DE2837023A1

DE2837023A1 - Brennkraftmaschine mit abgasturbolader

Info

Publication number: DE2837023A1
Application number: DE19782837023
Authority: DE
Inventors: Bryan Lawton
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1977-08-24
Filing date: 1978-08-24
Publication date: 1979-03-08
Also published as: GB2003226A; FR2401314A1

Description

P A T K N T A N W A Ii T DiPLZiIiG-E. HOLZEB S-WBIiSBB- STBASSK 14

8900 AUGSBURG

TKtKFON 816476

533202 patol d

283.70:

H. 623 Augsburg, den 17. August 1978

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London, SWl, England

Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

. ■ Die Erfindung betrifft eine mit Kompressionszündung arbeitende Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader.

Dabei kann es sich beispielsweise um einen Kolben-Dieselmotor oder einen Wanke!-Dieselmotor handeln.

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Brennkraftmaschinen dieser Art sind bereits bekannte Dabei wird die Turbine des Abgasturboladers von den Maschinenabgasen angetrieben und treibt ihrerseits den Verdichter des Abgasturboladers an_s der dann dem Lufteinlaß der Brennkraftmaschine Luft mit erhöhtem Druck zuführt. Diese Anordnung hat den Vorteil;, daß die Kompression in zwei Stufen stattfindet, nämlich zuerst im Verdichter des Abgasturboladers und anschließend in der Brennkraftmaschine selbst. Ein Dieselmotor muß normalerweise mit einem Druckverhältnis von mindestens 12 : 1 arbeiten., um sich selbst in Gang halten zu können« Bei einem mit atmosphärischer Luft gespeisten Motor muß dieses Kompressionsverhältnis vollständig innerhalb des Motors selbst erzeugt werden_o Dagegen bringt eine Aufladung bekanntermaßen Vorteile hinsichtlich Größe_s Gewicht und Herstellungskosten einer Brennkraftmas chine„

Diese Vorteile machen natürlich eine mit Aufladung arbeitende Dieselmaschine als Antrieb für Kraftfahrzeuge interessant= Bisher hat die mit Aufladung arbeitende Dieselmaschine allerdings'auf diesem Gebiet noch keine Anwendung gefunden., was seinen Grund darin hat_s daß die erforderliche Anpassung der BetriebsCharakteristiken des Abgasturboladers an diejenigen der Brennkraftmaschine gegenwärtig zu einer erheblichen Einschränkung des aus=

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nutzbaren Drehzahlbereiches der Maschine führt. Dies würde bei einer Anwendung als Kraftfahrzeugantrieb bedeuten, daß der Maschine ein Getriebe mit einer großen Anzahl eng abgestufter Getriebegänge nachgeschaltet werden müßte. Die sich daraus ergebende Kostensteigerung würde den durch die Aufladung gewonnenen Vorteil wieder zunichte machen, und außerdem würde die große Anzahl der erforderlichen Getriebegänge das Fahren eines mit einem solchen Antriebsaggregat ausgestatteten Fahrzeugs schwieriger machen. Obwohl sich die mit Turboaufladung betriebene Dieselmaschine auf Anwendungsgebieten, die einen Betrieb mit gleichbleibender Drehzahl zulassen, beispielsweise auf dem Gebiet der Energieerzeugung, bewährt hat, hat sie auf dem Gebiet des Kraftfahrzeugantriebs bisher noch zu keinen wesentlichen Erfolgen geführt.

Die dafür verantwortliche Beschränkung des ausnutzbaren Drehzahlbereiches hat folgende Ursache:

Bei einer einfachen Maschineneinheit, bei welcher eine Dieselmaschine mittels eines abgasgetriebenen Turboverdichters aufgeladen wird, muß die gesamte, vom Verdichter geförderte Luft von der Maschine aufgenommen werden. Der Verdi.chterdurchsatz wird dabei durch die Maschinendrehzahl gesteuert. Fällt aber die Maschinendrehzahl unter

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einen bestimmten Wert ab, sinkt auch der Luftdurchsatz durch den Verdichter auf einen entsprechend niedrigen Wert ab, unterhalb dessen der Verdichter nicht mehr zufriedenstellend arbeitet, d.h. der Verdichter wird gezwungen, unterhalb der Pumpgrenze seiner Betriebs-Charakteristik zu arbeiten. In der Praxis führt dieses Problem der Verdichterpumpschwingungen in einem solchen einfachen System zu erheblichen Beschränkungen des praktisch nutzbaren Maschinendrehzahlbereiches.

