DE19841959B4

DE19841959B4 - Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE19841959B4
Application number: DE19841959A
Authority: DE
Inventors: Udo Dipl.-Ing. Mailänder
Original assignee: UDO MAILAENDER GmbH; Udo Mailander GmbH
Current assignee: UDO MAILAENDER GmbH; Udo Mailander GmbH
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2018-09-15
Also published as: DE19841959A1

Abstract

Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors, bei der sämtliche Zylinder des Verbrennungsmotors über je ein Auslaßventil mit einem gemeinsamen Abgassammler verbunden sind, ein erster Abgasturbolader in der gesamten Folge von Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors mit seiner Turbine an den Abgassammler angeschlossen und mit seinem Verdichter zur Ladeluftversorgung sämtlicher Zylinder des Verbrennungsmotors eingesetzt ist und in wenigstens einem sich in der Folge von Betriebsbereichen nach oben anschließenden Betriebsbereich des Verbrennungsmotors ein weiterer Abgasturbolader mit seiner Turbine an den Abgassammler angeschlossen und mit seinem Verdichter zur zusätzlichen Ladeluftversorgung sämtlicher Zylinder des Verbrennungsmotors eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich an jeden Abgasturbolader (16,17,18) ein eigener Ladeluftverteiler (23,25,27) anschließt, jedem Ladeluftverteiler (23,25,27) an sämtlichen Zylindern (10) des Verbrennungsmotors je ein separates Einlaßventil (12,13,14) zugeordnet ist und zwischen dem Ladeluftverteiler (25,27) jedes weiteren Abgasturboladers (17,18) und den ihm zugeordneten Einlaßventilen (13,14) je ein Vorventil (28,29) mit einer an das Schaltspiel der weiteren Abgasturbolader (17,18) gekoppelten Betätigungseinrichtung...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors, bei der sämtliche Zylinder des Verbrennungsmotors über je ein Auslaßventil mit einem gemeinsamen Abgassammler verbunden sind, ein erster Abgasturbolader in der gesamten Folge von Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors mit seiner Turbine an den Abgassammler angeschlossen und mit seinem Verdichter zur Ladeluftversorgung sämtlicher Zylinder des Verbrennungsmotors eingesetzt ist und in wenigstens einem sich in der Folge von Betriebsbereichen nach oben anschließenden Betriebsbereich des Verbrennungsmotors ein weiterer Abgasturbolader mit seiner Turbine an den Abgassammler angeschlossen und mit seinem Verdichter zur zusätzlichen Ladeluftversorgung sämtlicher Zylinder des Verbrennungsmotors eingesetzt ist.
Durch die Zuhilfenahme der Aufladung läßt sich in einem kleinen Verbrennungsmotor die Leistung eines ansonsten erheblich größeren Verbrennungsmotors verwirklichen. Im Falle einer vorgegebenen Nennleistung kann der Motor aufgrund seiner Aufladung beträchtlich verkleinert werden. Bei der Aufladung von Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern ergibt sich der Zielkonflikt, daß einerseits durch die Aufladung eine Steigerung der Nennleistung ermöglicht wird und andererseits dazu die geometrisch-mechanische Verdichtung proportional zur gewünschten Nennleistungssteigerung herabgesetzt werden muß. Durch die Herabsetzung der geometrisch-mechanischen Verdichtung läßt aber die Leistung bzw. das Drehmoment des aufgeladenen Verbrennungsmotors im unteren Drehzahlbereich überproportional nach, was auf die bei Abgasturboladern sehr spitzi ge Leistungskurve in ihrem eigenen Betriebsdrehzahldiagramm zurückzuführen ist. Eine Strömungsmaschine kann nur innerhalb eines sehr schmalen Drehzahlbereichs eine optimale Strömung und damit eine hohe Leistung erbringen. Das ist das Gegenteil dessen, was man beim Verbrennungsmotor in Landfahrzeugen für die Darstellung einer Zugkrafthyperbel anstrebt. Durch den Einsatz mehrerer Abgasturbolader kann jedoch sowohl die Betriebsdrehzahlspanne des Verbrennungsmotors als auch die spezielle volumetrische Arbeitsgröße des Abgasturboladers aufgeteilt werden. Das demzufolge zeitlich versetzte Hinzuschalten der Abgasturbolader führt allerdings leicht das Aufladesystem in den Bereich des Pumpens und zum Zusammenbruch der Ladeluftströmung im hinzugeschalteten Verdichter, wenn beispielsweise die vom zweiten Verdichter mit sehr geringem Druck zunächst über ein Abblaseventil ins Freie strömende Luft in den bereits unter dem vollen Druck des ersten Verdichters stehenden Ladeluftsammler des Verbrennungsmotors gelangen soll, also von einer Strömungsmaschine mit relativ großer Strömungsgeschwindigkeit und geringer Druckaufbaumöglichkeit zu einer Kolbenmaschine mit relativ kleiner Strömungsgeschwindigkeit und relativ hoher Druckaufbaumöglichkeit.

