DE4330525A1

DE4330525A1 - Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung

Info

Publication number: DE4330525A1
Application number: DE4330525A
Authority: DE
Inventors: Hermann Braun
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: DE4330525C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung gemäß Anspruch 6.

Abgasturbolader zur Aufladung von Brennkraftmaschinen erzielen hohe Wirkungsgrade nur in eng begrenzten Betriebsbereichen. Um aufgeladene Brennkraftmaschinen über weite Leistungsbereiche mit verbesserten Wir kungsgraden zu betreiben, ist es bekannt, Abblasventile vor Abgastur binen anzuordnen oder mehrere Stufen von Abgasturboladern abhängig vom Betriebszustand zusammen zu schalten.

Aus der DE- PS 40 16 214 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufla dung durch eine Gruppe von schaltbaren Abgasturboladern bekannt. Mit tels eines an einem Abgasauslaß eines mittleren Abgasturboladers dreh bar angeordneten Abgas- Strömungsteilers lassen sich die Abgastur bolader abgasseitig umschalten. Je nach Stellung des Abgas-Strömungs teilers ergibt sich einstufige Ladeluftverdichtung allein mit dem mittleren Abgasturbolader oder zweistufige Ladeluftverdichtung durch Hintereinanderschalten des mittleren und der äußeren Abgasturbolader.

Problematisch ist jedoch die Betriebssicherheit und die Verschleißfe stigkeit des Abgas-Strömungsteilers, der im Betrieb der Brennkraft maschine dauernd mit sehr heißen Abgasen hoher kinetischer Energie be aufschlagt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung so auszugestalten, daß Betriebssicherheit und Ver schleißfestigkeit der Umschaltvorrichtung vom einstufigen zum zwei stufigen Betrieb verbessert und Strömungswiderstände reduziert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen variablen Aufladung kann der Ladeluftdruck aus zu zweistufigen Aufladegruppen zusammengefaßten Niederdruck- und Hochdruckabgasturboladern an den Betriebszustand der Brennkraft maschine angepaßt werden, und Abgas-Strömungsteiler oder Abblas ventile, die den heißen Abgasen im Abgasauslaß beim Betrieb der Brenn kraftmaschine ausgesetzt sind, entfallen. Insbesondere ist durch diese Maßnahme die Betriebssicherheit der aufgeladenen Brennkraftmaschine verbessert. Die Abgaskanäle sind frei von Schaltvorrichtungen und da her kostengünstig herzustellen. Der Strömungswiderstand der erfin dungsgemäßen Abgaskanäle ist auf Grund der fehlenden Schaltvorrichtun gen innerhalb der Abgasleitungen niedrig.

Zur weiteren Reduktion von Strömungsverlusten kann in der Ladeluftlei tung zwischen dem Niederdruckabgasturbolader und dem Hochdruckabgas turbolader ein verschließbarer Lufteinlaß angeordnet sein. Druckver luste der Ladeluft, die beim Durchströmen des gebremsten Niederdruck verdichters beim Starten oder bei Teillast der aufgeladenen Brenn kraftmaschine entstehen könnten, werden so vermieden.

Bei mehreren parallel geschalteten Aufladegruppen aus jeweils einem Hochdruck- und einem Niederdruckabgasturbolader sind gemäß der Erfin dung die Festbremseinrichtungen jeweils an den Niederdruckabgastur boladern angeordnet.

Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung ist nur ein Nieder druckabgasturbolader aus einer von mehreren parallel geschalteten Auf ladegruppen mit Festbremseinrichtungen ausgestattet, während die an deren Aufladegruppen mittels Abgasklappen vor den Hochdruckabgastur boladern abschaltbar sind.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Fest bremseinrichtungen als Blockiereinrichtung ausgestaltet, um insbe sondere der für Schiffsmotorenanlagen erhobenen Forderung zu entspre chen, daß Turbolader über eine besondere Einrichtung bei Schaden an einem Abgasturbolader blockierbar sein müssen. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß ein noch rotierender Turboladerläufer eines defekten Abgasturboladers weitere Folgeschäden verursacht, die dann zum Ausfall der Brennkraftmaschine führen können. Eine Schwingungs überwachung oder ein manuell betätigbarer Schalter kann vorzugsweise herangezogen werden, die Festbremseinrichtung zu schließen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine mit erfin dungsgemäßer variabler Aufladung,

Fig. 2 mehrere parallel geschaltete Aufladegruppen mit erfindungsge mäßer variabler Aufladung,

Fig. 3 mehrere parallel geschaltete Aufladegruppen mit alternativer erfindungsgemäßer variabler Aufladung.

