DE29723421U1

DE29723421U1 - Aufladeeinrichtung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE29723421U1
Application number: DE29723421U
Authority: DE
Original assignee: UDO MAILAENDER GmbH
Current assignee: UDO MAILAENDER GmbH
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2007-05-17

Description

25. Juni 1998 HS/H

Anmelder: Udo Mailänder GmbH, Etzelstraße 1, 74321 Bietigheim-Bissingen

Vertreter: Patentanwalt Dipl.-Ing. Hans Schiering, Westerwaldweg 4, 71032 Böblingen

Aufladeeinrichtung eines Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung eines Verbrennungsmotors, bei der parallel zur Turbine eines ersten Abgasturboladers die Reihenschaltung eines Bypassventils mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers an den Abgassammler des Verbrennungsmotors angeschlossen ist, die Verdichter der beiden mit ihren Turbinen parallelgeschalteten Abgasturbolader in Reihe geschaltet sind, sich die beiden Abgasturbolader in ihrer Bemessung hinsichtlich der eigenständig förderbaren Luftmasse voneinander unterscheiden, der größere der beiden Abgasturbolader dem Bypassventil zugeordnet ist und der Verdichter des ungehindert mit Abgas beaufschlagten Abgasturboladers als die motornahe Endstufe der Reihenschaltung der beiden Verdichter eingesetzt ist.

Durch die Zuhilfenahme der Aufladung läßt sich in einem kleinen Verbrennungsmotor die Leistung eines ansonsten erheblich

größeren Verbrennungsmotors verwirklichen. Bei einer vorgegebenen Nennleistung kann der Motor infolge seiner Aufladung beträchtlich verkleinert werden. Ein Abgasturbolader mit einer vom Druck der Abgase des Verbrennungsmotors angetriebenen Abgasturbine und mit einem von der Abgasturbine angetriebenen Ladeluftverdichter erbringt bei seiner Unterversorgung mit Abgasenergie im Niedrigdrehzahlbereich des Verbrennungsmotors naturgemäß eine unzureichende Aufladeleistung. Die dann zu geringe Aufladung macht den Motor drehmomentschwach und durch schlechte Verbrennung umweltschädlich. Um hierin eine Verbesserung zu erzielen, wird häufig ein zweiter Abgasturbolader hinzugenommen.

Aus der Publikation DE 28 09 202 Al ist bereits eine Aufladeeinrichtung eines Verbrennungsmotors bekannt, bei der parallel zur Turbine eines ersten Abgasturboladers die Reihenschaltung eines Bypassventils mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers an den Abgassammler des Verbrennungsmotors angeschlossen ist. Das Bypassventil dieser Aufladeeinrichtung ist in Abhängigkeit vom Ladedruck des ersten Abgasturboladers betätigbar, so daß es den zweiten Abgasturbolader für einen mittleren Drehzahlbereich als Bypass zuschaltet. Hinter dem Verdichter des zweiten Abgasturboladers ist ein Abblaseventil in die zum Verbrennungsmotor führende Leitung eingefügt, das die verdichtete Luft des zweiten Abgasturboladers abbläst, bis der Ladedruck des zweiten Abgasturboladers etwa gleich dem Ladedruck des ersten Abgasturboladers ist. In der Praxis führt diese vom Abblaseventil erwartete Umschaltfunktion das System in den Bereich des Pumpens und zum Zusammenbruch der Ladeluftströmung im zweiten Verdichter, da es die vom zweiten Verdichter mit sehr geringem Druck ins Freie

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strömende Luft in den bereits unter dem vollen Druck des ersten Verdichters stehenden Ladeluftsammler des Verbrennungsmotors einleiten soll, also von einer Strömungsmaschine mit
relativ sehr großer Strömungsgeschwindigkeit und sehr geringer Druckaufbaumöglichkeit zu einer Kolbenmaschine mit relativ sehr kleiner Strömungsgeschwindigkeit und relativ sehr
hoher Druckaufbaumöglichkeit.

