DE4325600A1 - Supercharged internal combustion engine with at least two exhaust turbochargers - Google Patents
Supercharged internal combustion engine with at least two exhaust turbochargersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern gemäß Oberbegriff des Patentan spruches 1.The invention relates to a supercharged internal combustion engine at least two exhaust gas turbochargers according to the preamble of the patent saying 1.
Aus der DE-OS 40 24 572 ist eine über zwei Abgasturbolader auf ladbare Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher vorgesehen ist, im niederen Drehzahlbereich einen der beiden Lader stillzusetzen und die Aufladung nur über einen Lader vorzunehmen. In höheren Drehzahlbereichen hingegen ist dieser zweite Lader zugeschaltet. Der abschaltbare Lader wird über ein stromab des Verdichters dieses Laders in der Ladeluftleitung angeordnetes Absperrelement sowie über ein in der Abgasleitung stromab der Abgasturbine die ses Laders angeordnetes Ventilelement stillgelegt. In der Abgas leitung des anderen, bei Lastvorgabe an der Aufladung der Brenn kraftmaschine immer beteiligte Abgasturboladers ist stromab der Abgasturbine ein weiteres Ventilelement angeordnet, welches in Schließstellung als Motorbremse wirkt. Für jede der beiden in den Abgasleitungen stromab der Turbine angeordneten Abgasklappen ist ein separater Stellantrieb erforderlich. Darüber hinaus sind zur Betätigung derartiger Abgasklappen, insbesondere beim Öffnen aus ihrer geschlossenen Stellung heraus, relativ hohe Verstell kräfte erforderlich und zwar infolge hoher Strömungsgeschwindig keiten in dem auch bei geschlossener Klappe immer noch erforder lichen Mindestspalt. Darüber hinaus werden die erforderlichen Verstellkräfte beim öffnen der Klappen durch ungleichmäßige Druckstöße sowie durch Druckdifferenzen in der Abgasleitung stromab der Turbinen, aus denen Kräfte resultieren, die nicht direkt auf die Drehachse der Klappen gerichtet sind, zusätzlich erhöht. Die auftretenden Druckstöße und Druckdifferenzen erfor dern bei der Verwendung derartiger Abgasklappen eine elastische Abstützung ihrer Betätigungsglieder.From DE-OS 40 24 572 one has two exhaust gas turbochargers loadable internal combustion engine is known, in which it is provided stop one of the two loaders in the low speed range and to charge only with a charger. In higher ones In contrast, this second supercharger is switched on in the speed range. The loader can be switched off via a downstream of the compressor this charger in the charge air line arranged shut-off element and via a in the exhaust line downstream of the exhaust gas turbine ses loader arranged valve element shut down. In the exhaust line of the other, with load specification at the charging of the burner Exhaust gas turbocharger always involved is downstream of the engine Exhaust turbine arranged a further valve element, which in The closed position acts as a motor brake. For each of the two in the exhaust gas flaps arranged downstream of the turbine a separate actuator is required. Beyond that for actuating such exhaust flaps, especially when opening from their closed position, relatively high adjustment Forces required due to high flow rates still necessary even when the flap is closed minimum gap. In addition, the required Adjusting forces when opening the flaps due to uneven Pressure surges as well as pressure differences in the exhaust pipe downstream of the turbines, from which forces result that are not are directed directly to the axis of rotation of the flaps, in addition elevated. The pressure surges and pressure differences occurring an elastic when using such exhaust flaps Support your actuators.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aufgeladene Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 be schriebenen Art zu schaffen, welche einfach aufgebaut ist und bei welcher der Kraftaufwand zur Betätigung der den Motorbrems betrieb steuernden Stellglieder gering ist.The invention has for its object a charged Internal combustion engine be in the preamble of claim 1 to create a type that is simple and at which the effort to actuate the engine brake operation controlling actuators is low.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn zeichnenden Teilen des Hauptanspruches gelöst.The object is achieved by the features of the kenn Drawing parts of the main claim solved.