DE2852709A1

DE2852709A1 - Kolben-brennkraftmaschine mit mindestens zwei abgasturboladern

Info

Publication number: DE2852709A1
Application number: DE19782852709
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl Ing Deutschmann
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG; Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1978-12-06
Filing date: 1978-12-06
Publication date: 1980-06-19
Also published as: DE2852709C2; FR2443574A1; FR2443574B3

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
FRIEDRICHSHAFEN GMBH

Friedrichshafen

Kolben-Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei Abgasturbolader, die beim Betrieb der Brennkraftmaschine im oberen Leistungsbereich parallelgeschaltet die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Ladeluft versorgen, und von denen beim Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren bis mittleren Leistungsbereich mindestens einer durch Absperrung der Abgaszuleitung und der Ladeluftableitung abgeschaltet ist. Durch diese Maßnahme wird im Teillastbetrieb das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine den übrigen Abgasturboladern zugeführt, die dadurch, gegenüber dem Parallelbetrieb mit allen Abgasturboladern, eher in der Nähe ihres Auslegungspunktes und deshalb mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben werden. Damit können sie einen höheren Ladedruck und eine größere Luftmenge zur Aufladung zur Verfügung stellen. Dadurch kann die Kraftstoffmenge und damit das Drehmoment vergrößert werden, ohne Verschlechterung der Verbrennung bzw. der Abgaszusammensetzung in Kauf nehmen zu müssen. Bedingt durch

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die größere Kraftstoff- und Luftmenge, wird auch die im Abgas enthaltene Energie vergrößert, so daß daraus wiederum eine bessere Aufladung resultiert.

Eine Brennkraftmaschine der angeführten Gattung ist bekannt geworden durch die DE-PS 850 965. Bei der dort beschriebenen Anlage ist jedoch nachteilig, daß bei der Umschaltung von dem Betrieb mit nur einem Abgasturbolader auf die Parallelschaltung von zwei Abgasturboladern ein vorübergehender Mangel an Ladeluft für die Brennkraftmaschine auftritt.

Dieser Ladeluftmangel hat seine Ursache in einem Abfall des Abgasdruckes beim Zuschalten der zweiten Abgasturbine, wodurch Drehzahl und damit Ladeluftlieferung des ersten Abgasturboladers empfindlich beeinträchtigt wird, ohne daß der in diesem Augenblick stillstehende zweite Abgasturbolader diesen Mangel auszugleichen in der Lage ist. Außerdem gelangt der zweite Verdichter, der beim Anfahren des zweiten Abgasturboladers gegen eine geschlossene Rückschlagklappe arbeiten muß, dabei in einen unzulässigen Pumpbetrieb, so daß er nicht in der Lage ist, die Druckhöhe des ersten Verdichters zu erreichen.

Auf diese Weise ist eine Umschaltung auf den Normalbetrieb mit parallelgeschalteten Abgasturboladern nicht zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Umschaltung zu ermöglichen, wobei ein Abfall des Ladeluftdruckes verhindert werden soll, so daß keine der daraus resultierenden Auswirkungen Leistungseinbruch und Verschlechterung der Abgasqualität auftreten können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zum Zuschalten der bei niedriger Leistung abgeschalteten Abgasturbolader der

die

Teil der Abgasmenge der Brennkraftmaschine, der für die dauernd eingeschalteten Abgasturbolader benötigte Abgasmenge übersteigt, den abschaltbaren Abgasturboladern über eine stellbare Drosseleinrichtung zugeführt wird, daß die dabei

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geförderte Ladeluft einer Brennkammer zugeleitet wird, deren Abgase nach Zündung der Brennkammer zum weiteren Beschleunigen der abschaltbaren Abgasturbolader verwendet werden und daß nach Erreichen einer etwa gleichen Drehzahl für alle Abgasturbolader die Absperrungen zwischen der Brennkraftmaschine und den abschaltbaren Abgasturboladern aufgehoben und die Brennkammer abgeschaltet wird.

