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WO2016139009A1 - Zweistufige abgasturbo-aufladevorrichtung für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Zweistufige abgasturbo-aufladevorrichtung für eine brennkraftmaschine Download PDF

Info

Publication number
WO2016139009A1
WO2016139009A1 PCT/EP2016/051272 EP2016051272W WO2016139009A1 WO 2016139009 A1 WO2016139009 A1 WO 2016139009A1 EP 2016051272 W EP2016051272 W EP 2016051272W WO 2016139009 A1 WO2016139009 A1 WO 2016139009A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
low
internal combustion
combustion engine
exhaust
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/051272
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Leopold Ablinger
Gerald Gruber
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft filed Critical Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority to EP16701314.3A priority Critical patent/EP3265659A1/de
Priority to CN201680003701.8A priority patent/CN107002551A/zh
Publication of WO2016139009A1 publication Critical patent/WO2016139009A1/de
Priority to US15/663,225 priority patent/US20180016968A1/en

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/001—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust using exhaust drives arranged in parallel
    • 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
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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
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • 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

  • the invention relates to a two-stage exhaust gas turbocharger charging device for an internal combustion engine with the features of the preamble of patent claim 1.
  • a two-stage exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine with an exhaust manifold is known.
  • the turbocharging has, in the flow direction of the exhaust gas of the internal combustion engine, a first and a second high-pressure turbocharger arranged parallel to one another and a low-pressure turbocharger arranged in series thereafter.
  • the exhaust manifold and the first high-pressure turbine of the first high-pressure turbocharger and the low-pressure turbine of the low-pressure turbocharger are connected to each other exhaust gas.
  • the second high-pressure turbine and the low-pressure turbine are connected to one another in exhaust gas.
  • the permanent two-stage charging allows a significant increase in the total pressure ratio and thus the boost pressure of the internal combustion engine. Stationary can thereby significantly increase the mean pressure of the internal combustion engine in the entire speed range. Due to the low-pressure stage flows the entire air and exhaust gas mass flow of the internal combustion engine, thereby a particularly large mass flow area must be considered in the thermodynamic design of the exhaust gas turbocharger. With the size of the exhaust gas turbocharger, especially the low-pressure turbocharger, the mass moment of inertia of the running gear increases, which in turn significantly worsens the dynamic run-up when accelerating a vehicle.
  • exhaust gas turbocharger groups In order to prevent inadmissible overload on the rotor of an exhaust gas turbocharger when connected To avoid speeds, charge air is returned from the pressure side to the suction side via a controllable bypass line, which is arranged between the suction and pressure line of the high-pressure compressor.
  • a shut-off device controls the bypass line as a function of the opening of the charge air shut-off device.
  • the shutdown of exhaust gas turbocharger groups is performed in piston internal combustion engines to increase charge air pressure and charge air quantity with respect to the full load operation reduced accumulation of exhaust gas energy, as part load and in the partial speed range of the reciprocating internal combustion engine. Only a single turbocharger group works at low exhaust gas energy. As the power of the piston internal combustion engine increases, one or more exhaust-gas turbocharger groups are gradually connected in parallel, until finally all the exhaust-gas turbocharger groups present operate at full-load operation.
  • Object of the present invention is to represent a dynamic improvement of the two-stage turbocharger over the prior art, without a break in the charge air mass flow structure between different operating areas. This object is solved by the features in the characterizing part of patent claim 1.
  • the present charging system is characterized by two operating ranges. Due to the permanent operation of the two low-pressure exhaust gas turbochargers, the dynamic start-up behavior and the transition between these two operating ranges are significantly improved compared to the prior art.
  • the regulation of the charging system is markedly improved, since, in particular in the transition between the operating regions, the low-pressure exhaust gas turbocharger Gas turbocharger are constantly active and thus are available for the regulation of fresh air and exhaust gas mass flows. As a result, a collapse in the charge air mass flow structure can be almost completely prevented.
  • the embodiments according to the claims 2 and 3 advantageously provides a structural simplification and reduction of the exhaust gas turbocharger charging device, while reducing the manufacturing costs.
