DE4016214C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung durch wenigstens eine Gruppe von schaltbaren Abgasturboladern nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei einer abgasaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine können die Aufladeverhältnisse im Teillastbetrieb in bekannter Weise dadurch verbessert werden, daß bei hohem Abgasangebot mehrere Abgasturbolader parallel betrieben und bei Verringerung der anfallenden Abgasmenge ein Teil der Abgasturbolader durch Absperrung ihrer Abgaszuleitung stillgesetzt werden. Im Teillastbetrieb der Kolbenbrennkraftmaschine verteilt sich damit die Abgasmenge auf eine geringe Anzahl von Abgasturboladern, die dadurch wieder in der Nähe ihres Auslegungspunktes und deshalb mit einem besseren Wirkungsgrad arbeiten. Daraus resultiert ein höherer Ladedruck und es steht eine größere Ladeluftmenge zur Verfügung. Durch den größeren Luftüberschuß wird der Verbrennungsablauf verbessert, der Kraftstoffverbrauch gesenkt und ein rauchfreier Betrieb, auch bei Kolbenbrennkraftmaschinen, die für eine hohen Mitteldruck ausgelegt sind, erzielt.

Eine gattungsgemäße Anordnung ist aus der DE 30 05 655 C2 bekannt. Die Nachteile dieser bekannten Anordnung resultieren aus dem immer noch erheblichen Bauraumbedarf bei der Forderung nach feinstufiger Anpassung der Ladeluftversorgung an das Abgasangebot bei Teillast der Kolbenbrennkraftmaschine. Besonders bei kleinen Baugrößen von Kolbenbrennkraftmaschinen ergeben sich Schwierigkeiten zur Unterbringung mehrerer Abgasturboladergruppen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Bauraumbedarf einer Gruppe von schaltbaren Abgasturboladern in Verbindung mit einer feinstufigen Anpaßbarkeit sowohl turbinenseitig an das Abgasangebot als auch verdichterseitig an den Ladeluftbedarf der Kolbenbrennkraftmaschine zu optimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst. Durch die räumlich enge Nachbarschaft der drei nebeneinanderliegenden Abgasturbolader ergeben sich sowohl auf der Verdichterseite als auch auf der Turbinenseite sehr kurze Leitungsverbindungen für die Zusammenschaltung der Abgasturbolader untereinander. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich eine sehr kompakte Anordnung einer Gruppe von schaltbaren Abgasturboladern mitsamt allen Leitungen und Schaltorganen ergibt, daß mit dieser Anordnung eine vielstufig schaltbare Ladeluftversorgung der Kolbenbrennkraftmaschine erreicht ist und daß auch für kleine Baugrößen von Kolbenbrennkraftmaschinen die Vorteile der variablen Ladeluftversorgung nutzbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der Folge näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematische Darstellung der Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Gruppe von schaltbaren Abgasturboladern;

Fig. 1a Abgas-Strömungsteiler in der um 90° gedrehten Stellung gegenüber Fig. 1;

Fig. 2 Ladeluft-Umschalteinrichtung im Längsschnitt nach Linie II-II in Fig. 3;

Fig. 3 Ladeluft-Umschalteinrichtung im Querschnitt nach Linie III-III in Fig. 2.

Eine Kolbenbrennkraftmaschine 11, mit mehreren in zwei Reihen angeordneten Zylindern, ist über eine Abgassammelleitung 12 und eine Ladeluftsammelleitung 13 an eine Gruppe von schaltbaren Abgasturboladern 14, 15, 16 angeschlossen. Jeder Abgasturbolader 14, 15, 16 besteht aus einer Abgasturbine 17, 19, 21 mit je einem Turbinengehäuse und einem Ladeluftverdichter 18, 20, 22 mit je einem Verdichtergehäuse. Die Abgasturbolader 14, 15, 16 der Gruppe sind zusammen mittels eines gasdichten Kastens 23 auf der Kolbenbrennkraftmaschine 11 plaziert und nebeneinanderliegend an einer Seitenwand 24 des Kastens 23 befestigt. Die Turbinengehäuse der Abgasturbolader 14, 15, 16 befinden sich dabei innerhalb und die Verdichtergehäuse außerhalb des Kastens 23.

