DE4331943C3

DE4331943C3 - Aufladesystem für luftverdichtende Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4331943C3
Application number: DE4331943A
Authority: DE
Inventors: Alfred Ing Grad Neitz; Dieter Wittmann; Otto Dipl Ing Schnitzer
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1993-09-02
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 1998-04-23
Anticipated expiration: 2013-09-22
Also published as: DE4331943C2; DE4331943A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Aufladesystem für luftverdichtende Brennkraftmaschinen gemäß dem Gat tungsbegriff des Patentanspruches 1.

Aus JP 3-117 624 (A) ist ein Aufladesystem für luftver dichtende Brennkraftmaschinen bekannt, mit einem er sten Abgasturbolader dessen Turbine unmittelbar einer Brennkraftmaschine nachgeschaltet ist und neben dem ersten Abgasturbolader ein zweiter Abgasturbolader vorhanden ist, mit der Besonderheit, daß ein Ausgang der Turbine des ersten Abgasturboladers mittels einer Steuerklappe wahlweise mit dem Eingang einer Turbine des zweiten Abgasturboladers, oder mit der Umgebung verbunden sein kann, wobei die Steuerklappe von einem Drehzahlsensor unter Zwischenschaltung eines Steuer gliedes umschaltbar ist, und der Verdichter des ersten Abgasturboladers über einen Ladeluftkühler, sowie der Verdichter des zweiten Abgasturboladers über eine Lei tung mit einer Ladeluftleitung verbunden ist.

Da beide Abgasturbolader gleiche Größe aufweisen und damit gleiches Trägheitsmoment besitzen folgen die Abgasturbolader mit entsprechender Verzögerung, so daß beim Hochfahren der Brennkraftmaschine mit permanentem Luftmangel gefahren wird, so daß Schwarzrauch entsteht und das Beschleunigungsvermö gen der Brennkraftmaschine unbefriedigend ist.

Aus JP 3-294 623 (A) ist ein Aufladesystem für ge mischverdichtende Brennkraftmaschinen bekannt, bei der zwei unterschiedlich große, in Reihe geschaltete Ab gasturbolader vorgesehen sind. Der Brennkraftmaschi ne ist zunächst der kleine Abgasturbolader nachge schaltet, dem wiederum der große Abgasturbolader in Reihe geschaltet ist. Die Turbinen beider Abgasturbola der sind mit Bypassventilen versehen, welche über das Fahrpedal ansteuerbar sind. Während es sich bei dem Bypassventil der Turbine des großen Abgasturboladers um ein sogenanntes "Waste Gate" Ventil handelt, um bei Vollast einen Teil des Abgasstromes an der Turbine vorbeizuleiten, ist das Bypassventil des kleinen Abgas turboladers geeignet in Sperrstellung zunächst das ge samte Abgas über die Turbine des kleinen Abgasturbo laders zuführen. Erst wenn der kleine Abgasturbolader eine vorbestimmte Drehzahl erreicht hat wird das By passventil geöffnet, so daß ein zunehmender Abgass trom an der Turbine des kleinen Abgasturboladers vor bei durch die Turbine des großen Abgasturboladers ge führt wird. Ein Nachteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß am Ende der Beschleunigungsphase beide Lader arbeiten. Es ist offensichtlich, daß es nicht mög lich ist beide Lader in einem günstigen Arbeitsbereich zu betreiben, so daß durch die unvollkommene Nutzung der Abgasenthalpie das Luftangebot beim Hochfahren der Brennkraftmaschine unbefriedigend ist.

Nach JP 60-252 121(A) wird ein zweistufiges Auflade system vorgeschlagen, bei dem eine Turbine eines er sten Abgasturboladers unmittelbar einer Brennkraftma schine nachgeschaltet ist und neben dem ersten Abgas turbolader ein zweiter Abgasturbolader vorgesehen ist, mit der Besonderheit, daß ein Ausgang der Turbine des ersten Abgasturboladers mittels einer Steuerklappe wahlweise mit dem Eingang einer Turbine des zweiten Abgasturboladers, oder mit der Umgebung verbunden werden kann, daß die Steuerklappe von einem Dreh zahlsensor unter Zwischenschaltung eines Steuergliedes umschaltbar ist, daß der Verdichter des zweiten Abgas turboladers mittels einer Verbindungsleitung mit dem Eingang des Verdichters des ersten Abgasturboladers verbunden ist und daß der Ausgang des Verdichters des ersten Abgasturboladers über einen Ladeluftkühler mit einer Ladeluftleitung verbunden ist.

