DE4331943A1 - Aufladesystem für luftverdichtende Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Aufladesystem für luftver­ dichtende Brennkraftmaschinen gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Problem aufgeladener Brennkraftmaschinen besteht darin, daß beim Übergang vom Leerlauf in einen höheren Lastzustand, bedingt durch die Trägheit des Abgasturboladers ein Luftmangel entsteht, der sich im sogenannten Rußstoß äußert. Zur Vermeidung dieses Verhaltens ist es bekannt, einen kleineren Abgasturbolader vor­ zusehen, der beim Hochfahren der Brennkraftmaschine schneller an­ spricht. Wenn der Ladeluftdruck einen bestimmten Wert erreicht hat, wird ein zweiter größerer Abgasturbolader parallelgeschaltet, so daß die beiden Turbolader im Parallelbetrieb arbeiten. Da die Turbine des kleinen Abgasturboladers bis zu einem mittleren Drehzahlbereich arbeitet ist ihre Leistungsfähigkeit bei Leer­ lauf und im unteren Drehzahlbereich unbefriedigend. Es wird sich bei Leerlauf kein ausreichender Ladeluftdruck aufbauen (DE-OS 28 09 202).

Ausgehend von einem Aufladesystem gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde be­ reits im Leerlauf der Brennkraftmaschinen einen bestimmten Auf­ ladedruck bereitzustellen, die Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart schneller zu erwärmen und die Brennkraftmaschine im Schiebebetrieb und im Leerlauf auf höherem Temperaturniveau zu halten.

Gelöst wird diese Aufgabe zum einen durch die Merkmale des Patent­ anspruches 1.

Durch den sehr kleinen Turbinenquerschnitt des zweiten Abgasturbo­ laders wird bei geschlossener Steuerklappe durch die Brennkraft­ maschine vor dieser Turbine bereits ein höherer Staudruck aufge­ baut, so daß diese Turbine auf einem hohen Drehzahlniveau arbeitet und der damit verbundene Verdichter bereits im Leerlauf der Brenn­ kraftmaschine in der Lage ist einen gewissen Ladeluftdruck auf­ zubauen. Von diesem Ladeluftdruck ausgehend wird nach dem Umschalten der Steuerklappe der erste Turbolader beim Hoch fahren der Brennkraftmaschine wegen des höheren Enthalpieangebotes des Abgases schneller hochgefahren.

Zum anderen kann die Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Pa­ tentanspruches 2 gelöst werden.

Unter Verzicht auf den Vorteil der höheren Ladelufttemperatur wird die vorverdichtete Luft über den Ladeluftkühler geführt und es kann bereits im Leerlauf ein höheres Verbrennungsluftverhältnis erreicht werden, so daß beim Hochfahren der Brennkraftmaschine eine günstigere Ausgangsposition zum Hochbeschleunigen der Ver­ brennungskraftmaschine vorhanden ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung kann Anspruch 3 entnommen werden. Durch das Aufstauverhalten des zweiten Abgasturboladers wird das Beschleunigungsverhalten nachhaltig verbessert.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind Anspruch 4 zu entnehmen. Durch die Umgehung des Ladeluftkühlers wird die Erwärmung der Brennkraftmaschine beschleunigt und eine Auskühlung im Leerlauf- und Schiebebetrieb verhindert. Dadurch wird nach einem Kaltstart die Weißrauchemission reduziert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung kann Anspruch 5 entnommen werden. Durch die Tatsache, daß die Steuerklappe nicht nur durch die Steuereinheit geregelt wird, sondern auch der Abgasdruck vor der Turbine des zweiten Abgasturboladers die Stellung der Steuerklappe beeinflußt kann ein Überdrehen des kleinen Turboladers sicher verhindert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen darge­ stellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Aufladesystem, bei dem der Verdichter des zweiten Abgasturboladers über eine eigene Leitung in eine La­ deluftleitung einspeist.

Fig. 2 ein Aufladesystem, bei dem der Verdichter des zweiten Turboladers in den Eingang des Verdichters des ersten Abgasturboladers einspeist.

