleineren Kompressor 52 zur stromabwärtigen Seite hin umgeht. Beispielsweise verbindet der Einlass-Bypasskanal 122 einen Abschnitt des Einlasskanals 20 zwischen dem kleineren Kompressor 52 und dem größeren Kompressor 62 mit einem anderen Abschnitt des Einlasskanals 20 stromabwärts des kleineren Kompressors 52.
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Der Einlass-Bypasskanal 122 ist mit einem Einlass-Bypassventil 41a ausgestattet, welches den Einlass-Bypasskanal 122 öffnet und schließt. Wenn das Einlass-Bypassventil 41a vollständig geschlossen ist (der Einlass-Bypasskanal 122 geschlossen ist), strömt die gesamte Menge an Ansaugluft in den kleineren Kompressor 52. Wenn dagegen das Einlass-Bypassventil 41a geöffnet ist, umgeht zumindest ein Teil der Ansaugluft den kleineren Kompressor 52, um stromabwärts zu strömen. Wenn das Einlass-Bypassventil 41a im Wesentlichen vollständig geöffnet ist, umgeht ferner nahezu die gesamte Menge an Ansaugluft den kleineren Kompressor 52, um stromabwärts zu strömen. Da der kleinere Kompressor 52 als ein Widerstand für den Strom der Ansaugluft fungiert, strömt somit die gesamte Menge an Ansaugluft in den Einlass-Bypasskanal 122, welcher einen geringeren Widerstand hat, wenn das Einlass-Bypassventil 41a im Wesentlichen vollständig geöffnet ist. Das Einlass-Bypassventil 41a wird durch einen Unterdruck-Bypassventilbetätiger 41b geöffnet und geschlossen.
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Der Auslasskanal 30 ist so ausgebildet, dass er mit jeder Auslassöffnung 8 des Motorkörpers 1 verbunden ist. Der Auslasskanal 30 ist mit der kleineren Turbine 54, der größeren Turbine 64 und einer Katalysatorvorrichtung 90 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite aus ausgestattet.
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Der Auslasskanal 30 ist ferner mit einem Auslass-Bypasskanal 132 ausgestattet, durch welchen das Abgas die kleinere Turbine 54 zur stromabwärtigen Seite hin umgeht. Somit verbindet der Auslass-Bypasskanal 132 einen Abschnitt des Auslasskanals 30 stromaufwärts der kleineren Turbine 54 mit einem anderen Abschnitt des Auslasskanals 30 zwischen der kleineren Turbine 54 und der größeren Turbine 64.
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Der Auslass-Bypasskanal 132 ist mit einem Auslass-Bypassventil 141 ausgestattet, welches den Auslass-Bypasskanal 132 öffnet und schließt. Wenn das Auslass-Bypassventil 141 im Wesentlichen vollständig geschlossen ist (der Auslass-Bypasskanal 132 geschlossen ist), strömt die gesamte Menge an Abgas in die kleinere Turbine 54 (wenn AGR-Gas zurückgeführt wird, wie später beschrieben wird, eine gesamte Menge an Gas, welche durch Subtrahieren der Menge an AGR-Gas von dem von dem Motorkörper 1 ausgelassenen Abgas erhalten wird). Wenn dagegen das Auslass-Bypassventil 141 geöffnet ist, umgeht zumindest ein Teil Abgases die kleinere Turbine 54, um stromabwärts zu strömen. Wenn das Auslass-Bypassventil 141 im Wesentlichen vollständig geöffnet ist, umgeht ferner nahezu die gesamte Menge an Abgas die kleinere Turbine 54, um stromabwärts zu strömen. Da die kleinere Turbine 54 als ein Widerstand für den Strom des Abgases fungiert, strömt somit die gesamte Menge an Abgas durch den Auslass-Bypasskanal 132, welcher einen geringeren Widerstand hat, ohne die kleinere Turbine 54 zu durchlaufen, wenn das Auslass-Bypassventil 141 im Wesentlichen vollständig geöffnet ist.
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Das Auslass-Bypassventil 141 wird durch einen Auslassventilbetätiger 142 geöffnet und geschlossen. Bei dieser Ausführungsform ist der Auslassventilbetätiger 142 mit einem (nicht dargestellten) Elektromotor zum Antreiben des Auslass-Bypassventils 141 ausgestattet.
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Es sei darauf hingewiesen, das bei dieser Ausführungsform ein sogenannter Wastegate-Kanal, welches ein Kanal zum Auslassen von Abgas nach außen ohne Durchlaufen der Turbinen ist, und ein sogenanntes Wastegate-Ventil, welches ein Ventil zum Öffnen und Schließen des Wastegate-Kanals ist, nicht vorgesehen sind. Somit strömt die gesamte Menge an Abgas immer in die größere Turbine 64.
