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Kolben-Brennkraftmaschine mit
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mindestens zwei Abgasturboladern Die Erfindung betrifft eine Kolben-Brennkraftmaschine
mit Aufladung durch mindestens zwei ein- oder zweistufige Abgasturbolader, die bei
einem großen Abgas-Angebot der Brennkraftmaschine gemeinsam und parallelgeschaltet
die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Ladeluft versorgen und von denen mindestens
einer zur Erhöhung des Ladedruckes bei kleiner zur Verfügung stehender Abgasmenge
durch Absperren seiner Abgaszuleitung abschaltbar ist.
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Durch diese Maßnahme wird im Teillastbetrieb das gesamte Abgas der
Brennkraftmaschine den übrigen Abgasturboladern zugeführt, die dadurch wieder 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. Durch den größeren Luftüberschuß wird der Verbrennungsablauf
verbessert, der Kraftstoffverbrauch gesenkt und ein rauchfreier Betrieb, auch bei
Brennkraftmaschinen die für einen hohen Mitteldruck ausgelegt sind, erzielt.
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Besondere Schwierigkeiten entstehen beim Zuschalten der stillgesetzten
Abgasturbolader, wenn das Abgas-Angebot der Brennkraftmaschine über das Schluckvermögen
der eingeschalteten Abgasturbolader hinaus ansteigt.
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Durch die DE-PS 850 965 und durch die DE-OS 26 09 389 sind Brennkraftmaschinen
der angeführten Gattung bekannt geworden. Bei der Anlage entsprechend der DE-PS
850 965 ist in der Ladeluftleitung auf der Druckseite des Ver-
dichters
des abschaltba 1 Abgasturboladers ein Ventil oder eine Rückschlagklappe angeordnet,
gegen die der Verdichter beim Zuschalten hochlaufen muß. Durch das dabei notwendige
hoNe Drei, -erhältnis bei nicht vorhandener Fördermenge arbeitet der Verdichter
jedoch außerhalb der Pumpgrenze im labilen Bereich, 9o daß er nicht in der Lage
ist, die Druckhöhe in der Ladeluftleitung zu erreichen.
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Bei der Anlage entsprechend der DE-OS 26 09 789 ist in einer Ausführung
vor und nach jedem Verdichter des abschaltbaren, zweistufigen Abgasturboladers eine
Absperreinrichtung vorgesehen. Durch Öffnen des Abgas-Absperr-Organs wird beim Zuschalten
zuerst der Abgasturbolader hochgefahren und dann nach Erreichen einer Drehzahl,
die der Drehzahl des dauernd eingeschalteten Abgasturboladers entspricht, die Absperrung
vor und nach den Verdichtern aufgehoben.
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Durch diese Maßnahme wird zwar ein Pumpbetrieb der Verdichter vermieden,
weil beim Hochfahren vor und nach den Verdichtern etwa der gleiche Druck herrscht.
Nachteilig ist jedoch ein verhältnismäßig großer Meß-, Steuer- und Regelaufwand,
um die Vielzahl der Abæperrorgane im richtigen Moment zu öffnen bzw. zu schließen.
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Erfolgt nämlich das lufteeitige Zuschalten des Verdichters zu früh,
so entsteht wieder die Gefahr eines Pumpbetriebes des Verdichters. Außerdem kann
die Ladeluft über den Verdichter abströmen Bei zu später Öffnung der Absperrorgane
besteht die Gefahr des Auf tretens einer Überdrehzahl für den Abgasturbolader, weil
die Belastung durch die Pörderarbeit des Verdichters fehlt. Es muß bezweifelt werden,
ob eine entsprechende Regelung überhaupt mit Erfolg durchgeftihrt werden kann, weil
das Hochlaufen des Abgasturboladers in einer sehr kleinen Zeitspanne vor sich geht2
so daß für das Betätigen der Absperrorgane im richtigen Zeitpunkt nur Bruchteile
von Sekunden zur Verfügung stehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, denZu- und Abschaltvorgang der Abgasturbolader
auf der Luftseite in einfacher Weise ohne aufwendige Steuer- und Regelvorgänge durchzuführen.