Fig. 1 zeigt eine aufgeladene Brennkraftmaschine 1. Die Aufla­ dung erfolgt durch einen ersten und einen zweiten Abgasturbolader 2, 3. Die Turbine 4 des ersten Abgasturboladers 2 ist unmittelbar der Brennkraftmaschine 1 nachgeschaltet. Sie entspricht in der Auslegung dem üblichen Abgasturbolader. Der Ausgang der Turbine 4 ist erfindungsgemäß mit dem Eingang einer Turbine 5 des zweiten Abgasturboladers 3 im Hauptstrom verbunden, solange eine Steuerklappe 6 in einer Abgasleitung 7 geschlossen ist. Die Steuerklappe 6 kann durch ein Steuerglied 8 oder durch den Abgasdruck vor Turbine 5 geöffnet werden, so daß der Ausgang der Turbine 4 mit der Umgebung verbunden ist, wodurch der zweite Abgasturbolader 3 nicht bzw. schwach im Nebenstrom durchströmt wird.

Ein Verdichter 9 des zweiten Abgasturboladers 3 fördert ver­ dichtete Luft über eine Leitung 10 und eine zweite Rückschlag­ klappe 11 in eine Ladeluftleitung 12. Ein Verdichter 13 des ersten Abgasturboladers 2 fördert Ladeluft über einen Ladeluftkühler 14 und eine Rückschlagklappe 15 in die Ladeluftleitung 12.

Zur Funktion ist zu sagen, daß bei Leerlauf der Brennkraftmaschine 1 zunächst die Steuerklappe 6 geschlossen ist. Während die Turbine 4 aufgrund ihrer Abmessungen ohne wesentlichen Druckverlust durch­ strömt wird baut sich bereits im Leerlauf vor der Turbine 5 ein Überdruck auf. Aus diesem Grund stellt sich im Leerlauf der Brenn­ kraftmaschine 1 bereits eine hohe Drehzahl der Turbine 5 und des damit verbundenen Verdichters 3 ein. Die vorverdichtete Luft ge­ langt über die Leitung 10 und die geöffnete Rückschlagklappe 11 in die Ladeluftleitung 12. Die erste Rückschlagklappe 15 ist ge­ schlossen, da der Druck der vom Verdichter 13 kommenden Ladeluft wegen der geringen Drehzahl der Turbine 4 nicht ausreicht, den Gegendruck der vom Verdichter 9 kommenden Luft zu überwinden.

Wird nun die Brennkraftmaschine 1 durch das Betätigen eines Fahr­ pedals 16 hochgefahren, so steht bereits vorverdichtete Luft in der Ladeluftleitung 12 zur Verfügung. Dies hat eine schnelle Enthalpieerhöhung des Abgases zur Folge, wodurch die Drehzahl der Turbine 5 rasch zunimmt und auch die vorgeschaltete Turbine 4 ihren Hochlauf beginnt. Während dieses Vorganges öffnet die über die Steuereinheit 8 oder über den Abgasdruck vor Turbine 5 betätigbare Steuerklappe 6. Die Energie des Abgases kommt nun zu­ nehmend der Turbine 4 des ersten Abgasturboladers 2 zugute, der nun die Aufladung allein übernimmt. Der Abgasturbolader 3 ist bei voll geöffneter Steuerklappe 6 abgeschaltet.

Im Schiebebetrieb bzw. im Leerlauf ist die Steuerklappe 6 ge­ schlossen. Durch den Aufstau vor der Turbine 5 in Verbindung mit hohem Ladedruck und hoher Ladelufttemperatur bleibt die Brenn­ kraftmaschine 1 in diesen Betriebszuständen warm, so daß Blau­ rauchbildung vermieden wird. Das Beschleunigen aus dem Schiebe­ betrieb beginnt so vorteilhafterweise auf einem hohen Ladedruck­ niveau.

Eine Variante des Aufladesystems ist aus Fig. 2 zu entnehmen. Die Turbine 4 des ersten Abgasturboladers 2 ist mit ihrem Ausgang wiederum solange mit dem Eingang der Turbine 5 des zweiten Abgasturboladers 3 verbunden, solange die Steuerklappe 6 durch die Steuereinheit 8 in geschlossener Stellung gehalten wird. Der Aus­ gang des Verdichters 9 führt über eine Verbindungsleitung 20 in die Saugseite des Verdichters 13. Die Saugseite des Verdichters 13 ist stromauf mit einer dritten Rückschlagklappe 17 versehen, so daß die vom Verdichter 9 kommende verdichtete Luft nicht entweichen kann. Die verdichtete Luft passiert nach dem Durch­ strömen des Verdichters 13 den Ladeluftkühler 14, welcher in die Ladeluftleitung 12 mündet. Wenn die Turbine 5 nach der Betätigung des Fahrpedals 16 ihre zulässige Drehzahl erreicht hat wird die Steuerklappe 6 geöffnet und die bereits hochlaufende Turbine 4 tritt in Aktion. Bei vollgeöffneter Steuerklappe 6 ist der Turbo­ lader 3 abgeschaltet. Dadurch fällt der Ladedruck nach Verdichter 9, in der Verbindungsleitung 20 und auf der Saugseite des Ver­ dichters 13. Die Rückschlagklappe 17 öffnet sich und der Verdich­ ter 13 saugt die Luft aus der Umgebung an.

