DE2809202A1

DE2809202A1 - Aufladesystem fuer einen mehrzylinder- verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2809202A1
Application number: DE19782809202
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl Ing Hasselmann; Hans-Dieter Dr Ing Henssler; Peter Dipl Ing Rebling
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1978-03-03
Filing date: 1978-03-03
Publication date: 1979-09-06
Also published as: IT7948170A0; GB2015644B; FR2418864B3; IT1115112B; CS226180B2; GB2015644A; IN150380B; FR2418864A1

Description

Aktienges ells chaf t Kühnle, Kopp & Kausch Friedrich-Ebert-Str. 16

6710 Frankenthal/Pfalz

Aufladesystem für einen Mehr zylinder-Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem für einen Mehr zylinder-Verbrennungsmotor mit großem Motordrehzahlbereich, welcher mit zwei abgasseitig und luftseitig parallel geschalteten Turboladern versehen ist, von denen der über ein Rückschlagventil an die Fülleitung angeschlossene zweite Turbolader für einen unteren Drehzahlbereich abschaltbar ist.

Es ist allgemein bekannt, daß sich der in den Motor fließende Volumenstrom bei kleinen sowie schnell laufenden Verbrennungsmotoren mit großem Drehzahlbereich im Verhältnis von etwa 1:5 bis etwa 1:6 in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebszuständen ändert. Da Turbolader mit einem Radialverdichter aufgrund ihrer Druck-Volumencharakteristik nicht in der Lage sind, den gesamten Betriebsbereich solcher Verbrennungs motore zu überdecken, können sich einerseits bei niederer Motordrehzahl und einem Vollastbetrieb Betriebs zustände einstellen, die links von der Pump- bzw. Abreißgrenze des Verdichterkennfeldes und andererseits bei hohen Motor drehzahlen und Vollastbetrieb rechts von der Stopf grenze des Ver-

Fs/mü dichter

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dichterkennfeldes liegen. Aus diesem Grund ist es üblich, Turbolader derart auszulegen, daß die Pump- bzw. Abreißgrenze bei niederen Motordrehzahlen sowie einem Teillast- bzw. Vollastbetrieb nicht nach links überschritten wird. Durch eine Abblaseregelung auf der Verdichterseite oder eine Beipaß-Regelung auf der Turbinenseite wird dann dafür gesorgt, daß bei einer hohen Motor drehzahl kein zu hoher Ladedruck entsteht, der dem Motor schaden würde. In beiden Fällen nimmt der Wirkungsgrad des Turboladers sehr stark ab, womit ein höherer Gegendruck vor der Turbine notwendig wird, um einen bestimmten Ladedruck zu erzeugen.

Um das Aufladesystem eines Mehr zylinder-Verbrennungsmotors mit seinem Wirkungsgrad besser an das Betriebs verhalten des Verbrennungsmotors anzupassen, ist es bereits bekannt, ein Einfach- und ein Reihen-Turboladersystem vorzusehen, bei dem zumindest abgasseitig die beiden Turbolader parallelgeschaltet sind. Durch einen zusätzlichen Kompressor im Reihen-Turboladersystem wird eine Zwangsspülung zur Vermeidung einer Selbstdrosselung vorgesehen(DT-OS 1 576 222). Dieses Aufladesystem ist für Verbrennungsmotore mit großem Motordrehzahlbereich sehr aufwendig.

Es sind auch bereits zwei Turbolader in Parallelschaltung mit einer Querverbindung zwischen verschiedenen Gruppen von den Motor zylindern parallel zugeordneten Fülleitungen bekannt, bei denen diese Querverbindung in Art eines Windkessels ausgebildet ist, um Auspuffstöße zu dämpfen (GB-PS 1 164 018). Dieses für langsam laufende Dieselmaschinen ausgelegte Aufladesystem, wobei nur eine teilweise Parallelschaltung der einzelnen Zylinder vorgesehen ist, soll durch eine drehzahlabhängige Zuschaltung des Windkessels dafür sorgen, daß bei einer niederen Motordrehzahl mit einer Stoßaufladung und bei einer hohen Motordrehzahl mit einer Stauaufladung gearbeitet wird. Es lassen sich mit diesem bekannten Aufladesystem die vorausstehend erwähnten Probleme bei Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren mit großem Drehzahlbereich nicht lösen.

