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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
mit wenigstens einem ersten Abgasturbolader, welcher wenigstens
eine erste Turbine und wenigstens einen ersten Verdichter aufweist,
wenigstens einem zweiten Abgasturbolader, welcher wenigstens eine
zweite Turbine und wenigstens einen zweiten Verdichter aufweist,
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
wobei während
des Betriebs der Brennkraftmaschine eine Turbine eines ersten Abgasturboladers
permanent mit Abgas beaufschlagt wird und eine Turbine eines zweiten
Abgasturboladers wahlweise in Abhängigkeit von einem Betriebszustand
der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt wird, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 11.
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Bei
einer so genannten Registeraufladung an einem Verbrennungsmotor
sind mindestens zwei Abgasturbolader (ATL) vorgesehen, die durch
mindestens ein zusätzliches
Schaltelement auf der Abgas- und Frischluftseite miteinander betriebspunktabhängig mit
Abgas bzw. Luft beaufschlagt werden.
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Speziell
für die
Registeraufladung an einem Ottomotor sind solche Registerkonzepte
geeignet, die bei kleinen Motordrehzahlen einen ATL alleine beaufschlagen
und für
den Nennleistungsbereich einen zweiten ATL zuschalten, ohne auf
die Verdichtungsarbeit des ersten ATL zu verzichten, d.h. der erste
ATL trägt
weiterhin einen sehr großen
Teil zur gesamten Aufladearbeit bei. Mit einem solchen Konzept ist
es möglich,
den bei Ottomotoren sehr breiten Luftmassenstrombedarf optimal abzudecken.
Da bei einer Lastanforderung im unteren Luftmassenstrombedarf des
Motors die gesamte zur Verfügung
stehende Abgasenergie nur einem ATL zur Verfügung gestellt wird, kann dieser
sehr schnell auf seine Betriebsdrehzahl beschleunigt werden und
somit auch sehr schnell einen hohen Ladedruck bereit stellen, was
gegenüber
einem konventionellen Mono- oder Twinturbokonzept zu einem überlegenen
Ansprechverhalten führt.
Bei einem konventionellen Monoturbokonzept muss der ATL in der Lage
sein, die Nennleistung des Motors alleine abzudecken, weshalb er entsprechend
groß ausgelegt
werden muss. Dies ermöglicht
zwangsläufig
nur ein entsprechend träges Ansprechverhalten
bei geringen Abgasmassenströmen,
wie sie bei kleinen Motordrehzahlen vorliegen. Bei einem klassischen
Twin- bzw. Biturbokonzept muss die zur Verfügung stehende Abgasenergie auch
bei kleinen Abgasmassenströmen,
d.h. geringen Motordrehzahlen, auf zwei ATL's aufgeteilt werden.
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Das
für einen
Ottomotor vorteilhafte Registerkonzept zeichnet sich also dadurch
aus, dass es über
zwei ATL's verfügt, die
in ihrer Auslegung (Druckverhältnisse,
Massen-/Volumendurchsatzvermögen,
etc.) einer konventionellen Twinturboauslegung recht ähnlich oder
auch identisch sind. Zweckmäßigerweise
wird dabei ausgehend von der für
den konventionellen Twinturbobetrieb optimalen ATL-Auslegung ein
ATL etwas kleiner und der zweite ATL etwas größer gewählt. Die Beaufschlagung der ATL's mit Abgas erfolgt
beim Registerkonzept derart, dass bei kleinen Abgasmassenströmen (kleine
Motordrehzahlen) über
eine schaltbare Rohrführung
im Abgaskrümmer
lediglich einer der beiden ATL's
mit dem gesamten zur Verfügung
stehenden Abgas beaufschlagt wird. Gelangt dieser ATL an sein maximales
Durchsatzvermögen
(was ungefähr
bei mittleren Motordrehzahlen der Fall ist), erfolgt die Zuschaltung des
zweiten ATL und das Registersystem wird bis zur Nennleistung analog
einem konventionellen Twinturbosystem betrieben. Je nach Auslegung
des Systems teilen sich die beiden ATL's den erforderlichen Massenstrom im
Nennpunkt mit ca. 40% zu 60% oder ca. 45% zu 55% zugunsten des größeren ATL. Eine
für dieses
System notwendige abgasseitige Verschaltung der Turbinen ist beispielsweise
aus der
DE 198 37
978 A1 bekannt.
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Allerdings
kann der Ein-ATL-Betrieb in einem Registersystem der oben beschriebenen
Art bei weitem nicht den Luftmassenstrombedarf des Motors im mittleren
und oberen Drehzahlbereich bedienen, weshalb eine Zuschaltung des
zweiten ATL notwendig ist. Im Gegensatz zu einer Umschaltung – d.h. der erste
kleine ATL (die sog. Hochdruckstufe) wird abgeschaltet und der größere ATL
(die Niederdruckstufe) übernimmt
vollständig
die Aufladearbeit – auf
einen größeren ATL,
ist die Zuschaltung eines zweiten ATL schwieriger zu beherrschen.
