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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine so genannte zweistufige
Aufladevorrichtung, bei der ein Hochdruckstufen-Auflader und ein
Niederdruckstufen-Auflader in einem Abgaskanal und in einem Einlassluftkanal
eines Motors in Reihe geschaltet sind.
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Beschreibung
der verwandten Technik
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Zu
weit verbreiteter praktischer Anwendung ist ein Auflader gekommen,
der die Turbine durch Verwenden der Abgasenergie eines Motors betreibt und
die Einlassluft durch einen durch die Turbine angetriebenen Kompressor
auflädt,
wobei auch eine so genannte zweistufige Aufladevorrichtung bekannt geworden
ist, bei der Auflader in Reihe geschaltet sind, um die Energie von
Abgas effizient rückzugewinnen.
Die zweistufige Aufladevorrichtung umfasst einen Hochdruckstufen-Auflader,
der eine Hochdruckstufen-Turbine, die in dem Abgaskanal des Motors
angeordnet ist, und einen Hochdruckstufen-Kompressor, der in dem Einlassluftkanal
angeordnet ist und durch die Hochdruckstufen-Turbine angetrieben
wird, besitzt, und einen Niederdruckstufen-Auflader, der eine Niederdruckstufen-Turbine,
die in dem Abgaskanal auf der Auslassseite der Hochdruckstufen-Turbine
angeordnet ist, und einen Niederdruckstufen-Kompressor, der in dem
Einlassluftkanal auf der Einlassseite des Hochdruckstufen-Kompressors
angeordnet ist und durch die Niederdruckstufen-Turbine angetrieben
wird, besitzt, wie beispielsweise in JP-A 2001-140653 offenbart
ist.
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Die
oben genannte zweistufige Aufladevorrichtung hat als Voraussetzung,
dass ein Turbolader, der eine Turbine und einen Kompressor mit kleinen Kapazitäten als
Hochdruckstufen-Auflader umfasst, und ein Turbolader, der eine Turbine
und einen Kompressor mit großen
Kapazitäten
als Niederdruckstufen-Auflader umfasst, verwendet werden. Das heißt, dass
dann, wenn die zweistufige Aufladevorrichtung in Betrieb ist, der
Hochdruckstufen-Kompressor einen Einlassdruck besitzt, der höher als
jener des Niederdruckstufen-Kompressors ist. Daher wird ein korrigierter
Massendurchfluss unter Berücksichtigung der
Witterung ((Massendurchfluss × √(Einlasstemperatur/Umgebungstemperatur ÷ (Einlassdruck/Luftdruck)) an
einem Kompressorbetriebspunkt in der Hochdruckstufe klein und in
der Niederdruckstufe groß. Demgemäß besitzt
der Hochdruckstufen-Kompressor selbstverständlich eine kleinere Kapazität als der Niederdruckstufen-Kompressor.
Zum anderen besitzt die Turbine betreffend natürlich die Hochdruckstufen-Turbine
eine kleine Kapazität,
während
die Niederdruckstufen-Turbine eine große Kapazität besitzt, um ein Gleichgewicht
bezüglich
der Kapazitäten
der Kompressoren aufrechtzuerhalten. Um das Ansprechverhalten der
Turbolader in der oben genannten zweistufigen Aufladevorrichtung
zu verbessern, ist es eine allgemein anerkannte Praxis, die Kapazität der Hochdruckstufen-Turbine
weiter zu senken und zur Zeit des Niederdrehzahlbetriebs hauptsächlich einen
Hochdruckstufen-Auflader zu verwenden, um den Aufladedruck zu erhöhen, und
dabei das Umleiten des Abgases zu ermöglichen, um es in die Niederdruckstufen-Turbine einzuleiten,
und zur Zeit des Hochdrehzahlbetriebs hauptsächlich den Niederdruckstufen-Auflader
mit der großen
Kapazität
zu verwenden und dadurch ein Überdrehen
des Hochdruckstufen-Aufladers zu verhindern.
