DE2544471A1 - Aufgeladene, arbeitsraumbildende brennkraftmaschine - Google Patents
Aufgeladene, arbeitsraumbildende brennkraftmaschineInfo
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Description
Kiöckner-Humboicft-DeutzAG AM^JTIUf t Köln CO, dan 24. September 1975
Aufgeladene, arbeitsraumbildende Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine aufgeladen«f arbeitsraumbildende
Brennkraftmaschine mit zwei oder mehreren In Reihe geschalteten Turboladern, die breite Betriebslcennfelder und gute Wirkungsgrade bei niedrigen Drucfcverhälthissen aufweisen.
Bei einfach aufgeladenen Brennkraftmaschinen ist es mit Rücksicht auf das Drehmoment im unteren Drehsahlbereich üblich,
den Abgasturbolader auf eine mittlere Drehzahl auszulegen. Dies hat zur Folge, daß im oberen Drehzahlbereich die Ladedrücke
unnötig hoch ansteigen und eine hohe Belastung des Triebwerkes und der Bauteile bewirken. Als Abhilfe wird von einer Bypaßregelung Gebrauch gemacht, bei der zum Teil das Abgas die Turbine umgeht. Dieses Vorgehen ist unwirtschaftlich, da es zu
höherem Kraftstoffverbrauch führt. Diese Nachtelle werden um so größer, je höher der Aufladegrad ist.
Brennkraftmaschinen der eingangs beschriebenen Art sind bekannt (MTZ 1964, Seite 497). Der Erfindung liegt die Aufgabe
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zugrunde, den Aufladegrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen und die Anpassung der Abgasturbolader an das gewünschte Betriebskennfeld der Brennkraftmaschine mit einfachen
Mittein zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Niederdruckstufe für den vollen Luftgewichtsdurchsatz bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine und die Hochdruckstufe für einen dem gewünschten Drehmoment verlauf entsprechenden Luftgewichtsdurchsatz bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine ausgelegt ist und die
Hochdruckstufe oberhalb einer vorgebbaren Drehzahl oder eittem vorgebbaren Drück abgasseitig1 teilweise und- regelbar umgehbar ist.
Durch die erfindungsgemäße Auslegung erreicht man, daß die Hochdruckstufe im unteren und mittleren Drehzahlbereich bereits
einen ausreichenden Ladedruck liefert, wobei beim Start und
Hochfahret der Maschin· «Si« Niederdruckstufe in bekannter Weise zunächst uwgea^en werden k*nn. Bei höheren Drehzahlen wird
die Hochdruck stuf« abgassei t ig1 iA»$*ngen, so daß ihr Druckverhältnis immer mehr abfällt, bis sie schließlich bei Erreichen
der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine den Ladedruck nur noch geringfügig oder gar nicht erhöht· Bei Nenndrehzahl der
Brennkraftmaschine arbeitet die Niederdruckstuf· des Abgastur-
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boladers in ihrem Auslegungspunkt und erzeugt das gewünschte
Druckverhältnis. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung verschlechtert sich zwar der Spitzenwirkungsgrad der
gesamten Aufladung, jedoch erreicht man für einen breiten Betriebsbereich einen guten Durchschnittswirkungsgrad mit
einem guten Drehmomentverhalten der Brennkraftmaschine.
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die
Niederdruckstufe vornehmlich für «in Druekverhältnis awischen
1,6 und 2,6 bei 80 bis 100 % der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine und die Hochdruck stufe für ungefähr das
gleiche Druckverhältnis bei 40 bis 60 % der Henndrehzahl der
Brennkraftmaschine ausgelegt ist. Die Regelung der Rochdruckstufe erfolgt gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch,
daß die Hochdruckstufe abgasseitig einen Bypafl aufweist,
durch den bei etwa 65 bis 100 % der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine der Abgasdurchsatz soweit verringert wird, daß
der Luftdurchsatz durch die Hochdruckstufe nicht behindert, aber
der Ladedruck auch nicht oder nur geringfügig erhöht wird. Sie kann in diesem Fall in Ausgestaltung der Erfindung luft- und
abgasseitig umgangen werden. Eine andere Möglichkeit der Regelung
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AliMtl
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besteht gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung darin, daß für jede Verdichterstufe mehrere parallel geschaltete Abgasturbolader angeordnet sind, die einsein
in Abhängigkeit maßgeblicher Kenngrößen, z. B. Ladeluftdruck, Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine, zu» und
abschaltbar sind. Im Bereich des maximalen Drehmoments bei mittleren Drehsahlen ist dann beispielsweise in der
Niederdruckstufe ein Turbolader abzuschalten. Im Bereich zwischen dem Zu- und Abschalten von Turboladern kann
zweckmäßig eine Bypaßregelung wirksam werden.
