Beschreibung

Turbo1aderanordnung

Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung mit einem Gehäuse, wobei die Turboladeranordnung zwei Turbolader miteinander kombiniert und in einem Gehäuse unterbringt.

Um den Kraftstoffverbrauch bei Kraftfahrzeugen zu reduzieren besteht derzeit eine Tendenz Motoren zu verkleinern (downsi- zing) . Dabei wird ein bezogen auf das Zylindervolumen verhältnismäßig kleiner Motor mit einem Turbolader gekoppelt, um eine maximale Leistung zu erzielen verglichen mit großvolumi- gen, weniger effizienten Motoren. Die Unterschiede bezüglich Reibungsverlusten zwischen einem großen und einem kleinen Motor wirken sich direkt auf den Kraftstoffverbrauch aus. So kann der Kraftstoffverbrauch bei einem kleineren Motor reduziert werden, da bei ihm geringere Reibungsverluste auftreten. Um einen möglichst hohen Grad bei der Verkleinerung bzw. dem Downsizing des Motors zu erzielen, ist es von besonderer Bedeutung, dass der Turbolader und der Motor sehr gut aufeinander abgestimmt sind. Neben der Erzielung einer maximalen Leistung, ist es auch wichtig das übertragungsverhalten des Motors so zu verbessern, dass ein Turboloch von einem Fahrer nicht wahrgenommen wird. In diesem Zusammenhang ist auch anzumerken, dass von Fahrern von Fahrzeugen mit einem verkleinerten Motor häufig das Anfahrverhalten beanstandet wird.

Aus dem Stand der Technik, wie er beispielsweise in der EP 1 291 505 offenbart ist, ist eine Turboladeranordnung für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Turboladeranordnung eine zweistufige Turbine und einen zweistufigen Verdichter aufweist. Die zweistufige Turbine der Turboladeranordnung weist in einer ersten Stufe ein radiales Turbinenrad und in der zweiten Stufe ein axiales Turbinenrad auf. Das radiale und axiale Turbinenrad sind dabei auf einer gemeinsamen Welle drehbar gelagert. Durch einen Spiralgehäuseabschnitt strömt Abgas zu dem radialen Turbinerad und treibt dieses an. Danach

strömt das Abgas weiter in axialer Richtung weg von dem radialen Turbinenrad und trifft auf Leitschaufeln, die radial um die Welle zwischen dem radialen Turbinenrad und der axialen Turbine angeordnet sind. Das Abgas trifft danach auf die FIu- gel der Axialturbine. über die zweistufige Turbine wird der zweistufige Verdichter angetrieben. Dieser enthält einen ersten und einen zweiten Verdichter, welche Luft nacheinander verdichten, um ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis zu erzielen .

Eine solche zweistufige Turboladeranordnung, wie zuvor beschrieben, bildet derzeit eine Maßnahme, um das thermodynami- sche Zusammenpassen von Motor und Turboladereinheit zu verbessern .

Die Nachteile des zweistufigen Turboladers liegen jedoch in der Anordnung der Turboladerelemente in dem Motorengehäuse und der Verbindung mit einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs .

Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turboladeranordnung mit einem Gehäuse zu schaffen, das einen kompakten Aufbau erlaubt und wobei die Turboladeranordnung einfach mit einem zugeordneten Motor eines Fahrzeugs, bei- spielsweise eines Pkws, verbunden werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Turboladeranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Demgemäß wird erfindungsgemäß eine Turboladeranordnung bereitgestellt mit einem Gehäuse, das mit einer Brennkraftmaschine verbindbar ist, wobei die Turboladeranordnung einen ersten Turbolader und einen zweiten Turbolader aufweist bestehend jeweils aus wenigstens einem Verdichter und einer Turbine, wobei die beiden Wellen der Turbolader in einer Reihe in Längsrichtung zueinander angeordnet sind, und

wobei die Verdichter jeweils auf der Außenseite der jeweiligen Welle angeordnet sind und die Turbinen auf der Innenseite der jeweiligen Welle.