Durch das Beaufschlagen der abgeschalteten Abgasturbolader über eine stellbare Drossel kann die Abzweigung von Abgas zum Anfahren der Abgasturbolader so gesteuert werden, daß hierfür nur die Abgasübermenge verwendet wird. Diese Abgasübermenge würde bei weiterem Aufschalten der Leistung der Brennkraftmaschine ohne Zuschalten der abgeschalteten Abgasturbolader durch mangelndes Schluckvermögen der eingeschalteten Turbinen einen Rückstau der Abgase in die Zylinder der Brennkraftmaschine und damit eine negative Beeinträchtigung der Verbrennung hervorrufen.

Durch die Verwendung einer Brennkammer können die Abgasturbolader ohne Schwierigkeiten auf die Drehzahl der übrigen, dauernd eingeschalteten Abgasturbolader beschleunigt werden, ohne daß hierfür Abgasenergie der Brennkraftmaschine verwendet werden muß und ohne daß dadurch die Aufladung der Brennkraftmaschine beeinträchtigt wird. Dabei kann die Brennkammer einen einfachen Aufbau aufweisen, weil infolge der kurzen Einschaltdauer ihr Wirkungsgrad von untergeordneter Bedeutung ist.

Außerdem kann auch die Brennstoffzufuhr für die Brennkammer mit einem einfachen, lediglich die Zufuhr oder die Absperrung vornehmenden Ventil gesteuert werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungseinzelheiten sind in den Ansprüchen zwei bis vier vorgeschlagen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden am Beispiel einer Kolben-Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen

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und zwei im oberen Leistungsbereich parallel arbeitenden Abgasturboladern näher beschrieben:

In Fig. 1 sind die beiden Zylinderreihen 11 und 12 der Kolben-Brennkraftmaschine mit je einer Abgassammelleitung 13 bzw. 14 und mit je einer Ladeluftleitung 15 bzw. 16 versehen. Die beiden Abgassammelleitungen 13 und 14 sind untereinander durch eine Leitung 17 und außerdem mit je einer Turbine 21 bzw. 22 der beiden Abgasturbolader 23 bzw. 24 verbunden.

Von den Turbinen 21 und 22 werden in bekannter Weise Verdichter 25 bzw. 26 angetrieben. Die Verdichter 25 und 26 saugen die Ladeluft über Filter 27 bzw. 28 aus der Atmosphäre an und drücken sie über Ladeluftkühler 29 bzw. 30 in die Ladeluftleitungen 15 bzw. 16. Zwischen den Verdichtern 25 bzw. 26 und den Ladeluftkühlern 29 bzw. 30 ist ein Ladeluftverteilventil 31 angeordnet, das drei Schaltstellungen a, b und c aufweist.

Zwischen der Abgassammelleitung 14*und der abschaltbaren Turbine 22 befindet sich eine stellbare Drossel- und Absperreinrichtung 32. Hinter dieser Drossel- und Absperreinrichtung mündet eine Verbindungsleitung 33 zwischen Ladeluftverteilventil 31 und Abgasleitung vor der Turbine 22. In dieser Verbindungsleitung ist eine Brennkammer 34 angeordnet.

Bei Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren bis mittleren Leistungsbereich weist das Ladeluftverteilventil 31 die Stellung a auf. Die Drossel- und Absperreinrichtung 32 sperrt den Abgaszustrom für die Turbine 22. Dadurch steht der Abgasturbolader 24 still.

Die gesamten anfallenden Abgase werden der Turbine 21 des Abgasturboladers 23 zugeleitet, der damit in die Lage versetzt wird, in bekannter Weise bis zum mittleren Leistungsbereich eine zufriedenstellende Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft durchzuführen. Die vom Verdichter

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geförderte Ladeluft gelangt dementsprechend über das Lade-1uftverteilventil 31 in beide Ladeluftleitungen 15 und

Bei einer Leistungssteigerung über den mittleren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine hinaus wird das maximale Schluckvermögen der Turbine 21 in bezug auf die Abgasmenge erreicht. Ein dadurch bedingter Rückstau der Abgase in die Zylinder der Brennkraftmaschine wird durch entsprechendes Öffnen der stellbaren Drossel- und Absperreinrichtung 32 vermieden. Dieses Öffnen kann in Abhängigkeit des Druckes in der AbgasSammelleitung 14 selbsttätig erfolgen. Nach Anlauf des Abgasturboladers 24 wird das Ladeluftverteilventil 31 in die Stellung b verschoben und dadurch die von dem anlaufenden Abgasturbolader 24 geförderte Ladeluft in die Brennkammer 3*± geleitet. Nach Zündung der Brennkammer dienen ihre Abgase zum weiteren Beschleunigen des Abgasturboladers 24.

