DE2529171B2 - Abgasturbogeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Bei der Vorverdichtung von Brennkraftmaschinen mit Hilfe von Turboladern, bei denen das dem Einlaß einer Maschine zugeführte Strömungsmittel von einem von einer abgasgetriebenen Turbine angetriebenen Kompressor komprimiert wird, besteht für Mehrfachturboladeranordnungen die Notwendigkeit, Maschinen zu verwenden, deren Abgabegeschwindigkeit sich über einen Arbeitsbereich von Nenndrehzahl bis zu einer wesentlich niedrigeren Teildrehzahl, beispielsweise 50% der Nenndrehzahl oder darunter verändert. Derartige Anordnungen erfordern beispielsweise zwei hintereinandergeschaltete Turbolader, die üblicherweise als Niederdruck- und Hochdruckturbolader bezeichnet werden. Bei einer derartigen Anordnung speist der Kompressor des Niederdruckturboladers den Einlaß des Kompressors des Hochdruckturboladers, und die Abgasentladung-der Turbine des Hochdruckturboladers wird in den Einlaß der Turbine oV, Niederdruckturboladers eingeführt.

Die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums nimmt mit zunehmender Maschinendrehzahl zu. Somit ändert sich die Menge des zum Antrieb der Turbinen zur Verfügung stehenden Abgases mit der Maschinendrehzahl. Es ist jedoch erwünscht, einen im wesentlichen konstanten Wert des Ladungsdruckes in der Einlaßleitung der Maschine aufrechtzuerhalten.

In solchen Fällen, in denen keine Steuerungen vorhanden sind, steuert die Hochdruckturbine danti, wenn der Abgasdurchfluß mit einer Abnahme der Maschinendrehzahl und/oder der Belas.ung abfällt, die Energieentnahme, und damit liefert die Niederdruckturbine eine geringe Leistung.

Um die Leistungsabgabe der in Reihe geschalteten Turbinen zu vergrößern, ist es bisher üblich, komplizierte und aufwendige Turbinenkonstruktionen zu verwenden, die komplizierte Düsen mit verstellbaren Schaufeln im Gasverteiler aufweisen und/oder verlustreiche Ventilanordnungen zum Drosseln oder Kippen des Abgasdurchflusses an einer oder mehreren Stellen im Abgasdurchflußpfad verwenden.

Aus der US-PS 32 92 364 ist eine abgasgetriebene Brennkraftmaschine bekannt, bei der zwei Abgassammelleitungen von Zylindergruppen getrennt in ein durch eine Meridianwand unterteiltes Turbinengehäuse einmünden.

Des weiteren ist aus der US-PS 3313 518 eine Turbine mit verstellbarer Zunge im Einlauf bekannt, deren Verstellung in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern erfolgt.

Schließlich ist aus MTZ31 (1970), Hefte, Seiten 348—351 generell die zweistufige Abgasturboaufladung bei Brennkraftmaschinen mit Stoßbetrieb der Hochdruckturbine und staubetrieb der Niederdruckturbine bekannt

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Vorteile der zweistufigen Aufladung im Stoßbetrieb der Hocbdruckturbine zu nutzen und im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine die Niederdruckstufe noch mit bestmöglichem Wirkungsgrad zu beireiben.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei Anwendung der an sich bekannten ,zweistufigen Aufladung mittels zweier in Reihe geschalteter Turbolader die Turbine der Niederdruckstufe in an sich bekannter Weise als einflutiges Gehäuse mit Lastabhängig verstellbarer Leitvorrichtung ausgebildet ist
Durch Verwendung der leistungsfähigsten Turbine für den Hochdruckturbclader steht ein höherer Anteil in remanenter Abgasenergie zur Ausnutzung durch die Turbine des Niederdruckturboladers zur Verfugung, was besonders zweckmäßig ist, wenn der Abgasdurchfluß mit abnehmender Motordrehzahl und/oder Motorbelastung zurückgeht Dadurch, daß das Turbinengehäuse des Niederdruckturboladers mit der vorbeschriebenen Leitvorrichtung versehen ist, wird die remanente Energie aas dem Abgas mit dem maximalen Wirkungsgrad entnommen, und die Drehzahl des Niederdruckturboladers wird auf ihrem maximalen Wert gehalten, was mit der Forderung an den Kompressor übereinstimmt Auf diese Weise wild der Vorteil der zweistufigen Aufladung mit Stoßbetrieb der Hochdruckturbine mit dem Betrieb der Niederdruckturbine mit bestmögli-

«) chem Wirkungsgrad im Teillastbereich der Brennkraftmaschine genutzt

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Form eine abgasturbogeladene Brennkraftmaschine nach der Erfindung.