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird der Quer schnitt beider Abgasleitungen über ein im Bereich der Zusammen führung der beiden Abgasleitungen angeordnetes Ventilelement ge steuert. Es ist somit möglich, sowohl den Registerbetrieb - Auf ladung zunächst über nur einen Abgasturbolader und erst ab einem bestimmten Betriebspunkt über beide Abgasturbolader - als auch den Motorbremsbetrieb über ausschließlich ein Ventilelement zu steuern, was eine besonders einfache Lösung darstellt. Insbeson dere entfällt der Steuerungsaufwand, zwei Klappen in einer ganz bestimmten Abhängigkeit zueinander verstellen zu müssen. Dabei stellt die Verwendung eines Drehschiebers eine im Hinblick auf die erforderlichen Betätigungskräfte besonders günstige Lösung dar. So üben die in den Leitungsabschnitten stromab der Abgas turbinen immer vorhandenen, unregelmäßigen Druckpulsationen und Druckdifferenzen kein Drehmoment auf den Drehschieber aus, wel ches einer Drehbewegung des Drehschiebers während eines Ver stellvorgangs entgegengerichtet ist. Im Vergleich zum Stand der Technik sind somit insbesondere im Übergang vom Motorbremsbe trieb in den Aufladungsbereich, wo über den Drehschieber die Ab gasleitung eines Abgasturboladers freigegeben wird, nur sehr ge ringe Verstellkräfte erforderlich. Darüber hinaus kann auf eine elastische Abstützung des Betätigungsgliedes des Drehschiebers verzichtet werden, woraus eine zusätzliche Reduzierung des Bau aufwandes resultiert. Besonders einfache Arten von Drehschiebern sind mit den Ansprüchen 2 und 3 aufgezeigt.In the internal combustion engine according to the invention, the cross cut both exhaust pipes over one in the area of the together leadership of the two exhaust pipes arranged valve element ge controls. It is therefore possible to use both the register mode - up Charging initially via only one exhaust gas turbocharger and only from one certain operating point across both exhaust gas turbochargers - as well the engine brake operation via only one valve element control, which is a particularly simple solution. In particular The control effort is eliminated, two flaps in one certain dependency on each other. Here presents the use of a rotary valve with a view to the required actuation forces are a particularly favorable solution So practice in the pipe sections downstream of the exhaust gas Turbine always present, irregular pressure pulsations and Pressure differences no torque on the rotary valve, wel ches a rotary movement of the rotary valve during a ver setting process is opposite. Compared to the state of the Technology are thus particularly in the transition from the engine brake drifted into the charging area, where the Ab gas line of an exhaust gas turbocharger is released, only very ge rings adjustment forces required. In addition, a elastic support of the actuator of the rotary valve be waived, resulting in an additional reduction in construction effort results. Particularly simple types of rotary valves are shown with claims 2 and 3.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ist mit dem Anspruch 4 angegeben.Another advantageous embodiment of the invention is with indicated the claim 4.
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert.In the drawing, the invention is based on an exemplary embodiment game explained in more detail.
Im einzelnen zeigtIn detail shows
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer Prin zipdarstellung, Fig. 1, an internal combustion engine according to the invention in a zipdarstellung Prin,
Fig. 2 den Walzenschieber 15 der Fig. 1 in abgewickelter Dar stellung und Fig. 2, the roller valve 15 of FIG. 1 in a developed position Dar and
Fig. 3a-3c die Stellung des Walzenschiebers 15 in drei ver schiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, FIGS. 3a-3c, the position of the cylinder control slide in three ver different operating states of the internal combustion engine 15,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung der Fig. 3a entlang der Linie IV-IV, wobei der Walzenschieber 15 wiederum in seiner Ab wicklung dargestellt ist. Fig. 4 is a sectional view of Fig. 3a along the line IV-IV, wherein the roller valve 15 is again shown in its winding.
