DE2544471C3 - Arbeitsraumbildende Brennkraftmaschine mit zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Abgasturboladern - Google Patents

Arbeitsraumbildende Brennkraftmaschine mit zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Abgasturboladern

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Description

Die Erfindung betrifft eine arbeitsraumbildende w Brennkraftmaschine mit zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Abgasturboladern, bei denen die Hochdruckturbine den HochdrucMddir und die Niederdruckturbine den Niederdrucklader a..treibt und eine Abgasturbine von einer vorbestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine an durch eine regelbare Bypaßleitung teilweise derart umgehbar ist, daß der zugehörige Lader keine Störung für die Luftzuführung verursacht.
Bei bekannten Brennkraftmaschinen der eingangs beschriebenen Art (DE-AS 13 01 608) durchströmt das «o Abgas ungeregelt die zur Hochdruckstufe gehörende Abgasturbine und wird erst danach entsprechend den Betriebsverhältnissen vor der Abgasturbine der Niederdruckstufe geregelt, indem im Vollastbereich der Brennkraftmaschine ein Teil des Abgases unter Umgehung der Niederdruckturbine ins Freie geleitet wird. In diesem Betriebsbereich trägt die Niederdruckstufe, die für eine niedrige Drehzahl der Brennkraftmaschine ausgelegt werden muß. praktisch nicht zur Druckerhöhung der Ladeluft bei. Aufgrund des geringen Schluckvolumens der Brennkraftmaschine im optimalen Auslegungspunkt klein, so daß der Lader der Niederdruckstufe sehr klein gebaut werden muß. Bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine steigt das Schluckvolun<en entsprechend an, so daß der Lader der Hochdruckstufe, der in diesem Betriebsbereich seinen optimalen Auslegungspunkt aufweist und im wesentlichen die Druckerhöhung bewirkt, ein großes Volumen verarbeiten muß und dementsprechend groß ausgelegt wird. Das große Volumen wird aber über den kleinen ·><) Abgasturbolader der Niederdruckstufe angesaugt, der in diesem Betriebsbereich für das durchgesetzte Volumen einen sehr schlechten Wirkungsgrad aufweist. Ferner muß die Abgasturbine der Niederdruckstufe für den Teillastbereich der Brennkraftmaschine ausgelegt werden, in diesem Betriebsbereich ist die Abgasenergie relativ gering. Die Verluste, die in der vorgeschalteten Hochdruckgasturbine und den Zuleitungen auftreten, wirken sich in diesem Betriebsbereich besonders nachteilig aus. Vor allem ist das Beschleunigungsvermögen der Brennkraftmaschine durch die Verluste und die ungünstigen Trägheitsmoment der Hochdruckstufe unzureichend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad, das Beschleunigungsverhalttrn und die Regelbarkeit der Brennkraftmaschine in bezug auf ein gewünschtes Betriebskennfeld zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der Niederdrucklader für den vollen Luftgewichtsdurchsatz bei etwa 80 bis 100% der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine und der Hochdrucklader für einen dem gewünschten Drehmomentverlauf entsprechenden Luftgewichtsdurchsatz bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine ausgelegt ist und die Hochdruckturbine regelbar umgehbar ist
Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung arbeitet der Abgasturbolader der Hochdruckstufe im Teildrehzah!- bereich der Brennkraftmaschine bei kleinem Schluckvolumen optimal. Der Abgasturbolader der Niederdruckstufe arbeitet dagegen bei Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine im Auslegungspunkt entsprechend dem gestiegenen Luftdurchsatz. Der Lader baut daher größer. Da dem Lader der Hochdruckstufe bei Nenndrehzahl bereits verdichtete Ladeluft zugeführt wird, die ggf. durch einen Zwischenkühler gekühlt wurde, ist das durchgesetzte Luftvolumen relativ klein, so daß es mit gutem Wirkungsgrad jedoch ohne nennenswerte Druckerhöhung den kleineren Lader der Hochdruckstufe durchströmen kann. Die Hochdruckgasturbine ist für den Teildrehzahlbereich ausgelegt. In diesem Betriebsbereich trägt die Niederdruckstufe nur wenig zur Druckerhöhung der Ladeluft bei, jedoch ist der Volumenstrom aufgrund der niedrigen Drehzahl der Brennkraftmaschine relativ gering, so daß die Ansaugluft ohne h sondere Verluste die Niederdruckstufe durchströmt und von der Hochdruckstufe auf den erforderlichen Druck verdichtet wird. Aufgrund der kleinen Baugröße der Hochdruckstufe sind die Trägheitsmomente in dieser Stufe sehr klein, so daß sie schnell einer Drehzahländerung folgen kann. Ferner kann sie mit dem für den Teildrehzahlbereich günstigeren Stoßverfahren betrieben werden, so daß insgesamt ein gutes Beschleunigungsverhalten und ein guter Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erzielt wird.