  • Ladeiuftmassenströme can be adjusted so that a largely continuous acceleration of a vehicle is possible.
  • Figure 1 shows schematically the structure of a two-stage exhaust gas turbocharger charging device according to the invention for an internal combustion engine.
  • Figure 2 shows a diagram technical the effect of the embodiment of the invention over the prior art.
  • the two-stage exhaust gas turbocharger charging device 1 shows schematically the structure of a two-stage exhaust gas turbocharger charging device 1 according to the invention for an internal combustion engine 2.
  • the internal combustion engine 2 for example, six cylinders in series are shown schematically by six non-numbered circles, the inlet side with an air collector 21 and the exhaust side with an exhaust gas collector 22 gas leading connected.
  • the two-stage exhaust gas turbocharger charging device 1 consists essentially of a high pressure stage 3 or a low pressure stage 4.
  • the high pressure stage 3 and the low pressure stage 4 are shown schematically separated by arrows.
  • the high pressure stage 3 and the low pressure stage 4 are connected via exhaust pipes 9 and fresh air ducts 10 gas leading each other and connected to the air collector 21 and the exhaust manifold 22.
  • the high pressure stage 3 has in the present embodiment, a first exhaust gas turbocharger 5 and a second, parallel to the first exhaust gas turbocharger 5 arranged exhaust gas turbocharger 6, each consisting of a high pressure turbine 5 ', 6' and a high pressure compressor 5 ", 6" exist.
  • the low-pressure stage 4 from a third exhaust gas turbocharger 7 and a fourth, arranged parallel to the third exhaust gas turbocharger 7 turbocharger 8, each with a low-pressure turbine 7 ', 8' and a low-pressure compressor 7 ", 8".
  • an exhaust gas of the internal combustion engine 2 which is collected in the exhaust manifold 22 flows through first the high pressure turbines 5 '6', and then the low pressure turbines 7 '8'. Subsequently, the exhaust gas leaves the low-pressure turbines 7 ', 8' again through an exhaust pipe 9, an outflow direction is shown schematically by two arrows.
  • the turbine wheels 5 ', 6', 7 ', 8' driven by the exhaust gas in turn drive the compressor wheels 5 ", 6", 7 “, 8" in the compressors, wherein a fresh air is first conveyed through the low-pressure compressor 7 “, 8" and then through the high-pressure compressor of 5 ", 6" in the direction of the internal combustion engine 2 , Before the fresh air is conveyed into the internal combustion engine 2, it is still collected in the air collector 21.
  • the two-stage turbocharger charging device 1 for an internal combustion engine 2 is characterized in that the high-pressure turbines 5 ', 6' with the low-pressure turbines 7 '8' at least partially via a common exhaust pipe 9 'and the low-pressure compressor 7 ", 8" with the high-pressure compressors 5 ", 6" are at least partially connected via a common fresh air line 10 '.
  • a first throttle element 13 is arranged in the fresh air line 10 between the high-pressure compressor 6 "and the second charge air cooler 12. Fine tuning of the air mass flow rates through the two high-pressure compressors 5", 6 "is possible with this first throttle element 13.
  • the first Throttle element 13 too be arranged between the high pressure compressor 5 "and the second charge air cooler 12.
  • a second throttle element 14 is arranged in the exhaust pipe 9 to adjust the mass flow of exhaust gas through the high-pressure turbine 5', 6 'depending on the operating state of the internal combustion engine.
  • the throttle element 14 may also be arranged between the internal combustion engine 2 and the high-pressure turbine 5 '.
  • This bypass serves to blow off excess exhaust gas to prevent over-rotation of the turbine wheel.
  • the high-pressure turbine 5 ', 6' and / or the low-pressure turbine 8 ' may also have a bypass, in each of which in turn a further throttle element can be arranged.
  • the low-pressure compressor 7 may have a bypass (not shown) in which a throttle element is arranged, this bypass serves to blow off excess air in order to prevent over-rotation of the compressor wheel. or the low-pressure compressor 8 "have a bypass, in each of which in turn a further throttle element can be arranged.
