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Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladervorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Abgasturboladersysteme (Aufladesysteme) in zweistufiger Konfiguration verwenden meist handelsübliche bzw. vorhandene Komponenten aus einstufigen Systemen. Dadurch kann zwar der Aufwand beim Aufbau solcher Systeme gering gehalten werden, gleichzeitig sind jedoch diese Komponenten nicht optimal an gegebene Betriebsbedingungen im zweistufigen Betrieb angepasst. So sind vor allem Druckverhältnisse von Turbinen und Verdichtern im zweistufigen Betrieb deutlich niedriger als in vergleichbaren, einstufigen Aufladesystemen.
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Aus der
DE 199 48 220 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern bekannt, welche jeweils eine Abgasturbine und jeweils einen Verdichter aufweisen. Die Antriebswellen der beiden Abgasturbolader weisen eine gemeinsame Längsachse auf.
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Die
DE 10 2014 218 345 A1 beschreibt zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader, welche jeweils eine Turbine und einen Verdichter umfassen und von welchen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient.
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Aus der
EP 0 014 778 A1 ist ein zweistufiges Abgasturboladeraggregat mit einem Niederdruckturbolader und einem Hochdruckturbolader bekannt. Um Platz für Zusatzkomponenten wie Ladeluftkühler zu schaffen und eine kompakte Baueinheit zu ermöglichen, ist ein Druckverhältnis eines Niederdruckverdichters des Niederdruckturboladers mindestens 40 % größer gewählt als ein Druckverhältnis eines Hochdruckverdichters des Hochdruckturboladers.
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Die
DE 25 50 054 A1 beschreibt einen zweistufigen Abgasturbolader mit in einem Gehäuse untergebrachten, ineinander liegenden Wellen einer Hochdruckstufe und einer Niederdruckstufe, welche je ein Beschaufelung des Turbinenrads und ein geschaufeltes Verdichterrad aufweisen, wobei jede Welle ein Turbinenrad und ein Verdichter Rad trägt. Die auf jeweils einer Welle angeordneten Räder gehören derselben Stufe an.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasturboladervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche mit besonders hohem Wirkungsgrad betreibbar und besonders kompakt ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Abgasturboladervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einer Abgasturboladervorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Niederdruckabgasturbolader, welcher eine mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Niederdruckturbine und einen, über eine drehbar in einem Gehäuse der Abgasturboladervorrichtung gelagerte erste Welle mit der Niederdruckturbine gekoppelten, mit Luft zur Versorgung der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Niederdruckverdichter umfasst und mit einem Hochdruckabgasturbolader, welcher eine mit dem Abgas durchströmbare Hochdruckturbine und einen, über eine drehbar in dem Gehäuse gelagerte zweite Welle mit der Hochdruckturbine gekoppelten, mit der Luft zur Versorgung der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Hochdruckverdichter umfasst.
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Um eine Abgasturboladervorrichtung zu schaffen, welche mit besonders hohem Wirkungsgrad betreibbar und besonders kompakt ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hochdruckturbine als asymmetrische Halbaxial-Hochdruckturbine, insbesondere als Zwillings-Hochdruckturbine, ausgebildet und fluidisch mit der Niederdruckturbine gekoppelt ist. Unter dem Ausdruck „fluidisch gekoppelt“ ist zu verstehen, dass die Hochdruckturbine abgasleitend mit der Niederdruckturbine verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass die als Halbaxial-Hochdruckturbine ausgestaltete Hochdruckturbine mit asymmetrischen Fluten mit Abgas versorgt werden kann, welche eine Anpassung auf besonders gute Turbinenwirkungsgrade bei im Vergleich zu Radialturbinen aus einstufigen Systemen niedrigeren Druckverhältnissen ermöglicht.
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Durch das fluidische Koppeln ist eine platzsparende Anordnung des Niederdruckturboladers direkt in Verlängerung zum Hochdruckturbolader ermöglicht. Die jeweiligen Wellen können zudem koaxial zueinander orientiert sein, wodurch eine besonders platzsparende Anordnung ermöglicht ist.
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Insbesondere kann die Hochdruckturbine zumindest zweiflutig ausgebildet sein, also zumindest eine mit Abgas durchströmbare erste Flut und eine mit Abgas durchströmbare zweite Flut aufweisen. Die erste Flut kann als sogenannte AGR-Flut ausgestaltet sein. Die zweite Flut kann als sogenannte λ-Flut ausgestaltet sein. Die Fluten können wenigstens bereichsweise verschieden große Strömungsquerschnitte aufweisen und dadurch asymmetrisch sein, wodurch unterschiedliche Abgaströmungsgeschwindigkeiten in den jeweiligen Fluten erzielbar sind.
