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"Kolbenbrennkraftm aschine mit einem Abgasturbolader" Die Erfindung
bezieht sich auf eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader. Eine Ligenschaft
der Abgasturbolader ist es, daß sich ihre Drehzahl beim i bergang vom Teillastbetrieb
auf den Volllastbetrieb der Kolbenbrennkraftmaschine nur verhältnismäßig langsam
erhöht. Diese Trägheit des lSbgasturboladers wirkt sich beim Beschleunigen der Kolbenbrennkraftmaschine,
besonders aus dem Leerlauf heraus, nachteilig aus, da der volle Ladedruck, der sofort
zu Verfiigung stehen sollte, sich erst allmählich mit dem Erreichen der Höchstdrehzalll
des Abgasturboladers einstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen
und eine Anlage aus einer Kolbenbrennkraftmaschine und einem Abgasturbolader zu
schaffen, bei der bei Bedarf der volle Ladedruck sofort zur Verfügung steht. Dies
geschieht nach der Erfindung dadurch, daß in die Einlaßleitung der Kolbenbrennkraftmaschine
zwei wechselweise absperrbare Leitungen einm inden, eine Saugleitung,die unmittelbar
mit der Atmosphäre in Verbindung steht, und eine Druckleitung, die vom Verdichter
gespeist wird, und daß ferner die Auslaßleitung durch eine Leitung mit einer ersten
Turbine und durch eine weitere Leitung mit einer zweiten Turbine verbunden ist,
deren Laufräder zusammen mit dem Laufrad des Verdichters auf einer Welle befestigt
sind, wobei
die Kolbenbrennkraftmaschine durch eine Verbindungsleitung
zwischen der Druckleitung und der zur ersten Turbine führenden Leitung überbrickbar
ist, und zwar so, da(3 im Betriebsbereich unterhalb der für reinen Ladebetrieb gliltigen
Vollastkennlinie die Kolbenbrennkraftmaschiene nur ansaugt und deren Abgase nur
die zweite Turbine beaufschlagen, während im iibrigen Betriebsbereich der Kolbenbrennkraftmaschine
bei geschlossener Verbindungsleitung nur verdichtete Luft zugeführt wird und die
Abgase beide Turbinen beaufschlagen.
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Diese Maßnahmen ermöglichen es, daß im Gegensatz zu den bekannten
Anordnungen, bei denen die Kolbenbrennkraftmaschine ständig mit dem Abgasturbolacer
verbunden ist, die erfindungsgemäße Kolbenbrennkraftmaschine bei Teillast im reinen
Saugbetrieb arbeiten kann, während der Abgasturbolader davon unabhängig mit hoher
Drehzahl läuft. Die dabei verdichtete Luft wird iiber eine der beiden Turbinen entspannt,
so daß weniger Energie vernichtet wird, wie es beispielsweise beim Abblasen von
verdichteter Luft oder Abgasen der Fall ist. Beim Übergang vom Teillastbetrieb auf
den Vollastbetrieb steht durch die stets aufrechterhaltene hohe Drehzahl des Abgasturboladers
der Kolbenbrennkraftll)asclline unverzüglich der volle Ladedruek zur Verfügung.
BeiKraftfahrzeugen erlaubt die erfindungsgemäße Anordnung deshalb beim Anfahren
oder Überholen sofort eine hohe Beschleunigung Erfindungsgemäß ist in die Saugleitung
ein Riickschlagventil eingebaut, das bei Unterdruck in der Einlaßleitung öffnet
und bei Überdruck schließt.
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Dadurch wird auf besonders einfache und sichere W Weite die Saugleitung
bei Saugbetrieb an die Kolbenbrennkraftmaschine angeschlossen und bei Ladebetrieb
abgesperrt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in der Abzweigung
der Verbindungsleitung von der Druckleitung und in der Einmiindung der Verbindungsleitung
in die zur ersten Turbine führende Leitung miteinander durch ein Schaltgestänge
verbundene Klappen angeordnet, die in ihrer einen Endstellung die Verbindungsleitung
öffnen und das zur Einlaßleitung fahrende Teilstück der Druckleitung sowie das von
der Auslaßleitung abzweigende Teilstück der zur ersten Turbine führenden Leitung
schließen und die in ihrer anderen Endstellung die Verbindungsleitung schließen
und die Druckleitung zur Einlaßleitung sowie die von der Auslaßleitung zur ersten
Turbine führende Leitung öffnen. Diese Anordnung gestattet es, alle den einzelnen
Betriebszuständen zugeordneten Verzweigungen der Gasströme mit einem einfachen auf
zwei Klappen wirkenden Gestänge herzustellen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung
angegeben.
