DE4325600C2 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern gemäß Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Aus der DE-OS 40 24 572 ist eine über zwei Abgasturbolader auf­ ladbare Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher vorgesehen ist, im niederen Drehzahlbereich einen der beiden Lader stillzusetzen und die Aufladung nur über einen Lader vorzunehmen. In höheren Drehzahlbereichen hingegen ist dieser zweite Lader zugeschaltet. Der abschaltbare Lader wird über ein stromab des Verdichters dieses Laders in der Ladeluftleitung angeordnet es Absperrelement sowie über ein in der Abgasleitung stromab der Abgasturbine die­ ses Laders angeordnetes Ventilelement stillgelegt. In der Abgas­ leitung des anderen, bei Lastvorgabe an der Aufladung der Brenn­ kraftmaschine immer beteiligte Abgasturboladers ist stromab der Abgasturbine ein weiteres Ventilelement angeordnet, welches in Schließstellung als Motorbremse wirkt. Für jede der beiden in den Abgasleitungen stromab der Turbine angeordneten Abgasklappen ist ein separater Stellantrieb erforderlich. Darüber hinaus sind zur Betätigung derartiger Abgasklappen, insbesondere beim Öffnen aus ihrer geschlossenen Stellung heraus, relativ hohe Verstell­ kräfte erforderlich und zwar infolge hoher Strömungsgeschwindig­ keiten in dem auch bei geschlossener Klappe immer noch erforder­ lichen Mindestspalt. Darüber hinaus werden die erforderlichen Verstellkräfte beim Öffnen der Klappen durch ungleichmäßige Druckstöße sowie durch Druckdifferenzen in der Abgasleitung stromab der Turbinen, aus denen Kräfte resultieren, die nicht direkt auf die Drehachse der Klappen gerichtet sind, zusätzlich erhöht. Die auftretenden Druckstöße und Druckdifferenzen erfor­ dern bei der Verwendung derartiger Abgasklappen eine elastische Abstützung ihrer Betätigungsglieder.

Aus der DE-OS 37 35 736 ist es bekannt, zwei Abgasturbolader über einen im Abgasstrang stromauf der beiden Turbinen dieses Abgasturboladers angeordneten Drehschieber bedarfsweise nachein­ ander zu- oder abzuschalten. Ferner ist in der Ladeluftleitung desjenigen Abgasturboladers, welcher über den Drehschieber zu­ erst zugeschaltet wird, ein Verdichterzuschaltventil angeordnet, welches dann, wenn der zweite Lader zugeschaltet wird, in Schließstellung überführt wird. An diesem Verdichterzuschalt­ ventil soll ein Aufstauen des Ladedruckes bewirkt werden, um zu verhindern, daß aufgrund des jetzt plötzlich auf beide Lader verteilten Abgasmassenstromes ein zu starker Drehzahlabfall an dem zuerst zugeschalteten Lader auftritt. Dieses Verdichterzu­ schaltventil wird dann schließlich in dem Maße wieder geöffnet, in dem der Abgasmassenstrom durch den jetzt zugeschalteten zweiten Abgasturbolader ansteigt. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß ein separates Verdichterzuschaltventil erforder­ lich ist, welches in einer speziellen Art und Weise zu betätigen ist, will man vermeiden, daß einerseits die Drehzahl des zuerst zugeschalteten Abgasturboladers nach dem Zuschalten des zweiten Laders zu stark abfällt und andererseits der Staudruck vor dem Verdichterzuschaltventil aufgrund eines nicht rechtzeitigen Öffnens dieses Zuschaltventils zu groß wird, was sich wiederum nachteilig auf den Wirkungsgrad des Laders und damit den Ge­ samtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine auswirkt. Eine derart spezielle Betätigung des Verdichterzuschaltventils ist jedoch mit einem erhöhten Steuerungsaufwand verbunden.

Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht in der Anord­ nung des Drehschiebers stromauf der beiden Abgasturbolader. Durch diese Anordnung erfährt die Abgasströmung beim Passieren des Drehschiebers Störungen, wodurch eine optimale Anströmung der beiden Turbinen nicht mehr möglich ist, was sich weiter wir­ kungsgradverschlechternd auswirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aufgeladene Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des neuen Patentanspruches 1 beschriebenen Art aufzuzeigen, bei welcher ohne Beein­ trächtigung von deren Gesamtwirkungsgrad mit einfachen Mitteln verhindert werden kann, daß beim Zuschalten des zweiten Ab­ gasturboladers ein nennenswerter Abfall der Drehzahl des ersten Turboladers auftritt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Anordnung des Drehschiebers stromab der beiden Ab­ gasturbolader ist gewährleistet, daß der Abgasstrom störungsfrei auf die beiden Turbinen treffen kann. Es treten somit keinerlei Verluste auf, die darauf zurückzuführen sind, daß die Turbinen aufgrund eines vor diesen angeordneten Drehschiebers nicht op­ timal angeströmt werden können. Ferner wird dadurch, daß die Querschnittsfläche der Abgasleitung desjenigen Turboladers, welcher im Laderbetrieb erst später zugeschaltet wird, im Be­ reich der Zusammenführung so ausgebildet ist, daß bezogen auf eine vorgegeben Drehwinkeleinheit die vom Drehschieber freige­ gebene Querschnittsfläche pro Drehwinkeleinheit mit steigendem Drehwinkel immer größer wird, erreicht, daß während des Zu­ schaltens des zweiten Laders nicht schon von Beginn an eine ver­ hältnismäßig große Querschnittsfläche der Abgasleitung des zwei­ ten Abgasturboladers freigegeben wird. Die Drehzahl des erst später zugeschalteten Abgasturboladers kann somit kontinuierlich ansteigen, ohne daß infolge eines plötzlichen Druckabfalls ein nennenswerter Drehzahlabfall bei dem zuerst zugeschalteten Lader zu befürchten ist. Diese nicht schlagartige, sondern kon­ tinuierliche Erhöhung der freigegebenen Querschnittsfläche wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Querschnitts der Ab­ gasleitung des erst später zugeschalteten Turboladers erreicht, so daß der Drehschieber während des gesamten Öffnungsvorganges mit konstanter Geschwindigkeit gedreht werden kann. Eine beson­ dere Ansteuerung des Drehschiebers hinsichtlich einer sich stän­ dig ändernden Drehgeschwindigkeit ist somit nicht erforderlich.

Besonders einfache Arten von Drehschiebern sind mit den Ansprü­ chen 2 und 3 aufgezeigt.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer Prin­ zipdarstellung,

Fig. 2 den Walzenschieber 15 der Fig. 1 in abgewickelter Dar­ stellung und

Fig. 3a-3c die Stellung des Walzenschiebers 15 in drei ver­ schiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung der Fig. 3a entlang der Linie IV-IV, wobei der Walzenschieber 15 wiederum in seiner Ab­ wicklung dargestellt ist.

In Fig. 1 zeigt 1 eine über zwei Abgasturbolader 2 und 3 aufge­ ladene Hubkolbenbrennkraftmaschine. Jede der beiden Turbinen 4 bzw. 5 der Turbolader 2 bzw. 3 ist in je einer Abgasleitung 6 bzw. 7 angeordnet. Beide Abgasleitungen 6 und 7 sind von einem Abgaskrümmer 8 der Brennkraftmaschine 1 abgezweigt. Über die beiden Verdichter 9 und 10, von denen jeder in je einer separa­ ten Ladeluftleitung 11 bzw. 12, welche beide stromab der Ver­ dichters 9 bzw. 10 in ein gemeinsames Sammelrohr 13 einmünden, angeordnet ist, wird die Frischluft in die Brennräume der Brenn­ kraftmaschine 1 gefördert.

Die beiden Abgasleitungen 6 und 7 gehen stromab der beiden Ab­ gasturbinen 4 und 5 wieder in eine gemeinsame Sammelleitung 14 über. In dem Übergangsbereich ist ein als Walzenschieber ausge­ bildeter, um die senkrecht zur Zeichenebene gerichtete Achse 16 drehbarer (Drehrichtungen durch Doppelpfeil 17 dargestellt) Drehschieber 15 angeordnet, über welchen die Querschnitte der beiden Abgasleitungen 6 und 7 nacheinander gesteuert werden kön­ nen. Der Walzenschieber 15 wiederum ist als Hohlwalze ausgebil­ det, welche über ungefähr ihren halben Umfang U/2 mit einer Aus­ nehmung 18 (s. auch Fig. 2, welche den Walzenschieber 15 in seiner Abwicklung zeigt) versehen ist, durch welche Abgas hin­ durchströmen kann.

