Luftzuführvorrichtung an einem Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft eine Luftzuführvorrichtung an einem Verbrennungsmotor, insbesondere an einem Dieselmotor, mit einem in der Einlassleitung angeordneten Turbo-Kompressor, dessen Turbine von den Auslassgasen des Motors betrieben wird. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Dieselmotoren, bei denen für jeden Zylinder der in die Verbrennungsluft eingespritzte Treibstoff durch Kompression der Luft gezündet wird.
Während die Anwendung von Abgas-betriebenen Turbo-Kompressoren im Vergleich mit von der Motorwelle angetriebenen Turbo-Kompressoren den Vorteil einer ner begrenzten Reduktion der Kompressor Geschwindigkeit und eine dadurch bedingte begrenzte Reduktion des Einspritzdruckes aufweist, wenn die Geschwindigkeit der Machine, insbesondere unter starker Last, abfällt, bestand trotzdem die Gefahr, dass der Einspritzdruck unter diesen Bedingungen unerwünscht stark absinkt. Dasselbe gilt, wenn die Maschine in der Nähe der maximalen Geschwindigkeit mit einer geringen Leistung betrieben wird, weil in beiden Fällen die zur Verfügung stehende Abgasenergie geringer ist, als wenn die Maschine mit hoher Geschwindigkeit und maximaler Leistung betrieben wird.
Ferner hat der Turbo-Kompressor keinen ausreichenden Einspritzdruck beim Start der Maschine geliefert, wenn praktisch keine Abgasenergie zur Verfügung steht, um den Turbo-Kompressor zu betreiben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anordnung für einen Abgas-betriebenen Turbo-Kompressor anzugeben, so dass dieser bei den genannten Bedingungen zu einer höheren Druckabgabe in der Lage ist, wobei ein allgemeines Ansteigen der vom Turbo Kompressor abgegebenen Leistung wünschenswert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Abgas-betriebene Turbo-Kompressor mit einem zusätzlichen Verbrennungsraum verbunden ist, der eine Einspritz- und eine Zündvorrichtung umfasst, dass der Lufteinlass dieses Verbrennungsraumes mit dem Ausgang des Kompressors verbunden ist, und dass der Ausgang des Verbrennungsraums mit dem Eingang der den Turbo-Kompressor treibenden Turbine verbunden ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Motors, bei dem ein zusätzlicher Verbrennungsraum in einer Verbindung zwischen dem Kompressor-Ausgang und der Auspuffleitung angeordnet ist, und
Fig. 2 eine ähnliche Darstellung, bei welcher der zusätzliche Verbrennungsraum von den Abgasen des Dieselmotors durchströmt wird.
Gemäss Fig. 1 ist ein Diesel-Verbrennungsmotor 1 vorgesehen, der mit einem elektrischen Anlasser und Generator 2 versehen ist. Von einer Lufteinlassöffnung 4 wird Luft über eine Einlassleitung 3 einem Einlass 2a zugeführt. In einem zu einem Turbo-Verdichter gehörenden Gebläse oder Kompressor 5, der von einer Turbine 6 angetrieben wird, welche wiederum mit einem Auslass 2b des Dieselmotors 1 in Wirkverbindung steht, werden die über eine Auslassleitung 7 zugeführten Gase nach Abgabe eines Teils ihrer Energie an die Turbine 6 einem Auspuff 8 zugeführt. Dort werden die Auspuffgase entweder direkt oder über einen Wärmetauscher 26 dazu benutzt, die vom Kompressor 5 kommende, dem Motor zugeführte Frischluft zu envärmen. Eine mit dem Anlasser und Generator 2 zusammenwirkende Batterie 10 ist mit diesen über eine Anlassteuereinheit 11 verbunden.
Zusätzlich zu der Gaszuführung von dem Auslass 2b des Dieselmotors 1 an die Turbine 6 ist an die Aus lassieitung 7 der Auslass eines zusätzlichen Verbrennungsraums 13 angeschlossen, der in einem Parallelzweig 12 angeordnet ist. Dieser Parallelzweig führt von der zwischen dem Ausgang des Kompressors 5 und dem Einlass 2a des Dieselmotors 1 angeordneten Lufteinlassleitung 3 zur Auslassleitung 7, welche die Speiseleitung für die Turbine 6 darstellt. Der Verbrennungsraum 13 enthält eine Einspritzdüse 14, welcher Brennstoff über eine von dem Kompressor 5 und der Turbine 6 betriebene Einspritzpumpe 15 und über ein Ventil 16 zugeführt wird.
