DE2855551A1

DE2855551A1 - Kolben-brennkraftmaschine mit mindestens zwei abgasturboladern

Info

Publication number: DE2855551A1
Application number: DE19782855551
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl Ing Deutschmann; Helmut Ing Grad Klotz
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH; Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1980-07-03
Also published as: FR2444798B3; FR2444798A1

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
FRIEDRICHSHAPEN GMBH

Friedrichshafen

Kolben-Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei Abgasturbolader, die beim Betrieb der Brennkraftmaschine im oberen Leistungsbereich parallelgeschaltet die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Ladeluft versorgen, und von denen beim Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren bis mittleren Leistungsbereich mindestens einer abgeschaltet ist. Durch diese Maßnahme wird im Teillastbetrieb das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine den übrigen Abgasturbolädern zugeführt, die dadurch, gegenüber dem Parallelbetrieb mit allen Abgasturboladern, eher in der Nähe ihres Auslegungspunktes und deshalb mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben werden. Damit können sie einen höheren Ladedruck und eine größere Luftmenge zur Aufladung zur Verfügung stellen. Dadurch kann die Kraftstoffmenge und damit das Drehmoment vergrößert werden, ohne Verschlechterung der Verbrennung bzw. der Abgaszusammensetzung in Kauf nehmen zu müssen. Bedingt durch die größere Kraftstoff- und Luftmenge, wird auch die im Abgas enthaltene Energie vergrößert, so daß daraus wiederum eine bessere Aufladung resultiert.

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Eine Brennkraftmaschine der angeführten Gattung ist bekannt geworden durch die DE-PS 850 965. Bei der dort beschriebenen Anlage ist jedoch nachteilig, daß bei der Umschaltung von dem Betrieb mit nur einem Abgasturbolader auf die Parallelschaltung von zwei Abgasturbolädern ein vorrübergehender Mangel an Ladeluft für die Brennkraftmaschine auftritt.

Dieser Ladeluftmangel hat seine Ursache in einem Abfall des Abgasdruckes beim Zuschalten der zweiten Abgasturbine, wodurch Drehzahl und damit Ladeluftlieferung des ersten Abgasturboladers empfindlich beeinträchtigt wird, ohne daß der in diesem Augenblick stillstehende zweite Abgasturbolader diesen Mangel auszugleichen in der Lage ist. Außerdem gelangt der zweite Verdichter, der beim Anfahren des zweiten Abgasturboladers gegen eine geschlossene Rückschlagklappe arbeiten muß, dabei in einen unzulässigen Pumpbetrieb, so daß er nicht in der Lage ist, die Druckhöhe des ersten Verdichters zu erreichen»

Auf diese ¥eise isc eine Umschaltung auf den Normalbetrieb mit parallelgeschalteten Abgasturboladern nicht zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Umschaltung zu ermöglichen, wobei ein Abfall des Ladeluftdruckes so weit als möglich verhindert werden soll, so daß keine der daraus resultierenden Auswirkungen - Leistungseinbruch und Verschlechterung der Abgasqualität - sonderlich ins Gewicht fallen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit mittleren bis zu höheren Leistungen der Teil der Abgasmenge der Brennkraftmaschine, der die für die dauernd eingeschalteten Abgasturbolader benötigte Abgasmenge übersteigt, den abschaltbaren Abgasturboladern über eine stellbare Drosseleinrichtung zugeleitet wird, daß die dabei geförderte Ladeluft der Saugseite der dauernd eingeschalteten Abgasturbolader über eine tangential am Saugrohr oder Saugmund angeordnete, einen Vordrall der eintretenden Luft bewirkende Düse zugeführt wird und daß nach Erreichen

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einer etwa gleichen Drehzahl für alle Lader eine völlige Öffnung der stellbaren Drosseleinrichtung sowie eine Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft in der üblichen ¥eise durch die Parallelschaltung aller Abgasturbolader erfolgt.

