DE3704967C1 - Aufgeladene mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern - Google Patents
Aufgeladene mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden AbgasturboladernInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine aufgeladene mehrzylindrige
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden
Abgasturboladern gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Mit
einer derartigen Anordnung wird eine dem Betriebszustand der
Hubkolben-Brennkraftmaschine angepaßte optimale
Ladeluftversorgung erreicht.
Aus der DE 29 11 727 C2 ist eine gattungsgemäße Hubkolben-
Brennkraftmaschine bekannt, bei der jeder Zylinderreihe ein
Abgasturbolader zugeordnet ist. Gegen Schmierölverluste sind am
Laufzeug der Abgasturbolader sogenannte Sperrluftdichtungen
angeordnet, die aus der Ladeluftleitung der
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Druckluft versorgt werden. Bei
Abschaltung der einen Zylinderreihe wird der zugehörige
Abgasturbolader durch Sperren der Abgaszufuhr zur Turbine
stillgesetzt. Die Luftversorgung der abgeschalteten, als
Kompressor betriebenen Zylinder erfolgt entweder durch den
stehenden Ladeluftverdichter hindurch oder über zusätzliche
Ansaugventile an den Zylindern direkt aus der Umgebung. Bei
diesem Betriebszustand ist im Ladeluftverdichter des
abgeschalteten Abgasturboladers und in der Ladeluftleitung der
abgeschalteten Zylinder kein positiver Ladeluftdruck vorhanden.
Es fehlt damit der für die Funktionsfähigkeit der
Sperrluftdichtungen notwendige Überdruck. Die
Schmierölversorgung ist während der zeitweisen Stillsetzung des
Abgasturboladers nicht unterbrochen. Bei fehlendem
Sperrluftdruck tritt Schmieröl durch die Sperrluftdichtungen
aus. Das Lecköl sammelt sich als Lache im Spiralgehäuse von
Abgasturbine und Ladeluftverdichter des stillgesetzten
Abgasturboladers. Beim Zuschalten des Abgasturboladers wird
die Lecköllache aus dem Spiralgehäuse des Ladeluftverdichters
vom Ladeluftstrom in die Ladeluftsammelleitung gerissen, was
zu betriebsgefährdender Überhitzung in den zugeordneten
Zylinder führt. An der Abgasturbine austretendes Lecköl führt
zu Verkokung und zu unkontrolliertem Abgasbrand mit
betriebsgefährdenden Schäden am Laufrad und der Auspuffanlage.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine
Hubkolben-Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der in
Betriebszeiten mit geringer Teillast auch nach Abschaltung
von Abgasturboladern und Abschaltung von einigen Zylindern in
der Ladeluftsanmelleitung ein über dem Umgebungsluftdruck
liegender Druck aufrechterhalten bleibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Die weitere
Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich mit den Merkmalen der
Patentansprüche 2 und 5.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß durch Abkoppelung der Luftversorgung für die
abgeschalteten Zylinder der Luftmassendurchsatz des nicht
abschaltbaren Abgasturboladers einen Betrieb im optimalen
Betriebsbereich und erhöhtem Druckverhältnis ergibt, daß bei
Leerlauf und Teillast ein über dem Umgebungsluftdruck
liegender Ladeluftdruck im Ladeluftleitungssystem erzielt
wird, daß während der Betriebszeiten mit abgeschalteten
Zylindern auch der Ladeluftverdichter des abgeschalteten
Abgasturboladers infolge der saugseitig angeordneten
Absperrvorrichtung mit dem im Ladeluftleitungssystem
herrschenden Ladeluftdruck beaufschlagt ist, daß durch den
erhöhten Ladeluftdruck die Sperrluftdichtungen am Laufzeug
beider Abgasturbolader ausreichend mit Druckluft versorgt
werden, was Schmierölaustritte in die Spiralgehäuse verhindert
und daß mit der verbesserten Ladeluftversorgung der nicht
abgeschalteten Zylinder der Betrieb der
Hubkolben-Brennkraftmaschine bei Leerlauf und im Teillastbereich
verbessert ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
schematisch dargestellt und werden nachstehend näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Aufgeladene Brennkraftmaschine mit zwei
Zylinderreihen und zwei parallel arbeitenden
Abgasturboladern;
Fig. 2 bis 4 Anordnungsvarianten des absperrbaren
Ladeluftleitungsabschnittes der abschaltbaren
Zylinder.
