DE1301608B

DE1301608B - Ladeeinrichtung fuer Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE1301608B
Application number: DEP33226A
Authority: DE
Inventors: Vulliamy Nicholas Martin Felix
Original assignee: Perkins Engines Ltd
Current assignee: Perkins Ltd
Priority date: 1962-12-21
Filing date: 1963-12-19
Publication date: 1969-08-21
Also published as: US3250068A; GB1062983A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer ersten Abgasturbine und wenigstens einer mit dieser in Reihe geschalteten zweiten Abgasturbine, welche Turbinen jeweils Luftverdichter antreiben, die bezüglich der Luftströmung in Reihe liegen, sowie mit einer Abgassteuereinrichtung, die in Strömungsrichtung hinter der ersten Abgasturbine angeordnet ist und in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine die der zweiten Abgasturbine zugeführte Abgasmenge bestimmt.
Es ist eine Fahrzeugbrennkraftmaschine für Betrieb in wechselnder Höhenlage bekannt, bei der die Luft durch zwei hintereinandergeschaltete, je von einer Abgasturbine angetriebene Ladegebläse auf einen von der Höhenlage unabhängigen annähernd konstanten Druck verdichtet wird. Hierbei sind auch die beiden Abgasturbinen hintereinandergeschaltet, wobei jedoch das unmittelbar zur Brennkraftmaschine fördernde Gebläse von derjenigen Abgasturbine angetrieben wird, welche die Abgase unmittelbar von der Brennkraftmaschine zugeführt erhält. Bei dieser Anordnung wird nur die in Strömungsrichtung zweite Turbine dadurch geregelt, daß aus der Frischluftdruckleitung nach Wunsch Frischluft den Abgasen, die zu der zweiten Turbine geführt werden, beigemischt wird. Die erste Turbine bleibt dabei ungeregelt. Die Regelung der Frischluftbeimengung erfolgt so, daß der Ladedruck unabhängig von der Höhenlage des Fahrzeugs konstant bleibt.
Es ist weiterhin eine Ladeeinrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der ebenfalls zwei in Reihe geschaltete Abgasturbinen vorgesehen sind, die je einen Luftverdichter antreiben, die ihrerseits wiederum in Reihe geschaltet sind. Hinter der ersten Turbine liegt im Strömungsweg der Abgase eine Abgassteuereinrichtung, welche die Abgaszufuhr zu der zweiten Turbine steuert. Bei dieser bekannten Anordnung arbeitet der Regler in Abhängigkeit von dem Druck in der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine, und zwar in einer solchen Weise, daß dieser Druck unabhängig von Änderungen des Druckes in der Umgebungsluft konstant bleibt. Es liegt hier also im wesentlichen die gleiche Aufgabe vor, wie bei der zuerst behandelten vorbekannten Ladeeinrichtung. Durch diese Regelung verschiebt sich die normale Drehmoment-Drehzahlkurve parallel zu sich selbst, ohne daß sich der Verlauf der Kurven ändert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladeeinrichtung der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß sich im Bereich mittlerer und höherer Motordrehzahlen bei Brennkraftmaschinen ein günstigerer Verlauf der Drehmomentcharakteristik ergibt und eine bessere Elastizität des Verhaltens der Brennkraftmaschine erhalten wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Betriebsgröße, welche die Abgassteuereinrichtung beeinflußt, die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist und daß bei Überschreiten einer vorbestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine eine Verminderung der der zweiten Abgasturbine zugeführten Abgasmenge einsetzt und diese Abgasmenge mit weiter ansteigender Maschinendrehzahl weiterhin abnimmt. Vorteilhafterweise liegt dabei die vorbestimmte Drehzahl bei etwa 40% der vollen Drehzahl der Brennkraftmaschine.
