DE2855551A1 - PISTON COMBUSTION ENGINE WITH AT LEAST TWO EXHAUST GAS TURBOCHARGERS - Google Patents
PISTON COMBUSTION ENGINE WITH AT LEAST TWO EXHAUST GAS TURBOCHARGERSInfo
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Description
MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
FRIEDRICHSHAPEN GMBHENGINE AND TURBINE UNION
FRIEDRICHSHAPEN GMBH
FriedrichshafenFriedrichshafen
Kolben-Brennkraftmaschine mit mindestens zwei AbgasturboladernPiston internal combustion engine with at least two exhaust gas turbochargers
Die Erfindung betrifft eine Kolben-Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei Abgasturbolader, die beim Betrieb der Brennkraftmaschine im oberen Leistungsbereich parallelgeschaltet die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Ladeluft versorgen, und von denen beim Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren bis mittleren Leistungsbereich mindestens einer abgeschaltet ist. Durch diese Maßnahme wird im Teillastbetrieb das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine den übrigen Abgasturbolädern zugeführt, die dadurch, gegenüber dem Parallelbetrieb mit allen Abgasturboladern, eher in der Nähe ihres Auslegungspunktes und deshalb mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben werden. Damit können sie einen höheren Ladedruck und eine größere Luftmenge zur Aufladung zur Verfügung stellen. Dadurch kann die Kraftstoffmenge und damit das Drehmoment vergrößert werden, ohne Verschlechterung der Verbrennung bzw. der Abgaszusammensetzung in Kauf nehmen zu müssen. Bedingt durch die größere Kraftstoff- und Luftmenge, wird auch die im Abgas enthaltene Energie vergrößert, so daß daraus wiederum eine bessere Aufladung resultiert.The invention relates to a piston internal combustion engine with charging by at least two exhaust gas turbochargers, which at Operation of the internal combustion engine in the upper power range connected in parallel with the cylinders of the internal combustion engine Supply charge air, and of which at least during operation of the internal combustion engine in the lower to medium power range one is switched off. By this measure, the entire exhaust gas of the internal combustion engine is in partial load operation the other exhaust gas turbochargers supplied, which thereby, opposite parallel operation with all exhaust gas turbochargers, closer to their design point and therefore with a better one Efficiency. This enables them to have a higher boost pressure and a larger amount of air for charging provide. This can reduce the amount of fuel and so that the torque can be increased without deteriorating the combustion or the exhaust gas composition to have to. Due to the larger amount of fuel and air, the energy contained in the exhaust gas is also increased, so that this in turn results in better charging.
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Eine Brennkraftmaschine der angeführten Gattung ist bekannt geworden durch die DE-PS 850 965. Bei der dort beschriebenen Anlage ist jedoch nachteilig, daß bei der Umschaltung von dem Betrieb mit nur einem Abgasturbolader auf die Parallelschaltung von zwei Abgasturbolädern ein vorrübergehender Mangel an Ladeluft für die Brennkraftmaschine auftritt.An internal combustion engine of the type mentioned has become known from DE-PS 850 965. In the case of the one described there However, the system has the disadvantage that when switching from operation with only one exhaust gas turbocharger to parallel connection a temporary shortage of charge air for the internal combustion engine occurs from two exhaust gas turbochargers.
