WO2008125555A1 - Turboladeranordnung - Google Patents

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WO2008125555A1
WO2008125555A1 PCT/EP2008/054242 EP2008054242W WO2008125555A1 WO 2008125555 A1 WO2008125555 A1 WO 2008125555A1 EP 2008054242 W EP2008054242 W EP 2008054242W WO 2008125555 A1 WO2008125555 A1 WO 2008125555A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
turbocharger
turbine
compressor
arrangement according
housing
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/054242
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Atzler
Schahier El-Garrahi
Roy Haworth
Francis Heyes
Achim Koch
Original Assignee
Napier Turbochargers Limited
Continental Automotive Gmbh
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Filing date
Publication date
Family has litigation
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Application filed by Napier Turbochargers Limited, Continental Automotive Gmbh filed Critical Napier Turbochargers Limited
Publication of WO2008125555A1 publication Critical patent/WO2008125555A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/013—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust-driven pumps arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/004—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust drives arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/40—Application in turbochargers
    • 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

  • turbocharger assembly with a housing which allows a compact construction and wherein the turbocharger assembly can be easily connected to an associated engine of a vehicle, for example a passenger car.
  • the invention provides a turbocharger assembly having a housing connectable to an internal combustion engine, the turbocharger assembly having a first turbocharger and a second turbocharger each consisting of at least one compressor and a turbine, the two shafts of the turbochargers being juxtaposed in a longitudinal direction are arranged, and wherein the compressors are each arranged on the outside of the respective shaft and the turbines on the inside of the respective shaft.
  • Such a turbocharger arrangement has the advantage that, on the one hand, two turbochargers can be combined with each other and a compact construction can be achieved. Furthermore, the two turbochargers are arranged in a housing, which can be connected, for example, as a whole with its inputs and outlets later with an internal combustion engine, in contrast to known turbocharger arrangements, in which a plurality of housing must be connected to an internal combustion engine.
  • the turbine of the first turbocharger is connectable to an exhaust gas inlet and the turbine of the second turbocharger to an exhaust gas outlet.
  • the first turbine can be bypassed via a bypass, so that it can be switched on depending on a respective operating state or partially or almost or substantially completely bypassed.
  • the compressor of the first turbocharger on an air inlet and is connected via a first line to the compressor of the second turbocharger.
  • the compressor of the second turbocharger in this case has an air outlet, which is connectable to an internal combustion engine to supply compressed air to the combustion cylinders.
  • a second bypass can be provided to bypass the compressor of the second turbocharger.
  • a first cooler device is arranged in the line between the compressor of the first turbocharger and the compressor of the second turbocharger, in which compressed air is first cooled before it is fed to the compressor of the second turbocharger. This has the advantage that the compressor power of the compressor of the second turbocharger can be increased when the hot air of the compressor of the first turbocharger is first cooled between.
  • a third bypass for bypassing the cooler device is provided. This has the advantage that in operating conditions in which an intermediate cooling is not required, this can be bypassed and the air can be forwarded without intercooling, either at the compressor of the second turbocharger o- bypassing the compressor via the second bypass directly to the internal combustion engine.
  • a cooler device can be arranged after the compressor of the second turbocharger to cool compressed air before passing it into a connected internal combustion engine.
  • This cooling device can replace the cooling device between the two compressors or be provided in addition to this.
  • the turbine of the first turbocharger is a radial turbine and the turbine of the second turbocharger is an axial turbine.
  • the axial turbine has the advantage that it is particularly suitable for a compact design.
  • Fig. 1 is a schematic view of an embodiment of the turbocharger arrangement according to the invention with three variants.
  • Fig. 1 is an embodiment of an inventive
  • Turbocharger arrangement shown.
  • a high-pressure turbocharger 10 and a low-pressure turbocharger 12 are combined, each consisting of a high pressure turbine 14 and a high pressure compressor 16 and a low pressure turbine 18 and a low pressure compressor 20.
  • the turbocharger arrangement according to the invention in this case forms a two-stage turbine and a two-stage compressor.
  • a first stage for example, a radial high-pressure turbine 14 and a high-pressure compressor 16 are provided, while in the second stage, an axial low-pressure turbine 18 and a low-pressure compressor 20 are provided.
  • the radial high-pressure turbine 14 and its high-pressure compressor 16 are rotatably mounted on a shaft 22 about the longitudinal axis.
