DE3032435A1

DE3032435A1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit abschaltbaren abgasturboladern

Info

Publication number: DE3032435A1
Application number: DE19803032435
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 7990 Friedrichshafen Deutschmann
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Deutschmann Herbert Dipl-Ing Dr 88048 Friedr
Priority date: 1980-08-28
Filing date: 1980-08-28
Publication date: 1982-03-04
Also published as: ES8302194A1; IT1142516B; FR2489412B1; CH653745A5; DE3032435C2; GB2082673B; ES503783A0; US4418536A; JPS5746029A; FR2489412A1; JPS5911730B2; GB2082673A; IT8148487A0

Description

MTU MOTOREN- UND TUBBINEN-UNION
FRIEDRICHSHAFEN GMBH

Friedrichshafen

Kolbenbrennkraftmaschine

mit abschaltbaren Abgasturboladern

Die Erfindung betrifft, eine Kolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Abgasturboladern, von denen bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ein oder mehrere Abgasturbolader abschaltbar sind, mit einer Absperreinrichtung, z. B. Klappe, Ventil oder dgl. in der Abgasleitung und in der Saugleitung jedes abschaltbaren Abgasturboladers, wobei zum Zuschalten oder Absehalten des betreffenden Abgasturboladers die Abgasabsperreinrichtung willkürlich oder von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine gesteuert, geöffnet bzw. geschlossen wird.

Bei den Turbinen der Abgasturbolader ist der üblicherweise für den Vollastbetrieb mit der dabei anfallenden Abgasmenge ausgelegte freie Querschnitt zwischen den Turbinenschaufeln im Teillastbetrieb für die dabei verringerte Abgasmenge zu groß. Deshalb kann sich bei Teillast nur ein viel zu kleines Druckgefälle für die Turbinen ausbilden. Durch die Abschaltung eines oder mehrerer Abgasturbolader wird der Turbinenquerschnitt für die Abgase entsprechend verringert, und es kann sich ein höheres Druckgefälle für die eingeschalteten Turbinen mit einer entsprechend höheren Turbinenleistung einstellen. Darüber hinaus werden die Turbinen und die Verdichter der eingeschalteten Lader in der Nähe ihres Auslegungspunktes und deshalb mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben. Damit können sie einen höheren Ladedruck und eine höhere Luftmenge zur Aufladung zur Verfügung stellen. Durch

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den größeren Luftüberschuß wird der Verbrennungsalllauf verbessert, der Kraftstoffverbrauch gesenkt und ein rauchfreier Betrieb, auch bei Brennkraftmaschinen, die für einen hohen Mitteldruck ausgelegt sind, erzielt.

Es ist eine Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei der zum einfachen luftseitigen Zu- oder Abschalten des Abgasturboladers in der Saugleitung des Verdichters ein Rückschlagventil angeordnet ist, das beim Zuschalten durch den entstehenden Unterdruck in der Saugleitung des anlaufenden Verdichters geöffnet und beim Abschalten durch den Druck in der Ladeluftleitung wieder geschlossen wird.

Bei dieser Ausführung besteht jedoch beim Zuschalten die Gefahr, daß bei einem schwergängigen oder klemmenden Rückschlagventil eine Belastung der Turbine durch den Verdichter nicht einsetzt, weil eine Luftförderung durch das sich nicht öffnende Rückschlagventil unterbleibt. Dabei kann der Abgasturbolader durch Überdrehzahl zerstört werden.

Außerdem ist nachteilig, daß die Drehzahl des zuzuschaltenden Abgasturboladers vorübergehend einen höheren Wert als die gerade vorhandene Betriebsdrehzahl der laufenden Abgasturbolader annehmen kann. Diese kurzzeitige Überdrehzahl ist dadurch bedingt, daß beim Erreichen der Betriebsdrehzahl das Rückschlagventil infolge seiner Masse nicht schnell genug öffnet, so daß die durch die Luftförderung des Verdichters einsetzende Belastung der Turbine um eine geringe Zeitspanne verzögert wird, in der die Turbine weiter beschleunigt werden kann. Durch die dadurch bedingten Druckstöße in der Ladeluftleitung besteht die Gefahr der Schwingungserregung auch für die übrigen Abgasturbolader.

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung der bekannten Zuschalteinrichtung mit dem Ziel, die Gefahr einer Zerstörung des Abgasturboladers durch Überdrehzahl beim Zuschalten wegen blockiertem Ladeluftventil auszuschließen. Gleichzeitig soll

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die kurzzeitige Überdrehzahl beim Zuschalten, soweit wie es zur Vermeidung von Schwingungszuständen nötig ist, reduziert bzw. ganz vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wirkverbindung zwischen der Abgas- und der Ladeluftabsperreinrichtung, die beim Zuschalten des Abgasturboladers bei noch geschlossener Ladeluf tabsperreinrichtung ein Öffnen der Abgasabsperreinrichtung nur bis zu einer Zwischenstellung zuläßt, bei der die Drehzahl des nicht fördernden Turboladers auf zulässige Werte begrenzt wird, und die ein weiteres Öffnen der Abgasabsperreinrichtung nur zusammen mit oder nach dem Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung zuläßt.

Durch diese Maßnahmen wird der Abgasturbolader zunächst in einfacher Weise und ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand vor jeder schädlichen Überdrehzahl beim Zuschalten sicher geschützt, weil die Turbine bei nichtöffnender Ladeluftabsperreinrichtung und damit-bei fehlender Belastung nur mit einem gedrosselten Abgasstrom beaufschlagt wird und deshalb der Abgasturbolader nur eine begrenzte Drehzahl annehmen kann.