Die abgasturbogeladene Brennkraftmaschine 10 weist die Turboladeranordnung 12 auf, die mit der Kolbenbrennkraftmaschine 14 zusammenwirkt und die Maschine durch Energieentnahme aus dem Abgas der Maschine vorverdichtet, wobei das Abgas aus den Maschinenzylindern (nicht dargestellt) in die Abgassammelleitung 16 abgegeben wird, die aus zwei Abgasleitungen 18 und 20 besteht.

Die Turboladeranordnung 12 weist einen Hochdruckturbolauer 22 und einen Niederdruckturbolader 24 auf. Der Hochdruckturbolader 22 enthält einen Hochdruckkompressor 26, der von der Hochdruckturbine 28 angetrieben wird, während der Niederdruckturbolader

oo 24 einen Niederdruckkompressor 30 besitzt, der von der Niederdruckturbine 32 angetrieben wird. Die Ausdrükke »Hochdruck« und »Niederdruck« werden hierbei relativ zum Atmosphärendruck des gasförmigen Strömungsmittels verwendet, das die entsprechenden Kompressoren und Turbinen durchströmt Der Niederdruckkompressor 30 erhält Luft aus der Atmosphäre, und sein Auslaß ist mit dem Einlaß des Hochdruckkompressors 26 gekoppelt, dessen Auslaß mit der Einlaßleitung 34 der Brennkraftmaschine 14 in Verbindung steht.

Das Abgas der Maschine 14 wird in die Abgassammelleitung 16 abgegeben, die mit dem Gehäuse 36 der Turbine 28 in Verbindung steht, deren Auslaß mit dem Gehäuse 38 der Turbine 32 gekoppelt ist, von wo das Abgas ins Freie gelangt. Zwischen Hochdruckauslaß des

*>5 Kompressors 26 und Einlaßleitung 34 kann ein Wärmetauscher 40, ein sogenannter Nachkühler, angeordnet sein, um die Ladeluft in Wärmeaustauschbeziehung mit einer Kühlmittelquelle zu kühlen, wie dies

an sich bekannt ist Ein Wärmetauscher kann auch zwischen den Kompressorstufen anstelle des Wärmetauschers 40 oder zusätzlich zu ihm angeordnet sein.

Das Prinzip der mehrstufigen Aufladung kann anstatt fOr einen Brennstoffeinspritzmotor, z, B, einen Dieselmotor mit Vorverdichtung der Atmosphärenluft für Vergaser- oder Einspritzmotoren mit Brennstoff-Luftgemisch verwendet werden.

Bei bekannten Systemen erzeugt die Niederdruckturbine eine geringe Leistung, wenn die Motordrehzahl und/oder die Last verringert wird. Zur Behebung dieses Nachteiles wird im Falle vorliegender Erfindung eine Niederdruckturbine 32 verwendet, bei der das Gehäuse 38 mit einer einfachen Abgasdurchfjußsteuerung versehen ist, die so ausgelegt, ist, daß der Strömungsmitteldurchfluß in der Turbine bei sehr geringem oder keinem Energieverlust Ober den gesamten Arbeitsbereich der Turbine gesteuert wird. Insbesondere ist das Gehäuse 38 vorzugsweise ein einflutiges Gehäuse oder ein schaufelloses Gehäuse mit einer beweglichen Leitvorrichtung, die gestrichelt bei 39 angedeutet ist und die mit dem Gehäuse eine veränderliche Durchflußquerschnittsfläche für das Gas am stromaufwärtsliegenden Ende, am stromabwärtsliegenden Ende oder an beiden Enden der Leitvorrichtung definiert. Die Querschnitisflächen steuern den Durchfluß und bilden das Winkelmoment. Wird die Fläche oder werden die Flächen vergrößert, ergibi dies eine Vergrößerung des Durchflusses, ohne daß das Winkelmoment des Gases erhöht wird, und umgekehrt (eine Durchflußsteuerung dieser Art ist z. B. aus der US-PS 33 13 518 bekannt, die eine bewegliche Schaufel zeigt, welche eine Durchfiußsteuerung des Strömungsmittels ergibt, das in den Turbinenrotor eintritt).

Die Durchflußsteuerung nach vorliegender Erfindung wird z. B. mittels einer Betätigungsvorrichtung 42 betätigt, die von einer Verstellvorrichtung gesteuert wird. Die Betätigungsvorrichtung 42 kann ihre Steuerfunktion auf die Leitvorrichtung (nicht dargestellt) pneumatisch, hydraulisch, elektrisch oder dergl. ausüben.

