DE3046874C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1. Mit der Erfindung wird eine Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens der Brennkraftmaschinen bezweckt.

Für diesen Zweck sind mit der DE 27 06 696 A1 zwei verschiedene Systeme bekanntgeworden. Deren Arbeitsprinzip besteht darin, den Energieinhalt des von der Brennkraftmaschine bei Leerlauf oder kleiner Teillast produzierten Abgasmassenstroms vor Eintritt in die Abgasturbine des Abgasturboladers anzuheben. Mit dem energiereicheren Abgas wird eine schnelle Drehzahlzunahme des Abgasturboladers bzw. ein rascher Druckaufbau im Ladeluftsystem der Brennkraftmaschine erreicht.

Bei dem einen System durchströmt das Abgas der Brennkraftmaschine eine Hilfsbrennkammer. Dort wird durch Zufuhr von Brennstoff, der unter Ausnutzung des im Abgas enthaltenen Restsauerstoffs verbrennt, die Abgastemperatur und -menge erhöht. Das Brennverhalten der Hilfsbrennkammer ist bei diesem System infolge des pulsierenden Abgasstromes aus der Brennkraftmaschine jedoch instabil und kann sogar zum Verlöschen der Hilfsbrennkammer führen.

Bei dem anderen System wird der Hilfsbrennkammer kein Abgas, sondern aus dem Ladeluftstrom für die Brennkraftmaschine abgezweigte Verbrennungsluft sowie Brennstoff zugeführt. Das in der Hilfsbrennkammer produzierte Heißgas wird dann dem Abgasstrom aus der Brennkraftmaschine vor dem Eintritt in die Abgasturbine des Abgasturboladers zugemischt. Mit diesem System ist ein stabiler Betrieb der Hilfsbrennkammer möglich und auch das Beschleunigungsverhalten der Brennkraftmaschine wird spürbar verbessert. Der gravierende Nachteil liegt jedoch darin, daß bei optimaler Abstimmung des Systems auf die Betriebsphase mit Brennkraftmaschine und Unterstützung durch die Hilfsbrennkammer der normale Brennkraftmaschinenbetrieb ohne Unterstützung durch die Hilfsbrennkammer sehr unbefriedigend ist.

Eine gattungsbildende aufgeladene Brennkraftmaschine mit Hilfsbrennkammer ist aus der DE 28 52 709 A1 bekannt. Die Hilfsbrennkammer der bekannten Anordnung kann nur gezündet werden, wenn der Ladeluftverdichter des zugeordneten einen Abgasturboladers in Betrieb ist und bei Stellung "b" der Einrichtung zur Steuerung der Ladeluftleitungen der Durchgang zur Luftleitung der Hilfsbrennkammer wirksam ist.

Ein zum Zünden der Hilfsbrennkammer ausreichender Luftmassenstrom wird vom Ladeluftverdichter erst geliefert, wenn der Abgasturbine etwa 50% des Vollast-Abgasmassenstromes zugeführt werden. Die zur Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens der Brennkraftmaschine noch erforderlichen restlichen 50% des Abgasmassenstromes muß die Hilfsbrennkammer nach ihrer Inbetriebnahme beisteuern. An der Einmündung der Auspuffleitung der Hilfsbrennkammer in die Abgaszuleitung der Abgasturbine des einen Abgasturboladers treffen bei diesem Betriebszustand zwei annähernd gleich große Abgasmassenströme aufeinander. Die Vereinigung dieser beiden Abgasmassenströme sollte möglichst verlustarm erfolgen, damit an der Abgasturbine des einen Abgasturboladers ein maximales Energiepotential verfügbar ist.

Die Forderung nach verlustarmer Strömungsführung an der Verbindungsstelle der Auspuffleitung der Hilfsbrennkammer mit der Abgaszuleitung der Abgasturbine sollte auch bei abgeschalteter Hilfsbrennkammer und Parallelbetrieb der beiden Abgasturbolader erfüllt sein. Das Verhältnis der Abgasmassenströme zwischen Auspuffleitung und Abgaszuleitung ist dann 0% zu 100%. Eine Optimierung der Verbindungsstelle von Auspuffleitung und Abgaszuleitung ist nur für einen der möglichen Betriebszustände realisierbar. Für jeden abweichenden Betriebszustand ergeben sich dann entsprechend nachteilige Auswirkungen auf die Abgasturbine oder auf die Hilfsbrennkammer.

