BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Registeraufladung, mit mindestens einem ersten Abgasturbolader und einem zweiten Abgasturbolader, deren Laderturbinen über Abgasleitungen parallel an einen Abgasaufnehmer des Verbrennungsmotors angeschlossen sind und deren Verdichter mit ihren Ladeluftstutzen parallel in eine Ladeluftsammelleitung einmünden, welche die Ladeluftstutzen mit dem Ladeluftaufnehmer des Motors verbindet.
Bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturboaufladung in ihrer einfachsten Form, d.h., mit einem einzigen, ein- oder auch zweistufigen Turbolader, bestehen, physikalisch durch das Verhalten von Turbine und Verdichter bestimmt, betriebliche Unzulänglichkeiten, und zwar ein auf nur einen verhältnismässig engen Bereich eingeschränktes, leistungs- und wirkungsgradmässig zufriedenstellendes Betriebsverhalten, und damit zusammenhängend Kraftstoffverbräuche, die, über den ganzen Vollund Teillastbereich gesehen, den neuerdings gestiegenen Anforderungen an einen wirtschaftlichen Motorbetrieb nicht genügen.
Der erstgenannte Mangel lässt sich durch eine Registeraufladung nach bekannten Systemen mit mindestens zwei Abgasturboladern oder Abgasturboladergruppen, worunter zweistufige Lader zu verstehen sind, teilweise beheben, indem durch Abbzw. Zuschalten der einzelnen Lader ein breiterer Bereich im Teillastgebiet mit gutem Wirkungsgrad gefahren werden kann.
Das hat natürlich auch die gewünschte Senkung des Kraftstoffverbrauchs zur Folge.
Beim Abschalten eines oder mehrerer Turbolader wandert bei der Registeraufladung der Betriebspunkt im Verdichter- kennfeld zu höheren Druckverhältnissen und grösseren Volumenströmen, die so gross werden können, dass der Betriebs- punkt an die Schluckgrenze des oder der nicht abgeschalteten Verdichter gelangt. Dabei steigt die Laderdrehzahl unkontrolliert an und der Wirkungsgrad fällt ab. Eine solche einfache Registeraufladung befriedigt daher nur bei relativ niedrigen Druckverhältnissen mit breitem Verdichterkennfeld, falls es sich um einstufige Abgasturbolader handelt. Nur mit zweistufigen Ladern mit breiten Verdichterkennfeldern sind auch grössere Druckverhältnisse zu erreichen.
Bekannt sind Konzeptionen der Abgasturboaufladung mit nur einem Abgasturbolader, die den Zweck haben, mit relativ einfachen Mitteln bei abnehmender Motordrehzahl den Ladedruck und das Drehmoment ansteigen zu lassen. Sie sollen den Teillastbetrieb ohne wesentliche Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens bei Vollast verbessern. Eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Abgasaufladeeinrichtung ist z.B. in der EP-PS 0 108 905 beschrieben. Dabei wird ein einstufiger Verdichter von einer einstufigen Abgasturbine mit verstellbarem Abgaseintrittsquerschnitt angetrieben und die Ladeluftleitung ist mit der zur Turbine führenden Abgasleitung durch eine Umblaseleitung verbunden, die ein Regelventil und ein Rückschlagventil aufweist.
Sowohl die Turbine als auch der Verdichter sind für die maximale Motorleistung dimensioniert und das Gehäuse der Turbine enthält in bekannter Weise Mittel zur sektorenweisen oder stufenlosen Änderung ihres Gaseintrittsquerschnitts. Diese Massnahmen bezwecken, den Lader möglichst nahe der Pumpgrenze des Verdichters fahren zu können, indem im Teillastbereich der Turbineneintrittsquerschnitt und gleichzeitig auch der Strömungsquerschnitt der Umblaseleitung variiert werden.
Eine solche Aufladeeinrichtung bringt im wesentlichen nur eine Verbesserung des Teillastverhaltens auf einer Festpropellerkurve.
Die Erfindung entstand aus der Aufgabe, bei einem Verbrennungsmotor mit Registeraufladung insbesondere einem Dieselmotor, diese derart zu modifizieren, dass die Betriebspunkte der Verdichter für möglichst viele Lastzustände innerhalb eines günstigen Bereiches im Verdichterkennfeld zu liegen kommen, oder, mit anderen Worten, wie gesagt, dass die Steuerung der Aufladung die Realisierung mehrerer verschiedener Propellerkurven im Voll- und Teillastbereich ermöglicht, wie beispielsweise bei Schiffsdieselantriebsanlagen mit zwei und mehr Motoren,die auf eine einzige Propellerwelle und zusätzlich mit. Drehzahldrückung bei konstanten mittleren effektiven Zylinderdrücken arbeiten.
