DE10230934A1

DE10230934A1 - Schaltbarer, zweistufiger Abgas-Turbolader für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10230934A1
Application number: DE2002130934
Authority: DE
Inventors: Wilfried Barth; Rudolf Wimmer; Christian Jursitzky
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: DE10230934B4

Abstract

Schaltbarer, zweistufiger Abgas-Turbolader (2) für eine Brennkraftmaschine (1), bestehend aus einem Hochdruck-Lader (3) mit einer mit einem Abgas-Sammler (4) verbundenen Hochdruck-Turbine (5), die über zumindest ein abgasführendes Rohr (15) mit einer Niederdruck-Turbine (6) eines Niederdruck-Laders (7) in Reihe verbunden ist, wobei die Niederdruck-Turbine (6) am Abgas-Sammler (4) angeordnet ist. DOLLAR A Durch die vorgeschlagene Anordnung von Hochdruck-Turbine (5) und Niederdruck-Turbine (6) am Abgas-Sammler (4) wird eine besonders kompakte und einfach an die Brennkraftmaschine (1) zu montierende Abgas-Turboladeranordnung erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen schaltbaren, zweistufigen Abgas-Turbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß der Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 14 755 A1 aus. In dieser ist eine Brennkraftmaschine mit einer zweistufigen, schaltbaren Abgas-Turboladeranordnung, deren motornaher Hochdruck-Lader mit einer, mit dem Abgas-Sammler der Brennkraftmaschine abgasführend verbundenen Turbine, mit der die Turbine eines Niederdruck-Laders in Reihe angeordnet ist, beschrieben. Jeder Turbine ist jeweils ein steuerbarer Bypass zugeordnet, wobei der Bypass in bekannter Weise mit einem Wastegate-Ventil ausgebildet ist. Ein Verdichter des Hochdruck-Laders umfasst einen steuerbaren Ladeluft-Bypass. Die Steuerung sämtlicher Bypässe erfolgt mittels eines elektronischen Steuergerätes. Damit die Turboladeranordnung kompakt baut, ist der Abgas-Sammler über einen in einem Sammlerendbereich angeordneten ersten Auslass mit der Hochdruckturbine und über einen im Mittenbereich angeordneten zweiten Auslass mit der Niederdruckturbine abgasführend verbunden, und eine zwischen der Hochdruck-Turbine und der Niederdruck-Turbine vorgesehene Verbindungsleitung führt das Abgas vom zweiten Sammlerauslass gesondert der Niederdruck-Turbine zu, wobei ein dem zweiten Sammler-Auslass zugeordneter, steuerbarer Kanal als Bypass der Hochdruck-Turbine ausgebildet ist.

Bei der kompakten Bauweise der beschriebenen Abgas-Turboladeranordnung ist jedoch die Montage aufwendig und teuer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Montage einer gattungsgemäßen Abgas-Turboladeranordnung zu vereinfachen und somit die Herstellkosten zu senken.

Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des schaltbaren, zweistufigen Abgas-Turboladers bildet dieser zusammen mit dem Abgas-Sammler eine kompakte bauliche Einheit, die als vormontiertes Gesamtpaket am Zylinderkopf montiert werden kann. Die Niederdruck-Turbine, der Abgas-Sammler und die Hochdruck-Turbine bilden miteinander in vorteilhafter Weise nur zwei Dichtstellen. Zum einen die Dichtstelle zwischen Niederdruckstufe am Abgas-Sammler und zum anderen die Hochdruckstufe am Abgas-Sammler. Eine Reduzierung der Dichtstellen bedeutet die Reduzierung der Anzahl der Dichtungen und somit eine Reduzierung der Gefahr für Undichtigkeiten beim Brennkraftmaschinenbetrieb. Insgesamt führt die erfindungsgemäße Ausgestaltung zu einer Verringerung von Bauteilen und Dichtflächen, sowie zu einer vereinfachten Montage und somit einer verbilligten Herstellung.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 reduziert nochmals die Baugröße der Abgas-Turboladereinheit gegenüber dem bekannten Stand der Technik.

