DE202005022022U1

DE202005022022U1 - Mehrstufiges Turboladesystem, das VTG-Turbinenstufe(n) benutzt

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Publication number: DE202005022022U1
Application number: DE202005022022U
Authority: DE
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2015-09-28
Also published as: US8671682B2; EP1640583A2; EP1640583A3; JP2006097684A; US20060070381A1; US20100083656A1

Abstract

Verbrennungskraftmaschine (10), umfassend: mehrere Verbrennungszylinder, wenigstens einen Abgasverteiler (12), der mit den Verbrennungszylindern gekoppelt ist, wenigstens einen Ansaugverteiler (11), der mit den Verbrennungszylindern gekoppelt ist, einen ersten Turbolader (20), der eine erste Turbine (21), die einen Einlass und einen Auslass aufweist, und einen ersten Verdichter (22), der einen Einlass und einen Auslass aufweist, umfasst, wobei der erste Turbineneinlass eine variable Turbinengeometrie hat und in Fluidkopplung mit dem Abgasverteiler steht, und einen zweiten Turbolader (30), der eine zweite Turbine (31), die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der zweite Turbineneinlass eine variable Turbinengeometrie aufweist und mit dem ersten Turbinenauslass gekoppelt ist, und einen zweiten Verdichter (32), der einen Einlass und einen Auslass aufweist, umfasst, wobei der zweite Verdichterauslass in Fluidkopplung mit dem ersten Verdichtereinlass steht und wobei der erste Verdichterauslass in Fluidkopplung mit dem Ansaugverteiler steht, ferner umfassend eine Abgasrückführungsleitung (7), um Abgas aus...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft fortgeschrittene mehrstufige Turbolader, die wenigstens eine Turboladerstufe mit veränderlicher Turbinengeometrie (VTG) verwenden, um höhere Druckverhältnisse, ein besseres Drehmoment bei niedriger Motordrehzahl, eine gesteigerte Leistung/Höhentauglichkeit bei hohen Drehzahlen, einen weiteren Betriebsbereich, ohne in ein Abdrosseln oder ein Pumpen zu geraten, eine verbesserte Flexibilität und eine verbesserte Übergangstauglichkeit zu ermöglichen. Die Erfindung betrifft ferner eine turbogeladene Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einer Hochdruck-Turbinenstufe und einer stromabwärts gelegenen Niederdruck-Turbinenstufe, wobei die Hochdruck-Turbine von einem einflutigen oder einem doppelflutigen Typ sein kann, wobei die Hochdruck- oder die Niederdruck-Turbine oder der Verdichter umgangen werden kann, wobei die Hochdruck- oder die Niederdruck-Turbine oder der Verdichter eine veränderliche Geometrie haben kann und wobei die Niederdruck-Turbine mit einer einstellbaren Umgehung oder einem Ladedruck-Regelventil versehen sein kann.
ERÖRTERUNG DES STANDES DER TECHNIK
Nutzfahrzeug-Motoren sind die „Marathonläufer” unter den Verbrennungskraftmaschinen. Sie müssen ein enormes Drehmoment entwickeln, um zu ermöglichen, dass das Fahrzeug auf einem Hügel anfährt, während sie gleichzeitig selbst bei niedrigen Motordrehzahlen ausreichend Leistung bereitstellen müssen, um die Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit auf ein Maximum zu steigern, wenn auf Autobahnen oder Schnellstraßen gefahren wird. Leistungsabgabe, Kraftstoffverbrauch und insbesondere Emissionskontrolle werden extreme Anforderungen an die Turbolader-Technologie der Zukunft stellen, da der strengere Euro-4-Emissionsstandard ebenfalls für Nutzfahrzeuge von 2006 in Kraft tritt.
Turbolader mit fester Geometrie können dafür ausgelegt sein, bei einer bestimmten Motorbelastung und -drehzahl effizient zu arbeiten. Wenn sie jedoch über einen breiten Bereich von Motordrehzahl und -belastung betrieben werden, sind die Verdichter- und Turbinenbauteile gezwungen, jenseits ihrer Auslegungspunkte zu funktionieren, und erleiden demzufolge Verluste beim Wirkungsgrad, was die Motorleistung nachteilig beeinflusst. Falls der Turbolader an einen Motor bei der Nenndrehzahl des Motors angepasst ist, wird er beträchtlich jenseits seines maximalen Wirkungsgrades laufen, wenn der Motor auf niedrige Motor-Betriebsdrehzahlen „heruntergedreht” wird. Umgekehrt wird, falls der Turbolader an einen niedrigen Drehzahlbereich eines Motors angepasst ist, der Turbolader eine Neigung zum „Überdrehen” haben, wenn der Motor bei maximaler Drehzahl und Belastung betrieben wird.
Um ein Überdrehen bei Turboladern, die an den niedrigen Motordrehzahlbereich angepasst worden sind, zu verhindern, wird häufig ein Ladedruck-Regelventil verwendet, um Abgas um die Turbine herumzuleiten, um die Turbinendrehzahl über dem hohen Motordrehzahlbereich zu begrenzen. Das Ladedruck-Regelventil ermöglicht jedoch das Entweichen von Abgasenergie, die durch die Turbolader-Turbine besser genutzt werden könnte, und führt zu einem wesentlichen Verlust beim Systemwirkungsgrad.
Ein Weg, um dieses Problem zu überwinden, ist es, eine veränderliche Einrichtung in der Motor-Abgasanlage zu verwenden, wie es in der US-Patentschrift Nr. 3,557,549 (Webster) offenbart wird. Dieses System setzt ein Klappenventil ein, das so in einem geteilten Verteilersystem angeordnet ist, dass es bei hoher Motordrehzahl und -belastung in einer neutralen Stellung ruht, aber zu einer zweiten Stellung bewegt werden kann, in der es bei niedrigen Motordrehzahlen den gesamten Motor-Abgasstrom in einen Durchgang eines geteilten Turbinengehäuses umleitet. Dies verdoppelt im Wesentlichen den Durchfluss von Abgas durch den einzelnen Turbinengehäuse-Durchgang und erhält die Turbolader-Drehzahl auf höheren Niveaus, als sie ansonsten bei niedrigen Motordrehzahlen erreicht werden könnten. Diese Einrichtung ist viel einfacher als die komplizierten veränderlichen Düsenleitschaufel-Systeme und erfordert kein genaues Steuerungssystem zum Positionieren. Jedoch kann die Steigerung bei der Aufladung bei niedrigen Motordrehzahlen, die durch das Umleitungsklappenventil erzeugt wird, groß genug sein, um zu bewirken, dass der Turbolader-Verdichter in seinem Pump- oder instabilen Bereich arbeitet. In diesem Fall muss der Verdichter neu angepasst werden, um seine Pumplinie zu einem niedrigeren Luft-Durchfluss zu bewegen, so dass die Motor-Betriebspunkte in sein stabiles Betriebsregime fallen. Dies wiederum bewirkt eine Bewegung der Verdichter-Wirkungsgradinseln und des Abdrosselbereichs zu einem niedrigeren Durchfluss und kann zu einem Absenken des Verdichter-Wirkungsgrades, wenn der Motor mit hoher Drehzahl und Belastung arbeitet, führen.
