DE1174107B - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: F 02 b

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 46 a9 - 23

1174 107
S 715661 a/46 a9
7. Dezember 1960
16. JuH 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und mindestens zwei voneinander getrennten Auspuffleitungen, die an jeweils verschiedene Zylinder, deren Steuerzeiten sich nicht überschneiden, angeschlossen sind, mit einem in der Nähe des Turboladers angeordneten Umschaltorgan versehen sind und zu getrennten Düsensegmenten der Turbine des Turboladers führen.

Bekanntlich haben Motoren mit frei laufenden, d. h. nur durch Abgase angetriebenen Abgasturboladern den Nachteil, daß bei Leerlauf oder kleiner Last die Drehzahl der Abgasturbine derart klein ist, daß nur ein sehr geringer Spül- bzw. Ladedruck aufrechterhalten wird und die Maschine aus diesem Zustand nur langsam beschleunigt und einer Verstellung des Kontrollhebels in Richtung Vollast nur zögernd folgt.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, jede Auspuffleitung einer Brennkraftmaschine vor der Turbine mit einer Verzweigung zu versehen, die aus zwei Rohren besteht, von denen jedes zu einem getrennten Düsensegment der gleichen oder zweier verschiedener Turbinen führt. Eines dieser Rohre wird durch eine Klappe bei Kleinlast verschlossen, so daß die Auspuffgase nur in eines der Düsensegmente gelangen. Auf diese Weise wird der wirksame Düsenquerschnitt der Abgasturbine bei Kleinlast auf die Hälfte verkleinert und der Luftdruck in der Spülleitung auf das erforderliche Maß erhöht. Die Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß eine große Anzahl voneinander getrennter Turbinensegmente erforderlich ist, und zwar das zweifache der Anzahl der Auspuffrohre, und für jedes Rohr eine besondere Auspuffklappe. Außerdem entstehen bei der Aufteilung der Strömung bei Vollast unerwünschte Wirbelverluste, und es ist schwierig, das Gesamtvolumen der Auspuffrohre infolge der Verzweigungen klein zu halten, was seinerseits wieder eine unerwünschte Verflachung der Auspuffstöße verursacht. Es ist auch vorgeschlagen worden, zwei parallel geschaltete Abgasturbolader vorzusehen und bei Teillast jeweils einen davon abzuschalten. Diese Ausführung hat jedoch den zusätzlichen Nachteil, daß sie mindestens zwei Turbolader zu ihrer Realisierung benötigt. Bei einer anderen Ausführung werden je zwei Auspuffrohre mit Verbindungsleitungen versehen, die durch Klappen verschließbar sind. Diese Klappen sind bei Volllast so gestellt, daß die Verbindungsleitungen offen sind und schließen bei Teillast die Verbindungsleitungen ab. Durch diese Anordnung wird das Auspuffrohrsystem zusammen mit den Betätigungsorga-Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Anmelder:

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,
Winterthur (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,
ίο Schwelm (Westf.), Westfalendamm 10

Als Erfinder benannt:

Hans Conrad Sonderegger, Winterthur (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 2. Dezember 1960 (13 488)

nen der Klappen kompliziert. Da bei Vollast ein Teil der Auspuffgase aus einem Auspuffrohr ins benachbarte überströmt, entsteht auch die vorher erwähnte unerwünschte Entspannung zufolge des vergrößerten Volumens der beiden Auspuffrohre. Außerdem ist bei dieser Ausführung eine schädliche gegenseitige Beeinflussung der beiden Auspuffleitungen durch Reflektionen von Druckwellen nicht ausgeschlossen. Diese ist um so unangenehmer, als sie bei Vollast, also bei normalem Betriebszustand auftritt.

