EP4211341A1 - Mehrstufige turboladeranordnung - Google Patents

Mehrstufige turboladeranordnung

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EP4211341A1
EP4211341A1 EP21770267.9A EP21770267A EP4211341A1 EP 4211341 A1 EP4211341 A1 EP 4211341A1 EP 21770267 A EP21770267 A EP 21770267A EP 4211341 A1 EP4211341 A1 EP 4211341A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
low
unit
turbocharger
pressure turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21770267.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Mathey
Christoph Haege
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Turbo Systems Switzerland Ltd
Original Assignee
Turbo Systems Switzerland Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Turbo Systems Switzerland Ltd filed Critical Turbo Systems Switzerland Ltd
Publication of EP4211341A1 publication Critical patent/EP4211341A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2230/51—Building or constructing in particular ways in a modular way, e.g. using several identical or complementary parts or features
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Embodiments of the present disclosure relate to multi-stage turbocharger assemblies.
  • embodiments of the present disclosure relate to multi-stage turbocharger assemblies having one or more high pressure and one low pressure unit.
  • Multi-stage turbochargers have separate turbocharger units that are connected to each other and to a charge air path of the engine (e.g., through an intercooler).
  • the turbine casings are interconnected by exhaust ducts that allow hot gases to flow through;
  • the engine exhaust is first routed to a high pressure turbine inlet, then via the high pressure turbine and through the high pressure turbine outlet to the low pressure turbine inlet, and finally via the low pressure turbine and through the exhaust path to atmosphere by means of exhaust manifolds.
  • This type of architecture requires a large assembly footprint (i.e., the space required to mount an assembled unit) on an engine installation, as well as multiple piping connections, bellows, brackets, couplings, insulation, and brackets for structural enhancement. designed to reduce pipeline vibration and prevent failure modes.
  • such an arrangement is of considerable complexity in terms of component assembly, bill of materials and service. In onboard engine assemblies, where clearances are of paramount importance, the space requirements of multi-stage turbochargers are a particular concern.
  • a multi-stage turbocharger assembly comprises a high-pressure turbocharger unit comprising a first housing unit, a high-pressure turbine and a high-pressure compressor, the high-pressure turbine and the high-pressure compressor being rotationally coupled to one another via a high-pressure turbocharger shaft.
  • the multi-stage turbocharger arrangement of a low-pressure turbocharger unit comprises a second housing unit, a low-pressure turbine and a low-pressure compressor, the low-pressure turbine and the low-pressure compressor being rotationally coupled to one another via a low-pressure turbocharger shaft.
  • the high pressure turbine is fluidly coupled to the low pressure turbine via an exhaust line to direct exhaust gas from the high pressure turbine to the low pressure turbine.
  • the low pressure compressor is fluidly coupled to the high pressure compressor via a conduit to direct fluid from the low pressure compressor to the high pressure compressor, and the high pressure turbocharger assembly and the low pressure turbocharger assembly are releasably connected together.
  • the low-pressure turbocharger element supports the high-pressure turbocharger unit, e.g. in the assembled state. In particular, the low-pressure turbocharger unit supports at least 50% or more of a weight of the high-pressure turbocharger unit.
  • an improved multi-stage turbocharger assembly is provided.
  • E mbodiments of the present disclosure have the particular advantage that arranging the turbocharger units one above the other (by the low-pressure turbocharger unit carrying the high-pressure turbocharger unit) or arranging the housing units one above the other reduces the space requirement and in particular the footprint of the engine.
  • assembly costs can be reduced by reducing the number of parts, ie space-saving configuration.
  • the multi-stage turbocharger arrangement is advantageously configured such that the exhaust lines connecting one or more high-pressure units to the low-pressure unit and in particular the high-pressure turbines to the low-pressure turbine are largely eliminated or reduced in length be able. Accordingly, gas flow performance and efficiency can be improved.
  • Another advantage is the possibility of modularization, so that the requirements of a motor platform can be met with multiple configurations.
  • Embodiments are also directed to methods of operating the described multi-stage turbocharger assembly. It includes procedural aspects for performing each function of the turbocharger assembly.
  • FIG. 1 schematically shows a multi-stage turbocharger arrangement according to the described embodiments:
  • Fig. 2 shows a schematic plan view of a multi-stage turbocharger arrangement according to the described embodiments:
  • 3A shows a schematic side view of a multi-stage turbocharger arrangement according to described embodiments
  • 3B shows a schematic front view of a multi-stage turbocharger arrangement according to described embodiments
  • FIG. 4A shows a schematic side view of a multi-stage turbocharger arrangement according to described embodiments.
  • FIG. 4B shows a schematic front view of a multi-stage turbocharger arrangement according to described embodiments.
  • the present invention finds application in turbochargers, in particular in multi-stage turbochargers with at least one high-pressure turbocharger unit and a low-pressure turbocharger unit.
  • the arrangement of the high-pressure turbocharger unit and the low-pressure turbocharger unit enables improved turbocharger efficiency as well as a compact design and easier assembly.
  • the logistics effort is drastically reduced and the fastening of the turbocharger units is stabilized overall. Overall, fewer parts have to be installed, which also means less insulation work.
  • the multi-stage turbocharger arrangement 100 includes a (ie at least one) high pressure turbocharger unit 110 which includes a first housing unit 134 , a high pressure turbine 113 and a high pressure compressor 114 .
  • the high-pressure turbine 113 and the high-pressure compressor 114 are rotationally coupled to one another via a high-pressure turbocharger shaft.
  • the terms “high-pressure turbocharger unit” and “high-pressure unit” are to be understood as synonymous.
  • the multi-stage turbocharger arrangement includes a (ie at least one) low-pressure turbocharger unit 120 which includes a second housing unit 136 , a low-pressure turbine 123 and a low-pressure compressor 124 .
  • the Niederdracktarbine 123 and the low-pressure compressor 124 are rotationally coupled to one another via a low-pressure turbocharger shaft.
  • low-pressure turbocharger unit and
  • Low-pressure unit to be understood synonymously.
  • the high-pressure turbine 113 is fluidly coupled via an exhaust line 132 to the low-pressure turbine 123 to exhaust gas from. of the high-pressure turbine 113 to the low-pressure turbine 123 .
  • the low pressure compressor 124 is fluidly connected via a line, e.g., a discharge line.
  • the high pressure compressor 114 coupled to a fluid, e.g. a compression fluid, from the low pressure compressor 124 to the.
  • the fluid can be a gas, in particular air, e.g. charge air or an air mixture or a liquid.
  • the line, in particular the compression line can be a charge air line, i.e. a line for the transmission of charge air as fluid or compression fluid.
  • Low-pressure turbocharger unit 120 detachably connected to each other.
  • Low-pressure turbocharger unit 120 and high-pressure turbocharger unit 110 Low-pressure turbocharger unit 120 and high-pressure turbocharger unit 110.
  • the compression line can run through an intercooler.
  • the low-pressure compressor 124 can be fluidly coupled to an intercooler 150 for cooling charge air, so that the efficiency of the charging can be increased.
  • a further advantage of the embodiments as described here lies in the more compact design of the turbocharger arrangement, which leads to easier assembly and lower insulation costs.
  • the attachment can be made more stable, although fewer parts such as supports have to be installed. This also advantageously brings a reduced
  • the multi-stage turbocharger assembly 100 may include one or more high pressure units 110 as described herein.
  • the one or more high-pressure units can each be detachably connected to the low-pressure unit 120 .
  • the low-pressure unit 1.20 may be configured such that the low-pressure unit carries the one or more high-pressure units 110.
  • the fact that the low-pressure unit carries the high-pressure unit or high-pressure units can be understood in this disclosure to mean that the weight of the respective high-pressure turbocharger unit in the assembled state is predominantly (e.g. 50% or more, or even 80% or more of the weight) due to the low-pressure turbocharger unit be supported.
  • the high-pressure turbocharger unit or a plurality of high-pressure turbocharger units can preferably be mounted on the low-pressure turbocharger unit without additional supports and can remain there in the mounted state without further support.
  • the fact that the low-pressure unit carries the high-pressure unit or high-pressure units can also be understood in particular to mean that the two units are or can be arranged essentially vertically one above the other.
  • High-pressure turbocharger unit a first housing unit 134, also referred to as the first housing.
  • the first housing unit may frame or contain each component of the high pressure unit, e.g. the high pressure turbine 113, the high pressure compressor 114 and the high pressure turbocharger shaft may be arranged within the housing unit.
  • the high-pressure turbocharger shaft can be rotatable about a first axis of rotation A1 and the low-pressure turbocharger shaft can be rotatable about a second axis of rotation A2.
  • devices for cooling the high-pressure turbocharger unit can be arranged on the housing unit or the first housing, e.g. cooling walls, cooling loops and the like.
  • the first housing unit 134 may further include an exhaust gas inlet 131 for flowing exhaust gases from an engine 170 towards the high pressure turbine.
  • the exhaust gas inlet 131 can be a high-pressure turbine inlet 111 .
  • the low-pressure turbocharger unit includes a second housing unit 136, also referred to as the second housing.
  • the second housing unit 136 may include an exhaust outlet 139 that directs the exhaust gas from the low pressure turbine 123 to the outside of the second housing unit 136 as shown in FIG. 1 by way of example.
  • the exhaust outlet 139 may be a low pressure turbine outlet 129 .
  • the first and second housing unit can each be made of a cast material.
  • the cast material can be an aluminum alloy, for example.
  • the housing units can be made from other materials such as cast steel, cast iron or other suitable cast materials. According to a. Examples are the housing units described here made of two different materials, manufactured in a hybrid manner, in particular using the ALFIN process, for the individual accommodation of the high-pressure and low-pressure units.
  • the housing or housing units can each be in one or more parts.
  • the high-pressure turbine 113 is fluidically coupled to the low-pressure turbine 123 via an exhaust gas line 132 in order to conduct exhaust gas from the high-pressure turbine 113 to the low-pressure turbine 123 .
  • Low-pressure turbine inlet 121 of the low-pressure turbine 123 include.