Fig. 1: Eine Brennkraftmaschine ist symbolisch durch einen Zylinder 1 mit Ein- und Auslaßventilen 2 und 3 sowie einem Kolben 4 mit Pleuel 5 dargestellt.

Ein Niederdruckabgasturbolader 6 weist einen Niederdruckverdichter 7 und eine Niederdruckturbine 8 auf, die drehfest auf einer Welle 9 ge lagert sind. Ein Hochdruckabgasturbolader 10 weist einen Hochdruckver dichter 11 und eine Hochdruckturbine 12 auf, die drehfest auf einer Welle 13 gelagert sind.

Luft wird dem Zylinder 1 von einem Einlaß 14 über den Niederdruckver dichter 7, eine Ladeluftleitung 15, den Hochdruckverdichter 11 und eine weitere Ladeluftleitung 16 zugeführt. Die Ladeluftleitungen 15 und 16 enthalten Ladeluftkühler 17, 18 und einen mit einem Ventil 19 verschließbaren Lufteinlaß 20. Die Ladeluftleitungen 15, 16 sind mit Flanschen an den Verdichtern 7, 11 montiert.

Abgas wird aus dem Zylinder 1 durch einen Abgaskanal 21 in die Hoch druckturbine 12 geleitet. Aus der Hochdruckturbine 12 wird das Abgas über einen Abgaskanal 22 in die Niederdruckturbine 8 geleitet und ei nem Auslaß (nicht dargestellt) zugeführt.

An der Welle 9 sind radial spreizbare Bremsglieder einer Fest bremseinrichtung 23 angeordnet, die von einer Steuervorrichtung (nicht dargestellt) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraft maschine betätigt werden. Die Wellen 9 und 13 sind von Gehäusen 24, 25 umgeben. Die Steuervorrichtung kann eine Schwingungsüberwachung oder ein manuell betätigbarer Schalter sein.

Fig. 2 zeigt zwei parallel geschaltete zweistufige Aufladegruppen 26, 27, die in Reihe geschaltet jeweils einen Niederdruck- und einen Hoch druckabgasturbolader 6, 10, 6′, 10′ enthalten, die den in Fig. 1 ge zeigten Abgasturboladern entsprechen. Eine beliebige Anzahl derartiger parallel geschalteter Aufladegruppen 26, 27 kann erfindungsgemäß vor gesehen sein. Die Bezugszeichen für die Elemente der Aufladegruppe 26 entsprechen den Bezugszeichen für die baugleichen Elemente aus Fig. 1. Die Bezugszeichen für die Elemente der Aufladegruppe 27 unterscheiden sich von den Bezugszeichen für die baugleichen Elemente aus Fig. 1 durch eine zusätzliche Indizierung.

Festbremseinrichtungen 23, 23′ . . . sind an den Niederdruckabgasturbola dern 6, 6′ . . . angeordnet und können unterhalb eines bestimmten Teil lastpunkts einzeln, in Gruppen oder alle gleichzeitig betätigt werden, so daß die Niederdruckabgasturbolader 6, 6′ . . . , die mit einer be tätigten Festbremseinrichtung 23, 23′ . . . verbunden sind, festgebremst werden, und die betroffene Aufladegruppe einstufig weiterbetrieben wird.

Fig. 3 zeigt ebenfalls zwei parallel geschaltete zweistufige Auf ladegruppen 28, 29, die in Reihe geschaltet jeweils einen Niederdruck- und einen Hochdruckabgasturbolader 6, 10, 6′, 10′ enthalten, die den in Fig. 1 gezeigten Abgasturboladern entsprechen. Die Anzahl der pa rallel geschalteten Aufladegruppen 28, 29 ist gemäß der Erfindung nicht auf zwei begrenzt.

Aufladegruppe 28 ist baugleich mit einer der oben beschriebenen Auf ladegruppen 26, 27. Aufladegruppe 29 und weitere parallel geschaltete, nicht dargestellte Aufladegruppen weisen anstelle der Festbremseinrichtungen 23 23′ . . . an den Niederdruckabgasturboladern 6 6′ . . . in Abgasleitungen 21′ . . . jeweils eine Abgasklappe 30 stromauf wärts der Hochdruckabgasturbolader 10′ . . . auf. Der Niederdruckabgast urbolader 6 der Aufladegruppe 28 kann mit der Festbremseinrichtung 23 festgebremst, und die Aufladegruppe 28 einstufig betrieben werden, wohingegen die parallel geschalteten Aufladegruppen 29 . . . insgesamt abgeschaltet werden, indem die Abgasklappen 30 vor den Hochdruckab gasturboladern 10′ . . . geschlossen werden.