Erfindungsgemäß wird eine Vereinfachung des Auspuffsystems der Brennkraftmaschine gegenüber dem Bekannten erzielt, bei gleichzeitiger Verbesserung der Funktion. Eine mit dem erfindungsgemäßen Auspuffsystem ausgestattete Maschine arbeitet in allen Drehzahl- und Lastbereichen mit verbessertem Wirkungsgrad und macht keine Schwierigkeiten bei einer Beschleunigung aus dem Leerlauf. Das wird dadurch erreicht, daß das Umschaltorgan bei Leerlauf oder kleiner Motorlast mindestens eine der Auspuffleitungen verschließt und gleichzeitig eine die Auspuffleitungen untereinander verbindende Öffnung freigibt, und dadurch die Auspuffgase mindestens zweier Auspuffleitungen' auf ein und dasselbe Düsensegment leitet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine schematisch dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader,

Fig. 2 ein Detail aus der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

409 630/182

Fig. 3 einen Schnitt nach A-A in Fig. 2,

F i g. 4 den zur Steuerung des Motors und gleichzeitig zur Betätigung einer in den Auspuffleitungen angeordneten Klappe dienenden Kontrollhebel,

Fig. 5 ein Diagramm des Verlaufes des wirksamen Düsenquerschnittes der Turbine in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Kontrollhebels.

In F i g. 1 ist ein achtzylindriger Lokomotivdieselmotor 1 mit Auspuffleitungen 2, 3 dargestellt. Die Auspuffleitungen führen zu einem vor der Abgasturbine 5 angeordneten Einlaufgehäuse 6, welches einen Teil des Abgasturboladers bildet (F i g. T). Das Einlaufgehäuse 6 weist in der Trennwand zwischen zwei übereinander befindlichen Kanälen eine Öffnung 7 auf, die durch eine Klappe 8 verschließbar ist (gestrichelte Stellung in Fig. 2). Befindet sich die Klappe 8 in der in F i g. 2 voll gezeichneten Stellung, so ist die Öffnung 7 freigelegt und gleichzeitig der untere Kanal verschlossen. Die Klappe 8 wird durch einen Hebel 10 (F i g. 3) betätigt, welcher an die Kolbenstange 11 eines Druckluftzylinders 12 mit durch eine Feder 13 belastetem Kolben 14 angeschlossen ist. Die Zuführung von Druckluft zum Zylinder 12 wird durch einen Schieber 15 (F i g. 2) gesteuert, welcher durch eine elektromagnetische Spule 16 und einen in dieser beweglichen, unter der Wirkung einer Feder 19 stehenden, mit dem Schieber 15 verbundenen Anker 17 verstellt wird. Aus dem Einlaufgehäuse 6 gelangen die Abgase zu Düsensegmenten 18, einem Turbinenrad 20 und durch einen Diffusor 21 ins Freie. Das Turbinenrad 20 ist auf einer Welle 22 befestigt, welche das Laufrad 23 eines Turbogebläses 24 trägt. Aus dem Turbogebläse 24 gelangt die geförderte Luft durch eine Rohrleitung 25 (Fig. 3) in die Saug- bzw. Spülleitung der Brennkraftmaschine.

Bei Vollast ist die Klappe 8 derart eingestellt, daß sie die Öffnung 7 im Gehäuse 6 verschließt. Die aus den beiden Auspuffrohren zur Abgasturbine 20 zugeführten Abgase beeinflussen sich gegenseitig nicht, da die Auspuff leitungen voneinander getrennt sind. Gleichzeitig kann auf diese Weise ein geringstmögliches Volumen der einzelnen Auspuffleitungen, die direkt vom Motor zum betreffenden Düsensegment führen, eingehalten werden. Dabei ist die Spule 16 stromlos und der Anker 17 befindet sich zusammen mit dem Schieber 15 durch die Wirkung der Feder 19 in seiner oberen, nicht gezeichneten Stellung. Dadurch wird die Zufuhr von Druckluft in den Zylinder 12 gesperrt.

