WO2016149728A1 - Mehrstufiger abgasturbolader - Google Patents

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WO2016149728A1
WO2016149728A1 PCT/AT2016/050077 AT2016050077W WO2016149728A1 WO 2016149728 A1 WO2016149728 A1 WO 2016149728A1 AT 2016050077 W AT2016050077 W AT 2016050077W WO 2016149728 A1 WO2016149728 A1 WO 2016149728A1
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compressor
coolant
exhaust gas
gas turbocharger
spiral channel
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PCT/AT2016/050077
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Prevedel
Original Assignee
Avl List Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/14—Casings modified therefor
    • 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
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0437—Liquid cooled heat exchangers
    • F02B29/0443—Layout of the coolant or refrigerant circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to a multistage exhaust gas turbocharger, in particular high-pressure turbocharger, for an internal combustion engine, with an exhaust turbine having at least one turbine impeller and a compressor with a first compressor stage with a first Ver Whyrlaufradabites and a second compressor stage with a second Ver Whyrlaufradabites, wherein Turbinenlaufrad and second and first Ver Whyrlaufradabites on a
  • the first compressor stage upstream of the first compressor impeller section has an axial compressor inlet port for connection to a fresh air line and downstream of the first compressor impeller section at least two first spiral channel arrangements arranged in at least two second spiral channel arrangements of the second upstream of the second compressor impeller section Go over compressor stage.
  • the invention further relates to an internal combustion engine having at least one such exhaust gas turbocharger.
  • Turbochargers with high pressure ratios are needed to provide high fuel economy, high horsepower, and improved emissions performance in internal combustion engines.
  • WO 2012/107481 Al describes a single-stage exhaust gas turbocharger having a turbine housing and a bearing housing connected to the turbine housing. The coolant is supplied via the turbine housing. Furthermore, DE 10 2013 203 376 AI describes a liquid-cooled single-stage radial turbine for an internal combustion engine, wherein in the turbine housing coolant channels are integrated.
  • DE 699 14 199 T2 shows a slow-running high-pressure turbocharger with a two-stage compressor, the turbine runner and the compressor wheel being connected to one another via a common shaft.
  • the compressor impeller has first impeller blades on a front side near an air inlet and second impeller blades on a rear side.
  • the compressed air is passed through a diffuser from the front to the back and from there into the inlet system.
  • EP 1 825 149 B1 discloses an exhaust-gas turbocharger in which annular gaps are formed between the front and rear sides of the two-stage compressor.
  • the material is subjected to high stresses due to the high temperatures. While the air at the air inlet has a temperature of approximately 25 ° C, the temperature increases to the second impeller blades at pressure ratios above 4 bar well above 200 ° C. Both the impeller blades and the turbocharger housing and the bearings are exposed to high thermal loads. It also comes from temperatures of about 180 ° C for coking of airborne in the air oil fractions, z. B. from blowby gases.
  • EP 1 957 802 Bl proposes in this respect to use temperature-resistant materials or to make provision in this respect bearing and wave design.
  • the object of the invention is to reduce the thermal load of a multi-stage exhaust gas turbocharger.
  • the invention allows cooling of the air in the exhaust gas turbocharger, either by cooling the precompressed air already in the first compressor stage, in the - - second compressor stage or in both compressor stages. This also results in a smaller compressor drive and Turbineabgabe arrangement and a reduced exhaust backpressure. Since the highest thermal load occurs in the volute of the second compressor stage, ie where the air from the exhaust gas turbocharger passes into a subsequent charge air line, this can in any case reduce the high thermal load. While the air enters the first compressor stage at about 25 ° C, it has almost 200 ° C at its outlet - in the second compressor stage an inadmissibly high temperature increase would occur which causes high loads on turbocharger components. By means of the coolant arrangements, the charge air can be cooled to about 60 ° C. Thus, the air is kept in a temperature range in which the coking of in the air mitördörderten oil fractions, eg from blowby gases, is avoided.
  • cooling of the charge air takes place through the coolant channel arrangements, which leads to lower intercooler waste heat and thus better efficiency, but on the other hand also to cooling of the compressor housing and of the remaining exhaust gas turbocharger.
  • the cooling liquid can be used subsequently for cooling the shaft bearings of the exhaust gas turbocharger, which allows a saving of connections and lines.
  • the arrangement allows a particularly compact design, so that, for example, before the compressor input other components such.
  • B. a cross-charger can be arranged.
  • the first coolant channel arrangement extends at least partially into the first contour region of the first compressor rotor section and / or the second coolant channel arrangement extends at least partially into the second contour region of the second compressor rotor section.
  • the contoured region is the channel wall section between the entry of a compressor impeller section and the exit of a compressor impeller section. Since it comes in this area to particularly high temperature gradient due to the compression of the air here is an effective cooling of particular advantage.
  • the first coolant arrangement extends from the area between the first spiral channel arrangements into an ambient area surrounding at least one or more of the first spiral channel arrangements and / or the second coolant arrangement extends from the area between the second spiral channel arrangements into at least one or more of the second spiral channel arrangements surrounding surrounding area extends.
