DE3142499A1

DE3142499A1 - "turbolader-anordnung"

Info

Publication number: DE3142499A1
Application number: DE19813142499
Authority: DE
Inventors: Axel 8047 Karlsfeld Rossmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1981-10-27
Filing date: 1981-10-27
Publication date: 1983-05-11

Description

Turbolader-Anordnung
Die Erfindung betrifft eine Abgas-Turbolader-Anordnung zur Aufladung von Verbrennungsmoeoren, insbesondere Dieselmotoren.
Mit Turbolader aufgeladene Verbrennungsmotoren 9 insbesondere Dieselmotoren, haben gegenüber der "Saugversion" den Nachteil eines trägeren Ansprechens bei Beschleunigung. Dies ist von ganz besonders nachteiligem Effekt beispielsweise bei Panzerfahrzeugen, die für das erwünschte Fahrverhalten im Gelände eine rasche "Gasannahme" benötigen. Das relativ langsame Beschleunigungsverhalten mit Turboladern aufgeladener Motoren hänge in hohem Maß mit dem Beschleunigungsverhalten des Laders und damit besonders mit dem Massenträgheitsmoment des Laderrotors zusammen. Andererseits steht zu Beschleunigungsbeginn und bei niedriger Motordrehzahl relativ wenig Abgas zur Verfügung, um den Lader hochzufahren und die Verdichterleistung aufzubringen.
Bisher wurde versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß man einen Laderrotor mit möglichst geringem Trägheitsmoment verwendet, wozu besondere konstruktive Maß- nahmen dienen. Als Maßnahmen kommen z. B. Ausnehmungen zwischen den Turbinenradschaufeln und/oder Anwendung leichter Werkstoffe (z. B. Keramik) in Betracht. Auch das Zuschalten mehrerer kleiner Lader nacheinander ist bekannt. Hier besteht jedoch u. a. das Problem zusätzlicher langer Abgasleitungen und Kompressionsluftleitungen mit entsprechendem Störungswiderstand sowie Volumen- und Gewichtszunahme der Betriebsmaschine, was beispielsweise in einem Panzerfahrzeug von entscheidendem Nachteil ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Abgas-Turbolader-Anordnung der eingangs genannten Art, bei der die Laderleistung an den jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors gut angepaßt werden kann und dennoch ein einfacher Aufbau gegeben ist.
Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch, daß zumindest zwei Turbolader unterschiedlicher Leistung in Parallelanordnung vorgesehen sind, wobei steuerbare Ventile in einer Abgasleitung und in der Ladeleitung des Verbrennungsmotors ein Zu-, Ab- und/oder Umschalten des oder der Turbolader ermöglichen. Durch einen kleinen und zumindest einen großen Turbolader können optimale Kennfeldanpassungen vorgenommen werden.
Wird der Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor mit geringer Leistung betrieben oder im Anfahrbereich beschleunigt, besorgt vorzugsweise der kleine Turbolader die Aufladung. Dieser beschleunigt sehr schnell aufgrund seines relativ geringen Massenträgheitsmoments und dem für seine relativ kleinen Durchströmungsquerschnitte verhältnismäßig großen Abgasangebots. Wird der Verbrennungsmotor mit höherer Leistung betrieben, tritt zumindest ein größerer Turbolader in Funktion, wobei der kleine Turbolader abgeschaltet wird, aber auch weiterbetrieben werden kann, wenn dies der Betriebszustand des Motors verlangt. Der oder die größeren Turbolader mit den etwas größeren Massenträgheitsmomenten werden demnach erst in Betrieb genommen, wenn ein relativ großes Abgasangebot des Verbrennungsmotors vorhanden ist, durch das ein wirkungsvoller Betrieb der größeren Turbolader möglich ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist demnach insbesondere ein Turbolader kleiner Leistung mit geringem Durchsatz vorgesehen, der bei Stillstand des oder der restlichen Turbolader größerer Leistung beim Anfahren des Verbrennungsmotors durch entsprechende Steuerung der Ventile betrieben wird.
Eine Turbolader-Anordnung einfachen Aufbaus ist gegeben, wenn insbesondere die restlichen Turbolader größerer Leistung gleich groß dimensioniert sind. Hierdurch ergeben sich auch Fertigungsvorteile.
Zweckmäßigerweise ist in der Abgasleitung und in der Ladeleitung des Verbrennungsmotors jeweils ein steuerbares Ventilsystem angeordnet. Beide Ventil systeme schalten demnach sämtliche Turbolader, was den Aufbau weiter vereinfacht.
Eine einfache Steuerung der Ventile ergibt sich, wenn die Ventile der Abgas- und der Ladeleitung gleichzeitig betätigt werden.
Die Anpassung des Kennfelds zur Ladung ist besonders fein und direkt, wenn entsprechend einer vorteil- haften Weiterbildung der Erfindung eine elektronische Steuerung der Ventile vorgesehen ist.
