DE19732543C2 - Exhaust gas turbocharger system - Google Patents

Exhaust gas turbocharger system

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Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasturboladersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an exhaust gas turbocharger system according to the preamble of Claim 1.

Bei einem bekannten Abgasturboladersystem, wie beispielsweise in der DE 33 35 856 C2 in Verbindung mit einer Nutzturbine beschrieben ist, geben die Abgase der Brennkraftmaschine Energie an die Turbine ab, die den auf einer gemeinsamen Welle sitzenden Verdichter antreibt. Der Verdichter saugt die frische Ladung an und schiebt sie mit Überdruck in die Zylinder des Verbrennungsmotors. Dabei bilden Turbine und Verdichter eine Baueinheit, die mechanische direkte Kopplung von Turbine und Lader bedingt stetige Drehzahlgleichheit von Turbine und Verdichter.In a known exhaust gas turbocharger system, such as in DE 33 35 856 C2 is described in connection with a power turbine, give the exhaust gases of the Internal combustion engine energy to the turbine, which is based on a common Shaft drives compressor. The compressor sucks in the fresh load and pushes them into the cylinders of the internal combustion engine with overpressure. In doing so Turbine and compressor a structural unit, the mechanical direct coupling of Turbine and supercharger require constant speed equality of turbine and compressor.

Die mechanische Kopplung zwischen Turbine und Verdichter bedingt Energiegleichgewicht zwischen effektiver Turbinen- und Verdichterarbeit. Die Größe, d. h. die Auslegung des Verdichters ist durch den Volumendurchsatz und durch das von ihm zu erzeugende Druckverhältnis nach und vor dem Verdichter bestimmt. Daran ist aber auch die Auslegung der Turbine festgemacht, da ja Verdichter und Turbine Drehzahlgleichheit voraussetzen.The mechanical coupling between the turbine and the compressor causes Energy balance between effective turbine and compressor work. The size, d. H. the design of the compressor is due to the volume flow rate and the pressure ratio to be generated by him determined before and after the compressor. This is also the basis for the design of the turbine, since the compressor and Require turbine speed equality.

Aus der DE-OS 17 51 941 ist ein Abgasturboladersystem bekannt geworden, das eine Turbine und einen Verdichter umfaßt und bei dem die Turbine eine Pumpe und die Pumpe einen mit dem Verdichter gekoppelten Motor antreibt. Obwohl man durch dieses System die freie Wahl des Platzes für Lader und Turbine bezüglich des Motors hat und sich das System in engen Grenzen bezüglich des Gesamtwirkungsgrades selbst regelt, kann die Liefermenge des Laders nicht unabhängig von der Motordrehzahl auf den gewünschten Aufladegrad einreguliert werden.From DE-OS 17 51 941 an exhaust gas turbocharger system has become known comprises a turbine and a compressor and in which the turbine comprises a pump and the pump drives a motor coupled to the compressor. Although you go through this system the free choice of space for loaders and turbines regarding the Motors has and the system within narrow limits regarding the The delivery quantity of the loader cannot regulate the overall efficiency itself  Regulated to the desired charging level regardless of the engine speed become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasturboladersystem an einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Haupantspruches beschriebenen Art zu schaffen, bei welchem mit minimalem Bauaufwand die Auslegung von Verdichter und Turbine ohne Zwang der Drehzahlgleichheit möglich ist und gleichzeitig man bei einem Lastzustand, d. h. bei einer bestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Drehzahl des Verdichters variieren kann.The invention has for its object an exhaust gas turbocharger system supercharged internal combustion engine in the preamble of the main claim to create described type, in which with minimal construction Compressor and turbine can be designed without the need for equal speed and at the same time one is under a load condition, i.e. H. at a certain speed the internal combustion engine, the speed of the compressor can vary.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.The object is achieved by the features of the characterizing Part of the main claim solved.