Dieser Ladeluftmangel hat seine Ursache in einem Abfall des Abgasdruckes beim Zuschalten der zweiten Abgasturbine, wodurch Drehzahl und damit Ladeluftlieferung des ersten Abgasturboladers empfindlich beeinträchtigt wird, ohne daß der in diesem Augenblick stillstehende zweite Abgasturbolader diesen Mangel auszugleichen in der Lage ist. Außerdem gelangt der zweite Verdichter, der beim Anfahren des zweiten Abgasturboladers gegen eine geschlossene Rückschlagklappe arbeiten muß, dabei in einen unzulässigen Pumpbetrieb, so daß er nicht in der Lage ist, die Druckhöhe des ersten Verdichters zu erreichen»This lack of charge air is caused by a drop in the Exhaust gas pressure when the second exhaust gas turbine is switched on, resulting in speed and thus charge air delivery of the first exhaust gas turbocharger is sensitively impaired without the second exhaust gas turbocharger standing still at this moment Is able to compensate for the deficiency. In addition, the second compressor arrives when the second exhaust-gas turbocharger starts up must work against a closed non-return valve, thereby in an impermissible pumping operation, so that he is not able to reach the pressure head of the first compressor »
Auf diese ¥eise isc eine Umschaltung auf den Normalbetrieb mit parallelgeschalteten Abgasturboladern nicht zu erreichen. In this way, a switchover to normal operation is possible cannot be achieved with exhaust gas turbochargers connected in parallel.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Umschaltung zu ermöglichen, wobei ein Abfall des Ladeluftdruckes so weit als möglich verhindert werden soll, so daß keine der daraus resultierenden Auswirkungen - Leistungseinbruch und Verschlechterung der Abgasqualität - sonderlich ins Gewicht fallen.The object of the invention is to enable this switchover, with a drop in the charge air pressure as far as possible should be prevented so that none of the resulting effects - drop in performance and deterioration the exhaust quality - are of particular importance.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit mittleren bis zu höheren Leistungen der Teil der Abgasmenge der Brennkraftmaschine, der die für die dauernd eingeschalteten Abgasturbolader benötigte Abgasmenge übersteigt, den abschaltbaren Abgasturboladern über eine stellbare Drosseleinrichtung zugeleitet wird, daß die dabei geförderte Ladeluft der Saugseite der dauernd eingeschalteten Abgasturbolader über eine tangential am Saugrohr oder Saugmund angeordnete, einen Vordrall der eintretenden Luft bewirkende Düse zugeführt wird und daß nach ErreichenThis object is achieved in that when the internal combustion engine is operated with medium to higher powers that part of the exhaust gas quantity of the internal combustion engine which is the exhaust gas quantity required for the continuously switched on exhaust gas turbocharger exceeds, the disconnectable exhaust gas turbochargers via an adjustable throttle device is fed that the in the process, charge air conveyed on the suction side of the continuously switched-on exhaust gas turbocharger via a tangential to the intake manifold or suction mouth arranged, a pre-swirl of the entering air causing the nozzle is supplied and that after reaching
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einer etwa gleichen Drehzahl für alle Lader eine völlige Öffnung der stellbaren Drosseleinrichtung sowie eine Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft in der üblichen ¥eise durch die Parallelschaltung aller Abgasturbolader erfolgt.an approximately the same speed for all loaders a complete opening of the adjustable throttle device and a supply the internal combustion engine with charge air in the usual way by connecting all exhaust gas turbochargers in parallel he follows.
Durch das Beaufschlagen der abgeschalteten Abgasturbolader über eine stellbare Drossel kann die Abzweigung von Abgas zum Beschleunigen der Turbinen und Verdichter so gesteuert werden, daß hierfür nur die Abgasübermenge verwendet wird.By pressurizing the switched off exhaust gas turbocharger The diversion of exhaust gas to accelerate the turbines and compressors can be controlled via an adjustable throttle that only the excess exhaust gas is used for this.
Diese Abgasübermenge würde bei weiterem Aufschalten der Leistung der Brennkraftmaschine ohne Zuschalten der abgeschalteten Abgasturbolader durch mangelndes Schluckvermögen der eingeschalteten Turbinen einen Rückstau der Abgase in die Zylinder der Brennkraftmaschine und damit eine negative Beeinträchtigung der Verbrennung hervorrufen.This excess exhaust gas would be switched off if the power of the internal combustion engine was further switched on without the switched on The exhaust gas turbocharger creates a back pressure in the exhaust gases due to the inadequate absorption capacity of the switched-on turbines into the cylinder of the internal combustion engine and thus cause a negative impairment of the combustion.
Durch die Einleitung der beim Beschleunigungsvorgang der abgeschalteten Abgasturbolader geförderten Ladeluft in die Ansaugleitung der dauernd fördernden Verdichter wird verhindert, daß diese Ladeluft unkontrolliert ins Freie abgeblasen und dabei unter Umständen das Bedienungspersonal belästigt wird. Gleichzeitig wird dem anzufahrenden Verdichter ein Hochlaufen ohne Pumpbetrieb ermöglicht. Durch den erzielten Vordrall wird der Wirkungsgrad des dauernd eingeschalteten Laders verbessert, so daß bei derselben Ladeluft-Fördermenge weniger Abgasenergie benötigt wird. Damit kann den zuzuschaltenden Abgasladern eine größere Abgasmenge zugeteilt werden, so daß sich der Umschaltvorgang schneller durchführen läßt.By introducing the charge air conveyed into the exhaust gas turbocharger during the acceleration process Intake line of the continuously delivering compressor is prevented that this charge air is blown into the open in an uncontrolled manner and the operating personnel may be harassed in the process. At the same time the compressor to be started up enables startup without pumping. Due to the pre-swirl achieved, the efficiency of the is permanent when the charger is switched on, so that less exhaust gas energy is required for the same charge air delivery rate. In this way, a larger amount of exhaust gas can be allocated to the exhaust gas superchargers to be switched on, so that the switching process takes place can be carried out faster.
