DE3101623C2 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Mehrere parallel arbeitende, einzeln zu- und abschaltbare Abgasturbolader bewirken bei Nennleistung gemeinsam die Aufladung der Brennkraftmaschine. Bei Teilleistung der Brennkraftmaschine ist jeweils eine dem augenblicklichen Abgasangebot entsprechende Anzahl Abgasturbolader eingeschaltet. Die stillgesetzten übrigen Abgasturbolader (24) werden bei wachsender Teilleistung nacheinander zugeschaltet und zur Erzielung eines störungsfreien Betriebes durch eine Vorrichtung (33), z.B. eine elektrische Drehfeldmaschine, mit den bereits laufenden Abgasturboladern (23) gekuppelt, sobald sich ihre Drehzahlen auf ein vorbestimmtes Maß angenähert haben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Mit der Erfindung wird bezweckt, den Betrieb von Brennkraftmaschinen und den ihr zugeordneten Abgasturboladern bei optimalen Bedingungen sicherzustellen.

Bei den mit Abgasturbo-Auflndung arbeitenden Brennkraftmaschinen ist die Drehzahl des zugehörigen Abgasturboladers der Motordrehzahl nicht unmittelbar zugeordnet. Die Drehzahl eines Abgasturbolader ergibt sich aus dem Gleichgewichtszustand zwischen der aus dem Abgasmassenstrom resultierenden Turbinenleistung und der für den Ladeluftmassenstrom erforderlichen Verdichterleistung. Es handelt sich um sogenannte freilaufende Abgasturbolader.

Nach DE-OS 29 11 727 ist eine Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei ein- oder zweistufige zu- und abschaltbare Abgasturbolader bekannt. Bei dieser Anlage hat sich gezeigt, daß von einem bestimmten Leistungsniveau der Brennkraftmaschine an beim Zuschalten eines weiteren Abgasturboladers, dessen Drehzahl sich nicht gleichmäßig der Drehzahl der bereits laufenden anderen Abgasturbolader nähert, um dann synchron mitzulaufen, sondern es kommt vielmehr zu einem Überschwingen der Drehzahl des zugeschalteten Abgasturboladers. Günstigenfalls klingen die Drehzahlpendelungen in einem gewissen Zeitraum in das von den anderen Abgasturboladern vorgegebene Drchzahlniveau aus.

In ungünstigen Fällen wird durch den zugeschalteten Abgasturbolader aber eine derartige Drehzahl-Unstabilität verursacht, daß die bereits laufenden Abgasturbolader ebenfalls zu großen Drchzahlpendelungen angeregt werden, ohne daß es zu einem Ausklingen der Pendelungen kommt. Diese Drehzahlpendclungen, deren Amplitude pro Sekunde 25 bis 30% der Nenndrehzahl erreichen können, sind erst durch das Absehallen des auslösenden Abgasturbolader wieder /u unterbinden.

Die auftretenden Überdrehzahlen und die raschen Drehzahlwechsel stellen für die Abgasturbolader aber eine ernsthafte Betriebsgefährdung dar, weil bei häufigem Auftreten eine rasche Materialermüdung erfolgt

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen störungsfreien Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mehreren freien zu- und abschaltbaren Abgasturboladern zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit dem kennzeichnenden Merkmal von Patentanspruch 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich mit dem Merkmal von Patentanspruch 2 bzw. 3.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß Materialermüdungen an den rotierenden Teilen der Abgasturbolader infolge von häufig auftretenden Überdrehzaiilen vermieden werden, und daß die durch die Drehzahlpendelungen des oder der Abgasturbolader verursachte zeitweise mangelhafte Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine unterbunden wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend näher beschrieDcn. Es zeigt

Fig. 1 Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern;

Fig. 2 Drehzahlverlauf der Abgasturbolader ohne Erfindungsanwendung;

F i g. 3 Drehzahlverlauf der Abgasturbolader mit Erfindungsanwendung.