  • the first coolant channel arrangement has a first coolant collector and first coolant sub-channels extending therefrom and / or the second coolant channel arrangement has a second coolant collector and second coolant sub-channels extending therefrom.
  • coolant can be provided via the coolant collectors and guided via the subchannels to the areas to be cooled.
  • Both coolant collectors and subchannels may include or extend between the spiral channel arrangements.
  • a particularly effective cooling can be achieved if the second coolant arrangement and the first coolant arrangement, advantageously the first coolant sub-channels and the second coolant sub-channels, are flow-connected to one another. This also results in a simple design of the cooling, since it can be saved on inlets and outlets.
  • At least one coolant supply line to the second coolant channel arrangement and at least one coolant discharge line from the first coolant arrangement are provided, or vice versa. This is ensured by appropriate connections. Thus, depending on the requirement, fresh coolant can first be led to the second or first to the first compressor stage.
  • the compressor has a compressor housing with at least a first compressor housing part and at least one second compressor housing part.
  • the parts can be cast separately and then joined together.
  • the object of the invention is further achieved by an internal combustion engine with at least one such exhaust gas turbocharger.
  • FIG. 1 shows an exhaust gas turbocharger according to the invention in a longitudinal section.
  • FIG. 3 the compressor side of the exhaust gas turbocharger of FIG. 1 in a
  • Fig. 1 shows schematically a multi-stage compression exhaust gas turbocharger 1 with a compressor 2 and an exhaust gas turbine 3 with a turbine impeller, not shown.
  • the compressor 2 has an outer first compressor stage 4 and an inner second compressor stage 5.
  • the term outer and inner refers to the flow direction of the fresh air flowing through the compressor 2.
  • the separation between the first 4 and second compressor stage 5 is indicated in FIGS. 1 and 2 by the dashed line.
  • a compressor impeller 6 is connected to the turbine wheel of the exhaust gas turbine 3 of the exhaust gas turbocharger 1 in a rotationally fixed connection via a shaft which is rotatably mounted about an axis of rotation la and not shown further.
  • the compressor impeller 6 has a first compressor impeller section 6a assigned to the first compressor stage 4 and a second compressor impeller section 6b assigned to the second compressor stage 5.
  • the compressor wheel sections 6a, 6b are arranged in the illustrated embodiment on opposite sides of a common compressor wheel 6.
  • the compressor 2 is arranged in a compressor housing, which has a first compressor housing part 7a and a second compressor housing part 7b, which are interconnected and sealed.
  • first compressor housing part 7a the first compressor stage 4 is arranged while the second compressor stage 5 is located in the second compressor housing part 7b.
  • the bonding surface is indicated by the above-mentioned dashed lines in FIGS. 1 and 2.
  • Embodiments are also possible where a plurality of housing parts are provided.
  • the first compressor housing part 7a has, upstream of the first compressor rotor section 6a, an axial compressor inlet connection 8 for the connection of a fresh air line not shown for sucking in fresh air.
  • a compressor outlet for charge air on the second compressor housing part 7b for connection to a charge air line of an internal combustion engine is also not shown in detail.
  • the air to the (outer) first contour region 9 of the first Ver Whyrlaufradabites 6 a is performed.
  • the channel wall section between the entry of a compressor impeller section and the outlet of a compressor impeller section is designated here, in particular the section where the air duct widens from a small diameter to a larger diameter.
  • first spiral channel arrangements 10a, 10b, 10c, 10d, 10e Upstream of the first compressor impeller section 6a, the precompressed air is transferred to a plurality of first spiral channel arrangements 10a, 10b, 10c, 10d, 10e and volutes, respectively.
  • the first spiral channel arrangements 10a, 10b, 10c, 10d, 10e extend in a circular manner with increasing radius about the rotation axis 1a.
  • the diameter of the first spiral channel arrangements 10a, 10b, 10c, 10d, 10e increases in the flow direction.
  • the first spiral channel arrangements 10a, 10b, 10c, 10d, 10e of the first compressor stage 4 are divided into an equal number of second spiral channel arrangements 11, 11 '(only two second spiral channel arrangements 11, 11' are shown in the figures, or only one 11 is adjacent) discussed) of the second compressor stage 5 via.
  • the first spiral channel arrangements 10a, 10b, 10c, 10d, 10e lie essentially on a circle whose center lies on the rotation axis 1a (in FIG. 3 normal to the image plane and not drawn) ,
  • the second spiral channel arrangements 11, 11 likewise run in a circle around the rotation axis 1a, but in contrast to the first spiral channel arrangements with a radius decreasing in the flow direction, and possibly also with decreasing diameter.
  • the second spiral channel arrangements 11 open into the (inner) second contour region 12 of the second compressor impeller section 6b or its inlet near the axis of rotation 1a. From the outlet of the second compressor impeller section 6b, the compressed air is continued to a charge air duct, not shown.