Auch die Beschleunigung der Drehzahl des Abgasturboladers wird durch die Drosselung des Abgasstromes herabgesetzt. Damit verringert sich die Drehzahlzunähme in der Zeit, in der sich die Ladeluftabsperreinrichtung öffnet, und damit auch die kurzzeitige Überdrehzahl beim Zuschalten.

Das Ausmaß des Abbaues der kurzzeitigen Überdrehzahl kann durch den Grad der Drosselung des Abgasstromes in der Zwischenstellung beeinflußt werden. Damit ist es möglich, auch die kurzzeitige Überdrehzahl beim Zuschalten ganz zu vermeiden, oder wenigstens soweit zu unterdrücken, daß schädliche Auswirkungen auf das Sehwingungsverhalten der Anlage ausgeschlossen sind.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der durch das sofortige vollständige Öffnen der Abgasabsperreinrichtung bisher bedingte Druckabfall im Abgassystem der Brenn-

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kraftmaschine mit der Gefahr einer Schwingungsauslösung durch die stufenweise Öffnung aufgeteilt und dadurch in seinen Auswirkungen wesentlich gemildert wird.

Um den Verlust von Ladeluft durch ein zu frühes Öffnen der Ladeluftabsperreinriehtung sicher zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß die Ladeluftabsperreinrichtung erst dann geöffnet werden kann, wenn durch die Saugwirkung des anlaufenden Turboladers der von den übrigen laufenden Turboladern herrührende Druck in der Ansaugleitung des anlaufenden Turboladers absinkt.

Zur selbsttätigen Anpassung der Verdichterleistung an die Turbinenleistung wird vorgeschlagen, daß die Wirkverbindung ein Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung durch die Saugwirkung des anlaufenden Abgasturboladers, unabhängig von der Stellung bzw. Öffnungsbewegung der Abgasabsperreinrichtung zuläßt. Dadurch kann sich die Ladeluftabsperreinrichtung gegenüber der Abgasabsperreinrichtung schneller öffnen, wenn der Abgasturbolader mit seiner augenblicklichen Drehzahl eine größere Luftmenge fördern kann. Außerdem wird eine vollständige Öffnung der Ladeluftabsperreinrichtung auch dann ermöglicht, wenn die Abgasabsperreinrichtung unvorhergesehen in einer nicht ganz geöffneten Stellung hängenbleibt, bei der der Abgasturbolader jedoch schon hohe Betriebsdrehzahlen annehmen kann.

Beim Abschalten wird einem Hängenbleiben der Ladeluftabsperreinrichtung in der geöffneten Stellung und dem damit verbundenen Ladeluftverlust der übrigen Abgaslader dadurch entgegengewirkt, daß die Wirkverbindung beim Schließen der Abgasabsperreinrichtung zum Abschalten des Abgasturboladers die Ladeluftabsperreinrichtung in Schließrichtung bewegt.

Damit sich beim Abschalten die Ladeluftabsperreinrichtung je nach den Erfordernissen des Verdichters bewegen kann, wird vorgeschlagen, daß die Wirkverbindung ein Schließen der Lade-

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luftabsperreinrichtung bei absinkender Saugwirkung des auslaufenden Abgasturboladers durch die in der Saugleitung sich einstellende Rückströmung der Ladeluft der übrigen Abgasturbolader, unabhängig von der Stellung bzw. Schließbewegung der Äbgasabsperreinrichtung zuläßt. Dadurch wird zusätzlich sichergestellt, daß bei einem unvorhergesehenen Klemmen der Abgasabsperreinrichtung kurz vor der Schließstellung wenigstens die Ladeluftabsperreinriehtung ihre Schließstellung einnehmen kann, wodurch ein Verlust von Ladeluft vermieden wird. ;

Der Zuschaltvorgang wird besonders betriebssicher durch ein mechanisches Gestänge als Wirkverbindung zwischen den beiden Absperreinrichtungen, durch das bei Bewegung der Abgasabsperreinrichtung in Öffnungsrichtung, bei deren Zwischenstellung

15. durch Anlage eines Anschlages eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Absperreinrichtungen hergestellt wird. Durch diese Ausbildung der Wirkverbindung kann außerdem die für die Abgasabsperreinrichtung erforderliche Betätigungseinrichtung auch auf die Ladeluftabsperreinriehtung einwirken und dadurch deren Öffnungsvorgang unterstützen. Dieselbe Wirkung kann für den Abschaltvorgang erzielt werden durch einen zweiten Anschlag im mechanischen Gestänge, der bei Bewegung der Abgasabsperreinrichtung in Schließrichtung die Ladeluftabsperreinriehtung ebenfalls in Schließrichtung mitnimmt.

Die vorteilhafte Ausbildung eines solchen mechanischen Gestänges mit bei Ladeluft- und Abgasleitungen üblichen Bauteilen mit Zulassung einer Bewegung der Ladeluftabsperreinriehtung unabhängig von der Stellung der Abgasabsperreinrichtung beim Zu- und Absehalten ist im Anspruch 8 angegeben.

Eine einfache, mit geringem zusätzlichen Bauaufwand herzustellende Ausführung einer Zuschalteinrichtung, die dazuhin auf einfache Weise steuerbar ist, ergibt sich im Zusammenhang mit der Wirkverbindung durch eine Betätigungseinrichtung

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für beide Absperreinrichtungen, deren Weg in einer, der Zwischenstellung der Abgasabsperreinrichtung entsprechenden Stellung durch eine Verriegelung, durch eine Gegenkraft oder durch Abschaltung der Energiezufuhrjbegrenzt wird, die bei Absinken des Druckes im Saugrohr bzw. bei Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung aufgehoben wird.