Eine solche Turboladeranordnung hat den Vorteil, dass einerseits zwei Turbolader miteinander kombiniert werden können und dabei ein kompakter Aufbau erzielt werden kann. Des Weiteren sind die beiden Turbolader in einem Gehäuse angeordnet, das beispielsweise als Ganzes mit seinen Ein- und Auslässen später mit einer Brennkraftmaschine verbunden werden kann, im Gegensatz zu bekannten Turboladeranordnungen, bei denen mehrere Gehäuse mit einer Brennkraftmaschine verbunden werden müssen .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Turbine des ers- ten Turboladers mit einem Abgaseinlass verbindbar und die Turbine des zweiten Turboladers mit einem Abgasauslass . Die erste Turbine kann dabei über einen Bypass umgangen werden, so dass sie abhängig von einem jeweiligen Betriebszustand zugeschaltet oder teilweise oder nahezu bzw. im Wesentlichen vollständig umgangen werden kann.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist der Verdichter des ersten Turboladers einen Lufteinlass auf und ist über eine erste Leitung mit dem Verdichter des zweiten Turboladers verbunden. Der Verdichter des zweiten Turboladers weist dabei einen Luftauslass auf, der mit einer Brennkraftmaschine verbindbar ist, um verdichtete Luft den Verbrennungszylindern zuzuführen. Dabei kann ein zweiter Bypass vorgesehen werden, um den Verdichter des zweiten Turboladers zu umgehen. Dadurch kann beispielsweise beim Anfahren mit einer niedrigen Drehzahl, die verdichtete Luft des ersten Verdichters direkt der Brennkraftmaschine zugeführt werden.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Leitung zwischen dem Verdichter des ersten Turboladers und dem Verdichter des zweiten Turboladers eine erste Kühlereinrichtung angeordnet, in der verdichtete Luft zuerst gekühlt wird, bevor sie dem Verdichter des zweiten Turboladers zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Verdichterleistung des Verdichters des zweiten Turboladers gesteigert werden kann, wenn die heiße Luft des Verdichters des ersten Turboladers zunächst zwischengekühlt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein dritter Bypass zum Umgehen der Kühlereinrichtung vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass in Betriebszuständen in denen eine Zwischenkühlung nicht erforderlich ist, diese umgangen werden kann und die Luft ohne Zwischenkühlung weitergeleitet werden kann, entweder an den Verdichters des zweiten Turboladers o- der bei Umgehen des Verdichters über den zweiten Bypass direkt an die Brennkraftmaschine.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann nach dem Verdichter des zweiten Turboladers eine Kühlereinrichtung angeordnet sein, um verdichtete Luft vor dem Weiterleiten in eine angeschlossene Brennkraftmaschine zu kühlen. Diese Kühleinrichtung kann dabei die Kühleinrichtung zwischen den bei- den Verdichtern ersetzten oder zusätzlich zu dieser vorgesehen sein.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Turbine des ersten Turboladers eine Radialturbine und die Turbine des zweiten Turboladers eine Axialturbine. Die Axialturbine hat dabei den Vorteil, dass sie sich besonders für eine kompakte Bauweise eignet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der schemati- sehen Figur der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein schematische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung mit drei Varianten.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Turboladeranordnung dargestellt. Bei der dargestellten erfindungsgemäßen Turboladeranordnung werden ein Hochdruckturbolader 10 und ein Niederdruckturbolader 12 miteinander kombiniert, die jeweils aus einer Hochdruckturbine 14 und einem Hochdruckverdichter 16 und einer Niederdruckturbine 18 und einem Niederdruckverdichter 20 bestehen.

Die erfindungsgemäße Turboladeranordnung bildet hierbei eine zweistufige Turbine und einen zweistufigen Verdichter. In ei- ner ersten Stufe ist dabei beispielsweise eine radiale Hochdruckturbine 14 und ein Hochdruckverdichter 16 vorgesehen, während in der zweiten Stufe eine axiale Niederdruckturbine 18 und ein Niederdruckverdichter 20 vorgesehen sind.

