DE102004061023A1 - Schaltbare parallele, wahlweise sequentielle Aufladung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboladeranordnung aus einem ersten Abgasturbolader und mindestens einem zweiten, schaltbaren Abgasturbolader sowie Verfahren zur Aufladung der Ladeluft für eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Abgasturboladeranordnung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboladeranordnung aus einem ersten Abgasturbolader und mindestens einem zweiten, schaltbaren Abgasturbolader sowie ein Verfahren zur Aufladung der Ladeluft für eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Abgasturboladeranordnung.
  • Die Verdichtung der Ladeluft für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Abgasturboladern zur Steigerung der Leistungsdichte ist bekannt. Zur Verbesserung des Anfahrverhaltens wird in der Regel nur einer der Abgasturbolader dauerhaft betrieben, während der zweite zuschaltbar ist, wie es beispielsweise in der DE 34 20 015 A1 beschrieben ist.
  • In Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, in denen ein geringer Abgasmassenstrom zur Verfügung steht, reicht dieser nur zum Betrieb einer der Turbinen aus. Bei höherer Leistungsanforderung steht auch mehr Abgasstrom zur Verfügung und die zweite Turbine wird angefahren. Dies geschieht in der Regel durch Öffnen eines Absperrventils in der Abgasleitung vor dem zweiten Abgasturbolader oder, wie in der DE 198 22 874 A1 durch Überströmen des überschüssigen Abgasmassenstroms des dauerhaft laufenden auf den anzufahrenden Abgasturbolader.
  • Solche Anordnungen haben den Nachteil, dass sie in instationären Betriebszuständen der Brennkraftmaschine den Ladedruck nicht gleichmäßig zur Verfügung stellen. Bei Lastwechseln im Übergangsbereich wird die zweite Turbine ständig zu- und abgeschaltet und arbeitet dadurch wenig effektiv.
    •
  • Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboladeranordnung aus einem ersten Abgasturbolader und mindestens einem zweiten, schaltbaren Abgasturbolader zur Verfügung zu stellen, die zumindest im Übergangsbereich eine höherer Leistungsdichte bei gleichem oder besserem Anfahrverhalten gegenüber Maschinen nach dem Stand der Technik aufweist.
  • Dies gelingt durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. In den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 sind vorteilhafte Ausführungen beschrieben.
  • Der Ladedruck einer durch zwei Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine wird gesteigert, indem der zweite Abgasturbolader nicht nur zu- und abschaltbar ausgeführt wird, sondern erfindungsgemäß zusätzlich eine weitere Betriebsart aufweist. In dieser dritten Betriebsart wird eine zweistufige Aufladung der Ladeluft realisiert, indem die bereits durch den ersten Abgasturbolader verdichtete Luft durch den zweiten Abgasturbolader nachverdichtet wird. Dazu wird die Ladeluft vom Verdichteraustritt des ersten Abgasturboladers zur Saugseite des Verdichters des zweiten Abgasturboladers geleitet. Die Frischluftzufuhr für den zweiten Abgasturbolader ist dabei unterbrochen. Im zweiten Verdichter erfolgt dann eine weitere Erhöhung des Ladedrucks.
  • Die beschriebene, zweistufige Aufladung stellt im Übergangsbereich, also bei einem mittelstarken Abgasmassenstrom, einen höheren Ladedruck zur Verfügung.
  • Vorzugsweise ist vor dem Verdichtereintritt des zweiten Abgasturboladers ein Ladeluftkühler zur Zwischenkühlung der durch den ersten Abgasturbolader verdichteten Ladeluft vorgesehen.
  • Für hohe Leistungsanforderungen ist der bekannte Parallelbetrieb der Abgasturbolader vorteilhaft. Daher wird die Abgasturboladeranordnung bevorzugt so ausgeführt, dass erfindungsgemäß eine Umschaltung von der zweistufigen Aufladung zum Parallelbetrieb beider Abgasturbolader bei ausreichend großem Abgasmassenstrom erfolgt.
  • Die Ladeluft des Verdichters des ersten Abgasturboladers wird dann direkt in das Sammelsaugrohr gefördert. Der zweite Abgasturbolader verdichtet ebenfalls Frischluft und stellt die komprimierte Ladeluft am Sammelsaugrohr der Brennkraftmaschine zur Verfügung.
  • Weiterhin bevorzugt ist der erste oder der zweite Abgasturbolader durch ein Ventil in seiner Abgaszuleitung im Falle eines zu geringen Abgasmassenstroms abschaltbar. Der gesamte Massenstrom kommt dann dem nicht abgeschalteten Abgasturbolader zu Gute, der damit Ladedruck erzeugt. Dieser wird direkt auf das Sammelsaugrohr des Motors geleitet, die Verbindung zum zweiten Abgasturbolader ist vorzugsweise auch auf der Ladeluftseite abgesperrt.