Die einfache Darstellung einer solchen Gegenkraft ist dadurch gegeben, daß die Betätigungseinrichtung aus einem Druckmittelzylinder mit einem Kolben besteht, dem zum Öffnen der Abgasabsperreinrichtung Druckmittel mit begrenztem Druck zugeführt wird, und daß die durch den in der Saugleitung wirkenden Druck der Ladeluft der übrigen Abgasturbolader auf die geschlossene Ladeluftabsperreinrichtung ausgeübte Kraft als Gegenkraft über die Wirkverbindung auf den Kolben einwirkt und seinen Weg in der Zwischenstellung der Abgasabsperreinrichtung begrenzt.

Weiter wird vorgeschlagen, daß als Druckmittel für den Druckmittelzylinder die Ladeluft der Brennkraftmaschine verwendet wird. Durch diese Maßnahme wird nicht nur eine schon vorhandene Hilfsenergie für die Betätigung ausgenutzt, sondern die im Öffnungssinne auf die Ladeluftabsperreinriehtung einwirkende Kraft paßt sich automatisch der die Ladeluftabsperreinrichtung zuhaltenden Kraft an, so daß ein Öffnen tatsächlich erst dann erfolgen kann, wenn diese Kraft auf Grund der zunehmenden Laderdrehzahl abgesunken ist.

Ein sicheres Öffnen der Absperreinrichtungen ist durch die Aufbringung der Gegenkraft entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 12 und 13 oder durch die Anordnung einer Verriegelung entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 14, 15 und i6 gegeben. Hierbei können durch Auswahl der Kolbendurchmesser und der Drücke sehr hohe Betätigungskräfte ohne negative Beeinflussung der Punktion erzielt werden.

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Eine weitgehende Unabhängigkeit von den jeweiligen Einbauverhältnissen und von der, bei einer als mechanisches Gestänge ausgebildeten Wirkverbindung zu beachtenden Lage der Absperreinrichtungen wird erzielt durch eine pneumatische, hydraulisehe oder elektrische Wirkverbindung mit einem, mit der einen Ab sperreinrichtung verbundenen Geber und einem, mit der. anderen Absperreinrichtung verbundenen Aufnehmer, die eine gegenseitige Abhängigkeit zwischen der Bewegung der Ladeluftabsperreinrichtüng und der¹ Bewegung der Abgasabsperreinrichtung zwischen der Zwischenstellung und der Offenstellung bewirken.

Eine vorteilhafte Verbindung einer hydraulischen Wirkverbindung mit den hydraulisch oder gegebenenfalls pneumatisch betätigten Stellzylindern für die Absperreinrichtungen ist im Anspruch 18 beschrieben.

Zur Vermeidung von Schwingungszuständen und Strömungsverlusten wird weiterhin vorgeschlagen, daß beide Absperreinrichtungen nach dem Zuschalten des Abgasturboladers durch die ihre Öffnung bewirkenden. Kräfte in der Offenstellung festgehalten werden.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Ansteuerung der Betätigungseinrichtung für das Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung durch einen vom Druck in der Ladeluftleitung und in der Saugleitung des Verdichters des zuzuschaltenden Laders gesteuerten Schalter, der die Energie zum Öffnen der Ladeluftabsperreinrlchtung und zum restlichen Öffnen der Abgasabsperreinrichtung freigibt bzw. die Gegenkraft aufhebt, wenn die beiden Steuerdrücke einen vorbestimmten Druckunterschied aufweisen.

Unter Berücksichtigung der verschiedenen Einsatzgebiete einer Brennkraftmaschine:

a) konstante Drehzahl mit wechselnder Last bzw. Ladedruck, z. B. Generatorantrieb,

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b) wechselnde Drehzahl mit konstanter Last bzw. Ladedruck, z. B. Schiffsantrieb,

c) wechselnde Drehzahl mit wechselnder Last bzw. Ladedruck, z. B. Fahrzeugantrieb,

wird vorgeschlagen,' daß als Steuersignal für den Zeitpunkt des Zu- oder Abschaltens eines Turboladers je nach Anwendungsfall die Höhe des Ladeluftdruckes und/oder die Drehzahl der Kolbenbrennkraftmaschine dient.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 die Darstellung einer Kolbenbrennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern, von denen einer abschaltbar ist, mit den Absperreinrichtungen für Abgas und Ladeluft sowie die zwischen ihnen angeordnete Wirkverbindung,

Fig. 2 bis 4 eine ausführlichere Darstellung der Absperreinrichtungen mit mechanischer Wirkverbindung und Druckmittelstellzylinder in den Stellungen? vor dem Zuschalten (Fig. 2), in der Zwischenstellung der Abgasklappe (Fig. 3) und nach dem Zuschalten (Fig. 4),

Fig. 5 und 6 je eine erste Betätigungseinrichtung mit Druckmittel, der eine zweite Betätigungseinrichtung als Riegel oder Gegenkraft in der Zwischenstellung entgegenwirkt,

Fig. 7 und 8 je eine erste Betätigungseinrichtung für das Bewegen der Abgasabsperreinrichtung bis zur Zwischenstellung und eine zweite Betätigungseinrichtung für die Öffnung der Ladeluft- und die vollständige Öffnung der Abgasabsperreinrichtung,

Fig. 9 ein Beispiel mit hydraulischer Ausführung der Wirkverbindung.