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Die AGR-Vorrichtung 80 ist eine Vorrichtung zum Rückführen eines Teils des von dem Motorkörper 1 ausgelassenen Abgases (AGR-Gas) zu der Ansaugluft.
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Die AGR-Vorrichtung 80 enthält einen ersten AGR-Kanal 81 und eine zweiten AGR-Kanal 84, welche den Auslasskanal 30 mit dem Einlasskanal 20 verbinden, und ein erstes AGR-Ventil 82 und ein zweites AGR-Ventil 84, welche den ersten AGR-Kanal 81 bzw. den zweiten AGR-Kanal 84 öffnen und schließen. Der erste AGR-Kanal 81 ist mit einem AGR-Kühler 83 ausgestattet. AGR-Gas wird auf dem Weg zu dem AGR-Kanal 81 durch den AGR-Kühler 83 gekühlt und strömt dann in den Einlasskanal 20. Der zweite AGR-Kanal 84 ist dagegen nicht mit einem AGR-Kühler ausgestattet, und somit strömt das AGR-Gas nach Durchlaufen des zweiten AGR-Kanals 84 noch heiß in den Einlasskanal 20.
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Der erste AGR-Kanal 81 und der zweite AGR-Kanal 84 verbinden einen Abschnitt des Auslasskanals 30 stromaufwärts des stromaufwärtigen Endes des Auslass-Bypasskanals 132 mit einem Abschnitt des Einlasskanals 20 stromabwärts des Drosselventils 23, und bevor das Abgas in die Turbinen 54 und 64 strömt, wird es in die AGR-Kanäle 81 bzw. 84 geleitet.
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Das Auslass-Bypassventil 141 und das Einlass-Bypassventil 41a werden in einem derartigen Motorsystem wie in 2 gezeigt gesteuert oder geregelt.
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Innerhalb eines Niedrigdrehzahlbereichs X1, in dem die Motordrehzahl langsamer als eine bestimmte Referenzdrehzahl N1 ist und eine Abgasdurchflussrate (eine Durchflussrate von aus dem Motorkörper 1 ausgelassenem Abgas) niedriger als eine Referenzdurchflussrate ist, werden das Auslass-Bypassventil 141 und das Einlass-Bypassventil 41a so gesteuert oder geregelt, dass ihre Ventilöffnungen aus dem vollständig geöffneten Zustand relativ geschlossen sind, sodass ein Teil des Abgases in die kleinere Turbine 54 strömt und ein Teil der Ansaugluft in den kleineren Kompressor 52 strömt. Somit verstärken innerhalb des Niedrigdrehzahlbereichs X2 sowohl der erste Turbolader 60 als auch der zweite Turbolader 50 den Motor. Innerhalb eines Hochdrehzahlbereichs X2 dagegen, in dem die Motordrehzahl höher als die Referenzdrehzahl N1 ist und die Abgasdurchflussrate größer als die Referenzdurchflussrate ist, werden das Auslass-Bypassventil 141 und das Einlass-Bypassventil 41a so gesteuert oder geregelt, dass sie im Wesentlichen vollständig geöffnet sind, sodass die gesamte Menge von Abgas die kleinere Turbine 54 umgeht, um stromabwärts zu strömen, und die gesamte Menge von Ansaugluft den kleineren Kompressor 54 umgeht, um stromabwärts zu strömen. Somit verstärkt innerhalb des Hochdrehzahlbereichs X2 nur der größere Turbolader 60 den Motor.
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Wie oben beschrieben, verstärkt bei dieser Ausführungsform der kleinere Turbolader 50 den Motor nur innerhalb des Niedrigdrehzahlbereichs X1, und der größere Turbolader 60 verstärkt den Motor innerhalb aller Betriebsbereiche, einschließlich des Niedrigdrehzahlbereichs X1 und des Hochdrehzahlbereichs X2.
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Es sei darauf hingewiesen, dass bei dieser Ausführungsform innerhalb eines Bereichs mit niedriger Drehzahl und niedriger Last X1_a des Niedrigdrehzahlbereichs X1, in dem die Motordrehzahl und die Motorlast niedrig sind, das Auslass-Bypassventil 141 und das Einlass-Bypassventil 41a so gesteuert oder geregelt werden, dass sie im Wesentlichen vollständig geschlossen sind, sodass die gesamte Menge an Abgas in die kleinere Turbine 54 strömt und die gesamte Menge an Ansaugluft in den kleineren Kompressor 52 strömt. Innerhalb eines Bereich X1_b des Niedrigdrehzahlbereichs X1 dagegen, in dem die Motordrehzahl und die Motorlast vergleichsweise höher sind, werden das Auslass-Bypassventil 141 und das Einlass-Bypassventil 41a so gesteuert oder geregelt, dass sie auf mittleren Öffnungen stehen (Öffnungen irgendwo zwischen dem vollkommen geschlossenen Zustand und dem vollkommen geöffneten Zustand). Ferner werden diese Bypass-Ventile 141 und 41a (die Betätiger 142 und 41b, welche die Bypass-Ventile 141 und 41a antreiben) sowie verschiedene Vorrichtungen durch eine an dem Fahrzeug angeordnete Motorsteuereinheit oder Motorregeleinheit (ECU; nicht dargestellt) gesteuert oder geregelt.
