DE19514572C2 - Aufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aufgeladene Brennkraftmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus DE-A1 25 44 471 ist eine Brennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung be­ kannt, bei der im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine eine Hoch- und ei­ ne Niederdruckstufe in Reihe geschaltet sind. Das Abgas durchströmt zunächst die Hochdruckturbine und anschließend die Niederdruckturbine. Die Ladeluft wird zu­ nächst vom Niederdruckverdichter und anschließend vom Hochdruckverdichter ver­ dichtet. Bei steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine kann stufenweise auf einstu­ fige Verdichtung im Niederdruckverdichter umgeschaltet werden, indem mittels einer stromauf der Hochdruckturbine angeordneten Umschaltvorrichtung die Hochdrucktur­ bine partiell vom Abgas umfahren wird. Die Aufladung spielt sich dann vorwiegend in der Niederdruckstufe ab. Zur Vermeidung luftseitiger Druckverluste kann eine Bypaßleitung für den Niederdruckverdichter vorgesehen werden, um bei einer Ver­ dichtung überwiegend im Hochdruckverdichter Durchströmverluste im Niederdruck­ verdichter zu vermeiden. Ein Nachteil einer derartigen Aufladung ist darin zu sehen, daß die Hochdruckturbine immer von einem Rest an Abgas durchströmt wird und da­ her der Niederdruckturbine nicht die volle Abgasenthalpie zur Verfügung steht. Ein weiterer Nachteil kommt zum Tragen, wenn die zuschaltbare Hochdruckturbine im Hinblick auf eine hohe Wirksamkeit bei niedrigsten Drehzahlen sehr eng ausgelegt ist, wodurch beispielsweise ein möglichst rauchfreies Anfahren oder ein schneller Dreh­ momentaufbau erzielt werden könnte. In diesem Fall muß schon beim Übergang auf den mittleren Drehzahlbereich (ab etwa 40% der Nenndrehzahl) auf die Niederdruck­ stufe umgeschaltet werden, um den Motor und die Hochdruckstufe nicht zu überlasten.

Das nunmehr nur einstufig arbeitende Aufladesystem ist jedoch gegenüber einer regulären einstufigen Anordnung benachteiligt, weil damit kein zweiflutiger Betrieb der Niederdruckturbine im mittleren Drehzahlbereich möglich ist. Dadurch nimmt die Intensität der Abgaspulsationen ab, was mit einer geringeren Effizienz hinsichtlich der Abgasenergienutzung einhergeht. Darüberhinaus führt die einflutige Beaufschlagung der Niederdruckturbine bei Brennkraftmaschinen mit mehr als vier Zylindern zu einer ungünstigen gegenseitigen Beeinflussung der Ladungswechselphasen von gleichzeitig geöffneten Auslaßventilen, was die Qualität des Ladungswechsels gleichfalls ver­ schlechtert.

Ausgehend von einer aufgeladenen Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Aufladung dahinge­ hend zu verbessern, daß bei einstufiger Arbeitsweise gegenüber einer konventionellen einstufigen Aufladung keine, oder nur geringe Nachteile entstehen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspru­ ches 1.

Durch die vollständige Umfahrung der Hochdruckturbine kommt bei einstufigem Be­ trieb der Niederdruckturbine die volle Abgasenthalpie zugute. Durch die zweiflutige Ausbildung der Niederdruckturbine wird die gegenseitige, ungünstige Beeinflussung der Auspuffimpulse verschiedener Zylinder vermieden. Jede Flut der Niederdrucktur­ bine ist mit einem separaten Abgasstrang verbunden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen 2 bis 5 ent­ nommen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema des Aufladesystems mit zweiflutiger Nieder­ druckturbine,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Umschaltvorrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Schaltschema des erfindungsgemäßen Aufladesystems. Die Brenn­ kraftmaschine 1 weist zwei getrennte Abgasstränge 2 und 3 auf. Zur Aufladung ist eine Hochdruckstufe 4 und eine Niederdruckstufe 5 vorgesehen. Die Hochdruckstufe 4 wird aus der Hochdruckturbine 6 und dem Hochdruckverdichter 7 gebildet, während die Niederdruckstufe 5 aus einer zweiflutigen Niederdruckturbine 8 und dem Niederdruck­ verdichter 9 besteht.

Zur Kühlung der Ladeluft kann zwischen dem Hochdruckverdichter 7 und einer Luftsammelleitung 10 ein Ladeluftkühler 11 vorgesehen werden.

Bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 im Bereich bis etwa 40 bis 50% der Nenndrehzahl wird zweistufig aufgeladen. Vom Abgasstrang 2 gelangt das Abgas über eine Umschaltvorrichtung 13 und den Abgasstrang 3 zunächst zur Hochdruckturbine 6. Der Weg des Abgases zur Niederdruckturbine 8 ist durch die Klappe 12 der Umsteuer­ vorrichtung 13 versperrt. Nach der Hochdruckturbine 6 strömt das Abgas durch die Umschaltvorrichtung 13 und die Niederdruckturbine 8. Diese ist erfindungsgemäß zweiflutig ausgebildet. Die Ladeluft wird bei zweistufiger Betriebsweise zunächst im Niederdruckverdichter 9 und anschließend in dem in Reihe geschalteten Hochdruckverdichter 7 verdichtet.

Wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 etwa 50 bis 60% der Nenndrehzahl er­ reicht hat, wird durch Drehung der Klappe 12 der Umschaltvorrichtung 13 um 90° aus der in Fig. 1 gezeichneten Stellung auf einstufigen Betrieb umgeschaltet. Das Abgas der Abgasstränge 2 und 3 gelangt nach Drehung der Klappe 12 der Umschaltvorrich­ tung 13 über die Abgasleitungen 14 und 15 direkt zur Niederdruckturbine 8. Die Hochdruckturbine 6 wird dabei vollständig umfahren, so daß in der Niederdruck­ turbine 8 die vollständige Abgasenthalpie zur Verfügung steht.

Durch die getrennten Abgasstränge 2 und 3 und die zweiflutige Niederdruckturbine 8 wird die ungünstige Überlagerung der Auspuffimpulse bei mehr als vier Zylindern vermieden und somit die Ausnutzung der Abgasenergie in der Niederdruckturbine 8 optimiert.

Ein gleitender Übergang von zwei- zu einstufigem Betrieb bei einer Drehzahl von etwa 40 bis 60% der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine 1 wird durch eine Bypaßleitung 16 und ein Abblasventil 17 ermöglicht. Die Bypaßleitung 16 verbindet den Abgasstrang 2 über die Umschaltvorrichtung 13 mit der Abgasleitung 15. Das Abblasventil 17 bleibt bis zu einer Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 von 40% der Nenndrehzahl geschlossen. Durch Öffnung des Abblasventils 17 wird in der Übergangsphase von zwei- zu einstufiger Betriebsweise der Niederdruckturbine 8 unmittelbar eine Teilmenge an Abgas aus dem Abgasstrang 2 zugeführt. Die Nieder­ druckturbine 8 entwickelt also schon im zweistufigen Betrieb eine ausreichend hohe Leistung, so daß beim Umschalten auf den einstufigen Betrieb kein Leistungsrückstand aufgeholt werden muß. Wenn die Brennkraftmaschine 1 50 bis 60% der Nenndrehzahl erreicht hat, schließt das Abblasventil 17.

Eine weitere Verbesserung der einstufigen Aufladung wird dadurch erzielt, daß der Hochdruckverdichter 7 durch eine Ladeluftleitung 18 weitgehend umfahren wird, so daß nur geringfügige Durchströmverluste entstehen können. Um ein Rückströmen der Ladeluft bei zweistufiger Betriebsweise zu verhindern, ist in der Ladeluftleitung 18 eine Rückschlagklappe 19 vorgesehen. Auch bei einstufigem Betrieb wird der Hoch­ druckverdichter 7 von einem Teil der Ladeluft durchströmt, was wegen der damit einhergehenden Kühlung des Abgasturboladers 4 von Vorteil ist.

Durch das erfindungsgemäße Aufladesystem wird nach dem Übergang zu einstufiger Verdichtung die Abgasenergie ebensogut genutzt, wie in einem nur für einstufige Aufladung vorgesehenen System.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Umschaltvorrichtung 13. Diese weist vier Anschlußstutzen 20 bis 23 auf. Der Anschlußstutzen 20 gliedert sich in die Anschlüsse 20a und 20b, welche die Abgasstränge 2 und 3 (Fig. 1) aufnehmen. Der Anschluß­ stützen 21 nimmt das von der Hochdruckturbine 6 kommende Abgas auf. Der An­ schlußstutzen 22 gliedert sich in die Anschlüsse 22a und 22b, welche in die Abgaslei­ tungen 15 und 14 münden. Der Steuerung der Umschaltvorrichtung 13 dient eine Klappe 12, welche um eine Achse 24 drehbar ist. In der strichliert gezeichneten Stel­ lung 25 kann Abgas aus den Abgassträngen 2 und 3 über die Anschlüsse 20a und 20b zur Hochdruckturbine 6 strömen. Der direkte Weg zur Niederdruckturbine 8 ist ver­ sperrt (Fig. 1). Von der Hochdruckturbine 6 gelangt das Abgas über Anschlußstutzen 21 und die Anschlüsse 22a, 22b zur Niederdruckturbine 8.

