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DE102006024783A1 - Two-stage exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine has an exhaust gas manifold and a high-pressure turbine in series in an exhaust gas' direction of flow - Google Patents

Two-stage exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine has an exhaust gas manifold and a high-pressure turbine in series in an exhaust gas' direction of flow Download PDF

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DE102006024783A1
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Karl Mayr
Thomas Plösser
Johannes Gelbmann
Christoph Samhaber
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Zweistufige Abgasturboladeranordnung (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer (2) und mit einer in Strömungsrichtung eines Abgases in Reihe angeordneten Hochdruckturbine in einem Hochdruckturbinengehäuse und einer Niederdruckturbine in einem Niederdruckturbinengehäuse (3), wobei ein von einem Drosselorgan (4) verschließbarer Bypass (5) vorgesehen ist, der den Abgaskrümmer (2) und das Niederdruckturbinengehäuse (3) in Strömungsrichtung des Abgases vor der Niederdruckturbine abgasführend miteinander verbindet, wobei das Drosselorgan (4) ein in Richtung eines Ventilschafts (4a) schiebebewegliches Tellerventil mit einem Verschlussteller (4b) ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden Strömungsverluste des Abgases verringert.
Two-stage exhaust-gas turbocharger arrangement (1) for an internal combustion engine with an exhaust manifold (2) and with a high-pressure turbine arranged in series in the flow direction of an exhaust gas in a high-pressure turbine housing and a low-pressure turbine in a low-pressure turbine housing (3), wherein a bypass (5) closable by a throttle element (4) is provided ) is provided, which connects the exhaust manifold (2) and the low-pressure turbine housing (3) in the flow direction of the exhaust gas before the low-pressure turbine exhaust gas leading together, wherein the throttle body (4) in the direction of a valve stem (4a) push-movable poppet valve with a closure plate (4b) ,
Due to the inventive design flow losses of the exhaust gas are reduced.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Abgasturboladeranordnung mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a two-stage exhaust gas turbocharger arrangement with the features of the preamble of claim 1.

Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 30 934 A1 aus. In dieser ist eine zweistufige, schaltbare Abgasturboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Die Abgasturboladeranordnung umfasst einen motornahen Hochdrucklader mit einer mit einem Abgassammler der Brennkraftmaschine abgasführend verbundenen Hochdruckturbine, mit der eine Niederdruckturbine eines Niederdruckladers in Reihe angeordnet ist. Jeder Turbine sind jeweils ein steuerbarer Bypass, ein Niederdruckbypass und ein Hochdruckbypass zugeordnet, wobei der Hochdruckbypass in bekannter Weise mit einem Wastegate-Ventil ausgebildet ist. Dieses Wastegate-Ventil ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Klappenventil.It starts from the German publication DE 102 30 934 A1 out. In this a two-stage, switchable exhaust gas turbocharger assembly for an internal combustion engine is described. The exhaust-gas turbocharger arrangement comprises a high-pressure supercharger close to the engine with a high-pressure turbine which is exhaust-connected to an exhaust gas collector of the internal combustion engine and with which a low-pressure turbine of a low-pressure supercharger is arranged in series. Each turbine are each assigned a controllable bypass, a low pressure bypass and a high pressure bypass, wherein the high pressure bypass is formed in a known manner with a wastegate valve. This wastegate valve is a flap valve known in the art.

