DE4434776C2 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschi­ ne mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern, bei der der Abgasdurchtrittsquerschnitt der Abgasanlage durch in Ergänzung zur ersten Abgasturbine über je eine Absperreinrichtung gestaffelt mit Abgas beaufschlagbare Abgasturbinen der weiteren Abgasturbolader veränderbar ausgebildet ist und die Absperreinrichtungen in Abhängig­ keit von lediglich einem Betriebsparameter der Brennkraft­ maschine aufsteuerbar eingerichtet sind.

Durch die Aufladung einer Brennkraftmaschine wird bekannt­ lich eine Leistungssteigerung erzielt, die sich in eine Reduzierung des Gewichts der Brennkraftmaschine umsetzen läßt. Abgasturbolader mit einer vom Druck der Abgase der Brennkraftmaschine angetriebenen Abgasturbine und mit ei­ nem von der Abgasturbine angetriebenen Ladeluftverdichter nützen zur Aufladung sonst verlorene Verbrennungsenergie und verbessern damit den Wirkungsgrad der Brennkraftma­ schine. Die Verwendung mehrerer Abgasturbolader in Paral­ lelanordnung und dem Abgasaufkommen entsprechend abge­ staffelter Inbetriebnahme ist eine Maßnahme gegen die ins­ besondere im Vollast-Niedrigdrehzahl-Bereich bestehenden Schwächen einer Brennkraftmaschine, zu deren Aufladung lediglich ein einziger Abgasturbolader vorgesehen ist.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs angeführten Art ist bereits aus der Publikation DE 37 31 991 C1 bekannt. Als Besonderheit ist dort vorgesehen, daß eine Bypassleitung einer der abschaltbaren Abgasturbinen zugeordnet ist und an der Abgaszuleitung stromab der Absperreinrichtung zum Abschalten der zugeordneten Abgasturbine beginnt. Durch eine Steuerung, die, wie mit einem am Motorblock befind­ lichen Sensor angedeutet, auf wenigstens einen Betriebs­ parameter der Brennkraftmaschine reagiert, werden die Ab­ sperreinrichtungen in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine beeinflußt. Diese die Absperrein­ richtungen über separate Signalleitungen bedienende Steue­ rung ist der Funktion nach ein Rechner, in dem wohl in an sich bekannter Weise Betriebsmusterblockdiagramme abge­ speichert sind. Die damit verbundene Erhöhung der Geste­ hungskosten der Brennkraftmaschine ist beträchtlich, ins­ besondere wenn von den Betriebsparametern der Brennkraft­ maschine gleich mehrere erfaßt und verarbeitet werden, vorrangig Druckwerte, Temperaturwerte und Drehzahlwerte. Der Bauteileaufwand wird auch dadurch vergrößert, daß die Meßwerte in elektrische Signale für den Rechner umzuwan­ deln sind und die vom Rechner gelieferten elektrischen Steuersignale in mechanische Stellvorgänge umgesetzt wer­ den müssen.

In der Publikation DE 28 09 202 A1 ist ein Aufladesystem für einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit lediglich zwei abgasseitig und luftseitig parallelgeschalteten Tur­ boladern beschrieben, bei dem die Turbine des für den un­ teren Drehzahlbereich abschaltbaren zweiten Turboladers über ein in Abhängigkeit vom Ladedruck des ersten Turbo­ laders betätigbares Bypassventil an die Abgasleitung an­ geschlossen ist und in der Verbindungsleitung des zwei­ ten Turboladers zu den Fülleitungen der Motorzylinder ein Abblaseventil angeordnet ist, das die verdichtete Luft des zweiten Turboladers abbläst, bis der Ladedruck des zweiten Turboladers etwa gleich dem Ladedruck des ersten Turboladers ist. Dieses Aufladesystem hat einen geringen baulichen Aufwand, nutzt aber nicht die höheren Abgasaufkommen und bietet in der Nutzung des Abgasaufkom­ mens keine weitergehende Staffelung. Die ladeluftseitige Steuerleitung des Bypassventils führt dort wie die Steuer­ leitung des Abblaseventils hinter ein dem Abblaseventil stromab nachfolgendes Rückschlagventil zum Druckniveau der Fülleitungen der Motorzylinder.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brenn­ kraftmaschine der angegebenen Gattung die Anpassung der Aufladung an den jeweiligen Betriebszustand der Brenn­ kraftmaschine mit einfachen Mitteln zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Aufsteuern der Absperreinrichtung der Abgasturbine des jeweils nächsten Abgasturboladers ein zwischen dem Ausgang des Ladeluftverdichters des diesem nächsten Ab­ gasturbolader vorgeordneten Abgasturboladers und einem dem Ausgang nachfolgenden Rückschlagventil abgenommener Ladeluft-Überdruck eingesetzt ist und zum Offenhalten des vorrangigen Rückschlagventils bis zum vollständigen Schließen des nachrangigen Rückschlagventils eine von der Absperreinrichtung der nachrangigen Abgasturbine zum Rückschlagventil des vorrangigen Ladeluftverdichters füh­ rende Signalleitung vorgesehen ist.