Ein wirksameres System ist eines, das Bauteile mit veränderlicher Geometrie in dem Turbolader-Verdichter, der Turbolader-Turbine oder beiden umfasst. Die verbreitetsten Typen ordnen veränderliche Düsen-Leitschaufeln vor dem Turbinenrad und/oder den veränderlichen Diffusor-Leitschaufeln in dem Verdichter-Diffusorbauteil. Veränderliche Düsen-Leitschaufeln vor dem Turbinenrad sind miteinander verbunden, so dass die Durchlassfläche jedes Düsendurchgangs über den niedrigen Motor-Drehzahlbereich verringert und gesteigert werden kann, wenn sich die Motordrehzahl ihrem Maximum nähert, so dass die Turbolader-Drehzahl innerhalb eines sicheren Betriebsbereichs gehalten wird. Das Anordnen der Leitschaufeln muss durch die Motordrehzahl und -belastung genau gesteuert werden, und sie müssen in der heißen Abgasumgebung mit minimalem Verlust durch Zwischenräume frei beweglich sein.
Das Verwenden eines Verdichters mit veränderlicher Geometrie, um das Kennfeld des Verdichters zu einem niedrigeren oder höheren Durchflussbereich zu verschieben, ist eine Lösung für das Problem, den Verdichter bei niedrigen Motordrehzahlen außerhalb des Pumpens zu halten und doch einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Motordrehzahlen beizubehalten. Veränderliche Diffusor-Leitschaufeln sind eine Art von Verdichter mit veränderlicher Geometrie, die eingesetzt werden könnte, aber die beweglichen Leitschaufeln verursachen eine bedeutende mechanische Komplikation intern im Aufbau des Turboladers und müssen durch ein ziemlich ausgeklügeltes Steuerungssystem genau angeordnet werden.
Nun, da die einstufigen Abgas-Turbolader mit veränderlicher Turbinengeometrie (VTG) der Stand der Technik bei Dieselmotoren für Personenkraftwagen und in gewissem Ausmaß für Nutzfahrzeug-Anwendungen geworden sind, sind die Grenzen der einstufigen Turboaufladung nahezu erreicht worden. Eine weitere Steigerung bei der Nennleistung führt üblicherweise zu einem verringerten Startdrehmoment. Die Entwickler von neuen Turboladesystemen sehen sich daher einem Zwiespalt gegenüber: Das Erreichen eines weiteren Anstiegs bei der Nennleistung eines Motors würde die Verwendung eines verhältnismäßig großen Turboladers erfordern. Jedoch müssten, um sicherzustellen, dass selbst bei niedrigen Motordrehzahlen schnell ein hoher Ladedruck erzeugt wird, die Turbine und der Verdichter viel kleiner gemacht werden.
Eine andere Herangehensweise wird in der US-Patentschrift 3,941,104 (Egli), unter dem Titel „Mehrfache Turboladervorrichtung und -system” illustriert. Egli lehrt, dass es auf dem Gebiet des Turboladens von Verbrennungskraftmaschinen bekannt ist, zwei in Reihe gekoppelte Turbolader zu haben. Es ist bekannt, dass in dem Fall, dass es keine Regelungen gibt, wenn der Durchfluss von Abgas mit einer Abnahme der Motordrehzahl und/oder -belastung abfällt, die Hochdruck-Turbine die Energiegewinnung beherrscht, und folglich die Niederdruck-Turbine wenig Leistung erzeugt. Egli löst das Problem einer niedrigen Leistungserzeugung in der Niederdruck-Turbine durch das Versehen des Niederdruck-Turboladers mit einem Gasverteiler des Einzeldurchgangtyps, wobei innerhalb dieses Durchgangs eine einzelne bewegliche Leitschaufel angebracht ist, die dafür angeordnet ist, den Abgas-Durchfluss zu dem Turbinenlaufrad zu regeln. Während es einfach ist, erzeugt das zweistufige Turboladersystem nicht die Verbindung von Leistungs- und Emissionscharakteristika, die von modernen Antriebssystemen verlangt wird.
Die nächste größere Verbesserung bei zweistufigen Turboladern schien das regulierte 2-stufige (R2S-)Turboladesystem zu sein, wobei zwei unterschiedlich bemessene Turbolader in Reihe angeordnet waren: ein kleiner Hochdruck-Turbolader und ein großer Niederdruck-Turbolader. Regulierte zweistufige Turboladersysteme sind durch Ladedruck-Regelventile oder Umgehungsmittel gekennzeichnet, um es zu ermöglichen, entweder die HD-Turbine, den HD-Verdichter oder beide zu umgehen. Bei frühen zweistufigen Turboladesystemen strömte bei niedrigen Drehzahlen das Abgas anfänglich durch die Hochdruck-Turbine. Wenn die Drehgeschwindigkeit der Verbrennungskraftmaschine zunahm, dann ging der Mengendurchfluss allmählich zu der Niederdruck-Turbine über, und schließlich wurde eine Umstellung auf eine einstufige Verdichtung ausschließlich in dem Niederdruck-Verdichter vorgenommen, wobei die Hochdruck-Turbine vollständig umgangen wurde. Im Fall von häufigen Belastungs- und Drehzahländerungen der Verbrennungskraftmaschine muss eine Umstellung zwischen dem einstufigen und dem zweistufigen Betriebsmodus der Turbolade-Einheit häufig vorgenommen werden. Demzufolge kann es einen Verlust an Fahrkomfort, d. h. ein unstetes Beschleunigungs- und Bremsleistungsverhalten, geben.
Die Lösung für dieses Problem ist es, nach den US-Patentschriften 6,378,308 und 6,694,736 (Pflueger), die Hochdruck-Turbine immer durch einen minimalen Abgas-Mengendurchfluss durchfließen zu lassen, so dass sie durchgehend wenigstens eine minimale Drehzahl hat. Weil es wenigstens in einem gewissen Ausmaß einen durchgehenden Durchfluss durch die Hochdruck-(HD-)Turbine gibt und dieser Durchfluss umläuft, ist sichergestellt, dass in dem Fall einer Beschleunigung ein minimaler Turboladedruck vorhanden ist und sich insbesondere die Drehgeschwindigkeit des HD-Laufrades auf einem vorteilhaften anfänglichen Niveau befindet. Nach einem Aspekt der Erfindung wird bei niedriger Belastung des Motors die Ausdehnungsarbeit zu der Niederdruck-(ND-)Turbine verschoben, und bei hoher Belastung des Motors wird die Ausdehnungsarbeit wenigstens anfänglich zu der HD-Turbine verschoben. Das heißt, falls der Motor mit niedrigen Motordrehzahlen/-belastungen arbeitet, d. h. eine niedrige Abgasmenge fließt, und plötzlich ein schneller Leistungsschub erforderlich ist, die HD-Umgehung geschlossen wird und sich der gesamte Abgasstrom durch die HD-Turbine ausdehnt. Dies führt zu einem sehr schnellen und hohen Ladedruckanstieg, ohne „Turboloch”. Danach, nachdem die Notwendigkeit einer schnellen Aufladung vergangen ist – z. B. das Fahrzeug die gewünschte Geschwindigkeit erreicht hat – wird das HD-Umgehungsventil wieder geöffnet, was zunehmend mehr von der Ausdehnungsarbeit zurück zu der ND-Turbine verschiebt (die, auf Grund ihres größeren Ausmaßes, einen höheren Luftmengendurchfluss handhaben kann).
Das R2S-Turboladesystem, das zuerst auf dem Personenkraftwagengebiet eingeführt wurde, erobert nun ebenfalls den Nutzfahrzeugmarkt und ermöglicht eine unendlich veränderliche Anpassung der Turbinen- und Verdichterseite an jeglichen Motor-Betriebspunkt. Jedoch erfordern die strengeren Euro-4-Emissionsstandards noch weitere Verbesserungen bei Wirtschaftlichkeit und Emissionen.