  • the housing sections may consist of a compressor housing section, a bearing housing section and a turbine housing section in which the first and second turbochargers 10, 12 are arranged.
  • the housing sections of the two turbochargers can be connected together to form an overall housing 26, wherein individual or all housing sections are detachably connected to each other. This has the advantage over individual housings, as used in the prior art, that a compact housing 26 can be connected to an internal combustion engine.
  • Another advantage of the detachable attachment of the housing sections is that the turbocharger assembly is more easily accessible, for example during an inspection or repair.
  • the turbine wheels 30, 34 of the high-pressure and low-pressure turbine 10, 12 are arranged, for example, respectively on the inside of the shaft 22, 24, while the associated compressor wheels 32, 36 of the compressor 16, 20 arranged on the outside of the corresponding shaft 22, 24 are.
  • the shafts 22, 24 of the high-pressure and low-pressure turbocharger 10, 12 are preferably arranged in a row or a longitudinal axis, as shown in Fig. 1.
  • the turbocharger arrangement is connected to an internal combustion engine 38 with combustion cylinders 40 or an internal combustion engine.
  • exhaust gas from the combustion cylinders 40 is passed via an exhaust gas inlet 42 into the radial high-pressure turbine 14 of the first stage to drive the turbine wheel 30.
  • the exhaust gas thereafter continues to flow axially away from the radial high pressure turbine wheel 30 and impinges Guide vanes 44, which are arranged radially, for example, about the shaft 24 of the axial low-pressure turbine 18.
  • the guide vanes 44 may be stationary or optionally movable, wherein the movable vanes 44 are designed to be controllable according to a control.
  • the exhaust gas then impinges on the axial low-pressure turbine 18 and drives the turbine wheel 34, in order then to be discharged via an exhaust gas outlet 46.
  • a first bypass or first waste gate line 48 may be provided between the turbines 14, 18 of the first and second stages to provide the first stage of the turbocharger arrangement, i. bypass the high pressure turbine 14.
  • a valve device 50 is provided in connection with the first waste gate line 48 in order to control the flow through the first waste gate line 48.
  • the high-pressure compressor 16 of the first stage is supplied via an air inlet 52 air, wherein the supplied air is compressed.
  • the air compressed in the high-pressure compressor 16 of the first stage is fed to the low-pressure compressor 20 of the second stage via a line 54 and further compressed there before the compressed air is supplied to the internal combustion engine 38.
  • a second bypass or a second wastegate line 58 may be provided, with which the low-pressure compressor 20 of the second stage can be bypassed.
  • the air compressed in the high-pressure compressor 16 instead of being supplied to the low-pressure compressor 20 can be supplied directly to the internal combustion engine 38.
  • a valve device 60 is also provided in connection with the second wastegate line 58 in order to control the flow through the second wastegate line 58.
  • the control of, for example, the valves 50, 60 for the bypasses 48, 58 serves to achieve the necessary boost pressure by the combination of the two turbines or compressors which is most suitable for the respective load and rotational speed point with respect to parameters, such as the power, the response, the fuel consumption, the driveability, etc.
  • turbine valves or compressor valves (not shown) can also be appropriately controlled in addition to the previously mentioned valves.
  • the air compressed in the high-pressure compressor 16 of the first stage can optionally be fed to an intercooler 62.
  • a third bypass or a third waste-gate 56 line can be provided to selectively bypass the cooler 62.
  • a corresponding cooler 62 and the third waste gate line 56 for bypassing the cooler 62 is provided in the line 54 which connects the high pressure compressor 16 to the low pressure compressor 20.
  • the flow through the third wastegate line 56 is controlled via a corresponding valve device 66.
  • the compressed air is cooled and supplied to the low-pressure compressor 20 of the second stage.
  • the cooler 62 may be, for example, a water / air heat exchanger or an air / air heat exchanger.
  • the cooler 62 has the advantage that higher compression in the low pressure compressor 20 can be achieved if the air has been previously cooled.
  • the cooling Device 62 are bypassed via the third waste gate line 56.
  • a further cooler 64 may be provided between the low-pressure compressor 20 of the second stage and the combustion cylinders 40 of the internal combustion engine 38.
  • the air which was first compressed in the high-pressure compressor 16 of the first stage is then passed via the corresponding line 54 to the low-pressure compressor 20 of the second stage and further compressed there.
