CH673684A5 - Engine with progressive pressure-charging - has second turbo-charger cut out by air and exhaust stop valves - Google Patents

Description

  
 



   BESCHREIBUNG



   Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit   Registeraufladung,    mit mindestens einem ersten Abgasturbolader und einem zweiten Abgasturbolader, deren Laderturbinen über Abgasleitungen parallel an einen Abgasaufnehmer des Verbrennungsmotors angeschlossen sind und deren Verdichter mit ihren Ladeluftstutzen parallel in eine Ladeluftsammelleitung einmünden, welche die Ladeluftstutzen mit dem Ladeluftaufnehmer des Motors verbindet.



   Bei Verbrennungsmotoren mit   Abgasturboaufladung    in ihrer einfachsten Form, d.h., mit einem einzigen, ein- oder auch zweistufigen Turbolader, bestehen, physikalisch durch das Verhalten von Turbine und Verdichter bestimmt, betriebliche Unzulänglichkeiten, und zwar ein auf nur einen verhältnismässig engen Bereich eingeschränktes, leistungs- und wirkungsgradmässig   zufriedenstellendes      Betriebsverhalten,    und damit zusammenhängend Kraftstoffverbräuche, die, über den ganzen Vollund Teillastbereich gesehen, den neuerdings gestiegenen Anforderungen an einen wirtschaftlichen Motorbetrieb nicht genügen.



   Der erstgenannte Mangel lässt sich durch eine Registeraufladung nach bekannten Systemen mit mindestens zwei Abgasturboladern oder Abgasturboladergruppen, worunter zweistufige Lader zu verstehen sind, teilweise beheben, indem durch Abbzw. Zuschalten der einzelnen Lader ein breiterer Bereich im Teillastgebiet mit gutem Wirkungsgrad gefahren werden kann.



  Das hat natürlich auch die gewünschte Senkung des Kraftstoffverbrauchs zur Folge.



   Beim Abschalten eines oder mehrerer Turbolader wandert bei der   Registeraufladung    der Betriebspunkt im   Verdichter-    kennfeld zu höheren Druckverhältnissen und grösseren Volumenströmen, die so gross werden können, dass der   Betriebs-    punkt an die Schluckgrenze des oder der nicht abgeschalteten Verdichter gelangt. Dabei steigt die Laderdrehzahl unkontrolliert an und der Wirkungsgrad fällt ab. Eine solche einfache   Registeraufladung    befriedigt daher nur bei relativ niedrigen Druckverhältnissen mit breitem Verdichterkennfeld, falls es sich um einstufige Abgasturbolader handelt. Nur mit zweistufigen Ladern mit breiten Verdichterkennfeldern sind auch grössere Druckverhältnisse zu erreichen.



   Bekannt sind Konzeptionen der   Abgasturboaufladung    mit nur einem Abgasturbolader, die den Zweck haben, mit relativ einfachen Mitteln bei abnehmender Motordrehzahl den Ladedruck und das Drehmoment ansteigen zu lassen. Sie sollen den Teillastbetrieb ohne wesentliche Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens bei Vollast verbessern. Eine Brennkraftmaschine mit einer solchen   Abgasaufladeeinrichtung    ist z.B. in der EP-PS 0 108 905 beschrieben. Dabei wird ein einstufiger Verdichter von einer einstufigen Abgasturbine mit verstellbarem Abgaseintrittsquerschnitt   angetrieben    und die Ladeluftleitung ist mit der zur Turbine führenden Abgasleitung durch eine Umblaseleitung verbunden, die ein Regelventil und ein Rückschlagventil aufweist.

  Sowohl die Turbine als auch der Verdichter sind für die maximale Motorleistung dimensioniert und das Gehäuse der Turbine enthält in bekannter Weise Mittel zur sektorenweisen oder stufenlosen Änderung ihres Gaseintrittsquerschnitts. Diese Massnahmen bezwecken, den Lader möglichst nahe der Pumpgrenze des Verdichters fahren zu können, indem im Teillastbereich der Turbineneintrittsquerschnitt und gleichzeitig auch der Strömungsquerschnitt der Umblaseleitung variiert werden.



   Eine solche   Aufladeeinrichtung    bringt im wesentlichen nur eine Verbesserung des Teillastverhaltens auf einer Festpropellerkurve.



