DE2233970C2

DE2233970C2 - Zweistufig aufgeladene hubkolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2233970C2
Application number: DE2233970A
Authority: DE
Inventors: Hanns-Guenther Dr.-Ing. 8901 Steppach Bozung; Albrecht Dipl.- Ing. 8900 Augsburg Mann
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1972-07-11
Filing date: 1972-07-11
Publication date: 1975-03-13
Also published as: GB1438172A; PL85430B1; DD105651A1; DK139988C; IT989725B; FR2192603A5; SE402323B; JPS5847226Y2; JPS4957218A; DK139988B; SU609484A3; DE2233970B1; CH565941A5; JPS53101108U; YU35389B; YU152973A

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 derHochdruckstiife vorgeschaltet sind und bei der nach jedem Vcr-

dichter 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

ao Ladeluft ansaugende Niederdruckverdichter von der vom Motor beaufschlagten Hochdruekturbine und der den Motor beaufschlagende Hochdruckverdichter von der im Anschluß an die Hochdruckturbine 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 Ver- . dichter der Niederdruckstufe auf jeweils einer Welle angeordnet sind und daß der Abgasauslaß der Turbine des Hochdruckabgasturboladers 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 laßt 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 darfiit 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 hineinverlegt 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

ao Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Stirnseitenansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und

Fig. 3 eine Ansicht von oben der in Fig. 2 dar-

»5 gestellten 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 dem 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 gelagert. Durch die Verlegung der Lager in den Beerster Anteil der Energie zurückgelassen wird, treten reich zwischen dem Turbinenrad und dem zugehöridiese unmittelbar in den durch ein kurzes Zwischen- gen Verdichterrad ergibt sich bei der erfindungsstück 23 angedeuteten Abgaseinlaß der Niederdruck- gemäßen Stirn-an-Stirn-Anordnung der beiden serienturbine 11 ein. Dadurch, daß die beiden Abgasturbo- 5 mäßigen Turbolader ein äußerst geringer Platzbedarf lader 7 und 8 mit den Stirnseiten ihrer Turbinen 9 im Bereich des Zwischenstücks 23, so daß die Abgase und 11 aneinander grenzen, ist der vom Abgas zwi- praktisch ohne zusätzliche Rohrleitung beide Turbischen den beiden Turbinenstufen zurückzulegende nen unmittelbar hintereinander durchströmen können. Weg sehr kurz. Zur Anpassung der Durchfiußquer- Im Bereich zwischen dem Turbinenrad und dem zuschnitte an die Druckverhältnisse im Abgas führt das io gehörigen Verdichterrad ergibt sich auch genügend an das Turbinenrad 21 der Hochdruckturbine 9 sich Platz zur Unterbringung des Ansaugstutzens 19 mit anschließende Zwischenstück kontinuierlich sich er- der anschließenden Zuführspirale 20 im Bereich der weiternd zum größeren Turbinenrad 24 der Nieder- Hochdruckstufe und eines hinreichend großen Abdruckturbine 11. Das Turbinenrad 24 ist an seinem Strömgehäuses 26 im Bereich der Niederdruckstufe. Umfang mit Schaufeln 25 bestückt. Zur Erzeugung 15 Eine derartige platzsparende Anordnung wird daentgegengesetzt laufender Drehrichtungen der beiden durch ermöglicht, daß die Beschaufelung des Tur-Abgasturbolader sind die Schaufeln 22 des Turbinen- binenrades 21 der Hochdruckstufe von innen nach rades 21 der Hochdruckturbine 9 entgegengesetzt außen, d. h. von dem Bereich zwischen dem Verdichgerichtet gegen die Strömung des Abgases angestellt, terrad 30 und dem Turbinenrad 21 in Richtung des wie die Schaufeln 25 des Turbinenrades 24 der Nie- 20 Turbinenrades 24 nach außen und die Beschaufelung derdruckturbine 11. Hierdurch wird einmal dem Ab- des Turbinenrades 24 der Niederdruckstufe in umgas beim Austritt aus der Hochdruckturbine 9 genau gekehrter Richtung von außen nach innen durchdie Richtung erteilt, die beim Eintritt in die Nieder- strömt werden.