  • At least one high pressure turbine 5 ', 6' and / or one low pressure turbine 7 ', 8' may have a variable turbine geometry. Substantial increases in efficiency of the exhaust gas turbocharger charging device 1 are possible with the aid of this variable turbine geometry.
  • the exhaust manifold 22 and the air collector 21 are connected to each other via an exhaust gas recirculation line (EGR passage) 18 to realize exhaust gas recirculation in this constellation.
  • an exhaust gas recirculation cooler (EGR cooler) 19 is also provided in the exhaust gas recirculation line 18, and a fifth throttle element 20, with which the EGR mass flow is adjustable.
  • FIG. 2 is a diagram showing the comparison of a conventional two-stage exhaust gas turbocharger charging device for an internal combustion engine and a two-stage exhaust gas turbocharging charging device 1 according to the invention for an internal combustion engine.
  • a boost pressure [hPa] from 0 to 5250 and a vehicle acceleration a [m / s 2 ] from 0 to 8 are plotted along a Y axis. On an X-axis the time [s] is plotted from 3 to 1 1 seconds.
  • a conventional precharge pressure kV and a conventional boost pressure kL are shown in dashed lines, a precharge pressure eV according to the invention and a boost pressure eL according to the invention are shown as solid lines. It can clearly be seen that with the embodiment according to the invention a significantly higher precharging pressure and a higher boost pressure are generated, which leads to a significantly greater acceleration of a motor vehicle.
  • An acceleration with conventional step charging is designated kB
  • an acceleration with step charge according to the invention is designated eB.
  • Exhaust gas recirculation line EGR line

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

Zweistufige Abgasturbo-Aufladevorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einer Hochdruckstufe (3) und einer Niederdruckstufe (4), die über Abgasleitungen (9) und Frischluftleitungen (10) Gas führend verbunden sind, wobei die Hochdruckstufe (3) aus zumindest einem ersten Abgasturbolader (5) und einem zweiten, parallel zum Ersten (5) angeordneten Abgasturbolader (6) mit jeweils einer Hochdruckturbine (5', 6') und einem Hochdruckverdichter (5", 6") besteht und die Niederdruckstufe (4) aus zumindest einem dritten Abgasturbolader (7) und einem vierten, parallel zum Dritten (7) angeordneten Abgasturbolader (8) mit jeweils einer Niederdruckturbine (7', 8') und einem Niederdruckverdichter (7", 8") besteht, wobei zuerst die Hochdruckturbinen (5', 6') und dann die Niederdruckturbinen (7', 8') von einem Abgas der Brennkraftmaschine (2) durchströmbar sind und wobei eine Frischluft zuerst durch die Niederdruckverdichter (7", 8") und dann durch die Hochdruckverdichter (5", 6") in Richtung Brennkraftmaschine (2) förderbar ist, wobei die Hochdruckturbinen (5', 6') mit den Niederdruckturbinen (7', 8') zumindest abschnittsweise über eine gemeinsame Abgasleitung (9') und die Niederdruckverdichter (7", 8") mit den Hochdruckverdichtern (5", 6") zumindest abschnittsweise über eine gemeinsame Frischluftleitung (10') verbunden sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine verbessert.

Description

Zweistufige Abgasturbo-Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine zweistufige Abgasturbo-Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2006 011 188 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer bekannt. Die Abgasturboaufladung weist hierbei in Strömungsrichtung des Abgases der Brennkraftmaschine einen ersten und einen zweiten, parallel zueinander angeordneten Hochdruckturbolader und einen, in Reihe danach angeordneten Niederdruckturbolader auf. Hierbei sind der Abgaskrümmer und die erste Hochdruckturbine des ersten Hochdruckturboladers und die Niederdruckturbine des Niederdruckturboladers miteinander abgasführend verbunden. Weiter ist der Abgaskrümmer mit einer zweiten Hochdruckturbine des zweiten Hochdruckturboladers abgasführend verbindbar. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die zweite Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine abgasführend miteinander verbunden sind.