Durch die Verwendung mehrerer kleiner Turbolader ist ein schnelleres Anfahren der Brennkraftmaschine möglich, da die
kleineren Turbolader geringere Trägheitsmomente haben. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung erreicht, daß
die Spitzendr ticke im gesamten Vollastbereich niedrig gehalten werden und geringe Abgasgegendrücke im Teillastbereich
herrschen.
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Um die Regelvorgänge optimal dem gewünschten Betriebskennfeld
der Brennkraftmaschine anzupassen, ist es vorteilhaft, in Ausgestaltung der Erfindung die Zu- und Abschaltvorgänge
durch elektrische, hydraulische oder pneumatische Schaltelemente in Abhängigkeit der maßgebenden Einflußgrößen entsprechend
dem Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine im Betriebskennfeld elektronisch zu regeln.
Die Regelung ist so auszulegen, daß jeweils nur 1 Lader zu oder abgeschaltet wird, um Sprünge im Druckverlauf zu vermeiden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Abb. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemKßen
Brennkraftmaschine mit jeweils einem Abgasturbolader in der Niederdruck- und Hochdrucketufe.
Abb. 2 zeigt ebenfalls echematisch eine erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine mit jeweils mehreren. Abgasturboladern
in der Niederdruckstufe und Hochdruckstufe.
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Mit 1 Xmt~eine arbeltsraumbildende Brennkraftmaschine,ζ. Β.
eine Hubkolben- oder Rotationskolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, An der Brennkraftmaschine 1 ist ein Aufladeaggregat
angeschlossen, das aus einem Niederdrückten & mit einer Abgasturbine 3 und einem Lader 4 sowie eine Hochdruckstufe
5 mit einer Abgasturbine 6 und einem Lader 7 besteht. Die Niederdruckstufe 4 ist beispielsweise für ein Druckverhältnis
von Ϋ%$ bis 2r>,6 und einem Luftgewichtsdurchsatz von 160
bis 200 % des Saugbetriebs bei 80 bis 100 % der Nenndrehzahl
der Brennkraftmaschine ausgelegt. Der Auslegepunkt der Hochdruckstufe 5 liegt bei gleichem Druckverhältnis und ungefähr
einem entsprechenden Luftgewichtsdurchsatz bei 40 bis 60 % der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine.
Beim Anfahren der Brennkraftmaschine 1 wird die Niederdruckstufe mittels einer Bypaßleitung 8 umgangen, die von einem Steuerventil
9 beherrscht wird. Erst wenn die Niederdruckstufe 2 einen Überdruck liefert, wird die Bypaöleitung 8 geschlossen. Zwischen
der Niederdruckstufe 2 und der Hochdruckstufe 5 ist ein Zwischenkühler 10 angeordnet. Die Hochdruckstufe 5 kann abgassei
tig durch eine Bypaßleitung 11 umgangen werden, die von einem
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Absteuerventil 12 beherrscht wird. Dadurch tfrd im .oberen
Drehzahlbereich soviel Abgas abgezweigt und direkt in die . Niederdruckstufe 2 geleitet, daß die Niederdruck-Turbine
annähernd mit der vollen Abgasenergie beaufschlagt wird.
In der Hochdruckstufe wird nun soviel Abgasenergie verbraucht, wie zur Aufrechterhaltung des Ladeluftdruckes erforderlich
ist. Der Luftdurchsatz durch die Hochdruckstufe 5 soll also nicht behindert werde», aber der Ladedruck- auch
nicht oder nur geringfügig steigen. In diesem Betriebsbereich wird dar Ladedruck im wesentlichen von der Niederdruckstufe
2 erzeugt. Zwischen der Brennkraftmaschine 1 und der Hochdruck stufe 5 ist ein Abgaswärmetauscher 13 und parallel dazu ein Ladeluftkühler 14 angeordnet. Ein Schaltventil
15 leitet in Abhängigkeit von der Ladelufttetnperatur
die LadeIuft mehr oder weniger durch den Abgaswärmetauscher
13 oder den Ladeluftkühler 14, so daß Über weite Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine 1 die Ladelufttemperatur annähernd
konstant gehalten werden kann.
Die Br«nnfcraf tmaschin* nach Aßb» 1 uttt»ree&eide€' sicti* im wesentlichen
van der Ausführung nach Abb. 1 dadurch, daß 3« Ladestufe
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Klöckner-Humboklt-Deutz AG A\I%P1IW -ST- 24.9.1975
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mehrere parallel geschaltete Turbolader vorgesehen sind· So
weist die Niederdruckstufe 2 vier parallel geschaltete Abgasturbinen 3 auf, die durch selbststeuernde Klappenventil
16 entsprechend den Betriebsverhältnissen zu- und abgeschaltet werden. Ebenfalls sind vier Lader 4 vorhanden, die mit
Klappenventil en 17 ssu- und abschaltbar aind.