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Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Schema einer Kolbenbrennkraftmaschine mit
einem Abgasturbolader und den zugehörigen Gasleitungen, die Fig. 2 bis 5 die bei
verschiedenen Betriebszuständen von Gasen durchströmten Leitungen, die Fig. 6 bis
9 die Stellungen der Klappen in den Leitungen und des zugehörigen Schaltgestänges
bei den verschiedenen Betriebszuständen und Fig. 10 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm
der Kolbenbrennkraftmasciiine.
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Der in Fig. 1 dargestellte Abgasturbolader 11 der Kolbenbrennkraftmasciilne
12 fiir ein Kraftfahrzeug besteht im wesentlichen aus einem Verdichter 13, einer
ersten Turbine 14 und einer zweiten Turbine 15, deren nicht dargestellte Laufräder
auf einer gemeinsamen Welle 1 (; befestigt sind. Von einem Luftfilter 17 führt eine
Saugleitung 1 zur Einlaßleitung 19 der Kolbenbrennkraftmaschine 12. Eine weitere
Leitung 20 führt vom Luftfilter 17 zum Verdichter 13 und wird fortgesetzt in einer
Druckleitung 21, die den Verdichter 13 mit der Einlaßleitung 19 verbindet. Von der
Auslaßleitung 22 der Kolbe}lbrennkraftmasclline 12 führt eine Leitung 23 zur Turbine
14 und eine Leitung 24 zur Turbine 15. Eine Leitung 25 verbindet die Turbine 14
und eine Leitung 26 die Turbine 15 mit einem Abgaskanal 27. Von der Druckleitung
21 zweigt eine Verbindungsleitung 22; zu der zur Turbine 14 ffihrenden Leitung 23
ab. Das zwischen der Abzweigung 29 der Verbindungsleitung 28 und der Einlaßleitung
19 liegende Teilstück der Druckleitung 21 ist mit 30, das zwischen der Auslaßleltung
22 und der Einmiindung 31 der Verbindungsleitung 28 liegende Teilstück der Leitung
23 ist mit 32 bezeichnet.
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In die Saugleitung 1(, ist ein Rückschlagventil 33 eingebaut, das
im wesentlichen aus einer Klappe 34 besteht, die bei Unterdruck in der Einlaßleitung
19 öffnet und bei Überdruck schließt. Die Klappe 34 liegt in geschlossenem Zustand
an einem Anschlag 35 an.
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In der Abzweigung 29 und in der Einmündung 31 der Verbindungsleitung
2( sind, wie Fig. G erkennen @äßt, mit Wellen 36 bzw. 37 verbundene Klappen 3t bzw.
39 gelagert. An jeweils einem Ende der Welle 36 und 37 sind nebel 40 bzw. 41 befestigt,
mit denen die Klappen 3t; bzw. 3t,) geschwenkt
werden können. In
einem an der Kolbenbrennkraftmaschine angeordneten Lagerbock 42 @ ist ein Schalthebel
43 gelagert, dessen einer Arm 44 durch eine Stange 45 mit dem Hebel 40 und dessen
anderer Arm 46 durch eine Stange 47 mit dem Hebel 41 gelenkig verbunden ist.
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Der Schalthebel 43 kann durch einen Magnetschalter 48, der mit einer
Schaltstange 49 am äußeren Ende des Schalthebels 43 angreift, in eine seiner beiden
Endstellungen A bzw. B gestellt werden, in denen er an einem Anschlag 50 bzw. einem
anschlag 51 anliegt.
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Die \Virkungsweise der Klappen 3'', 39 und 34 wird im folgenden imZusammenhang
mit dem in Fig. 10 dargestellten Drehmoment-Drehzahl-Diagramm der Kolbenbrennkraftmaschine
12 beschrieben. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Drehzahl n und auf der Ordinate
das Drehmoment hi d der Kolbenbrennkraftmaschine aufgetragen. Die Leerlaufdrehzahl
ist mit nmin und die zulässige Höchstdrehzahl mit nmax angegeben.