Die Betätigung des Walzenschiebers 15 erfolgt über einen in der Zeichnung nicht sichtbaren elektrischen Stellmotor, welcher von einer elektronischen Steuereinheit 19 in Abhängigkeit verschie­ dener Betriebsparameter 20 der Brennkraftmaschine 1 wie z. B. Lastvorgabe, Drehzahl, Ladedruck etc. gesteuert wird. Dabei nimmt der Walzenschieber 15 je nach Betriebspunkt der Brennkraft­ maschine 1 im wesentlichen eine der drei in den Fig. 3a-3c dargestellten Stellungen ein.

In der Stellung der Fig. 3a wird durch den Walzenschieber 15 die Abgasleitung 6, in welcher die Abgasturbine 4 des Laders 2 angeordnet ist, verschlossen. Dies ist dann der Fall, wenn die Brennkraftmaschine 1 im niederen Last- und Drehzahlbereich be­ trieben wird. Das Abgas strömt in diesem Betriebszustand somit ausschließlich über die Abgasleitung 7 durch die Ausnehmung 18 im Walzenschieber 15 hindurch in die Sammelleitung 14 ab (Pfeil 21). Da in diesem Betriebszustand also nur über den Lader 3 ge­ fördert wird, die Ladeluftleitung 12 aber mit der Ladeluftlei­ tung 11 des nun stillgesetzten Laders 2 in Verbindung steht, ist in dieser Ladeluftleitung 11 stromab des Verdichters 9 ein Rück­ schlagventil 22 angeordnet (s. Fig. 1), welches ein Abströmen der vom Verdichter 10 geförderten Frischluft über den Verdichter 9 verhindert.

Steigt nun der Ladedruck an, gelangt der Lader 3 also an seine Schluckgrenze, so wird der Walzenschieber 15 in Richtung des Pfeiles 23 (s. Fig. 3a) weitergedreht, wodurch es über die Aus­ nehmung 18 im Walzenschieber 15 zu einer kontinuierlichen Frei­ gabe der Abgasleitung 6 (s. Fig. 3b) kommt. Das Abgas strömt so­ mit, wie in Fig. 3b durch die beiden Pfeile 24 und 25 darge­ stellt, über beide Abgasleitungen 6 und 7 durch die Ausnehmung 18 im Walzenschieber 15 in die Sammelleitung 14 ab.

Um zu verhindern, daß durch eine zu schnelle Freigabe des Quer­ schnittes der Abgasleitung 6 der Druckabfall vor der Turbine 5 zu groß wird, was zu einem starken Abfall der Drehzahl des La­ ders 3 führen würde und zwar zu einem Zeitpunkt, zu dem der La­ der 2, der jetzt zugeschaltet werden soll, noch keine ausrei­ chend hohe Drehzahl erreicht hat, weist die Abgasleitung 6 - also die Abgasleitung 6 desjenigen Turboladers 2, welcher im Laderbe­ trieb erst später zugeschaltet wird - im Bereich der Zusammenfüh­ rung einen im wesentlichen dreieckigen Strömungsquerschnitt auf (s. Fig. 4), wobei eine Dreiecksspitze 26 auf die Ausnehmung 18 gerichtet ist. Die Querschnittsfläche der Abgasleitung 6 des Turboladers 2, welcher im Laderbetrieb erst später zugeschaltet wird, ist also derart ausgebildet, daß die vom Walzenschieber 15 freigegeben Querschnittsfläche pro Drehwinkeleinheit Δα mit steigendem Drehwinkel α immer größer wird. Dies bedeutet, daß bei einer Drehung des Walzenschiebers 15 um die Drehwinkelein­ heit Δα von der Stellung α in die Stellung α₁ die schraffierte Fläche 27 freigegeben wird. Bei einer weiteren Drehung des Wal­ zenschiebers 15 um die gleiche Drehwinkeleinheit Δα von α₁ nach α₂ hingegen wird die gekreuzt schraffierte Fläche 28 freigege­ ben, welche aber größer ist als die zuvor freigegebene Quer­ schnittsfläche 27. Die pro Drehwinkeleinheit Δα freigegebenen Querschnittsfläche wird demnach mit steigendem Drehwinkel α im­ mer größer und ist nicht schon von Anfang an relativ groß, um dann konstant zu bleiben. Dies hat den Vorteil, daß die Drehzahl des Laders 2 kontinuierlich ansteigen kann, ohne daß es zu einem plötzlichen Druckabfall und damit zu einem Einbruch der Drehzahl des Laders 3 kommt, weil über den Drehschieber 15 der Quer­ schnitt der Abgasleitung 6 zu schnell freigegeben wird.