Durch die Kopplung von Turbine und Verdichter an jeweils eine(n) von der Brennkraftmaschine unabhängig arbeitende(n) Pumpe (Motor), d. h., die Turbine treibt eine Pumpe an, die den Motor beaufschlagt, der den Verdichter antreibt, sind die Drehzahlen von Turbine und Verdichter unabhängig voneinander variierbar, so daß sowohl die Turbine als auch der Verdichter ohne Zwang der Drehzahlgleichheit ausgelegt werden kann. Durch entsprechende, bzw. unterschiedliche Auslegung der Schluckvolumen von Pumpe und Motor kann eine Drehzahlübersetzung erfolgen.By coupling the turbine and compressor to one (s) of each Internal combustion engine (s) pump (motor), d. that is, the turbine is driving a pump that drives the motor that drives the compressor is the The speeds of the turbine and compressor can be varied independently of one another, so that both the turbine and the compressor without being forced to have the same speed can be interpreted. By appropriate or different interpretation of the Swallowing volume of the pump and motor can be speed-translated.

Speziell durch eine externe Druckeinspeisung mittels einer separaten Hydropumpe für den Antrieb des Verdichters kann der Verdichter als mechanischer Lader benutzt werden. Die Liefermenge des Laders kann damit unabhängig von der Motordrehzahl auf den gewünschten Aufladegrad einreguliert werden.Specially through an external pressure supply using a separate hydraulic pump the compressor can be used as a mechanical loader to drive the compressor become. The delivery quantity of the charger can therefore be independent of the engine speed be adjusted to the desired level of charge.

Durch die periodisch öffnenden Einlaßquerschnitte des Motors werden im Saugsystem Schwingungen erzeugt, die je nach Frequenz und Phase bei bestimmten Drehzahlen eine Vergrößerung, bei anderen eine Verkleinerung des Liefergrades bewirken. Bei einer entsprechenden Drehzahlregelung können bei der erfindungsgemäßen aufladetechnischen Konfiguration aktiv Schwingungen in der Luftleitung kompensiert werden.Due to the periodically opening intake cross sections of the engine Suction system generates vibrations depending on the frequency and phase Certain speeds increase, others decrease Effect delivery rates. With a corresponding speed control, the  charging technical configuration according to the invention active vibrations in the Air line can be compensated.

Außerdem bietet die erfindungsgemäß aufladetechnische Konfiguration durch die freie Wahlmöglichkeit der Positionierung der Turbinen- und Verdichterbaugruppe und ihrer Druckmittelankopplung die Möglichkeit, die gleiche Luftdurchströmung für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine zu realisieren.In addition, the charging technology configuration according to the invention offers through the free choice of positioning of the turbine and compressor assembly and their pressure medium coupling the possibility of the same air flow for everyone Realize cylinder of the internal combustion engine.

Durch ein Drosselelement innerhalb der hydraulischen Anbindung der Hydropumpe an den Hydromotor direkt nach Hydropumpe/Turbine kann der Abgasgegendruck erhöht werden.Through a throttle element within the hydraulic connection of the hydraulic pump The exhaust gas back pressure can be applied to the hydraulic motor directly after the hydraulic pump / turbine increase.

Befindet sich das Drosselelement direkt vor dem Hydromotor/Verdichter kann ein Umblasen ersetzt werden. Durch Umblasen, das ist das Herumführen eines Teiles der vom Verdichter gelieferten Luft um die Brennkraftmaschine zur Turbine und Aufheizen dieser Umblaseluft, ist es möglich, das Abgasturboladersystem unabhängig von der Motordrehzahl in dem dem Vollastpunkt der Brennkraftmaschine entsprechenden Betriebspunkt zu halten, d. h. einen hohen Ladedruck im ganzen Betriebsbereich sicher zu stellen.The throttle element is located directly in front of the hydraulic motor / compressor Blow blowing can be replaced. By blowing, that is moving a part around the air delivered by the compressor around the internal combustion engine to the turbine and Heating up this blow-by air, it is possible to use the exhaust gas turbocharger system regardless of the engine speed at the full load point of the internal combustion engine to maintain the corresponding operating point, d. H. a high boost pressure throughout Ensure operational area.

Die Zeichnung zeigt mit ihrer einzigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen aufladetechnischen Konfiguration eines Abgasturboladersystems in stark schematisierter Form.The drawing with its only FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an inventive charging configuration of an exhaust gas turbocharger system in a highly schematic form.

