DE2233970B1 - Zweistufig aufgeladene hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents
Zweistufig aufgeladene hubkolbenbrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine zweistufig aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei
jeweils eine Turbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturboladern, die miteinander zugewandten
Turbinen, welche als Axialturbinen ausgebildet sind, koaxial nebeneinander angeordnet sind, bei der die
Turbine einer Hochdruckstufe in Strömungsrichtung des Abgases der Turbine einer Niederdruckstufe und
der Verdichter der Niederdruckstufe in Strömungsrichtung der Ladeluft dem Verdichter der Hochdruckstufe
vorgeschaltet sind und bei der nach jedem Verdichter ein Kühler zur Kühlung der verdichteten
Ladeluft angeordnet ist.
Aus der britischen Patentschrift 1 092 113 ist eine
derartige Anordnung bekannt. Durch die koaxiale Anordnung der beiden Turbolader ist eine Möglichkeit
zur Vermeidung von langen Gaswegen zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine
geschaffen. Die Verwendung von Axialturbinen gestattet eine einfache Variation der Gefälleaufteilung.
Bei der bekannten Anordnung wird jedoch der die Ladeluft ansaugende Niederdruckverdichter von der
vom Motor beaufschlagten Hochdruckturbine und der den Motor beaufschlagende Hochdruckverdichter
von der im Anschluß an dieHoehdruckturbine durchströmten Niederdruckturbine angetrieben. Da an
jeder Turboladerwelle eine ausgeglichene Leistungsbilanz erreicht werden muß, ergibt sich durch diese
Zuordnung eine äußerst ungünstige Gefälleaufteilung, die mit bestehenden, handelsüblichen Turboladern
nicht beherrschbar ist. Ferner sind bei der bekannten Anordnung im Bereich zwischen der Hochdruckturbine
und der Niederdruckturbine Leitvorrichtungen zur Umlenkung des Abgasstromes vorgesehen, so
daß beide Turbinen in derselben Richtung bewegt werden. Die hieraus resultierenden Nachteile sind
insbesondere in der Entstehung von Umlenkverlusten, einem erhöhten Platzbedarf sowie einem erheblichen
fertigungstechnischen Aufwand zur Herstellung sowohl der Umlenkvorrichtungen selbst als
auch der passenden Verdichterräder und Turbinenschaufeln zu sehen. Die Vorteile der koaxialen
Anordnung kommen also bei der bekannten Anordnung nicht zum Tragen.
Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter weitgehender Verwendung
erprobter Turbolader-Serienbauteile die Richtungsänderung des Abgases auf ein Minimum zu beschränken
und unter einer weitestgehenden Ausnutzung der Abgasenergie Leitungsverluste weitgehend zu vermeiden.
Gemäß der Erfindung gelingt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß die Turbine und der Verdichter
der Hochdruckstufe und die Turbine und der Verdichter der Niederdruckstufe auf jeweils einer Welle
angeordnet sind und daß der Abgasauslaß der Turbine des Höchdruckabgasturboladers ohne Zwischenschaltung
einer Umlenkvorrichtung unmittelbar in den Abgaseinlaß der entgegengesetzt gerichtet sich
drehenden Turbine des Niederdruckabgasturboladers mündet.
Die Abgase erhalten also schon beim Verlassen der Turbine der Hochdruckstufe die beim Eintreten
in die Turbine der Niederdruckstufe erwünschte Richtung. Der bauliche Aufwand sowie der Platzbedarf
werden hierdurch besonders gering gehalten.
Ferner lassen sich infolge der fehlenden Umlenkung des Abgases im Bereich zwischen den beiden Turbinen
Verluste jeder Art nahezu völlig ausschalten. Die unterschiedliche Drehrichtung der beiden Turbolader
ermöglicht die Verwendung genau geometrisch ähnlicher Bauteile für die Verdichterräder. Dies ergibt in
vorteilhafter Weise eine Vereinfachung und Verbilligung, da jeweils von einstufigen Turboladern vorhandene
Radialverdichterräder verwendet werden können. Ferner läßt die unterschiedliche Drehrichtung
der beiden Turbolader eine platzsparende Unterbringung der nach jedem Verdichter vorgesehenen Kühler
zu. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Turbinenschaufeln genau spiegelbildlich ausgeführt sein
können. Dies erleichtert die Werkzeugbeschaffung und vereinfacht die Bearbeitung. Durch die Verlegung
der Hochdruckturbine sowie des Hochdruckverdichters auf einen Turbolader und die Verlegung der gesamten
Niederdruckstufe auf den anderen Turbolader läßt sich auf einfache Weise an jeder Turboladerwelle
eine ausgeglichene Leistungsbilanz erreichen und damit eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung
von handelsüblichen Turboladern erfüllen.
