DE2729998A1

DE2729998A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2729998A1
Application number: DE19772729998
Authority: DE
Inventors: Adell Warren Brecheisen
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 1976-07-30
Filing date: 1977-07-02
Publication date: 1978-02-02
Also published as: GB1534668A; AR219498A1; FR2359974B1; IT1079983B; FR2359974A1; CA1060220A; ES461134A1; AU2470877A; AU506129B2; MX144884A

Description

DEERE »COMPANY (Case No. 11105 GFR) EUROPEAN OFFICE

- 3 Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftmaschine mit einer über die Abgasenergie der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Hilfsantriebsmaschine, die mit der Verbrennungskraftmaschine zusammenwirkt.

Es ist bereits bekannt (Bottoming-cycle engines; Popular Science, Januar 1976, S. 82 - 85 und S. 130), eine Verbrennungskraftmaschine und eine über die Abgasenergie der Verbrennungskraftmaschine angetriebene Hilfsantriebsmaschine gemeinsam einzusetzen, um dadurch den Wirkungsgrad der Gesamtantriebsvorrichtung zu verbessern. Die Hilfsantriebsmaschine wirkt hierzu über einen Kettentrieb auf die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Verbrennungskraftmaschine mit Hilfsantriebsmaschine einen Turbolader zu integrieren, der bei Unterschreitung einer bestimmten Drehzahl eine Antriebsunterstützung erhält. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Durch die Erfindung wird in vorteilhafter Weise bei Drehzahlabfall des Turboladers unter einen bestimmten Wert gewährleistet, daß die Hilfsantriebsmaschine den Antrieb des Turboladers und somit der Verbrennungskraftmaschine unterstützt. Dadurch läßt sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielen, da auch die Energie aus den Abgasen des Turboladers zum Antrieb der Hilfskraftmaschine ausgenutzt werden kann. Somit wird

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durch diese Anordnung eine gleichmäßige Abtriebskraft für die Verbrennungskraftmaschine gewährleistet.

Durch die vorteilhafte Anordnung und Ausbildung der Hilfskraftmaschine kann die in der Verbrennungskraftmaschine und dem Turbolader nicht verbrauchte Energie in vorteilhafter Weise zum Antrieb der Verbrennungskraftmaschine wieder zur Verfügung gestellt werden, so daß bei der Verbrennungskraftmaschine ein gleichmäßiges Drehmomentverhalten ohne große Schwankungen erzielt wird.

Durch die Verwendung einer Kupplung zwischen dem Turbolader und der Hilfsantriebsmaschine kann diese dem Turbolader wahlweise zugeschaltet werden, um bei ungünstigem Arbeitsverhalten der Verbrennungskraftmaschine bzw. Drehzahlabfall einen weiteren Drehzahlabfall zu verhindern.

Anhand der Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispiele einer Verbrennungskraftmaschine mit Hilfsantriebsmaschine nach der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine mit Hilfsantriebsmaschine,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Hilfsantriebsmaschine gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispieles einer Verbrennungskraftmaschine mit Hilfsantriebsmaschine,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Hilfsantriebsmaschine für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Fig. 1.

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In der Zeichnung ist mit 10 ein Blockschaltbild einer Antriebsvorrichtung bezeichnet, zu der eine Verbrennungskraftmaschine 12 und ein Turbolader 14 gehören, der eine vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 angetriebene Turbine 18 und ein Laufrad oder einen Kompressor 20 aufweist, der über eine Kupplung 38 und eine Welle 22 an die Turbine anschließbar ist, um komprimierte, kühle Luft für die Verbrennungskraftmaschine 12 zur Verfügung zu stellen. Die komprimierte, kühle Luft wird direkt in die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 12 geleitet, damit mehr Brennstoff eingesetzt bzw. verbrannt werden kann, um somit die Verbrennungskraftmaschine mit einem besseren Wirkungsgrad laufen zu lassen.

Bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen hat sich herausgestellt, daß diese ein geringeres Drehmoment aufweisen, wenn die Arbeitsdrehzahl unter einen bestimmten Wert fällt. Dies tritt bei konventionellen Turboladern bei Drehzahlen unter 40.Ό00 bis 50.000 Umdrehungen pro Minute auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung und durch die Verwendung einer Hilfsantriebsmaschine bzw. eines Rankine-Kreislaufmotors 16 ist das Drehmomentverhalten der Verbrennungskraftmaschine 12 wesentlich verbessert worden. Die Hilfsantriebsmaschine 16 wird durch die Energie aus der überschüssigen bzw. verbrauchten Wärme der Verbrennungskraftmaschine 12 angetrieben. Die Hilfsantriebsmaschine 16 ist ihrerseits entweder direkt über ein mechanisches Gestänge (Fig. 2) oder über einen Kompressor oder Hilfsturbolader, der komprimierte Luft erzeugt, an dem Turbolader 14 (Fig. 3) angekuppelt und treibt den Turbolader 14 an.