An einer nicht gezeigten aufgeladenen Brennkraftmaschine ist eine mit 1 bezeichnete Turbine angeordnet, die in bekannter Weise einen Abgaseintritt 2 und einen Abgasaustritt 3 aufweist. In herkömmlicher Weise strömen die Abgase der Brennkraftmaschine in die Turbine und geben dort Energie ab. Über eine Welle 4 und Getriebe ist die Turbine 1 an eine Hydropumpe 5 gekoppelt. Diese Kopplung ist mit einer Drehzahluntersetzung von Turbine 1 zur Pumpe 5 ausgestattet, die in vorteilhafter Weise den Faktor 10 beträgt. Turbine 1 und Hydropumpe 5 sind zu einer Baugruppe zusammengefaßt. Als Hydropumpe wird vorzugsweise eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Axial- oder Radialkolbenpumpe mit Exzenter verwendet. Die Erzeugung der Kolbenbewegung erfolgt wegen der kleinen Abmessungen überwiegend durch Kurvengetriebe.On a supercharged internal combustion engine (not shown), a turbine, designated 1, is arranged, which has an exhaust gas inlet 2 and an exhaust gas outlet 3 in a known manner. In a conventional manner, the exhaust gases from the internal combustion engine flow into the turbine and give off energy there. The turbine 1 is coupled to a hydraulic pump 5 via a shaft 4 and a transmission. This coupling is equipped with a speed reduction from turbine 1 to pump 5 , which is advantageously a factor of 10. Turbine 1 and hydraulic pump 5 are combined to form an assembly. A piston pump, in particular an axial or radial piston pump with an eccentric, is preferably used as the hydraulic pump. Because of the small dimensions, the piston movement is mainly generated by cam gears.

Auf der anderen Seite des Abgasturboladersystems ist ein Verdichter 8 über eine Welle 11 und Getriebe an einen Hydromotor 12 gekoppelt, mit einer Drehzahlübersetzung von Hydromotor 12 zum Verdichter 8, die ebenfalls ca. in der Größenordnung des Faktors 10 liegt. Ebenfalls in herkömmlicher Weise weist der Verdichter 8 einen Lufteintritt 9 und einen Luftaustritt 10 zum Zylinder des Verbrennungsmotor auf. Verdichter 8 und Hydromotor 12 sind ebenfalls zu einer Baugruppe zusammengefaßt. Drehzahlunter-, bzw. Drehzahlübersetzung sind vorteilhaft, solange die maximalen Drehzahlen der Hydromaschinen noch nicht denen der Abgasturboladerelemente entsprechen.On the other side of the exhaust gas turbocharger system, a compressor 8 is coupled to a hydraulic motor 12 via a shaft 11 and gearbox, with a speed ratio from hydraulic motor 12 to the compressor 8 , which is also approximately in the order of magnitude of factor 10. Also in a conventional manner, the compressor 8 has an air inlet 9 and an air outlet 10 to the cylinder of the internal combustion engine. Compressor 8 and hydraulic motor 12 are also combined to form an assembly. Speed reduction or speed reduction are advantageous as long as the maximum speeds of the hydraulic machines do not yet correspond to those of the exhaust gas turbocharger elements.

Als Hydromotor 12 sind ebenfalls alle bekannten Bauformen der schiebergesteuerten Axial- und Radialkolbenmaschinen mit Exzenter gleich gut geeignet.All known designs of the slide-controlled axial and radial piston machines with eccentric are equally well suited as the hydraulic motor 12 .

Als hydraulische Verbindung von Hydropumpe 5 der Turbine 1 zum Hydromotor 12 des Verdichters 8 sind Druckmittelleitungen 7, 17a, 20a vorgesehen, so daß die Turbine 1 die Hydropumpe 5 antreibt, diese den Hydromotor 12 beaufschlagt, der wiederum den Verdichter 8 antreiben kann.As a hydraulic connection of the hydraulic pump 5 of the turbine 1 to the hydraulic motor 12 of the compressor 8 , pressure medium lines 7 , 17 a, 20 a are provided, so that the turbine 1 drives the hydraulic pump 5 , which acts on the hydraulic motor 12 , which in turn can drive the compressor 8 .