  • the exhaust pipe 132 is a flow-optimized passage, i.e.
  • the exhaust line 1.32 can include a running in the high-pressure turbocharger unit 110, widening in a flow direction diffuser section. Furthermore or alternatively, the exhaust gas line 132 can include a line section that runs in the high-pressure turbocharger unit HO and narrows conically in a direction of flow.
  • this allows the fluidic coupling between the high-pressure unit and the low-pressure unit to be particularly direct, ie very short. paths to be designed.
  • the high-pressure unit can thus be connected to the low-pressure unit by the shortest route. As a result, less material has to be used and a particularly compact design of the turbocharger arrangement is made possible.
  • the exhaust pipe 132 can run completely within the first and/or second housing unit.
  • the diffuser section or the conically narrowing line section can be located entirely within the first housing unit 134 and/or the second. Housing unit 136 run.
  • the diffuser section or the tapered duct section may run entirely within the first housing unit 134 .
  • a conically narrowing line section is understood to mean a section of the line that narrows in the direction of flow or also a cone section, even if it does not have a conical shape in the strict geometric sense.
  • This allows, for example, a "piggyback" arrangement of the high-pressure unit and the low-pressure unit, i.e. the high-pressure turbocharger unit can be mounted on the low-pressure turbocharger unit in such a way that the low-pressure unit carries the high-pressure unit.
  • the first housing unit 134 of the high-pressure turbocharger unit can be coupled or connected to the second housing unit 136 of the low-pressure turbocharger unit.
  • the second housing unit 136 of the hold-down unit can provide an interface 138 as shown in FIGS. 1 and 2, for example.
  • the interface 138 may be parallel to the plane in which the depressor unit is located, i.e., the interface may be parallel to a horizontal mounting plane of the depressor unit.
  • the interface 138 may be a demarcation of the second housing unit towards the high pressure unit. In other words, the interface may be an upper boundary of the second housing unit of the depressurizing unit.
  • the low-pressure unit can comprise a holding plate, on which the high-pressure unit can be mounted.
  • the holding plate can be arranged essentially horizontally, ie in an essentially horizontal plane parallel to the mounting plane.
  • the holding plate can be arranged in particular vertically above the low-pressure unit.
  • the high-pressure unit can be mounted vertically above on the holding plate. According to this, a vertical structure can look like this from the bottom up Low pressure unit, hat plate and high pressure unit result.
  • the horizontal and vertical directions denote directions when the turbocharger arrangement is ready for operation and constructed as intended. Likewise, further information on the arrangement or to be worn
  • Weight percentages related to an operational turbocharger arrangement that is built as intended are the high-pressure and Each low-pressure unit is aligned horizontally, but embodiments of the invention are also possible for a high-pressure and/or low-pressure unit which is/are designed for a vertically aligned turbocharger axis.
  • the diffuser section or the narrowing line section can pass through the interface 1.38 between the first and the second housing unit 134, 136 or adjoin the interface.
  • the interface 1.38 can include an opening through which the diffuser section or the narrowing line section can be passed.
  • the diffuser section or the constricting duct section may abut the interface, e.g. a flared end of the diffuser section or a narrowed end of the conduit section may directly abut the interface, i.e. the opening in the interface.
  • the interface 138 can include a gas inlet 137 .
  • the gas inlet can be in the same plane as the interface.
  • the gas inlet can be the opening through which the diffuser section or the narrowing line section can be passed or to which the diffuser section or the narrowing line section can adjoin.
  • the high-pressure unit can be coupled to the low-pressure unit at the gas inlet 137 .
  • the gas inlet 137 may merge into a low pressure turbine inlet 121, i.e. the gas inlet may be fluidly coupled or connected to the low pressure turbine inlet.
  • the first housing unit 134 can be connected to the second housing unit 136 at the gas inlet 137, in particular via a flange.
  • the first housing unit 134 and the second housing unit 136 can each have a flange part surrounding the exhaust line.
  • the first housing unit 134 and the second housing unit 136 can be attached to the.
  • Flange parts detachably connected to one another.
  • the Flanges or flange parts can be detachably connected with fixing means such as bolts and/or screws.
  • a detachable connection is present in particular when housing units 134 and 136 (or the low-pressure and high-pressure turbocharger units) can be separated from one another non-destructively, if necessary using conventional tools such as screwing tools, in such a way that the connection can then be restored.
  • the second housing unit 136 can have a flange on the gas inlet, i.e. a flange surrounding the gas inlet
  • the first housing unit 134 can have a flange on the exhaust pipe 132, i.e. a flange surrounding the exhaust pipe.
  • the second housing unit 136 can have a flange at an inlet of the exhaust gas line.
  • the first housing unit 134 may have a flange on
  • High pressure turbine outlet 112 or at or near the high pressure turbine outlet
  • the high pressure unit 110 may be configured to have a reverse direction of rotation compared to a direction of rotation of the low pressure unit 120 during operation of the multi-stage turbocharger assembly.
  • the high pressure unit 110 may be configured to have the same direction of rotation as the low pressure unit 120 during operation of the multi-stage turbocharger assembly.
  • the second housing unit 136 can have a first flange for connecting a muffler 127, an inlet housing or an inlet line.
  • Low pressure compressor inlet 125 include.
  • the first housing unit 134 can include a second flange for connecting an inlet housing or an inlet line, in particular an angle inlet housing or angle inlet pipe, to a high-pressure compressor inlet 115 .
  • the second housing unit 136 can include a third flange for connecting an outlet housing or an outlet line, in particular a manifold outlet housing or a manifold outlet pipe, to a low-pressure turbine outlet 122.
  • the first housing unit 134 can include a fourth flange for connecting an inlet housing or inlet pipe to the inlet of the high-pressure turbine 111.
  • the second housing unit 136 can include a
  • Low pressure compressor outlet 126 include.
  • the first housing unit 134 can include a high pressure compressor outlet 116 .
  • the high-pressure compressor outlet 116 for the supply of a
  • charge air cooler 160 configured with high pressure air
  • the first housing unit 134 can have a blow-off element for providing a device for limiting a boost pressure.
  • the first housing unit of the multi-stage turbocharger arrangement can have at least one exhaust gas blow-off element.
  • the first housing unit 134 of the multi-stage turbocharger arrangement may contain an exhaust gas bleed element or an exhaust gas lock for providing a means for limiting the charge air pressure.
  • the first housing unit 134 may include at least one of the group consisting of a low-pressure exhaust vent, a high-pressure exhaust vent, a multi-stage exhaust vent, and a variable exhaust vent.
  • the low-pressure ⁇ -Abgasabblaseelement a flow channel for the exhaust gas from the high-pressure turbine outlet before the low-pressure turbine inlet 121 to.
  • Low-pressure exhaust gas lock can be connected to the exhaust pipe 132 between the Hodidruc.ktu.rbi.ne 113 and the low-pressure turbine 123.
  • the high pressure exhaust bleed element may provide a flow passage for the exhaust gas from the engine 170 upstream of the high pressure turbine inlet 111 to the high pressure turbine outlet 112 or to the low pressure turbine inlet 121 .
  • the high-pressure exhaust gas blow-off element can be connected to the exhaust pipe 132 between the high-pressure turbine 113 and the low-pressure turbine 123 .
  • the multi-stage exhaust gas blow-off element can have a flow channel for the exhaust gas from the engine 170 in front of the high-pressure turbine inlet 1 i 1 to the.
  • Low pressure turbine outlet 129 or to. Provide exhaust outlet 139.
  • variable exhaust gas blow-off element can provide a flow channel for the exhaust gas from the engine 170 before the high-pressure turbine inlet 111 to the high-pressure turbine outlet 112 (or to the low-pressure turbine inlet 121) and/or to the low-pressure turbine outlet 129 (or to the exhaust gas outlet 139) or from the high pressure turbine outlet 112 (or from.
  • variable exhaust bleed element can be connected to the exhaust line 132 between the high pressure turbine 113 and the low pressure turbine 123.
  • the variable exhaust bleed element can be configured so that the flow channel lur the exhaust gas from the engine 170 before the high pressure turbine inlet 111 to the high pressure turbine outlet 112 (or to the Low-pressure turbine inlet 121) and/or to the low-pressure turbine outlet 129 (or to the exhaust gas outlet 139) or from
  • high pressure turbine outlet 112 (or from low pressure turbine inlet 121) to low pressure turbine outlet 129 (or exhaust gas outlet 139).
  • the first housing unit 134 and the second housing unit 136 can have at least one blow-off element selected from the group consisting of a Have a low pressure compressor air outlet, a high pressure compressor air inlet, a multi-stage bleed element and a variable bleed element.
  • the second blow-off element selected from the group consisting of a Have a low pressure compressor air outlet, a high pressure compressor air inlet, a multi-stage bleed element and a variable bleed element.
  • the second blow-off element selected from the group consisting of a Have a low pressure compressor air outlet, a high pressure compressor air inlet, a multi-stage bleed element and a variable bleed element.
  • the second blow-off element selected from the group consisting of a Have a low pressure compressor air outlet, a high pressure compressor air inlet, a multi-stage bleed element and a variable bleed element.
  • Housing unit 136 having a low pressure compressed air outlet.
  • the low-pressure compressor air outlet can be used in particular to supply the intercooler with low-pressure air.
  • the first housing unit 1.34 can have a high-pressure compressor air outlet, which can be used in particular for the inlet of the cooled charge air.
  • the low-pressure compressor air outlet can have a flow channel for the air from the.
  • the low pressure compressor outlet 126 can have a flow channel for the air from the.
  • High pressure compressor air inlet providing a flow channel for air from high pressure compressor outlet 116 to high pressure compressor inlet 115 . Additionally or alternatively, the multi-stage blow-off element from a flow channel for the air
  • variable Abblaseelemeot a flow channel for the air from
  • high pressure compressor outlet 116 to low pressure compressor inlet 125 and/or to low pressure compressor outlet 126 or from low pressure compressor outlet 126 to low pressure compressor inlet 125 .
  • variable bleed element can be configured so that the flow passage for the air from the high pressure compressor outlet 116 to.