druckturbine 11 erwünscht ist. Auf zwischengeschal- Wie in Fig. 2 gezeigt, kann ein aus den Abgastete Leitvorrichtungen zur Umlenkung des Abgases 25 turboladern 7 und 8 bestehendes Aggregat jeweils an kann deshalb verzichtet werden. Infolge der fehlen- einer Stirnseite einer Brennkraftmaschine 1 angeordden Umlenkung sowie der äußerst platzsparenden net sein. Hierbei wird besonders klar, daß sich infolge Bauweise entfallen im Bereich zwischen den beiden der umgekehrten Drehrichtung der beiden Abgas-Turbinenstufen Leitungsverluste nahezu völlig. In turbolader in vorteilhafter Weise die Möglichkeit Strömungsrichtung des Abgases nach dem Turbinen- 30 bietet, den Zwischenkühler 17 platzsparend unterhalb rad 24 der Niederdruckturbine 11 strömt das Abgas des gesamten Aggregats anzuordnen. Außerdem erin ein Abströmgehäuse 26, von wo aus es über einen gibt sich hierbei eine übersichtliche Leitungsführung Ablaßstutzen 27, wie durch den Pfeil 14 angedeutet, der Ladeluftleitungen zum Ladegebläse 10 der Hochin eine Auspuffleitung geleitet wird. Da die beiden druckstufe hin sowie von hier aus weg zum Kühler 18, Abgasturbolader nach der Erfindung miteinander 35 der seitlich des gesamten Aggregats angeordnet sein zugewandten Turbinen koaxial nebeneinander ange- kann. Dadurch, daß die Ladeluftleitungen sich nicht ordnet sind, ergibt sich einmal ein sehr kurzer Abgas- überschneiden, wird die Montage und Demontage der weg und zum anderen zwischen den beiden an den gesamten Anordnung an der Brennkraftmaschine 1 Außenseiten des Gesamtaggregats sich befindenden wesentlich vereinfacht und erleichtert. Aber ganz abVerdichtern 10 und 12 genügend Platz zurUnterbrin- 40 gesehen davon wird hierdurch auch ein ansprechender gung eines sehr großen Abströmgehäuses 26, wodurch ästhetischer Eindruck vermittelt. Selbstverständlich eine wichtige Voraussetzung für das Arbeiten der ist es möglich, an beiden Stirnseiten der Brennkraft-Turbine 11 der Niederdruckstufe im Bereich günstiger maschine 1 derartige Aggregate vorzusehen. Bei Wirkungsgrade erfüllt ist. Das Abströmgehäuse 26 Brennkraftmaschinen mit sehr vielen Zylindern ist kann zweckmäßigerweise zur vollen Ausnutzung des +5 dies sogar vorteilhaft, da hierbei die einzelnen Aggrezur Verfügung stehenden Platzes auch um das Zwi- gate dann relativ klein ausgeführt sein können,
schenstück 23 sowie wenigstens teilweise um die Der Grundriß gemäß Fig. 3 zeigt deutlich, daß das Hochdruckturbine 9 herumgelegt sein. aus der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe

Die Ladeluft wird in Richtung des Pfeiles. 15 über bestehende Aggregat 34 in der Breite nicht wesentlich

einen in einem Gehäuse 28 untergebrachten Schall- 50 über die Abmessungen der Hubkolbenbrennkraft-

dämpfer und ein ebenfalls im Gehäuse 28 unterge- maschine 1 hinausreicht. Im gezeichneten Beispiel ist

brachtes Luftfilter angesaugt. Zur Verdichtung in der der Ansaugstutzen 19 der Turbine 9 der Hochdruck-

ersten Stufe dient das Verdichterrad 29 des Verdien- stufe genau mittig zwischen zwei sich gegenüber-

ters 12 der Niederdruckstufe. Die bereits vorverdich- stehenden. V-förmig angeordneten Zylindern 2 der

tete Ladeluft wird über die Leitung 16 zur Kühlung 55 Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 angeordnet. Hier-

dem Zwischenkühler 17 zugeleitet. Von hier aus führt durch kann die Abgassammelleitung zweckmäßig im

em weiterer Ast der Leitung 16 zum Verdichterrad 30 Bereich zwischen den beiden Zylinderreihen ange-

des Verdichters 10 der Hochdruckstufe, in der die ordnet werden. Bei V-Motoren, bei denen an beiden

Verdichtung der Ladeluft in der zweiten Stufe erfolgt. Stirnseiten je ein Aggregat 34 vorgesehen ist, könnet

Das Verdichterrad 30 wird über die Welle 31 vom ⁶° m günstiger Weise die Abgasleitungen der Zylindei Turbinenrad 21 angetrieben. Das Verdichterrad 29 einer Zylinderreihe in eine Abgassammelleitung zuwird in gleicher Weise über die Welle 32 vom züge- sammengeführt werden, von der aus jeweils eit hörigen Turbinenrad 24 angetrieben. In der darge- Aggregat 34 beaufschlagt wird. Es ist aber auch mög stellten, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der lieh und im Hinblick auf besonders kurze Abgas Erfindung sind die Wellen 31 und 32 im Bereich zwi- 65 Sammelleitungen auch vorteilhaft, Zylinder beide sehen dem Turbinenrad 21 und dem Verdichterrad 30 Zylinderreihen zu einer Abgassammelleitung zusam sowie im Bereich zwischen dem Turbinenrad 24 und menzufassen,die dann etwa nur die halbe Maschinen dem Verdichterrad 29 über Lager 33 im Gehäuse länge umfaßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 Hubkolbenbrennkraftmaschine (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 Zy'inder 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 unterhalb und der nach der Hochdruckstufe angeordnete Kühler (18) seitlich in Verlängerung des aus beiden Abgasturboladern bestehenden Aggregats (34) angeordnet ist.