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(2) Ausführliche periphere Struktur der Turbolader
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Nachfolgend wird eine Struktur um die Turbolader 50 und 60 herum ausführlich beschrieben. 3 ist eine schematische Ansicht, von hinten betrachtet, um die Turbolader 50 und 60 herum. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie IV-IV der 3.
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Bei dieser Ausführungsform sind der erste Turbolader 60 und der zweite Turbolader 50 im Wesentlichen vertikal hinter dem Motorkörper 1 angeordnet. Das heißt, dass der größere Turbolader 60 über dem kleineren Turbolader 50 angeordnet ist, und der kleinere Turbolader 50 unter dem größeren Turbolader 60 angeordnet ist.
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Außerdem sind die Turbolader 50 und 60 so angeordnet, dass die Kopplungswellen 51 und 61 im Wesentlichen lateral oder im Wesentlichen horizontal verlaufen, die Kompressoren 52 und 62 auf der linken Seite der Kopplungswellen 51 bzw. 61 gelegen sind und die Turbinen 54 und 64 auf der rechten Seite der Kopplungswellen 51 bzw. 61 gelegen sind.
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Wenn das Einlass-Bypassventil 41a geschlossen ist, strömt Ansaugluft, wie durch die gestrichelten Pfeile der 3 dargestellt, zu dem Motorkörper 1. Andererseits strömt Abgas, wie durch die strichpunktierten Pfeile der 3 dargestellt, zu der Katalysatorvorrichtung 90. Es darauf hingewiesen, dass gemäß der Darstellung in 3 die Katalysatorvorrichtung 90 auf der rechten Seite der Turbinen 54 und 64 angeordnet ist und in vertikaler Richtung verläuft.
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Die Turbolader 50 und 60 sind von der lateralen Mitte des Motorkörpers 1 aus auf der linken Seite angeordnet, und genauer gesagt, sind die lateralen Mitten der Turbolader 50 und 60 von der lateralen Mittel des Motorkörpers 1 aus auf der linken Seite angeordnet. Bei dem dargestellten Beispiel sind die Turbolader 50 und 60 nahe dem linken Ende des Motorkörpers 1 angeordnet.
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Außerdem sind bei dem in 3 gezeigten Beispiel die Turbolader 50 und 60 innerhalb eines Bereichs angeordnet, welcher sich von nahezu der gleichen Höhe wie ein oberes Ende eines Kopfdeckels 12 bis zu nahe der vertikalen Mitte eines Zylinderblocks 11 erstreckt.
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Wie in 4 dargestellt, sind bei dieser Ausführungsform ein Teil des Auslasskanals 30, der Auslass-Bypasskanal 132 und das kleinere Turbinengehäuse 542 einstückig innerhalb eines kleineren Gehäuses 545 ausgebildet. Das heißt, ein Teil, welcher in 1 mit einem Buchstaben „A“ dargestellt ist, welches ein durch die kleinere Turbine 54 hindurch laufender Abschnitt der Hauptdurchgänge131 des Auslasskanals 30 ist, welcher sich von einer Stelle stromaufwärts des stromaufwärtigen Endes des Auslass-Bypasskanals 132 bis zu einer Stelle des stromabwärtigen Endes des Auslass-Bypasskanals 132 erstreckt, der Auslass-Bypasskanal 132 und das kleinere Turbinengehäuse 542 sind zusammen innerhalb des kleineren Gehäuses 545 angeordnet.
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Außerdem sind bei dieser Ausführungsform ein Abschnitt des Auslasskanals 30, welcher von dem stromabwärtigen Ende des Auslass-Bypasskanals 132 zu der größeren Turbine 64 verläuft, und das größere Turbinengehäuse 64 einstückig ausgebildet und innerhalb eines größeren Gehäuses 645 angeordnet. Das heißt, ein Teil, welcher in 1 mit dem Buchstaben „B“ dargestellt, welches ein von dem stromabwärtigen Ende des Auslass-Bypasskanals 132 ausgehender und durch das Bypassventil 141 zu der größeren Turbine 64 verlaufender Abschnitt des Auslasskanals 30 ist, und das größere Turbinengehäuse 642 sind innerhalb des größeren Gehäuses 645 angeordnet.
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Das kleinere Gehäuse 545 und das größere Gehäuse 546 sind mit Bolzen (nicht dargestellt) so aneinander gekoppelt, dass das größere Gehäuse 645 über dem kleineren Gehäuse 545 angeordnet ist. Diese Gehäuse 545 und 645 sind an dem Motorkörper 1 befestigt, indem das kleinere Gehäuse 545 an einem Abgaskrümmer 14 befestigt ist, welcher mit Bolzen (nicht dargestellt) an der hinteren Fläche des Zylinderblocks 11 befestigt ist.
