DE3411408C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit mehre­ ren Abgasturboladern, von denen bei Teillastbetrieb der Brenn­ kraftmaschine 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 Durch­ gangsquerschnitte beider Absperreinrichtungen gesteuert wer­ den.

Das Abschalten von Abgasturboladern wird bei Kolbenbrennkraft­ maschinen zur Erhöhung von Ladeluftdruck und Ladeluftmenge bei gegenüber dem Vollastbetrieb vermindertem Abfall von Abgas­ energie, also im Teillast- und Teildrehzahlbereich der Kolben­ brennkraftmaschine 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 Abgas­ turbolader zusammenarbeiten.

Bei jedem Zuschaltvorgang muß der zuzuschaltende Abgasturbo­ lader seine den Verhältnissen beim Zuschalten entsprechende Be­ triebsdrehzahl erreichen. Wenn hierfür keine externen Energie­ quellen zur Verfügung stehen, muß der Abgasturbolader die zum Beschleunigen notwendige Energie aus den Abgasen der Brennkraft­ maschine beziehen. Findet die Drehzahlzunahme in sehr kurzer Zeit, etwa durch schlagartiges Öffnen der Abgassperreinrich­ tung, statt, so wird dadurch dem dauernd eingeschalteten Abgas­ turbolader etwa die Hälfte seiner Abgasenergie entzogen. Da­ durch sinkt der Ladeluftdruck vorübergehend ab, weil der zuzu­ schaltende Abgasturbolader zunächst noch keine Ladeluft lie­ fert. Eine schlechte Verbrennung, die sich durch einen kurz­ zeitigen 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 geschlosse­ ner Ladeluftabsperreinrichtung ein Öffnen der Abgassperrein­ richtung 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 Abgassperrein­ richtung nur zusammen mit oder nach dem Öffnen der Ladeluftab­ sperreinrichtung 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 Ladeluftabsperreinrich­ tung für den abschaltbaren Abgasturbolader hinter seinem Ver­ dichter angeordnet ist. Beim Zuschalten soll die Abgassperr­ einrichtung in Abhängigkeit des Ladeluftdruckes des einge­ schalteten Abgasturboladers so lange stetig weiter geöffnet werden, bis der Verdichter des zuzuschaltenden Abgasturbola­ ders diesen Ladeluftdruck erreicht. Die dabei von ihm geför­ derte Luft soll über ein Ventil so abgeblasen werden, daß der Verdichter etwa auf einer parabelförmigen Kurve im Verdichter­ kennfeld betrieben wird.

Dadurch nimmt der zuzuschaltende Verdichter im Laufe des Zu­ schaltvorganges immer mehr Leistung auf, die von ihm geförder­ te Luft dient jedoch dabei nicht der Aufladung der Brennkraft­ maschine.

Die Brennkraftmaschine kann neben dem Antrieb des dauernd ein­ geschalteten Abgasturboladers diese Zusatzleistung nur unter Erhöhung ihrer Abgastemperatur und ihres Kraftstoffverbrauches sowie unter starker Rußbildung aufbringen. Besonders nachtei­ lig ist dieses Zuschaltverfahren dadurch, daß die Brennkraft­ maschine 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 insbeson­ ders bei solchen hochaufgeladenen Brennkraftmaschinen einstellt, bei denen mit nur wenigen Abgasturboladern der gesamte Betriebs­ bereich abgedeckt werden muß, so weit als möglich abzubauen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Zuschalten mit stei­ gendem Angebot an Abgasenergie zunächst, wie an sich bekannt, die Abgasabsperreinrichtung des zuzuschaltenden Abgasturbola­ ders so geöffnet wird, daß der dauernd eingeschaltete Abgastur­ bolader 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 Bypaß­ leitung nur ein stark gedrosselter Luftdurchsatz ermöglicht wird und daß die vollständige Öffnung der Abgassperreinrich­ tung erste dann vorgenommen wird, wenn der Abgasturbolader die für das Zuschalten notwendige Betriebsdrehzahl annähernd er­ reicht hat.

Durch diese Maßnahmen liefert der eingeschaltete Abgasturbola­ der zunächst in gleicher Weise wie bei der DE-OS 28 09 202 wäh­ rend des Zuschaltens die Ladeluft für die Brennkraftmaschine und nur die überschüssige Abgasenergie wird der Turbine des zu­ zuschaltenden Abgasturboladers zugleitet. Da jedoch durch die stark gedrosselte Fördermenge und durch ihre Rückführung auf die Saugseite des Verdichters die benötigte Antriebsleistung dieses Abgasturboladers sehr gering ist, wird seine zum Zu­ schalten notwendige Betriebsdrehzahl gegenüber dem bekannten Verfahren mit wesentlich weniger Überschußleistung erreicht. Überschußleistung kann von der Brennkraftmaschine schon bei geringer Leistungssteigerung ohne Probleme zur Verfügung gestellt werden. Da der Verdichter durch den Luftdurchsatz ge­ kühlt wird, kann jeder im Zuschaltbereich liegende Betriebs­ punkt auch für längere Zeit ohne Nachteil für Brennkraftma­ schine oder Abgasturbolader gefahren werden.