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Mit a ist die Vollastkeimlinie der im Saugbetrieb arbeitenden, mit
b die Vollastkennlinie der im Aufladebetrieb arbeitenden Kolbenbrennkraftmaschine
12 bezeichnet. Für den iiber der Kennlinie a liegenden Bereich ist der Abgasturbolader
11 notwendig, unterhalb dieser Linie, d. h.
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in dem im Diagramm weitschraffierten Bereich, kann die Kolbenbrennkraftmaschine
12 auch olme Aufladung auskommen. Wie bereits eingangs erwähnt, wird diese Möglichkeit
bei der erfindungsgemäßen Anlage in vorteilhafter Weise dazu ausgenutzt, den Abgasturbolader
I1 auch in diesem Bereich auf hohen Drehzahlen zu halten. Dazu nimmt der Schalt-
-hebel 43 die Stellung A ein.
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In der in der Fig. 6 gezeigten Stellung A hält der Schalthebel 43
über die Stangen 45 und 47 sowie die Hiebei 40 und 41 die Klappen 3t; und 39 in
der die Verbindungsleitung 2. öffnenden Stellung. Damit sind die
Teilstiicke
30 und 32 gegenüber dem vom Verdichter 13 kommenden Teil der Druckleitung 21 bzw.
gegenüber dem zur Turbine 14 fiihrenden Teil der Leitung 23 durch die Klappen 38
bzw. 39 abgeschlossen. Gleichzeitig öffnet sich die Klappe 34 des Rückschlagventiles
33 in der Saugleitung 1;, da in der Einlaßleitung 19, die nun nicht mehr mit dem
Verdichter 13 verbunden ist, durch die Saugwirkung der Kolbenbrennkraftmaschine
12 ein Unterdruck entsteht. Damit werden die in Fig. 2 mit durchgezogenen Linien
gezeichneten Leitungen von Gasen durchströmt.
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Die Kolbenbrennkraftmaschine 12 saugt durch die Saugleitung 18 und
die SinlalSleitung 19 Luft an und gibt Abgase durch die Auslaßleitung 22 und die
Leitung 24 an die Turbine 15 ab. Daneben wird die vom Verdichter 13 gelieferte Luft
durch die Druckleitung 21, die Verbindungsleitung 28 und die Leitung 23 der Turbine
14 zugeführt. Die verdichtete Luft umgeht damit die Kolbenbrennkraftmaschine 12,
so daß reiner Saugbetrieb herrscht. In der Turbine 14 wird die verdichtete Luft
entspannt.
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Dabei wird die vom Verdichter 13 verbrauchte Energie zum Teil wieder
in der Turbine 14 zurückgewonnen. Die im Abgasturbolader 11 auftretenden Reibungs-
und Verdichterverlllste werden durch die Turbine 1 15, der die gesamte Auspuffenergie
der Abgase zugefihrt wird, ausgeglichen.
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Dadurch wird der Abgasturbolader 11 auch im Saugbetrieb der Kolbenbrennkraftmaschine
12 auf so hohen Drehzahlen gehalten, wie sie im Aufladebetrieb bei Vollast auftreten.
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Beim t bergang vom Teillastbetrieb auf den Vollastbetrieb der Kolbenbrennkraftmaschine
12, der im Drehzahl-Drehm oment-Diagramm im Bereichs zwischen den Kennlinien a und
b liegt, wird der Schalthebel 43
vom Magnetschalter 48 über die
Schaltstange 49 in seine in Fig. 7 gezeigte Stellung B gestellt. Der Schaltbefehl
kann dazu beispielsweise vom Regler der Kolbenbrennkraftmaschine 12 ausgehen oder
in Abhängigkeit von der Stellung des Fahrpedals des Kraftfahrzeuges erfolgen. In
der Stellung B des Schalthebels 43 ist die Verbindlulgsleitung 2.8 durch die Klappen
3o< und 39 geschlossen. Gleichzeitig wird die Druckleitung 21 zur Einlaßleitung
19 und die Leitung 23 zur Turbine 14 geöffnet. Mit dem Einströmen von verdichteter
Luft in die EinlaßleiÜing 19 schließt die Klappe 34 des Riickschlagventiles 33 und
liegt am Anschlag 35 an.