Auf Grund der neuen Maßnahmen ergeben sich besonders günstige Verhältnisse, indem die Abgassteuereinrichtung den Strömungsweg zur zweiten Abgasturbine voll offen hält, bis eine vorbestimmte Drehzahl erreicht ist, worauf dieser Strömungsweg mit weiterhin steigender Drehzahl mehr und mehr abgesperrt wird. Dabei erhält die zweite Turbine bei der maximalen Drehzahl nur noch gerade so viel Abgas, daß der durch sie angetriebene Lader keine Störung der Luftzuführung verursacht. Auf Grund dieser Ausbildung läßt sich bis zum Erreichen des vorbestimmten Drehzahlwertes ein hohes Drehmoment erzielen. Dies ist sehr wünschenswert, da man dadurch über einen sehr weiten Drehzahlbereich ein optimales Drehmomentverhältnis erhält.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
F i g. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Ladeeinrichtung gemäß der Erfindung für eine Brennkraftmaschine; Fi g. 2 und 3 zeigen Diagramme.
F i g. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, die mit einer Ansaugleitung 2 und einer Auspuffleitung 3 ausgerüstet ist. Ein erster Aufladeverdichter 4 saugt Luft durch einen Ansaugfilter 5 und führt die verdichtete Luft durch eine Rohrleitung 6, die zugleich den Einlaß für einen zweiten Auflader oder Verdichter 7 darstellt. Der letztere der beiden Verdichter führt die Luft zur Ansaugleitung 2 und über diese zur Brennkraftmaschine 1. Die Auspuffgase strömen aus der Brennkraftmaschine 1 durch die Auspuffleitung 3 zu einer ersten Turbine B. Die Turbine 8 treibt den Aufladeverdichter 7 über eine Welle 9 an. Die Auspuffgase, die die erste Turbine 8 verlassen, strömen durch eine Rohrleitung 10 zu einem Steuerventil 11, welches den Strom der Auspuffgase auf zwei Rohrleitungen 12 und 13 A verteilt. Die Rohrleitung 12 führt zu einer Turbine 14, die sich über eine weitere Rohrleitung 13, an welche sich das Rohr 13 A anschließt, zur Außenluft öffnet. Eine Welle 15 überträgt die Antriebskraft der Turbine 14 auf den ersten Aufladeverdichter 4.
Die Anordnung kann auch so getroffen werden, daß die beiden Verdichter 4 und 7 in umgekehrter Reihenfolge an die Ansaugleitung des Motors angeschlossen sind und/oder zusätzliche, durch Ventile zur Wirkung kommende Umgehungsleitungen vorgesehen sind, welche es gestatten, einen Teil der Ansaugluft direkt dem an zweiter Stelle angeordneten Verdichter zuzuführen bzw. nach Bedarf z. B. einen Teil der von dem in der Reihe an erster Stelle liegenden Verdichter gelieferten Luft direkt der Ansau# leitung des Motors zuzuführen.
Es sei darauf hingewiesen, daß das im auspuffseitigen Teil des Motors befindliche Steuerventil 11 so ausgebildet ist, daß niemals ein vollständiges Absperren der Strömung der Auspuffgase zur nachgeschalteten Turbine 14 stattfindet. Auf diese Weise wird erreicht, daß die-von dem Ventil 11 beeinflußte Turbine auch bei geschlossenem Ventil 11 mit einer 9 erincen Drehzahl weiterläuft, so daß der von der t' Turbine angetriebene Verdichter nicht die Ursache für eine Abschnürung des Luftstromes werden kann. Es ist einzusehen, daß die Vorteile, die durch die Anwendung des erfindungsgemäß ausgebildeten Systems erzielt werden, im wesentlichen darin liegen, daß eine bessere und günstigere Drehmomentcharakteristik im Bereich mittlerer und höherer Motordrehzahlen bei Dieselmotoren erzielt wird. Die Kurve NA in F i g. 2 zeigt die Drehmoment-Drehzahlkennlinie für einen typischen, normal ansaugenden Dieselmotor. Es ist zu erkennen, daß das Maximalmoment bei etwa 40 % der maximalen Motordrehzahl erreicht wird und daß zwischen diesem Maximalmoment und der maximalen Drehzahl ein ständiger Abfall des Drehmomentes eintritt. Diese Kennlinie, und zwar jener Teil, der sich im Bereich von 40 bis 100 % der Maximaldrehzahl befindet, versetzt ein Fahrzeug, das mit einem derartigen Dieselmotor ausgerüstet ist, in die Lage, mit einer Höchstgeschwindigkeit zu fahren, d. h. eine Geschwindigkeit zu erreichen, bei der ein Gleichgewicht durch eine niedrigere Geschwindigkeit und einer zusätzlichen Last eintritt, wobei die Last beispielsweise von einem Ansteigen der Fahrbahn herrühren kann. Diese Bedingungen sind jedoch nur dann gültig, wenn die Belastung nicht so groß ist, daß sie das verfügbare maximale Drehmoment überschreitet, das der Motor in Verbindung mit dem gewählten Getriebe entwickeln kann.