Es ist zwar aus der Zeischrift »Marine Engineer and Naval Architect«, September 1968, Seite 389, an
sich bekannt, die Hochdruckstufe und die Niederdruckstufe auf jeweils einen Turbolader, welche mit
einander zugewandten Turbinen koaxial nebeneinander angeordnet sind, zu verlegen. Infolge der hierbei
vorgesehenen langen Verbindungsleitungen sowohl auf der Abgas- als auch auf der Luftseite kommen
jedoch die mit der koaxialen Anordnung an sich verbundenen Vorteile nicht zur Geltung. Diese Vorveröffentlichung
konnte demnach zur Lösung der Aufgabe nicht beitragen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kraftübertragungswellen der beiden Abgasturbolader
jeweils im Bereich zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad im Gehäuse gelagert.
Hierdurch ergibt sich in ganz besonderem Maße eine Vermeidung von langen Verbindungsleitungen zwischen
den beiden einander zugewandten Turbinen und somit eine weitestgehende Ausschaltung von
Leitungsverlusten. Die Turbinengehäuse können in diesem Fall praktisch ohne Zwischenstück direkt aneinander
anschließen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Hochdruckturbine von innen, d. h. dem Bereich zwischen
dem Verdichterrad und dem Turbinenrad, nach außen und die Niederdruckturbine von außen nach
innen durchströmt. Infolgedessen kann der zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad naturgemäß
vorhandene Platz in vorteilhafter Weise zur Unterbringung einer Zuströmspirale an der Hochdruckturbine
und eines großen Abströmgehäuses an der Niederdruckturbine ausgenützt werden. Das Gehäuse
der Hochdruckturbine kann dabei zweckmäßigerweise zumindest bereichsweise in das Abströmgehäuse
der Niederdruckturbine hinein verlegt sein. Infolge der Anordnung einer Zuströmspirale können am Eintritt
der Abgase in die Turbine hohe Gasströmungsgeschwindigkeiten erzeugt werden, so daß das Gehäuse
klein baut und die gewünschte Zuströmrichtung zur Hochdruckturbine weitgehend erreicht wird, wodurch
es möglich ist, im Leitrad der Hochdruckstufe nur wenig umzulenken oder auf das Leitrad ganz zu
verzichten. Die Möglichkeit, ein großes Abströmgehäuse im Anschluß an die Niederdruckturbine
unterbringen zu können, trägt weiterhin zur Verbesserung der Wirksamkeit der gesamten Anlage bei, da
sich hierdurch nach der Niederdruckturbine ein kleiner Austrittsverlust und damit ein hoher Gesamtwirkungsgrad
erzielen lassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein aus einem Hochdruck- und einem
Niederdruck-Abgasturbolader bestehendes Aggregat etwa waagerecht liegend an einer Stirnseite der Hubkolbenbrennkraftmaschine
angeordnet. Hierdurch werden besonders einfache Montage- und Demontage-Verhältnisse
geschaffen. Außerdem ergibt sich hierdurch in vorteilhafter Weise an den Längsseiten
ίο der Hubkolbenbrennkraftmaschine genügend Platz
zur Unterbringung der von jeweils einem Teil der Zylinder gespeisten Abgassammelleitungen, die in
einer bevorzugten Ausführungsform kaskadenartig zu einem Abgasstrom zusammengefaßt werden können,
so daß nur ein einziges Aufladegerät notwendig ist.
Ein Ausführungsbeispiel und Vorteile der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung
erläutert.
Hierbei zeigt
Hierbei zeigt
»ο Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine Stirnseitenansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
F i g. 3 eine Ansicht von oben der in F i g. 2 dargestellten Brennkraftmaschine.
F i g. 3 eine Ansicht von oben der in F i g. 2 dargestellten Brennkraftmaschine.