Eine Umschaltung bringt, wie schon oben beschrieben, den Nachteil
mit sich, dass dieser ATL sehr groß dimensioniert werden muss,
damit er den Luftmassenbedarf im Nennleistungspunkt des Motors alleine
liefern kann. Dies führt
zu entsprechenden Packagenachteilen. Zudem ist die Verfügbarkeit
von ATL für
ottomotorische Anwendungen insbesondere mit Nennleistungen oberhalb
von 200 kW und Abgastemperaturen > 950°C begrenzt.
Auch vor diesem Hintergrund ist die Zuschaltung eines zweiten ATL
für ein
Ottoregisterkonzept zielführender.
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Aus
der
DE 43 10 148 C2 ist
eine Brennkraftmaschine mit Registeraufladung bekannt, wobei ein erster
Abgasturbolader ständig
Ladeluft liefert und ein zweiter Abgasturbolader wahlweise zugeschaltet wird.
Um ein pulsationsfreies Zuschalten des zweiten Abgasturboladers
zu ermöglichen
wird in dem Fall, in dem der zweite Abgasturbolader nicht zur Ladeluftversorgung
der Brennkraftmaschine beiträgt,
ein Druckausgang eines Verdichters des zweiten Abgasturboladers
mit dem Einlasse einer Turbine dieses zweiten Abgasturboladers verbunden.
Auf diese Weise wird der zweite Abgasturbolader ständig auf
einer Drehzahl gehalten, die er zur Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine
benötigt,
so dass beim Zuschalten des zweiten Abgasturboladers durch Abtrennen des
Druckausgangs des Verdichters des zweiten Abgasturboladers vom Einlasse
der Turbine dieses zweiten Abgasturboladers und Verbinden des Druckausgangs
des Verdichters des zweiten Abgasturboladers mit der zur Brennkraftmaschine
führenden
Verbrennungsluftversorgungsleitung ohne Drucksprung sofort der benötigte Ladeluftdruck
vorhanden ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und
ein Verfahren zum Betreiben dieser hinsichtlich des Betriebsverhaltens beim
Zuschalten eines weiteren Abgasturboladers zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Brennkraftmaschine der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmalen und durch ein Verfahren der o.g. Art mit in Anspruch 11
gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen
beschrieben.
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Bei
einer Brennkraftmaschine der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass ein Druckausgang des zweiten Verdichters des zweiten Abgasturboladers über wenigstens
eine erste Leitung mit einem Druckausgang des ersten Verdichters
des ersten Abgasturboladers und über
wenigstens eine zweite Leitung mit einem Saugeingang des ersten Abgasturboladers
verbunden ist, wobei in der ersten Leitung wenigstens eine erste
Ventileinrichtung und in der zweiten Leitung wenigstens eine zweite
Ventileinrichtung angeordnet ist, wobei die erste Ventileinrichtung
derart ausgebildet ist, dass diese die erste Leitung verschließt, wenn
ein Ladeluftdruck am Druckausgang des zweiten Verdichters des zweiten Abgasturboladers
kleiner ist als ein Ladeluftdruck am Druckausgang des ersten Verdichters
des ersten Abgasturboladers und die erste Leitung öffnet, wenn
ein Ladeluftdruck am Druckausgang des zweiten Verdichters des zweiten
Abgasturboladers gleich oder größer ist
als ein Ladeluftdruck am Druckausgang des ersten Verdichters des
ersten Abgasturboladers und wobei die zweite Ventileinrichtung derart
ausgebildet ist, dass diese die zweite Leitung öffnet, wenn ein Ladeluftdruck
am Druckausgang des zweiten Verdichters des zweiten Abgasturboladers
kleiner ist als ein Ladeluftdruck am Druckausgang des ersten Verdichters
des ersten Abgasturboladers und die zweite Leitung verschließt, wenn
ein Ladeluftdruck am Druckausgang des zweiten Verdichters des zweiten
Abgasturboladers gleich oder größer ist
als ein Ladeluftdruck am Druckausgang des ersten Verdichters des
ersten Abgasturboladers.
