Verfahren zum Betriebe einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei parallel schaltbaren Abgasturboladern, sowie Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens. Die vorliegende Erfindung bezweckt die Leistungassteigerung von Brennkraftmaschi- nen mittels Abgasturboladern. Sie dient hauptsächlich zur Verbesserung der Lade charakteristik bei Brennkraftmaschinen mit grossem Drehzahlbereich, und zwar derjeni gen mit mindestens zwei parallel schaltbaren Abgasturboladern pro Brennkraftmaschine.
Der Ladedruek eines Abgasturboladers ist von der Drehzahl und den Abgastempera turen der zugehörigen Brennkraftmaschine abhängig. Damit ergeben sich für Anlagen mit annähernd gleichbleibenden Maschinen drehzahlen geradezu .ideale Verhältnisse, in dem der Lader bei kleiner Last und damit geringeren Abgastemperaturen wenig Lade- druek, bei grosser Leistung dagegen einen hohen Ladedruek gibt.
Fahrzeugmotoren, insbesondere mit me chanischer Kraftübertragung, arbeiten aber mit gleichbleibendem Drehmoment auf dem ganzen Drehzahlband. Dadurch ergeben sieh bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturbo- ladern insofern ungünstige Verhältnisse, als der Ladedruck bei minimaler Drehzahl trotz konstantem Drehmoment klein ist und oft kaum genügt, das notwendige Ladegewicht bereitzustellen.
Auch bei konstanter Motor drehzahl oder bei einem Verhältnis von Lei stung zu Drehzahl nach Propellergesetz sind insbesondere im Zweitaktbetrieb Fälle denk bar, wvo trotz an sich kleiner Motorleistung ein verhältnismässig hoher Ladedruck eben falls erwünscht ist. Es sind Mittel bekannt, die Laderdreh zahl im untern Drehzahlbereich einer Brenn- kraftmaschine beispielsweise durch zusätz liche Verbrennung in den Abgasleitungen zwischen Motor und Lader künstlich zu stei gern. Dabei besteht a=ber die Gefahr, dass der Lader zum Pumpen kommt.
Ferner kann der Lader so bemessen sein, dass seine Höchst drehzahl bereits bei Teillast der Brennkraft- maschine erreicht wird, wobei ein Teil der Abgase mit zunehmender Belastung abbläst und somit für die Vorverdiohtung der neuen Ladung nicht mehr benützt werden kann. In beiden Fällen schwankt der Laderwir kungsgrad über dem ganzen Drehzahlbereich des Motors .erheblich, so dass entweder am untern oder am obern Ende des Drehzahl bandes nur mit stark abfallendem Wirkungs grad gearbeitet werden kann.
Das Verfahren nach der Erfindung be gegnet diesen Schwierigkeiten bei einer Brennkraaftmaschine mit mindestens zwei parallel schaltbaren Ab.gasturbolaidern da durch, dass mindestens ein Lader dauernd in Betrieb gehalten wird und ein weiterer Lader erst dann zugesehaltet wird, wenn eine ge wisse Belastung erreieht ist,
während das Abschalten des hinzugeschalteten Laders bei Unterschreitung des Wertes vorgenommen wird.
Die ebenfalls. Gegenstand der Erfindung bildende Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens besteht darin, dass von mindestens zwei parallel auf eine Brennkraftmasehine sohaltbaren Abgasturboladern wenigstens einer gas- und luftseitig durch Absperr organe von der Brennkraftmaschine getrennt bezw. mit ihr verbunden werden kann und Mittel vorgesehen sind, die automatisch in Abhängigkeit mindestens einer Betriebsgrösse zu mindestens einem bereits in Betrieb be findlichen Lader noch einen weiteren Lader hinzuschalten bezw. wieder abschalten.
Die genannten Absperrorgane können so ausge bildet sein, dass sie in geöffnetem Zustand, als Drosselorgane wirken, mit denen die Lei stung der Abgasturbolader aufeinauder ab gestimmt werden kann.
