DE2438162A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine mit abgasturbolader und einer brennkammer und vorrichtungen zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine mit abgasturbolader und einer brennkammer und vorrichtungen zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
MOTOREN- UND TURBIKEN-UNIÜl·· q / ο Ο 1 Cr O
FRIEDRICHSHAFEN CMBfI Z H JQ I D 4
Friedrichshafen
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und einer Brennkammer und
Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und einer Brennkammer,
die zusätzlich Gas zur Abgasturbine des Laders liefert, und auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Bei einer derart ausgerüsteten Brennkraftmaschine ist es möglich, den freilaufenden Abgasturbolader mit Hilfe der Brennkammer
unabhängig vom Abgasangebot der Brennkraftmaschine zu
betreiben und durch Anwendung höherer Aufladedrücke die Leistung der Brennkraftmaschine über das bei normaler Aufladung
Erreichbare hinaus zu steigern.
Aufgeladene Brennkraftmaschinen mit solch hohen Leistungen haben sich bei Antrieben mit gleichbleibender oder- mit einer
über längere Zeitspanne gleichbleibender Last bewährt.
Problematisch wird es jedoch, wenn sich eine aufgeladene Brennkraftmaschine
plötzlichen, Leistungserhöhung fordernden, Laständerungen, wie z.B. im Fahrbetrieb bei Schwerlastfahrzeugen,
kurzfristig anpassen muß. Infolge der Trägheit des Systems Brennkraftmaschine-Abgasturbolader dauert der Übergang bei der
Lastannahme von Leerlauf auf Höchstleistung wesentlich länger als bei Brennkraftmaschinen ohne Aufladung bekannt ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein·
Verfahren und die dazu notwendigen Vorrichtungen zu schaffen, um das Lastannahmeverhalten einer aufgeladenen Brennkraftmaschine
zu verbessern und ein Zustarten der Brennkammer bei allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Leerlauf der Brennkraftmaschine die Brennkammer mit einer solchen
Teilleistung betrieben wird, daß sich bei möglichst geringem Brennstoffverbrauch der Brennkammer ein erhöhter, für
ein möglichst günstiges Lastannahmeverhalten erforderlicher, Anfangs-Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung einstellt, daß
beim Beschleunigen der Brennkraftmaschine die Leistung der Brennkammer für eine rasche Steigerung des Ladeluftdruckes in
der Ladeluftleitung erhöht wird, um ein spontanes Lastannahmeverhalt
en der Brennkraftmaschine zu erreichen, und daß bei weiterem Anstieg des Ladeluftdruckes in der Ladeluftleitung,
ausgelöst durch die zunehmende Abgaslieferung bei steigender
Brennkraftmaschinen-Leistung, die Leistung der Brennkammer entsprechend verringert wird.
Durch diese Maßnahmen wird bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine
ein ähnlicher Verlauf der Leistungskennlinie erreicht wie bei einer Brennkraftmaschine ohne Aufladung, so daß sich
bei einem Fahrzeugantrieb im Fährbetrieb entsprechend gutes Verhalten beim Beschleunigen ergibt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Brennkammer
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lediglich mit einer geringen Bereitsohaftsteilleistung weiter betrieben, wenn die Abgasenergie der Brennkraftmaschine
allein ausreicht den maximalen Ladeluftdruck zu erzeugen, so daß sich der Brennstoffverbrauch durch die Brennkammer nicht
über das unbedingt notwendige Maß hinaus vergrößert.
Eine zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung besteht erfindungsgemäß aus einer automatischen Regeleinrichtung
für die Brennkammer, deren einzige Regelgröße der Ladeluftdruck ist.
Nach der Erfindung wird durch einen vom Ladeluftdruck beaufschlagter
Stellzylinder, eine Drossel- und Absperrvorrichtung in der Luftzuleitung zur Brennkammer und ein mechanisch damit
gekoppelter Brennstoffeinsteller in der Brennstoffleitung zur Brennkammer verstellt. Die Drossel- und Absperrvorrichtung ist
gemäß der Erfindung als drehbare Klappe ausgebildet, die vom Stellzylinder mittels Zahnstange und Zahnrad verstellt wird
und bei einem vollen Stellzylinderhub eine Drehung von etwa l80° um ihre Achse ausführt.
Der Brennstoffeinsteller wird erfindungsgemäß von einer Kurvenscheibe
auf der Welle der drehbaren Klappe betätigt.
