DE19948220A1 - Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern - Google Patents

Abstract

Eine Brennkraftmaschine weist zwei Abgasturbolader auf, wobei jeder Abgasturbolader eine Turbine, einen Verdichter und eine Turbine und Verdichter verbindende Antriebswelle aufweist. DOLLAR A Für eine einfache und raumsparende Anordnung ist vorgesehen, daß die Antriebswellen beider Turbolader eine gemeinsame Längsachse aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgas­ turboladern nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 43 10 148 A1 ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit zwei parallel angeordneten Abgasturbolader bekannt. Die Turbine eines ersten Abgasturboladers ist mit variabler Turbi­ nengeometrie ausgestattet, die es erlaubt, den wirksamen Turbi­ nenquerschnitt in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brenn­ kraftmaschine zu verändern. Der kleiner dimensionierte zweite Abgasturbolader weist eine Turbine mit Festgeometrie auf. In der Ladeluftleitung des Laders mit variabler Turbinengeometrie ist ein regelbares Sperrventil angeordnet, das je nach Be­ triebszustand der Brennkraftmaschine in Öffnungs- oder Sperr­ stellung versetzt wird, so daß dementsprechend der Lader mit variabler Turbinengeometrie in einem einstellbaren Maße an der Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine teilnehmen kann.

Im unteren Drehzahlbereich arbeitet nur der kleine Abgasturbo­ lader mit Festgeometrie, dessen Verdichter aufgrund der gerin­ geren Trägheit im unteren Drehzahlbereich einen höheren Lade­ druck aufbaut, als mit dem größeren Verdichter in diesem Dreh­ zahlbereich zu realisieren wäre. Das Sperrventil des Laders mit variabler Turbinengeometrie steht in Schließstellung, so daß dieser Lader im unteren Drehzahlbereich keinen Beitrag zur Ladeluftversorgung leistet.

Ab einer mittleren Drehzahl wird auch der Lader mit variabler Turbinengeometrie zugeschaltet, indem das Sperrventil geöffnet wird, so daß von dem Lader mit variabler Turbinengeometrie ein anwachsender Beitrag zur Ladeluftversorgung geleistet wird.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der kleine Abgasturbolader optimal für kleine Drehzahlen ausgelegt und dadurch ein guter Gesamtwirkungsgrad erreicht werden kann. Äußerdem wird vermie­ den, daß der größere Lader bei niedrigen Drehzahlen in den Be­ reich des Verdichterpumpens gerät.

Aus der Literaturstelle "Die Verbrennungskraftmaschine", Band I, "Gestaltung und Hauptabmessungen der Verbrennungskraftma­ schine" von Maas, Harald, Springer-Verlag, 1979, Seite 173, ist eine Registeraufladung mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Abgasturbolader bekannt, wobei einzelne Abgasturbolader in Ab­ hängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine über einstellbare Drosselorgane zu- bzw. abgeschaltet werden können. Dadurch kann der Turbinen-Gesamtquerschnitt last- bzw. dreh­ zahlabhängig variiert werden, wodurch auch der Abgasgegendruck und der Ladedruck zu beeinflussen sind.