Bei der zweistufigen Abgasturboaufladung erfolgt die Verwertung der Abgasenergie sowie die Verdichtung
der Ladeluft in zwei Stufen, einer Niederdruckstufe und einer Hochdruckstufe. Das von einer Brennkraftmaschine
ankommende Abgas wird in der Hochdruckstufe erstmals ausgenutzt und von dort aus zur
weiteren Verwertung der Niederdruckstufe zugeführt. Die Ladeluft wird in einer ersten Stufe, der Niederdruckstufe,
angesaugt und vorverdichtet und von dort aus zur weiteren Verdichtung zur Hochdruckstufe geleitet.
Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel finden hierfür zwei miteinander zugewandten
Turbinen koaxial nebeneinander angeordnete Abgasturbolader 7 bzw. 8 Verwendung. Zweckmäßig ist
hierbei die Hochdruckstufe sowohl auf der Abgasais auch auf der Luftseite auf den Abgasturbolader 7
und die Niederdruckstufe auf den Abgasturbolader 8 verlegt. Infolge der hierdurch möglichen günstigen
Gefälleaufteilung können in zweckmäßiger Weise bereits bestehende, handelsübliche Abgasturboladertypen
für den Hochdruckabgasturbolader 7 bzw. den Niederdruckabgasturbolader 8 Verwendung finden.
Der Hochdruckabgasturbolader 7 besteht aus der Hochdruckturbine 9 und dem hiervon angetriebenen
Hochdruckverdichter 10. Der Niederdruckabgasturbolader 8 umfaßt die Niederdruckturbine 11 und
den hiervon angetriebenen Niederdruckverdichter 12. Die Hochdruckturbine 9 sowie die Niederdruckturbine
11 sind als axial durchströmte Turbinen ausgebildet. Die Turbine 9 der Hochdruckstufe, die, wie
bei 13 angedeutet, unmittelbar von den Abgasen einer im vorliegenden Beispiel nicht dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine
beaufschlagt wird, ist aus einem Ansaugstutzen 19, der über einen Flansch direkt mit der Abgassammelleitung der nicht dargestellten
Hubkolbenbrennkraftmaschine verbunden werden kann, ferner aus einer Zuführspirale 20 sowie
einem Turbinenrad 21 aufgebaut. Die Zuführspirale 20 dient zur gleichmäßigen Beaufschlagung der
Schaufeln 22 über den gesamten Umfang des Turbinenrades 21 mit den über den Zuführstutzen 19 ankommenden
Abgasen, sowie zur Erzeugung einer hohen Abgasgeschwindigkeit. Beim Austritt der Ab-
gase aus der Hochdruckturbine 9, in welcher ein erster Anteil der Energie zurückgelassen wird, treten
diese unmittelbar in den durch ein kurzes Zwischenstück 23 angedeuteten Abgaseinlaß der Niederdruckturbine
11 ein. Dadurch, daß die beiden Abgasturbolader 7 und 8 mit den Stirnseiten ihrer Turbinen 9
und 11 aneinander grenzen, ist der vom Abgas zwischen den beiden Turbinenstufen zurückzulegende
Weg sehr kurz. Zur Anpassung der Durchflußquerschnitte an die Druckverhältnisse im Abgas führt das
an das Turbinenrad 21 der Hochdruckturbine 9 sich anschließende Zwischenstück kontinuierlich sich erweiternd
zum größeren Turbinenrad 24 der Niederdruckturbine 11. Das Turbinenrad 24 ist an seinem
Umfang mit Schaufeln 25 bestückt. Zur Erzeugung entgegengesetzt laufender Drehrichtungen der beiden
Abgasturbolader sind die Schaufeln 22 des Turbinenrades
21 der Hochdruckturbine 9 entgegengesetzt gerichtet gegen die Strömung des Abgases angestellt,
wie die Schaufeln 25 des Turbinenrades 24 der Niederdruckturbine 11. Hierdurch wird einmal dem Abgas beim Austritt aus der Hochdruckturbine 9 genau
die Richtung erteilt, die beim Eintritt in die Niederdruckturbine 11 erwünscht ist. Auf zwischengeschaltete
Leitvorrichtungen zur Umlenkung des Abgases kann deshalb verzichtet werden. Infolge der fehlenden
Umlenkung sowie der äußerst platzsparenden Bauweise entfallen im Bereich zwischen den beiden
Turbinenstufen Leitungsverluste nahezu völlig. In Strömungsrichtung des Abgases nach dem Turbinenrad
24 der Niederdruckturbine 11 strömt das Abgas in ein Abströmgehäuse 26, von wo aus es über einen
Ablaßstutzen 27, wie durch den Pfeil 14 angedeutet, in eine Auspuffleitung geleitet wird. Da die beiden
Abgasturbolader nach der Erfindung miteinander zugewandten Turbinen koaxial nebeneinander angeordnet
sind, ergibt sich einmal ein sehr kurzer Abgasweg und zum anderen zwischen den beiden an den
Außenseiten des Gesamtaggregats sich befindenden Verdichtern 10 und 12 genügend Platz zurUnterbringung
eines sehr großen Abströmgehäuses 26, wodurch eine wichtige Voraussetzung für das Arbeiten der
Turbine 11 der Niederdruckstufe im Bereich günstiger Wirkungsgrade erfüllt ist. Das Abströmgehäuse 26
kann zweckmäßigerweise zur vollen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Platzes auch um das Zwischenstück
23 sowie wenigstens teilweise um die Hochdruckturbine 9 herumgelegt sein.