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Dies
hat den Vorteil, dass der zweite Abgasturbolader ohne spürbaren Ladedruckeinbruch
bzw. ohne Drehmomentschwankungen zugeschaltet werden kann, wenn
ein Luftmassenstrombedarf der Brennkraftmaschine nicht mehr durch
den ersten Abgasturbolader allein bedient werden kann, da der Druckausgang
des zweiten, zuzuschaltenden Abgasturboladers erst dann über die erste
Leitung mit der Verbrennungsluftversorgung der Brennkraftmaschine
verbunden wird, wenn der zweite Abgasturbolader wenigstens den selben
Ladeluftdruck erreicht hat, wie er bereits von dem ersten Abgasturbolader
erzeugt wird. Während
des Übergangs
von dem Betrieb mit nur erstem Abgasturbolader zum Betrieb mit zwei
parallel geschalteten Abgasturboladern, werden die Abgasturbolader
in Reihe geschaltet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die zweite Ventileinrichtung ein Drosselelement mit Abdeckklappe,
wobei die Abdeckklappe derart angeordnet und ausgebildet ist, dass
diese eine Öffnung
des Drosselelementes wahlweise öffnet
oder verschließt,
und die zweite Ventileinrichtung ein Drosselelement mit Abdeckklappe,
wobei die Abdeckklappe derart angeordnet und ausgebildet ist, dass
diese eine Öffnung
des Drosselelementes wahlweise öffnet
oder verschließt,
wobei die erste Ventileinrichtung und die zweite Ventileinrichtung
derart miteinander, insbesondere mechanisch, gekoppelt sind, dass
die zweite Ventileinrichtung die zweite Leitung verschließt, wenn
die erste Ventileinrichtung die erste Leitung öffnet und die zweite Ventileinrichtung die
zweite Leitung öffnet,
wenn die erste Ventileinrichtung die erste Leitung verschließt.
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Beispielsweise
umfasst die mechanische Kopplung der ersten und zweiten Ventileinrichtung eine
um ein festes Schwenkgelenk schwenkbar gelagerte Welle, an deren
Enden jeweils die erste bzw. zweite Ventileinrichtung angeordnet
ist.
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Zur
Unterstützung
der Bewegung des Koppelelementes für eine funktionssichere Betätigung des
ersten und zweiten Ventilelementes ist das Koppelelement mit einem
Stellelement verbunden, welches derart ausgebildet und angeordnet
ist, dass dieses Stellelement entweder nur die Endanschläge des Koppelelementes
sichert und/oder die Bewegung des Koppelelementes zum Öffnen bzw.
Schließen des
ersten und zweiten Ventilelementes unterstützt.
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Dieses
Stellelement ist beispielsweise ein Aktuator, insbesondere eine
pneumatische Hubdose, ein E-Steller oder ein Magnetschalter.
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Um
ein entsprechendes Stellsignal zum Öffnen bzw. Schließen des
ersten und zweiten Ventilelementes zu erhalten ist in einer bevorzugten
Ausführungsform
in der ersten Leitung beidseits des ersten Ventilelements jeweils
ein Drucksensor angeordnet.
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Zum
wahlweise Beaufschlagen der zweiten Turbine des zweiten Abgasturboladers
mit Abgas ist in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine stromauf
der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers wenigstens eine Abzweigung
angeordnet, die mit der zweiten Turbine des zweiten Abgasturboladers
verbunden ist, wobei an der Abzweigung wenigstens eine Schaltklappe
derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese wahlweise den
Abgaskanal entweder nur mit der ersten Turbine oder sowohl mit der
ersten Turbine als auch über
die Abzweigung mit der zweiten Turbine verbindet.
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Bei
einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass ein Druckausgang eines Verdichters des zweiten Abgasturboladers
entweder mit einem Saugeingang eines Verdichters des ersten Abgasturboladers
verbunden wird, wenn ein Ladeluftdruck am Druckausgang des Verdichters
des zweiten Abgasturboladers kleiner ist als ein Ladeluftdruck an
einem Druckausgang des Verdichters des ersten Abgasturboladers,
oder mit dem Druckausgang des Verdichters des ersten Abgasturboladers verbunden
wird, wenn ein Ladeluftdruck am Druckausgang des Verdichters des
zweiten Abgasturboladers gleich oder größer ist als ein Ladeluftdruck
am Druckausgang des Verdichters des ersten Abgasturboladers.
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Dies
hat den Vorteil, dass der zweite Abgasturbolader ohne spürbaren Ladedruckeinbruch
bzw. ohne Drehmomentschwankungen zugeschaltet werden kann, wenn
ein Luftmassenstrombedarf der Brennkraftmaschine nicht mehr durch
den ersten Abgasturbolader allein bedient werden kann, da der Druckausgang
des zweiten, zuzuschaltenden Abgasturboladers erst dann über die
erste Leitung mit der Verbrennungsluftversorgung der Brennkraftmaschine
verbunden wird, wenn der zweite Abgasturbolader wenigstens den selben
Ladeluftdruck erreicht hat, wie er bereits von dem ersten Abgasturbolader
erzeugt wird. Während
des Übergangs
von dem Betrieb mit nur erstem Abgasturbolader zum Betrieb mit zwei
parallel geschalteten Abgasturboladern, werden die Abgasturbolader
in Reihe geschaltet.