Mit der anteilmäßigen Aufschaltung der einzelnen Verdichter an getrennte Ladeluftleitungen, wird die Gefahr einer gegenseitigen schädlichen Beeinflussung der Verdichter durch nicht genauen Synchronlauf bzw. durch unterschiedliche Fördermengen und -höhen im Augenblick der Umschaltung vermieden. Anschließend, nach Stabilisierung der einzelnen Lader, können die Ladeluftleitungen, wie allgemein üblich, wieder untereinander verbunden werden. EsWith the proportional connection of the individual compressors to separate charge air lines, there is a risk of a Mutual damaging influence of the compressors through imprecise synchronous operation or through different Delivery rates and heights avoided at the moment of switchover. Then, after stabilization of the individual superchargers, the charge air lines can be reconnected to one another, as is generally the case. It
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ist jedoch auch ohne weiteres möglich, bis zur Erreichung der vollen Leistung weiterhin mit getrennten Ladeluftleitungen die Brennkraftmaschine zu betreiben.however, it is also possible without further ado until it is reached continue to operate the internal combustion engine with separate charge air lines at full power.
Beim Umschaltvorgang kann einem Ladeluftmangel und damit verbundenem Kraftstoffüberschuß mit Verschlechterung der Abgasemission vorteilhaft dadurch entgegengewirkt werden, daß während des Beschleunigungsvorganges der abschaltbaren Abgasturbolader nur ein Teil der Zylinder von den dauernd eingeschalteten Ladern voll mit Ladeluft versorgt wird, während bei den übrigen Zylindern eine Verringerung des Ladedruckes mit einer entsprechenden Luft- und ladedruckabhängigen Kraftstoffreduzierung vorgenommen wird.During the switching process, a lack of charge air and the associated excess fuel can worsen the Exhaust emissions are advantageously counteracted by the fact that the disconnectable during the acceleration process Exhaust gas turbocharger, only some of the cylinders are fully supplied with charge air by the continuously switched on turbochargers is, while in the other cylinders a reduction in the boost pressure with a corresponding air and boost pressure-dependent Fuel reduction is made.
Zur weiteren Verbesserung der Ladeluftversorgung bei Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren Leistungsbereich sowie beim übergang auf den Betrieb im oberen Leistungsbereich mit allen Abgasturboladern ist es vorteilhaft, daß die Abgasturbolader jeweils mit einem regelbaren Turbinenleitrad und/oder mit einem regelbaren Verdichterleitrad ausgerüstet sind.To further improve the charge air supply when the internal combustion engine is operating in the lower power range as well as when switching to operation in the upper performance range with all exhaust gas turbochargers, it is advantageous to that the exhaust gas turbocharger each with a controllable turbine stator and / or with a controllable compressor stator are equipped.
Eine Verringerung des Sehaltaufwändes wird dadurch erzielt, daß die der Aufteilung dienende stellbare Drosseleinrichtung zugleich als Absperrorgan zum Abschalten der betreffenden Abgasturbolader ausgebildet ist und in der Abgasleitung vor oder nach den Turbinen der abschaltbaren Abgasturbolader angeordnet ist.A reduction in the maintenance effort is achieved by that the division serving adjustable throttle device at the same time as a shut-off device for switching off the relevant exhaust gas turbocharger is formed and in the exhaust line before or after the turbines of the disconnectable Exhaust gas turbocharger is arranged.
Eine weitere Verbesserung des Überganges von kleiner auf große Leistung der Brennkraftmaschine kann dadurch erzielt werden, daß als regelbare Drosseleinrichtung und Absperrorgan jeweils ein verstellbares Turbinenleitrad an dem oder den abschaltbaren Abgasturboladern angeordnet ist.A further improvement in the transition from small to large output of the internal combustion engine can thereby be achieved that as a controllable throttle device and shut-off device each have an adjustable turbine stator is arranged on the switch-off exhaust gas turbocharger or turbochargers.
