DE202014103104U1 - Charged internal combustion engine with turbocharger - Google Patents
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Abstract
Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, und – mindestens einem Abgasturbolader (2), der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (4) und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (3) umfasst, wobei der Verdichter (3) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (3e) auf einer drehbaren Welle (3c) gelagerten Laufrad (3d) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein elektrisch antreibbarer zweiter Verdichter (5) stromaufwärts des Verdichters (3) des mindestens einen Abgasturboladers (2) im Ansaugsystem (1) angeordnet ist, wobei der zweite Verdichter (5) mindestens ein in einem Verdichtergehäuse (5e) auf einer drehbaren Welle (5c) gelagertes Laufrad (5d) umfasst und ein Axialverdichter (5b) ist, dessen Austrittsbereich (5a) koaxial zur Welle (5c) des zweiten Verdichters (5) verläuft, so dass die Abströmung der Ladeluft aus dem zweiten Verdichter (5) via Austrittsbereich (5a) im Wesentlichen axial erfolgt, und – der Verdichter (3) des mindestens einen Abgasturboladers (2) einen Eintrittsbereich (3a) aufweist, der koaxial zur Welle (3c) des Verdichters (3) und koaxial zum Austrittsbereich (5a) des zweiten Verdichters (5) verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter (3) des mindestens einen Abgasturboladers (2) im Wesentlichen axial erfolgt.Supercharged internal combustion engine with - an intake system (1) for supplying charge air, - an exhaust gas discharge system for removing exhaust gas, and - at least one exhaust gas turbocharger (2), which has a turbine (4) arranged in the exhaust gas discharge system and a compressor (1) arranged in the intake system (1) 3), the compressor (3) being equipped with at least one impeller (3d) mounted in a compressor housing (3e) on a rotatable shaft (3c), characterized in that - an electrically driven second compressor (5) upstream of the compressor (3) of the at least one exhaust gas turbocharger (2) is arranged in the intake system (1), the second compressor (5) comprising at least one impeller (5d) mounted in a compressor housing (5e) on a rotatable shaft (5c) and an axial compressor ( 5b), the outlet area (5a) of which runs coaxially to the shaft (5c) of the second compressor (5), so that the charge air flows out of the second compressor (5) via the outlet area (5a) takes place essentially axially, and - the compressor (3) of the at least one exhaust gas turbocharger (2) has an inlet area (3a) which is coaxial to the shaft (3c) of the compressor (3) and coaxial to the outlet area (5a) of the second Compressor (5) runs and is designed so that the flow of the charge air to the compressor (3) of the at least one exhaust gas turbocharger (2) takes place essentially axially.
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, und
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist.The invention relates to a supercharged internal combustion engine with
An intake system for supplying charge air,
An exhaust gas discharge system for discharging exhaust gas, and
- At least one exhaust gas turbocharger comprising a turbine arranged in the Abgasabführsystem and a compressor disposed in the intake compressor, wherein the compressor is equipped with at least one mounted in a compressor housing on a rotatable shaft impeller.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.An internal combustion engine of the type mentioned is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes diesel engines and gasoline engines, but also hybrid internal combustion engines, which use a hybrid combustion process, and hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine comprise an electric motor which can be electrically connected to the internal combustion engine, which receives power from the internal combustion engine or as switchable auxiliary drive additionally delivers power.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie nimmt weiter ständig zu.In recent years, there has been a trend toward small, supercharged engines, with supercharging primarily a method of increasing performance by compressing the air needed for the engine combustion process. The economic importance of these engines for the automotive industry continues to increase.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.Frequently, an exhaust gas turbocharger is used for charging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust stream is supplied to the turbine and relaxes with energy release in the turbine, causing the shaft to rotate. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby a charging of the cylinder is achieved. Advantageously, a charge air cooler is provided downstream of the compressor in the intake system, with which the compressed charge air is cooled before entering the at least one cylinder. The radiator lowers the temperature and thus increases the density of the charge air, so that the cooler to a better filling of the cylinder, d. H. contributes to a larger air mass. There is a compaction by cooling.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.The advantage of an exhaust gas turbocharger compared to a mechanical supercharger is that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine or is required. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive completely from the internal combustion engine and thus reduces the power provided and thus adversely affects the efficiency, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Die Aufladung dient – wie bereits erwähnt – der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.The charge is - as already mentioned - the increase in performance. The air required for the combustion process is compressed, which allows each cylinder per working cycle, a larger air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. If the displacement is reduced, then the load spectrum can be shifted to higher loads, where the specific fuel consumption is lower.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.Charging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, d. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden.Another fundamental goal is to reduce pollutant emissions. In the solution of this task, the charging can also be effective. With targeted design of the charge namely benefits in efficiency and in the exhaust emissions can be achieved.
Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet.The interpretation of the turbocharger turbocharger is difficult, with basically a noticeable increase in performance in all speed ranges is sought. In the prior art, however, a strong torque drop is observed when falling below a certain speed.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Ladedruckabfall bzw. Drehmomentabfall.This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio. Consequently, the boost pressure ratio also decreases toward lower speeds. This is equivalent to a boost pressure drop or torque drop.