Eine Vorrichtung der eingangs angeführten Gattung ist aus der Patentschrift CH 248 603 bekannt. Für den den dauernd in Betrieb gehaltenen Abgasturbolader ergänzenden wenigstens einen weiteren Abgasturbolader sind dort gasseitig und luftseitig Absperrorgane vorgesehen, die vom Abgasdruck, vom Ladedruck oder vom Regler der Brennkraftmaschine gesteuert werden. In der Zielsetzung ist neben der Steigerung der Leistung der Brennkraftmaschine auch die Gefahr angesprochen, daß der Lader zum Pumpen kommt. Dabei wird von dem Fall ausgegangen, bei dem die Laderdrehzahl im unteren Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine beispielsweise durch zusätzliche Verbrennung in den Abgasleitungen zwischen Motor und Abgasturbolader künstlich gesteigert wird. Mit der Vermeidung dieser künstlichen Steigerung ist die Gefahr des Pumpens jedoch noch nicht gebannt. Sie besteht gemäß den Ausführungen am Ende des hier vorhergehenden Absatzes durch den Ladedruck des ersten Abgasturboladers oder jedes zuvor in Betrieb genommenen weiteren Abgasturboladers fort.

Eine Vorrichtung der eingangs angeführten Gattung läßt sich auch der Publikation DE 44 34 776 C2 entnehmen. Dort ist die Abgaszufuhr zu den Turbinen der weiteren Abgasturbolader betriebsbereichsabhängig über je eine Absperreinrichtung schaltbar und ist in die Ladeluftstränge der Verdichter der Abgasturbolader vor deren Vereinigung zu einem Ladeluftverteiler je ein Rückschlagventil eingefügt. Rückschlagventile haben im Schaltspiel eine gewisse Hysterese. Beim Schalten eines Abgasturboladers treffen Ladeluftströme zunächst mit unterschiedlich hohem Druck aufeinander, was zu einem Zurückströmen von Ladeluft über den Abgasturbolader mit dem niedrigeren Ladeluftdruck führt. Zudem werden in dem bis zu den Rückschlagventilen reichenden Volumen des Ladeluftverteilers unerwünschte Druckschwingungen begünstigt.

Die zuletzt genannten Nachteile verbleiben auch bei dem Verfahren nach der Publikation DE-AS 25 37 863, bei dem zur Bekämpfung des sogenannten Pumpeffekts beim Zuschalten eines Abgasturboladers das gasseitige Schaltelement möglichst schnell öffnet, während es beim Abschalten langsam schließt.