F i g. 2 zeigt eine weitere graphische Darstellung oder Kennlinien, in der der Druck, die Druckänderung und das Verhältnis der Drücke über den Verdichtern und das Drehmoment, welches dem Bremsdruck entspricht, in bezug auf Prozente der maximal erzielbaren Motordrehzahl als Abszisse aufgetragen sind. Die Kurve AB stellt die Druckverhältnisse für einen einzelnen Turboauflader dar, der mit dem Motor derart verbunden ist, daß er die Energie der Auspuffgase ausnutzt. Wie sich erkennen läßt, ergibt sich aus dieser Ausnutzung der Energie der Auspuffgase ein Anstieg der Kurve ST in dem Drehmomentteil der graphischen Darstellung. Es ist sichtbar, daß das Maximalmoment, das für einen Motor, der mit einem einzigen Turboauflader ausgerüstet ist, bei etwa 65 % der maximalen Drehzahl erreicht wird, so daß die Getriebe des Fahrzeuges auf eine höhere Geschwindigkeit geschaltet werden müssen als bei einem normal ansaugenden Motor (Kurve INA), bei dem das Maximalmoment bei ungefähr 40% der maximalen Drehzahl entwickelt wird. Wenn beispielsweise bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 das Ventil 11 voll offen gehalten wird, und zwar in Richtung auf die Turbine 14, bis etwa 40 % der maximalen Drehzahl erreicht werden, dann werden beide Turbinen 4 und 7 angetrieben, und es wird ein hohes Drehmoment entwickelt (s. Kurve TT in F i g. 2). Das Ventil 11 kann dann zunehmend geschlossen werden, so daß die Turbine 14 mehr und mehr von dem Abgas- oder Auspuffgasstrom abgesperrt wird und dieser durch die Rohrleitung 13 A entweicht, wenn die Motordrehzahl ansteigt und schließlich den Maximalwert erreicht. Bei Erreichen der maximalen Drehzahl ist das Ventil 11 fast geschlossen und gibt nur so viel Auspuffgasen den Weg zur Turbine 14 frei, daß diese gerade noch in Drehung gehalten wird, so daß der Verdichter oder Auflader 4 daran gehindert wird, die Luftströmung zum Motor zu unterbrechen. Unter diesen Umständen stellen sich über den Verdichtern Druckverhältnisse ein, die durch die Kurven CIDE und A1B dargestellt sind, während der Gesamtdruck bzw. das Gesamtdruckverhältnis von der Kurve CFB wiedergegeben wird. Letztere wird durch Multiplikation der Ordinaten der Kurven CIDE und AIB ermittelt. Da die Druckverhältnisse über den Verdichtern ein Maß für die Menge der Luftströmung darstellen, die durch den Motor fließt, und da Veränderungen der Strömungsmenge ein ungefähres Maß für die Veränderung der vom Motor entwickelten Leistung darstellen, folgt, daß die Kurve CFB einer im wesentlichen konstanten Leistung des Motors zwischen dem Bereich der Drehzahl, an welcher das Maximalmoment auftritt, und der maximalen Drehzahl entsprechen muß. Das ist vorteilhaft insofern, als eine hohe Antriebskraft entwickelt werden kann, und zwar bei niedrigen Geschwindigkeiten, wobei sich Möglichkeiten eröffnen, die Anzahl der Gänge eines Getriebes zu verringern oder vollständig auf diese zu verzichten. Es ist erkennbar, wie sich aus einem Vergleich der Kurven NA und TT ergibt, daß das Maximalmoment auf etwa dem gesamten Bereich der Motordrehzahl erzielt werden kann und daß auf diese Weise die Elastizität des Motors bei zugleich verbesserter Drehmoment-Charakteristik erhalten ist.
