CH647044A5 - Aufgeladene kolbenbrennkraftmaschine. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung durch mehrere Abgasturbolader.

Bei abgasaufgeladenen Brennkraftmaschinen können die Aufladeverhältnisse im Teillastbetrieb in bekannter Weise dadurch verbessert werden, dass mehrere Abgasturbolader bei hohem Abgasanfall parallel betrieben werden und dass die Verringerung der anfallenden Abgasmenge ein Teil der Abgasturbolader durch Absperrung ihrer Abgaszuleitung stillgesetzt werden. Dadurch 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 Luftüber-schuss wird der Verbrennungsablauf verbessert, der Kraftstoffverbrauch gesenkt und ein rauchfreier Betrieb, auch bei Brennkraftmaschinen, die für einen hohen Mitteldruck ausgelegt sind, erzielt.

Diese Vorteile im Teillastbetrieb sind umso wesentlicher, je grösser die Anzahl der Abgasturbolader ist. Die Zahl der Abgasturbolader wird durch die neuerdings übliche Doppelaufladung weiterhin erhöht.

Die Anordnung von mehreren kleinen Abgasturboladern mit ihren Abgas- und Luftzu- und Ableitungen anstelle der üblichen ein oder zwei grossen Abgasturbolader auf der Brennkraftmaschine bereitet naturgemäss grosse konstruktive Schwierigkeiten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Mehrzahl von Abgasturboladern in platzsparender Anordnung auf der Brennkraftmaschine unterzubringen. Dabei sollen für die Wirkungsweise der Gesamtanlage und für die Montage vorteilhafte Anordnungen und Abmessungen der Abgas- und Luftleitungen erzielt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des ersten Anspruches gelöst. Durch jedes Gehäuse werden die erforderlichen Einbaumöglichkeiten für die sichere Befestigung der vorgesehenen Anzahl von Abgasturboladern geschaffen. Durch die Anordnung der abgasführenden Teile im Gehäuseinneren und der luftführenden Teile ausserhalb des Gehäuses können die entsprechenden Leitungen weitestgehend zusammengefasst werden. Dadurch werden weniger und kürzere Leitungen erforderlich und die Montage vereinfacht sich dementsprechend.

Gleichzeitig werden die heissen Elemente, wie Turbinen und Abgasleitungen von den Ladeluftleitungen, die möglichst kühl bleiben sollen, von den Ladeluftkühlern und von den übrigen Teilen der Brennkraftmaschine in bezug auf die Wäremeübertragung weitgehend getrennt und gegen unerwünschte Wärmeverluste geschützt. Die Sicherheit des Bedie2

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nungspersonals gegen ungewollte Berührung der abgasführenden heissen Teile wird beträchtlich erhöht.

Für eine Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass jedes Gehäuse gasdicht ausgeführt und mit einer Wärmeisolierung versehen ist. Dadurch müssen die schwierigen abzudichtenden Abgasleitungsverbindungen nicht vollkommen dicht sein, weil eventuell entweichendes Abgas vom Gehäuse aufgefangen wird. Durch die Isolierung des Gehäuses wird der beschriebene Wärmeübergang und Wärmeverlust zusätzlich verringert.

Je nach Anzahl und Ausführung der Abgasturbolader in ein- oder zweistufiger Ausführung kann es vorteilhaft sein, wenn in einer Wand des Gehäuses mehrere Abgasturbolader befestigt sind.

Bei zweistufiger Aufladung mit je einem von einer Niederdruckturbine angetriebenen Niederdruck-Abgasturbolader und einem von einer Hochdruckturbine angetriebenen Hochdruckverdichter, die jeweils in Reihe geschaltet werden,

ergibt sich eine besonders vorteilhafte Leitungsführung für die Abgasleitungen, wenn jeweils zwei Hochdruck-Abgasturbolader in einer gemeinsamen Wand des Gehäuses und die zugehörigen Niederdruck-Abgasturbolader in den der gemeinsamen Wand benachbarten Seitenwänden befestigt sind und die Aufladegruppen axialsymmetrisch in bezug auf eine horizontale Achse angeordnet sind. Eine günstige Raumaufteilung für die Anordnung der Turbolader wird gewonnen, wenn ein Gehäuse vier Seitenwände aufweist und in jeder dieser Seitenwände ein Abgasturbolader befestigt werden kann. Je nach Grösse der Brennkraftmaschine und Zahl ihrer Zylinder können mehrere solcher Gehäuse auf der Brennkraftmaschine angeordnet werden. Dadurch entstehen jeweils gleiche Baugruppen, bestehend aus Gehäuse und vier Abgasturboladern, die mit den Leitungen vormontiert und auf Lager gehalten werden können.