Eine Fertigung gemäß Patentanspruch 3 reduziert die Herstellkosten nochmals, da die Anzahl der Bauteile durch diese Maßnahme reduziert wird.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 berücksichtigt in vorteilhafter Weise, dass der heißere abgasführende Bereich brennkraftmaschinennah und der kühlere abgasführende Bereich der Abgas-Turboladeranordnung brennkraftmaschinenfern angeordnet ist. Diese Maßnahme wirkt sich günstig auf den gesamten Wirkungsgrad der Turboladeranordnung aus.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 bewirkt eine wesentlich verbesserte Einströmung des Abgasstromes von der Hochdruckstufe in die Niederdruckstufe, da der Grad der Umlenkung des Abgases sehr gering gehalten ist. Strömungsverluste werden somit vermieden und der Wirkungsgrad der Abgas-Turboladeranordnung weiterhin verbessert.

Die Anordnung der Klappe gemäß Patentanspruch 6 vereinfacht nochmals die Montage und reduziert die Herstellkosten.

Durch die Montage der Ladeluftführung und des Ladeluft-Bypass gemäß Patentanspruch 7 können diese Bauteile an der Abgasturbolader-Anordnung befestigt werden, bevor die gesamte Anordnung an der Brennkraftmaschine verbaut wird. Durch diese Maßnahme wird die Montagezeit in der Fertigungslinie verkürzt und die Herstellkosten entsprechend gesenkt.