Pumpe 5 und Motor 12 sind in ihrem Schluckvolumen aufeinander abgestimmt.Pump 5 and motor 12 are matched to each other in their absorption volume.

Zwischen Pumpe 5 und Motor 12 ist in die Druckmittelleitung 7 eine externe Druckeinspeisung mittels einer separaten Hydropumpe 14 und Zweigleitung 18a eingerichtet. Between the pump 5 and the motor 12 , an external pressure feed is set up in the pressure medium line 7 by means of a separate hydraulic pump 14 and branch line 18 a.

In Strömungsrichtung des Druckmittels sind sowohl nach der Hydropumpe 5, als auch nach der separaten Hydropumpe 14 Rückschlagventile 6, 15 in der Druckmittel- bzw. Zweigleitung 17a und 18a eingebaut, durch diese die externe Einspeisung durch die separate Hydropumpe 14 unterstützt wird.In the flow direction of the pressure medium, check valves 6 , 15 are installed in the pressure medium or branch line 17 a and 18 a both after the hydraulic pump 5 and after the separate hydraulic pump 14 , by means of which the external feed through the separate hydraulic pump 14 is supported.

Desweiteren ist in der Druckmittelleitung 7 ein Drosselelement 13 mit Zweigleitung 19a vorgesehen.Furthermore, a throttle element 13 with branch line 19 a is provided in the pressure medium line 7 .

Hydropumpe 5, separate Hydropumpe 14, Drosselelement 13 und Hydromotor 12 sind jeweils mit einer Zweigleitung 17b, 18b, 19b und 20b ausgestattet, die in einen Hydraulikbehälter 16 führt.Hydraulic pump 5 , separate hydraulic pump 14 , throttle element 13 and hydraulic motor 12 are each equipped with a branch line 17 b, 18 b, 19 b and 20 b, which leads into a hydraulic tank 16 .

Durch diese Konfiguration ist an der Brennkraftmaschine eine beliebige Anordnung von Luft- und Abgasleitung möglich, ohne diese wie bisher an der Baueinheit aus Turbine und Verdichter zusammenführen zu müssen.With this configuration, an arbitrary arrangement is possible on the internal combustion engine of air and exhaust pipes possible without these on the unit as before Need to bring the turbine and compressor together.

Durch eine externe Druckeinspeisung ist ein mechanisches Aufladen erzielbar, während dem die Turbine 1 drucklos in den Hydraulikbehälter 16 über die Zweigleitung 17b pumpen kann. Dies bietet die Möglichkeit, bei einem Lastzustand, d. h. bei einer bestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Drehzahl des Verdichters 8 zu variieren, Umblaseklappen entfallen hiermit.By an external pressure supply, a mechanical charging is achieved while the pump may b via the branch line 17, the turbine 1 is depressurized in the hydraulic container sixteenth This offers the possibility of varying the speed of the compressor 8 in the case of a load state, ie at a specific speed of the internal combustion engine, so that blow-off flaps are eliminated.

Bei einer entsprechenden derartigen Drehzahlregulierung ist es auch möglich, aktiv Schwingungen in der Luftleitung zu kompensieren, aber auch zu erzeugen, wobei diese Druckschwingungen ausgenutzt werden, um den Zylinder mit Überdruck zu füllen.With such a corresponding speed regulation, it is also possible to be active To compensate for vibrations in the air line, but also to generate these pressure fluctuations are used to overpressure the cylinder to fill.