In Fig. 1 zeigt 1 eine über zwei Abgasturbolader 2 und 3 aufge ladene Hubkolbenbrennkraftmaschine. Jede der beiden Turbinen 4 bzw. 5 der Turbolader 2 bzw. 3 ist in je einer Abgasleitung 6 bzw. 7 angeordnet. Beide Abgasleitungen 6 und 7 sind von einem Abgaskrümmer 8 der Brennkraftmaschine 1 abgezweigt. Über die beiden Verdichter 9 und 10, von denen jeder in je einer separa ten Ladeluftleitung 11 bzw. 12, welche beide stromab der Ver dichters 9 bzw. 10 in ein gemeinsames Sammelrohr 13 einmünden, angeordnet ist, wird die Frischluft in die Brennräume der Brenn kraftmaschine 1 gefördert.In Fig. 1, 1 shows a two-turbocharger 2 and 3 loaded reciprocating internal combustion engine. Each of the two turbines 4 and 5 of the turbochargers 2 and 3 is arranged in an exhaust pipe 6 and 7 , respectively. Both exhaust pipes 6 and 7 are branched off from an exhaust manifold 8 of internal combustion engine 1 . About the two compressors 9 and 10 , each of which is arranged in a separate charge air line 11 and 12 , both of which flow downstream of the United poet 9 and 10 into a common header 13 , the fresh air into the combustion chambers of the combustion engine 1 promoted.
Die beiden Abgasleitungen 6 und 7 gehen stromab der beiden Ab gasturbinen 4 und 5 wieder in eine gemeinsame Sammelleitung 14 über. In dem Übergangsbereich ist ein als Walzenschieber ausge bildeter, um die senkrecht zur Zeichenebene gerichtete Achse 16 drehbarer (Drehrichtungen durch Doppelpfeil 17 dargestellt) Drehschieber 15 angeordnet, über welchen die Querschnitte der beiden Abgasleitungen 6 und 7 nacheinander gesteuert werden kön nen. Der Walzenschieber 15 wiederum ist als Hohlwalze ausgebil det, welche über ungefähr ihren halben Umfang U/2 mit einer Aus nehmung 18 (s. auch Fig. 2, welche den Walzenschieber 15 in seiner Abwicklung zeigt) versehen ist, durch welche Abgas hin durchströmen kann.The two exhaust pipes 6 and 7 go downstream from the two gas turbines 4 and 5 back into a common manifold 14 . In the transition area is formed as a roller valve, rotatable about the axis 16 directed perpendicular to the plane of the drawing (directions of rotation represented by double arrow 17 ) rotary valve 15 , via which the cross sections of the two exhaust pipes 6 and 7 can be controlled one after the other. The roller valve 15 in turn is ausgebil det as a hollow roller, which is provided over approximately half its circumference U / 2 with a recess 18 (see also FIG. 2, which shows the roller valve 15 in its development), through which exhaust gas can flow out .
Die Betätigung des Walzenschiebers 15 erfolgt über einen in der Zeichnung nicht sichtbaren elektrischen Stellmotor, welcher von einer elektronischen Steuereinheit 19 in Abhängigkeit verschie dener Betriebsparameter 20 der Brennkraftmaschine 1 wie z. B. Lastvorgabe, Drehzahl, Ladedruck etc. gesteuert wird. Dabei nimmt der Walzenschieber 15 je nach Betriebspunkt der Brennkr aftmaschine 1 im wesentlichen eine der drei in den Fig. 3a-3c dargestellten Stellungen ein.The roller slide 15 is actuated via an electric servomotor which is not visible in the drawing and which is operated by an electronic control unit 19 as a function of various operating parameters 20 of the internal combustion engine 1, such as, for. B. load specification, speed, boost pressure, etc. is controlled. 15 takes this case the roller slide, depending on the operating point of the Brennkr aftmaschine 1 is substantially a one of the three positions shown in FIGS. 3a-3c.