Eine andere zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung
besteht gemäß der Erfindung aus einem 3-Wege-Ventil,
insbesondere einem 3-Wege-Magnet-Ventil, das in der Brennstoffzuleitung
zur Brennkammer dem Brennstoffeinsteller nachgeschaltet ist und in der einen der zwei möglichen Stellungen Brennstoff
zur Brennkammer durchläßt, in der anderen Stellung, wenn
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die Brennkammer außer Betrieb ist, den Brennstoffzufluß absperrt
und die Verbindung zu einer Luftleitung herstellt, wobei durch Ausblasen von Rest-Brennstoff ein Verkoken der Einspritzeinrichtung
in der Brennkammer verhindert sowie Restgas aus der Brennkammer entfernt wird.
Um die Brennkammergase und die Abgase aus der Brennkraftmaschine
zusammenzuführen und zu vermischen, besteht eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens erfindungsgemäß aus
einem Injektor, der kurz vor der Eintrittsöffnung der Abgasturbine in der Abgassammelleitung angeordnet ist.
Bei einer Brennkraftmaschine mit mehrflutiger Abgassammelleitung ist nach der Erfindung jeder Flut ein Injektor zur Zuführung
der Brennkammergase zugeordnet. Dadurch werden die für die wirkungsvolle Verarbeitung der Brennkammerabgase in der Abgasturbine
erforderlichen Druckverhältnisse in der Abgassammelleitung nicht verändert.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einer derartigen Ausbildung der Verstellmechanik der drehbaren Klappe, daß die
Drossel- und Absperrvorrichtung auf vollen Querschnitt öffnet, sobald die Brennkammer gestartet wird, damit die von der Ladeluftleitung
kommende Luft ungedrosselt der Brennkammer zuströmt und die Bereitschaft der Brennkammer rasch erreicht wird.
Um auch bei geringem Anfangs-Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung genügend Luft zur Brennkammer abzuzweigen, beginnt die
Luftzuleitung zur Brennkammer erfindungsgemäß an einem in der
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Ladeluftleitung angeordneten Staurohr, so daß sich in der
Luftzuleitung zur Brennkammer ein für die Überwindung der Leitungswiderstände ausreichender Druck erzielen läßt.
Die zum Starten der Brennkammer erforderliche Luft kann nach der Erfindung auch durch ein Gebläse gefördert werden, so daß
die Brennkammer völlig unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine in Betrieb genommen werden kann.
Gemäß der Erfindung kann durch eine Schalteinrichtung Brennkraftmaschinen-Betrieb
mit oder ohne Brennkammer-Unterstützung willkürlich gewählt werden.
Um beim Starten der Brennkammer eine Kontrolle über deren Betriebszustand zu erhalten, ist erfindungsgemäß eine Kontrolleinrichtung
vorgesehen, an der während der Zündperiode der Brennkammer zwei unterschiedlich gefärbte Leuchten abwechselnd
aufblinken, und nach erfolgter Zündung der Brennkammer nur die eine Leuchte und bei Betriebsstörung nur die andere Leuchte
dauernd brennt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß dadurch auch mit aufgeladenen Brennkraftmaschinen
bei Fahrzeugantrieben kurze Beschleunigungszeiten zu erfüllen sind, daß sich bei Brennkammerbetrieb nur ein geringer Brennstoffmehrverbrauch
einstellt, daß sich eine einfache Regelung ergibt, die ohne Premdenergie arbeitet, und daß sich infolge
des einfachen Aufbaus das Verfahren auch bei beengten Einbauverhältnissen anwenden läßt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Eine Brennkraftmaschine 11 ist mit einem Lader 12, der von
einer Abgasturbine 13 angetrieben wird, einem Ladeluftkühler
und einer zusätzlich Gas zur Abgasturbine 13 liefernden Brennkammer
15 ausgerüstet.
Die für die Brennkammer I5 erforderliche Verbrennungsluft wird
der Ladeluftleitung 19 zwischen Lader 12 und Ladeluftkühler l4 mit Hilfe eines Staurohres 22 entnommen und über eine Luftzuleitung
20, 21 der Brennkammer 15 zugeführt.
Eine als drehbare Klappe 31 ausgebildete Drossel- und Absperrvorrichtung
23, welche die Zufuhr von Verbrennungsluft zur
Brennkammer 15 reguliert, ist in der Luftzuleitung 20,21 angeordnet.
Ein pneumatischer Stellzylinder 24 verstellt die Drossel- und
Absperrvorrichtung 23 mittels einer Zahnstange 27, die in ein
Zahnrad 28 eingreift, das gemeinsam mit der Klappe 31 auf der Welle 30 befestigt ist. Die Klappe 31 führt bei einem vollen
Stellzylinderhub eine Drehung von etwa l80° aus.