Bei zweistufiger Aufladung ergibt sich auch hier eine günstige Leitungsführung, wenn die beiden Hochdruck-Abgasturbolader in zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden, die beiden Niederdruck-Abgasturbolader in den beiden anderen gegenüberliegenden Gehäusewänden angeordnet sind.

Gleiche Abgasturbolader und Leitungsstücke sowie günstige Zuström- und Abström-Leitungsanordnungen ergeben sich, wenn die beiden aus Hoch- und Niederdruck-Abgasturbolader bestehenden Aufladegruppen zentrischsymmetrisch um eine vertikale Achse angeordnet sind.

Bei zentripetal durchströmten Abgasturbinen können die Abgasleitungen zwischen Hochdruck- und Niederdruckturbinen entfallen, wenn die Achse des Hochdruck-Abgasturboladers senkrecht zu der Achse des zugehörigen Niederdruck-Abgasturboladers angeordnet ist und wenn der radiale Einlassstutzen der Turbine des Niederdruck-Abgasturboladers unmittelbar an den axialen Auslassstuzen der Turbine des zugehörigen Hochdruck-Abgasturboladers anschliesst.

Für die Zuleitung der Abgase aus der Abgassammelleitung in die Gehäuse bzw. in die Turbinen ergeben sich günstige Verhältnisse, wenn jedes Gehäuse auf einem Zwischengehäuse aufgesetzt ist, das die aus mehreren Abschnitten bestehende, in Längsrichtung der Brennkraftmaschine verlaufende Abgassammelleitung unter Bildung eines Zwischenraumes gasdicht einschliesst und an der Oberseite Durchbrüche aufweist, die mit der Abgassammelleitung verbunden sind und auf denen senkrechte Rohrstutzen gasdicht aufgesetzt sind, die in jedes Gehäuse ragen und über Steckverbindungen in die Einlassstutzen der Turbinen führen. Darum muss zwecks Vermeidung von Druckverlusten nur das Zwischengehäuse für die Leckverluste aus der Abgassammelleitung und damit für den hohen Druck vor den Turbinen ausgebildet sein. Die eingentlichen Gehäuse zur Aufnahme der Abgasturbolader dagegen können für den Druck nach den

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Ladern ausgebildet sein, weil die Leitung zwischen Rohr- und Einlassstutzen ohne übermässigen Aufwand gut abgedichtet werden kann.

Bei Abgasturboladern, die im Teillastbetrieb abgeschaltet werden sollen, können die Klappen zum Absperren der Abgase vorteilhaft in den Rohrstutzen angeordnet sein. Diese Klappen sind nach Abnahme der Gehäuse bzw. nach Ausbau des zugehörigen Abgasturboladers leicht zugänglich.

Der Wärmefluss von der Abgassammelleitung zu den übrigen Motorteilen wird vermindert, wenn das Zwischengehäuse doppelwandig ausgeführt und vom Motorkühlwasser durchflössen ist.

Gute Verhältnisse für die Montage und Demontage der Abgasturbolader und der Leitung ergeben sich, wenn jedes Gehäuse horizontal geteilt ist, die Achsen der Abgasturbolader horizontal des Gehäuses in halbkreisförmigen Aussparungen der Ober- und Unterteile des Gehäuses gelagert sind.

Eine Zusammenführung der aus den Turbinen strömenden Abgase kann ohne weiteren Montageaufwand erzielt werden, wenn im Oberteil des Gehäuses ein für alle Turbinen gemeinsamer, nach oben führender Abgasstutzen befestigt ist,

dessen Einlassöffnungen sich bei Montage des Oberteiles quer vor die Abgasauslässe der Turbinen schieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Anordnung eines Gehäuses für vier einstufige Abgasturbolader an einer Brennkraftmaschine (Draufsicht);

Fig. 2 die schematische Anordnung von zwei verschiedenen Gehäusen für drei bzw. zwei einstufige Abgasturbolader an einer Brennkraftmaschine (Draufsicht);

Fig. 3 die detaillierte Ausbildung von zwei gleichen Gehäusen für je zwei Hoch- und Niederdruck-Abgasturbolader an einer Brennkraftmaschine (Draufsicht);

Fig. 4 die detaillierte Ausbildung eines Gehäuses mit zwei Hoch- und Niederdruck-Abgasturboladern (Draufsicht);

Fig. 5 einen Vertikalschnitt entsprechend der Schnittangabe V—V in Figur 4.