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Das größere Gehäuse 645, welches das größere Turbinengehäuse 642 enthält, ist aus einem Metallblech ausgebildet. Beispielsweise kann das größere Gehäuse 645 aus verschiedenen Arten von Stahlblech ausgebildet sein, welches durch Kaltwalzen oder Warmwalzen hergestellt ist, oder kann aus einem rostfreien Stahlblech, einem Aluminiumlegierungsblech oder einem Kupferlegierungsblech hergestellt sein. Da das größere Gehäuse 645 aus dem Metallblech ausgebildet ist, hat es eine kleine Wärmekapazität und eine Eigenschaft, bei welcher es schwierig ist, Wärme von dem Abgas abzuziehen und die Temperatur zu erhöhen.
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Dagegen ist das kleinere Gehäuse 545, welches das kleinere Turbinengehäuse 542 enthält, aus Gusseisen hergestellt, welches durch Formen eines Eisen enthaltenden Materials ausgebildet ist. Das Gusseisen kann verschiedene Arten von Gusseisen enthalten, welche aus einer Kohlenstoff und Silikon enthaltenden Eisenlegierung bestehen können, wie beispielsweise Grauguss, Temperrohguss und meliertes Gusseisen. Da das kleinere Gehäuse 545 aus Gusseisen besteht, hat es eine größere Wärmekapazität und hat eine Eigenschaft, bei der seine Temperatur leicht ansteigt, indem es Wärme von dem Abgas aufnimmt.
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Wie in 4 dargestellt, ist das Auslass-Bypassventil 141 in dem größeren Gehäuse 645 angeordnet. Das Auslass-Bypassventil 141 enthält einen Ventilkörper 1441a, welcher eigentlich den Auslass-Bypasskanal 132 öffnet und schließt, und eine Drehwelle 141 b, welche durch den Auslassventilbetätiger 142 drehbar angetrieben wird. Die Drehwelle 141b hält den Ventilkörper 141a in einer vorkragenden Art und Weise. Wenn sich die Drehwelle 141b auf ihrer Achse dreht, dreht sich damit auch der Ventilkörper 141a um die Mittelachse der Drehwelle 141 b, um seine Stellung zwischen einer Stellung, in welcher der Auslass-Bypasskanal 132 geschlossen ist (strichpunktierte Linien in 4) und einer Stellung, in welcher der Auslass-Bypasskanal 132 geöffnet ist (durchgezogene Linien in 4).
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Die kleinere Kopplungswelle 51 und die kleineren Lager 511 des kleineren Turboladers 50 sind in einem kleinen mittleren Gehäuse 510 aufgenommen, welches zwischen dem kleineren Kompressorgehäuse 522 und dem kleineren Turbinengehäuse 542 angeordnet ist. Entsprechend sind die größere Kopplungswelle 61 und die größeren Lager 611 des größeren Turboladers 60 in einem größeren mittleren Gehäuse 610 aufgenommen, welches zwischen dem größeren Kompressorgehäuse 622 und dem größeren Turbinengehäuse 642 angeordnet ist.
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Diese mittleren Gehäuse 510 und 610 sind mit Ölleitungen zum Zuführen des Schmiermittels zu den Lagern 511 und 611 der Kopplungswellen 51 bzw. 61 verbunden. Das heißt, die Turbolader 50 und 60 haben die Lager 511 und 611, welche die Kopplungswellen 51 und 61 drehbar halten, in den mittleren Gehäusen 510 bzw. 610. Das Schmiermittel wird jeweils zu den Lagerabschnitten geleitet, welches Abschnitte zwischen den Kopplungswellen 51 und 61 und den Lagern 511 und 611 sind.
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Ein Ölkanal (nicht dargestellt), in dem das Schmiermittel zirkuliert, ist in dem Motorkörper 1 ausgebildet, sodass das Schmiermittel zum Zuführen zu dem Ölkanal durch eine Ölpumpe (nicht dargestellt) aus einer Ölwanne 13 gepumpt wird. Ein Ölableitteil 17 ist in einer Außenwand des Motorkörpers 1 ausgebildet, welches mit dem Ölkanal kommuniziert und das Schmiermittel nach außen ableitet. Das Ölableitteil 17 kommuniziert mit den mittleren Gehäusen 510 und 610 der Turbolader 50 und 60 jeweils über eine Ölzuführleitung 70. Somit fließt ein Teil des Schmiermittels, welches in dem Ölkanal strömt, durch das Ölableitteil 17 und die Ölzuführleitung 70 und wird dann Teilen um die Lager 511 und 611 herum zugeführt, welche in den mittleren Gehäusen 510 und 610 aufgenommen sind.