Ein in der Leitung 26 angeordneter Brennstoffeinsteller 25 reguliert
die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 15. Der Brennstoff einsteller 25 wird von einer Kurvenscheibe 29 auf der Welle
30 betätigt, wodurch sich eine mechanische Koppelung von
Drossel- und Absperrvorrichtung 23 und Brennstoffeinsteller 25 ergibt.
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Stellzylinder 24, Drossel- und Absperrvorrichtung 23 und Brennstoffeinsteller 25 bilden zusammen eine automatische Regeleinrichtung
für die Brennkammer, deren einzige Regelgröße der über eine Leitung 34 dem Stellzylinder 24 zugeführter Luftdruck
aus der Luftzuleitung 20 ist.
Zum Steuern der Luftzufuhr für den Stellzylinder 24 ist in der
Leitung 34 ein Magnetventil 32 angeordnet, das bei stromlosem
Magneten die Leitung 34 absperrt.
Eine elektrisch betriebene Pumpe J>6 versorgt die Brennkammer
mit Brennstoff, den sie aus einem Vorratsbehälter 33 oder aus dem BrennstoffVersorgungssystem der Brennkraftmaschine 11 ansaugt.
Die Brennstoffmenge wird dabei durch den Brennstoffeinsteller
25 in Abhängigkeit von der Stellung der Klappe 31 geregelt,
während ein 3-Wege-Magnet-Ventil 35 in der Leitung 26
die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 15 steuert. Bei stromlosem 3-Wege-Magnet-Ventil 35 ist der Brennstoffluß zur Brennkammer
gesperrt, jedoch eine Verbindung zwischen einer vor der Drossel- und Absperrvorrichtung von der Luftzuleitung 20 abzweigenden
Luftleitung 37 und der Brennkammer 15 geöffnet, so daß Brennstoffleitung 54, Einspritzeinrichtung 38 und Brennkammer 15 mit
Luft durchspült werden, wenn die Brennkammer 15 außer Betrieb ist. Dadurch werden Restgase aus der Brennkammer I5 ausgeblasen
und ein Verkoken der Einspritzeinrichtung 38 vermieden.
Eine Leitung l8 verbindet die Brennkammer 15 mit der im Beispiel mehrflutig ausgebildeten Abgassammelleitung l6, YJ. Zur
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Zusammenführung und Vermischung der Brennkammergase und der
Abgase aus der Brennkraftmaschine 11 ist in jeder Flut der Abgassammelleitung l6, 17 kurz vor der Eintrittsöffnung der Abgasturbine
13 je ein Injektor 39 und 40 angeordnet. Durch die Injektoren 39* 40 werden die Druckverhältnisse, die sich bei
alleinigem Betrieb der Brennkraftmaschine 11 in der Abgassammelleitung
16, 17 ergeben und für eine hohe Leistungsausbeute in der Abgasturbine wichtig sind, bei zugeschalteter Brennkammer
nicht gestört.
Durch eine Schalteinrichtung, die aus einem Schalter 4l und einem Relais 42 besteht, wird Brennkraftmaschinen-Betrieb mit
oder ohne Brennkammer-Unterstützung willkürlich gewählt. Bei geöffnetem Schalter 4l ist die Spule des Relais 42 stromlos,
der vom Relais 42 betätigte Schalter 43 geöffnet und damit die
Brennkammer 15 außer Betrieb. Wird Schalter 4l geschlossen zieht das Relais 42 an, Schalter 43 schließt ebenfalls, so daß
Spannung an den Magnetventilen 32 und 35* an der Pumpe 36, an
der Zündeinrichtung 44 sowie am Zeitschalter 51 liegt und die Brennkammer 15 starten kann.
Um den Startvorgang der Brennkammer überwachen zu können, ist eine Kontrolleinrichtung vorgesehen, die aus einem Relais 46
mit Umschalter 47, zwei unterschiedlich gefärbten Leuchten, z.B. einer grünen Leuchte 48 und einer roten Leuchte 49, einem Flammenwächter
45, einem Blinkgeber- 50 und dem Zeitschalter 51 besteht.