Dieses Ventil enthält eine Magnetsteuerung, die von der Anlass-Steuereinheit 11 elektrisch betätigt wird, und zwar beispielsweise in Abhängigkeit von einem von der Turbinengeschwindigkeit abhängigen Signal. Ausserdem enthält der Verbrennungsraum 13 eine elektrische Zündeinrichtung 17, durch welche der über die Einspritzdüse 14 eingeführte Brennstoff gezündet werden kann. Auch diese Zündeinrichtung wird von der Anlass-Steuereinheit 11 gesteuert. Diese Anlass-Steuereinheit 11 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie automatisch die dem Verbrennungsraum 13 zugeführte Kraftstoffmenge steuert, um die Temperatur des Verbrennungsgases auf ein zulässiges Maximum von beispielsweise 9500 K zu begrenzen und um andererseits die Geschwindigkeit der Turbine sicherheitshalber auf ein bestimmtes Maximum zu begrenzen.
Schliesslich ist der Turbo-Verdichter 5, 6 mit einem kombinierten elektrischen Motor/Generator 18 ausgestattet, der durch die Anlass-Steuereinheit 11 so gesteuert wird, dass er zu Beginn des Anlassvorganges mit Strom von der Batterie 10 versorgt wird, um als Motor den Turbo-Verdichter anzutreiben, und dass er Ladestrom abgibt, und/oder die Energieabgabe der Batterie 10 unterstützt, sobald eine genügende An triebskraft für die Turbine 6 vom Verbrennungsraum 13 geliefert wird.
Um während des Anlaufvorganges zu verhindern, dass innerhalb des Motors 1 ein Staudruck entsteht, der mit dem der Turbine 6 zugeführten Druck ansteigt, ist die vom Auslass 2b kommende Auslassleitung 7 vorzugsweise mit einem Ablassventil 34 versehen, das in Fig. 1 als Magnetventil angedeutet ist und das bei Erregung durch die Anlass-Steuereinheit 11 die in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Position einnimmt, in der die Auslassleitung 7 mit der Atmosphäre verbunden ist, wobei diese Verbindung vorzugsweise auf den Auspuff 8 geführt ist, wodurch die Turbine 6 umgangen wird. Zur gleichen Zeit ist durch das Ventil 34 die Auslassleitung 7 vom Eingang der Turbine 6 und vom Zweig 12, der den Verbrennungsraum 13 enthält, abgetrennt.
Schaltet die Anlass-Steuereinheit 11 die Erre- gung für das Ventil 34 ab, nimmt dieses die in Fig. 1 voll ausgezogene Stellung ein, sobald die von dem Motor kommenden Auspuffgase die Auslassleitung 7 erreichen.
Um die Einlassleitung 3 und die Auslassleitung 7 des Dieselmotors zu trennen, kann in dem den Verbrennnungsraum 13 enthaltenden Parallelzweig ein Ventil 19 vorgesehen sein. Dieses Ventil 19 kann manuell betätigt werden, oder aber zum automatischen Betrieb ausgelegt sein, beispielsweise durch Steuerung von der Anlass-Leitung 11, derart, dass es nur solange geöffnet ist, wie Brennstoff über die Einspritzdüse 14 zugeführt wird.
Der Turbo-Verdichter 6, 5 ist nicht nur während der Startperiode des Dieselmotors in Betrieb, sondern auch während des gesamten späteren Betriebs. Aus diesem Grund ist es in vielen Fällen überflüssig, neben dem Motor/Generator 18, der durch die Turbine 6 angetrieben wird, noch einen separaten elektrischen Generator vorzusehen, der durch den Dieselmotor selbst angetrieben wird. Dadurch kann der Starter 2 für den Dieselmotor stark vereinfacht werden, da er nicht als Generator betrieben werden muss, bzw. mit einem Generator kombiniert sein muss, um die Batterie 10 aufzuladen. Ausserdem ist der Turbo-Verdichter als Kraftquelle für den Betrieb von Hilfseinrichtungen verfügbar, z. B. wenn der Dieselmotor vor dem Start angewärmt wird, sowie auch nach dem Start des Dieselmotors.