In der Praxis führen die vorstehend beschriebenen Zusammenhänge häufig dazu, dass ein kleiner Abgasturbolader, d. h. ein Abgasturbolader mit einem kleinen Turbinenquerschnitt eingesetzt wird, wodurch das Turbinendruckverhältnis erhöht werden kann. Dies verschlechtert aber die Aufladung bei hohen Drehzahlen und verschiebt den Drehmomentabfall lediglich hin zu niedrigen Drehzahlen. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen uneingeschränkt und in dem gewünschten Maße möglich sein soll.In practice, the relationships described above often lead to a small exhaust gas turbocharger, ie an exhaust gas turbocharger with a small turbine cross section is used, whereby the turbine pressure ratio can be increased. However, this degrades the charge at high speeds and shifts the torque drop only towards low speeds. In addition, this approach, ie the reduction of the turbine cross section, limits, since the desired charging and performance increase should be possible without restriction and to the desired extent, even at high speeds.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine is tried to improve in the prior art by various measures.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung, wobei die Abgasabblasung mittels Ladedruck oder mittels Abgasdruck gesteuert werden kann. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber – wie bereits oben angesprochen – den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unzureichend ist.For example, by a small design of the turbine cross-section and simultaneous Abgasabblasung, the Abgasabblasung can be controlled by means of boost pressure or by means of exhaust pressure. Such a turbine is also referred to as a waste gate turbine. If the exhaust gas mass flow exceeds a critical size, part of the exhaust gas flow is conducted past the turbine by means of a bypass line as part of the so-called exhaust gas blow-off. However, this approach has - as already mentioned above - the disadvantage that the charging behavior at higher speeds is insufficient.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may be further characterized by a plurality of turbochargers arranged in parallel, i. H. be improved by a plurality of parallel turbines of smaller turbine cross-section, with turbines are switched successively with increasing exhaust gas quantity.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Motorkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.The torque characteristic can also be advantageously influenced by means of a plurality of exhaust-gas turbochargers connected in series. By switching in series of two exhaust gas turbochargers, one of which is an exhaust gas turbocharger as a high-pressure stage and an exhaust gas turbocharger as a low-pressure stage, the engine map can be widened in an advantageous manner, both towards smaller compressor streams and towards larger compressor streams.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem. In der Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.In particular, in the case of the exhaust gas turbocharger serving as a high-pressure stage, the pumping limit can be shifted towards smaller compressor flows, which means that high boost pressure ratios can be achieved even with small compressor flows, which significantly improves the torque characteristic in the lower rpm range. This is achieved by designing the high-pressure turbine for small exhaust gas mass flows and providing a bypass line, with which increasing exhaust gas mass flow increasingly exhaust gas is passed to the high-pressure turbine. For this purpose, the bypass line branches off the exhaust-gas removal system upstream of the high-pressure turbine and returns to the exhaust-gas removal system upstream of the low-pressure turbine. In the bypass line, a shut-off element is arranged to control the exhaust gas flow passed past the high-pressure turbine.
Die Verwendung mehrerer Abgasturbolader hat aber auch Nachteile, wie im Folgenden an der zweistufigen Aufladung erläutert wird.However, the use of multiple turbochargers also has disadvantages, as will be explained below in the two-stage charging.
Bei der Auslegung der Abgasturboaufladung ist man bemüht, die Turbine bzw. die Turbinen möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe der Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Nicht nur der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich durch eine motornahe Anordnung, auch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt ebenfalls ab und zwar durch Reduzierung der Masse und der Länge des Teilstückes des Abgasabführsystems bis hin zur Turbine.In the design of the turbocharger turbocharger is trying hard, the turbine or turbines as close to the outlet of the engine, d. H. near the exhaust ports of the cylinder, to be arranged in order to be able to use the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust pressure and the exhaust gas temperature, optimally and to ensure a fast response of the turbocharger. Not only the way of the hot exhaust gases to the turbine is shortened by a close-coupled arrangement, also the volume of Abgasabführsystems upstream of the turbine decreases. The thermal inertia of the Abgasabführsystems also decreases by reducing the mass and the length of the portion of Abgasabführsystems to the turbine.
Aus den vorstehend genannten Gründen werden die Turbinen in der Regel auslassseitig am Zylinderkopf angeordnet. Der Abgaskrümmer wird nach dem Stand der Technik häufig im Zylinderkopf integriert. Die Integration des Abgaskrümmers gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit. Zudem kann von einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, so dass der Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen gefertigt werden muss, die kostenintensiv sind.For the reasons mentioned above, the turbines are usually arranged on the exhaust side of the cylinder head. The exhaust manifold is often integrated in the cylinder head according to the prior art. The integration of the exhaust manifold also allows a dense packaging of the drive unit. In addition, it is possible to participate in a liquid cooling system, which may be provided in the cylinder head, so that the manifold does not have to be manufactured from materials capable of bearing high thermal loads, which are cost-intensive.
Naturgemäß bereitet bei einer zweistufigen Aufladung die motornahe Anordnung der Turbine der Niederdruckstufe größere Probleme. Zu berücksichtigen ist dabei auch, dass die Turbine eines Abgasturboladers in der Regel in Radialbauweise ausgeführt wird, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle des Abgasturboladers in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft.Naturally, in a two-stage supercharger, the engine-mounted arrangement of the turbine of the low-pressure stage causes greater problems. It should also be taken into account that the turbine of an exhaust gas turbocharger is usually designed in a radial design, ie. H. the flow of the blades takes place substantially radially. In the context of the present invention, essentially radial means that the velocity component in the radial direction is greater than the axial velocity component. The velocity vector of the flow cuts the shaft of the turbocharger at a right angle, if the flow is exactly radial.
Folglich muss das Abgas nach Durchströmen der Hockdruckturbine zunächst via Abgasabführsystem umgeleitet bzw. umgelenkt werden, um stromabwärts der Hockdruckturbine der Radialturbine der Niederdruckstufe zugeführt werden zu können. Dies vergrößert nicht nur die Wegstrecke, sondern auch das Volumen und die thermische Trägheit zwischen den beiden Turbinen erheblich.Consequently, after flowing through the high-pressure turbine, the exhaust gas must first be diverted or deflected via the exhaust-gas removal system in order to be able to be fed to the low-pressure stage downstream of the high-pressure turbine of the radial turbine. This not only increases the distance, but also the volume and the thermal inertia between the two turbines considerably.