Durch das Beaufschlagen der abgeschalteten Abgasturbolader über eine stellbare Drossel kann die Abzweigung von Abgas zum Beschleunigen der Turbinen und Verdichter so gesteuert werden, daß hierfür nur die Abgasübermenge verwendet wird.

Diese Abgasübermenge würde bei weiterem Aufschalten der Leistung der Brennkraftmaschine ohne Zuschalten der abgeschalteten Abgasturbolader durch mangelndes Schluckvermögen der eingeschalteten Turbinen einen Rückstau der Abgase in die Zylinder der Brennkraftmaschine und damit eine negative Beeinträchtigung der Verbrennung hervorrufen.

Durch die Einleitung der beim Beschleunigungsvorgang der abgeschalteten Abgasturbolader geförderten Ladeluft in die Ansaugleitung der dauernd fördernden Verdichter wird verhindert, daß diese Ladeluft unkontrolliert ins Freie abgeblasen und dabei unter Umständen das Bedienungspersonal belästigt wird. Gleichzeitig wird dem anzufahrenden Verdichter ein Hochlaufen ohne Pumpbetrieb ermöglicht. Durch den erzielten Vordrall wird der Wirkungsgrad des dauernd eingeschalteten Laders verbessert, so daß bei derselben Ladeluft-Fördermenge weniger Abgasenergie benötigt wird. Damit kann den zuzuschaltenden Abgasladern eine größere Abgasmenge zugeteilt werden, so daß sich der Umschaltvorgang schneller durchführen läßt.

Mit der anteilmäßigen Aufschaltung der einzelnen Verdichter an getrennte Ladeluftleitungen, wird die Gefahr einer gegenseitigen schädlichen Beeinflussung der Verdichter durch nicht genauen Synchronlauf bzw. durch unterschiedliche Fördermengen und -höhen im Augenblick der Umschaltung vermieden. Anschließend, nach Stabilisierung der einzelnen Lader, können die Ladeluftleitungen, wie allgemein üblich, wieder untereinander verbunden werden. Es

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ist jedoch auch ohne weiteres möglich, bis zur Erreichung der vollen Leistung weiterhin mit getrennten Ladeluftleitungen die Brennkraftmaschine zu betreiben.

Beim Umschaltvorgang kann einem Ladeluftmangel und damit verbundenem Kraftstoffüberschuß mit Verschlechterung der Abgasemission vorteilhaft dadurch entgegengewirkt werden, daß während des Beschleunigungsvorganges der abschaltbaren Abgasturbolader nur ein Teil der Zylinder von den dauernd eingeschalteten Ladern voll mit Ladeluft versorgt wird, während bei den übrigen Zylindern eine Verringerung des Ladedruckes mit einer entsprechenden Luft- und ladedruckabhängigen Kraftstoffreduzierung vorgenommen wird.

Zur weiteren Verbesserung der Ladeluftversorgung bei Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren Leistungsbereich sowie beim übergang auf den Betrieb im oberen Leistungsbereich mit allen Abgasturboladern ist es vorteilhaft, daß die Abgasturbolader jeweils mit einem regelbaren Turbinenleitrad und/oder mit einem regelbaren Verdichterleitrad ausgerüstet sind.

Eine Verringerung des Sehaltaufwändes wird dadurch erzielt, daß die der Aufteilung dienende stellbare Drosseleinrichtung zugleich als Absperrorgan zum Abschalten der betreffenden Abgasturbolader ausgebildet ist und in der Abgasleitung vor oder nach den Turbinen der abschaltbaren Abgasturbolader angeordnet ist.

Eine weitere Verbesserung des Überganges von kleiner auf große Leistung der Brennkraftmaschine kann dadurch erzielt werden, daß als regelbare Drosseleinrichtung und Absperrorgan jeweils ein verstellbares Turbinenleitrad an dem oder den abschaltbaren Abgasturboladern angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Betriebsweise von Abgasturboladern bei denen den Turbinen das Abgas jeweils in mehreren, das Leitrad der Turbinen an verschiedenen Teilabschnitten beaufschlagenden Kanälen zugeführt wird, wird dadurch

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erreicht, daß durch Betätigen der Drosseleinrichtung ein Kanal nach dem anderen freigegeben bzw. abgesperrt wird.