Bei

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Bei einem weiteren bekannten Aufladesystem sind Gruppen von mehreren Zylindern eines. Verbrennungsmotors in Parallelschaltung über separate Turbolader an eine gemeinsame Fülleitung für alle Zylinder angeschlossen. Die gemeinsame Fülleitung hat ein Absperrventil zwischen den zusammengefaßten Gruppen von Motorzylindern mit einer Ablaßöffnung, um aus dem störungsfreien Teil der Fülleitung eine Teilmenge der verdichteten Luft in den Abschnitt der Fülleitung abzugeben, dem die Gruppe der störungsbehafteten Motorzylinder zugeordnet ist. Damit soll ein Notbetrieb unter Vermeidung des Laderpumpeffekts möglich sein

Schließlich ist auch für einen langsam laufenden Dieselmotor ein Aufladesystem der eingangs erwähnten Art bekannt (DT-PS 850 965), bei dem die beiden parallel geschalteten Turbolader auf Anteile des normalen Gas- und Luftvolumens bemessen sind. Für einen niederen Drehzahlbereich kann der eine Turbolader abgeschaltet werden, so daß der andere Turbolader mit einem entsprechend höheren Volumenstrom beaufschlagt wird und damit im unteren Drehzahlbereich einen höheren Ladedruck liefert.

Mit einem solchen Aufladesystem kann bei einer niederen Drehzahl des Motors im Last- bzw. Vollastbereich der den Ladedruck liefernde Turbolader mit einem günstigen Wirkungsgrad betrieben werden. Es ist jedoch mit dem bekannten Aufladesystem, nicht ohne weiteres möglich, den Ladedruckverlauf über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich des Motors beliebig vorzugeben, um diesen Ladedruckverlauf auch bei einer raschen Änderung zwischen hohen und niederen Drehzahlen an das Betriebs verhalten des Motors derart anzupassen, daß über den gesamten Motordrehzahlbereich ein optimaler Wirkungsgrad erzielt wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Aufladesystem für einen Mehr zylinder-Verbrennungsmotor mit großem Motordrehzahlbereich zu schaffen, bei der die Abgasenergie optimal ausgenutzt und eine

optimale

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optimale Aufladung des Motors über den gesamten Motordrehzahlbereich erzielt wird. Dabei soll ein sehr rascher Übergang von niederen zu hohen Drehzahlbereichen möglich sein und der Ladedruckverlauf in einfacher Weise an die Motorbetriebscharakteristik anpaßbar sein.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten Aufladesystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Turbine des für den unteren Drehzahlbereich abschaltbaren zweiten Turboladers über ein Beipaßventil an die Abgasleitung angeschlossen ist, daß das Beipaßventil in Abhängigkeit vom Ladedruck des ersten Turboladers betätigbar ist und für einen mittleren Drehzahlbereich den zweiten Turbolader als Beipaß zuschaltet, und daß in der Fülleitung des zweiten Turboladers ein Abblaseventil angeordnet ist, das die verdichtete Luft des zweiten Turboladers abbläst, bis der Ladedruck des zweiten Turboladers etwa gleich dem Ladedruck des ersten Turboladers ist.

Die oben angeführte Aufgabe wird für ein eingangs erwähntes Aufladesystem erfindungs gemäß auch dadurch gelöst, daß die Turbine des für den unteren Drehzahlbereich abschaltbaren zweiten Turboladers über ein Beipaßventil an die Abgasleitung angeschlossen ist, daß das Beipaßventil in Abhängigkeit vom Abgasdruck des Mehr zylinder-Verbrennungsmotors betätigbar ist und für einen mittleren Drehzahlbereich den zweiten Turbolader als Beipaß zuschaltet, und daß in der Verbindungsleitung des zweiten Turboladers zu den Fülleitungen ein Abblaseventil angeordnet ist, das die verdichtete Luft des zweiten Turboladers abbläst, bis der Ladedruck des zweiten Turboladers etwa gleich dem Ladedruck des ersten Turboladers ist.

Die Wirkung, daß der zweite Turbolader im mittleren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors allein als Beipaß wirksam ist und der vom ersten Turbolader gelieferte Ladedruck während des mittleren Drehzahlbereichs

im wesent-

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im wesentlichen konstant gehalten werden kann bzw. nur geringfügig ansteigt, wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch dadurch erreicht, daß die Verbindungsleitung des zweiten Turboladers direkt über das Rückschlagventil zu den Fülleitungen geführt ist, und daß der Verdichter des zweiten Turboladers mit einem Eintrittsleitapparat versehen ist, der in Abhängigkeit von dem in den Fülleitungen über eine Steuerleitung abgegriffenen Ladedruck verstellbar ist.

Bei einem derartigen Aufladesystem haben die zwei parallelgeschalteten Turbolader vorzugsweise unterschiedliche Druck-Volumencharakteristiken.

Mit einem derartigen Aufladesystem wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß bei kleinen, sehr schnell laufenden Motoren mit einem sehr großen Drehzahlbereich einerseits bei niederer Drehzahl und Vollast der Ladepumpeffekt vermieden werden kann. Andererseits wird ein den Motor überlastender, zu hoher Ladedruck unterbunden und der Nachteil des hohen Brennstoffverbrauches bei Vollast vermieden, der sich bei einer Abblaseregelung unter Vollast einstellt. Durch die Beipaßregelung und das Abblasen von verdichteter Luft im mittleren Drehzahlbereich ist es möglich, den ersten Turbolader auf einer Betriebs charakteristik mit optimalem Wirkungsgrad in der Nähe der Abreißgrenze zu betreiben sowie den Ladedruckverlauf optimal an die Motorbetriebs charakteristik anzupassen. Dies ist durch eine entsprechende Anpassung der Betriebs charakteristik des Beipaßventils in einfacher Weise möglich.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufladesystems gemäß der Erfindung für einen Mehr zylinder-Verbrennungsmotor;

Fig. 2

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Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Aufladesystems

für einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor.

Bei den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen arbeitet das Aufladesystem gemäß der Erfindung mit einem Sechs zylinder Verbrennungsmotor 10 zusammen, dessen Abgasleitungen 11 zusammengefaßt sind und mit den parallelgeschalteten Turbinen 13 und 14 zweier Turbolader 15 und 16 in Verbindung stehen. Die Fülleitungen 12 des Verbrennungsmotors 10 sind ebenfalls zusammengeschaltet und stehen mit den parallelgeschalteten Verdichtern 17 und 18 der beiden Turbolader in Verbindung. Dabei ist der Verdichter 17 direkt an die Fülleitungen 12 angeschlossen, wogegen in die Verbindungsleitung vom Verdichter 18 zu den Fülleitungen 12 ein Rückschlagventil 19 und ein Abblaseventil 21 eingeschaltet sind.

In der Verbindungsleitung von der Turbine 14 des Turboladers 16 zu den zusammengefaßten Abgasleitungen 11 ist ferner - gemäß Fig. 1 - ein Beipaßventil 22 vorgesehen, dessen Steuerleitung 23 an die die verdichtete Luft vom Verdichter 17 zu den Fülleitungen 12 übertragende Verbindungsleitung 24 angeschlossen ist. Die Steuerleitung zum Beipaßventil 22 kann jedoch auch, wie in Fig. 2 dargestellt, an die Abgasleitungen 11 angeschlossen sein, so daß das Beipaßventil in Abhängigkeit vom Abgasdruck des Mehrzylinder-Verbrennungsmotors 10 gesteuert wird.

Im Betrieb wird der Turbolader 15 im unteren Drehzählbereich des Verbrennungsmotors allein von den Abgasen beaufschlagt, da das Beipaßventil 22 geschlossen ist. Dieser Turbolader 15 ist bezüglich seines Verdichterkennfeldes auf den unteren Drehzahlbereich abgestimmt, so daß seine Pumpbzw. Abreißgrenze auch bei Belastung im niederen Drehzahlbereich nicht

über

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überschritten wird. Der Turbolader 15 ist vorzugsweise in einem Drehzahlbereich bis etwa 40 % der Höchstdrehzahl allein in Betrieb. Für diesen Drehzahlbereich reicht der Ladedruck in der Verbindungsleitung 24 nicht aus, um über die Steuerleitung 23 das Beipaßventil 22 zu öffnen.