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Zweckmäßigerweise
wird die Turbine des zweiten Abgasturboladers mit Abgas beaufschlagt, wenn
ein Luftmassenstrombedarf der Brennkraftmaschine nicht mehr allein
von dem ersten Abgasturbolader bedient werden kann.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
in schematischer Darstellung,
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
der Darstellung von 1 mit Ventileinrichtungen in
einer ersten Stellung,
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3 den
vergrößerten Ausschnitt
von 2 mit Ventileinrichtungen in einer zweiten Stellung,
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4 die
Ventileinrichtungen mit Kopplungsmittel in einem Querschnitt,
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5 eine
Schnittansicht gemäß der Linien A-A
und B-B von 4,
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6 die
Ventileinrichtungen mit Kopplungsmittel und einem Aktuator oder
einer Endanschlagsicherung in einem Querschnitt,
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7 eine
Schnittansicht gemäß der Linien C-C
von 6 mit einem pneumatischen oder elektrischen Aktuator
und
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8 eine
Schnittansicht gemäß der Linien C-C
von 6 mit einer Endanschlagsicherung in Form eines
Elektromagneten.
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Die
in den 1 bis 3 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
umfasst einen Motorblock 10 mit Arbeitszylindern 12,
einen ersten Abgasturbolader (ATL) 14 mit einer ersten
Turbine 16 und einem ersten Verdichter 18, einen
zweiten Abgasturbolader 20 mit einer zweiten Turbine 22 und
einem zweiten Verdichter 24, ein Verbrennungsluftansaugrohr 26,
einen Luftfilter 28, ein erstes Frischluftrohr 30,
welches den Luftfilter 28 mit einem Saugeingang 32 des
ersten Verdichters 18 des ersten Abgasturboladers 14 verbindet,
ein zweites Frischluftrohr 34, welches den Luftfilter 28 mit
einem Saugeingang 36 des zweiten Verdichters 24 des
zweiten Abgasturboladers 20 verbindet, einen Ladeluftkühler 38,
ein erstes Ladeluftrohr 40, welches einen Druckausgang 42 des
ersten Verdichters 18 des ersten Abgasturboladers 14 mit dem
Ladeluftkühler 38 verbindet,
ein zweites Ladeluftrohr 44, welches den Ladeluftkühler 38 mit
den Arbeitszylindern 12 verbindet, einen ersten Abgaskrümmer 46 und
einen zweiten Abgaskrümmer 48, welche
die Arbeitszylinder 12 mit der ersten Turbine 16 des
ersten Abgasturboladers 14 permanent verbinden, eine erste
Abgasleitung 50, welche den ersten Abgaskrümmer 46 mit
der zweiten Turbine 20 des zweiten Abgasturboladers 20 verbindet,
eine zweite Abgasleitung 52, welches den zweiten Abgaskrümmer 48 mit
der zweiten Turbine 20 des zweiten Abgasturboladers 20 verbindet,
einen ersten Katalysator 54, einen zweiten Katalysator 56,
ein erstes Abgasrohr 58, welches die erste Turbine 16 des
ersten Abgasturboladers 14 mit dem ersten Katalysator 54 verbindet,
ein zweites Abgasrohr 60, welches die zweite Turbine 22 des
zweiten Abgasturboladers 20 mit dem zweiten Katalysator 56 verbindet,
eine erste Abgasklappe 62, welche den ersten Abgaskrümmer 46 wahlweise
mit der ersten Abgasleitung 50 verbindet oder beide voneinander trennt,
und eine zweite Abgasklappe 64, welche den zweiten Abgaskrümmer 48 wahlweise
mit der zweiten Abgasleitung 52 verbindet oder beide voneinander
trennt.
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Erfindungsgemäß ist ein
Druckausgang 66 des zweiten Verdichters 24 des
zweiten Abgasturboladers 20 über eine erste Leitung 68 mit
dem Druckausgang 42 des ersten Verdichters 18 des
ersten Abgasturboladers 14 bzw. mit dem ersten Ladeluftrohr 40 verbunden.
Weiterhin ist der Druckausgang 66 des zweiten Verdichters 24 des
zweiten Abgasturboladers 20 über eine zweite Leitung 70 mit
dem Saugeingang 32 des ersten Verdichters 18 des
ersten Abgasturboladers 14 bzw. dem ersten Frischluftrohr 30 verbunden.
In der ersten Leitung 68 ist eine erste Ventileinrichtung 72, 94 und
in der zweiten Leitung 70 eine zweite Ventileinrichtung 74, 86, 92 angeordnet.
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In
den 2 und 3 weist ein Pfeil 76 in Richtung
der Verbindung der ersten Leitung 68 mit dem Druckausgang 42 des
ersten Verdichters 18 des ersten Abgasturboladers 14 bzw.
mit dem ersten Ladeluftrohr 40, ein Pfeil 78 in
Richtung der Verbindung der zweiten Leitung 70 mit dem
Saugeingang 32 des ersten Verdichters 18 des ersten
Abgasturboladers 14 bzw. mit dem ersten Frischluftrohr 30 und
ein Pfeil 80 in Richtung des Druckausgangs 66 des
zweiten Verdichters 24 des zweiten Abgasturboladers 20.
