DE4310148C2 - Brennkraftmaschine mit Registeraufladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Registeraufla­ dung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der CH 673 684 A5 ist bereits eine Brennkraftmaschine mit Re­ gisteraufladung der gattungsgemäßen Art bekannt. Die Brennkraft­ maschine umfaßt zwei Abgasturbolader, wobei jeder Abgasturbolader mindestens eine Turbine mit einer Einströmseite und einer Aus­ strömseite und einen Verdichter mit einer Druckseite und einer Saugseite aufweist. Von jeder Druckseite führt eine Ladeluftlei­ tung zur Einlaßseite und von jeder Einströmseite der Turbinen ei­ ne Abgasleitung zur Auslaßseite der Brennkraftmaschine, wobei die beiden Ladeluftleitungen miteinander verbunden sind und eine Tur­ bine ein variables Leitgitter aufweist und die Ladeluftleitung mit der Einströmseite mit einer Leitung verbunden ist, in der ei­ ne Regelungseinrichtung für den Ladeluftstrom angeordnet ist.

Zum allgemeinen Hintergrund wird noch auf die Druckschriften DE-OS 34 20 015, DE-PS 38 26 956, DE-PS 39 08 286, EP-PS 0 302 082, EP-PS 0 377 712, EP-PS 0 414 781 und US-PS 4 452 043 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit Registeraufladung mit gutem Anfahrverhal­ ten einfacher und kostengünstiger im Vergleich zum bisher bekann­ ten Stand der Technik auszubilden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.

Ein Nachteil von aufgeladenen Brennkraftmaschinen der gattungs­ gemäßen Art ist eine verhältnismäßig aufwendig gestaltete Ventil­ anordnung zur Steuerung des pulsationsfreien Zuschaltvorganges des zweiten Abgasturboladers.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung der aufgeladenen Brennkraftmaschine besteht darin, daß ein erster, relativ kleiner Abgasturbolader zur Anhebung der Ladeluftmenge im unteren Dreh­ zahlbereich optimal ausgelegt ist. Gleichzeitig ist ein zweiter, größerer Abgasturbolader mit variablem Leitgitter vorgesehen, das diesen auf den Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ab einer mittleren Teillastdrehzahl bis zur Vollast optimal einstellt. Da­ bei ist das variable Leitgitter im Anfahrbetrieb sehr weit abrie­ gelbar, so daß das Abgas zunächst die Turbine des kleineren Ab­ gasturboladers beaufschlagt.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß beim zweiten, größeren Abgasturbolader ein Verdichterpumpen im Leerlauf effektiv dadurch vermieden wird, daß die verdichtete Luft von der Auslaßseite des Verdichters abgeleitet wird. Die vom Verdichter abgeleitete Ladeluft wird der Turbine unmittelbar nach dem Leitgitter zugeführt, wodurch die Druckenergie der Ladeluft zum Antrieb der Turbine mitbenutzt werden kann. Die Zuführung der Ladeluft erfolgt deshalb hinter dem verhältnismäßig weit ge­ schlossenen variablen Leitgitter auf das Turbinenrad, da dort durch die Beschleunigung des Abgases dessen statischer Druck sehr gering ist.

Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 und 3 wird eine einfache und kostengünstige Ausbildung der Regelungseinrich­ tung erreicht.

Durch die erfindungsgemäße Steuerleitung nach Anspruch 3 und 4 und die erfindungsgemäß angeordnete Feder nach Anspruch 5 ist die Regelungseinrichtung in Abhängigkeit von dem Ladedruck des er­ sten, kleineren Abgasturboladers verschiebbar und somit eine Strömungsverbindung vom Verdichter des zweiten, größeren Ab­ gasturboladers zu dessen Turbine herstellbar. Somit arbeitet spe­ ziell beim Anfahren der Brennkraftmaschine lediglich der erste, kleiner Abgasturbolader, während der zweite, größere Abgasturbo­ lader im Leerlauf läuft. Dadurch kann der kleine Abgasturbolader auf einer optimalen Betriebskennlinie gefahren werden.