Um die Abgasenergie möglichst effizient nutzen zu können, sollte das Abgas möglichst wenig umgelenkt werden. Jede Richtungsänderung der Abgasströmung, beispielsweise infolge einer Krümmung des Abgasabführsystems, hat einen Druckverlust in der Abgasströmung und damit einen Enthalpieverlust zur Folge. Es sollte aber alles vermieden werden, was den Druck im Abgas reduziert und die an der Turbine noch zur Verfügung stehende Abgasenergie verringert.In order to use the exhaust energy as efficiently as possible, the exhaust gas should be deflected as little as possible. Any change in direction of the exhaust gas flow, for example as a result of a curvature of the Abgasabführsystems, has a pressure drop in the exhaust gas flow and thus enthalpy loss. However, everything should be avoided which reduces the pressure in the exhaust gas and reduces the exhaust gas energy still available at the turbine.
Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, wird der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases nach dem Stand der Technik als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen radial erfolgt. Eine derartige Radialturbine wird beispielsweise in der
Die Zuführung des Abgases zur Niederdruckturbine mittels Spiral- oder Schneckengehäuse erfordert die mehrfache Umlenkung des Abgases bzw. der Abgasströmung mit großen Richtungsänderungen. Wie bereits ausgeführt, bedingt aber jede Richtungsänderung einen Druckverlust in der Abgasströmung, weshalb dem Abgas an der Niederdruckturbine weniger Energie entzogen werden kann.The supply of the exhaust gas to the low pressure turbine by means of spiral or worm housing requires the multiple deflection of the exhaust gas or the exhaust gas flow with large changes in direction. As already stated, however, any change in direction causes a pressure drop in the exhaust gas flow, which is why less energy can be withdrawn from the exhaust gas at the low-pressure turbine.
Gelegentlich wird die Niederdruckturbine eines Abgasturboladers auch als Axialturbine ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufradschaufeln erfolgt im Wesentlichen axial. Im Wesentlichen axial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die radiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung im Bereich des Laufrades verläuft dabei vorzugsweise parallel zur Welle des Abgasturboladers, falls die Anströmung exakt axial verläuft.Occasionally, the low pressure turbine of an exhaust gas turbocharger is also designed as an axial turbine, d. H. the flow of the impeller blades takes place substantially axially. In the context of the present invention, essentially axial means that the velocity component in the axial direction is greater than the radial velocity component. The velocity vector of the flow in the region of the impeller preferably runs parallel to the shaft of the exhaust gas turbocharger, if the flow is exactly axial.
Nach dem Stand der Technik wird aber auch bei Axialturbinen der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases häufig als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass zumindest im Eintrittsbereich die Strömung des Abgases schräg bzw. radial zur Welle verläuft bzw. geführt wird, wozu eine Umlenkung des Abgases zwischen den Turbinen erforderlich ist bzw. wird. Einbußen bei der am Turbinenlaufrad zur Verfügung stehenden Abgasenthalpie müssen dabei in Kauf genommen werden. Die
Das für die Turbinen Gesagte gilt in analoger Weise auch für die Verdichter der Abgasturbolader, wobei die Verdichter aufgrund der auslassseitigen Anordnung der Turbinen ebenfalls auslassseitig angeordnet sind und die in den Verdichtern komprimierte Ladeluft stromabwärts der Verdichter zunächst auf die Einlassseite des Zylinderkopfes geleitet werden muss, um den Zylindern zugeführt werden zu können. Anders als bei den Turbinen werden Verdichter über ihre Abströmung definiert. Ein Radialverdichter ist somit ein Verdichter, dessen Abströmung aus den Laufschaufeln im Wesentlichen radial erfolgt. Hingegen erfolgt die Abströmung aus den Laufradschaufeln eines Axialverdichters im Wesentlichen axial.The said for the turbines applies in an analogous manner to the compressors of the exhaust gas turbocharger, the compressors are also arranged on the outlet side due to the outlet side arrangement of the turbines and compressed in the compressors charge air downstream of the compressor must first be passed to the inlet side of the cylinder head to to be fed to the cylinders. Unlike the turbines, compressors are defined by their outflow. A radial compressor is thus a compressor whose outflow from the blades takes place substantially radially. By contrast, the outflow from the impeller blades of an axial compressor takes place substantially axially.
Um einlassseitig einen Druckverlust zu vermeiden bzw. den Druckverlust zu minimieren, sollte die Ladeluft möglichst wenig umgelenkt werden. Das Ansaugsystem sollte möglichst kurz sein und möglichst wenig Richtungsänderungen stromaufwärts der Verdichter, stromabwärts der Verdichter und zwischen den Verdichtern aufweisen.In order to avoid a pressure loss on the inlet side or to minimize the pressure loss, the charge air should be deflected as little as possible. The intake system should be as short as possible and should have as few changes of direction upstream of the compressors, downstream of the compressors and between the compressors.
Insofern ist eine mehrfache Umlenkung der Ladeluftströmung mit großen Richtungsänderungen zwecks Überleitung der Ladeluft auf die Einlassseite des Zylinderkopfes und Zuführung zu den Verdichtern als nachteilig anzusehen. Dies ist einer Druckerhaltung, insbesondere in der komprimierten Ladeluft, abträglich.In this respect, a multiple deflection of the charge air flow with large changes in direction in order to transfer the charge air to the inlet side of the cylinder head and feed to the compressors is to be regarded as disadvantageous. This is a pressure maintenance, especially in the compressed charge air, detrimental.
Die Verwendung mehrerer Abgasturbolader hat, insbesondere auch aufgrund des komplexen Abgasleitungssystems, zudem Nachteile hinsichtlich eines dichten Packagings der Antriebseinheit im Motorraum.The use of a plurality of exhaust gas turbochargers has, in particular due to the complex exhaust pipe system, also disadvantages in terms of a tight packaging of the drive unit in the engine compartment.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, deren Aufladeverhalten verbessert ist und deren Aufladung einen geringeren Raumbedarf hat.Against this background, it is the object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, und
- – mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
- – ein elektrisch antreibbarer zweiter Verdichter stromaufwärts des Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist, wobei der zweite Verdichter mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst und ein Axialverdichter ist, dessen Austrittsbereich koaxial zur Welle des zweiten Verdichters verläuft, so dass die Abströmung der Ladeluft aus dem zweiten Verdichter via Austrittsbereich im Wesentlichen axial erfolgt, und
- – der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters und koaxial zum Austrittsbereich des zweiten Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers im Wesentlichen axial erfolgt.