Die US-Patentschriften 6,378,308 und 6,694,736 (Pflueger) der BorgWarner Inc. zeigen, in 5, einen weiteren Durchbruch, nämlich ein veränderliches zweistufiges (V2S-)System, wobei die Hochdruck-Turbine eine VTG-Turbine ist. Im Gegensatz zu den regulierten zweistufigen Turboladersystemen, die durch Ladedruck-Regelventile oder Umgehungsmittel gekennzeichnet sind, um es zu ermöglichen, entweder die HD-Turbine, den HD-Verdichter oder beide zu umgehen, ist das V2S-System durch ein Fehlen von Ladedruck-Regelventilen und Umgehungsleitungen gekennzeichnet. Stattdessen wird das Abgas aus dem Motor durch einen Verteiler zu einer Turbine geleitet, die mit veränderlichen Regelleitschaufeln ausgestattet ist. Die VTG wird, wenn sie offen ist, eine große Durchfluss-Charakteristik haben und wird daher nicht die Verwendung einer Umgehung benötigen, um das Schluckvermögen zu steigern. Wenn die VTG geschlossen ist, wird sie eine kleine Durchfluss-Charakteristik haben, wodurch die beste Übergangs- und Niederdrehzahl-Aufladetauglichkeit gewährleistet wird. Dadurch werden die Drosselverluste von den Turbinenumgehungen vermieden.
Das V2S ist ferner insofern vorteilhaft, als es nur die Verwendung eines Stellantriebs (für die VTG) erfordert, im Gegensatz zu mehreren (teuren) Stellantrieben, die charakteristischerweise bei R2S verwendet werden. V2S ist ebenfalls dazu in der Lage, unter Verwendung der veränderlichen Turbinenleistung über VTG, den Verdichter-Ladedruck und den Abgas-Staudruck auf Motor-Betriebsanforderungen einzustellen. Zwischen dem Niederdruck- und dem Hochdruck-Verdichter kann ein Zwischenkühler bereitgestellt werden, oder zwischen dem Hochdruck-Verdichter und dem Motoreinlass kann ein Nachkühler bereitgestellt werden, für einen größeren thermodynamischen Wirkungsgrad.
Noch eine weitere Verfeinerung auf dem Gebiet der zweistufigen Turboaufladung wird in Pfluegers 6 gezeigt, die ein reguliertes zweistufiges System mit veränderlicher Geometrie (VR2S) zeigt, das sich von dem V2S-System durch die weitere Bereitstellung einer Umgehungsleitung zum Umgehen der HD-VTG und eines Ventils zum Regeln des Abgas-Durchflusses unterscheidet, wobei es folglich die Vorzüge von V2S und R2S verbindet. Während des Reise- oder Niederdrehzahl-Betriebs kann die Hochdruck-Turbine im Wesentlichen umgangen werden. Die Hochdruck-Turbine wird jedoch nicht abgedrosselt – es wird ermöglicht, dass sie sich frei dreht und, da sie an den Hochdruck-Verdichter gekoppelt bleibt, dreht sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Hochdruck-Verdichter. Da der Hochdruck-Verdichter bereits teilweise auf Betriebsdrehzahl ist, gibt es ein geringes „Turboloch”, wenn es Bedarf an einer unverzüglichen Aufladung gibt.
Pfluegers 7 zeigt zwei interessante Merkmale – eine doppelflutige (Zwillingsschnecken-)HD-Turbine und für die HD-Turbine, die ND-Turbine und den HD-Verdichter bereitgestellte Umgehungsleitungen. Diese Ausführungsform wird so beschrieben, dass sie sich selbst als besonders nützlich bei Personenkraftwagen-Motoren erwiesen hat, angesichts von bedeutsamen Vorteilen bei Motorwirkungsgrad, Kraftstoffverbrauch und Emissionen in dem oberen Drehzahlbereich. Scheinbar dient die kleine HD-Turbine als ein Abgas-Durchflussbegrenzer, was den Abgasverteilerdruck erhöht und einen ausreichenden Druckunterschied gewährleistet, um die Abgasrückführung (AGR) zu unterstützen. Dies ermöglicht die Rückführung von Abgas zurück in die Ansaugluft stromaufwärts von dem HD-Verdichter, um eine Bildung von NOx zu unterdrücken.
Ungeachtet der durch die obigen Systeme dargestellten Fortschritte treiben die strengeren Emissionsauflagen die Ingenieure an, größere Verbesserungen bei Turboladersystemen zu suchen.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an Motorsystemen, die dazu in der Lage sind, strenge NOx- und Partikelanforderungen gemäß zukünftiger Emissionsgesetzgebung zu erfüllen. Es besteht ein Bedarf an einem Turboladersystem mit Abgas-Staudruckregelung zum Antreiben einer Hoch- oder Mitteldruck-AGR. Es besteht ebenfalls ein Bedarf an einer gesteigerten Gesamt-Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit. Das Arbeiten bei hohen Luft-Durchflussverhältnissen ist wünschenswert, um verringerte Partikelanforderungen zu erfüllen.
Andererseits will der Verbraucher nicht Kraft oder Leistung opfern.
Es besteht folglich ein Bedarf an einem unkomplizierten System, das dazu in der Lage ist, die Aufladung/das Drehmoment bei niedriger Motordrehzahl zu verbessern, vor allem bei Lastkraftwagen mittlerer Größe. Es besteht ebenfalls ein Bedarf, das Übergangsverhalten zu verbessern.
Es wäre von Vorteil, ein Hochdruckverhältnis > 3 zu gewährleisten, und es wäre wünschenswert, dies mit „standardmäßigen” serienmäßig hergestellten Verdichtern zu tun.
Die Erfindung betrifft folglich ferner das Bereitstellen einer wirtschaftlichen Verbrennungskraftmaschine, die auf schnelle Belastungs- und Drehzahländerungen ohne unstetiges Beschleunigungs- und Bremsleistungsverhalten anspricht. Es ist beabsichtigt, dass sich der Turboladedruck in dem Fall einer Beschleunigung – d. h., wenn das Fahrzeug beschleunigt werden soll – schnell aufbaut und unendlich und veränderlich an die Motoranforderungen angepasst werden kann.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Anschließend an ausgedehnte theoretische Erörterungen, gefolgt von Labor-Prototypenentwicklung und Straßenerprobung von verschiedenen Turboladersystemen entdeckten die Erfinder des Vorliegenden, dass unter den Hunderten von möglichen Modifikationen und Kombinationen, die an mehrstufigen Turboladersystemen vorgenommen werden können, einige wenige spezifische Modifikationen oder Einstellungen zu einer verbesserten Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit und verringerten Emissionen führten, während zur gleichen Zeit das Motor-Ansprechverhalten verbessert wurde.
Der Bündigkeit halber sollen sich in der folgenden Erörterung der Begriff „reguliert” oder der Buchstabe „R” auf Ausführungsformen beziehen, wobei die HD-Turbine mit einer Umgehung versehen ist, der Begriff „veränderlich” oder der Buchstabe „V” sollen sich im Allgemeinen auf Ausführungsformen beziehen, wobei die HD-Turbine eine VTG ist, „Verdichterumgehung” oder „CB” sollen sich auf Ausführungsformen beziehen, wobei der HD-Verdichter mit einer Umgehung versehen ist, und der Buchstabe „L” soll sich auf den Niederdruck-Verdichter oder die Niederdruck-Turbine beziehen.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines veränderlichen regulierten zweistufigen Turboladers (VR2S) mit einer HD-Verdichterumgehung (im Folgenden VR2S-CB).
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines veränderlichen regulierten zweistufigen Turboladers VR2S mit einer ND-VTG-Turbine (im Folgenden „doppelt veränderlich zweistufig” oder DV2S).
Nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines VR2S mit einer HD-Verdichterumgehung und mit einer ND-Turbinenumgehung (im Folgenden VR2S-CB-LTB).
Nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines V2S mit einer ND-Turbinenumgehung (im Folgenden V2S-LTB).
Nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines DV2S mit einer HD-Turbinenumgehung (was folglich das System „reguliert” macht) und mit einer ND-Turbinenumgehung (im Folgenden DVR2S-LTB).
Nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines DVR2S mit einer HD-Verdichterumgehung und mit einer ND-Turbinenumgehung (im Folgenden DVR2S-CB-LTB).
Nach einer siebenten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines R2S mit einer HD-Turbinenumgehung (was folglich das System „reguliert” macht) und mit einer ND-Turbine mit veränderlicher Geometrie, wobei eine AGR-Leitung wahlweise Abgas zwischen dem ND- und dem HD-Verdichter bereitstellt.
Nach einer achten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines zweistufigen Turboladers mit einer Zwillingsschnecken-HD-Turbine, wobei jede der Schnecken mit einer Umgehung versehen ist, und mit einer Niederdruck-Turbine mit veränderlicher Geometrie, wobei die ND-Turbine wahlweise mit einer Umgehung versehen ist und der HD-Verdichter und der ND-Verdichter wahlweise unabhängig mit einer Umgehung versehen sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den folgenden Abschnitten werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert, unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, die Folgendes zeigen:
1 veränderlich zweistufig (V2S) nach dem Stand der Technik,
2 veränderlich reguliert zweistufig (VR2S) nach dem Stand der Technik,
3 einen veränderlichen regulierten zweistufigen Turbolader (VR2S) mit einer HD-Verdichterumgehung (VR2S-CB),
4 einen veränderlichen regulierten zweistufigen Turbolader (VR2S) mit einer ND-VTG-Turbine („doppelt veränderlich zweistufig” oder DV2S),
5 VR2S mit einer HD-Verdichterumgehung und mit einer ND-Turbinenumgehung (VR2S-CB-LTB),
6 V2S mit einer ND-Turbinenumgehung (V2S-LTB),
7 DV2S mit einer HD-Turbinenumgehung (was folglich das System „reguliert” macht) und mit einer ND-Turbinenumgehung (DVR2S-LTB),
8 DVR2S mit einer HD-Verdichterumgehung und mit einer ND-Turbinenumgehung (DVR2S-CB-LTB),
9 R2S mit einer HD-Turbinenumgehung (was folglich das System „reguliert” macht) und mit einer ND-Turbine mit veränderlicher Geometrie, wobei eine AGR-Leitung wahlweise Abgas zwischen dem ND- und dem HD-Verdichter bereitstellt, und
10 einen zweistufigen Turbolader mit einer Zwillingsschnecken-HD-Turbine, wobei jede der Schnecken mit einer Umgehung versehen ist, und mit einer Niederdruck-Turbine mit veränderlicher Geometrie, wobei die ND-Turbine wahlweise mit einer Umgehung versehen ist und der HD-Verdichter und der ND-Verdichter wahlweise unabhängig mit einer Umgehung versehen sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die mehrstufige Turboaufladung wird seit vielen Jahren benutzt. Sie hat höhere Druckverhältnisse und einen weiteren Durchflussbereich aus einem Aufladesystem ermöglicht. Es ist bei mehrstufigen Anwendungen typischerweise wünschenswert, dass die erste oder Hochdruckstufe so klein wie möglich gemacht wird. Dies gewährleistet eine verbesserte Übergangstauglichkeit und führt, wenn sie in Reihe mit einer verhältnismäßig großen zweiten oder Niederdruckstufe verbunden ist, zu einem weiteren Durchflussbereich. Der weite Durchflussbereich ermöglicht es, dass das Motordrehmoment bei niedrigen Motordrehzahlen gesteigert wird und die Nennleistung/Höhentauglichkeit bei hohen Drehzahlen gesteigert wird, ohne in Verdichterpumpen oder -abdrosseln zu geraten. Das Ausmaß, bis zu dem die Hochdruckstufe in der Größe verringert werden kann, wird durch die Notwendigkeit begrenzt, ihren Durchflussbereich mit der Niederdruckstufe zu überlappen. Außerdem kann die Hochdruckstufe in ihrer Fähigkeit begrenzt sein, den gesamten Durchfluss bei hohen Motordrehzahlen und -belastungen zu schlucken. Die Niederdruckstufe wird nach der Nennleistung und den Höhenanforderungen des Motors bemessen.
Das normale Verfahren, das zum Verringern der Größe der Hochdruckstufe angewendet wird, ist es, parallele Turbinen- und/oder parallele Verdichterumgehungen für die Hochdruckstufe bereitzustellen. Dies verhindert, dass die Hochdruckstufe den Durchfluss drosselt, und ermöglicht es, dass die Größe der Hochdruckstufe verringert wird. Das Ausmaß der Größenverringerung wird noch durch das Ausmaß der Überlappung begrenzt, die zwischen den zwei Einheiten erforderlich ist. Jedoch beseitigen die zwei Hochdruckstufen-Umgehungen die Hochdruck-Bemessungseinschränkung, die durch Durchflussbegrenzungs- und Überdrehungserwägungen verursacht wird. Es kann ebenfalls eine Niederdruckstufen-Turbinenumgehung hinzugefügt werden, um zu ermöglichen, dass die Niederdruckstufe weiter in Größe verringert wird, was folglich ebenfalls ermöglicht, dass die Hochdruckseite weiter verringert wird, während doch das erforderliche Ausmaß an Durchfluss-Überlappung in den zwei Stufen gewährleistet wird.
Die Verwendung sowohl der Hoch- als auch der Niederdruckstufen-Umgehungen, wie bisher erwähnt, bringt die Zunahme von Durchflussverlusten und Komplexität mit sich. Die Durchflussverluste aus den Turbinenumgehungen führen zu einem Drosseln des Durchflusses und dem Verlust von verfügbarer Energie. Dies ist identisch zu den Verlusten, die innerhalb von standardmäßigen mit Ladedruck-Regelventilen versehenen Turboladern auftreten, und führt zu einem unmittelbaren Verlust an Wirkungsgrad für den Motor. Die Verdichterumgehung bringt Durchflussverluste mit sich, welche die Effektivität der Verdichterstufe verringern werden.
Als eine Alternative zu der Verwendung von Umgehungen, wie sie bei einem regulierten zweistufigen System zu finden sind, wird/werden nach der Erfindung (eine) VTG-Turbine(n) in einem mehrstufigen Turboladesystem verwendet. Die VTG wird, wenn sie offen ist, eine große Durchfluss-Charakteristik haben und wird daher nicht die Verwendung einer Umgehung benötigen, um das Schluckvermögen zu steigern. Wenn die VTG geschlossen ist, wird sie eine kleine Durchfluss-Charakteristik haben, wodurch die beste Übergangs- und Niederdrehzahl-Aufladetauglichkeit gewährleistet wird. Dadurch werden die Drosselverluste von den Turbinenumgehungen vermieden.
Jede VTG erfordert nur die Verwendung eines Stellantriebs, im Gegensatz zu den 3 Stellantrieben, die erforderlich sind, um die beiden Turbinen und den Hochdruck-Verdichter im Fall eines herkömmlichen R2S-Systems zu umgehen. Die VTG-Stufe(n) kann/können ebenfalls mit den zuvor erwähnten Umgehungen verwendet werden, für einen noch weiteren Betriebsbereich und Flexibilität.
Es können doppelte VTGs (DV2S, DVR2S) verwendet werden, um einen noch weiter verbesserten Betrieb zu bieten.