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In der Fig. 1 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine 11 mit einem abschaltbaren Abgasturbolader 12 und mit einem dauernd eingeschalteten Abgasturbolader 13 dargestellt.

Turbinen 14 bzw. 15 der beiden Abgasturbolader werden von einer Abgassammelleitung 16 mit Abgas versorgt. Zwischen dieser Abgassammelleitung und der Turbine 14 des abschaltbaren Abgasturboladers 12 ist eine Abgasabsperreinrichtung 17 angeordnet.

Verdichter 18 bzw. 19 der beiden Abgasturbolader fördern in eine Ladeluftleitung 20 der Kolbenbrennkraftmaschine 11. In einer Saugleitung 21 des Verdichters 18 des abschaltbaren Abgas .-turbolader s 12 ist eine Ladeluftabsperreinrichtung 22 angeordnet.

Die Abgasabsperreinrichtung 17 weist neben der offenen und der geschlossenen Stellung noch eine durch eine Blende 25 angedeutete Zwischenstellung auf, in der sie nur teilweise geöffnet ist.

Die Abgasabsperreinrichtung 17 wird über eine Leitung 35 oder über eine Leitung 36 von einem Magnetventil 26 beeinflußt, das wiederum seine Steuerimpulse entweder von einem ladeluftdruckgesteuerten Schalter 27 oder von einem motor-.drehzahlgesteuerten Schalter 28 erhält.

Die Ladeluftabsperreinrichtung 22 wird über eine Leitung direkt von dem Druck in der Saugleitung 21 des Verdichters 18 des abschaltbaren Abgasturboladers 12 beaufschlagt.

Zwischen den beiden Absperreinrichtungen 17 und 22 besteht eine Wirkverbindung 23 in Form eines mechanischen Gestänges 30, 31 mit einem mit dem Gestänge 30 verbundenen ersten Anschlag 32 und einem zweiten Anschlag 33 und mit einem mit dem Gestänge 31 verbundenen Anschlagteil 34.

Wirkungsweise:

Im Teillastbetrieb wird die Kolbenbrennkraftmaschine 11 nur von dem dauernd eingeschalteten Abgasturbolader 13 aufgela-

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den. Der Druck in der Ladeluftleitung 20 und/oder die Maschinendrehzahl sind niedrig, so daß die Schalter 27 und 28 offen sind. Das Magnetventil 26 wird durch seine Feder in die dargestellte Stellung gedrückt. Dadurch ist die Abgasabsperreinrichtung 17 vom Ladedruck über Leitung 35 beaufschlagt, ebenfalls in ihrer dargestellten, geschlossenen Stellung. Der Druck in der Ladeluftleitung 20 wirkt auch durch den Verdichter 18 und über die Saugleitung 21 sowie über die Leitung 29 auf die Ladeluftabsperreinrichtung und hält diese ebenfalls geschlossen. Dadurch ist der Abgasturbolader 12 abgeschaltet, und die vom Abgasturbolader 13 geförderte Ladeluft kann nicht entweichen.

Bei Zunahme der Belastung der Brennkraftmaschine wird durch den Regler die Kraftstoffmenge erhöht. Dadurch erhöht sich die Abgasmenge, und die Turbine 15 des eingeschalteten Abgasturboladers 13 nähert sich der Grenze ihres Abgasschluckvermögens. Ein Maß hierfür ist die Höhe des Ladeluftdruckes, der ebenfalls ansteigt. Für das Zuschalten des Abgasturboladers 12 in Abhängigkeit des Ladeluftdruckes ist der ladeluftdruckgesteuerte Schalter 27 vorgesehen.

Je nach Einsatzfall der Brennkraftmaschine kann das Zuschalten des stillgesetzten Abgasturboladers 12 auch abhängig von einer Erhöhung der Maschinendrehzahl zweckmäßig sein. Hierfür eignet sich der motordrehzahlgesteuerte Schalter 28.

Bei Ansprechen eines der beiden Schalter 27 oder 28 wird das Magnetventil 26 in seine zweite Stellung gedruckt und die Abgasabsperreinrichtung 17 über die Leitung 36 vom Druck in der Ladeluftleitung beaufschlagt und dadurch in ihre Zwischenstellung verschoben. In dieser Zwischenstellung wird die weitere Öffnungsbewegung zunächst; gestoppt, weil der Anschlag 32 des mechanischen Gestänges 30 an dem Anschlagteil 34 des mechanischen Gestänges 31 zur Anlage kommt.

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Die Turbine 14 wird nun über die teilweise geöffnete Abgasal» sperr einrichtung (Blende 25) mit einem Abgasteilstrom beaufschlagt und beschleunigt den Abgasturbolader 12.

Durch den anlaufenden Verdichter 18 wird der Druck in der Saugleitung 21 und in der Leitung 29 abgesenkt, so daß der auf die Abgasabsperreinrichtung 17 über die Leitung 36 einwirkende Ladeluftdruck mit Hilfe der Wirkverbindung beide Absperreinrichtungen in ihre Offenstellungen drücken kann. Auf die Turbine wirkt jetzt der volle Abgasstrom ein. Gleichzeitig fordert der Verdichter Ladeluft, so daß die Turbine beiästet 1st. Der Zuschaltvorgang ist damit abgeschlossen. Im Bereich von mittlerer bis maximaler Belastung laden nun beide.Abgasturbolader- 12 und 13 die Brennkraftmaschine 11 gemeinsam auf.