In der Stellung der Fig. 3a wird durch den Walzenschieber 15 die Abgasleitung 6, in welcher die Abgasturbine 4 des Laders 2 angeordnet ist, verschlossen. Dies ist dann der Fall, wenn die Brennkraftmaschine 1 im niederen Last- und Drehzahlbereich be trieben wird. Das Abgas strömt in diesem Betriebszustand somit ausschließlich über die Abgasleitung 7 durch die Ausnehmung 18 im Walzenschieber 15 hindurch in die Sammelleitung 14 ab (Pfeil 21). Da in diesem Betriebszustand also nur über den Lader 3 ge fördert wird, die Ladeluftleitung 12 aber mit der Ladeluftlei tung 11 des nun stillgesetzten Laders 2 in Verbindung steht, ist in dieser Ladeluftleitung 11 stromab des Verdichters 9 ein Rück schlagventil 22 angeordnet (s. Fig. 1), welches ein Abströmen der vom Verdichter 10 geförderten Frischluft über den Verdichter 9 verhindert.In the position of FIG. 3a, the exhaust pipe 6 , in which the exhaust gas turbine 4 of the supercharger 2 is arranged, is closed by the roller slide 15 . This is the case when the internal combustion engine 1 is operated in the low load and speed range. In this operating state, the exhaust gas therefore flows exclusively through the exhaust line 7 through the recess 18 in the roller valve 15 into the collecting line 14 (arrow 21 ). Since in this operating state is only ge via the charger 3 is promoted, the charge air line 12 but with the Ladeluftlei device 11 of the now shutdown charger 2 is in communication, a check valve 22 is arranged downstream of the compressor 9 in this charge air line 11 (see Fig . 1), which prevents an outflow of the conveyed from the compressor 10 with fresh air via the compressor 9.
Steigt nun der Ladedruck an, gelangt der Lader 3 also an seine Schluckgrenze, so wird der Walzenschieber 15 in Richtung des Pfeiles 23 (s. Fig. 3a) weitergedreht, wodurch es über die Aus nehmung 18 im Walzenschieber 15 zu einer kontinuierlichen Frei gabe der Abgasleitung 6 (s. Fig. 3b) kommt. Das Abgas strömt so mit, wie in Fig. 3b durch die beiden Pfeile 24 und 25 darge stellt, über beide Abgasleitungen 6 und 7 durch die Ausnehmung 18 im Walzenschieber 15 in die Sammelleitung 14 ab.Now rises to the boost pressure, the charger 3 thus reaches its absorption limit, so the roller slide 15 in the direction of arrow 23 (s. Fig. 3a) is further rotated, thereby recess on from 18 transfer in the roll slider 15 in a continuous free of Exhaust pipe 6 (see Fig. 3b) comes. The exhaust gas flows with, as shown in Fig. 3b by the two arrows 24 and 25 Darge, from both exhaust pipes 6 and 7 through the recess 18 in the roller valve 15 from the manifold 14 .