  • Mit der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung wird für drei unterschiedliche Betriebsbereiche jeweils eine Betriebsart zur Verfügung gestellt, in der die zwei Abgasturbolader am effektivsten arbeiten. Der Vorteil liegt in einem besseren Anfahrverhalten, bei gleichzeitig höherer Leistungsdichte, insbesondere im Übergangsbereich, wodurch Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission verringert werden.
  • Um das Anfahren des zweiten Abgasturboladers zu erleichtern, ist bevorzugt ein Mittel zur Überbrückung des Verdichters vorgesehen, beispielsweise eine Bypassleitung mit regelbarem Ventil. Damit ist es vorteilhaft möglich, Druckschwankungen, sogenanntes „Pumpen" im Verdichter beim Anfahren zu verhindern.
  • Besonders bevorzugt ist ein Mittel zur Evakuierung des Gehäuses des Verdichters des zweiten Abgasturboladers vorgesehen. Dieses verhindert das Pumpen des Verdichters und verringert vorteilhaft den Widerstand beim Anfahren.
  • Vorzugsweise weist der zweite Abgasturbolader eine andere Baugröße auf als der erste Abgasturbolader, besonders bevorzugt erreicht er einen anderen Verdichtungsgrad, was insbesondere vorteilhaft bei sequentieller Verdichtung ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung bei Brennkraftmaschinen mit einer V-förmigen Anordnung der in zwei Zylindergruppen aufgeteilten Zylinder, zwischen den Zylindergruppen angeordnet. Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn eingeschränkte Platzverhältnisse eine kompakte Bauweise einer Brennkraftmaschine erfordern.
  • Die Anordnung der erfindungsgemäßen Abgasturboladeranordnung zwischen zwei Gruppen von Zylindern stellt besondere Anforderungen an die thermische Isolierung der Komponenten. Erfindungsgemäß kann das Gehäuse der Turbinen der Abgasturbolader einschalig ausgeführt sein. Vorzugsweise ist es wärmeisoliert. Um vorteilhaft eine Luftspaltisolierung zu realisieren ist es besonders bevorzugt zweischalig ausgeführt.
  • Bevorzugt ist weiterhin die Anordnung von Abgasfiltern, insbesondere von Partikelfiltern bei Dieselmotoren direkt hinter dem Turbinenausgang der Abgasturbolader. Dabei ist es denkbar, dass das Abgas mehrerer Turbinen über einen Partikelfilter geleitet wird, oder dass jeder Turbine ein Filter zugeordnet ist. Die motornahe Anordnung der Filter bietet den Vorteil einer besonders effektiven Abgasfilterung.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Aufladung der Ladeluft einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboladeranordnung aus einem ersten Abgasturbolader und mindestens einem zweiten, schaltbaren Abgasturbolader, bei dem die Ladeluft in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine wahlweise nur durch den ersten Abgasturbolader oder durch den ersten Abgasturbolader und den zweiten Abgasturbolader sequenziell oder durch beide Abgasturbolader parallel verdichtet wird.
  • Die Klappen und Ventile in der Verrohrung der Abgasturbolader werden erfindungsgemäß so gesteuert, dass bei niedrigem Abgasmassenstrom, der zweite Abgasturbolader abgeschaltet wird und der gesamte Abgasstrom dem ersten Abgasturbolader zugute kommt. Bei erhöhtem Massenstrom werden beide Abgasturbolader angetrieben. Die Ladeluft des ersten Abgasturboladers wird vorzugsweise durch einen Ladeluftkühler zwischengekühlt, auf die Saugseite des zweiten Abgasturboladers geleitet und von diesem nachverdichtet. Bei hohem Abgasmassenstrom wird die Anordnung so umgeschaltet, dass beide Abgasturbolader parallel Frischluft verdichten.
  • Als Regelung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist grundsätzlich jede bekannte Regeltechnik denkbar. Bevorzugt erfolgt die Regelung elektronisch und/oder wird durch eine CPU gesteuert.
  • Die Eingangsgrößen für den Steuerungsalgorithmus sind vorzugsweise die Drücke der Ladeluft und des Abgases, sowie die Temperaturen der Medien und die Laufzeugdrehzahlen der Abgasturbolader.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Schaltbildern gegeben. Sie sind beispielhaft und schließen andere Ausführungsformen nicht aus. Die Erläuterung gelten sowohl für eine Brennkraftmaschine, als auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
    •
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild der Abgas- und Zuluftleitungen einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
  • 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Anordnung nach 1.
  • In 1 ist eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit acht Zylindern, die zu zwei Gruppen 6 mit je vier Zylindern zusammengefasst sind, dargestellt. Diese zwei Zylindergruppen 6 werden über ein gemeinsames Sammelsaugrohr 13 mit Ladeluft versorgt. Die Abgase beider Zylindergruppen 6 werden an ein gemeinsames Abgassammelrohr 14 abgegeben.
