DE3521149A1

DE3521149A1 - Internal combustion engine with at least two exhaust turbochargers

Info

Publication number: DE3521149A1
Application number: DE19853521149
Authority: DE
Inventors: Richard van Dipl.-Ing. 7100 Biberach Basshuysen; Otto Dipl.-Ing. 7107 Nordheim Stulle
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1985-06-13
Publication date: 1986-12-18
Also published as: DE3521149C2

Abstract

Published without abstract.

Description

Brennkraftmaschine mit mindestens zwei AbgasturboladernInternal combustion engine with at least two exhaust gas turbochargers

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an internal combustion engine with Charging by at least two exhaust gas turbochargers according to the preamble of claim 1.

Bei bekannten Brennkraftmaschinen dieser Art (DE-OS 28 55 551) ist in der Zuströmleitung der Turbine des abschaltbaren Abgasturboladers eine einstellbare Drosseleinrichtung vorgesehen, die im unteren und mittleren Leistungsbereich der Brennraf tmaschi ne ganz oder teilweise geschlossen ist, sodaß der gesamte Abgasvolumenstrom der Turbine des ersten, dauernd eingeschalteten Abgasturboladers zugeführt wird, der dadurch mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben und einen höheren Ladedruck und eine größere Luftmenge zur Aufladung zur Verfügung stellen kann. Probleme entstehen jedoch dadurch, daß die einstellbare Drosseleinrichtung von den heißen Abgasen beaufschlagt wird und dadurch in ihrer Betriebssicherheit beeinträchtigt ist. Außerdem ist ein eigener Regelkreis für die Drosseleinrichtung erforderlich.In known internal combustion engines of this type (DE-OS 28 55 551) is in the inflow line of the turbine of the disconnectable An adjustable throttle device is provided for the exhaust gas turbocharger, in the lower and middle The power range of the burner machine in whole or in part is closed, so that the entire exhaust gas volume flow of the turbine of the first, continuously switched on Exhaust gas turbocharger is supplied, which is operated with a better efficiency and a higher boost pressure and can provide a larger amount of air for charging. However, problems arise because that the adjustable throttle device is acted upon by the hot exhaust gases and thereby in its operational reliability is impaired. In addition, a separate control loop is required for the throttle device.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine der angegebenen Art das Zu- und Abschalten des anderen Abgasturboladers bzw. der anderen Abgasturbolader selbsttätig und ohne Zuhilfenahme von mechanisch bewegten Klappen oder dergleichen im Abgasstr-ang zu erreichen.The invention is based on the object in an internal combustion engine the specified type of switching on and off the other exhaust gas turbocharger or the other exhaust gas turbocharger automatically and without the aid of mechanically operated flaps or the like in the exhaust system to reach.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characteristics of claim 1 specified features solved.

In der praktischen Ausführung der Erfindung ist in der Abgasleitung hinter der ersten Turbine ein Strömungswiderstand vorgesehen, und die Zuströmleitung(en) zuIn the practical embodiment of the invention, there is a flow resistance in the exhaust line behind the first turbine provided, and the inflow line (s) closed

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der anderen Turbine bzw. zu den anderen Turbinen zweigt bzw. zweigen seitlich von der zur ersten Turbine führenden Zuströmleitung ab. Dadurch wird erreicht, daß zunächst, d.h. im unteren und mittleren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine, im wesentlichen der gesamte Abgasvolumenstrom auf die erste Turbine auftrifft und diese durch seine kinetische Energie nach Art einer Stoßaufladung antreibt, während die Turbine(n) des bzw. der anderen Abgasturbolader praktisch nicht beaufschlagt wird bzw. werden. Mit zunehmender Leistung und entsprechend wachsendem Abgasvolumenstrom steigt aufgrund des Strömungswiderstandes in der Auspuffleitung hinter der ersten Turbine der Druck vor der ersten Turbine derart an, daß die ursprüngliche Stoßaufladung zur Stauaufladung wird und nun auch ein Abgasstrom zu der Turbine bzw. den Turbinen des bzw. der anderen Abgasturbolader strömt und diese hochdrehen läßt.the other turbine or to the other turbines branches or branches laterally from the one leading to the first turbine Inflow line from. This ensures that initially, i.e. in the lower and medium performance range of the internal combustion engine, essentially the entire exhaust gas volume flow hits the first turbine and this due to its kinetic energy in the manner of a surge charge drives, while the turbine (s) of the other exhaust gas turbocharger (s) is practically not acted upon or become. With increasing power and a correspondingly increasing exhaust gas volume flow, the flow resistance increases in the exhaust line behind the first turbine, the pressure upstream of the first turbine in such a way that the original burst charge becomes a jam charge and now an exhaust gas stream also flows to the turbine or turbines of the other exhaust gas turbocharger or turbochargers and lets them turn up.