   Die Erfindung entstand aus der Aufgabe, bei einem Verbrennungsmotor mit   Registeraufladung    insbesondere einem Dieselmotor, diese derart zu modifizieren, dass die Betriebspunkte der Verdichter für möglichst viele Lastzustände innerhalb eines günstigen Bereiches im Verdichterkennfeld zu liegen kommen, oder, mit anderen Worten, wie gesagt, dass die Steuerung der Aufladung die Realisierung mehrerer verschiedener Propellerkurven im Voll- und Teillastbereich ermöglicht, wie beispielsweise bei Schiffsdieselantriebsanlagen mit zwei und mehr Motoren,die auf eine einzige Propellerwelle und zusätzlich mit. Drehzahldrückung bei konstanten mittleren effektiven Zylinderdrücken arbeiten.



   Der erfindungsgemässe Verbrennungsmotor mit Registeraufladung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt im Abgaseintrittskanal der Laderturbine des ersten Abgasturboladers veränderbar ist und dass der zweite und weitere vorhandene Abgasturbolader durch Absperrorgane zwischen dem Abgas aufnehmer und der Laderturbine sowie durch Absperrorgane im Ladeluftstutzen zwischen den Verdichtern des zweiten und der weiteren Abgasturbolader und der Ladeluftsammelleitung vom   Aufladevorgang    abschaltbar sind.



   Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird der Erfindungsgegenstand im folgenden näher beschrieben.



   In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemässen Verbrennungsmotor mit   Registeraufladung    durch zwei Abgasturbolader, und die
Fig. 2 das kombinierte Kennfeld der zwei Verdichter der Abgasturbolader eines Grossdieselmotors.



   In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Verbrennungsmotor mit sechs Zylindern. Ihre Abgase werden in einem Abgasaufnehmer 2 gesammelt, von wo sie, je nach   Betriebszustand    des Motors, einer oder beiden Laderturbinen 5 bzw. 6 der zwei Abgasturbolader 3 und 4 zugeleitet werden. Die Laderturbine 5 ist am Eintrittsgehäuse in zwei Sektoren 7 und 8 unterteilt, die über je eine vom Abgasaufnehmer 2 abzweigende Abgasleitung 9 und 10 beaufschlagbar sind. In letzterer ist ein Absperrorgan 11 vorgesehen, durch das die Abgaszufuhr in den Sektor 8 der Turbine 5 unterbrochen werden kann. Ebenso ist in einer Abgasleitung 12 zwischen dem Abgasaufnehmer 2 und der Turbine 6 ein mit 13 bezeichnetes Absperrorgan vorhanden.  



   Die Verdichter 14 und 15 der beiden Turbolader 3 bzw. 4 liefern über ihre Ladeluftstutzen 16 und 17 und eine gemeinsame Ladeluftsammelleitung 18 die Ladeluft über einen Ladeluftkühler 19 in einen Ladeluftaufnehmer 20 auf der Ansaugseite des Motors 1. Im Ladeluftstutzen 17 des Verdichters 15 ist ein Absperrorgan 21 vorgesehen. Ein Überströmkanal 22 mit einer Überströmklappe 23 verbindet den Ladeluftaufnehmer 20 mit dem Abgas aufnehmer 2.



   Je nach Grösse der Motoranlage und abzudeckendem Teillastbereich können auch mehr als zwei Turbolader und darunter auch mehr als nur einer mit Sektorabschaltung vorgesehen sein, wobei die Eintrittsgehäuse der letzteren auch in mehr als zwei Sektoren unterteilt sein können.



   Die durch die Sektorabschaltung am Lader 3 und die übrigen Absperrorgane 13, 21 und 23 gegebenen Möglichkeiten zur Steuerung des Abgas- und des Ladeluftstromes seien nun unter Bezugnahme auf ein in Fig. 2 dargestelltes, typisches Kennfeld der gesamten Aufladeeinrichtung eines Grossdieselmotors, d.h., aller Lader 3 und 4 sowie des Überströmkanals, erläutert. In diesem Kennfeld sind der Ladeluftstrom V in m3/s in Abhängigkeit vom Gesamtdruckverhältnis   P2tot/Pitot    bei der Bezugstemperatur 288 K für verschiedene Verdichterdrehzahlen n in U/s sowie die Muschelkurven für die Wirkungsgrade   Ti    dargestellt.