Durch die Publikationen JP 3-264 730 A und JP 60-19 916 A sind Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen die Ladeluftstränge zweier Abgasturbolader erst innerhalb der Zylinder des Verbrennungsmotors nach separaten Einlaßventilen zusammenlaufen. Im Falle von JP 3-264 730 A werden die beiden Abgasturbolader durch ein Umschaltventil in der Abgaszufuhr wechselweise in Betrieb genommen, was hinsichtlich der Bekämpfung des sogenannten Pumpeffekts eine Umschaltlösung bedeutet. Im Falle von JP 60-19 916 A werden die beiden Abgasturbolader dagegen mit einer Serienschaltung der beiden Abgasturbinen stets gemeinsam betrieben, was hinsichtlich der Bekämpfung des sogenannten Pumpeffekts als Gleichdrucklösung zu charakterisieren ist. Beide Lösungen sind mit einer extremen Beschränkung in der Zahl der gestaffelt zu- und abschaltbaren Abgasturbolader verbunden. Außerdem läßt das grobe offene Verbundvolumen der beiden Ladeluftstränge unerwünschte Druckschwingungen zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor in Verbindung mit einer Leistungssteigerung den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission zu senken, das Beschleunigungsverhalten im Niedrigdrehzahlbereich zu verbessern, ein übergangsharmonisches Betriebsspektrum von sehr niedriger Drehzahl bei Teillast und Vollast bis zu hoher Drehzahl bei Teillast und Vollast zu erzielen und ein problemloses zeitlich versetztes Hinzuschalten und Wiederabschalten wenigstens eines weiteren Abgasturboladers ohne einen Pumpeffekt oder einen Zusammenbruch der Ladeluftströmung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, daß sich an jeden Abgasturbolader ein eigener Ladeluftverteiler anschließt, jedem Ladeluftverteiler an sämtlichen Zylindern des Verbrennungsmotors je ein separates Einlaßventil zugeordnet ist und zwischen dem Ladeluftverteiler jedes weiteren Abgasturboladers und den ihm zugeordneten Einlaßventilen je ein Vorventil mit einer an das Schaltspiel der weiteren Abgasturbolader gekoppelten Betätigungseinrichtung vorgesehen ist.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden die Ladeluftströme der einzelnen Abgasturbolader nicht wie gewöhnlich in einem Ladeluftsammler zusammengeführt, sondern bis zu den an den Zylindern des Verbrennungsmotors befindlichen Einlaßventilen stets voneinander getrennt gehalten. In die Trennung der Ladeluftströme sind die Einlaßventile voll einbezogen, indem jedem Ladeluftstrom an jedem Zylinder ein eigenes Einlaßventil zugeordnet ist. Aufgrund der Getrennthaltung der Ladeluftströme und der ergänzenden Vorkehrung gegen Ladeluftverluste kann sich der jeweils neue Ladeluftdruck in dem jeweils nächsten Abgasturbolader ohne Störung durch den bereits etablierten Ladeluftdruck des voraus betriebenen Abgasturboladers entwickeln. Ein Pumpeffekt oder ein Zusammenbruch der Ladeluftströmung beim zeitlich versetzten Hinzuschalten und Wiederabschalten jedes weiteren Abgasturboladers wird nicht nur teilweise sondern ganz grundsätzlich vermieden. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen aber insbesondere auch darin, daß das Betriebsspektrum des Verbrennungsmotors übergangsharmonischer unterteilbar ist und das Angebot an weniger voneinander abhängigen und dennoch griffigen Schaltsignalen für das Schalten der weiteren Abgasturbolader vergrößert wird. Es kann leichter mit einer größeren Anzahl zueinander paralleler Abgasturbolader gearbeitet werden, zumal außer aus dem Messen des Abgasdrucks, dem Messen der Motordrehzahl, dem Messen der Lastanforderung und dem Messen des Ladeluftdrucks eines einzigen Ladeluftverteilers nunmehr aus dem Messen der Ladeluftdrücke mehrerer Ladeluftverteiler eindeutige Schaltsignale ableitbar sind.