  • Low pressure compressor inlet 125 and/or low pressure compressor outlet 126 or from low pressure compressor outlet 126 to low pressure compressor inlet 1.25 is selectable.
  • the diffuser section or the narrowing duct section can extend over more than 50% of a length of the exhaust duct 132 .
  • the diffuser section or the narrowing line section can extend over more than 80% of the length of the exhaust line, more particularly over more than 90% of the length of the exhaust line.
  • the length of the exhaust pipe can be defined as a length of the high-pressure turbine to the low-pressure turbine along the middle of the exhaust pipe.
  • High-pressure turbocharger unit H0 may be arranged on low-pressure turbocharger unit 120.
  • the low-pressure unit carries the high-pressure unit.
  • the high-pressure unit can be connected to the low-pressure unit via the exhaust line 1.32.
  • the high-pressure unit can be arranged on the low-pressure unit such that at least 50% or more of the weight of the high-pressure turbocharger unit acts on the low-pressure unit.
  • the high-pressure unit can be arranged offset in comparison to the low-pressure unit.
  • a mounting plane of the high-pressure unit can be arranged parallel to a mounting plane of the low-pressure unit or to the interface 138 of the low-pressure unit.
  • a mounting plane of the high-pressure unit can be offset, in particular parallel, offset, to a mounting plane of the low-pressure unit or to the boundary surface 138 of the low-pressure unit.
  • a mounting plane of the high-pressure unit can be offset or rotated by 90° with respect to a mounting plane of the low-pressure unit or with respect to the interface 138 of the low-pressure unit.
  • the Hoelidmekeeinfaeit can be mounted on the low-pressure unit.
  • the first housing unit and the second housing unit can be detachably connected or assembled to one another, as described in accordance with embodiments.
  • the gas inlet 137 or the low-pressure turbine inlet 121 can be arranged in such a way that the high-pressure turbine 113 is arranged offset above the low-pressure turbine 123 .
  • the gas inlet 137 or the low-pressure turbine inlet 121 can be arranged in such a way that the high-pressure turbine 1.13 is arranged above the low-pressure unit but not above the low-pressure turbine 123.
  • the gas inlet 137 or the low-pressure turbine inlet 121 can be arranged to the side of the low-pressure turbine and the high-pressure turbine above the Gas inlet 137 or the low-pressure tubing inlet 121 can be detachably connected to the gas inlet.
  • the high-pressure compressor 114 or a vertical straight line containing the center of gravity of the high-pressure compressor can move away from a center of gravity of the
  • the high-pressure compressor and the low-pressure compressor or their centers of gravity can be offset from one another.
  • the high-pressure turbocharger shaft a first axis of rotation (A1 in FIG. 1) and the low-pressure turbocharger shaft can be rotated about a second axis of rotation (A2 in FIG. 1).
  • the first and the second axis of rotation can each run horizontally or vertically.
  • the first and second axis of rotation can therefore both run horizontally, both vertically, or one each horizontally and one vertically.
  • the low-pressure turbocharger shaft can run horizontally and the high-pressure turbocharger shaft can run vertically.
  • the designation "horizontal” designates a direction running in the x-direction ⁇ 15% of a Cartesian coordinate system and the designation “vertical” designates a direction running in the y-direction ⁇ 15% of a Cartesian coordinate system.
  • Such planes are to be understood as horizontal planes , which have an extension in the x-direction and an extension in the z-direction of a Cartesian coordinate system.
  • Vertical planes are planes that extend in the y-direction and an extension in the x-direction or in the z-direction of a Cartesian coordinate system exhibit.
  • the assembly plane of the low-pressure unit is in particular a horizontal plane.
  • the first axis of rotation and the second axis of rotation can be arranged parallel to one another.
  • the first axis of rotation ′ and the second axis of rotation can be arranged in two planes parallel to one another, in particular two horizontal planes parallel to one another.
  • the second axis of rotation parallel to the be arranged mounting level of the low-pressure unit, i.e. the second and the first axis of rotation can run parallel to a horizontal extension of the mounting plane.
  • the first axis of rotation can be arranged offset non-parallel with respect to the second axis of rotation.
  • the first axis of rotation can be offset horizontally by an angle of 90° in relation to the second axis of rotation.
  • the first axis of rotation can extend horizontally in a z-direction of a Cartesian coordinate system and the second axis of rotation in an x-direction of the Cartesian coordinate system extend.
  • the first axis of rotation and the second axis of rotation can be rotatable relative to one another about an imaginary, straight connecting line between the axes of rotation.
  • the first axis of rotation can be offset vertically by an angle of 90° with respect to the second axis of rotation.
  • the first axis of rotation can extend vertically in the y-direction of a Cartesian coordinate system and. the second axis of rotation extend horizontally in an x-direction of the Cartesian coordinate system.
  • the first and second axes of rotation may intersect at an intersection.
  • the angle at the intersection between the first and second axes of rotation can. 90°, i.e. a right angle or an acute or an obtuse angle.
  • a center of mass of the high-pressure turbocharger unit 110 can be essentially the same as a center of mass of the low-pressure unit 120 .
  • this can be the center of mass in the. properly constructed condition, the
  • High-pressure turbocharger unit and the low-pressure turbocharger unit the center of mass of the high-pressure unit and the center of mass of the low-pressure unit being projected onto a horizontal plane, in particular the respective horizontal assembly plane.
  • the term "essentially” can be understood in such a way that the
  • Ground welding points of the high-pressure unit and the low-pressure unit can hit up to 10% of the longest horizontal extent of the second housing unit.
  • the high-pressure unit can be mounted on the low-pressure unit.
  • the first housing unit and the second housing unit can be detachably connected or assembled to one another, as described in accordance with embodiments.
  • the gas inlet 137 or the low-pressure turbine inlet 1.21 can be arranged in such a way that the high-pressure turbine 113 is essentially arranged above the low-pressure turbine 123.
  • the high-pressure turbine 113 can be arranged in such a way that there is an essentially direct vertical connecting line between the center of the high-pressure turbine 113 and the center of the low-pressure turbine 123, which has the shortest possible length. Accordingly, advantageously, the length of the exhaust gas line 132, through which the high-pressure turbocharger unit can be connected to the low-pressure turbocharger unit, can be as short as possible.
  • the low pressure turbine 123 can be a so-called reverse flow turbine, i.e. with a flow from inside to outside.
  • a turbine is characterized in that the exhaust gas flows radially into the housing or the housing unit and flows out axially from the housing or the housing unit.
  • FIGS. 3A and 3B and a particularly compact arrangement show that the low pressure turbine and the high pressure turbine discharge the exhaust gas radially and the high pressure turbine directs the exhaust gas in a generally vertical direction via the high pressure turbine outlet 112 to the low pressure turbine unit.
  • the low-pressure turbine unit has, as the low-pressure turbine 123, a reverse-flow turbine in which the exhaust gas is flown in radially (and flown out axially).
  • a straight vertical flow without the deflection shown in FIGS. 3A and 3B and a particularly compact arrangement are possible.
  • the modular design means that both normal operation (as illustrated in Fig. 3A and 3B) and operation with reverse flow (as illustrated in Fig. 3.A and 3B illustrated) can be guaranteed with the same housing units for the high and low pressure.rbolad.eranordnu.ngen.
  • embodiments as described herein offer the advantage that two or more separate turbines can be spaced apart so that the exhaust gas flow that is routed through the exhaust pipe from the high-pressure turbine to the low-pressure turbine is the shortest route , is optimized. This allows for the elimination of connecting piping within the various turbine stages, and the reverse flow turbine allows for the. hot gases to flow through the various stages with minimal disruption to the natural flow of gases.

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Abstract

Eine Mehrstufige Turboladeranordnung (100) wird gemäß dieser Offenbarung bereitgestellt. Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) umfasst einer Hochdruckturboladereinheit (HO) umfassend eine erste Gehäuseeinheit (134), eine Hochdruckturbine (113) und einen Hochdruckverdichter (114), wobei die Hochdruckturbine ( 113) und der Hochdruckverdichter (114) über eine Hochdruckturbolader-Welle rotativ aneinander gekoppelt sind. Ferner umfasst die mehrstufige Turboladeranordnung eine Niederdruckturboladereinheit (120) umfassend eine zweite Gehäuseeinheit (136), eine Niederdruckturbine (123) und ein Niederdruckverdichter (124), wobei die Niederdruckturbine (123) und der Niederdruckverdichter (124) über eine Niederdruckturbolader-Welle rotativ aneinander gekoppelt sind. Die Hochdruckturbine (113) ist über eine Abgasleitung (132) fluidisch an die Niederdruckturbine (123) gekoppelt, um Abgas von der Hochdruckturbine (113) zu der Niederdruckturbine (123) zu leiten. Der Niederdruckverdichter (124) ist über eine Leitung fluidisch an den Hochdruckverdichter (114) gekoppelt, um ein Fluid von dem Niederdruckverdichter (124) zu dem Hochdruckverdichter (114) zu leiten. Die Hochdruckturboladereinheit (110) und die Niederdruckturboladereinheit (120) sind lösbar miteinander verbunden. Die Niederdruckturboladereinheit (120) trägt die Hochdruckturboladereinheit (110),

Description

MEHRSTUFIGE TURBOLADERANORDNUNG
TECHN ISCHES GEBIET
[0001 ] Ausrührungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf mehrstufige Turboladeranordnungen. Insbesondere beziehen sich Ausfthrangsformen der vorliegenden Offenbarung auf mehrstufige Turboladeranordnungen mit einer oder mehreren Hochdruck- und einer Niederdruckcinhcitcn.
