DE10312993A1

DE10312993A1 - Turbolader mit separater Welle

Info

Publication number: DE10312993A1
Application number: DE10312993A
Authority: DE
Inventors: James J Callas; Frank G Gerke; Delbert L Kramer; Mark D Moeckel
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2003-11-13
Also published as: US6655142B2; US20030188534A1

Abstract

Es ist ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor vorgesehen mit einer Turbine, die eine drehbare Turbinenwelle, ein von der Turbinenwelle getragenes Turbinenrad und von der Turbinenwelle getragenes Antriebszahnrad aufweist. Ein erster Kompressor weist eine drehbare erste Kompressorwelle, ein von der ersten Kompressorwelle getragenes erstes Kompressorrad sowie ein von der ersten Kompressorwelle getragenes erstes angetriebenes Zahnrad auf. Das erste angetriebene Zahnrad ist betriebsmäßig in Eingriff mit dem und wird angetrieben durch das Antriebszahnrad. Der Turbolader weist eine kompakte Anordnung auf und gestattet die Optimierung der Kompressorrad-Betriebsdrehzahlen, wobei ein Turbolader mit einer Vielzahl von Kompressionsstufen eingeschlossen ist.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Turbolader für Verbrennungsmotore, und insbesondere auf einen durch eine Turbine angetriebenen Turbolader, der zwei oder mehrere Kompressorstufen aufweist.

Hintergrund

Ein limitierender Faktor bei der Leistung eines Verbrennungsmotors ist die Verbrennungsluftmenge, die zur Verbrennung in den Motorzylindern an die Sammelleitung geliefert werden kann. Atmosphärischer Druck ist oft mangelhaft bzw. unzulänglich, die erforderliche Luftmenge für einen befriedigenden Motorbetrieb zu liefern.
Ein Verbrennungsmotor kann daher einen oder mehrere Turbolader zur Komprimierung von Luft umfassen, die an eine oder mehrere Verbrennungskammern in entsprechenden Verbrennungszylindern zu liefern ist. Der Turbolader liefert Verbrennungsluft mit höherem Druck und höherer Dichte als der bestehende atmosphärische Druck und die Dichte der Umgebungsluft. Der Gebrauch eines Turboladers kann den Mangel an Leistung infolge der Höhe ausgleichen oder auch die Leistung erhöhen, die aus einem Motor mit einer vorgegebenen Verdrängung erzielt werden kann, wodurch er die Kosten, das Gewicht und die Größe eines Motors, der für eine vorgegebene Leistungsabgabe erforderlich ist, reduziert.
Jeder Turbolader umfasst typischerweise eine durch Abgase aus dem Motor angetriebene Turbine und einen durch die Turbine angetriebenen Kompressor. Der Kompressor empfängt die zu komprimierende Luft und liefert die Luft an die Verbrennungskammer. Es ist bekannt, den Kompressor über eine Welle anzutreiben, die sowohl das Kompressorrad als auch das Turbinenrad trägt.
Es ist bekannt, durch den Gebrauch eines mehrstufigen Turboladers höhere Kompressionspegel zu schaffen. Ein bekannter mehrstufiger Turbolader umfasst einen Turbinenabschnitt und zwei oder mehrere Kompressorabschnitte. Eine gemeinsame Welle verbindet das Turbinenrad des Turbinenabschnittes mit den Kompressorrädern in den Kompressorabschnitten. Ein Abgasstrom aus dem Motor wird aus der Abgassammelleitung zum Turbinenabschnitt des Turboladers geführt. Der durch den Turbinenabschnitt hindurchgehende Abgasstrom veranlasst das Turbinenrad, sich zu drehen, dreht dadurch die gemeinsame Welle, die das Turbinenrad und die Kompressorräder miteinander verbindet, und dreht somit auch die Kompressorräder.
Die für die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor zu benutzende Umgebungsluft wird in einem Einlass für den ersten Kompressorabschnitt zugeführt. Die Luft wird durch das erste Kompressorrad komprimiert und gelangt vom ersten Kompressorabschnitt durch einen ersten Kompressorabschnittsauslass zur weiteren Komprimierung zum Einlass des zweiten Kompressorabschnitts. Eine zwischen den Stufen angeordnete Leitung wird verwendet, um die komprimierte Luft vom ersten Kompressorabschnittsauslass dem Einlass des zweiten Kompressorabschnitts zuzuführen. Der Ausfluss aus dem zweiten Kompressorabschnitt verlässt den Turbolader am zweiten Kompressorabschnittsauslass und wird der Einlasssammelleitung des Verbrennungsmotors zugeleitet.