Ein aufgrund der in den Unteransprüchen angegebenen Erfindungsausgestaltungen bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der stark schematischen Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung zum Aufladen einer als Sechszylindermotor ausgebildeten Brennkraftmaschine, dessen sechs Zylinder 10 außer je einem Auslaßventil 11 je drei Einlaßventile 12, 13 und 14 aufweisen. Die aus den sechs Auslaßventilen 11 austretenden Abgase werden in dem Abgassammler 15 zusammengeführt und von dort aus im obersten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors auf die drei insgesamt vorhandenen Abgasturbolader 16, 17 und 18 verteilt. Während die Turbine 19 des Abgasturboladers 16 ständig mit dem Abgassammler 15 in Verbindung steht, ist beim Abgasturbolader 17 die Turbine 19 mit dem Abgassammler 15 über ein Abgasschaltventil 20 und beim Abgasturbolader 18 die Turbine 19 mit dem Abgassammler 15 über ein Abgasschaltventil 21 verbunden. Der Verdichter 22 des ersten Abgasturboladers 16 versorgt ausschließlich und uneingeschränkt den ersten Ladeluftverteiler 23, der Verdichter 22 des Abgasturboladers 17 ausschließlich und über ein Ladeluftschaltventil 24 den zweiten Ladeluftverteiler 25 und der Verdichter 22 des Abgasturboladers 18 ausschließlich und über ein Ladeluftschaltventil 26 den dritten Ladeluftverteiler 27.
Von dem ersten Ladeluftverteiler 23 führt je ein Abzweig zu den sechs Einlaßventilen 12, von dem zweiten Ladeluftverteiler 25 je ein Abzweig zu den sechs Einlaßventilen 13 und von dem dritten Ladeluftverteiler 27 je ein Abzweig zu den sechs Einlaßventilen 14. Beim zweiten Ladeluftverteiler 25 ist in jeden Abzweig vor dem Einlaßventil 13 ein Vorventil 28 eingefügt und beim dritten Ladeluftverteiler 27 in jeden Abzweig vor dem Einlaßventil 14 ein Vorventil 29. Die sechs Vorventile 28 sind über einen gemeinsamen Bowdenzug 30 mit dem Stellantrieb 31 verbunden und die sechs Vorventile 29 über einen gemeinsamen Bowdenzug 32 mit dem Stellantrieb 33. Letzteres ist für den einfachen Aufbau der Aufladevorrichtung und für das sichere Unterdrücken von Pumpeffekten gleichermaßen vorteilhaft.
Einen einfachen Aufbau in Verbindung mit einer sicheren Funktion erhält die Aufladevorrichtung auch dadurch, daß von einem Meßwerte mit digital abgespeicherten Schaltprofilen vergleichenden Rechner 34 für den zweiten Abgasturbolader 17 eine Signalleitung 35 zu dessen Abgasschaltventil 20, zu dessen Ladeluftschaltventil 24 und zu dem ihm zugeordneten Stellantrieb 31 vorgesehen ist und desgleichen für den dritten Abgasturbolader 18 eine Signalleitung 36 zu dessen Abgasschaltventil 21, zu dessen Ladeluftschaltventil 26 und zu dem ihm zugeordneten Stellantrieb 33. Zur Versorgung des Rechners 34 mit Meßwerten ist der Abgassammler 15 mit einem Manometer 37, der erste Ladeluftverteiler 23 mit einem Manometer 38, der zweite Ladeluftverteiler 25 mit einem Manometer 39 und der dritte Ladeluftverteiler 27 mit einem Manometer 40 versehen. Damit stehen hier vom Ladeluftdruck her betrachtet statt einer einzigen Meßwertquelle drei gesonderte Meßwertquellen zur Verfügung, was das Angebot an eindeutigen und weniger voneinander abhängigen Schaltsignalen für das Schalten der weiteren Abgasturbolader 17 und 18 vergrößert. Wegen der Vorteilhaftigkeit von Meßwertkombinationen zur Ableitung von Schaltsignalen sind an den Rechner zusätzlich ein die Drehzahl des Verbrennungsmotors erfassender Drehzahlmesser 41 und ein die Gaspedalstellung des Verbrennungsmotors erfassender Wegemesser 42 als Meßwertquellen angeschlossen.
Bei alledem werden außer vom Abgasdruck im Abgassammler 15 von den Ladeluftdrücken wenigstens zweier Ladeluftverteiler der insgesamt vorhandenen Ladeluftverteiler 23, 25 und 27 Schaltsignale zum gestaffelten Schalten der weiteren Abgasturbolader 17 und 18 und der Vorventile 28 und 29 abgeleitet, was das Schalten einfacher und sicherer macht. Insbesondere bei Fahrzeugmotoren ist es vorteilhaft, daß für eine Zweiparameterfestlegung der Schaltpunkte zusätzlich Meßwerte von dem die Drehzahl des Verbrennungsmotors erfassenden Drehzahlmesser 41 zum gestaffelten Schalten der weiteren Abgasturbolader 17 und 18 und der Vorventile 28 und 29 verwendet werden. Entsprechendes gilt dafür, daß zusätzlich Meßwerte von dem die Gaspedalstellung des Verbrennungsmotors erfassenden Wegemesser 42 oder einem anderen Lastanforderungsmesser des Verbrennungsmotors zum gestaffelten Schalten der weiteren Abgasturbolader 17 und 18 und der Vorventile 28 und 29 verwendet werden. Vorzugsweise ist beim Hinzuschalten und Wiederabschalten der weiteren Abgasturbolader 17 und 18 und der Vorventile 28 und 29 der Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors bei Vollast entsprechend der Gesamtzahl der Abgasturbolader in etwa gleichmäßig aufgeteilt. Die im hiesigen Beispiel drei Abgasturbolader 16, 17 und 18 können somit in ihrer Leistung und ihrer Bauform problemlos übereinstimmen. Indem sämtliche Meßwerte über den Vergleich mit in dem Rechner 34 digital abgespeicherten Schaltprofilen mittelbar zum Schalten der weiteren Abgasturbolader 17 und 18 und der Vorventile 28 und 29 verwendet werden, lassen sich leichter Druckwerte mit Drehzahlwerten und Lastanforderungswerten zur Erzeugung von Schaltsignalen kombinieren und bedarfsgerechtere Schaltsignale durch die Zusammenführung von mehr als zwei Parametern gewinnen.