Aus der Publikation DE 28 18 447 Al ist bereits eine zwei Abgasturbolader enthaltende Aufladeeinrichtung der eingangs angeführten Art bekannt. Dort galt es, ein Aufladesystem mit
zwei Abgasturboladern zu schaffen, deren Turbinen in der
Weise zueinander angeordnet sind, daß die Größe der Turbinen entsprechend einer gewünschten Betriebsfunktion der Brennkraftmaschine
weitgehend frei auslegbar ist. Die Funktion der dazu angegebenen Aufladeeinrichtung ist allerdings dadurch
eingeschränkt, daß bei Abschaltung der Turbine des motorfernen ersten Verdichters der motornahe zweite Verdichter über
eine separate Zuleitung Frischluft ansaugt. Nachteilig ist
ferner, daß die beiden Verdichter über einen Drosselklappenstutzen mit der Brennkraftmaschine verbunden sind und bei
hohem Abgasdruck ein Teil der Abgase unter Umgehung der beiden Turbinen ungenutzt in die Atmosphäre gelangt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor der eingangs angeführten Art in Verbindung mit einer Leistungssteigerung den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen zu senken, das Beschleunigungsverhalten im Niedrigdrehzahlbereich zu verbessern und ein

übergangsharmonisches Betriebsspektrum von sehr niedriger

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Drehzahl bei Teillast und Vollast bis zu hoher Drehzahl bei Teillast und Vollast zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Verdichter des größeren Abgasturboladers ein dritter Verdichter eines mit seiner Turbine über ein eigenes Bypassventil in Parallelschaltung zur ersten Turbine an den Abgassammler angeschlossenen und hinsichtlich der eigenständig förderbaren Luftmasse gegenüber dem größeren der beiden anderen Abgasturbolader seinerseits größer bemessenen Abgasturboladers in Reihe vorgeschaltet ist.

Von den drei in Reihe geschalteten Verdichtern ist nur der motornahe kleinste Verdichter dauernd fördernd eingerichtet.

Die über das Bypassventil mit Abgas versorgte größere Turbine beginnt mit ihrer Arbeit erst, sobald ein an einem Bypassregler eingestellter Abgasgrenzdruck erreicht ist und das Bypassventil unter Beibehaltung des an der kleineren Turbine anstehenden Drucks gleichdruckproportional öffnet. Damit bleibt das am Bypassregler eingestellte Druckniveau für die kleinere Turbine erhalten und kann die Leistung des dazugehörigen kleineren Verdichters nicht absinken. Die größere Turbine treibt nach dem Öffnen des Bypassventils den größeren Verdichter zur Vorverdichtung der Ladeluft an.

Sobald die den großen Verdichter durchströmende Luft bei ausreichendem Abgasaufkommen dort auch eine Druckerhöhung erfährt, erhält sie im motornahen kleinen Abgasturbolader dessen spezielle bauart- und baugrößen-bedingte Vervielfachung, z.B. das 1,5-fache, ihres gerade im motorfernen großen Abgasturbolader erzeugten jeweiligen Druckes. Die mit der

Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere auch darin, daß über einen großen Betriebsdrehzahlbereich des Verbrennungsmotors hinweg mit Hilfe der zusätzlichen und separaten Vorwegdrucksteigerung durch den großen Abgasturbolader das bei Teillast und Vollast zunehmend benötigte Ladeluftvolumen zusätzlich durch den kleinen Verdichter hindurchgedrückt und danach wieder entspannt wird.

Die Ladeluftförderung steigt mit dem Beginn der Tandemverdichtung in Abhängigkeit von der Vorwegverdichtungsleistung des in der Reihenschaltung motorfernen großen Verdichters weiter an, wobei der Druck direkt nach dem Austritt der Ladeluft aus dem in der Reihenschaltung motornahen letzten Verdichter auf das von diesem kleineren Verdichter allein erbrachte Druckverhältnis abfällt. Dieser Druckabfall und ein damit verbundener Temperaturrückgang entstehen, weil sich das Schluckvermögen des Verbrennungsmotors linear drehzahlabhängig entwickelt und die vom motorfernen großen Verdichter geförderte Ladeluft so verdichtet wird, daß sie das bei steigender Motordrehzahl auch ansteigende Schluckvolumen des Verbrennungsmotors mit gleichbleibendem Druck ausfüllt. Anders ausgedrückt wird im motorfernen großen Verdichter der Druck nur erhöht, um die in einem höheren Drehzahlbereich notwendige zusätzliche Ladeluft störungsfrei durch den begrenzten Querschnitt des bereits voll ausgelasteten motornahen kleinen Verdichters zu drücken, ohne daß deshalb in der kleineren Turbine des motornahen kleineren Abgasturboladers mehr Leistung benötigt wird. Der nach dem Durchsatz durch den motornahen kleineren Verdichter auftretende Druckabfall führt zu einem beachtlichen Temperaturrückgang, was zu einer vorteil-