Die Verstellvorrichtung 44 steuert die Betätigungsvorrichtung 42 und kann einen beliebigen Parameter oder eine Kombination von Motorparametern abfühlen, damit die Arbeitsweise der Betätigungsvorrichtung auf die Leitungsvorrichtung in der gewünschten Weise erzielt wird· Beispielsweise kann die Verstellvorrichtung 44 in Abhängigkeit von der Dichte des Ladeströmungsmittels an einer beliebigen Stelle im Einlaßdurchflußpfad eine Steuerung des Druckverhältnisses oder des Druckunterschiedes des gasförmigen Einlaßströmungsmittels an einem oder an beiden Kompressoren 26 und 30 ausüben, oder die Verstellvorrichtung kann die Motordrosselposition z. B, durch einen Mitnehmer in Verbindung mit einen Nocken abfühlen. Die spezielle Ausgestaltung der Verstellvorrichtung ist nicht Gegenstand vorliegender Erfindung, weshalb die Darstellung der Kopplung der Verstellvorrichtung zur Entnahme des Signales des gewünschten Parameters lediglich gestrichelt mit 46 angedeutet ist. Die Linie 46 stellt allgemein eine Vorrichtung dar, die der Betätigungsvorrichtung 42 die erforderliche pneumatische, hydraulische oder elektrische Energie aus dem Gesamtsystem 10 oder aus Teilen hiervon in an sich bekannter Weise liefert

Es wurde vorstehend kurz erläutert, daß die

Abgassammelleitung 16, die die Turbine 28 speist, in zwei getrennten Leitungen 18 und 20 unterteilt ist, wobei eine Hälfte der Zylinder Abgas in die Leitung 18 und die andere Hälfte der Zylinder Abgas in die Leitung 20 abgibt. Im Falle einer sechszylindrigen Maschine (wie dargestellt) ist es z. B. üblich, die Zündung der Zylinder in der Reihenfolge 1-5-3-6-2-4 vorzunehmen, und aus der Zündfolge ergibt sich, daß die Pulsationen des

Abgases sich in den Leitungen 18 und 20 abwechseln. Auf diese Weise steht die Abblasenergie für die

Auspuffgaspulsationen so zur Verfügung, daß sie in besonders wirksamer Weise in einer Teileinlaßturbine verwendet wird, bei der das Turbinengehäuse zwei getrennte Kanäle definiert, die mit den getrennten Pulsationsquellen gekoppelt sind und die die Abgaspul-

JO sationen direkt und getrennt mit dem Turbinenrotor zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades verbinden. Die für diesen Zweck verwendete Turbine kann von bekannter Ausführungsform sein, z. B. eine Sektoreinlaßturbine. Vorzugsweise jedoch ist die Turbine zur optimalen Ausnutzung der Abblas-Abgaspulsationen so ausgelegt, daß das Gehäuse mit einer meridionalen Trennwand versehen ist. In vorliegendem Falle ist die meridionale Trennwand durch die gestrichelte Linie 48 gekennzeichnet, durch die schematisch eine Wand im Gasverteiler 36 angeordnet ist, welche getrennte Kanäle definiert, deren Einlasse oder stromaufwärts liegende Enden getrennt mit den Leitungen 18 und 20 über die Leitungen 50 und 52 in Verbindung stehen; die meridionale Wand 48 bildet mit dem Gehäuse 36 zwei

« seitlich nebeneinander liegende einflutige Durchflußwege oder schaufellose Durchflußwege, deren jeder mit dem Rotor der Turbine 28 im wesentlichen über den vollen Umfang des Turbinenrotors in Verbindung steht. Auf diese Weise stehen die abwechselnden Abgaspulsa-

w tionen aus den Leitungen 18 und 20 direkt mit dem Turbinenrotor in Verbindung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Abgasturbogeladene Brennkraftmaschine, bei der zwei Abgassammelleitungen von Zylindergruppen getrennt in ein durch eine Meridianwand unterteiltes Turbinengehäuse einmünden, 4adureh gekenn ζ e i c h η e t, daß bei Anwendung der an sich bekannten zweistufigen Aufladung mittels zweier in Reihe geschalteter Turbolader (12,22) die Turbine (32) der Niederdruckstufe in an sich bekannter Weise als einflutiges Gehäuse mit lastabhängig verstellbarer Leitvorrichtung (39) ausgebildet ist