DE3411408A1

DE3411408A1 - Kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3411408A1
Application number: DE19843411408
Authority: DE
Inventors: Herbert 7990 Friedrichshafen Deutschmann; Gerhard 7992 Tettnang Haußmann; Ewald 7990 Friedrichshafen Kamleitner
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1984-03-28
Filing date: 1984-03-28
Publication date: 1985-10-03
Also published as: FR2562161A1; GB2156429A; ES8505026A1; ES535235A0; GB8500946D0; US4570442A; FR2562161B1; JPH0123655B2; JPS60206933A; IT8422696A0; IT1175753B; CH665879A5; DE3411408C2; GB2156429B

Description

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION 34*] 1403

FRIEDRICHSHAFEN GMBH

Friedrichshafen

Kolbenbrennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Abgasturbolädern, von denen bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ein oder mehrere Abgasturbolader abschaltbar sind mit je einer Absperreinrichtung in der Abgasleitung und in der Saugleitung jedes abschaltbaren Abgasturboladers, wobei zum Zu- oder Abschalten des betreffenden Abgasturboladers die Durchgangsquerschnitte beider Absperreinrichtungen gesteuert werden.

Das Abschalten von Abgasturboladern wird bei Kolbenbrennkraftmaschinen zur Erhöhung von Ladeluftdruck und Ladeluftmenge bei gegenüber dem Vollastbetrieb vermindertem Anfall von Abgasenergie, also im Teillast- und Teildrehzahlbereich der Kolbenbrennkraftmaschine durchgeführt. Dabei arbeitet bei geringem Abgasenergieanfall nur ein Abgasturbolader, dem bei Zunahme der Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine nach und nach ein oder mehrere Abgasturbolader parallel dazugeschaltet werden, bis schließlich bei Vollastbetrieb alle vorhandenen Abgasturbolader zusammenarbeiten.

Bei jedem Zuschaltvorgang muß der zuzuschaltende Abgasturbolader seine den Verhältnissen beim Zuschalten entsprechende Betriebsdrehzahl erreichen. Wenn hierfür keine externen Energiequellen zur Verfügung stehen, muß der Abgasturbolader die zum Beschleunigen notwendige Energie aus den Abgasen der Brennkraftmaschine beziehen. Findet die Drehzahlzunähme in sehr kurzer Zeit, etwa durch schlagartiges Öffnen der Abgasabsperreinrichtung, statt, so wird dadurch dem dauernd eingeschalteten Abgasturbolader etwa die Hälfte seiner Abgasenergie entzogen. Da-

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durch sinkt der Ladeluftdruck vorübergehend ab, weil der zuzuschaltende Abgasturbolader zunächst noch keine Ladeluft liefert. Eine schlechte Verbrennung, die sich durch einen kurzzeitigen Rußausstoß bemerkbar macht, ist die Folge.

Aus der DE-PS 30 32 435 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine der vorgenannten Art bekannt, bei der zwischen der Abgas- und der Ladeluftabsperreinrichtung eine Wirkverbindung angeordnet ist, die beim Zuschalten des Abgasturboladers bei noch geschlossener Ladeluftabsperreinrichtung ein Öffnen der Abgasabsperreinrichtung nur bis zu einer Zwischenstellung zuläßt, bei der die Drehzahl des nicht fördernden Turboladers auf zulässige Werte begrenzt wird und die ein weiteres Öffnen der Abgasabsperreinrichtung nur zusammen mit oder nach dem Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung zuläßt.

Auch hier wird der Abgasturbolader zwar in zwei Stufen, jedoch unmittelbar nacheinander in kurzer Zeit beschleunigt und es tritt vorübergehend eine Absenkung des Luftüberschusses in den Zylinderfüllungen auf.

Es ist außerdem eine Kolbenbrennkraftmaschine vorgeschlagen worden (DE-OS 28 09 202), bei der die Ladeluftabsperreinrichtung für den abschaltbaren Abgasturbolader hinter seinem Verdichter angeordnet ist. Beim Zuschalten soll die Abgasabsperreinrichtung in Abhängigkeit des Ladeluftdruckes des eingeschalteten Abgasturboladers so lange stetig weiter geöffnet werden, bis der Verdichter des zuzuschaltenden Abgasturboladers diesen Ladeluftdruck erreicht. Die dabei von ihm geförderte Luft soll über ein Ventil so abgeblasen werden, daß der Verdichter etwa auf einer parabelförmigen Kurve im Verdichterkennfeld betrieben wird.

Dadurch nimmt der zuzuschaltende Verdichter im Laufe des Zuschal tvorganges immer mehr Leistung auf, die von ihm geförderte Luft dient jedoch dabei nicht der Aufladung der Brennkraftmaschine.