Nachdem die Drehzahl des Abgasturboladers 24 die Drehzahl des dauernd eingeschalteten Abgasturboladers 23 erreicht hat, wird das Ladeluitverteilventil 31 in Stellung c verschoben, die Drossel- und Absperreinrichtung 32 voll geöffnet und gleichzeitig die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 34 abgesperrt. Beide Abgasturbolader 23 und 24 versorgen damit gemeinsam die Zylinder der Brennkraftmaschine.

Die Brennkammer 34 kann jedoch auch zur Unterstützung des Beschleunigungsvorganges der Brennkraftmaschine bis zum Erreichen der maximalen Drehzahl und der maximalen Kraftstoffmenge eingeschaltet bleiben. Dabei kann die Drossel- und Absperreinrichtüng 32 die Verteilung der Abgasmengen von Brennkraftmaschine und Brennkammer auf die beiden Abgasturbolader vornehmen. Außerdem ist, wie in Fig. 2 dargestellt, eine weitere Stellung b¹ des Ladeluftverteilventils notwendig, in der die gelieferte Ladeluft beider Verdichter auf die zwei Zylinderreihen und auf die Brennkammer mit Hilfe einer Drossel 35 verteilt wird.

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Beim Übergang von Vollast- auf Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine wird die Drossel- und Absperreinrichtung 32 geschlossen und damit der Abgasturbolader 24 stillgesetzt. Gleichzeitig nimmt das Ladeluftverteilventil 31 die Schaltstellung a ein. Damit werden wieder beide Zylinderreihen der Brennkraftmaschine von dem Abgasturbolader 23 mit Ladeluft versorgt.

Sowohl das Verstellen des Ladeluftverteilventils 31 als auch das Zünden der Brennkammer 34 oder auch die Betätigung der stellbaren Drossel- und Absperreinrichtung 32 können in nicht dargestellter, bekannter Weise in Abhängigkeit einer Kenngröße für die Leistung der Brennkraftmaschine, z. B. Ladedruck, ¥eg der Regelstange, Drehzahl von Brennkraftmaschine oder Abgasturbolader usw., vorgenommen werden.

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Claims

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
FRIEDRICHSHAFEN GMBH

Friedrichshafen

Patentansprüche

Kolben-Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei Abgasturbolader, die beim Betrieb der Brennkraftmaschine im oberen Leistungsbereich parallelgeschaltet die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Ladeluft versorgen, und von denen beim Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren bis mittleren Leistungsbereich mindestens einer durch Absperrung der Abgaszuleitung und der Ladeluftableitung abgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zuschalten dieser Abgasturbolader (24) der Teil der Abgasmenge der Brennkraftmaschine, der die für die dauernd eingeschalteten Abgasturbolader (23) benötigte Abgasmenge übersteigt, den abschaltbaren Abgasturboladern über eine stellbare Drosseleinrichtung (32) zugeführt wird, daß die dabei geförderte Ladeluft einer Brennkammer (34) zugeleitet wird, deren Abgase nach Zündung der Brennkammer zum weiteren Beschleunigen der abschaltbaren Abgasturbolader (24) verwendet werden und daß nach Erreichen einer etwa gleichen Drehzahl für alle Abgasturbolader die Absperrungen zwischen der Brennkraftmaschine und den abschaltbaren Abgasturboladern aufgehoben und die Brennkammer abgeschaltet wird.

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2. Brennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (34) zur Unterstützung des Beschleunigungsvorganges der Brennkraftmaschine bis zum Erreichen der maximalen Drehzahl und der maximalen Kraftstoffmenge eingeschaltet bleibt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stellbare Drosseleinrichtung (32) zugleich als Absperrorgan zum Abschalten der betreffenden Abgasturbolader ausgebildet ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stellbare Drosseleinrichtung (32) vom Druck in der Abgasleitung (14) vor der Drosseleinrichtung geregelt wird.

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