In Ausgestaltung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß der Hochdrucklader bei etwa 40 bis 60% der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine das gleiche Druckverhältnis von ungefähr 1,6 bis 2,6 hat wie der Niederdrucklader bei 80 bis 100% der Nenndrehzahl. Es ist dadurch möglich, über einen weiten Betriebsbereich einen annähernd konstanten Ladedruck zu fahren.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
A b b. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit jeweils einem Abgasturbolader in der Niederdruck- und Hochdruckstufe;
A b b. 2 zeigt ebenfalls schematisch eine erfindüngsgemäße Brennkraftmaschine mit jeweils mehreren Abgasturboladern in der Niederdruck- und Hochdruckstufe.
Mit 1 ist eine arbeitsraumbildende Brennkraftmaschine, ζ. B, cine Hubkolben- oder Rotationskolben-Brennkraftmaschine bezeichnet. An der Brennkraftmaschine 1
ist ein Aufladeaggregat angeschlossen, das aus einem Niederdruckteil 2 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 1,6 bis 2,6 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 ι ο 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 Oberdruck liefert, wird die Bypaßleitung 8 geschlossen. Zwischen der Niederdruckstufe 2 und der Hochdruckstufe 5 ist ein Zwischenkühler 10 angeordnet Die Hochdruckstufe 5 kann abgasseitig durch eine Bypaßleitung 11 umgangen werden, die von einem Absteuerventil 12 beherrscht wird. Dadurch wird im oberen Drehzahlbereich so viel 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 so viel Abgasenergie verbraucht wie zur Aufrechterhaltung des Ladeluftdruckes erforderlich ist Der Luftdurchsatz durch die Hochdruckstufe 5 soll also nicht behindert werden, aber der Ladedruck auch nicht oder nur geringfügig steigen. In diesem Betriebsbereich wird der Ladedruck im wesentlichen von der Niederdruckstufe 2 erzeugt. Zwischen der Brennkraftmaschine 1 und der Hochdruckstufe 5 ist ein Abgaswärmetauscher 13 und parallel dazu ein Ladeluftkühler 14 angeordnet. Ein Schaltventil 15 leitet in Abhängigkeit von der Ladelufttemperatur die Ladeluft mehr oder weniger durch den Abgaswärmetauscher 13 oder den Ladeluftkühler 14, so daß über weite BetrieMjereiche der Brennkraftmaschine 1 die Ladelufttemperatur annähernd konstant gehalten werden kann.
Die Brennkraftmaschine nach A b b. 2 unterscheidet sich im wesentlichen von der Ausführung nach A b b. 1 dadurch, daß je Ladestufe mehrere parallel geschaltete Turbolader vorgesehen sind. So weist die Niederdruckstufe 2 vier parallel geschaltete Abgasturbinen 3 auf, die durch selbststeuernde Klappenventile 16 entsprechend den Betriebsverhältnissen zu- und abgeschaltet werden. Ebenfalls sind vier Lader 4 vorhanden, die mit Klappenventilen 17 zu- und abschaltbar sind.
In der Hochdruckstufe 5 sind jeweils zwei parallel geschaltete Abgasturbinen 6 und Lader 7 vorhanden. Für jede Abgasturbine 6 ist eine Bypaßleitung 11 mit einem Abstellventil 12 vorgesehen. Von der Hochdruckstufe 5 gelangt die verdichtete Luft durch Schaltventiie 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 dei 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 bestimmt und kann so bemessen sein, daß beim Start der Brennkraftmaschine 1 ein Abgasturbolader betrieben werden kann.
Zur Verbesserung der Abgasqualität sind Abgasrückführleitungen 20 bzw. 21 vorgesehen, die das Abgassystem mit dem Frischluftsystem verbinden und von Regelventilen 22 und 23 beherrscht werden. Die Abgasrückführungen in der Niederdruck- und 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Arbeitsraumbildende Brennkraftmaschine mit zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Abgasturboladern, bei denen die Hochdruckturbine den Hochdrucklader und die Niederdruckturbine den Niederdrucklader antreibt und eine Abgasturbine von einer vorbestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine an durch eine regelbare Bypaßleitung teilweise derart umgehbar ist, daß der zugehörige Lader keine Störung für die Luftzuführung verursacht, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdrucklader (4) für den vollen Luftgewichtsdurchsatz bei etwa 80 bis 100% der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine und der Hochdrucklader (7) für einen dem gewünschten Drehmomentverlauf entsprechenden Luftgewichtsdrucksatz bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) ausgelegt ist und die Hocis iruckturbine (6) regelbar umgehbar ist.
2. Brennkraftmaschine nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdrucklader (7) bei etwa 40 bis 60% der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine (1) das gleiche Druckverhältnis von ungefähr 1,6 bis 2,6 hat, wie der Niederdrucklader (4) bei 80 bis 100% der Nenndrehzahl.
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