Da selbst in dem Fall, dass die HD-Turbine umgangen wird (die Umgehung ist vollständig offen), die HD-Turbine nicht gegenüber dem Abgasstrom gesperrt ist und wenigstens bis zu einem gewissen Ausmaß ein durchgehender Durchfluss durch die HD-Turbine verbleibt und dieser Durchfluss umläuft, ist sichergestellt, dass in dem Fall, dass eine schnelle Beschleunigung – ohne Turboloch – erforderlich ist, ein minimaler Turboladedruck vorhanden ist und sich insbesondere die Drehgeschwindigkeit des HD-Laufrades auf einem vorteilhaften anfänglichen Niveau befindet. Ferner können durch die Anordnungen nach der Erfindung mit der Hilfe der zentralen Verarbeitungseinheit und der Rohrweiche bis zu dem in jedem Fall gewünschten Ausmaß die einzelnen Abgas-Mengendurchflüsse der Hochdruck-Turbine, der Niederdruck-Turbine oder der Frischluftseite zugeführt werden, so dass eine Optimierung des Betriebsmodus des Motors in Bezug auf einen minimalen Kraftstoffverbrauch und/oder einen minimalen Schadstoffausstoß vorgenommen werden kann.
Mit einer entsprechenden Belastung und einer zunehmenden Drehgeschwindigkeit des Motors wird folglich ein schnelles Ansprechen der Hochdruck-Turbine insofern sichergestellt, dass die Ausdehnungsarbeit in der Richtung der Hochdruck-Turbine verschoben wird, d. h. durch einen weitgehenden Verschluss des Umgehungskanals mit Hilfe einer Rohrweiche wird der größte Teil des Abgasstroms der Hochdruck-Turbine zugeführt. Falls, bei einer niedrigen Belastung und mit einem kleinen Abgas-Mengendurchfluss ein niedriger Verbrauch, eine kleine Belastung und vor allem Abgas-Gegendrücke in diesem Betriebsbereich gewünscht werden, kann die Ausdehnungsarbeit des Abgases für den größeren Teil in der Niederdruck-Turbine und möglicherweise durch das passende Anordnen der Rohrweiche über die Abgasrückführung, unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Motors, durch das Öffnen des Umgehungskanals erfolgen.
Im Folgenden werden die Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlicher erörtert.
1 zeigt einen veränderlichen zweistufigen (V2S-)Turbolader, wie er in den weiter oben erörterten Patentschriften von Pflueger offenbart wird, und stellt den Stand der Technik dar, den die vorliegende Erfindung verbessert. Die in 1 gezeigte Vierzylinder-Reihen-Diesel-Verbrennungskraftmaschine 10 wird über eine Turboladereinheit in zwei Stufen turbogeladen. Zu diesem Zweck ist eine Hochdruckstufe 20 vor einer einflutigen Niederdruckstufe 30 angeordnet. Über die Verdichter 22 und 32, die durch die Hochdruck-Turbine 21 mit veränderlicher Geometrie und die Niederdruck-Turbine 31 angetrieben werden, wird Frischluft verdichtet, in den zwei Turboaufladung-Luftkühlern 40a, 40b heruntergekühlt, zu einem bestimmten Prozentsatz (>= 0) mit Abgas aus einem Abgas-Rückführungsstrom 50 vermischt und der Frischluftseite 11 des Motors 10 zugeführt. Der Laufrad-Durchmesser der Niederdruck-Turbine 31 ist größer als derjenige der Hochdruck-Turbine 21, wobei das Laufrad-Durchmesserverhältnis d_L1ND/d_L1HD zwischen der Niederdruck- und der Hochdruck-Turbine 1,2 bis 1,8 beträgt.
2 zeigt einen veränderlichen regulierten zweistufigen (VR2S-)Turbolader, wie er in den weiter oben erörterten Patentschriften von Pflueger offenbart wird, und stellt ebenfalls den Stand der Technik dar, den die vorliegende Erfindung verbessert. Das VR2S – unterscheidet sich von dem V2S-System durch das weitere Bereitstellen einer Umgehungsleitung 1 und einer Rohrweiche 2, um die HD-VTG zu umgehen, und eines Ventils zum Regeln des Abgasstroms, wobei es folglich die Vorzüge von V2S und R2S verbindet. Während des Reise- oder Niederdrehzahl-Betriebs kann die Hochdruck-Turbine im Wesentlichen umgangen werden. Die Hochdruck-Turbine wird jedoch nicht abgedrosselt – es wird ermöglicht, dass sie sich frei dreht und, da sie an den Hochdruck-Verdichter gekoppelt bleibt, dreht sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Hochdruck-Verdichter. Da der Hochdruck-Verdichter bereits teilweise auf Betriebsdrehzahl ist, gibt es ein geringes „Turboloch”, wenn es Bedarf an einer unverzüglichen Aufladung gibt.
Nunmehr der vorliegenden Erfindung zugewendet, entdeckten nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wie in 3 gezeigt wird, die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen des veränderlichen regulierten zweistufigen Turboladers (VR2S), der in 2 gezeigt wird, mit einer HD-Verdichterumgehung (im Folgenden VR2S-CB), die eine Umgehungsleitung 3 und eine Rohrweiche 4 umfasst. Komplexer als der VR2S, ermöglicht es diese Auslegung, dass sowohl die HD-Turbine als auch der HD-Verdichter umgangen werden derart, dass das System in der Tat bei hohem Abgas-Durchfluss und niedriger Leistung (z. B. beim Beibehalten einer hohen Geschwindigkeit auf einer flachen Autobahn) einfach als ein wirksamer einstufiger Verdichter, mit einer großen ND-Turbine und einem großen ND-Verdichter, arbeiten könnte. Der HD-Verdichter, der umgangen wird, verhindert nicht den Durchfluss von Luft von dem ND-Verdichter zu dem Motor. Zur gleichen Zeit ermöglicht er, da ermöglicht wird, dass die HD-Stufe „leer läuft”, dass die HD-Stufe schnell die Drehzahl steigert, was folglich ein schnelles Übergangsverhalten gewährleistet, wenn eine Beschleunigung zum Überholen erforderlich ist oder wenn Leistung zum Steigen erforderlich ist.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wie in 4 gezeigt, entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden könnten durch das Bereitstellen eines veränderlichen regulierten zweistufigen Turboladers VR2S mit einer ND-VTG-Turbine 6 (im Folgenden „doppelt veränderlich zweistufig” oder DV2S) und ohne Umgehungsrohre. Während es keine Umgehungsrohre oder Regler/Stellantriebe erfordert, ermöglicht dieses System eine optimale Energiegewinnung. Der gesamte Abgas-Mengendurchfluss fließt zuerst durch die HD-Turbine 5, danach durch die ND-Turbine 6. Wenn sie mit einer HD-Turbine mit Umgehung verglichen wird, wie sie beispielsweise bei der weiter oben erörterten ersten Ausführungsform verwendet wird, ist die vorliegende HD-Turbine vergleichsweise groß, und es ist das Vorhandensein der VTG-Leitschaufeln, worauf sich gestützt wird für ein schnelles Anfahren und Beschleunigen der HD-Turbine, was ein schnelles Ansprechen gewährleistet, wenn von einem niedrigen Durchflussvolumen zu einem hohen Durchflussvolumen übergegangen wird. Die veränderlichen Leitschaufeln in dem Niederdruck-Turbolader 6 ermöglichen selbst bei niedrigem Abgas-Mengendurchfluss eine weitere Energiegewinnung aus dem Abgas. Ferner kann, durch die Verwendung der Niederdruck-VTG als ein Durchflussbegrenzer, der Abgasdruck ausreichend gesteigert werden, um eine Abgasrückführung (AGR) über eine Leitung 7 an einem Punkt zwischen dem ND-Verdichter 32 und dem HD-Verdichter 22 zu ermöglichen. Eine Erwägung bei dieser Ausführungsform ist, dass der HD- und der ND-Verdichter nicht veränderlich sind oder umgangen werden und dafür bemessen sein müssen, den maximalen zu erwartenden Luftdurchfluss aufzunehmen. Diese Paarung von größerem Verdichter und kleinerer Turbine stellt eine mögliche Leistungsschwäche dar.
Nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines VR2S mit einem HD-Verdichter-Umgehungsrohr 3 und einer Rohrweiche 4 und mit einer ND-Turbinenumgehung 8 (VR2S-CB-LTB). Dies ermöglicht es, dass das System, wenn es gewünscht wird, arbeitet, als ob es ein kleiner einstufiger Turbolader wäre. Zum Beispiel wird die in dem Abgas enthaltene Wärme beim Anfahren nicht dazu verwendet, die ND-Turbine zu erwärmen, sondern es wird stattdessen ermöglicht, dass sie sich während des Anfahrens eines kalten Dieselmotors zu einem katalytischen Umsetzer bewegt, was die VOC-, NOx- und Partikelemissionen verringert. Ferner kann dieses System, ähnlich wie die weiter oben erörterte erste Ausführungsform, durch das Antreiben der ND-Turbine und das Umgehen des HD-Verdichters, in der Tat die HD-Stufe umgehen und als ein einzelner großer Turbolader arbeiten.
Nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines V2S mit einem ND-Turbinen-Umgehungsrohr 15 und einer Rohrweiche 16 (im Folgenden V2S-LTB).
Nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines DV2S mit einem HD-Turbinen-Umgehungsrohr 1 und einer Weiche 2 (was folglich das System „reguliert” macht) und mit einer ND-Turbinenumgehung 13 (im Folgenden DVR2S-LTB).
Nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines DVR2S mit einem HD-Verdichter-Umgehungsrohr 3 und einer Weiche 4 und mit einer wahlweisen ND-Turbinenumgehung 14 (im Folgenden DVR2S-CB-LTB). Die VTG-Turbinen können einen Staudruck gewährleisten, und die HD-Stufe und die ND-Stufe können einzeln selektiv umgangen oder in Eingriff gebracht werden, wie es in Abhängigkeit von dem Motorbetrieb gewünscht wird.
Nach einer siebenten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines R2S mit einem HD-Turbinen-Umgehungsrohr 1 und einer Rohrweiche 2 (was folglich das System „reguliert” macht) und mit einer HD-Turbine 21f mit fester Geometrie und einer ND-Turbine mit veränderlicher Geometrie, wobei eine AGR-Leitung 7 wahlweise eine Abgasrückführung zwischen dem ND- und dem HD-Verdichter bereitstellt. Die HD- und die ND-VTGs können unabhängig angetrieben werden, um einen Staudruck für einen optimalen Motorbetrieb bereitzustellen und um den Abgasdruck für die AGR zu verstärken.
Nach einer achten Ausführungsform der Erfindung entdeckten die Erfinder, dass bedeutsame Vorteile erlangt werden konnten durch das Bereitstellen eines zweistufigen Turboladers mit der HD-Turbine, die eine Zwillingsschneckenkonfiguration 23a, 23b hat, wobei jede der Schnecken mit einer Umgehung 24a, 24b mit Rohrweichen 70, 71 versehen ist, und mit einer Niederdruck-Turbine mit veränderlicher Geometrie, wobei die ND-Turbine wahlweise mit einer Umgehung versehen ist und der HD-Verdichter und der ND-Verdichter wahlweise unabhängig mit einer Umgehung versehen sind. In dem Fall, dass der Motor geteilte Abgasverteiler hat, wobei ein Verteiler zu jeder Schnecke läuft, kann jede der Zwillingsschnecken mit einer Turbinenumgehung versehen sein. Alternativ dazu kann in dem Fall, dass ein einziger Abgasverteiler von dem Motor zu beiden Schnecken läuft, eine der Schnecken mit einem Ventil oder einem Durchflussbegrenzer versehen sein derart, dass das Abgas bei hoher Motordrehzahl und -belastung zu beiden Schnecken strömt, bei niedrigen Motordrehzahlen aber in nur einen Durchgang eines geteilten Turbinengehäuses umgeleitet wird. Dies verdoppelt im Wesentlichen den Durchfluss von Abgas durch den einzelnen Turbinengehäuse-Durchgang und erhält die Turbolader-Drehzahl auf höheren Niveaus, als sie ansonsten bei niedrigen Motordrehzahlen erreicht werden könnten. Diese Einrichtung ist viel einfacher als die komplizierten veränderlichen Düsenleitschaufel-Systeme und erfordert kein genaues Steuerungssystem zum Positionieren. Jedoch kann die Steigerung bei der Aufladung bei niedrigen Motordrehzahlen groß genug sein, um zu bewirken, dass der Turbolader-Verdichter in seinem Pump- oder instabilen Bereich arbeitet. In diesem Fall wird die ND-VTG betätigt, um die Verdichter-Wirkungsgradinseln und den Abdrosselbereich zu einem niedrigeren Durchfluss zu bewegen, und kann zu einem Absenken des Verdichter-Wirkungsgrades, wenn der Motor mit hoher Drehzahl und Belastung arbeitet, führen.
Verknüpft mit einem Motorelektronik-System, das die Betriebscharakteristika des Motors, wie beispielsweise Drehgeschwindigkeiten, Mengendurchflüsse, Turboladedrücke und Turbolade-Lufttemperaturen aufzeichnet, können die verschiedenen Turbinen mit veränderlicher Geometrie und Verdichter und die verschiedenen Rohrweichen für einen Betriebsmodus gesteuert werden, der den Verbrauch oder die Schadstoffe bei einem beliebigen Betriebspunkt des Motors auf ein Minimum verringert. In der Regel ist ein Ausgleich erforderlich zwischen einem minimalen Verbrauch und minimalen Schadstoffen. In Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, dem Belastungszustand und der Drehgeschwindigkeit wird eine zieloptimierte Aufspaltung des Abgas-Mengendurchflusses zu der Frischluftseite, der Hochdruck-Turbine und der Niederdruck-Turbine vorgenommen.
In 10 sind die zwei Ströme 23a, b der doppelflutigen Hochdruck-Turbine 21' mit fester Geometrie jeweils auf der Einlass-Seite über ein gesondertes Rohr 60, 61 mit der Abgasseite 12 des Motors verbunden. Auf der Auslass-Seite sind die Ströme 23a, b über Auslass-Seiten-Rohre mit einem gemeinsamen Rohr 62 verbunden, das wiederum auf der Einlass-Seite mit der einflutigen Niederdruck-Turbine 31' mit veränderlicher Geometrie verbunden ist.
Für eine optimale Anpassung der Turbolader-Einheit an die Betriebsbedingungen des Motors 10 wird ein Umgehungskanal 24a und 24b in symmetrischer Anordnung für jeden Strom 23a, b der Hochdruck-Turbine 21' bereitgestellt. Jede dieser Abzweigungen von dem gesonderten Rohr 60 oder 61, das als ein Auspuffkrümmer ausgelegt ist, umgeht die Hochdruck-Turbine 21' und strömt in das gemeinsame Rohr 62 für die gleiche Zufuhr zu der einflutigen Niederdruck-Turbine 31'. Jeder Umgehungskanal 24a, b ist mit einer Rohrweiche 70 oder 71 versehen, die stromabwärts von der Abzweigung angeordnet ist. Diese können in den Auspuffkrümmer oder in das Gehäuse der Hochdruck-Turbine integriert sein und können als Schieber, Ventil oder Klappe oder ein ähnliches Element ausgelegt und sowohl einzeln als auch gemeinsam durch eine CPU gesteuert sein. Mit Hilfe der Rohrweichen 70 ist es möglich, den Abgas-Staudruck 12 so zu steigern, dass der Druck 12 > 11 ist und über 50 eine AGR verwirklicht werden kann. Mit Hilfe der Rohrweiche 70 ist, wie zuvor beschrieben, eine Aufspaltung des Abgasstromes zu der Hochdruck-Turbine, 21, der Niederdruck-Turbine 31 und der Abgasrückführung 50 möglich.