Der Strömungswiderstand in der Abgasleitung hinter der ersten Turbine kann durch eine gegebenenfalls regelbare Blende, aber auch durch einen Abgaskatalysator oder einen Auspuff schal !dämpfer dargestellt werden.The flow resistance in the exhaust pipe behind the first turbine can optionally be controlled by a Orifice, but also by a catalytic converter or an exhaust silencer.

Die Zuströmleitung( en) zu der anderen Turbine bzw. den anderen Turbinen kann bzw. können entgegen der Strömungsrichtung der Abgase in der zur ersten Turbine führenden Zuströmleitung von dieser abzweigen, sodaß im unteren und mittleren Leistungsbereich ein Abzweigen von Abgasen zu der anderen Turbine oder den anderen Turbinen wirksam verhindert ist und praktisch der gesamte Abgasvolumenstrom nur der ersten Turbine zugeführt wird, bis der Abgasdruck vor der ersten Turbine einen bestimmten Wert erreicht hat.The inflow line (s) to the other turbine or the other turbines can or can counter to the flow direction of the exhaust gases in the leading to the first turbine Branch off the inflow line from this so that exhaust gases branch off in the lower and middle power range the other turbine or the other turbines is effectively prevented and practically the entire exhaust gas volume flow is only supplied to the first turbine until the exhaust gas pressure upstream of the first turbine has reached a certain value.

Um bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine im unteren und mittleren Leistungsbereich eine besonders wirksameTo with a multi-cylinder internal combustion engine in the lower and medium power range a particularly effective one

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Stoßaufladung der ersten Turbine zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Auspuff leitungen der einzelnen Zylinder erst nahe des Eintritts der ersten Turbine zusammenzuführen, sodaß die Abgase aus den einzelnen Zylindern nacheinander stoßweise auf die erste Turbine auftreffen. Die Zustrom! ei tung( en) der anderen Turbine(n) zweigt bzw. zweigen dabei nahe der Ver ei ni gungsstelle der Auspuffleitungen ab. Zur Erhöhung der kinetischen Energie der Abgase können sich die Aus puff leitungen an der VereinigungsstelIe düsenartig verengen.It is to achieve impulse charging of the first turbine expedient, the exhaust lines of the individual cylinders to merge only near the entrance of the first turbine, so that the exhaust gases from the individual cylinders one after the other hit the first turbine intermittently. The influx! ei tion (s) of the other turbine (s) branches or branch near the junction of the exhaust lines away. To increase the kinetic energy of the Exhaust gases can enter the exhaust pipes at the point of connection narrow like a nozzle.

Die Saugseite der Verdichter der abschaltbaren Abgasturbolader kann zunächst beispielsweise durch eine Rückschlagklappe geschlossen sein, die bei hochdrehendem Verdichter durch den auf der Rückseite der Klappe entstehenden Unterdruck geöffnet wird. Dadurch wird vermieden, daß die von dem Verdichter des dauernd eingeschalteten Abgasturboladers geförderte Luft zum Teil durch den oder die Verdichter des bzw. der abgeschalteten Abgasturbolader abströmen kann. Alternativ kann anstelle einer derartigen Rückschlagklappe auch eine in Abhängigkeit von der Drehzahl des betreffenden Laders und/oder vom Ladedruck gesteuerte Klappe vorgesehen werden.The suction side of the compressor of the exhaust gas turbocharger that can be switched off can initially be closed, for example, by a non-return flap, which is opened when the compressor is revving up by the negative pressure generated on the back of the flap. This prevents the air conveyed by the compressor of the continuously switched-on exhaust gas turbocharger from being able to flow off partly through the compressor or compressors of the switched-off exhaust gas turbocharger (s). Alternatively, instead of such a non-return flap, a flap controlled as a function of the speed of the relevant supercharger and / or of the boost pressure can also be provided.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:An embodiment of the invention is described below described with reference to the drawings. It shows:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern in schemati scher Darstellung, und1 shows an internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers in schematic representation, and

Fig. 2 einen Schnitt einer Abgasleitung der in Fig. 1 dargestel Iten Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit angeschlossenen Abgasturboladern.FIG. 2 shows a section of an exhaust pipe of the multi-cylinder internal combustion engine shown in FIG. 1 with connected exhaust gas turbochargers.

