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DE2911727A1 - Kolben-brennkraftmaschine mit mindestens zwei abgasturboladern - Google Patents

Kolben-brennkraftmaschine mit mindestens zwei abgasturboladern

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DE2911727A1
DE2911727A1 DE19792911727 DE2911727A DE2911727A1 DE 2911727 A1 DE2911727 A1 DE 2911727A1 DE 19792911727 DE19792911727 DE 19792911727 DE 2911727 A DE2911727 A DE 2911727A DE 2911727 A1 DE2911727 A1 DE 2911727A1
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Germany
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combustion engine
internal combustion
compressor
gas turbocharger
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Deutschmann Herbert Dr-Ing 88048 Friedrichsha
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MTU Friedrichshafen GmbH
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
FRIEDRICHSHAFEN GMBH
Friedrichshafen
Kolben-Brennkraftmaschine mit
mindestens zwei Abgasturbo1ädern
Die Erfindung betrifft eine Kolben-Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei ein- oder zweistufige Abgasturbolader, die bei einem großen Abgas-Angebot der Brennkraftmaschine gemeinsam und parallelgeschaltet die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Ladeluft versorgen und von denen mindestens einer zur Erhöhung des Ladedruckes bei kleiner zur Verfügung stehender Abgasmenge durch Absperren seiner Abgaszuleitung abschaltbar ist. Durch diese Maßnahme wird im Teillastbetrieb das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine den übrigen Abgasturboladern zugeführt, die dadurch wieder 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. Durch den größeren Luftüberschuß wird der Verbrennungsablauf verbessert, der Kraftstoffverbrauch gesenkt und ein rauchfreier Betrieb, auch bei Brennkraftmaschinen die für einen hohen Mitteldruck ausgelegt sind, erzielt.
Besondere Schwierigkeiten entstehen beim Zuschalten der stillgesetzten Abgasturbolader, wenn das Abgas-Angebot der Brennkraftmaschine über das Schluekvermögen der eingeschalteten Abgasturbolader hinaus ansteigt.
Durch die DE-PS 850 965 und durch die BE-OS 26 09 589 sind Brennkraftmaschinen der angeführten Gattung bekannt geworden. Bei der Anlage entsprechend der DE-PS 850 965 ist in der Ladeluftleitung auf der Druckseite des Ver-
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dichters des abschaltbaren Abgasturboladers ein Ventil oder eine Rückschlagklappe angeordnet, gegen die der Verdichter beim Zuschalten hochlaufen muß. Durch das dabei notwendige hohe Druckverhältnis bei nicht vorhandener Fördermenge arbeitet der Verdichter jedoch unterhalb der Pumpgrenze im labilen Bereich, so daß er nicht in der Lage ist, die Druckhöhe in der Ladeluftleitung zu erreichen.
Bei der Anlage entsprechend der DE-OS 26 09 389 ist in einer Ausführung vor und nach jedem Verdichter des abschaltbaren, zweistufigen Abgasturboladers eine Absperreinrichtung vorgesehen. Durch Öffnen des Abgas-Absperr-Organs wird beim Zuschalten zuerst der Abgasturbolader hochgefahren und dann nach Erreichen einer Drehzahl, die der Drehzahl des dauernd eingeschalteten Abgasturboladers entspricht, die Absperrung vor und nach den Verdichtern aufgehoben.
Durch diese Maßnahme wird zwar ein Pumpbetrieb der Verdichter vermieden, weil beim Hochfahren vor und nach den Verdichtern etwa der gleiche Druck herrscht. Nachteilig ist jedoch ein verhältnismäßig großer Meß-, Steuer- und Regelaufwand, um die Vielzahl der Absperrorgane im richtigen Moment zu öffnen bzw. zu schließen. Erfolgt nämlich das luftseitige Zuschalten des Verdichters zu früh, so entsteht wieder die Gefahr eines Pumpbetriebes des Verdichters. Außerdem kann die Ladeluft über den Verdichter abströmen. Bei zu später Öffnung der Absperrorgane besteht die Gefahr des Auftretens einer Überdrehzahl für den Abgasturbolader, weil die Belastung durch die Förderarbeit des Verdichters fehlt. Es muß bezweifelt werden, ob eine entsprechende Regelung überhaupt mit Erfolg durchgeführt werden kann, weil das Hochlaufen des Abgasturboladers in einer sehr kleinen Zeitspanne vor sich geht, so daß für das Betätigen der Absperrorgane im richtigen Zeitpunkt nur Bruchteile von Sekunden zur Verfügung stehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Zu- und AbschaltVorgang der Abgasturbolader auf der Luftseite in einfacher Weise ohne aufwendige Steuer- und Regelvorgänge durchzuführen. Dabei soll ein Pumpbetrieb des Verdichters beim Zuschalten sicher vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein in der Saugleitung des Verdichters bzw. des Niederdruckverdichters der abschaltbaren Abgasturbolader angeordnetes Rückschlagventil, das in der Saugleitung eine Luftströmung in Richtung Verdichter zuläßt, eine entgegengesetzte Luftströmung jedoch verhindert.
