DE2544471C3 - Arbeitsraumbildende Brennkraftmaschine mit zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Abgasturboladern - Google Patents
Arbeitsraumbildende Brennkraftmaschine mit zwei oder mehreren in Reihe geschalteten AbgasturboladernInfo
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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)
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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Legal Events
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