  • a cooler 64 is provided subsequent to the low-pressure compressor 20 of the second stage to cool the compressed air before it is supplied to the combustion cylinders 40 of the internal combustion engine 38.
  • the third variant may also have the first and second wastegate lines 48, 58.
  • the cooling device 62 between the high-pressure compressor and the low-pressure compressor 16, 20 in the line 54 and the third bypass 56 may additionally be provided, as previously described with reference to the second variant. That is, after compression in the high pressure compressor 16 of the first stage, the air may first be intercooled in the cooler 62 and then passed to the second stage low pressure compressor 20. There, the cooled air is further compressed and further cooled in the adjoining cooler 64 before it is supplied to the combustion cylinders 40 of the internal combustion engine 38. The cooler device 62 can be bypassed via the third bypass 58.
  • an axial turbine is used as turbine 18 of the second stage or of the low-pressure turbocharger 12.
  • the axial turbine has the advantage that it is particularly suitable for a compact design.
  • a deflection of a flow in the radial turbine wheel takes place from a radial to an axial direction and vice versa, takes place in the axial turbine no deflection of the flow.
  • a combination of two axial turbines may also be used.
  • the power limit of the turbines is approximately 300 kW. Accordingly, in two axial turbines, the inlet and outlet for the turbines must be formed axially.
  • two radial turbines can be combined.
  • the various variants of the embodiment according to the invention can be combined with each other, in particular individual features thereof.
  • the cooling devices 62, 64 and / or bypasses of the individual variants can be combined, in particular the first variant can be combined with the cooling devices 62, 64 and further bypasses of the second and third variants.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Turboladeranordnung mit einem Gehäuse, dass mit einer Brennkraftmaschine verbindbar ist, wobei die Turboladeranordnung einen ersten Turbolader und einen zweiten Turbolader aufweist bestehend jeweils aus wenigstens einem Verdichter und einer Turbine, wobei die beiden Wellen der Turbolader in einer Reihe in Längsrichtung zueinander angeordnet sind, und wobei die Verdichter jeweils auf der Außenseite der jeweiligen Welle angeordnet sind und die Turbinen auf der Innenseite der jeweiligen Welle.

Description

Beschreibung
Turbo1aderanordnung
Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung mit einem Gehäuse, wobei die Turboladeranordnung zwei Turbolader miteinander kombiniert und in einem Gehäuse unterbringt.
Um den Kraftstoffverbrauch bei Kraftfahrzeugen zu reduzieren besteht derzeit eine Tendenz Motoren zu verkleinern (downsi- zing) . Dabei wird ein bezogen auf das Zylindervolumen verhältnismäßig kleiner Motor mit einem Turbolader gekoppelt, um eine maximale Leistung zu erzielen verglichen mit großvolumi- gen, weniger effizienten Motoren. Die Unterschiede bezüglich Reibungsverlusten zwischen einem großen und einem kleinen Motor wirken sich direkt auf den Kraftstoffverbrauch aus. So kann der Kraftstoffverbrauch bei einem kleineren Motor reduziert werden, da bei ihm geringere Reibungsverluste auftreten. Um einen möglichst hohen Grad bei der Verkleinerung bzw. dem Downsizing des Motors zu erzielen, ist es von besonderer Bedeutung, dass der Turbolader und der Motor sehr gut aufeinander abgestimmt sind. Neben der Erzielung einer maximalen Leistung, ist es auch wichtig das Übertragungsverhalten des Motors so zu verbessern, dass ein Turboloch von einem Fahrer nicht wahrgenommen wird. In diesem Zusammenhang ist auch anzumerken, dass von Fahrern von Fahrzeugen mit einem verkleinerten Motor häufig das Anfahrverhalten beanstandet wird.
Aus dem Stand der Technik, wie er beispielsweise in der EP 1 291 505 offenbart ist, ist eine Turboladeranordnung für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Turboladeranordnung eine zweistufige Turbine und einen zweistufigen Verdichter aufweist. Die zweistufige Turbine der Turboladeranordnung weist in einer ersten Stufe ein radiales Turbinenrad und in der zweiten Stufe ein axiales Turbinenrad auf. Das radiale und axiale Turbinenrad sind dabei auf einer gemeinsamen Welle drehbar gelagert. Durch einen Spiralgehäuseabschnitt strömt Abgas zu dem radialen Turbinerad und treibt dieses an. Danach strömt das Abgas weiter in axialer Richtung weg von dem radialen Turbinenrad und trifft auf Leitschaufeln, die radial um die Welle zwischen dem radialen Turbinenrad und der axialen Turbine angeordnet sind. Das Abgas trifft danach auf die FIu- gel der Axialturbine. Über die zweistufige Turbine wird der zweistufige Verdichter angetrieben. Dieser enthält einen ersten und einen zweiten Verdichter, welche Luft nacheinander verdichten, um ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis zu erzielen .
