DE3507541A1

DE3507541A1 - Turboladeranordnung mit zusaetzlicher frischgasturbine

Info

Publication number: DE3507541A1
Application number: DE19853507541
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr.-Ing. 3180 Wolfsburg Krüger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1984-03-13
Filing date: 1985-03-04
Publication date: 1985-09-19

Description

AKTiENGfS[IlSCHAFT

3180 Wolfsburg

K- 3560/1770-hu-sa

Turboladeranordnung mit zusätzlicher Frischgasturbine

Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der aus der DE-OS 32 37 897, F02B 37/00, bekannten Turboladeranordnung dieses Auf baus steht der Auslaß des Ladegebläses, das in üblicher Weise über die mit ihm drehfest verbundene Abgasturbine durch die Abgase der Brennkraftmaschine angetrieben wird, dauernd in Verbindung mit dem Frischgaseinlaß der Brennkraftmaschine und ist über eine Absperrvorrichtung mit dem Einlaß einer Frischgasturbine verbindbar, wenn Betriebsbedingungen vorliegen, bei denen das Ladegebläse einen Ladeluftüberschuß erzeugt. Dieser bei hohen Drehzahlen und/oder Lasten der Brennkraftmaschine erzeugte Ladeluftüberschuß wird dann also zum Antrieb der Turboladeranordnung ausgenutzt.

Bei dieser bekannten Turboladeranordnung sind der Turbolader und das Ladegebläse also so ausgelegt, daß sie bereits bei niedrigen Drehzahlen und/oder Lasten der Brennkraftmaschine eine Aufladung bewirken, wodurch sich die Erzeugung eines beträchtlichen Ladeluftüberschusses bei hohen Drehzahlen und/oder Lasten der Brennkraftmaschine ergibt.

Vorsitzender Vorstand: Di. rer. pol. Ca·: H Hahn, Vorsitzende! ■ Hu:,! Mun.-ner, ste-Ils». Vori..!/".ü·-: · da·::. ί;^·α.νυ<ι! · ivl H- .·■/ B; a>n

des Aufsichtsrats: Prof. Dr techn. Ernst Fiala · D:. jui. Pt'ic Freik ■ Dr. jur. Walujang R. Hebbel · GjMcI He-lwieii ■ Oi t_c· pr·. v'.t'rx.- Γ. 5 ' :τ·.·α: *

Karl Gustaf Ratjen Dr. rer. pol. Rolf Selowsky Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wollsburg HRB 215

Bekanntlich macht es Schwierigkeiten, eine Turboladeranordnung so zu gestalten, daß sie bereits im unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine in nennenswertem Umfang eine Aufladungswirkung hat. Besonders nachteilig macht sich diese Eigenheit eines Turboladers dann bemerkbar, wenn die Brennkraftmaschine relativ schnell in Richtung höhere Last gesteuert bzw. geregelt wird. Infolge der trägen rotierenden Massen des Turboladers steigt seine Drehzahl nur langsam, so daß die mit der Turboladeranordnung ausgerüstete Brennkraftmaschine Lastwechseln nur relativ langsam folgen kann.

Es ist bekannt, neben der Ausnutzung der Abgasenergie eine Entnahme von Antriebsenergie für den Abgasturbolader aus der zugeordneten Brennkraftmaschine vorzusehen, um die beschriebene Trägheit des Abgasturboladers zu verringern. Außer mechanischen und zusätzlichen elektrischen Antrieben für den Abgasturbolader ist aus der US-PS 4 285 200, F02B 37/10, ein hydraulisches Antriebssystem für den Turbolader bekannt, bei dem der Druck im Schmierölsystem der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Turbinenrads auf der Welle des Turboladers ausgenutzt wird.

Die Erfindung geht einen anderen Weg. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turboladeranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß die beschriebene Trägheit der Turboladeranordnung bei Lastwechseln der Brennkraftmaschine zumindest erheblich verringert ist, ohne daß die Anordnung bezüglich des maximalen Ladeluftbedarfs der Brennkraftmaschine wesentlich überdimensioniert sein muß.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist also die Ausnutzung der kinetischen Energie der Ladeluft der Brennkraftmaschine während des Saugbetriebs. Gegenüber dem aus der genannten US-Patentschrift bekannten hydraulischen Antrieb für die Turboladeranordnung besitzt die erfindungsgemäße Ausnutzung der kinetischen Energie der angesaugten Ladeluft den Vorteil einer besonders einfachen Leitungsführung, da die Frischgasturbine unmittelbar neben dem Ladegebläse und damit in unmittelbarer Nachbarschaft der Ladeluftleitungen angeordnet sein kann.