Zusätzlich sind die Abgasrückführungsrohre 50 verbunden, wobei sie zu der Frischluftseite 11 bzw. hinter den Verdichter 22 führen. Die zurückgeführte Menge an Abgas kann jedoch ebenso einem beliebigen anderen Punkt der Frischluftseite zugeführt werden. Mit Hilfe der Rohrweiche 70 kann auf der einen Seite der Umgehungskanal 24a geschlossen werden und auf der anderen, mit geöffnetem Umgehungskanal 24a Teilströme in dem erforderlichen Verhältnis zu der Niederdruck-Turbine 30 und dem Abgasrückführungsrohr 50 verteilt werden (Abgasrückführungsrate >= 0). Ferner sind, für eine Steuerung der Rohrweichen 70, 71 und 50 in Abhängigkeit von den Betriebscharakteristik-Variablen a1 – n die Rohrweichen 70, 71 und 50 mit einer elektronischen Motorsteuerung (in der Figur nicht gezeigt) verbunden, die eine optimale Verteilung des Abgas-Mengendurchflusses für den Betrieb sicherstellt. Durch die mögliche Einstellung von unterschiedlichen Umgehungsraten 24a, b wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Verteilung der gesamten Abgasmenge erreicht.
Im Grunde genommen kann jede Turbine so ausgelegt sein, dass sie einflutig, doppelflutig oder mit veränderlicher Turbinengeometrie versehen ist, insbesondere mit einem Verteiler mit einstellbaren Leitschaufeln. Ferner kann jeder Verdichter eine feste Geometrie oder eine veränderliche Geometrie haben.
Eine feststehende Ausführungsform einer Vorstufe der Erfindung wird in einem Artikel unter dem Titel „Regulierte zweistufige Turboaufladung – KKKs neues Aufladesystem für gewerbliche Dieselmotoren”, verfasst von dem Erfinder, beschrieben. Es ist erwünscht, dass sie einen sehr hohen Ladedruck bei niedrigen Motordrehzahlen hat, um das Beschleunigungsverhalten des Motors zu verbessern. Der Wunsch nach einem überproportional hohen Luft-Mengendurchfluss, d. h., Ladedruck, bei niedrigen Motordrehzahlen bestimmt, dass die Turbine und der Verdichter verhältnismäßig klein sein müssen. Es ist ebenfalls wünschenswert, einen gesteigerten Ladedruck bei dem höheren Motordrehzahlbereich zu haben, um eine höhere Motorleistung bei niedrigem Kraftstoffverbrauch und niedrigen Emissionen zu haben. Ein gesteigerter Luft-Mengendurchfluss für den Nennleistungspunkt erfordert grundlegend einen größeren Turbolader, um einen hohen Wirkungsgrad bei größeren Luft- und Abgas-Mengendurchflüssen sicherzustellen.
Da die ideale Lösung eine Kombination von beidem wäre, entwickelten die Erfinder ein reguliertes 2-stufiges Turboladesystem, das als ein kleiner (HD-)Turbolader für eine schnelle Beschleunigung bei niedriger Motordrehzahl oder als eine Kombination von kleinem und großem (ND-)Turbolader (hauptsächlich ND) bei hohen Motordrehzahlen arbeiten kann, wobei der ND-Turbolader den Verbrennungsluft-Ladedruck verstärkt, bevor sie zu dem HD-Turbolader geht, für eine schnelle Beschleunigung (Ansprechempfindlichkeit) bei hohen Geschwindigkeiten (Vorbeifahren, Überholen).
Die Turbolader sind in Reihe mit der Umgehungsregelung angeordnet. Der Abgas-Mengendurchfluss, der von den Motorzylindern kommt, strömt zuerst in den Abgasverteiler. Von dort wird entweder der gesamte Abgas-Mengendurchfluss durch die Hochdruck-Turbine (HD) ausgedehnt, oder ein Teil des Mengendurchflusses wird durch die Umgehung geleitet. Ungeachtet des Anteils an Gas, der durch die HD-Turbine strömt, geht der gesamte Abgas-Mengendurchfluss (der von der HD-Turbine oder der Umgehung kommt) danach durch die Niederdruck-(ND-)Turbine hindurch, die stromabwärts angeordnet ist.
Der Ansaugluft-Mengendurchfluss wird folglich zuerst durch die Niederdruckstufe vorverdichtet und, idealerweise, zwischengekühlt. Die weitere Verdichtung und Ladeluftkühlung findet in der Hochdruckstufe statt. Im Ergebnis der Vorverdichtung arbeitet der verhältnismäßig kleine HD-Verdichter auf einem höheren Druckniveau, so dass der erforderliche Luft-Mengendurchfluss-Durchsatz erreicht werden kann. Bei niedrigen Motordrehzahlen, d. h., niedrigen Abgas-Mengendurchflüssen, bleibt die Umgehung geschlossen, und das gesamte Abgas dehnt sich durch die HD-Turbine (vor dem Erreichen der ND-Turbine) aus. Dies führt zu einem sehr schnellen und hohen Ladedruck-Anstieg. Mit gesteigerter Motordrehzahl oder -belastung wird das Umgehungsventil geöffnet, was zunehmend mehr von der Ausdehnungsarbeit zu der ND-Turbine (die einen höheren Luft-Mengendurchfluss handhaben kann) verschiebt.
Daher ermöglicht das regulierte 2-stufige Aufladesystem eine stufenlose, ansprechempfindliche veränderliche Anpassung der Turbinen- und Verdichterseite an die Betriebsanforderungen des Motors. Die Nennmotordrehzahl kann ohne eine Verringerung bei der Leistung verringert werden.
Es versteht sich, dass die Motorbelastung nicht notwendigerweise der Motordrehzahl entspricht. Wenn zum Beispiel auf einen Hügel gefahren wird, kann die Motorbelastung zunehmen, während die Motordrehzahl konstant bleibt oder sogar abnimmt. In einem solchen Fall beginnt bei der vorliegenden Erfindung, wenn die Belastung zunimmt, das Umgehungsventil zu schließen, was mehr Ausdehnungsarbeit zu der HD-Turbine verschiebt.
Wenn einen Hügel hinabgerollt wird, wird die Belastung an einem Motor vergleichsweise niedrig (oder sogar negativ) sein, und die Motordrehzahl kann zunehmen. In einem solchen Fall kann, wenn eine zusätzliche Motorbremse erforderlich ist (gewerbliche Dieselmotoren, Lastkraftwagen), das Umgehungsventil geschlossen bleiben derart, dass das gesamte Abgas zuerst durch die HD-Turbine, danach die ND-Turbine hindurchgeht. Falls keine Motorbremse erforderlich ist, kann die Ausdehnungsarbeit zu der ND-Turbine verschoben werden, um die Motorreibung und den Kraftstoffverbrauch des Motors zu verringern.
Wenn die Geschwindigkeit, entweder eine niedrige Geschwindigkeit oder eine hohe Geschwindigkeit, auf einer flachen Straße beibehalten wird, kann die Belastung an einem Motor klein sein. In einem solchen Fall kann das Umgehungsventil geöffnet werden derart, dass die HD-Turbine leer läuft anstatt zu arbeiten.
