DE3607698C1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung - Google Patents
Kolbenbrennkraftmaschine mit zweistufiger AufladungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenbrennkraftmaschine
mit zweistufiger Aufladung durch eine oder mehrere ab- und
zuschaltbare Abgasturboladergruppen gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
Das Abschalten von Abgasturboladergruppen wird bei Kolben
brennkraftmaschinen zur Erhöhung von Ladeluftdruck und Lade
luftmenge bei gegenüber dem Vollastbetrieb vermindertem An
fall von Abgasenergie, also im Teillast- und Teildrehzahlbe
reich der Kolbenbrennkraftmaschine, durchgeführt. Dabei ar
beitet bei geringem Abgasenergieanfall nur eine Abgasturbola
dergruppe, der bei Zunahme der Leistung der Kolbenbrennkraft
maschine nach und nach ein oder mehrere Abgasturboladergrup
pen parallel zugeschaltet werden, bis schließlich bei Voll
lastbetrieb alle vorhandenen Abgasturboladergruppen arbeiten.
Eine gattungsgemäße Kolbenbrennkraftmaschine ist aus der
DE-OS 34 11 408 bekannt. Bei einem Zuschaltvorgang muß jeder
Abgasturbolader der zugeschalteten Abgasturboladergruppe sei
nen den Verhältnissen beim Zuschalten entsprechenden Betriebs
zustand erreichen. Dabei sind an der Erzeugung des Ladeluft
druckes einer Abgasturboladergruppe Nieder- und Hochdruckver
dichter je mit einer bestimmten Drucksteigerung beteiligt.
Aus thermodynamischen Gründen hat der Hochdruck-Abgasturbo
lader einer Abgasturboladergruppe kleinere Abmessungen und
deshalb auch ein kleineres Massenträgheitsmoment als der
zugehörige Niederdruck-Abgasturbolader.
Aufgrund des geringeren Massenträgheitsmomentes ergibt sich
beim Zuschalten einer Abgasturboladergruppe am Laufzeug des
Hochdruck-Abgasturboladers eine größere Drehbeschleunigung
als beim Niederdruck-Abgasturbolader. In der Anfangsphase
nach dem Zuschalten einer Abgasturboladergruppe resultiert
daraus eine Asynchronität in den Betriebszuständen von Nie
derdruck- und Hochdruckverdichter. Das äußert sich darin, daß
wegen der trägeren Drehbeschleunigung beim Niederdruck-Abgas
turbolader dessen Verdichter noch nicht die Drucksteigerung
liefert, die der Hochdruckverdichter für den Betriebspunkt
benötigt, der der schon erreichten Drehzahl entspricht. Der
Hochdruckverdichter kann daher zunächst nur einen Teil der
von der Hochdruckturbine gelieferten Antriebsleistung in För
derarbeit umsetzen. Die in dieser Phase dadurch vorhandene
Überschußleistung der Hochdruckturbine bewirkt, daß das Lauf
zeug des Hochdruck-Abgasturboladers beim Zuschalten der ent
sprechenden Abgasturboladergruppe kurzfristig eine unzulässi
ge Überdrehzahl erreicht.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Drehzahl des Hoch
druck-Abgasturboladers beim Beschleunigen nach Auslösung
einer Zuschaltung der betreffenden Abgasturboladergruppe
auf einen zulässigen Wert zu begrenzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal des
Patentanspruches 1 gelöst und durch Anspruch 2 weiter aus
gestaltet.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere
darin, daß das Maß der Überdrehzahl, die der Hochdruck-Abgas
turbolader beim Zuschalten erreicht, auf einen Wert begrenzt
wird, der keine betriebsgefährdenden Beanspruchungen des Lauf
zeuges verursacht.
Aus der DE-OS 34 11 408 ist die Anordnung einer Bypaßleitung
bei einer schaltbaren Abgasturboladergruppe bekannt. Dabei
verbindet die Bypaßleitung die Druckleitung des Hochdruckver
dichters mit der Saugleitung des Niederdruckverdichters. Die
se Anordnung hat jedoch keinen drehzahlsenkenden Einfluß beim
Beschleunigen des Hochdruck-Abgasturboladers.
Ferner ist aus der DE-OS 35 12 557 bekannt, eine einen Ver
dichter umgebende steuerbare Bypaßleitung anzuordnen. Hinwei
se auf die vorteilhafte Auswirkung einer steuerbaren Bypaß
leitung auf die Leistungsaufnahme und das Drehzahlverhalten
eines Hochdruck-Abgasturboladers beim Zuschalten einer ab-
und zuschaltbaren Abgasturboladergruppe sind in dieser Druck
schrift nicht enthalten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.
Die Zeichnung zeigt zwei zweistufige Abgasturboladergruppen
11 und 12 für eine Kolbenbrennkraftmaschine. Die dauernd ein
geschaltete Abgasturboladergruppe 11 besteht aus einem Hoch
druck-Abgasturbolader 13 mit einer Hochdruckturbine 14 und
einem Hochdruckverdichter 15 und einem Niederdruck-Abgastur
bolader 16 mit einer Niederdruckturbine 17 und einem Nieder
druckverdichter 18. Die abschaltbare Abgasturboladergruppe 12
besteht aus einem Hochdruck-Abgasturbolader 19 mit einer
Hochdruckturbine 20 und einem Hochdruckverdichter 21 und
einem Niederdruck-Abgasturbolader 22 mit einer Niederdruck
turbine 23 und einem Niederdruckverdichter 24. Die Abgastur
boladergruppen 11 und 12 werden von einer Abgassammelleitung
25 über Abgasleitungen 26 und 27 mit Abgas versorgt. Ihre
Ladeluft liefern sie über Ladeluftkühler 28, Ladeluftleitun
gen 29, 30, 38 und 39 und über eine Ladeluftsammelleitung 31
in die nicht dargestellte Brennkraftmaschine.