Die US-PS 4,344,289 (Curiel et al.) offenbart einen Superlader mit einem zweistufigen Kompressor, der zwei Kompressorräder aufweist, die relativ zueinander in einer Rücken-Zu-Rücken-Anordnung angeordnet sind und durch eine gemeinsame Welle getragen werden. Es ist auch bekannt, zwei Kompressoren vorzusehen, die derart arbeiten, dass sie an eine gemeinsame Leitung gelieferte Luftvolumina separat komprimieren. Die US-PS 5,157,924 (Sudmanns) offenbart Kompressorräder, die relativ zueinander in einer "Gesicht-Zu-Gesicht"- Manier ("face-to-face-manner") angeordnet sind und durch eine gemeinsame Welle getragen werden.

Es ergeben sich nun einige Probleme bei den vorstehend erwähnten bekannten Turboladerkonstruktionen, wie vorstehend beschrieben. Das Vorsehen einer gemeinsamen Welle, die das Turbinenrad und die zwei oder mehreren Kompressoren für separate Kompressorstufen trägt, führt zu einer unerwünscht langen Struktur bzw. Baukörper, die/der schwierig in einem Motorgehäuse anzuordnen ist. Die kombinierte bzw. geballte Masse des Turbinenrades und der Kompressorräder kann Wellenverbiegungen bzw. Wellenverformungen zur Folge haben, selbst wenn sie längs der Welle an verschiedenen Orten angeordnet sind. Es ist schwierig, Lager genau zu befestigen, und auch vorzeitiger Verschleiß kann ein Problem sein. Da ferner die Kompressorräder direkt an einer einzigen Welle befestigt sind, ist es nicht möglich gewesen, alle Kompressorraddrehzahlen für eine optimale Turboladerleistung zu optimieren.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der vorstehend aufgeführten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Bei einem Aspekt der Erfindung ist ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor mit einer Turbine vorgesehen, die eine Turbinenwelle, ein von der Turbinenwelle getragenes Turbinenrad und ein von der Turbinenwelle getragenes Antriebszahnrad umfasst. Ein Kompressor umfasst eine Kompressorwelle, ein von der Kompressorwelle getragenes Kompressorrad und ein von der Kompressorwelle getragenes, angetriebenes Zahnrad. Das angetriebene Zahnrad wirkt mit dem Antriebszahnrad betriebsmäßig zusammen.

Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor vorgesehen mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern, einer Einlasssammelleitung, die zur Lieferung von Verbrennungsgas strömungsmittelmäßig mit der Vielzahl von Verbrennungszylindern gekuppelt ist, und mit einer Abgassammelleitung, die strömungsmittelmäßig gekuppelt ist, um einen Abgasstrom aus der Vielzahl von Verbrennungszylindern aufzunehmen. Ein Turbolader umfasst eine Turbine, die eine drehbare Turbinenwelle, ein von der Turbinenwelle getragenes Turbinenrad, ein von der Turbinenwelle getragenes Antriebszahnrad sowie einen Turbineneinlass und einen Turbinenauslass, die mit dem Turbinenrad assoziiert sind. Der Turbineneinlass ist in Strömungsmittelverbindung mit der Abgassammelleitung verbunden. Ein erster Kompressor umfasst eine erste Kompressorwelle, ein von der ersten Kompressorwelle getragenes erstes Kompressorrad, ein von der ersten Kompressorwelle getragenes erstes angetriebenes Zahnrad sowie einen ersten Kompressoreinlass und einen ersten Kompressorauslass, die mit dem ersten Kompressorrad assoziiert sind. Das erste angetriebene Zahnrad steht mit den Antriebszahnrad betriebsmäßig in Eingriff, und der erste Kompressorauslass ist in Strömungsverbindung mit der Einlasssammelleitung verbunden.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Turboladers in einem Verbrennungsmotor vorgesehen, bei dem folgende Schritte vorgesehen sind: Vorsehen einer Turbine mit einer Turbinenwelle, einem von der Turbinenwelle getragenen Turbinenrad sowie einem Einlass und einem Auslass, die mit dem Turbinenrad verbunden sind; Vorsehen eines ersten Kompressors mit einer ersten Kompressorwelle, einem von der Kompressorwelle getragenen ersten Kompressorrad sowie einem ersten Kompressoreinlass und einem ersten Kompressorauslass, die mit dem ersten Kompressorrad verbunden sind; Vorsehen einer Antriebsverbindung der ersten Kompressorwelle mit der Turbinenwelle; Zirkulieren eines Strömungsmittelstroms zum Turbineneinlass und durch die Turbine zum Turbinenauslass sowie Drehen des Turbinenrades und dadurch auch der Turbinenwelle; und Drehen der ersten Kompressorwelle und des ersten Kompressorrades durch die Antriebsverbindung der ersten Kompressorwelle und der Turbinenwelle.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader mit separater Welle gemäß vorliegender Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Gemäß Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 dargestellt, der ein Abgasrezirkulationssystem (EGR = exhaust gas recirculation) 12 und einen Turbolader 14aufweist, in dem vorteilhafterweise die vorliegende Erfindung eines Turboladers mit separater Weile genutzt werden kann.
Der Verbrennungsmotor 10 umfasst eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 16, und umfasst sechs Verbrennungszylinder 16, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Jeder Verbrennungszylinder 16 ist an eine Einlasssammelleitung 18 und an eine Abgassammelleitung 20 gekuppelt. Während hier nur eine einzige Einlasssammelleitung 18 dargestellt ist, ist es klar, dass mehr als nur eine Einlasssammelleitung verwendet werden kann, wobei jede Einlasssammelleitung 18 an eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 16 gekuppelt ist, um ein Luftgemisch für jeden Verbrennungszylinder 16 vorzusehen. Während eine einzige Abgassammelleitung 20 dargestellt ist, ist es ferner klar, dass auch mehr als nur eine Abgassammelleitung vorgesehen sein könnte, wobei jede Abgassammelleitung an eine unterschiedliche Vielzahl von Verbrennungszylindern 16 gekuppelt ist. Ein Kraftstoff, wie beispielsweise Dieselkraftstoff, wird in jeden Verbrennungszylinder eingeführt und darin in bekannter Weise verbrannt.
Der Turbolader 14 weist eine Turbine 22, einen ersten Kompressor 24 und einen zweiten Kompressor 26 auf. Die Turbine 22 umfasst ein Turbinengehäuse 28, das einen Turbineneinlass 30 und einen Turbinenauslass 32 definiert. Der Turbineneinlass 30 ist in Strömungsmittelverbindung über eine Strömungsmittelleitung 34 mit der Abgassammelleitung 20 verbunden. Der Turbinenauslass 32 ist mit einem weiteren (hier nicht dargestellten) Abgassystem des Motors 10 verbunden, das einen oder mehrere Schalldämpfer umfassen kann, mit nachfolgendem Ausströmen in die Atmosphäre.
Die Turbine 22 umfasst ferner eine im Turbinengehäuse 28 drehbar angeordnete Turbinenwelle 36. Ein Turbinenrad 38 ist von der Turbinenwelle 36 getragen. Ein Antriebsrad 40 wird ebenfalls von der Turbinenwelle 36 getragen, und zwar nahe dem entgegen gesetzten Ende der Turbinenwelle 36 vom Turbinenrad 38. Der Turbineneinlass 30 und der Turbinenauslass 32 sind in bekannter Weise jeweils mit dem Turbinenrad 38 derart assoziiert, dass eine Strömungsmittelströmung aus der Abgassammelleitung 20 in den Turbineneinlass 30 eintritt und am Turbinenrad 38 vorbei zum Turbinenauslass 32 strömt, wobei sie das Turbinenrad in Drehung versetzt.
