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Dokumentenidentifikation DE4416572C1 27.04.1995
Titel Aufgeladene Brennkraftmaschine
Anmelder Mercedes-Benz Aktiengesellschaft, 70327 Stuttgart, DE
Erfinder Sumser, Siegfried, 70184 Stuttgart, DE;
Schmidt, Erwin, 73666 Baltmannsweiler, DE;
Schillings, Herbert, 70839 Gerlingen, DE
DE-Anmeldedatum 11.05.1994
DE-Aktenzeichen 4416572
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.1995
IPC-Hauptklasse F02B 47/08
IPC-Nebenklasse F02B 37/00   F02M 25/07   F02D 21/08   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei parallel geschalteten Abgasturboladern mit jeweils einer Turbine und einem Verdichter, wobei jede Druckseite dieser Verdichter über eine Ladeluftleitung mit der Einlaßseite und jede Einströmseite dieser Turbinen über eine Abgasleitung mit der Auslaßseite der Brennkraftmaschine verbunden ist und wobei die Turbine des zweiten Abgasturboladers eine Regeleinrichtung zur Regelung der Abgasmenge aufweist.
Um eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine so auszubilden, daß eine Abgasrückführung auch bei einem über dem auslaßseitigen Abgasdruck liegenden Ladeluftdruck möglichst einfach und kostengünstig realisierbar ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zwischen der stromauf der Turbine des zweiten Abgasturboladers angeordneten Abgasleitung und der stromab einer Rückschlagklappe angeordneten Ladeluftleitung des Verdichters des zweiten Abgasturboladers eine Abgasrückführungsleitung angeordnet ist, wobei das rückgeführte Abgas mit einem Abgasverdichter komprimierbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der CM 673 684 A5 ist bereits eine gattungsgemäße aufgeladene Brennkraftmaschine bekannt, die von zwei parallel geschalteten Abgasturboladern mit Ladeluft gespeist wird, wobei der eine Abgasturbolader durch ein Absperrorgan vollständig und der andere Abgasturbolader, dessen Abgaseintrittsgehäuse in zwei Sektoren unterteilt ist, teilweise vom Abgasstrom absperrbar ist. Zwischen der Ladeluftseite und der Auslaßseite der Brennkraftmaschine besteht eine regelbare Strömungsverbindung, wobei diese zum Zwecke des Schutzes vor Verdichterpumpen hergestellt wird, wenn beispielsweise ein Vollast-Betriebspunkt des Verdichters in genügendem Sicherheitsabstand von der Pumpgrenze des Verdichters gelegt werden soll.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die Druckschriften DE 42 31 218 C1 und DE 41 20 055 A1 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit zwei parallel geschalteten Abgasturboladern so auszubilden, daß eine Abgasrückführung auch bei einem über dem auslaßseitigen Abgasdruck liegenden Ladeluftdruck möglichst einfach und kostengünstig realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Abgasrückführung liegt darin, daß durch Komprimierung des rückgeführten Abgases und durch die Einspeisung in die Ladeluftleitung stromab einer in dieser angeordneten Rückschlagklappe eine Abgasrückführung auf einfache Art und Weise möglich ist, auch wenn der Ladeluftdruck höher ist, als der Abgasdruck auf der Auslaßseite der Brennkraftmaschine.

Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ist der Aufbau des Gesamtsystems besonders einfach, da der Verdichter des zweiten Abgasturboladers gleichzeitig sowohl als Ladeluftverdichter als auch als Abgasverdichter verwendet wird, wobei hier eine Einspeisung von rückzuführendem Abgas auf die Saugseite des Verdichters erfolgt, das erst nach der Einspeisung verdichtet wird. Bei derartig ausgeführten Systemen sind wegen der relativ hohen Abgastemperaturen entsprechende Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit des Verdichters des zweiten Abgasturboladers zu stellen.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach den Ansprüchen 3 und 4 ist hinsichtlich der thermischen Auslegung des zweiten Abgasturboladers vorteilhaft, da die Temperaturbelastung des Ladeluftverdichters des zweiten Abgasturboladers nur verhältnismäßig gering ist und der thermisch höher belastete und entsprechend ausgelegte Abgasverdichter auf der Heißgasseite (Abgasseite) des zweiten Abgasturboladers angeordnet ist. Hier erfolgt eine Einspeisung des rückzuführenden Abgases in die Ladeluftleitung erst nach dessen Komprimierung und aus energetischen Gründen dann auch auf die Druckseite des Verdichters des zweiten Abgasturboladers.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Trennung der Funktionen Ladeluftlieferung und Abgasrückführung gemäß Anspruch 6 liegt darin, daß der erste Abgasturbolader speziell für die Ladeluftlieferung auslegbar ist, während der zweite Abgasturbolader auf den Mischbetrieb von Abgasrückführung und Ladeluftlieferung ausgelegt wird. So ist auch die Verwendung eines Ladeluftkühlers stromab des Verdichters des ersten Abgasturboladers möglich, da dort der Ladeluftkühler nur von Ladeluft durchströmt wird und nicht durch Ablagerung von Abgaspartikeln verstopft werden kann.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und mit zwei parallel geschalteten Abgasturboladern und einer Rückschlagklappe in einer Ladeluftleitung des Verdichters des zweiten Abgasturboladers, wobei eine Abgasrückführungsleitung auf die Saugseite und ein Leitungsteil der Abgasrückführungsleitung in einen Diffusorkanal des Verdichters des zweiten Abgasturboladers mündet und