Die Auslass-Gase von der Turbine 6 können auch benutzt werden, um direkt oder über einen Wärmetauscher die einer Luftversorgungsanlage oder eine Klimaanlage 26 zugeführte Luft zu erwärmen. Frische Luft wird diesem System durch ein zweites Turbo-Gebläse 25 zugeführt, das ebenfalls von der Turbine 6 des Turbo-Verdichters 6, 7 angetrieben wird.
In dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel sind solche Teile, die dieselbe Funktion haben wie diejenigen aus Fig. 1, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass nur diejenigen Teile beschrieben werden müssen, welche zusätzlich vorhanden sind. Der Verbrennungsraum 13 gemäss Fig. 1, der vollständig in dem Parallelzweig 12 angeordnet ist, ist durch einen abgeänderten Verbrennungsraum 23 ersetzt, dessen Eingangsteil, der die Einspritzdüse 14 und die Zündeinrichtung 17 umfasst, mit dem Ende des Parallelzweiges 12 zusammenfällt. Der restliche Teil des Verbrennungsraumes 23 ist als Teil der Auslassleitung 7 zu betrachten, die von dem Auslass 2b des Dieselmotors zur Turbine 6 geführt ist. Die vom Auslass 2b kommenden Auspuffgase passieren daher den zuletzt erwähnten Teil des Verbrennungsraumes.
Diese Konstruktion ist besonders vorteilhaft. da die Luft, welche den Verbrennungsraum 23 über den Parallelzweig 12 erreicht, nicht ausreicht, um die Verbrennung des über die Einspritzdüse 14 zugeführten Kraftstoffes vollständig vorzunehmen, und zwar zu einer Zeit, zu der die Auspuffgase, die von dem Auslass 2b kommen, einen relativ hohen Restbestand an Sauerstoff aufweisen, wenn der Motor unter leichter Last läuft, d. h. wenn nur eine kleine Brennstoffmenge in die in jedem Zylinder enthaltene Luftmenge gegeben wird. Durch die Wirkung dieser Auspuffgase wird die Temperatur innerhalb des Verbrennungsraumes in den gewünschten Grenzen gehalten, während der Sauerstoffanteil dieser Gase für eine vollständige Verbrennung des über die Einspritzdüse 14 eingegebenen Brennstoffes sorgt.
Durch diesen Effekt wird bei geringen Motorlasten nicht nur eine Reduktion des vom Kompressor 5 gelieferten Einspritzdruckes vermieden, sondern es kann auch elektrische Energie durch den Motor/Generator 18 gewonnen werden und!oder gegebenenfalls Energie zum Antrieb von Hilfsaggregaten.
Zum Anlassen eines hier beschriebenen Motors mit einem Turbo-Verdichter wird der Turbo-Verdichter vorteilhafterweise vor dem Motor gestartet, und zwar mit einem beliebigen Energie-Speicher, worauf dann mit Hilfe einer grösseren gespeicherten Energie der Motor angelassen wird. Obwohl sich ein solcher Motor auch durch Muskelkraft anwerfen lässt, wird ein Motoranlasser bevorzugt, insbesondere ein elektrisch betriebener.
Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es jedoch möglich, wie in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet, einen Druckspeicher 31 vorzusehen, der während des normalen Betriebs des Motors und des Turbo-Verdichters über ein Rückschlagventil 32 durch den Kompressor geladen wird und der nach Öffnen eines weiteren Ventils 33, beispielsweise eines Magnetventils, das beispielsweise von der Anlass-Steuereinheit 11 ge steuert wird, die gespeicherte Luft zum Betrieb der Turbine 6 abgibt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Ventilanordnung 31 von Fig. 1 auf diejenige Anordnung von Fig. 2 zu übertragen. Die wesentliche Idee der vorliegenden Anordnung besteht darin, zusätzlich zu dem von den Abgasen eines Verbrennungsmotors betriebenen Turbo-Verdichter für die Einlassluft einen Parallelzweig vorzusehen, der einen Teil- der Kompressor Ausgangsluft auf den Eingang der Turbine führt. Ferner sind Mittel vorgesehen, um die durch diesen Parallelzweig strömende Luft zur Verbrennung von zusätzlichem Kraftstoff zu verwenden, um die Geschwindigkeit des Turbo-Verdichters ansteigen zu lassen oder wenigstens einen Abfall derselben, wenigstens unter bestimmten Arbeitsbedingungen, zu verhindern.
Durch diese Massnahmen wird im Vergleich zu bekannten Motoren mit Abgas-betriebenen Gebläseanordnungen die Luftmenge pro Arbeitshub des Motors erhöht und dadurch mehr Brennstoff im Motor verbrannt. Ferner kann eine zusätzliche Anfangsenergie an der Welle des Turbo-Verdichters zur Verfügung gestellt werden, die sogar bei stationären Motoren zur Energieversorgung herangezogen werden kann. Ferner kann das Konstruktionsprinzip des Motors abgeändert werden, da in einem konventionellen Motor mit Turbo-Verdichter das Mass des Kompressions-Verhältnisses von einem Minimum beim Stillstand des Motors bis zu einem Maximum schwankt, so dass das Kompressions-Verhältnis des Motors so gewählt werden muss, dass der Motor mit dem geringen Kompressionsverhältnis gestartet werden kann. Bei der beschriebenen Anordnung kann jedoch das Kompressionsverhältnis im wesentlichen konstant gehalten werden.
Ferner kann in bekannten Kompressionsmotoren die Selbstentzündungstemperatur sehr empfindlich gegenüber Schwankungen der Temperatur und der Kurbelwellengeschwindigkeit sein, während die beschriebene Anordnung diese Probleme im wesentlichen beseitigt.
Wegen des bereits beim Start auftretenden hohen Kompressionsverhältnisses wird der Startvorgang wesentlich verkürzt. Es hat sich ergeben, dass für einen erfolgreichen Start bereits ein einziger Füll- und Kompressionsvorgang in einem Zylinder genügt. Ferner wurde festgestellt, dass ein solcher Motor unmittelbar nach dem Start belastbar ist, sogar bei sehr geringen Aussentemperaturen, während ein bekannter Dieselmotor mit 250 PS bei einer Aussentemperatur von -26" C erst nach 20 Min. ansprach. Wird der Turbo Verdichter in der beschriebenen Anordnung über eine gewisse Zeit vor dem Starten des Verbrennungsmotors betrieben, kann eine grössere Menge von heissen Auslassgasen der Gasturbine dieses Verdichters zum Aufheizen des Motors benutzt werden, wodurch der spätere Startvorgang des Motors weiterhin begünstigt wird.
Ein bekannter, eine Leistung von 250 PS aufweisender Dieselmotor erreichte diese Leistung bei 2100 U.p.m. Durch Einbau der beschriebenen Anordnung wurde das Drehmoment dieses Motors bei 800 Umdrehungen um 80 O/o erhöht. Durch Berechnungen und Tests wurde weiter nachgewiesen, dass durch Reduzierung des Kompressionsverhältnisses des Motors bis unterhalb des minimalen zum Start ohne Einspritzen erforderlichen Kompressionsverhältnisses die Leistungsfähigkeit des Motors um mehr als 25 zur gesteigert werden kann, während gleichzeitig auch der Wirkungsgrad gesteigert wird. Bei Einbau des Motors beispielsweise in ein Fahrzeug kann durch das höhere Drehmoment bei geringeren Drehzahlen des Motors die Zahl der Getriebegänge reduziert werden und/oder ein wesentlich kleinerer Motor für den gleichen Zweck verwendet werden.
Durch Tests und Berechnungen wurde ferner eine wesentliche Verbesserung des Verbrennungsvorgangs im Motor nachgewiesen, sowie eine höhere Reinheit des Auspuffgase bei Grenztemperatur.