Die radiale Hochdruckturbine 14 und ihr Hochdruckverdichter 16 sind dabei auf einer Welle 22 um die Längsachse drehbar gelagert. Das selbe gilt entsprechend für die axiale Niederdruckturbine 18 und ihren Niederdruckverdichter 20, die ebenfalls auf einer separaten Welle 24 um eine Längsachse drehbar gelagert sind. Der Hochdruck- und der Niederdruckturbolader

10, 12 sind beide in einem gemeinsamen Gehäuse 26 angeordnet, wobei die beiden Turbinen 14, 18 sich wahlweise ein gemeinsames Strömungsgehäuse 28 teilen können oder jeweils für sich ein eigenes Strömungsgehäuse bzw. Turbinengehäuse aufweisen.

Ein gemeinsames Gehäuse 26 in dem beide Turbolader 10, 12 angeordnet sind besteht beispielsweise aus zwei oder mehreren Gehäuseabschnitten die aneinander befestigt werden, um ein kompaktes Gehäuse 26 zu bilden, das mit der Brennkraftmaschi- ne verbunden werden kann. Dabei können die beiden Turbolader 10, 12 mit ihren Wellen 22, 24 beispielsweise jeweils in einem ersten und zweiten Gehäuseabschnitt angeordnet sein, wo-

bei die beiden Gehäuseabschnitte über eine Flanschverbindung lösbar miteinander verbunden werden können.

Denkbar sind auch mehr als zwei Gehäuseabschnitte. So können die Gehäuseabschnitte aus einem Verdichtergehäuseabschnitt, einem Lagergehäuseabschnitt und einem Turbinengehäuseab- schnitt bestehen in welchen der erste bzw. zweite Turbolader 10, 12 angeordnet ist. Die Gehäuseabschnitte der beiden Turbolader können dabei miteinander zu einem Gesamtgehäuse 26 verbunden werden, wobei einzelne oder alle Gehäuseabschnitte lösbar miteinander verbunden sind. Dies hat den Vorteil gegenüber einzelnen Gehäusen, wie sie im Stand der Technik verwendet werden, dass ein kompaktes Gehäuse 26 mit einer Brennkraftmaschine verbunden werden kann. Ein weitere Vorteil durch die lösbare Befestigung der Gehäuseabschnitte ist, dass die Turboladeranordnung beispielsweise bei einer Inspektion oder Reparatur leichter zugänglich ist.

Die Turbinenräder 30, 34 der Hochdruck- und Niederdruckturbi- ne 10, 12 sind beispielsweise jeweils auf der Innenseite der Welle 22, 24 angeordnet, während die zugehörigen Verdichterräder 32, 36 der Verdichter 16, 20 auf der Außenseite der entsprechenden Welle 22, 24 angeordnet sind. Die Wellen 22, 24 des Hochdruck- und Niederdruckturboladers 10, 12 sind vor- zugsweise in einer Reihe bzw. einer Längsachse angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt ist.

Die beiden Verdichter 16, 20 des Hochdruck- und Niederdruckturboladers 10, 12 sind beispielsweise als radiale Verdichter ausgebildet.

Die Turboladeranordnung ist dabei mit einer Brennkraftmaschine 38 mit Verbrennungszylindern 40 bzw. einem Verbrennungsmotor verbunden. Dabei wird Abgas aus den Verbrennungszylindern 40 über einen Abgaseinlass 42 in die radiale Hochdruckturbine 14 der ersten Stufe geleitet, um deren Turbinenrad 30 anzutreiben. Das Abgas strömt danach weiter in axialer Richtung weg von dem radialen Hochdruckturbinenrad 30 und trifft auf

Leitschaufeln 44, die radial beispielsweise um die Welle 24 der axialen Niederdruckturbine 18 angeordnet sind. Die Leitschaufeln 44 können dabei feststehend oder wahlweise beweglich angeordnet sein, wobei die beweglichen Leitschaufeln 44 über eine Steuerung entsprechend steuerbar ausgebildet sind. Das Abgas trifft dann anschließend auf die axiale Niederdruckturbine 18 und treibt deren Turbinenrad 34 an, um dann über einen Abgasauslass 46 abgeführt zu werden.