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Ein Ölrückführteil 16 ist in einer Außenwand des Zylinderblocks 11 ausgebildet, welches mit einem in dem Zylinderblock 11 angeordneten Kurbelgehäuse kommuniziert. Das Ölrückführteil 16 kommuniziert mit den mittleren Gehäusen 510 und 610 jeweils über eine Rückführleitung 75, sodass das Schmiermitteln nach dem Schmieren der Lager der Turbolader 50 und 60 über die Rückführleitung 75 und das Ölrückführteil 16 in das Kurbelgehäuse geleitet wird und dann zu der Ölwanne 13 zurückkehrt.
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Wie in 3 gezeigt, ist bei dieser Ausführungsform in dem größeren Turbolader 60, welcher an der oberen Seite angeordnet ist, die Ölzuführleitung 70 mit einer oberen Fläche des größeren mittleren Gehäuses 610 verbunden, und die Rückführleitung 75 ist mit einem unteren Ende des größeren mittleren Gehäuses 610 verbunden. Somit wird bei dem größeren Turbolader 60 das Schmiermittel von oben in das größere mittlere Gehäuse 610 geleitet und wird dann von unten ausgelassen.
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Bei dem kleineren Turbolader 50 dagegen, welcher an der unteren Seite angeordnet ist, sind die Ölzuführleitung 70 und die Rückführleitung 75 mit einer unteren Fläche des kleineren mittleren Gehäuses 510 verbunden. Somit wird bei dem kleineren Turbolader 540 das Schmiermittel von unten in das kleinere mittlere Gehäuse 510 geleitet und wird dann von unten ausgelassen.
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Die Turbolader 50 und 60 sind durch das Schmiermittel ölgekühlt, und Öl, welches den mittleren Gehäusen 510 und 610 über die Ölzuführleitung 70 zugeführt wird, dient als Kühlmittel und dient ebenso als Schmiermittel der Kopplungswellen 51 und 61 sowie der Lager 511 und 611. Somit wird den mittleren Gehäusen 510 und 510 kein Kühlmittel zum Kühlen der Kopplungswellen 51 und 61 und der Lager 511 und 611 zugeführt, sondern ihnen wird nur das Schmiermittel zugeführt. Mit anderen Worten: Bei dem herkömmlichen Turbolader, wie er in der
JP 5 494 294 B2 offenbart ist, wird dem mittleren Gehäuse, welches die Kopplungswelle des Turboladers und deren Lager aufnimmt, Motorkühlmittel zusätzlich zu dem Schmiermittel zugeführt. Bei dem Turbomotor 101 dieser Ausbildungsform dagegen, wird den mittleren Gehäusen 510 und 610 kein Motorkühlmittel zugeführt, sondern ihnen wird Öl zugeführt, welches sowohl als Schmiermittel als auch als Kühlmittel dient.
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(3) Motorbefestigung
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Der so konfigurierte Turbomotor 101 ist an dem Fahrzeug in dem Motorraum 100, welcher in dem vorderen Teil des Fahrzeugs ausgebildet ist, derart montiert, dass die Anordnungsrichtung der Zylinder 2 parallel zu der lateralen Richtung (d.h. Richtungen senkrecht zu der Papierfläche der 5) ausgerichtet ist. 5 ist eine schematische Ansicht in dem Motorraum 100, von der linken Seite aus betrachtet.
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Ein Kühler 200 zum Kühlen des Motorkühlmittels ist an einem vorderen Ende des Motorraums 100 angeordnet.
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Der Kühler 200 enthält einen Kern 201 (Kühleinheit), welcher mit einer großen Zahl von Kühlerrippen ausgebildet ist und das Motorkühlmittel kühlt, einen oberen Behälter 202, welcher über dem Kern 202 angeordnet ist, und einen unteren Behälter 203, welcher unter dem Kern 201 angeordnet ist. Der Kern 201, der obere Behälter 202 und der untere Behälter 203 verlaufen lateral, d.h. in Richtungen senkrecht zu der Papierfläche der 5. Der obere Behälter 202 und der untere Behälter 203 sind mit einem Wassermantel (nicht dargestellt) verbunden, welcher in dem Motorkörper 1 ausgebildet ist und durch den das Motorkühlmittel läuft. Eine Leitung, welche das Motorkühlmittel von dem Wassermantel ableitet, ist mit dem oberen Behälter 202 verbunden, und nach dem Kühlen des Motorkörpers 1 wird heißes Motorkühlmittel in den oberen Behälter 202 geleitet. Das Motorkühlmittel fließt von dem oberen Behälter 202 in den Kern 201 und wird dann durch Wärmetausch des Kerns 201 mit Luft, wie beispielsweise Fahrtwind gekühlt. Nachdem das Motorkühlmittel gekühlt worden ist, fließt das Motorkühlmittel in den unteren Behälter 203 und wird dann durch eine Wasserpumpe (nicht dargestellt) von dem unteren Behälter 203 erneut in den Wassermantel gepumpt. Ein Kühlgebläse 201 ist hinter dem Kühler 200 angeordnet und kühlt das Motorkühlmittel, indem er Luft in den Kühler 200 schickt, auch wenn kein Fahrtwind erzeugt wird.