Bei stromlosem Relais 46 liegt die rote Leuchte 49 und
bei erregtem Relais 46 die grüne Leuchte 48 über Umschalter
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an Spannung. Während der Zündperiode mindestens so lange, bis
die Brennkammer 15 gezündet hat, wird das Relais 46 über den Blinkgeber 50 erregt und wieder stromlos, so daß die Leuchten
48 und 49 abwechselnd aufblinken. Zündet die Brennkammer 15
innerhalb der am Zeitschalter 51 eingestellten Zeitspanne nieht,
so wird das Relais 46 stromlos und die rote Leuchte 49 brennt dauernd. Bei erfolgreicher Zündung der Brennkammer 15 wird
durch die Meldung des Flammenwächters 45 an den Zeitschalter 5I
46 der Blinkgeber 50 umgangen und das Relais/erregt, so daß die
grüne Leuchte 48 dauernd brennt.
Zum Starten muß der Brennkammer 15 zunächst einmal Luft zugeführt
werden. Bei ausreichendem Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung 19 erfolgt dieser Vorgang automatisch mittels de:r vorstehend
beschriebenen Einrichtungen. Ist der Ladeluftdruck jedoch zu gering, so daß der Stellzylinder 24 keinen Hub ausführen
kann, muß der Lader 12 durch Beschleunigen der Brennkraftmaschine 11 im Normalbetrieb, d.h. ohne Brennkammer-Unterstützung,
kurzzeitig auf höhere Drehzahl gebracht werden, damit sich ein zum Starten der Brennkammer I5 ausreichender Ladeluftdruck in
der Ladeluftleitung 19 einstellt.
Es ist jedoch auch möglich, zusätzlich ein elektrisch betriebenes
Gebläse 52 anzuordnen, das während des Startens die Brennkammer
15 unabhängig vom Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung 19
mit Verbrennungsluft versorgt. Ein auf den Ladeluftdruck ansprechender Druckschalter 53 schaltet das Gebläse 52 wieder ab, sobald
ein vorbestimmter Ladeluftdruck erreicht ist.
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Um das Starten der Brennkammer noch weiter zu verbessern, kann
die Verstellmechanik für die drehbare Klappe 31 so ausgebildet werden, daß die Drossel- und Absperrvorrichtung 23 während der
Startperiode durch einen elektrischen Antrieb sofort auf vollen Querschnitt öffnet, damit die von der Ladeluftleitung 19 kommende
Luft ungedrosselt der Brennkammer 15 zuströmt. Nachdem
der oben genannte Ladeluftdruck erreicht ist, wird dieser elektrische Antrieb dann ebenfalls vom Druckschalter 53 abgeschaltet.
Nach erfolgreichem Start wird die Brennkammer 15 bei Leerlauf der Brennkraftmaschine 11 mit einer solchen Teilleistung betrieben,
daß sich bei möglichst geringem Brennstoffverbrauch der Brennkammer 15 ein erhöhter, für ein möglichst günstiges
Lastannahmeverhalten erforderlicher, Anfangs-Ladeluftdruck in der fiadeluftleitung 19 einstellt. Beim Beschleunigen der Brennkraftmaschine
11 wird die Leistung der Brennkammer 15 für eine rasche Steigerung des Ladeluftdruckes in der Ladeluftleitung 19
erhöht, um ein spontanes Lastannahmeverhalten der Brennkraftmaschine 11 zu erreichen. Bei weiterem Anstieg des Ladeluftdruckes
in der Ladeluftleitung 19, ausgelöst durch die zunehmende
Abgaslieferung bei steigender Brennkraftmaschinen-Leistung,
wird die Leistung der Brennkammer 15 entsprechend verringert.
Durch diese Maßnahmen wird bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine
ein ähnlicher Verlauf der Leistungskennlinie erreicht wie bei einer Brennkraftmaschine ohne Aufladung, so daß sich
bei einem Fahrzeugantrieb im Fährbetrieb entsprechendes Verhalten beim Beschleunigen ergibt.
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Reicht die Abgasenergie der Brennkraftmaschine 11 alleine aus, den maximalen Ladeluftdruck zu erzeugen, wird die Brennkammer
15 lediglich mit einer Bereitschaftsteilleistung weiter betrieben, so daß sich der Brennstoffmehrverbrauch durch
die Brennkammer 15 nicht über das unbedingt notwendige Maß hinaus vergrößert.