Zwischen den Turbinen 14, 18 der ersten und zweiten Stufe kann dabei ein erster Bypass bzw. eine erste Waste-Gate Leitung 48 vorgesehen werden, um die erste Stufe der Turboladeranordnung, d.h. die Hochdruckturbine 14 zu umgehen. Dabei ist eine Ventileinrichtung 50 in Verbindung mit der ersten Waste-Gate Leitung 48 vorgesehen, um die Strömung durch die erste Waste-Gate Leitung 48 zu steuern.

Dem Hochdruckverdichter 16 der ersten Stufe wird über einen Lufteinlass 52 Luft zugeführt, wobei die zugeführte Luft ver- dichtet wird.

In einer ersten Variante der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung, wird die im Hochdruckverdichter 16 der ersten Stufe verdichtete Luft dem Niederdruckverdich- ter 20 der zweiten Stufe über eine Leitung 54 zugeführt und dort weiter verdichtet bevor die verdichtete Luft der Brennkraftmaschine 38 zugeführt wird.

Hierbei kann wahlweise ein zweiter Bypass bzw. eine zweite Waste-Gate Leitung 58 vorgesehen werden, mit der der Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe umgangen werden kann. Dabei kann die im Hochdruckverdichter 16 verdichtete Luft statt erst dem Niederdruckverdichter 20 zugeführt zu werden direkt der Brennkraftmaschine 38 zugeführt werden. Dazu ist ebenfalls eine Ventileinrichtung 60 in Verbindung mit der zweiten Waste-Gate Leitung 58 vorgesehen, um die Strömung durch die zweite Waste-Gate Leitung 58 zu steuern.

Die Ansteuerung beispielsweise der Ventile 50, 60 für die By- pässe 48,58 dient dazu den notwendigen Ladedruck durch die für den jeweiligen Last- und Drehzahlpunkt geeignetste Kombination der beiden Turbinen bzw. Verdichter zu erreichen in Bezug auf Parameter, wie beispielsweise die Leistung, das Ansprechverhalten, den Kraftstoffverbrauch, die Fahrbarkeit usw.. Die Aufzählung der Parameter ist dabei rein beispielhaft und nicht abschließend. Auch können neben den zuvor genannten Ventilen auch wahlweise Turbinen- bzw. Verdichterven- tile (nicht dargestellt) entsprechend gesteuert werden.

In einer zweiten Variante der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers, kann, im Gegensatz zu der ersten Variante, die in dem Hochdruckverdichter 16 der ersten Stufe ver- dichtete Luft wahlweise einer Zwischenkühlereinrichtung 62 zugeführt. Dabei kann ein dritter Bypass bzw. eine dritte Waste-Gate 56 Leitung vorgesehen werden, um wahlweise die Kühlereinrichtung 62 zu umgehen.

Hierzu ist in der Leitung 54 die den Hochdruckverdichter 16 mit dem Niederdruckverdichter 20 verbindet eine entsprechende Kühlereinrichtung 62 und die dritten Waste-Gate Leitung 56 zum Umgehen der Kühlereinrichtung 62 vorgesehen. Die Strömung durch die dritte Waste-Gate Leitung 56 wird dabei über eine entsprechende Ventileinrichtung 66 gesteuert.

In der Kühlereinrichtung 62 wird die verdichtete Luft gekühlt und dem Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe zugeführt. Die Kühlereinrichtung 62 kann dabei beispielsweise ein Was- ser/Luft Wärmetauscher sein oder ein Luft/Luft Wärmetauscher. Die Kühlereinrichtung 62 hat den Vorteil, dass eine höhere Verdichtung in dem Niederdruckverdichter 20 erzielt werden kann, wenn die Luft zuvor gekühlt wurde.