Eine solche zweistufige Turboladeranordnung, wie zuvor beschrieben, bildet derzeit eine Maßnahme, um das thermodynami- sche Zusammenpassen von Motor und Turboladereinheit zu verbessern .
Die Nachteile des zweistufigen Turboladers liegen jedoch in der Anordnung der Turboladerelemente in dem Motorengehäuse und der Verbindung mit einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs .
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turboladeranordnung mit einem Gehäuse zu schaffen, das einen kompakten Aufbau erlaubt und wobei die Turboladeranordnung einfach mit einem zugeordneten Motor eines Fahrzeugs, bei- spielsweise eines Pkws, verbunden werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Turboladeranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß wird erfindungsgemäß eine Turboladeranordnung bereitgestellt mit einem Gehäuse, das mit einer Brennkraftmaschine verbindbar ist, wobei die Turboladeranordnung einen ersten Turbolader und einen zweiten Turbolader aufweist bestehend jeweils aus wenigstens einem Verdichter und einer Turbine, wobei die beiden Wellen der Turbolader in einer Reihe in Längsrichtung zueinander angeordnet sind, und wobei die Verdichter jeweils auf der Außenseite der jeweiligen Welle angeordnet sind und die Turbinen auf der Innenseite der jeweiligen Welle.
Eine solche Turboladeranordnung hat den Vorteil, dass einerseits zwei Turbolader miteinander kombiniert werden können und dabei ein kompakter Aufbau erzielt werden kann. Des Weiteren sind die beiden Turbolader in einem Gehäuse angeordnet, das beispielsweise als Ganzes mit seinen Ein- und Auslässen später mit einer Brennkraftmaschine verbunden werden kann, im Gegensatz zu bekannten Turboladeranordnungen, bei denen mehrere Gehäuse mit einer Brennkraftmaschine verbunden werden müssen .
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Turbine des ers- ten Turboladers mit einem Abgaseinlass verbindbar und die Turbine des zweiten Turboladers mit einem Abgasauslass . Die erste Turbine kann dabei über einen Bypass umgangen werden, so dass sie abhängig von einem jeweiligen Betriebszustand zugeschaltet oder teilweise oder nahezu bzw. im Wesentlichen vollständig umgangen werden kann.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist der Verdichter des ersten Turboladers einen Lufteinlass auf und ist über eine erste Leitung mit dem Verdichter des zweiten Turboladers verbunden. Der Verdichter des zweiten Turboladers weist dabei einen Luftauslass auf, der mit einer Brennkraftmaschine verbindbar ist, um verdichtete Luft den Verbrennungszylindern zuzuführen. Dabei kann ein zweiter Bypass vorgesehen werden, um den Verdichter des zweiten Turboladers zu umgehen. Dadurch kann beispielsweise beim Anfahren mit einer niedrigen Drehzahl, die verdichtete Luft des ersten Verdichters direkt der Brennkraftmaschine zugeführt werden. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Leitung zwischen dem Verdichter des ersten Turboladers und dem Verdichter des zweiten Turboladers eine erste Kühlereinrichtung angeordnet, in der verdichtete Luft zuerst gekühlt wird, bevor sie dem Verdichter des zweiten Turboladers zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Verdichterleistung des Verdichters des zweiten Turboladers gesteigert werden kann, wenn die heiße Luft des Verdichters des ersten Turboladers zunächst zwischengekühlt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein dritter Bypass zum Umgehen der Kühlereinrichtung vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass in Betriebszuständen in denen eine Zwischenkühlung nicht erforderlich ist, diese umgangen werden kann und die Luft ohne Zwischenkühlung weitergeleitet werden kann, entweder an den Verdichters des zweiten Turboladers o- der bei Umgehen des Verdichters über den zweiten Bypass direkt an die Brennkraftmaschine.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann nach dem Verdichter des zweiten Turboladers eine Kühlereinrichtung angeordnet sein, um verdichtete Luft vor dem Weiterleiten in eine angeschlossene Brennkraftmaschine zu kühlen. Diese Kühleinrichtung kann dabei die Kühleinrichtung zwischen den bei- den Verdichtern ersetzten oder zusätzlich zu dieser vorgesehen sein.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Turbine des ersten Turboladers eine Radialturbine und die Turbine des zweiten Turboladers eine Axialturbine. Die Axialturbine hat dabei den Vorteil, dass sie sich besonders für eine kompakte Bauweise eignet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der schemati- sehen Figur der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein schematische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung mit drei Varianten.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Turboladeranordnung dargestellt. Bei der dargestellten erfindungsgemäßen Turboladeranordnung werden ein Hochdruckturbolader 10 und ein Niederdruckturbolader 12 miteinander kombiniert, die jeweils aus einer Hochdruckturbine 14 und einem Hochdruckverdichter 16 und einer Niederdruckturbine 18 und einem Niederdruckverdichter 20 bestehen.
