DE3607698C1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenbrennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung durch eine oder mehrere ab- und zuschaltbare Abgasturboladergruppen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Das Abschalten von Abgasturboladergruppen wird bei Kolben­ brennkraftmaschinen zur Erhöhung von Ladeluftdruck und Lade­ luftmenge bei gegenüber dem Vollastbetrieb vermindertem An­ fall von Abgasenergie, also im Teillast- und Teildrehzahlbe­ reich der Kolbenbrennkraftmaschine, durchgeführt. Dabei ar­ beitet bei geringem Abgasenergieanfall nur eine Abgasturbola­ dergruppe, der bei Zunahme der Leistung der Kolbenbrennkraft­ maschine nach und nach ein oder mehrere Abgasturboladergrup­ pen parallel zugeschaltet werden, bis schließlich bei Voll­ lastbetrieb alle vorhandenen Abgasturboladergruppen arbeiten.

Eine gattungsgemäße Kolbenbrennkraftmaschine ist aus der DE-OS 34 11 408 bekannt. Bei einem Zuschaltvorgang muß jeder Abgasturbolader der zugeschalteten Abgasturboladergruppe sei­ nen den Verhältnissen beim Zuschalten entsprechenden Betriebs­ zustand erreichen. Dabei sind an der Erzeugung des Ladeluft­ druckes einer Abgasturboladergruppe Nieder- und Hochdruckver­ dichter je mit einer bestimmten Drucksteigerung beteiligt.

Aus thermodynamischen Gründen hat der Hochdruck-Abgasturbo­ lader einer Abgasturboladergruppe kleinere Abmessungen und deshalb auch ein kleineres Massenträgheitsmoment als der zugehörige Niederdruck-Abgasturbolader.

Aufgrund des geringeren Massenträgheitsmomentes ergibt sich beim Zuschalten einer Abgasturboladergruppe am Laufzeug des Hochdruck-Abgasturboladers eine größere Drehbeschleunigung als beim Niederdruck-Abgasturbolader. In der Anfangsphase nach dem Zuschalten einer Abgasturboladergruppe resultiert daraus eine Asynchronität in den Betriebszuständen von Nie­ derdruck- und Hochdruckverdichter. Das äußert sich darin, daß wegen der trägeren Drehbeschleunigung beim Niederdruck-Abgas­ turbolader dessen Verdichter noch nicht die Drucksteigerung liefert, die der Hochdruckverdichter für den Betriebspunkt benötigt, der der schon erreichten Drehzahl entspricht. Der Hochdruckverdichter kann daher zunächst nur einen Teil der von der Hochdruckturbine gelieferten Antriebsleistung in För­ derarbeit umsetzen. Die in dieser Phase dadurch vorhandene Überschußleistung der Hochdruckturbine bewirkt, daß das Lauf­ zeug des Hochdruck-Abgasturboladers beim Zuschalten der ent­ sprechenden Abgasturboladergruppe kurzfristig eine unzulässi­ ge Überdrehzahl erreicht.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Drehzahl des Hoch­ druck-Abgasturboladers beim Beschleunigen nach Auslösung einer Zuschaltung der betreffenden Abgasturboladergruppe auf einen zulässigen Wert zu begrenzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal des Patentanspruches 1 gelöst und durch Anspruch 2 weiter aus­ gestaltet.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß das Maß der Überdrehzahl, die der Hochdruck-Abgas­ turbolader beim Zuschalten erreicht, auf einen Wert begrenzt wird, der keine betriebsgefährdenden Beanspruchungen des Lauf­ zeuges verursacht.

Aus der DE-OS 34 11 408 ist die Anordnung einer Bypaßleitung bei einer schaltbaren Abgasturboladergruppe bekannt. Dabei verbindet die Bypaßleitung die Druckleitung des Hochdruckver­ dichters mit der Saugleitung des Niederdruckverdichters. Die­ se Anordnung hat jedoch keinen drehzahlsenkenden Einfluß beim Beschleunigen des Hochdruck-Abgasturboladers.

Ferner ist aus der DE-OS 35 12 557 bekannt, eine einen Ver­ dichter umgebende steuerbare Bypaßleitung anzuordnen. Hinwei­ se auf die vorteilhafte Auswirkung einer steuerbaren Bypaß­ leitung auf die Leistungsaufnahme und das Drehzahlverhalten eines Hochdruck-Abgasturboladers beim Zuschalten einer ab- und zuschaltbaren Abgasturboladergruppe sind in dieser Druck­ schrift nicht enthalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt zwei zweistufige Abgasturboladergruppen 11 und 12 für eine Kolbenbrennkraftmaschine. Die dauernd ein­ geschaltete Abgasturboladergruppe 11 besteht aus einem Hoch­ druck-Abgasturbolader 13 mit einer Hochdruckturbine 14 und einem Hochdruckverdichter 15 und einem Niederdruck-Abgastur­ bolader 16 mit einer Niederdruckturbine 17 und einem Nieder­ druckverdichter 18. Die abschaltbare Abgasturboladergruppe 12 besteht aus einem Hochdruck-Abgasturbolader 19 mit einer Hochdruckturbine 20 und einem Hochdruckverdichter 21 und einem Niederdruck-Abgasturbolader 22 mit einer Niederdruck­ turbine 23 und einem Niederdruckverdichter 24. Die Abgastur­ boladergruppen 11 und 12 werden von einer Abgassammelleitung 25 über Abgasleitungen 26 und 27 mit Abgas versorgt. Ihre Ladeluft liefern sie über Ladeluftkühler 28, Ladeluftleitun­ gen 29, 30, 38 und 39 und über eine Ladeluftsammelleitung 31 in die nicht dargestellte Brennkraftmaschine.