Eine Hubkolben-Brennkraftmaschine besteht aus zwei Gruppen von
Zylindern 11 und 12, die aus einer Ladeluftsammelleitung 19
durch je einen Ladeluftleitungsabschnitt 13, 14 mit
vorverdichteter Ladeluft versorgt werden. Den Zylindern 11 bzw.
12 sind Abgasleitungsabschnitte 15, 16 zugeordnet, die in eine
Abgassammelleitung 34 münden. Die Ladeluftversorgung erfolgt
durch zwei an der Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnete,
parallel arbeitende Abgasturbolader 17, 18, die jeweils aus
einer Abgasturbine 25 bzw. 26 und einem Ladeluftverdichter 24
bzw. 27 bestehen.
Der Abgasturbolader 18 ist durch eine in der Abgasleitung 39
angeordnete, steuerbare Absperrvorrichtung 30 ab- und
zuschaltbar ausgebildet. Bei Betriebszeiten mit vermindertem
Abgasangebot der Hubkolben-Brennkraftmaschine erfolgt bei
abgeschaltetem Abgasturbolader 18 die Ladeluftversorgung allein
durch den Abgasturbolader 17. Damit während der Abschaltung des
Abgasturboladers 18 durch den Ladeluftverdichter 27 hindurch
keine Ladeluft entweichen kann, ist in der Ladeluftsaugleitung
36 eine selbsttätig schließende Absperrvorrichtung 37
angeordnet.
Die Abgasturbinen 25, 26 sind eintrittsseitig über die
Abgasleitungen 38, 39 an die Abgassammelleitung 34 und
austrittsseitig an die Auspuffleitung 31 angeschlossen.
Die Ladeluftverdichter 24, 25 sind an die Ladeluftsaugleitungen
35 bzw. 36 angeschlossen und fördern verdichtete Ladeluft über
Leitungen 20, 21 und Ladeluftkühler 22, 23 in die
Ladeluftsammelleitung 19. An jedem der druckölgeschmierten
Abgasturbolader 17, 18 sind am Laufzeug Sperrluftdichtungen
gegen Schmierölverluste angeordnet, die jeweils über eine
Leitung 28 bzw. 29 mit Druckluft aus der Ladeluftleitung 20 bzw.
21 versorgt werden.
Durch eine nicht weiter dargestellte Einrichtung zum
Unterbrechen der Brennstoffversorgung werden die Zylinder 12 bei
Leerlauf und bei Teillast abgeschaltet und laufen ohne
Leistungsabgabe mit. Da die Ventilsteuerzeiten bei den
abgeschalteten Zylindern 12 nicht verändert sind, findet im
abgeschalteten Zustand ein Ladungswechsel von Luft in den
Zylindern 12 statt.
Bei Leerlauf und bei Teillast ist das Abgasangebot der
Hubkolben-Brennkraftmaschine gering. Selbst bei abgeschaltetem
Abgasturbolader 18 liefert das Abgasangebot zu wenig
Antriebsleistung um mit dem Abgasturbolader 17 ein über dem
Umgebungsluftdruck liegenden Ladedruck zu erzeugen, wenn auch
der Luftmassenbedarf der abgeschalteten Zylinder 12 durch den
Ladeluftverdichter 24 mitgedeckt werden muß.
Bei zu niedrigem oder fehlendem Ladeluftdruck sind die
Sperrluftdichtungen am Laufzeug beider Abgasturbolader 17, 18
nicht mehr funktionsfähig, so daß Schmieröl durch die
Sperrluftdichtungen hindurchtreten kann.
Abhilfe schafft eine gemäß Fig. 1 zwischen Ladeluftsammelleitung
19 und Ladeluftleitungsabschnitt 14 der abgeschalteten Zylinder
12 angeordnete Umschaltvorrichtung 32.
Bei Unterbrechung der Brennstoffversorgung für die Zylinder 12
wird durch Betätigen der Umschaltvorrichtung 32, die Verbindung
zwischen der Ladeluftsammelleitung 19 und dem
Ladeluftleitungsabschnitt 14 unterbrochen. Gleichzeitig stellt
die Umschaltvorrichtung 32 eine Verbindung zwischen dem
Ladeluftleitungsabschnitt 14 und einer in die Umgebung mündenden
Saugöffnung 33 her, die der Luftversorgung der abgeschalteten
Zylinder 12 dient. Der zugeschaltete Abgasturbolader 17 ist
dadurch auf der Verdichterseite vom Luftmassenbedarf der
abgeschalteten Zylinder 12 entlastet. Die Abgasturbine 25
arbeitet jedoch mit einem Massendurchsatz der sich aus dem
Gasdurchsatz der Zylinder 12 und dem Abgasmassenstrom der mit
Brennstoff versorgten Zylinder 11 zusammensetzt. Der Verdichter
24 des Abgasturboladers 17 arbeitet mit der daraus
resultierenden erhöhten Antriebsleistung in einem günstigen
Betriebsbereich, so daß sich ein über dem Umgebungsdruck
liegender Ladeluftdruck in den Ladeluftleitungen 13, 19, 20, 21
einstellt.