Fig. 2 eine Prinzipskizze einer aufgeladenen Brennkraftmaschine analog zu Fig. 1, wobei auf der Turbinenseite des zweiten Abgasturboladers ein separater Abgasverdichter angeordnet ist und wobei die Abgasrückführungsleitung auf der Druckseite des Verdichters des zweiten Abgasturboladers in die Ladeluftleitung mündet.

Fig. 1 zeigt eine aufgeladene Brennkraftmaschine 1 mit zwei parallel geschalteten Abgasturboladern 2 und 3, die jeweils eine Turbine 4 und 6 mit einer Einströmseite 8 und 10 und einer Ausströmseite 9 und 11 und jeweils einen Verdichter 5 und 7 mit einer Druckseite 12 und 14 und einer Saugseite 13 und 15 aufweisen.

Jede Druckseite 12, 14 der Verdichter 5, 7 ist über ein Leitungsteil 16, 17 einer Ladeluftleitung 18 mit einer Einlaßseite 19 und jede Einströmseite 8, 10 der Turbine 4, 6 ist über ein Leitungsteil 20, 21 einer Abgasleitung 22 mit der Auslaßseite 23 der Brennkraftmaschine 1 verbunden.

Die Turbine 6 des zweiten Abgasturboladers 3 umfaßt eine als variables Leitgitter 24 ausgeführte Regeleinrichtung 25 zur Regelung der durch diese Turbine 6 strömenden Abgasmenge.

Von dem Leitungsteil 21 der Abgasleitung 22 stromauf der Turbine 6 des zweiten Abgasturboladers 3 führt eine Abgasrückführungsleitung 26 in einen Leitungsteil 27 der Ladeluftleitung 18 auf der Saugseite 15 des Verdichters 7 des zweiten Abgasturboladers 3, wobei die Abgasrückführungsleitung 26 stromab einer in der Ladeluftleitung 18 angeordneten Rückschlagklappe 28 in die Ladeluftleitung 18 mündet. Das rückgeführte Abgas wird über einen Abgasverdichter 29 verdichtet, der im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 der Verdichter 7 des zweiten Abgasturboladers 3 ist.

Wird der Verdichter 7 als reiner Abgasverdichter 29 betrieben (geschlossenen Rückschlagklappe 28), herrscht an einer Einspeisestelle 26a der Abgasrückführungsleitung 26 nahezu der Abgasdruck, der an der Auslaßseite 23 der Brennkraftmaschine 1 herrscht. Die Energiebilanz ist bei einer Abgaseinspeisung stromab der Rückschlagklappe 28 aufgrund des kaum abgedrosselten Abgasdruckes wesentlich günstiger als bei einer in etwa mit Umgebungsdruck erfolgenden Abgaseinspeisung stromauf der Rückschlagklappe 28.

Von der Abgasrückführungsleitung 26 zweigt ein Leitungsteil 30 ab, das auf die Druckseite 14 des als Abgasverdichter 29 arbeitenden Verdichters 7 des zweiten Abgasturboladers 3 mündet.

Im Mischbetrieb des Verdichters 7, also bei geöffneter Rückschlagklappe 28 (gleichzeitig Ladeluftlieferung und Abgasrückführung), ist aus energetischen Gründen für die Einspeisung von Abgas die Druckseite 14 des Verdichters 7 zu bevorzugen, beispielsweise eine Einspeisung direkt in einen hinter dem Verdichterrad angeordneten Diffusorkanal 14a des Verdichters 7.

In der Abgasrückführungsleitung 26 und in dem Leitungsteil 30 ist jeweils ein Regelventil 31, 32 angeordnet, wobei jedes dieser Regelventile 31, 32 auch die Funktion eines Rückschlagventils hat.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Abgasturbolader 2 speziell für die Lieferung von Ladeluft ausgelegt. Die Abgasrückführung wird lediglich durch den Verdichter 7 des zweiten Abgasturboladers 3 vorgenommen, wobei dieser Verdichter 7, wegen der hohen Abgastemperaturen, eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.

Das variable Leitgitter 24 nebst Betätigungselement 33 und die Regelventile 31, 32 werden über einen Regler 34 betätigt, der die Abgasrückführung in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 regelt. Die Verbindung des Reglers 34 zum Betätigungselement 33 und zu den Regelventilen 31 und 32 ist in den Fig. 1 und 2 strichliert angedeutet.

