DE4141159C1 - Two-stage supercharging for IC engine - involves two separate turbocharger units with compressors in series and turbines in parallel. - Google Patents
Two-stage supercharging for IC engine - involves two separate turbocharger units with compressors in series and turbines in parallel.Info
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Abstract
Description
Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE-A1 22 19 679 bekannt ist. Dort wird bei einem mit Aufladung arbeitenden Zweitakt- Verbrennungsmotor eine Verdichteranlage mit 2 Turboladern eingesetzt. Die einander ähnelnden Abgasturbinen sind dabei parallelgeschaltet und die um eine Baugröße unterschiedlichen Verdichter in Reihe, wobei die beiden Verdichter annähernd mit dem gleichen Energieverbrauch arbeiten.With the preamble, the invention takes on a state of the Technology reference, as known from DE-A1 22 19 679. There is a two-stroke Combustion engine a compressor system with 2 turbochargers used. The mutually similar exhaust gas turbines are included connected in parallel and by one size different compressors in series, the two Compressors with almost the same energy consumption work.
Der damit erreichbare Wirkungsgrad ist noch nicht optimal.The efficiency that can be achieved with this is not yet optimal.
In der DE-A1 28 18 447 ist ein Aufladesystem für Brennkraftmaschinen, vorzugsweise der Otto-Bauart, mit wenigstens 2 Abgasturboladern mit je einer Turbine und einem Verdichter beschrieben, bei dem die Turbinen parallel und die Verdichter in Reihe geschaltet sind. Um die Größe der Turbinen, entsprechend einer gewünschten Betriebsfunktion der Brennkraftmaschine, weitgehend frei auslegen zu können, ist der Hochdruckturbolader wesentlich kleiner als der Niederdruckturbolader ausgelegt, wobei der Niederdruckturbolader ggf. erst bei relativ hohem Abgasdruck über ein Ventil zugeschaltet wird. Zwischen den beiden Verdichtern sowie zwischen dem Hochdruckverdichter und der Brennkraftmaschine sind Ladeluftkühler angeordnet. Genauere Angaben über die unterschiedlichen Größen der beiden Abgasturbolader fehlen.DE-A1 28 18 447 is a charging system for Internal combustion engines, preferably of the Otto type, with at least 2 exhaust gas turbochargers, each with a turbine and described a compressor in which the turbines are parallel and the compressors are connected in series. To size of the turbines, according to a desired one Operating function of the internal combustion engine, largely free the high pressure turbocharger is essential designed smaller than the low pressure turbocharger, the Low-pressure turbocharger possibly only at a relatively high Exhaust gas pressure is switched on via a valve. Between both compressors and between the high pressure compressor and the internal combustion engine, intercoolers are arranged. More details about the different sizes of the both exhaust gas turbochargers are missing.
Zum einschlägigen Stand der Technik wird ferner auf die US-A 27 80 053 verwiesen, aus der es bekannt ist, in verschiedenen Anordnungen mit mehreren Reihen von Motorzylindern die Verdichter eines 2stufigen Turboladers in Reihe und die Abgasturbinen parallelzuschalten.The relevant prior art is also on the US-A 27 80 053, from which it is known in different arrangements with several rows of Engine cylinders the compressors of a 2-stage turbocharger in series and to connect the exhaust gas turbines in parallel.
Aus der DE-A1 29 29 419 ist es bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader einen Bypass zwischen dem Ausgang des Verdichters und dem Eingang der Abgasturbine vorzusehen.From DE-A1 29 29 419 it is known for one Internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger bypass between the output of the compressor and the input of the To provide exhaust gas turbine.