STAND DER TECHNIK
[0002] Mehrstufige Turbolader haben separate Turboladereinheiten, die miteinander und mit einem Ladeluftwcg des Motors (z.B. durch einen Zwischcnkühlcr) verbunden sind. Die Turbinengehäuse sind durch Abgasleitungen miteinander verbunden, die den Durchfluss heißer Gase ermöglichen; Die Motorabgase werten zunächst zu einem Hochdruckturbineneinlass geleitet, dann über die Hochdruckturbine und durch den Hochdruckturbinenauslass zum Nicderdruckturbineneinlass und schließlich über die Niederdruckturbine und durch den Auslassweg mit Hilfe von Abgaskriimmem in die Umgebung geleitet. Diese Art von Architektur erfordert eine große Grundfläche der Baugruppen (d.h. den für die Montage einer zusammengebauten Einheit erforderlichen Platz) an einer Motorinstallation sowie mehrere Rohrleitungsverbindongen, Faltenbälge, Halterungen, Kupplungen, Isolierungen und Halterungen zur Slrukturverbesserung. die die Rohrleitungsschwingungen reduzieren und Ausfallmodi verhindern sollen. Darüber hinaus ist eine solche Anordnung in Bezug auf Komponentenbaugrappen, Stücklisten und Service von beträchtlicher Komplexität, Bei Motorbaugruppen an Bord, bei denen die Abstände von größter Bedeutung sind, stellt der Platzbedarf von mehrstufigen Turboladern, ein besonders großes Problem dar .
[0003] Vor diesem Hintergrund besteht dementsprechend ein Bedarf an verbesserten mehrstufigen Turboladeranordnungen, die die Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
10004] Vor diesem Hintergrund ist eine mehrstufige Turboladeranordnung gemäß unabhängigem Anspruch 1 vorgesehen. Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen.
[0005] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine mehrstufige Turboladeranordnung bereitgestellt. Die mehrstufige Turboladeranordnung umfasst einer Hochdruckturboladereinheit umfassend eine erste Gehäuseeinheit, eine Hochdruckturbine und einen Hochdruckvcrdichtcr, wobei die Hochdruckturbine und der Hochdruckverdichter über eine Hodidruckturbolader-Welle rotativ aneinander gekoppelt sind. Des Weiteren umfasst die mehrstufige Turboladeranordnung einer Niederdruckturboladereinheit umfassend eine zweite Gehäuseeinheit, eine Niederdruckturbine und ein Niederdruck erdichtet, wobei die Niederdruckturbine und der Niederdruckverdichter über eine Niederdruckturbolader-Welle rotativ aneinander gekoppelt sind. Die Hochdruckturbine ist über eine Abgasleitung fluidisch an die Niederdruckturbine gekoppelt, um Abgas von der Hochdruckturbine zu der Niederdruckturbine zu leiten. Der Niederdruckverdichter ist über eine Leitung fluidisch an den Hochdruckverdichter gekoppelt, um ein Fluid von dem Niederdruckverdichter zu dem Hochdruckverdichter zu leiten, und die Hochdruckturboladereinheit und die Niederdruckturboladereinheit sind lösbar miteinander verbunden. Die Nicderdruckturboladercinhcit trägt die Hochdruckturboladereinheit z.B. im montierten Zustand, Insbesondere trägt die Niederdruckturboladereinheit mindestens 50% oder mehr eines Gewichts der Hochdruckturboladereinheit.
[0006] Dementsprechend wird eine verbesserte mehrstufige Turboladeranordnung bereitgestellt. A usfüh rungs formen der vorliegenden Offenbarung haben insbesondere den Vorteil, dass durch die Anordnung der Turboladereinheiten übereinander (indem die Niederdruckturboladereinheit die Hochdruckturboladereinheit trägt) bzw, durch die Anordnung der Gehäuseeinheiten übereinander der Platzbedarf und insbesondere der Grund flächenbedarf (footprint) des Motors verringert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Montagekosten durch die Reduzierung der Anzahl der Teile, d.h. durch die platzsparende Konfiguration, gesenkt werden können. Darüber hinaus ist die mehrstufige Turboladeranordnung vorteilhaft so konfiguriert, dass die Abgasleitungen, die eine oder mehrere Hochdruckeinheiten mit der Niederdruckeinheit und insbesondere die Hochdruckturbinen mit der Niederdruckturbine verbinden, größtenteils entfallen bzw. aufeine geringe Länge reduziert werden können. Dementsprechend können Gasströmungsleistung und -effizienz verbessert werden. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Modularisierung, so dass Anforderungen einer Motorplatlform mit mehreren Konfigurationen erfüllt werden können.
[0007] Ausführungsformen richten sich auch auf Verfahren zum Betrieb der beschriebenen mehrstufigen Turboladeranordnung. Sie umfasst Verfahrensaspekte zur Ausführung jeder Funktion der Turboladeranordnung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0008] Damit die Art und Weise, in der die oben angeführten Merkmale der vorliegenden Offenbarung im Detail verstanden werden können, kann eine konkretere Beschreibung der Offenbarung, die oben kurz zusammengefasst wurde, durch Bezugnahme auf Ausführungsformen erfolgen. Die begleitenden Zeichnungen beziehen sich auf Ausführungsformen der Offenbarung und werden im Folgenden beschrieben:
Fig, 1 zeigt schematisch eine mehrstufige Turboladeranordnung gemäß beschriebener Ausführungsformen :
Fig. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht einer mehrstufigen Turboladeranordnung gemäß beschriebener Ausführungsformen:
Fig. 3 A zeigt eine schematische Seitenansicht einer mehrstufigen Turboladeranordnung gemäß beschriebener Ausführungsformen;
Fig. 3B zeigt eine schematische Frontansicht einer mehrstufigen Turboladeranordnung gemäß beschriebener Ausführungsformen;
Fig. 4A zeigt eine schematische Seitenansicht einer mehrstufigen Turboladeranordnung gemäß beschriebener Ausführungsformen; und
Fig. 4B zeigt eine schematische Frontansicht einer mehrstufigen Turboladeranordnung gemäß beschriebener Ausführungsformen. W EGE ZU R AUSFUFRUNG DER ERFINDUNG
[0009] Es wird nun im Einzelnen auf die verschiedenen Ausführungsformen der Offenlegung eingegangen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Abbildungen illustriert sind. In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen beziehen sich die gleichen Referenznummern auf die gleichen Komponenten. Generell werden nur die Unterschiede in Bezug auf einzelne Ausfuhrungsfomen beschrieben. Jedes Beispiel dient der Erläuterung der Offenbarung und ist nicht als eine Einschränkung der Offenbarung gedacht. Ferner können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben sind, auf oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen angewendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung solche Modifikationen und Variationen enthält.
[0010] Die vorliegende Erfindung findet Anwendung bei Turboladern, insbesondere bei mehrstufigen Turboladern mit mindestens einer Hochdruckturboladereinheit und einer Niederdruckturboladereinheit. Die Anordnung der Hochdruckturboladereinheit und der Niederdruckturboladereinheit ermöglicht einen verbesserten Wirkungsgrad des Turboladers sowie ein kompaktes Design und eine erleichterte Montage. Ferner wird in Ausführungsformen der Logistikaufwand drastisch reduziert und die Befestigung der Turboladereinheiten insgesamt stabilisiert. Insgesamt müssen weniger Teile verbaut werden, was gleichzeitig einen geringeren Isolationsaufwand mit sich bringt.
[001 1] Wie beispielhaft in Fig. 1 gezeigt und gemäß Ausführungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, wird eine mehrstufige Turboladeranordnung bereitgestellt. Die mehrstufige Turboladeranordnung 100 umfasst eine (d.h. mindestens eine) Hochdruckturboladereinheit 110, die eine erste Gehäuseeinheit 134, eine Hochdruckturbine 113 und einen Hochdruckverdichter 114 umfasst. Die Hochdruckturbine 113 und der Hochdruckverdichter 114 sind über eine Hochdruckturbolader- Welle rotativ aneinandergekoppelt. In dieser Beschreibung sind die Termini „ Hochdruckturboladereinheit ‘ und „Hochdruckeinheit“ synonym zu verstehen. Ferner umfasst die mehrstufige Turboladeranordnung eine (d.h. mindestens eine) Niederdruckturboladereinheit 120, die eine zweite Gehäuseeinheit 136, eine Niederdruckturbine 123 und ein Niederdruckverdichter 124 umfasst. Die Niederdracktarbine 123 und der Niederdmekverdicfater 124 sind über eine Niederdruckturbolader-Welle rotativ aneinandergekoppelt, ln dieser Beschreibung sind die Termini „Niederdruckturboladereinheit“ und
„Niederdruckeinheit“ synonym zu verstehen.
[0012] Die Hochdruckturbine 113 ist über eine Abgasleitung 132 fluidisch an die Niederdruckturbine 123 gekoppelt, um Abgas von. der Hochdruckturbine 113 zu der Niederdruckturbine 123 zu leiten. Der Niederdruckverdichter 124 ist über eine Leitung, z.B, eine Verdichtungsleitung, fluidisch an. den Hochdruckverdichter 114 gekoppelt, um ein Fluid, z.B. ein Verdichtungsfluid, von dem Niederdruckverdichter 124 zu dem. Hochdruckverdichter 114 zu leiten. Das Fluid kann ein Gas, insbesondere Luft, z.B. Ladeluft oder ein Luftgemisch oder eine Flüssigkeit sein. Zum Beispiel kann die Leitung, insbesondere die Verdichtungsleitung, eine Ladeluftleitung sein d.h. eine Leitung zur Übertragung von Ladeluft als Fluid oder Verdichtungsfluid. Ferner sind die Hochdmcktu.rboladerein.heit 110 und die
Niederdruckturboladereinheit 120 lösbar miteinander verbunden. Dabei trägt die
Niederdruckturbolad.erein.hett 120 die Hochdruckturboladereinheit 110.
[0013] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann, die Verdichtungsleitung einen Zwischenkühler durchlaufen. Mit anderen Worten kann der Niederdruckverdichter 124 fluidisch mit einem Zwischenkühler 150 zur Kühlung von Ladeluft gekoppelt sein, sodass der Wirkungsgrad der Aufladung erhöht werden kann.