In dem Leitungsteil 16 der Ladeluftleitung 18 des Verdichters 5 des ersten Abgasturboladers 2 ist ein Ladeluftkühler 35 in prinzipiell bekannter Weise angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Trennung von Ladeluftlieferung und Abgasrückführung ist die Verwendung des Ladeluftkühlers problemlos möglich, da dieser nur Ladeluft des ersten Verdichters 5 kühlen muß und keine Durchströmung des Kühlers mit Abgas erfolgt. Die Durchströmung des Kühlers mit Abgas ist insofern problematisch, als die Ablagerung von Abgaspartikeln im Kühler dessen Lebensdauer erheblich reduziert.

Fig. 2 zeigt eine aufgeladene Brennkraftmaschine 1 analog Fig. 1. Für gleiche Bauteile werden gleiche und für ähnliche Bauteile apostrophierte Bezugszeichen verwendet.

Die aufgeladene Brennkraftmaschine 1 umfaßt zwei parallel geschaltete Abgasturbolader 2 und 3&min;, die jeweils eine Turbine 4 und 6 mit einer Einströmseite 8 und 10&min; und einer Ausströmseite 9 und 11&min; und jeweils einen Verdichter 5 und 7&min; mit einer Druckseite 12 und 14&min; und einer Saugseite 13 und 15&min; aufweisen.

Jede Einströmseite 8, 10&min; der Turbine 4, 6&min; ist über ein Leitungsteil 20, 21 einer Abgasleitung 22 mit der Auslaßseite 23 der Brennkraftmaschine 1 verbunden.

Die Turbine 6&min; des zweiten Abgasturboladers 3&min; umfaßt eine als variables Leitgitter 24&min; ausgeführte Regeleinrichtung 25 zur Regelung der durch diese Turbine 6&min; strömenden Abgasmenge.

Auf der Turbinenseite des zweiten Abgasturboladers 3&min; ist ein weiterer Verdichter 36 angeordnet, dessen Verdichterrad auf der wellenseitigen Stirnseite des Turbinenrades der Turbine 6&min; sitzt.

Von dem Leitungsteil 21 der Abgasleitung 22 stromauf der Turbine 6&min; des zweiten Abgasturboladers 3&min; führt eine Abgasrückführungsleitung 26&min; auf die Saugseite 37 des Verdichters 36. Ein Leitungsteil 38 der Abgasrückführungsleitung 26&min; führt von einer Druckseite 39 des Verdichters 36 in den Leitungsteil 17 der Ladeluftleitung 18 auf der Druckseite 14&min; des Verdichters 7&min; des zweiten Abgasturboladers 3&min;.

Im gezeigten Beispiel gemäß Fig. 2 ist die Rückschlagklappe 28 auf der Saugseite 15&min; des Verdichters 7&min; angeordnet. Sie kann jedoch auch auf der Druckseite 14&min; angeordnet sein, wobei dann die Rückschlagklappe 28 in Ladeluftströmungsrichtung stromauf einer Einmündungsstelle 40 im Leitungsteil 17 placiert ist, in der die Abgasrückführungsleitung 26&min; in das Leitungsteil 17 mündet.


Anspruch[de]
  1. 1. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei parallel geschalteten Abgasturboladern, die jeweils eine Turbine mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite und jeweils einen Verdichter mit einer Druckseite und einer Saugseite aufweisen, wobei jede Druckseite dieser Verdichter über eine Ladeluftleitung mit der Einlaßseite und jede Einströmseite dieser Turbinen über eine Abgasleitung mit der Auslaßseite der Brennkraftmaschine verbunden ist und wobei die Turbine des zweiten Abgasturboladers eine Regeleinrichtung zur Regelung der Abgasmenge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der stromauf der Turbine (6) des zweiten Abgasturboladers (3) angeordneten Abgasleitung (22) und der stromab einer Rückschlagklappe (28) angeordneten Ladeluftleitung (18) des Verdichters (7) des zweiten Abgasturboladers (3) eine Abgasrückführungsleitung (26) angeordnet ist, wobei das rückgeführte Abgas mit einem Abgasverdichter (29) komprimierbar ist.
  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasverdichter (29) der Verdichter (7) des zweiten Abgasturboladers (3) ist.
  3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasverdichter (29) ein auf der Turbinenseite des zweiten Abgasturboladers (3) angeordneter weiterer Verdichter (36) ist.
  4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichterrad des Verdichters (36) auf der wellenseitigen Stirnseite des Turbinenrades der Turbine (6) angeordnet ist.
  5. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der Abgasrückführungsleitung (26) vor Eintritt in den Abgasverdichter (29, 7) ein Leitungsteil (30) abzweigt, das auf die Druckseite (14) des Verdichters (7) des zweiten Abgasturboladers (3) mündet.
  6. 6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (5) des ersten Abgasturboladers (2) speziell für die Lieferung von Ladeluft ausgelegt ist und daß Abgas lediglich durch den Verdichter (7) des zweiten Abgasturboladers (3) förderbar ist.






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