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So kann die erste Flut einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweisen, als die zweite Flut, wobei mittels der ersten Flut gezielt eine Schaufelspitze jeweiliger Schaufeln der Hochdruckturbine anströmbar sein kann. Mittels der zweiten Flut kann gezielt ein Schaufelfuß jeweiliger Schaufeln der Hochdruckturbine anströmbar sein.
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Zumindest in der λ-Flut (zweite Flut) kann bevorzugt eine Abgasklappe angeordnet sein, wodurch eine gezielte Einstellung eines durch die λ-Flut durchtretenden Abgasmassenstroms ermöglicht ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Niederdruckturbine als Axial-Niederdruckturbine ausgebildet. Die Axial-Niederdruckturbine kann auch als axiale Niederdruckturbine bezeichnet werden.
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Bevorzugt kann eine Abströmung des Abgases in eine gehäusefeste Volute mit leichtem Restdrall erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Niederdruckverdichter als Halbaxial-Niederdruckverdichter ausgebildet. Der Halbaxial-Niederdruckverdichter kann auch als halbaxialer Niederdruckverdichter bezeichnet werden. Eine derartige Ausgestaltung begünstigt den Wirkungsgrad der Abgasturboladervorrichtung durch gezielte Anpassung der Verdichtergeometrie auf niedrigere Druckverhältnisse und keine unnötige Kennfeldreserve wie beim Radialverdichter..
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Bevorzugt kann der Niederdruckverdichter einen gehäusefesten, in radialer Richtung nach außen gekrümmten, ersten Diffusor aufweisen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Hochdruckverdichter als Halbaxial-Hochdruckverdichter ausgebildet. Der Halbaxial-Hochdruckverdichter kann auch als halbaxialer Hochdruckverdichter bezeichnet werden. Eine derartige Ausgestaltung begünstigt ebenfalls den Wirkungsgrad der Abgasturboladervorrichtung.
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Bevorzugt kann der Hochdruckverdichter einen gehäusefesten, in radialer Richtung nach außen gekrümmten, zweiten Diffusor aufweisen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Hochdruckturbine in Abgasströmungsrichtung des Abgases vor der Niederdruckturbine angeordnet. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders wirkungsgradgünstige Ausnutzung von Abgasenergie mittels der Abgasturboladervorrichtung ermöglicht ist. Mit anderen Worten wird also die Hochdruckturbine beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zuerst und damit vor der Niederdruckturbine mit Abgas durchströmt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Schnittdarstellung einer Abgasturboladervorrichtung.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Abgasturboladervorrichtung 10 für eine hier nicht weiter dargestellte Verbrennungskraftmaschine.
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Die Abgasturboladervorrichtung 10 umfasst einen Niederdruckabgasturbolader 20, welcher eine mit Abgas 14 der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Niederdruckturbine 24 und einen, über eine drehbar in einem Gehäuse 12 der Abgasturboladervorrichtung 10 gelagerte erste Welle 22 mit der Niederdruckturbine 24 gekoppelten, mit Luft 16 zur Versorgung der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Niederdruckverdichter 26 umfasst.
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Des Weiteren umfasst die Abgasturboladervorrichtung 10 einen Hochdruckabgasturbolader 40, welcher eine mit dem Abgas 14 durchströmbare Hochdruckturbine 44 und einen, über eine drehbar in dem Gehäuse 12 gelagerte zweite Welle 42 mit der Hochdruckturbine 44 gekoppelten, mit der Luft 16 zur Versorgung der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Hochdruckverdichter 46 umfasst.
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Die Wellen 22, 42 sind über jeweilige Wälzlager 50 drehbar in dem Gehäuse 12 gelagert.
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Die Hochdruckturbine 44 ist vorliegend zweiflutig ausgebildet und über eine mit Abgas 14 durchströmbare erste Flut 60 und eine mit Abgas 14 durchströmbare zweite Flut 62 mit dem Abgas 14 versorgbar. Die erste Flut 60 kann als sogenannte AGR-Flut ausgestaltet sein. Die zweite Flut 62 kann als sogenannte λ-Flut ausgestaltet sein. Die Fluten 60, 62 können wenigstens bereichsweise verschieden große Strömungsquerschnitte aufweisen, wodurch unterschiedliche Abgaströmungsgeschwindigkeiten in den jeweiligen Fluten 60, 62 erzielbar sind.
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So kann die erste Flut 60 einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweisen, als die zweite Flut 62, wobei mittels der ersten Flut gezielt eine Schaufelspitze jeweiliger Schaufeln der Hochdruckturbine 44 anströmbar ist. Mittels der zweiten Flut 62 ist gezielt ein Schaufelfuß jeweiliger Schaufeln der Hochdruckturbine 44 anströmbar. Dadurch ist ein besonders hoher Turbinenwirkungsgrad erzielbar.
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Zumindest in der λ-Flut (zweite Flut 62) kann bevorzugt eine hier nicht weiter dargestellte Abgasklappe angeordnet sein, wodurch eine gezielte Einstellung eines durch die λ-Flut durchtretenden Abgasmassenstroms ermöglicht ist.
