DE1237835B

DE1237835B - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von selbstzuendenden, aufladbaren Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE1237835B
Application number: DED34206A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Josef Reisacher
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1960-09-08
Filing date: 1960-09-08
Publication date: 1967-03-30
Also published as: GB941532A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von selbstzündenden, aufladbaren Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb von selbstzündenden, durch einen von einer Abgasturbine angetriebenen Verdichter aufladbaren Brennkraftmaschinen mit leicht flüchtigen Kraftstoffen, insbesondere von solchen Brennkraftmaschinen, welche außer mit leicht flüchtigen auch mit anderen Kraftstoffen betrieben werden.
Wenn ein Motor aufgeladen wird, steigt die Temperatur der Ladeluft mit dem Ladedruckverhältnis unter Berücksichtigung eines adiabatischen Laderwirkungsgrades. Indessen bewirkt eine Zunahme des Verdichtungsverhältnisses wohl eine sehr starke Steigerung des Kompressionsdruckes, aber nur eine relativ geringe Steigerung der Kompressionstemperatur. Da jedoch für die ruhige Verbrennung von leichtflüchtigen Brennstoffen gerade die Kompressionsendtemperatur maßgebend ist, wäre zur Erreichung der erforderlichen Temperaturhöhe eine für die Motorbeanspruchung nachteilige sehr hohe Verdichtung notwendig.
Es sind Einspritzbrennkraftmaschinen bekannt, bei denen der angesaugten Frischluft Abgase beigemengt werden, um eine Erhöhung der Temperatur in den Zylindern zu bewirken. Auch ist es bei solchen Maschinen bekannt, zur Verringerung des Zündverzuges bei Leerlauf und bei Teillast ein Gemisch aus Frischluft und zurückgesaugten Abgasen anzusaugen. Eine Aufladung der Maschine, etwa durch einen Abgasturbolader, findet in allen diesen Fällen nicht statt, so daß der Erfindung zugrunde liegende Problem bei den bekannten Maschinen nicht auftritt.
Bei Brennkraftmaschinen mit durch eine Abgasturbine angetriebenem Spül- und Aufladeverdichter ist ferner schon die Maßnahme vorgesehen worden, die Abgase vor Eintritt in die Abgasturbine durch Luft zu kühlen. Für einen Betrieb mit leicht flüchtigen Kraftstoffen sind jedoch diese Maschinen nicht eingerichtet.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einerseits ohne extrem hohe Verdichtungsverhältnisse eine Krompressionsendtemperatur zu erreichen, die für einen normalen Hochleistungsmotor auch den Betrieb mit leicht flüchtigen Kraftstoffen, wie beispielsweise Benzol, gestattet, andererseits je- doch gleichzeitig diz Nachteile zu hoher Aborastemperaturen, insbesondere in Hinsicht auf eine überbeanspruchung der Abgasturbine, zu vermeiden.
Die Erfindung besteht demgemäß im wesentlichen darin, daß - insbesondere bei normalen Motorleistungen bis zu einer bestimmten Leistungshöhe - zur Erzielung einer möglichst hohen Kompressionsendtemperatur aus der Auspuffleitung vor der Ab- gasturbine entnommene Abgase der vom Verdichter als Frischluft den Maschinenzylindern zugeleiteten Ladeluft und daß - insbesondere über die erwähnte Leistungshöhe hinaus - zur Erzielung besonders hoher Motorleistungen verdichtete Ladeluft den Ab- gasen vor deren Eintritt in die Abgasturbine zugeführt werden.
Dadurch, daß der Motor mit Aufladung betrieben wird, kann, gleiche Ansaugtemperatur vorausgesetzt, eine höhere Kompressionsendtemperatur bei gleichem Kompressionsverhältnis bzw. eine gleich hohe Kornpressionsendtemperatur bei niedrigem Kompressionsverhältnis als bei nicht aufgeladenen Maschinen erreicht werden. Die für die ruhige Verbrennung leicht flüchtiger Brennstoffe maßgebende höhere Kompressionsendtemperatur kann also mit Mitteln erzielt werden, die die Nachteile besonders hoher Verdichtun- und damit einer besonders hohen Motorbeanspruchung herabsetzen.