Eine Abdichtung gem. Patentanspruch 8 gewährleistet eine die Fertigungstoleranzen ausgleichende, sowie akustisch ideale Anbindung der Ladeluftleitung in die Abgas-Turboladeranordnung. Darüber hinaus werden in vorteilhafter Weise unterschiedliche Bauteillängungen aufgrund von unterschiedlicher Erwärmung ausgeglichen, ohne dass die Anordnung undicht wird.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in vier Figuren näher erläutert.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine zweistufige, schaltbare Abgas-Turboladeranordnung,
2 zeigt eine Aufsicht der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Abgas-Turboladeranordnung,
3 zeigt einen Schnitt durch die Abgas-Turboladeranordnung entlang der Schnittlinie C-C aus 2,
4 zeigt einen Schnitt durch die Abgas-Turboladeranordnung entlang der Schnittlinie D-D aus 2.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer zweistufigen, schaltbaren Abgas-Turboladeranordnung. Die in 1 eingeführten und verwendeten Bezugszeichen gelten auch für die 2 bis 4. Eine Brennkraftmaschine 1 mit einer zweistufigen, schaltbaren Abgas-Turboladeranordnung 2 umfasst einen motornahen Hochdruck-Lader 3 mit einer mit einem Abgas-Sammler 4 der Brennkraftmaschine 1 abgasführend verbundenen Hochdruck-Turbine 5, mit der eine Niederdruck-Turbine 6 eines Niederdruck-Laders 7 in Reihe angeordnet ist. Jeder Turbine 5, 6 ist jeweils ein steuerbarer Bypass, ein Niederdruck-Bypass 8 und ein Hochdruck-Bypass 9, zugeordnet, wobei der Hochdruck-Bypass 9 in bekannter Weise mit einem Wastegate-Ventil ausgebildet ist. Ein Hochdruckverdichter 10 des Hochdruck-Laders 3 umfasst einen steuerbaren Ladeluft-Bypass 11 und ist gasführend über eine Ladeluftleitung 20 mit einem Niederdruckverdichter 19 verbunden. Die Steuerung sämtlicher Bypässe 8, 9 und 11 erfolgt mittels eines elektronischen Steuergerätes 12. Weiter ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass bei aktiviertem Bypass 8 zur Umgehung der Hochdruck-Turbine 5 der wesentliche Abgasstrom der Niederdruck-Turbine 6 zugeführt ist und ein kleinerer Abgasanteil der Brennkraftmaschine weiterhin über die Hochdruck-Turbine 5 geführt ist, beispielsweise aus schmierungstechnischen Überlegungen einerseits und um das Ansprechverhalten der Abgas-Turboladeranordnung 2 andererseits günstig zu gestalten.
2 zeigt die Aufsicht eines konkreten Ausführungsbeispieles der schaltbaren, zweistufigen Abgas-Turboladeranordnung 2. Auf die schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 ist der Abgas-Sammler 4 montiert. Der Abgas-Sammler 4 dient zur Abfuhr der Abgase von sechs nicht dargestellten Zylindern. Der Abgas-Sammler 4 verfügt über eine obere Abgas-Sammlerseite 4' und eine untere Abgas-Sammlerseite 4''. In der Mitte des Abgas-Sammlers 4, auf der oberen Abgas-Sammlerseite 4' ist die Hochdruck-Turbine 5 des Hochdruck-Laders 3 angeflanscht. Ebenfalls in der Mitte des Abgas-Sammlers 4 ist auf der unteren Abgas-Sammlerseite 4'' die Niederdruck-Turbine 6 des Niederdruck-Laders 7 angeflanscht. Auf der, der Niederdruckturbine 6 abgewandten Seite des Niederdruck-Laders 7 ist ein Niederdruckverdichter 19 angeflanscht, der über einen Ladeluft-Bypass 11 und eine Ladeluftleitung 20 gasführend mit dem Hochdruckverdichter 10 des Hochdruckladers 3 verbunden ist. Im Flanschbereich zwischen dem Niederdruckverdichter 19 und dem Ladeluft-Bypass 11 ist eine dritte Drucksteuerung 16'' befestigt. Die Gasverzweigung beinhaltet eine nicht sichtbare Klappe, die auf einem ebenfalls nicht sichtbaren Gasauslass des Niederdruckverdichters 19 abdichtet. Die Abgas- und die Ladeluftführung erfolgen wie bereits unter 1 beschrieben. Bei der hier dargestellten Anordnung ist sowohl der Hochdruckbypass 9 als auch das abgasführende Rohr in dem mittleren Teil des Abgas-Sammlers 4 integriert. Sowohl der Hochdruckbypass 9 als auch das abgasführende Rohr sind einstöckig mit dem aus Guss hergestellten Abgas-Sammler 4 ausgeführt. Ferner sind eine erste und eine zweite Drucksteuerung 16, 16' für nicht sichtbare Klappen erkennbar, die an der Niederdruck-Turbine angeordnet sind. Die Ladeluftleitung 20 ist gegenüber dem Niederdruckverdichter 19 und dem Hochdruckverdichter 10 über flexible Dichtelemente wie z.B. O-Ringe abgedichtet. Zentrisch zwischen der oberen Abgas-Sammlerseite 4' und der unteren Abgas-Sammlerseite 4'' ist eine Schnittebene D-D eingezeichnet, in der Mitte des Abgas-Sammlers 4 ist normal zu der Schnittebene D-D eine weitere Schnittebene C-C eingezeichnet.
In 3 ist der Querschnitt der in der Ebene C-C geschnittenen schaltbaren, zweistufigen Abgas-Turboladeranordnung dargestellt. Zentral angeordnet ist der Abgas-Sammler 4. Auf der oberen Abgas-Sammlerseite 4', die aus diesem Schnitt nicht direkt erkennbar ist, bildet der Abgas-Sammler 4 mit der Hochdruck-Turbine 5 eine erste Trennebene 17. Auf der unteren Abgas-Sammlerseite 4'' bildet der Abgas-Sammler 4 mit der Niederdruck-Turbine 6 eine zweite Trennebene 17'. Die Hochdruck-Turbine 5 und die Niederdruck-Turbine 6 sind miteinander über den Hochdruckbypass 9 verbunden. In dem Hochdruck-Bypass 9 ist der Abgas-Sammlerauslass 14 erkennbar. Die Gasströmung ist durch Pfeile gekennzeichnet. Des weiteren ist der Hochdruckbypass 9 von der Hochdruckbypassklappe 13, die in dem Gehäuse der Niederdruck-Turbine 6 angeordnet ist, verschließbar. In dem Abgas-Sammler 4 ist eine zweite Verbindung erkennbar, die ebenfalls die Hochdruck-Turbine 5 mit der Niederdruck-Turbine 6 verbindet. Bei diesem Abschnitt handelt es sich um das abgasführende Rohr 15. Das abgasführende Rohr 15 ist brennkraftmaschinennah, der Hochdruck-Bypass 9 brennkraftmaschinenfern angeordnet ist. Aus 3 ist ebenso ersichtlich, dass die Abgasführung nahezu gerade, das heißt na hezu ohne Radien oder Krümmungen stattfindet und dass somit Strömungsverluste weitgehend vermieden werden. Daher ist der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Abgas-Turboladeranordnung besonders hoch. Die bauliche Vereinfachung gegenüber dem Stand der Technik führt dazu, dass diese Anordnung nur zwei hier nicht dargestellten Dichtungen in der ersten und zweiten Trennebene 17, 17' benötigt. Sowohl die Hochdruck-Turbine 5 als auch die Niederdruck-Turbine 6 sind durch einfache Verschraubungen an dem Abgaskrümmer 4 verbaut, weitere Befestigungsmöglichkeiten wie unlösbare Verbindungen sind ebenfalls möglich. Ferner ist in 3 die Ladeluftleitung 20 erkennbar, die den Niederdruckverdichter 19, ebenso wie der Ladeluft-Bypass 11 mit dem Hochdruckverdichter 10 gasführend verbindet.
In 4 ist der Abgas-Sammler 4 in der Trennebene D-D mit Blick auf den Niederdruck-Lader 7, den Ladeluft-Bypass 11 und die Drucksteuerungen 16, 16'' geschnitten dargestellt. Deutlich erkennbar sind sechs Gaseinströmbereiche 18, 18', die mit sechs Auslass-Kanälen von sechs Zylindern der nicht dargestellten Brennkraftmaschine korrespondieren. In der Mitte des Abgas-Sammlers 4 sind, wie auch im Schnitt C-C erkennbar, der brennkraftmaschinenferne Hochdruck-Bypass 9, sowie das brennkraftmaschinennahe abgasführende Rohr 15 zu erkennen. In dem Hochdruckbypass 9 ist die im Gehäuse der Niederdruck-Turbine 6 angeordnete Hochdruckbypassklappe 13 ersichtlich, die von unten nach oben schließt. Die Haupt-Gasströmrichtungen sind wiederum durch Pfeile gekennzeichnet.