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Die Kolbenbrennkraftmaschine 12 arbeitet damit im Aufladebetrieb und
die in Fig. 3 mit durchgezogenen Linien gezeichneten Leitungen werden von Gasen
durchströmt. Da der Verdichter 13 auch während des vorangegangenen Saugbetriebes
bereits mit hoher Drehzahl gelaufen ist, steht nach dem Umschalten des Schalthebels
43 aus der Stellung A in die Stellung B unverzüglich auf den vollen Ladedruck verdichtete
Luft zur Verfiigung, die durch die Druckleitung 21 und die Einlaßleitung 19 der
Kolbenbrennkraftmaschine 12 zugeführt wird. Die Abgase werden von der Ausableitung
22 durch die Leitung 23 der Turbine 14 und durch die Leitung 24 der Turbine 15 zugeführt
und parallel in diesen entspannt.
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Arbeitet die Kolbenbrennkraftmaschine 12 im Vollastbereich mit niedriger
Drehzahl, so ist es zur Aufrechterhaltung einer hohen Drehzahl des Abgasturboladers
11 vorteilllaft, die Abgase nur iiber eine dpr beiden Turbinen 14 und 15 zu entspannen.
Dazu wird im Beispiel nach Fig. 8 die von der Auslaßleitung 22 zur Turbine 14 abzweigende
Leitung 23 durch die Klappe 39 geschlossen. In diese Stellung wird die Klappe 39
durch einen Magnetschalter 52 geschwenkt, der mit einer Stange 53 am HebeI 41 der
Klappe 39 angreift. Um die Klappe 39 unabhängig von der Stellung der Klappe 3 <>
schwenken zu können, ist in die Stange 47 zwischen dem
Hebel 41
und dem Schalthebel 43 ein mit einer Feder 54 versehenes, unter einer bestimmten
Mindestkraft längenveränderliches Übertragungsglied 55 eingebaut. Bei abgeschaltetem
Magnetschalter 52 dehnt sidi das Übertragungsglied 55 unter dem Druck der Feder
54 aus, so daß die Stange 47 wieder ihre ursprüngliche Länge einnimmt und bei Bewegungen
des Schalthebels 43 wie eine starre Stange wirkt.
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Der Magnetschalter 52 erhält beim Unterschreiten einer bestirnmten
Schaltdrehzahl n5 einen Schaltbefehl vom Regler der Kolbenbrennkraftmaschine 12
oder von einem zusätzlichen Drehzahlregler. Der in der Fig. 8 dargestellten Stellung
der Klappen 38 und 39 entsprechen die in Fig. 4 mit durchgezogenen Linien gezeichneten,
von Gasen durchströmten Leitungen. Verdichtete Luft strömt durch die Druckleitung
21 und die Einlaßleitung ly in die Kolbenbrennkraftmaschine 12. Die Abgase strömen
durch die Auslaßleitung 22 und die Leitung 24 zur Turbine 15. Die Entspannung der
Abgase ihrer nur eine Turbine erhöht durch den verringerten Drosselquerschnitt den
Abgasgegendruck, was zu einer Brhöhung der Drehzahl des Abgasturboladers 11 und
damit zu einer Erhöhlung des Ladedruckes führt. Infolge des größeren Ladedruckes
erhöht sich auch das Drehmoment der Kolbenbrennkraftmaschine 12 im Drehzahlbereich
unterhalb der Schaltdrehzahl n . In Fig. 10 ist mit c 5 die Vollastkennlinie im
Bereich zwischen der Leerlaufdrehzahl nmin und der Schaltdrehzahl ns bei alleiniger
Beaufschlagung der Turbine 15 dargestellt. Der engschraffierte Bereich zwischen
den Kennlinien b und c zeigt den Drehmomentgewinn gegenüber einem Vollastbetrieb
bei niederer Drehzahl, bei dem beide Turbinen 14 und 15 von den Abgasen beaufschlagt
werden.
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In Fig. 9 ist eine Sicherheitseinrichtung gezeigt, bei der ein Magnetschalter
56. beim Überschreiten einer zulässigen Betriebsgröße, z. B.
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einer zu groften Drehzahl des Abgasturboladers oder einer zu hohen
Temperatur der Abgase, iiber eine Stange 57 den Schalthebel 43 aus seiner Stellung
B in eine Stellung C schwenkt, in der die Klappen 33 und 39 die Verbindungsleitung
2@ etwas Öffnen. Dabei werden die in Fig. 5 mit durchgezogenen Linien gezeichneten
Leitungen von Gasen durchströmt.
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Das Umgehen der Kolbenbrennkraftmaschine 12 durch einen Teil der Ladeluft
beseitigt die Gefahr einer Überlastung der Kolbenbrennkraftmaschine 12 und des Abgasturboiaders
11.