Der Querschnitt der Abgasleitung 6 kann selbstverständlich auch kreis- oder rechteckförmig sein. In diesem Fall muß dann aller­ dings mittels einer entsprechend feinfühligen Ansteuerung des Walzenschiebers 15, insbesondere dann, wenn dieser beginnt, den Querschnitt der Abgasleitung 6 freizugeben, verhindert werden, daß es aufgrund einer zu schnellen Querschnittsfreigabe zu einem zu großen Druckabfall vor dem Lader 3 bzw. im gesamten Abgaslei­ tungssystem kommt.

Soll das Fahrzeug, welches von der Brennkraftmaschine 1 ange­ trieben wird, abgebremst werden, wird der Walzenschieber 15 in Richtung des Pfeiles 29 bzw. 30 verdreht und in die in Fig. 3c dargestellte Stellung überführt. Dies kann sowohl aus der Stel­ lung des Walzenschiebers 15 in der Fig. 3a (Pfeil 29) als auch aus seiner Stellung in der Fig. 3b (Pfeil 30) geschehen. In diesem Betriebszustand sind somit beide Abgasleitungen 6 und 7 durch den Drehschieber 15 verschlossen, so daß die Brennkraftma­ schine 1 gegen einen stark überhöhten Abgasgegendruck ausschie­ ben muß, wodurch eine zusätzliche Bremsleistung zu Reduzierung der Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugt wird. Zwischen der Oberflä­ che des Walzenschiebers 15 und der Wandung des Leitungsgehäuses im Übergangsbereich von der Abgasleitung 7 zu der Sammelleitung 14 ist ein Mindestspalt 40 gegeben, wodurch immer noch eine Min­ destmenge an Abgas abströmen kann (Pfeil 31). Es wird damit er­ reicht, daß sich im Motorbremsbetrieb der Abgasgegendruck je nach Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 auf einen Wert einstellt, bei welchem ein selbsttätiges Öffnen der Auslaßventile der Brennkraftmaschine 1 gegen die Ventilfederkräfte infolge eines zu großen Abgasgegendruckes sicher verhindert ist.

Anstelle des konstruktiv vorgesehenen Spaltes 40 ist es auch denkbar, diesen Spalt derart zu realisieren, daß der Walzen­ schieber 15 die Abgasleitung 7 im Motorbremsbetrieb nicht voll­ ständig verschließt, sondern einen Mindestquerschnitt noch frei­ gibt.

Ist der Motorbremsbetrieb beendet, so wird der Walzenschieber 15 wieder in die Stellung der Fig. 3a, bzw. wenn Lastvorgabe und Brennkraftmaschinendrehzahl groß genug sind, gleich in die Stel­ lung der Fig. 3b überführt (s. Pfeil 32 in Fig. 3c).

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es ebenso denkbar, anstelle eines Drehschiebers mit zylindrischer Oberfläche einen solchen mit einer Kugel- oder Halbkugeloberfläche zu verwenden.

Claims (3)

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgastur­ boladern, deren Abgasturbinen jeweils in je einer Abgasleitung angeordnet sind, wobei die Querschnitte der beiden Abgasleitun­ gen über einen gemeinsamen Drehschieber, der im Bereich der Ver­ bindung dieser beiden Abgasleitungen mit einer Abgassammellei­ tung angeordnet ist, in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine nacheinander steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abgasleitungen (6, 7) stromab der Abgasturbinen (4, 5) in die gemeinsame Sammelleitung (14) übergehen und daß die Querschnittsfläche der Abgasleitung (6) desjenigen Turboladers (2), welcher im Laderbetrieb erst später zugeschaltet wird, im Bereich der Zusammenführung derart ausgebildet ist, daß bezogen auf eine vorgegeben Drehwinkeleinheit (Δα) die vom Drehschieber freigegebene Querschnittsfläche pro Drehwinkeleinheit (Δα) mit steigendem Drehwinkel (α) immer größer wird.

2. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber als Walzenschieber (15) ausgebildet ist.

3. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber als Kugelschieber ausgebildet ist.