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Aufladevorrichtung für Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß deren Baukosten reduziert werden.The invention as defined in claim 1 solves the task of a charger for Internal combustion engines of the type mentioned above further develop that their construction costs are reduced.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß zusätzlich die Betriebskosten der mit der Aufladevorrichtung betriebenen Brennkraftmaschine verringert werden können. Dabei können bereits verfügbare Teile von Turboladern verwendet werden.An advantage of the invention is that in addition the operating cost of using the charger operated internal combustion engine can be reduced. Parts of turbochargers that are already available can be used.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated below with reference to embodiments play explained. It shows
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einer zweistufigen Aufladevorrichtung und Fig. 1 is an internal combustion engine with a two-stage supercharger and
Fig. 2 ein Diagramm, in dem der isentrope Turbinenwirkungsgrad in Abhängigkeit von der relativen Laufzahl der Turbine eines freilaufenden Turboladers aufgetragen ist. Fig. 2 is a diagram in which the isentropic turbine efficiency in dependence on the relative speed ratio of the turbine is applied a free-running turbocharger.
Eine Brennkraftmaschine (10) mit 6 Zylindern ist eingangsseitig über eine Saugleitung (9) und ausgangsseitig über eine Abgasleitung (11) mit einer Auffladevorrichtung (16) verbunden. die Aufladevorrichtung (16) weist einen 1. Abgasturbolader bzw. Niederdruckturbolader (1, 3) und einen 2. Abgasturbolader bzw. Hochdruckturrbolader (2, 4) auf. Der Niederdruckturbolader (1, 3) weist eine 1. Abgasturbine (3) auf, die über eine 1. Welle (W1) mit einem 1. Verdichter bzw. Niederdruckverdichter (1) verbunden ist. Der Hochdruckturbolader (2, 4) weist eine 2. Abgasturbine (4) auf, die über eine 2. Welle (W2) mit einem 2. Verdichter bzw. Hochdruckverdichter (2) verbunden ist.An internal combustion engine ( 10 ) with 6 cylinders is connected to a charging device ( 16 ) on the input side via a suction line ( 9 ) and on the output side via an exhaust line ( 11 ). the charging device ( 16 ) has a 1st exhaust gas turbocharger or low-pressure turbocharger ( 1, 3 ) and a 2nd exhaust gas turbocharger or high-pressure turbocharger ( 2, 4 ). The low pressure turbocharger ( 1, 3 ) has a 1st exhaust gas turbine ( 3 ) which is connected to a 1st compressor or low pressure compressor ( 1 ) via a 1st shaft (W1). The high pressure turbocharger ( 2, 4 ) has a second exhaust gas turbine ( 4 ) which is connected to a second compressor or high pressure compressor ( 2 ) via a second shaft (W2).
Die Abgasturbinen (3, 4) sind parallelgeschaltet, während die Verdichter (1, 2) über einen Ladeluftkühler (7) in Reihe geschaltet sind. Eingangsseitig ist dem Niederdruckverdichter (1) Frischluft (15) zugeführt. Ausgangsseitig steht der Hochdruckverdichter (2) über einen Ladeluftkühler (8) mit der Saugleitung (9) der Brennkraftmaschine (10) in Verbindung.The exhaust gas turbines ( 3, 4 ) are connected in parallel, while the compressors ( 1, 2 ) are connected in series via a charge air cooler ( 7 ). Fresh air ( 15 ) is supplied to the low pressure compressor ( 1 ) on the inlet side. On the output side, the high-pressure compressor ( 2 ) is connected to the suction line ( 9 ) of the internal combustion engine ( 10 ) via a charge air cooler ( 8 ).
Ein 1. Abgaseinlaß (12) der 1. Abgasturbine (3) ist einerseits über ein 1. bzw. Bypassventil (5) mit dem Ausgang des Hochdruckverdichters (2) und andererseits über ein 2. Ventil (6) mit einem 2. Abgaseinlaß (13) der 1. Abgasturbine (3) verbunden. Das von der Brennkraftmaschine (10) erzeugte Abgas gelangt über die Abgasleitung (11) parallel in die beiden Abgasturbinen (3, 4) und von dort in die Atmosphäre (14). Mit n+1, n und n-1 sind aufeinanderfolgende Baugrößen der Abgasturbolader (1, 3; 2, 4) bezeichnet, die nachfolgend erläutert werden.A 1st exhaust gas inlet ( 12 ) of the 1st exhaust gas turbine ( 3 ) is connected on the one hand via a 1st or bypass valve ( 5 ) to the outlet of the high pressure compressor ( 2 ) and on the other hand via a 2nd valve ( 6 ) with a 2nd exhaust gas inlet ( 13 ) of the first exhaust gas turbine ( 3 ). The exhaust gas generated by the internal combustion engine ( 10 ) reaches the two exhaust gas turbines ( 3, 4 ) in parallel via the exhaust gas line ( 11 ) and from there into the atmosphere ( 14 ). With n + 1, n and n-1 successive sizes of the exhaust gas turbochargers ( 1, 3; 2, 4 ) are referred to, which are explained below.