Ein Koppelelement 82 verbindet die erste Ventileinrichtung 72 und
die zweite Ventileinrichtung 74 mechanisch miteinander
so dass die Ventileinrichtungen 72, 74 zusammen
mit dem Koppelelement 82 ein Schaltelement bilden. Dieses
Koppelement 82 ist um ein Schwenklager bzw. fest gelagerten
Drehpunk 84 schwenkbar gelagert. Zur Unterstützung der
Bewegung der Ventileinrichtungen 72, 74 bzw. der Schwenkbewegung
des Koppelelementes 82 und/oder zum Sichern von Endanschlägen ist
das Koppelelement 82 optional mit einem Aktuator und/oder
einer Endanschlagsicherung verbunden, wie später unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 noch
näher erläutert wird.
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In
der beispielhaft dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
ist die erste Ventileinrichtung 72 als strömungsgünstiges
Rückschlagventil
und die zweite Ventileinrichtung 74 als Drosselelement
ausgebildet. Mit 86 ist eine Verschlussklappe des Drosselelementes 74 bezeichnet
(2 und 3).
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Die
beiden Abgasturbolader 14, 20 bilden einen Registerverbund.
Der erste Abgasturbolader 14 ist hierbei ein ATL im Registerverbund,
welcher sich immer im Betrieb befindet und bei kleinen Motordrehzahlen
bzw. dynamischen Lastanforderungen die Aufladarbeit im Wesentlichen
alleine verrichtet. Bei mittleren und hohen Motordrehzahlen wird
der erste ATL 14 von dem zweiten ATL 20 unterstützt. Der zweite
ATL kann größer, gleich
groß oder
kleiner ausgebildet sein als der erste ATL 14 und hat bei
kleinen Motordrehzahlen keinen Anteil an der Aufladearbeit. Erst
ab mittleren Motordrehzahlen wird dieser zweite ATL 20 zu
dem ersten ATL 14 zugeschaltet.
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Um
einen spürbaren
Drehmomenteinbruch des registeraufgeladenen Motors zu vermeiden,
wird erfindungsgemäß vor dem
Zuschalten des zweiten ATL 20 in einem Zuschaltvorgang
am zuzuschaltenden zweiten ATL 20 das gleiche Verdichterdruckverhältnis aufgebaut,
das der in Betrieb befindliche erste ATL 14 aufweist, d.h.
ein konstanter Saugrohrdruck im ersten Ladeluftrohr 40 hergestellt,
um eine konstante Momentabgabe des Motors zu erzielen.
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Die
oben dargstellte Verschaltung der ATL's 14, 20 auf der Frischluftseite
zeichnet sich durch die zu einem Schaltelement kombinierten Ventileinrichtungen 72, 94 (Rückschlagventil)
und 74, 86, 92 (Drosselelement) aus,
die in den zwei Leitungen 68 und 70 platziert
sind. Das Rückschlagventil 72 trennt die
Druckseite 42 des ersten ATL 14 von der Druckseite 66 des
zweiten ATL 20 in denjenigen Betriebsbereichen, in denen
nur der erste ATL 14 in Betrieb ist. Gelangt der erste
ATL 14 an seine Betriebsgrenzen, so wird der zweite ATL 20 zugeschaltet.
Abgasseitig wird die zweite Turbine 22 des zweiten ATL 20 mit
Abgas beaufschlagt, wodurch der zweite ATL 20 Drehzahl
aufbaut. Der zweite Verdichter 24 des zweiten ATL 20 beginnt
ein Druckverhältnis
aufzubauen und der Druck am Verdichteraustritt 66 des zweiten ATL 20 nimmt
zu. Da der Verdichter des ersten ATL 14 jedoch ein deutlich
höheres
Druckverhältnis
in dem ersten Ladeluftrohr 40 erzeugt, bleibt das Rückschlagventil 72 aufgrund
der dort anliegenden Druckdifferenz (Druck in Ladeluftrohr 40 ist
größer als Druck
in erster Leitung 68) geschlossen. Der ansteigende Druck
nach (stromab) dem zweiten Verdichter 24 des zweiten ATL 20 wird
somit über
die offene Drosselstelle 74 über die zweite Leitung 70 entspannt,
die über
den zweiten Verdichter 24 des zweiten ATL 20 umgepumpte
Luft wird gedrosselt wieder an den Saugeingang 32 des ersten
Verdichters 18 der ersten ATL 14 zugeführt. Die
Drosselstelle 74 ist dabei derart ausgelegt, dass die Steigung
der Drosselkennlinie möglichst
parallel zur Pumpgrenze des zweiten Verdichters 24 des
zweiten ATL 20 verläuft. Durch
den Verlauf der Drosselkennlinie wird die Betriebslinie des zweiten
Verdichters 24 des zweiten ATL 20 terminiert.