Speziell im Übergangsbereich, in dem beide Turbolader einen signifikanten Beitrag zur Erzeugung des Ladedrucks leisten müssen, wird durch die o. g. Klappenanordnung die vorhandene Abgasenergie nicht optimal genutzt. Der nutzbare Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine wird eingeschränkt. Die qualitätsbestimmende „Spreizung" zwischen der Auslegung der Hochdruck- und Niederdruckstufe kann nicht optimal gestaltet werden. Dadurch kommt es entweder zu Anfahrschwächen im unteren Drehzahlbereich, dem sog. Drehmomentloch oder einer geringeren Maximalleistung der Brennkraftmaschine.specially in the transition area, in which both turbochargers make a significant contribution to the generation of the Have to afford boost pressure, is replaced by the o. g. Flap arrangement the existing exhaust energy not optimally used. The usable speed range of the internal combustion engine is restricted. The quality determining "spread" between the interpretation the high pressure and Low pressure level can not be optimally designed. This comes it either to Anfahrschwächen in the lower speed range, the so-called torque hole or a smaller one Maximum power of the internal combustion engine.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der o. g. Nachteile vermieden werden.task The present invention is to show a measure with which o. g. Disadvantages are avoided.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by the features in the characterizing part of the claim 1 solved.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Geschwindigkeitsenergie des Abgases der Niederdruckturbine gerichtet, mit geringst möglichen Verlusten zugeführt.By the embodiment of the invention will directed the velocity energy of the exhaust gas of the low-pressure turbine, with the least possible losses fed.

Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 kann im Vollöffnungsfall des Drosselorgans der Verschlussteller im Abgaskrümmer „versenkt" werden, so dass der volle Abgasmassenstrom ohne Behinderung zur Niederdruckturbine geleitet wird. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer deutlich verbesserten Nennleistung der Brennkraftmaschine.By the embodiment according to claim 2 can be in the fully open case the throttle body of the shutter in the exhaust manifold "sunk", so that the full exhaust gas mass flow without hindrance to the low-pressure turbine is directed. this leads to advantageously to a significantly improved rated power the internal combustion engine.

Durch die Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 3 und 4 ist es möglich, das Abgas noch gerichteter auf die Niederdruckturbine zu lenken. Hierdurch wird die Leistung der Brennkraftmaschine nochmals erhöht.By the embodiment according to the claims 3 and 4 it is possible directing the exhaust gas even more directionally to the low-pressure turbine. hereby the performance of the internal combustion engine is increased again.

Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 wird die Dichtheit des Drosselorgans gewährleistet.With the embodiment according to claim 5, the tightness of the throttle body is ensured.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen in zwei Figuren näher erläutert.in the The following is the invention with reference to two preferred embodiments closer in two figures explained.

1 zeigt einen Schnitt durch eine erste erfindungsgemäß ausgestaltete zweistufige Abgasturboladeranordnung. 1 shows a section through a first inventively designed two-stage exhaust gas turbocharger assembly.

2 zeigt den gleichen Schnitt durch eine zweite erfindungsgemäß ausgestaltete zweistufige Abgasturboladeranordnung. 2 shows the same section through a second inventively designed two-stage exhaust gas turbocharger assembly.

1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Abgasturboladeranordnung 1. Die Abgasturboladeranordnung 1 ist für eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer 2 vorgesehen. In Strömungsrichtung eines Abgases sind eine geodätisch oben an den Abgaskrümmer 2 angeordnete, nicht dargestellte Hochdruckturbine mit einem nicht dargestellten Hochdruckturbinengehäuse und eine geodätisch unten an den Abgaskrümmer 2 angeordnete, ebenfalls nicht dargestellte Niederdruckturbine in einem Niederdruckturbinengehäuse 3 in Reihe geschaltet. Es ist ein von einem Drosselorgan 4 verschließbarer Bypass 5 vorgesehen, der den Abgaskrümmer 2 und das Niederdruckturbinengehäuse 3 in Strömungsrichtung des Abgases vor der Niederdruckturbine abgasführend miteinander verbindet. Zur Funktionsweise der zweistufigen Abgasturboladeraufladung 1 wird ausdrücklich auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 30 934 A1 hingewiesen. 1 shows a section through an inventively designed exhaust gas turbocharger assembly 1 , The exhaust gas turbocharger arrangement 1 is for an internal combustion engine, not shown, with an exhaust manifold 2 intended. In the flow direction of an exhaust gas are geodetically above the exhaust manifold 2 arranged, not shown high-pressure turbine with a high-pressure turbine housing, not shown, and a geodetic down to the exhaust manifold 2 arranged, also not shown, low-pressure turbine in a low-pressure turbine housing 3 connected in series. It is one of a throttle body 4 lockable bypass 5 provided the exhaust manifold 2 and the low pressure turbine housing 3 in the flow direction of the exhaust gas in front of the low-pressure turbine exhaust gas leading together. On the functioning of the two-stage exhaust gas turbocharger 1 is expressly to the German patent application DE 102 30 934 A1 pointed.