[0014] Ein weiterer Vorteil der Ausfuhrungsformen wie hier beschrieben liegt im kompakteren Design der Turboladeranordnung, was zu einer erleichterten Montage und einem, geringeren Isolationsaufwand fuhrt. Dabei kann die Befestigung stabiler ausgestaltet sein, obwohl weniger Teile wie z.B. Stützen verbaut werden müssen. Dies bringt ferner vorteilhaft einen reduzierten
Logistikaufwand mit sich.
[0015] Es ist zu berücksichtigen, dass die mehrstufige Turboladeranordnung 100 eine oder mehrere Hochdruckeinheiten 110 wie hierin beschrieben, umfassen kann. Somit können die eine oder mehreren Hochdruckeinheiten jeweils lösbar mit der Niederdruckeinheit 120 verbunden sein. und die Niederdruckeinheit 1.20 kann so ausgestaltet sein, dass die Niederdruckeinheit die eine oder mehreren Hochdruckeinheiten 110 trägt. [0016] Dass die Niederdruckeinheit die Hochdruckeinheit oder Hochdruckeinheiten trägt, kann dabei in dieser Offenbarung so verstanden werden, dass das Gewicht der jeweiligen Hochdruckturboladereinheit im montierten Zustand überwiegend (z.B. 50% oder mehr, oder sogar 80% oder mehr des Gewichtes) durch die Niederdruckturboladereinheit abgestützt werden. Bevorzugt kann die Hochdruckturboladereinheit oder mehrere Hochdruckturboladereinheiten ohne zusätzliche Stützen auf der Niederdruckturboladereinhei l montiert werden und ohne weitere Abstützung dort im montierten Zustand verbleiben. Dass die Niederdruckeinheit die Hochdruckeinheit oder Hochdruckeinheiten trägt, kann ferner insbesondere so verstanden werden, dass die beiden Einheiten im Wesentlichen vertikal übereinander angeordnet werden bzw. sein können.
[0017] Wie beispielhaft in Fig. 1 dargestellt und gemäß Ausfiihrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfiihrungsformen kombiniert werden können, umfasst die
Hochdruckturboladereinheit eine erste Gehäuseeinheit 134, auch als erstes Gehäuse bezeichnet. Die erste Gehäuseeinheit kann jede Komponente der Hochdruckeinheit umrahmen bzw. beinhalten, z.B. können innerhalb der Gehäuseeinheit die Hochdruckturbine 113, der Hochdrockverdichter 114 und die Hochdruckturbolader-Welle angeordnet sein. Die Hochdruckturbolader- Welle kann um eine erste Rotationsachse Al rotierbar sein und die Niederdruckturbolader-Welle um eine zweite Rotationsachse A2 rotierbar sein. Innerhalb der ersten. Gehäuseeinheit oder des ersten Gehäuses können ferner Vorrichtungen zur Kühlung der Hochdruckturboladereinheit an geordnet sein, z.B. Kühlungswände, Kühlschleifen und dergleichen. Die erste Gehäuseeinheit 134 kann ferner einen Abgaseinlass 131 zum Einströmen von Abgasen aus einem Motor 170 in Richtung der Hochdruckturbine umfassen. Insbesondere kann der Abgaseinlass 131 ein Hochdruckturbineneinlass 111 sein.
[0018] Gemäß Ausfiihrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfiihrungsformen kombiniert werden können, umfasst die Niederdruckturboladereinheit eine zweite Gehäuseeinheit 136, auch als zweites Gehäuse bezeichnet. Die zweite Gehäuseeinheit 136 kann einen Abgasauslass 139 umfassen, der das Abgas aus der Niederdruckturbine 123 nach außerhalb der zweiten Gehäuseeinheit 136 führt, wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt. Insbesondere kann der Abgasauslass 139 ein Niederdruckturbinenauslass 129 sein. [0019] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, können die erste und zweite Gehäuseeinheit jeweils aus einem gegossenen Material hergestellt sein. Insbesondere kann das gegossene Material zum Beispiel eine Aluminiumlegierung sein. Weiterhin ist zu verstehen, dass die Gehäuseeinheiten aus anderen Materialien wie Stahlguss, Grauguss oder anderen geeigneten Gusswerkstoffen hergestellt werden kann. Gemäß einem. Beispiel sind die hier beschriebenen Gehäuseeinheiten aus zwei verschiedenen Materialien, hybridartig hergestellt, insbesondere nach dem ALFIN-Verfahren, zur jeweils einzelnen Unterbringung der Hochdruck- als auch der Niederdruckeinheit. Die Gehäuse bzw. Gehäuseeinheiten können jeweils ein- oder mehrteilig sein.
[0020] Wie beispielhaft in Fig, 1 dargestellt und gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, ist die Hochdruckturbine 113 über eine Abgasleitung 132 fluidisch an die Miederdruckturbine 123 gekoppelt, um Abgas von der Hochdruckturbine 113 zu der Niederdruckturbine 123 zu leiten. Insbesondere kann die erste Gehäuseeinheit 134 die Abgasleitung 132 zwischen einem Hochdruckturbinenauslass 112 der Hochdruckturbine 113 und einem. Niederdruckturbineneinlass 121 der Niederdruckturbine 123 umfassen. Ferner insbesondere ist die Abgasleitung 132 ein strömungsoptimierter Durchgang, d.h. optimiert in Bezug auf die Strömung vom Hochdruckturbinenauslass 112 der Hochdruckturbine 113 zum Niederdruckturbineneinlass 121 der Niederdruckturbine 123. Vorteilhafterweise können weitere Abgasleitungen, die die verschiedenen Stufen verbinden, eliminiert werden, so dass die Gasslrömungsleistung und der Wirkungsgrad verbessert werden können.
[0021] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann die Abgasleitung 1.32 einen in der Hochdruckturboladereinheit 110 verlaufenden, sich in eine Strömungsrichtung aufweitenden Diffusorabschnitt umfassen. Ferner oder alternativ kann die Abgasleitung 132 einen in der Hochdm.ekturboladerein.heit HO verlaufenden, sich, in eine Strömungsrichtung konisch verengenden Leitungsabschnitt umfassen. Vorteilhafterweise kann hierdurch die fluidische Kopplung zwischen der Hochdruckeinheit und der Niederdruckeinheit besonders direkt d.h. auf kürzestem. Wege ausgestaltet sein. Die Hochdruckeinheit kann so auf kürzestem Wege mit der Niederdmckeinheit verbunden, sein. Somit muss weniger Material aufgewendet werden und ein besonders kompaktes Design der Turböladeranordnung wird ermöglicht. [0022] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann die Abgasleitung 132 vollständig innerhalb der ersten, und/oder zweiten Gehäuseeinheit verlaufen. Insbesondere kann der Diffusorabschnitt oder der konisch verengende Leitungsabschnitt vollständig innerhalb der ersten Gehäuseeinheit 134 und/oder der zweiten. Gehäuseeinheit 136 verlaufen. Vorzugsweise kann der Diffusorabschnitt oder der konisch verengende Leitungsabschnitt vollständig innerhalb der ersten Gehäuseeinheit 134 verlaufen. Als konisch verengender Leitungsabschnitt wird hierbei ein sieh in Strömungsrichtung verengender Abschnitt der Leitung oder auch ein Konusabschnitt verstanden, auch wenn er keine im streng geometrischen Sinne konische Form aufweist..
[0023] Vorteilhafterweise können so die verschiedenen. Stufen ohne weiteren Materialaufwand und auf kürzestem. Wege miteinander verbunden sein. Dies ermöglicht unter anderem z.B. eine „Huckepack“- Anordnung der Hochdruckeinheit und der N iederdruckeinheit, d.h. die Hochdruckturboladereinheit kann so auf der Niederdruckturboladereinheit montiert werden., dass die Niederdrack.ein.heit die Hochdruckeinheit trägt.
[0024] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann die erste Gehäuseeinheit 134 der Hochdruckturboladereinheit mit der zweiten Gehäuseeinheit 136 der Niederdruckturboladereinheit gekoppelt oder verbunden sein. Dabei kann die zweite Gehäuseeinheit 136 der Niederdrackeinheit eine Grenzfläche 138 bereitstellen wie beispielsweise in Figuren 1 und 2 gezeigt. Die Grenzfläche 138 kann parallel zur Ebene verlaufen, in der die Niederdrackeinheit angeordnel ist, d.h. die Grenzfläche kann parallel zu einer horizontalen Montageebene der Niederdrackeinheit sein. Die Grenzfläche 138 kann eine Abgrenzung der zweiten Gehäuseeinheit in. Richtung der Hochdruckeinheit sein. In anderen Worten kann, die Grenzfläche eine obere Abgrenzung der zweiten Gehäuseeinheil der Niederdrackeinheit sein.
[0025] Gemäß Ausfuhrungsformen kann die Niederdruckeinheit eine Halteplatte umfassen, auf der die Hochdruckeinheit montiert werden bzw. sein kann. Insbesondere .kann die Halteplatte im Wesentlichen horizontal, d.h. in einer zu der Montageebene parallelen, im Wesentlichen horizontalen Ebene, angeordnet sein. Ferner kann die Halteplatte insbesondere vertikal oberhalb der Niederdruckeinheit angeordnet sein. Weiter kann die Hochdruckeinheit vertikal oberhalb auf der Halteplatte montiert sein. Demnach kann sieh ein vertikaler Aufbau von unten nach oben aus Niederdruckeinheit, Hatteplatte und Hochdruckeinheit ergeben. Die horizontale bzw, vertikale Richtung bezeichnen hierbei Richtungen bei betriebsbereiter, bestimmungsgemäß aufgebauter Turboladeranordnung. Ebenso sind weitere Angaben zur Anordnung bzw, zu getragenen
Gewichtsanteilen auf eine betriebsbereiter, bestimmungsgemäß aufgebaute Turboladeranordnung bezogen. Bei einer üblichen Turboladeran.ordn.ung sind hierbei die Turboladerachsen der Hochdruck- und. Niederdruckeinheit jeweils horizontal ausgerichtet, Ausfuhrungsformen der Erfindung ist jedoch auch für eine Hochdruck- und/oder Niederdrackemlieit möglich, welche Sr eine vertikal ausgerichtete Turboladerachse ausgelegt ist bzw. sind.