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Der Turbolader 14 (Fig. 2) weist eine Turbine 18 und einen Kompressor 20 auf, der über die Welle 22 mit der Turbine antriebsverbunden ist. Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 wird der Turbine 18 zugeführt, so daß die Welle 22 und der Kompressor 20 angetrieben werden. Der Kompressor 20 drückt kühle Luft in die Verbrennungskraftmaschine 12. Nachdem das Abgas die Turbine 18 passiert hat, wird es einem Abgasgenerator bzw. Wärmetauscher 2 4 zugeführt, der einen Teil der Hilfsantriebsmaschine bzw. des Rankine-Kreislaufmotors 16 darstellt. Zur gleichen Zeit zirkuliert öl und Kühlmittel von der Verbrennungskraftmaschine 12 zum Wärmetauscher 26 innerhalb der Hilfsantriebsmaschine 16.

Der Abgasgenerator bzw. Wärmetauscher 24 und der Wärmetauscher bilden einen Teil eines Kreislaufes 28 für Arbeitsmittel bzw. Druckmittel innerhalb der Hilfsantriebsmaschine 16. Der geschlossene Kreislauf 2 8 enthält eine Pumpe 3 0 am Eingang des Wärmetauschers 26, ein Dehnungsgefäß 32 am Ausgang des Abgasgenerators 24 und einen Kondensor 3 4 am Ausgang des Dehnungsgefäßes 32. Die Pumpe 30 fördert Arbeitsmittel bzw. Druckmittel zum Wärmetauscher 26, in dem das Arbeitsmittel über das öl und das Kühlmittel aus der Verbrennungskraftmaschine erhitzt wird. Danach wird das Arbeitsmittel zum Abgasgenerator 2 4 geleitet, in dem es über das aus der Verbrennungskraftmaschine 12 stammende Abgas in ein gasförmiges Arbeitsmittel umgesetzt wird. Das gasförmige Arbeitsmittel wird zu dem Dehnungsgefäß 32 geleitet, in dem die Energie des Arbeitsmittels in eine mechanische Drehbewegung umgesetzt wird und auf eine Welle 36 wirkt. Das Arbeitsmittel wird anschließend mittels eines Kondensors 34 kondensiert

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und zur Pumpe 30 geleitet, so daß es erneut in dem Kreislauf 28 der Hilfsantriebsmaschine 16 zirkulieren kann.

Die Welle 36 ist über die Kupplung 38 an eine Welle 40 und an die Welle 22 angeschlossen. Die Energie im Dehnungsgefäß bewirkt eine Drehung der Welle 36, so daß nach Einrücken der Kupplung 38 der Turbolader 14 über die Hilfsantriebsmaschine 16 angetrieben wird. Infolge der Verbesserung des Drehmoments bzw. der Drehmoraentabhängigkext der Verbrennungskraftmaschine 12 bei niedrigen Geschwindigkeiten ist die Kupplung 38 in vorteilhafter Weise als Einwegkupplung mit einer konzentrischen Welle ausgebildet. Dadurch wird eine automatische Abkupplung der Hilfsantriebsmaschine 16 vom Turbolader 14 gewährleistet, wenn der Turbolader mit einer entsprechend hohen Drehzahl zufriedenstellend arbeitet. Ist jedoch die Herabsetzung der Abgasabgabe der Verbrennungskraftmaschine 12 so, daß die Wirkungskraft und die Leistung der Turbine 18 und des Kompressors 20 ernsthaft das Leistungsverhalten des Turboladers 14 beeinträchtigen, dann schaltet die Kupplung 38 automatisch den Turbolader an die Hilfsantriebsmaschine 16 an, um die Geschwindigkeit des Turboladers 14 auf ein optimales Niveau anzuheben.

In bestimmten Situationen ist es wünschenswert, wenn der Turbolader 14 eine große Menge komprimierter, kühler Luft der Verbrennungskraftmaschine 12 jederzeit zur Verfügung stellt. In diesen Situationen wird gemäß des Ausführungsbeispieles nach Fig. 3 das Dehnungsgefäß 32 der Hilfsantriebsmaschine 16 dem Turbolader 14 zugeschaltet. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird die durch das Dehnungsgefäß 32 hervorgerufene mechanische Antriebskraft verwendet,

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um einen Kompressor 50 anzutreiben, der einen Kompressorteil eines Hilfsturboladers umfaßt, der in Abhängigkeit komprimierter, kühler Luft steht, die über den Turbolader im Bereich des Kompressors 2 0 geführt wird. Die kühle Luft aus dem Kompressor 50 zusammen mit der komprimierten Luft aus dem Kompressor 2 0 bewirkt eine hohe Aufladung von kühler Luft innerhalb der Verbrennungskraftmaschine 12.