Claims (9)

1. Abgasturboladersystem einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, das eine Turbine zur Energiegewinnung aus dem Abgas der Brennkraftmaschine und einen Verdichter, der frische Ladung ansaugt und vorverdichtet, umfaßt, bei dem die Turbine eine Pumpe und die Pumpe einen mit dem Verdichter gekoppelten Motor antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (1) an eine Hydropumpe (5) gekoppelt ist, der Verdichter (8) an einen Hydromotor (12) gekoppelt ist, die Hydropumpe (5) und der Hydromotor (12) mittels Druckmittelleitungen (7, 17a, 17b, 20a, 20b) miteinander verbunden und in ihrem Schluckvolumen zur Drehzahlregelung aufeinander abstimmbar sind und in der hydraulischen Verbindung von der Hydropumpe (5) zum Hydromotor (12) eine externe Druckeinspeisung mittels einer seperaten Hydropumpe (14) vorgesehen ist.1. Exhaust gas turbocharger system of a supercharged internal combustion engine, which comprises a turbine for generating energy from the exhaust gas of the internal combustion engine and a compressor which sucks in and pre-compresses fresh charge, in which the turbine drives a pump and the pump drives a motor coupled to the compressor, characterized in that that the turbine ( 1 ) is coupled to a hydraulic pump ( 5 ), the compressor ( 8 ) is coupled to a hydraulic motor ( 12 ), the hydraulic pump ( 5 ) and the hydraulic motor ( 12 ) by means of pressure medium lines ( 7 , 17 a, 17 b , 20 a, 20 b) are connected to one another and their absorption volume can be coordinated with one another for speed control and in the hydraulic connection from the hydraulic pump ( 5 ) to the hydraulic motor ( 12 ) an external pressure supply by means of a separate hydraulic pump ( 14 ) is provided. 2. Abgasturboladersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (1) und die Hydropumpe (5) eine Baugruppe bilden.2. Exhaust gas turbocharger system according to claim 1, characterized in that the turbine ( 1 ) and the hydraulic pump ( 5 ) form an assembly. 3. Abgasturboladersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (8) und der Hydromotor (12) eine Baugruppe bilden.3. Exhaust gas turbocharger system according to claim 1 or 2, characterized in that the compressor ( 8 ) and the hydraulic motor ( 12 ) form an assembly. 4. Abgasturboladersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hydropumpe (5) und für die separate Hydropumpe (14) Rückschlagventile (6, 15) vorgesehen sind.4. Exhaust gas turbocharger system according to one of the preceding claims, characterized in that check valves ( 6 , 15 ) are provided for the hydraulic pump ( 5 ) and for the separate hydraulic pump ( 14 ). 5. Abgasturboladersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Förderweg der Hydropumpe (5) mindestens ein Drosselelemt (13, 19a, 19b) angeordnet ist. 5. Exhaust gas turbocharger system according to one of the preceding claims, characterized in that in the delivery path of the hydraulic pump ( 5 ) at least one throttle element ( 13 , 19 a, 19 b) is arranged. 6. Abgasturboladersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselelement (13, 19a, 19b) direkt nach der Hydropumpe (5) angeordnet ist.6. Exhaust gas turbocharger system according to claim 5, characterized in that the throttle element ( 13 , 19 a, 19 b) is arranged directly after the hydraulic pump ( 5 ). 7. Abgasturboladersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselelement (13, 19a, 19b) direkt vor dem Hydromotor (12) angeordnet ist.7. Exhaust gas turbocharger system according to claim 5, characterized in that the throttle element ( 13 , 19 a, 19 b) is arranged directly in front of the hydraulic motor ( 12 ). 8. Abgasturboladersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung der Turbine (1) mit der Hydropumpe (5) mit einer Drehzahluntersetzung von der Turbine (1) zur Pumpe (5) ausgeführt ist, die ca. dem Faktor 10 entspricht.8. Exhaust gas turbocharger system according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling of the turbine ( 1 ) with the hydraulic pump ( 5 ) with a speed reduction from the turbine ( 1 ) to the pump ( 5 ) is carried out, which corresponds approximately to a factor of 10 . 9. Abgasturboladersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Verdichters (8) mit dem Hydromotor (12) mit einer Drehzahlübersetzung vom Motor (12) zum Verdichter (8) ausgeführt ist, die ca. dem Faktor 10 entspricht.9. The exhaust gas turbocharger system according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling of the compressor (8) is performed with the hydraulic motor (12) having a speed ratio from the motor (12) to the compressor (8) which approximately corresponds to the factor of the tenth
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