Außerdem hat sich auch bei der Anordnung gemäß DE-OS 28 52 709 gezeigt, daß der pulsierende Abgasstrom der Brennkraftmaschine in der Abgaszuleitung störenden Einfluß auf die Flammbildung der Hilfsbrennkammer hat.

Aus der DE-OS 29 11 727 ist eine gattungsähnliche aufgeladene Brennkraftmaschine mit Hilfsbrennkammer bekanntgeworden, bei der in der Saugleitung des einen abschaltbaren Abgasturboladers ein Rückschlagventil angeordnet ist. Die Luftversorgung der Hilfsbrennkammer ist bei dieser bekannten Anordnung jedoch nicht zwischen den Ladeluftverdichtern der beiden Abgasturbolader umschaltbar. Ferner ergeben sich aus der hier vorgeschlagenen Anordnung der Hilfsbrennkammer die gleichen, vorstehend schon beschriebenen nachteiligen Wirkungen hinsichtlich Abgaszusammenführung und Brennverhalten der Hilfsbrennkammer.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, die zur Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens mit einer Hilfsbrennkammer ausgerüstet ist, für die Betriebszustände mit und ohne Unterstützung der Hilsbrennkammer eine optimale Strömungsführung bei der Abgasversorgung der Abgasturbine des einen Abgasturboladers zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst und findet die weitere Ausgestaltung durch das Merkmal von Anspruch 2.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich gegenüber aufgeladenen Brennkraftmaschinen ohne Hilfsbrennkammer eine deutliche Verringerung der für die Beschleunigung der Brennkraftmaschine von Leerlauf bis Vollast erforderlichen Zeitspanne ergibt, daß ein von der Abgaspulsation der Brennkraftmaschine unbeeinflußter Betrieb der Hilfsbrennkammer ermöglicht wird, daß durch Fortfall der Störstelle, den die Vorrichtung für die Zuammenführung der Abgasmassenströme aus der Brennkraftmaschine und der mit Vollast betriebenen Hilfskammer vorher für die Abgasströmung darstellte, die Abgasleitung der Brennkraftmaschine nun für eine optimale Strömungsführung gestaltet werden kann, und daß eine kurze Beschleunigungszeit für die Brennkraftmaschine erreichbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.

Eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylindern 11, 12, die je eine Ladeluftleitung 13, 14 und je eine Abgasleitung 15, 16 aufweisen, wird durch Abgasturbolader 17, 18 mit vorverdichteter Ladeluft versorgt. Den Ladeluftleitungen 13, 14, die miteinander durch eine Überströmleitung 19 verbunden sind, ist in den von den Ladeluftverdichtern 24, 27 der Abgasturbolader 17, 18 herkommenden Ladeluftleitungen 20, 21 je ein Ladeluftkühler 22, 23 vorgeschaltet. In den Ansaugleitungen 37, 38 der Ladeluftverdichter 24, 27 ist je eine Rückschlagklappe 39, 40 angeordnet. Die Rückschlagklappen zur Steuerung der Ladeluft 39 oder 40 schließt sich selbsttätig, sobald der zugehörige Ladeluftverdichter nicht mehr in der Lage ist, gegen den im Ladeluftsystem der Brennkraftmaschine herrschenden Druck zu fördern. Die Abgasleitungen 15, 16 sind über eine, die Schaltstellungen "a" und "b" aufweisende Umschalteinrichtung 28 zu den Abgasturbinen 25, 26 der Abgasturbolader 17, 18 geführt. Eine Hilfsbrennkammer 31, der Verbrennungsluft über Luftleitung 32 aus der Ladeluftleitung 21 zuführbar ist, ist mit ihrer Auspuffleitung 30 ebenfalls an die Umschalteinrichtung 28 angeschlossen.