Die Ladeluft wird in Richtung des Pfeiles 15 über einen in einem Gehäuse 28 untergebrachten Schalldämpfer
und ein ebenfalls im Gehäuse 28 untergebrachtes Luftfilter angesaugt. Zur Verdichtung in der
ersten Stufe dient das Verdichterrad 29 des Verdichters 12 der Niederdruckstufe. Die bereits vorverdichtete
Ladeluft wird über die Leitung 16 zur Kühlung dem Zwischenkühler 17 zugeleitet. Von hier aus führt
ein weiterer Ast der Leitung 16 zum Verdichterrad 30 des Verdichters 10 der Hochdruckstufe, in der die
Verdichtung der Ladeluft in der zweiten Stufe erfolgt.
Das Verdichterrad 30 wird über die Welle 31 vom Turbinenrad 21 angetrieben. Das Verdichterrad 29
wird in gleicher Weise über die Welle 32 vom zugehörigen Turbinenrad 24 angetrieben. In der dargestellten,
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Wellen 31 und 32 im Bereich zwisehen
dem Turbinenrad 21 und dem Verdichterrad 30 sowie im Bereich zwischen dem Turbinenrad 24 und
dem Verdichterrad 29 über Lager 33 im Gehäuse gelagert. Durch die Verlegung der Lager in den Bereich
zwischen dem Turbinenrad und dem zugehörigen Verdichterrad ergibt sich bei der erfindungsgemäßen
Stirn-an-Stirn-Anordnüng der beiden .serienmäßigen Turbolader ein äußerst geringer Platzbedarf
im Bereich des Zwischenstücks 23, so daß die Abgase praktisch ohne zusätzliche Rohrleitung beide Turbinen
unmittelbar hintereinander durchströmen können. Im Bereich zwischen dem Turbinenrad und dem zugehörigen
Verdichterrad ergibt sich auch genügend Platz zur Unterbringung des Ansaugstutzens 19 mit
der anschließenden Zuführspirale 20 im Bereich der Hochdruckstufe und eines hinreichend großen Abströmgehäuses 26 im Bereich der Niederdruckstufe.
Eine derartige platzsparende Anordnung wird dadurch ermöglicht, daß die Beschaufelung des Turbinenrades
21 der Hochdruckstufe von innen nach außen, d. h. von dem Bereich zwischen dem Verdichterrad
30 und dem Turbinenrad 21 in Richtung des Turbinenrades 24 nach außen und die Beschaufelung
des Turbinenrades 24 der Niederdruckstufe in umgekehrter Richtung von außen nach innen durchströmt werden.
Wie in Fig. 2 gezeigt, kann ein aus den Abgasturboladern 7 und 8 bestehendes Aggregat jeweils an
einer Stirnseite einer Brennkraftmaschine 1 angeordnet sein. Hierbei wird besonders klar, daß sich infolge
der umgekehrten Drehrichtung der beiden Abgasturbolader in vorteilhafter Weise die Möglichkeit
bietet, den Zwischenkühler 17 platzsparend unterhalb des gesamten Aggregats anzuordnen. Außerdem ergibt
sich hierbei eine übersichtliche Leitungsführung der Ladeluftleitungen zum Ladegebläse 10 der Hochdruckstufe
hin sowie von hier aus weg zum Kühler 18, der seitlich des gesamten Aggregats angeordnet sein
kann. Dadurch, daß die Ladeluftleitungen sich nicht überschneiden, wird die Montage und Demontage der
gesamten Anordnung an der Brennkraftmaschine 1 wesentlich vereinfacht und erleichtert. Aber ganz abgesehen
davon wird hierdurch auch ein ansprechender ästhetischer Eindruck vermittelt. Selbstverständlich
ist es möglich, an beiden Stirnseiten der Brennkraftmaschine 1 derartige Aggregate vorzusehen. Bei
Brennkraftmaschinen mit sehr vielen Zylindern ist dies sogar vorteilhaft, da hierbei die einzelnen Aggregate
dann relativ klein ausgeführt sein können.
