DE10327150A1

DE10327150A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10327150A1
Application number: DE10327150A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Betsch; Jürgen Dipl.-Ing. Münzenmaier
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-05

Abstract

Es ist bekannt, mittels zweier in Reihe geschalteter Abgasturbolader eine zweistufige Verdichtung für eine Brennkraftmaschine vorzusehen. Eine derartige Anordnung hat jedoch den Nachteil eines unzureichenden Instationärverhaltens. DOLLAR A Es wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, der eine Turbine und einen von der Turbine über eine Welle (3) angetriebenen ersten Verdichter (2) und einen zweiten Verdichter (8) aufweist, wobei über eine Kupplung (10) der zweite Verdichter (8) von der Welle (3) angetrieben ist. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Abgasturbolader ist zur Aufladung der Ansaugluft für Brennkraftmaschinen vorgesehen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1.

Es ist bereits ein Abgasturbolader bekannt ( DE 43 30 525 C2 ), dessen Verdichter über eine Welle von einer mit Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagten Turbine angetrieben wird. Die verdichtete Luft wird zu einem zweiten Verdichter geführt, der ebenfalls über eine Welle von einer mit Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagten Turbine angetrieben ist. Die Aufladung erfolgt zweistufig über zwei getrennte Abgasturbolader. Mittels einer zweistufigen Aufladung lassen sich höhere Druckverhältnisse erzielen, jedoch ist das Instationärverhalten derartiger Anordnungen nicht zufriedenstellend.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Abgasturbolader mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass das Instationärverhalten im Vergleich zu bisherigen einstufigen Abgasturboladern deutlich verbessert ist. Vorteilhafterweise lässt sich dies relativ einfach bewerkstelligen, insbesondere ohne dass es einer aufwendigen und emissionsverschlechternden, bauraumintensiven, konventionellen zweistufigen Aufladung oder einer Registeraufladung bedarf.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Abgasturboladers möglich.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Funktionsdarstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
2 eine perspektivische Darstellung der beiden Verdichter des erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist eine schematische Funktionsdarstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers gezeigt, der über einen ersten Verdichter 2 verfügt, welcher über eine Welle 3 mit einer Abgasturbine 4 verbunden ist. Der erste Verdichter 2 wird in bekannter Weise von der Abgasturbine 4 angetrieben. Zum Antrieb der Abgasturbine 4 werden dieser die Abgase einer Brennkraftmaschine 6 zugeführt. Die vom ersten Verdichter 2 verdichtete Luft wird der Brennkraftmaschine 6 bzw. deren Brennräume zugeführt. Dem ersten Verdichter 2 vorgeschaltet, ist ein zweiter Verdichter 8, so dass sich eine zweistufige Aufladung ergibt. Der zweite Verdichter 8 bildet die erste Verdichterstufe 20 und erste Verdichter 2 bildet die zweite Verdichterstufe 30. Der zweite Verdichter 8 wird erfindungsgemäß ebenfalls von der Welle 3 über eine Kupplung 10 angetrieben. Bei der Kupplung 10 handelt es sich um eine Kupplung, die drehzahlabhängig arbeitet, derart, dass erst ab einer bestimmten Drehzahl ein Reibschluss hergestellt wird. Nach Reibschluss erfolgt ein Antrieb des zweiten Verdichters 8. Eine denkbare Ausführungsform der Kupplung stellt die bekannte Fliehkraftkupplung dar. Es ist vorgesehen, erst bei höheren Drehzahlen, bei denen ein erheblicher Ladedruck durch den ersten Verdichter 2 erzeugt wird, ein Schließen der Kupplung 10 vorzusehen. Das Schließen der Kupplung 10, beispielsweise in Form der Fliehkraftkupplung, soll allmählich erfolgen und z. B. ab einer Drehzahl von mehr als 3000 Umdrehungen pro Minute einsetzen. Ab dieser Drehzahl schließt die Fliehkraftkupplung und der Schlupf zwischen der bereits mit hoher Drehzahl rotierenden Laderwelle 3 mit dem erstem Verdichter 2 und dem zweiten Verdichter 8 wird reduziert, wodurch sich durch die beginnende Drehung des zweiten Verdichters 8 eine Vorverdichtung bzw. zweistufige Verdichtung einstellt. Dies ermöglicht, dass auch bei weiter steigenden Masseströmen nicht die Pumpgrenze am ersten Verdichter 2 erreicht werden kann.
Die von der Brennkraftmaschine 6 angesaugte Luft gelangt von einem Ansaugbereich 12 zunächst in den zweiten Verdichter 8 und von diesem, z. B. über ein Leitgitterrad 14, weiter in den ersten Verdichter 2, der die Luft als zweite Verdichterstufe 30 weiter verdichtet, um diese dann über eine Verdichterleitung 15 in nicht näher gestellte Brennräume der Brennkraftmaschine 6 abzugeben. Mit dieser Anordnung ist es möglich, Ladedrücke über 5 bar zu erzielen.