Erfindungsgemäß ist das Drosselorgan 4 ein in Richtung eines Ventilschafts 4a schiebebewegliches Tellerventil mit einem Verschlussteller 4b. Unter Verschlussteller 4b wird jede Art von deutlicher Querschnittserweiterung des Ventilschafts 4a verstanden. Das Drosselorgan 4 ist von einer Stellvorrichtung 6 schiebebeweglich in Richtung des Ventilschafts 4a betätigbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich das Drosselorgan 4 in einer Geschlossenstellung. Der Verschlussteller 4b verschließt mit einer nicht näher bezifferten Dichtfläche den Bypass 5. Um den Bypass 5 zu öffnen, wird das Drosselorgan 4 von der Stellvorrichtung 6 in Richtung eines Pfeils bewegt.According to the invention, the throttle body 4 one in the direction of a valve stem 4a slide-movable poppet valve with a closure plate 4b , Under locker 4b is any kind of significant cross-sectional widening of the valve stem 4a Understood. The throttle body 4 is from an actuator 6 sliding in the direction of the valve stem 4a actuated. In the present embodiment, the throttle body is located 4 in a closed position. The sealer 4b closes the bypass with an unspecified numbered sealing surface 5 , To the bypass 5 to open, the throttle body 4 from the actuator 6 moved in the direction of an arrow.

Radial um den Ventilschaft 4a weist der Abgaskrümmer 2 abgasseitig eine Ausnehmung 2' auf, in der im Vollöffnungsfall des Drosselorgans 4 der Verschlussteller 4b weitgehend versenkt wird. Durch diese Maßnahme sind die Strömungsverluste des Abgases minimiert, wodurch eine maximale Leistung für die Brennkraftmaschine erzielt wird. Zur weiteren Leistungssteigerung weist der Verschlussteller 4b auf der der Niederdruckturbine zugewandten Seite einen erhabenen Bereich 4c auf, der als Strömungsleitelement ausgebildet ist. Da das Abgas im Abgaskrümmer 2 von zumindest zwei Seiten in Richtung Drosselorgan 4 strömt, kann der erhabene Bereich beispielsweise rotationssymmetrisch oder auch schneidenförmig ausgeformt sein, so dass eine Strömungsrichtung des Abgases von dem erhabenen Bereich 4c in Richtung Bypass 5 abgelenkt wird. Wenn das Drosselorgan 4 geöffnet ist, strömt das Abgas aus den Zylindern der Brennkraftmaschine durch den Abgaskrümmer 2 weiter durch den Bypass 5 direkt in einen spiralförmigen Niederdruckturbineneinlauf 7 im Niederdruckturbinengehäuse 3.Radial around the valve stem 4a has the exhaust manifold 2 on the exhaust side a recess 2 ' on, in the full-opening case of the throttle body 4 the shutter 4b largely sunk. By this measure, the flow losses of the exhaust gas are minimized, whereby a maximum power for the internal combustion engine is achieved. For further performance enhancement, the sealer 4b on the low pressure turbine side facing a raised area 4c on, which is designed as a flow guide. Because the exhaust gas in the exhaust manifold 2 from at least two sides in the direction throttle body 4 flows, the raised region may for example be formed rotationally symmetrical or cutting-shaped, so that a flow direction of the exhaust gas from the raised area 4c in the direction of the bypass 5 is distracted. When the throttle body 4 is opened, the exhaust gas flows from the cylinders of the internal combustion engine through the exhaust manifold 2 continue through the bypass 5 directly into a spiral low-pressure turbine inlet 7 in the low-pressure turbine housing 3 ,