Die erfindungsgemäße Turboladeranordnung bildet hierbei eine zweistufige Turbine und einen zweistufigen Verdichter. In ei- ner ersten Stufe ist dabei beispielsweise eine radiale Hochdruckturbine 14 und ein Hochdruckverdichter 16 vorgesehen, während in der zweiten Stufe eine axiale Niederdruckturbine 18 und ein Niederdruckverdichter 20 vorgesehen sind.
Die radiale Hochdruckturbine 14 und ihr Hochdruckverdichter 16 sind dabei auf einer Welle 22 um die Längsachse drehbar gelagert. Das selbe gilt entsprechend für die axiale Niederdruckturbine 18 und ihren Niederdruckverdichter 20, die ebenfalls auf einer separaten Welle 24 um eine Längsachse drehbar gelagert sind. Der Hochdruck- und der Niederdruckturbolader
10, 12 sind beide in einem gemeinsamen Gehäuse 26 angeordnet, wobei die beiden Turbinen 14, 18 sich wahlweise ein gemeinsames Strömungsgehäuse 28 teilen können oder jeweils für sich ein eigenes Strömungsgehäuse bzw. Turbinengehäuse aufweisen.
Ein gemeinsames Gehäuse 26 in dem beide Turbolader 10, 12 angeordnet sind besteht beispielsweise aus zwei oder mehreren Gehäuseabschnitten die aneinander befestigt werden, um ein kompaktes Gehäuse 26 zu bilden, das mit der Brennkraftmaschi- ne verbunden werden kann. Dabei können die beiden Turbolader 10, 12 mit ihren Wellen 22, 24 beispielsweise jeweils in einem ersten und zweiten Gehäuseabschnitt angeordnet sein, wo- bei die beiden Gehäuseabschnitte über eine Flanschverbindung lösbar miteinander verbunden werden können.
Denkbar sind auch mehr als zwei Gehäuseabschnitte. So können die Gehäuseabschnitte aus einem Verdichtergehäuseabschnitt, einem Lagergehäuseabschnitt und einem Turbinengehäuseab- schnitt bestehen in welchen der erste bzw. zweite Turbolader 10, 12 angeordnet ist. Die Gehäuseabschnitte der beiden Turbolader können dabei miteinander zu einem Gesamtgehäuse 26 verbunden werden, wobei einzelne oder alle Gehäuseabschnitte lösbar miteinander verbunden sind. Dies hat den Vorteil gegenüber einzelnen Gehäusen, wie sie im Stand der Technik verwendet werden, dass ein kompaktes Gehäuse 26 mit einer Brennkraftmaschine verbunden werden kann. Ein weitere Vorteil durch die lösbare Befestigung der Gehäuseabschnitte ist, dass die Turboladeranordnung beispielsweise bei einer Inspektion oder Reparatur leichter zugänglich ist.
Die Turbinenräder 30, 34 der Hochdruck- und Niederdruckturbi- ne 10, 12 sind beispielsweise jeweils auf der Innenseite der Welle 22, 24 angeordnet, während die zugehörigen Verdichterräder 32, 36 der Verdichter 16, 20 auf der Außenseite der entsprechenden Welle 22, 24 angeordnet sind. Die Wellen 22, 24 des Hochdruck- und Niederdruckturboladers 10, 12 sind vor- zugsweise in einer Reihe bzw. einer Längsachse angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Die beiden Verdichter 16, 20 des Hochdruck- und Niederdruckturboladers 10, 12 sind beispielsweise als radiale Verdichter ausgebildet.