Der erste Kompressor 24 umfasst ein erstes Kompressorgehäuse 50, das einen ersten Kompressoreinlass 52 und einen ersten Kompressorauslass 54 definiert. Der erste Kompressoreinlass 52 empfängt Verbrennungsgas aus einer Quelle, wie beispielsweise Umgebungsluft, und der erste Kompressorauslass 54 liefert Verbrennungsgas zum Motor 10, wie nachfolgend beschrieben wird.
Der erste Kompressor 24 umfasst ferner eine erste Kompressorwelle 56, die im ersten Kompressorgehäuse 50 drehbar angeordnet ist. Ein erstes Kompressorrad 58 wird von der ersten Kompressorwelle 56 getragen, und zwar nahe einem Ende der ersten Kompressorwelle 56. Ein erstes angetriebenes Zahnrad 60 wird ebenfalls von der ersten Kompressorwelle 56 getragen, und zwar nahe dem entgegen gesetzten Ende der ersten Kompressorwelle 56 vom ersten Kompressorrad 58. Das erste angetriebene Zahnrad 60 ist antriebsmäßig an das Antriebszahnrad 40 an der Turbinenwelle 36 derart gekuppelt, dass eine Drehung des Antriebszahnrades 40 durch die Turbinenwelle 36 eine Drehung der ersten Kompressorwelle 56 und des ersten Kompressorrades 58 verursacht. Der erste Kompressoreinlass 52 und der erste Kompressorauslass 54 sind in bekannter Weise jeweils mit dem ersten Kompressorrad 58 derart assoziiert, dass in den ersten Kompressor 24 durch den ersten Kompressoreinlass 52 eintretendes Strömungsmittel, wie beispielsweise Umgebungsluft, durch das erste Kompressorrad 58 im ersten Kompressorgehäuse 50 komprimiert wird, während es zum ersten Kompressorauslass 54 strömt.
Der zweite Kompressor 26 umfasst ein zweites Kompressorgehäuse 70, das einen zweiten Kompressoreinlass 72 und einen zweiten Kompressorauslass 74 definiert. Der zweite Kompressor 24 (eigentlich: "26") umfasst ferner eine zweite Kompressorwelle 76, die im zweiten Kompressorgehäuse 70 drehbar angeordnet ist. Ein zweites Kompressorrad 78 wird von der zweiten Kompressorwelle 76 getragen, und zwar nahe einem Ende der zweiten Kompressorwelle 76. Ein zweites angetriebenes Zahnrad 80 wird ebenfalls von der zweiten Kompressorwelle 76 getragen, und zwar nahe einem entgegen gesetzten Ende der zweiten Kompressorwelle 76 vom zweiten Kompressorrad 78. Das zweite angetriebene Zahnrad 80 ist antriebsmäßig an das Antriebszahnrad 40 an der Turbinenwelle 36 derart gekuppelt, dass eine Drehung des Antriebszahnrades 40 durch die Turbinenwelle 36 eine Drehung der zweiten Kompressorwelle 76 und des zweiten Kompressorrades 78 verursacht. Der zweite Kompressoreinlass 72 und der zweite Kompressorauslass 74 sind in bekannter Weise jeweils mit dem zweiten Kompressorrad 78 derart assoziiert, dass in den zweiten Kompressor 24 (eigentlich: "26") durch den zweiten Kompressoreinlass 72 eintretendes Strömungsmittel durch das zweite Kompressorrad 78 im zweiten Kompressorgehäuse 70 komprimiert wird, während es zum zweiten Kompressorauslass 74 strömt.
Der zweite Kompressoreinlass 72 kann Verbrennungsgas aus einer Quelle, wie beispielsweise Umgebungsluft, empfangen, wenn der erste Kompressor 24 und der zweite Kompressor 26 parallel betrieben werden, um jeweils separate Strömungsmittelvolumina zu komprimieren. Alternativ können der erste Kompressor 24 und der zweite Kompressor 26 auch in Serie betreiben werden, um aufeinander folgend Strömungsmittel, wie beispielsweise Verbrennungsgas, zu komprimieren. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Zwischenstufenleitung bzw. eine zwischen den Stufen angeordnete Leitung 82 vorgesehen, die eine Strömungsverbindung zwischen dem ersten Kompressorauslass 54 und dem zweiten Kompressoreinlass 72 herstellt. Für einen effizienteren Betrieb des zweiten Kompressors 26 ist in der Zwischenstufenleitung 82 ein optionaler Zwischenstufenkühler 84 vorgesehen, um die im ersten Kompressor 24 komprimierte Luft zu kühlen, bevor in der zweiten Stufe die Kompression im zweiten Kompressor 26 stattfindet.
Der zweite Kompressorauslass 74 ist über eine Strömungsmittelleitung 88 mit einer Mischvorrichtung 86 verbunden. In der Leitung 88 kann ein optionaler Nachkühler 90 vorgesehen sein, um die Temperatur der vom Turbolader 14 gelieferten komprimierten Verbrennungsluft zu reduzieren.
Das EGR-System 12 umfasst eine EGR-Leitung 92, die das Abgas aus der Abgassammelleitung 20 empfängt, um das Abgas zur Einlasssammelleitung 18 zu führen. Die EGR-Leitung 92 umfasst ein Ventil 94 zur Steuerung des Abgasstromes durch die Leitung 92. Ein EGR-Kühler 96 kann in der Leitung 92 vorgesehen sein, um die für die Einlasssammelleitung 18 vorgesehene Abgastemperatur zu senken.
Die EGR-Leitung 92 ist strömungsmittelmäßig an die Mischvorrichtung 86 gekuppelt. Die Mischvorrichtung 86 steuert das Gemisch des komprimierten Verbrennungsgases vom Turbolader 14 mit dem vom EGR-System 12 rezirkulierten Abgas, und liefert ein Gemisch desselben über eine Strömungsmittelleitung 98 zur Einlasssammelleitung 18.