Durch die Rückkühlung im Ladeluftkühler 14 ergibt sich in der Brennkraftmaschine 1 ein höherer Luftüberschuß.

Um eine möglichst schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine 1 nach einem Kaltstart zu erreichen und Blau- und Weißrauchemission im Leerlauf zu vermeiden, wird die verdichtete warme Luft aus dem Verdichter 9 des zweiten Abgasturboladers 3 der Brennkraftmaschine l unter Umgehung des Ladeluftkühlers 14 zugeführt. Dazu schließt die Klappe 19 die Leitung durch den Ladeluftkühler 14 und öffnet die Umgehungsleitung 18.

Claims (5)

1. Aufladesystem für luftverdichtende Brennkraftmaschinen mit einem ersten Abgasturbolader dessen Turbine unmittelbar einer Brennkraftmaschine nachgeschaltet ist und neben dem ersten Abgasturbolader ein zweiter wesentlich kleinerer Abgas­ turbolader vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang der Turbine (4) des ersten Abgasturboladers (2) mit­ tels einer Steuerklappe (6) wahlweise mit dem Eingang einer Turbine (5) des zweiten Abgasturboladers (3), oder mit der Umgebung verbunden werden kann, daß die Steuerklappe (6) von einem Fahrpedal (16) unter Zwischenschaltung eines Steuer­ gliedes (8) umschaltbar ist, und daß der Verdichter (13) des ersten Abgasturboladers (2) über einen Ladeluftkühler (14) und eine erste Rückschlagklappe (15) und der Verdichter (9) des zweiten Abgasturboladers (3) über eine Leitung (10) und eine zweite Rückschlagklappe (11) mit einer Ladeluftleitung (12) verbunden ist (Fig. 1).

2. Aufladesystem für luftverdichtende Brennkraftmaschinen mit einem ersten Abgasturbolader dessen Turbine unmittelbar einer Brennkraftmaschine nachgeschaltet ist und neben dem ersten Abgasturbolader ein zweiter wesentlich kleinerer Ab­ gasturbolader vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang der Turbine (4) des ersten Abgasturboladers (2) mit­ tels einer Steuerklappe (6) wahlweise mit dem Eingang einer Turbine (5) des zweiten Abgasturboladers (3), oder mit der Um­ gebung verbunden werden kann, daß die Steuerklappe (6) von einem Fahrpedal (16) unter Zwischenschaltung eines Steuer­ gliedes (8) umschaltbar ist, daß der Verdichter (9) des zweiten Abgasturboladers (3) mittels einer Verbindungs­ leitung (20) mit dem Eingang des Verdichters (13) des ersten Abgasturboladers (2) verbunden ist, daß dieser Eingang stromauf der angesaugten Luft mit einer dritten Rückschlag­ klappe (17) versehen ist, und daß der Ausgang des Verdichters (13) des ersten Abgasturboladers (2) über einen Ladeluft­ kühler (14) mit einer Ladeluftleitung (12) verbunden ist (Fig. 2).

3. Aufladesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufstauverhalten der Turbine (5) des zweiten Abgas­ turboladers (3) so gewählt ist, daß bereits im Leerlauf und im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine ein bestimmter Lade­ druck zur Unterstützung eines anschließenden Beschleunigungs­ vorganges erzeugt wird.

4. Aufladesystem nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Kaltstart, im Leerlauf und im Schiebebetrieb die vom Verdichter (9) kommende Luft über die Verbindungsleitung (20) und einen Bypass (18) unter Umgehung des Ladeluftkühlers (14) unmittelbar der Ladeluftleitung (12) zugeführt wird (Fig. 2).

5. Aufladesystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappe (6) außer der Beeinflussung durch das Steuerglied (8) unmittelbar durch den Abgasdruck vor Turbine (5) dergestalt gesteuert wird, daß die Stellung der Steuer­ klappe (6) dem Gasdurchsatz kontinuierlich angepaßt wird, so daß ein bestimmter maximaler Druck vor Turbine (5) und damit die maximal zulässige Drehzahl der Turbine (5) nicht überschritten werden.