Dies gewährleistet
bei entsprechender Auslegung der Drosselkennlinie einen sicheren
Hochlauf des zweiten ATL 20, wobei sichergestellt ist,
dass erstens der zweite Verdichter 24 des zweiten ATL 20 seine
Pumpgrenze nicht überschreitet
und zweitens der zweite ATL 20 bei geringst möglichen
Volumenströmen
hoch läuft,
wodurch die geringst mögliche
Leistungsaufnahme am Verdichterrad realisiert ist. Somit läuft der
zweite Verdichter 24 des zweiten ATL 20 auf das
Druckverhältnis
des ersten Verdichters 18 des ersten ATL 14 unter
optimalen Bedingungen hoch. Sobald am Druckausgang 66 des
zweiten Verdichters 24 des zweiten ATL 20 das gleiche
Druckverhältnis
wie am ersten Verdichter 18 des ersten ATL 14 anliegt,
herrscht am Rückschlagventil 72 ein
Druckgleichgewicht (Druck in der ersten Leitung 68 ist
gleich dem Druck im ersten Ladeluftrohr 40) und dieses
kann öffnen.
Durch die mechanische Kopplung des Rückschlagventil 72 zur
Drosselstelle 74 wird diese gleichzeitig verschlossen und
beide Verdichter 18 und 24 fördern im klassischen Bi-Turbobetrieb
die Luft zum Ladeluftkühler 38.
Da am Rückschlagventil 72 die
Bedingung Druckgleichgewicht auf beiden Seiten herrscht, was gleichbedeutend
mit einem Druckgleichgewicht an beiden Verdichterausgängen 42, 66 ist,
wird auch während des
Zuschaltvorganges des zweiten ATL 20 ein konstanter Saugrohrdruck
gewährleistet.
Dies erzielt eine Zuschaltung des zweiten ATL 20 ohne Drehmomenteinbruch
des Motors.
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Das
Schaltelement 72, 74 ist derart ausgebildet, dass
bei gleichem Druck in der ersten Leitung 68 und dem ersten
Ladeluftrohr 40 (zwangsläufig gegeben) die resultierende
Kraft durch den Druck in der ersten Leitung 68 auf das
Rückschlagventil 72 größer ist,
als die resultierende Kraft durch den Druck in der zweiten Leitung 70 auf
die Verschlussklappe 86 der Drossel 74, d.h. das
Rückschlagventil 72 weist
einen größeren Durchmesser
(= größere Fläche) auf,
als die Verschlussklappe 86 der Drossel 74. Der
Drehpunkt 84 des Koppelelementes 82 zwischen Rückschlagventil 72 und
der Verschlussklappe 86 der Drossel 74 kann dann
mittig gewählt
werden. Somit entsteht durch die wirkenden Kräfte bei der oben beschriebenen
Auslegung des Schaltelementes 72, 74, 82, 86, 92, 94 ein
Moment am Drehpunkt 84 in Richtung "Öffnen
des Rückschlagventils 72", was gleichbedeutend
ist mit "Schließen der
Drosselverschlussklappe 86". Diesem Moment wirken die resultierende Kräfte aufgrund
des durch den ersten ATL 14 verursachten Drücke in dem
ersten Ladeluftrohr 40 und erstem Frischluftrohr 30 entgegen.
Da das erste Frischluftrohr 30 die Ansaugleitung des ersten
ATL 14 bezeichnet, herrscht hier immer ein minimaler Unterdruck
gegenüber
dem Umgebungsdruck, d.h. die Beeinflussung des Momentes um den Drehpunkt 84 des
Schaltelementes 72, 74, 82, 86, 92, 94 ist
seitens des ersten ATL 14 nur durch den Druck im ersten
Ladeluftrohr 40 möglich.
Wird der zweiten Turbine 22 des zweiten ATL 20 Abgasmassenstrom
durch Schließen
der abgasseitigen Schaltelemente in Form der Abgasklappen 62 und 64 entzogen,
kann der zweite Verdichter 24 des zweiten ATL 20 weniger Druck
aufbauen und das Moment um das Schaltelement 72, 74, 82, 86, 92, 94 wird
durch die Druckdifferenz in der ersten Leitung 86 und dem
ersten Ladeluftrohr 40 bestimmt. Dies führt dazu, dass das Rückschlagventil 72 geschlossen
und die Verschlussklappe 86 der Drossel 74 offen
ist. Wird abgasseitig der zweiten Turbine 22 des zweiten
ATL 20 durch zunehmendes Öffnen der Abgasklappen 62 und 64 zunehmend
Abgas zugeführt,
beispielsweise weil durch eine steigende Motordrehzahl mehr Abgasmassenstrom
zur Verfügung
steht, wird der zweite Verdichter 24 des zweiten ATL 20 den
Druck in der ersten und zweiten Leitung 68, 70 erhöhen, bis
die Drücke
in den beiden Leitungen 68, 70 einerseits sowie
dem ersten Ladeluftrohr 40 andererseits gleich sind. Das
Rückschlagventil 72 wird
nun nur noch durch eine sehr geringe Kraft (resultierend aus der
Druckdifferenz in der zweiten Leitung 70 und erstem Frischluftrohr 30 an der
Verschlussklappe 86 der Drossel 74) geschlossen
gehalten.