Mit dieser Ausgestaltung wird bei vertretbarem baulichen Aufwand ein hoher Wirkungsgrad der zweistufigen Abgasturbo-Aufladung erzielt. Die permanente zweistufige Aufladung ermöglicht eine deutliche Steigerung des Gesamtdruckverhältnisses und somit des Ladedrucks der Brennkraftmaschine. Stationär lässt sich dadurch der Mitteldruck der Brennkraftmaschine im gesamten Drehzahlbereich deutlich steigern. Durch die Niederdruckstufe strömt der gesamte Luft- und Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine, dadurch muss in der thermodynamischen Auslegung des Abgasturboladers ein besonders großer Massenstrom bereich berücksichtigt werden. Mit der Größe des Abgasturboladers, insbesondere des Niederdruckturboladers, wächst das Massenträgheitsmoment des Laufzeuges, was wiederum den dynamischen Hochlauf beim Beschleunigen eines Fahrzeuges deutlich verschlechtert.
Auch wenn dieser bekannte Stand der Technik keine gravierenden Nachteile aufweist, ist es wünschenswert, das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine mit der Stufenaufladung noch weiter zu verbessern, wobei Übergänge zwischen unterschiedlichen Betriebsbereichen noch harmonischer auslegbar sein sollen.
Eine Möglichkeit das Ansprechverhalten einer Brennkraftmaschine mit einer Stufenaufladung weiter zu verbessern, ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 36 07 698 C1 bekannt. Aus dieser Patentschrift, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Kolbenbrennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung bekannt. Zwei, je aus Hoch- und Niederdruckabgasturbolader bestehende Abgasturboladergruppen, versorgen die Kolbenbrennkraftmaschine mit Ladeluft. Die eine Abgasturboladergruppe ist ab- und zuschaltbar ausgebildet, wobei jeweils in der Abgasleitung des Hochdruckabgasturboladers und in den Saugleitungen des Niederdruckabgasturboladers eine Absperreinrichtung angeordnet ist. Zum Zu- und Abschalten einer Abgasturboladergruppe bei Teillast der Kolbenbrennkraftmaschine, werden die Durchgangsquerschnitte beider Absperreinrichtungen gesteuert. Um am Laufzeug eines Abgasturboladers bei einer Zuschaltung unzulässige Über- drehzahlen zu vermeiden, wird über eine steuerbare Bypassleitung, die zwischen Saug- und Druckleitung des Hochdruckverdichters angeordnet ist, Ladeluft von der Druckseite zur Saugseite zurückgeführt. Über eine Absperreinrichtung wird die Bypassleitung in Abhängigkeit vom Öffnen der Ladeluftab- sperreinrichtung gesteuert. Das Abschalten von Abgasturboladergruppen wird bei Kolbenbrennkraftmaschinen zur Erhöhung von Ladeluftdruck und Ladeluftmenge bei gegenüber dem Volllastbetrieb vermindertem Anfall von Abgasenergie, als in Teillast und in Teildrehzahlbereich der Kolbenbrennkraftmaschine durchgeführt. Dabei arbeitet bei geringem Abgasenergieanfall nur eine Abgasturboladergruppe. Bei Zunahme der Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine werden nach und nach ein oder mehrere Abgasturboladergruppen parallel zugeschaltet, bis schließlich bei Volllastbetrieb alle vorhandenen Abgasturboladergruppen arbeiten.
Weiter ist aus der internationalen Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 90/01 112 ebenfalls eine aufgeladene Kolbenbrenn kraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladergruppen bekannt.