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Wenn
versucht wird, den Aufladedruck in der zweistufigen Auflade vorrichtung
weiter zu erhöhen, führt eine
Senkung der Kapazitäten
der Turbinen unter Aufrechterhaltung einer Beziehung zwischen der Hochdruckstufen-Turbinenkapazität und der
Niederdruckstufen-Turbinenkapazität (Hochdruckstufen-Turbinenkapazität < Niederdruckstufen-Turbinenkapazität) zu einer
Zunahme des Druckverhältnisses
(Einlassdruck der Turbine/Auslassdruck der Turbine) der Hochdruckstufen-Turbine
zu einer Zunahme des Gegendrucks, einer Zunahme des Pumpverlustes
und folglich zur eine Abnahme des Kraftstoffwirkungsgrades. Da das
Druckverhältnis
der Hochdruckstufen-Turbine
zunimmt und der Gegendruck zunimmt, wird ferner keine Wirkung zur
Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades der Hochdruckstufen-Turbine,
der auf dem Pulsieren des Abgases beruht, erzielt. Demgemäß nimmt
der Turbinenwirkungsgrad ab, nimmt der Pumpverlust zu und nimmt
folglich der Kraftstoffwirkungsgrad ab. Die Bedingungen für eine Steigerung
des Turbinenwirkungsgrades, der auf dem Pulsieren des Abgases beruht,
sind die, dass das Pulsieren des Abgases stark ist und dass das
Turbinendruckverhältnis,
das anhand der mittleren Drücke
berechnet wird, klein ist. Wenn daher, wie oben beschrieben worden
ist, die Turbinenkapazität
gesenkt wird, um den Aufladedruck weiter zu erhöhen, wird das Druckverhältnis der
Hochdruckstufen-Turbine so groß,
dass keine Wirkung zur Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades der
Hochdruckstufen-Turbine, der auf dem Pulsieren des Abgases beruht,
erzielt.
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In
GB 1 345 305 wird eine Zweitaktbrennkraftmaschine
mit Verbrennungsluft von in Reihe geschalteten Kompressoren versorgt,
wobei ein Kühler, der
das Eintreten von Luft in den Kompressor mit im Wesentlichen derselben
Temperatur wie jene der Umgebungsluft ermöglicht, dazwischen gesetzt
ist und Turbinen, die die Kompressoren antreiben, in Reihe geschaltet
sind. Abgas strömt
von dem Motor über
einen Sammler zur Turbine und folglich ohne dazwischen gesetzten
Sammler, wobei die Kompressor-Turbine-Einheiten im Wesentlichen
denselben Energieverbrauch aufweisen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aufladevorrichtung
für einen
Motor des zweistufigen Aufladungstyps zu schaffen, die eine Erhöhung des
Gegendrucks des Motors unterdrückt, die
Wirkung zur Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades der Hochdruckstufen-Turbine,
der auf dem Pulsieren des Abgases beruht, sicherstellt und den Aufladedruck
erhöht.
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Die
vorliegende Erfindung ist basierend auf der Entdeckung vollzogen
worden, dass die Hochdruckstufen-Turbine in der zweistufigen Aufladevorrichtung
durch das Pulsieren von Abgas beeinflusst wird, jedoch das Abgas,
das auf die Niederdruckstufen-Turbine einwirkt, nachdem es durch
die Hochdruckstufen-Turbine geströmt ist, kein Pulsieren aufweist.
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Das
heißt,
dass gemäß der Erfindung
zum Lösen
der oben genannten Aufgabe eine Aufladevorrichtung für einen
Motor vorgesehen ist, die umfasst:
einen Hochdruckstufen-Auflader,
der eine Hochdruckstufen-Turbine, die in einem Abgaskanal des Motors
angeordnet ist, und einen Hochdruckstufen-Kompressor, der in einem
Einlassgaskanal des Motors angeordnet ist und durch die Hochdruckstufen-Turbine
angetrieben wird, besitzt; und
einen Niederdruckstufen-Auflader,
der eine Niederdruckstufen-Turbine,
die in dem Abgaskanal auf der Auslassseite der Hochdruck stufen-Turbine
angeordnet ist, und einen Niederdruckstufen-Kompressor, der in dem
Einlassluftkanal auf der Einlassseite des Hochdruckstufen-Kompressors
angeordnet ist und durch die Niederdruckstufen-Turbine angetrieben wird,
besitzt, wobei:
der Niederdruckstufen-Kompressor eine Kapazität hat, die
größer als
die Kapazität
des Hochdruckstufen-Kompressors ist, und die Niederdruckstufen-Turbine
eine Kapazität
hat, die kleiner als die Kapazität der
Hochdruckstufen-Turbine ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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1 ist
ein Blockschaltplan, der den Aufbau einer gemäß der vorliegenden Erfindung
gebildeten Aufladevorrichtung für
einen Motor zeigt.
