DE4221734A1

DE4221734A1 - Aufladesystem für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4221734A1
Application number: DE4221734A
Authority: DE
Inventors: Jakob Dipl Ing Bucher
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1992-07-02
Filing date: 1992-07-02
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2012-07-03
Also published as: DE4221734C2; JPH0666151A; JP3487357B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem für Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader und separater, abgasseitig zur Laderturbine parallel geschalteter leistungsabgebender Nutzturbine und einem Steuerorgan zu deren Außerbetriebsetzung.

Aus der europäischen Patentschrift 0 091 139 ist ein Aufladesystem für Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art bekannt geworden. Der Laderturbinenquerschnitt wurde enger gewählt, als für den Vollastbetrieb notwendig wäre. Dadurch staut die Laderturbine in der Motorteillast die Abgase höher auf, so daß der Lader im unteren Lastbetrieb einen höheren Ladedruck liefert. Die Nutzturbine wird bei Erreichen einer vorbestimmten Motorteillast schlagartig zu beziehungsweise abgeschaltet. Der Abgasturbolader und die Nutzturbine sind so ausgelegt, daß bei zugeschalteter Nutzturbine im Vollastpunkt der gewünschte Ladedruck erreicht wird.

Wenn nun die Nutzturbine im oberen Leistungsbereich wegen einer Störung abgeschaltet werden muß, steigt der Ladeluftdruck auf einen unzulässigen Wert an. Dabei kann die zulässige Höchstdrehzahl des Abgasturboladers und der zulässige Zylinderdruck überschritten werden.

Außerdem hat das schlagartige Zuschalten der Nutzturbine zur Folge, daß die Mittel zur Übertragung der Leistung der Nutzturbine auf den Verbraucher ebenfalls schlagartig belastet werden beispielsweise in Zahnradgetrieben und vor allem bei automatischen Überholkupplungen kann dies zu erheblichen Schäden führen. Des weiteren führt das schlagartige Zuschalten der Nutzturbine zu einem sprungförmigen Abfall des Ladeluftdrucks, was wiederum zu Luftmangel und dadurch zu erhöhter thermischer Belastung der Bauteile des Brennraums führt.

Die Auslegung des Abgasturboladers und der Nutzturbine für den gewünschten Ladeluftdruck bei Vollast bedeutet, daß sich im überwiegend genutzten Leistungsbereich nicht der für den Motor optimale Ladeluftdruck einstellt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Aufladesystem für Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Zu- und Abschaltung der Nutzturbine nicht schlagartig vorgenommen wird, so daß Ladeluftmangel vermieden werden kann, bei der beim Auftreten einer Störung im oberen Lastbereich die Nutzturbine abschaltbar ist, ohne den Betrieb der Brennkraftmaschine zu stören und daß der optimale Ladeluftdruck bei der überwiegend gefahrenen Leistung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Im folgenden sind zwei Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen stark schematisiert:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Aufladesystems für Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader und einer zu diesem parallel geschalteten Nutzturbine,

Fig. 2 ein Schaubild Ladeluftdruck in Funktion der Motorleistung,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer pneumatischen Steuerung der Steuerorgane,

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer elektrischen Steuerung der Steuerorgane,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer pneumatischen Steuerung der Steuerorgane,

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer Not-Stop-Schaltung für die Nutzturbine.

Gemäß Fig. 1 wird eine Brennkraftmaschine 1 über den Verdichter 2 eines Abgasturboladers 3 mit Druckluft versorgt. Den Verdichterantrieb leistet die Laderturbine 4, die wiederum mit den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird. Abgasseitig ist die Laderturbine 4 mit einer Nutzturbine 5 parallel geschaltet. In der Zustromleitung 6 zur Nutzturbine 5 ist ein Absperrventil 7 in Form eines Wegeventils angeordnet, welches bei einem vorgebbaren Ladeluftdruck des Abgasturboladers selbsttätig öffnet bzw. schließt.