Da beide Turbolader gleich groß sind ist nur ein lang sames Hochfahren der Brennkraftmaschine zu erwar ten.

Ausgehend von einem Aufladesystem gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde bereits im Leerlauf der Brennkraftmaschinen einen bestimmten Aufladedruck bereitzustellen, die Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart schneller zu erwärmen und die Brennkraftma schine im Schiebebetrieb und im Leerlauf auf höherem Temperaturniveau zu halten.

Gelöst wird diese Aufgabe zum einen durch die Merkmale des Patentanspruches 1.

Durch den sehr kleinen Turbinenquerschnitt des zweiten Abgasturboladers wird bei geschlossener Steu erklappe durch die Brennkraftmaschine vor dieser Tur bine bereits ein höherer Staudruck aufgebaut, so daß diese Turbine auf einem hohen Drehzahlniveau arbeitet und der damit verbundene Verdichter bereits im Leer lauf der Brennkraftmaschine in der Lage ist einen gewis sen Ladeluftdruck aufzubauen. Von diesem Ladeluft druck ausgehend wird nach dem Umschalten der Steu erklappe der erste Turbolader beim Hochfahren der Brennkraftmaschine wegen des höheren Enthalpieange botes des Abgases schneller hochgefahren.

Unter Verzicht auf den Vorteil der höheren Ladeluft temperatur wird die vorverdichtete Luft über den Lade luftkühler geführt und es kann bereits im Leerlauf ein höherem Verbrennungsluftverhältnis erreicht werden, so daß beim Hochfahren der Brennkraftmaschine eine günstigere Ausgangsposition zum Hochbeschleunigen der Verbrennungskraftmaschine vorhanden ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung kann Anspruch 2 ent nommen werden. Durch das Aufstauverhalten des zwei ten Abgasturboladers wird das Beschleunigungsverhal ten nachhaltig verbessert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung kann Anspruch 3 ent nommen werden. Durch die Tatsache, daß die Steuer klappe nicht nur durch die Steuereinheit geregelt wird, sondern auch der Abgasdruck vor der Turbine des zwei ten Abgasturboladers die Stellung der Steuerklappe be einflußt, kann ein Überdrehen des kleinen Turboladers sicher verhindert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnun gen dargestellt Es zeigt:

Fig. 1 ein Aufladesystem, bei dem der Verdichter des zweiten Abgasturboladers über eine eigene Leitung in eine Ladeluftleitung einspeist.

Fig. 1 zeigt eine aufgeladene Brennkraftmaschine 1. Die Aufladung erfolgt durch einen ersten und einen zweiten Abgasturbolader 2, 3. Die Turbine 4 des ersten Abgasturboladers 2 ist unmittelbar der Brennkraftma schine 1 nachgeschaltet. Sie entspricht in der Auslegung dem üblichen Abgasturbolader. Der Ausgang der Turbi ne 4 ist erfindungsgemäß mit dem Eingang einer Turbi ne 5 des zweiten Abgasturboladers 3 im Hauptstrom verbunden, solange eine Steuerklappe 6 in einer Abgas leitung 7 geschlossen ist. Die Steuerklappe 6 kann durch ein Steuerglied 8 oder durch den Abgasdruck vor Turbi ne 5 geöffnet werden, so daß der Ausgang der Turbine 4 mit der Umgebung verbunden ist, wodurch der zweite Abgasturbolader 3 nicht bzw. schwach im Nebenstrom durchströmt wird.

Ein Verdichter 9 des zweiten Abgasturboladers 3 för dert verdichtete Luft über eine Leitung 10 und eine zweite Rückschlagklappe 11 in eine Ladeluftleitung 12. Ein Verdichter 13 des ersten Abgasturboladers 2 fördert Ladeluft über einen Ladeluftkühler 14 und eine Rück schlagklappe 15 in die Ladeluftleitung 12.