Abgesehen von dem normalen Betrieb der Anordnung beim Start des Motors kann die Anordnung dazu benutzt werden, Energie der Auspuffgase vom Verbrennungsmotor der Turbine des Turbo-Verdichters zuzuführen, wenn der Motor mit relativ niedriger Drehzahl läuft, wodurch der Turbo-Verdichter mit voller Geschwindigkeit betrieben wird und dadurch der Einspritzdruck bei geringen Motordrehzahlen erhalten bleibt. Ferner ist es möglich, den Einspritzdruck unabhängig von der Motorgeschwindigkeit zu steuern.
Durch diese Massnahme wird das Drehmoment des Motors bei niedrigen Drehzahlen wesentlich erhöht.
Andererseits fiel bei hoher Drehzahl des Motors und bei relativ geringer Last die Geschwindigkeit von bekannten Turbo-Verdichtern stark ab, wodurch eine Reduktion des Kompressionsverhältnisses der den Zylindern zugeführten Luft eintrat. Der Grund lag darin, dass der in den Zylindern des Motors enthaltenen Luft nur eine geringe Brennstoffmenge beigegeben wurde. Dadurch trat bei niedriger Motordrehzahl eine Erniedrigung der Betriebstemperatur auf, wodurch die Energie der dem Turbo-Verdichter bzw. dessen Turbine zugeführten Auspuffgase reduziert wurde.
Da unter diesen Voraussetzungen die Menge der dem Motor zugeführten Luft von der Motorgeschwindigkeit abhängt, und zwar unabhängig von dessen Belastung, so dass die zugeführte Luftmenge auch bei geringer Last ein Maximum beträgt, steht nur eine äusserst geringe Luftmenge des Turbo-Verdichters zur Verfügung, um den Verbrennungsraum zu versorgen, der weitere Energie für den Turbo-Verdichter abgibt. Unter diesen Bedingungen ist wegen der geringen Brennstoffmenge, die bei jedem Zylinderakt verbrennt, eine relativ grosse Menge überschüssiger Luft im Auspuffgas vorhanden, weshalb in der beschriebenen Anordnung diese Luft zur Verbrennung mit Hilfe eines zusätzlich beigegebenen Brennstoffes herangezogen wird, wodurch die Energie des der Turbine des Turbo-Verdichters zugeführten Gases einen höheren Wert erreicht.
Dies wird erreicht durch die Anordnung des zusätzlichen Verbrennungsraums im Bereich der Auslassleitung des Motors, wodurch eine vollständige Verbrennung von eingegebenem Brennstoff erreicht wird, wozu die von dem Kompressorausgang zugeführte Luft allein nicht ausreichen würde. Die gemäss dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehene Anordnung enthält einen zusätzlichen Verbrennungsraum, bei welchem der Eingangsteil des Verbrennungsraums mit der vom Kompressorausgang kommenden Zuführungsleitung verbunden ist und wobei der Verbrennungsraum eine Einspritz- und Zündeinrichtung umfasst, so dass die Verbrennung des eingegebenen Brennstoffes auch stattfindet, wenn keine Verbrennungsprodukte vom Motor vorliegen.
Vorteilhafterweise ist dieses Eingangsteil mit einem weiteren Teil des Verbrennugnsraumes verbunden, durch welches die vom Verbrennungsmotor kommenden Auspuffgase dem Turbineneinlass zugeführt werden und in den die heissen Verbrennungsgase vom Eingangsteil des Verbrennungsraumes hineingeführt werden. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn Sauerstoff in dem Auspuffgas des Motors enthalten ist, der dann eine vollständige Verbrennung der dem zusätzlichen Verbrennungsraum zugeführten Brennstoffe vornimmt.
Air supply device on an internal combustion engine
The invention relates to an air supply device on an internal combustion engine, in particular on a diesel engine, with a turbo-compressor arranged in the inlet line, the turbine of which is operated by the exhaust gases of the engine. A preferred field of application are diesel engines, in which the fuel injected into the combustion air for each cylinder is ignited by compressing the air.