Bei kleiner Last wird die Abgasturboladergruppe 12 durch eine vom Ladeluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 31 über eine Steuerleitung 32 gesteuerte Abgasabsperreinrichtung 33 von der Abgassammelleitung 25 getrennt. Eine Ladeluftabsperrein­ richtung 34 in der Saugleitung 37 verhindert dabei das Ab­ strömen von Ladeluft aus der Ladeluftsammelleitung 31 über die Abgasturboladergruppe 12.

Auf der Druckseite des Hochdruckverdichters 21 zweigt von der Ladeluftleitung 39 oder auch von der Ladeluftleitung 30 eine über eine Absperreinrichtung 35 beherrschte Bypaßleitung 36 ab, die auf der Saugseite des Hochdruckverdichters 21 in die Ladeluftleitung 38 mündet.

Wenn bei zunehmender Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine die obere Leistungsgrenze der dauernd eingeschalteten Abgas­ turboladergruppe 11 erreicht ist, wird, gesteuert durch den Ladeluftdruck in der Ladeluftsammelleitung 31 über die Steuer­ leitung 32, die Abgasabsperreinrichtung 33 geöffnet. Die bis­ her eingeschaltete Abgasturboladergruppe 12 wird dadurch mit Abgas der Kolbenbrennkraftmaschine beaufschlagt.

Das Laufzeug des Hochdruck-Abgasturboladers 19 wird dabei schneller beschleunigt, als das Laufzeug des Niederdruck-Ab­ gasturboladers 22. Dieser Unterschied resultiert aus den thermodynamisch bedingten geringeren Abmessungen und dem sich daraus ergebenden kleineren Massenträgheitsmoment des Hochdruck-Abgasturboladers 19 gegenüber dem Niederdruck-Ab­ gasturbolader 22.

Gleichzeitig mit dem Öffnen der Absperreinrichtung 33 wird auch die in der Bypaßleitung 36 angeordnete steuerbare Ab­ sperreinrichtung 35 geöffnet. Das vom Hochdruckverdichter 21 innerhalb der Beschleunigungszeit des Laufzeuges aus der ein­ trittsseitigen Ladeluftleitung 38 abgesaugte Luftvolumen kann über die Bypaßleitung 36 wenigstens zum Teil zur Eintritts­ seite zurückströmen. Dadurch bildet sich am Hochdruckverdich­ ter 21 unabhängig vom Betriebszustand des Niederdruckverdich­ ters 24 ein regelrechter Förderstrom über die Bypaßleitung 36 aus. Die in dieser Betriebsphase für das Beschleunigen des Laufzeuges des Hochdruck-Abgasturboladers 19 verfügbare Über­ schußleistung ist um die aufgenommene Förderleistung des Hochdruckverdichters 21 vermindert. Die sich am Hochdruck- Abgasturbolader 19 dadurch beim Beschleunigen einstellende Höchstdrehzahl ist bei offener Bypaßleitung 36 deutlich nied­ riger, als sie sich bei geschlossener Bypaßleitung 36 ergeben würde. Betriebsgefährdende Beanspruchungen am Laufzeug des Hochdruck-Abgasturboladers 19 der zugeschalteten Abgasturbo­ ladergruppe 12 sind damit unterbunden.

Sobald der Niederdruck-Abgasturbolader 22 die Drehzahl er­ reicht hat, bei der der Niederdruckverdichter 24 das für den Hochdruckverdichter 21 erforderliche Druckverhältnis liefert, wird die Bypaßleitung 36 durch Schließen der Absperreinrich­ tung 35 gesperrt. Der entsprechende Zeitpunkt ist erreicht, wenn sich die Ladeluftabsperreinrichtung 34 öffnet. Das Schlie­ ßen der Absperreinrichtung 35 wird durch eine in der Steuer­ leitung 40 angeordnete Schalteinrichtung 41 ausgelöst, die von einem den Schaltzustand der Ladeluftabsperreinrichtung 34 registrierenden Fühler 42 über Steuerleitung 43 beeinflußt wird.

Claims (2)

1. Kolbenbrennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung durch mehrere, je aus Hoch- und Niederdruck-Abgasturbolader bestehenden Abgasturboladergruppen, von denen eine oder mehrere Abgasturboladergruppen durch Anordnung jeweils einer Absperreinrichtung in der Abgasleitung des Hochdruck-Abgasturboladers und in der Saugleitung des Niederdruck-Abgasturboladers ab- und zuschaltbar ausgebildet sind, wobei jede schaltbare Abgasturboladergruppe eine die Verdichter umgehende, steuerbare Bypaßleitung aufweist und zum Zu- und Abschalten einer Abgasturboladergruppe bei Teillast der Kolbenbrennkraftmaschine die Durchgangsquerschnitte beider Absperreinrichtungen und die Bypaßleitung gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (36), die eine steuerbare Absperreinrichtung (35) aufweist, zwischen Saug- und Druckleitung des Hochdruckverdichters (21) einer ab- und zuschaltbaren Abgasturboladergruppe (12) angeordnet ist.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Absperreinrichtung (35) durch eine Steuerleitung (43) mit einem den Schaltzustand der Ladeluftabsperreinrichtung (34) registrierenden Fühler (42) verbunden ist.