DE60211384T2

DE60211384T2 - Turbosystem für brennkraftmaschine und entsprechendes verfahren

Info

Publication number: DE60211384T2
Application number: DE60211384T
Authority: DE
Inventors: Ken Watkin; Giorgio Figura; Francesco Trucco; Philippe Mathieu; Pierre Barthelet; Vagner Davanzo
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: CN1695001A; DE60211384D1; JP2006506576A; EP1472444A1; AU2002348929A1; EP1472444B1; WO2004046519A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Aufbau eines Druckerhöhungssystems als Turboladersystem und ein Verfahren zum Aufladen einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf mehrstufige Turboladersysteme mit Turboladern, die parallel geschaltet verbunden sind.
Es sind herkömmliche Druckerhöhungssysteme bekannt, die Turbolader verwenden, die unterschiedliche Konstruktionen und Funktion haben. Zum Beispiel wird in einigen Turboladern der die Turbine antreibende Abgasstrom reguliert, um den Wirkungsgrad des Turboladers zu verbessern, wenn er unter unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine verwendet wird. Zum Erreichen einer Steuerung des Gasstroms durch die Turbine an der Turbinenseite des Turboladers, ist ein Gerät mit variabler Düse vorgesehen, das Düsendurchgänge mit einer variablen Geometrie aufweist.
Es sind auch Turbolader bekannt, die eine ungeregelte („free floating") Turbine aufweisen, das bedeutet, dass die Turbinenseite nicht irgendeinen Mechanismus zum Regulieren des das Turbinenrad antreibenden Gasstroms aufweist. Schließlich sind auch Druckerhöhungssysteme bekannt, die mehr als einen Turbolader aufweisen, wobei die Turbolader entweder parallel geschaltet oder in Serie geschaltet verbunden sind. Derartige Druckerhöhungssysteme wurden zum Erhöhen der Motorleistung in einem stationären Zustand und in einem instationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine entwickelt.
Gemäß der Druckschrift US-6 378 308 B1 ist ein herkömmliches Druckerhöhungssystem bekannt, das zwei Turbolader aufweist. Dieses Druckerhöhungssystem weist eine Hochdruckstufe und eine Niederdruckstufe auf, die stromabwärtig der Hochdruckstufe angeordnet ist. Die Turbine des Turboladers in der Hochdruckstufe wird mit einem Mindestabgasmassenstrom durchgehend durchströmt, so dass die Turbine ständig gedreht wird. Das System weist weiter eine Bypassrohrleitung auf. Anhand von variablen Teilströmen des gesamten Abgasmassenstroms werden diese zu der Hochdruckturbine, zu der Niederdruckturbine und wahlweise zu der Frischluftseite des Motors verteilt.
Gemäß Dokument US-5 611 202 ist ein Turboladersystem offenbart, das zwei parallel geschaltet angeordnete Turbolader aufweist, wobei der Frischluftkanal, der die Frischluft zu einem der Verdichter bringt, mit einem Rückschlagventil vorgesehen ist. Weiter ist ein Abgasrückführungskanal zum Rückführen des Abgases zurück in den Frischluftzufuhrkanal von nur einem der Verdichter vorgesehen.
Gemäß Dokument US-5 035 114 ist ein Turboladersystem vorgesehen, das zwei parallel geschaltet angeordnete Turbolader aufweist, wobei einer der Verdichter mit einem Frischluftrückführungssystem vorgesehen ist, das ein Einlassentlastungsventil zum Einstellen der Menge der durch den Verdichter rückgeführten Frischluft aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Turboladersystem bereitzustellen, das aus zwei parallel geschaltet angeordneten Turboladern besteht.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Kombination der Merkmale gelöst, die in Anspruch 1 definiert sind. Vorzuziehende Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Die nachstehenden unterschiedlichen Gesichtspunkte der Erfindung sind durch Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich erklärt. In den Zeichnungen:
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des sequenziellen Turboladersystems gemäß der Erfindung;
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des sequenziellen Turboladersystems gemäß der Erfindung;
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des sequenziellen Turboladersystems gemäß der Erfindung;
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des sequenziellen Turboladersystems gemäß der Erfindung.