  • a first coolant channel arrangement 13 is provided in the first compressor stage 4, which has a first coolant collector 15 and first coolant subducts 16a, 16b, 16c, 16d, 16e (shown in broken lines in FIGS. 1 and 2) and in the illustrated embodiment is connected to a coolant discharge line 17.
  • the first coolant collector 15 extends annularly around the second contour region 9.
  • a second coolant channel arrangement 14 is provided in the second compressor stage 5 and has a second coolant collector 18 and second coolant sub-channels 19, 19 '(shown in dashed lines in FIGS. 1 and 2) emanating therefrom.
  • the second coolant channel arrangement 14 is connected to a coolant supply line 20.
  • coolant while water or other liquids or fluids can be used.
  • the coolant channel arrangements 13, 14 or the coolant sub-channels 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 19 extend between the respective spiral channel arrangements 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 11, 11 '. This results in efficient heat removal in the thermally critical areas and the temperature of the compressed air can be kept within an optimal range. As can be seen in FIG. 2, the coolant arrangements 13, 14 extend into the contour regions 9, 12 of the respective compressor rotor sections 6a, 6b, where a particularly high thermal load occurs and therefore heat dissipation is particularly necessary.
  • FIG. 3 shows a sectional view along the line III - III of FIG. 1 - in the upper half extends the first coolant assembly 13 and extend the first coolant sub-channels 16a, 16b, 16c from the area between the first spiral channel assemblies 10a, 10b, 10c, 10d, 10e are surrounding regions in the spiral channel arrangements 10a, 10b, 10c, 10d, 10e.
  • Surrounding area here means areas outside the intermediate area between the spiral channel arrangements, ie around the spiral channel arrangements or in their circumference, said environment thermally still affected by the compressed air areas.
  • the coolant arrangement 13 thus comprises the spiral channel arrangements 10a, 10b, 10c, 10d, 10e for optimum heat dissipation.
  • the second 13 and first coolant channel arrangement 14 are flow-connected to one another, wherein in the illustrated exemplary embodiment the flow connection takes place via the first 16 a, 16 b, 16 c, 16 d, 16 e and second coolant sub-channels 19.
  • a coolant supply line 20 in the region of the second compressor stage 5 take place, the coolant discharge line 17 is then arranged on the first compressor stage 4.
  • the coolant can also be reversed.
  • the arrangement of air ducts and cooling channels according to the invention can be realized particularly well with a compressor housing having a first compressor housing part 7a and a second compressor housing part 7b: these can be easily cast, for example, from particularly good heat-conducting aluminum, and with a suitable seals to a compact, media-tight compressor 2 are assembled.
  • the described invention due to the two-stage charging and the additional cooling compared to a one-stage compression, allows significant thermodynamic advantages with a simultaneously compact construction, which counteracts the increasing problem of decreasing installation space.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Abgasturbolader (1) mit einer zumin- dest ein Turbinenlaufrad aufweisenden Abgasturbine (3) und einem Verdichter (2) mit einer ersten Verdichterstufe (4) mit einem ersten Verdichterlaufradab- schnitt (6a) und einer zweiten Verdichterstufe (5) mit einem zweiten Verdichter- laufradabschnitt (6b), wobei Turbinenlaufrad und zweiter (6b) und erster Ver- dichterlaufradabschnitt (6a) auf einer um eine Drehachse (1a) drehbar gelager- ten gemeinsamen Welle angeordnet sind, wobei die erste Verdichterstufe (4) stromaufwärts des ersten Verdichterlaufradabschnitts (6a) einen axialen Verdich- tereintrittsstutzen (8) zum Anschluss an eine Frischluftleitung und stromabwärts des ersten Verdichterlaufradabschnitts (6a) zumindest zwei erste Spiralkanalan- ordnungen (10a, 10b, 10c, 10d, 10e) aufweist, die in zumindest zwei stromauf- wärts des zweiten Verdichterlaufradabschnitts (6b) verlaufende zweite Spiralka- nalanordnungen (11, 11') der zweiten Verdichterstufe (5) übergehen. Zur Reduzierung thermischer Belastungen ist eine zumindest zwischen den er- sten Spiralkanalanordnungen (10a, 10b, 10c, 10d, 10e) verlaufende erste Kühl- mittelkanalanordnung (13) und/oder eine zwischen den zweiten Spiralkanalan- ordnungen (11, 11') verlaufende zweite Kühlmittelkanalanordnung (14) vorgese- hen.

Description

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Mehrstufiger Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Abgasturbolader, insbesondere Hochdruckturbolader, für eine Brennkraftmaschine, mit einer zumindest ein Turbinenlaufrad aufweisenden Abgasturbine und einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe mit einem ersten Verdichterlaufradabschnitt und einer zweiten Verdichterstufe mit einem zweiten Verdichterlaufradabschnitt, wobei Turbinenlaufrad und zweiter und erster Verdichterlaufradabschnitt auf einer um eine Drehachse drehbar gelagerten gemeinsamen Welle angeordnet sind, wobei die erste Verdichterstufe stromaufwärts des ersten Verdichterlaufradabschnitts einen axialen Verdichtereintrittsstutzen zum Anschluss an eine Frischluftleitung und stromabwärts des ersten Verdichterlaufradabschnitts zumindest zwei erste Spiralkanalanordnungen aufweist, die in zumindest zwei stromaufwärts des zweiten Verdichterlaufradabschnitts verlaufende zweite Spiralkanalanordnungen der zweiten Verdichterstufe übergehen. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem derartigen Abgasturbolader.