Gemäß Patentanspruch 6 besteht die vorteilhafte Möglichkeit, durch Vorsehen einer einfachen Leitung eine Ergänzung der Turboladeranordnung im Sinne der Ausnutzung eventuell anfallender überschüssiger Ladeluftenergie gemäß der genannten DE-OS 32 37 897 vorzunehmen.

Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, deren Figuren Längsschnitte durch die jeweilige Turboladeranordnung wiedergeben.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so erkennt man auf der gemeinsamen Welle 1 das Turbinenrad 2 der allgemein mit 3 bezeichneten Abgasturbine, das Gebläserad 4 des allgemein mit 5 bezeichneten Ladegebläses und das Turbinenrad 6 der Frischgasturbine 7. Die Räder 2, 4 und 6 sind demgemäß drehfest miteinander verbunden.

Die Abgasturbine 3 wird in üblicher Weise gemäß den Pfeilen 8 und 9 vom Abgas der nicht dargestellten Brennkraftmaschine durchströmt, während die gemäß Pfeil in den frischgasseitigen Teil der Turboladeranordnung eintretende Ladeluft bzw. allgemein das Frischgas entsprechend den Pfeilen 11 und 12 zum nicht dargestellten Frischgaseinlaß der Brennkraftmaschine gelangen.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liegt die Frischgasturbine, die kleiner dimensioniert ist als das Ladegebläse 5, in dem Bypass 13 zum Ladegebläse 5. Sowohl im Zuge des Ladegebläses 5 als auch in dem Bypass 13 finden sich Klappen IA und einer Absperrvorrichtung, die so angesteuert wird, daß bei nur geringem Abfall von Abgasenergie in der Abgasturbine 3 die Klappe 14 geschlossen, dagegen die Klappe 15 geöffnet ist. Dann durchsetzt das jetzt von der Brennkraftmaschine angesaugte Frischgas allein die Frischgasturbine 6, die so ausgelegt ist, daß sie durch dieses Frischgas angetrieben wird und demgemäß die Turboladeranordnung beschleunigt oder zumindest auf einer bestimmten Drehzahl hält.

Wie bei 14' und 15' angedeutet, kann die Absperrvorrichtung statt vor den Einrichtungen 5 und 7 auch in Strömungsrichtung der Ladeluft hinter diesen vorgesehen sein.

Wie auch bei den weiteren noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen sind die Abgasturbine 3 und das Ladegebläse 5 so ausgelegt, daß sie etwa den maximalen Ladeluftbedarf der Brennkraftmaschine decken. Ein eventuell geförderter Überschuß an Ladeluft wird über die Rückführungsleitung 16 zwischen Auslaß des Ladegebläses, 5 und Einlaß der Frischgasturbine 7 zum zusätzlichen Antrieb der Turboladeranordnung mittels der Frischgasturbine 7 ausgenutzt. In dieser Rückführungsleitung liegt die Klappe 17 einer weiteren Absperrvorrichtung, die nur bei Betriebsweisen der Brennkraftmaschine im öffnenden Sinne betätigt wird, bei denen Ladeluftüberschuß erzeugt wird.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Abgasturbine mit 20, das Ladegebläse mit 21 und die Frischgasturbine mit 22 bezeichnet. Das Frischgas strömt in die Turboladeranordnung in der Figur von rechts gemäß dem Pfeil 23 ein. In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Frischgasturbine 22 nicht in einem Bypass zum Ladegebläse 21, sondern die Rotoren 24 und 25 liegen bei Betrieb der Frischgasturbine, d.h. bei gezeichneter Stellung der Klappen 26 und 27 der Absperrvorrichtung, in Reihe. Infolge der unterschiedlichen Dimensionierung von Frischgasturbine 22 und Ladegebläse 21 treibt das von der Brennkraftmaschine bei dieser Betriebsweise angesaugte Frischgas die Frischgasturbine 22 und damit die gesamte Turboladeranordnung an, während im Bereich des Ladegebläses 21 praktisch kein Energieaustausch zwischen strömendem Frischgas einerseits und Turboladeranordnung andererseits erfolgt.