Die Turboladeranordnung ist dabei mit einer Brennkraftmaschine 38 mit Verbrennungszylindern 40 bzw. einem Verbrennungsmotor verbunden. Dabei wird Abgas aus den Verbrennungszylindern 40 über einen Abgaseinlass 42 in die radiale Hochdruckturbine 14 der ersten Stufe geleitet, um deren Turbinenrad 30 anzutreiben. Das Abgas strömt danach weiter in axialer Richtung weg von dem radialen Hochdruckturbinenrad 30 und trifft auf Leitschaufeln 44, die radial beispielsweise um die Welle 24 der axialen Niederdruckturbine 18 angeordnet sind. Die Leitschaufeln 44 können dabei feststehend oder wahlweise beweglich angeordnet sein, wobei die beweglichen Leitschaufeln 44 über eine Steuerung entsprechend steuerbar ausgebildet sind. Das Abgas trifft dann anschließend auf die axiale Niederdruckturbine 18 und treibt deren Turbinenrad 34 an, um dann über einen Abgasauslass 46 abgeführt zu werden.
Zwischen den Turbinen 14, 18 der ersten und zweiten Stufe kann dabei ein erster Bypass bzw. eine erste Waste-Gate Leitung 48 vorgesehen werden, um die erste Stufe der Turboladeranordnung, d.h. die Hochdruckturbine 14 zu umgehen. Dabei ist eine Ventileinrichtung 50 in Verbindung mit der ersten Waste-Gate Leitung 48 vorgesehen, um die Strömung durch die erste Waste-Gate Leitung 48 zu steuern.
Dem Hochdruckverdichter 16 der ersten Stufe wird über einen Lufteinlass 52 Luft zugeführt, wobei die zugeführte Luft ver- dichtet wird.
In einer ersten Variante der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung, wird die im Hochdruckverdichter 16 der ersten Stufe verdichtete Luft dem Niederdruckverdich- ter 20 der zweiten Stufe über eine Leitung 54 zugeführt und dort weiter verdichtet bevor die verdichtete Luft der Brennkraftmaschine 38 zugeführt wird.
Hierbei kann wahlweise ein zweiter Bypass bzw. eine zweite Waste-Gate Leitung 58 vorgesehen werden, mit der der Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe umgangen werden kann. Dabei kann die im Hochdruckverdichter 16 verdichtete Luft statt erst dem Niederdruckverdichter 20 zugeführt zu werden direkt der Brennkraftmaschine 38 zugeführt werden. Dazu ist ebenfalls eine Ventileinrichtung 60 in Verbindung mit der zweiten Waste-Gate Leitung 58 vorgesehen, um die Strömung durch die zweite Waste-Gate Leitung 58 zu steuern. Die Ansteuerung beispielsweise der Ventile 50, 60 für die By- pässe 48,58 dient dazu den notwendigen Ladedruck durch die für den jeweiligen Last- und Drehzahlpunkt geeignetste Kombination der beiden Turbinen bzw. Verdichter zu erreichen in Bezug auf Parameter, wie beispielsweise die Leistung, das Ansprechverhalten, den Kraftstoffverbrauch, die Fahrbarkeit usw.. Die Aufzählung der Parameter ist dabei rein beispielhaft und nicht abschließend. Auch können neben den zuvor genannten Ventilen auch wahlweise Turbinen- bzw. Verdichterven- tile (nicht dargestellt) entsprechend gesteuert werden.
In einer zweiten Variante der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers, kann, im Gegensatz zu der ersten Variante, die in dem Hochdruckverdichter 16 der ersten Stufe ver- dichtete Luft wahlweise einer Zwischenkühlereinrichtung 62 zugeführt. Dabei kann ein dritter Bypass bzw. eine dritte Waste-Gate 56 Leitung vorgesehen werden, um wahlweise die Kühlereinrichtung 62 zu umgehen.
Hierzu ist in der Leitung 54 die den Hochdruckverdichter 16 mit dem Niederdruckverdichter 20 verbindet eine entsprechende Kühlereinrichtung 62 und die dritten Waste-Gate Leitung 56 zum Umgehen der Kühlereinrichtung 62 vorgesehen. Die Strömung durch die dritte Waste-Gate Leitung 56 wird dabei über eine entsprechende Ventileinrichtung 66 gesteuert.