Die Details der Hilfsantriebsmaschine bzw. des Rankine-Kreislaufmotors 16 sind in Fig. 4 veranschaulicht. Die Pumpe 30 (Fig. 4) kann als Stellpumpe, wie sie beispielsweise in einem Kühlsystem verwendet wird, ausgebildet sein. Die Pumpe 3 0 kann beispielsweise mit Kolben, die ringförmig in der Pumpe angeordnet sind und über die Bewegung einer Taumelscheibe angetrieben werden, ausgerüstet sein. Der Kreislauf 28 enthält ein hoch komprimiertes Arbeitsmittel mit einer hohen Temperatur. Das Arbeitsmittel kann ein fluorkohlenstoffhaltiges Gas enthalten.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 enthält der Wärmetauscher oder Vorwärmer 26 einen Wärmetauscher 52 für Flüssigkeit mit drei verschiedenen Kreisläufen. Der erste Kreislauf des Wärmetauschers 52 ist zur Aufnahme von erwärmtem öl mit der Verbrennungskraftmaschine 12 verbunden. Der zweite Kreislauf ist mit dem nicht warmen Kühlmittel aus dem Radiator der Verbrennungskraftmaschine 12 beaufschlagt. Ein dritter Kreislauf enthält Arbeitsmittel von der Pumpe 30. Der Wärmetauscher 52 ist so ausgelegt, daß der Austausch der Wärmeenergie aus dem öl und dem Kühlmittel zum Arbeitsmittel erfolgt, bevor das öl und das Kühlmittel zur Verbrennungskraftmaschine 12 und zum Radiator zurückfließen. Der Abgasgenerator 24 weist einen Wärmetauscher 54 auf, der heißes

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Abgas von der Turbine 18 des Turboladers 14 erhält, um den Wärmeaustausch zwischen Abgas und Arbeitsmittel zu beschleunigen bzw. zu erhöhen. Hierdurch wird das Arbeitsmittel in einen gasförmigen Zustand umgewandelt, das dann zum Dehnungsgefäß 32 zirkuliert. Nach der Anordnung gemäß Fig. 4 weist das Dehnungsgefäß 32 eine Turbine 56 auf, die mit der Welle 36 drehbar verbunden ist und in Abhängigkeit des gasförmigen Arbeitsmittels angetrieben wird. Die Welle 36 treibt den Turbolader 14 über die Kupplung 38 an, so wie es auch in Fig. 2 dargestellt ist. Ebenfalls ist es möglich, daß die Welle 36 den Kompressor 50 gemäß Fig. 3 antreibt. Das gasförmige bzw. dampfförmige Arbeitsmittel wird nach Passieren der Turbine 56 im Kondensor 3 4 kondensiert, der mit einem Wärmetauscher 58 ausgerüstet ist (Fig. 4). Das dampfförmige Arbeitsmittel wird mittels kühler Luft in flüssiges Arbeitsmittel umgewandelt, da sie dem Arbeitsmittel die Wärme entzieht. Das kondensierte Arbeitsmittel zirkuliert zur Pumpe 30. Wenn es gefordert wird, kann der Wärmetauscher 58 einen Teil des Radiators der Verbrennungskraftmaschine 12 mit der kühlen Luft aufnehmen, die vom Radiatorgebläse angesaugt wird.

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Claims

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im5 GpR)}

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Patentansprüche

Μ.) Verbrennungskraftmaschine mit einer über die Ab- ^-^ gasenergie der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Hilfsantriebsmaschine, die mit der Verbrennungskraftmaschine zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Verbrennungskraftmaschine (12) und der HiIfsantriebsmaschine (Rankine-Kreislaufmotor 16) ein vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine angetriebener Turbolader (14) vorgesehen ist, dessen Abgasleitung an die Hilfsantriebsmaschine (16) angeschlossen ist, die dem Turbolader wahlweise zuschaltbar ist.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,,daß die Hilfsantriebsmaschine (16) über eine mechanische Antriebsverbindung (Welle 22) und eine Kupplung (38) in Abhängigkeit der unterschiedlichen Geschwindigkeit zwischen der Antriebsverbindung und dem Turbolader (14) mit diesem verbunden ist.
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanischen Antriebsverbindung (Welle 22) eine Vorrichtung (Dehnungsgefäß 32) zur Erzeugung komprimierter Luft zugeordnet ist, die über die Antriebsverbindung (Welle 22) und die Kupplung (38) den Antrieb des Turboladers (14) unterstützt.

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ORIGINAL INSPECTED

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4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsantriebsmaschine (16) eine Pumpe (30) zur Förderung eines Arbeitsmittels, einen ersten Wärmetauscher (52), der die Wärmeenergie des von der Verbrennungskraftmaschine kommenden Öls und Kühlmittels dem Arbeitsmittel zuführt, einen zweiten Wärmetauscher (54), der die Wärmeenergie aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Turboladers zur Verdampfung des Arbeitsmittels verwendet, die in Abhängigkeit des Arbeitsmittels stehende, mechanische Antriebsverbindung (Welle 22) sowie einen Kondensor (34, Wärmetauscher 58) zur Kondensierung des dampfförmigen Arbeitsmittels aufweist.

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