Durch diese Maßnahme wird bei abgeschaltetem Abgasturbolader das Abströmen der Ladeluft aus der Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine über den Verdichter durch Absperren der Saugleitung verhindert und das problemlose Zuschalten des Verdichters des abgeschalteten Abgasturboladers nach Öffnen der Abgaszuleitung und Beschleunigen des Abgasturboladers bei Förderbeginn des Verdichters selbsttätig ermöglicht. Dadurch wird das Zu- und Abschalten der dafür vorgesehenen Abgasturbolader sehr einfach und braucht nur durch Öffnen bzw. Schließen der Abgaszuleitung eingeleitet zu werden. Die dazu notwendige Betätigung der Absperrexnrichtung kann in bekannter Weise je nach den Anforderungen in Abhängigkeit vom Ladeluftdruck, von der Motordrehzahl, der Regelstangenstellung usw. erfolgen. Eine weitere Regelung ist nicht mehr erforderlich. Die Zeitspanne, in der die Öffnung bzw. Absperrung der Abgaszuleitung erfolgt, kann nach den Erfordernissen z. B. der Abgasturbine gewählt werden, weil sich die luftseitige An- bzw. Abkoppelung des Abgasturboladers selbsttätig im genau richtigen Zeitpunkt vollzieht. Ein Pumpbetrieb des Verdichters während des Zuschaltvorganges tritt nicht auf, weil dabei vor und nach dem Verdichter etwa derselbe Druck, nämlich der Ladeluftdruck des dauernd eingeschalteten Abgasturboladers, herrscht.
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Dabei wird kein Luftvolumen gefördert. Wenn der Druck nach dem Verdichter über den in der Ladeluftleitung herrschenden Druck hinaus ansteigen will, beginnt gleichzeitig die Förderung von Luft durch selbsttätiges Öffnen des Rüekschlagventiles. Der Verdichter befindet sich damit immer im stabilen Bereich seines Kennlinienfeldes.
Vorteilhaft ist es auch, daß beim Zuschalten durch die Nullfördermenge des Verdichters die gesamte von der Abgasturbine umgesetzte Leistung für die Beschleunigung verwendet werden kann und kein Anteil zur Volumenförderung abgezweigt werden muß. Der Abgasturbolader erreicht dadurch sehr schnell seine Betriebsdrehzahl.
Durch die selbsttätige Öffnung des Rückschlagventiles wird die Drehzahlzunähme des Abgasturboladers beim Beschleunigen im richtigen Augenblick durch den Förderbeginn des Verdichters gestoppt und so eine Überdrehzahl des Abgasturboladers sicher vermieden. Die sich dabei ergebende Drehzahl des Abgasturboladers paßt sich immer an die vorhandene Drehzahl des im Betrieb befindlichen Abgasturboladers an. Diese Übereinstimmung wird durch den von der Drehzahl des eingeschalteten Abgasturboladers abhängigen Ladedruck herbeigeführt, der den Förderbeginn des zuzuschaltenden Verdichters und dadurch auch seine Drehzahl bestimmt.
Eine Verminderung des StrömungswiderStandes in der Saugleitung der abschaltbaren Abgasturbolader wird durch die Merkmale des zweiten Anspruches bewirkt.
Bei sehr hoch aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit einer kleinen Anzahl von Abgasturboladern kann die Abgasmenge nach dem Zuschaltvorgang vorteilhaft durch den Einsatz einer an sich bekannten Brennkammer, die zwischen der Ladeluftleitung und der Abgasleitung der Kolben-Brennkraftmaschine angeordnet ist, vergrößert werden. Natürlich kann die Brennkammer auch zum Antrieb der Abgasturbolader beim Beschleunigen der
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Brennkraftmaschine Verwendung finden.
Zwei Beispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit zwei einstufigen Abgasturboladern,
Fig. 2 eine Brennkraftmaschine mit zwei zweistufigen Abgasturboladern.