  • Von dem Abgassammelrohr 14 aus werden die zwei Turbinen 11 und 21 der Abgasturbolader 1 und 2 über getrennte Leitungen versorgt. Der erste Abgasturbolader 1 wird dauerhaft angetrieben, der Zugang zum zweiten Abgasturbolader 2 ist über ein Ventil 43 absperrbar. Hinter dem Turbinenausgang beider Abgasturbolader 1 und 2 ist jeweils ein Abgaspartikelfilter 7 angeordnet.
  • An den Saugseiten beider Abgasturbolader 1 und 2 ist eine Frischluftzufuhr 8 dargestellt, diejenige an der Saugseite des zweiten Abgasturboladers 2 ist mit einem Ventil 41 absperrbar. Die Ladeluft des ersten Abgasturboladers ist über ein Rohr 9 und einen Ladeluftkühler 15 an die Saugseite des zweiten Abgasturboladers 2 führbar. Die Zuleitung ist mit einem Absperrventil 42 versehen. Über ein weiteres Rohr 10, das mit einem Rückschlagventil 5 ausgerüstet ist, ist die Ladeluft vom ersten Abgasturbolader 1 auch direkt dem Sammelsaugrohr 13 zuführbar.
  • Der Verdichter 22 des zweiten Abgasturboladers 2 ist über ein Mittel 3 evakuierbar. Die Verbindung vom Verdichter 22 zum Sammelsaugrohr 13 ist mit einem Ventil 44 absperrbar. Zur Beladung der Brennräume wird die Ladeluft vom Sammelsaugrohr 13 über Ladeluftkühler 15 geführt.
  • Wird in der Brennkraftmaschine ein geringer Abgasmassenstrom erzeugt, der von den Zylindergruppen 6 in das Abgassammelrohr 14 geleitet wird, so ist das Absperrventil 43 geschlossen. Die Turbine 21 wird nicht mit Abgasstrom versorgt, der zweite Abgasturbolader 2 ist abgeschaltet.
  • Der gesamte Massenstrom des Abgases wird über die Turbine 11 des ersten Abgasturboladers 1 geleitet. Der Verdichter 12 des ersten Abgasturboladers 1 saugt Frischluft von seiner Frischluftzufuhr 8 an und verdichtet diese. Das Ventil 42 ist geschlossen, durch den Ladedruck wird das Rückschlagventil 5 geöffnet und die Ladeluft am Sammelsaugrohr 13 beiden Zylindergruppen 6 zur Verfügung gestellt. Der Fachmann versteht, dass in dieser Betriebsart das Ventil 44 geschlossen ist, um einen Druckverlust über den Verdichter 22 des inaktiven Abgasturboladers 2 zu verhindern.
  • Steigt der Abgasmassenstrom auf ein höheres Niveau, wird die Abgasturboladeranordnung auf sequentielle Aufladung umgestellt. Der Verdichter 22 ist während des Anlaufens des zweiten Abgasturboladers 2 über das Mittel 3 evakuiert, um das Anlaufen zu erleichtern und das Pumpen des Verdichters zu verhindern.
  • Das Ventil 43 ist geöffnet, so dass Abgasstrom aus dem Abgassammelrohr nun auf beide Turbinen 11 und 21 verteilt wird. Durch das Öffnen des Ventils 42 wird die Ladeluft des ersten Abgasturboladers 1 über das Rohr 9 zum Ladeluftkühler 15 geleitet und zwischengekühlt. Danach wird die gekühlte Ladeluft an die Saugseite des zweiten Abgasturboladers 2 weitergeleitet, wo sie durch den Verdichter 22 nachverdichtet wird. Das Ventil 41 sperrt die Frischluftzufuhr 8 zum zweiten Abgasturbolader 2 in dieser Betriebsart ab, da sonst der Ladedruck auf diesem Weg entweichen würde. Der Fachmann erkennt, dass in dieser Betriebsart der Ladedruck von zwei Verdichtern 12 und 22 in Reihe im Sammelsaugrohr 13 anliegt, der das Rückschlagventil 5 gegen den Ladedruck des Verdichters 12 geschlossen hält. Sinkt der Ladedruck im Sammelsaugrohr 13 unter den Ladedruck des ersten Abgasturboladers 1, insbesondere durch Abschaltung des zweiten Abgasturboladers 2, so öffnet sich das Rückschlagventil 5 und stellt ohne Unterbrechung den Ladedruck des ersten Verdichters 12 zur Verfügung.