[0026] Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann der Difftisorabscfanitt oder der verengende Leitun.gsabschni.tt die Grenzfläche 1.38 zwischen der ersten und der zweiten Gehäuseeinheit 134, 136 durchlaufen oder an die Grenzfläche angrenzen. Beispielsweise kann die Grenzfläche 1.38 eine Öffnung umfassen, durch die der Diffusorabschnitt oder der verengende Leitungsabschnitt durchgeführt sein kann. Alternativ können der Diffusorabschnitt oder der verengende Leitungsabschnitt an die Grenzfläche angrenzen, d,h. ein aufgeweitetes Ende des Diffusorabschnitts oder ein verengtes Ende des Leitungsabschnitts kann, direkt an die Grenzfläche d.h. die Öffnung in der Grenzfläche angrenzen.
[0027] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann die Grenzfläche 138 einen Gaseinlass 137 umfassen. Der Gaseinlass kann in derselben Ebene liegen, wie die Grenzfläche. Der Gaseinlass kann die Öffnung sein, durch die der Diffusorabschnitt oder der verengende Leitungsabschni.lt durchgefiibrl sein kann bzw, an die der Diffusorabschnitt oder der verengende Leitungsabschnitt angrenzen kann. Am Gaseinlass 137 kann die Hochdruckeinheit mit der Niederdruckeinheit gekoppelt sein. Der Gaseinlass 137 kann in einen Ni.ederd.mekturbineneinl.ass 121 übergehen, d.h, der Gaseinlass kann mit dem Niederdruckturbineneinlass fluidisch gekoppelt oder verbunden sein.
[0028] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden körnen, kann die erste Gehäuseeinheit 134 mit der zweiten Gehäuseeinheit 136 am. Gaseinlass 137, insbesondere über einen Flansch, verbunden sein. Gemäß Ausfuhrungsformen, können die erste Gehäuseeinheit 134 und die zweite Gehäuseeinheit 136 jeweils einen die Abgasleitung umlaufenden Flanschteil aufweisen. Die erste Gehäuseeinheit 134 und die zweite Gehäuseeinheit 136 können an den. Flanschteilen .miteinander lösbar verbunden, sein. Die Flansche bzw. Flanschteile können mit Fixiermitteln wie z.B, Bolzen und/oder Schrauben lösbar verbunden sein. Eine lösbare Verbindung liegt insbesondere dann vor, wenn die Gehäuseeinheiten 134 und 136 (bzw, die Niederdruck- und die Hochdruckturboladereinheit), gegebenenfalls unter Einsatz von üblichen Werkzeugen wie etwa Schraubwerkzeugen, zerstörungsfrei voneinander getrennt können derart, dass die Verbindung anschließend wiederhergestellt werden kann..
[0029] Beispielsweise kann die zweite Gehäuseeinheit 136 einen Flansch am Gaseinlass, d.h. einen den Gaseinlass umlaufenden Flansch, aufweisen und die erste Gehäuseeinheit 134 einen Flansch an der Abgasleitung 132, d.h, einen die Abgasleitung umlaufenden Flansch, aufweisen.
[0030] Zusätzlich oder alternativ, zum Beispiel wenn die Äbgasleitung vollständig in der zweiten Gehäuseeinheit 136 verläuft, kann die zweite Gehäuseeinheit 136 einen Flansch an einem Eingang der Abgasleitung, aufweisen. Die erste Gehäuseeinheit 134 kann einen Flansch am
Hochdruckturbinenauslass 112, bzw, auf Höhe oder in der Nahe des Hochdruckturbinenauslasses
112 aufweisen.
[0031] Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden körnen, kann die Hochdrackeinheit 110 so ausgelegt sein, dass sie im Betrieb der mehrstufigen Turboladeranordnung eine umgekehrte Drehrichtung im Vergleich zu einer Drehrichtung der Niederdruckeinheit 120 aufweist. Alternativ kann die Hochdrackeinheit 110 so konfiguriert sein, dass sie dieselbe Drehrichtimg wie die Niederdruckeinheit 120 während des Betriebs der mehrstufigen Turboladeranordnung hat.
[0032] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die zweite Gehäuseeinheit 136 einen ersten Flansch zum Anschluss eines Schalldämpfers 127, eines Einlassgehäuses oder einer Einlassleitung an. einen
Niederdruckverdichtereinlass 125 umfassen.
[0033] Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die erste Gehäuseeinheit 134 einen zweiten Flansch zum Anschluss eines Einlassgehäuses oder einer Einlassleitung, insbesondere eines Winkel- Einlassgehäuses oder Winkel-Einlassrohrs, an einen Hochdruckverdichtereinlass 115 umfassen. [0034] Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfiihrungsformen kombiniert werden können, kann die zweite Gehäuseeinheit 136 einen dritten Flansch zum Anschluss eines Auslassgehäuses oder einer Ausiassleilung, insbesondere eines Krümmer- Auslassgehäuses oder eines Krümmer- Auslassrohrs, an einem Niederdruckturbinenauslass 122 umfassen..
[0035] Gemäß Ausfühmngsfomien., die mit anderen beschriebenen Ausfiihnmgsformen kombiniert werden können, kann die erste Gehäuseeinheit 134 einen vierten Flansch zur Verbindung eines Einlassgehäuses oder Einlassrohrs mit dem Einlass der Hochdruckturbine 111 umfassen,
[0036] Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann das enthält die zweite Gehäuseeinheit 136 einen
Niederdruckverdichterauslass 126 umfassen. Insbesondere kann der Niederdruckverdichterauslass
126 für die Versorgung eines Zwischenkühlers 150 mit Niederdruckluft konfiguriert sein..
[0037] Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die erste Gehäuseeinheit 134 einen Hochdruckverdichterauslass 116 umfassen. Insbesondere kann der Hochdruckverdichterauslass 116 für die Versorgung eines
Ladelufikühlers 160 mit Hochdruckluft konfiguriert sein,
[0038] Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die erste Gehäuseeinheit 134 ein Abblaseelement zur Bereitstellung einer Vorrichtung zur Begrenzung eines Ladedrucks aufweisen. Insbesondere kann die erste Gehäuseeinheit der mehrstufigen Turboladeranordnung mindestens ein Abgasabblaseelement aufweisen.
[0039] Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die erste Gehäuseeinheit 134 der mehrstufigen Turboladeranordnung ein Abgasabblaseelement oder eine Abgasschleuse zur Bereitstellung einer Einrichtung zur Begrenzung des Ladeluftdrucks enthalten. Insbesondere kann die erste Gehäuseeinheit 134 mindestens eine aus der Gruppe bestehend aus einem Niederdruck- Abgasabblaseelement, einem Hochdruck-Abgasabblaseelement, einem mehrstufigen Abgasabblaseelement und einem variablen Abgasabblaseelement enthalten. [0040] Beispielsweise kann das Niederdruck· -Abgasabblaseelement einen Strömungskanal für das Abgas vom Hochdruckturbinenauslass vor dem Niederdruckturbineneinlass 121 zum. Niederdruckturbinenauslass 129 oder zum Abgasauslass 139 bereitstellen. Insbesondere kann die
Niederdruck- Abgasschleuse mit der Abgasleitung 132 zwischen der Hodidruc.ktu.rbi.ne 113 und der Niederdruckturbine 123 verbunden werden. Ferner kann das Hochdruck· -Abgasabblaseelement einen Strömungskanal für das Abgas vom Motor 170 vor dem Hochdrackturbineneinlass 111 zum Hochdruckturbinenauslass 112 oder zum Niederdrackturbineneinlass 121 bereitstellen. Insbesondere kann, das Hochdruck- Abgasabblaseelement mit der Abgasleitung 132 zwischen der Hochdruckturbine 113 und der Ni.ederdrackturbi.ne 123 verbunden werden.
[0041] Gemäß Ausfühmngsformcn, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann das mehrstufigen Abgasabblaseelement einen Strömungskanal für das Abgas vom Motor 170 vor dem Hochdrackturbineneinlass 1 i 1 zum.
Niederdruckturbinenauslass 129 oder zum. Abgasauslass 139 bereitstellen.
[0042] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann das variable Abgasabblaseelement einen Strömungskanal für das Abgas vom Motor 170 vor dem Hochdrackturbineneinlass 111 zum Hochdruckturbinenauslass 112 (oder zum Niederdruckturbineneinlass 121) und/oder zum Niederdruckturbinenauslass 129 (oder zum Abgasauslass 139) oder vom Hochdruckturbinenauslass 112 (oder vom.
Niederdruckturbineneinlass 121) zum Niederdracktu.rbin.enausl.ass 129 (oder zum Abgasauslass 139) bereitstellen. Insbesondere kann das variable Abgasabblaseelement an die Abgasleitung 132 zwischen der Hochdruckturbine 1 13 und der Niederdruckturbine 123 angeschlossen werden, Darüber hinaus kann das variable Abgasabblaseelement so konfiguriert sein, dass der Strömungskanal lur das Abgas vom Motor 170 vor dem Hochdrackturbineneinlass 111 zum Hochdruckturbinenauslass 112 (oder zum Niederdruckturbineneinlass 121) und/oder zum Niederdruckturbinenauslass 129 (oder zum Abgasauslass 139) oder vom
Hochdruckturbinenauslass 112 (oder vom Niederdruckturbineneinlass 121) zum Niederdruckturbinenauslass 129 (oder zum Abgasauslass 139) wählbar ist.
[0043] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, können die erste Gehäuseeinheit 134 und die zweite Gehäuseeinheit 136 mindestens ein Abblaseelement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Niederdruckverdichter-Luftauslass, einem Hochdruckverdichter-Lufteinlass, einem mehrstufigen Abblaseelement und einem variablen Abblaseelement aufweisen. Insbesondere kann die zweite
Gehäuseeinhetl 136 einen Niederd.ruckverdiehter-Luftausl.ass aufweisen. Der Niederdruckverdichter-Luftauslass kann insbesondere zur Versorgung des Zwischenkühlers mit Niederdruckluft dienen. Ferner insbesondere kann die erste Gehäuseeinheit 1.34 einen Hochdrackverdichler-Luftemlass aufweisen, der insbesondere zum Einlass der gekühlten Lad.el.uft dienen kann.