Industrielle Anwendbarkeit

Während des Gebrauchs des Motors 10 wird ein Kraftstoff, wie beispielsweise Dieselkraftstoff in die Verbrennungszylinder 16 eingespritzt und verbrannt, wenn ein (hier nicht dargestellter) Kolben, der in jedem Verbrennungszylinder 16 angeordnet ist, am oder nahe am oberen Totpunkt ist. Das Abgas wird aus jedem Verbrennungszylinder 16 zur Abgassammelleitung 20 hin transportiert. Ein Teil des Abgases in der Abgassammelleitung 20 wird zur Leitung 34 und zum Einlass 30 transportiert, um das Turbinenrad 38 in Drehung zu versetzen. Das verbrauchte Abgas wird aus der Turbine 22 über den Turbinenauslass 32 in die Umgebungsluft abgeführt.
Die Drehung des Turbinenrades 38 mit Hilfe des durch die Turbine 22 strömenden Abgases dreht die Turbinenwelle 36 und das von der Turbinenwelle 36 getragene Antriebszahnrad 40. Das Antriebszahnrad 40 ist antriebsmäßig gekuppelt an jeweils das angetriebene erste Zahnrad 60 und das angetriebene zweite Zahnrad 80, so dass die Drehung des Antriebszahnrades 40 sowohl das erste angetriebene Zahnrad 60 als auch das zweite angetriebene Zahnrad 80 dreht. Das erste angetriebene Zahnrad 60 und das zweite angetriebene Zahnrad 80, die jeweils von der ersten Kompressorwelle 56 bzw. der zweiten Kompressorwelle 76 getragen werden, drehen jeweils die Welle, von der sie getragen werden. Das erste Kompressorrad 58 und das zweite Kompressorrad 78, die in ähnlicher Weise von der ersten Kompressorwelle 56 bzw. der zweiten Kompressorwelle 76 getragen werden, werden zusammen mit dem ersten angetriebenen Zahnrad 60 bzw. dem zweiten angetriebenen Zahnrad 80 in Drehung versetzt. Auf diese Weise treibt die Turbine 22 jeweils den ersten Kompressor 24 und den zweiten Kompressor 26 an.
Der durch die Turbine 22 über die Turbinenwelle 36 und die erste Kompressorwelle 56 angetriebene erste Kompressor 24 zieht Verbrennungsluft in den ersten Kompressoreinlass 52 hinein. Die Verbrennungsluft wird im ersten Kompressor 24 komprimiert und aus dem Kompressor 24 durch den ersten Kompressorauslass 54 abgeführt. Die komprimierte Verbrennungsluft wird über die Zwischenstufenleitung 82 dem zweiten Kompressoreinlass 72 zugeführt, wobei sie zunächst durch den Zwischenstufenkühler 84 hindurchströmt. Der durch die Turbine 22 über die Turbinenwelle 36 und die zweite Kompressorwelle 76 angetriebene zweite Kompressor 26 komprimiert die Verbrennungsluft weiter und entlädt nunmehr die hoch komprimierte Verbrennungsluft durch den zweiten Kompressorauslass 74. Die hoch komprimierte Verbrennungsluft strömt durch die Leitung 88 zur Mischvorrichtung 86, nachdem sie zuvor im Nachkühler gekühlt wurde.
Das Abgas wird aus der Abgassammelleitung 20 über die EGR-Leitung 92, die Mischvorrichtung 86 und die Strömungsmittelleitung 98 zur Einlasssammelleitung 18 rezirkuliert. Der Abgasstrom durch die EGR-Leitung 92 wurde durch das Ventil 94 gesteuert, wobei die Abgase durch den EGR-Kühler 96 gekühlt werden.
Die Mischvorrichtung 86 kombiniert die über die EGR-Leitung 92 vom EGR- System 12 gelieferte Strömungsmittelströmung mit der komprimierten Verbrennungsluft, die über die Strömungsmittelleitung 88 durch den Turbolader 14 geliefert wird. Das Gemisch der kombinierten Strömungsmittel wird über die Strömungsmittelleitung 98 der Einlasssammelleitung 18 zur Verbrennung in den Zylindern 16 zugeführt.