Die relative Laufzahl u/c₀ einer Turbine (3, 4) mit freilaufendem Turbolader (1, 3; 2, 4) wird gegeben durch:The relative running number u / c₀ of a turbine ( 3, 4 ) with a free-running turbocharger ( 1, 3; 2, 4 ) is given by:
u/c₀=(DT/DV) · [(mT/mV) · ηT · ηmech · ηvol/(2 · µV)]0,5 u / c₀ = (D T / D V ) · [(m T / m V ) · η T · η mech · η vol / (2 · µ V )] 0.5
mitWith
u=Umlaufgeschwindigkeit am mittleren Turbinendurchmesser,
c₀=Gasgeschwindigkeit bei isentroper Expansion der Abgase
zum Umgebungsdruck,
DT=mittlerer Turbinendurchmesser,
DV=Verdichterdurchmesser,
mT=Massenstrom durch die Turbine,
mV=Massenstrom durch den Verdichter,
ηT=isentroper Turbinenwirkungsgrad,
hmech=mechanischer Turboladerwirkungsgrad,
ηvol=volumetrischer Verdichterwirkungsgrad und
µV=spezifische Verdichterarbeit.u = rotational speed at the average turbine diameter,
c₀ = gas velocity with isentropic expansion of the exhaust gases to the ambient pressure,
D T = average turbine diameter,
D V = compressor diameter,
m T = mass flow through the turbine,
m V = mass flow through the compressor,
η T = isentropic turbine efficiency,
h mech = mechanical turbocharger efficiency,
η vol = volumetric compressor efficiency and
µ V = specific compressor work.
Fig. 2 zeigt den isentropen Wirkungsgrad ηT in Abhängigkeit von der relativen Laufzahl u/c₀ für eine typische Abgasturbine. Turbolader (1, 3; 2, 4) für einstufige Aufladung sind so ausgelegt, daß der Turbinenwirkungsgrad ηT ein Maximum ist, entsprechend Punkt A. Wird nun ein solcher Turbolader für eine zweistufige Aufladung mit parallelgeschalteten Turbinen (3, 4) eingesetzt, so verschiebt sich der Betriebspunkt auf der eingezeichneten Kurve nach links zu kleineren u/c₀-Werten, wo der Turbinenwirkungsgrad viel tiefer ist, vgl. Punkt B. Der Grund dafür ergibt sich aus obiger Formel. Da der Abgasmassenstrom auf die parallelgeschalteten Turbinen (3, 4) aufgeteilt wird, wird mT/mV etwa kleiner im Vergleich zu einer einstufigen Aufladung. Damit wird u/c₀ 30% kleiner und somit auch ηT. Die Formel zeigt, daß ein tieferer Turbinenwirkungsgrad den Wert für die relative Laufzahl u/c₀ noch kleiner macht. Das Endergebnis ist Punkt B. Fig. 2 shows the isentropic efficiency η T as a function of the relative running number u / c₀ for a typical exhaust gas turbine. Turbochargers ( 1, 3; 2, 4 ) for single-stage charging are designed so that the turbine efficiency η T is a maximum, corresponding to point A. If such a turbocharger is now used for two-stage charging with turbines ( 3, 4 ) connected in parallel, then the operating point on the curve shown shifts to the left to smaller u / c₀ values, where the turbine efficiency is much lower, cf. Point B. The reason for this follows from the above formula. Since the exhaust gas mass flow is divided between the turbines ( 3, 4 ) connected in parallel, m T / m V becomes approximately smaller compared to a single-stage supercharging. This makes u / c₀ 30% smaller and thus also η T. The formula shows that a lower turbine efficiency makes the value for the relative running number u / c₀ even smaller. The end result is point B.