Die Turbolader sind in mehreren parallelen Ebenen hintereinan­ der angeordnet, wodurch der Raumbedarf für die Anordnung der Turbolader erhöht ist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Mehrzahl von Ab­ gasturboladern für eine Brennkraftmaschine in einfacher und raumsparender Weise anzuordnen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Gemäß der Neuerung ist vorgesehen, daß die Antriebswellen von zumindest zwei Abgasturboladern eine gemeinsame Längsachse auf­ weisen, insbesondere jedoch unabhängig voneinander um die glei­ che Drehachse drehen können. Es ist dadurch möglich, Gehäuse­ teile, Lagereinrichtungen oder sonstige Turboladereinrichtungen für beide Abgasturbolader gemeinsam zu nutzen, wodurch sowohl der Materialaufwand als auch der Raumbedarf reduziert werden.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, daß die Antriebswelle eines Abgasturboladers als Hohlwelle ausge­ bildet ist, die drehbar auf der Antriebswelle des zweiten Abga­ sturboladers aufsitzt. In dieser Ausführung umgreift die als Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle die zweite Antriebswelle des anderen Abgasturboladers, wodurch beispielsweise eine An­ ordnung in der Form möglich ist, daß der Verdichter und die Turbine des Turboladers mit Hohlwelle zwischen dem Verdichter und der Turbine des anderen Laders angeordnet sind. Aufgrund der Drehbarkeit der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle gegenüber der anderen Antriebswelle ist sichergestellt, daß die beiden Antriebswellen unabhängig voneinander bewegt werden kön­ nen, so daß die Bewegung einer Antriebswelle keine Bewegung der anderen Antriebswelle auslöst. Die Abgasturbolader können grundsätzlich unabhängig voneinander bewegt werden, wobei die beiden Abgasturbolader für eine gemeinsame Drehbewegung auch zusammengeschaltet werden können, sofern die für eine Zusammen­ schaltung formulierten Kriterien, beispielsweise Drehzahl- oder Lastzustand, erfüllt sind.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, dass beide Abgasturbolader in Reihe geschaltet sind bzw. dass beide Abgas­ turbolader bei hohen Ladedrücken in Reihe geschaltet sind. Es erweist sich hierbei als zweckmäßig, Turbolader unterschiedli­ cher Größe und Trägheit zu verwenden, um ein über die Last und die Drehzahl optimiertes Aufladeverhalten zu erreichen. Vor­ teilhaft sind ein Hochdruck- und ein Niederdruck-Turbolader vorgesehen, wobei der Hochdruck-Turbolader zur Erzielung gün­ stiger Zu- und Abströmverhältnisse bevorzugt auf der Antriebs­ welle des Niederdruck-Turboladers angeordnet ist, insbesondere zwischen Turbine und Verdichter des Niederdruck-Turboladers.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der schematisch eine Brennkraftmaschine mit zwei in Reihe angeordneten Abgasturboladern mit gemeinsamer Drehachse dargestellt ist.

Die Brennkraftmaschine 1 ist mit einer Abgasturbolader- Einrichtung 2 ausgestattet, welche zwei Abgasturbolader 3, 4 aufweist, die in Strömungsrichtung der einströmenden Verbren­ nungsluft bzw. der ausströmenden Abgase hintereinander in Reihe angeordnet sind. Die Abgasturbolader-Einrichtung 2 umfaßt einen ersten Abgasturbolader 3, welcher insbesondere als Niederdruck- Abgasturbolader ausgebildet ist, sowie einen zweiten Abgastur­ bolader 4, welcher insbesondere als Hochdruck-Abgasturbolader ausgebildet ist. Die beiden Lader 3 und 4 sind in einem gemein­ samen Ladergehäuse 8 angeordnet und weisen eine gemeinsame Drehachse 7 auf, welche zugleich die Längsachse der Antriebs­ wellen 5 und 6 des Laders 3 bzw. 4 darstellt, wobei die An­ triebswellen 5, 6 jeweils die Turbine und den Verdichter eines Laders 3, 4 verbinden.

Die Antriebswellen 5 und 6 der drehbar im Gehäuse 8 gelagerten Lader 3 bzw. 4 können unabhängig voneinander rotieren. Die An­ triebswelle 5 des ersten Laders 3 ist als Vollwelle ausgebildet und über Lager 9, 10 am Gehäuse 8 abgestützt, insbesondere an äußeren Stegen 19, 20 des Gehäuses 8. Die Antriebswelle 6 des zweiten Laders 4 ist als Hohlwelle ausgebildet, welche die er­ ste Antriebswelle 5 umgreift und insbesondere etwa im Bereich der Mitte der ersten Antriebswelle 5 - in Längsrichtung gesehen - auf dieser aufsitzt. Die zweite Antriebswelle 6 ist über La­ ger 11, 12 drehbar gegenüber der ersten Antriebswelle 5 abge­ stützt.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführung sind die Laufräder 3a, 3b des Niederdruck-Turboladers fliegend gelagert, indem die zugehörigen Lager 9, 10 an inneren Stegen 21, 22 des Gehäuses abgestützt sind. In dieser Ausführung kann auf die äußeren Ste­ ge 19, 20 verzichtet werden.

