DE19948220A1 - IC engine with two turbochargers has two drive shafts with common longitudinal axis, and one high-pressure charger located on drive shaft of low-pressure charger - Google Patents
IC engine with two turbochargers has two drive shafts with common longitudinal axis, and one high-pressure charger located on drive shaft of low-pressure chargerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgas turboladern nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an internal combustion engine with two exhaust gases turbochargers according to the preamble of claim 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.DE 43 10 148 A1 describes a supercharged internal combustion engine known with two exhaust gas turbochargers arranged in parallel. The Turbine of a first exhaust gas turbocharger is with variable turbo internal geometry that allows the effective turbo cross-section depending on the operating state of the burner change engine. The smaller sized second Exhaust gas turbocharger has a turbine with a fixed geometry. In the charge air line of the charger with variable turbine geometry is a controllable check valve arranged, depending on the loading drive state of the internal combustion engine in opening or locking position is moved, so that the loader with variable turbine geometry to an adjustable degree on the Charge air supply to the internal combustion engine can participate.
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.Only the small exhaust gas turbo works in the lower speed range Fixed geometry loader, the compressor of which is due to the gerin lower inertia in the lower speed range a higher load builds up pressure than with the larger compressor in this rotation number range would be realized. The check valve of the loader with variable turbine geometry is in the closed position, so that this supercharger in the lower speed range makes no contribution to Charge air supply provides.
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.From a medium speed, the loader also becomes more variable Turbine geometry switched on by opening the check valve is so that from the supercharger with variable turbine geometry increasing contribution to the charge air supply is made.
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.This arrangement has the advantage that the small turbocharger optimally designed for low speeds and therefore a good one Overall efficiency can be achieved. In addition, is missing that the larger supercharger at low speeds in the loading range of compressor pumps.
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.From the reference "The internal combustion engine", volume I, "Design and main dimensions of internal combustion schine "by Maas, Harald, Springer-Verlag, 1979, page 173 a register charge with a plurality of parallel connected Exhaust gas turbocharger known, with individual exhaust gas turbochargers in Ab dependence of the operating state of the internal combustion engine adjustable throttles can be switched on or off. As a result, the overall turbine cross section can be loaded or rotated can be varied depending on the number, which also means the exhaust gas back pressure and the boost pressure are to be influenced.
Die Turbolader sind in mehreren parallelen Ebenen hintereinan der angeordnet, wodurch der Raumbedarf für die Anordnung der Turbolader erhöht ist.The turbochargers are arranged in several parallel planes the arranged, which means the space required for the arrangement of the Turbocharger is increased.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Mehrzahl von Ab gasturboladern für eine Brennkraftmaschine in einfacher und raumsparender Weise anzuordnen.The invention is based on the problem of a plurality of Ab gas turbochargers for an internal combustion engine in simple and to arrange space-saving.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An spruches 1 gelöst.This problem is solved according to the invention with the features of the Proverb 1 solved.
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.According to the innovation it is provided that the drive shafts of at least two exhaust gas turbochargers on a common longitudinal axis point, but in particular independently of one another around the same che axis of rotation can rotate. This makes it possible to housing parts, storage facilities or other turbocharger facilities for both exhaust gas turbochargers to share, which means both the cost of materials and the space required can be reduced.
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.In a particularly expedient embodiment it is provided that the drive shaft of an exhaust gas turbocharger out as a hollow shaft forms, which is rotatable on the drive shaft of the second Abga turbocharger sits on. This version encompasses the as Hollow shaft trained drive shaft, the second drive shaft of the other exhaust gas turbocharger, whereby, for example, an order in the form is possible that the compressor and the Turbine of the turbocharger with hollow shaft between the compressor and the turbine of the other supercharger are arranged. Because of the rotatability of the drive shaft designed as a hollow shaft compared to the other drive shaft, it is ensured that the two drive shafts can be moved independently NEN, so that the movement of a drive shaft is not a movement of the other drive shaft. The exhaust gas turbochargers can are basically moved independently of each other, the two exhaust gas turbochargers for a common rotary motion too can be interconnected, provided that for a together circuit formulated criteria, for example speed or Load condition, are fulfilled.
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.According to an expedient embodiment, it is provided that both Exhaust gas turbochargers are connected in series or that both exhaust gas turbochargers are connected in series at high boost pressures. It turns out to be useful, different turbochargers size and inertia to use one over the load and to achieve the speed optimized charging behavior. Before a high-pressure and a low-pressure turbocharger are in part provided, the high-pressure turbocharger gün to achieve Incoming and outflow conditions preferred on the drive shaft of the low-pressure turbocharger is arranged, in particular between the turbine and compressor of the low-pressure turbocharger.