Zum Bereitstellen hoher Kraftstoffwirtschaftlichkeit, hoher Nennleistungen und verbesserter Emissionsleistung bei Brennkraftmaschinen werden Turbolader mit hohen Druckverhältnissen benötigt.
Um hohe Druckverhältnisse zu erreichen, können die Rotationsgeschwindigkeiten der Laufzeuge von Abgasturboladern gesteigert werden. Dabei kann es allerdings zu Belastungen kommen, die die Belastbarkeit der verwendeten Materialien übersteigen.
Die WO 2012/107481 AI beschreibt einen einstufigen Abgasturbolader, der ein Turbinengehäuse und ein mit dem Turbinengehäuse verbundenes Lagergehäuse aufweist. Die Kühlmittelversorgung erfolgt über das Turbinengehäuse. Weiters beschreibt die DE 10 2013 203 376 AI eine flüssigkeitsgekühlte einstufige Radialturbine für eine Brennkraftmaschine, wobei in das Turbinengehäuse Kühlmittelkanäle integriert sind.
Es ist bekannt, eine mehrstufige Kompression der Ladeluft mit zwei oder mehr Abgasturboladern durchzuführen, die mit in Serie geschalteten Verdichtern arbeiten, wobei zwischen den Verdichtern Zwischenkühler angeordnet sind. Solche Lösungen sind etwa aus der US 2014/0358404 AI bekannt. Nachteilig ist allerdings, dass diese Lösungen sehr komplex und bauraumintensiv sind. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt der Gebrauch mehrfacher Verdichterlaufräder auf einer gemeinsamen Achse zum Erzielen von Kompressorstufen, einschließlich des Kombi- - - nierens axialer und radialer Kompressionsstufen. Allerdings ergeben sich auch hier insbesondere durch die erhöhte Länge des Abgasturboladers Nachteile in der Packungsgröße, aber auch bei der Rotordynamik und Lagerfragen.
Die DE 699 14 199 T2 zeigt dazu einen langsam laufenden Hochdruckturbolader mit zweistufigem Verdichter, wobei das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind. Das Verdichterlaufrad weist an einer Vorderseite nahe einem Lufteinlass erste Laufradschaufeln und auf einer Rückseite zweite Laufradschaufeln auf. Die komprimierte Luft wird über einen Diffusor von der Vorder- auf die Rückseite und von dort in das Einlasssystem weitergeleitet. Eine ähnliche Lösung zeigt die EP 1 825 149 Bl . Aus der US 6,834,501 Bl, der US 6,792,755 B2 oder der US 6,920,754 B2 dagegen ist jeweils ein Abgasturbolader bekannt, bei der zwischen Vorder- und Rückseite des zweistufigen Verdichters ringförmige Spalte ausgebildet sind.
Während sich dadurch zwar hohe Verdichtungsverhältnisse erzielen lassen, werden aufgrund der hohen Temperaturen große Belastungen an das Material gestellt: Während die Luft am Lufteinlass eine Temperatur von ungefähr 25°C hat, erhöht sich die Temperatur bis zu den zweiten Laufradschaufeln bei Druckverhältnissen über 4 bar auf deutlich über 200°C. Dabei werden sowohl die Laufradschaufeln als auch das Turboladergehäuse und die Lager hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Außerdem kommt es ab Temperaturen von ca. 180°C zum Verkoken von in der Luft mitgeförderten Ölanteilen, z. B. aus Blowby-Gasen.
Die EP 1 957 802 Bl schlägt in dieser Hinsicht vor, temperaturbeständige Materialien zu verwenden bzw. diesbezüglich Vorsorge bei Lager- und Wellenausgestaltung zu treffen.
Nachteilig an allen bekannten Lösungen ist einerseits die hohe Temperatur der komprimierten Luftströme, andererseits die sich dadurch ergebenden thermischen Belastungen des Turboladergehäuses und der verwendeten Komponenten.
Aufgabe der Erfindung ist es, die thermische Belastung eines mehrstufigen Abgasturboladers zu verringern .
Diese Aufgabe wird durch einen eingangs erwähnten mehrstufigen Abgasturbolader erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine zumindest zwischen den ersten Spiralkanalanordnungen verlaufende erste Kühlmittelkanalanordnung und/oder eine zwischen den zweiten Spiralkanalanordnungen verlaufende zweite Kühlmittelkanalanordnung vorgesehen ist/sind.