Wenn zum Überholen auf einer flachen Straße beschleunigt wird, nimmt bei niedriger Drehzahl und hoher Belastung (Gaspedal niedergedrückt) der Abgas-Mengendurchfluss zu. Die Ausdehnungsarbeit findet anfänglich hauptsächlich in dem (sich schnell beschleunigenden) HD-Turbo statt, was bewirkt, dass der HD-Verdichter schnell den Frischluft-Ansaugdruck verstärkt. Danach, wenn die Motordrehzahl und -belastung zunehmen, öffnet sich das Umgehungsventil allmählich, wobei zunehmend mehr von der Ausdehnungsarbeit zu der ND-Turbine (die einen höheren Luft-Mengendurchfluss handhaben kann) verschoben wird, bis die Ausdehnungsarbeit zwischen der HD- und der ND-Turbine ausgeglichen ist. Wenn die HD- und die ND-Turbine gemeinsam arbeiten, wird die Verdichtung in dem ND-Verdichter verstärkt, und diese vorverdichtete Luft wird in dem HD-Verdichter weiter verdichtet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf landgestützte turboaufgeladene Motoren begrenzt. In dem vergangenen Jahrzehnt haben die zunehmenden Kosten und die sich vermindernde Verfügbarkeit von Flugbenzin und der Wunsch, einen zuverlässigeren und wirtschaftlichen Kolben-Flugmotor bereitzustellen, zu einer Wiederentdeckung von Diesel-Flugmotoren geführt (siehe Ells, „Zukünftiger Flug – Leistung mit einer anderen Farbe – hochverdichtende Diesel und effiziente Turbinen werden die Flugzeuge von morgen antreiben" – AOPA Pilot, August 2000, Seiten 163–170). Turboaufgeladene Diesel-Flugmotoren befinden sich in der Entwicklung bei Teledyne Continental Motors, Lycoming, Moraine Renault, DeltaHawk und Zoche.
In Bezug auf die obige Beschreibung ist zu erkennen, dass die optimalen Abmessungsbeziehungen für die Teile der Erfindung, um Variationen in Größe, Materialien, Gestalt, Form, Funktion und Weise von Betrieb, Zusammenbau und Verwendung einzuschließen, als leicht offensichtlich und naheliegend für einen Fachmann auf dem Gebiet zu erachten sind und beabsichtigt ist, dass alle äquivalenten Beziehungen zu denjenigen, die in den Zeichnungen illustriert und in der Patentbeschreibung beschrieben werden, durch die vorliegende Erfindung erfasst werden.
Daher ist das Vorstehende nur als illustrativ für die Prinzipien der Erfindung zu betrachten. Ferner ist es, da den Fachleuten auf dem Gebiet zahlreiche Modifikationen und Veränderungen leicht offensichtlich sein werden, nicht gewünscht, die Erfindung auf den genauen gezeigten und beschriebenen Aufbau und Betrieb zu begrenzen, und dementsprechend fallen alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente, auf die zurückgegriffen werden kann, in den Rahmen der Erfindung.
Nachdem die Erfindung beschrieben worden ist, beanspruche ich Folgendes:
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3557549 [0005]
US 3941104 [0009]
US 6378308 [0011, 0013]
US 6694736 [0011, 0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ells, „Zukünftiger Flug – Leistung mit einer anderen Farbe – hochverdichtende Diesel und effiziente Turbinen werden die Flugzeuge von morgen antreiben” – AOPA Pilot, August 2000, Seiten 163–170 [0077]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10), umfassend: mehrere Verbrennungszylinder, wenigstens einen Abgasverteiler (12), der mit den Verbrennungszylindern gekoppelt ist, wenigstens einen Ansaugverteiler (11), der mit den Verbrennungszylindern gekoppelt ist, einen ersten Turbolader (20), der eine erste Turbine (21), die einen Einlass und einen Auslass aufweist, und einen ersten Verdichter (22), der einen Einlass und einen Auslass aufweist, umfasst, wobei der erste Turbineneinlass eine variable Turbinengeometrie hat und in Fluidkopplung mit dem Abgasverteiler steht, und einen zweiten Turbolader (30), der eine zweite Turbine (31), die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der zweite Turbineneinlass eine variable Turbinengeometrie aufweist und mit dem ersten Turbinenauslass gekoppelt ist, und einen zweiten Verdichter (32), der einen Einlass und einen Auslass aufweist, umfasst, wobei der zweite Verdichterauslass in Fluidkopplung mit dem ersten Verdichtereinlass steht und wobei der erste Verdichterauslass in Fluidkopplung mit dem Ansaugverteiler steht, ferner umfassend eine Abgasrückführungsleitung (7), um Abgas aus dem Abgasverteiler der Leitung zuzuführen, die den zweiten Verdichter (32) mit dem ersten Verdichter (22) verbindet.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die erste Turbine eine Zwillingsspiralen-Turbine ist, wobei die Durchströmung durch jede der Spiralen unabhängig regelbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, wobei ein Umgehungsrohrleitungssystem vorgesehen ist, um jede der Zwillingsspiralen der ersten Turbine unabhängig zu umgehen.
Verbrennungskraftmaschine (10), umfassend: mehrere Verbrennungszylinder, wenigstens einen Abgasverteiler (12), der mit den Verbrennungszylindern gekoppelt ist, wenigstens einen Ansaugverteiler (11), der mit den Verbrennungszylindern gekoppelt ist, einen ersten Turbolader, der eine erste Turbine (21), die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der erste Turbineneinlass in Fluidkopplung mit dem Abgasverteiler (12) steht und eine variable Turbinengeometrie aufweist, und einen ersten Verdichter (22), der einen Einlass und einen Auslass aufweist, umfasst, wobei erste Turbinenspiralen jeweils in Fluidkopplung mit dem Abgasverteiler stehen, und einen zweiten Turbolader, der eine zweite Turbine, die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der zweite Turbineneinlass eine variable Turbinengeometrie aufweist und in Fluidkopplung mit dem ersten Turbinenauslass steht, und einen zweiten Verdichter (32), der einen Einlass und einen Auslass aufweist, umfasst, wobei der zweite Verdichterauslass in Fluidkopplung mit dem ersten Verdichtereinlass steht und wobei der erste Verdichterauslass in Fluidkopplung mit dem Ansaugverteiler steht, ferner umfassend eine Abgasrückführungsleitung (7), um Abgas aus dem Abgasverteiler der Leitung zuzuführen, die den zweiten Verdichter (32) mit dem ersten Verdichter (22) verbindet.
Verbrennungskraftmaschine (10), umfassend: mehrere Verbrennungszylinder, wenigstens einen Abgasverteiler (12), der mit den Verbrennungszylindern gekoppelt ist, wenigstens einen Ansaugverteiler (11), der mit den Verbrennungszylindern gekoppelt ist, einen ersten Turbolader (20), der eine erste Turbine (21), die eine Zwillingsspirale (23a, 23b) aufweist, wobei jede Spirale einen Einlass und einen Auslass aufweist, und einen ersten Verdichter (22), der einen Einlass und einen Auslass aufweist, umfasst, wobei die Spiraleneinlässe in Fluidkopplung mit dem Abgasverteiler stehen und mindestens einer der Spiraleneinlässe eine variable Turbinengeometrie aufweist, einen zweiten Turbolader (30), der eine zweite Turbine (31), die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der zweite Turbineneinlass eine variable Turbinengeometrie aufweist und in Fluidkopplung mit dem ersten Turbinenauslass steht, und einen zweiten Verdichter (32), der einen Einlass und einen Auslass aufweist, umfasst, wobei der zweite Verdichterauslass in Fluidkopplung mit dem ersten Verdichtereinlass steht und wobei der erste Verdichterauslass in Fluidkopplung mit dem Ansaugverteiler steht, und wobei ein Umgehungsrohrleitungssystem vorgesehen ist, um jede der Zwillingsspiralen der ersten Turbine unabhängig zu umgehen.