Die Ventile werden zweckmäßigerweise elektromagnetisch betätigt.
Als Steuergröße der Vetilsteuerung findet bevorzugt der Abgasdruck oder der Ladeluftdruck Verwendung.
Alternativ können auch Motordrehzahl oder die Laderdrehzahlen angezogen werden.
Ein besonders kompakter Aufbau ergibt sich, wenn sämtliche Turbolader in einem einzigen Gehäuse aufgenommen sind.
Durch die Erfindung wird demnach eine einfache effektive Abgas-Turbolader-Anordnung geschaffen, bei der eine schnelle Beschleunigung des Laders in jedem Betriebszustand eines Einspritz-Verbrennungsmotors möglich ist.
Die Parallelanordnung der einzelnen Turbolader unterschiedlicher Ladeleistung benötigen nur ein Rohrsystem für das Abgas und die Ladeluft, was weiter zu einer kompakten Bauweise beiträgt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, deren einzige Figur in schematischer Darstellung einen Verbrennungsmotor mit zwei Turboladern unterschiedlicher Ladeleistung zeigt.
An einem Einspritz-Verbrennungsmotor 2 ist über eine Abgasleistung 7 und eine Ladeleitung 8 des Verbrennungsmotors eine Abgas-Turbolader-Anordnung 1 angeschlossen, die im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten Turboladern 3, 4 besteht. Der Turbolader 3 ist klein dimensioniert und weist demzufolge eine kleine Ladeleistung auf im Vergleich zum Turbolader 4 mit größerer Leistung.
Beide Turbolader sind in an sich bekannter Bauweise ausgeführt und in einem einzigen Gehäuse 10 aufgenommen.
Jeder Lader besitzt auf der Abgasseite 15 einen Abgasrotor und auf der Ladeseite 16 einen Ladermotor9 die jeweils starr durch eine Welle 17 verbunden sind) welche im Gehäuse 10 über ein (nicht dargestelltes) kombiniertes Axial- und Radiallager abgestützt ist Die vom Verbrennungsmotor 2 wegführende Abgasleitung 7 umfaßt ein erstes Ventilsystem 59 dessen Ausgänge an einen ersten und zweiten Abgasleitungszweig 19 bzw 12 angeschlossen sind. Der erste Abgasleitungszweig 11 führt auf der Abgasseite 15 zum Turbolader 3 mit der kleineren Ladeleistung, während der zweite Abgasleitungszweig 12 zum abgasseitigen Einlaß des Turboladers 4 mit der größeren Leistung geführt ist.
Entsprechend umfaßt die zum Verbrennungsmotor 2 geleitete Ladeleitung 8 zum Einspeisen von Ladeluft ein Ventilsystem 6, deren beide Eingänge mit einem ersten Ladeleitungszweig 13 und einem zweiten Ladeleitungszweig 14 verbunden sind, die an die entsprechenden ladeseitigen Ausgänge der Turbolader 3 bzw. 4 angelegt sind.
Die Abgas-Turbolader-Anordnung 1 umfaßt ferner eine elektronische Steuerung 9 zur Steuerung der Ventil systeme 5 und 6, die elektromagnetisch betätigbare Ventile sind.
Die Steuerleitung der elektronischen Steuerung 9 zu den beiden Ventil systemen 5 und 6 ist in der Zeichnung in gestrichelter Linie dargestellt.
Der Turbolader 4 mit der größeren Leistung ist vorzugsweise so dimensioniert, daß er allein bei Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 2 eine ausreichende Ladeluftzuführung besorgt.
Der Turbolader 3 mit der kleineren Leistung besitzt deutlich kleinere Rotoren, die für einen geringeren Durchsatz ausgelegt sind.
Im Betrieb wird bei einem Anfahren des Verbrennungsmotors 2 ausschließlich der Turbolader 3 durch entsprechende Schaltung der Ventil systeme 5, 6 betrieben.
Beim Beschleunigen wird demnach zuerst das Abgas des Verbrennungsmotors 2 über den ersten Abgasleitungszweig 11 der Abgasseite 15 des kleineren Turboladers zugeführt.
Dieser beschleunigt nun sehr schnell aufgrund seines relativ geringen Massenträgheitsmoments und dem in bezug auf seine verhältnismäßig kleinen Durchströmungsquerschnitte vergleichsweise großen Abgasangebots.
Hat nun der Turbolader 3 seine vorgesehene Drehzahl erreicht, schaltet das Abgas-Ventil system 5 durch die elektronische Steuerung 9 den größeren Turbolader 4 zu oder auf diesen um, während gleichzeitig eine entsprechende Ventilschaltung des Ladeluft-Ventilsystems 6 auf der Verdichterseite erfolgt. Der größere Turbolader 4 mit seinen vehältnismäßig großen Durchströmungsquerschnitten steht damit dem vergleichsweise großen Abgasangebot des Verbrennungsmotors 2 zur Verfügung, der nunmehr beispielsweise unter Nennlast läuft.
Als Steuergrößen der Ventil systeme 5 , 6 können neben der Laderdrehzahl auch andere Größen angezogen werden wie z. B. Abgasdruck, Ladeluftdruck und Motordrehzahl Leerseite