Andererseits ist die Kompressionsendtemperatur von der Leistungsanforderung des Motors abhängig. Wird daher die Kompressionstemperatur so gewählt, daß sie in einem unteren Belastungsbereich der Maschine -erade ausreicht, um eine verfahrensmäßig und wirtschaftlich vorteilhafte Verbrennung des Brennstoffes zu gewährleisten, so besteht die Gefahr, daß bei hoher Belastung' der Maschine die Kornpressionsendtemperatur über ein zulässiges Maß hinaus ansteigt. Dieses zulässige Maß kann insbesondere dann überschritten werden, wenn die Maschine mit Aufladunc, durch eine Ab-asturbine arbeitet, da C z71 die Abgasturbine in diesem Falle den hohen Temperaturen unter Umständen nicht mehr gewachsen wäre. Die Erfindung trägt allen diesen Anforderungen c in besonderer Weise Rechnung, indem durch das Zusammenwirken von Abgaszufuhr zur Ladeluft und von Ladeluftzufuhr zu den Abgasen sowohl die beabsichtigte ruhige Verbrennung auch leicht flüchtiger Brennstoffe als auch hohe Leistungen ohne überbeanspruchung der Abgasturbine oder sonstiger Teile der Abgasanlage ermöglicht werden, insbesondere, wenn die Maschine mit besonders hohen Leistungen arbeiten soll. Gleichzeitig wird die Energie der Ab--ase insofern in mehrfacher Weise ausgenutzt, als sie einerseits durch Antrieb des Ladeverdichters zur Erhöhung der Leistung und des Wirkungsgrades beitragen und andererseits für eine Erwärmung der Ladeluft ohne Erhöhung des Kompressionsdruckes sorgen.
Vorteilhaft ist zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens außer einer absperrbaren Verbindungsleitung zur Zufuhr von Abgasen zur Ladeleitung eine absperrbare Verbindungsleitung zur Zufuhr von Ladeluft zur Auspuffleitung vorgesehen, wobei die zweite Verbindungsleitung von der Ladeleitung von der ersten Verbindungsleitung abzweigt und zwischen dieser und der Abgasturbine in die Auspuffleitung einmündet.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch gezeigten Ausführungsbeispieles zu entnehmen.
Durch die Auspuffleitung 10 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine werden Abgase vom Motor abgeleitet und zu Antriebszwecken einer Abgasturbine 11 zugeführt. Die Abgasturbine betreibt einen Verdichter 12, welcher mittels eines Sangstutzens 13 Frischluft aus der Atmosphäre ansaugt und dieselbe über eine Ladeluftleitung 14 in den Motor leitet.
In der Auspuffleitung ist vor dem Eintritt in die Abgasturbine 11 eine Drosselklappe 15 angeordnet, mit welcher die der Turbine 11 zugeführte Abgasmenge geregelt werden kann. Die Klappe 15 läßt hierbei sowohl ein völliges öffnen als auch ein völliges Schließen zu. In Strömungsrichtung vor der Drosselklappe zweigt eine Leitung 16 ab, die eine weitere Drosselklappe 17 enthält und zu einem Rußabschneider 18 führt, der vorzugsweise als Zyklon ausgebildet ist. Von diesem führt eine Leitung 19 zur Ladeleitung 14. Bei geöffneter Drosselklappe 17 können also Abgase aus der Auspuffleitung 10 über die Zweigleitung 16, 19 mit dem zwischengeschalteten Rußabscheider 18 in die Ladeleitung 14 zurückgeleitet werden.