Um zu verhindern, daß durch eine zu schnelle Freigabe des Quer schnittes der Abgasleitung 6 der Druckabfall vor der Turbine 5 zu groß wird, was zu einem starken Abfall der Drehzahl des La ders 3 führen würde und zwar zu einem Zeitpunkt, zu dem der La der 2, der jetzt zugeschaltet werden soll, noch keine ausrei chend hohe Drehzahl erreicht hat, weist die Abgasleitung 6 - also die Abgasleitung 6 desjenigen Turboladers 2, welcher im Laderbe trieb erst später zugeschaltet wird - im Bereich der Zusammenfüh rung einen im wesentlichen dreieckigen Strömungsquerschnitt auf (s. Fig. 4), wobei eine Dreiecksspitze 26 auf die Ausnehmung 18 gerichtet ist. Die Querschnittsfläche der Abgasleitung 6 des Turboladers 2, welcher im Laderbetrieb erst später zugeschaltet wird, ist also derart ausgebildet, daß die vom Walzenschieber 15 freigegeben Querschnittsfläche pro Drehwinkeleinheit Δα mit steigendem Drehwinkel α immer größer wird. Dies bedeutet, daß bei einer Drehung des Walzenschiebers 15 um die Drehwinkelein heit Δα von der Stellung α in die Stellung α₁ die schraffierte Fläche 27 freigegeben wird. Bei einer weiteren Drehung des Wal zenschiebers 15 um die gleiche Drehwinkeleinheit Δα von α₁ nach α₂ hingegen wird die gekreuzt schraffierte Fläche 28 freigege ben, welche aber größer ist als die zuvor freigegebene Quer schnittsfläche 27. Die pro Drehwinkeleinheit Δα freigegebenen Querschnittsfläche wird demnach mit steigendem Drehwinkel α im mer größer und ist nicht schon von Anfang an relativ groß, um dann konstant zu bleiben. Dies hat den Vorteil, daß die Drehzahl des Laders 2 kontinuierlich ansteigen kann, ohne daß es zu einem plötzlichen Druckabfall und damit zu einem Einbruch der Drehzahl des Laders 3 kommt, weil über den Drehschieber 15 der Quer schnitt der Abgasleitung 6 zu schnell freigegeben wird.To prevent that by releasing the cross-section of the exhaust pipe 6 too quickly, the pressure drop in front of the turbine 5 becomes too large, which would lead to a sharp drop in the speed of the loader 3 at a time when the loader is in the position 2 , which is now to be switched on, has not yet reached a sufficiently high speed, the exhaust pipe 6 - that is, the exhaust pipe 6 of the turbocharger 2 , which was only activated later in the charging system - in the area of the merging, an essentially triangular flow cross section (see FIG. 4), wherein a triangular tip 26 is directed towards the recess 18 . The cross-sectional area of the exhaust pipe 6 of the turbocharger 2 , which is only switched on later in charger operation, is thus designed such that the cross-sectional area released by the roller slide 15 per angle of rotation unit Δα increases with the angle of rotation α increasing. This means that the hatched surface 27 is released when the roller slide 15 rotates by the angle of rotation Δα from the position α to the position α₁. With a further rotation of the roller zenschieber 15 by the same angle of rotation unit Δα from α₁ to α₂, however, the cross-hatched area 28 is released ben, but which is larger than the previously released cross-sectional area 27th The cross-sectional area released per rotation angle unit Δα therefore becomes larger with increasing rotation angle α and is not relatively large right from the start in order to then remain constant. This has the advantage that the speed of the loader 2 can increase continuously without there being a sudden drop in pressure and thus a drop in the speed of the loader 3 , because the cross section of the exhaust line 6 is released too quickly via the rotary valve 15 .
Der Querschnitt der Abgasleitung 6 kann selbstverständlich auch kreis- oder rechteckförmig sein. In diesem Fall muß dann aller dings mittels einer entsprechend feinfühligen Ansteuerung des Walzenschiebers 15, insbesondere dann, wenn dieser beginnt, den Querschnitt der Abgasleitung 6 freizugeben, verhindert werden, daß es aufgrund einer zu schnellen Querschnittsfreigabe zu einem zu großen Druckabfall vor dem Lader 3 bzw. im gesamten Abgaslei tungssystem kommt.The cross section of the exhaust pipe 6 can of course also be circular or rectangular. In this case, however, must be prevented by means of a correspondingly sensitive control of the roller valve 15 , especially when it begins to release the cross section of the exhaust pipe 6 , that it is due to a too fast cross-sectional release to an excessive pressure drop in front of the loader 3 or comes in the entire exhaust pipe system.