Die Zusohaltung dieser weiteren Lader kann vorteilhaft vom Ladedruck oder vom Abgasdruck abhängig gemacht oder vom Maschinenregler gesteuert werden. Bei Höhen anlagen mag unter Umständen auch zweck mässig der Aussendruck für die Festlegung des Schaltzeitpunktes herangezogen werden. Je nach der Breite des Drehzahlbandes wird ferner eine ungleiche Bemessung der Lader zweckmässig sein. Durch die vorgeschlagenen Massnahmen wird erreicht, dass auch mit Abgasturboladern ein annähernd konstantes Drehmoment über ein breites Drehzahlband gefahren werden kan n, wobei die Lader stets in der Gegend ihres besten Wirkungsgrades arbeiten. An Hand der Fig. 1-6 der Zeichnung werden das Verfahren und die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens beispiels weise erläutert.
Die Fig. 1-3 stellen sche matisch Brennkraftmaschinen mit zwei par allel schaltbaren Abgasturboladern in jeweils verschiedener Anordnung dar.
In den Diagrammen 4-6 ist der unge fähre Verlauf des Ladedruckes über der Motordrehzahl bezw. Motorleistung aufge tragen. Die vertikal schraffierte Fläche zeigt jeweils den durch die Unterteilung auf meh rere Lader zusätzlich erzielbaren Ladedruck.
In Fig. 1 und 2 bedeutet 1 die Brenn- kraftmaschine, 2 und 3 sind die Auspuff- sammelleitungen, und 4 ist die Ladeluftleitung. Lader 5 ist dauernd in Betrieb, während Lader 6 durch die Absperrorgane 7 ausser Betrieb gesetzt werden kann. Dabei wird die Ladeluftleitung 4 entweder durch eine Rück schlagklappe oder ein ebenfalls gesteuertes Ventil 8 vom Lader 6 abgeschaltet.
Fig. 1 zeigt beispielsweise eine 6-Zylin- dermaschine mit je einem Lader an den bei den Maschinenenden. In Fig. 2 befinden sieh beide Lader auf derselben Stirnseite der Brennkraftmaschine. Dadurch kann die Stoss energie der Abgase besser genützt werden, indem der Gasstrom nicht in zwei entgegen gesetzten Richtungen aufgespalten wird.
Fig. 3 zeigt zwei vertikale Lader 5, 6 an einem Fahrzeugmotor 1. Lader 5 ist wie derum ständig zugesehaltet, während Lader 6 nur bei höheren Motordrehzahlen in Betrieb kommt. Im Gegensatz zu den Beispielen Fig. 1 und 2 ist hier nur eine Abgassammel- leitung 10, vorgesehen. Die Luftleitung 4 wird vom Lader 6 durch eine Rückschlag klappe 8 abgeschaltet. Das Schaltorgan 9 ist im Prinzip gleich gebaut wie die Auspuff bremse 11 und kann bei ausgeschalteter Brennstoffzufuhr ebenfalls zur Motorbrem sung herangezogen werden.
Fig. 4 ist für eine Ausführung mit zwei gleich grossen Ladern :charakteristisch. Bis zur Linie a steht nur ein Lader in Betrieb. Bei a wird die zweite Gruppe zugeschaltet. Die Linien A und B zeigen den ungefähren Verlauf :des Ladedruckes, wenn nur ein ein ziger, für,die gesamte Abgas- und Luftmenge gebauter Lader vorhanden wäre.
Fig. 5 bezieht ;sich auf eine Anlage mit drei gsleich grossen Ladern. Bei a kommt der zweite, bei b der dritte Lader in Betrieb.
Fig. (6 zeigt den ungefähren. Verlauf deü Ladedruckes für eine Ausführung mit zwei versühieden grossen Ladern, wobei die grö ssere Gruppe :dauernd in Betrieb steht. Die Horizontale c entspricht ungefähr :dem anzu strebenden Ladedruck. Mindestens über den Drehzai@lbereich d kann das Drehmoment mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens annähernd konstant gehalten werden:.
Method for operating an internal combustion engine with at least two exhaust gas turbochargers that can be switched in parallel, as well as a device for performing this method. The present invention aims to increase the performance of internal combustion engines by means of exhaust gas turbochargers. It is mainly used to improve the charging characteristics in internal combustion engines with a large speed range, namely those with at least two exhaust gas turbochargers that can be switched in parallel per internal combustion engine.
The loading pressure of an exhaust gas turbocharger is dependent on the speed and the exhaust temperatures of the associated internal combustion engine. This results in virtually ideal conditions for systems with approximately constant machine speeds, in which the charger gives little charge pressure at low load and thus lower exhaust gas temperatures, and a high charge pressure at high output.