Bei dem instationären Hochlauf von Brennkraftmaschinen ist das dynamische Verhalten des Aufladesystems von besonderer Bedeutung. Vor allem bei Aufladesystemen mit mehr als einem Abgasturbolader stellen die Übergänge zwischen Betriebsbereichen eine besondere Herausforderung dar. Diese sollen möglichst rasch und ohne Einbruch im Ladeluftmassenstrom- aufbau absolviert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, gegenüber dem Stand der Technik eine Dynamikverbesserung der zweistufigen Abgasturboaufladung darzustellen, ohne einen Einbruch im Ladeluftmassenstromaufbau zwischen unterschiedlichen Betriebsbereichen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die Aufsplittung der einen Niederdruckstufe, wie sie in der DE 10 2006 01 1 188 A1 beschrieben ist, in zwei Niederdruckstufen bzw. zwei Niederdruckabgasturbolader, die parallel nebeneinander angeordnet sind und nicht wie in der DE 36 07 698 C1 beschreiben, in Abgasturboladergruppen zusammen gefasst sind, kann das dynamische Hochlaufverhalten und somit das Beschleunigungsvermögen eines Kraftfahrzeuges deutlich verbessert werden. Das dynamische Hochlaufverhalten der Niederdruckabgasturbolader kann durch geringere, bzw. aufgeteilte Massenträgheitsmomente der Laufzeuge deutlich verbessert werden. Das Beschleunigungsvermögen wird aus dem Stillstand und in niedrigen Gängen wesentlich verbessert.
Da ein Hochdruckabgasturbolader vorzugsweise schaltbar ausgeführt ist, zeichnet sich das vorliegende Aufladesystem durch zwei Betriebsbereiche aus. Durch den permanenten Betrieb der beiden Niederdruckabgasturbolader werden das dynamische Hochlaufverhalten und der Übergang zwischen diesen beiden Betriebsbereichen im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbessert.
Durch den parallelen Betrieb der beiden Niederdruckabgasturbolader kann ein gemeinsamer Ladeluftkühler zwischen Nieder- und Hochdruckverdichtern verwendet werden. Durch diese Vereinfachung kann das Gesamtsystem kompakter und deutlich kostengünstiger dargestellt werden.
Durch den permanenten Betrieb der beiden Niederdruckabgasturbolader wird weiter die Regelung des Aufladesystems deutlich verbessert, da insbesondere bei dem Übergang zwischen den Betriebsbereichen die Niederdruckab- gasturbolader ständig aktiv sind und somit für die Regelung der Frischluft- und Abgasmassenströme zur Verfügung stehen. Dadurch kann ein Einbruch im Ladeluftmassenstromaufbau fast vollständig verhindert werden.
Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 2 und 3 bietet in vorteilhafter Weise eine bauliche Vereinfachung und Verkleinerung der Abgasturbo-Aufladevorrichtung, bei gleichzeitiger Reduzierung der Herstellkosten.
Mit den Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 4 und 5 lassen sich definierte Ladeiuftmassenströme einstellen, so dass ein weitgehend stufenloses Beschleunigen eines Fahrzeuges möglich ist.
Mit den Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 6 und 7 kann ein Überdrehen eines Laufzeuges, bzw. eines Turbinenrades entgegengewirkt werden.
Mit den Ausgestaltungsmöglichkeiten gemäß Patentanspruch 8 kann der Wirkungsgrad der Abgasturbo-Stufenaufladevorrichtung nochmals wesentlich verbessert werden.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 9 ist eine noch gleichmäßigere Regelung der Abgasturbo-Stufenaufladevorrichtung möglich.
Mit den Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 10 und 11 kann ein Überdrehen eines Laufzeuges, bzw. eines Verdichterrades entgegengewirkt werden.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in zwei Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen, zweistufigen Abgasturbo-Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine. Figur 2 zeigt in einem Diagramm technischen den Effekt der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gegenüber dem Stand der Technik.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen, zweistufigen Abgasturbo-Aufladevorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine 2. In der Brennkraftmaschine 2 sind beispielsweise sechs Zylinder in Reihe schematisch durch sechs nicht bezifferte Kreise dargestellt, die einlassseitig mit einem Luftsammler 21 und auslassseitig mit einem Abgassammler 22 Gas führend verbunden sind. Die zweistufige Abgasturbo-Aufladevorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Hochdruckstufe 3 oder einer Niederdruckstufe 4. Die Hochdruckstufe 3 und die Niederdruckstufe 4 sind durch Pfeile schematisch getrennt dargestellt.