Soll das Fahrzeug, welches von der Brennkraftmaschine 1 ange trieben wird, abgebremst werden, wird der Walzenschieber 15 in Richtung des Pfeiles 29 bzw. 30 verdreht und in die in Fig. 3c dargestellte Stellung überführt. Dies kann sowohl aus der Stel lung des Walzenschiebers 15 in der Fig. 3a (Pfeil 29) als auch aus seiner Stellung in der Fig. 3b (Pfeil 30) geschehen. In diesem Betriebszustand sind somit beide Abgasleitungen 6 und 7 durch den Drehschieber 15 verschlossen, so daß die Brennkraftma schine 1 gegen einen stark überhöhten Abgasgegendruck ausschie ben muß, wodurch eine zusätzliche Bremsleistung zu Reduzierung der Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugt wird. Zwischen der Oberflä che des Walzenschiebers 15 und der Wandung des Leitungsgehäuses im Übergangsbereich von der Abgasleitung 7 zu der Sammelleitung 14 ist ein Mindestspalt 40 gegeben, wodurch immer noch eine Min destmenge an Abgas abströmen kann (Pfeil 31). Es wird damit er reicht, daß sich im Motorbremsbetrieb der Abgasgegendruck je nach Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 auf einen Wert einstellt, bei welchem ein selbsttätiges öffnen der Auslaßventile der Brennkraftmaschine 1 gegen die Ventilfederkräfte infolge eines zu großen Abgasgegendruckes sicher verhindert ist.If the vehicle, which is driven by the internal combustion engine 1 , is braked, the roller slide 15 is rotated in the direction of the arrows 29 and 30 and transferred to the position shown in FIG. 3c. This can be done both from the position of the roller slide 15 in FIG. 3a (arrow 29 ) and from its position in FIG. 3b (arrow 30 ). In this operating state, both exhaust pipes 6 and 7 are thus closed by the rotary valve 15 , so that the internal combustion engine 1 has to be pushed out against a greatly exaggerated exhaust gas back pressure, whereby an additional braking power is generated to reduce the vehicle speed. Between the surface of the roller slide 15 and the wall of the line housing in the transition area from the exhaust line 7 to the collecting line 14 there is a minimum gap 40 , whereby a minimum amount of exhaust gas can still flow out (arrow 31 ). It is enough that he sets the exhaust gas back pressure depending on the speed of the internal combustion engine 1 to a value at which an automatic opening of the exhaust valves of the internal combustion engine 1 against the valve spring forces due to excessive exhaust gas back pressure is prevented in engine braking operation.
Anstelle des konstruktiv vorgesehenen Spaltes 40 ist es auch denkbar, diesen Spalt derart zu realisieren, daß der Walzen schieber 15 die Abgasleitung 7 im Motorbremsbetrieb nicht voll ständig verschließt, sondern einen Mindestquerschnitt noch frei gibt.Instead of the structurally provided gap 40 , it is also conceivable to realize this gap in such a way that the roller slide 15 does not completely close the exhaust pipe 7 in engine braking mode, but rather still releases a minimum cross section.
Ist der Motorbremsbetrieb beendet, so wird der Walzenschieber 15 wieder in die Stellung der Fig. 3a, bzw. wenn Lastvorgabe und Brennkraftmaschinendrehzahl groß genug sind, gleich in die Stel lung der Fig. 3b überführt (s. Pfeil 32 in Fig. 3c). If the motor brake operation is ended, the roller slide 15 is returned to the position in FIG. 3a, or if the load specification and internal combustion engine speed are large enough, is immediately transferred to the position of FIG. 3b (see arrow 32 in FIG. 3c).
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es ebenso denkbar, anstelle eines Drehschiebers mit zylindrischer Oberfläche einen solchen mit einem Kugel- oder Halbkugeloberfläche zu verwenden.In a further embodiment of the invention, it is also conceivable instead of a rotary valve with a cylindrical surface to use those with a spherical or hemispherical surface.
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