Durch die vorteilhafte Anordnung eines motorkennfeldgesteuerten Druckregelgliedes in der Steuerleitung nach den Ansprüchen 6 und 7 ist die Stellung der Regelungseinrichtung durch eine Modulie­ rung des Druckes in der Steuerleitung beeinflußbar.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraft­ maschine mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Registeraufladung,

Fig. 2 eine konstruktive Ausgestaltung des Regelungs­ gliedes in einer Stellung für den Teillast- und Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine und

Fig. 3 eine Darstellung des Regelungsgliedes analog zu Fig. 2 in einer Stellung für den Anfahrbetrieb der Brennkraftmaschine.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftma­ schine 1 mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung ei­ ner Registeraufladung mit zwei unterschiedlich großen Abgas­ turboladern 2 und 3, wobei der Abgasturbolader 2 verhältnis­ mäßig kleiner als der Abgasturbolader 3 ausgebildet ist.

Der erste Abgasturbolader 2 besitzt eine Turbine 4 und einen Verdichter 5. Die Turbine 4 mit Einströmseite 6 und Ausström­ seite 7 umfaßt ein nicht dargestelltes Turbinenrad und einen dieses umgebenden Spiralkanal und der Verdichter 5 mit Druck­ seite 8 und Saugseite 9 besitzt ein ebenfalls nicht darge­ stelltes Verdichterrad, einen Diffusor und einen Spiralkanal in prinzipiell bekannter Weise. Das Turbinenrad der Turbine 4 und das Verdichterrad des Verdichters 5 ist mit einer Welle 10 starr verbunden.

Der zweite Abgasturbolader 3 besitzt in analoger Weise eine Turbine 11 mit einer Einströmseite 12 und einer Ausströmseite 13 und einen Verdichter 14 mit einer Druckseite 15 und einer Saugseite 16. Turbine 11 und Verdichter 14 sind mit einer Welle 17 verbunden. Im Einströmbereich der Turbine 11 ist ein vari­ ables Leitgitter 18 angeordnet, mit dem die Durchflußmenge und der Turbinenradeintrittsdrall des Abgases einstellbar ist.

Von einer Auslaßseite 19 der Brennkraftmaschine 1 führt eine Abgasleitung 20 mit Abgasleitungsteilen 20a-20c zu den Ein­ strömseiten 6 bzw. 12 der Turbinen 4 bzw. 11.

Eine verzweigte Ladeluftleitung 21 mit Ladeluftleitungsteilen 21a-21d und Verzweigungspunkt 22 führt von einer Einlaßseite 23 der Brennkraftmaschine 1 zur Druckseite 8 des Verdichters 5 und zur Druckseite 15 des Verdichters 14.

Zwischen den beiden Ladeluftleitungsteilen 21c und 21d ist eine in den Fig. 2 und 3 näher dargestellte und beschriebene Rege­ lungseinrichtung 24 angeordnet, die mit einer mit der Einström­ seite 12 der Turbine 11 verbundenen Leitung 25 verbunden ist. Über die Regelungseinrichtung 24 wird die aus dem Ladeluftlei­ tungsteil 21d strömende Ladeluft wahlweise in die Leitung 25 zur Turbine 11 oder in das Ladeluftleitungsteil 21c und somit zur Einlaßseite 23 der Brennkraftmaschine 1 geleitet.

Von dem Ladeluftleitungsteil 21b führt eine Steuerleitung 26 zu einer Steueröffnung 27 der Regelungseinrichtung 24. In der Steuerleitung 26 befindet sich ein Druckregelglied 28, das über einen motorkennfeldgeregelten Regler 29 betätigbar ist.

In den Fig. 2 und 3 sind zwei Schaltstellungen einer konstruk­ tiven Ausführung der Regelungseinrichtung 24 dargestellt. In der Schaltstellung gemäß Fig. 2 für den Teillast-und Vollast­ betrieb der Brennkraftmaschine stellt die Regelungseinrichtung 24 eine Strömungsverbindung zwischen den Ladeluftleitungsteilen 21c und 21d her. Fig. 3 zeigt eine Schaltstellung der Rege­ lungseinrichtung 24 für den Anfahrbetrieb der Brennkraftma­ schine, wobei die Ladeluft vom Verdichter 14 über die Leitung 25 der Turbine 11 zugeführt wird und wobei die Strömungsver­ bindung zwischen den beiden Ladeluftleitungsteilen 21c und 21d unterbrochen ist.