Die Hochdruckstufe 3 und die Niederdruckstufe 4 sind über Abgasleitungen 9 und Frischluftleitungen 10 Gas führend miteinander und mit dem Luftsammler 21 und dem Abgassammler 22 verbunden. Die Hochdruckstufe 3 weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen ersten Abgasturbolader 5 und einen zweiten, parallel zum ersten Abgasturbolader 5 angeordneten Abgasturbolader 6 auf, die jeweils aus einer Hochdruckturbine 5', 6' und einem Hochdruckverdichter 5", 6" bestehen. Weiter besteht in diesem Ausführungsbeispiel die Niederdruckstufe 4 aus einem dritten Abgasturbolader 7 und einem vierten, parallel zum dritten Abgasturbolader 7 angeordneten Abgasturbolader 8 mit jeweils einer Niederdruckturbine 7', 8' und einem Niederdruckverdichter 7", 8".
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 durchströmt ein Abgas der Brennkraftmaschine 2, welches in dem Abgassammler 22 gesammelt wird zuerst die Hochdruckturbinen 5' 6', und anschließend die Niederdruckturbinen 7' 8'. Anschließend verlässt das Abgas die Niederdruckturbinen 7', 8' wieder durch jeweils ein Abgasrohr 9, eine Ausströmrichtung ist durch zwei Pfeile schematisch dargestellt. Die vom Abgas angetriebenen Turbinenräder 5', 6', 7', 8' treiben ihrerseits wiederum die Verdichterräder 5", 6", 7", 8" in den Verdichtern an, wobei eine Frischluft zuerst durch die Niederdruckverdichter 7", 8" und dann durch die Hochdruckverdichter von 5", 6" in Richtung Brennkraftmaschine 2 gefördert wird. Bevor die Frischluft in die Brennkraftmaschine 2 gefördert wird, wird es noch in dem Luftsammler 21 gesammelt.
Die erfindungsgemäße, zweistufige Abgasturbo-Aufladevorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckturbinen 5', 6' mit den Niederdruckturbinen 7' 8' zumindest abschnittsweise über eine gemeinsame Abgasleitung 9' und die Niederdruckverdichter 7", 8" mit den Hochdruckverdichtern 5", 6" zumindest abschnittsweise über eine gemeinsame Frischluftleitung 10' verbunden sind.
Weiter ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Niederdruckverdichtern 7", 8" und den Hochdruckverdichtern 5", 6" ein für den Niederdruckverdichter 7", 8" gemeinsamer erster Ladeluftkühler 1 1 in der gemeinsamen Frischluftleitung 10' angeordnet. Durch diese Anordnung wird ein äußerst kompakter Aufbau der Abgasturbo-Aufladevorrichtung 1 erzielt, bei gleichzeitig günstigen Herstellkosten.
Weiter ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Hochdruckverdichtern 5", 6" und der Brennkraftmaschine 2 ein für die Hochdruckverdichter 5", 6" ebenfalls gemeinsamer zweiter Ladeluftkühler 12 in der gemeinsamen Frischluftleitung 10' angeordnet. Auch mit dieser gemeinsamen Anordnung wird eine äußerst kompakte Bauweise erzielt, bei weiter reduzierten Herstellkosten.
Weiter ist zwischen dem Hochdruckverdichter 6" und dem zweiten Ladeluftkühler 12 ein erstes Drosselelement 13 in der Frischluftleitung 10 angeordnet. Mit diesem ersten Drosselelement 13 ist eine Feinabstimmung der Luftmassendurchflüsse durch die zwei Hochdruckverdichter 5", 6" möglich. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das erste Drosselelement 13 auch zwischen dem Hochdruckverdichter 5" und dem zweiten Ladeluftkühler 12 angeordnet sein.
Weiter ist zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der Hochdruckturbine 6' ein zweites Drosselelement 14 in der Abgasleitung 9 angeordnet, um den Massendurchfluss von Abgas durch die Hochdruckturbinen 5', 6' je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine einzustellen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Drosselelement 14 auch zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der Hochdruckturbine 5' angeordnet sein.
Weiter weist die Niederdruckturbine 7' einen Bypass 15 auf, in dem ein drittes Drosselelement 16 angeordnet ist. Dieser Bypass dient dazu, überschüssiges Abgas abzublasen, um ein Überdrehen des Turbinenrades zu vermeiden. In anderen Ausführungsbeispielen können auch die Hochdruckturbine 5', 6' und/oder die Niederdruckturbine 8' einen Bypass aufweisen, in dem jeweils wiederum ein weiteres Drosselelement anordenbar ist.