Die Abgassammelleitung 12 ist mit dem Abgaseinlaß der Abgasturbine 17 des mittleren Abgasturboladers 14 verbunden. Am Abgasauslaß 25 des mittleren Abgasturboladers 14 ist ein Abgas-Strömungsteiler 28 angeordnet, der um die Achse seiner Abgaseintrittsöffnung drehbar und in zwei um 90° zueinander verdrehten Positionen stellbar ist. Dabei verbindet der Abgas-Strömungsteiler 28 in einer ersten Position gemäß Fig. 1 den Abgasauslaß 25 des mittleren Abgasturboladers 14 mit den Abgaseinlässen 49, 50 der beiden benachbarten Abgasturbolader 15, 16. Diese erste Position des Abgas-Strömungsteilers 28, die bei Vollastbetrieb der Kolbenbrennkraftmaschine 11 eingestellt ist, bewirkt eine zweistufige Aufladung mit dem mittleren Abgasturbolader 14 als erster und den beiden parallel arbeitenden Abgasturboladern 15, 16 als zweiter Stufe.

In der zweiten Position des Abgas-Strömungsteilers 28 gemäß Fig. 1a, die bei Leerlauf oder Teillast der Kolbenbrennkraftmaschine 11 eingestellt ist, ist der Abgasauslaß 25 des mittleren Abgasturboladers 14 direkt mit der Auspuffleitung 29 verbunden. Die Abgasversorgung der beiden Abgasturbolader 15, 16 ist damit unterbrochen, so daß die Aufladung nur einstufig allein durch dem mittleren Abgasturbolader 14 erfolgt.

Für die Verstellung des Abgas-Strömungsteilers 28 ist ein steuerbarer Drehantrieb 30 vorgesehen.

Die Abgasauslässe 26, 27 der Abgasturbolader 15, 16 sind ständig mit der Auspuffleitung 29 verbunden.

Die Abgasturbine 17 des mittleren Abgasturboladers 14 ist im Abgaseinlaß mit einer Abgas-Umschalteinrichtung 31 ausgerüstet, die entsprechend dem Abgasangebot der Kolbenbrennkraftmaschine 11 eine Teil- oder Vollbeaufschlagung der Abgasturbine 17 erlaubt. Damit wird erreicht, daß die Abgasturbine 17 auch bei wechselndem Abgasangebot mit gutem Wirkungsgrad und bezogen auf den Abgasmassenstrom mit hoher Leistung betreibbar ist.

Jeder Ansaugleitung 33, 34 von jedem der beiden Abgasturbolader 15, 16 ist ein Ansaugluftfilter 35, 36 zugeordnet. Vor dem Laufradeintritt 32 des Ladeluftverdichters 18 des mittleren Abgasturboladers 14 ist eine Ladeluft-Umschalteinrichtung 40 angeordnet, die einen mit dem Laufradeintritt 32 korrespondierenden Ausströmstutzen 43, einen zum Ausströmstutzen 43 koaxialen Zuströmstutzen 44, zwei tangential zum Ausströmstutzen 43 angeordnete Zuströmstutzen 41, 42 und ein aus Klappen 45, 46 bestehendes, steuerbares Verschlußteil aufweist. Die Klappen 45, 46 sind mit einer Torsionsfeder ausgerüstet, so daß sie das Bestreben haben, unter Wirkung der Torsionsfeder die in Fig. 2 strichpunktiert gezeichnete Stellung einzunehmen.