In beiden Zeichnungen sind gleiche Einzelheiten mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die beiden Zylinderreihen Ii und 12 einer Kolben-Brennkraftmaschine sind mit je einer Abgassammelleitung 13 bzw. 14 und mit je einer Ladeluftleitung 15 bzw. i6 versehen. Die beiden Ladeluftleitungen 15 und 16 sind durch eine Leitung 17, die beiden Abgassammelleitungen 13 und 14 durch eine Leitung 18 verbunden. In Fig. 1 führen die Abgassammelleitungen außerdem zu je einer Abgasturbine
21 und 22 der beiden Abgasturbolader 23 bzw. 24. Die Abgasturbinen treiben Verdichter 25 und 26 an. Diese saugen die Ladeluft über Ansaugluftfilter 27 bzw. 28 an und drücken sie über Ladeluftkühler 29 und 30 in die Ladeluftleitungen 15 bzw. 16.
Zwischen der Abgassammelleitung 14 und der Abgasturbine
22 ist eine stellbare Abgasklappe 31 angeordnet, mit
der die Abgaszufuhr zur Abgasturbine 22 abgesperrt werden kann. In der Saugleitung 20 des Verdichters 26 ist ein Rückschlagventil 32 angeordnet, das in der Saugleitung 20 eine Luftströmung in Richtung Verdichter zuläßt, eine entgegengesetzte Luftströmung jedoch verhindert. Dieses Rückschlagventil kann z. B. als Rückschlagklappe ausgebildet sein und wird durch den Druck in der Saugleitung betätigt.
Zwischen der Leitung 17 und 18 ist noch eine Brennkammer 33 mit einem regelbaren Ventil 34 angeordnet.
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Beim Anlassen der Brennkraftmaschine und in allen Betriebsbereichen, in denen nur kleine Abgasmengen anfallen, z. B. im Leerlauf und Teillastbetrieb, ist die Abgasklappe 31 geschlossen und die Brennkraftmaschine wird nur mit dem Abgasturbolader 23 aufgeladen. Die vom Verdichter 25 gelieferte Ladeluft strömt in die Ladeluftleitungen 15 und und gelangt über den Ladeluftkühler 30 und die Beschaufelung des Verdichters 26 des Abgasturboladers 24 bis an das Rückschlagventil 32, das durch den Ladeluftdruck geschlossen wird und ein Entweichen der Ladeluft verhindert. Dadurch herrscht vor und hinter der Beschaufelung des Verdichters 26 derselbe Druck.
Wenn mit steigender Belastung und/oder mit steigender Drehzahl das Abgas-Angebot der Brennkraftmaschine größer wird und schließlich das Schluckvermögen der Turbine des Abgasturboladers 23 übersteigt, muß der zweite Abgasturbolader 24 zugeschaltet werden.
Dies erfolgt in einfacher Weise durch Öffnen der Abgasklappe 31. Die durch die Turbine 22 strömenden Abgase können nun in sehr kurzer Zeit den Abgasturbolader 24 beschleunigen, weil der Verdichter 26 noch keine Luft fördert und dementsprechend keine Förderarbeit aufzubringen ist. Erst wenn der Verdichter 26 auf Grund seiner Drehzahl in der Lage ist, einen höheren Druck als den gerade vorhandenen Ladedruck zu erzeugen, wird das Rückschlagventil 32 durch den Unterdruck in der Saugleitung 20 geöffnet und die Förderung von Luft setzt ein. Dadurch wird die Abgasturbine 22 mit der Förderarbeit belastet und kann die Drehzahl des Abgasturboladers 24 nicht weiter steigern.
Mit der Öffnung des Rückschiagventiles 32 in der Saugleitung 20 ist der Zuschaltvorgang abgeschlossen und die Brennkraftmaschine kann in gewohnter Weise mit beiden Abgasturboladern in allen Betriebsbereichen mit großem Abgasanfall betrieben werden. Dabei kann es vorkommen, daß der Ladedruck, insbesondere bei einer klei-
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nen Zahl von insgesamt angeordneten Abgasturboladern und bei hochaufgeladenen Brennkraftmaschinen, in der Nähe des Zuschaltpunktes infolge mangelnder Abgasmenge zu nieder ist. In diesem Falle kann durch Zünden der Brennkammer 33, deren Luftmenge durch das regelbare Ventil 34 gesteuert werden kann, die Abgasmenge und damit auch der Ladedruck erhöht werden.
Soll der Abgasturbolader beim Zurückgehen der Abgasmenge wieder abgeschaltet werden, so wird lediglich die Abgasklappe 31 geschlossen und dadurch der auf die Abgasturbine 22 wirkende Abgasstrom unterbrochen. Nach Abfall der Drehzahl und damit der Fördermenge des Verdichters 26 schließt sich das Rückschlagventil 32 selbsttätig aufgrund des ansteigenden Druckes in der Saugleitung 20.