Die Regelungseinrichtung 24 umfaßt einen Steuerschieber 30 mit einer Krempe 31, an der eine Dichtung 32 angebracht ist. Das Ladeluftleitungsteil 21d mündet in einer Verbindungsstelle 33 in das Ladeluftleitungsteil 21c, dessen Durchmesser größer als jener des Ladeluftleitungsteiles 21d ist. Die Verbindungs­ stelle 33 dient als Widerlager für eine Druckfeder 34, die ge­ gen die Krempe 31 drückt, wobei in der in Fig. 2 gezeigten Stellung der Regelungseinrichtung 24 die Druckfeder 34 ent­ spannt ist.

Die Steueröffnung 27 befindet sich in dem Ladeluftleitungsteil 21c und mündet in einen Raum 35 zwischen Krempe 31 und Verbin­ dungsstelle 33, wobei die Krempe 31 auf ihrer Unterseite ein normal zur Verschieberichtung des Steuerschiebers 30 angeord­ netes Flächenteil 41 besitzt. Der Raum 35 wird gegen die Lade­ luftleitung 21c mit der Dichtung 32 abgedichtet.

An der Oberseite des Steuerschiebers 30 ist eine Rückschlag­ klappe 36 in einem Lager 37 drehbar gelagert, durch die die obere Rohröffnung verschließbar ist (siehe Fig. 3).

Etwa in der Mitte des Steuerschiebers 30 befindet sich auf dessen rechten Seite eine Überströmöffnung 38, die gemäß Fig. 3 einer Öffnung 39 der Leitung 25 zugeordnet ist. Gemäß Fig. 2 verschließt bei entspannter Druckfeder 34 ein Rohrteil 40 die Öffnung 39, und die Überströmöffnung 38 befindet sich der Rohr­ wand des Ladeluftleitungsteiles 21d direkt gegenüber.

Im unteren Drehzahlbereich arbeitet nur der kleine Abgasturbo­ lader 2, wobei dessen Verdichter 5 zunächst einen höheren Druck als der Verdichter 14 des Abgasturboladers 3 aufbaut. Somit wird die Rückschlagklappe 36 über das Ladeluftleitungsteil 21c mit dem Druck p_L1 der Ladeluft beaufschlagt und geschlossen. Der rohrförmige Steuerschieber 30 befindet sich in der in Fig. 3 gezeigten Position. Die Ladeluft, die vom Verdichter 14 des Abgasturboladers 3 gefördert wird, hat den Druck p_L2 und strömt durch die Überströmöffnung 38 in die Leitung 25 und wird durch eine nicht näher dargestellte Düse, die hinter dem variablen Leitgitter 18 angebracht ist, in geeigneter Weise auf das Tur­ binenrad geblasen, wodurch die Ladeluft des Verdichters 14 einen Beitrag zum Nutzmoment der Turbine 11 des Abgasturbola­ ders 3 liefert.

Erst ab einer mittleren Drehzahl dient auch der Verdichter 14 des Abgasturboladers 3 der Ladeluftlieferung für die Brenn­ kraftmaschine 1. Die Druckverhältnisse in der Ladeluftleitung 21 sind nun derart, daß der Druck p_L1 in dem Ladeluftleitungs­ teil 21c nur noch geringfügig höher ist als der Druck p_L2 in dem Ladeluftleitungsteil 21d. über den motorkennfeldgeregelten Regeler 29 und das Druckregelglied 28 wird nun ein Druck p₅ in der Steuerleitung 26 derart moduliert, daß zusammen mit der Druckfeder 34 der Steuerschieber 30 in die in Fig. 2 gezeigte Position geschoben wird. Durch den Druckanstieg von p_L2 in dem Ladeluftleitungsteil 21d wird die Rückschlagklappe 36 spontan und pulsationsfrei geöffnet, wodurch nun auch der zweite Ab­ gasturbolader 3 an der Luftlieferung für die Brennkraftmaschine 1 teilnimmt.