Der erfindungsgemässe Verbrennungsmotor mit Registeraufladung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt im Abgaseintrittskanal der Laderturbine des ersten Abgasturboladers veränderbar ist und dass der zweite und weitere vorhandene Abgasturbolader durch Absperrorgane zwischen dem Abgas aufnehmer und der Laderturbine sowie durch Absperrorgane im Ladeluftstutzen zwischen den Verdichtern des zweiten und der weiteren Abgasturbolader und der Ladeluftsammelleitung vom Aufladevorgang abschaltbar sind.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird der Erfindungsgegenstand im folgenden näher beschrieben.
In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemässen Verbrennungsmotor mit Registeraufladung durch zwei Abgasturbolader, und die
Fig. 2 das kombinierte Kennfeld der zwei Verdichter der Abgasturbolader eines Grossdieselmotors.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Verbrennungsmotor mit sechs Zylindern. Ihre Abgase werden in einem Abgasaufnehmer 2 gesammelt, von wo sie, je nach Betriebszustand des Motors, einer oder beiden Laderturbinen 5 bzw. 6 der zwei Abgasturbolader 3 und 4 zugeleitet werden. Die Laderturbine 5 ist am Eintrittsgehäuse in zwei Sektoren 7 und 8 unterteilt, die über je eine vom Abgasaufnehmer 2 abzweigende Abgasleitung 9 und 10 beaufschlagbar sind. In letzterer ist ein Absperrorgan 11 vorgesehen, durch das die Abgaszufuhr in den Sektor 8 der Turbine 5 unterbrochen werden kann. Ebenso ist in einer Abgasleitung 12 zwischen dem Abgasaufnehmer 2 und der Turbine 6 ein mit 13 bezeichnetes Absperrorgan vorhanden.
Die Verdichter 14 und 15 der beiden Turbolader 3 bzw. 4 liefern über ihre Ladeluftstutzen 16 und 17 und eine gemeinsame Ladeluftsammelleitung 18 die Ladeluft über einen Ladeluftkühler 19 in einen Ladeluftaufnehmer 20 auf der Ansaugseite des Motors 1. Im Ladeluftstutzen 17 des Verdichters 15 ist ein Absperrorgan 21 vorgesehen. Ein Überströmkanal 22 mit einer Überströmklappe 23 verbindet den Ladeluftaufnehmer 20 mit dem Abgas aufnehmer 2.
Je nach Grösse der Motoranlage und abzudeckendem Teillastbereich können auch mehr als zwei Turbolader und darunter auch mehr als nur einer mit Sektorabschaltung vorgesehen sein, wobei die Eintrittsgehäuse der letzteren auch in mehr als zwei Sektoren unterteilt sein können.
Die durch die Sektorabschaltung am Lader 3 und die übrigen Absperrorgane 13, 21 und 23 gegebenen Möglichkeiten zur Steuerung des Abgas- und des Ladeluftstromes seien nun unter Bezugnahme auf ein in Fig. 2 dargestelltes, typisches Kennfeld der gesamten Aufladeeinrichtung eines Grossdieselmotors, d.h., aller Lader 3 und 4 sowie des Überströmkanals, erläutert. In diesem Kennfeld sind der Ladeluftstrom V in m3/s in Abhängigkeit vom Gesamtdruckverhältnis P2tot/Pitot bei der Bezugstemperatur 288 K für verschiedene Verdichterdrehzahlen n in U/s sowie die Muschelkurven für die Wirkungsgrade Ti dargestellt.
Um von einem Vollastzustand bei einer bestimmten Dreh- zahl auf eine andere, niedrigere Drehzahl bei Vollast, d.h., beim Endanschlag der Regelstange, zu kommen, muss die Aufladung entsprechend dem neuen gewünschten Betriebspunkt angepasst werden. Um beispielsweise von einem Betriebspunkt I, bei dem beide Turbolader voll, d.h. für den ersten Turbolader 3, über beide Sektoren 7 und 8, beaufschlagt sind, auf einen anderen Betriebspunkt, z.B. A, zu gelangen, wird der Lader 4 durch Schliessen des Absperrorgans 13 abgeschaltet. Falls bei dieser Betriebsweise der Ladedruck zu gering ist, um ein ausreichendes Verbrennungsluftverhältnis zu erhalten, so gelangt man durch Schliessen des Absperrorgans 11, das den Sektor 8 des Laders 3 abschaltet, zum Betriebspunkt B des Verdichters.