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der zweistufigen schaltbaren Abgasturboladeranordnung wird die Abgasenergie optimal genutzt. Die Geschwindigkeitsenergie des Abgases wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung unmittelbar der Niederdruckturbine gerichtet und mit möglichst geringen Verlusten zugeführt. Unterstützt wird dies durch die strömungsoptimierte Formgebung des Verschlusstellers 4b. Die Umgebungsgeometrie und der Verschlussteller 4b sind so abgestimmt, dass die Energie des Bypassabgasstroms optimal ausgenutzt wird. Im Vollöffnungsfall des Drosselorgans 4 kann der Verschlussteller 4b in einer Ausnehmung 2' im Abgaskrümmer 2 versenkt werden, so dass der volle Abgasmassenstrom ohne Behinderung zur Niederdruckturbine geleitet wird. Hierdurch ist wird die Nennleistung der Brennkraftmaschine wesentlich verbessert.The inventive design of the two-stage switchable exhaust gas turbocharger arrangement, the exhaust gas energy is used optimally. The speed energy of the exhaust gas is directed by the embodiment of the invention directly the low-pressure turbine and fed with the lowest possible losses. This is supported by the flow-optimized design of the closure plate 4b , The ambient geometry and the occluder 4b are tuned so that the energy of the bypass exhaust gas flow is optimally utilized. In the full opening case of the throttle body 4 may be the occluder 4b in a recess 2 ' in the exhaust manifold 2 be sunk so that the full exhaust gas mass flow is passed without hindrance to the low-pressure turbine. As a result, the rated power of the internal combustion engine is substantially improved.

2 zeigt den gleichen Schnitt wie 1 durch eine zweite erfindungsgemäß ausgestaltete zweistufige Abgasturboladeranordnung 1. Für gleiche Bauteile gelten die gleichen Bezugsziffern wie in 1. 2 shows the same cut as 1 by a second inventively designed two-stage exhaust gas turbocharger assembly 1 , The same reference numbers apply to the same components as in 1 ,

Der Unterschied zu 1 besteht lediglich in der geometrischen Ausgestaltung des Verschlusstellers 4b des Drosselorgans 4. Dieser ist im zweiten Ausführungsbeispiel zwiebelförmig ausgeformt, d. h. der Verschlussteller 4b ist in besonderer Weise strömungsoptimiert. Eine nicht bezifferte Dichtfläche ist radial am Außenumfang des Verschlusstellers 4b angeordnet. Um die strömungstechnischen Vorteile voll nutzen zu können, ist auch die Ausnehmung 2' im Abgaskrümmer 2 an die Zwiebelform des Verschlusstellers 4b angepasst. Im Vollöffnungsfall des Drosselorgans 4 kann somit der Verschlussteller, wie im ersten Ausführungsbeispiel in der Ausnehmung 2' des Abgaskrümmers 2 versenkt werden, so dass auch in diesem Ausführungsbeispiel der volle Abgasmassenstrom ohne Behinderung zur Niederdruckturbine für eine verbesserte Nennleistung der Brennkraftmaschine geleitet wird. Somit wird auch in diesem zweiten Ausführungsbeispiel die Abgasenergie des Bypassabgasstromes optimal ausgenutzt. Darüber hinaus kann der Verschlussteller 4b mit seiner Umgebung eine optimale Düsenform bilden, wie z. B. eine Lavaldüse, für überkritische Druckverhältnisse.The difference to 1 exists only in the geometric configuration of the closure plate 4b of the throttle body 4 , This is formed onion-shaped in the second embodiment, ie the closure plate 4b is flow optimized in a special way. An unnumbered sealing surface is radially on the outer circumference of the Verschlusstellers 4b arranged. In order to fully exploit the fluidic advantages, is also the recess 2 ' in the exhaust manifold 2 to the onion shape of the occluder 4b customized. In the full opening case of the throttle body 4 can thus the shutter, as in the first embodiment in the recess 2 ' the exhaust manifold 2 be sunk, so that in this embodiment, the full exhaust gas mass flow is passed without hindrance to the low-pressure turbine for improved rated power of the internal combustion engine. Thus, also in this second embodiment, the exhaust gas energy of the bypass exhaust gas flow is optimally utilized. In addition, the occluder can 4b form an optimal nozzle shape with its environment, such. As a Laval nozzle, for supercritical pressure conditions.