Damit ist immer ein für die Wirksamkeit der Sperrluftdichtungen
ausreichender Überdruck vorhanden.
In jedem Ladeluftleitungsabschnitt 13, 14 ist eine
Sicherheits-Schnellabsperrvorrichtung 40 angeordnet, die im
Gefahrenfall zur raschen Stillsetzung der
Hubkolben-Brennkraftmaschine geschlossen wird. Die
Umschaltvorrichtung 32 ist der
Sicherheits-Schnellabsperrvorrichtung 40 im
Ladeluftleitungsabschnitt 14 in Strömungsrichtung der Ladeluft
vorgeschaltet.
Nach Fig. 2 sind die steuerbare Vorrichtung 43 und die
Saugöffnung 33 als voneinander unabhängige Bauelemente
ausgebildet. Der Saugöffnung 33 ist dabei ein Rückschlagventil
44 zugeordnet, das bei Durchgangsstellung der Vorrichtung 43 vom
herrschenden Ladeluftdruck geschlossen gehalten wird und sich
bei Abschaltbetrieb der Zylinder 12 öffnet.
Gemäß Fig. 3 sind Umschaltvorrichtung 32 und
Sicherheit-Schnellabsperrvorrichtung 40 als Kombinationsgerät
ausgebildet. Bei der Schnellabsperrstellung wird auch der
Durchgang der Saugöffnung 33 zum Ladeluftleitungsabschnitt 14
durch eine Sperre 41 geschlossen.
Bei der Variante nach Fig. 4 sind die Vorrichtung zum Sperren
des Ladeluftleitungsabschnittes 14 und die
Sicherheits-Schnellabsperrvorrichtung zu einer
Umschaltvorrichtung 42 kombiniert. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist es erforderlich, den Durchgang von der
Saugöffnung 33 zum Ladeluftleitungsabschnitt 14 durch eine
steuerbare Vorrichtung 45 absperrbar auszubilden. Die
Saugöffnung 33 ist gesperrt, wenn die Schnellabsperrvorrichtung
anspricht oder die Zylinder 12 mit Brennstoff versorgt werden.
Claims (5)
1. Aufgeladene mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine mit
mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern, von denen
mindestens einer ab- und zuschaltbar ausgebildet ist, wobei die
Hubkolben-Brennkraftmaschine eine Einrichtung zum Unterbrechen
der Brennstoffversorgung zu einigen der Zylinder bei Leerlauf
oder bei Teillastbetrieb aufweist und die durch Unterbrechung
der Brennstoffversorgung abgeschalteten Zylinder mitgeschleppt
werden, wobei für alle parallel arbeitenden Abgasturbolader eine
gemeinsame Ladeluftsammelleitung angeordnet ist und jeder zu-
und abschaltbare Abgasturbolader auf der Saugseite des
Ladeluftverdichters ein Rückschlagventil aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ladeluftleitungsabschnitt (14) der im
Mitschleppbetrieb von der Brennstoffversorgung abgeschalteten
Zylinder (12) mittels einer steuerbaren Vorrichtung (32, 42, 43)
absperrbar ist und daß die Zylinder (12) über einen
Saugöffnungsanschluß (33) ansaugen.
2. Aufgeladene Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Vorrichtung (43) und
die Saugöffnung (33) zusammengefaßt als Umschaltvorrichtung
(32) ausgebildet sind.
3. Aufgeladene Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (32) mit
einer im Ladeluftleitungsabschnitt (14) angeordneten
Sicherheits-Schnellabsperrvorrichtung (40) zusammengefaßt
ausgebildet ist.
4. Aufgeladene Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß eine im Ladeluftleitungsabschnitt
(14) angeordnete Sicherheits-Schnellabsperrvorrichtung (42)
mit einer zusätzlichen Betätigungsmöglichkeit während
Betriebszeiten mit Zylinder- und Abgasturboladerabschaltung
ausgebildet ist.
5. Aufgeladene Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Saugöffnung (33) steuerbar
ausgebildet ist.
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