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Die Hochdruckturbine 44 ist vorliegend in Abgasströmungsrichtung des Abgases 14 vor der Niederdruckturbine 24 angeordnet. Das Abgas 14 ist vorliegend durch einen Pfeil dargestellt, wobei die Abgasströmungsrichtung des Abgases 14 in Pfeilrichtung dieses Pfeils orientiert ist.
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Die Luft 16 ist ebenfalls durch einen Pfeil dargestellt, wobei eine Luftströmungsrichtung der Luft 16 in Pfeilrichtung dieses Pfeils orientiert ist.
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Die Hochdruckturbine 44 ist vorliegend als asymmetrische, halbaxiale Zwillings-Hochdruckturbine ausgebildet und fluidisch mit der Niederdruckturbine 24 gekoppelt.
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Die Niederdruckturbine 24 ist vorliegend als Axial-Niederdruckturbine ausgebildet. Eine Abströmung des Abgases 14 aus der Niederdruckturbine 24 kann in eine gehäusefeste Volute 30 mit leichtem Restdrall erfolgen.
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Der Niederdruckverdichter 26 ist vorliegend als Halbaxial-Niederdruckverdichter ausgebildet.
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Der Niederdruckverdichter 26 weist einen gehäusefesten, in radialer Richtung nach außen gekrümmten, ersten Diffusor 28 auf.
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Der Hochdruckverdichter 46 ist vorliegend als Halbaxial-Hochdruckverdichter ausgebildet.
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Der Hochdruckverdichter 46 weist einen gehäusefesten, in radialer Richtung nach außen gekrümmten, zweiten Diffusor 48 auf.
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Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass die Ausführung von Verdichtern als Halbaxialmaschinen (hier: Halbaxial-Hochdruckverdichter 46, Halbaxial-Niederdruckverdichter 26) generell deren maximales Druckverhältnis absenkt und die Möglichkeit zum wirkungsgradoptimalen Betrieb innerhalb deren Kennfelder im Vergleich zu einer üblichen Verdichterbauweise mit radialer Abströmung bietet. Die Hochdruckturbine 44, welche als Halbaxial-Hochdruckturbine ausgestaltet ist und eine variable Turbinengeometrie aufweisen kann, mit den vorliegend asymmetrischen Fluten 60, 62 ermöglicht eine Anpassung auf besonders gute Turbinenwirkungsgrade bei im Vergleich zu Radialturbinen aus einstufigen Systemen niedrigeren Druckverhältnissen.
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Bei der Niederdruckturbine 24 wird die Erkenntnis genutzt, dass eine axiale Niederdruckturbine ideale Einbaubedingungen bietet. Der Niederdruckabgasturbolader 20 kann dabei direkt in Verlängerung zu dem Hochdruckabgasturbolader 40 angeordnet sein, wie in der Fig. gezeigt ist, wobei sogar eine koaxiale Wellenanordnung der Wellen 22, 42 ermöglicht ist. Auch ein leichter Winkelversatz oder Lateralversatz der Wellen 22, 42 des Niederdruckabgasturboladers 20 und des Hochdruckabgasturboladers 40 ist durch Anpassung eines Verbindungsstücks zwischen dem Hochdruckabgasturbolader 40 und dem Niederdruckabgasturbolader 20 möglich. Aufgrund eines geringen Zwischenvolumens zwischen dem Hochdruckabgasturbolader 40 und dem Niederdruckabgasturboladers 20 kann ein gutes, transientes Hochlaufverhalten erzielt werden. Aufgrund kleiner Oberflächen werden besonders geringe Wärmeverluste erzielt. Zudem ergibt sich ein Gewichtsvorteil und eine sehr kompakte Anordnung im engen Motorraum. Durch direkte Anbindung des axialen Niederdruckabgasturboladers 20 nach einer Abströmung der Hochdruckturbine 44 ergeben sich sehr geringe Druckverluste. Zudem kann - im Gegensatz zu Radialturbinen - auf eine Strömungsumlenkung verzichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abgasturboladervorrichtung
- 12
- Gehäuse
- 14
- Abgas
- 16
- Luft
- 20
- Niederdruckabgasturbolader
- 22
- erste Welle
- 24
- Niederdruckturbine
- 26
- Niederdruckverdichter
- 28
- erster Diffusor
- 30
- Volute
- 40
- Hochdruckabgasturbolader
- 42
- zweite Welle
- 44
- Hochdruckturbine
- 46
- Hochdruckverdichter
- 48
- zweiter Diffusor
- 50
- Wälzlager
- 60
- erste Flut
- 62
- zweite Flut
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19948220 A1 [0003]
- DE 102014218345 A1 [0004]
- EP 0014778 A1 [0005]
- DE 2550054 A1 [0006]