Des weiteren ist eine Rotationspumpe 20 enthaltende zweite Verbindungsleitung 21, 22 vorgesehen, durch welche Frischluft aus der Ladeleitung 14 abgesaugt und die Auspuffleitung 10 vor Eintritt in die Abgasturbine 11 eingedrückt werden kann. Eine Drosselklappe 23 dient zur Regelung der den Ab- gasen zuzuliefemden Ladeluft. Die Leitungen 19 und 21 können in einem gemeinsamen in die Ladeluftleitung 14 hineinragenden Mundstück 24 zusammengefaßt sein, wobei die Abgaszuleitung 19 in Strömungsrichtung hinter dem Ansaugstutzen 21 liegt und gegen diesen abgeschirmt ist. Die Drosselklappe 15 ist in Strömungsrichtung der Abgase zwischen den Abzweigungen der beiden Leitungen 16 und 23 angeordnet.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: In einer bestimmten Druckpulsation, welche abhängig ist von der Zylinderzahl pro Auspuffleitung und der Motordrehzahl, strömt Abgas durch die Leitung 10 und die geöffnete Drosselklappe 15 in die Abgasturbine 11, betreibt den Verdichter 12 und fördert bei 13 angesaugte Frischluft über die Leitung 14 in den Motor. Durch leichtes Drosseln mittels Klappe 15 läßt sich bewirken, daß bei den Pulsationsdruckspitzen in der Abgasleitung 10 das in die Abzweigung 16 bei geöffneter Drosselklappe 17 einströmende Abgas periodisch in die Rußabscheidekammer 18 eindringt und durch die Leitung 19 der Ladeluftleitung 14 zuströmt, wo es sich mit der Frischluft vermischt und dieselbe so weit aufheizt, daß die auf eine erhöhte Anfangstemperatur vorgewärmte Ladeluft auch bei verhältnismäßig niedrigem Kompressionsverhältnis eine genügend hohe Kompressionstemperatur gewährleistet, um auch den Betrieb mit leichtflüchtigen Kraftstoffen zu gestatten und eine ruhige und vollkommene Verbrennung derselben zu ermöglichen.
Die beizumischende Abgasmenge kann zur Begrenzung einer gewünschten Kompressionsendtemperatur mit steigendem Ladedruckverhältnis verringert werden, gegebenenfalls bis zur völligen Abdrosselung. Die Stellung der Drosselklappen 15 und 17 ist dabei nach einer versuchsmäßig zu ermittelnden Funktion vom Ladedruckverhältnis abhängig zu machen.
Wird die besagte Volleistung des Motors ausgefahren, so ist es möglich, daß Abgastemperaturen auftreten, die bis zu 2501 C über den für die Abgasturbine zulässigen mittleren Temperaturen liegen. Um die noch mögliche thermische Belastung des Motors jedoch voll ausnutzen zu können, ohne die Abgasturbine thennisch zu überlasten, kann nunmehr Ladeluft durch die Rotationspumpe 20 über die Leitung 22 in die Auspuffleitung 10 vor Eintritt in die Abgasturbine 11 eingeblasen werden. Eine entsprechende Abkühlung der Abgase auf die zulässige mittlere Temperatur der Abgasturbine ist die erwünschte Folge. Die Temperatur des abgekühlten Abgases ist wiederum regulierbar durch Verstellen der Drosselklappe 23.
Gleichzeitig kann die Drosselklappe 17 geschlossen werden, während bei geöffneten Drosselklappen 15 und 23 den aus dem Motor strömenden, sehr heißen Abgasen möglichst viel Frischluft beigemischt wird. Hierdurch ist es möglich, auch die Abgasturbine auf Höchstlast arbeiten zu lassen.
Sofern unter den vorerwähnten Bedingungen die in die Abgasturbine einströmenden vorgekühlten Ab- gase eine noch zu hohe Temperatur haben, wird die Drosselklappe 15 geschwenkt und damit der Abgasstrom, soweit erforderlich, gedrosselt. Eine derartige temperaturabhängige Steuerung läßt sich bekanntlich unschwer mit einem Thermostaten bedienen.
Gegebenenfalls läßt sich die Anlage vorteilhaft auch als Starthilfe bei mit kalter Luft gefülltern Motor verwenden. Bei völligem Schließen der Drosselklappe 15 und Öffnen der Drosselklappe 17 wird nach Anlassen des Motors die Kaltluft desselben ehrinals im Kreis Motor-Auspuffleitung-Rußabscheider-Luftladeleitung-Motor umgewälzt, so lange, bis die für eine ruhige Verbrennung leicht flüchtiger Kraftstoffe erforderliche Anfangstemperatur erreicht ist. Erst dann wird die Drosselklappe 15 für den Normalbetrieb geöffnet, wobei der Ladeluft gereinigtes Abgas zur Vorwärmung beigemischt wird.