F i g. 3 zeigt ein Diagramm, das dem Diagramm in F i g. 2 ähnlich ist, jedoch ist dieses Diagramm so ausgelegt, daß ein wesentlich geringeres Maximalmoment als vorher entwickelt wird, wenn das Ventil 11 bis zum Erreichen der vorbestimmten Drehzahl zunehmend geöffnet wird, während die Verminderung der der zweiten Abgasturbine 14 zugeführten Abgasmenge nach Überschreiten der Drehzahl weniger stark wie bei dem Diagramm nach F i g. 2 ist. Dadurch wird erreicht, daß das Drehmoment bei zunehmenden Drehzahlen größer ist, als es mit einem einzigen Turboverdichter (s. Kennlinie ST') erzielbar ist, und daß sich die Turbine 14 ständig in Betrieb befindet.
Die Leistung oder die Antriebskraft und der Brennstoffverbrauch beispielsweise sind ebenso wie das Antriebsdrehmoment zu berücksichtigen, und es ist nicht notwendig und auch nicht immer erwünscht, daß das maximale Drehmoment entwickelt wird.
Die Auslegung nach F i g. 2 ist z. B. dann vorteilhaft, wenn ein Fahrzeug unter erheblicher Last vorwiegend in gebirgiger Gegend gefahren werden soll. Durch die Drehmomentspitze bei der gewählten relativ niedrigen Drehzahl wird erreicht, daß trotz des schwierigen Geländes nur wenig geschaltet zu werden braucht. Die Auslegung nach F i g. 3 ist dagegen vorteilhafter bei Betrieb auf schnellen Autostraßen in relativ ebenem Gelände. In beiden Fällen läßt sich die Drehmomentspitze in den günstigen niedrigen Drehzahlbereich legen. Außerdem läßt sich bedarfsweise die Regeleinrichtung ohne nennenswerten Aufwand von der Auslegung nach F i g. 2 in die Auslegung nach F i g. 3 und zurück umschalten.
Die Erfindung erstreckt sich deshalb auf jenen Geschwindigkeits- oder Drehzahlbereich, von dem ab eine Turboaufladung und Turboverdichtung möglich und mit einem guten Wirkungsgrad durchführbar ist, und sie gestattet die Erzielung beträchtlicher Vorteile im Hinblick auf die Anpassungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit von Motoren. Die Anwendung von drei oder mehreren Turboaufladern kann größere Gewinne einbringen als sie mit zwei Turboaufladern bzw. der Zweistufenaufladung, die im vorstehenden geschildert worden ist, erzielt werden können, es muß jedoch unter Umständen damit gerechnet werden, daß die Kosten für weitere Auflader und Verdichter so hoch werden, daß sie mit Hinblick auf die erzielten Vorteile nicht mehr gerechtfertigt sind.
In den Figuren deuten die Pfeile die Strömungsrichtung der Luft bzw. der Auspuffgase an. Die Steuerventile können in Verbindung mit dem Drosselorgan des Motors oder in Abhängigkeit von der Drehzahl oder in Abhängigkeit von Drucksignalen oder Kombinationen derartiger Signale betätigt werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Ladeeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer ersten Abgasturbine und wenigstens einer mit dieser in Reihe geschalteten zweiten Abgasturbine, welche Turbinen jeweils Luftverdichter antreiben, die bezüglich der Luftströmung in Reihe liegen, sowie mit einer Abgassteuereinrichtung, die in Strömungsrichtung hinter der ersten Abgasturbine angeordnet ist und in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine die der zweiten Abgasturbine zugeführte Abgasmenge bestimmt, d a d u r c h g e -kennzeichnet, daß die Betriebsgröße die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist und daß bei überschreiten einer vorbestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) eine Verminderung der der zweiten Abgasturbine (14) zugeführten Abgasmenge einsetzt und diese Abgasmenge mit weiter ansteigender Maschinendrehzahl weiter abnimmt.
2. Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Drehzahl bei 40 °/o der vollen Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) liegt.