Ein sequenzielles Turboladersystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 gezeigt. Das System weist einen ersten Turbolader 1 und einen zweiten Turbolader 2 auf, wobei die zwei Turbolader in Bezug auf die Brennkraftmaschine 3 parallel geschaltet verbunden sind. Der erste Turbolader 1 weist eine ungeregelte Turbine 5 an seiner Turbinenseite auf, während der zweite Turbolader 2 mit einer Turbine 7 mit variabler Geometrie ausgestattet ist. Die Turbinen 5 und 7 und die zugeordneten Verdichter 9 und 11 sind parallel geschaltet angeordnet. Gemäß der Anordnung dieses Ausführungsbeispiel wird Frischluft anhand von einem ersten Frischluftkanal und einem zweiten Frischluftkanal 6 parallel geschaltet zu jedem der Verdichter gefördert und die Luft, die von den Verdichtern abgegeben wird, wird durch einen Ladeluftkühler 12 zu der Einlassseite der Brennkraftmaschine 3 geführt. An der Turbinenseite der Anordnung wird das Abgas von dem Motor 3 durch einen ersten Abgaskanal 8 und einen zweiten Abgaskanal 10, der von einem Kanal oder einer Leitung 23 abzweigt, zu der ersten bzw. zweiten Turbine 5 bzw. 7 gefördert, und das Abgas, das von den parallelen Turbinen 5 und 7 abgegeben wird, wird zu einem Katalysator 14 geführt.
In dem Druckerhöhungssystem mit mehreren Turboladern, das in 1 gezeigt ist, ist der zweite Verdichter 11 mit einem Luftrückführungssystem vorgesehen, das eine Luftstromreguliereinrichtung zum Einstellen der Menge der rückgeführten Luft verwendet. Das Rückführungssystem in diesem Ausführungsbeispiel hat einen Bypasskanal 13 mit einem Drosselventil 15 zum Einstellen des Luftmassenstroms, der zurück zu dem zweiten Frischluftkanal 6 rückgeführt wird, der den Einlass des zweiten Verdichters 11 mit einem Luftfilter 19 verbindet. In dem zweiten Frischluftkanal 6 ist ein Rückschlagventil 21 angeordnet, das ermöglicht, dass Luft in den Einlass des zweiten Verdichters 11 angesaugt wird, aber es verhindert jeden Rückstrom zu dem Luftfilter 19.
Das Druckerhöhungssystem mit mehreren Turboladern gemäß der Erfindung, das in 1 gezeigt ist, ermöglicht eine höchst wirksame Funktion der Brennkraftmaschine bei niederen, mittleren und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine.
Bei einer niederen Drehzahl der Brennkraftmaschine 3, das bedeutet ungefähr 1000–2000 Umdrehungen pro Minute, treibt das Abgas, das durch den Abgaskanal oder die Abgasrohrleitung 23 zugeführt wird, die ungeregelte Turbine 5 des ersten Turboladers 1 an, während die Turbine 7 mit variabler Geometrie des zweiten Turboladers 2 nahezu geschlossen bleibt. Unter diesen Zuständen wird der zweite Turbolader 2 mit einer sehr geringen Drehzahl gedreht, um ein Ölleck aufgrund des Betriebsöldrucks in dem Lagersystem des zweiten Turboladers zu vermeiden. Bei der niederen Drehzahlstufe der Brennkraftmaschine ist das Drosselventil 15 geöffnet, um eine Rückführung durch den zweiten Verdichter 11 zu ermöglichen, wobei unter diesen Betriebszuständen das Rückschlagventil 21 geschlossen bleibt. Es kann selbstverständlich sein, dass bei dieser Stufe nur der erste Turbolader 1 normal arbeitet, um den Motor 3 aufzuladen.
In dem Bereich einer mittleren Drehzahl der Brennkraftmaschine, das bedeutet ungefähr 2000–2500 Umdrehungen pro Minute, wird die Turbine 7 mit variabler Geometrie des zweiten Turboladers 2 stufenweise geöffnet, um den Druck vor der Turbine, das heißt an dem Auslass, der mit dem Abgaskanal 8 verbunden ist, zu regulieren. Bei dieser Stufe wird das Drosselventil 15 in dem Bypasskanal 13 des zweiten Verdichters 11 stufenweise geschlossen, um die Kraft zwischen dem zweiten Verdichter 11 und der zweiten Turbine 7 im Gleichgewicht zu halten, so dass durch den Betrieb des Drosselventils 15 die Drehzahl des zweiten Turboladers 2 reguliert werden kann.