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Aus 4 und 5 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
der Anordnung und Ausbildung des Koppelelementes 82 ersichtlich.
Hierbei bezeichnet in 5 eine strichpunktierte Linie 88 einen Übergang
von der Schnittebene A-A von 4 zur Schnittebene
B-B von 4. Das Koppelelement ist als
fest gelagerte Welle 82 ausgebildet, wobei das Rückschlagventil 72 und
die Verschlussklappe 86 der Drossel 74 an einem
jeweiligen Ende der Welle 82 angeordnet und über entsprechende
Hebel an jeweiligen Befestigungspunkten 90 befestigt sind.
Mit 92 ist eine Blende der Drosselstelle 74 bezeichnet.
Für das
Rückschlagventil 72 ist
ein Sitzring 94 in der ersten Leitung 68 angeordnet.
In der Darstellung von 4 ist die fest gelagerte Welle 82 unten
aus der Zeichnungsebene heraus gehoben und des besseren Verständnisses
wegen vor den übrigen
Elementen der Zeichnung dargestellt. An einem freien Ende der Welle 82 ist
ein Anlenkhebel 96 für
einen Aktuator bzw. eine Endanschlagsicherung angeordnet. Die zwei
Leitungen 68 und 70 sind im Bereich des Schaltelementes 72, 74, 82, 86, 92, 94 fest
miteinander verbunden. In diesem Verbundstück 104 ist die Welle 82 gelagert,
die auf jeder Seite in jeweils eine Leitung 68, 70 eindringt.
Eine Dichtung zwischen Leitungsinnerem und Wellenlager ist derart
auszuführen,
dass keine Gase aus dem Innern der Leitungen 68, 70 nach
außen
gelangen können,
noch von außen
Gase in das Innere der Leitungen 68, 70 eingesogen
werden können.
An den beiden in die Leitungen 68, 70 ragenden
Wellenteilen ist jeweils über
einen Hebelarm ein Verschlusselement 72, 74 des
Schaltelementes angebracht. In der ersten Leitung 68 ist
dies das strömungsgünstige Verschluss-/Rückschlagventil 72. Dieses
Ventil 72 verschließt
in Kombination mit dem ebenfalls strömungsoptimierten Sitz 94 die
erste Leitung 68 von dem ersten Ladeluftrohr 40 immer
dann, wenn nur der erste ATL 14 in Betrieb ist. Durch die strömungsgünstige Gestaltung
dieses Verschlusselementes 72 wird ein möglichst
geringer Druckverlust gewährleistet,
wenn bei geöffnetem
Ventil 72 beide ATL 14, 20 gemeinsam
in Betrieb sind. Auf dem anderen Wellenende in der zweiten Leitung 70 befindet sich
die Klappe 86 der Drosselstelle 74. Die Drosselstelle 74 selbst
wird durch die ringförmige
Blende 92 in der zweiten Leitung 70 ausgebildet.
Die Klappe 86 verschließt die Drossel 74, 92,
sobald in der ersten Leitung 68 das Verschluss-/Rückschlagventil 72 öffnet, da
beide Verschlusselemente 72, 86 über die
gemeinsame Welle 82 miteinander gekoppelt sind. Wie aus 4 ersichtlich,
ist die Welle 82 auf einer Seite aus dem Leitungsverbund
herausgeführt.
An dem dort angebrachten weiteren Hebelarm 96 kann entweder
ein aktiver Aktuator oder ein Element zur Endanschlagssicherung
angelenkt werden.
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Wie
aus den 6 bis 8 ersichtlich,
ist zur Unterstützung
der Bewegung des Schaltelementes 72, 74, 82, 86, 92, 94 und/oder
zum Sichern der Endanschläge
das Koppelelement 82 über
den Anlenkhebel 96 an einen Aktuator 98 (6, 7), wie
beispielsweise eine pneumatische Hubdose oder ein E-Steller, und/oder
an eine Endanschlagsicherung 100, wie beispielsweise einen
Magnetschalter (8) angebunden. Es sind grundsätzlich zwei
Arten einer solchen Bewegungsunterstützung denkbar: Erstens eine
Unterstützung
der Bewegung selbst und zweitens eine Fixierung der Endanschlagslage
bei geöffnetem
Rückschlagventil 72.