In der Hochdruckstufe 5 sind jeweils zwei parallel geschaltete
Abgasturbinen 6 und Lader 7 vorhanden. Für jede Abgasturbine 6 ist eine BypaBleitung 11 mit einem Abstellventil 12 vorgesehen.
Von der Hochdruckstufe 5 gelangt die verdichtete Luft durch Schaltventile 15 in Abgaswärmetauscher 13 oder Ladeluftkühler 14. Zwischen der Niederdruckstufe 2 und der Hochdruckstufe
5 sind Zwischenkühler 10 vorgesehen.
Zu der Erhöhung der Abgasenergie im niedrigen Drehzahl- und
Lastbereich wird hinter der Hochdruckstufe 5 ein Teil der verdichteten
Luft einer Brennkammer 18 zugeführt, deren Brenngase die Abgasturbinen der Niederdruckstufe beaufschlagen. Der Luftdurchsatz
durch die Brennkammer wird durch ein Regelventil 19
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A KHD
Klöckner-Humboldt-Deutz AG A\ W\Wulrff - J/ - 24 . 9 . 19 75
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bestimmt, und kann so bemessen sein, daß beim Start der
BrennJcraftmaschine 1 ein Abgasturbolader betrieben werden
kann.
Zur Verbesserung der Abgasqualität sind Abgasrückfuhrleitungen
20 bzw. 21 vorgesehen, die das Abgassystem mit dem Frischluftsystem verbinden und von Regelventilen 22 und 23
beherrscht werden. Die AbgasrückfOhrungen in der Niederdruckund
in der Hochdruckstufe können alternativ angewendet
werden, wobei die Abgasrückführung in der Hochdruckstufe 5 zwischen den Zwischenkühlern 10 und den Verdichtern 7
den Vorteil hat, daß die Zwischenkühler 10 durch die Abgase nicht verschmutzt werden.
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Leerseite
Claims (7)
- Kiöckner+iumboidt-DeuteAG ΛΛ*%.Π1*0 5 Köln 80, den 24. September 1975Unsere Zeichen: D 75/70; ΑΡΤΑ R/RüPatentansprüche/1.) Aufgeladenej arbeitsraumbildende Brennkraftmaschine wit zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Abgasturboladern, die breite Betriebskennfeider und gute Wirkungsgrade bei niedrigen Druckverhältnissen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckstufe (2) für den vollen Luftgewichtsdurchsatz bei etwa 80 bis 100 % der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine (1) und die Hochdruckstufe (5) für einen dem gewünschten Drehmomentverlauf entsprechenden Luftgewichtsdurchsatz bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine (l) ausgelegt ist und die Hochdruckstufe (5) oberhalb einer vorgebbaren Drehzahl abgasseitig teileise und regelbar umgehbar ist.
- 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HD~3tuf« bei etwa 40 bia SO % der Kenndrehzahl das gleiche DruckverhlItnis, ungefähr 1,6 bis 2,6 hat wie die ND-Stufe bei 80 bis 100 % der Nenndrehzahl.7098U/0178Klöckner-Humbdtf-DfHJteAG ^fVHlLJ ·· Vt ' 24.9.1975D 75/70
- 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckstufe (5) abgas sei tig einen Bypaß (11) aufweist, durch den bei 65 bis 100 % der Wenndrehzahl der Brennkraftmaschine (l) der Abgasdurchsatζ so weit verringert wird, daß der Luftdurchsatz durch die Hochdruckstufe (5) nicht behindert, aber der Ladedruck auch nicht oder nur geringfügig erhöht wird·
- 4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckstufe (5) im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine (1) luftseitig umgehbar ist.
- 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Verdichter stuf· mehr**·« parallel geschaltete Abgasturbolader angeordnet sind« die einzeln in Abhängigkeit maßgeblicher Kenngrößen, z. B. Ladeluftdruck, Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine (1) zu und abschal tbar sind.7 0.9 8 U / 0 1 7 8ΑΚΗΒ ..Klöckner44umboWt-Oeutz AG ^^** lic ^D 75/70
- 6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abschaltvorgänge durch elektrische, hydraulische oder pneumatische Schaltelemente in Abhängigkeit der maßgebenden Einflußgrößen entsprechend dem Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine itn Betriebskennfeld elektronisch geregelt werden.
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