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Der Motorkörper 1 ist hinter dem Kühler 200 so angeordnet, dass eine Mittelachse C des Zylinders 2 nach oben und hinten geneigt ist, d.h. ein oberer Teil der Mittelachse C des Zylinder ist nach hinten geneigt. Beispielsweise ist der Motorkörper 1 um ungefähr 10° gegenüber der vertikal nach oben gehenden Richtung nach hinten geneigt.
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Die Turbolader 50 und 60 sind hinter dem nach hinten geneigten Motorkörper 1 angeordnet. Die Turbolader 50 und 60 sind an derartigen Positionen angeordnet, dass die Höhe der axialen Mitte der größeren Kopplungswelle 61 des an der oberen Position angeordneten größeren Turboladers 60 über dem oberen Ende des oberen Behälters 202 liegt. Das heißt, eine axiale Mitte O der größeren Kopplungswelle 61 des größeren Turboladers 60 liegt über einer Linie L1 der 6, welches eine horizontale Linie auf der gleichen Höhe wie das obere Ende des oberen Behälters 202 ist. Wie in 5 gezeigt, liegt bei dieser Ausführungsform ein unteres Ende des größeren mittleren Gehäuses 610 ungefähr auf der gleichen Höhe wie die Linie L1, und ein Höhenunterschied zwischen der axialen Mitte O der Kopplungswelle 61 des größeren Turboladers 60 und der Linie L1 beträgt ungefähr 2 bis 3 cm.
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Es sei darauf hingewiesen, dass das Bezugszeichen 300 in 5 eine Motorhaube bezeichnet.
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(4) Funktionen
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Wie oben beschrieben, ist bei dem Fahrzeug nach dieser Ausführungsform, an dem der Turbomotor 101 montiert ist, der größere Turbolader 60 so angeordnet, dass die Höhe der axialen Mitte O der größeren Kopplungswelle 61 über dem oberen Ende des oberen Behälters 202 liegt. Somit wird ein größerer Raum unter dem größeren Turbolader 60 sichergestellt, sodass der Freiheitsgrad bei der Anordnung größer wird.
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Insbesondere wenn, wie bei dieser Ausführungsform, die zwei Turbolader 50 und 60 an dem Turbomotor 101 angeordnet sind, kann die Anordnung um den Motorkörper 1 herum schwierig sein. Da jedoch der große Raum unter dem größeren Turbolader 60 sichergestellt ist, wird der kleinere Turbolader 50 auf geeignete Weise in diesem Raum angeordnet. Die Turbolader 50 und 60 sind geeigneterweise im Wesentlichen vertikal zueinander um dem Motorkörper 1 angeordnet. Somit erhöht diese Anordnung der zwei Turbolader 50 und 60 den Turboladedruck zum Erhöhen der Motorleistung.
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Wenn der größere Turbolader 60 so angeordnet ist, dass die Höhe der axialen Mitte O der größeren Kopplungswelle 61 über dem oberen Ende des oberen Behälters 202 liegt, falls der größere Turbolader 60 so aufgebaut ist, dass er durch das Motorkühlmittel gekühlt wird, wandert hierbei Dampf, welcher durch das Motorkühlmittel erzeugt wird, welches in dem größeren mittleren Gehäuse 610, das die größere Kopplungswelle 61 aufnimmt, zum Sieden gebracht wird, nicht zur Seite des oberen Behälters 202, und somit kann das Motorkühlmittel dem größeren mittleren Gehäuse 610 nicht geeignet zugeführt werden.
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Andererseits ist bei dieser Ausführungsform das Turbinengehäuse 642 des größeren Turboladers 60 aus dem Metallblech ausgebildet und ist so aufgebaut, dass des die kleinere Wärmekapazität hat, und der größere Turbolader 60 ist ölgekühlt. Somit wird die obere Anordnung erreicht, während die größeren Lager 611 der größeren Kopplungswelle 61 direkt nach Anhalten des Motors geeignet gekühlt werden.