  • Bei hohem Abgasmassenstrom ist das System auf parallelen Betrieb umstellbar. In diesem Fall ist das Ventil 43 ebenfalls geöffnet. Das Ventil 42 ist geschlossen, so dass die Verdichter 12 und 22 getrennt sind und parallel arbeiten. Die Ladeluft des ersten Abgasturboladers 1 öffnet das Rückschlagventil 5 und wird über das Rohr 10 zum Sammelsaugrohr 13 geleitet. Das Ventil 41 ist geöffnet und versorgt den Verdichter 22 des zweiten Abgasturboladers 2 mit Frischluft über seine Frischluftzufuhr 8. Die Ladeluft des zweiten Abgasturboladers 2 wird ebenfalls am Sammelsaugrohr 13 zur Verfügung gestellt.
  • In 2 ist die gleiche Grundanordnung, wie in 1 dargestellt. Der Verdichter 22 des zweiten Abgasturboladers 2 ist hier mit einer Bypassleitung 4 mit einem regelbaren Ventil 45 überbrückt. Druckschwankungen im Verdichter 22, die insbesondere beim Anfahren auftreten, werden durch geregeltes Öffnen des Ventils 45 ausgeglichen.
    • 1
    Erster Abgasturbolader
    11
    Turbine des ersten Abgasturboladers
    12
    Verdichter des ersten Abgasturboladers
    2
    Zweiter Abgasturbolader
    21
    Turbine des zweiten Abgasturboladers
    22
    Verdichter des zweiten Abgasturboladers
    3
    Mittel zur Evakuierung
    4
    Bypassleitung
    41
    Schiebeventil
    42
    Schiebeventil
    43
    Schiebeventil
    44
    Schiebeventil
    45
    Schiebeventil
    5
    Rückschlagventil
    6
    Zylindergruppe
    7
    Partikelfilter
    8
    Frischluftzufuhr
    9
    Rohr
    10
    Rohr
    13
    Sammelsaugrohr
    14
    Abgassammelrohr
    15
    Ladeluftkühler

Claims (10)

  1. Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboladeranordnung aus einem ersten Abgasturbolader (1) und mindestens einem zweiten, schaltbaren Abgasturbolader (2), dadurch gekennzeichnet, dass sie so verrohrt ist, dass mit dem zweiten Abgasturbolader (2) zumindest zeitweise die durch den ersten Abgasturbolader (1) verdichtete Ladeluft nachverdichtbar ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abgasturbolader (2) über Klappen und/oder Schieberventile (41, 42, 43, 44) und/oder Rückschlagventile (5) so schaltbar ist, dass dieser wahlweise parallel zu dem ersten Abgasturbolader (1) Frischluft verdichtet, oder die durch den ersten Abgasturbolader (1) verdichtete Ladeluft nachverdichtet, oder abgeschaltet ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite, schaltbare Abgasturbolader (2) ein Mittel zur Evakuierung (3) des Gehäuses des Verdichters (22) des zweiten Abgasturboladers (2) und/oder ein Mittel zur Überbrückung des Verdichters (22) aufweist.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verbindungsrohr (9), vom ersten Abgasturbolader (1) zur Saugseite des zweiten Abgasturboladers (2) ein Ladeluftkühler (15) zur Zwischenkühlung der Ladeluft angeordnet ist.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abgasturbolader (2) eine andere Baugröße aufweist und/oder einen anderen Verdichtungsgrad erreicht, als der erste Abgasturbolader (1 ).
  6. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer V-förmigen Anordnung der in zwei Zylindergruppen (6) aufgeteilten Zylinder, die Abgasturboladeranordnung aus einem ersten Abgasturbolader (1) und mindestens einem zweiten, schaltbaren Abgasturbolader (2) zwischen den Zylindergruppen (6) angeordnet ist.
  7. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Gehäuse der Turbinen (11, 21) der Abgasturbolader (1, 2) einschalig oder zweischalig ausgeführt ist.
  8. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikelfilter (7) zur Filterung der Abgase (10) direkt hinter der Turbine (11, 21) des jeweiligen Abgasturboladers (1, 2) angeordnet sind.
  9. Verfahren zur Aufladung der Ladeluft (9) einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboladeranordnung aus einem ersten Abgasturbolader (1) und mindestens einem zweiten, schaltbaren Abgasturbolader (2), dadurch gekennzeichnet, dass sie so verrohrt ist, dass die Ladeluft (9) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine wahlweise nur durch den ersten Abgasturbolader (1) oder durch den ersten Abgasturbolader (1) und den zweiten Abgasturbolader (2) sequenziell oder durch beide Abgasturbolader (1, 2) parallel verdichtet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft des ersten Abgasturboladers (1) im sequentiellen Betrieb vor der Nachverdichtung durch den zweiten Abgasturbolader (2) zunächst durch einen Ladeluftkühler (15) zwischengekühlt wird.
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