In der Kühlereinrichtung 62 wird die verdichtete Luft gekühlt und dem Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe zugeführt. Die Kühlereinrichtung 62 kann dabei beispielsweise ein Was- ser/Luft Wärmetauscher sein oder ein Luft/Luft Wärmetauscher. Die Kühlereinrichtung 62 hat den Vorteil, dass eine höhere Verdichtung in dem Niederdruckverdichter 20 erzielt werden kann, wenn die Luft zuvor gekühlt wurde.
Nachdem die gekühlte Luft in dem Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe weiter verdichtet wurde, wird sie den Verbrennungszylindern 40 der Brennkraftmaschine 38 zugeführt. Soll keine Zwischenkühlung der Luft erfolgen, so kann die Küh- lereinrichtung 62 über die dritte Waste-Gate Leitung 56 umgangen werden.
In einer dritten Variante kann, im Gegensatz zu der Küh- lereinrichtung 62 der zweiten Variante wahlweise zusätzlich oder alternativ zu der ersten Kühlereinrichtung 62 eine weitere Kühlereinrichtung 64 vorgesehen werden und zwar zwischen dem Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe und den Verbrennungszylindern 40 der Brennkraftmaschine 38.
Die Luft die in dem Hochdruckverdichter 16 der ersten Stufe zunächst verdichtet wurde, wird anschließend über die entsprechende Leitung 54 zum Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe geleitet und dort weiter verdichtet. Gemäß der dritten Variante ist im Anschluss an den Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe eine Kühlereinrichtung 64 vorgesehen, um die verdichtete Luft abzukühlen bevor sie den Verbrennungszylindern 40 der Brennkraftmaschine 38 zugeführt wird. Wie in der ersten und zweiten Variante kann auch die dritte Variante die erste und zweite Waste-Gate Leitung 48, 58 aufweisen.
Wahlweise kann bei der dritten Variante zusätzlich auch die Kühlereinrichtung 62 zwischen dem Hochdruck- und dem Nieder- druckverdichter 16, 20 in der Leitung 54 und der dritte Bypass 56 vorgesehen werden, wie zuvor mit Bezug auf die zweite Variante beschrieben wurde. Das bedeutet, dass die Luft nachdem Verdichten im Hochdruckverdichter 16 der ersten Stufe zunächst in der Kühlereinrichtung 62 zwischengekühlt und an- schließend zu dem Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe geleitet werden kann. Dort wird die gekühlte Luft weiter verdichtet und in der daran anschließenden Kühlereinrichtung 64 weiter gekühlt bevor sie den Verbrennungszylindern 40 der Brennkraftmaschine 38 zugeführt wird. Über den dritten Bypass 58 kann dabei die Kühlereinrichtung 62 umgangen werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere sind die zuvor beschriebenen Varianten miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon .
Gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen bzw. Varianten wird eine axiale Turbine als Turbine 18 der zweiten Stufe bzw. des Niederdruckturboladers 12 verwendet. Die axiale Turbine hat den Vorteil, dass sie sich insbesondere für eine kompakte Bauweise eignet. Im Gegensatz zu der radialen Turbine, bei der eine Umlenkung einer Strömung im radialen Turbinenrad von einer radialen in eine axiale Richtung erfolgt und umgekehrt, erfolgt bei der axialen Turbine keine Umlenkung der Strömung. Bei größeren Durchmessern kann neben der zuvor beschriebenen Kombination aus einer radialen Turbine und einer axialen Turbine auch eine Kombination aus zwei axialen Turbinen verwendet werden. Die Leistungsgrenze der Turbinen liegt hierbei bei ungefähr 300 kW. Entsprechend müssen bei zwei axialen Turbinen der Ein- und Auslass für die Turbinen axial ausgebildet werden.
Bei kleineren Durchmessern können auch beispielsweise zwei radiale Turbinen miteinander kombiniert werden.
Grundsätzlich können die verschiedenen Varianten der erfindungsgemäßen Ausführungsform miteinander kombiniert werden, insbesondere einzelne Merkmale davon. Dabei können beispielsweise die Kühleinrichtungen 62, 64 und/oder Bypässe der einzelnen Varianten miteinander kombiniert werden, insbesondere kann die erste Variante mit den Kühleinrichtungen 62, 64 und weiteren Bypässen der zweiten und dritten Variante kombiniert werden .