Dabei soll ein Pumpbetrieb des Verdichters beim Zuschalten sicher vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Absperreinrichtung für die Ladeluft
in der Saugleitung des Verdichters des abschaltbaren Turboladers auf die eine Kraft
(Feder-, Schwerkraft) im Öffnungssinne wirkt, und die bei abgeschaltetem Abgasturbolader
durch den Druck in der Ladeluftleitung der Kolben-Brennkraftmaschine geschlossen
gehalten wird, beim Zuschalten des Abgasturboladers durch den vom hochlaufenden
Verdichter in seiner Saugleitung erzeugten Unterdruck gemeinsam mit der auf sie
wirkenden Kraft geöffnet wird und die beim Abschalten des Abgasturboladers durch
eine entgegengesetzt gerichtete Hilfskraft wieder geschlossen wird.
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Mit einer derartigen Ausbildung der luftseitigen Absperreinrichtung
wird erreicht, daß die Absperreinrichtung beim Zuschalten im richtigen Zeitpunkt
selbsttätig und ganz geöffnet wird, und diese Stellung, auch bei geringer Leistung
des Abgasturboladers und damit geringerem Unterdruck in der Saugleitung, beibehält.
Dadurch werden Strömungsverluste in der Saugleitung durch die evtl. nur halb geöffnete
Absperreinrichtung sicher vermieden. Beim Abschalten wird dagegen die Kraft, die
die Absperreinrichtung offenhält durch die Hilfskraft überwunden, die Absperreinrichtung
geschlossen und dadurch das Entweichen der Ladeluft der übrigen Lader über den abgeschalteten
Verdichter verhindert.
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Bei Ausfall der Hilfskraft bleibt der Lader immer zugeschaltet, so
daß eine überbeanspruchung der dauernd eingeschalteten Lader beim Auftreten einer
großen Abgasmenge (Vollastbetrieb) in diesem Falle nicht eintreten kann.
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Damit wird das Zu- und I-..halten der dafür vorgesehenen Abgasturbolader
seh einfach und sicher und kann mit einer üblichen Steuerung in bekannter Weise,
je nach den Anforderungen in Ab ~+igkeit vom Ladeluftdruck2 von der Motordrehzahl
5 der Pegelstangenstellung usw. erfolgen.
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Ein Pumpbetrieb des Verdichters während des Zuschaltvorganges tritt
nicht auf, weil dabei vor und nach dem Verdichter etwa derselbe Druck, nämlich der
Ladeluftdruck des dauernd eingeschalteten Abgasturboladers, herrscht.
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Dabei wird kein Luftvolumen gefördert. Wenn der Druck nach dem Verdichter
über den in der Ladeluftleitung herrschenden Druck hinaus ansteigen will2 beginnt
gleichzeitig die Förderung von Luft durch selbsttätiges Öffnen der Absperreinrichtung.
Der Verdichter befindet sich damit immer im stabilen Bereich seines Kennlinienfeldes.
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Vorteilhaft ist es auch, daß beim Zuschalten durch die Nullfördermenge
des Verdichters die gesamte von der Abgasturbine umgesetzte Leistung für die Beschleunigung
verwendet werden kann und kein Anteil zur Volumenförderung abgezweigt werden muBo
Der Abgasturbolader erreicht dadurch sehr schnell seine Betriebsdrehzahl.
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Durch die selbsttätige Öffnung der Absperreinrichtung wird die Drehzahlzunahme
des Abgasturboladers beim Beschleunigen im richtigen Augenblick durch den Feder
beginn des Verdichters gestoppt und so eine Uberdrehzahl des Abgasturboladers sicher
vermieden. Die sich dabei ergebende Drehzahl des Abgasturboladers paßt sich immer
an die vorhandene Drehzahl des im Betrieb befindlichen Abgasturboladers an. Diese
Übereinstimmung wird durch den von der Drehzahl des eingeschalteten Abgasturboladers
abhängigen Ladedruck herbeigeführt, der den Förderbeginn des- zuzuschaltenden Verdichters
und dadurch auch seine Drehzahl bestimmt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.
In den Zeichnungen ist ein Abgasturbolader schematisch mit einer Abgas- und Ladeluftabsperreinrichtung
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 Den Lader mit geschlossenen Abgas- und Ladeluftabsperreinrichtungen
Fig. 2 Den Lader beim Zuschalten mit geöffneter Abgas-und noch geschlossener Ladeluftabsperrvorrichtung
Fig. 3 Den Lader im Betrieb mit geöffneten Abgas- und Ladeluftabsperreinrichtungen.