Eine vorteilhafte Betriebsweise von Abgasturboladern bei denen den Turbinen das Abgas jeweils in mehreren, das Leitrad der Turbinen an verschiedenen Teilabschnitten beaufschlagenden Kanälen zugeführt wird, wird dadurchAn advantageous mode of operation of exhaust gas turbochargers in which the turbines the exhaust gas in each case in several, the Stator of the turbines is fed to various sections acting on channels, is thereby
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erreicht, daß durch Betätigen der Drosseleinrichtung ein Kanal nach dem anderen freigegeben bzw. abgesperrt wird.achieved that one channel after the other is released or shut off by actuating the throttle device.
Eine einfache und zweckmäßige Regelung der stellbaren Drosseleinrichtung kann durch den Druck in der Abgasleitung vor der Drosseleinrichtung erfolgen.A simple and appropriate regulation of the adjustable throttle device can be done by the pressure in the exhaust pipe take place in front of the throttle device.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt, und wird im folgenden am Beispiel einer Kolben-Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen und zwei, im oberen Leistungsbereich parallel arbeitenden Abgasturbolädern näher beschrieben:An embodiment of the invention is shown in the drawing shown schematically, and is shown below using the example of a piston internal combustion engine with two rows of cylinders and two exhaust gas turbochargers working in parallel in the upper power range are described in more detail:
In der Zeichnung sind die beiden Zylinderreihen 11 und der Kolben-Brennkraftmaschine mit je einer Abgassammelleitung 13 bzw. 14 und mit je einer Ladeluftleitung 15 bzw. l6. versehen. Die beiden Abgassammelleitungen 13 und 14 sind untereinander durch eine Leitung 17 und außerdem mit je einer Turbine 21 bzw. 22 der beiden Abgasturbolader 23 bzw. 24 verbunden.In the drawing, the two rows of cylinders 11 and the piston internal combustion engine are each with an exhaust manifold 13 or 14 and each with a charge air line 15 or l6. Mistake. The two exhaust manifolds 13 and 14 are among each other through a line 17 and also each connected to a turbine 21 and 22 of the two exhaust gas turbochargers 23 and 24, respectively.
Von den Turbinen 21 und 22 werden in bekannter Weise Verdichter 25 bzw. 26 angetrieben. Die Verdichter 25 und 26 saugen die Ladeluft über Filter 27 bzw. 28 aus der Atmosphäre an und drücken sie über Ladeluftkühler 29 bzw. 30 in die Ladeluftleitungen 15 bzw. 16.The turbines 21 and 22 drive compressors 25 and 26, respectively, in a known manner. The compressors 25 and 26 suck in the charge air from the atmosphere via filters 27 and 28 and press it via charge air coolers 29 and 30, respectively into the charge air lines 15 and 16, respectively.
Zwischen den Ladeluftkühlern und den Ladeluftleitungen ist ein Ladeluftverteilventil 31 angeordnet, das vier Schaltstellungen a bis d aufweist.A charge air distribution valve 31 is arranged between the charge air coolers and the charge air lines, the four Has switching positions a to d.
Zwischen der Abgassammeileitung 14 und der Turbine 22 ist eine stellbare Drossel- und Absperreinrichtung 32 angeordnet. Between the exhaust manifold 14 and the turbine 22 is an adjustable throttle and shut-off device 32 is arranged.
Sowohl das Ladeluftverteilventil 31 als auch die stellbare Drossel- und Absperreinrichtung 32 können in nicht dargestellter, bekannter Weise in Abhängigkeit einer Kenngröße für die Leistung der Brennkraftmaschine, ζ. Β. Ladedruck, Weg der Regelstange, Drehzahl von Brennkraft-Both the charge air distribution valve 31 and the adjustable one Throttle and shut-off device 32 can in a known manner, not shown, depending on a Parameter for the performance of the internal combustion engine, ζ. Β. Boost pressure, path of the control rod, speed of internal combustion
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maschine oder Abgasturbolader usw., verstellt werden.machine or exhaust gas turbocharger, etc., can be adjusted.
Bei Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren bis mittleren Leistungsbereich weist das Ladeluftverteilventil 31 die Stellung a auf. Die Drossel- und Absperreinrichtung sperrt den Abgaszustrom für die Turbine 22. Dadurch steht der Abgasturbolader 24 still.When operating the internal combustion engine in the lower to middle In the power range, the charge air distribution valve 31 is in position a. The throttle and shut-off device blocks the flow of exhaust gas for the turbine 22. As a result, the exhaust gas turbocharger 24 comes to a standstill.