Die Erfindung erlaubt ein Abkühlen der Luft im Abgasturbolader, entweder durch Kühlung der vorverdichteten Luft schon in der ersten Verdichterstufe, in der - - zweiten Verdichterstufe oder in beiden Verdichterstufen. Dabei ergeben sich auch eine kleinere Verdichterantriebs- und Turbinenabgabeleistung sowie ein reduzierter Abgasgegendruck. Da die höchste thermische Belastung in der Volute der zweiten Verdichterstufe auftritt, wo also die Luft aus dem Abgasturbolader in eine nachfolgende Ladeluftleitung übertritt, lässt sich dadurch jedenfalls die hohe thermische Belastung reduzieren. Während die Luft mit etwa 25°C in die erste Verdichterstufe eintritt, hat sie an deren Ausgang fast 200°C - in der zweiten Verdichterstufe würde eine unzulässig hohe Temperaturerhöhung auftreten, die hohe Belastungen auf Turboladerkomponenten bewirkt. Mittels der Kühlmittelanordnungen kann die Ladeluft auf etwa 60°C abgekühlt werden. Damit wird die Luft in einem Temperaturbereich gehalten, bei dem das Verkoken von in der Luft mitgeförderten Ölanteilen, z.B. aus Blowby-Gasen, vermieden wird.
Durch die Kühlmittelkanalanordnungen erfolgt einerseits eine Abkühlung der Ladeluft, was zu geringerer Ladeluftkühlerabwärme und damit besserem Wirkungsgrad führt, andererseits aber auch eine Kühlung des Verdichtergehäuses sowie des restlichen Abgasturboladers. Die Kühlflüssigkeit kann in weiterer Folge zur Kühlung der Wellenlager des Abgasturboladers verwendet werden, was eine Einsparung an Anschlüssen und Leitungen ermöglicht. Des Weiteren erlaubt die Anordnung eine besonders kompakte Bauweise, so dass beispielsweise vor dem Verdichtereingang weitere Bauteile wie z. B. ein Cross-Charger angeordnet werden können.
Um eine besonders effektive Kühlung zu erreichen ist es von Vorteil, wenn sich die erste Kühlmittelkanalanordnung zumindest teilweise in den ersten Konturbereich des ersten Verdichterlaufradabschnitts erstreckt und/oder die zweite Kühlmittelkanalanordnung sich zumindest teilweise in den zweiten Konturbereich des zweiten Verdichterlaufradabschnitts erstreckt. Als Konturbereich wird dabei der Kanalwandabschnitt zwischen Eintritt eines Verdichterlaufradabschnitts und Austritt eines Verdichterlaufradabschnittes bezeichnet. Da es in diesem Bereich zu besonders hohen Temperaturgradienten aufgrund des Komprimierens der Luft kommt ist hier eine effektive Kühlung von besonderem Vorteil .
In einer Variante der Erfindung erstreckt sich die erste Kühlmittelanordnung aus dem Bereich zwischen den ersten Spiralkanalanordnungen in einen zumindest eine oder mehrere der ersten Spiralkanalanordnungen umgebenden Umgebungsbereich und/oder die zweite Kühlmittelanordnung aus dem Bereich zwischen den zweiten Spiralkanalanordnungen in einen zumindest eine oder mehrere der zweiten Spiralkanalanordnungen umgebenden Umgebungsbereich erstreckt. Damit lässt sich die Kühlwirkung vorteilhaft erhöhen, da sich eine Erhöhung der Kühlflächen ergibt - die Spiralkanalanordnungen erhöhen mit zunehmendem Abstand - - von der Drehachse ihre Innenoberfläche, die durch die Umfassung durch die Kühlmittelanordnungen besonders viel Wärmeübergangskontaktfläche bietet.
Zur Erzielung günstiger Strömungsverhältnisse weist die erste Kühlmittelkanalanordnung einen ersten Kühlmittelsammler und davon ausgehende erste Kühlmittelteilkanäle auf und/oder die zweite Kühlmittelkanalanordnung einen zweiten Kühlmittelsammler und davon ausgehende zweite Kühlmittelteilkanäle auf. Damit kann über die Kühlmittelsammler Kühlmittel bereitgestellt und über die Teilkanäle zu den zu kühlenden Bereichen geführt werden. Dabei können sowohl Kühlmittelsammler als auch Teilkanäle die Spiralkanalanordnungen umfassen bzw. zwischen diesen verlaufen.
Eine besonders effektive Kühlung lässt sich erreichen, wenn die zweite Kühlmittelanordnung und die erste Kühlmittelanordnung, vorteilhafterweise die ersten Kühlmittelteilkanäle und die zweiten Kühlmittelteilkanäle, miteinander strö- mungsverbunden sind. Damit ergibt sich außerdem ein einfacher Aufbau der Kühlung, da an Zu- und Ableitungen gespart werden kann.
Je nach thermischer Belastung ist zumindest eine Kühlmittelzuleitung zur zweiten Kühlmittelkanalanordnung und zumindest eine Kühlmittelableitung von der ersten Kühlmittelanordnung vorgesehen, oder umgekehrt. Dies wird durch entsprechende Anschlüsse sichergestellt. Damit kann je nach Anforderung frisches Kühlmittel zuerst zur zweiten oder zuerst zur ersten Verdichterstufe geführt werden.