Da dieser im Verdichterkennfeld zu nahe der Pumpgrenze liegt, wird man jetzt, um zu dieser einen ausreichend grossen Sicherheitsabstand zu haben, die Überströmklappe 23 öffnen und damit den Ladeluftaufnehmer 20 mit dem Abgasaufnehmer 2 verbinden, wodurch sich im Verdichterkennfeld der Betriebspunkt C einstellt.
Soll ein Teillastpunkt, z.B. II, auf einer einfachen Propellerkurve verbessert werden, so erreicht man dies durch zunächst Abschalten des Laders 4, was zum Punkt D führt, und weiters durch Abschalten des Sektors 8 der ersten Laderturbine 5, wodurch sich der günstigere Betriebspunkt E einstellt.
Eine feinere Anpassung an bestimmte vorgegebene Propellerkurven lässt sich durch zusätzliche gänzlich abschaltbare Lader entsprechend dem Lader 4, oder durch einen ersten Lader, entsprechend dem mit 3 bezeichneten, aber mit mehr abschaltbaren Sektoren, oder aber durch einen ersten Lader mit stufenlos verstellbarem Strömungsquerschnitt des Abgaseintrittsgehäuses erreichen. Als Mittel für eine stufenlose Änderung kommen vor allem in Frage verstellbare Einlassleitschaufeln und verschieb- oder schwenkbare Begrenzungswände im Abgaseintrittsgehäuse.
Für das Ab- und Zuschalten der Lader und ihrer Sektoren und die Verstellung der Eintrittsleitschaufeln oder sonstigen Verstellelemente für den Strömungsquerschnitt im Eintrittsgehäuse der Turbine sowie der Überströmklappe im Überströmkanal kommen verschiedene, von Signalgebern bekannter Bauart aktivierte Servoeinrichtungen in Betracht, wie hydraulische, pneumatische, elektrische oder mechanische Geräte sowie Kombinationen derselben, die von den Signalgebern in Abhängigkeit von dem motor- und ladertypischen physikalischen Grössen angesteuert werden.
DESCRIPTION
The present invention relates to an internal combustion engine with register charging, with at least a first exhaust gas turbocharger and a second exhaust gas turbocharger, the turbochargers of which are connected in parallel to an exhaust gas receiver of the internal combustion engine via exhaust gas lines and whose compressors with their charge air nozzles open in parallel into a charge air manifold, which connect the charge air nozzle with the charge air receiver Motors connects.
In internal combustion engines with exhaust gas turbocharging in its simplest form, that is to say with a single, one-stage or two-stage turbocharger, there are operational shortcomings, physically determined by the behavior of the turbine and the compressor, and that is a performance limitation that is restricted to a relatively narrow range. and in terms of efficiency, satisfactory operating behavior, and associated fuel consumption, which, viewed over the entire full and part-load range, does not meet the recently increased requirements for economical engine operation.
The first-mentioned shortcoming can be partially remedied by register charging according to known systems with at least two exhaust gas turbochargers or exhaust gas turbocharger groups, which are to be understood as two-stage superchargers, by fig. Switching on the individual loaders allows a broader area in the partial load area to be driven with good efficiency.
Of course, this also results in the desired reduction in fuel consumption.
When one or more turbochargers are switched off, when the register is charged, the operating point in the compressor map moves to higher pressure ratios and larger volume flows, which can become so great that the operating point reaches the absorption limit of the compressor or compressors that are not switched off. The charger speed increases in an uncontrolled manner and the efficiency drops. Such simple register charging therefore only satisfies at relatively low pressure conditions with a wide compressor map, if it is a single-stage exhaust gas turbocharger. Larger pressure ratios can only be achieved with two-stage superchargers with wide compressor maps.
Concepts of exhaust gas turbocharging with only one exhaust gas turbocharger are known, the purpose of which is to allow the boost pressure and the torque to increase with relatively simple means as the engine speed decreases. They are intended to improve part-load operation without significantly impairing the operating behavior at full load. An internal combustion engine with such an exhaust gas charging device is e.g. described in EP-PS 0 108 905. A single-stage compressor is driven by a single-stage exhaust gas turbine with an adjustable exhaust gas inlet cross-section, and the charge air line is connected to the exhaust gas line leading to the turbine by a blow-by line, which has a control valve and a check valve.
Both the turbine and the compressor are dimensioned for the maximum engine output and the housing of the turbine contains, in a known manner, means for changing its gas inlet cross-section or continuously. The purpose of these measures is to be able to drive the supercharger as close as possible to the surge limit of the compressor by varying the turbine inlet cross-section in the part-load range and, at the same time, the flow cross-section of the bypass line.
Such a charging device essentially only improves the part-load behavior on a fixed propeller curve.