Bei Leerlauf oder geringer Motorlast wird die Spule 16 erregt und der Anker 17 zusammen mit dem Schieber 15 in die gezeichnete Stellung gebracht. Dadurch wird die Zufuhr von Druckluft in den Zylinder 12 geöffnet und der Kolben 14 in die gezeichnete Stellung hinuntergedrückt. Die Klappe 8 wird aus der die öffnung 7 verschließenden Lage in die gezeichnete Stellung gebracht. Dadurch werden die Abgase beider Auspuffleitungen zusammengefaßt und nur zu einem einzigen Düsensegment, und zwar im gezeichneten Beispiel dem oberen Düsensegment zugeführt. Durch diese Verstellung der Klappe wird eine Verkleinerung des von den Abgasen durchgeströmten Düsenquerschnittes auf die Hälfte erzielt, mit dem an sich bekannten Resultat, daß infolge einer Druckerhöhung in den Abgasleitungen die Drehzahl des Turboladers steigt, was eine Erhöhung des Druckes in der Luftleitung 25 zur Folge hat.

In Fig. 4 ist eine zur Betätigung der Klappe 8 dienende Anordnung am Kontrollhebel des Motors dargestellt. Ein Kontrollhebel 30 wirkt in an sich bekannter Weise auf einen Regler 29 ein und ist zwisehen den Stellungen 0 = Leerlauf und Max. = Volllast verstellbar. Normalerweise ist dieser Kontrollhebel separat vom Motor angeordnet und mittels pneumatischer oder elektrischer Mittel mit dem Regler verbunden. Der Hebel 30 weist erfindungsgemäß

ίο noch eine Stellung B = Bereitschaft auf, in welcher ein auf den Hebel 30 angeordneter elektrischer Kontakt mit einer Kontaktplatte 31 Kontakt schließt und auf diese Weise einen Stromdurchfluß aus einer Stromquelle 32 durch eine elektrische Leitung 33 ermöglicht. Die Leitung 33 ist an die Spule 16 (F i g. 2) angeschlossen und bildet mit dieser einen Stromkreis.

Befindet sich der Hebel 30 in der Stellung 0, so

arbeitet die Brennkraftmaschine im Leerlauf, und die Klappe 8 befindet sich in der gestrichelten Stellung. Der Turbolader hat eine geringe Drehzahl, welche zur Gewährleistung des Leerlaufes, jedoch nicht zu einer wirksamen Beschleunigung der Brennkraftmaschine ausreicht. Der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine ist dabei gering. Soll nun der Motor rasch beschleunigt werden und Last aufnehmen, so wird der Kontrollhebel 30 zuerst in die Stellung B gebracht, wodurch der Stromkreis der Stromquelle 32 über die Spule 16 geschlossen wird. Dadurch wird die Klappe 8 in die gezeichnete Stellung gebracht, und der Turbolader erfährt durch Verkleinerung seines Düsenquerschnittes eine Beschleunigung. Da dadurch gleichzeitig der Gegendruck in der Auspuffleitung steigt, erhöht sich allerdings der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine um ein gewisses Maß. Die Verstellung der Einspritzmenge führt in an sich bekannter Weise der Regler durch, welcher durch Beeinflussung der Einspritzmenge eine am Kontrollhebel eingestellte Drehzahl, in diesem Fall die Leerlaufdrehzahl, einhält.

Nachdem jedoch mit der erhöhten Drehzahl des Turboladers der Druck in der Luftleitung gestiegen ist, kann nunmehr durch Verstellung des Hebels 30 in die gewünschte Laststellung die Brennkraftmaschine rasch beschleunigt werden. Auf diese Weise ist es trotz geringstmöglichem Brennstoffverbrauch bei Leerlauf möglich, ein rasches Beschleunigungsvermögen der Maschine zu erzielen.