Die tangentialen Zuströmstutzen 41, 42 sind jeweils an die benachbarten Ansaugleitungen 33, 34 stromab der Ansaugluftfilter 35, 36 angeschlossen und der koaxiale Zuströmstutzen 44 ist mit dem Luftauslaß eines Ladeluft-Zwischenkühlers 37 verbunden. Die Ladeluftdruckleitungen 38, 39 der beiden Abgasturbolader 15, 16 münden in den Ladeluft-Zwischenkühler 37 und die Ladeluftdruckleitung 47 des mittleren Abgasturboladers 14 führt zu einem weiteren Ladeluftkühler 48, von dem die Ladeluftsammelleitung 13 ausgeht.

Die im Betrieb sich ergebende Stellung der Klappen 45, 46 ist abhängig von der durch die Stellung des Abgas-Strömungsteilers 28 gegebenen Beaufschlagung der Abgasturbolader 14, 15, 16.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Stellung des Abgas-Strömungsverteilers 28, der dem Vollastbetrieb der Kolbenbrennkraftmaschine 11 entspricht, sind die beiden Abgasturbolader 15, 16 in Betrieb. Die dann in den Ladeluftverdichtern 20, 22 vorverdichtete Ladeluft gelangt über die Ladeluftdruckleitungen 38, 39 in den Ladeluft-Zwischenkühler 37 und danach in den koaxialen Zuströmstutzen 44 der Ladeluft-Umschalteinrichtung 40. Unter Wirkung dieses Ladeluftstromes 51 schwenken die Klappen 45, 46 in die in Fig. 2 mit ausgezogenen Linien dargestellte Stellung. Dabei werden die tangentialen Zuströmstutzen 41, 42 durch die Klappen 45, 46 verschlossen und die vorverdichtete Ladeluft gelangt drallfrei in den Ladeluftverdichter 18 des Abgasturboladers 14. Auf diese Weise ergibt sich eine zweistufige Aufladung mit den Abgasturboladern 15, 16 als Niederdruck- und dem Abgasturbolader 14 als Hochdruckstufe.

Bei Leerlauf und Teillast der Kolbenbrennkraftmaschine 11 befindet sich der Abgas-Strömungsteiler 28 in der in Fig. 1a gezeigten Stellung. Die Abgasturbolader 15, 16 werden dann nicht mehr mit dem Abgas beaufschlagt und stehen still. Die Ladeluftversorgung der Kolbenbrennkraftmaschine 11 erfolgt damit allein durch den mittleren Abgasturbolader 14. Damit fehlt die Ladeluftförderung der Abgasturbolader 15, 16 und somit auch der Ladeluftstrom 51 im koaxialen Zuströmstutzen 44 der Ladeluft-Umschalteinrichtung 40. Dadurch schwenken die Klappen 45, 46 unter Wirkung der Torsionsfedern zurück in ihre strichpunktiert gezeichnete Ruhelage und geben die Mündungen der tangentialen Zuströmstutzen 41, 42 frei. Unterstützt wird das Zurückschwenken der Klappen 45, 46 durch den von Ladeluftverdichter 18 des Abgasturboladers 14 erzeugten Ansaugunterdruck im Ausströmstutzen 43. Der Ladeluftverdichter 18 des Abgasturboladers 14 kann nun über die tangentialen Zuströmstutzen 41, 42 und die Ansaugluftfilter 35, 36 Luft aus der Umgebung ansaugen.

Die tangentiale Einmündung der beiden Zuströmstutzen 41, 42 in die Ladeluft-Umschalteinrichtung 40 ist so angeordnet, daß sich im Ausströmstutzen 43 und damit im Laufradeintritt 32 eine Drallströmung 52 ergibt, deren Strömungsrichtung mit der Drehrichtung des Laufzeugs des Abgasturboladers 14 gleichgerichtet ist. Die bei diesem Betriebszustand von Kolbenbrennkraftmaschine 11 und Abgasturbolader 14 auf Grund des geringen Luftmassenstromes sich sonst ergebende Fehlanströmung der Beschaufelung des Ladeluftverdichters 18 ist durch diesen Vordrall ausgeglichen. Der Ladeluftverdichter 18 arbeitet dadurch bei optimalem Wirkungsgrad und mit einem in Richtung verringerten Massenstromes verbreiterten Verdichterkennfeld.