Mit der Beschränkung der Regelgrößen auf den Ladeluft- Überdruck ist die Erkenntnis verarbeitet, daß der Lade­ druck in direkter Relation zum Abgasdruck und damit zum Abgasvolumen steht, die Ladelufttemperatur dem Ladedruck folgt und die Motordrehzahl keine eindeutigen Anhalts­ punkte zum Betreiben der Abgasturbolader liefert. Beim Aufsteuern der Absperreinrichtungen kommt man ohne einen Rechner und ohne aufwendig gespeicherte Parameter aus. Vorteile des Erfindungsgegenstandes bestehen aber auch in der Vermeidung von Meßwertwandlern und Stellsignal­ wandlern, insbesondere wenn jede Absperreinrichtung über eine Druckluftleitung unmittelbar vom Ladeluft-Überdruck aufsteuerbar eingerichtet ist. Der Ladedruck wird über alle Drehzahlbereiche hinweg besser konstantgehalten. Es wird eine Reihenfolge gebildet, die garantiert, daß der nächste Ladeluftverdichter und die mit ihm verbundene Ab­ gasturbine immer nur dann aufgesteuert werden, wenn der davorliegende Abgasturbolader seine volle Leistung ab­ gibt. Daß das Schaltspiel der Abstaffelung absolut sicher auch in umgekehrter Reihenfolge und bei einem um eine Schaltstufe schwankenden Abgasaufkommen funktioniert, wird durch den Rückkopplungseffekt der zu den Rückschlag­ ventilen führenden Signalleitungen garantiert.

Ein auf Grund der in den Unteransprüchen angegebenen Er­ findungsausgestaltungen bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung der aufgeladenen Brennkraftmaschine und

Fig. 2 die in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine vorgesehene Absperreinrichtung.

Die in der Fig. 1 wiedergegebene Brennkraftma­ schine enthält einen Motorblock 10 mit sechs Zylindern 11, deren Ladeluftzuleitungen aus einem gemeinsamen Ladeluft­ strang 12 gespeist werden und deren Abgasableitungen in einem gemeinsamen Abgasstrang 13 münden. Bei einem gerin­ gen Abgasaufkommen führt der Abgasstrang 13 lediglich über die Abgasturbine 14 eines ersten Abgasturboladers 15. Mit steigendem Abgasaufkommen werden der Reihe nach durch das Öffnen einer ersten Absperreinrichtung 16 die Abgas­ turbine 17 eines zweiten Abgasturboladers 18 und durch das Öffnen einer zweiten Absperreinrichtung 19 die Abgas­ turbine 20 eines dritten Abgasturboladers 21 der Abgas­ turbine 14 parallelgeschaltet. Die Ladeluftverdichter 22, 23 und 24 der drei Abgasturbolader 15, 18 und 21 sind ebenfalls für einen Parallelbetrieb eingerichtet, wobei die stromab stattfindende Wiedervereinigung des Ladeluft­ stranges 12 hinter einem dem Ladeluftverdichter 22 nach­ folgenden Rückschlagventil 25, einem dem Ladeluftverdich­ ter 23 nachfolgenden Rückschlagventil 26 und einem dem Ladeluftverdichter 24 nachfolgenden Rückschlagventil 27 erfolgt.

Zum Aufsteuern der Absperreinrichtung 16 bzw. 19 der Ab­ gasturbine 17 bzw. 20 des jeweils nächsten Abgasturbola­ ders 18 bzw. 21 ist ein zwischen dem Ausgang des Ladeluftverdichters 22 bzw. 23 des diesem nächsten Abgastur­ boladers 18 bzw. 21 vorgeordneten Abgasturboladers 15 bzw. 18 und dem dem Ausgang nachfolgenden Rückschlagventil 25 bzw. 26 abgenommener Ladeluft-Überdruck in der Weise ein­ gesetzt, daß die Absperreinrichtung 16 bzw. 19 über eine Druckluftleitung 28 bzw. 29 unmittelbar vom Ladeluft-Über­ druck aufsteuerbar eingerichtet ist. Es entfällt demnach nicht nur jedweder Rechner zum Verarbeiten der registrier­ ten Druckwerte, sondern auch jedwede Einrichtung zum Um­ setzen der anfallenden Druckwerte in elektrische Signale.