Der Rußabscheider kann als Zyklon mit nachgeschalteter, durch eine enge öffnung mit ihm verbundener Kammer ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann auch - insbesondere bei als einfacher Zyklon ausgebildetem Rußabscheider - an Stelle einer Drosselklappe 17 ein Rückschlagventil dem Rußabscheider vorgeschaltet sein. Auch können die beschriebenen Einrichtungen als z. B. nachträglich einbaubare Zusatzgeräte ausgebildet sein. Das Ein- und Ausschalten der Abgasbeimengung kann z. B. durch einen einfachen Hebel erfolgen.
Gewünschtenfalls ist es auch möglich, die Abgasturbine mit einem verkleinerten Querschnitt auszuführen, so daß das maximale Ladedruckverhältnis schon bei kleinen Motordrehzahlen erreicht wird. Bei großen Motordrehzahlen kann in diesem Falle durch in Ventil eine solche Abgasmenge im Beipaß um die Turbine geleitet werden, daß der Ladedruck konstant bleibt. Der Motor kann hierbei, z. B. nach einer sogenannten Büffelcharakteristik, zeitweise mit extremen Leistungen betrieben werden.
Auch kann die Abgasbeimischung zur Ladeluft vor dem Verdichter vorgesehen sein. Doch ist im allgemeinen ein solches Verfahren, das an sich den Vorteil der Einfachheit hat, nur dann zweckmäßig, wenn die Beimischung nur kurzzeitig, z. B. im Rahmen eines Notbetriebes erfolgt, da bei längerem Betriebe die Gefahr einer Verschmutzung des Verdichters und eines Abfalls des Wirkungsgrades besteht, oder wenn die Möglichkeit einer häufigen Reinigung eines vorgesehenen Filters besteht.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Betrieb von selbstzündenden, durch einen von einer Abgasturbine angetriebenen Verdichter aufladbaren Brennkraftmaschinen mit leicht flüchtigen Kraftstoffen, insbesondere von solchen Brennkraftmaschinen, welche außer mit leicht flüchtigen auch mit anderen Kraftstoffen betrieben werden, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß - insbesondere bei normalen Motorleistungen bis zu einer bestimmten Leistungshöhe - zur Erzielung einer möglichst hohen Kompressionsendtemperatur aus der Auspuffleitung vor der Abgasturbine entnommene Abgase der vom Verdichter als Frischluft den Maschinenzylindern zugeleiteten Ladeluft zugeführt werden und daß - insbesondere über die erwähnte Leistungshöhe hinaus - zur Erzielung besonders hoher Motorleistungen verdichtete Ladeluft den Abgasen vor deren Eintritt in die Abgasturbine zuführbar ist.
2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer einer absperrbaren Verbindungsleitung zur Zufuhr von Abgasen zur Ladeleitung eine weitere absperrbare Verbindungsleitung zur Zufuhr von Ladeluft zur Auspuffleitung vorgesehen ist und die zweite Verbindungsleitung vor der Einmündung der ersten Verbindungsleitung in die Ladeleitung von dieser abzweigt und hinter der ersten Verbindungsleitung vor der Abgasturbine in die Auspuffleitung einmündet. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zur Zufuhr von Abgasen zur Ladeleitung ein Rußabscheider und in der Verbindungsleitung zur Zufuhr von Ladeluft zur Auspuffleitung eine Rotationspumpe angeordnet ist. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ab- zweigung der Verbindungsleitung zur Zufuhr von Abgasen zur Ladeluft und der Verbindungsleitung zur Zufuhr von Ladeluft zur Auspuffleitung eine verstellbare Drosselklappe angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 495 579, 614 348, 718 153, 943 439; deutsche Patentanmeldung E 38471a/46b2 (bekanntgemacht am 10. 9. 1953); französische Patentschrift Nr. 858 037.