- An intake system for supplying charge air,
- An exhaust gas discharge system for discharging exhaust gas, and
- At least one exhaust-gas turbocharger comprising a turbine arranged in the exhaust-gas removal system and a compressor arranged in the intake system, the compressor being equipped with at least one impeller mounted on a rotatable shaft in a compressor housing,
- - An electrically drivable second compressor is arranged upstream of the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger in the intake system, wherein the second compressor at least comprises an impeller mounted in a compressor housing on a rotatable shaft and is an axial compressor, the outlet region is coaxial with the shaft of the second compressor, so that the outflow of the charge air from the second compressor via the outlet region is substantially axially, and
- - The compressor of the at least one exhaust gas turbocharger has an inlet region which is coaxial with the shaft of the compressor and coaxial with the outlet region of the second compressor and is formed so that the flow of the charge air to the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger takes place substantially axially.
Die erfindungsgemäße mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit einem zusätzlichen Verdichter in Axialbauweise ausgestattet, der stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist.The inventive supercharged by exhaust gas turbocharger internal combustion engine is equipped with an additional compressor in Axialbauweise, which is arranged upstream of the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger in the intake system.
Dieser zweite Verdichter verfügt zudem über einen Austrittsbereich, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft, so dass die Abströmung der Ladeluft aus diesem zusätzlichen Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt. Die Ladeluft muss folglich nach Durchströmen des zweiten Verdichters nicht umgelenkt werden, um dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers zugeführt zu werden. Da eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung unterbleibt, werden unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden und die vorkomprimierte Ladeluft kann im Verdichter des Abgasturboladers weiter verdichtet werden. Der Wirkungsgrad und das Ladedruckverhältnis der zweistufigen Verdichtung können gesteigert werden.This second compressor also has an outlet region, which runs coaxially to the shaft of the compressor, so that the outflow of the charge air from this additional compressor takes place substantially axially. The charge air must therefore not be deflected after flowing through the second compressor to be supplied to the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger. Since a deflection or change in direction of the charge air flow does not occur, unnecessary pressure losses in the charge air flow due to flow deflection are avoided and the precompressed charge air can be further compressed in the compressor of the exhaust gas turbocharger. The efficiency and the charge pressure ratio of the two-stage compression can be increased.
Die Verwendung eines Axialverdichters anstelle eines weiteren Abgasturboladers zusammen mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Austrittsbereich gestattet ein dichtes Packaging, insbesondere eine Reduzierung der Wegstrecke, des Volumens und der Masse des Ansaugsystems zwischen den beiden Verdichtern.The use of an axial compressor instead of a further exhaust gas turbocharger together with the outlet region designed according to the invention permits dense packaging, in particular a reduction of the distance, the volume and the mass of the intake system between the two compressors.
Die vorstehend beschriebenen Effekte und technischen Wirkungen werden weiter dadurch unterstützt und ermöglicht, dass der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters und koaxial zum Austrittsbereich des zweiten Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers im Wesentlichen axial erfolgt.The above-described effects and technical effects are further assisted and made possible by the fact that the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger has an inlet region, which is coaxial with the shaft of the compressor and coaxial with the outlet region of the second compressor and is formed, so that the flow of the charge air to the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger takes place substantially axially.
Erfindungsgemäß ist der zweite Verdichter ein elektrisch antreibbarer Verdichter, so dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Verdichter und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist, weshalb der zweite Verdichter einen geringen Raumbedarf hat und ein dichtes Packaging der Aufladung bzw. der Brennkraftmaschine ermöglicht. Zudem kann der zweite Verdichter als zuschaltbarer Verdichter ausgebildet werden, der nur im Bedarfsfall zwecks Vorverdichtung der Ladeluft zugeschaltet wird, insbesondere wenn die zur Verfügung stehende Abgasenergie für eine zufriedenstellende Aufladung nicht ausreichend hoch ist.According to the invention, the second compressor is an electrically drivable compressor, so that there is no mechanical connection to the power transmission between the compressor and the internal combustion engine or is required, which is why the second compressor has a small space requirement and allows a dense packaging of the charge or the internal combustion engine. In addition, the second compressor can be designed as a switchable compressor, which is switched on only in case of need for precompression of the charge air, especially if the available exhaust gas energy is not sufficiently high for a satisfactory charge.
Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, deren Aufladeverhalten verbessert ist und deren Aufladung einen geringeren Raumbedarf hat.Thus, the object underlying the invention is achieved, namely provided a supercharged internal combustion engine, with which the disadvantages known from the prior art are overcome, the charging behavior is improved and their charging has a smaller space requirement.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der elektrisch antreibbare zweite Verdichter als zuschaltbarer Verdichter ausgebildet ist.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the electrically driven second compressor is designed as a switchable compressor.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Radialverdichter ist. Diese Ausführungsform gestattet ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden, wobei die Umlenkung der Ladeluftströmung im Verdichter des Abgasturboladers in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden kann, die komprimierte Ladeluft auf kürzestem Weg von der Auslaßseite, auf der die Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist, auf die Einlassseite zu führen.Embodiments of the internal combustion engine in which the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger is a radial compressor are advantageous. This embodiment allows a tight packaging of the exhaust gas turbocharger and thus the overall charge. The compressor housing can be designed as a spiral or worm housing, wherein the deflection of the charge air flow in the compressor of the exhaust gas turbocharger can be used advantageously to the compressed charge air on the shortest route from the outlet side, on which the turbine of the exhaust gas turbocharger is arranged on the inlet side respectively.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Diese Ausführungsform gestattet ebenfalls ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt.Embodiments of the internal combustion engine in which the turbine of the at least one exhaust-gas turbocharger is a radial turbine are advantageous. This embodiment also allows a tight packaging of the exhaust gas turbocharger and thus the overall charge.