Um die Fertigung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers zu erleichtern ist es von Vorteil, wenn der Verdichter ein Verdichtergehäuse mit zumindest einem ersten Verdichtergehäuseteil und zumindest einem zweiten Verdichtergehäuseteil aufweist. Die Teile können separat gegossen und dann miteinander verbunden werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren von einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem derartigen Abgasturbolader gelöst.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Darin zeigen :
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader in einem Längsschnitt;
Fig. 2 die obere Hälfte der Verdichterseite des Abgasturboladers aus
Fig. 1 im Detail; und
Fig. 3 die Verdichterseite des Abgasturboladers aus Fig. 1 in einer
Schnittansicht gemäß der Linie III-III in Fig. 1. - -
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt schematisch einen mehrstufig verdichtenden Abgasturbolader 1 mit einem Verdichter 2 und einer Abgasturbine 3 mit einem nicht näher dargestellten Turbinenlaufrad. Der Verdichter 2 weist eine äußere erste Verdichterstufe 4 und eine innere zweite Verdichterstufe 5 auf. Die Bezeichnung äußere und innere bezieht sich dabei auf die Strömungsrichtung der durch den Verdichter 2 strömenden Frischluft. Die Trennung zwischen erster 4 und zweiter Verdichterstufe 5 ist in den Fig. 1 und Fig. 2 durch die strichlierte Linie angedeutet.
Ein Verdichterlaufrad 6 steht über eine drehbar um eine Drehachse la gelagerte und nicht weiter dargestellte Welle mit dem Turbinenrad der Abgasturbine 3 des Abgasturboladers 1 in drehfester Verbindung. Das Verdichterlaufrad 6 weist einen der ersten Verdichterstufe 4 zugeordneten ersten Verdichterlaufradabschnitt 6a und einen der zweiten Verdichterstufe 5 zugeordneten zweiten Verdichterlaufradabschnitt 6b auf. Die Verdichterlaufradabschnitte 6a, 6b sind im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einander gegenüberliegenden Seiten eines gemeinsamen Verdichterlaufrads 6 angeordnet.
Der Verdichter 2 in ist einem Verdichtergehäuse angeordnet, das einen ersten Verdichtergehäuseteil 7a und einen zweiten Verdichtergehäuseteil 7b aufweist, die miteinander verbunden und abgedichtet sind. Im ersten Verdichtergehäuseteil 7a ist die erste Verdichterstufe 4 angeordnet während die zweite Verdichterstufe 5 sich im zweiten Verdichtergehäuseteil 7b befindet. Die Verbindungsfläche ist durch die oben erwähnten strichlierten Linien in Fig. 1 und Fig. 2 angedeutet. Es sind auch Ausführungen möglich, wo mehrere Gehäuseteile vorgesehen sind.
Der erste Verdichtergehäuseteil 7a weist stromaufwärts des ersten Verdichterlaufradabschnitts 6a einen axialen Verdichtereintrittsstutzen 8 zum Anschluss einer nicht weiter dargestellten Frischluftleitung zum Ansaugen von Frischluft auf. Ein Verdichteraustritt für Ladeluft am zweiten Verdichtergehäuseteil 7b zum Anschluss an eine Ladeluftleitung einer Brennkraftmaschine ist ebenfalls nicht näher dargestellt.
Vom Verdichtereintrittsstutzen 8 wird die Luft zum (äußeren) ersten Konturbereich 9 des ersten Verdichterlaufradabschnitts 6a geführt. Als Konturbereich ist hier der Kanalwandabschnitt zwischen Eintritt eines Verdichterlaufradabschnitts und Austritt eines Verdichterlaufradabschnittes bezeichnet, insbesondere der Abschnitt, wo sich der Luftkanal von einem kleinen Durchmesser auf einen größeren Durchmesser erweitert. - -
Stromaufwärts des ersten Verdichterlaufradabschnitts 6a wird die vorverdichtete Luft in mehrere erste Spiralkanalanordnungen 10a, 10b, 10c, lOd, lOe bzw. Voluten übergeleitet. Die ersten Spiralkanalanordnungen 10a, 10b, 10c, lOd, lOe verlaufen dabei kreisförmig mit zunehmendem Radius um die Drehachse la. Gleichzeitig erhöht sich auch der Durchmesser der ersten Spiralkanalanordnungen 10a, 10b, 10c, lOd, lOe in Strömungsrichtung.
Die ersten Spiralkanalanordnungen 10a, 10b, 10c, lOd, lOe der ersten Verdichterstufe 4 gehen in eine gleiche Anzahl zweite Spiralkanalanordnungen 11, 11' (nur zwei zweite Spiralkanalanordnungen 11, 11' sind in den Figuren dargestellt, bzw. nur eine 11 ist nachfolgend nähe diskutiert) der zweiten Verdichterstufe 5 über. Wie in Fig. 3 erkennbar ist, liegen im dargestellten Ausführungsbeispiel die ersten Spiralkanalanordnungen 10a, 10b, 10c, lOd, lOe im Wesentlichen auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse la (in Fig. 3 normal zur Bildebene verlaufend und nicht eingezeichnet) liegt.