Zur Regelung des Verbrennungsluftstromes für die Hilfsbrennkammer 31 ist mindestens in der Luftleitung 32 eine bis auf Null-Durchgang verstellbare Regeleinrichtung 33 angeordnet, die durch eine weitere Regeleinrichtung 34 in der Ladeluftleitung 21 unterstützt werden kann.

Im Normalbetrieb, wenn die Brennkraftmaschine bei Leerlauf oder geringer Last arbeitet, befindet sich die Umschalteinrichtung 28 in Stellung "a". Die geschlossene Regeleinrichtung 33 sperrt die Luftzufuhr zur Hilfsbrennkammer 31 und das Abgas der Brennkraftmaschine wird über Abgasleitung 35 und Abgaszuleitung 36 nur dem Abgasturbolader 17 zugeführt, der mit seinem Ladeluftverdichter 24 über die Ladeluftleitung 20 allein die Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine wahrnimmt. Da der Abgasturbolader 18 antriebslos ist, der Ladeluftverdichter 27 also nicht fördert, schließt sich unter der Wirkung des vom Ladeluftverdichter 24 im Ladeluftsystem der Brennkraftmaschine aufgebauten Ladeluftdruckes die Rückschlagklappe 40.

Für einen bevorstehenden Beschleunigungsfall, d. h. wenn voraussehbar ist, daß die Brennkraftmaschine aus dem Leerlauf heraus oder bei Teillast für eine rasche Drehzahlerhöhung bereit sein muß, wird nach Öffnen der Regeleinrichtung 33 bei Stellung "a" der Umschalteinrichtung 28 die Hilfsbrennkammer 31 gezündet und deren Abgas über Auspuffleitung 30, Umschalteinrichtung 28 und Abgaszuleitung 29 der Abgasturbine 26 des Abgasturboladers 18 zugeführt. Der Abgasturbolader 18 erfährt dadurch eine Drehzahlsteigerung, der bei Vollastbetrieb der Hilfsbrennkammer 31 groß genug ist, um gegen den von Ladeluftverdichter 24 des Abgasturboladers 17 aufgebauten Druck im Ladeluftsystem der Brennkraftmaschine zu fördern. Dadurch öffnet sich die Rückschlagklappe 40, wogegen sich die Rückschlagklappe 39 schließt, wenn die Förderung des Ladeluftverdichters 27 die des Ladeluftverdichters 24 übersteigt.

Mit Unterstützung der Hilfsbrennkammer 31 ist der Abgasturbolader 18 in der Lage, die alleinige Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine und die Lieferung der Verbrennungsluft für die Hilfsbrennkammer 31 zu übernehmen. Unabhängig von der Abgasproduktion der Brennkraftmaschine wird mit Unterstützung der Hilfsbrennkammer 31 ein wesentlich höherer Ladeluftmassenstrom vom Abgasturbolader 18 erzeugt, als dem momentanen Leistungsniveau der Brennkraftmaschine entspricht. Dieser Luftüberschuß erlaubt eine für die Beschleunigung erforderliche Steigerung der Brennstoffzufuhr für die Brennkraftmaschine, deren Abgasproduktion dadurch entsprechend zunimmt. Mit dem beim Beschleunigen zunehmenden Abgasmassenstrom aus der Brennkraftmaschine ist der Abgasturbolader 17 schließlich in der Lage, sich wieder an der Ladeluftversorgung von Brennkraftmaschine und Hilfsbrennkammer 31 zunehmend zu beteiligen. Wodurch sich die Rückschlagklappe 39 wieder öffnet.

Nachdem die Brennkraftmaschine auf die gewünschte Drehzahl beschleunigt wurde oder die Leistungsgrenze der Brennkraftmaschine erreicht ist, bis zu der der Abgasturbolader 17 in der Lage ist, allein den Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine zu schlucken, wird die Hilfsbrennkammer 31 gelöscht oder auf Bereitschaftsleistung zurückgenommen. Gleichzeitig erfolgt der Wechsel der Umschalteinrichtung 28 in Stellung "b", bei der sich dann das Abgas aus der Brennkraftmaschine auf beide Abgasturbolader 17, 18 verteilt.