[0044] Gemäß Ausführungsformell, die mit anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann das Niederdruckverdichter-Luftauslass einen Strömungskanal für die Luft vom. Niederdruckverdichterauslass 126 bereitstellen. Ferner kann der
Hochdruckverdichter-Lufteiniass einen Strömungskanal für die Luft vom Hochdruckverdichterauslass 116 zum Hochdruckverdichtereinlass 115 bereitstellen. Zusätzlich oder alternativ kann das mehrstufige Abblaseelement einen Strömungskanal für die Luft vom
Hochdruckverdichterauslass 116 zum Niederdruckverdichtereinlass 125 bereitstellen. Zusätzlich oder alternativ kann das variable Abblaseelemeot einen Strömungskanal für die Luft vom
Hochdrackverdichterauslass 116 zum Niederdruckverdichtereinlass 125 und/oder zum Niederdruckverdichterauslass 126 oder vom Niederdruckverdichterauslass 126 zum Niederdruckverdichtereinlass 125 bereitstellen.
[0045] Insbesondere kann das variable Abblaseelement so konfiguriert sein, dass der Strömungskanal für die Luft vom Hochdrackverdichterauslass 116 zum.
Niederdruckverdichtereinlass 125 und/oder Niederdruckverdichterauslass 126 oder vom Niederdruckverdichterauslass 126 zum Niederdruckverdichtereinlass 1.25 wählbar ist.
[0046] Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen, beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann sich, der Dififusorabschnitt oder der verengende Leitu.ngsabsch.nitt über mehr als 50% einer Länge der Abgasleitung 132 erstrecken. Insbesondere kann sich der Dififusorabschnitt oder der verengende Leitungsabschnitt über mehr als 80% der Länge der Abgasleitung, weiter insbesondere über mehr als 90% der Länge der Abgasleitung erstrecken. So kann eine möglichst geringe Länge eines nicht aufweitenden oder nicht verengenden Abgasleitun.gsabschn.itts erzielt werden, Die Länge der Abgasleitung kann als Länge von. der Hochdruckturbine zu der Niederdruckturbine, entlang der Mitte der Abgasleilung betrachtet werden.
[0047] Wie beispielhaft in Fig, 2 gezeigt und gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können., kann die
Hochdruckturboladereinheit HO auf der Niederdruckturboladereinheit 120 angeordnet sein.. Die Niederdruckeinheit trägt die Hochdruckeinheit. Die Hochdruckeinheit kann über die Abgasleilung 1.32 mit der Niederdruckeinheit verbunden sein. Beispielsweise kann die Hochdruckeinheit so auf der Niederdruckeinheit angeordnet sein, dass mindestens 50% oder mehr des Gewichts der Hochdruckturboladereinheit auf die Niederdruckeinheit wirken.
[0048] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann die Hochdruckeinheit versetzt im Vergleich zur Niederdruckeinheit angeordnet sein. Zum. Beispiel kann, eine Montageebene der Hochdruckeinheit parallel, zu einer Montageebene der Niederdruckeinheit bzw. zur Grenzfläche 138 der Niederdruckeinheit angeordnet sein. Zusätzlich kann eine Montageebene der Hochdruckeinheit zu einer Montageebene der Niederdruckeinheit bzw, zur Grenzfläche 138 der Niederdruckeinheit versetzt, insbesondere parallel, versetzt, angeordnet sein. Insbesondere kann, eine Montageebene der Hochdruckeinheit um 90° versetzt bzw. gedreht zu einer Montageebene der Niederdruckeinheit bzw. zur Grenzfläche 138 der Niederdruckeinheit angeordnet sein.
[0049] Wie beispielhaft in den Figuren 3A und 3B gezeigt und gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann die Hoelidmekeinfaeit auf der Niederdruckeinheit montiert sein. Insbesondere können die erste Gehäuseeinheit und die zweite Gehäuseeinheit lösbar miteinander verbunden bzw. montiert sein, wie gemäß Ausfuhrungsformen beschrieben. Beispielsweise kann der Gaseinlass 137 bzw, der Niederdrucktufbineneinlass 121 so angeordnet sein, dass die Hochdruckturbine 113 oberhalb versetzt zu der Niederdruckturbine 123 angeordnet ist. In anderen Worten kann der Gaseinlass 137 bzw. der Niederdruckturbineneinlass 121 so angeordnet sein, dass die Hochdruckturbine 1.13 oberhalb der Niederdruckeinheit aber nicht oberhalb der Niederdruckturbine 123 angeordnet ist. Gemäß Ausfuhrungsformen kann der Gaseinlass 137 bzw, der Niederdruckturbineneinlass 121 seitlich der Niederdruckturbine angeordnet sein und die Hochdruckturbine oberhalb des Gaseinlasses 137 bzw, derNiederdrucktuibineneinlasses 121 an dern Gaseinlass lösbar verbunden sein.
[0050] Gemäß Ausfiihrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfiihrungsformen kombiniert werden können, kann der Hochdruckverdichter 114 bzw. eine den Schwerpunkt des Hochdruckverdichters enthaltene vertikale Gerade sich von einem Schwerpunkt des
Niederdruckverdichters bzw, von einer den Schwerpunkt des Niederdmckverdichters enthaltenen vertikalen Geraden unterscheiden, ln anderen Worten können der Hoehd.ruckverdich.ter und der Niederdrackverdichter bzw. deren Schwerpunkte (in horizontaler Richtung) versetzt zueinander angeordnet sein.
[0051] Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfiihrungsformen kombiniert werden können, kann die Hochdruckturbolader- Welle um. eine erste Rotationsachse (Al in Fig. 1) rotierbar sein und die Niederdruckturbolader-Welle um eine zweite Rotationsachse (A2 in Fig. 1) rotierbar sein. Die erste und die zweite Rotationsachse können jeweils horizontal oder vertikal verlaufen. Die erste und zweite Rotationsachse können demnach beide horizontal, beide vertikal oder je eine horizontal und eine vertikal verlaufen. Insbesondere kann die Nieder drackturboiader-Welle horizontal verlaufen und die Hochdruckturbolader-Welle vertikal verlaufen. Die Bezeichnung „horizontal“ bezeichnet dabei eine in x-Richtung ± 15% eines kartesischen Koordinatensystems verlaufende Richtung und die Bezeichnung „vertikal “ bezeichnet dabei eine in y-Richtung ± 15% eines kartesischen Koordinatensystems verlaufende Richtung, Als horizontale Ebene sind solche Ebenen zu verstehen, die eine Ausdehnung in x- Richtung und eine Ausdehnung in z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems aufweisen, Als vertikale Ebene sind solche Ebenen zu verstehen, die eine Ausdehnung in y-Richtung und eine Ausdehnung in x Richtung oder in z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems aufweisen. Die Montageebene der Niederdruckeinheit ist insbesondere eine horizontale Ebene.
[0052] Gemäß Ausfiihrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfiihrungsformen kombiniert werden können, können die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse parallel zueinander angeordnet sein. Mit anderen Worten, können die erste Rotationsachse 'und die zweite Rotationsachse in zwei zu einander parallelen Ebenen, insbesondere zwei zu einander parallelen horizontalen Ebenen, angeordnet sein. Ferner kann die zweite Rotationsachse parallel zur Montageebene der Niederdruckeinheit angeordnet sein, d,h. die zweite und die erste Rotationsachse können parallel, zu einer horizontalen Erstreckung der Montageebene verlaufen.
[0053] Wie beispielhaft in Figuren 3A und 4Λ verdeutlicht und gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann die erste Rotationsachse nicht-parallel in Bezug auf die zweite Rotationsache versetzt angeordnet sein. Insbesondere kann die erste Rotationsachse in Bezug auf die zweite Rotationsache horizontal um einen Winkel von 90° versetzt angeordnet sein, ln anderen Worten kann sich die erste Rotationsachse horizontal in eine z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems erstrecken und die zweite Rotationsachse in eine x-Richtung des kartesischen Koordinatensystems erstrecken. Die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse können um eine gedachte, gerade Verbindungslinie zwischen den Rotationsachsen drehbar zueinander sein.
[0054] Alternativ und gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann die erste Rotationsachse in Bezug auf die zweite Rotationsache vertikal um einen Winkel von 90° versetzt angeordnet sein. Entsprechend kann sich z.B. die erste Rotationsachse vertikal in y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems erstrecken und. die zweite Rotationsachse horizontal in. eine x-Richtung des kartesischen Koordinatensystems erstrecken. Die erste und zweite Rotationsachse können sieh in einem Schnittpunkt schneiden. Der Winkel am Schnittpunkt zwischen der ersten und zweiten Rotationsachse kann. 90° betragen, also ein rechter Winkel oder ein spitzer oder ein stumpfer Winkel sein.
