DE2537863B1

DE2537863B1 - Verfahren zum betrieb von arbeitsraumbildenden brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2537863B1
Application number: DE19752537863
Authority: DE
Inventors: Otto Dr-Ing Herschmann; Dieter Dipl-Ing Holthausen; Hugo Dipl-Ing Stock; Paul Dipl-Ing Tholen
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1975-08-26
Filing date: 1975-08-26
Publication date: 1977-02-03
Also published as: FR2322266B1; GB1518014A; JPS52134915A; JPS598646B2; IT1067687B; FR2322266A1; DE2537863C2; US4228655A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Kolbenbrennkraftmaschinen mit mehreren parallel geschalteten Abgasturboladern, die einzeln je nach den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gas- und luftseitig ab- und zuschaltbar sind, wobei die abgasseitigen Schaltelemente in Strömungsrichtung vor der Abgasturbine und die luftseitigen Schaltelemente in Strömungsrichtung hinter den Ladern angeordnet sind.

Bei Brennkraftmaschinen, die durch Abgasturbolader aufgeladen sind und die einen breiten Betriebsdrehzahlbereich haben, bestehen Schwierigkeiten bezüglich des Beschleunigungsverhaltens, da im unteren Drehzahlbereich der Ladedruck sehr gering ist. Mit Rücksicht auf das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich hat man den Abgasturbolader auf eine mittlere Drehzahl ausgelegt. Dies hat zur Folge, daß im oberen Drehzahlbereich die Ladedrücke unnötig hoch ansteigen und das Triebwerk und die Bauteile entsprechend hoch belastet werden. Als Abhilfe wird im oberen Drehzahlbereich von einer Bypaßregelung Gebrauch gemacht, bei der zum Teil das Abgas die Turbine umgeht. Dieses Verfahren ist jedoch unwirtschaftlich, da es zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führt. Es ist bereits durch die DT-PS 8 50 965 ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bekannt, durch das der Abgasturbolader den Betriebsverhältnissen der Brennkraftmaschine besser angepaßt werden kann. Dieses Verfahren hat sich jedoch nicht durchgesetzt, da bei jedem Zuschalten eines Abgasturboladers die Pumpgrenze des Laders durchfahren werden muß, wodurch die Haltbarkeit begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art das Beschleunigungsverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern und die schädlichen Einflüsse beim Zu- und Abschalten der Abgasturbolader möglichst gering zu halten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Zuschalten eines Abgasturboladers das gasseitige Schaltelement möglichst schnell öffnet, während es beim Abschalten langsam schließt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht

ίο man, daß das Hochlaufen des zugeschalteten Abgasturboladers beschleunigt wird, da hierbei die Druckwelle voll auf die Turbine wirken kann. Da ferner durch die Verwendung mehrerer kleiner Lader die Drucksprünge im System gering bleiben und die Trägheitsmomente der Ladegruppen klein sind, ist es möglich, die Pumpgrenzen in Bruchteilen von Sekunden, ca. 0,4 Sekunden, zu durchfahren. Der Rückströmvorgang kann sich somit nur innerhalb sehr kurzer Zeit ausbilden und gefährdet daher die Schaufeln nicht. Beim Abschalten schließen die Schaltelemente langsam, damit nicht durch Unterdruckschwingungen die Turbinenschaufeln Schaden nehmen.

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Zuschaltvorgang bei einer höheren Drehzahl der Brennkraftmaschine erfolgt als der Abschaltvorgang. Dadurch steht für den Beschleunigungsvorgang der zugeschalteten Turbine eine höhere Abgasenergie zur Verfugung, als sich aus dem stationären Betrieb ergeben würden. Zudem wird vermieden, daß dauerndes Zu- und Abschalten erfolgen kann, wenn die Brennkraftmaschine mit annähernd konstanter Drehzahl im Schaltbereich läuft.

Zur besseren Beschleunigung während des Startens und im unteren Drehzahlbereich ist es zweckmäßig, im Abgassystem eine Brennkammer vorzusehen. Im Hinblick auf den Bauaufwand und die Betriebskosten ist es vorteilhaft, daß die Brennkammer nur für einen Abgasturbolader ausgelegt wird und nur eine Abgasturbine zusätzlich von den Brenngasen der Brennkammer beaufschlagt wird.