11
AbgasturboladeranordnungTurbocharger arrangement
22
Abgaskrümmerexhaust manifold
2'2 '
Ausnehmungrecess
33
NiederdruckturbinengehäuseLow-pressure turbine case
44
Drosselorganthrottle member
4a4a
Ventilschaftvalve stem
4b4b
Verschlusstellerclosure plate
4c4c
Erhabener Bereichsublime Area
55
Bypassbypass
66
Stellvorrichtunglocking device
77
NiederdruckturbineneinlaufLow-pressure turbine inlet

Claims (5)

Zweistufige Abgasturboladeranordnung (1) für eine Bennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer (2) und mit einer in Strömungsrichtung eines Abgases in Reihe angeordneten Hochdruckturbine in einem Hochdruckturbinengehäuse und einer Niederdruckturbine in einem Niederdruckturbinengehäuse (3), wobei ein von einem Drosselorgan (4) verschließbarer Bypass (5) vorgesehen ist, der den Abgaskrümmer (2) und das Niederdruckturbinengehäuse (3) in Strömungsrichtung des Abgases vor der Niederdruckturbine abgasführend miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan (4) ein in Richtung eines Ventilschafts (4a) schiebebewegliches Tellerventil mit einem Verschlussteller (4b) ist.Two-stage turbocharger arrangement ( 1 ) for an internal combustion engine with an exhaust manifold ( 2 ) and with a high-pressure turbine arranged in series in the flow direction of an exhaust gas in a high-pressure turbine housing and a low-pressure turbine in a low-pressure turbine housing ( 3 ), one of a throttle body ( 4 ) lockable bypass ( 5 ) is provided, the exhaust manifold ( 2 ) and the low-pressure turbine housing ( 3 ) in the flow direction of the exhaust gas in front of the low-pressure turbine exhaust gas leading together, characterized in that the throttle body ( 4 ) in the direction of a valve stem ( 4a ) slide-movable poppet valve with a closure plate ( 4b ). Zweistufige Abgasturboladeranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abgasseitig in dem Abgaskrümmer (2) eine koaxial zu dem Ventilschaft (4a) angeordnete Ausnehmung (2') zur Aufnahme des Verschlusstellers (4b) bei geöffnetem Drosselorgan (4) vorgesehen ist.Two-stage turbocharger arrangement according to claim 1, characterized in that the exhaust side in the exhaust manifold ( 2 ) one coaxial with the valve stem ( 4a ) arranged recess ( 2 ' ) for accommodating the obturator ( 4b ) with the throttle body open ( 4 ) is provided. Zweistufige Abgasturboladeranordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Abgas von zumindest zwei Seiten aus dem Abgaskrümmer (2) in den Bypass (5) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussteller (4b) niederdruckturbinenseitig einen erhabenen Bereich (4c) aufweist.A two-stage exhaust gas turbocharger assembly according to claim 1 or 2, wherein the exhaust gas from at least two sides of the exhaust manifold ( 2 ) in the bypass ( 5 ) flows, characterized in that the closure plate ( 4b ) low pressure turbine side a raised area ( 4c ) having. Zweistufige Abgasturboladeranordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erhabene Bereich (4c) als ein Strömungsleitelement ausgebildet ist.Two-stage turbocharger arrangement according to claim 3, characterized in that the raised area ( 4c ) is formed as a flow guide. Zweistufige Abgasturboladeranordnung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Drosselorgan (4) in dem Abgaskrümmer (2) oder in dem Niederdruckturbinengehäuse (3) eine Dichtfläche vorgesehen ist.Two-stage turbocharger arrangement according to one of the aforementioned claims, characterized in that for the throttle body ( 4 ) in the exhaust manifold ( 2 ) or in the low pressure turbine housing ( 3 ) A sealing surface is provided.
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