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Mit anderen Worten: Aufgrund der ölgekühlten Bauweise ist bei dieser Ausführungsform das Abführen von Dampf aus dem größeren mittleren Gehäuse 610 unnötig, anders als bei der Bauweise mit Kühlung durch Motorkühlmittel. Da die Kühlwirkung durch das Öl (Schmiermittel) geringer als die Kühlwirkung des Motorkühlmittels ist, welches nahezu immer durch den Kühler 200 gekühlt wird, besteht jedoch die Möglichkeit, dass die größeren Lager 611 und die größere Kopplungswelle 61 durch einfaches Aufbauen derart, dass die größeren Lager 611 des größeren Turboladers 60 durch Öl gekühlt werden, nicht vollständig gekühlt werden. Da bei dieser Ausführungsform aber das größere Turbinengehäuse 642 aus dem Metallblech besteht und die Wärmekapazität klein ist, nimmt die Menge an Wärme, welche in dem größeren Turbinengehäuse 642 angesammelt wird, direkt nach Anhalten des Motors ab, und die Menge der von dem größeren Turbinengehäuse 642 auf die größere Kopplungswelle 61 und die größeren Lager 611 übertragenen Wärme nimmt ab. Daher werden die größeren Lager 611 und die größere Kopplungswelle 61 ausreichend gekühlt, während die ölgekühlte Struktur vorliegt.
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Insbesondere ist bei dieser Ausführungsform der größere Turbolader 60 (das größere Turbinengehäuse 642), welcher eine größere Kapazität hat, aus dem Metallblech ausgebildet. Das größere Turbinengehäuse 642 neigt zu einer Temperaturerhöhung, da die Kapazität groß ist und die heißem Abgas ausgesetzte Oberfläche groß ist; jedoch wird der Temperaturanstieg des größeren Turbinengehäuses 642 effektiv eingeschränkt, um die Temperatur der größeren Lager 611 und der größeren Kopplungswelle 61 niedrig zu halten. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform das kleinere Turbinengehäuse 542 des kleineren Turboladers 50, welcher an der unteren Seite angeordnet ist und aufgrund der kleineren Kapazität nicht zur übermäßigen Temperaturerhöhung neigt, aus Gusseisen ausgebildet, um das relativ hohe Gewicht zu erhalten. Daher ist der Schwerpunkt des gesamten Motors abgesenkt, während die übermäßige Temperaturerhöhung der kleineren Lager 511 und der kleineren Kopplungswelle 51 eingeschränkt ist.
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Ferner wird bei dieser Ausführungsform innerhalb des Hochdrehzahlbereichs X2, in dem die Temperaturen der Turbolader in Verbindung mit der größeren Abgassdurchflussrate zum Ansteigen neigen, die Motorverstärkung nur durch den größeren Turbolader 60 durchgeführt, während andererseits innerhalb des Niedrigdrehzahlbereichs X1, in dem die Temperaturen der Turbolader eher niedrig gehalten werden, die Motorverstärkung durch sowohl den kleineren Turbolader 50 als auch den größeren Turbolader 60 durchgeführt wird. Das heißt, der größere Turbolader 60 verstärkt den Motor in allen Motordrehzahlbereichen und der kleinere Turbolader 50 verstärkt den Motor nur in dem Niedrigdrehzahlbereich X1. Außerdem ist das größere Turbinengehäuse 642 des größeren Turboladers 60 aus dem Metallblech ausgebildet, dessen Wärmekapazität klein ist, während das kleinere Turbinengehäuse 542 des kleineren Turboladers 50 aus Gusseisen besteht.
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Daher wird die Temperatur des größeren Turbinengehäuses 642 des größeren Turboladers 60, welches zu einer Temperaturerhöhung neigt, effektiv niedrig gehalten, indem der Motor in allen Motordrehzahlbereichen, einschließlich des Hochrehzahlbereichs X2, in dem das größere Turbinengehäuse 542 einer großen Menge an heißem Abgas ausgesetzt ist, verstärkt wird. Daher wird die Menge an Wärme, welche von dem größeren Turbinengehäuse 642 des größeren Turboladers 60 an die größere Kopplungswelle 61 und die größeren Lager 611 direkt nach Anhalten des Motors usw. übertragen wird, klein gehalten, und die übermäßigen Temperaturanstiege der größeren Lager 611 und der größeren Kopplungswelle 61 werden eingeschränkt. Außerdem wird der Temperaturanstieg des kleineren Turboladers 50, welcher der großen Menge an heißem Abgas ausgesetzt ist, begrenzt, und gleichzeitig werden die übermäßigen Temperaturanstiege der kleineren Lager 511 und der kleineren Kopplungswelle 51 direkt nach Anhaltens des Motors usw. eingeschränkt. Da die Abgasdurchflussrate innerhalb des Niedrigdrehzahlbereichs X1 klein ist, ist es andererseits möglich, dass die Temperatur des kleineren Turbinengehäuses 542 nicht vollständig erhöht wird. Da jedoch das kleinere Turbinengehäuse 542 der kleineren Turbine 54 aus Gusseisen mit der relativ hohen Wärmekapazität besteht, wird der übermäßige Temperaturabfall des kleineren Turbinengehäuses 542 der kleineren Turbine 54 eingeschränkt, indem eine Verstärkung der kleineren Turbine - 54 nur in dem Niedrigdrehzahlbereich X1 durchgeführt wird. Daher wird eine Verschlechterung der Verstärkungsleistung des kleineren Turboladers innerhalb des Niedrigdrehzahlbereichs X1 aufgrund des übermäßigen Temperaturabfalls eingeschränkt, und eine hohe Verstärkungsleistung wird sichergestellt.