Um eine kontinuierliche Leistungsentfaltung beim Zuschalten des zweiten Abgasturboladers zu erhalten, wird dieser bereits im Leerlauf nahe an der Betriebsdrehzahl gehalten, die zu Beginn dessen Luftlieferung für die Brennkraftmaschine notwendig ist. Diese relativ hohe Leerlaufdrehzahl wird durch den engen Leit­ gitteraustrittsquerschnitt und die in dieser Betriebsphase auf das Laufrad geblasene Ladeluft erreicht.

Claims (7)

1. Brennkraftmaschine mit Registeraufladung mit mindestens zwei Abgasturboladern, wobei jeder Abgasturbolader mindestens eine Turbine mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite und min­ destens einen Verdichter mit einer Druckseite und einer Saugseite aufweist, wobei von jeder Druckseite eine Ladeluftleitung zur Einlaßseite und von jeder Einströmseite der Turbinen eine Abgas­ leitung zur Auslaßseite der Brennkraftmaschine führt und wobei die beiden Ladeluftleitungen miteinander verbunden sind und min­ destens eine Turbine ein variables Leitgitter aufweist und die Ladeluftleitung mit der Einströmseite mit einer Leitung verbunden ist, in der eine Regelungseinrichtung für den Ladeluftstrom ange­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (25) nur mit der Einströmseite (12) der das va­ riable Leitgitter (18) aufweisenden Turbine (11) des Abgasturboladers (3) verbunden ist und die Regelungseinrichtung (24) einen Steuerschieber (30) umfaßt, durch den die Ladeluft des Verdichters (14) des Abgasturboladers (3) in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen den Drücken (p_L1) und (p_L2) auf den Druckseiten (8, 15) der Verdichter (5, 14) entweder zur Einlaßseite (23) der Brennkraftmaschine (1) oder zur Einströmseite (12) der Turbine (11) steuerbar ist.

2. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung (24) den Steuerschieber (30) umfaßt, der in der Ladeluftleitung (21) geführt, mit einer Dichtung (32) abgedichtet und in einem begrenzten Bereich verschieblich ist und der eine der Leitung (25) zugeordnete seitliche Überströmöffnung (38) aufweist, wobei sich an dem Steuerschieber (30) eine Rück­ schlagklappe (36) befindet, mit der ein Ladeluftleitungsteil (21d) vom Verdichter (14) des zweiten Abgasturboladers (3) ver­ schließbar ist.

3. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Innenseite der Ladeluftleitung (21) und der Au­ ßenseite des Steuerschiebers (30) ein abgedichteter, variabler Raum (35) gebildet ist, wobei in ein diesen begrenzendes Lade­ luftleitungsteil (21c) der Ladeluftleitung (21) eine Steuerlei­ tung (26) in eine Steueröffnung (27) mündet, wobei der Steuer­ schieber (30) derart ausgebildet ist, daß ein mindestens teil­ weise normal zur Verschieberichtung des Steuerschiebers (30) lie­ gendes Flächenteil (41) des Steuerschiebers (30) durch einen in der Steuerleitung (26) herrschenden Druck (p_s ) beaufschlagbar ist.

4. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (26) die Steueröffnung (27) der Regelungs­ einrichtung (24) mit der Druckseite (8) des Verdichters (5) des ersten Abgasturboladers (2) verbindet.

5. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum (35) eine sich an der Ladeluftleitung (21) ab­ stützende Druckfeder (34) angeordnet ist, die den Steuerschieber (30) bei geöffneter Rückschlagklappe (36) derart verschiebt, daß das Rohrteil (40) des Steuerschiebers (30) die Öffnung (39) der Leitung (25) verschließt.

6. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerleitung (26) ein Druckregelglied (28) angeordnet ist.

7. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Druckregelgliedes (28) motorkennfeldabhängig erfolgt.