In dem Aufladesystem der oben genannten Art mit Ladern, die einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweisen, wird die Abgasturboladerturbinenleistung größer als die benötigte Laderleistung, der Oberschuß wird zur Vermehrung der Motornutzleistung herangezogen. Durch die Zustromleitung 6 ist ein Teil der üblicherweise der Abgasturboladerturbine zugeführten Abgase an derselben vorbei zur Nutzturbine 5 führbar. Dort wird diese Oberschußleistung der Abgasenergie in der Turbinenstufe 5 aufgenommen und über ein Getriebe 9 an die Kurbelwelle 10 der Brennkraftmaschine 1 abgegeben. Die Abgasleitung 11 der Nutzturbine 5 und die 12 des Abgasturboladers 3 münden in eine gemeinsame Abgassammelleitung 13. Parallel zur Nutzturbine 5 ist eine Umgehungsstromleitung 14 mit einem Drosselorgan 15 und einem Ab sperrventil 16 angeordnet. Diese Umgehungsstromleitung 14 ist so dimensioniert, daß bei geöffnetem Absperrventil 16 annähernd der gleiche Gasmengendurchsatz wie bei der Nutzturbine 5, während das Absperrventil 7 geschlossen ist, möglich ist. Das Drosselorgan 15 hat die Aufgabe, bei nicht in Betrieb befindlicher Nutzturbine 5 ein Druckgefälle zu erzeugen, das etwa dem der Nutzturbine 5 entspricht. Dadurch kann die Nutzturbine 5 mittels des hier vorgeschalteten Absperrventil 7 abgeschaltet werden, ohne daß die Aufladung der Brennkraftmaschine beeinflußt wird.

Das Aufladesystem ist auf den für die am meisten gefahrene Motordrehzahl geltenden Durchsatz ausgelegt, d. h. der Abgasturbolader 3 und die Nutzturbine 5 werden so ausgelegt, daß bei der überwiegend gefahrenen Leistung, etwa zwischen 75 und 90% der maximalen Motorlast, der optimale Ladeluftdruck erreicht wird. Selbstverständlich weichen bei niedriger Teillast und bei Vollast die Ladeluftdrücke vom optimalen Wert ab. Dies ist jedoch deshalb kein Nachteil, da die Brennkraftmaschine 1 nur in einem geringen Bruchteil der Betriebszeit in diesen Bereichen betrieben wird Da der Ladeluftdruck einen wesentlichen Einfluß auf die thermische Belastung des Aufladesystems hat, wird das Signal für das Zuschalten der Nutzturbine 5 vom Ladeluftdruck abgeleitet. Dieser Wert des Ladeluftdrucks wird in Abhängigkeit der Motorlast gewählt. Versuche haben gezeigt, daß die Zu- und Abschaltung der Nutzturbine 5 nur in einem mittleren Bereich der Motorlast sinnvoll ist.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse die Motorlast in Prozent und auf dessen Ordinate der Ladeluftdruck P_L in bar aufgetragen ist. Die Kurve A zeigt die Funktion des Ladeluftdrucks P_L in Abhängigkeit der Motorlast bei abgeschalteter Nutzturbine 5, Kurve B zeigt die gleiche Abhängigkeit bei zugeschalteter Nutzturbine 5. Während des Hochfahrens der Brennkraftmaschine 1, beginnt das Absperrventil 7 vor der Nutzturbine 5 beim Erreichen eines vorbestimmten Wertes C des Ladeluftdrucks zu öffnen. Dadurch fällt der Ladeluftdruck. Unterschreitet der Ladeluftdruck einen unteren festgelegten Wert D, so wird der Öffnungsvorgang des Absperrventils 7 vor der Nutzturbine 5 unterbrochen. Darauf hin steigt der Ladeluftdruck wieder bei zunehmender Motorlast. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis das Absperrventil 7 voll geöffnet ist. Diese Charakteristik ist als Zick-Zack-Teilkurve E im Diagramm zu sehen. Somit bleibt der Ladeluftdruck während des Schaltvorgangs des Absperrventils 7 in einem engen durch die vorbestimmten Werte C und D festlegbaren Wertebereich, wodurch Luftmangelzustände und die daraus folgenden Nachteile vermieden werden.