Wie in Fig. 1 dargestellt, verlaufen die erste Kompressorwelle 56 und die zweite Kompressorwelle 76 in entgegen gesetzten Richtungen weg von dem jeweils von diesen getragenen ersten angetriebenen Zahnrad 60 bzw. zweiten angetriebenen Zahnrad 80. Die erste Kompressorwelle 56 und die Turbinenwelle 36 verlaufen in gleicher Richtung weg vom ersten angetriebenen Zahnrad 60 bzw. Antriebszahnrad 40. Durch den Gebrauch von parallelen separaten Wellen für jede Turbine 22, des ersten Kompressors 24 und zweiten Kompressors 26, und mit geeigneter Auswahl eines Antriebszahnrades 40, eines ersten angetriebenen Zahnrades 60 und eines zweiten angetriebenen Zahnrades 80 ist eine Vielzahl von kompakten Anordnungen für Turbolader 14 möglich.
Jede Turbinenwelle 36, erste Kompressorwelle 56 und zweite Kompressorwelle 76 kann relativ kurz ausgebildet sein und trägt nur ein einziges Rad und Zahnrad. Die Probleme, die bei einer einzigen Welle auftreten, die mehrere Räder trägen, sind signifikant reduziert. Ferner ist bei jedem ersten Kompressorrad 58 und zweiten Kompressorrad 78, die von separaten Wellen getragen und angetrieben werden, das Ansprechen auf eine Drehzahländerung jeweils erhöht, und der Betrieb jeweils bei optimaler Drehzahl ist erleichtert.
Der Turbolader mit separater Welle gemäß vorliegender Erfindung sieht die Fähigkeit vor, unabhängige Kompressorraddrehzahlen fahren zu können. Durch Auswahl des Antriebszahnrades 40, des ersten angetriebenen Zahnrades 60 und des zweiten angetriebenen Zahnrades 80 kann sowohl das erste Kompressorrad 58 als auch das zweite Kompressorrad 78 veranlasst werden, in einem für die Konstruktion des Kompressorrades optimalen Drehzahlbereich zu derhen. Es ist nicht länger erforderlich, dass jedes erste Kompressorrad 58 und zweite Kompressorrad 78 mit gleicher Drehzahl dreht, wie es erforderlich ist, wenn beide Kompressorräder mit dem Turbinenrad von einer gemeinsamen Welle getragen werden. Durch Auswahl der Zahnradverhältnisse kann jedes Zahnrad in einem optimalen Bereich angetrieben werden, und Kompressorradkonstruktionen, deren Leistungsfähigkeiten in unterschiedlichen Betriebsdrehzahlbereichen liegen, können nun im gleichen Turbolader verwendet werden.
Während die vorliegende Erfindung für einen Turbolader mit zwei Kompressoren beschrieben wurde, können separate parallele Wellen auch für einen Turbolader verwendet werden, der nur einen mit der Turbine assoziierten Kompressor aufweist, oder für einen Turbolader, der mehr als zwei mit der Turbine assoziierte Kompressoren aufweist. Während ferner direkte Antriebe bevorzugt werden, die antriebsmäßig in Eingriff stehende Zahnräder benutzen, ist es klar, dass auch andere Arten von Antriebskupplungen, einschließlich Riemen und/oder Ketten, benutzt werden können. Dem Fachmann ist ohne weiteres klar, dass die Art und Weise, in der solche alternative Antriebsanordnungen zwischen der Turbinenwelle 36 und den ersten und zweiten Kompressorwellen 56 und 76 verwendet werden können.
Der Turbolader gemäß vorliegender Erfindung sieht eine kompakte Anordnung für einen vielstufigen Turbolader vor, und zwar mit erhöhter Turboladerleistung durch Optimierung der Drehzahlen.
Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem Studium dieser Offenbarung 20581 und der Zeichnung zusammen mit den beigefügten Ansprüchen.