Aus Gründen des Packagings sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen nur ein Abgasturbolader vorgesehen ist.For reasons of packaging, embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which only one exhaust gas turbocharger is provided.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers kleiner ausgelegt ist als der zweite Verdichter.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger is designed to be smaller than the second compressor.
Bei zwei in Reihe geschalteten, im Ansaugsystem angeordneten Verdichtern, kann es vorteilhaft sein, den zweiten Verdichter größer auszulegen als den stromabwärts gelegenen Verdichter des Abgasturboladers, da bei einer zweistufigen Verdichtung der Verdichter des Laders die Hochdruckstufe bildet und die Ladeluft komprimiert, die bereits in dem dann als Niederdruckstufe dienenden zweiten Verdichter vorverdichtet wurde. In two connected in series, arranged in the intake compressor, it may be advantageous to make the second compressor larger than the downstream compressor of the exhaust gas turbocharger, since in a two-stage compression of the compressor of the supercharger forms the high-pressure stage and compresses the charge air already in the was then precompressed as a low pressure stage second compressor.
Nichtsdestotrotz muss der zweite Verdichter nicht zwingend größer ausgelegt werden als der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers. Insbesondere kann der zweite Verdichter auch gleichgroß sein oder kleiner ausgelegt werden, um die Verdichtung der Ladeluft bei kleinen Ladeluftmengen in zufriedenstellender Weise zu bewerkstelligen und sicherzustellen. Bei größeren Ladeluftmengen könnte der zweite Verdichter dann mittels Bypassleitung umgangen werden und der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers die Verdichtung der Ladeluft im Rahmen einer einstufigen Verdichtung vornehmen.Nevertheless, the second compressor does not necessarily have to be made larger than the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger. In particular, the second compressor may also be the same size or be made smaller in order to accomplish the compression of the charge air at small charge air quantities in a satisfactory manner and ensure. For larger amounts of charge air, the second compressor could then be bypassed by means of a bypass line and the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger make the compression of the charge air in the context of a single-stage compression.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers größer ausgelegt ist als der zweite Verdichter bzw. gleichgroß.Therefore, embodiments of the internal combustion engine in which the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger is designed to be larger than the second compressor or the same size are also advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der zweite Verdichter einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des zweiten Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem zweiten Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt. Diese Ausführungsform erleichtert die Anordnung des mindestens einen Laufrades im Verdichtergehäuse des zweiten Verdichters und die Ausbildung des elektrischen Antriebs.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the second compressor has an inlet region which extends coaxially to the shaft of the second compressor and is formed so that the flow of the charge air to the second compressor takes place substantially axially. This embodiment facilitates the arrangement of the at least one impeller in the compressor housing of the second compressor and the formation of the electric drive.
Ein solcher Antrieb wird beispielweise in der deutschen Offenlegungsschrift
Das Verdichterlaufrad kann auch in zwei Bereiche aufgeteilt werden, nämlich ein Vorsatzläuferrad, welches den Rotor bildet, und ein Hauptläuferrad, das die Wellennabe und die Laufschaufeln des Verdichterlaufrades umfasst. Das Vorsatzläuferrad ist stromaufwärts des Hauptläuferrades angeordnet.The compressor impeller may also be divided into two areas, namely a Vorsahrläuferrad, which forms the rotor, and a Hauptläufrad comprising the shaft hub and the blades of the compressor rotor. The Vorsattläuferrad is arranged upstream of the main rotor.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.Embodiments of the internal combustion engine in which the turbine of the at least one exhaust-gas turbocharger has a variable turbine geometry are advantageous.
Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, insbesondere an den momentanen Abgasmassenstrom. Im Gegensatz zu einer Turbine mit fester Geometrie muss die Turbine nicht auf bestimmte Abgasmengen ausgelegt werden, weshalb die Turbine in einem weiten Drehzahl- bzw. Lastbereich für eine befriedigende Aufladung sorgt, nämlich den gewünschten Ladedruck auf der Einlassseite.A variable turbine geometry increases the flexibility of charging. It allows a stepless adjustment of the turbine geometry to the respective operating point of the internal combustion engine, in particular to the current exhaust gas mass flow. Unlike a fixed-geometry turbine, the turbine does not have to be designed for specific amounts of exhaust gas, which is why the turbine provides a satisfactory boost in a wide range of speeds and loads, namely the desired charge pressure on the intake side.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Bypassleitung vorgesehen ist, in der ein Absperrelement angeordnet ist und die stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts dieser Turbine wieder in das Abgasabführsystem mündet.Also advantageous are embodiments of the internal combustion engine in which a bypass line is provided, in which a shut-off element is arranged and branches off upstream of the turbine of the at least one exhaust gas turbocharger from Abgasabführsystem and downstream of this turbine opens again into the Abgasabführsystem.
Das Vorsehen einer Bypassleitung gestattet die Auslegung der Turbine bzw. der Hochdruckturbine auf kleine bzw. mittelgroße Abgasmassenströme und damit auf den unteren bzw. mittleren Teillastbereich. The provision of a bypass line allows the design of the turbine or the high-pressure turbine to small or medium exhaust gas mass flows and thus to the lower or middle part load range.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die ein Absperrelement aufweist und die stromaufwärts des zweiten Verdichters vom Ansaugsystem abzweigt und zwischen den Verdichtern wieder in das Ansaugsystem mündet.Embodiments of the internal combustion engine in which a first bypass line is provided, which has a shut-off element and which branches off from the intake system upstream of the second compressor and opens again into the intake system between the compressors, are advantageous.
Wird der zweite Verdichter kleiner ausgelegt als der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers, übernimmt der zweite Verdichter die Verdichtung der Ladeluft bei kleinen Ladeluftmengen bzw. niedrigen Drehzahlen zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich. Bei größeren Ladeluftmengen könnte der zweite Verdichter dann mittels erster Bypassleitung umgangen werden und der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers sorgt für die Verdichtung der Ladeluft bei höheren Drehzahlen im Rahmen einer einstufigen Aufladung.If the second compressor designed smaller than the compressor of at least one exhaust gas turbocharger, the second compressor takes over the compression of the charge air at low charge air quantities or low speeds to improve the torque characteristics in the lower speed range. For larger charge air quantities of the second compressor could then be bypassed by means of the first bypass line and the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger provides for the compression of the charge air at higher speeds in the context of a single-stage charge.