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Die Brennkraftmaschine kann neben dem Antrieb des dauernd eingeschalteten Abgasturboladers diese Zusatzleistung nur unter Erhöhung ihrer Abgastemperatur und ihres Kraftstoffverbrauches sowie unter starker Rußbildung aufbringen. Besonders nachteilig ist dieses Zuschaltverfahren dadurch, daß die Brennkraftmaschine je nach Anwendungsfall längere Zeit in diesem zwischen Schaltungsbeginn und Schaltungsende liegenden Bereich betrieben wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den während des Schaltvorganges auftretenden Ladeluftmangel, der sich insbesondere bei solchen hochaufgeladenen Brennkraftmaschinen einstellt, bei denen mit nur wenigen Abgasturbölädern der gesamte Betriebsbereich abgedeckt werden muß, so weit als möglich abzubauen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Zuschalten mit steigendem Angebot an Abgasenergie zunächst, wie an sich bekannt, die Abgasabsperreinrichtung des zuzuschaltenden Abgasturboladers so geöffnet wird, daß der dauernd eingeschaltete Abgasturbolader an seiner oberen Leistungsgrenze weiter betrieben wird, daß dem Verdichter des zuzuschaltenden Abgasturboladers während des Zuschaltvorganges mittels einer von der Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine in die Saugleitung des Verdichters hinter die Ladeluftabsperreinrichtung führenden, absperrbaren Bypaßleitung nur ein stark gedrosselter Luftdurchsatz ermöglicht wird und daß die vollständige Öffnung der Abgasabsperreinrichtung erst dann vorgenommen wird, wenn der Abgasturbolader die für das Zuschalten notwendige Betriebsdrehzahl annähernd erreicht hat.

Durch diese Maßnahmen liefert der eingeschaltete Abgasturbolader zunächst in gleicher Weise wie bei der DE-OS 29 09 202 während des Zuschaltens die Ladeluft für die Brennkraftmaschine und nur die überschüssige Abgasenergie wird der Turbine des zuzuschaltenden Abgasturboladers zugeleitet. Da jedoeh durch die

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stark gedrosselte Fördermenge und durch ihre Rückführung auf die Saugseite des Verdichters die benötigte Antriebsleistung dieses Abgasturboladers sehr gering ist, wird seine zum Zuschalten notwendige Betriebsdrehzahl gegenüber dem bekannten Verfahren mit wesentlich weniger Überschußleistung erreicht. Diese Überschußleistung kann von der Brennkraftmaschine schon bei geringer Leistungssteigerung ohne Probleme zur Verfügung gestellt werden. Da der Verdichter durch den Luftdurchsatz gekühlt wird, kann jeder im Zuschaltbereich liegende Betriebspunkt auch für längere Zeit ohne Nachteil für Brennkraftmaschine oder Abgasturbolader gefahren werden.

Die Zuschaltung wird wie bekannt mit dem vollständigen Öffnen der Abgasabsperreinrichtung abgeschlossen. Weil der zuzuschaltende Abgasturbolader dabei jedoch nicht mehr nennenswert beschleunigt werden muß, um seine volle Betriebsdrehzahl zu erhalten und damit das Öffnen seiner Ladeluftabsperreinrichtung zu ermöglichen, ist auch der sich ergebende Ladeluftdruckabfall sehr gering und praktisch nicht mehr feststellbar.

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

Die Zeichnung zeigt zwei zweistufige Abgasturbolader 11 und für eine Kolbenbrennkraftmaschine. Der dauernd eingeschaltete Abgasturbolader 11 besteht aus einem Hochdruckturbolader 13 mit einer Turbine 14 und einem Verdichter 15 und einem Niederdruckturbolader 16 mit einer Turbine 17 und einem Verdichter 18. Der abschaltbare Abgasturbolader 12 besteht aus einem Hochdruckturbolader 19 mit einer Turbine 20 und einem Verdichter 21 und einem Niederdruckturbolader 22 mit einer Turbine 23 und einem Verdichter 24. Die Abgasturbolader 11 und 12 werden von einer Abgassammelleitung 25 über Abgasleitungen 26 und 27 mit Abgas versorgt. Ihre Ladeluft liefern sie über Ladeluftkühler 28, Ladeluftleitungen 29 und 30 und über eine Ladeluftsammelleitung 31 in die nicht dargestellte Brennkraftmaschine.

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Bei kleiner Last wird der Abgasturbolader 12 durch eine vom Ladeluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 31 über eine Steuerleitung 32 gesteuerte Abgasabsperreinriehtung 33 von der Abgassammelleitung 25 getrennt. Eine Ladeluftabsperreinrichtung 34 verhindert dabei das Abströmen von Ladeluft aus der Ladeluftsammelleitung 31 über den Abgasturbolader 12.

Von der Ladeluftleitung 30 zweigt eine über ein Ventil 35 steuerbare Bypaßleitung 36 ab, die in eine Saugleitung 37 des Verdichters 24 hinter der Ladeluf tabsperreinrichtung 34 einmündet. Von einem Drehzahlgeber 38 des Hochdruckturboladers 19 führt noch eine Steuerleitung 39 zur Abgasabsperreinriehtung 33.