Im Folgenden werden die beiden unterschiedlichen Arten der Bewegungsunterstützung bzw.
Endanschlagsicherung des Schaltelementes erläutert:
- Möglichkeit
1: Die Drücke
in der ersten Leitung 68 und dem ersten Ladeluftrohr 40 werden
kontinuierlich durch Drucksensoren 102 (2, 3)
gemessen. Sobald eine Druckgleichheit erreicht ist, wird ein Stellglied 98 aktiviert,
welches das geringe Restmoment (das, wie oben beschrieben, das Rückschlagventil
noch geschlossen hält) überwindet
und das Schaltelement "öffnet" (d.h. Rückschlagventil 72 =
offen, Drossel 74 = verschlossen). Durch das Stellglied 98 lassen
sich zudem die Endanschlagslagen des Schaltelementes 72, 74, 82, 86, 92, 94 zusätzlich sichern.
- Möglichkeit
2: Es kommt kein aktives Stellglied zum Einsatz. Zur Überwindung
des Restmomentes ist dann allerdings eine leichte Drucküberhöhung in
der ersten Leitung 68 gegenüber dem ersten Ladeluftrohr 40 notwendig,
um das Schaltelement 72, 74, 82, 86, 92, 94 in
die Stellung "Offen" zu bewegen (d.h. Rückschlagventil 72 =
offen, Drossel 74 = verschlossen). Durch einen Kontaktschalter,
Magneten u.ä. kann
die Endanschlagslage fixiert werden, um ein Rückschlagen des Schaltelements 72, 74, 82, 86, 92, 94 bei
erfolgtem Druckausgleich zwischen erster Leitung 68 und
dem Ladeluftrohr 40 zu verhindern. Erlaubt die ATL-Bestückung des
Registersystems eine Auslegung des Schaltelementes 72, 74, 82, 86, 92, 94 in
Bezug auf die strömungswirksamen
Flächen
an Rückschlagventil 72 und
Drossel 74 bzw. Klappe 86 sowie der Anordnungen
der Hebelarme zu Rückschlagventil 72 bzw.
Drossel 74 bzw. Klappe 86 derart, dass die Momente
um den Drehpunkt 84 durch die wirkenden Kräfte am Rückschlagventil 72 dominiert
sind, kann auf eine Endanschlagsicherung, wie zuvor beschrieben,
verzichtet werden. Das Schaltelement 72, 74, 82, 86, 92, 94 wird
bei Druckgleichheit in der ersten Leitung 68 und dem ersten
Ladeluftrohr 40 durch die Strömungskräfte am Rückschlagventil 72 offen
gehalten, d.h. Rückschlagventil 72 =
offen, Drossel 74 = verschlossen.
-
Das
abgasseitige Schaltelement in Form der Abgasklappen 62, 64 (1)
zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Krümmerhälften 46, 48 in
jeweils eine Hälfte
der zum ersten ATL 14 führenden Abgasleitung
münden.
Die beiden Hälften
der Abgasleitung sind durch eine mittige Trennwand vollständig voneinander
getrennt, wodurch verhindert wird, dass die Abgase der einen Krümmerhälfte mit
denen der anderen Krümmerhälfte in
Kontakt treten können. Dadurch
wird auch ein Übersprechen
der durch die Öffnung
der einzelnen Auslassventile (nicht dargestellt) hervorgerufenen
Druckwellen zur jeweils anderen Krümmer- und damit Motorenhälfte unterbunden. Das
abgasseitige Schaltelement verfügt
somit über zwei
Klappen 62, 64, jeweils eine in jeder Hälfte der Abgasleitung 46, 48,
die über
einen Aktuator (nicht dargestellt) angesteuert werden. Durch die
Verwendung zweier getrennter Klappen 62, 64 bleibt
die Trennung der Abgasfluten 46, 48 auch bei geöffneten Klappen 62, 64 gewährleistet.
Bei geschlossenen Klappen 62, 64 wird der gesamte
Abgasmassenstrom und damit die gesamte Abgasenthalpie auf die erste
Turbine 16 des ersten ATL 14 geleitet, der beispielsweise
als TwinScroll-ATL ausgeführt
ist. Erst mit zunehmender Öffnung
der Abgasklappen 62, 64 wird zunehmend Abgas auf
die zweite Turbine 22 des zweiten ATL 20 geleitet,
womit der schon weiter oben beschriebene Zuschaltvorgang des zweiten
ATL 20 eingeleitet wird. Der zweite ATL 20 ist
beispielsweise ebenfalls als TwinScroll-ATL oder als herkömmlicher SingleScroll-ATL
ausgebildet. Im Falle der Verwendung eines SingleScroll-ATL endet
die Trennung der Abgasleitungen 46, 48 erst unmittelbar
vor Eintritt in das Turbinengehäuse
der zweiten Turbine 22 des zweiten ATL 20 aus.