Die beiden Zylinderreihen 11 und 12 einer Brennkraftmaschine sind mit je einer Abgassammelleitung 13 bzw. 14 und mit je einer Ladeluftleitung 15 bzw. 16 versehen. Die beiden Ladeluftleitungen 15 und 16 sind durch eine Leitung 17, die beiden Abgassamrnelleitungcn 13 und 14 durch eine Leitung 18 verbunden. Die Abgassammclleitungen führen zu je einer Abgasturbine 21 und 22 von zwei Abgaslurboladern 23 bzw. 24. Die Abgasturbinen treiben Verdichter 25 und 26 an. Diese saugen die Ladeluft über Ansaugluftfilter 27 bzw. 28 an und drücken sie über Ladcluftkühler 29 und 30 in die Ladcluftlei'ungen 15 bzw. 16.

Zwischen der Abgassammelleitung 14 und der Abgasturbine 22 ist eine stellbare Abgasklappe 31 angeordnet, mit der die Abgaszufuhr zur Abgasturbine 22 abgesperrt werden kann. In der Saugleitung 20 des Verdichters 26 ist ein Rückschlagventil 32 angeordnet, das in der Saugleitung 20 eine Luftströmung in Richtung Verdichter 26 zuläßt, eine entgegengesetzte Luftströmung jedoch verhindert. Dieses Rückschlagventil 32 kann z. B. als Rückschlagklappe ausgebildet sein und wird durch den Druck in der Saugleitung betätigt.

Beim Anlassen der Brennkraftmaschine und in allen Betriebsbereichen, in denen nur kleine Abgasmengen anfallen, z. B. im Leerlauf und Teillastbetrieb, ist die Abgasklappe 31 geschlossen und die Brennkraftmaschine wird nur mit dem Abgasturbolader 23 aufgeladen. Die vom Verdichter 25 gelieferte Ladeluft strömt in die Ladeluftleitungcn 15 und 16 und gelangt über den Ladeluftkühler 30 un die Beschaufelung des Verdichters 26 bo des Abgasturboladers 24 bis an das Rückschlagventil 32, das durch den Ladeluftdruck geschlossen wii\! und ein Entweichen der Ladeluft verhindert. Dadurch heirs^ht vor und hinter der Beschaufelung des Yerdn'iiUTs 2f> derselbe Druck.

b5 Wenn mit steigender Belastung und'oüer mn mcil-c"-der Drehzahl das Abgas-Angebot der Brennkrjliiinischinc größer wird und schließlich das Schliick\ennogen der Turbine 21 des Abgasturbolader 23 übersteigt.

31 Ol 623

nuß der zweite Abgasturbolader 24 zugeschaltet werien. Dies erfolgt in einfacher Weise durch öffnen der Abgasklappe 31. Die durch die Turbine 22 strömenden \bgase können in sehr kurzer Zeit den Abgasturbolader 24 beschleunigen, weil der Verdichter 26 noch keine Luft fördert und dementsprechend keine Förderarbeit aufzubringen ist. Erst wenn der Verdichter 26 auf Grund seiner Drehzahl in der Lage ist, einen höheren Druck als den gerade vorhandenen Ladedruck zu erzeugen, wird das Rückschlagventil 32 durch den Unterdruck in der Saugleitung 20 geöffnet und die Förderung von Luft setzt ein. Mit öffnen des Rückschlagventils 32 in der Saugleitung 20 wäre der Zuschaltvorgang an sich abgeschlossen. Es hat sich aber gezeigt, daß beim Zuschalten Drehzahl-Unstabilitäten in Form von Drehzahlpedelungen bei beiden freilaufenden Abgasturboladern 23, 24 auftreten. In günstigen Fällen sind die Drehzahlen nach wenigen Pendelungen synchron und die Brennkraftmaschine kann in gewohnter Weise mit beidpn Abgasturboladern in allen Betriebsbereichen mit großem Abgasanfall betrieben werden.