Die zweiten Spiralkanalanordnungen 11, 11' verlaufen ebenfalls kreisförmig um die Drehachse la, allerdings im Gegensatz zu den ersten Spiralkanalanordnungen mit in Strömungsrichtung abnehmendem Radius, gegebenenfalls auch mit abnehmendem Durchmesser. Die zweiten Spiralkanalanordnungen 11 münden nahe der Drehachse la in den (inneren) zweiten Konturbereich 12 des zweiten Verdichterlaufradabschnitts 6b bzw. dessen Eintritt. Vom Austritt des zweiten Verdichterlaufradabschnitts 6b wird die verdichtete Luft zu einer nicht dargestellten Ladeluftleitung weitergeführt.
Zum Kühlen des Verdichters 2 sind nun erfindungsgemäß Kühlmittelkanalanordnungen 13, 14 in den Verdichtergehäuseteilen 7a, 7b ausgeführt. Dabei ist eine erste Kühlmittelkanalanordnung 13 in der ersten Verdichterstufe 4 vorgesehen, die einen ersten Kühlmittelsammler 15 und davon ausgehende erste Kühlmittelteilkanäle 16a, 16b, 16c, 16d, 16e (in den Fig. 1 und Fig. 2 strichliert dargestellt) aufweist und im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Kühlmittelableitung 17 verbunden ist. Der erste Kühlmittelsammler 15 verläuft im dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmig um den zweiten Konturbereich 9.
Eine zweite Kühlmittelkanalanordnung 14 ist in der zweiten Verdichterstufe 5 vorgesehen und weist einen zweiten Kühlmittelsammler 18 und davon ausgehende zweite Kühlmittelteilkanäle 19, 19' (in den Fig. 1 und Fig. 2 strichliert dargestellt) auf. Die zweite Kühlmittelkanalanordnung 14 ist mit einer Kühlmittelzuleitung 20 verbunden. Als Kühlmittel können dabei Wasser oder andere Flüssigkeiten oder Fluide zum Einsatz kommen. - -
Die Kühlmittelkanalanordnungen 13, 14 bzw. die Kühlmittelteilkanäle 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 19 verlaufen dabei zwischen den jeweiligen Spiralkanalanordnungen 10a, 10b, 10c, lOd, lOe, 11, 11'. Dadurch kommt es zu einer effizienten Wärmeabfuhr in den thermisch kritischen Bereichen und die Temperatur der verdichteten Luft kann in einem optimalen Bereich gehalten werden. Wie in Fig. 2 erkennbar ist, erstrecken sich die Kühlmittelanordnungen 13, 14 bis in die Konturbereiche 9, 12 der jeweiligen Verdichterlaufradabschnitte 6a, 6b, wo es zu einer besonders hohen thermischen Belastung kommt und daher eine Wärmeabführung besonders notwendig ist.
Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie III - III aus Fig. 1 - in der oberen Hälfte erstreckt sich die erste Kühlmittelanordnung 13 bzw. erstrecken sich die ersten Kühlmittelteilkanäle 16a, 16b, 16c aus dem Bereich zwischen den ersten Spiralkanalanordnungen 10a, 10b, 10c, lOd, lOe in die Spiralkanalanordnungen 10a, 10b, 10c, lOd, lOe umfassende Umgebungsbereiche. Umgebungsbereich bedeutet hier Bereiche außerhalb des Zwischenbereichs zwischen den Spiralkanalanordnungen, also rund um die Spiralkanalanordnungen bzw. in deren Umfang, wobei Umgebung thermisch noch von der verdichteten Luft beeinflusste Bereiche bezeichnet. Die Kühlmittelanordnung 13 umfasst also die Spiralkanalanordnungen 10a, 10b, 10c, lOd, lOe für optimale Wärmeableitung. Damit wird eine Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche zwischen heißen Luftkanälen und Kühlungsanordnung erzielt. Das ausreichend hohe Maß an Kühlflächen und die Verzahnung der kühlenden und zu kühlenden Strömungswege erlaubt eine ausreichende Kühlung des Verdichters 2 und eine Verwendung des Abgasturboladers 1 auch als Hochdruckturbolader. Eine entsprechende Ausführung kann auch für die zweite Verdichterstufe 5 vorgesehen werden, ist aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die zweite 13 und erste Kühlmittelkanalanordnung 14 sind miteinander strö- mungsverbunden, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Strömungsverbindung über die ersten 16a, 16b, 16c, 16d, 16e und zweiten Kühlmittelteilkanäle 19 erfolgt. Damit kann eine Kühlmittelzuleitung 20 im Bereich der zweiten Verdichterstufe 5 erfolgen, die Kühlmittelableitung 17 ist dann an der ersten Verdichterstufe 4 angeordnet. Natürlich kann das Kühlmittel auch umgekehrt geführt werden.