Eine Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades kann nur durch eine neue Auslegung der Abgasturbolader (1, 3; 2, 4) erreicht werden.An increase in turbine efficiency can only be achieved by redesigning the exhaust gas turbocharger ( 1, 3; 2, 4 ).
Ein Verkaufsprogramm einstufiger Turbolader besteht normalerweise aus Turboladern unterschiedlicher Größen, wobei korrespondierende Teile aller Turbolader geometrisch ähnlich sind. Zwischen Turboladern einer bestimmten Größe und der nächstgrößeren besteht normalerweise ein konstantes geometrisches Verhältnis von z. B. 1,2. Dieses Verhältnis kann im Bereich von 1,1-1,5 liegen; vorzugsweise liegt es im Bereich von 1,15-1,35. Ist für eine 1. Baugröße der Verdichterdurchmesser DV=a und der mittlere Turbinendurchmesser DT=b, so gilt für ein Größenverhältnis von 1,2: A sales program of single-stage turbochargers usually consists of turbochargers of different sizes, with corresponding parts of all turbochargers being geometrically similar. Between turbochargers of a certain size and the next largest, there is usually a constant geometric ratio of z. B. 1.2. This ratio can range from 1.1-1.5; preferably it is in the range of 1.15-1.35. If the compressor diameter D V = a and the average turbine diameter D T = b for a 1st size, the following applies for a size ratio of 1.2:
Für eine zweistufige Aufladung mit parallelgeschalteten Abgasturbinen (3, 4) sollte man einstufige Abgasturbolader (1, 3; 2, 4) benutzen oder mindestens deren wichtigste Komponenten, wie z. B. Verdichterrad, Turbinenschaufel, Welle (W1, W2) und Gehäuse. Vorzugsweise weisen die Verdichter (1, 2) stark rückwärtsgekrümmte Schaufeln mit einem Austrittswinkel < 90° auf.For a two-stage supercharging with exhaust gas turbines connected in parallel ( 3, 4 ) one should use single-stage exhaust gas turbochargers ( 1, 3; 2, 4 ) or at least their most important components, such as. B. compressor wheel, turbine blade, shaft (W1, W2) and housing. The compressors ( 1, 2 ) preferably have blades which are strongly curved backwards and have an exit angle of <90 °.
Wesentlich für die Erfindung ist, daß der Turbolader (1, 3), der den Niederdruckverdichter (1) enthält, ein normaler einstufiger Turbolader ist. Angenommen, dieser Niederdruckturbolader (1, 3) sei von der Baugröße n+1. Dann wird der Hochdruckturbolader (2, 4), der den Hochdruckverdichter (2) enthält, von der Baugröße n gewählt, jedoch das Verdichterrad des Hochdruckverdichters (2) ausgewechselt gegen ein Verdichterrad der Größe n-1. Um ungefähr die gleichen u/c₀-Werte für den Hochdruck- und Niederdruckturbolader (1, 3; 2, 4) zu erhalten, wird der Turbinenquerschnitt der 1. Abgasturbine (3) größer gewählt als derjenige für die 2. Abgasturbine (4). Ungefähr 40% des Abgasmassenstromes strömt durch die 2. Abgasturbine (4) und 60% durch die 1. Abgasturbine (3). Der Prozentsatz des Abgasmassestromes durch die 1. Abgasturbine (3) liegt insbesondere im Bereich von 45%-70%, vorzugsweise im Bereich von 55%-65%.It is essential for the invention that the turbocharger ( 1, 3 ), which contains the low-pressure compressor ( 1 ), is a normal single-stage turbocharger. Assume that this low-pressure turbocharger ( 1, 3 ) is of size n + 1. Then the high-pressure turbocharger ( 2, 4 ) containing the high-pressure compressor ( 2 ) is selected from size n, but the compressor wheel of the high-pressure compressor ( 2 ) is replaced by a compressor wheel of size n-1. In order to obtain approximately the same u / c₀ values for the high-pressure and low-pressure turbocharger ( 1, 3; 2, 4 ), the turbine cross section of the 1st exhaust gas turbine ( 3 ) is chosen larger than that for the 2nd exhaust gas turbine ( 4 ). Approximately 40% of the exhaust gas mass flow flows through the 2nd exhaust gas turbine ( 4 ) and 60% through the 1st exhaust gas turbine ( 3 ). The percentage of the exhaust gas mass flow through the first exhaust gas turbine ( 3 ) is in particular in the range from 45% -70%, preferably in the range from 55% -65%.
