CH665879A5 - Kolbenbrennkraftmaschine. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Abgasturboladern, von denen bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ein oder mehrere Abgasturbolader abschaltbar sind, mit je einer Absperreinrichtung in der Abgasleitung und in der Saugleitung jedes abschaltbaren Abgasturboladers, wobei zum Zu- oder Abschalten des betreffenden Abgasturboladers die Durchgangsquerschnitte beider Absperreinrichtungen gesteuert sind.

Das Abschalten von Abgasturboladern wird bei Kolbenbrennkraftmaschinen zur Erhöhung von Ladeluftdruck und Ladeluftmenge bei gegenüber dem Vollastbetrieb vermindertem Anfall von Abgasenergie, also im Teillast- und Teildrehzahlbereich der Kolbenbrennkraftmaschine durchgeführt. Dabei arbeitet bei geringem Abgasenergieanfall nur ein Abgasturbolader, dem bei Zunahme der Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine nach und nach ein oder mehrere Abgasturbolader parallel dazugeschaltet werden, bis schliesslich bei Vollastbetrieb alle vorhandenen Abgasturbolader zusammenarbeiten.

Bei jedem Zuschaltvorgang muss der zuzuschaltende Abgasturbolader seine den Verhältnissen beim Zuschalten entsprechende Betriebsdrehzahl erreichen. Wenn hierfür keine externen Energiequellen zur Verfügung stehen, muss der Abgasturbolader die zum Beschleunigen notwendige Energie aus den Abgasen der Brennkraftmaschine beziehen. Findet die Drehzahlzunahme in sehr kurzer Zeit, etwa durch schlagartiges Öffnen der Abgasabsperreinrichtung, statt, so wird dadurch dem dauernd eingeschalteten Abgasturbolader etwa die Hälfte seiner Abgasenergie entzogen. Dadurch sinkt der Ladeluftdruck vorübergehend ab, weil der zuzuschaltende Abgasturbolader zunächst noch keine Ladeluft liefert. Eine schlechte Verbrennung, die sich durch einen kurzzeitigen Russausstoss bemerkbar macht, ist die Folge.

Aus der DE-PS 3 032 435 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine der vorgenannten Art bekannt, bei der zwischen der Abgas- und der Ladeluftabsperreinrichtung eine Wirkverbindung angeordnet ist, die beim Zuschalten des Abgasturboladers bei noch geschlossener Ladeluftabsperreinrichtung ein Öffnen der Abgasabsperreinrichtung nur bis zu einer Zwischenstellung zulässt, bei der die Drehzahl des nicht fördernden Turboladers auf zulässige Werte begrenzt wird und die ein weiteres Öffnen der Abgasabsperreinrichtung nur zusammen mit oder nach dem Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung zulässt.

Auch hier wird der Abgasturbolader zwar in zwei Stufen, jedoch unmittelbar nacheinander in kurzer Zeit beschleunigt, und es tritt vorübergehend eine Absenkung des Luftüberschusses in den Zylinderfüllungen auf.

Es ist ausserdem eine Kolbenbrennkraftmaschine vorgeschlagen worden (DE-OS 2 09 202), bei der die Ladeluftabsperreinrichtung für den abschaltbaren Abgasturbolader hinter seinem Verdichter angeordnet ist. Beim Zuschalten soll die Abgasabsperreinrichtung in Abhängigkeit des Lade-luftdruclces des eingeschalteten Abgasturboladers so lange stetig weiter geöffnet werden, bis der Verdichter des zuzuschaltenden Abgasturboladers diesen Ladeluftdruck erreicht. Die dabei von ihm geförderte Luft soll über ein Ventil so abgeblasen werden, dass der Verdichter etwa auf einer para-belförmigen Kurve im Verdichterkennfeld betrieben wird.

Dadurch nimmt der zuzuschaltende Verdichter im Laufe des Zuschaltvorganges immer mehr Leistung auf, die von ihm geförderte Luft dient jedoch dabei nicht der Aufladung der Brennkraftmaschine.