Gemäß der Fig. 2 weist jede Absperreinrichtung 16 bzw. 19 eine mittels einer an einer Kolbenstange 30 befindlichen Kurve 31 um einen rechten Winkel drehbare Klappe 32 im Abgaskanal 33 und zum axialen Verschieben des mit der Kolbenstange 30 verbundenen Kolbens 34 in die der maximalen Öffnung der Klappe 32 zugeordnete Endstel­ lung einen an die Druckluftleitung 28 bzw. 29 angeschlos­ senen Zylinder 35 auf. Der zum Anschluß der Druckluftlei­ tung 28 bzw. 29 eingerichtete Ladelufteinlaß 36 befindet sich im Deckel 37 des Zylinders 35. Dargestellt ist die maximale Öffnung der Klappe 32, bei der sich diese in der Längsrichtung des Abgaskanals 33 erstreckt und der Kolben 34 am Boden 38 des Zylinders 35 anliegt. Die den Abgas­ kanal 33 rechtwinkelig kreuzende Schwenkachse 39 der Klap­ pe 32 hat mit der Kolbenstange 30 eine gemeinsame Mittel­ linie 40 und wird über ein Winkelstück 41 durch zwei die Kurve 31 zwischen sich einschließende Rollen 42 geführt.

Um für sie mit einer einheitlichen Bauform auszukommen, ist jede Absperreinrichtung 16 bzw. 19 mit einem Einstell­ organ 43 für ihren Aufsteuer-Schwellendruck ausgerüstet. Vorzugsweise ist als Einstellorgan 43 eine mit einem Ge­ winde der Kolbenstange 30 geführte Stützmutter 44 für eine die Absperreinrichtung 16 bzw. 19 über die Kolben­ stange 30 schließende vorgespannte Druckfeder 45 vorge­ sehen. Durch eine unterschiedliche Vorspannung der je­ weiligen Druckfeder 45 läßt es sich bewerkstelligen, daß in einer festgelegten Reihenfolge der jeweils nächste der drei Abgasturbolader 15, 18 und 21 und eventuell wei­ teren Abgasturbolader in Betrieb genommen wird, wenn der davorliegende Abgasturbolader seine volle Ladeleistung erreicht hat. Jede in den Abgasdurchtrittsquerschnitt der Abgasanlage neu hinzugeschaltete Abgasturbine 17 bzw. 20 hat für die vorgeordnete Abgasturbine 14 bzw. 17 die Wirkung eines Bypasses.

Damit die betriebliche Reihenfolge der zueinander paral­ lelen Abgasturbolader 15, 18 und 21 auch umgekehrt bei abnehmendem Abgasaufkommen mit hoher Sicherheit gewähr­ leistet werden kann, ist in jeder Absperreinrichtung 16 bzw. 19 durch einen Schließverzögerer 46 für eine Schalt­ hysterese im Ladeluft-Überdruck gesorgt. Insbesondere zur Anpassung an eine bei gleicher Bauform unterschiedliche Zahl von benötigten Absperreinrichtungen 16 bzw. 19 ist die Druckdifferenz dieser Schalthysterese verstellbar eingerichtet. Nach Fig. 2 ist zur Bildung des Schließver­ zögerers 46 in Fig. 1 eine beim Zurückbewegen des Kol­ bens 34 mit der Druckfeder 45 vom Unterdruck an der Kol­ benvorderseite betätigbares Belüftungsventil 47 mit einer von einer Ventilfeder 48 gegen eine Hemmschräge 49 ge­ drückten Kugel 50 vorgesehen. Der Unterdruck wird durch ein Entlüftungsventil 51 im Boden 38 des Zylinders 35, durch einen Rollring 52 vor einem rückseitigen Bund 53 des Kolbens 34 und durch die Minimisierung des dazwi­ schenliegenden Totraums 54 optimiert. Die Verstellung der Schalthysterese erfolgt durch die Veränderung der Vorspannung der gegen die Kugel 50 drückenden Ventilfeder 48 mittels einer Rändelschraube 55. Nach alledem wird die Anpassung der Aufladung an den jeweiligen Betriebs­ zustand der Brennkraftmaschine ausschließlich durch pneu­ matische Mittel bewältigt, ohne daß der lediglich eine Parameter verglichen oder verrechnet werden muß und ohne daß es für die Reihenfolge der Abgasturbolader 15, 18 und 21 beim Auf- und Zusteuern der Abgasturbinen 17 und 20 eine von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängige Zweideutigkeit gibt.

Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme ist zum Offenhalten des vorrangigen Rückschlagventils 25 bzw. 26 bis zum vollständigen Schließen des nachrangigen Rückschlagven­ tils 26 bzw. 27 eine von der Absperreinrichtung 16 bzw. 19 der nachrangigen Abgasturbine 17 bzw. 20 zum Rück­ schlagventil 25 bzw. 26 des vorrangigen Ladeluftverdich­ ters 22 bzw. 23 führende Signalleitung 56 bzw. 57 vorge­ sehen. Die Signalleitung 56 bzw. 57 wird von einem elek­ trischen Schalter 58 in einer Mulde 59 im Deckel 37 des Zylinders 35 durch einen von der Rückseite des Kolbens 34 abstehenden Betätigungsnippel 60 geöffnet, wenn die Kolbenstange 30 durch die Kraft der Druckfeder 45 in ihre Grundstellung zurückkehrt. Dann ist über die Signallei­ tung 56 bzw. 57 am Rückschlagventil 25 bzw. 26 ein Halte­ magnet 61 inaktiviert.

Claims (8)

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern (15, 18, 21), bei der der Abgasdurchtrittsquerschnitt der Abgasanlage durch in Ergänzung zur ersten Abgasturbine (14) über je eine Absperreinrichtung (16, 19) gestaffelt mit Abgas beauf­ schlagbare Abgasturbinen (17, 20) der weiteren Abgas­ turbolader (18, 21) veränderbar ausgebildet ist und die Absperreinrichtungen (16, 19) in Abhängigkeit von lediglich einem Betriebsparameter der Brennkraftma­ schine (10) aufsteuerbar eingerichtet sind, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Aufsteuern der Absperreinrichtung (16, 19) der Abgas­ turbine (17, 20) des jeweils nächsten Abgasturboladers (18, 21) ein zwischen dem Ausgang des Ladeluftverdich­ ters (22, 23) des diesem nächsten Abgasturbolader (18, 21) vorgeordneten Abgasturboladers (15, 18) und einem dem Ausgang nachfolgenden Rückschlagventil (25, 26) ab­ genommener Ladeluft-Überdruck eingesetzt ist und zum Offenhalten des vorrangigen Rückschlagventils (25, 26) bis zum vollständigen Schließen des nachhrangigen Rück­ schlagventils (26, 27) eine von der Absperreinrichtung (16, 19) der nachrangigen Abgasturbine (17, 20) zum Rückschlagventil (25, 26) des vorrangigen Ladeluftver­ dichters (22, 23) führende Signalleitung (56, 57) vor­ gesehen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Absperreinrichtung (16, 19) über eine Druckluftleitung (28, 29) unmittelbar vom Lade­ luft-Überdruck aufsteuerbar eingerichtet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Absperreinrichtung (16, 19) eine mittels einer all einer Kolbenstange (30) befindlichen Kurve (31) um einen rechten Winkel drehbare Klappe (32) im Abgaskanal (33) und zum axialen Verschieben des mit der Kolbenstange (30) verbundenen Kolbens (34) in die der maximalen Öffnung der Klappe (32) zugeord­ nete Endstellung einen an die Druckluftleitung (28, 29) angeschlossenen Zylinder (35) aufweist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Absperreinrichtung (16, 19) mit einem Einstellorgan (43) für ihren Auf­ steuer-Schwellendruck ausgerüstet ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Einstellorgan (43) eine in einem Gewinde der Kolbenstange (30) geführte Stützmutter (44) für eine die Absperreinrichtung (16, 19) über die Kolbenstange (30) schließende vorgespannte Druckfeder (45) vorgesehen ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Absperreinrich­ tung (16,19) durch einen Schließverzögerer (46) für eine Schalthysterese im Ladeluft-Überdruck gesorgt ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckdifferenz der Schalthysterese verstellbar eingerichtet ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Bildung des Schließverzögerers (46) eine beim Zurückbewegen des Kolbens (34) mit der Druckfeder (45) vom Unterdruck an der Kolbenvordersei­ te betätigbares Belüftungsventil (47) mit einer von einer Ventilfeder (48) gegen eine Hemmschräge (49) ge­ drückten Kugel (50) vorgesehen ist.