DE4434776C2 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern - Google Patents
Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden AbgasturboladernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschi
ne mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern,
bei der der Abgasdurchtrittsquerschnitt der Abgasanlage
durch in Ergänzung zur ersten Abgasturbine über je eine
Absperreinrichtung gestaffelt mit Abgas beaufschlagbare
Abgasturbinen der weiteren Abgasturbolader veränderbar
ausgebildet ist und die Absperreinrichtungen in Abhängig
keit von lediglich einem Betriebsparameter der Brennkraft
maschine aufsteuerbar eingerichtet sind.
Durch die Aufladung einer Brennkraftmaschine wird bekannt
lich eine Leistungssteigerung erzielt, die sich in eine
Reduzierung des Gewichts der Brennkraftmaschine umsetzen
läßt. Abgasturbolader mit einer vom Druck der Abgase der
Brennkraftmaschine angetriebenen Abgasturbine und mit ei
nem von der Abgasturbine angetriebenen Ladeluftverdichter
nützen zur Aufladung sonst verlorene Verbrennungsenergie
und verbessern damit den Wirkungsgrad der Brennkraftma
schine. Die Verwendung mehrerer Abgasturbolader in Paral
lelanordnung und dem Abgasaufkommen entsprechend abge
staffelter Inbetriebnahme ist eine Maßnahme gegen die ins
besondere im Vollast-Niedrigdrehzahl-Bereich bestehenden
Schwächen einer Brennkraftmaschine, zu deren Aufladung
lediglich ein einziger Abgasturbolader vorgesehen ist.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs angeführten Art ist
bereits aus der Publikation DE 37 31 991 C1 bekannt. Als
Besonderheit ist dort vorgesehen, daß eine Bypassleitung
einer der abschaltbaren Abgasturbinen zugeordnet ist und
an der Abgaszuleitung stromab der Absperreinrichtung zum
Abschalten der zugeordneten Abgasturbine beginnt. Durch
eine Steuerung, die, wie mit einem am Motorblock befind
lichen Sensor angedeutet, auf wenigstens einen Betriebs
parameter der Brennkraftmaschine reagiert, werden die Ab
sperreinrichtungen in Abhängigkeit des Betriebszustandes
der Brennkraftmaschine beeinflußt. Diese die Absperrein
richtungen über separate Signalleitungen bedienende Steue
rung ist der Funktion nach ein Rechner, in dem wohl in an
sich bekannter Weise Betriebsmusterblockdiagramme abge
speichert sind. Die damit verbundene Erhöhung der Geste
hungskosten der Brennkraftmaschine ist beträchtlich, ins
besondere wenn von den Betriebsparametern der Brennkraft
maschine gleich mehrere erfaßt und verarbeitet werden,
vorrangig Druckwerte, Temperaturwerte und Drehzahlwerte.
Der Bauteileaufwand wird auch dadurch vergrößert, daß die
Meßwerte in elektrische Signale für den Rechner umzuwan
deln sind und die vom Rechner gelieferten elektrischen
Steuersignale in mechanische Stellvorgänge umgesetzt wer
den müssen.
In der Publikation DE 28 09 202 A1 ist ein Aufladesystem
für einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit lediglich
zwei abgasseitig und luftseitig parallelgeschalteten Tur
boladern beschrieben, bei dem die Turbine des für den un
teren Drehzahlbereich abschaltbaren zweiten Turboladers
über ein in Abhängigkeit vom Ladedruck des ersten Turbo
laders betätigbares Bypassventil an die Abgasleitung an
geschlossen ist und in der Verbindungsleitung des zwei
ten Turboladers zu den Fülleitungen der Motorzylinder
ein Abblaseventil angeordnet ist, das die verdichtete
Luft des zweiten Turboladers abbläst, bis der Ladedruck
des zweiten Turboladers etwa gleich dem Ladedruck des
ersten Turboladers ist. Dieses Aufladesystem hat einen
geringen baulichen Aufwand, nutzt aber nicht die höheren
Abgasaufkommen und bietet in der Nutzung des Abgasaufkom
mens keine weitergehende Staffelung. Die ladeluftseitige
Steuerleitung des Bypassventils führt dort wie die Steuer
leitung des Abblaseventils hinter ein dem Abblaseventil
stromab nachfolgendes Rückschlagventil zum Druckniveau
der Fülleitungen der Motorzylinder.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brenn
kraftmaschine der angegebenen Gattung die Anpassung der
Aufladung an den jeweiligen Betriebszustand der Brenn
kraftmaschine mit einfachen Mitteln zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
zum Aufsteuern der Absperreinrichtung der Abgasturbine
des jeweils nächsten Abgasturboladers ein zwischen dem
Ausgang des Ladeluftverdichters des diesem nächsten Ab
gasturbolader vorgeordneten Abgasturboladers und einem
dem Ausgang nachfolgenden Rückschlagventil abgenommener
Ladeluft-Überdruck eingesetzt ist und zum Offenhalten
des vorrangigen Rückschlagventils bis zum vollständigen
Schließen des nachrangigen Rückschlagventils eine von
der Absperreinrichtung der nachrangigen Abgasturbine zum
Rückschlagventil des vorrangigen Ladeluftverdichters füh
rende Signalleitung vorgesehen ist.