Die Kontaktplatte 31 kann auch, wie gestrichelt gezeichnet, derart ausgebildet sein, daß sie nicht nur in der Stellung B, sondern in einem größeren Lastbereich mit dem Kontakt des Hebels 30 in Berührung steht. Es hat sich erwiesen, daß das Verbleiben der Klappe 8 in der gezeichneten Stellung bis etwa 4O*/o Vollast möglich ist und vorteilhaft sein kann. Andererseits kann im Stromkreis der Leitungen 33 ein Schalter 34 angeordnet sein, mit dessen Hilfe die Betätigung der Klappe 8 beliebig ausgeschaltet werden kann, so daß diese durch den Einfluß der Feder 13 in der gestrichelt gezeichneten Stellung verbleibt und unwirksam wird. Das Ausschalten der Betätigung der Klappe kann in Fällen erfolgen, wo eine langsame Beschleunigung der Brennkraftmaschine annehmbar oder sogar erwünscht ist, wie es oft bei Lokomotiven vorkommt, wenn ein besonders weiches Anfahren erzielt werden soll.

In F i g. 5 ist in einem Diagramm die Größe des wirksamen Düsenquerschnittes der Turbine in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Kontrollhebels

gezeichnet unter Annahme des Falles, daß sich die Kontaktplatte 31 gemäß der in F i g. 4 gestrichelt gezeichneten Ausbildung über einen Teil des unteren Lastbereiches erstreckt. Da die den beiden Auspuffleitungen zugeordneten Düsenquerschnitte gleich sind, erfolgt durch Betätigung der Klappe 8 eine Verkleinerung des Gesamtquerschnittes auf 50%· des ursprünglichen. Um auch im Falle einer raschen Verstellung des Kontrollhebels 30 aus der Stellung 0 in die Stellung Max. eine wirksame Betätigung der Klappe 8 zu erreichen, kann der Schaltmechanismus der Klappe mit einem in F i g. 4 gestrichelt gezeichneten Relais versehen sein. Das Zeitrelais 40 steht unter der Wirkung einer Stromspule 41, wird beim Durchlaufen der Stellung B durch den Kontrollhebel 30 betätigt und hält dann den Stromkreislauf durch die Leitung 33 einen gewünschten Zeitabschnitt lang unabhängig vom Kontrollhebel geschlossen. Auf diese Weise wird die Klappe 8 auch bei einer raschen Verstellung des Kontrollhebels für eine ausreichende Zeitspanne betätigt, so daß eine einwandfreie Beschleunigung der Brennkraftmaschine möglich ist. Selbstverständlich ist bei dieser Anordnung die Stromleitung 33 zwischen den beiden Anschlüssen der Spule 41 unterbrochen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und mindestens zwei voneinander getrennten Auspuffleitungen, die an jeweils verschiedene Zylinder, deren Steuerzeiten sich nicht überschneiden, angeschlossen sind, mit einem in der Nähe des Turboladers angeordneten Umschaltorgan versehen sind und zu getrennten Düsen-Segmenten der Turbine des Turboladers führen, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltorgan bei Leerlauf oder kleiner Motorlast mindestens eine der Auspuffleitungen verschließt und gleichzeitig eine die Auspuffleitungen untereinander verbindende Öffnung freigibt, und dadurch die Auspuffgase mindestens zweier Auspuffleitungen auf ein und dasselbe Düsensegment leitet.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltorgan (8) und die Verbindungsöffnung (7) in einem an die Düsensegmente (18) der Abgasturbine grenzenden Einlaufgehäuse (6) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltorgan (8) vom zur Steuerung des Motors dienenden Kontrollhebel (30, 31) betätigt wird.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontrollnebel neben der Leerlaufstellung (0) eine Bereitschaftsstellung (B) aufweist, in welcher das Umschaltorgan betätigt wird.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltorgan in einem unteren Leistungsbereich der Maschine, welcher sich zwischen der Bereitschaftsstellung und bis etwa 40'% der Vollast befindet, in Tätigkeit bleibt.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Betätigungsmechanismus des Umschaltorgans ein Zeitelement enthalten ist, welches das Umschaltorgan nach einer Betätigung eine gewählte Zeitspanne lang in betätigter Stellung hält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 454 107, 850 965, 823;

britische Patentschrift Nr. 284 609;
USA.-Patentschrift Nr. 2444 644.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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