Claims

1. Turbolader für einen Verbrennungsmotor, wobei folgendes vorgesehen ist:
eine Turbine mit einer drehbaren Turbinenwelle, einem von der Turbinenwelle getragenes Turbinenrad und einem von der Turbinenwelle getragenen Antriebszahnrad;
ein erster Kompressor mit einer drehbaren ersten Kompressorwelle, einem von der ersten Kompressorwelle getragenen ersten Kompressorrad und einem von der ersten Kompressorwelle getragenen ersten angetriebenen Zahnrad, wobei das erste angetriebene Zahnrad betriebsmäßig mit dem Antriebszahnrad in Eingriff ist.

2. Turbolader nach Anspruch 1, wobei ein zweiter Kompressor vorgesehen ist, der eine drehbare zweite Kompressorwelle, ein von der zweiten Kompressorwelle getragenes zweites Kompressorrad und ein von der zweiten Kompressorwelle getragenes zweites angetriebenes Zahnrad aufweist, wobei das zweite angetriebene Zahnrad betriebsmäßig mit dem Antriebszahnrad in Eingriff ist.

3. Turbolader nach Anspruch 2, wobei die Turbinenwelle, die erste Kompressorwelle und die zweite Kompressorwelle in zueinander paralleler Beziehung angeordnet sind.

4. Turbolader nach Anspruch 2, wobei die erste Kompressorwelle und die zweite Kompressorwelle in entgegen gesetzten Richtungen von den von diesen getragenen Zahnrädern verlaufen.

5. Turbolader nach Anspruch 2, wobei das Antriebszahnrad, das erste angetriebene Zahnrad und das zweite angetriebene Zahnrad jeweils an einem Ende der Turbinenwelle bzw. der ersten Kompressorwelle bzw. der zweiten Kompressorwelle angeordnet ist; und wobei die erste Kompressorwelle und/oder die zweite Kompressorwelle sich weg von dem durch diese getragenen Zahnrad und weg von der Turbinenwelle erstreckt.

6. Turbolader nach Anspruch 2, wobei folgendes vorgesehen ist: ein erster Kompressoreinlass und ein erster Kompressorauslass, die mit dem ersten Kompressorrad assoziiert sind, ein zweiter Kompressoreinlass und ein zweiter Kompressorauslass, die mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert sind, und eine Zwischenstufenleitung bzw. zwischen den Stufen angeordnete Leitung, die eine Strömungsverbindung zwischen dem ersten Kompressorauslass und dem zweiten Kompressoreinlass herstellt.

7. Turbolader nach Anspruch 6, wobei das Antriebszahnrad, das erste angetriebene Zahnrad und das zweite angetriebene Zahnrad jeweils an einem Ende der Turbinenwelle bzw. der ersten Kompressorwelle bzw. der zweiten Kompressorwelle angeordnet ist; und wobei die erste Kompressorwelle und/oder die zweite Kompressorwelle sich weg von dem durch diese getragenen Zahnrad und weg von der Turbinenwelle erstreckt.

8. Turbolader nach Anspruch 6, wobei die erste Kompressorwelle und die zweite Kompressorwelle in entgegen gesetzte Richtungen von den von diesen getragenen Zahnrädern verlaufen.

9. Turbolader nach Anspruch 6, wobei die Turbinenwelle, die erste Kompressorwelle und die zweite Kompressorwelle in zueinander paralleler Beziehung angeordnet sind.

10. Verbrennungsmotor, wobei folgendes vorgesehen ist:
eine Vielzahl von Verbrennungszylindern;
eine Einlasssammelleitung, die zur Versorgung mit Verbrennungsgas strömungsmittelmäßig an die Vielzahl von Verbrennungszylindern gekuppelt ist;
eine Abgassammelleitung, die zum Empfang eines Abgasstromes von der Vielzahl von Verbrennungszylindern strömungsmittelmäßig gekuppelt ist; und
ein Turbolader, wobei folgendes vorgesehen ist;
eine Turbine, die eine drehbare Turbinenwelle, ein von der Turbinenwelle getragenes Turbinenrad, ein von der Turbinenwelle getragenes Antriebszahnrad und einen Turbineneinlass und einen Turbinenauslass, die mit dem Turbinenrad assoziiert sind, wobei der Turbineneinlass mit der Abgassammelleitung in Strömungsverbindung verbunden ist; und
ein erster Kompressor mit einer drehbaren ersten Kompressorwelle, ein von der ersten Kompressorwelle getragenes erstes Kompressorrad,
ein von der ersten Kompressorwelle getragenes erstes angetriebenes Zahnrad und
ein erster Kompressoreinlass und ein erster Kompressorauslass, die mit dem ersten Kompressorrad assoziiert sind,
wobei das erste angetriebene Zahnrad betriebsmäßig mit dem Antriebszahnrad in Eingriff ist, und wobei der erste Kompressorauslass mit der Einlasssammelleitung in Strömungsverbindung verbunden ist.