In einem mittleren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 10, der zwischen etwa 40 % und 65 % der Höchstdrehzahl liegen kann, wird das Beipaßventil 22 aufgrund des über die Steuerleitung 23 wirksamen Ladedruckes des Verdichters 17 zunehmend weiter geöffnet, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 und damit das Volumen des über die Abgasleitungen 11 fließenden Abgases zunimmt. Von dem Augenblick des Öffnens des Beipaßventils 22 an expandiert das durch die Abgasleitungen 11 abfließende Abgas nicht nur über die Turbine 13 des Turboladers 15, sondern auch über die Turbine 14 des Turboladers 16. Die vom Verdichter 18 des Turboladers 16 angesaugte und verdichtete Luft wird zunächst über das Abblaseventil 21 abgeblasen, so daß der Turbolader 16 im mittleren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors allein als Beipaß wirksam ist. Durch das Steuern des Beipaßventiles 22 mit Ladedruck hinter dem Verdichter 17 wird erreicht, daß der Ladedruck in der Verbindungsleitung 24 während des mittleren Drehzahlbereiches im wesentlichen etwa konstant gehalten werden kann bzw. nur geringfügig ansteigt.

Die Abblaseleitung 25 des Abblaseventils 21 ist so dimensioniert, daß der Verdichter 18 etwa auf einer parabeiförmigen Kurve im Verdichterkennfeld betrieben werden kann, die nah an der Abreißgrenze verläuft. Das Rückschlagventil 19 verhindert einerseits, daß die über die Verbindungsleitung 24 vom Verdichter 17 den Fülleitungen 12 zugeführte verdichtete Luft über den zweiten Turbolader 16 zurückströmt. Andererseits öffnet

dieses Rückschlagventil 19, wenn im erhöhten mittleren Drehzahlbereich der zweite Turbolader 16 denselben Ladedruck wie der erste Turbolader erreicht. Dieser Zustand wird über eine Steuerleitung 27 vom Abblaseventil 21 auf der Fülleitungsseite abgegriffen, das bei diesem Zustand die Abblaseleitung des Ventils schließt. Mit dem Schließen der Abblaseleitung steigt

die

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die Turboladerdrehzahl weiter an und damit auch der Ladedruck. Dieser ansteigende Ladedruck wirkt nunmehr auf das Rückschlagventil 19 und öffnet dieses, womit der zweite Turbolader zu arbeiten beginnt. Der Arbeitseinsatz des zweiten Turboladers liegt bei dem gegebenen Ausführungsbeispiel bei etwa 65 % der Drehzahl des Verbrennungsmotors. Ab dieser Drehzahl befinden sich beide Lader im vollen Parallelbetrieb.

Bei abnehmender Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 verläuft das Regelspiel in umgekehrter Weise.

Die Wirkungsweise des Abblaseventils 21 zusammen mit der Abblaseleitung 25 kann auch dadurch erzielt werden, da/3, wie in Fig. 2 dargestellt, die Verbindungsleitung 26 des zweiten Turboladers 16 direkt über das Rückschlagventil 19 zu den Fülleitungen 12 geführt ist und am Eingang des Verdichters 18 ein Eintrittsleitapparat 30 angeordnet ist. Dieser Eintrittsleitapparat 30 ist in Abhängigkeit von dem Ladedruck verstellbar, der über die Steuerleitung 31 von den FüKlleitungen 12 aus zugeführt wird. Mit Hilfe dieses Eintrittsleitapparates kann eine Dralländerung bewirkt werden, um den Ladedruck während des mittleren Drehzahlbereichs im wesentlichen etwa konstant zu halten bzw. nur geringfügig ansteigen zu lassen. In diesem Fall wird keine verdichtete Luft abgeblasen, sondern der Volumenstrom und die Druckerhöhung des Verdichters 18 des Turboladers 16 in an sich bekannter Weise den Erfordernissen angepaßt.