Bei 28 ist wiederum eine Rückführungsleitung für überschüssige Ladeluft mit der Klappe 29 einer weiteren Absperrvorrichtung gezeichnet, die bei Betriebsweisen der Brennkraftmaschine mit Ladeluftüberschuß die Leitung 28 freigibt.

In diesem Ausführungsbeispiel ist also die Frischgasturbine von der Frischgaseinlaßleitung 30 des Ladegebläses 21 zentral durchsetzt.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Rotoren AO des Ladegebläses 41 und 42 der Frischgasturbine 43 in zweckmäßiger Weise zu einem gemeinsamen Bauteil zusammengefaßt, das drehfest auf der auch den Rotor 44 der Abgasturbine 45 tragenden Welle 46 sitzt. Auch hier durchsetzt das gemäß Pfeil 47 einströmende Frischgas im Saugbetrieb der Brennkraftmaschine, d.h. bei dargestellter Lage der

Klappen 48 und 49 der Absperrvorrichtung, sowohl das Ladegebläse 41 als auch die Frischgasturbine 43, während im Aufladungsbetrieb, d.h. bei vertauschter Lage der Klappen 48 und 49, das Frischgas nur das Ladegebläse 41 durchströmt.

Wiederum ist bei 50 eine mit der Klappe 51 einer weiteren Absperrvorrichtung ausgerüstete Rückführungsleitung für Ladeluftüberschuß zum Frischgaseinlaß dargestellt.

Sofern die Abgasturbine und das Ladegebläse so ausgelegt sind, daß sie nie in nennenswertem Maße Frischgasüberschuß erzeugen, wird man auf die Rückführungsleitung nebst zweitem Absperrorgan verzichten.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Turboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, enthaltend in drehfester Verbindung eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine gespeiste Abgasturbine, ein in den Frischgaseinlaß der Brennkraftmaschine lieferndes Ladegebläse und eine Frischgasturbine, die über eine Absperrvorrichtung mit sie antreibendem Frischgas beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegebläse (1) und die Abgasturbine (3) zur Erzielung des bei maximaler Last der Brennkraftmaschine erforderlichen Ladedrucks ausgelegt sind und die Frischgasturbine (7) über die Absperrvorrichtung (14,15) in den Weg des zum Frischgaseinlaß der Brennkraftmaschine strömenden Frischgases einschaltbar ist.
2. Turboladeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (IA, 15) im die Frischgasturbine einschaltenden Sinne bei Drehzahlen der Brennkraftmaschine angesteuert wird, bei denen im wesentlichen Saugbetrieb vorliegt.
3. Turboladeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischgasturbine (22) axial von der Frischgaseinlaßleitung (30) des Ladegebläses (21) durchsetzt ist.

Vcii:l7CRder
aa Aufsichtsiats:

Vorstand: Dr. '■'· f· 1 C ■ H H.ii ;i, V: is, !.'c-'ifj.-r H ■ ι M-'' ■ ■„''",. \." ■ FTc ί Dt U;- ·. Um·-.! }, As D: )". Ff, · ht-Ί ■ P; y i.\'l ■". \ · -. \ Hall"! - C Dr !t-r. ρ ' R.-.li ?cl;w:-ty SiIz der Gcipllschaft: Wollstaurg

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4. Turboladeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischgasturbine (7) in einem Bypass (13) zum Ladegebläse (5) liegt.
5. Turboladeranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (14,15) zum Umschalten der Frischgaszufuhr zwischen Ladegebläse (5) und Frischgasturbine (7) ausgelegt ist.
6. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Ausgang des Ladegebläses (5) und dem Einlaß der Frischgasturbine (7) eine Rückführungsleitung (16) mit einer weiteren Absperrvorrichtung (17) erstreckt, die die Rückführungsleitung (16) nur bei Betriebsweisen der Brennkraftmaschine öffnet, in denen das Ladegebläse (5) Ladeluftüberschuß erzeugt.
7. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläserad (40) des Ladegebläses (41) und das Turbinenrad (42) der Frischgasturbine (43) zu einem Bauteil zusammengefaßt sind.