11. Turbolader nach Anspruch 10, wobei folgendes vorgesehen ist:
ein zweiter Kompressor mit einer drehbaren zweiten Kompressorwelle,
ein von der zweiten Kompressorwelle getragenes zweites Kompressorrad,
ein von der zweiten Kompressorwelle getragenes zweites angetriebenes Zahnrad und
ein zweiter Kompressoreinlass und ein zweiter Kompressorauslass, die mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert sind,
wobei das zweite angetriebene Zahnrad betriebsmäßig mit dem Antriebszahnrad in Eingriff ist.

12. Turbolader nach Anspruch 11, wobei die Turbinenwelle, die erste Kompressorwelle und die zweite Kompressorwelle in zueinander paralleler Beziehung angeordnet sind.

13. Turbolader nach Anspruch 11, wobei die erste Kompressorwelle und die zweite Kompressorwelle in entgegen gesetzte Richtungen von den von diesen getragenen Zahnrädern verlaufen.

14. Turbolader nach Anspruch 11, wobei das Antriebszahnrad, das erste angetriebene Zahnrad und das zweite angetriebene Zahnrad jeweils an einem Ende der Turbinenwelle bzw. der ersten Kompressorwelle bzw. der zweiten Kompressorwelle angeordnet ist; und wobei die erste Kompressorwelle und/oder die zweite Kompressorwelle sich weg von dem durch diese getragenen Zahnrad und weg von der Turbinenwelle erstreckt.

15. Turbolader nach Anspruch 11, wobei eine Zwischenstufenleitung bzw. eine zwischen den Stufen angeordnete Leitung vorgesehen ist, die zwischen dem ersten Kompressorauslass und dem zweiten Kompressoreinlass eine Strömungsverbindung herstellt.

16. Turbolader nach Anspruch 15, wobei die Turbinenwelle, die erste Kompressorwelle und die zweite Kompressorwelle in zueinander paralleler Beziehung angeordnet sind.

17. Turbolader nach Anspruch 15, wobei die erste Kompressorwelle und die zweite Kompressorwelle in entgegen gesetzte Richtungen von den von diesen getragenen Zahnrädern verlaufen.

18. Turbolader nach Anspruch 15, wobei das Antriebszahnrad, das erste angetriebene Zahnrad und das zweite angetriebene Zahnrad jeweils an einem Ende der Turbinenwelle bzw. der ersten Kompressorwelle bzw. der zweiten Kompressorwelle angeordnet ist; und wobei die erste Kompressorwelle und/oder die zweite Kompressorwelle sich weg von dem durch diese getragenen Zahnrad und weg von der Turbinenwelle erstreckt.

19. Verfahren zum Betreiben eines Turboladers in einem Verbrennungsmotor,
wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Vorsehen einer Turbine mit einer Turbinenwelle, einem von der Turbinenwelle getragenen Turbinenrad und einen Einlass und einem Auslass, die mit dem Turbinenrad assoziiert sind;
Vorsehen eines ersten Kompressors mit einer ersten Kompressorwelle, einem von der ersten Kompressorwelle getragenen ersten Kompressorrad, einem ersten Kompressoreinlass und einem ersten Kompressorauslass, die mit dem ersten Kompressorrad assoziiert sind;
Vorsehen einer Antriebsverbindung bzw. eines Antriebszusammenwirkens der ersten Kompressorwelle mit der Turbinenwelle;
Zirkulieren einer Strömungsmittelströmung zum Turbineneinlass und durch die Turbine zum Turbinenauslass, und Drehen des Turbinenrades und dadurch auch der Turbinenwelle;
Drehen der ersten Kompressorwelle und des ersten Kompressorrades durch die Antriebsverbindung bzw. durch das Antriebszusammenwirken der Kompressorwelle mit der Turbinenwelle.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Vorsehen eines zweiten Kompressors mit einer zweiten Kompressorwelle, einem von der zweiten Kompressorwelle getragenen zweiten Kompressorrad, einem zweiten Kompressoreinlass und einem zweiten Kompressorauslass, die mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert sind;
Vorsehen einer Antriebsverbindung bzw. eines Antriebszusammenwirkens der zweiten Kompressorwelle mit der Turbinenwelle; und
Drehen der zweiten Kompressorwelle und des zweiten Kompressorrades durch die Antriebsverbindung bzw. durch das Antriebszusammenwirken der zweiten Kompressorwelle mit der Turbinenwelle.

21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei folgender Schritt vorgesehen ist:
Vorsehen einer Zwischenstufenleitung bzw. einer zwischen den Stufen angeordneten Leitung und strömungsmittelmäßiges Kuppeln des ersten Kompressorauslasses mit dem zweiten Kompressoreinlass.