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.Further advantages and practical embodiments are the further claims, the description of the figures and the drawing can be seen in the schematic with an internal combustion engine two exhaust gas turbochargers arranged in series with a common one Axis of rotation is shown.
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.The internal combustion engine 1 is equipped with an exhaust gas turbocharger device 2 , which has two exhaust gas turbochargers 3 , 4 which are arranged in series in the flow direction of the inflowing combustion air or the outflowing exhaust gases. The exhaust gas turbocharger device 2 comprises a first exhaust gas turbocharger 3 , which is designed in particular as a low-pressure exhaust gas turbocharger, and a second exhaust gas bolader 4 , which is designed in particular as a high-pressure exhaust gas turbocharger. The two loaders 3 and 4 are arranged in a common charger housing 8 and have a common axis of rotation 7 , which at the same time represents the longitudinal axis of the drive shafts 5 and 6 of the charger 3 and 4 , the drive shafts 5 , 6 each of the turbine and connect the compressor of a charger 3 , 4 .
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.The drive shafts 5 and 6 of the loaders 3 and 4 rotatably mounted in the housing 8 can rotate independently of one another. At the drive shaft 5 of the first charger 3 is designed as a solid shaft and supported via bearings 9 , 10 on the housing 8 , in particular on outer webs 19 , 20 of the housing 8 . The drive shaft 6 of the second supercharger 4 is designed as a hollow shaft, which engages around the drive shaft 5 and, in particular approximately in the region of the center of the first drive shaft 5 - seen in the longitudinal direction - is seated thereon. The second drive shaft 6 is rotatably supported via bearings 11 , 12 relative to the first drive shaft 5 .
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.In a particularly expedient embodiment, the impellers 3 a, 3 b of the low-pressure turbocharger are overhung by the associated bearings 9 , 10 being supported on inner webs 21 , 22 of the housing. In this embodiment, the outer webs 19 , 20 can be omitted.
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.The second charger 4 is enclosed in the axial direction of the axis of rotation 7 on egg ner side of the compressor 3 a and on the other side of the turbine 3 b of the first charger 3 . The fresh air drawn in is a of the first supercharger 3 is sucked with atmospheric pressure in the direction of arrow 17 in the preferred low pressure compressor formed compressor 3, cooled after compression in egg nem intercooler 13, after cooling in Zwischenküh ler 13 to the second compressor 4 a which is expediently designed as a high-pressure compressor, fed, then cooled in a charge air cooler 14 and finally fed as compressed combustion air via the intake channels 15 to the combustion chambers of the internal combustion engine. The exhaust gases generated are fed via the cylinder outlets 16 of the turbine 4 b of the second supercharger 4 , which is preferably formed as a high-pressure turbine, then fed to the turbine 3 b of the first supercharger, which is expediently embodied as a low-pressure turbine, and finally in the direction of the arrow 18 from the exhaust gas turbocharger device 2 derived.
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.The design of the drive shaft 6 of the second charger 4 as a hollow shaft makes it possible to arrange the low-pressure turbocharger 3 and the high-pressure turbocharger 4 of the two-stage exhaust gas turbocharger in a common housing 8 . Because of the axially outer position of the low-pressure compressor 3 a or the low-pressure turbine 3 b in the region of the axial end face of the Laderein device 2 , fresh air can be sucked in from the outside in the direction of the arrow 17 or exhaust gases can be discharged to the outside in the direction of the arrow 18 . In this version, inflow and outflow take place in the axial direction. Since the low-pressure loader 3 and the high-pressure loader 4 are rotatably supported independently of one another, the two loaders of their different training can revolve accordingly at different rotational speeds, without being interdependent or impaired. The hollow shaft design also enables optimal use of space.
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.In front of the high pressure compressor and behind the high pressure turbine of the high-pressure supercharger is advisable or collecting space arranged around a the pressure ratio of the Compressor distorting twist in the supply line of the pre sealed fresh air in the radial direction to the high-pressure compressor or to avoid the radial derivation from the high-pressure turbine the.
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.It may be appropriate to have more than two exhaust gases provide bolader with a common longitudinal axis, in particular a plurality of loaders with a hollow shaft as a drive shaft and on the drive shaft of another La to arrange.
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.In addition, it may be indicated one or more turbi the supercharger with variably adjustable turbine geometry provided, their position to influence the effective turbi Adjust cross-section depending on load and speed is cash.
Die Erfindung ist sowohl bei hintereinander geschalteten Turbo ladern als auch bei parallel angeordneten Turboladern anwend bar.The invention is both in series with turbo loaders as well as with turbochargers arranged in parallel bar.
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