Mit der Beschränkung der Regelgrößen auf den Ladeluft-
Überdruck ist die Erkenntnis verarbeitet, daß der Lade
druck in direkter Relation zum Abgasdruck und damit zum
Abgasvolumen steht, die Ladelufttemperatur dem Ladedruck
folgt und die Motordrehzahl keine eindeutigen Anhalts
punkte zum Betreiben der Abgasturbolader liefert. Beim
Aufsteuern der Absperreinrichtungen kommt man ohne einen
Rechner und ohne aufwendig gespeicherte Parameter aus.
Vorteile des Erfindungsgegenstandes bestehen aber auch
in der Vermeidung von Meßwertwandlern und Stellsignal
wandlern, insbesondere wenn jede Absperreinrichtung über
eine Druckluftleitung unmittelbar vom Ladeluft-Überdruck
aufsteuerbar eingerichtet ist. Der Ladedruck wird über
alle Drehzahlbereiche hinweg besser konstantgehalten. Es
wird eine Reihenfolge gebildet, die garantiert, daß der
nächste Ladeluftverdichter und die mit ihm verbundene Ab
gasturbine immer nur dann aufgesteuert werden, wenn der
davorliegende Abgasturbolader seine volle Leistung ab
gibt. Daß das Schaltspiel der Abstaffelung absolut sicher
auch in umgekehrter Reihenfolge und bei einem um eine
Schaltstufe schwankenden Abgasaufkommen funktioniert,
wird durch den Rückkopplungseffekt der zu den Rückschlag
ventilen führenden Signalleitungen garantiert.
Ein auf Grund der in den Unteransprüchen angegebenen Er
findungsausgestaltungen bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird
im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung der
aufgeladenen Brennkraftmaschine und
Fig. 2 die in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine
vorgesehene Absperreinrichtung.
Die in der Fig. 1 wiedergegebene Brennkraftma
schine enthält einen Motorblock 10 mit sechs Zylindern 11,
deren Ladeluftzuleitungen aus einem gemeinsamen Ladeluft
strang 12 gespeist werden und deren Abgasableitungen in
einem gemeinsamen Abgasstrang 13 münden. Bei einem gerin
gen Abgasaufkommen führt der Abgasstrang 13 lediglich
über die Abgasturbine 14 eines ersten Abgasturboladers 15.
Mit steigendem Abgasaufkommen werden der Reihe nach durch
das Öffnen einer ersten Absperreinrichtung 16 die Abgas
turbine 17 eines zweiten Abgasturboladers 18 und durch
das Öffnen einer zweiten Absperreinrichtung 19 die Abgas
turbine 20 eines dritten Abgasturboladers 21 der Abgas
turbine 14 parallelgeschaltet. Die Ladeluftverdichter 22,
23 und 24 der drei Abgasturbolader 15, 18 und 21 sind
ebenfalls für einen Parallelbetrieb eingerichtet, wobei
die stromab stattfindende Wiedervereinigung des Ladeluft
stranges 12 hinter einem dem Ladeluftverdichter 22 nach
folgenden Rückschlagventil 25, einem dem Ladeluftverdich
ter 23 nachfolgenden Rückschlagventil 26 und einem dem
Ladeluftverdichter 24 nachfolgenden Rückschlagventil 27
erfolgt.
Zum Aufsteuern der Absperreinrichtung 16 bzw. 19 der Ab
gasturbine 17 bzw. 20 des jeweils nächsten Abgasturbola
ders 18 bzw. 21 ist ein zwischen dem Ausgang des
Ladeluftverdichters 22 bzw. 23 des diesem nächsten Abgastur
boladers 18 bzw. 21 vorgeordneten Abgasturboladers 15 bzw.
18 und dem dem Ausgang nachfolgenden Rückschlagventil 25
bzw. 26 abgenommener Ladeluft-Überdruck in der Weise ein
gesetzt, daß die Absperreinrichtung 16 bzw. 19 über eine
Druckluftleitung 28 bzw. 29 unmittelbar vom Ladeluft-Über
druck aufsteuerbar eingerichtet ist. Es entfällt demnach
nicht nur jedweder Rechner zum Verarbeiten der registrier
ten Druckwerte, sondern auch jedwede Einrichtung zum Um
setzen der anfallenden Druckwerte in elektrische Signale.