[0055] Gemäß Ausfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden können, kann ein Masseschwerpunkt der Hochdruckturboladereinhcil 110 im Wesentlichen gleich einem Masseschwerpunkt der Niederdruckeinheit 120 sein. Insbesondere kann, dies der Masseschwerpunkt im. ordnungsgemäß au.fgebau.ten Zustand, der
Hochdruckturboladereinheit und der Niederdruckturboladereinheit sein, wobei der Masseschwerpunkt der Hochdruckeinheit und der Masseschwerpunkt der Niederdruckeinheit jeweils auf eine horizontale Ebene, insbesondere die jeweilige horizontale Montageebene projiziert ist. Die Bezeichnung „im Wesentlichen“ kann dabei so verstanden werden, dass sich die
Masseschweipunkte der Hochdruckeinheit und der Niederdruckeinheit bis auf 10% der längsten horizontalen Ausdehnung der zweiten Gehäuseeinheit treffen, können. [0056] Wie beispielhaft in den Figuren 4A und 4B gezeigt und gemäß Äusfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Äusfuhrungsformen kombiniert werden können, kann die Hochdruckeinheil auf der Niederdrackeinhcit montiert sein. Insbesondere können die erste Gehäuseeinheit und die zweite Gehäuseeinheit lösbar miteinander verbunden bzw. montiert sein, wie gemäß Äusfuhrungsformen beschrieben. Beispielsweise kann, der Gaseinlass 137 bzw. der Niederdruckturbineneinlass 1.21 so angeordnet sein, dass die Hochdruckturbine 113 im Wesentlichen über der Niederdruckturbine 123 angeord.net ist, „Im Wesentlichen“ kann dabei so verstanden, werden, dass eine vertikale gedachte Verbindungslinie zwischen, dem Masseschwerpunkt der Hochdruckturbine und dem Massenschwerpunkt der Niederdruckturbine von einem 90°-Winkel der vertikalen Linie in Bezug zur horizontalen Montageebene der Niederdruekeinlieit maximal um ±20° abweicht. In anderen Worten kann die Hochdrackturbine 113 so angeordnet sein, dass sich eine im Wesentlichen direkte vertikale Verbindungslinie zwischen der Mitte der Hochdrackturbine 113 und der Mitte der Niederdruckturbine 123 ergibt, die eine geringst mögliche Länge aufweist. Dementsprechend vorteilhaft kann die Länge der Abgasleilung 132, durch die die Hochdruckturboladereinheit mit der Miederdruckturboladereinheit verbunden sein kann, möglichst gering sein.
[0057] Gemäß Äusfuhrungsformen, die mit anderen beschriebenen Äusfuhrungsformen kombiniert werden können, kann die Niederdruckturbine 123 eine Turbine mit sogenannter umgekehrter Strömung sein, d.h. mit einer Strömung von innen nach außen. Eine solche Turbine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas radial in das Gehäuse bzw. die Gehäuseeinheit einströmt und axial aus dem Gehäuse bzw, der Gehäuseeinheil abströmt.
[0058] Beispielsweise ist in Fig. 4Ä. und 4B dargestel.lt, dass die Niederdruckturbine und die Hochdrackturbine das Abgas radial abströmen und die Hochdrackturbine das Abgas in im Wesentlichen vertikaler Richtung über den Hochdruckturbinenauslass 112 an die Niederdracktufbineneinheit weiterleitet. Die Niederdruckturbineneinheit weist als Niederdruckturbine 123 eine Turbine mit umgekehrter Strömung auf, bei der das Abgas radial angeströmt (und axial abgeströmt) wird. Dadurch ist eine gerade vertikale Anströmung ohne die in Fig. 3A und 3B dargestellte Umlenkung, sowie eine besonders kompakte Anordnung möglich. Ferner vorteilhaft ist, dass durch den modularen Aufbau somit sowohl, der Normalbetrieb (wie in Fig. 3A und 3B illustriert) als auch ein Betrieb mit umgekehrter Strömung (wie in Fig. 3.A und 3B illustriert) mit denselben Gehäuseeinheiten für die Hoch- und Niederdruektu.rbolad.eranordnu.ngen gewährleistet werden kann.
[0059] Es ist zu verstehen, dass Ausfuhrungsformen, wie sie hier beschrieben sind, den Vorteil bieten, dass zwei oder mehr getrennte Turbinen so beabstandet werden können, dass der Abgasstrom, der durch die Abgasleitung auf kürzestem Wege von der Hoehdruekturbine zur Niederdruckturbine geleitet wird, optimiert wird. Dies ermöglicht die Eliminierung von Verbindungsrohren innerhalb der verschiedenen Turbinenstufen, und die Turbine mit umgekehrter Strömung ermöglicht es den. heißen Gasen, durch die verschiedenen Stufen zu strömen, wobei die natürliche Strömung der Gase nur minimal gestört wird.
[0060] Während sich das Vorstehende auf Ausflihnmgsformen der Offenbarung, bezieht, können andere und weitere Ausfuhrungsformen der Offenbarung ausgearbeitet werden, ohne vom grundlegenden Umfang der Offenbarung abzuweichen, und der Umfang der Offenbarung wird durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Mehrstufige Turbo iaderanordnung (100), umfassend: eine Hochd.ruckturboladereinh.eit ( 110) umfassend eine erste Gehäuseeinlieit (.134), eine Hoch.drocktiurb.ine (i 13) und einen Hochdruckverdichter (114), wobei die Hochdruckturbine (113) und der Hochdruckverdichter (1144 über eine Hochdruckturbolader- Welle rotativ aneinander gekoppelt sind; eine Ni.ed.erdraek.turboladerein.heit (120) umfassend eine zweite Gehäuseeinheit (136), eine Niederdruckturbine (123) und einen Niederdruckverdichter (124), wobei die Niederdruckturbine (123) und der Niederdruckverdichter (124) über eine Niederdruckturbolader- Welle rotativ aneinander gekoppelt sind, wobei die Hochdruckturbine (1. 13) über eine Abgasleitung (1.32) fluidisch an die Niederdruckturbine (123) gekoppelt ist, um. Abgas von der Hochdruckturbine (1.13) zu der Niederdruckturbine (123) zu leiten, und wobei der Niederdruckverdichter (124) über eine Leitung fluidisch an den Hochdruckverdichter (114) gekoppelt ist, um ein Fluid von dem Niederdruckverdichter (1.24) zu. dem Hochdruckverdichter (114) zu leiten, und wobei die Hochdruckturboladereinheit (HO) und die Niederdruckturboladereinheit (120) lösbar miteinander verbunden sind, und wobei, die Niederdruckturboladereinheit (120) mindestens 50% oder mehr eines Gewichts der Hochdruckturboladereinheit (110) im montierten Zustand trägt.
2, Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß Anspruch 1, wobei, die Abgasleitung (132) einen in der Hochdruckturholadereinheit ( 110) verlaufenden, sich in eine Strömungsrichtung aufweitenden Diffusorabschnitt umfasst.
3. Die mehrstufige Turbo Iaderanordnung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Abgasleitung
(132) einen in. der Hochdruckturboladereinheit (110) verlaufenden, sich in eine Strömungsrichtung konisch verengenden Leitungsabschni.lt umfasst. 4, Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Diffusorabschnitt oder der konisch verengende Leitungsabschnitt vollständig innerhalb der ersten Gehäuseeinheit ( 134) und/oder der zweiten Gehäuseeinheit ( 136) verläuft.
5, Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei der Diffusorabschnitt oder der konisch verengende Leitungsabschnitt eine Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Gehäuseeinheit ( 134, 136) durchläuft oder an die Grenzfläche angrenzt.
6, Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß Anspruch 5, wobei die Grenzfläche einen Gaseinlass (137) umfasst, wobei der Diffusorabschnilt (132) oder der konisch verengende
Leitungsabschnitt an den Gaseinlass angrenzt.
7. Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abgasleitung vollständig innerhalb der ersten und zweiten Gehäuseeinheit (134, 136) verläuft
8. Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abgasleitung eine Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten
Gehäuseeinheit (134, 136) durchläuft.
9. Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß einem, der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Gehäuseeinheit (134) und die zweite Gehäuseeinheit (136) jeweils einen die Abgasleitung umlaufenden Flansch teil aufweisen, und wobei die erste Gehäuseeinheil (134) und die zweite Gehäuseeinheit ( 136) an den Flanschteilen miteinander lösbar verbunden sind.
10. Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei sieh der Diffusorabschnitt oder der konisch verengende Leitungsabschnitt über mehr als 50% einer Länge der Abgasleitung (132) erstreckt, insbesondere über mehr als 80% der Länge der Abgasleitung, insbesondere über mehr als 90% der Länge der Abgasleitung erstreckt.
11. Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß einem, der vorstehenden Ansprüche, wobei, auf eine horizontale Ebene projiziert, ein Masseschwerpunkt der Hochdruckturboladereinheit (110) im Wesentlichen gleich einem. Masseschwerpunkt der Niederdruckeinheit (120) ist.
12. Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hochdruckturbolader-Welle um eine erste Rotationsachse rotierbar ist und die Niederdrucklurbolader-Welle um eine zweite Rotationsachse rotierbar ist, und wobei die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse parallel zueinander angeordnet sind oder die erste Rotationsachse nicht-parallel in Bezug auf die zweite Rotationsache versetzt angeordnet ist.
13. Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß Anspruch 12, wobei die erste Rotationsachse in Bezug auf die zweite Rotationsache horizontal um einen Winkel von 90° versetzt angeordnet ist oder die erste Rotationsachse in Bezug auf die zweite Rotationsache vertikal um einen Winkel von 90° versetzt angeord.net ist.
14. Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Gehäuseeinheit (134) ein Abblaseelement zur Bereitstellung einer Vorrichtung zur Begrenzung eines Ladedrucks aufweist und/oder wobei die zweite Gehäuseeinheit (136) einen
Niederdruckverdichter-Luftauslass aufweist, insbesondere zw Versorgung eines Zwischenkühlers mit Nied.erdrucklu.fl, und. die erste Gehäuseeinheit (134) einen Hochdruck Verdichter -Lufteinlass aufweist, insbesondere zum Einlass der gekühlten Ladeluft
15. Die mehrstufige Turboladeranordnung (100) gemäß einem, der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eins der folgenden a) bis d) gilt: a) die Niederdruckturbine (123) ist so angeordnet, dass das Abgas in axialer Richtung eingelassen und, dass das Abgas in radialer Richtung ausgelassen wird; b) die Niederdruckturbine (123) ist so angeordnet, dass das Abgas in radialer Richtung eingelassen und, dass das Abgas in axialer Richtung ausgelassen wird; c) die Hochdruckturbine (113) ist so angeordnet, dass das Abgas in axialer Richtung entlassen und, dass das Abgas in radialer Richtung ausgelassen wird; d) die Hochdruckturbine (113) ist so angeordnet, dass das Abgas in radialer Richtung eingelassen und, dass das Abgas in axialer Richtung ausgelassen wird.
EP21770267.9A 2020-09-14 2021-09-10 Mehrstufige turboladeranordnung Withdrawn EP4211341A1 (de)

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