Weiter kann der Niederdruckverdichter 7" einen nicht dargestellten Bypass aufweisen, in dem ein Drosselelement angeordnet ist. Dieser Bypass dient dazu, überschüssige Luft abzublasen, um ein Überdrehen des Verdichterrades zu vermeiden. In anderen Ausführungsbeispielen können auch die Hochdruckverdichter 5", 6" und/oder der Niederdruckverdichter 8" einen Bypass aufweisen, in dem jeweils wiederum ein weiteres Drosselelement anordenbar ist.
In wiederum einem weiteren Ausführungsbeispiel kann zumindest eine Hochdruckturbine 5', 6' und oder eine Niederdruckturbine 7', 8' über eine variable Turbinengeometrie verfügen. Mit Hilfe dieser variablen Turbinengeometrie sind nochmals wesentliche Wirkungsgradsteigerungen der Abgasturbo-Aufladevorrichtung 1 möglich. Weiter sind in diesem Ausführungsbeispiel der Abgassammler 22 und der Luftsammler 21 über eine Abgasrückführleitung (AGR-Leitung) 18 miteinander verbunden, um in dieser Konstellation eine Abgasrückführung zu realisieren. Zum Abkühlen der Abgase ist ferner ein Abgasrückführkühler (AGR- Kühler) 19 in der Abgasrückführleitung 18 vorgesehen, sowie ein fünftes Drosselelement 20, mit dem der AGR-Massenstrom einstellbar ist.
Figur 2 zeigt in einem Diagramm die Gegenüberstellung einer konventionellen zweistufigen Abgasturbo-Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine und einer erfindungsgemäßen, zweistufigen Abgasturbo-Aufladevorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine.
Über eine Y-Achse sind ein Ladedruck [hPa] von 0 bis 5250 und eine Fahrzeugbeschleunigung a [m/s2] von 0 bis 8 aufgetragen. Auf einer X-Achse ist die Zeit [s] von 3 bis 1 1 Sekunden aufgetragen.
Ein konventioneller Vorladedruck kV und ein konventioneller Ladedruck kL sind gestrichelt dargestellt, ein erfindungsgemäßer Vorladedruck eV und ein erfindungsgemäßer Ladedruck eL sind als durchgezogene Linien dargestellt. Deutlich erkennbar ist, dass mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ein wesentlich höherer Vorladedruck und ein höherer Ladedruck erzeugt werden, was zu einer deutlich größeren Beschleunigung eines Kraftfahrzeugs führt.
Diese ist im Diagramm unten dargestellt. Eine Beschleunigung mit konventioneller Stufenaufladung ist mit kB bezeichnet, eine Beschleunigung mit erfindungsgemäßer Stufenaufladung ist mit eB bezeichnet.
Durch die Aufsplittung der einen Niederdruckstufe 4, wie sie in der DE 10 2006 011 188 A1 beschrieben ist, in zwei Niederdruckstufen bzw. zwei Niederdruckabgasturbolader 7, 8, die parallel nebeneinander angeordnet sind und nicht wie in der DE 36 07 698 C1 beschreiben, in Abgasturboladergruppen zusammen gefasst sind, kann das dynamische Hochlaufverhalten und somit das Beschleunigungsvermögen eines Kraftfahrzeuges deutlich verbessert werden. Das dynamische Hochlaufverhalten der Niederdruckabgasturbolader 7, 8 kann durch geringere, bzw. aufgeteilte Massenträgheitsmomente der Laufzeuge deutlich verbessert werden. Das Beschleunigungsvermögen wird aus dem Stillstand und in niedrigen Gängen wesentlich verbessert.