Gemäß der Fig. 2 weist jede Absperreinrichtung
16 bzw. 19 eine mittels einer an einer Kolbenstange 30
befindlichen Kurve 31 um einen rechten Winkel drehbare
Klappe 32 im Abgaskanal 33 und zum axialen Verschieben
des mit der Kolbenstange 30 verbundenen Kolbens 34 in die
der maximalen Öffnung der Klappe 32 zugeordnete Endstel
lung einen an die Druckluftleitung 28 bzw. 29 angeschlos
senen Zylinder 35 auf. Der zum Anschluß der Druckluftlei
tung 28 bzw. 29 eingerichtete Ladelufteinlaß 36 befindet
sich im Deckel 37 des Zylinders 35. Dargestellt ist die
maximale Öffnung der Klappe 32, bei der sich diese in der
Längsrichtung des Abgaskanals 33 erstreckt und der Kolben
34 am Boden 38 des Zylinders 35 anliegt. Die den Abgas
kanal 33 rechtwinkelig kreuzende Schwenkachse 39 der Klap
pe 32 hat mit der Kolbenstange 30 eine gemeinsame Mittel
linie 40 und wird über ein Winkelstück 41 durch zwei die
Kurve 31 zwischen sich einschließende Rollen 42 geführt.
Um für sie mit einer einheitlichen Bauform auszukommen,
ist jede Absperreinrichtung 16 bzw. 19 mit einem Einstell
organ 43 für ihren Aufsteuer-Schwellendruck ausgerüstet.
Vorzugsweise ist als Einstellorgan 43 eine mit einem Ge
winde der Kolbenstange 30 geführte Stützmutter 44 für
eine die Absperreinrichtung 16 bzw. 19 über die Kolben
stange 30 schließende vorgespannte Druckfeder 45 vorge
sehen. Durch eine unterschiedliche Vorspannung der je
weiligen Druckfeder 45 läßt es sich bewerkstelligen, daß
in einer festgelegten Reihenfolge der jeweils nächste
der drei Abgasturbolader 15, 18 und 21 und eventuell wei
teren Abgasturbolader in Betrieb genommen wird, wenn der
davorliegende Abgasturbolader seine volle Ladeleistung
erreicht hat. Jede in den Abgasdurchtrittsquerschnitt
der Abgasanlage neu hinzugeschaltete Abgasturbine 17 bzw.
20 hat für die vorgeordnete Abgasturbine 14 bzw. 17 die
Wirkung eines Bypasses.
Damit die betriebliche Reihenfolge der zueinander paral
lelen Abgasturbolader 15, 18 und 21 auch umgekehrt bei
abnehmendem Abgasaufkommen mit hoher Sicherheit gewähr
leistet werden kann, ist in jeder Absperreinrichtung 16
bzw. 19 durch einen Schließverzögerer 46 für eine Schalt
hysterese im Ladeluft-Überdruck gesorgt. Insbesondere zur
Anpassung an eine bei gleicher Bauform unterschiedliche
Zahl von benötigten Absperreinrichtungen 16 bzw. 19 ist
die Druckdifferenz dieser Schalthysterese verstellbar
eingerichtet. Nach Fig. 2 ist zur Bildung des Schließver
zögerers 46 in Fig. 1 eine beim Zurückbewegen des Kol
bens 34 mit der Druckfeder 45 vom Unterdruck an der Kol
benvorderseite betätigbares Belüftungsventil 47 mit einer
von einer Ventilfeder 48 gegen eine Hemmschräge 49 ge
drückten Kugel 50 vorgesehen. Der Unterdruck wird durch
ein Entlüftungsventil 51 im Boden 38 des Zylinders 35,
durch einen Rollring 52 vor einem rückseitigen Bund 53
des Kolbens 34 und durch die Minimisierung des dazwi
schenliegenden Totraums 54 optimiert. Die Verstellung
der Schalthysterese erfolgt durch die Veränderung der
Vorspannung der gegen die Kugel 50 drückenden Ventilfeder 48
mittels einer Rändelschraube 55. Nach alledem wird
die Anpassung der Aufladung an den jeweiligen Betriebs
zustand der Brennkraftmaschine ausschließlich durch pneu
matische Mittel bewältigt, ohne daß der lediglich eine
Parameter verglichen oder verrechnet werden muß und ohne
daß es für die Reihenfolge der Abgasturbolader 15, 18 und
21 beim Auf- und Zusteuern der Abgasturbinen 17 und 20
eine von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängige
Zweideutigkeit gibt.
Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme ist zum Offenhalten
des vorrangigen Rückschlagventils 25 bzw. 26 bis zum
vollständigen Schließen des nachrangigen Rückschlagven
tils 26 bzw. 27 eine von der Absperreinrichtung 16 bzw.
19 der nachrangigen Abgasturbine 17 bzw. 20 zum Rück
schlagventil 25 bzw. 26 des vorrangigen Ladeluftverdich
ters 22 bzw. 23 führende Signalleitung 56 bzw. 57 vorge
sehen. Die Signalleitung 56 bzw. 57 wird von einem elek
trischen Schalter 58 in einer Mulde 59 im Deckel 37 des
Zylinders 35 durch einen von der Rückseite des Kolbens
34 abstehenden Betätigungsnippel 60 geöffnet, wenn die
Kolbenstange 30 durch die Kraft der Druckfeder 45 in ihre
Grundstellung zurückkehrt. Dann ist über die Signallei
tung 56 bzw. 57 am Rückschlagventil 25 bzw. 26 ein Halte
magnet 61 inaktiviert.
Claims (8)
1. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mehreren parallel
arbeitenden Abgasturboladern (15, 18, 21), bei der der
Abgasdurchtrittsquerschnitt der Abgasanlage durch in
Ergänzung zur ersten Abgasturbine (14) über je eine
Absperreinrichtung (16, 19) gestaffelt mit Abgas beauf
schlagbare Abgasturbinen (17, 20) der weiteren Abgas
turbolader (18, 21) veränderbar ausgebildet ist und
die Absperreinrichtungen (16, 19) in Abhängigkeit von
lediglich einem Betriebsparameter der Brennkraftma
schine (10) aufsteuerbar eingerichtet sind, da
durch gekennzeichnet, daß zum
Aufsteuern der Absperreinrichtung (16, 19) der Abgas
turbine (17, 20) des jeweils nächsten Abgasturboladers
(18, 21) ein zwischen dem Ausgang des Ladeluftverdich
ters (22, 23) des diesem nächsten Abgasturbolader (18,
21) vorgeordneten Abgasturboladers (15, 18) und einem
dem Ausgang nachfolgenden Rückschlagventil (25, 26) ab
genommener Ladeluft-Überdruck eingesetzt ist und zum
Offenhalten des vorrangigen Rückschlagventils (25, 26)
bis zum vollständigen Schließen des nachhrangigen Rück
schlagventils (26, 27) eine von der Absperreinrichtung
(16, 19) der nachrangigen Abgasturbine (17, 20) zum
Rückschlagventil (25, 26) des vorrangigen Ladeluftver
dichters (22, 23) führende Signalleitung (56, 57) vor
gesehen ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß jede Absperreinrichtung (16, 19) über
eine Druckluftleitung (28, 29) unmittelbar vom Lade
luft-Überdruck aufsteuerbar eingerichtet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß jede Absperreinrichtung (16, 19) eine
mittels einer all einer Kolbenstange (30) befindlichen
Kurve (31) um einen rechten Winkel drehbare Klappe
(32) im Abgaskanal (33) und zum axialen Verschieben
des mit der Kolbenstange (30) verbundenen Kolbens (34)
in die der maximalen Öffnung der Klappe (32) zugeord
nete Endstellung einen an die Druckluftleitung (28, 29)
angeschlossenen Zylinder (35) aufweist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Absperreinrichtung
(16, 19) mit einem Einstellorgan (43) für ihren Auf
steuer-Schwellendruck ausgerüstet ist.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Einstellorgan (43) eine in einem
Gewinde der Kolbenstange (30) geführte Stützmutter
(44) für eine die Absperreinrichtung (16, 19) über die
Kolbenstange (30) schließende vorgespannte Druckfeder
(45) vorgesehen ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Absperreinrich
tung (16,19) durch einen Schließverzögerer (46) für
eine Schalthysterese im Ladeluft-Überdruck gesorgt
ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Druckdifferenz der Schalthysterese
verstellbar eingerichtet ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Bildung des Schließverzögerers
(46) eine beim Zurückbewegen des Kolbens (34) mit der
Druckfeder (45) vom Unterdruck an der Kolbenvordersei
te betätigbares Belüftungsventil (47) mit einer von
einer Ventilfeder (48) gegen eine Hemmschräge (49) ge
drückten Kugel (50) vorgesehen ist.
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DE4434776A DE4434776C2 (de) | 1994-09-29 | 1994-09-29 | Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern |
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Publications (2)
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DE4434776C2 true DE4434776C2 (de) | 1997-01-30 |
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ID=6529487
Family Applications (1)
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DE4434776A Expired - Fee Related DE4434776C2 (de) | 1994-09-29 | 1994-09-29 | Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern |
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