Bei einem ungünstigen Verlauf eines Zuschaltvorgangs hören die Pendelungen aber nicht auf. Der Drehzahlverlauf zweier Abgasturbolader für einen solchen ungünstigen Zuschaltvorgang ist in F i g. 2 dargestellt. Mit 34 ist der Drehzahlverlauf des Abgasturboladers 23 bezeichnet, der, wie vorstehend beschrieben, zunächst das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine erhielt. Zum Zeitpunkt 36 wird Abgasturbolader 24 durch öffnen der Abgasklappe 31 zugeschaltet. Seine Drehzahl 35 nimmt rasch zu, übersteigt jedoch die Drehzahl von Abgasturbolader 23. Dessen Drehzahl 34 fällt indessen etwas ab, da sich durch das Zuschalten des weiteren Abgasverbrauchers ein momentaner Abgasmangel ergibt. In weiterer Folge tritt bei beiden Abgaslurboladern 23, 24 ein Drehzahlpendeln ein, das erst ausklingt, wenn Abgasturbolader 24 durch Schließen der Abgasklappe 31 wieder abgeschaltet wird.

Ein sicheres Synchronisieren der Drehzahl des zugeschalteten Abgasturboladers 24 mit der des bereits laufenden wird durch eine Vorrichtung 33 erreicht, mit der die Läufer der beiden Abgasturbolader 23,24 kuppelbar sind. Bei fluchtenden Läuferachsen besteht die Vorrichtung 33 beispielsweise aus einem Freilauf oder einer anderen schaltbaren mechanischen Verbindung. Sind die Abgasturbolader 23, 24 voneinander räumlich getrennt an der Brennkraftmaschine angeordnet, so kann die Vorrichtung 33 aus Kurzschlußläufer und Ständerpaket mit Wicklung einer elektrischen Drehfeldmaschine bestehen. Dabei ist dann an der Welle jedes Abgasturboladers ein Läufer einer elektrischen Drehfeldmaschine angeordnet und die Wicklungen der zugehörigen Ständerpakete stehen untereinander in lekrnder Verbindung.

Der Drehzahlverlauf zweier Abgasturbolader, wie er sich mit Einbau der Vorrichtung 33 ergibt, ist in F i g. 3 dargestellt. Die zunächst mit zunehmender Abgasproduktion der Brennkraftmaschine ansteigende Drehzahl 34 von Abgasturbolader 23 geht mit Zuschalten von Abgasturbolader 24 im Zeitpunkt 36 etwas zurück. Zum Zeitpunkt 37, an dem sich die beiden Drehzahlkurven schneiden, wird die Vorrichtung 33 automatisch oder gesteuert wirksam und verhindert die Ausbildung von Drehzahlpcndelungen. Vom Zeitpunkt 37 an verlaufen beide Drehzahlen synchron.

Eine von außen steuerbare Vorrichtung 33. z. B. eine füll- und entleerbare hydrodynamische Kupplung, müßie nur für den relativ kurzen Zeitraum vorn Zuschalten des Abgasiurboladers 24 bis zum Erreichen einer dem Abgasangebot der Brennkraftmaschine entsprechenden Beharrungsdrehzahl aktiviert sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

31 Ol 623 Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mehrere parallel geschaltete, einzeln zu- und abschaltbare Abgasturbolader, die zusammen für den Abgas- und Luftmassendurchsatz der Brennkraftmaschine bei Nennleistung ausgelegt sind, wobei bei Teilleistung der Brennkraftmaschine eine dem augenblicklichen Abgasangebot entsprechende Anzahl Abgasturbolader eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der bei wachsender Teilleistung zugeschaltete Abgasturbolader (24) mit den bereits !aufenden Abgasturboladern (23) durch eine Vorrichtung (33) gekuppelt wird, sobald sich ihre Drehzahlen auf ein vorbestimmtts Maß angenähert haben.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Abgasturbolader (23, 24) eine elektrische Drehfeldmaschine angeordnet ist. deren Läufer mit der Welle des Abgasturboladers verbunden ist, und daß die Wicklungen der Ständerpakete aller elektrischer Drehfeldmaschinen untereinander in leitender Verbindung stehen.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbolader (23, 24) durch Freiläufe gekuppelt sind.