Nachdem die gekühlte Luft in dem Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe weiter verdichtet wurde, wird sie den Verbrennungszylindern 40 der Brennkraftmaschine 38 zugeführt. Soll keine Zwischenkühlung der Luft erfolgen, so kann die Küh-

lereinrichtung 62 über die dritte Waste-Gate Leitung 56 umgangen werden.

In einer dritten Variante kann, im Gegensatz zu der Küh- lereinrichtung 62 der zweiten Variante wahlweise zusätzlich oder alternativ zu der ersten Kühlereinrichtung 62 eine weitere Kühlereinrichtung 64 vorgesehen werden und zwar zwischen dem Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe und den Verbrennungszylindern 40 der Brennkraftmaschine 38.

Die Luft die in dem Hochdruckverdichter 16 der ersten Stufe zunächst verdichtet wurde, wird anschließend über die entsprechende Leitung 54 zum Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe geleitet und dort weiter verdichtet. Gemäß der dritten Variante ist im Anschluss an den Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe eine Kühlereinrichtung 64 vorgesehen, um die verdichtete Luft abzukühlen bevor sie den Verbrennungszylindern 40 der Brennkraftmaschine 38 zugeführt wird. Wie in der ersten und zweiten Variante kann auch die dritte Variante die erste und zweite Waste-Gate Leitung 48, 58 aufweisen.

Wahlweise kann bei der dritten Variante zusätzlich auch die Kühlereinrichtung 62 zwischen dem Hochdruck- und dem Nieder- druckverdichter 16, 20 in der Leitung 54 und der dritte Bypass 56 vorgesehen werden, wie zuvor mit Bezug auf die zweite Variante beschrieben wurde. Das bedeutet, dass die Luft nachdem Verdichten im Hochdruckverdichter 16 der ersten Stufe zunächst in der Kühlereinrichtung 62 zwischengekühlt und an- schließend zu dem Niederdruckverdichter 20 der zweiten Stufe geleitet werden kann. Dort wird die gekühlte Luft weiter verdichtet und in der daran anschließenden Kühlereinrichtung 64 weiter gekühlt bevor sie den Verbrennungszylindern 40 der Brennkraftmaschine 38 zugeführt wird. über den dritten Bypass 58 kann dabei die Kühlereinrichtung 62 umgangen werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf

nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere sind die zuvor beschriebenen Varianten miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon .

Gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen bzw. Varianten wird eine axiale Turbine als Turbine 18 der zweiten Stufe bzw. des Niederdruckturboladers 12 verwendet. Die axiale Turbine hat den Vorteil, dass sie sich insbesondere für eine kompakte Bauweise eignet. Im Gegensatz zu der radialen Turbine, bei der eine Umlenkung einer Strömung im radialen Turbinenrad von einer radialen in eine axiale Richtung erfolgt und umgekehrt, erfolgt bei der axialen Turbine keine Umlenkung der Strömung. Bei größeren Durchmessern kann neben der zuvor beschriebenen Kombination aus einer radialen Turbine und einer axialen Turbine auch eine Kombination aus zwei axialen Turbinen verwendet werden. Die Leistungsgrenze der Turbinen liegt hierbei bei ungefähr 300 kW. Entsprechend müssen bei zwei axialen Turbinen der Ein- und Auslass für die Turbinen axial ausgebildet werden.

Bei kleineren Durchmessern können auch beispielsweise zwei radiale Turbinen miteinander kombiniert werden.

Grundsätzlich können die verschiedenen Varianten der erfindungsgemäßen Ausführungsform miteinander kombiniert werden, insbesondere einzelne Merkmale davon. Dabei können beispielsweise die Kühleinrichtungen 62, 64 und/oder Bypässe der einzelnen Varianten miteinander kombiniert werden, insbesondere kann die erste Variante mit den Kühleinrichtungen 62, 64 und weiteren Bypässen der zweiten und dritten Variante kombiniert werden .