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Ein Abgasturbolader il besteht aus einer Abgas-Turbine 12 und einem
Verdichter 13 für die Ladeluft.
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In einer Abgasleitung 14 zwischen der nicht dargestellten + ef,2r
6 o i S absperreinrichtung 15 angeordnet. Diese Abgasabsperreinrichtung kann durch
einen z.B. mit Druckluft als Hilfskraft beaufschlagbaren, in einem Zylinder 16 entgegen
der Kraft einer Feder 17 gleitend verschiebbaren Kolben 18 betätigt werden. Die
Druckluft wird von einem Steuerventil 19 gesteuert, das in nicht dargestellter Weise
z.B. in Abhängigkeit vom Ladeluftdruck der Brennkraftmaschine betätigt wird.
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In einer Saugleitung 21 des Verdichters 13 befindet sich eine Ladeluftabsperreinrichtung
22, die durch einen, ebenfalls mit Druckluft ala Hilfskraft beaufschlagbaren, in
einem Zylinder 23 entgegen der Kraft einer Feder 24 gleitend verschiebbaren Kolben
25 betätigt werden kann. Der Zylinder 23 erhält die Druckluft zum Verschieben seines
Kolbens 25 über eine Leitung 26, die am Zylinder 16 der Abgasabsperrbetätigung angeschlossen
ist und nur dann mit Druckluft beaufschlagt wird, wenn sich der Kolben 18 in der
Stellung für geschlossene Abgasabsperreinriehtung befindet.
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Eine Zugfeder 29 wirkt .. Öffnungssinne auf die Ladeluft absperreinrichtung
22 Bei abgeschaltetem ^ttasturbolader (Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine mit
kleinem Abgasanfall) befindet sich das Steuerventil 19 in der in Fig. 1 dargestellten
Lage.
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Durch die Druckluft ist der Kolben 18 gegen die Kraft der Feder 17
verschoben und die Abgasleitung 14 durch die Abgasabeperreinrichtung 15 versperrt.
Der Kolben 18 gibt in dieser Endstellung die Leitung 26 für die Druckluft frei,
so daß auch der Kolben 25 gegen die Kraft der Federn 24 und 29 verschoben ist. Damit
ist auch die Saugleitung 21 durch die Ladeluftabsperreinrichtung 22 abgesperrt.
Auf die Ladeluftabsperreinrichtung 22 wirkt außerdem der Druck der von den nicht
abgeschalteten Abgasturboladern geförderten Ladeluft.
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Soll der Abgasturbolader 11 bei zunehmender Belastung der Brennkraftmaschine
und damit verbundenem höheren Abgasen fall zugeschaltet werden, so nimmt, gesteuert
z.B. durch den zunehmenden Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung der Kolbenbrennkraftmaschine,
das Steuerventil 19 die e in Fig.2 dargestellte Lage ein. Die auf die Kolben 18
und 25 wirkende Druckluft wird über das Steuerventil 19 bzw. über die Leitung 26
und eine Öffnung 20 entlastet und beide Kolben durch ihre Federn 17 bzw. 24 in ihre
andere Endlage gedrückt. Dadurch öffnet sich die Abgasabeperreinrichtung 15 und
der Abgasturbolader wird unter der Wirkung der in die Abgasturbine 12 einströmenden
Abgase beschleunigt. Die Ladeluftabsperreinrichtung 22 bleibt jedoch vorläufig wegen
dem auf sie einwirkenden Ladeluftdruck, der sich bei abgeschaltetem Abgasturbolader
vor und hinter dem Verdichter 13 aufbaut, noch geschlossen. Durch diese Druckverhältnisse
kann der Verdichter ohne nennenswerte Leistungsaufnahme bis zu der für die Zuschaltung
erforderlichen Drehzahl rasch beschleunigt werden.
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Bei Erreichen dieser Drehzahl wird durch den entstehenden Unterdruck
auf der Saugseite des Verdichters 13 gemeinsam mit der Kraft der Zugfeder 29 die
Ladeluftabsperreinrichtung vollständig geöffnet (Fig. 3). Damit ist der Zuschaltvorgang
abgeschlossen.