Die Brennkraftmaschine kann neben dem Antrieb des dauernd eingeschalteten Abgasturboladers diese Zusatzleistung nur unter Erhöhung ihrer Abgastemperatur und ihres Kraftstoffverbrauches sowie unter starker Russbildung aufbringen. Besonders nachteilig ist dieses Zuschaltverfahren dadurch, dass die Brennkraftmaschine je nach Anwendungsfall längere Zeit in diesem zwischen Schaltungsbeginn und Schaltungsende liegenden Bereich betrieben wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den während des Schaltvorganges auftretenden Ladeluftmangel, der sich insbesonders bei solchen hochaufgeladenen Brennkraftmaschinen einstellt, bei denen mit nur wenigen Abgasturboladern der gesamte Betriebsbereich abgedeckt werden muss, so weit als möglich abzubauen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass beim Zuschalten mit steigendem Angebot an Abgasenergie zunächst die Abgasabsperreinrichtung des zuzuschaltenden Abgasturboladers so geöffnet wird, dass der dauernd eingeschaltete Abgasturbolader mit maximaler Leistung weiter betrieben wird, dass dem Verdichter des zuzuschaltenden Abgasturboladers während des Zuschaltvorganges mittels einer von der Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine in die Saugleitung des Verdichters hinter die Ladeluftabsperreinrichtung führenden, absperrbaren Bypassleitung nur ein gedrosselter Luftdurchsatz ermöglicht wird und dass die vollständige Öffnung der Abgasabsperreinrichtung erst dann vorgenommen wird, wenn der Abgasturbolader die für das Zuschalten notwendige Betriebsdrehzahl erreicht hat.

Durch diese Massnahmen liefert der eingeschaltete Abgasturbolader zunächst in gleicher Weise wie bei der DE-OS 29 09 202 während des Zuschaltens die Ladeluft für die Brennkraftmaschine, und nur die überschüssige Abgas-energie wird der Turbine des zuzuschaltenden Abgasturboladers zugeleitet. Da jedoch durch die gedrosselte Fördermenge und durch ihre Rückführung auf die Saugseite des Verdichters die benötigte Antriebsleistung dieses Abgasturboladers sehr gering ist, wird seine zum Zuschalten notwendige Betriebsdrehzahl gegenüber dem bekannten Verfahren mit wesentlich weniger Überschussleistung erreicht. Diese Überschussleistung kann von der Brennkraftmaschine schon

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bei geringer Leistungssteigerung ohne Probleme zur Verfügung gestellt werden. Da der Verdichter durch den Luftdurchsatz gekühlt wird, kann jeder im Zuschaltbereich liegende Betriebspunkt auch für längere Zeit ohne Nachteil für Brennkraftmaschine oder Abgasturbolader gefahren werden.

Die Zuschaltung wird wie bekannt mit dem vollständigen Öffnen der Abgasabsperreinrichtung abgeschlossen. Weil der zuzuschaltende Abgasturbolader dabei jedoch nicht mehr nennenswert beschleunigt werden muss, um seine volle Betriebsdrehzahl zu erhalten und damit das Öffnen seiner Ladeluftabsperreinrichtung zu ermöglichen, ist auch der sich ergebende Ladeluftdruckabfall sehr gering und praktisch nicht mehr feststellbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt zwei zweistufige Abgasturbolader 11 und 12 für eine Kolbenbrennkraftmaschine. Der dauernd eingeschaltete Abgasturbolader 11 besteht aus einem Hochdruckturbolader 13 mit einer Turbine 14 und einem Verdichter 15 und einem Niederdruckturbolader 16 mit einer Turbine 17 und einem Verdichter 18. Der abschaltbare Abgasturbolader 12 besteht aus einem Hochdruckturbolader 19 mit einer Turbine 20 und einem Verdichter 21 und einem Niederdruckturbolader 22 mit einer Turbine 23 und einem Verdichter 24. Die Abgasturbolader 11 und 12 werden von einer Abgassammelleitung 25 über Abgasleitungen 26 und 27 mit Abgas versorgt. Ihre Ladeluft liefern sie über Ladeluftkühler 28, Ladeluftleitungen 29 und 30 und über eine Ladeluftsammelleitung 31 in die nicht dargestellte Brennkraftmaschine.

Bei kleiner Last wird der Abgasturbolader 12 durch eine vom Ladeluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 31 über eine Steuerleitung 32 gesteuerte Abgasabsperreinrichtung 33 von der Abgassammelleitung 25 getrennt. Eine Ladeluftabsperreinrichtung 34 verhindert dabei das Abströmen von Ladeluft aus der Ladeluftsammelleitung 31 über den Abgasturbolader 12.

Von der Ladeluftleitung 30 zweigt eine über ein Ventil 35 steuerbare Bypassleitung 36 ab, die in eine Saugleitung 37 des Verdichters 24 hinter der Ladeluftabsperreinrichtung 34 einmündet. Von einem Drehzahlgeber 38 des Hochdruckturboladers 19 führt noch eine Steuerleitung 39 zur Abgasabsperreinrichtung 33.