While the use of exhaust gas-operated turbo compressors has the advantage of a limited reduction in the compressor speed and a limited reduction in the injection pressure caused by this, when the speed of the machine, especially under heavy load, has the advantage of being able to use turbo compressors driven by the motor shaft. drops, there was nevertheless the risk that the injection pressure would drop undesirably sharply under these conditions. The same applies when the machine is operated in the vicinity of the maximum speed with a low power, because in both cases the available exhaust gas energy is less than when the machine is operated at high speed and maximum power.
Furthermore, the turbo-compressor has not delivered sufficient injection pressure at the start of the engine when there is practically no exhaust-gas energy available to operate the turbo-compressor.
The object of the invention is to provide an improved arrangement for an exhaust gas-operated turbo compressor so that it is capable of a higher pressure output under the conditions mentioned, a general increase in the power output by the turbo compressor being desirable.
This object is achieved according to the invention in that the exhaust-gas-operated turbo compressor is connected to an additional combustion chamber which comprises an injection and an ignition device, that the air inlet of this combustion chamber is connected to the outlet of the compressor, and that the outlet of the combustion chamber is connected to the inlet of the turbine driving the turbo compressor.
In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings.
Show it:
1 shows the schematic representation of an engine in which an additional combustion chamber is arranged in a connection between the compressor outlet and the exhaust line, and
2 shows a similar representation in which the exhaust gases from the diesel engine flow through the additional combustion chamber.
According to FIG. 1, a diesel internal combustion engine 1 is provided which is provided with an electrical starter and generator 2. From an air inlet opening 4, air is supplied to an inlet 2a via an inlet line 3. In a fan or compressor 5 belonging to a turbo compressor, which is driven by a turbine 6, which in turn is in operative connection with an outlet 2b of the diesel engine 1, the gases fed in via an outlet line 7 after having given off part of their energy to the Turbine 6 is fed to an exhaust 8. There the exhaust gases are used either directly or via a heat exchanger 26 to warm the fresh air coming from the compressor 5 and supplied to the engine. A battery 10 interacting with the starter and generator 2 is connected to them via a starter control unit 11.
In addition to the gas supply from the outlet 2b of the diesel engine 1 to the turbine 6, the outlet of an additional combustion chamber 13, which is arranged in a parallel branch 12, is connected to the outlet line 7. This parallel branch leads from the air inlet line 3 arranged between the outlet of the compressor 5 and the inlet 2a of the diesel engine 1 to the outlet line 7, which represents the feed line for the turbine 6. The combustion chamber 13 contains an injection nozzle 14, which fuel is supplied via an injection pump 15 operated by the compressor 5 and the turbine 6 and via a valve 16.
This valve contains a solenoid control which is actuated electrically by the starter control unit 11, for example as a function of a signal that is dependent on the turbine speed. In addition, the combustion chamber 13 contains an electrical ignition device 17 by means of which the fuel introduced via the injection nozzle 14 can be ignited. This ignition device is also controlled by the starter control unit 11. This start-up control unit 11 is preferably designed so that it automatically controls the amount of fuel supplied to the combustion chamber 13 in order to limit the temperature of the combustion gas to a permissible maximum of, for example, 9500 K and, on the other hand, to limit the speed of the turbine to a certain maximum for safety reasons .
Finally, the turbo compressor 5, 6 is equipped with a combined electric motor / generator 18, which is controlled by the starting control unit 11 so that it is supplied with power from the battery 10 at the beginning of the starting process to operate the turbo as a motor -Compressor to drive, and that it delivers charging current, and / or supports the energy delivery of the battery 10, as soon as a sufficient driving force for the turbine 6 from the combustion chamber 13 is supplied.
In order to prevent a dynamic pressure from developing within the motor 1 during the start-up process, which rises with the pressure supplied to the turbine 6, the outlet line 7 coming from outlet 2b is preferably provided with an outlet valve 34, which is indicated in FIG. 1 as a solenoid valve and which, when excited by the starter control unit 11, assumes the position shown in dashed lines in FIG. 1, in which the outlet line 7 is connected to the atmosphere, this connection preferably being led to the exhaust 8, whereby the turbine 6 is bypassed. At the same time, the valve 34 separates the outlet line 7 from the inlet of the turbine 6 and from the branch 12 which contains the combustion chamber 13.