In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 ist diese Charakteristik mittels einer pneumatischen Steuerung der Steuerorgane 7, 19 und 16, 21 verwirklicht. Das Absperrventil 7 der Nutzturbine 5 in Form eines Wegeventils wird eingangsseitig mittels einer Druckleitung 17 mit Druckluft beaufschlagt. In dieser Druckleitung 17 ist ein weiteres Absperrventil 18 in Form eines Wegeventils vor dem Steuerorgan, d. h. einem Drosselelement 19 und dem Wegeventil 7 angeordnet. In Abhängigkeit des anstehenden Ladeluftdrucks als Steuergröße erfolgt die Betätigung des Wegeventils 18, das in der entlüfteten Grundstellung geschlossen ist und bei steigendem Ladeluftruck gegen die Rückstellkraft einer Feder geöffnet wird. Die Steuerung der Steuerungsorgane der Umgehungsstromleitung 14, also dem Drosselelement 21 und dem Absperrventil 16 erfolgt dadurch, daß eingangsseitig des Absperrventils 16 in Form eines Wegeventils eine Druckluft führende Druckleitung 20 anliegt, die mit einer nicht dargestellten Druckluftquelle verbunden ist. Die Drosselelemente 19, 21, die in bekannter Weise aus Drosselventilen 22, 23, 24, 25 und Rückschlagventilen 26, 27, 28, 29 aufgebaut sind, erfüllen die Aufgabe, den jeweiligen Druckanstieg oder Druckabfall zu verlangsamen. Da die Umgehungsstromleitung 14 jedoch nur bei abgeschalteter Nutzturbine 5 geöffnet sein soll, ist die Druckleitung 20 über ein elektromagnetisch schaltbares Wegeventil 30 entlüftbar. Beim Betrieb der Nutzturbine 5 ist das Wegeventil 31 geöffnet und das Wegeventil 30 geschlossen. Tritt jedoch der Störungsfall für die Nutzturbine 5 ein, wird das Wegeventil 30 aufgeschaltet und das Wegeventil 31 geschlossen, somit das Absperrventil 16 der Umgehungsstromleitung mittels der Druckluft geöffnet und das Wegeventil 18 der Druckleitung 17 mittels der Federkraft geschlossen. Die Betätigung der elektromagnetisch schaltbaren Wegeventile 30, 31 kann sehr schnell erfolgen.

Bei Motorlastreduzierung verläuft die Abschaltung der Nutzturbine 5 analog zur Zuschaltung in umgekehrter Richtung. Das Steuerorgan 7, 19 der Nutzturbine 5 und das Steuerorgan 16, 21 der Umgehungsstromleitung 14 sind so ausgelegt, daß sie mit einer Stellzeit zwischen 20 und 120 Sekunden aufmachbar und schließbar sind.

Fig. 4 zeigt die elektrische Version der Steuerung gemäß Fig. 3. Die Druckleitungen 17, 20 sind durch Stromleitungen, die Wegeventile 30, 31 durch Schalter zu ersetzen. Der Ladeluftdruck ist als elektrisches Eingangssignal einer nicht dargestellten übergeordneten Steuerung, d. h. einem Rechner zuführbar, der auf Grund gespeicherter Sollwerte digitale Ausgangsimpulse zur Ansteuerung von elektrischen Stellmotoren 32, 33, die die Stellung der als Wegeventile ausgebildeten Absperrventile 7, 16 der Nutzturbine 5 und der Umgehungsstromleitung 14 regeln. Die Zuschalt- und Schließvorgänge verlaufen analog zu denen der pneumatischen Version der Fig. 3, wobei der Druckschalter 34 die Funktion des Wegeventils 18 in Fig. 3 übernimmt.

In einer anderen Ausführung der pneumatischen Steuerung der Steuerorgane 7, 19, 16, 21 gemäß der Fig. 5 ist das Absperrventil 16 der Umgehungsstromleitung 14 über das Absperrventil 18 eingangsseitig mit Ladeluft beaufschlagbar und in gleicher Weise wie in der Ausführung gemäß Fig. 3 die Zuschaltung der Nutzturbine 5 aufmachbar. Ist der Schaltvorgang abgeschlossen und die Umgehungsstromleitung 14 vollständig geöffnet, außerdem alle übrigen Bedingungen für den Betrieb der Nutzturbine 5 erfüllt, so schließt das Absperrventil 16 der Umgehungsstromleitung 14, während gleichzeitig das Absperrventil 7 der Nutzturbine 5 öffnet und zwar in den oben genannten Stellzeiten. Der Unterschied zur Ausführung gemäß Fig. 3 besteht darin, daß hier die Ladeluft über das Wegeventil 18 die Druckluft für das Absperrventil 16 der Umgehungsstromleitung 14 steuert und die Druckluft eingangsseitig am Absperrventil 7 der Nutzturbine 5 anliegt. Umgeschaltet wird ebenfalls über elektromagnetisch schaltbare Wegeventile 30, 31. In den Druckleitungen bzw. Stromleitungen 17, 20 sind also Steuerorgane vorgesehen, durch die der Abgasdurchfluß gedrosselt bzw. durch die Absperrventile 7, 16 unterbrochen werden kann. Die Steuerorgane 7, 16, 19, 21 sind also so ausgelegt, daß die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten der Durchflußquerschnitte individuell eingestellt werden können.