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Genaue Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Mit
Bezug auf die begleitende Zeichnung wird nun eine bevorzugte Ausführungsform
einer gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildeten Aufladevorrichtung für einen Motor ausführlich beschrieben.
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1 ist
ein Blockschaltplan, der den Aufbau einer gemäß der vorliegenden Erfindung
gebildeten Aufladevorrichtung für
einen Motor zeigt.
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Der
Motor 2 in der gezeigten Ausführungsform ist ein Dieselmotor,
der einen Motorkörper 21, einen
Einlasskrümmer 22 und
einen Abgaskrümmer 23 umfasst.
Ein Einlassluftkanal 24 ist mit dem Einlasskrümmer 22 verbunden,
während
ein Abgaskanal 25 mit dem Abgaskrümmer 23 verbunden
ist. Ein Hochdruckstufen-Auflader 3 und ein Niederdruckstufen-Auflader 4 sind
in Reihe in dem Einlassluftkanal 24 und in dem Abgaskanal 25 angeordnet.
Der Hochdruckstufen-Auflader 3 umfasst eine Hochdruckstufen-Turbine 31,
die in dem Abgaskanal 25 angeordnet ist, einen Hochdruckstufen-Kompressor 32,
der in dem Einlassluftkanal 24 angeordnet ist, und eine Drehwelle 33,
die die Hochdruckstufer-Turbine 31 mit dem Hochdruckstufen-Kompressor 32 koppelt.
Der Niederdruckstufen-Auflader 4 umfasst eine Niederdruckstufen-Turbine 41,
die in dem Abgaskanal 25 auf der Auslassseite der Hochdruckstufen-Turbine 31 angeordnet
ist, einen Niederdruckstufen-Kompressor 42, der in dem
Einlassluftkanal 41 auf der Einlassseite des Hochdruckstufen-Kompressors 32 angeordnet ist,
und eine Drehwelle 43, die die Niederdruckstufen-Turbine 41 mit
dem Niederdruckstufen-Kompressor 42 koppelt. Eine Beziehung
der Kapazitäten
zwischen der Hochdruckstufen-Turbine 31 und dem Hochdruckstufen-Kompressor 32,
die den Hochdruckstufen-Auflader 3 bilden, und eine Beziehung der
Kapazität
zwischen der Niederdruckstufen-Turbine 41 und dem Niederdruckstufen-Kompressor 42, die
den Niederdruckstufen-Auflader 4 bilden, werden später genauer
beschrieben. In der gezeigten Ausführungsform ist in dem Einlassluftkanal 25,
der den Hochdruckstufen-Kompressor 32 mit dem Einlasskrümmer verbindet,
ein Hochdruckstufen-Ladekühler 5 angeordnet,
während
in dem Einlassluftkanal 25, der den Niederdruckstufen-Kompressor 42 mit
dem Hochdruckstufen-Kompressor 32 verbindet, ein Niederdruckstufen-Ladekühler 6 angeordnet
ist.
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Im
Folgenden wird als Nächstes
die Arbeitsweise der Aufladevorrichtung für den Motor beschrieben.