Die 2 zeigt eine perspektivische Darstellung beider Verdichterstufen, bestehend aus dem ersten Verdichter 2 (zweite Stufe 30) und dem zweiten Verdichter 8 (optional erste Stufe 20 bei höheren Drehzahlen). Die Ausführung der ersten Verdichterstufe 20 kann als axiale Stufe ausgelegt sein, da axiale Stufen mit deutlich geringeren Strömungswiderständen behaftet sind. Wie die 2 zeigt, ist das zweite Verdichterrad 8 als Axialverdichter ausgebildet. Eine axiale Verdichtung im zweiten Verdichterrad 8 hat den Vorteil eines geringen Strömungswiderstandes, welche im Schlupfbetrieb bei noch niedrigem Massenstrom und Drehzahl wichtig ist, da in diesen Bereichen das zweite Verdichterrad 8 im Wesentlichen still steht. Bei höheren Drehzahlen und mit damit einsetzendem verringerten Schlupf sowie bei geschlossener Kupplung 10 und hohen Drehzahlen ist dagegen der Wirkungsgrad des axialen Verdichterrades 8 besser als bei einer Ausführung als Radialverdichter mit einem radialen Verdichterrad. Der erste Verdichter 2 ist hingegen als Radialverdichter ausgeführt, dessen Verdichterrad einen größeren Durchmesser als das Verdichterrad des Axialverdichters 8 aufweist. Die Kombination einer unabhängigen Axialverdichterstufe 20 mit einer zweiten radialen Verdichterstufe 30 ermöglicht somit die Vorteile beider Verdichtertypen optimal zu nutzen, wodurch sich eine deutliche Verbesserung des Instationärverhaltens erzielen lässt. Wie mittels Pfeilen 17 dargestellt ist, strömt die Luft von links in die erste Verdichterstufe 20 mit dem zweiten Verdichterrad 8 ein und gelangt dann weiter in einen Ringraum 19, in welchem ein stillstehendes Leitgitterrad 14 untergebracht ist. Die mittels des Leitgitterrades 14 geführte Luft gelangt dann weiter zu Verdichterschaufeln 22 des ersten Verdichters 2. Anschließend verlässt die verdichtete Luft den ersten Verdichter 2 radial nach außen, wie die Pfeile 18 zeigen. Die vom ersten Verdichter 2 verdichtete Luft gelangt dann weiter in die Verdichtungsleitung 15 zur Brennkraftmaschine 6. Die drehzahlabhängige Zuschaltung der ersten Verdichterstufe 20, bestehend aus dem zweiten Verdichter 8 bei hohen Drehzahlen, ermöglicht vor allem den Aufladegrad in der Volllast deutlich über das mit einer einzigen radialen Stufe Darstellbare hinaus zu erweitern. Außerdem ist eine Reduzierung einer Ladergrenzdrehzahl bei Volllast möglich, ohne dass dabei Füllungsverluste für die Brennkraftmaschine 6 hinzunehmen wären. Bei vorgegebenem Füllungsgrad der Brennkraftmaschine 6 ist es durch die erfindungsgemäße Ausführung des Abgasturboladers möglich, zu einer Bauteilentlastung und Reduzierung der Lagerungsproblematik zu kommen. Die Lagerung des zweiten Verdichters 8 erfolgt vorzugsweise über Wälzlager, insbesondere Kugellager. Die Lagerung des ersten Verdichters 2 erfolgt über Gleitlager.
Die Lagerung der ersten Verdichterstufe 20 auf derselben Turboladerwelle 3 wie die der zweiten Verdichterstufe 30 ermöglicht, dass sich im Beschleunigungsfall das Massenträgheitsmoment für die zweite, kompakte Verdichterstufe 30 verringert. Damit ergibt sich ein sehr gutes Ansprechverhalten des erfindungsgemäßen Abgasturboladers. Das Prinzip der Lagerung der ersten Verdichterstufe 20 über eine Fliehkraftkupplung 10 ist im Prinzip auch grundsätzlich auf die Turbinenseite zu übertragen, wobei die Fliehkraftkupplung dann ab einer Mindestdrehzahl eines großen Turbinenrades schließen könnte. Dennoch ist anzustreben, grundsätzlich mit einer Turbine auszukommen, um insbesondere in einem vorgesehenen Fahrzyklus (NEFZ-Zyklus) möglichst wenig Wärme zu verlieren, so dass es zu einer schnellen Aufheizung eines nach der Turbine vorgesehenen Katalysators kommt. Da die Lagerung der ersten Stufe 20 erst nach Überwindung des Schlupfes an der Kupplung 10 erfolgt, ist es möglich, Kugellager zur Lagerung des zweiten Verdichters 8 heranzuziehen.

Claims

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer Turbine und einem von der Turbine über eine Welle angetriebenen ersten Verdichter und einem zweiten Verdichter, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Kupplung (10) der zweite Verdichter (8) von der Welle (3) angetrieben ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (10) drehzahlabhängig schließt, wonach ein Betrieb des zweiten Verdichters (8) erfolgt.
Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kupplung (10) um eine Fliehkraftkupplung handelt.
Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb einer Drehzahl von mehr als 3000 Umdrehungen pro Minute ein allmähliches Schließen der Kupplung (10) einsetzt.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem Verdichter (2) und zweitem Verdichter (8) ein Leitgitterrad (14) vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (2) in Form eines Radialverdichters und der zweite Verdichter (8) in Form eines Axialverdichters ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagerung des zweiten Verdichters (8) ein Wälzlager, insbesondere ein Kugellager, vorgesehen ist.