Bei kleiner Last wird die Abgasturboladergruppe 12 durch eine
vom Ladeluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 31 über eine
Steuerleitung 32 gesteuerte Abgasabsperreinrichtung 33 von
der Abgassammelleitung 25 getrennt. Eine Ladeluftabsperrein
richtung 34 in der Saugleitung 37 verhindert dabei das Ab
strömen von Ladeluft aus der Ladeluftsammelleitung 31 über
die Abgasturboladergruppe 12.
Auf der Druckseite des Hochdruckverdichters 21 zweigt von der
Ladeluftleitung 39 oder auch von der Ladeluftleitung 30 eine
über eine Absperreinrichtung 35 beherrschte Bypaßleitung 36
ab, die auf der Saugseite des Hochdruckverdichters 21 in die
Ladeluftleitung 38 mündet.
Wenn bei zunehmender Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine
die obere Leistungsgrenze der dauernd eingeschalteten Abgas
turboladergruppe 11 erreicht ist, wird, gesteuert durch den
Ladeluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 31 über die Steuer
leitung 32, die Abgasabsperreinrichtung 33 geöffnet. Die bis
her eingeschaltete Abgasturboladergruppe 12 wird dadurch mit
Abgas der Kolbenbrennkraftmaschine beaufschlagt.
Das Laufzeug des Hochdruck-Abgasturboladers 19 wird dabei
schneller beschleunigt, als das Laufzeug des Niederdruck-Ab
gasturboladers 22. Dieser Unterschied resultiert aus den
thermodynamisch bedingten geringeren Abmessungen und dem
sich daraus ergebenden kleineren Massenträgheitsmoment des
Hochdruck-Abgasturboladers 19 gegenüber dem Niederdruck-Ab
gasturbolader 22.
Gleichzeitig mit dem Öffnen der Absperreinrichtung 33 wird
auch die in der Bypaßleitung 36 angeordnete steuerbare Ab
sperreinrichtung 35 geöffnet. Das vom Hochdruckverdichter 21
innerhalb der Beschleunigungszeit des Laufzeuges aus der ein
trittsseitigen Ladeluftleitung 38 abgesaugte Luftvolumen kann
über die Bypaßleitung 36 wenigstens zum Teil zur Eintritts
seite zurückströmen. Dadurch bildet sich am Hochdruckverdich
ter 21 unabhängig vom Betriebszustand des Niederdruckverdich
ters 24 ein regelrechter Förderstrom über die Bypaßleitung 36
aus. Die in dieser Betriebsphase für das Beschleunigen des
Laufzeuges des Hochdruck-Abgasturboladers 19 verfügbare Über
schußleistung ist um die aufgenommene Förderleistung des
Hochdruckverdichters 21 vermindert. Die sich am Hochdruck-
Abgasturbolader 19 dadurch beim Beschleunigen einstellende
Höchstdrehzahl ist bei offener Bypaßleitung 36 deutlich nied
riger, als sie sich bei geschlossener Bypaßleitung 36 ergeben
würde. Betriebsgefährdende Beanspruchungen am Laufzeug des
Hochdruck-Abgasturboladers 19 der zugeschalteten Abgasturbo
ladergruppe 12 sind damit unterbunden.
Sobald der Niederdruck-Abgasturbolader 22 die Drehzahl er
reicht hat, bei der der Niederdruckverdichter 24 das für den
Hochdruckverdichter 21 erforderliche Druckverhältnis liefert,
wird die Bypaßleitung 36 durch Schließen der Absperreinrich
tung 35 gesperrt. Der entsprechende Zeitpunkt ist erreicht,
wenn sich die Ladeluftabsperreinrichtung 34 öffnet. Das Schlie
ßen der Absperreinrichtung 35 wird durch eine in der Steuer
leitung 40 angeordnete Schalteinrichtung 41 ausgelöst, die
von einem den Schaltzustand der Ladeluftabsperreinrichtung 34
registrierenden Fühler 42 über Steuerleitung 43 beeinflußt
wird.
Claims (2)
1. Kolbenbrennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung durch
mehrere, je aus Hoch- und Niederdruck-Abgasturbolader
bestehenden Abgasturboladergruppen, von denen eine oder
mehrere Abgasturboladergruppen durch Anordnung jeweils einer
Absperreinrichtung in der Abgasleitung des
Hochdruck-Abgasturboladers und in der Saugleitung des
Niederdruck-Abgasturboladers ab- und zuschaltbar ausgebildet
sind, wobei jede schaltbare Abgasturboladergruppe eine die
Verdichter umgehende, steuerbare Bypaßleitung aufweist und
zum Zu- und Abschalten einer Abgasturboladergruppe bei
Teillast der Kolbenbrennkraftmaschine die
Durchgangsquerschnitte beider Absperreinrichtungen und die
Bypaßleitung gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bypaßleitung (36), die eine steuerbare Absperreinrichtung
(35) aufweist, zwischen Saug- und Druckleitung des
Hochdruckverdichters (21) einer ab- und zuschaltbaren
Abgasturboladergruppe (12) angeordnet ist.
2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die steuerbare Absperreinrichtung (35)
durch eine Steuerleitung (43) mit einem den Schaltzustand der
Ladeluftabsperreinrichtung (34) registrierenden Fühler (42)
verbunden ist.
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8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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