Der Abschaltvorgang wird bei sinkender Belastung und/oder Maschinendrehzahl ebenfalls durch einen der beiden Schalter 27/28 ausgelöst. Das Magnetventil 26 gelangt in die gezeichnete Stellung und drückt die Abgasabsperreinrichtung 17 mit Hilfe des Ladeluftdruckes über die Leitung 35 wieder in die geschlossene Stellung, wobei die Ladeluftabsperreinriehtung 22 über das mechanische Gestänge 30, 31> den zweiten Anschlag 33 und den Anschlagteil J>k ebenfalls mitgezogen wird. Damit ist der Abschaltvorgang abgeschlossen.

in Fig. 2 bis 9 ist die Abgasabsperreinrichtung jeweils als Abgasklappe 40 und die Ladeluftabsperreinriehtung als Ladeluf tklappe 4i dargestellt. Die Klappen 40 und 41 sind auf drehbaren Wellen 42 bzw. 43 angeordnet und können durch Hebel 44 bzw. 45 betätigt werden.

In Fig. 2 bis 8 besteht die Wirkverbindung 23 jeweils aus einer Verbindungsstange 46, die am Hebel 44 angelenkt und mit dem Hebel 45 durch Anschläge 47, 48 und über einen Anschlagteil 49 verbunden ist_e Zwischen den beiden Anschlägen 47 und 48 kann sich die Ladeluftklappe 41 gegenüber der Abgasklappe 40 frei bewegen.

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In Fig. 2 bis 4 ist ein Zuschaltvorgang dargestellt mit einem Betatigungszylinder 50 und mit einem Kolben 51, der mit der Verbindungsstange 46 verbunden ist. Die Steuerung der Betätigungseinrichtung erfolgt in gleicher Weise wie in Fig. 1 mit Hilfe eines MagnetventiIes 52. Als Betätigungsdruck für den Zylinder 50 ist wiederum der Ladeluftdruck der Brennkraftmaschine vorgesehen, der auch durch den Verdichter des abgeschalteten Laders hindurch direkt auf die Lade luftklappe 41 wirkt und diese dadurch geschlossen halt.

Wirkungsweise:

Der Zuschaltvorgang wird durch Verschieben des Magnetventiles 52 in die in Fig. 2 dargestellte Stellung eingeleitet. Dadurch wirkt der Ladeluftdruck auf der einen Seite des Kolbens 51 und verschiebt diesen Kolben sowie die Abgasklappe in die in Fig. 3 dargestellte Zwischenstellung, in der der Anschlagteil 49 der Verbindungsstange 46 an dem Anschlag 47 des Hebels 45 der Ladeluftklappe 41 anstößt. Die Fläche des Kolbens 51 und der Ladeluftklappe 41 sowie das Hebelverhältnis, mit dem das Verbindungsgestänge über den Anschlag 47 und den Hebel 45 auf die Ladeluftklappe 41 einwirkt, sind so ausgelegt, daß in diesem Augenblick, also bei noch stehendem Abgasturbolader, ein Weiterverschieben des Kolbens 51 und damit ein Weiteröffnen der Abgasklappe 40 über die Zwischenstellung hinaus nicht möglich ist. Durch die teilweise Off- nung der Abgasklappe wird nun die Turbine mit einem Teilabgasstrom beaufschlagt, der den Abgasturbolader in dem Maße beschleunigen kann, daß ein Abbau des Ladeluftdruckes in der Saugleitung 21 stattfindet.

Erst nach Abbau des Druckes in der Saugleitung 21 durch den anlaufenden Verdichter ist die auf den Kolben 51 einwirkende Ladeluft in der Lage, den Kolben weiter zu verschieben und damit die Abgasklappe 40 in ihre ganz geöffnete Stellung zu bringen. Gleichzeitig wird auch die Ladeluftklappe 41 geöffnet (Fig. 4). Dabei ist die Ladeluftklappe 41 in der Lage,

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der Betätigungseinrichtung vorzueilen. Sie kann jedoch auch, wenn z. B. auf Grund einer großen Masse der Ladeluftklappe erforderlich, mit Hilfe der Betätigungseinrichtung zwangsweise schnell geöffnet werden.

Beide Klappen 40 und 41 werden durch die sie öffnende Kraft in der Offenstellung festgehalten.

Das Abschalten wird in gleicher Weise wie hei Fig. 1 beschrieben durch Umschalten des Magnetventiles 52 vorgenommen. Die Ladeluft drückt dadurch von der anderen Seite auf den Kolben 51» schließt zuerst die Abgasklappe 40 und nimmt dann die Ladeluftklappe 41 über den Anschlag 48 zwangsweise mit. Die Ladeluftklappe kann jedoch unabhängig von der Abgasklappe in die geschlossene Stellung voreilen.

In Fig. 5 ist der Kolben 58 eines ersten Druckmittelzylinders 6ö am Hebel 44 der Abgasklappe 40 angelenkt und bewegt die Klappen in der vorbeschriebenen Weise mit Hilfe der Wirkverbindung 23. In der Zwisehenstellurig der Abgasklappe 40 wird die Klappenbewegung durch den Kolben 59 eines zweiten Druckmittelzylinders 61 verriegelt. Der Zu- und AbschaItvorgang wird wiederum von einem Magnetventil 62 eingeleitet. Zusätzlich ist jedoch ein Schalter 63 angeordnet, der auf der einen Seite vom Druck 64 in der Ladeluftleitung und auf der anderen Seite von einer Feder und dem Druck 65 in der Saugleitung 21 des Verdichters beaufschlagt ist und der den Druck für den zweiten Druckmittelzylinder 61 steuert. In der dargestellten Zwischenstellung läuft der Abgasturbolader auf Grund der teilweise geöffneten Abgasklappe 40 gerade an. Nach Absinken des Druckes 65 in der Saugleitung 21 wird der Schalter 63 durch den Ladeluftdruck 64 in seine zweite Schaltstellung verschoten und der Zylinder 61 druckentlastet. Der Kolben 58 des Zylinders 60 vermag nun gleichzeitig die vollständige Öffnung der Abgasklappe 40 und die Öffnung der Ladeluftklappe 41 zu bewirken. Damit ist der Zuschaltvorgang abgeschlossen.