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haften Erhöhung der geometrisch-mechanischen Verdichtung in den Zylindern des Verbrennungsmotors genutzt wird.

Die eigenständig förderbare Luftmasse des großen Abgasturboladers beträgt etwa das Doppelte des kleinen Abgasturboladers, wobei die spezielle und alleinige Drucksteigerung des motorfernen großen Verdichters im Maximum denselben Faktor aufweist. Der stromab zweite, kleine Verdichter und die dazugehörige kleine Turbine sind beispielsweise so klein, daß sie alleine und unter Vollast arbeitend ihre volle Leistung und ihre maximale Drehzahl schon bei 25 % der Betriebsdrehzahlspanne des Verbrennungsmotors erreichen. Da Abgasturbolader stets sowohl abgas- als auch ladeIuftseitig mit ihren Kennlinien präzise auf den jeweiligen Verbrennungsmotor abgestimmt sein müssen, wird durch die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung eine Verbesserung der Gesamtkennlinie mit genügendem Abstand zur Pumpgrenze erzielt.

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

Die Zeichnung zeigt einen Verbrennungsmotor 10, dessen sechs Zylinder 11 aus einem gemeinsamen Ladeluftsammler 12 mit Ladeluft versorgt werden und abgasseitig an einen gemeinsamen Abgassammler 13 angeschlossen sind. Das vom Verbrennungsmotor 10 kommende Abgas durchströmt die kleinste Turbine 14 alleine, bis diese kleinste Turbine 14 entsprechend ihrer kleinsten Bemessung für den Aufstau der Abgase ihre maximale Betriebsdrehzahl und damit auch die maximale Leistung dieses

kleinsten Abgasturboladers 15 schon bei einem Viertel der Betriebsdrehzahlspanne des Verbrennungsmotors 10 unter Vollast erreicht hat. Naturgemäß und gewollt hat dann auch der kleinste Verdichter 16 bereits seine höchstmögliche Leistung und sein eigenes höchstmögliches Druckverhältnis in diesem Fall von ca. 2,0 erreicht. Oberhalb dieses Viertelspunktes der Betriebsdrehzahlspanne des Verbrennungsmotors 10 bei Vollast öffnet das erste Bypassventil 17 proportional unter Beibehaltung des bei dem kleinsten Abgasturbolader 15 anstehenden Abgasdruckes, so daß das von dem kleinsten Verdichter 16 erzeugte Druckverhältnis über diesen ganzen oberen Drehzahlbereich von drei Vierteln der Betriebsdrehzahlspanne des Verbrennungsmotors 10 bei Vollast erhalten bleibt. Außerdem beginnt an diesem Viertelspunkt auch die Ladeluftförderung des mittleren Abgasturboladers 18, wobei der mittlere Verdichter 19 keine Schwierigkeiten hat, seine anfangs nur gering komprimierte Ladeluft an den motornahen kleinsten Verdichter 16 loszuwerden, da dieser kleinste Verdichter 16 Ladeluft bereits ansaugt, so daß die aus dem mittleren Verdichter 19 strömende Ladeluft zumindest anfänglich keinen Staudruck auf dem Weg zum kleinsten Verdichter 16 vorfindet. Zwischen dem mittleren Verdichter 19 und dem kleinsten Verdichter 16 ist in den Ladeluftstrang 20 ein Ladeluftkühler 21 eingefügt, damit die Erwärmung der Ladeluft im mittleren Verdichter 19 nicht auf dessen Verdichtungsleistung hemmend zurückwirkt. Bei voller Verdichtungsleistung des mittleren Abgasturboladers 18 wird eine etwa doppelt so große Ladeluftmasse vom mittleren Abgasturbolader 18 durch den kleinsten Verdichter 16 hindurchgedrückt, als der kleinste Abgasturbolader 15 eigenständig und alleine fördern und verdichten kann. Dieser Betriebspunkt stellt sich dann auch bei der