Claims

Patentansprtiche W Abgas-Turbolader-Anordnung zur Aufladung von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren9 dadurch gekennzeichnet, daB zumindest zwei Turbolader (3D 4) unterschiedlicher Leistung in Parallelanordnung vorgesehen sind, wobei steuerbare Ventile (59 6) in der Abgasleitung (7) und in der Ladeleitung (8) des Verbrennungsmotors (2) ein Zu- Ab- und/oder Umschalten des oder der Turbolader ermöglichen.
2. Abgas-Turbolader-Anordnung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß ein Turbolader (3) kleiner Leistung mit geringem Durchsatz vorgesehen ists der bei Stillstand bzw. Leerlauf des (der) restlichen Turbolader (4) größerer Leistung beim Anfahren des Verbrennungsmotors (2) durch entsprechende Steuerung der Ventile (5, 6) betrieben wird.
3. Abgas-Turbolader-Anordnung nach Anspruch 29 dadurch gekennzeichnet, daß die restlichen Turbolader (4) größerer Leistung gleich groß dimensioniert sind.
4. Abgas-Turbolader-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daB in der Abgasleitung (7) und in der Ladeleitung (8) des Verbrennungsmotors (2) jeweils ein steuerbares Ventilsystem angeordnet ist.
5. Abgas-Turbolader-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (5, 6) der Abgas- und der Ladeleitung gleichzeitig betätigt werden.
6. Abgas-Turbolader-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuerung (9) der Ventile (5, 6) vorgesehen ist.
7. Abgas-Turbolader-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetisch betätigbare Ventile (5, 6) vorgesehen sind.
8. Abgas-Turbolader-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuergröße der Ventilsteuerung der Abgasdruck und/oder der Ladeluftdruck verwendet ist.
9. Abgas-Turbolader-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuergröße der Ventilsteuerung die Motordrehzahl und/oder die Laderdrehzahl verwendet ist.
10. Abgas-Turbolader-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Turbolader (3, 4) in einem einzigen Gehäuse (10) aufgenommen sind.