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Beim Abschalten wird das Magnetventil 62 in: seine zweite Stellung gebracht und dadurch der Zylinder 60 auf der anderen Kolbenseite beaufschlagt. Damit werden beide Klappen wieder in ihre geschlossene Stellung bewegt.

Fig. 6 zeigt eine in gleicher" Weise funktionierende Zuschalteinrichtung wie Fig. 5· Es sind lediglich die beiden Druckmittelzylinder 60, 61 zu einem Zylinder 69 mit zwei Kolben 70, vereinigt. Der Kolben 70 entspricht dem Kolben 58 des Zylinders 60, der Kolben 71 dem Kolben 59 des Zylinders 6l in Fig. 5. Die Verbindungsstange 46 der Wirkverbindung ist als mit dem Kolben 70 verbundene Kolbenstange ausgebildet. Der Kolben 71 weist einen Anschlag 72 auf. Die Klappen sind nicht dargestellt und nur durch ihre in Klammern angegebenen Bezugszeichen angedeutet. Die Einrichtungen sind ebenfalls in der Zwischenstellung vor dem Absinken des Druckes in der Saugleitung des Verdichters dargestellt.

Beim Zuschalten wird der Kolben 70 von der einen Seite (Raum 76) und der Kolben 71 von der anderen Seite (Raum 77) des Zylinders beaufschlagt. Da die wirksame Fläche 73 des Kolbens 71 größer ausgebildet ist als die wirksame Fläche des Kolbens 70, kommen beide Kolben in die in Fig. 6 dargestellte Lage nach Anliegen des Anschlages 72 des Kolbens 71 an dem Deckel 75 des Zylinders 69. Nach Absinken des Druckes in der Saugleitung wird durch den Schalter 63 der Kolben 71 entlastet und der Kolben 70 kann die vollständige Öffnung der Abgasklappe 40 mit der gleichzeitigen Öffnung der Ladeluftklappe 41 bewirken.

Zum Abschalten wird nur der Raum 78 zwischen den beiden Kolben 70, 71 beaufschlagt und die Räume 76 und 77 entlastet.

In Fig. 7 ist ein Zylinder 80 für die Öffnung der Abgasklappe 40 bis zu ihrer Zwischenstellung vorgesehen. Dabei wird auch der Kolben eines weiteren Zylinders 81 bewegt, der anschließend die restliche Öffnung der Abgasklappe 40 und, über die Wirkverbindung 23, auch die Öffnung der Ladeluft-

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klappe 41 bewirkt. Die Steuerung funktioniert in gleicher Weise wie bei Fig. 5 beschrieben mit Hilfe des Magnetventiles 62 und des ladeluftdruck- t»nd saugrohrdruekbetätigten Schalters 63.

Fig. 8 zeigt wiederum die Zusammenfassung der beiden Zylinder 80 und 81 der Fig. 7 zu einem Zylinder 82 mit einem Kolben 83, der in der Wirkung dem Kolben des Zylinders 80 und mit einem Kolben 84, der in der Wirkung dem Kolben des Zylinders 81 in Fig. 7 entspricht.

Die Verbin&ungsstange 46 ist, ähnlich wie in Fig. 6, als Kolbenstange des Kolbens 84 ausgebildet. Die Kolben sind ebenfalls in der Zwischenstellung dargestellt.

In Fig. 9 ist, wiederum in der Zwischenstellung, ein erster Druckmittelzylinder 90 mit einem ersten Kolben 91 und einem mit der nicht dargestellten Abgasklappe 40 verbundenen zweiten Kolben 92 und ein zweiter Druckmittelzylinder 93 mit einem mit der nicht dargestellten Ladeluftklappe 41 verbundenen Kolben 94 dargestellt. Die Wirkverbindung 23 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Druckmittelraum im Ladeluftklappenzylinder 93, einem zwischen den beiden Kolben 91 und 92 des Abgasklappenzylinders 90 angeordneten Druckmittelraum 98, einer die beiden Druckmittelräume verbindenden Leitung 97 und einem diese Räume und Leitung ausfüllenden Druckmittel.

Von dem Magnetventil 62 und dem Schalter 63 in der bei Fig. vorbeschriebenen Weise gesteuert, bewegt sich zunächst der Kolben 91 unter Mitnahme des Kolbens 92 und der Abgasklappe bis zu einem Anschlag 95· Dabei wird die Abgasklappe bis zu ihrer Zwischenstel^ng geöffnet. Nach Anlaufen des Ab- -gäe turbo Inders und Absinken des Druckes 65 im Saugrohr 21 wird der Schalter 63 durch den Ladeluftdruek 64 in seine zweite Schaltstellung gebracht und dadurch der Kolben 94 des Zylinders 93 mit Druckmittel beaufschlagt. Dadurch wird die Ladeluftklappe 41 geöffnet und gleichzeitig das Druck-

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mittel aus dem Raum 96 über die Leitung 97 in den Raum 98 des ersten Druckmittelzylinders 90 verdrängt. Dadurch kommt der Kolben 92 in seine andere Endlage und damit die Abgasklappe 40 in ihre ganz geöffnete Stellung. Damit ist der Zuschaltvorgang abgeschlossen.