Wird der zweite Verdichter größer ausgelegt als der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers, übernimmt der zweite Verdichter die Vorverdichtung der Ladeluft bei größeren Ladeluftmengen bzw. höheren Drehzahlen und der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers dient im Rahmen einer zweistufigen Aufladung als Hochdruckstufe, in der die vorverdichtete Ladeluft weiter komprimiert wird. Bei kleineren Ladeluftmengen könnte der zweite Verdichter dann mittels erster Bypassleitung umgangen werden und der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers sorgt für die Verdichtung der Ladeluft bei niedrigeren Drehzahlen im Rahmen einer einstufigen Aufladung. In den meisten Fällen wird der zweite Verdichter aber keinen allzu großen Strömungswiderstand bei kleinen Ladeluftmengen darstellen, weshalb eine erste Bypassleitung nicht unter allen Umständen erforderlich sein wird.If the second compressor designed to be larger than the compressor of at least one exhaust gas turbocharger, the second compressor takes over the pre-compression of the charge air at larger charge air quantities or higher speeds and the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger serves Frame of a two-stage supercharging as a high pressure stage, in which the pre-compressed charge air is further compressed. For smaller amounts of charge air, the second compressor could then be bypassed by means of the first bypass line and the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger provides for the compression of the charge air at lower speeds in the context of a single-stage charge. In most cases, however, the second compressor will not provide too much flow resistance with small amounts of charge air, so a first bypass line will not be required under all circumstances.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers eine variable Verdichtergeometrie aufweist.Embodiments of the internal combustion engine in which the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger has a variable compressor geometry are advantageous.
Wird der zweite Verdichter kleiner ausgelegt als der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers, übernimmt der zweite Verdichter die Verdichtung der Ladeluft bei kleinen Ladeluftmengen bzw. kleinen Drehzahlen. Der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stellt dann für die bereits komprimierte Ladeluft nur einen Strömungswiderstand auf dem Weg zu den Zylindern dar. Eine variable Verdichtergeometrie gestattet es, diesen Strömungswiderstand durch Öffnen der Geometrie zu vermindern.If the second compressor designed smaller than the compressor of at least one exhaust gas turbocharger, the second compressor takes over the compression of the charge air at small charge air quantities or low speeds. The compressor of the at least one exhaust gas turbocharger then represents only a flow resistance on the way to the cylinders for the already compressed charge air. A variable compressor geometry makes it possible to reduce this flow resistance by opening the geometry.
Eine variable Verdichtergeometrie ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Turbine des Abgasturboladers über eine variable Turbinengeometrie verfügt und eine variable Verdichtergeometrie dann auf die Turbinengeometrie kontinuierlich abstimmt werden kann.A variable compressor geometry is particularly advantageous if the turbine of the exhaust gas turbocharger has a variable turbine geometry and a variable compressor geometry can then be tuned continuously to the turbine geometry.
Insbesondere, wenn nur ein geringer Abgasmassenstrom durch die Turbine geleitet wird, erweist sich eine variable Verdichtergeometrie als vorteilhaft, da durch Verstellen der Schaufeln die Pumpgrenze des Verdichters im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben werden kann und so ein Arbeiten des Verdichters jenseits der Pumpgrenze vermieden wird.In particular, if only a small exhaust gas mass flow is passed through the turbine, a variable compressor geometry proves to be advantageous, since by adjusting the blades, the pumping limit of the compressor in the compressor map to small compressor streams can be moved and so working of the compressor is avoided beyond the surge line ,
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die ein Absperrelement aufweist und die stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers wieder in das Ansaugsystem mündet.Embodiments of the internal combustion engine in which a second bypass line is provided which has a shut-off element and branches off the intake system upstream of the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger and opens into the intake system downstream of the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger are advantageous.
Wie die vorangegangene Ausführungsform betreffend die variable Verdichtergeometrie ermöglicht es die zweite Bypassleitung, den Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers als Strömungswiderstand zu eliminieren. Wird der zweite Verdichter kleiner ausgelegt als der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers, übernimmt der zweite Verdichter die Verdichtung der Ladeluft bei kleinen Ladeluftmengen bzw. kleinen Drehzahlen. Der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers kann dann via zweiter Bypassleitung umgangen werden.Like the previous embodiment concerning the variable compressor geometry, the second bypass line makes it possible to eliminate the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger as a flow resistance. If the second compressor designed smaller than the compressor of at least one exhaust gas turbocharger, the second compressor takes over the compression of the charge air at small charge air quantities or low speeds. The compressor of the at least one exhaust gas turbocharger can then be bypassed via the second bypass line.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zum Zwecke der Abgasabblasung eine dritte Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts der Turbine wieder in das Abgasabführsystem mündet, wobei zur Steuerung der Abgasabblasung ein Absperrelement in der dritten Bypassleitung vorgesehen ist. Hinsichtlich der Umgehung der Turbine mittels Bypassleitung wurde bereits ausgeführt. Auf die entsprechenden Ausführungen wird Bezug genommen.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which for the purpose of Abgasabblasung a third bypass line is provided, which branches off upstream of the turbine from Abgasabführsystem and flows downstream of the turbine back into the Abgasabführsystem, wherein for controlling the Abgasabblasung a shut-off in the third bypass line is provided. With regard to the bypass of the turbine by means of bypass line has already been carried out. Reference is made to the corresponding statements.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des mindestens einen Laufrades des zweiten Verdichters eine Leiteinrichtung im Austrittsbereich des zweiten Verdichters angeordnet ist. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung im Bereich des mindestens einen Laufrades des Verdichters des Abgasturboladers weist vorzugsweise auch eine radiale Komponente zur Welle auf, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird.Embodiments of the internal combustion engine in which downstream of the at least one impeller of the second compressor a guide device is arranged in the outlet region of the second compressor are advantageous. The velocity vector of the flow in the region of the at least one impeller of the compressor of the exhaust gas turbocharger preferably also has a radial component to the shaft, whereby the efficiency is increased.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des mindestens einen Laufrades des Verdichters des Abgasturboladers eine Leiteinrichtung im Eintrittsbereich vorgesehen ist.Therefore, embodiments of the internal combustion engine in which upstream of the at least one impeller of the compressor of the exhaust gas turbocharger a guide device is provided in the inlet region are also advantageous.