DE3521149C2

DE3521149C2 - Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern

Info

Publication number: DE3521149C2
Application number: DE3521149A
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: 1987-05-14
Also published as: DE3521149A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei bekannten Brennkraftmaschinen dieser Art (siehe z. B. DE-OS 28 18 447, 28 55 551, 29 11 727 und 30 32 435) ist in der Zuströmleitung der Turbine des abschaltbaren Abgasturboladers eine einstellbare Drosseleinrichtung oder ein einfaches Absperrventil vorgesehen, die bzw. das im unteren und mittleren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine ganz oder teilweise geschlossen ist, so daß 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 Drosseleinrichtung bzw. das Absperrventil von den heißen Abgasen beaufschlagt wird und dadurch in ihrer Betriebssicherheit beeinträchtigt ist. Außerdem ist ein eigener Regelkreis für die Drosseleinrichtung bzw. das Absperrventil erforderlich.
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 Abgasstrang zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird im unteren und mittleren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine zunächst nur die Turbine des ersten Abgasturboladers von den Abgasen der einzelnen Zylinder in Form einer Stoßaufladung beaufschlagt, da das Einlaßende bzw. die Einlaßenden der Zuströmleitung(en) zu der bzw. den anderen Turbine(n) im Strahlschatten der zur ersten Turbine strömenden Abgase liegt bzw. liegen. Mit wachsendem Abgasvolumenstrom steigt nach Erreichen der Schluckgrenze der ersten Turbine der Abgasdruck vor der ersten Turbine, so daß nun ein Abgasstrom auch zu der Turbine bzw. den Turbinen des bzw. der anderen Abgasturbolader gelangt und diese hochdrehen läßt. Das Zuschalten des bzw. der weiteren Abgasturbolader erfolgt also selbsttätig in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen vor der ersten Turbine und ohne irgendwelche gesteuerte Drossel- oder Absperreinrichtungen.
Um bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine im unteren und mittleren Leistungsbereich eine besonders wirksame Stoßaufladung der ersten Turbine zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Auslaßleitungen der einzelnen Zylinder erst nahe des Eintritts der ersten Turbine zusammenzuführen, so daß die Abgase aus den einzelnen Zylindern nacheinander stoßweise auf das Laufrad der ersten Turbine auftreffen. Die Zuströmleitung(en) der anderen Turbine(n) zweigt bzw. zweigen dabei nahe der Vereinigungsstelle der Auslaßleitungen ab. Zur Erhöhung der kinetischen Energie der Abgase sind die Auslaßleitungen an der Vereinigungsstelle düsenartig verengt.
Die Schluckgrenze der ersten Turbine und damit das Einsetzen der anderen Turbine(n) kann durch einen Strömungswiderstand in der Auspuffleitung hinter der ersten Turbine beeinflußt werden. Dieser Strömungswiderstand kann von einer gegebenenfalls einstellbaren Blende, aber auch von einem Abgaskatalysator oder einem Auspuffschalldämpfer gebildet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern in schematischer Darstellung, und
Fig. 2 einen Schnitt einer Abgasleitung der in Fig. 1 dargestellten Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit angeschlossenen Abgasturboladern.
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 Sammelsaugrohr 10 der Brennkraftmaschine 1 in Verbindung steht. Mit 11 a bis 11 d sind die Auslaßleitungen 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 Abgasleitungen 11 a-11 d zweigt von dem Rohrstück 14 eine Zuströmleitung 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. 2 ist im Teilschnitt der Zylinderkopf 23 der Brennkraftmaschine 1 dargestellt mit einem Auslaßkanal 24, an den beispielsweise die Auslaßleitung 11 b anschließt. Die Auslaßleitung 11 b endet in dem Rohrstück 14, in das auch die anderen Auslaßleitungen, von denen nur die Mündung der Auslaßleitung 11 c sichtbar ist, einmünden. Im Bereich der Mündungen sind die Auslaßleitungen 11 a-11 d, 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 führende Zuströmleitung 18 geht von dem Rohrstück 14 nahe der Vereinigungsstelle der Auslaßleitungen 11 a-11 d aus. Das Einlaßende dieser Zuströmleitung 18 ist mit 18 a bezeichnet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, zweigt die Zuströmleitung 18 entgegen der durch den Pfeil 25 veranschaulichten Strömungsrichtung der Abgase in den Auslaßleitungen 11 a-11 d und im Rohrstück 14 ab.
Die Wirkungsweise der dargestellten Anlage ist folgende:
Im unteren und mittleren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine 1 wird zunächst nur die Turbine 13 des ersten Abgasturboladers 2 von den Abgasen der einzelnen Zyinder in Form einer Stoßaufladung beaufschlagt, da die Zuströmleitung 18 zur Turbine 20 des zweiten Abgasturboladers 2 im Strahlschatten der durch die Auslaßleitungen 11 a-11 d und das Rohrstück 14 strömenden Abgase liegt. Mit wachsendem Abgasvolumenstrom steigt nach Erreichen der Schluckgrenze der Turbine 13, die durch den Strömungswiderstand des Abgaskatalysators 17 in dem Auspuffrohr 16 der Turbine 13 beeinflußt wird, der Druck vor der Turbine 13 an, so daß die ursprüngliche Stoßaufladung zur Stauaufladung wird. Mit steigendem Druck vor der Turbine 13 fließt ein immer größerer Volumenstrom durch die Zuströmleitung 18 und läßt die Turbine 20 des zweiten Turboladers 3 hochdrehen, so daß 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.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens zwei Abgasturbolader mit parallel geschalteten Turbinen, von denen im unteren bis mittleren Leistungsbereich im wesentlichen nur eine erste Turbine und im höheren Leistungsbereich auch die andere(n) Turbine(n) mit Abgas beaufschlagt wird bzw. werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuströmleitung(en) (18) zu der anderen Turbine (20) bzw. den anderen Turbinen entgegen der Strömungsrichtung der Abgase in der zur ersten Turbine (13) führenden Zuströmleitung (14) von dieser abzweigt bzw. abzweigen.

2. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßleitungen (11 a-11 d) der einzelnen Zylinder erst nahe des Eintritts (12) der ersten Turbine (13) zusammengeführt sind, daß sich diese Auslaßleitungen an der Vereinigungsstelle düsenartig verengen und daß die Zuströmleitung(en) (18) der anderen Turbine(n) (20) nahe der Vereinigungsstelle abzweigt bzw. abzweigen.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auspuffleitung (16) hinter der ersten Turbine (13) ein Strömungswiderstand (17) vorgesehen ist.