Claims

Patentansprüche
1. Turboladeranordnung mit einem Gehäuse (26), dass mit einer Brennkraftmaschine (38, 40) verbindbar ist, a) wobei die Turboladeranordnung einen ersten Turbolader (10) und einen zweiten Turbolader (12) aufweist bestehend jeweils aus wenigstens einem Verdichter (16, 20) und einer Turbine (14, 18), b) wobei die beiden Wellen (22, 24) der Turbolader (10, 12) in einer Reihe in Längsrichtung zueinander angeordnet sind, und c) wobei die Verdichter (16, 20) jeweils auf der Außenseite der jeweiligen Welle (22, 24) angeordnet sind und die Turbi- nen (14, 18) auf der Innenseite der jeweiligen Welle (22, 24) .
2. Turboladeranordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Turbinenrad (30) und ein Verdichterrad (32) der Turbine bzw. des Verdichters des ersten Turboladers (10) auf der ersten Welle (22) angeordnet sind und ein Turbinenrad (34) und ein Verdichterrad (36) der Turbine bzw. des Verdichters des zweiten Turboladers (12) auf der zweiten Welle (24) ange- ordnet sind und sich die beiden Turbinenräder (30, , 34) der Turbinen dabei im Wesentlichen gegenüberliegen.
3. Turboladeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbine (14) des ersten Turboladers mit einem Abgas- einlass (42) verbindbar ist und die Turbine (18) des zweiten Turboladers mit einem Abgasauslass (46).
4. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine erste Waste-Gate Leitung (48) zum Umgehen der ersten Turbine (14) vorgesehen ist.
5. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verdichter (16) des ersten Turboladers (10) einen Lufteinlass (52) aufweist und über eine Leitung (54) mit dem Verdichter (20) des zweiten Turboladers (12) verbunden ist.
6. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verdichter (20) des zweiten Turboladers einen Luf- tauslass (68) aufweist, der mit einer Brennkraftmaschine (38, 40) verbindbar ist.
7. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine zweite Waste-Gate Leitung (58) vorgesehen ist, um den Verdichter (20) des zweiten Turboladers zu umgehen.
8. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Leitung (54) zwischen dem Verdichter (16) des ersten Turboladers und dem Verdichter (20) des zweiten Turboladers eine erste Kühlereinrichtung (62) angeordnet ist, in der verdichtete Luft zuerst gekühlt wird, bevor sie dem Verdichter (20) des zweiten Turboladers zugeführt wird.
9. Turboladeranordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine dritter Waste-Gate Leitung (56) zum Umgehen der Kühlereinrichtung (62) in der Leitung (54) vorgesehen ist.
10. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass nach dem Verdichter (20) des zweiten Turboladers eine Kühlereinrichtung (64) angeordnet ist, um verdichtete Luft vor dem Weiterleiten in eine angeschlossene Brennkraftmaschine (38, 40) zu kühlen.
11. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbine (14, 18) des ersten Turboladers und/oder des zweiten Turboladers eine Radialturbine oder eine Axialturbine ist .
12. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbine (14) des ersten Turboladers eine Radialturbine und die Turbine (18) des zweiten Turboladers eine Axialturbine ist.
13. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verdichter (16, 20) des ersten und zweiten Turboladers Radialverdichter sind.
14. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen den beiden Turbinen Leitschaufeln (44) angeord- net sind, wobei die Leitschaufeln (44) feststehend oder beweglich ausgebildet sind.
15. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste Turbolader (10) eine Hochdruckturbolader ist und der zweite Turbolader (12) ein Niederdruckturbolader.
16. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuse (26) aus zwei Gehäuseabschnitten besteht die über einen Flansch lösbar miteinander verbunden sind, wobei in jedem Gehäuseabschnitt jeweils ein Turbolader (10, 12) mit seiner Welle (22, 24) angeordnet ist.
17. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuse (26) aus sechs Gehäuseabschnitten gebildet ist, und für jeden Turbolader (10, 12) einen Verdichtergehäuseabschnitt, einen Lagergehäuseabschnitt und einen Turbinen- gehäuseabschnitt aufweist.
18. Turboladeranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuse (26) jeweils wenigstens einen Luftein- und Luftauslass (52, 68) und einen Abgasein- und Abgasauslass (42, 46) aufweist, mit welchen eine Brennkraftmaschine (38, 40) später verbunden werden kann.
19. Brennkraftmaschine (38, 40) die mit einer Turboladeranordnung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18 versehen ist.
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