Zur Funktion ist zu sagen, daß bei Leerlauf der Brennkraftmaschine 1 zunächst die Steuerklappe 6 ge schlossen ist. Während die Turbine 4 aufgrund ihrer Abmessungen ohne wesentlichen Druckverlust durch strömt wird baut sich bereits im Leerlauf vor der Turbi ne 5 ein Überdruck auf. Aus diesem Grund stellt sich im Leerlauf der Brennkraftmaschine 1 bereits eine hohe Drehzahl der Turbine 5 und des damit verbundenen Verdichters 3 ein. Die vorverdichtete Luft gelangt über die Leitung 10 und die geöffnete Rückschlagklappe 11 in die Ladeluftleitung 12. Die erste Rückschlagklappe 15 ist geschlossen, da der Druck der vom Verdichter 13 kommenden Ladeluft wegen der geringen Drehzahl der Turbine 4 nicht ausreicht, den Gegendruck der vom Verdichter 9 kommenden Luft zu überwinden.

Wird nun die Brennkraftmaschine 1 durch das Betäti gen eines Fahrpedals 16 hochgefahren, so steht bereits vorverdichtete Luft in der Ladeluftleitung 12 zur Verfü gung. Dies hat eine schnelle Enthalpieerhöhung des Ab gases zur Folge, wodurch die Drehzahl der Turbine 5 rasch zunimmt und auch die vorgeschaltete Turbine 4 ihren Hochlauf beginnt. Während dieses Vorganges öff net die über die Steuereinheit 8 oder über den Abgas druck vor Turbine 5 betätigbare Steuerklappe 6. Die Energie des Abgases kommt nun zunehmend der Turbi ne 4 des ersten Abgasturboladers 2 zugute, der nun die Aufladung allein übernimmt. Der Abgasturbolader 3 ist bei voll geöffneter Steuerklappe 6 abgeschaltet.

Im Schiebebetrieb bzw. im Leerlauf ist die Steuer klappe 6 geschlossen. Durch den Aufstau vor der Turbi ne 5 in Verbindung mit hohem Ladedruck und hoher Ladelufttemperatur bleibt die Brennkraftmaschine 1 in diesen Betriebszuständen warm, so daß Blaurauchbil dung vermieden wird. Das Beschleunigen aus dem Schiebebetrieb beginnt so vorteilhafterweise auf einem hohen Ladedruckniveau.

Claims

1. Aufladesystem für luftverdichtende Brennkraft maschinen mit einem ersten Abgasturbolader des sen Turbine unmittelbar einer Brennkraftmaschine nachgeschaltet ist und neben dem ersten Abgastur bolader ein zweiter Abgasturbolader vorgesehen ist, und die Turbinen der Abgasturbolader mittels einer Steuerklappe regelbar sind, wobei die Steuer klappe der Turbine des ersten Abgasturboladers nachgeschaltet ist und die Turbine des ersten Ab gasturboladers wahlweise mit der Umgebung oder nach Umschaltung der Steuerklappe mit dem Ein gang der Turbine des zweiten Abgasturboladers verbunden werden kann, dadurch gekennzeich net, daß der erste Abgasturbolader 2 wesentlich größer als der zweite Abgasturbolader 3 ausgebil det ist, daß die Steuerklappe (6) von einem Fahrpe dal (16) unter Zwischenschaltung eines Steuerglie des (8) umschaltbar ist, und daß der Verdichter (13) des ersten Abgasturboladers (2) über einen Lade luftkühler (14) und eine erste Rückschlagklappe (15) und der Verdichter (9) des zweiten Abgastur boladers (3) über eine Leitung (10) und eine zweite Rückschlagklappe (11) mit einer Ladeluftleitung (12) verbunden ist (Fig. 1).

2. Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufstauverhalten der Tur bine (5) des zweiten Abgasturboladers (3) so ge wählt ist, daß bereits im Leerlauf und im Schiebebe trieb der Brennkraftmaschine ein bestimmter La dedruck zur Unterstützung eines anschließenden Beschleunigungsvorganges erzeugt wird.

3. Aufladesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappe (6) außer der Beeinflussung durch das Steuerglied (8) unmittel bar durch den Abgasdruck vor Turbine (5) derge stalt gesteuert wird, daß die Stellung der Steuer klappe (6) dem Gasdurchsatz kontinuierlich ange paßt wird, so daß ein bestimmter maximaler Druck vor Turbine (5) und damit die maximal zulässige Drehzahl der Turbine (5) nicht überschritten wer den.