The invention arose from the task of modifying a combustion engine with a supercharged register, in particular a diesel engine, in such a way that the operating points of the compressors come within a favorable range in the compressor map for as many load conditions as possible, or, in other words, as said that The control of the supercharger enables the realization of several different propeller curves in the full and part load range, such as for example in ship diesel propulsion systems with two or more engines, which are on a single propeller shaft and additionally with. Operate speed reduction at constant mean effective cylinder pressures.
The internal combustion engine according to the invention with supercharging is characterized in that the flow cross-section in the exhaust gas inlet duct of the turbocharger of the first exhaust gas turbocharger can be changed and that the second and further existing exhaust gas turbocharger are connected by shut-off devices between the exhaust gas receiver and the charger turbine and by shut-off devices in the charge air nozzle between the compressors of the second and the additional turbocharger and the charge air manifold can be switched off from the charging process.
The object of the invention is described in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing.
In the drawing:
Fig. 1 shows schematically an internal combustion engine according to the invention with supercharging by two exhaust gas turbochargers, and
Fig. 2 shows the combined map of the two compressors of the exhaust gas turbocharger of a large diesel engine.
In Fig. 1, reference numeral 1 denotes an internal combustion engine with six cylinders. Your exhaust gases are collected in an exhaust gas receiver 2, from where, depending on the operating state of the engine, they are fed to one or both turbochargers 5 and 6 of the two exhaust gas turbochargers 3 and 4. The charger turbine 5 is divided into two sectors 7 and 8 on the inlet housing, each of which can be acted upon by an exhaust pipe 9 and 10 branching off from the exhaust gas receiver 2. In the latter, a shut-off device 11 is provided, through which the exhaust gas supply into the sector 8 of the turbine 5 can be interrupted. Likewise, in an exhaust pipe 12 between the exhaust gas sensor 2 and the turbine 6 there is a shut-off device designated 13.
The compressors 14 and 15 of the two turbochargers 3 and 4 deliver the charge air via their charge air connection 16 and 17 and a common charge air manifold 18 via a charge air cooler 19 into a charge air receiver 20 on the intake side of the engine 1. In the charge air connection 17 of the compressor 15 there is a shut-off device 21 provided. An overflow duct 22 with an overflow flap 23 connects the charge air receiver 20 to the exhaust gas receiver 2.
Depending on the size of the engine system and the partial load range to be covered, more than two turbochargers, and among them more than just one with sector shutdown, can also be provided, the inlet housings of the latter also being subdivided into more than two sectors.
The possibilities given by the sector shutdown on the charger 3 and the other shut-off devices 13, 21 and 23 for controlling the exhaust gas and charge air flow are now with reference to a typical characteristic diagram of the entire charging device of a large diesel engine shown in FIG. 2, that is to say all the loaders 3 and 4 and the overflow channel explained. This map shows the charge air flow V in m3 / s as a function of the overall pressure ratio P2tot / Pitot at the reference temperature 288 K for various compressor speeds n in rev / s as well as the shell curves for the efficiencies Ti.
In order to change from a full load condition at a certain speed to a different, lower speed at full load, i.e. when the control rod stops, the charge must be adjusted according to the new desired operating point. For example, from an operating point I at which both turbochargers are full, i.e. for the first turbocharger 3, across both sectors 7 and 8, to another operating point, e.g. A, the charger 4 is switched off by closing the shut-off element 13. If, in this mode of operation, the boost pressure is too low to obtain a sufficient combustion air ratio, the shut-off element 11, which switches off the sector 8 of the charger 3, leads to the operating point B of the compressor.
Since this is too close to the surge limit in the compressor map, the overflow flap 23 will now be opened in order to have a sufficiently large safety distance from it and thus connect the charge air receiver 20 to the exhaust gas receiver 2, as a result of which the operating point C is set in the compressor map.
If a partial load point, e.g. II, can be improved on a simple propeller curve, this is achieved by first switching off the charger 4, which leads to point D, and further by switching off the sector 8 of the first charger turbine 5, as a result of which the more favorable operating point E is established.
A finer adaptation to certain predefined propeller curves can be achieved by additional loaders which can be completely switched off according to the loader 4, or by a first loader corresponding to the sectors denoted by 3 but with more switchable sectors, or by a first loader with a continuously adjustable flow cross section of the exhaust gas inlet housing . Adjustable inlet guide vanes and sliding or swiveling boundary walls in the exhaust gas inlet housing are particularly suitable as means for a continuous change.
For the switching on and off of the loaders and their sectors and the adjustment of the inlet guide vanes or other adjustment elements for the flow cross-section in the inlet housing of the turbine and the overflow flap in the overflow channel, various servo devices activated by signal generators of known design, such as hydraulic, pneumatic, electrical or mechanical devices and combinations thereof, which are triggered by the signal transmitters depending on the physical and load-typical physical quantities.