Zum Abschalten wird das Magnetventil 62 in seine andere Stel? lung gesteuert und dadurch der Kolben 92 von der anderen Seite beaufschlagt. Durch den Kolben 92 und das Druckmittel in dem Raum 98 werden Kolben 91 und Kolben 94 in ihre Ausgangslage zurückgedrückt und damit Abgas- und Ladeluftklappe 40/41 wieder geschlossen. Damit ist der Abschaltvorgang beendet.

Ein Druckmittel-Vorratsbehälter 99 ergänzt das durch Undichtigkeiten verloren gegangene Druckmittel des Raumes 98 in der abgeschalteten Stellung.

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Claims

MTU MOTOREN-- UND TURBINEN-UNION
FRIEDRIGHSHAFEN GMBH

Friedrichshaien

Pate n^Firn β ρ r ü ehe

Kolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Abgasturboladern, von denen bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ein oder mehrere Abgasturbolader abschaltbar sind, mit einer Absperreinrichtung, z. B. Klappe, Ventil oder dgl. in der Abgasleitung und in der Saugleitung jedes abschaltbaren Abgasturboladers, wobei zum Zuschalten oder Abschalten des betreffenden Abgasturboladers die Abgasabsperreinrichtung willkürlich oder von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine gesteuert, geöffnet bzw. geschlossen wird, gekennzeichnet durch eine Wirkverbindung (23) zwischen der Abgas- und der Ladeluftabsperreinrichtung (17, 22; 40, 4i), die beim Zuschalten des Abgasturboladers (12) bei noch geschlossener Ladeluftabsperreinrichtung (22, kl) ein Öffnen der Abgasabsperreinrichtung (ϊ7, 40) nur bis zu einer Zwischenstellung zuläßt, bei der die Drehzahl des nicht fördernden Turboladers (12) auf zulässige Werte begrenzt wird, und die ein weiteres Öffnen der Abgasabsperreinrichtung (17» kO) nur zusammen mit oder nach dem Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung (22,; 41) zuläßt.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn·*· zeichnet, daß die Ladeluftabsperreinrichtung (22, 41) erst dann geöffnet werden kann, wenn durch die Saugwirkung des anlaufenden Turboladers (12) der von den übrigen laufenden Turboladern (13) herrührende Druck in der Ansaugleitung (21) des anlaufenden Turboladers (12) absinkt.

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3. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkverbindung (23) ein Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung (22, 4i) durch die Saugwirkung des anlaufenden Abgasturboladers (i2^ unabhängig von der Stellung bzw. Öffnungsbewegung der Abgasabsperreinrichtung (17, 40) zuläßt.

4. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkverbindung (23) beim Schließen der Abgasabsperreinrichtung (17, 40) zum Abschalten des Abgasturboladers (12) die Ladeluftabsperreinrichtung (22, 41) in Schließrichtung bewegt.

5. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkverbindung (23) ein Schließen der Ladeluftabsperreinrichtung bei absinkender Saugwirkung des auslaufenden Abgasturbo'laders (12) durch die in der Saugleitung (21) sich einstellende Rückströmung der Ladeluft der übrigen Abgasturbolader (13), unabhängig von der Stellung bzw. Schließbewegung der Abgasabsperreinrichtung (17, 40) zuläßt.

6. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein mechanisches Gestänge (30, 31) als Wirkverbindung (23) zwischen den beiden Absperreinrichtungen (17, 22; 40, 41), durch das bei Bewegung der Abgasabsperreinrichtung (17, 40) in Öffnungsrichtung, bei deren Zwischenstellung durch Anlage eines Anschlages (32) eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Absperreinrichtungen hergestellt wird.

7. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen zweiten Anschlag (33) im mechanischen Gestänge, der bei Bewegung der Abgasabsperreinrichtung (17, 40) in Schließrichtung die Ladeluftabsperreinrichtung (22, 41) ebenfalls in Schließrichtung mitnimmt (Fig. l).

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8. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 6 und ?, mit schwenkbaren Klappen als Absperreinrichtungen, die jede auf je einer drehbaren Welle angeordnet und durch mit der Welle verbundene Hebel betätigt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungsstange (46) an einem derHebel (44) angelenkt und mit dem anderen Hebel (45) durch je einen in jeder der beiden Bewegungsrichtungen wirkenden Anschlag (47, 48), zwischen denen sich die Ladeluftklappe (41) gegenüber der Abgasklappe (40) unabhängig bewegen kann, formschlüssig verbunden ist.

9. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Betätigungseinrichtung (50, 60) für beide Absperreinrichtungen (40, 4l), deren Weg in einer, der Zwischenstellung der Abgasabsperreinrichtung (40) entsprechenden Stellung durch eine Verriegelung (6l), durch eine Gegenkraft oder durch Abschaltung der Energiezufuhr begrenzt wird, die bei Absinken des Druckes im Saugrohr bzw. bei Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung aufgehoben wird.

10. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (50) aus einem Druckmittelzylinder mit einem Kolben (51) besteht, dem zum Öffnen der Abgasabsperreinrichtung (40) Druckmittel mit begrenztem Druck zugeführt wird, und daß die durch den in der Saugleitung (21) wirkenden Druck der Ladeluft der übrigen Abgasturbolader (13) auf die geschlossene Ladeluftabsperreinrichtung (41) ausgeübte Kraft als Gegenkraft über die Wirkverbindung (23) auf den Kolben (51) einwirkt und seinen Weg in der Zwischenstellung der Abgasabsperreinrichtung (40) begrenzt (Fig. 2 bis 4).

11. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckmittel für den Druckmittelzylinder (50) die Ladeluft der Brennkraftmaschine (ll) verwendet wird,

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12. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung aus einem Druckmittelzylinder (60) mit einem Kolben (58) besteht, und daß die Gegenkraft von einem weiteren Druckmlttelzylinder (6l), der dem ersten Druckmittelzylinder (6O) entgegenwirkt, aufgebracht wird (Fig. 5)·

13· Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung aus einem Druckmittelzylinder (69) mit zwei Kolben (70, 71) besteht, wovon der eine Kolben (70) bei.Zufuhr von Druckmittel der Öffnung der Absperreinrichtungen (40, 41) dient und der zweite Kolben (7l) bei Zufuhr von Druckmittel die Begrenzung des Weges des ersten Kolbens (70) entsprechend der Zwischenstellung der Abgasabsperreinrichtung (40) durch die von ihm auf den ersten Kolben (70) ausgeübte Gegenkraft bewirkt (Fig. 6).

14. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine erste Betätigungseinrichtung (80), die beim Zuschalten des Abgasturboladers (12) die Abgasabsperreinrichtung (40) zunächst in die Zwischenstellung bewegt, und durch eine zweite Betätigungseinrichtung (81), die mit Hilfe der Wirkverbindung (23) nach Absinken des Druckes in der Saugleitung (21) des Verdichters (18) sowohl die Öffnung der Ladeluftabsperreinrichtung (41) als auch die vollständige Öffnung der Abgasabsperreinrichtung (40) bewirkt.

15. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Betätigungseinrichtungen ein Druckmittelzylinder (80, 81) ist (Fig. 7).

16. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß beide Druckmittelzylinder (80, 81) zu einem Druckmittelzylinder (82) mit zwei Kolben (83, 84) zusammengefaßt sind, und daß der erste Kolben (83) bei Zufuhr von Druckmittel beim Zuschalten des Abgasturboladers (12) nur

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einen begrenzten HuTj unter Mitnahme auch des zweiten Kolbens (84) zum Öffnen der Abgasabsperreinrichtung (40) bis zur Zwischenstellung ausführen kann, und daß der zweite Kolben (84) bei Zufuhr von Druckmittel nach Absinken des Druckes in der Saugleitung (.21) mit dem Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung (4l) auch das weitere Öffnen der Abgasabsperreinrichtung (40) bewirkt (Fig. 8).

17. Koibenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5 und 9

bis 16, gekennzeichnet durch eine pneumatische, hydraulisehe oder elektrische Wirkverbindung (23) mit einem, mit der einen Absperreinrichtung verbundenen Geber und einem, mit der anderen Absperreinrichtung verbundenen Aufnehmer, die eine gegenseitige Abhängigkeit zwischen der Bewegung der Ladeluftabsperreinrichtung (41) und der Bewegung der Abgasabsperreinrichtung (40) zwischen der Zwischenstellung und der Offenstellung bewirken.

18. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 17, mit einer hydraulischen Kopplung als Wirkverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Druckmittelzylinder (90) mit zwei KoI- ben (91, 92) zur Betätigung der Abgasabsperreinrichtung

(40) und ein zweiter Druckmittelzylinder (93) zur Betätigung der Ladeluftabsperreinrichtung (41) angeordnet ist, und daß der erste Kolben (9i) des; ersten Zylinders (90) bei Zufuhr von Druckmittel zum Zuschalten des Abgasturboladers (12)nur einen begrenzten Hub ausführen kann, bei dem er den zweiten, mit der Abgasabsperreinrichtung (40) verbundenen Kolben (92) bis zu deren Zwischenstellung mitnimmt, und daß bei Zufuhr von Druckmittel zu dem Kolben (94) des zweiten Druckmittelzylinders (93) nach Absinken des Druckes in der Saugleitung (21) dieser die Ladeluftabsperreinrichtung (41) Öffnet und gleichzeitig ein Druckmittel verdrängt, das dem zweiten Kolben (92) des ersten Druckmittelzylinders (90) zugeführt wird, wodurch dieser die Abgasabsperreinrichtung (40) von der Zwischenstellung in die Offenstellung bewegt (Fig. 9).

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19. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß beide Absperreinrichtungen (40, 41) nach dem Zuschalten des Abgasturboladers (12)....dürfen die ihre Öffnung bewirkenden Kräfte in der Offenstellung festgehalten werden.

20. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 9 und 12 bis 19» gekennzeichnet durch einen vom Druck in der Ladeluftleitung (20) und in der Saugleitung (21) des Verdichters (18) des zuzuschaltenden Laders '(.12) gesteuerten Schalter (63), der die Energie zum Öffnen der Ladeluftabsperreinrichtung (41) und zum restlichen Öffnen der Abgasabsperreinrichtung (40) freigibt bzw. die Gegenkraft aufhebt, wenn die beiden Steuerdrücke (64, 65) einen vorbestimmten Druckunterschied aufweisen. ;

21. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuersignal für den Zeitpunkt des Zu- oder Abschaltens eines Turboladers (-12) je nach Anwendungsfall die Höhe des Ladeluftdruckes und/oder die Drehzahl der Kolbenbrennkraftmaschine (11) dient.

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