Um alle Vorteile des erfindungsgemäße Verfahrens voll auszunutzen, werden hohe Anforderungen an die Regelung gestellt. In Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, daß die Zu- und Abschaltvorgänge sowie die Betätigung der Brennkammer elektronisch in Abhängigkeit der maßgebenden Einflußgrößen entsprechend dem Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine im Betriebskennfeld durch elektrische, hydraulische oder pneumatische Schaltelemente elektronisch geregelt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboladern zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine arbeitsraumbildende Brennkraftmaschine 1 wird von vier parallel geschalteten Abgasturboladern 2 aufgeladen. Dabei saugen Kompressoren 3 der Abgasturbolader 2 über eine gemeinsame Ansaugleitung 4 Frischluft an und fördern sie in eine gemeinsame Druckleitung 5. Von dort gelangt die verdichtete Luft je nach den Betriebsverhältnissen entweder über Zwischenkühler 6 oder Abgaswärmetauscher 7 in die Brennkraftmaschine. Abgasseitig sind Abgasturbinen 8 an einer gemeinsamen Druckleitung 9 und an einer gemeinsamen Auslaßleitung 10 angeschlossen. Zusätzlich zu den Abgasen der Brennkraftmaschine wird eine Abgasturbine 8 von den Brenngasen einer Brennkam-

mer 11 beaufschlagt, die von einem Regelventil 12 in einer Verbindungsleitung 13 zwischen der Brennkammer und dem Druckluftsystem gesteuert wird. In den Druckleitungen der Verdichter 3 sind Rückschlagventile 16 angeordnet, die bei Abfall des Förderdruckes die jeweilige Verbindungsleitung zur gemeinsamen Durckleitung 9 verschließt. In der abgasseitigen Druckleitung sind vor jeder Abgasturbine 8 Steuervorrichtungen 14 vorgesehen, durch die der Abgasdurchfluß durch die Abgasturbinen 8 gedrosselt bzw. unterbrochen werden kann. Die Steuerventile 14 sind so ausgelegt, daß sie den Durchflußquerschnitt langsam verkleinern aber schnell öffnen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft folgendermaßen ab. Vor dem Start der Brennkraftmaschine 1 wird die Brennkammer 11 in Gang gesetzt und betreibt die mit ihr verbundene Abgasturbine 8. Diese treibt den entsprechenden Kompressor 3 an, während die übrigen Abgasturbolader 2 luft- und abgasseitig abgeschaltet sind. Ist ein ausreichender Ladedruck erreicht, wird die Brennkraftmaschine 1 gestartet. Dabei wird die vorverdichtete Luft über die Abgaswärmetauscher 7 geleitet.

Bei Erreichen einer vorgebbaren Drehzahl oder einer anderen maßgeblichen Einflußgröße, zum Beispiel Abgastemperatur, Brenntemperatur, Abgasgegendruck usw., wird das Steuerventil 14 des benachbarten Abgasturboladers 2 plötzlich geöffnet. Durch die Abgasdruckwelle wird die Abgasturbine 8 schnell beschleunigt und der zugehörige Verdichter 3 erreicht in Bruchteilen von Sekunden den in der gemeinsamen Druckleitung 9 herrschenden Durck, so daß das Rückschlagventil 16 öffnet. Entsprechend den jeweiligen Betriebskennwerten der Brennkraftmaschine 1 werden mehr oder weniger Abgasturbolader zugeschaltet. Dabei erfolgt der Zuschaltvorgang bei einer höheren Drehzahl der Brennkraftmaschine als der Abschaltvorgang. Der Abschaltvorgang erfolgt durch langsames Schließen des Steuerventils 14, wodurch die Drehzahl der Abgasturbine 8 langsam abfällt und der Förderdruck des zugehörigen Verdichters 3 kleiner wird. Unterschreitet der Förderdruck des Verdichters 3 den Druck in der gemeinsamen Druckleitung 9, schließt das Rückschlagventil 16 und der Abgasturbolader ist luftseitig abgeschaltet. Zur Erzielung einer gewünschten Ladelufttemperatur während des Betriebes der Brennkraftmaschine wird die vorverdichtete Luft mittels eines Umgehungsschiebers 15 teilweise oder vollständig anstatt durch die Abgaswärmetauscher 7 durch die Ladeluftkühler 6 geleitet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb von Kolbenbrennkraftmaschinen mit mehreren parallel geschalteten Abgasturboladern, die einzeln je nach den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gas- und luftseitig ab- und zuschaltbar sind, wobei die abgasseitigen Schaltelemente in Strömungsrichtung vor der Abgasturbine angeordnet und die luftseitigen Schaltelemente in Strömungsrichtung hinter den Ladern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zuschalten eines Abgasturboladers (2) das gasseitige Schaltelement (14) möglichst schnell öffnet, während es beim Abschalten langsam schließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuschaltvorgang bei einer höheren Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) erfolgt als der Abschaltvorgang.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Abgasturbine (8) zusätzlich von den Brenngasen einer Brennkammer (11) beaufschlagt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abschaltvorgänge sowie die Betätigung der Brennkammer (11) elektronisch in Abhängigkeit der der maßgebenden Einflußgrößen entsprechend dem Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine im Betriebskennfeld durch elektrische, hydraulische oder pneumatische Schaltelemente geregelt werden.