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Leiteinrichtung im Austrittsbereich des zweiten Verdichters gelagert ist.In this connection, embodiments of the internal combustion engine in which the guide device is mounted in the outlet region of the second compressor are advantageous.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Leiteinrichtung die Welle des zweiten Verdichters zwecks Lagerung aufnimmt.Also advantageous in this context are embodiments of the internal combustion engine, in which the guide receives the shaft of the second compressor for storage.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des mindestens einen Laufrades des zweiten Verdichters eine Halterung zwecks Lagerung der Welle des zweiten Verdichters angeordnet ist.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which upstream of the at least one impeller of the second compressor, a holder for the purpose of supporting the shaft of the second compressor is arranged.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Verdichter ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft, d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.Embodiments of the internal combustion engine in which a charge air cooler is arranged in the intake system downstream of the compressor are advantageous. The intercooler lowers the air temperature and thus increases the density of the charge air, which also makes the radiator a better filling of the air Combustion chamber with air, that contributes to a larger air mass.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sich ein zwischen dem Austrittsbereich des zweiten Verdichters und dem Eintrittsbereich des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers vorgesehener Abschnitt des Ansaugsystems verjüngt. Vorteilhaft ist dies im Hinblick auf Ausführungsformen, bei denen eine zweistufige Verdichtung der Ladeluft erfolgt, d. h. die Dichte der Ladeluft bereits stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers vergrößert wird.Embodiments of the internal combustion engine in which a section of the intake system provided between the outlet region of the second compressor and the inlet region of the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger is tapered are advantageous. This is advantageous in terms of embodiments in which a two-stage compression of the charge air takes place, d. H. the density of the charge air is already increased upstream of the compressor of the exhaust gas turbocharger.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement in der ersten, zweiten, und/oder dritten Bypassleitung ein Ventil oder eine Drosselklappe ist.Embodiments of the internal combustion engine in which the shut-off element in the first, second, and / or third bypass line is a valve or a throttle valve are advantageous.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen das Absperrelement elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.In this case, embodiments in which the shut-off element is electrically, hydraulically, pneumatically, mechanically or magnetically controllable, preferably by means of motor control, are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which exhaust gas recirculation is provided are advantageous.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, vorzugsweise stromabwärts der Verdichter.Advantageous in this connection are embodiments of the supercharged internal combustion engine in which exhaust gas recirculation is provided which comprises a line which branches off from the exhaust gas removal system upstream of the turbine and opens into the intake system, preferably downstream of the compressor.
Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt, d. h. die Rückführung von Abgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei mit xAGR = mAGR / (mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte – gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte – Frischluft bzw. Verbrennungsluft bezeichnet. Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich.To comply with future limits for nitrogen oxide emissions, an exhaust gas recirculation is increasingly used, ie the return of exhaust gases from the exhaust side to the inlet side, in which the nitrogen oxide emissions can be significantly reduced with increasing exhaust gas recirculation rate. In this case, the exhaust gas recirculation rate x AGR is determined by x AGR = m AGR / (m AGR + m fresh air ), where m AGR designates the mass of recirculated exhaust gas and m fresh air the supplied fresh air or combustion air, possibly guided and compressed by a compressor. Exhaust gas recirculation is also suitable for reducing emissions of unburned hydrocarbons in the partial load range. In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts eines Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen.Embodiments in which the line for exhaust gas recirculation leads downstream of a charge air cooler into the intake system are advantageous. In this way, the exhaust gas flow is not passed through the intercooler and consequently can not pollute this radiator by deposits of pollutants contained in the exhaust stream, in particular soot particles and oil.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein zusätzlicher Kühler vorgesehen ist. Dieser zusätzliche Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Ladeluft beiträgt.Embodiments in which an additional cooler is provided in the exhaust gas recirculation line are advantageous. This additional cooler lowers the temperature in the hot exhaust gas flow and thus increases the density of the exhaust gases. The temperature of the cylinder fresh charge, which occurs in the mixture of fresh air with the recirculated exhaust gases, is consequently further reduced, whereby the additional radiator contributes to a better filling of the combustion chamber with charge air.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate bzw. des Massenanteils an Verbrennungsprodukten.Embodiments in which a shut-off element is provided in the line for exhaust gas recirculation are advantageous. This shut-off element is used to control the exhaust gas recirculation rate or the mass fraction of combustion products.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, vorzugsweise stromaufwärts der Verdichter.Also advantageous are embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which an exhaust gas recirculation is provided, which comprises a line which branches off from the Abgasabführsystem downstream of the turbine and opens into the intake system, preferably upstream of the compressor.
Im Gegensatz zu der bereits erwähnten Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und stromabwärts der Verdichter in das Ansaugsystem einbringt, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts der Verdichter in das Ansaugsystem mündet.In contrast to the high-pressure EGR already mentioned, which removes exhaust gas from the exhaust gas removal system upstream of the turbine and introduces the compressor into the intake system downstream of the compressor, in a low-pressure EGR exhaust gas is returned to the inlet side, which has already passed through the turbine. For this purpose, the low-pressure EGR comprises a return line, which branches off downstream of the turbine from the Abgasabführsystem and opens upstream of the compressor in the intake system.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts der Verdichter mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die den Verdichtern zugeführt und verdichtet wird.The exhaust gas, which is returned to the inlet side by means of low-pressure EGR and is preferably cooled, is mixed with fresh air upstream of the compressor. The mixture of fresh air and recirculated exhaust gas produced in this way forms the charge air, which is supplied to the compressors and compressed.
Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch die Verdichter hindurchgeführt wird, da in der Regel Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbinen einer Abgasnachbehandlung, insbesondere im Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.It is harmless that, as part of the low-pressure EGR exhaust gas is passed through the compressor, since usually exhaust gas is used, which downstream of the turbines of an exhaust aftertreatment, in particular in the particulate filter was subjected. Deposits in the compressor, which change the geometry of the compressor, in particular the flow cross-sections, and thus worsen the efficiency of the compressor, are therefore not to be feared.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art wird der elektrisch antreibbare zweite Verdichter vorzugsweise als zuschaltbarer Verdichter ausgebildet, der zugeschaltet wird, sobald die Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl nthreshold,1 unterschreitet und/oder ein höheres Drehmoment angefordert wird. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Vorgehensweisen. For operating an internal combustion engine of the type described above, the electrically drivable second compressor is preferably designed as a switchable compressor, which is switched on as soon as the engine speed n mot of the internal combustion engine falls below a predefinable speed n threshold, 1 and / or a higher torque is requested. The various internal combustion engines sometimes require different approaches.
Dabei dient der zweite Verdichter der Verdichtung der Ladeluft bei kleinen Ladeluftmengen bzw. niedrigen Drehzahlen, d. h. zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich. Bei größeren Ladeluftmengen bzw. höheren Drehzahlen könnte der zweite Verdichter dann mittels erster Bypassleitung umgangen werden und der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers sorgt für die Verdichtung der Ladeluft bei höheren Drehzahlen im Rahmen einer einstufigen Aufladung.Here, the second compressor is the compression of the charge air at small charge air quantities or low speeds, d. H. to improve the torque characteristic in the lower speed range. For larger charge air quantities or higher speeds of the second compressor could then be bypassed by means of the first bypass line and the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger provides for the compression of the charge air at higher speeds in the context of a single-stage charge.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die ein Absperrelement aufweist und die stromaufwärts des zweiten Verdichters vom Ansaugsystem abzweigt und zwischen den Verdichtern wieder in das Ansaugsystem mündet, ist es vorteilhaft, die erste Bypassleitung zu öffnen, sobald die Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl nthreshold,2 überschreitet.In internal combustion engines in which a first bypass line is provided which has a shut-off and the upstream of the second compressor branches off the intake system and opens between the compressors back into the intake system, it is advantageous to open the first bypass line, as soon as the speed n mot of Internal combustion engine exceeds a predetermined speed n threshold, 2 .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß
Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem
Zur Unterstützung der Aufladung im Bedarfsfall und zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik ist stromaufwärts des Verdichters
Stromabwärts des Laufrades
Der Verdichter
Der zweite Verdichter
Der aus einem magnetischen Material gefertigte Rotor
Der Verdichter
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Ansaugsystem intake system
- 22
- Abgasturbolader turbocharger
- 33
- Verdichter des Abgasturboladers Compressor of the exhaust gas turbocharger
- 3a3a
- Eintrittsbereich des Verdichters des Abgasturboladers Entry area of the compressor of the exhaust gas turbocharger
- 3b3b
- Radialverdichter centrifugal compressors
- 3c3c
- Welle des Verdichters des Abgasturboladers Shaft of the compressor of the exhaust gas turbocharger
- 3d3d
- Laufrad des Verdichters des Abgasturboladers Impeller of the compressor of the exhaust gas turbocharger
- 3e3e
- Verdichtergehäuse des Abgasturboladers Compressor housing of the exhaust gas turbocharger
- 44
- Turbine des Abgasturboladers Turbine of the exhaust gas turbocharger
- 4a4a
- Radialturbine radial turbine
- 55
- zweiter Verdichter second compressor
- 5a5a
- Austrittsbereich des zweiten Verdichters Outlet area of the second compressor
- 5b5b
- Axialverdichter axial compressor
- 5c5c
- Welle des zweiten Verdichters Shaft of the second compressor
- 5d5d
- Laufrad des zweiten Verdichters Impeller of the second compressor
- 5e5e
- Verdichtergehäuse des zweiten Verdichters Compressor housing of the second compressor
- 5f5f
- Leiteinrichtung guide
- 5g5g
- Eintrittsbereich des zweiten Verdichters Entry area of the second compressor
- 5h5h
- Halterung bracket
- 66
- Abschnitt des Ansaugsystems, Zwischenstück Section of the intake system, intermediate piece
- 77
- erste Bypassleitung first bypass line
- 7a7a
- Absperrelement shut-off
- 7b7b
- Klappe flap
- 8a8a
- Stator stator
- 8b8b
- Rotor rotor
- AGRAGR
- Abgasrückführung Exhaust gas recirculation
- mAGR m AGR
- Masse an zurückgeführtem Abgas Mass of recirculated exhaust gas
- mFrischluft Fresh air
- Masse an zugeführter Frischluft bzw. Ladeluft Mass of supplied fresh air or charge air
- xAGR x AGR
- Abgasrückführrate Exhaust gas recirculation rate
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1710415 A1 [0024, 0027] EP 1710415 A1 [0024, 0027]
- DE 10040122 A1 [0050] DE 10040122 A1 [0050]
Claims (16)
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE102014220677A1 (en) | 2014-10-13 | 2016-04-14 | Continental Automotive Gmbh | Method for operating a charging system of an internal combustion engine and internal combustion engine with a charging system |
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| DE10040122A1 (en) | 2000-08-17 | 2002-02-28 | Daimler Chrysler Ag | Exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine |
| EP1710415A1 (en) | 2005-04-04 | 2006-10-11 | ABB Turbo Systems AG | Multiple step turbocharging |
-
2014
- 2014-07-07 DE DE202014103104.9U patent/DE202014103104U1/en not_active Expired - Lifetime
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20140828 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
| R158 | Lapse of ip right after 8 years |