Durch die Einstellung der Steuer charakteristik des Beipaßventils 22 einerseits und der Steuercharakteristik des Abblase ventile 21 andererseits ist es möglich, in sehr weiten Grenzen einen gewünschten Ladedruckverlauf einzustellen. Eine auf den mittleren Drehzahlbereich abgestimmte Beipaßregelung hat den Vorteil, daß der durch das Abblasen sich einstellende Energieverlust in einem günstigen Bereich der Motorbetriebs charakteristik

erfolgt

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erfolgt und bei Vollast im oberen Motordrehzahlbereich die Turbolader mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten, was sich besonders günstig auf den Brennstoffverbrauch auswirkt. Die vom Ladedruck des ersten Verdichters für den unteren Drehzahlbereich abhängige Steuerung des Beipaßventils macht es möglich, daß der zweite Verdichter optimal in der Nähe der Abreißgrenze hochgefahren werden kann und damit ein Pumpen sicher vermieden wird, was auf das gesamte Aufladesystem zurückwirken würde. Gleichzeitig damit läßt sich eine flacher liegende Vollastkennlinie im Verdichterfeld erreichen, was gleichbedeutend mit einer günstigeren Druckbelastung des Motors ist.

Patentansprüche

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Claims

Aktienges ells chaf t Kühnle, Kopp & Kausch Friedrich-Ebert-Str. 16

6710 Frankenthal/Pfalz

Patentansprüche

Ij Aufladesystem, für einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit großem Motordrehzahlbereich, welcher mit zwei abgasseitig und luftseitig parallelgeschalteten Turboladern versehen ist und von denen der über ein Rückschlagventil an die FüUeitung angeschlossene zweite Turbolader für einen unteren Drehzahlbereich abschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine des für den unteren Drehzahlbereich abschaltbaren zweiten Turboladers (16) über ein Beipaßventil (22) an die Abgasleitung (11) angeschlossen ist, daß das Beipaßventil (22) in Abhängigkeit vom Ladedruck des ersten Turboladers (15) betätigbar ist und für einen mittleren Drehzahlbereich den zweiten Turbolader (16) als Beipaß zuschaltet, und daß in der Verbindungsleitung (26) des zweiten Turboladers (16) zu den Fülleitungen (12) ein Abblaseventil (21) angeordnet ist, das die verdichtete Luft des zweiten Turboladers abbläst, bis der Ladedruck des zweiten Turboladers etwa gleich dem Ladedruck des ersten Turboladers ist.
2. Aufladesystem für einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit großem Motordrehzahlbereich, welcher mit zwei abgasseitig und luftseitig parallelgeschalteten Turboladern versehen ist und von denen der über ein Rückschlagventil an die FüUeitung angeschlossene zweite Turbolader für einen unteren Drehzahlbereich abschaltbar ist, dadurch g ekennz ei chn et, daß die Turbine des für den unteren Drehzahlbereich abschaltbaren zweiten Turboladers (16) über ein Beipaßventil (22)

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ORiQiNAL INSPECTED

an die Abgasleitung angeschlossen ist, daß das Beipaßventil (22) in Abhängigkeit vom Abgasdruck des Mehrzylinder-Verbrennungsmotors (lO)betätigbar ist und für einen mittleren Drehzahlbereich den zweiten Turbolader (16) als Beipaß zuschaltet, und daß in der Verbindungsleitung (26) des zweiten Turboladers (16) zu den Füllleitungen (12) ein Abblaseventil (21) angeordnet ist, das die verdichtete Luft des zweiten Turboladers abbläst, bis der Ladedruck des zweiten Turboladers etwa gleich dem Ladedruck des ersten Turboladers ist.
3. Aufladesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (26) des zweiten Turboladers (16) direkt über das Rückschlagventil (19) zu den Fülleitungen (12) geführt ist, und daß der Verdichter (18) des zweiten Turboladers (16) mit einem Eintrittsleitapparat (30) versehen ist, der in Abhängigkeit von dem in den Fülleitungen (12) über eine Steuerleitung (31) abgegriffenen Ladedruck verstellbar ist.
4. Aufladesystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei parallelgeschalteten Turbolader (15, 16) unterschiedliche Druck-Volumencharakteristiken haben.

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