Eine einfache und zweckmäßige Regelung der stellbaren Drosseleinrichtung kann durch den Druck in der Abgasleitung vor der Drosseleinrichtung erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt, und wird im folgenden am Beispiel einer Kolben-Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen und zwei, im oberen Leistungsbereich parallel arbeitenden Abgasturbolädern näher beschrieben:

In der Zeichnung sind die beiden Zylinderreihen 11 und der Kolben-Brennkraftmaschine mit je einer Abgassammelleitung 13 bzw. 14 und mit je einer Ladeluftleitung 15 bzw. l6. versehen. Die beiden Abgassammelleitungen 13 und 14 sind untereinander durch eine Leitung 17 und außerdem mit je einer Turbine 21 bzw. 22 der beiden Abgasturbolader 23 bzw. 24 verbunden.

Von den Turbinen 21 und 22 werden in bekannter Weise Verdichter 25 bzw. 26 angetrieben. Die Verdichter 25 und 26 saugen die Ladeluft über Filter 27 bzw. 28 aus der Atmosphäre an und drücken sie über Ladeluftkühler 29 bzw. 30 in die Ladeluftleitungen 15 bzw. 16.

Zwischen den Ladeluftkühlern und den Ladeluftleitungen ist ein Ladeluftverteilventil 31 angeordnet, das vier Schaltstellungen a bis d aufweist.

Zwischen der Abgassammeileitung 14 und der Turbine 22 ist eine stellbare Drossel- und Absperreinrichtung 32 angeordnet.

Sowohl das Ladeluftverteilventil 31 als auch die stellbare Drossel- und Absperreinrichtung 32 können in nicht dargestellter, bekannter Weise in Abhängigkeit einer Kenngröße für die Leistung der Brennkraftmaschine, ζ. Β. Ladedruck, Weg der Regelstange, Drehzahl von Brennkraft-

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maschine oder Abgasturbolader usw., verstellt werden.

Bei Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren bis mittleren Leistungsbereich weist das Ladeluftverteilventil 31 die Stellung a auf. Die Drossel- und Absperreinrichtung sperrt den Abgaszustrom für die Turbine 22. Dadurch steht der Abgasturbolader 24 still.

Die gesamten anfallenden Abgase werden der Turbine 21 des Abgasladers 23 zugeleitet, der damit in die Lage versetzt wird, in bekannter Weise bis zum mittleren Leistungsbereich eine zufriedenstellende Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft durchzuführen. Die vom Verdichter geförderte Ladeluft gelangt dementsprechend über das Ladeluftventil 31 in beide Ladeluftleitungen 15 und 16.

Bei einer Leistungssteigerung über den mittleren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine hinaus wird das maximale Schluckvermögen der Turbine 21 in bezug auf die Abgasmenge erreicht. Ein dadurch bedingter Rückstau der Abgase in die Zylinder der Brennkraftmaschine wird durch entsprechendes Öffnen der stellbaren Drossel- und Absperreinrichtung 32 vermieden. Gleichzeitig wird das Ladeluftverteilventil 31 in die Schaltstellung b verschoben und dadurch die von dem hochlaufenden Abgasturbolader 24 geförderte Ladeluft auf die Saugseite des Verdichters 25 geleitet. Durch eine Drossel 33 kann außerdem die Zufuhr von Ladeluft zu den Zylindern der Zylinderreihe 12 gedrosselt werden. Gleichzeitig wird in nicht dargestellter Weise die Brennstoffmenge für diese Zylinder entsprechend verringert.

Während des BeschieunigungsVorganges des Abgasturboladers 24 wird die Drossel- und Absperreinrichtung 32 abhängig von dem Anfall der überschüssigen Abgasmenge und damit abhängig von der Leistung der Brennkraftmaschine weiter geöffnet. Nachdem die Drehzahl des Abgasturboladers 24 etwa diejenige des Abgasturboladers 23 erreicht hat, wird das Ladeluftverteilventil 31 in die Schaltstellung c verschoben. Dadurch wird jedem Abgasturbolader eine Zylinder-

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reihe zur Aufladung über getrennte Ladeluftleitungen zugeteilt.