In den Zeichnungen ist eine Brennkraftmaschine 11 schematisch dargestellt, an der Gehäuse 12 mit einstufigen Abgasturboladern 13, mit Niederdruck-Abgasturboladern 14 und mit Hochdruck-Abgasturboladern 15 angeordnet sind. Turbinen 16 der einstufigen Abgasturbolader 13, Niederdruckturbinen 17 und Hochdruckturbinen 18 sowie Abgasleitungen 19 befinden sich im Inneren der Gehäuse 12. Verdichter 20 der einstufigen Abgasturbolader, Niederdruckverdichter 21, Hochdruckverdichter 22 sowie Ladeluftleitungen 23 und Ladeluftkühler 24 sind ausserhalb der Gehäuse 12 angeordnet.

Während in den Abbildungen 1 und 2 die Anordnung der Gehäuse 12 mit einstufigen Abgasturboladern 13 rein schematisch dargestellt ist, sind in den Abbildungen 3 bis 5 nähere Einzelheiten für die Ausbildung des Gehäuses und die Anordnung von mehrstufigen Abgasturboladern gezeigt. In Fig. 3 sind in jedem Gehäuse 12 jeweils zwei Hochdruck-Abgasturbolader 15 in einer gemeinsamen Wand des Gehäuses und die zugehörigen Niederdruck-Abgasturbo-Iader 14 in den der gemeinsamen Wand benachbarten Seitenwänden befestigt. Die aus den Hochdruck-Abgasturboladern 15 und den Niederdruck-Abgasturboladern 14 gebildeten Aufladegruppen sind axialsymmetrisch in bezug auf eine horizontale Achse angeordnet. Die Achsen der Hochdruck-Abgasturbolader 15 sind senkrecht zu den Achsen der zugehörigen Niederdruck-Abgasturbolader 14 angeordnet und der radiale Einlassstutzen der Turbinen 17 der Niederdruck-

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Abgasturbolader 14 schliesst umittelbar an den axialen Auslassstutzen der Turbinen 18 der zugehörigen Hochdruck-Abgasturbolader 15 an. Zwei Abgassammelleitungen 29 verlaufen in Längsrichtung der Brennkraftmaschine 11 und sind jeweils mit den Hochdruckturbinen 18 verbunden. Die die Niederdruckturbinen 17 verlassenden Abgase werden in dem Abgasstutzen 38 abgeführt.

In Fig. 4 und 5 ist eine gasdichte, mit einer Wärmeisolierung 25 versehene Ausführung des Gehäuses dargestellt. Das Gehäuse weist vier Seitenwände auf, zwei Hochdruck-Abgasturbolader 15 sind in zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden, die beiden Niederdruck-Abgasturbolader 14 in den beiden anderen gegenüberliegenden Gehäusewänden angeordnet. Die aus je einem Hoch- und einem Niederdruck-Abgasturbolader bestehenden Aufladegruppen sind zen-trischsymmetrisch um eine vertikale Achse angeordnet. Die Achsen der Hochdruck-Abgasturbolader 15 stehen jeweils senkrecht zu den Achsen der Niederdruck-Abgasturbolader 14 und der radiale Einlassstutzen 26 der Niederdruckturbine 17 schliesst unmittelbar an den axialen Auslassstutzen 27 der Hochdruckturbine 18 an. Das Gehäuse ist auf einem doppel-

wandig ausgeführten, vom motorkühlwasserdurchflossenen Zwischengehäuse 28 aufgesetzt. Dieses Zwischengehäuse umschliesst eine, aus mehreren Abschnitten bestehende, in Motorlängsrichtung verlaufende Abgassammelleitung 29 s gasdicht und weist an der Oberseite Durchbrüche 32 auf, die mit der Abgassammelleitung 29 über Rohre 33 verbunden sind. An den Durchbrüchen 32 sind senkrechte Rohrstutzen 34 aufgesetzt, die in das Gehäuse 12 ragen und über Steckverbindungen 35 in die Einlassstutzen 30 der Hochdrucktur-10 binen 18 führen. In den Rohrstutzen 34 sind Klappen 31 zum Absperren der Abgase angeordnet.