doppelten Betriebsdrehzahlspanne, also bei ca. 50 % der Vollastdrehzahl, des Verbrennungsmotors 10 ein. Oberhalb dieses Punktes beginnt nun der dritte und größte Abgasturbolader 22 die den motorfernsten und größten Verdichter 23 durchströmende Ladeluft zu verdichten, wobei diese ebenfalls anfangs nur gering komprimierte Ladeluft wiederum keine Schwierigkeiten hat, den zweiten Ladeluftkühler 24 durchquerend vom mittleren Verdichter 19 angenommen und weiter verdichtet zu werden. Mit Erreichen der Höchstbetriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors 10 erreicht auch der größte Abgasturbolader 22 seine höchste Leistung und seine höchste Betriebsdrehzahl , so daß er in dem hier beschriebenen Fall etwa die doppelte Luftmenge mit etwa dem doppelten Druckverhältnis in den mittleren Verdichter 19 hineindrückt, wo diese Ladeluft dann wiederum auf etwa das doppelte Druckverhältnis verdichtet wird.

Dadurch, daß dem Verdichter 19 des größeren Abgasturboladers 18 von lediglich zwei Abgasturboladern 15 und 18 ein dritter Verdichter 23 eines mit seiner Turbine 25 über ein eigenes Bypassventil 26 in Parallelschaltung zur ersten Turbine 14 an den Abgassammler 13 angeschlossen und hinsichtlich der eigenständig förderbaren Luftmasse gegenüber dem größeren der beiden anderen Abgasturbolader 15 und 18 seinerseits größer bemessenen Abgasturboladers 22 in Reihe vorgeschaltet ist, wird die Gesamtkennlinie der Aufladeeinrichtung weiter verbessert und erhält das Betriebsspektrum des Verbrennungsmotors 10 von sehr niedriger Drehzahl bei Teillast und Vollast bis zu hoher Drehzahl bei Teillast und Vollast einen noch übergangsharmonischeren Charakter. Hierbei wird die Turbine 27 des mittelgroßen Abgasturboladers 18 über ihr Bypassventil 17 vor der

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Turbine 25 des größten Abgasturboladers 22 an den Abgassammler 13 angeschlossen. Die Aufteilung der gesamten Ladeluftförderung auf drei statt zwei Abgasturboladersysterne verbessert nochmals die Linearität des Ladeluftdruckdiagramms und führt zu einer weiteren Verkleinerung des sogenannten Turbolochs. Um die Steuerung der beiden Bypassventile 17 und 26 durch verschiedenartige Signale zu entkoppeln und damit sicherer und einfacher zu gestalten, ist das der Turbine 25 des größten Abgasturboladers 22 zugeordnete Bypassventil 26 über eine Steuerleitung 28 vom Ladeluftdruck im Ladeluftsammler des Verbrennungsmotors 10 gesteuert, wogegen das der Turbine 27 des mittelgroßen Abgasturboladers 18 zugeordnete Bypassventil 17 vom Abgasdruck im Abgassammler 13 des Verbrennungsmotors 10 gesteuert ist.