Bei Bereitschaftsleistungsbetrieb der Hilfsbrennkammer 31 ist deren Abgasproduktion gegenüber dem Vollastbetrieb nur gering. Die Zuführung dieser geringen Abgasmenge aus der Auspuffleitung 30 zum Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine beeinträchtigt den Betrieb der Brennkraftmaschine nicht.

Die in der Zeichnung dargestellte Zusammenfassung der Abgasleitungen 15, 16 in der Abgasleitung 35 vor der Umschalteinrichtung 28 ist nicht die einzig mögliche Anordnung.

Die Abgasleitungen 15 und 16 können auch unter Wegfall der Abgasleitung 35 getrennt bis zur Umschalteinrichtung 28 geführt werden und sich bei Stellung "a" innnerhalb der Umschalteinrichtung 28 vereinigen, um gemeinsam Abgaszuleitung 36 zu speisen. Dadurch entfällt in Stellung "b" die Verzweigung der Leitungspfade für das Brennkraftmaschinenabgas. In der Umschalteinrichtung 28, Stellung "b", ist dann für die Verbindung der Abgasleitung 15 mit Abgaszuleitung 36 und Abgasleitung 16 mit Abgaszuleitung 29 je ein Strömungsweg vorhanden. Das aus dem Bereitschaftsbetrieb der Hilfsbrennkamer 31 stammende Abgas wird bei dieser Variante einem der beiden Abgasturbolader zugeführt oder auch unter Umgehung der Abgasturbolader direkt in die Auspuffleitung 41 der Brennkraftmaschine geleitet.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Umschalteinrichtung 28 wegen der besseren Übersichtlichkeit als geschlossene Einheit dargestellt. Es ist jedoch ebenso gut möglich, für die von der Umschalteinrichtung 28 beherrschten Leitungen jeweils einzelne Umschalteinrichtungen zu verwenden.

Claims (2)

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine, von deren Zylinderreihen einerseits Abgasleitungen zu Abgasturbinen und andererseits Ladeluftleitungen zu Ladeluftverdichtern von zwei parallel arbeitenden Abgasturboladern führen, wobei die Abgaszuleitung zur Abgasturbine des einen Abgasturboladers eine steuerbare Umschalteinrichtung besitzt und die Abgasleitungen mit der Abgaszuleitung der Abgasturbine des anderen Abgasturboladers ständig verbunden ist, wobei der Abgasturbine des einen Abgasturboladers eine Hilfsbrennkammer zugeordnet ist, die durch eine steuerbare Luftleitung mit der vom Ladeluftverdichter des einen Abgasturboladers ausgehenden Ladeluftleitung in Verbindung bringbar ist und die Auspuffleitung der Hilfsbrennkammer in die Abgaszuleitung der Abgasturbine des einen Abgasturboladers mündet, wobei die Ladeluftleitungen der Zylinderreihen durch eine Einrichtung steuerbar ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Einrichtung (39, 40) zur Steuerung der Ladeluftleitungen (13, 14, 19, 20, 21) die Luftversorgung der Hilfsbrennkammer (31) zwischen den Ladeluftverdichtern (24, 27) der beiden Abgasturbolader (17, 18) umschaltbar ist, und daß eine Umschalteinrichtung (28) angeordnet ist, die in einer ersten Stellung getrennte Durchgänge von den Abgasleitungen (15, 16, 35) der Zylinderreihen (11, 12) zur Abgaszuleitung (36) und von der Auspuffleitung (30) zur Abgaszuleitung (29) aufweist und die in einer zweiten Stellung die vorgenannten Durchgänge miteinander verbindet.

2. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung der Ladeluftleitungen (13, 14, 19, 20, 21) von selbsttätigen Rückschlagklappen (39, 40) gebildet wird, die jeweils auf der Saugseite der Ladeluftverdichter (24, 27) angeordnet sind.