Verfahren zum Betrieb der variabel aufgeladenen Brennkraftmaschine

Beim Start beziehungsweise unterhalb eines bestimmten Teillastpunktes der Brennkraftmaschine halten die Festbremseinrichtungen 23 über die Wellen 9 die Turboladerläufer der Niederdruckverdichter 7 und Nieder druckturbinen 8 fest. In Ladeluftleitung 16 kann ein verschließbarer Lufteinlaß 20 geöffnet werden, wenn Druckverluste in der Ladeluft beim Durchströmen des festgebremsten Niederdruckverdichters 7 vermieden werden sollen.

Luft wird am Einlaß 14 durch Niederdruckverdichter 7 oder Lufteinlaß 20 durch den Ansaughub des Kolbens 4 angesaugt und verbrannt. Abgas aus der Brennkraftmaschine treibt die Hochdruckturbine 12 und über die Welle 13 den Hochdruckverdichter 11 an. Das Abgas wird über den Abgas kanal 22 und die festgebremste Niederdruckturbine 8 dem Auslaß zuge leitet.

Wird die Brennkraftmaschine über einem bestimmten Teillastpunkt be trieben, werden die Bremsglieder 23 an der Welle 9 des Niederdruckab gasturboladers 6 gelöst, und die Abgasenergie wird von der Nieder druckabgasturbine 8 über die Welle 9 zur Verdichtung der Ladeluft am Niederdruckverdichter 7 genutzt.

Wird die Brennkraftmaschine unterhalb eines bestimmten Teillastpunkts betrieben, und fällt die Abgasenergie unter ein vorbestimmtes Niveau, schließen die Festbremseinrichtungen 23 und Niederdruckabgasturbo lader 6 wird auf Drehzahl 0 gebremst.

Bei stillstehender Niederdruckabgasturbine 8 ist der Gegendruck in der Abgasleitung 22 geringer als bei laufender Niederdruckabgasturbine 8 und daher kann ein höherer Wirkungsgrad und Ladeluftdruck an der Hoch druckabgasturbine 12 bei stillstehender Niederdruckabgasturbine 8 er zielt werden.

Bei mehreren parallel geschalteten Aufladegruppen 26, 27 . . . kann der Wirkungsgrad der variablen Aufladung unterhalb eines bestimmten Teil lastpunkts erfindungsgemäß dadurch weiter verbessert werden, daß die Aufladegruppen 26, 27 . . . . einzeln oder gemeinsam wahlweise einstufig oder zweistufig betrieben werden.

Bei mehreren parallel geschalteten Aufladegruppen 28, 29 . . . kann der Wirkungsgrad der variablen Aufladung unterhalb eines bestimmten Teil lastpunkts erfindungsgemäß dadurch weiter verbessert werden, daß die Aufladegruppen 29 . . . mittels Abgasklappen 30 abgeschaltet werden und die Brennkraftmaschine von der Aufladegruppe 28 mit Festbremseinrich tung 23 wahlweise mit einstufiger oder zweistufiger Aufladung be trieben wird.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung mit mindestens einem Nieder- und einem Hochdruckabgasturbolader (6, 10), die in Reihe geschaltet sind, wobei auf jeweils einer Welle (9) eine Nieder druckabgasturbine (8) und ein Niederdruckladeluftverdichter (7) und auf einer Welle (13) eine Hochdruckabgasturbine (12) und ein Hochdruckladeluftverdichter (11) angebracht sind, dadurch ge kennzeichnet, daß Festbremseinrichtungen (23) den Niederdruckab gasturbolader (6, 6′ . . . ) beim Start und bei Teillast der Brennkraftmaschine auf Drehzahl Null bremsen.

2. Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Ladeluftleitung (15) ein schließ barer Lufteinlaß (20) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aufladegruppen aus in Reihe geschalteten Nieder- und Hochdruckabgasturboladern (6, 10, 6′, 10′ . . . ) parallel geschaltet sind, und die Niederdruckabgastur bolader (6, 6′ . . .) jeweils mit Festbremseinrichtungen (23, 23′ . . . ) ausgestattet sind.

4. Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niederdruck-Abgasturbolader (6) in einer Aufladegruppe (28) mit einer Festbremseinrichtung (23) ausgestattet ist und weitere parallel geschaltete Auf ladegruppen (29, 29′ . . . ) jeweils eine Abgasklappe (30) vor den Hochdruck-Abgasturboladern (10 10′ . . . ) aufweisen.

5. Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festbremseinrichtungen (23, 23′ . . . ) als Blockiereinrichtung ausgestaltet sind.

6. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Starten der Brennkraftmaschine mit festgebremsten Niederdruckabgasturbola dern (6, 6′ . . . ), Beschleunigen der Brennkraftmaschine bis zu einem bestimmten Teillastpunkt und Lösen der Festbremseinrichtungen (23, 23′ . . . ) an den Niederdruckabgasturboladern (6, 6′ . . . ).