Die Auslegung des jeweils ladeluftseitig stromauf vorausgehenden Abgasturboladers auf etwa das doppelte Fördervolumen und etwa die doppelte Förderhöhe ist ein Kompromiß zwischen der bei Abgasturboladung typischen höchsten Spitzenleistungsmöglichkeit bei höchster Drehzahl und der äußerst geringen Drehmoment- bzw. geringen Leistungsentwicklung bei niedriger Betriebsdrehzahl und Vollast. Dieser Zielkonflikt ist auf die bei Turbinen im Betriebsdrehzahldiagramm typische spitzige Förderkurve zurückzuführen, was im Gegensatz zu der beim Verbrennungsmotor für Landfahrzeuge angestrebten Zugkrafthyperbel steht. Man verlegt deshalb den höchsten Aufladepunkt des Abgasturboladers 18 im Betriebsdrehzahldiagramm des Verbrennungsmotors 10 bei der Verwendung von drei Abgasturboladern ungefähr in dessen Mitte. Der dann im höheren Drehzahlbereich zu stark ansteigende Abgasdruck wird beim Öffnen des Bypassventils 26 zum Antrieb des dritten Abgasturboladers 22

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verwendet. Nach alledem macht der Bemessungsunterschied der beiden Abgasturbolader 15 und 18 etwa den Faktor zwei aus und der Bemessungsunterschied zwischen dem mittleren Abgasturbolader 18 und dem größten Abgasturbolader 22 ebenfalls etwa den Faktor zwei aus.

Die infolge der abgestuften Bemessung des in der Reihenschaltung stromab letzten Verdichters 16 durch einen Druckabfall entstehende Abkühlung der aus dem stromab letzten Verdichter 16 ausströmenden Ladeluft ist für eine höhere geometrisch-mechanische Verdichtung in den Zylindern 11 des Verbrennungsmotors 10 genutzt, so daß sich im Verbund der Motorkenndaten insbesondere für die Motorleistung, das Beschleunigungsverhalten, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen eine weitere Verbesserung ergibt. Im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor ohne die beschriebene Aufladeeinrichtung ist die Erhöhung der geometrisch-mechanischen Verdichtung vorzugsweise mit etwa 15 % bemessen.

Claims

Schutzansprüche

1. Aufladeeinrichtung eines Verbrennungsmotors, bei der parallel zur Turbine eines ersten Abgasturboladers die Reihenschaltung eines Bypassventils mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers an den Abgassammler des Verbrennungsmotors angeschlossen ist, die Verdichter der beiden mit ihren Turbinen parallelgeschalteten Abgasturbolader in Reihe geschaltet sind, sich die beiden Abgasturbolader in ihrer Bemessung hinsichtlich der eigenständig förderbaren Luftmasse voneinander unterscheiden, der größere der beiden Abgasturbolader dem Bypassventil zugeordnet ist und der Verdichter des ungehindert mit Abgas beaufschlagten Abgasturboladers als die motornahe Endstufe der Reihenschaltung der beiden Verdichter eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdichter (19) des größeren Abgasturboladers (18) ein dritter Verdichter (23) eines mit seiner Turbine (25) über ein eigenes Bypassventil (26) in Parallelschaltung zur ersten Turbine (14) an den Abgassammler (13) angeschlossenen und hinsichtlich der eigenständig förderbaren Luftmasse gegenüber dem größeren der beiden anderen Abgasturbolader (15,18) seinerseits größer bemessenen Abgasturboladers (22) in Reihe vorgeschaltet ist.

2. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Turbine (25) des größten Abgasturboladers (22) zugeordnete Bypassventil (26) über eine Steuerleitung (28) vom Ladeluftdruck im Ladeluftsammler (12) des Verbrennungsmotors (10) gesteuert ist, wogegen das der Turbine (27) des mittelgroßen Abgasturboladers (18) zugeordnete Bypassventil (17) vom Abgasdruck im Abgassammler (13) des Verbrennungsmotors (10) gesteuert ist.

3. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bemessungsunterschied zwischen dem mittleren Abgasturbolader (18) und dem größten Abgasturbolader (22) etwa den Faktor zwei ausmacht.

4. Aufladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die infolge der abgestuften Bemessung des in der Reihenschaltung stromab letzten Verdichters (16) durch einen Druckabfall entstehende Abkühlung der aus dem stromab letzten Verdichter (16) ausströmenden Ladeluft für eine höhere geometrisch-mechanische Verdichtung in den Zylindern (11) des Verbrennungsmotors (10) genutzt ist.

5. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der geometrisch-mechanischen Verdichtung mit etwa 15 % bemessen ist.