DE4325600C2 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern - Google Patents
Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei AbgasturboladernInfo
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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.
Priority Applications (1)
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DE4325600A DE4325600C2 (de) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4325600A1 DE4325600A1 (de) | 1995-02-02 |
DE4325600C2 true DE4325600C2 (de) | 1996-05-09 |
Family
ID=6494070
Family Applications (1)
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DE4325600A Expired - Fee Related DE4325600C2 (de) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern |
Country Status (1)
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DE (1) | DE4325600C2 (de) |
Cited By (2)
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DE102006057204A1 (de) * | 2006-12-05 | 2008-06-12 | Deutz Power Systems Gmbh | Vorrichtung zur Verbesserung des Instationärverhaltens bei Brennkraftmaschinen mit Laderschaltung |
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DE10329437A1 (de) * | 2003-07-01 | 2005-02-03 | Daimlerchrysler Ag | Abgasrückführventil für eine Brennkraftmaschine |
WO2017150543A1 (ja) * | 2016-02-29 | 2017-09-08 | 三菱重工業株式会社 | 過給機および内燃機関 |
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DE4024572C2 (de) * | 1990-08-02 | 1994-11-10 | Kloeckner Humboldt Deutz Ag | Registeraufladung für Brennkraftmaschinen in Nutzfahrzeugen |
-
1993
- 1993-07-30 DE DE4325600A patent/DE4325600C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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DE4325600A1 (de) | 1995-02-02 |
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