Durch kleine, naturgemäß immer vorhandene Undichtigkeiten in der Abgasklappe 31 wird die Abgasturbine 22 auch bei geschlossener Abgasklappe 31 durch eine geringe Abgasmenge beaufschlagt. Sie wird dadurch warmgehalten, so daß die Schockbelastung durch die Temperatur beim Öffnen der Abgasklappe 31 gemindert ist, und der Abgasturbolader wird mit niedriger Drehzahl in Bewegung gehalten. Bei Bedarf kann dieser Effekt durch nicht vollständiges Schließen der Abgasklappe 31 noch verstärkt werden.
In Fig. 2 wird das Abgas aus den Abgassammelleitungen 13 und 14 zuerst je einer Hochdruckturbine 35 bzw. 36 und dann je einer Niederdruckturbine 41 bzw. 42 zugeleitet.
Die Hochdruckturbinen 35 und 36 sind mit Hochdruckverdichtern 39 bzw. 40 verbunden und bilden zusammen mit ihnen die Abgasturbolader 37 bzw. 38 der Hochdruckstufe.
Die Niederdruckturbinen 41 und 42 sind mit Niederdruckverdichtern 45 bzw. 46 verbunden und bilden zusammen mit ihnen die Abgasturbolader 43 und 44 der Niederdruckstufe.
Die Verdichter saugen die Ladeluft über einen gemeinsamen Filter 47 an und drücken sie über Zwischenkühler 48 bzw. 49 und über einen gemeinsamen Ladeluftkühler 50 in
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die Ladeluftleitungen 15 und i6 der Brennkraftmaschine.
Eine Abgasklappe 51 ist zwischen der Abgassammelleitung 14 und der Hochdruckturbine 36 des Abgasturboladers 38 angeordnet. In einer Saugleitung 52 des Niederdruckverdichters 46 befindet sich ein steuerbares Rückschlagventil 53· Dieses Rückschlagventil 53 und die Abgasklappe 51 arbeiten in gleicher Weise beim Zu- und Abschalten der Abgasturbolader 38 und 44 zusammen, wie für Rückschlagventil 32 und Abgasklappe 31 In Fig. 1 beschrieben.
Zusätzlich, weist jedoch das steuerbare Rückschlagventil 53 eine Steuerleitung 54 auf, über die es nach erfolgter Zuschal tung der Abgasturbolader 38 und 44 in seine offene Stellung gesteuert wird. Biese Aufsteuerung wird kurz vor der folgenden Abschaltung wieder aufgehoben und hat den Zweck, die Strömungswiderstände in der Saugleitung 52 bei Betrieb der Abgasturbolader 38 und 44 zu vermindern,
Die Steuerung kann in Zusammenhang mit der Steuerung der Abgasklappe 51 erfolgen oder von der Drehzahl der Abgasturbolader oder dem Druck in der Saugleitung 52 beein— flußt werden.

Claims (3)

  1. MOTOREN- UND TURBINEN-UNION 9 Q 1 1 7 ? 7
    FRIEDRICHSHAPEN GMBH
    Friedrichshafen
    Patentansprüche
    f IJ Kolben-Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei ein- oder zweistufige Abgasturbolader, die bei einem großen Abgas-Angebot der Brennkraftmaschine gemeinsam und parallelgeschaltet die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Ladeluft versorgen und von denen mindestens einer zur Erhöhung des Ladedruckes bei kleiner zur Verfügung stehender Abgasmenge durch Absperren seiner Abgaszuleitung abschaltbar ist, gekennzeichnet durch ein in der Saugleitung (20, 52) des Verdichters (26) bzw. des Niederdruckverdichters (46) der abschaltbaren Abgasturbolader (24; 38, 44) angeordnetes Rückschlagventil (32, 53)j das in der Saugleitung eine Luftströmung in Richtung Verdichter (26, 46) zuläßt, eine entgegengesetzte Luftströmung jedoch verhindert.
  2. 2. Kolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit steuerbaren Rückschlagventilen, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer erfolgten Zuschaltung eines Abgasturboladers (38, 44) bis kurz vor die Abschaltung des Abgasturboladers das zugehörige Rückschlagventil (53) in seine offene Stellung gesteuert wird.
  3. 3. Kolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Anordnung einer Brennkammer (33) zwischen der Ladeluftleitung (17) und der Abgasleitung (18) der Kolben-Brennkraftmasehine.
    Hill'19 030039/0553
DE2911727A 1979-03-24 1979-03-24 Kolben-Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern Expired DE2911727C2 (de)

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