Die Zuschaltung wird wie bekannt mit dem vollständigen Öffnen der Abgassperreinrichtung abgeschlossen. Weil der zuzuschal­ tende Abgasturbolader dabei jedoch nicht mehr nennenswert be­ schleunigt werden muß, um seine volle Betriebsdrehzahl zu er­ halten und damit das Öffnen seiner Ladeluftabsperreinrichtung zu ermöglichen, ist auch der sich ergebende Ladeluftdruckab­ fall 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 12 für eine Kolbenbrennkraftmaschine. Der dauernd eingeschaltete Abgasturbolader 11 besteht aus einem Hochdruckturbolader 13 mit einer Turbine 14 und einem Verdichter 15 und einem Niederdruck­ turbolader 16 mit einer Turbine 17 und einem Verdichter 18. Der abschaltbare Abgasturbolader 12 besteht aus einem Hochdrucktur­ bolader 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, La­ deluftzuleitungen 29 und 30 und über eine Ladeluftsammelleitung 31 in die nicht dargestellte Brennkraftmaschine.

Bei kleiner Last wird der Abgasturbolader 12 durch eine vom La­ deluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 31 über eine Steuer­ leitung 32 gesteuerte Abgassperreinrichtung 33 von der Abgas­ sammelleitung 25 getrennt. Eine Ladeluftabsperreinrichtung 34 verhindert dabei das Abströmen von Ladeluft aus der Ladeluft­ sammelleitung 31 über den Abgasturbolader 12.

Von der Ladeluftleitung 30 zweigt eine über ein Ventil 35 steuer­ bare Bypaßleitung 36 ab, die in eine Saugleitung 37 des Verdich­ ters 24 hinter der Ladeluftabsperreinrichtung 34 einmündet. Von einem Drehzahlgeber 38 des Hochdruckturboladers 19 führt noch eine Steuerleitung 39 zur Abgasabsperreinrichtung 33.

Wenn bei zunehmender Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine die obere Leistungsgrenze des dauernd eingeschalteten Abgasturbo­ laders 11 erreicht ist, wird, gesteuert durch den Ladeluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 31 über die Steuerleitung 32, die Abgassperreinrichtung 33 so geöffnet, daß kein Abfall des La­ deluftdruckes stattfindet. Dadurch wird der abgeschaltete Ab­ gasturbolader 12 in Drehung versetzt und je nach Anfall von Überschußleistung im Abgas der Kolbenbrennkraftmaschine be­ schleunigt. Seine dabei geförderte Luftmenge wird über die By­ paßleitung 36 bei geöffnetem Ventil 35 in seine Saugleitung 37 zurückgeführt. Diese Luftmenge wird durch den geöffneten Ventil­ querschnitt 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 Be­ triebsdrehzahl.

Da die umlaufende Luftmenge die Verdichter 21 und 24 kühlt, auch bedingt durch die Ladeluftkühler 28, kann die Brennkraft­ maschine, wenn notwendig, für längere Zeit in dem Zuschaltbe­ reich gefahren werden, ohne daß eine Überhitzung der Verdich­ ter eintritt. Kurz vor Erreichen ihrer Betriebsdrehzahl wird über ein Signal in der Steuerleitung 39 die Abgasabsperrein­ richtung 33 ganz geöffnet und gleichzeitig das Ventil 35 abge­ sperrt. Dadurch öffnet sich die Ladeluftabsperreinrichtung 34 selbsttätig oder, wie aus der DE-PS 30 32 435 bekannt, in Ab­ hängigkeit von der Öffnung der Abgasabsperreinrichtung 33. Da­ mit ist der Zuschaltvorgang abgeschlossen.

Wenn bei abnehmender Leistung der Brennkraftmaschine das Abgas­ energieangebot und damit Ladeluftmenge und -druck entsprechend abfallen, wird z. B. gesteuert vom Ladeluftdruck in der Lade­ luftsammelleitung 31 über die Steuerleitung 32 die Abgasabsperr­ einrichtung 33 kontinuierlich oder stufenweise geschlossen. Da­ durch erhält der Abgasturbolader 11 mehr Abgasenergie und kann den Ladeluftdruck in etwa konstant halten, obwohl der Abgastur­ bolader 12 seine Luftlieferung durch Schließen der Ladeluftab­ sperreinrichtung 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 Abgassperreinrichtung 33 der Abgas­ turbolader 12 stillgesetzt und damit die Abschaltung beendet ist.

Claims (2)

1. Kolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Abgasturboladern, von denen bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ein oder mehrere Abgasturbolader abschaltbar sind mit je einer Ab­ sperreinrichtung in der Abgasleitung und in der Saugleitung jedes abschaltbaren Abgasturboladers, wobei zum Zu- oder Ab­ schalten des betreffenden Abgasturboladers die Durchgangs­ querschnitte beider Absperreinrichtungen gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zuschalten mit steigendem Angebot an Abgaserenergie zunächst, wie an sich bekannt, die Abgasabsperreinrichtung (33) des zuzuschaltenden Abgastur­ boladers (12) so geöffnet wird, daß der dauernd eingeschal­ tete Abgasturbolader (11) an seiner oberen Leistungsgrenze weiter beschrieben wird, daß dem Verdichter (21 und 24) des zuzuschaltenden Abgasturboladers (12) während des Zuschalt­ vorganges mittels einer von der Ladeluftsammelleitung (31) der Brennkraftmaschine in die Saugleitung (37) des Verdich­ ters (24) hinter die Ladeluftabsperreinrichtung (34) führen­ den, absperrbaren Bypaßleitung (36) nur ein stark gedrossel­ ter Luftdurchsatz ermöglicht wird und daß die vollständige Öffnung der Abgasabsperreinrichtung (33) erst dann vorgenom­ men wird, wenn der Abgasturbolader (12) die für das Zuschal­ ten notwendige Betriebsdrehzahl annähernd erreicht hat.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit je einem in der Leitung zwischen der Ladeluftsammelleitung der Brennkraftma­ schine und dem Verdichter der abschaltbaren Abgasturbolader angeordneten Ladeluftkühler, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (36) direkt nach dem Ladeluftkühler (28) ab­ zweigt.