Claims

Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors, bei der sämtliche Zylinder des Verbrennungsmotors über je ein Auslaßventil mit einem gemeinsamen Abgassammler verbunden sind, ein erster Abgasturbolader in der gesamten Folge von Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors mit seiner Turbine an den Abgassammler angeschlossen und mit seinem Verdichter zur Ladeluftversorgung sämtlicher Zylinder des Verbrennungsmotors eingesetzt ist und in wenigstens einem sich in der Folge von Betriebsbereichen nach oben anschließenden Betriebsbereich des Verbrennungsmotors ein weiterer Abgasturbolader mit seiner Turbine an den Abgassammler angeschlossen und mit seinem Verdichter zur zusätzlichen Ladeluftversorgung sämtlicher Zylinder des Verbrennungsmotors eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich an jeden Abgasturbolader (16,17,18) ein eigener Ladeluftverteiler (23,25,27) anschließt, jedem Ladeluftverteiler (23,25,27) an sämtlichen Zylindern (10) des Verbrennungsmotors je ein separates Einlaßventil (12,13,14) zugeordnet ist und zwischen dem Ladeluftverteiler (25,27) jedes weiteren Abgasturboladers (17,18) und den ihm zugeordneten Einlaßventilen (13,14) je ein Vorventil (28,29) mit einer an das Schaltspiel der weiteren Abgasturbolader (17,18) gekoppelten Betätigungseinrichtung (31,32) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils sämtliche an einen Ladeluftverteiler (25,27) angeschlossenen Vorventile (28,29) über einen gemeinsamen Bowdenzug (30,32) oder ein anderes gemeinsames mechanisches Stellorgan mit einem Stellantrieb (31,33) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Meßwerte mit digital abgespeicherten Schaltprofilen vergleichenden Rechner (34) für jeden weiteren Abgasturbolader (17,18) eine Signalleitung (35,36) zu dessen Abgasschaltventil (20,21), zu dessen Ladeluftschaltventil (24,26) und zu dem ihm zugeordneten Stellantrieb (31,33) vorgesehen ist.