Wie oben beschrieben lässt sich die erfindungsgemäße Anordnung aus Luftleitkanälen und Kühlkanälen besonders gut mit einem Verdichtergehäuse mit einem ersten Verdichtergehäuseteil 7a und einen zweiten Verdichtergehäuseteil 7b realisieren : Diese können einfach gegossen werden, z.B. aus besonders gut wärmeleitendem Aluminium, und mit geeigneten Dichtungen zu einem kompakten, mediendichten Verdichter 2 zusammengebaut werden. - -
Die beschrieben Erfindung erlaubt durch die zweistufige Aufladung und die zusätzliche Kühlung gegenüber einer einstufigen Verdichtung nennenswerte ther- modynamische Vorteile bei gleichzeitig kompaktem Aufbau, der dem zunehmenden Problem des abnehmenden Bauraums entgegenkommt.
Es sollte deutlich sein, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist, sondern verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs des Hauptanspruchs möglich sind.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Mehrstufiger Abgasturbolader (1), insbesondere Hochdruckturbolader, für eine Brennkraftmaschine, mit einer zumindest ein Turbinenlaufrad aufweisenden Abgasturbine (3) und einem Verdichter (2) mit einer ersten Verdichterstufe (4) mit einem ersten Verdichterlaufradabschnitt (6a) und einer zweiten Verdichterstufe (5) mit einem zweiten Verdichterlaufradabschnitt (6b), wobei Turbinenlaufrad und zweiter (6b) und erster Verdichterlaufradabschnitt (6a) auf einer um eine Drehachse (la) drehbar gelagerten gemeinsamen Welle angeordnet sind, wobei die erste Verdichterstufe (4) stromaufwärts des ersten Verdichterlaufradabschnitts (6a) einen axialen Verdichtereintrittsstutzen (8) zum Anschluss an eine Frischluftleitung und stromabwärts des ersten Verdichterlaufradabschnitts (6a) zumindest zwei erste Spiralkanalanordnungen (10a, 10b, 10c, lOd, lOe) aufweist, die in zumindest zwei stromaufwärts des zweiten Verdichterlaufradabschnitts (6b) verlaufende zweite Spiralkanalanordnungen (11, 11') der zweiten Verdichterstufe (5) übergehen, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest zwischen den ersten Spiralkanalanordnungen (10a, 10b, 10c, lOd, lOe) verlaufende erste Kühlmittelkanalanordnung (13) und/oder eine zwischen den zweiten Spiralkanalanordnungen (11, 11') verlaufende zweite Kühlmittelkanalanordnung (14) vorgesehen ist.
2. Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Kühlmittelkanalanordnung (13) zumindest teilweise in den ersten Konturbereich (9) des ersten Verdichterlaufradabschnitts (6a) erstreckt und/oder dass sich die zweite Kühlmittelkanalanordnung (14) zumindest teilweise in den zweiten Konturbereich (12) des zweiten Verdichterlaufradabschnitts (6b) erstreckt.
3. Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Kühlmittelanordnung (13) aus dem Bereich zwischen den ersten Spiralkanalanordnungen (10a, 10b, 10c, lOd, lOe) in einen zumindest eine oder mehrere der ersten Spiralkanalanordnungen (10a, 10b, 10c, lOd, lOe) umgebenden Umgebungsbereich erstreckt und/oder dass sich die zweite Kühlmittelanordnung (14) aus dem Bereich zwischen den zweiten Spiralkanalanordnungen (11) in einen zumindest eine oder mehrere der zweiten Spiralkanalanordnungen (11) umgebenden Umgebungsbereich erstreckt.
4. Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühlmittelkanalanordnung (13) einen er- sten Kühlmittelsammler (15) und davon ausgehende erste Kühlmittelteilkanäle (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) aufweist und/oder dass die zweite Kühlmittelkanalanordnung (14) einen zweiten Kühlmittelsammler (18) und davon ausgehende zweite Kühlmittelteilkanäle (19, 19') aufweist.
5. Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlmittelkanalanordnung (14) und die erste Kühlmittelkanalanordnung (13) miteinander strömungsverbunden sind.
6. Abgasturbolader (1) nach Anspruch 4 oder 5, dad u rch ge ke n nze ich net, dass die ersten Kühlmittelteilkanäle (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) mit den zweiten Kühlmittelteilkanälen (19) strömungsverbunden sind.
7. Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kühlmittelzuleitung (20) zur zweiten Kühlmittelkanalanordnung (14) vorgesehen ist und zumindest eine Kühlmittelableitung (19) von der ersten Kühlmittelkanalanordnung (13) vorgesehen ist, oder umgekehrt.
8. Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) ein Verdichtergehäuse mit zumindest einem ersten Verdichtergehäuseteil (7a) und zumindest einem zweiten Verdichtergehäuseteil (7b) aufweist.
Brennkraftmaschine mit zumindest einem Abgasturbolader (1) nach der Ansprüche 1 bis 8.
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