Vorteilhafterweise ist in der Abgaszuführleitung 6 vor der Nutzturbine 5 ein zusätzliches Absperrventil 35 angeordnet, das in weniger als einer Sekunde umschaltbar ist, also schließt. Ein ebenso schnell öffnendes Absperrventil 36 ist in einer Stromleitung 37 parallel zum Absperrventil 16 der Umgehungsstromleitung 14 angeordnet. Diese beiden zusätzlichen Absperrventile 35, 36 machen einen Not-Stop der Nutzturbine 5 möglich (Fig. 6).

Beim Auftreten einer Bedingung für das Abschalten der Nutzturbine, wie z. B. Ölmangel, Überdrehzahl, Schwingungsalarm oder ähnliches, kann die Nutzturbine 5 außer Betrieb gesetzt werden, ohne den Brennkraftmaschinenbetrieb zu beeinflussen. Wenn das Absperrventil 16 in der Umgehungsstromleitung 14 so ausgebildet ist, daß es bei einem Not-Stop der Nutzturbine 5 ausreichend schnell öffnet, kann auf das separate schnell öffnende Absperrorgan 36 verzichtet werden.

Claims

1. Aufladesystem für Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader und separater, abgasseitig zur Laderturbine parallel geschalteter leistungsabgebender Nutzturbine und Steuerorgane zu deren Außerbetriebsetzung, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Nutzturbine (5) eine Umgehungsstromleitung (14) mit Steuerorganen (16, 21) zum Öffnen und Schließen derselben vorgesehen ist, die so dimensioniert ist, daß bei geöffnetem Durchströmungsquerschnitt etwa der gleiche Gasmengendurchsatz wie bei der Nutzturbine (5) möglich ist, daß die Steuergröße für das Zuschalten und Abschalten der Nutzturbine (5) der Ladeluftdruck ist, daß die Steuerorgane (7, 19 und 16, 21) so ausgelegt sind, daß die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten der Durchflußquerschnitte individuell einstellbar sind, daß eine Steuerschaltung (18, 30, 31) für die Steuerorgane (7, 19 und 16, 21) vorgesehen ist, die den Ladeluftdruck während der Zu- und Abschaltvorgänge nur minimal schwanken läßt und durch die die Nutzturbine (5) abschaltbar ist und daß der Abgasturbolader (3) und die Nutzturbine (5) so ausgelegt sind, daß zwischen 75 und 90% der Motornennleistung der optimale Ladeluftdruck erreicht wird.

2. Aufladesystem für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane (7, 19 und 16, 21) aus Absperrventilen (7, 16) und Drosselelementen (19, 21) und die Steuerschaltung (18, 30, 31) aus Wegeventilen (18) und elektromagnetisch betätigbaren Wegeventilen (30, 31) aufgebaut sind und zu einer übergeordneten Steuereinrichtung parallel geschaltet sind.

3. Aufladesystem für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (7) vor der Nutzturbine (5) eingangsseitig in Abhängigkeit vom Ladeluftdruck beaufschlagbar ist.

4. Aufladesystem für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (16) der Umgehungsstromleitung (14) eingangsseitig in Abhängigkeit vom Ladeluftdruck beaufschlagbar ist.

5. Aufladesystem für Brennkraftmaschinen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Nutzturbine (5) ein zusätzliches, in weniger als einer Sekunde schließbares Absperrorgan (35) und ein parallel zum ersten Absperrventil (16) der Umgehungsstromleitung (14) geschaltetes, in weniger als einer Sekunde aufmachbares Absperrventil (36) vorgesehen ist.

6. Aufladesystem für Brennkraftmaschinen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeluftdruckcharakteristik mittels einer pneumatischen Steuereinrichtung verwirklicht ist.

7. Aufladesystem für Brennkraftmaschinen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeluftdruckcharakteristik mittels einer elektrischen Steuereinrichtung verwirklicht ist.