Claims (8)

1. Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung durch wenigstens eine Gruppe von schaltbaren Abgasturboladern, die jeweils aus einer Abgasturbine mit Turbinengehäuse und einem Ladeluftverdichter mit Verdichtergehäuse bestehen, und die Abgasturbolader einer Gruppe zusammen mittels eines gasdichten Kastens an der Kolbenbrennkraftmaschine befestigt sind, wobei sich die Turbinengehäuse der Abgasturbolader innerhalb des Kastens und die zugehörigen Verdichtergehäuse außerhalb des Kastens befinden und der Abgasauslaß einer ersten Abgasturbine mit dem Abgaseinlaß mindestens einer zweiten Abgasturbine verbunden ist sowie die Abgasauslässe der zweiten Abgasturbinen gemeinsam an eine Auspuffleitung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß drei Abgasturbolader (14, 15, 16) nebeneinander an einer Seitenwand (24) des Kastens (23) befestigt sind, daß die Abgassammelleitung (12) der Kolbenbrennkraftmaschine (11) mit dem Abgaseinlaß der Abgasturbine (17) des mittleren Abgasturboladers (14) verbunden ist, daß am Abgasauslaß (25) der Abgasturbine (17) des mittleren Abgasturboladers (14) ein Abgas-Strömungsteiler (28) drehbar angeordnet ist, daß der Abgas-Strömungsteiler (28) in einer ersten Position den Abgasauslaß (25) des mittleren Abgasturboladers (14) mit den Abgaseinlässen der Abgasturbinen (19, 21) der beiden benachbarten Abgasturbolader (15, 16) verbindet und daß der Abgas-Strömungsteiler (28) in einer zweiten Position den Abgasauslaß (25) des mittleren Abgasturboladers (14) direkt mit der Auspuffleitung (29) verbindet.

2. Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abgassammelleitung (12) und Abgaseinlaß des mittleren Abgasturboladers (14) eine Abgas-Umschalteinrichtung (31) für Voll- und Teilbeaufschlagung der Abgasturbine (17) angeordnet ist.

3. Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Laufradeintritt (32) des Ladeluftverdichters (18) des mittleren Abgasturboladers (14) eine Ladeluft-Umschalteinrichtung (40) angeordnet ist, die einen mit dem Laufradeintritt (32) korrespondierenden Ausströmstutzen (43), mindestens zwei Zuströmstutzen (41, 42, 44) und ein mit den Zuströmstutzen (41, 42, 44) zusammenwirkendes Verschlußteil aufweist.

4. Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Zuströmstutzen (44) der Ladeluft-Umschalteinrichtung (40) koaxial zum Ausströmstutzen (43) angeordnet ist.

5. Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ladeluft-Umschalteinrichtung (40) zwei weitere Zuströmstutzen (41, 42) etwa tangential zum Ausströmstutzen (43) angeordnet sind.

6. Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil aus zwei Klappen (45, 46) besteht, die in einer ersten Stellung den koaxialen Zuströmstutzen (44) verschließen und in einer zweiten Stellung die tangentialen Zuströmstutzen (41, 42) absperren.

7. Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Zuströmstutzen (41, 42) jeweils mit einer der Ansaugleitungen (33, 34) der beiden äußeren Abgasturbolader (15, 16) verbunden sind.

8. Kolbenbrennkraftmaschine mit Aufladung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeluftdruckleitungen (38, 39) der beiden äußeren Abgasturbolader (15, 16) mit dem koaxialen Zuströmstutzen (44) der Ladeluft-Umschalteinrichtung (40) und die Ladeluftdruckleitung (47) des mittleren Abgasturboladers (14) mit der Ladeluftsammelleitung (13) der Kolbenbrennkraftmaschine (11) verbunden sind.