Der Grundriß gemäß F i g. 3 zeigt deutlich, daß das aus der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe
bestehende Aggregat 34 in der Breite nicht wesentlich über die Abmessungen der Hubkolbenbrennkraftmaschine
1 hinausreicht. Im gezeichneten Beispiel ist der Ansaugstutzen 19 der Turbine 9 der Hochdruckstufe
genau mittig zwischen zwei sich gegenüberstehenden, V-förmig angeordneten Zylindern 2 der
Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 angeordnet. Hierdurch kann die Abgassammelleitung zweckmäßig im
Bereich zwischen den beiden Zylinderreihen angeordnet werden. Bei V-Motoren, bei denen an beiden
Stirnseiten je ein Aggregat 34 vorgesehen ist, können in günstiger Weise die Abgasleitungen der Zylinder
einer Zylinderreihe in eine Abgassammelleitung zusammengeführt werden, von der aus jeweils ein
Aggregat 34 beaufschlagt wird. Es ist aber auch möglich und im Hinblick auf besonders kurze Abgassammelleitungen
auch vorteilhaft, Zylinder beider Zylinderreihen zu einer Abgassammelleitung zusammenzufassen,
die dann etwa nur die halbe Maschinenlänge umfaßt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Zweistufig aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei jeweils eine
Turbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturboladern, die mit einander zugewandten
Turbinen, .welche als Axialturbinen ausgebildet sind, koaxial nebeneinander angeordnet sind, bei
der die Turbine einer Hochdruckstufe in Strömungsrichtung des Abgases der Turbine einer
Niederdruckstufe und der Verdichter der Niederdruckstufe in Strömungsrichtung der Ladeluft
dem Verdichter der Hochdruckstufe vorgeschaltet sind und bei der nach jedem Verdichter ein Kühler
zur Kühlung der verdichteten Ladeluft angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (9) und der Verdichter (10) der
Hochdruckstufe und die Turbine (11) und der Verdichter (12) der Niederdruckstufe jeweils auf
einer Welle (31 bzw. 32) angeordnet sind und daß der Abgasauslaß der Turbine (9) des Hochdruckabgasturboladers
(7) ohne Zwischenschaltung einer Umlenkvorrichtung unmittelbar in den Abgaseinlaß
der entgegengesetzt gerichtet sich drehenden Turbine (11) des Niederdruckabgasturboladers
(8) mündet.
2. Zweistufig aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraftübertragungswellen (31, 32) der beiden Abgasturbolader (7, 8) jeweils im
Bereich zwischen dem Turbinenrad (21, 24) und dem Verdichterrad (29, 30) im Gehäuse gelagert
sind.
3. Zweistufig aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Turbine (9) der Hochdruckstufe von innen, dem Bereich zwischen dem Verdichterrad
(30) und dem Turbinenrad (21), nach außen und die Turbine (11) der Niederdruckstufe von
außen nach innen durchströmt ist.
4. Zweistufig aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem Hochdruck- und einem Niederdruck-Abgasturbolader
bestehendes Aggregat (34) etwa waagerecht liegend an einer Stirnseite der Hubkolbenbrennkraftma'schine
(1) angeordnet ist.
5. Zweistufig aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Verwendung eines V-Motors die Abgasleitung der Zylinder jeweils einer Zylinderreihe
in den Ansaugstutzen (19) eines an der Stirnseite des Motors (1) angeordneten aus einem
Hochdruck- und einem Niederdruck-Abgasturbolader (7, 8) bestehenden Aggregats (34) münden,
von dem aus die Zylinder der anderen Zylinderreihe mit Ladeluft beaufschlagt sind.
6. Zweistufig aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der nach der Niederdruckstufe angeordnete Zwischenkühler (17) zur Kühlung der
verdichteten Ladeluft unterhalt) und der nach der Hochdruckstufe angeordnete Kühler (18) seitlich
in Verlängerung des aus beiden Abgasturboladern bestehenden Aggregats (34) angeordnet ist.
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