Vehicle engines, especially those with mechanical power transmission, work with constant torque over the entire speed range. In internal combustion engines with exhaust gas turbochargers, this results in unfavorable conditions insofar as the boost pressure at the minimum speed is low despite constant torque and is often hardly sufficient to provide the necessary charge weight.
Even with a constant engine speed or with a ratio of power to speed according to the propeller law, cases are conceivable, especially in two-stroke operation, where a relatively high boost pressure is also desired despite the inherently low engine power. There are means known to artificially increase the supercharger speed in the lower speed range of an internal combustion engine, for example by additional combustion in the exhaust pipes between the engine and supercharger. There is also a risk that the charger will start pumping.
Furthermore, the loader can be dimensioned so that its maximum speed is already reached with the internal combustion engine under partial load, with part of the exhaust gases blowing off as the load increases and thus can no longer be used for pre-diluting the new load. In both cases, the supercharger efficiency fluctuates over the entire speed range of the engine. Considerably, so that either the lower or the upper end of the speed range can only be operated with a sharp drop in efficiency.
The method according to the invention counteracts these difficulties in an internal combustion engine with at least two exhaust gas turbolaids that can be switched in parallel because at least one charger is kept in operation continuously and a further charger is only closed when a certain load is reached,
while the switched-in charger is switched off if the value falls below this value.
That too. The subject of the invention forming device for exercising this method consists in that of at least two parallel exhaust gas turbochargers which can be held in parallel on an internal combustion engine, at least one gas and air side separated from the internal combustion engine by shut-off devices. can be connected to it and means are provided that automatically add another loader respectively to at least one loader that is already in operation depending on at least one operating variable. switch off again.
Said shut-off devices can be designed in such a way that, in the open state, they act as throttling devices with which the performance of the exhaust gas turbochargers can be coordinated with one another.
The closing of these additional superchargers can advantageously be made dependent on the boost pressure or the exhaust gas pressure or controlled by the engine controller. In the case of high-altitude systems, the external pressure may also be used to determine the switching time. Depending on the width of the speed range, an unequal dimensioning of the turbochargers will also be useful. The proposed measures ensure that an approximately constant torque can be driven over a wide speed range even with exhaust gas turbochargers, with the superchargers always working in the vicinity of their best efficiency. With reference to Figs. 1-6 of the drawing, the method and the device for performing the method are explained as an example.
1-3 represent cal cal internal combustion engines with two par allel switchable exhaust gas turbochargers, each in a different arrangement.
In the diagrams 4-6, the approximate course of the boost pressure over the engine speed respectively. Apply engine power. The vertically hatched area shows the additional boost pressure that can be achieved by dividing it into several superchargers.
In FIGS. 1 and 2, 1 means the internal combustion engine, 2 and 3 are the exhaust manifolds, and 4 is the charge air line. Loader 5 is constantly in operation, while loader 6 can be put out of operation by shut-off devices 7. The charge air line 4 is switched off by the charger 6 either by a non-return flap or a valve 8 that is also controlled.
1 shows, for example, a 6-cylinder machine with a loader each at the two ends of the machine. In Fig. 2 see both superchargers on the same front side of the internal combustion engine. As a result, the impact energy of the exhaust gases can be better used by not splitting the gas flow in two opposite directions.
Fig. 3 shows two vertical loaders 5, 6 on a vehicle engine 1. Loader 5 is, in turn, constantly locked, while loader 6 only comes into operation at higher engine speeds. In contrast to the examples in FIGS. 1 and 2, only one exhaust gas collecting line 10 is provided here. The air line 4 is switched off from the charger 6 by a non-return valve 8. The switching element 9 is built in principle the same as the exhaust brake 11 and can also be used for engine braking when the fuel supply is switched off.
Fig. 4 is for an embodiment with two loaders of the same size: characteristic. Only one charger is in operation up to line a. At a, the second group is switched on. Lines A and B show the approximate course: of the boost pressure if there were only one charger built for the entire amount of exhaust gas and air.
Fig. 5 relates to a system with three loaders of the same size. At a the second, at b the third charger comes into operation.
Fig. (6 shows the approximate course of the boost pressure for a version with two differently large turbochargers, whereby the larger group: is permanently in operation. The horizontal line c corresponds approximately to: the boost pressure to be aimed for. At least over the speed range d the torque can be kept approximately constant with the aid of the method according to the invention: