DE3101623A1

DE3101623A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3101623A1
Application number: DE19813101623
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8990 Lindau Arpa
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1981-01-20
Filing date: 1981-01-20
Publication date: 1982-10-21
Also published as: DE3101623C2

Description

Brennkraftmas chine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Mit der Erfindung wird bezweckt, den Betrieb von Brennkraftmaschine und den ihr zugeordneten Abgasturboladern bei optimalen Bedingungen sicherzustellen.
Bei den mit Abgasturbo-Aufladung arbeitenden Brennkraftmaschinen ist die Drehzahl des zugehörigen Abgasturboladers der Motordrehzahl nicht unmittelbar zugeordnet. Die Drehzahl eines Abgasturboladers ergibt sich aus dem Gleichgewichtszustand zwischen der aus dem Abgasmassenstrom resultierenden Turbinenleistung und der für den Ladeluftmassenstrom erforderlichen Verdichterleistung. Es handelt sich um sogenannte freilaufende Abgasturbolader.
Bei einer bekannten Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art hat sich gezeigt, daß von einem bestimmten Leistungsniveau der Brennkraftmaschine an beim Zuschalten eines weiteren Abgasturboladers, dessen Drehzahl sich nicht gleichmäßig der Drehzahl der bereits laufenden anderen Abgasturbolader nähert, um dann synchron mitzulaufen, sondern es kommt vielmehr zu einem tiberschwingen der Drehzahl des zugeschalteten Abgasturboladers. Günstigenfalls klingen die Drehzahlpendelungen in einem gewissen Zeitraum in das von den anderen Abgasturboladern vorgegebene Drehzahlniveau aus.
In ungünstigen Fällen wird durch den zugeschalteten Abgasturbolader aber eine derartige Drehzahl-Unstabilität verursacht, daß die bereits laufenden Abgasturbolader ebenfalls zu großen Drehzahlpendelungen angeregt werden, ohne daß es zu einem Ausklingen der Pendelungen kommt. Diese Drehzahlpendelungen, deren Amplitude pro Sekunde 25 bis 30 ffi der Nenndrehzahl erreichen können, sind erst durch das Abschalten des auslösenden Abgasturboladers wieder zu unterbinden. Die auftretenden Uberdrehzahlen und die raschen Drehzahlwechsel stellen für die Abgasturbolader aber eine ernsthafte Betriebsgefährdung dar, weil bei häufigem Auftreten eine rasche Naterialermüdung erfolgt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen störungsireien Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mehreren zu- und abschaltbaren Abgasturboladern zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit dem kennzeichnenden Merkmal von Patentanspruch 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich mit dem Merkmal von Patentanspruch 2 bzw. 3.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß Materialermüdungen an den rotierenden Teilen der Abgasturbolader infolge von häufig auftretenden Uberdrehzahlen vermieden werden, und daß die durch die irehzahlpendelungen des oder der Abgasturbolader verursachte zeitweise mangelhafte Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine unterbunden wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.
Es zeigen Figur 1: Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern; Figur 2: Drehzahlverlauf der Abgasturbolader ohne Erfindungsanwendung; Figur 3: Drehzahlverlauf der Abgasturbolader mit Erfindungsanwendung.
Die beiden Zylinderreihen 11 und 12 einer Brennkraftmaschine sind mit je einer Abgassammelleitung 13 bzw. 14 und mit je einer Ladeluftleitung 15 bzw. 16 versehen.
Die beiden Ladeluftleitungen 15 und 16 sind durch eine Leitung 17, die beiden Abgassammelleitungen 13 und 14 durch eine Leitung 18 verbunden. Die Abgassammelleitungen führen zu Je einer Abgasturbine 21 und 22 von zwei Abgasturboladern 23 bzw. 24. Die Abgasturbinen treiben Verdichter 25 und 26 an. Diese saugen die Ladeluft über Ansaugluftfilter 27 bzw. 28 an und drücken sie über Ladeluftkühler 29 und 30 in die Ladeluftleitungen 15 bzw. 16.
Zwischen der Abgassammelleitung 14 und der Abgasturbine 22 ist eine stellbare Abgasklappe 31 angeordnet, mit der die Abgaszufuhr zur Abgasturbine 22 abgesperrt werden kann. In der Saugleitung 20 des Verdichters 26 ist ein Rückschlagventil 32 angeordnet, daß in der Saugleitung 20 eine Luftströmung in Richtung Verdichter 26 zuläßt, eine entgegengesetzte Luftströmung jedoch verhindert.
Dieses Rückschlagventil 32 kann z. B. als Rückschlagklappe ausgebildet sein und wird durch den Druck in der Saugleitung betätigt.
Beim Anlassen der Brennkraftmaschine und in allen Betriebsbereichen, in denen nur kleine Abgasmengen anfallen, z. B. im Leerlauf und Teillastbetrieb, ist die Abgasklappe 31 geschlossen und die Brennkraftmaschine wird nur mit dem Abgasturbolader 23 aufgeladen. Die vom Verdichter 25 gelieferte LadeluSt strömt in die Ladeluftleitungen 15 und 16 und gelangt über den Ladeluftkühler 30 und die Beschaufelung des Verdichters 26 des Abgas- turboladers 24 bis an das Rückschlagventil 32, das durch den Ladeluftdruck geschlossen wird und ein Entweichen der Ladeluft verhindert. Dadurch herrscht vor und hinter der Beschaufelung des Verdicbters 26 derselbe Druck.
Wenn mit steigender Belastung und/oder mit steigender Drehzahl das Abgas-Angebot der Brennkraftmaschine größer wird und schließlich das Schluckvermögen der Turbine 21 des Abgasturboladers 23 übersteigt, muß der zweite Abgasturbolader 24 zugeschaltet werden. Dies erfolgt in einfacher Weise durch Öffnen der Abgasklappe 31. Die durch die Turbine 22 strömenden Abgase können in sehr kurzer Zeit den Abgasturbolader 24 beschleunigen, weil der Verdichter 26 noch keine Luft fördert und dementsprechend keine Förderarbeit aufzubringen ist. Erst wenn der Verdichter 26 auf Grund seiner Drehzahl in der Lage ist, einen höheren Druck als den gerade vorhandenen Ladedruck zu erzeugen, wird das Rückschlagventil 32 durch den Unterdruck in der Saugleitung 20 geöffnet und die Förderung von Luft setzt ein. Mit Öffnen des R5ckschlagventils 32 in der Saugleitung 20 wäre der Zuschaltvorgang an sich abgeschlossen. Es hat sich aber gezeigt, daß beim Zuschalten Drehzahl-Unstibilitäten in Form von Drehzahlpendelungen bei beiden freilaufenden Abgasturboladern 23, 24 auftreten. In günstigen Fällen sind die Drehzahlen nach wenigen Pendelungen synchron und die Brennkraftmaschine kann in gewohnter Weise mit beiden Abgasturboladern in allen Betriebsbereichen mit großem Abgasanfall betrieben werden.
Bei einem ungünstigen Verlauf eines Zuschaltvorgangs hören die Pendelungen aber nicht iuf. Der Drehzahlverlauf zweier Abgasturbolader für einen solchen ungünstigen Zuschaltvorgang ist in Figur 2 dargestellt. Mit 34 ist der Drehzahlverlauf des Abgasturboladers 23 bezeichnet, der, wie vorstehend beschrieben, zunächst das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine erhielt. Zum Zeit- punkt 36 wird Abgasturbolader 24 durch Öffnen der Abgasklappe 31 zugeschaltet. Seine Drehzahl 35 nimmt rasch zu, übersteigt jedoch die Drehzahl von Abgasturbolader 23. Dessen Drehzahl 34 fällt indessen etwas ab, da sich durch das Zuschalten des weiteren Abgasverbrauchers ein momentaner Abgasmangel ergibt. In weiterer Folge tritt bei beiden Abgasturboladern 23, 24 ein Drehzahlpendeln ein, das erst ausklingt, wenn Abgasturbolader 24 durch Schließen der Abgasklappe 31 wieder abgeschaltet wird.
Ein sicheres Syncronisieren der Drehzahl des zugeschalteten Abgasturbolsders 24 mit der des bereits laufenden wird durch eine Vorrichtung 33 erreicht, mit der die Läufer der beiden AbEasturbolader 27, 24 kuppelbar sind. Bei fluchtenden Läufeiachsen besteht die Vorrichtung 33 beispielsweise aus einem Freilauf oder einer anderen schaltbaren mechanischer Verbindung. Sind die Abgasturbolader 23, 24 voneinander räumlich getrennt an der Brennkraftmaschine angeordnet, so kann die Vorrichtung 33 aus Eurzschlußläufer und Ständerpaket mit Wicklung einer elektrischen Drehfeldmaschine bestehen. Dabei ist dann an der Welle jedes AEgasturboladers ein Läufer einer elektrischen Drehfeldaschine angeordnet und die Wicklungen der zugehörigen Ständerpakete stehen untereinander in leitender Verbindung.
Der Drehzahlverlauf zweier Abgasturbolader, wie er sich mit Einbau der Vorrichtung 33 ergibt, ist in Figur 3 dargestellt. Die zunächst mit zunehmender Abgasproduktion der Brennkraftmaschine ansteigende Drehzahl 34 von Abgasturbolader 23 geht mit Zuschalten von Abgasturbolader 24 im Zeitpunkt 36 etwas zurück. Zum Zeitpunkt 57, an dem sich die beiden Drehzahlkurven schneiden, wird die Vorrichtung 33 automatisch oder gesteuert wirksam und verhindert die Ausbildung von Drehzahlpendelungen.
Vom Zeitpunkt 37 an verlaufen beide Drehzahlen synchron.
Eine von außen steuerbare Vorrichtung 33, z. B. eine füll- und entleerbare hydrodynamische Kupplung, müßte nur für den relativ kurzen Zeitraum vom Zuschalten des Abgasturboladers 24 bis zum Erreichen einer dem Abgasangebot der Brennkraftmaschine entsprechenden Beharrungsdrehzahl aktiviert sein.
L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mehrere parallel geschaltete, einzeln zu- und abschaltbare Abgasturbolader, die zusammen für den Abgas- und Luftmassendurchsatz der Brennkraftmaschine bei Nennleistung ausgelegt sind und bei Teilleistung der Brennkraftmaschine eine dem augenblicklichen Abgasangebot entsprechende Anzahl Abgasturbolader eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der bei wachsender Teilleistung zugeschaltete Abgasturbolader (24) mit den bereits laufenden Abgasturboladern (23) durch eine Vorrichtung (33) gekuppelt wird, sobald sich ihre Drehzahlen auf ein vorbestimmtes Maß angenähert haben.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Abgasturbolader (23, 24) eine elektrische Drehfeldmaschine angeordnet ist, dessen Läufer mit der Welle des Abgasturboladers verbunden ist, und die Wicklungen der Ständerpakete aller elektrischer Drehfeldmaschinen untereinander in leitender Verbindung stehen.
3. Brennkraitmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbolader (23, 24) durch Freiläufe gekuppelt sind.