If the starter control unit 11 switches off the excitation for the valve 34, the valve 34 assumes the fully extended position in FIG. 1 as soon as the exhaust gases coming from the engine reach the outlet line 7.
In order to separate the inlet line 3 and the outlet line 7 of the diesel engine, a valve 19 can be provided in the parallel branch containing the combustion chamber 13. This valve 19 can be operated manually, or it can be designed for automatic operation, for example by controlling the starting line 11, in such a way that it is only open as long as fuel is being supplied via the injection nozzle 14.
The turbo compressor 6, 5 is not only in operation during the starting period of the diesel engine, but also during the entire subsequent operation. For this reason, in addition to the motor / generator 18, which is driven by the turbine 6, it is superfluous in many cases to provide a separate electrical generator which is driven by the diesel engine itself. As a result, the starter 2 for the diesel engine can be greatly simplified, since it does not have to be operated as a generator or has to be combined with a generator in order to charge the battery 10. In addition, the turbo compressor is available as a power source for the operation of auxiliary equipment, e.g. B. when the diesel engine is warmed up before starting, as well as after starting the diesel engine.
The outlet gases from the turbine 6 can also be used to heat the air supplied to an air supply system or an air conditioning system 26 directly or via a heat exchanger. Fresh air is supplied to this system by a second turbo fan 25, which is likewise driven by the turbine 6 of the turbo compressor 6, 7.
In the second exemplary embodiment shown in FIG. 2, those parts which have the same function as those from FIG. 1 are provided with the same reference symbols, so that only those parts which are additionally present need to be described. The combustion chamber 13 according to FIG. 1, which is arranged completely in the parallel branch 12, is replaced by a modified combustion chamber 23, the inlet part of which, which includes the injection nozzle 14 and the ignition device 17, coincides with the end of the parallel branch 12. The remaining part of the combustion chamber 23 is to be regarded as part of the outlet line 7, which is led from the outlet 2b of the diesel engine to the turbine 6. The exhaust gases coming from outlet 2b therefore pass through the last-mentioned part of the combustion chamber.
This construction is particularly advantageous. since the air which reaches the combustion chamber 23 via the parallel branch 12 is not sufficient to completely carry out the combustion of the fuel supplied via the injection nozzle 14, namely at a time when the exhaust gases coming from the outlet 2b are relatively have high levels of residual oxygen when the engine is running under light load, i.e. H. when only a small amount of fuel is added to the amount of air contained in each cylinder. As a result of the effect of these exhaust gases, the temperature within the combustion chamber is kept within the desired limits, while the oxygen content of these gases ensures complete combustion of the fuel introduced via the injection nozzle 14.
This effect not only avoids a reduction in the injection pressure supplied by the compressor 5 at low engine loads, but electrical energy can also be obtained by the motor / generator 18 and, if necessary, energy for driving auxiliary units.
To start a motor described here with a turbo compressor, the turbo compressor is advantageously started before the motor, specifically with any energy storage device, whereupon the motor is started with the help of a larger stored energy. Although such a motor can also be started by muscle power, a motor starter is preferred, in particular an electrically operated one.
According to a further exemplary embodiment, however, as indicated by dash-dotted lines in FIG. 1, a pressure accumulator 31 is provided which is charged by the compressor via a check valve 32 during normal operation of the engine and the turbo-compressor and which is charged after opening another valve 33, for example a solenoid valve, which is controlled by the starter control unit 11, for example, which releases the stored air for operating the turbine 6.
Of course, it is also possible to transfer the valve arrangement 31 from FIG. 1 to that arrangement from FIG. 2. The main idea of the present arrangement is to provide, in addition to the turbo-compressor operated by the exhaust gases of an internal combustion engine, a parallel branch for the inlet air, which leads part of the compressor outlet air to the inlet of the turbine. Means are also provided to use the air flowing through this parallel branch for the combustion of additional fuel in order to increase the speed of the turbo-compressor or at least to prevent a decrease of the same, at least under certain working conditions.