1: Brennkraftmaschine
2: Schaltbare, zweistufige Abgas-Turboladeranordnung
3: Hochdruck-Lader
4: Abgas-Sammler
4': Obere Abgas-Sammlerseite
4'': Untere Abgas-Sammlerseite
5: Hochdruck-Turbine
6: Niederdruck-Turbine
7: Niederdruck-Lader
8: Niederdruck-Bypass
9: Hochdruck-Bypass
10: Hochdruck-Verdichter
11: Ladeluft-Bypass
12: Steuergerät
13: Hochdruckbypassklappe
14: Abgas-Sammlerauslass
15: Abgasführendes Rohr
16: Erste Drucksteuerung
16': Zweite Drucksteuerung
16'': Dritte Drucksteuerung
17: Erste Trennebene
17': Zweite Trennebene
18, 18': Gaseinströmbereich
19: Niederdruck-Verdichter
20: Ladeluftleitung

Claims

Schaltbarer, zweistufiger Abgas-Turbolader (2) für eine Brennkraftmaschine (1) bestehend aus einem Hochdruck-Lader (3) mit einer mit einem Abgas-Sammler (4) verbundenen Hochdruck-Turbine (5), die über zumindest ein abgasführendes Rohr (15) mit einer Niederdruck-Turbine (6) eines Niederdruck-Laders (7) in Reihe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Turbine (6) am Abgas-Sammler (4) angeordnet ist.
Abgas-Turbolader nach Patentanspruch 1, wobei der Niederdruck-Turbine (6) ein Niederdruck-Bypass (8) und der Hochdruck-Turbine (6) ein Hochdruck-Bypass (9) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck-Bypass (9) und/oder das abgasführende Rohr (15) zumindest abschnittsweise in dem Abgas-Sammler (4) integriert sind.
Abgas-Turbolader nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest je ein Abschnitt des Hochdruck-Bypasses (9) und/oder des abgasführenden Rohres (15) einstöckig mit dem Abgas-Sammler (4) ist.
Abgas-Turbolader nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck-Bypass (9) brennkraftmaschinenfern und das abgasführende Rohr (15) brennkraftmaschinennah angeordnet ist.
Abgas-Turbolader nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Turbine (5) und die Niederdruck-Turbine (6) diametral am Abgas-Krümmer (4) angeordnet sind.
Abgas-Turbolader nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei der Hochdruck-Bypass von einer Klappe verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (13) in dem Maschinengehäuse der Niederdruck-Turbine angeordnet ist.
Abgas-Turbolader nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei der Abgas-Turbolader eine Ladeluftleitung, einen Ladeluft-Bypass und einen Niederdruckverdichter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftleitung (20) und der Ladeluft-Bypass (11) an dem Niederdruckverdichter (19) angeordnet sind.
Abgas-Turbolader nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftleitung (20) gegenüber dem Hochdruckverdichter (10) und dem Niederdruckverdichter (19) mit jeweils zumindest einem elastischen Element abgedichtet ist.