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Außerdem ist bei dieser Ausführungsform der Motorkörper 1 an dem Fahrzeugzeug mit der Anordnung angebracht, in der der obere Teil der Mittelachse C des Zylinders nach hinten geneigt ist. Daher ist ein größerer Raum unter dem größeren Turbolader 60 und hinter dem Motorkörper 1 sichergestellt, während verhindert wird, dass die absolute Höhe des größeren Turboladers 60 übermäßig hoch ist. Zudem ist der Schwerpunkt des größeren Turboladers 60 abgesenkt, d.h. der Schwerpunkt des gesamten Motors ist abgesenkt und somit ist der Motor stabilisiert.
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(5) Modifikationen
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Zwar ist bei der vorstehenden Ausführungsform der kleinere Turbolader 50 zusätzlich zu dem größeren Turbolader 60 vorgesehen, doch kann der kleinere Turbolader 50 entfallen. Wenn jedoch beide Turbolader 50 und 60 bereitgestellt sind, erhöhen sich der Turboladedruck und die Motorleistung. Wenn beide Turbolader 50 und 60 um den Motorkörper 1 herum angeordnet sind, wird ein großer Raum um den Motorkörper 1 herum benötigt. Da der größere Turbolader 60 gegenüber dem Motorkörper 1 an einer höheren Position angeordnet ist, um einen großen Raum unter dem größeren Turbolader 60 sicherzustellen, sind bei dieser Ausführungsform die zwei Turbolader 50 und 60 sicher und auf geeignete Weise um den Motorkörper 1 herum angeordnet.
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Zudem ist zwar bei der Ausführungsform die Kapazität des größeren Turboladers 60 (die Kapazität des größeren Turbinengehäuses 642), dessen Turbinengehäuse 642 aus dem Metallblech ausgebildet ist, größer als die Kapazität des kleineren Turboladers 50 (die Kapazität des kleineren Turbinengehäuses 542), dessen Turbinengehäuse 542 aus Gusseisen ausgebildet ist, doch sind die Kapazitäten nicht auf eine solche Beziehung beschränkt. Bei dem größeren Turbolader 60 mit der größeren Kapazität (des größeren Turbinengehäuses 642), neigen die größeren Lager 611 des größeren Turboladers 60, da die Wärmekapazität zunimmt, direkt nach dem Anhalten des Motors zu einem Temperaturanstieg. Da jedoch das Turbinengehäuse 642 dieses größeren Turboladers 60 aus dem Metallblech besteht, wird die Temperatur der größeren Lager 611 des größeren Turboladers 60 direkt nach Anhalten des Motors effektiv niedrig gehalten.
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Zudem verstärkt zwar bei dieser Ausführungsform der größere Turbolader 60, dessen Turbinengehäuse 642 aus dem Metallblech besteht, in allen Bereichen, einschließlich des Hochdrehzahlbereichs X2, in welchem die Abgasdurchflussrate groß ist, während der kleinere Turbolader 50, dessen Turbinengehäuse 542 aus Gusseisen besteht, nur in dem Niedrigdrehzahlbereich X1 verstärkt, in dem die Abgasdurchflussrate klein ist, doch sind die Verstärkungsbereiche der Turbolader nicht auf eine solche Beziehung beschränkt.
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Zudem ist zwar bei dieser Ausführungsform der kleinere Turbolader 50 ölgekühlt, doch kann der kleinere Turbolader 50 wassergekühlt sein, sodass das Motorkühlmittel dem kleinen mittleren Gehäuse 510 zugeführt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motorkörper
- 20
- Einlasskanal
- 30
- Auslasskanal
- 50
- kleinerer Turbolader (zweiter Turbolader)
- 51
- kleinere Kopplungswelle (zweite Kopplungswelle)
- 52
- kleinerer Kompressor (zweiter Kompressor)
- 54
- kleinere Turbine (zweite Turbine)
- 60
- größerer Turbolader (Turbolader, erster Turbolader)
- 61
- größere Kopplungswelle (Kopplungswelle)
- 62
- größerer Kompressor (Kompressor)
- 64
- größere Turbine (Turbine)
- 101
- Turbomotor
- 200
- Kühler
- 202
- oberer Behälter
- 511
- kleineres Lager (zweites Lager)
- 541
- kleineres Laufrad
- 542
- kleineres Turbinengehäuse (zweites Turbinengehäuse)
- 611
- größeres Lager (Lager)
- 641
- größeres Laufrad
- 642
- größeres Turbinengehäuse (Turbinengehäuse)