Bei einem geometrischen Größenverhältnis von 1,2 wird damit der Hochdruckverdichter (2) 1,44mal kleiner als der Niederdruckverdichter (1). Das Schluckvermögen des Hochdruckturboladers (2, 4) wäre damit 2,1mal kleiner als dasjenige des Niederdruckturboladers (1, 3). Dies stimmt überein mit der Reduzierung des Fördervolumens des Hochdruckturboladers (2, 4) wegen dessen erhöhtem Eintrittsdruck.With a geometric size ratio of 1.2, the high-pressure compressor ( 2 ) is 1.44 times smaller than the low-pressure compressor ( 1 ). The swallowing capacity of the high-pressure turbocharger ( 2, 4 ) would thus be 2.1 times smaller than that of the low-pressure turbocharger ( 1, 3 ). This corresponds to the reduction in the delivery volume of the high-pressure turbocharger ( 2, 4 ) because of its increased inlet pressure.
Um bei Teillast des Motors bzw. der Brennkraftmaschine (10) das Luftangebot für die Turbinen (3, 4) zu erhöhen und damit die Lage der Betriebspunkte im Verdichtungskennnfeld zu beeinflussen, können folgende Regeleingriffe vorgesehen sein:In order to increase the air supply for the turbines ( 3, 4 ) at partial load of the engine or the internal combustion engine ( 10 ) and thus to influence the position of the operating points in the compression map, the following control interventions can be provided:
- 1. das Bypassventil (5) und1. the bypass valve ( 5 ) and
- 2. ein oder mehrere verschließbare Gaseinlässe (13) an der 1. Abgasturbine (3).2. one or more closable gas inlets ( 13 ) on the first exhaust gas turbine ( 3 ).
Bei einer Motorleistung, die kleiner als 70% der Vollastleistung ist, wird das 1. Ventil (5) stufenlos oder gestuft geöffnet und das 2. Ventil (6) geschlossen.If the engine power is less than 70% of the full load power, the 1st valve ( 5 ) is opened continuously or in stages and the 2nd valve ( 6 ) is closed.
Dieses System eignet sich vor allem bei 4 Takt-Motoren mit Gleichdruckaufladung oder bei gleichdruckähnlicher Aufladung.This system is particularly suitable for 4-stroke engines Equal pressure charging or with similar pressure Charging.
Es versteht sich, daß ggf. mehrere Brennkraftmaschinen (10) mit einer derartigen Aufladevorrichtung (16) versehen sein können. Statt einer Abgasleitung (11) können von einzelnen Motorzylindern getrennte Abgasleitungen zu der 1. Abgasturbine (3) und zu der 2. Abgasturbine (4f) führen. Im Vergleich zum Hochdruckturbolader (2, 4) kann der Niederdruckturbolader (1, 3) statt von der Baugröße n+1 auch von der Baugröße n sein, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet. Es können auch mehr als 2 Abgasturbolader vorgesehen sein. Wichtig ist, daß beim Hochdruckturbolader (2, 4) der Durchmesser des Hochdruckverdichters (2) um eine Baugröße kleiner gewählt wird als normal.It goes without saying that several internal combustion engines ( 10 ) can be provided with such a charging device ( 16 ). Instead of an exhaust pipe ( 11 ), separate exhaust pipes from individual engine cylinders can lead to the 1st exhaust gas turbine ( 3 ) and the 2nd exhaust gas turbine ( 4 f). In comparison to the high-pressure turbocharger ( 2, 4 ), the low-pressure turbocharger ( 1, 3 ) can also be of size n instead of size n + 1, as indicated by dashed lines in FIG. 1. More than 2 exhaust gas turbochargers can also be provided. It is important that in the high pressure turbocharger ( 2, 4 ) the diameter of the high pressure compressor ( 2 ) is chosen to be one size smaller than normal.