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Das
vom Auslassschlitz des Motorkörpers 21 durch
den Abgaskrümmer 23 in
den Abgaskanal 25 ausgeströmte Abgas dient zum Antrei ben
der Hochdruckstufen-Turbine 31 in dem Hochdruckstufen-Auflader 3 und
ferner zum Antreiben der Niederdruckstufen-Turbine 41 in
dem Niederdruckstufen-Auflader 4. Zum anderen strömt die Einlassluft,
deren Druck durch den Niederdruckstufen-Kompressor 42,
der durch die Niederdruckstufen-Turbine 41 angetrieben wird,
erhöht
worden ist, durch den Niederdruckstufen-Ladekühler 6. Nachdem der
Aufladedruck durch den Hochdruckstufen-Kompressor 32, der
durch die Hochdruckstufen-Turbine 31 angetrieben wird,
weiter vorverdichtet worden ist, strömt die Einlassluft durch den
Hochdruckstufen-Ladekühler 5 und
wird dem Motorkörper 21 zugeführt. Wenn
die Kapazitäten
der Hochdruckstufen-Turbine und der Niederdruckstufen-Turbine im
Versuch, den Aufladedruck anzuheben, gesenkt worden sind, erhöht sich
bei dieser Gelegenheit das Druckverhältnis der Hochdruckstufen-Turbine,
wie oben beschrieben worden ist, wodurch der Gegendruck zunimmt,
der Pumpverlust zunimmt und keine Wirkung zur Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades
der Hochdruckstufen-Turbine, der auf dem Pulsieren von Abgas beruht,
erzielt wird. Demgemäß fällt der
Turbinenwirkungsgrad ab, nimmt der Pumpverlust zu und verschlechtert
sich folglich der Kraftstoffwirkungsgrad.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden zum Lösen
der oben genannten Probleme eine Beziehung der Kapazitäten zwischen
der Hochdruckstufen-Turbine 31 und dem Hochdruckstufen-Kompressor 32,
die den Hochdruckstufen-Auflader 3 bilden, und eine Beziehung
der Kapazitäten
zwischen der Niederdruckstufen-Turbine 41 und dem Niederdruckstufen-Kompressor 42,
die den Niederdruckstufen-Auflader 4 bilden,
wie oben beschrieben festgelegt. Die Kapazität des Niederdruckstufen-Kompressors 42 wird
nämlich
so festgelegt, dass sie größer als
die Kapazität
des Hochdruckstufen-Kompressors 32 ist, während die
Kapazität
der Niederdruckstufen-Turbine 41 so festgelegt wird, dass
sie gleich oder kleiner als die Kapazität der Hochdruckstufen-Turbine 31 ist.
Bei der Aufladevorrichtung, bei der die Kapazität des Hochdruckstufen-Aufladers 3 und die
Kapazität
des Niederdruckstufen-Aufladers 4 beispielsweise in eine
vorgegebenen Beziehung gesetzt werden, kann der Aufladedruck durch
Senken der Kapazität
der Niederdruckstufen-Turbine 41 derart, dass sie so festgelegt
wird, dass sie gleich oder kleiner als die Kapazität der Hochdruckstufen-Turbine 31 ist,
ohne die Kapazität
der Hochdruckstufen-Turbine 31 zu senken, weiter erhöht werden.
Das heißt,
dass sich das Druckverhältnis
der Hochdruckstufen-Turbine 31, da deren Kapazität nicht
gesenkt wird, nicht erhöht,
was es ermöglicht,
eine Zunahme des Gegendrucks zu unterdrücken sowie die Wirkung zur Verbesserung
des Turbinenwirkungsgrades der Hochdruckstufen-Turbine, der auf dem Pulsieren von Abgas
beruht, aufrechtzuerhalten. Demgemäß kann der Aufladedruck durch
Senken der Kapazität
der Niederdruckstufen-Turbine 41 erhöht werden.
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Die
Aufladevorrichtung für
den Motor gemäß der vorliegenden
Erfindung ist wie oben beschrieben gebildet und zeigt die oben beschriebene
Wirkung.
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Die
Kapazität
des Niederdruckstufen-Kompressors des Niederdruckstufen-Aufladers
wird nämlich
so festgelegt, dass sie größer als
die Kapazität des
Hochdruckstufen-Kompressors des Hochdruckstufen-Aufladers ist, während die Kapazität der Niederdruckstufen-Turbine
des Niederdruckstufen-Aufladers so festgelegt wird, dass sie gleich
oder kleiner als die Kapazität
der Hochdruckstufen-Turbine des Hochdruckstufen-Aufladers ist. Daher
erhöht
sich das Druckverhältnis
der Hochdruckstufen-Turbine nicht, was es ermöglicht, eine Zu nahme des Gegendrucks
zu unterdrücken
und die Wirkung zur Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades der
Hochdruckstufen-Turbine, der auf dem Pulsieren von Abgas beruht,
aufrechtzuerhalten. Die Niederdruckstufen-Turbine wird andererseits
durch das Pulsieren von Abgas nicht beeinflusst, wobei sich ihr
Turbinenwirkungsgrad, obwohl ihr Druckverhältnis erhöht wird, nicht so stark verändert. Demgemäß kann der
Aufladedruck durch Senken der Kapazität der Niederdruckstufen-Turbine
erhöht
werden, d. h., dass der Aufladedruck erhöht werden kann, ohne von einer Zunahme
des Pumpverlustes begleitet zu sein, und dass der Kraftstoffwirkungsgrad
verbessert werden kann.