Die gesamten anfallenden Abgase werden der Turbine 21 des Abgasladers 23 zugeleitet, der damit in die Lage versetzt wird, in bekannter Weise bis zum mittleren Leistungsbereich eine zufriedenstellende Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft durchzuführen. Die vom Verdichter geförderte Ladeluft gelangt dementsprechend über das Ladeluftventil 31 in beide Ladeluftleitungen 15 und 16.All of the resulting exhaust gases are fed to the turbine 21 of the exhaust gas supercharger 23, which is thus enabled is, in a known manner, a satisfactory supply of the internal combustion engine up to the medium power range to be carried out with charge air. The charge air delivered by the compressor accordingly passes through the charge air valve 31 in both charge air lines 15 and 16.
Bei einer Leistungssteigerung über den mittleren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine hinaus wird das maximale Schluckvermögen der Turbine 21 in bezug auf die Abgasmenge erreicht. Ein dadurch bedingter Rückstau der Abgase in die Zylinder der Brennkraftmaschine wird durch entsprechendes Öffnen der stellbaren Drossel- und Absperreinrichtung 32 vermieden. Gleichzeitig wird das Ladeluftverteilventil 31 in die Schaltstellung b verschoben und dadurch die von dem hochlaufenden Abgasturbolader 24 geförderte Ladeluft auf die Saugseite des Verdichters 25 geleitet. Durch eine Drossel 33 kann außerdem die Zufuhr von Ladeluft zu den Zylindern der Zylinderreihe 12 gedrosselt werden. Gleichzeitig wird in nicht dargestellter Weise die Brennstoffmenge für diese Zylinder entsprechend verringert.In the event of an increase in output beyond the average output range of the internal combustion engine, the maximum Reached absorption capacity of the turbine 21 in relation to the amount of exhaust gas. A back pressure of the exhaust gases into the The cylinder of the internal combustion engine is opened by opening the adjustable throttle and shut-off device 32 accordingly avoided. At the same time, the charge air distribution valve 31 is moved into the switching position b and thereby that of the As the exhaust gas turbocharger 24 runs up, charge air conveyed is passed to the suction side of the compressor 25. Through a throttle 33 can also control the supply of charge air to the cylinders the cylinder bank 12 are throttled. At the same time, in a manner not shown, the amount of fuel for this cylinder is reduced accordingly.
Während des BeschieunigungsVorganges des Abgasturboladers 24 wird die Drossel- und Absperreinrichtung 32 abhängig von dem Anfall der überschüssigen Abgasmenge und damit abhängig von der Leistung der Brennkraftmaschine weiter geöffnet. Nachdem die Drehzahl des Abgasturboladers 24 etwa diejenige des Abgasturboladers 23 erreicht hat, wird das Ladeluftverteilventil 31 in die Schaltstellung c verschoben. Dadurch wird jedem Abgasturbolader eine Zylinder-During the acceleration process of the exhaust gas turbocharger 24, the throttle and shut-off device 32 is dependent on the accumulation of the excess amount of exhaust gas and thus open further depending on the power of the internal combustion engine. After the speed of the exhaust gas turbocharger 24 has reached approximately that of the exhaust gas turbocharger 23, the charge air distribution valve 31 is moved into the switching position c. As a result, each exhaust gas turbocharger is provided with a cylinder
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reihe zur Aufladung über getrennte Ladeluftleitungen zugeteilt. Row allocated for charging via separate charge air lines.
Nach Stabilisierung der Verhältnisse kann durch Einschalten der Schaltstellung d des Ladeluftverteilventils 31 die normal übliche Aufladung über miteinander verbundene Ladeluftleitungen erfolgen.After the conditions have stabilized, the normal usual charging via interconnected charge air lines.
Beim Übergang von Vollast- auf Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine wird die Drossel- und Absperreinrichtung 32 geschlossen und damit der Abgasturbolader 24 stillgesetzt. Gleichzeitig nimmt das Ladeluftverteilventil 31 die Schaltstellung a ein. Damit werden wieder beide Zylinderreihen der Brennkraftmaschine von dem Abgasturbolader 23 mit Ladeluft versorgt.During the transition from full-load to part-load operation of the internal combustion engine the throttle and shut-off device 32 closed and thus the exhaust gas turbocharger 24 stopped. At the same time, the charge air distribution valve 31 takes the switching position a a. Both rows of cylinders of the internal combustion engine are thus again supplied with charge air by the exhaust gas turbocharger 23 provided.
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