DE4330525C2 - Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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

Aus der DE-PS 40 16 214 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung durch eine Gruppe von schaltbaren Abgasturboladern bekannt. Mittels eines an einem Abgasauslaß eines mittleren Abgasturboladers drehbar angeordneten Abgas-Strömungsteilers lassen sich die Abgasturbolader abgasseitig umschalten. Je nach Stellung des Abgas-Strömungsteilers 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 Verschleißfestigkeit des Abgas-Strömungsteilers, der im Betrieb der Brennkraftmaschine dauernd mit sehr heißen Abgasen hoher kinetischer Energie beaufschlagt wird.

Aus der JP 60-252121(A); M447 geht es bereits als bekannt hervor, einen Nieder- und einen Hochdruckabgasturbolader in Reihe zu schalten, wobei beim Start und bei Teillast der Brennkraftmaschine der Niederdruckabgasturbolader außer Betrieb gesetzt ist. Als Schaltmittel zur Außerbetriebsetzung dienen Absperrventile, die es erlauben, den Abgasstrom bzw. die angesaugte Ladeluft um Turbine bzw. Verdichter des Niederdruckabgasturboladers herumzuleiten.

In der DE-AS 11 80 268 ist eine elektrische Bremseinrichtung, vorzugsweise eine Wirbelstrombremseinrichtung, zur Abschaltung eines Aufladeaggregats mit Ladeluftkompressor aufgezeigt.

Aus der DE 30 05 655 C2 geht eine Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung als bekannt hervor, bei der mehrere aus in Reihe geschalteten Hoch- und Niederdruckabgasturboladern bestehende Aufladegruppen verwendet werden, die ihrerseits parallel geschaltet sind. Ein Teil der Abgasturbolader kann durch Absperrung ihrer Abgaszuleitung und Umleitung des Abgasstroms stillgesetzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Mittel zur Außerbetriebsetzung des Niederdruckabgasturboladers einer aus Hoch- und Niederdruckabgasturbolader bestehenden Aufladegruppe betriebssicher und im Hinblick auf Strömungswiderstände günstig auszuführen, und dabei so zu gestalten, daß zugleich auch Schäden an der Brennkraftmaschine auszuschließen sind, die auf fehlerhaften Betrieb der Abgasturbolader zurückgehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen variablen Aufladung kann der Ladeluftdruck aus zu zweistufigen Aufladegruppen zusammengefaßten Niederdruck- und Hochdruckabgasturboladern an den Betriebszustand der Brennkraftmaschine mittels einer Festbremseinrichtung mit Blockiereinrichtung für die Welle eines Abgasturboladers angepaßt werden, und Abgas-Strömungsteiler oder Abblaseventile, die den heißen Abgasen im Abgasauslaß beim Betrieb der Brennkraftmaschine ausgesetzt sind, entfallen. Insbesondere ist durch diese Maßnahme die Betriebssicherheit der aufgeladenen Brennkraftmaschine verbessert. Die Abgaskanäle sind frei von Schaltvorrichtungen und daher kostengünstig herzustellen. Der Strömungswiderstand der erfindungsgemäßen Abgaskanäle ist auf Grund der fehlenden Schaltvorrichtung innerhalb der Abgasleitungen niedrig. Mit Festbremseinrichtungen mit Blockiereinrichtung kann zusätzlich der für Schiffsmotorenanlagen erhobenen Forderung entsprochen werden, 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 Schwingungsüberwachung oder ein manuell betätigbarer Schalter kann vorzugsweise herangezogen werden, die Festbremseinrichtung zu schließen.

Zur weiteren Reduktion von Strömungsverlusten kann in der Ladeluftleitung zwischen dem Niederdruckabgasturbolader und dem Hochdruckabgasturbolader ein verschließbarer Lufteinlaß angeordnet sein. Druckverluste der Ladeluft, die beim Durchströmen des gebremsten Niederdruckverdichters beim Starten oder bei Teillast der aufgeladenen Brennkraftmaschine entstehen könnten, werden so vermieden.

Bei mehreren parallel geschalteten Aufladegruppen aus jeweils einem Hochdruck- und einem Niederdruckabgasturbolader sind gemäß der Erfindung die Festbremseinrichtungen jeweils an den Niederdruckabgasturboladern angeordnet.

Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung ist nur ein Niederdruckabgasturbolader aus einer von mehreren parallel geschalteten Aufladegruppen mit Festbremseinrichtungen ausgestattet, während die anderen Aufladegruppen mittels Abgasklappen vor den Hochdruckabgasturboladern abschaltbar sind.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

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

Fig. 2 mehrere parallel geschaltete Aufladegruppen mit erfindungsgemäßer 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 Fest­ bremseinrichtungen 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 (4)

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 Niederdruckabgasturbine (8) und ein Niederdruckladeluftverdichter (7) und auf einer Welle (13) eine Hochdruckabgasturbine (12) und ein Hochdruckladeluftverdichter (11) angebracht sind und mit Mitteln zur Außerbetriebsetzung des Niederdruckabgasturboladers, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Außerbetriebsetzung des Niederdruckabgasturboladers als Festbremsvorrichtung (23) mit Blockiereinrichtung für die Welle (9) des Niederdruckabgasturboladers ausgebildet sind.

2. Brennkraftmaschine mit variabler Aufladung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ladeluftleitung (15) ein schließbarer 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 Niederdruckabgasturbolader (6, 6′ . . . ) jeweils mit Festbremsvorrichtungen (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 Festbremsvorrichtung (23) ausgestattet ist, und weitere parallel geschaltete Aufladegruppen (29, 29′ . . . ) jeweils eine Abgasklappe (30) vor den Hochdruck- Abgasturboladern (10, 10′ . . . ) aufweisen.