Der zweite Lader 4 wird in Achsrichtung der Drehachse 7 auf ei­ ner Seite vom Verdichter 3a und auf der anderen Seite von der Turbine 3b des ersten Laders 3 eingeschlossen. Die angesaugte Frischluft wird mit Atmosphärendruck in Pfeilrichtung 17 in den bevorzugt als Niederdruck-Verdichter ausgebildeten Verdichter 3a des ersten Laders 3 eingesaugt, nach der Verdichtung in ei­ nem Zwischenkühler 13 gekühlt, nach der Kühlung im Zwischenküh­ ler 13 dem zweiten Verdichter 4a, welcher zweckmäßig als Hoch­ druck-Verdichter ausgebildet ist, zugeführt, anschließend in einem Ladeluftkühler 14 gekühlt und schließlich als verdichtete Verbrennungsluft über die Ansaugkanäle 15 den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt. Die erzeugten Abgase werden über die Zylinderauslässe 16 der bevorzugt als Hochdruckturbine aus­ gebildeten Turbine 4b des zweiten Laders 4 zugeführt, anschlie­ ßend der zweckmäßig als Niederdruckturbine ausgebildeten Turbi­ ne 3b des ersten Laders zugeführt und schließlich in Pfeilrich­ tung 18 aus der Abgasturbolader-Einrichtung 2 abgeleitet.

Die Ausbildung der Antriebswelle 6 des zweiten Laders 4 als Hohlwelle ermöglicht es, den Niederdruck-Turbolader 3 und den Hochdruck-Turbolader 4 des zweistufigen Abgasturboladers in ei­ nem gemeinsamen Gehäuse 8 anzuordnen. Aufgrund der axial äuße­ ren Position des Niederdruck-Verdichters 3a bzw. der Nieder­ druckturbine 3b im Bereich der axialen Stirnseite der Laderein­ richtung 2 kann problemlos Frischluft in Pfeilrichtung 17 von außen angesaugt bzw. können Abgase in Pfeilrichtung 18 nach au­ ßen abgeleitet werden. Zu- und Abströmung erfolgen in dieser Ausführung in Axialrichtung. Da der Niederdruck-Lader 3 und der Hochdruck-Lader 4 unabhängig voneinander drehbar gelagert sind, können die beiden Lader ihrer unterschiedlichen Ausbildung ent­ sprechend mit verschiedener Drehgeschwindigkeit umlaufen, ohne daß eine gegenseitige Abhängigkeit oder Beeinträchtigung be­ steht. Die Ausführung als Hohlwelle ermöglicht zugleich eine optimale Raumausnutzung.

Vor dem Hochdruck-Verdichter und hinter der Hochdruckturbine des Hochdruck-Laders ist zweckmäßig jeweils ein Beruhigungs- oder Sammelraum angeordnet, um einen das Druckverhältnis des Verdichters verfälschenden Drall bei der Zuleitung der vorver­ dichteten Frischluft in Radialrichtung zum Hochdruck-Verdichter bzw. der radialen Ableitung aus der Hochdruckturbine zu vermei­ den.

Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, mehr als zwei Abgastur­ bolader mit einer gemeinsamen Längsachse vorzusehen, insbeson­ dere eine Mehrzahl von Ladern mit einer Hohlwelle als Antriebs­ welle auszustatten und auf der Antriebswelle eines weiteren La­ ders anzuordnen.

Darüber hinaus kann es angezeigt sein, einen oder mehrere Turbi­ nen der Lader mit variabel einstellbarer Turbinengeometrie zu versehen, deren Position zur Beeinflussung des wirksamen Turbi­ nenquerschnitts in Abhängigkeit von Last und Drehzahl einstell­ bar ist.

Die Erfindung ist sowohl bei hintereinander geschalteten Turbo­ ladern als auch bei parallel angeordneten Turboladern anwend­ bar.

Claims (7)

1. Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern, wobei jeder Abgasturbolader (3, 4) eine Abgasturbine (3b, 4b), einen Ver­ dichter (3a, 4a) und eine Abgasturbine und Verdichter verbin­ dende Antriebswelle (5, 6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswellen (5, 6) der Abgasturbolader (3, 4) eine gemeinsame Längsachse (7) aufweisen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (6) eines Abgasturbolader (4) als Hohl­ welle ausgebildet ist, die drehbar auf der Antriebswelle (5) des zweiten Abgasturboladers (3) aufsitzt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbolader (3, 4) in Reihe geschaltet sind.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochdruck-Turbolader (4) und ein Niederdruck-Turbolader (3) vorgesehen sind.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruck-Turbolader (4) auf der Antriebswelle (5) des Niederdruck-Turboladers (3) angeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg zwischen den Verdichtern (3a, 4a) der bei­ den Lader (3, 4) ein Zwischenkühler (13) angeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckturbine (4b) mit variabel einstellbarer Turbi­ nengeometrie ausgestattet ist.