In dem Bereich einer hohen Drehzahl der Brennkraftmaschine, das bedeutet ungefähr 2500–4000 Umdrehungen pro Minute, ist die Turbine 7 mit variabler Geometrie zu 50 % offen, um mit einem guten Wirkungsgrad zu arbeiten, und gleichzeitig eine Grenze zum Überdrehen zu erhalten. Bei dieser Stufe ist das Drosselventil 15 vollständig geschlossen und das Rückschlagventil 21 ist offen, um das Fördern von Frischluft von dem Luftfilter 19 zu ermöglichen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des Druckerhöhungssystems mit mehreren Turboladern gemäß der Erfindung ist in 2 gezeigt. Die Verdichterseite der Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei nur die Turboladerseite abgeändert ist, so dass bei jeder Turbine 105, 107 ein erster Bypassdurchgang 125 bzw. ein zweiter Bypassdurchgang 127 mit korrespondierenden ersten bzw. zweiten Ladedruckregelventilen 129 und 131 vorgesehen ist. Zusätzlich ist ein zweites Drosselventil oder eine Drosselklappe 133 in dem zweiten Abgaskanal 110 angeordnet.
Bei einer niederen Drehzahl der Brennkraftmaschine 103, das bedeutet ungefähr 1000–2000 Umdrehungen pro Minute, treibt das Abgas, das durch den Abgaskanal oder die Abgasleitung 123 zugeführt wird, die ungeregelte Turbine 105 des ersten Turboladers 101 an. Das Drosselventil 133 ist nahezu geschlossen, um einen Leckabgasstrom herzustellen, um eine Leerlaufdrehung des zweiten Turboladers 102 sicherzustellen, um lediglich ein Ölleck von seinem Lagersystem zu vermeiden. Unter diesem Zustand wird die Drehzahl des ersten Turboladers anhand des Ladedruckregelventils 129 geregelt. Zur gleichen Zeit bleibt das Ladedruckregelventil 131 geschlossen und das erste Drosselventil 115 ist offen, um eine Rückführung von Frischluft durch den zweiten Verdichter 111 zu verursachen, während das Rückschlagventil 121 auch geschlossen bleibt. Bei dieser Stufe arbeitet der erste Turbolader normal, um den Motor 103 aufzuladen.
In dem Bereich einer mittleren Drehzahl der Brennkraftmaschine, das bedeutet zwischen 2000–2500 Umdrehungen pro Minute, öffnet das Drosselventil oder die Drosselklappe 133 stufenweise, um den Druck vor der Turbine zu regulieren, und der Abgasstrom treibt den zweiten Turbolader 102 an. Zur gleichen Zeit wird das Drosselventil 115 stufenweise geschlossen, um die Kraft zwischen dem zweiten Verdichter 111 und der zweiten Turbine 107 im Gleichgewicht zu halten, so dass durch Betrieb des Drosselventils 115 die Drehzahl des zweiten Turboladers 102 geregelt werden kann.
In dem Bereich einer hohen Drehzahl der Brennkraftmaschine, das bedeutet zwischen 2500–4000 Umdrehungen pro Minute, ist das Drosselventil 133 vollständig oder fast vollständig offen. Wobei die Drehzahl der ersten bzw. zweiten Turbine 105 und 107 anhand der ersten bzw. zweiten Ladedruckregelventile 129 und 131 geregelt wird. Während diesem Betrieb ist das Drosselventil 115 vollständig geschlossen und das Rückschlagventil 121 ist offen.
Das zweite Ausführungsbeispiel des Druckerhöhungssystems mit mehreren Turboladern gemäß der Erfindung, das in 2 gezeigt ist, kann wünschenswerter Weise gemäß der Anordnung, wie in 3 gezeigt ist, abgeändert werden. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, das in dieser Figur gezeigt ist, ist das Drosselventil 233 aus dem zweiten Abgaskanal 210 entfernt und in dem Auslasskanal 235 der zweiten Turbine 207 stromabwärtig des Punkts angeordnet, wo der zweite Bypassdurchgang 227 mit dem Auslasskanal 235 zusammenkommt. Anhand dieser Anordnung kann ein derartiger Druck innerhalb der zweiten Turbine 207 gehalten werden, der in der Lage ist, ein Ölleck zu vermeiden.