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Claims (1)
- Patentansprüche/1·) Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und einer Brennkammer, die zusätzlich Gas
zur Abgasturbine des Laders liefert, dadurch gekennzeichnet, daß bei Leerlauf der Brennkraftmaschine (ll) die
Brennkammer (15) mit einer solchen Teilleistung betrieben wird, daß sich bei möglichst geringem Brennstoffverbrauch der Brennkammer (15) ein erhöhter, für ein möglichst günstiges Lastannahmeverhalten erforderlicher, Anfangs-Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung (19) einstellt, daß beim Beschleunigen der Brennkraftmaschine (11) die Leistung
der Brennkammer (15) für eine rasche Steigerung des Ladeluftdruckes in der Ladeluftleitung (19) erhöht wird, um
ein spontanes Lastannahmeverhalten der Brennkraftmaschine (ll) zu erreichen, und daß bei weiterem Anstieg des Ladeluftdruckes in der Ladeluftleitung (19)* ausgelöst durch die zunehmende Abgaslieferung bei steigender Brennkraftmaschinen-Leistung, die Leistung der Brennkammer (15) entsprechend verringert wird.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (15) lediglich mit einer geringen Bereitschaftsteilleistung wieter betrieben wird, wenn die Abgasenergie der Brennkraftmaschine (ll) allein ausreicht, den maximalen Ladeluftdruck zu erzeugen.5.8.1974gri-hr 609809/0072 7 3 55 ./.3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine automatische Regeleinrichtung für die Brennkammer (15)* deren einzige Regelgröße der Ladeluftdruck ist.4. Vorrichtung nach Anspruch 3* gekennzeichnet durch einen vom Ladeluftdruck beaufschlagten Stellzylinder (24), der eine Drossel- und Absperrvorrichtung (23) in der Luftzuleitung (20, 21) zur Brennkammer (15) und einen mechanisch damit gekoppelten Brennstoffeinsteller (25) in der Brennstoff zuleitung (26) zur Brennkammer (15) verstellt.5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel- und Absperrvorrichtung (23) als drehbare Klappe (31) ausgebildet ist, die vom Stellzylinder (24) mittels Zahnstange (27) und Zahnrad (28) verstellt wird und bei einem vollen Stellzylinderhub eine Drehung von etwa 180 um ihre Achse ausführt.6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet·, daß der Brennstoffeinsteller (25) von einer Kurvenscheibe (29) auf der Welle (30) der drehbaren Klappe (31) betätigt wird.7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch Ι,ι gekennzeichnet durch ein 3-Wege-Ventil (35)* insbesondere ein 3-Wege-Magnet-Ventil, in der Brennstoffzuleitung (26, 54) zur Brennkammer (15) nach dem Brennstoffeinsteller (25), das in der einen Stellung Brennstoff zur Brennkammer (15) durchläßt und in der anderen Stellung bei nicht be-5.8.197^ 609809/0072gri-hr 7 3 5 3 ·/·nutzter Brennkammer (15) den Brennstoffzufluß absperrt und Luft durch die Brennstoffzuleitung (54) strömen läßt.8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zusammenführung und Vermischung der Brennkammergase und der Abgase aus der Brennkraftmaschine (11) in der Abgassammelleitung (l6, 17) kurz vor der Eintrittsöffnung der Abgasturbine (13) ein Injektor (39, 40) angeordnet ist.9· Vorrichtung nach Anspruch 7 für eine Brennkraftmaschine mit mehrflutiger Abgassammelleitung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flut (l6, 17) ein Injektor (39, 40) zur Zuführung der Brennkammergase zugeordnet ist.10. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der Verstellmechanik der drehbaren Klappe (31), daß die Drossel- und Absperrvorrichtung (23) auf vollen Querschnitt öffnet, sobald die Brennkammer (15) gestartet wird, damit die von der Ladeluftleitung kommende Luft ungedrosselt der Brennkammer (15) zuströmt.11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Staurohr (22) in der Ladeluftleitung (19), an dem die Luftzuleitung (20) zur Brennkammer (25) beginnt.12; Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gebläse (52), das die zum Starten der Brennkammer (15) notwendige Verbrennungsluft fördert.5.8.J974 609809/0072gri-hr 7 3 5 3 ./·lD ' 243316213. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (4l) mit
der Brennkraftmaschinen-Betrieb mit oder ohne Brennkammer-Unterstützung willkürlich gewählt wird.14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 2 und 15, gekennzeichnet durch eine Kontrolleinrichtung, an der während der Zündperiode der Brennkammer (15) zwei unterschiedlich gefärbte Leuchten (48, 49) abwechselnd aufblinken, nach erfolgter Zündung der Brennkammer (15) nur die eine Leuchte (48) und bei Betriebsstörung nur die andere Leuchte (49) dauernd brennt.60 9 8 03/0072ALLeerseite
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