Claims (8)
- a) mit wenigstens 2 Abgasturboladern (1, 3; 2, 4), die jeweils eine Abgasturbine (3, 4) und einen Verdichter (1, 2) umfassen,
- b) wobei die Abgasturbinen (3, 4) parallel- und
- c) die Verdichter (1, 2) in Reihe geschaltet sind,
- d) wobei ein zwischen einem 1. Verdichter bzw. Niederdruckverdichter (1) und der Brennkraftmaschine (10) liegender 2. Verdichter bzw. Hochdruckverdichter (2) mindestens eine Baugröße kleiner ist als der 1. Verdichter (1),
- a) with at least 2 exhaust gas turbochargers ( 1, 3; 2, 4 ), each comprising an exhaust gas turbine ( 3, 4 ) and a compressor ( 1, 2 ),
- b) wherein the exhaust gas turbines ( 3, 4 ) parallel and
- c) the compressors ( 1, 2 ) are connected in series,
- d) a second compressor or high-pressure compressor ( 2 ) lying between a first compressor or low-pressure compressor ( 1 ) and the internal combustion engine ( 10 ) is at least one size smaller than the first compressor ( 1 ),
- e) daß der Hochdruckverdichter (2) mindestens eine Baugröße kleiner als die Baugröße einer mit ihm gekoppelten 2. Abgasturbine (4) ist und
- f) daß das Verdichterrad des Hochdruckverdichters (2) um 2 Baugrößen kleiner als das Verdichterrad des Niederdruckverdichters (1) ist.
- e) that the high pressure compressor ( 2 ) is at least one size smaller than the size of a second exhaust gas turbine ( 4 ) coupled to it and
- f) that the compressor wheel of the high pressure compressor ( 2 ) is 2 sizes smaller than the compressor wheel of the low pressure compressor ( 1 ).
- a) daß der Verdichterdurchmesser (DV) einer n. Baugröße eines Niederdruckverdichters (1) im Bereich des 1,1-1,5fachen,
- b) insbesondere im Bereich des 1,15-1,35fachen Verdichterdurchmessers (DV) einer (n-1). Baugröße des Niederdruckverdichters (1) liegt, n= ganzzahlige Nummer einer Baureihe mit unterschiedlichen Baugrößen.
- a) that the compressor diameter (D V ) of an n. size of a low pressure compressor ( 1 ) in the range of 1.1-1.5 times,
- b) in particular in the range of 1.15-1.35 times the compressor diameter (D V ) of one (n-1). Size of the low pressure compressor ( 1 ) is, n = integer number of a series with different sizes.
- a) daß eine mit dem 1. Verdichter (1) gekoppelte 1. Abgasturbine (3) um mindestens eine Baugröße größer als eine mit dem 2. Verdichter (2) gekoppelte 2. Abgasturbine (4) ist, derart, daß 45%-70%,
- b) insbesondere, daß 55%-65% eines Turbinenabgasstromes (mT) durch die 1. Abgasturbine (3) gelangen.
- a) that a 1st exhaust gas turbine ( 3 ) coupled to the 1st compressor ( 1 ) is at least one size larger than a 2nd exhaust gas turbine ( 4 ) coupled to the 2nd compressor ( 2 ), such that 45% -70 %,
- b) in particular that 55% -65% of a turbine exhaust gas flow (m T ) pass through the 1st exhaust gas turbine ( 3 ).
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