Bezugszeichenliste:
1. Aufladevorrichtung
2. Brennkraftmaschine
3. Hochdruckstufe
4. Niederdruckstufe
5. erster Abgasturbolader
5' Hochdruckturbine
5" Hochdruckverdichter
6. zweiter Abgasturbolader
6' Hochdruckturbine
6" Hochdruckverdichter
7. dritter Abgasturbolader
7' Niederdruckturbine
7" Niederdruckverdichter
8. vierter Abgasturbolader
8' Niederdruckturbine
8" Niederdruckverdichter
9. Abgasleitung
9' gemeinsame Abgasleitung
10. Frischluftleitung
10' gemeinsame Frischluftleitung
1 1 . erster Ladeluftkühler
12. zweiter Ladeluftkühler
13. erstes Drosselelement zweites Drosselelement
Bypass
drittes Drosselelement
viertes Drosselelement
Abgas-Rückführleitung (AGR-Leitung)
AGR-Kühler
fünftes Drosselelement
Luftsammler
Abgassammler

Claims

Patentansprüche
1 . Zweistufige Abgasturbo-Aufladevorrichtung (1 ) für eine Brennkraftmaschine (2), mit einer Hochdruckstufe (3) und einer Niederdruckstufe (4), die über Abgasleitungen (9) und Frischluftleitungen (10) Gas führend verbunden sind, wobei die Hochdruckstufe (3) aus zumindest einem ersten Abgasturbolader (5) und einem zweiten, parallel zum Ersten (5) angeordneten Abgasturbolader (6) mit jeweils einer Hochdruckturbine (5\ 6') und einem Hochdruckverdichter (5", 6") besteht und die Niederdruckstufe (4) aus zumindest einem dritten Abgasturbolader (7) und einem vierten, parallel zum Dritten (7) angeordneten Abgasturbolader (8) mit jeweils einer Niederdruckturbine (7', 8') und einem Niederdruckverdichter (7", 8") besteht, wobei zuerst die Hochdruckturbinen (5', 6') und dann die Niederdruckturbinen (7', 8') von einem Abgas der Brennkraftmaschine (2) durchströmbar sind und wobei eine Frischluft zuerst durch die Niederdruckverdichter (7", 8") und dann durch die Hochdruckverdichter (5", 6") in Richtung Brennkraftmaschine (2) förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckturbinen (5', 6') mit den Niederdruckturbinen (7\ 8') zumindest abschnittsweise über eine gemeinsame Abgasleitung (9') und die Niederdruckverdichter (7", 8") mit den Hochdruckverdichtern (5", 6") zumindest abschnittsweise über eine gemeinsame Frischluftleitung (10') verbunden sind.
2. Aufladevorrichtung nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Niederdruckverdichtern (7", 8") und den Hochdruckverdichtern (5", 6") ein für die Niederdruckverdichter (7", 8") gemeinsamer erster Ladeluftkühler (1 1 ) in der Frischluftleitung (10) angeordnet ist.
3. Aufladevorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Hochdruckverdichtern (5", 6") und der Brennkraftmaschine (2) ein für die Hochdruckverdichter (5", 6") gemeinsamer zweiter Ladeluftkühler (12) in der Frischluftleitung (10) angeordnet ist.
4. Aufladevorrichtung nach Patentanspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Hochdruckverdichter (5", 6") und dem zweiten Ladeluftkühler (12) ein erstes Drosselelement (13) in der Frischluftleitung (10) angeordnet ist.
5. Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkraftmaschine (2) und einer Hochdruckturbine (5', 6') ein zweites Drosselelement (14) in der Abgasleitung (9) angeordnet ist.
6. Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Hochdruckturbine (5', 6') und/oder eine Niederdruckturbine (7', 8') einen Bypass (15) aufweist.
7. Aufladevorrichtung nach Patentanspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bypass (15) ein drittes Drosselelement (16) angeordnet ist.
8. Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Hochdruckturbine (5', 6') und/oder eine Niederdruckturbine (7', 8') eine variable Turbinengeometrie aufweist.
9. Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass einer der Abgasturbolader (5, 6, 7, 8) zu- und abschaltbar ist.
10. Aufladevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hochdruckverdichter (5", 6") und/oder eine Niederdruckverdichter (7", 8") einen Bypass aufweist.
1 . Aufladevorrichtung nach Patentanspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bypass ein Drosselelement angeordnet ist.
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