In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des Druckerhöhungssystem mit mehreren Turboladern dargestellt, das sich auf einen bevorzugten alternativen Aufbau der Verdichterseite des sequenziellen Turboladersystems gemäß jedem, dem ersten, zweiten und dritten, Ausführungsbeispiel bezieht. Dieser Aufbau unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen darin, dass der Bypasskanal 313 in der Frischluftzufuhr nicht unmittelbar stromabwärtig des zweiten Verdichters 311 sondern stromabwärtig des Ladeluftkühlers 312 zusammenkommt. Wenn für die Rückführung gekühlte Luft von dem Ladeluftkühler 312 verwendet wird, ist das Ergebnis einer derartig modifizierten Anordnung, dass die Temperatur in dem zweiten Verdichter 311 reduziert wird, und somit das Risiko des Erhitzens in diesem Verdichter wirksam minimiert wird.
In allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden bevorzugt Luftlager oder Kugellager für die Verdichter und Turbinenwelle in der Konstruktion des zweiten Turboladers verwendet. Wenn ein Luftlager oder Kugellager verwendet wird, kann die Drehung des zweiten Turboladers gestoppt werden, was ein Vorteil für eine niedere Motordrehzahl ist, da der Betrieb des zweiten Turboladers in dieser Phase nicht notwendig ist.
In den Ausführungsbeispielen, die sich auf den Aufbau der Verdichterseite des Turboladersystems beziehen, stellt die Anordnung des Rückschlagventils oder der Rückschlagklappe 21, 121, 221, 321 in dem Einlassdurchgang zum Einbringen von Luft von dem Luftfilter zu dem zweiten Verdichter sicher, dass ein relativ hoher Druck innerhalb des zweiten Turboladers erhalten werden kann, der zum Vermeiden eines Öllecks von seinem Lagerungssystem wichtig ist.
Weiter ist in allen Ausführungsbeispielen zumindest ein Drehzahlsensor an der Welle des zweiten Verdichters zum Überbringen von Daten zu einer nicht eigens dargestellten Steuereinheit zum Regulieren der einstellbaren Ventile angeordnet. Für eine weitere verbesserte Steuerung ist es bevorzugt, die Drehzahlsensoren an den Wellen von allen Turboladern des Turboladersystems anzubringen.

Claims

Turboladersystem mit mindestens zwei parallel geschaltet angeordneten Turboladern, wobei die Turbolader einen ersten Verdichter (11; 111; 211; 311) und einen zweiten Verdichter (9) aufweisen, die jeweils einen ersten Frischluftkanal (6) und einen zweiten Frischluftkanal (4) haben, wobei der erste Frischluftkanal (6) mit einer Strömungsregelungseinrichtung (21; 121; 221; 321) an dem Einlass des ersten Verdichters (11; 111; 211; 311) versehen ist und der erste Verdichter (11; 111; 211; 311) mit einem Frischluftrückführungssystem (13, 15; 312, 313, 315) versehen ist, das eine zusätzliche Regeleinrichtung (15; 115; 215; 315) zum Einstellen der Menge durch den ersten Verdichter (11; 111; 211; 311) rückgeführten Frischluft aufweist.
Turboladersystem gemäß Anspruch 1, wobei das Rückführungssystem (312, 313, 315) eine Kühlvorrichtung (312) zum Kühlen der in den ersten Verdichter (311) rückgeführten Luft aufweist.
Turboladersystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Strömungsregelungseinrichtung eine einstellbare Drosselklappe oder Drehdrosselklappe aufweist.
Turboladersystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Strömungsregelungseinrichtung ein Rückschlagventil aufweist.
Turboladersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens ein Turbolader ein schmiermittelfreies Lagersystem für die das jeweilige Verdichter und Turbinenlaufrad tragende Welle hat.
Sequenzielles Turboladersystem gemäß Anspruch 5, wobei das schmiermittelfreie Lagersystem ein Luftlagersystem ist.
Turboladersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens ein Turbolader ein Kugellagersystem, insbesondere ein Kugellagersystem mit einem Wälzkontakt zwischen der Welle des Turboladers und den Kugellagern hat.
Turboladersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Turbolader, ein Turbolader mit einer Turbine mit variablen Geometrie und einem Verdichter mit variabler Geometrie ist.