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Wenn bei zunehmender Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine die obere Leistungsgrenze des dauernd eingeschalteten Abgasturboladers 11 erreicht ist, wird, gesteuert durch den Ladeluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 31 über die Steuerleitung 32, die Abgasabsperreinrichtung 33 so geöffnet, dass kein Abfall des Ladeluftdruckes stattfindet. Dadurch wird der abgeschaltete Abgasturbolader 12 in Drehung versetzt und je nach Anfall von Überschussleistung im Abgas der Kolbenbrennkraftmaschine beschleunigt. Seine dabei geförderte Luftmenge wird über die Bypassleitung 36 bei geöffnetem Ventil 35 in seine Saugleitung 37 zurückgeführt. Diese Luftmenge wird durch den geöffneten Ventilquerschnitt oder durch den Querschnitt der Bypassleitung stark begrenzt. Dadurch ist die aufgenommene Leistung der Verdichter 21 und 24 gering, und der Abgasturbolader 12 erreicht schon mit wenig Überschussleistung seine zum Zuschalten erforderliche Betriebsdrehzahl.

Da die umlaufende Luftmenge die Verdichter 21 und 24 kühlt, auch bedingt durch die Ladeluftkühler 28, kann die Brennkraftmaschine, wenn notwendig, für längere Zeit in dem Zuschaltbereich gefahren werden, ohne dass eine Überhitzung der Verdichter eintritt. Kurz vor Erreichen ihrer Betriebsdrehzahl wird über ein Signal in der Steuerleitung 39 die Abgasabsperreinrichtung 33 ganz geöffnet und gleichzeitig das Ventil 35 abgesperrt. Dadurch öffnet sich die Ladeluftabsperreinrichtung 34 selbsttätig oder, wie aus der DE-PS 3 032 435 bekannt, in Abhängigkeit von der Öffnung der Abgasabsperreinrichtung 33. Damit ist der Zuschaltvorgang abgeschlossen.

Wenn bei abnehmender Leistung der Brennkraftmaschine das Abgasenergieangebot und damit Ladeluftmenge und -druck entsprechend abfallen, wird z.B. gesteuert vom Ladeluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 31 über die Steuerleitung 32 die Abgasabsperreinrichtung 33 kontinuierlich oder stufenweise geschlossen. Dadurch erhält der Abgasturbolader 11 mehr Abgasenergie und kann den Ladeluftdruck in etwa konstant halten, obwohl der Abgasturbolader 12 seine Luftlieferung durch Schliessen der Ladeluftabsperreinrichtung 34 einstellt. Durch Öffnen des Ventiles 35 wird danach wieder ein geringer Luftumlauf in der Bypassleitung 36 und in den Verdichtern 21 und 24 aufrechterhalten, bis durch endgültiges Schliessen der Abgasabsperreinrichtung 33 der Abgasturbolader 12 stillgesetzt und damit die Abschaltung beendet ist.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Kolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Abgasturboladern, von denen bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ein oder mehrere Abgasturbolader abschaltbar sind, mit je einer Absperreinrichtung in der Abgasleitung und in der Saugleitung jedes abschaltbaren Abgasturboladers, wobei zum Zu- oder Abschalten des betreffenden Abgasturboladers die Durchgangsquerschnitte beider Absperreinrichtungen gesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zuschalten mit steigendem Angebot an Abgasenergie zunächst die Abgasabsperreinrichtung (33) des zuzuschaltenden Abgasturboladers (12) so geöffnet wird, dass der dauernd eingeschaltete Abgasturbolader (11) mit maximaler Leistung weiter betrieben wird, dass dem Verdichter (21 und 24) des zuzuschaltenden Abgasturboladers (12) während des Zuschaltvorganges mittels einer von der Ladeluftsammelleitung (31 ) der Brennkraftmaschine in die Saugleitung (37) des Verdichters (24) hinter die Ladeluftabsperreinrichtung (34) führenden, absperrbaren Bypassleitung (36) nur ein gedrosselter Luftdurchsatz ermöglicht wird und dass die vollständige Öffnung der Abgasabsperreinrichtung (33) erst dann vorgenommen wird, wenn der Abgasturbolader (12) die für das Zuschalten notwendige Betriebsdrehzahl erreicht hat.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit je einem in der Leitung zwischen der Ladeluftsammelleitung der Brennkraftmaschine und dem Verdichter der abschaltbaren Abgasturbo lader angeordneten Ladeluftkühler, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (36) direkt nach dem Ladeluftkühler (28) abzweigt.