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In Fig. 1 ist eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern 2 und 3 dargestellt, deren Verdichter 4 und 5 auf der Saugseite jeweils mit einer Frischluftleitung 6 bzw, 7 und auf der Druckseite über jeweils eine Leitung 8 bzw. 9 mit dem Sammel saugrohr 10 der Brennkraftmaschine 1 in Verbindung steht. Mit 11a bis lld sind die Abgas leitungen der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 1 bezeichnet» die nahe dem Einlaß 12 der Turbine 13 des ersten Abgasturboladers 2 in einem Rohrstück 14 zusammengeführt sind. An den Auslaß 15 der Turbine 13 schließt sich ein Auspuffrohr 16 an, in dem ein Abgaskatalysator 17 angeordnet ist. Nahe der Vereinigungsstelle der Abgas leitungen 11a - lld zweigt von dem Rohrstück 14 eine Leitung 18 ab, die zum Einlaß 19 der Turbine 20 des zweiten Abgasturboladers 3 führt. An den Auslaß 21 der Turbine 20 schließt sich ein Auspuffrohr 22 an.In Fig. 1, a four-cylinder internal combustion engine is with two exhaust gas turbochargers 2 and 3 shown, their compressors 4 and 5 each with a fresh air line 6 and 7 on the suction side and over on the pressure side a line 8 or 9 with the collecting suction pipe 10 the internal combustion engine 1 is in communication. With 11a to lld are the exhaust lines of the individual cylinders of the Internal combustion engine 1 denotes “the one near the inlet 12 of the turbine 13 of the first exhaust gas turbocharger 2 are brought together in a pipe section 14. At the outlet 15 of the Turbine 13 connects to an exhaust pipe 16 in which a catalytic converter 17 is arranged. Close to the unification office the exhaust lines 11a-lld branches off from the pipe section 14, a line 18 which leads to the inlet 19 the turbine 20 of the second exhaust gas turbocharger 3 leads. At the outlet 21 of the turbine 20 closes an exhaust pipe 22 at.

In Fig. 2 ist im Teilschnitt der Zylinderkopf 23 der Brennkraftmaschine 1 dargestellt mit einem Auslaßkanal 24, an den beispielsweise die Abgasleitung 11b anschließt. Die Abgasleitung 11b endet in dem Rohrstück 14, in das auch die anderen Abgasleitungen, von denen nur die Mündung der Abgasleitung lic sichtbar ist, einmünden. Im Bereich der Mündungen sind die Abgasleitungen lla - lld, wie aus Fig. 1 ersichtlich, düsenartig verjüngt. Auch das Rohrstück 14 ist zum Eintritt 12 der Turbine 13 hin verjüngt, wie in Fig. 2 dargestellt. Die zur Turbine 20 des zweiten Abgasturboladers 2 führenden Leitung 18 geht von dem Rohrstück 14 nahe der Ver ei ni gungsst eile der Abgasleitungen lla - lld aus. Die Mündung dieser LeitungIn Fig. 2, the cylinder head 23 of the internal combustion engine 1 is shown in partial section with an exhaust port 24, to which, for example, the exhaust pipe 11b connects. The exhaust pipe 11b ends in the pipe section 14 into which the other exhaust pipes, of which only the mouth of the exhaust pipe lic is visible, also open. in the The area of the mouths are the exhaust pipes lla - lld, as can be seen from Fig. 1, tapered like a nozzle. The pipe section 14 is also towards the inlet 12 of the turbine 13 tapers, as shown in FIG. The line 18 leading to the turbine 20 of the second exhaust gas turbocharger 2 goes from the pipe section 14 near the verging parts of the exhaust lines lla-lld. The mouth of this line

18 ist mit 18a bezeichnet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, zweigt die Leitung 18 entgegen der durch den Pfeil 25 veranschaulichten Strömungsrichtung der Abgase in den Abgasleitungen lla - lld und im Rohrstück 14 ab.18 is denoted by 18a. As can be seen from FIG. 2, the line 18 branches against that indicated by the arrow 25 illustrated flow direction of the exhaust gases in the Exhaust pipes lla - lld and in the pipe section 14 from.

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Die Wirkungsweise der dargestellten Anlage ist folgende:The mode of operation of the system shown is as follows:

Im unteren und mittleren Leistungsber.eich der Brennkraftmaschine 1 wird zunächst nur die Turbine 13 des ersten Abgasturboladers 2 von den Abgasen der einzelnen Zylinder in Form einer Stoßaufladung beaufschlagt, da die Zuströmleitung 18 zur Turbine 20 des zweiten Abgasturboladers 2 im Strahlschatten der durch die Abgas leitungen lla - lld und das Rohrstück 14 strömenden Abgase liegt. Mit wachsendem Abgasvolumenstrom bewirkt der durch den Abgaskatalysator 17 in der Auspuffleitung 18 der Turbine 13 dargestellte Strömungswiderstand, daß der Druck vor der Turbine 13 ansteigt, so daß die ursprüngliche Stoßaufladung zur Stauaufladung wird. Mit steigendem Druck vor der Turbine 13 fließt ein immer größerer Volumenstrom durch die Leitung 18 und läßt die Turbine 20 des zweiten Turboladers 3 hochdrehen, sodaß dessen Verdichter 5 ebenfalls Ladeluft durch die Leitung 9 der Brennkraftmaschine 1 fördert. In der Saugleitung 7 des Verdichters 5 ist ein Absperrorgan 26 vorgesehen, das erst dann geöffnet ist, wenn der Abgasturbolader 3 eine bestimmte Drehzahl erreicht hat. Dadurch wird verhindert, daß in dem Betriebsbereich, in dem nur der erste Abgasturbolader 2 arbeitet, die von diesem geförderte Ladeluft zum Teil durch die Leitung 9, den Verdichter 5 und dessen Saugleitung 7 abströmen kann. Die Absperrvorrichtung 25 kann eine einfache Rückschlagklappe sein, sie kann jedoch auch von der Drehzahl des zweiten Abgasturboladers 3 und/oder vom Ladedruck in der Leitung 9 gesteuert werden.In the lower and middle power range of the internal combustion engine 1, initially only the turbine 13 of the first Exhaust gas turbocharger 2 from the exhaust gases of the individual cylinders acted upon in the form of a surge charge, as the inflow line 18 to the turbine 20 of the second exhaust gas turbocharger 2 in the jet shadow of the lines lla - lld through the exhaust gas lines and the pipe section 14 is flowing exhaust gases. As the exhaust gas volume flow increases, this is caused by the catalytic converter 17 shown in the exhaust line 18 of the turbine 13 Flow resistance, that the pressure rises in front of the turbine 13, so that the original impulse charging becomes congestion charging. With increasing pressure forward the turbine 13 flows an ever larger volume flow through the line 18 and leaves the turbine 20 of the second Turn up the turbocharger 3 so that its compressor 5 also has charge air through the line 9 of the internal combustion engine 1 promotes. In the suction line 7 of the compressor 5 is a Shut-off element 26 is provided, which is only opened when the exhaust gas turbocharger 3 reaches a certain speed Has. This prevents that in the operating range in which only the first exhaust gas turbocharger 2 operates, the charge air promoted by this partly through the Line 9, the compressor 5 and its suction line 7 can flow off. The shut-off device 25 can be a simple one Be non-return valve, but it can also depend on the speed of the second exhaust gas turbocharger 3 and / or can be controlled by the boost pressure in line 9.

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Claims

3521U9

299 / SS

AUDI AG, 8070-ITi go Is ta dt

Internal combustion engine with at least two exhaust gas turbochargers

Claims

Internal combustion engine with supercharging by at least two exhaust gas turbochargers with turbines connected in parallel, of those in the lower to medium power range essentially only one (first) turbine and in the higher one Power range, the other turbine (s) is or will be charged with exhaust gas, characterized in that up to the medium power range only the first Turbine (13) essentially from the entire exhaust gas volume flow in the form of a surge charge and in the higher power range all the turbines (13, 20) in the form a back-up charge of exhaust gas can be applied.

2. Internal combustion engine according to claim l _t, characterized in that a flow resistance (17) is provided in the exhaust line (16) behind the first turbine and that the inflow line (s) (18) to the other turbine (20) or to the other Turbines branch off or branch off to the side of the inflow line (14) leading to the first turbine (13).

3. Internal combustion engine according to claim 2, characterized in that that the inflow line (s) (18) to the other turbine (20) or the other turbines against the flow direction of the exhaust gases in the for first turbine (13) leading inflow line (14) branches off from this or branch off.

4. Multi-cylinder internal combustion engine according to one or

several of the preceding claims, characterized in that that the exhaust pipes (lla-lld) the individual cylinders are only brought together near the inlet (12) of the first turbine (13) and that the inflow line (s) (18) of the other turbine (s)

(20) branches off or branched off near the union point gene.

5. Multi-cylinder internal combustion engine according to claim 4, characterized characterized in that the exhaust lines (11a - lld) at the union point like nozzles narrow.

6. Internal combustion engine according to one or more of the claims 1-5, characterized in that in the suction line (7) of the compressor (5) of the other Exhaust gas turbocharger (3) or the other exhaust gas turbocharger has a return flap (26).

ORIGINAL INSPECTED

3521H9

Internal combustion engine according to one or more of the claims 1-5, characterized in that in the suction line (7) of the compressor (5) of the other Exhaust gas turbocharger (3) or the other exhaust gas turbocharger is a controlled depending on the speed of the charger in question and / or on the boost pressure Shut-off device (26) is provided.