Nach Stabilisierung der Verhältnisse kann durch Einschalten der Schaltstellung d des Ladeluftverteilventils 31 die normal übliche Aufladung über miteinander verbundene Ladeluftleitungen erfolgen.

Beim Übergang von Vollast- auf Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine wird die Drossel- und Absperreinrichtung 32 geschlossen und damit der Abgasturbolader 24 stillgesetzt. Gleichzeitig nimmt das Ladeluftverteilventil 31 die Schaltstellung a ein. Damit werden wieder beide Zylinderreihen der Brennkraftmaschine von dem Abgasturbolader 23 mit Ladeluft versorgt.

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FRIEDRICHSHAFEN GMBH

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Patentansprüche

Kolben-Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei Abgasturbolader, die beim Betrieb der Brennkraftmaschine im oberen Leistungsbereich parallelgeschaltet dje Zylinder der Brennkraftmaschine mit Ladeluft versorgen, und von denen beim Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren bis mittleren Leistungsbereich mindestens einer abgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit mittleren bis zu höheren Leistungen der Teil der Abgasmenge der Brennkraftmaschine, der die für die dauernd eingeschalteten Abgasturbolader (23) benötigte Abgasmenge übersteigt, den abschaltbaren Abgasturboladern (24) über eine stellbare Drosseleinrichtung (32) zugeleitet wird, daß die dabei geförderte Ladeluft der Saugseite der dauernd eingeschalteten Abgasturbolader (23) über eine tangential am Saugrohr oder Saugmund angeordnete, einen Vordrall der eintretenden Luft bewirkende Düse zugeführt wird und daß nach Erreichen einer etwa gleichen Drehzahl für alle Lader eine völlige Öffnung der stellbaren Drosseleinrichtung (32) sowie eine Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft in der üblichen Weise durch die Parallelschaltung aller Abgasturbolader erfolgt.

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2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen einer etwa gleichen Drehzahl für alle Lader zunächst eine Umschaltung der Ladeluftströme in der Weise erfolgt, daß jeder Lader (25 bzw. 26) anteilmäßig die Zylinder (11 bzw. 12) der Brennkraftmaschine über getrennte Ladeluftleitungen (15 bzw. 16) mit Ladeluft versorgt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des BeschleunigungsVorganges der abschaltbaren Abgasturbolader (24) nur ein Teil der Zylinder (11) von den dauernd eingeschalteten Ladern voll mit Ladeluft versorgt wird, während bei den übrigen Zylindern (12) eine Verringerung des Ladedruckes mit einer entsprechenden Luft- und ladedruckabhängigen Kraftstoffreduzierung vorgenommen wird.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbolader (23, 24) jeweils mit einem regelbaren Turbinenleitrad und/oder mit einem regelbaren Verdichterleitrad ausgerüstet sind.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Aufteilung dienende stellbare Drosseleinrichtung (32) zugleich als Absperrorgan zum Abschalten der betreffenden Abgasturbolader (24) ausgebildet ist und in der Abgasleitung vor oder nach den Turbinen der abschaltbaren Abgasturbolader (24) angeordnet ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 und 5> dadurch gekennzeichnet, daß als regelbare Drosseleinrichtung und Absperrorgan jeweils ein verstellbares Turbinenleitrad an dem oder den abschaltbaren Abgasturbo1ädern angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3» bei der den Turbinen der Abgasturbolader das Abgas jeweils in mehreren, das Leitrad der Turbine an verschiedenen Teil-

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abschnitten beaufschlagenden Kanälen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch Betätigen der Drossel einrichtung ein Kanal nach dem anderen freigegeben bzw. abgesperrt wird.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stellbare Drosseleinrichtung (32) vom Druck in der Abgasleitung (14) vor der Drosseleinrichtung geregelt wird.

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