Das Gehäuse 12 ist horizontal in ein Oberteil 36 und ein Unterteil 37 geteilt, die Achsen der Abgasturbolader 14,15 sind horizontal angeordnet und die Abgasturbolader in der ls Teilungsebene des Gehäuses in halbkreisförmigen Aussparungen des Ober- und Unterteils des Gehäuses gelagert. Im Oberteil 36 des Gehäuses 12 ist ein für die Turbinen 17 gemeinsamer, nach oben führender Abgasstzutzen 38 befestigt, dessen Einlassöffnungen 39 sich bei der Montage des 20 Oberteils 36 quer vor die Abgasauslässe 40 der Turbinen schieben.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

647 044 PATENTANSPRÜCHE

1. Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung durch mehrere Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, dass an der Brennkraftmaschine (11) ein oder mehrere Gehäuse (12) angeordnet sind, in deren Wänden die Abgasturbolader (13, 14,15) derart befestigt sind, dass sich die Turbinen (16,17,

18) der Abgasturbolader und Abgasleitungen ( 19) im Inneren, die Verdichter (20,21,22) der Abgasturbolader sowie die Ladeluftleitungen (23) mit den Ladeluftkühlern (24) dagegen ausserhalb der Gehäuse befinden.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gehäuse (12) gasdicht ausgeführt und mit einer Wärmeisolierung (25) versehen ist.

3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Wand des Gehäuses (12) mehrere Abgasturbolader (13,14,15) befestigt sind (Fig. 1-3).

4. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 3, mit zweistufiger Aufladung, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Hochdruck-Abgasturbolader (15) in einer gemeinsamen Wand des Gehäuses ( 12) und die zugehörigen Niederdruck-Abgasturbolader (14) in den der gemeinsamen Wand benachbarten Seitenwänden befestigt sind und dass die Aufladegruppen axialsymmetrisch in bezug auf eine horizontale Achse angeordnet sind (Fig. 3).

5. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (12) vier Seitenwände aufweist und in jeder dieser Seitenwände ein Abgasturbolader (13, 14,15) befestigt ist (Fig. 4).

6. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5, mit zweistufiger Aufladung, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hochdruck-Abgasturbolader (15) in zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden, die beiden Niederdruck-Abgasturbolader (14) in den beiden anderen gegenüberliegenden Gehäusewänden angeordnet sind (Fig. 4).

7. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden aus Hoch- und Niederdruck-Abgasturbolader (15,14) bestehenden Auflade-gruppen zentrischsymmetrisch um eine vertikale Achse angeordnet sind (Fig. 4).

8. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4,6 oder 7, mit zentripetal duchströmten Abgasturbinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Hochdruck-Abgasturboladers (15) senkrecht zu der Achse des zugehörigen Niederdruck-Abgasturboladers (14) angeorndetistund dass der radiale Einlassstutzen (26) der Turbine (17) des Niederdruck-Abgasturboladers (14) unmittelbar an den axialen Auslassstutzen (27) der Turbine ( 18) des zugehörigen Hochdruck-Abgasturboladers (15) anschliesst (Fig. 3,4).

9. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gehäuse (12) auf einem Zwischengehäuse (28) aufgesetzt ist, das die aus mehreren Abschnitten bestehende, in Längsrichtung der Brennkraftmaschine verlaufende Abgassammelleitung (29) unter Bildung eines Zwischenraumes gasdicht einschliesst und an der Oberseite Durchbrüche (32) aufweist, die mit der Abgassammelleitung verbunden sind und auf denen senkrechte Rohrstutzen (34) gasdicht aufgesetzt sind, die in jedes Gehäuse ragen und über Streckverbindungen (35) in die Einlassstutzen (30) der Turbinen (18) führen (Fig. 5).

10. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass in den Rohrstutzen (34) Klappen (31) zum Absperren der Abgase angeordnet sind (Fig. 5).

11. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischengehäuse (28) doppelwandig ausgeführt und vom Motorkühlwasser durchflössen ist. (Fig. 5).

12. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gehäuse (12) horizontal geteilt ist, dass die Achsen der Abgasturbolader (13,14,15) horizontal angeordnet sind und dass die Abgasturbolader in der Teilungsebene des Gehäuses in halbkreisförmigen Aussparungen der Ober- (36) und Unterteile (37) des Gehäuses gelagert sind (Fig. 5).

13. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Oberteil (36) jedes Gehäuses ein für alle Turbinen (17) gemeinsamer nach oben führender Abgasstutzen (38) befestigt ist, dessen Einlassöffnungen (39) sich bei Montage des Oberteiles (36) quer vor die Abgasauslässe (40) der Turbinen schieben (Fig. 4,5).