As a result of these measures, the amount of air per working stroke of the engine is increased in comparison with known engines with exhaust-gas-operated fan arrangements, and more fuel is burned in the engine as a result. Furthermore, an additional initial energy can be made available on the shaft of the turbo compressor, which can even be used for energy supply in stationary engines. Furthermore, the design principle of the engine can be modified, since in a conventional engine with turbo-compressor the degree of the compression ratio fluctuates from a minimum when the engine is stopped to a maximum, so that the compression ratio of the engine must be chosen so that the engine can be started with the low compression ratio. With the arrangement described, however, the compression ratio can be kept substantially constant.
Furthermore, in known compression engines, the auto-ignition temperature can be very sensitive to variations in temperature and crankshaft speed, while the arrangement described essentially eliminates these problems.
Because of the high compression ratio already occurring at start-up, the start-up process is significantly shortened. It has been shown that a single filling and compression process in one cylinder is sufficient for a successful start. It was also found that such an engine is resilient immediately after starting, even at very low outside temperatures, while a known diesel engine with 250 HP only responded after 20 minutes at an outside temperature of -26 "C. If the turbo compressor is described in the Arrangement operated for a certain time before starting the internal combustion engine, a larger amount of hot exhaust gases from the gas turbine of this compressor can be used to heat the engine, which further promotes the later starting process of the engine.
A well-known diesel engine with an output of 250 hp achieved this output at 2100 rpm. By incorporating the arrangement described, the torque of this motor was increased by 80 o / o at 800 revolutions. Calculations and tests have also shown that by reducing the compression ratio of the engine to below the minimum compression ratio required to start without injection, the performance of the engine can be increased by more than 25, while at the same time the efficiency is increased. When installing the engine in a vehicle, for example, the higher torque at lower engine speeds can reduce the number of gears and / or use a significantly smaller engine for the same purpose.
Tests and calculations have also shown a significant improvement in the combustion process in the engine, as well as a higher purity of the exhaust gases at limit temperatures.
Apart from the normal operation of the arrangement at engine start-up, the arrangement can be used to energize the exhaust gases from the internal combustion engine to the turbine of the turbo-compressor when the engine is running at a relatively low speed, thereby operating the turbo-compressor at full speed and thereby the injection pressure is maintained at low engine speeds. It is also possible to control the injection pressure independently of the engine speed.
This measure significantly increases the engine torque at low speeds.
On the other hand, the speed of known turbo-compressors dropped sharply at high engine speed and at relatively low load, resulting in a reduction in the compression ratio of the air supplied to the cylinders. The reason was that only a small amount of fuel was added to the air contained in the cylinders of the engine. This resulted in a lowering of the operating temperature at low engine speed, as a result of which the energy of the exhaust gases fed to the turbo-compressor or its turbine was reduced.
Since, under these conditions, the amount of air supplied to the engine depends on the engine speed, regardless of its load, so that the amount of air supplied is a maximum even with a low load, only an extremely small amount of air from the turbo-compressor is available to to supply the combustion chamber, which gives off more energy for the turbo compressor. Under these conditions there is a relatively large amount of excess air in the exhaust gas due to the small amount of fuel that burns with each cylinder act, which is why in the arrangement described this air is used for combustion with the help of an additionally added fuel, whereby the energy of the turbine of the Turbo compressor supplied gas reaches a higher value.
This is achieved by arranging the additional combustion chamber in the area of the outlet line of the engine, as a result of which complete combustion of the fuel introduced is achieved, for which the air supplied from the compressor outlet alone would not be sufficient. The arrangement provided according to the preferred exemplary embodiment contains an additional combustion chamber, in which the inlet part of the combustion chamber is connected to the supply line coming from the compressor outlet and the combustion chamber comprises an injection and ignition device so that the fuel fed in also burns when there are no combustion products from the engine.
This input part is advantageously connected to a further part of the combustion chamber through which the exhaust gases coming from the internal combustion engine are fed to the turbine inlet and into which the hot combustion gases from the input part of the combustion chamber are fed. This embodiment is particularly advantageous when the exhaust gas from the engine contains oxygen, which then completely burns the fuels supplied to the additional combustion chamber.