   Um von einem Vollastzustand bei einer bestimmten   Dreh-    zahl auf eine andere, niedrigere Drehzahl bei Vollast, d.h., beim Endanschlag der Regelstange, zu kommen, muss die Aufladung entsprechend dem neuen gewünschten Betriebspunkt angepasst werden. Um beispielsweise von einem Betriebspunkt I, bei dem beide Turbolader voll, d.h. für den ersten Turbolader 3, über beide Sektoren 7 und 8, beaufschlagt sind, auf einen anderen Betriebspunkt, z.B. A, zu gelangen, wird der Lader 4 durch Schliessen des Absperrorgans 13 abgeschaltet. Falls bei dieser Betriebsweise der Ladedruck zu gering ist, um ein ausreichendes   Verbrennungsluftverhältnis    zu erhalten, so gelangt man durch Schliessen des Absperrorgans 11, das den Sektor 8 des Laders 3 abschaltet, zum Betriebspunkt B des Verdichters.

  Da dieser im Verdichterkennfeld zu nahe der Pumpgrenze liegt, wird man jetzt, um zu dieser einen ausreichend grossen Sicherheitsabstand zu haben, die Überströmklappe 23 öffnen und damit den Ladeluftaufnehmer 20 mit dem Abgasaufnehmer 2 verbinden, wodurch sich im Verdichterkennfeld der Betriebspunkt C einstellt.



   Soll ein Teillastpunkt, z.B. II, auf einer einfachen Propellerkurve verbessert werden, so erreicht man dies durch zunächst Abschalten des Laders 4, was zum Punkt D führt, und weiters durch Abschalten des Sektors 8 der ersten Laderturbine 5, wodurch sich der günstigere Betriebspunkt E einstellt.



   Eine feinere Anpassung an bestimmte vorgegebene Propellerkurven lässt sich durch zusätzliche gänzlich abschaltbare Lader entsprechend dem Lader 4, oder durch einen ersten Lader, entsprechend dem mit 3 bezeichneten, aber mit mehr abschaltbaren Sektoren, oder aber durch einen ersten Lader mit stufenlos verstellbarem Strömungsquerschnitt des Abgaseintrittsgehäuses erreichen. Als Mittel für eine stufenlose Änderung kommen vor allem in Frage verstellbare Einlassleitschaufeln und verschieb- oder schwenkbare Begrenzungswände im Abgaseintrittsgehäuse.

 

   Für das Ab- und Zuschalten der Lader und ihrer Sektoren und die Verstellung der Eintrittsleitschaufeln oder sonstigen Verstellelemente für den Strömungsquerschnitt im Eintrittsgehäuse der Turbine sowie der Überströmklappe im Überströmkanal kommen verschiedene, von Signalgebern bekannter Bauart aktivierte Servoeinrichtungen in Betracht, wie hydraulische, pneumatische, elektrische oder mechanische Geräte sowie Kombinationen derselben, die von den Signalgebern in Abhängigkeit von dem motor- und ladertypischen physikalischen Grössen angesteuert werden. 

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verbrennungsmotor mit Registeraufladung, mit mindestens einem ersten Abgasturbolader (3) und einem zweiten Abgasturbolader (4), deren Laderturbinen (5; 6) über Abgasleitungen (10; 12) parallel an einen Abgasaufnehmer (2) des Verbrennungsmotors (1) angeschlossen sind und deren Verdichter (14; 15) mit ihren Ladeluftstutzen (16; 17) parallel in eine Ladeluftsammelleitung (18) einmünden, welche die Ladeluftstutzen (16;

   17) mit dem Ladeluftaufnehmer (20) des Motors (1) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt im Ab gaseintrittskanal der Laderturbine (5) des ersten Abgasturboladers (3) verstellbar ist und dass der zweite (4) und weitere vorhandene Abgasturbolader durch Absperrorgane (13) zwischen dem Abgasaufnehmer (2) und der Laderturbine (6) sowie durch Absperrorgane (21) im Ladeluftstutzen (17) zwischen den Verdichten (15) des zweiten (4) und der weiteren Abgasturbolader und der Ladeluftsammelleitung (18) vom Aufladevorgang abschaltbar sind.
2. 2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Abgasturbolader (3; 4) vorhanden sind, dass der Abgaseintrittskanal der Laderturbine (5) des ersten Abgasturboladers (3) in einen ersten und einen zweiten Sektor (7, 8) unterteilt ist, dass der Abgasleitung (10) für den zweiten Sektor (8) ein Absperrorgan (11) vorgesehen ist, und dass zwischen dem Ladeluftaufnehmer (20) und dem Abgas aufnehmer (2) ein Überströmkanal (22) mit einer Überströmklappe (23) vorhanden ist.