Wenn bei zunehmender Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine die obere Leistungsgrenze des dauernd eingeschalteten Abgasturboladers 11 erreicht ist, wird, gesteuert durch den Ladeluftdruck in der LadeluftSammelleitung 31 über die Steuerleitung 32, die Abgasabsperreinriehtung 33 so geöffnet, daß kein Abfall des Ladeluf tdruckes stattfindet. Dadurch wird der abgeschaltete Abgasturbolader 12 in Drehung versetzt und je nach Anfall von Überschußleistung im Abgas der Kolbenbrennkraftmaschine beschleunigt. Seine dabei geförderte Luftmenge wird über die Bypaßleitung 36 bei geöffnetem Ventil 35 in seine Saugleitung 37 zurückgeführt. Diese Luftmenge wird durch den geöffneten Ventilquerschnitt oder durch den Querschnitt der Bypaßleitung stark begrenzt. Dadurch ist die aufgenommene Leistung der Verdichter 21 und 24 gering und der Abgasturbolader 12 erreicht schon mit wenig Überschußleistung seine zum Zuschalten erforderliche Betriebsdrehzahl .

Da die umlaufende Luftmenge die Verdichter 21 und 24 kühlt, auch bedingt durch die Ladeluftkühler 28, kann die Brennkraftmaschine, wenn notwendig, für längere Zeit in dem Zuschaltbereich gefahren werden, ohne daß eine überhitzung der Verdichter eintritt. Kurz vor Erreichen ihrer Betriebsdrehzahl wird

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über ein Signal in der Steuerleitung 39 die Abgasabsperreinrichtung 33 ganz geöffnet und gleichzeitig das Ventil 35 abgesperrt. Dadurch öffnet sich die Ladeluftabsperreinrichtung 34 selbsttätig oder, wie aus der DE-PS 30 32 435 bekannt, in Abhängigkeit von der Öffnung der Abgasabsperreinrichtung 33. Damit ist der Zuschaltvorgang abgeschlossen.

Wenn bei abnehmender Leistung der Brennkraftmaschine das Abgasenergieangebot und damit Ladeluftmenge und -druck entsprechend abfallen, wird z. B. gesteuert vom Ladeluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 3i über die Steuerleitung 32 die Abgasabsperreinrichtung 33 kontinuierlich oder stufenweise geschlossen. Dadureh erhält der Abgasturbolader 11 mehr Abgasenergie und kann den Ladeluftdruck in etwa konstant halten, obwohl der Abgasturbolader 12 seine Luftlieferung durch Schließen der Ladeluftabsperreinrichtung 34 einstellt. Durch Öffnen des Ventiles 35 wird danach wieder ein geringer Luftumlauf in der Bypaßleitung 36 und in den Verdichtern 21 und 24 aufrechterhalten, bis durch endgültiges Schließen der Abgasabsperreinrichtung 33 der Abgasturbolader 12 stillgesetzt und damit die Abschaltung beendet ist.

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Claims

MTÜ MOTOREN- UND TURBINEN-UNION ο / ₁ -ι

FRIEDRICHSHAFEN GMBH ° ^ ' ^I

Fri edri chshafen

Patentansprüche

IIJKolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Abgasturbolädern, von denen bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ein oder mehrere Abgasturbolader abschaltbar sind mit je einer Absperreinrichtung in der Abgasleitung und in der Saugleitung jedes absehaltbaren Abgasturboladers, wobei zum Zu- oder Abschalten des betreffenden Abgasturboladers die Durchgangsquerschnitte beider Absperreinrichtungen gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zuschalten mit steigendem Angebot an Abgasenergie zunächst, wie an sich bekannt, die Abgasabsperreinrichtung (33) des zuzuschaltenden Abgasturboladers (12) so geöffnet wird, daß der dauernd eingeschaltete Abgasturbolader (li) an seiner oberen Leistungsgrenze weiter betrieben wird, daß dem Verdichter (21 und 2k) des zuzuschaltenden Abgasturboladers (12) während des Zuschalt-Vorganges mittels einer von der Ladeluftsammelleitung (31) der Brennkraftmaschine in die Saugleitung (37) des Verdichters (24) hinter die Ladeluftabsperreinrichtung {3k) führenden, absperrbaren Bypaßleitung (36) nur ein stark gedrosselter Luftdurchsatz ermöglicht wird und daß die vollständige Öffnung der Abgasabsperreinrichtung (33) erst dann vorgenommen wird, wenn der Abgasturbolader (12) die für das Zuschalten notwendige Betriebsdrehzahl annähernd erreicht hat.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit je einem in der Leitung zwischen der LadeluftSammelleitung der Brennkraftmaschine und dem Verdichter der abschaltbaren Abgasturbolader angeordneten Ladeluftkühler, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (36) direkt nach dem Ladeluftkühler (28) abzweigt.

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