Zum Umschalten auf einstufigen Betrieb wird die Klappe 12 um 90° geschwenkt. Das Abgas kann nun direkt von den Anschlüssen 20a, 20b zu den Anschlüssen 22a, 22b strömen und gelangt über die Abgasleitungen 14, 15 zur zweiflutigen Niederdrucktur­ bine 8 (Fig. 1).

Dem gleitenden Übergang von zwei- zu einstufigem Betrieb dient Anschlußstutzen 23, über den schon in Stellung 25 Abgas über Anschluß 22a und Abgasleitung 15 zur Nie­ derdruckturbine 8 strömen kann, wenn das Abblasventil 17 aus Fig. 1 geöffnet ist.

Claims (5)

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckstufe und einer im Ver­ hältnis zur Hochdruckstufe größeren Niederdruckstufe, bei der mittels einer Umschaltvorrichtung im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine Hoch- und Niederdruckstufe in Reihe geschaltet sind und bei Erhöhung der Drehzahl der Brennkraftmaschine das Abgas durch Umschalten der Umschalt­ vorrichtung zum größten Teil an einer Hochdruckturbine vorbeigeführt und direkt in eine Niederdruckturbine geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckturbine (8) zweiflutig ausgebildet ist, daß die Umschaltvor­ richtung (13) im zweistufigen Betrieb den Ausgang der Hochdruckturbine (6) über Abgasleitungen (14, 15) mit beiden Fluten der Niederdruckturbine (8) verbindet, und daß nach Drehung einer Klappe (12) der Umschaltvorrichtung (13) die Hochdruckturbine (6) umfahren und getrennte Abgasstränge (2, 3) der Brennkraftmaschine (1) direkt mittels der Abgasleitungen (14, 15) mit den beiden Fluten der Niederdruckturbine (8) verbunden werden.

2. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abblasventil (17) vorgesehen ist, welches in eine Bypaßleitung (16) eingeschaltet ist, welche den Abgasstrang (2) mit einem Anschlußstutzen der Umschaltvorrichtung (13) verbindet, und daß das Abblasventil (17) bei einem gleitenden Übergang von zwei- zu einstufigem Betrieb geöffnet wird, damit im Übergangsbereich zwischen unterer und mittlerer Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine (1) partiell Abgas aus dem Abgasstrang (2) direkt der Nieder­ druckturbine (8) zugeführt werden kann.

3. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckverdichter (7) bei einstufiger Betriebsweise durch eine parallel geschaltete Ladeluftleitung (18) umgehbar ist, so daß lediglich eine kleine Kühlluftmenge durch den Hochdruckverdichter (7) strömt, und daß in die Ladeluftleitung (18) eine Rückschlagklappe (19) eingebaut ist, um bei zweistufiger Betriebsweise eine Rückströmung der Ladeluft zu vermeiden.

4. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaltpunkt der Umschaltvorrichtung (13), unter­ halb dessen die Aufladung zweistufig und oberhalb derer sie einstufig erfolgt, im Bereich zwischen 40 und 65% der Nenndrehzahl der Brenn­ kraftmaschine liegt.

5. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (13) aus einem Gehäuse mit vier Anschlußstutzen (20 bis 23) gebildet wird, daß dabei die Anschlußstutzen (20 und 22) in Anschlüsse (20a, 20b und 22a, 22b) für doppelflutigen Anschluß unterteilt sind, daß der Anschlußstutzen (21) der Aufnahme des Abgases der Hochdruckturbine (6) und der Anschlußstutzen (23) der Aufnahme von Abgas vom Abblasventil (17) dient, und daß eine um eine Achse (24) um 90° drehbare Klappe (12) vorgesehen ist, derart, daß in einer Stellung (25) zweistufiger Betrieb und nach Schwenkung um 90° aus der Stellung (25) heraus ein­ stufiger Betrieb erfolgt.