Aus der GB-PS 1 429 493 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher eine solche einfache Maschineneinheit dadurch abgewandelt ist, daß eine Bypassleitung vorgesehen ist, durch welche Luft unter Umgehung der Maschine unmittelbar vom Verdichterauslaß zum Turbineneinlaß gelangen kann. Bei dieser bekannten Anordnung ist in der Bypassleitung ein Regulierventil vorgesehen, mittels dessen in der Bypassleitung für einen bestimmten Luftdurchsatzbereich ein konstanter Druckabfall erzeugt wird.

Eine andere Anordnung, bei welcher eine Bypassleitung Anwendung findet, ist beispielsweise aus der GB-PS 1 291 bekannt.

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Bei beiden eben genannten bekannten Anordnungen ist stromauf der Turbine eine Hilfsbrennkammer angeordnet, die zum Anfahren des Turboverdichters dient.

Die vorliegende Erfindung geht von der in den beiden eben genannten Druckschriften nicht gewonnenen Erkenntnis aus, daß sich das Problem der Verdichterpumpschwingungen bei langsamen Maschinendrehzahlen mit Hilfe einer Bypassleitung beherrschen lassen kann.

Die Anwendung einer Bypassleitung bringt jedoch eine weitere Schwierigkeit hinsichtlich -des Betriebs des Turboverdichters bei langsamen Maschinendrehzahlen mit sich, die sich aus folgendem Umstand ergibt:

Wenn die Maschine mit langsamer Drehzahl läuft, strömt zur Vermeidung des Problems der Verdichterpumpschwingungen ein großer Teil des Verdichterdurchsatzes durch die Bypassleitung und nur ein verhältnismäßig kleiner Anteil durch die Maschine hindurch. Die Turbine erhält deshalb ein Gemisch aus Bypassluft und Maschinenabgas, so daß die Turbineneinlaßtemperätur bei niedrigen Masehinendrehzahlen abfällt. Infolgedessen sinkt auch die Turbinendrehzahl ab, und der Verdichterauslaßdruck und folglich die Maschinenleistung sinken ebenfalls.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde _s eine Brennkraftmaschinenanordnung mit Abgasturbolader der eingangs genannten Art so zu gestalten,, daß der nutzbare Maschinen= drehzahlbereich vergrößert wird-

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des HauptanSpruchs angegebene Anordnung gelöste

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann im Turbinen= abgas enthaltende Wärmeenergie zur Steigerung der Temperatur der durch die Bypassleitung strömenden Luft ausgenützt werden., bevor diese sich mit dem Maschinenabgas vermischt und in die Turbine eintritt,, Auf diese Weise kann der nutz= bare Bereich der Maschinendrehzahlen ausgeweitet und außer= dem eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich des Kraft= stoffVerbrauchs bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden₀

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende schematische Zeichnung näher erläuterte '

Die Zeichnung zeigt eine mit Kommpressionszündung arbeitende Brennkraftmaschine I₃ bei welcher es sich um einen Kolben-Diese!motor oder einen Wankel=Die se !motor

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handeln kann. Die Brennkraftmaschine wird mittels eines Abgasturboladers 2 aufgeladen, der einen Verdichter 3 und einen diesen über eine Welle 4 antreibende Turbine 5 aufweist. Der Verdichterauslaß 6 ist über eine Leitung 8 mit dem Lufteinlaß 7 der Brennkraftmaschine verbunden, und der Abgasauslaß 9 der Brennkraftmaschine ist über eine Leitung 11 mit dem Turbineneinlaß 10 verbunden.

Eine parallel zur Brennkraftmaschine 1 verlaufende Bypassleitung 6 verbindet über jeweils einen Abschnitt der Leitungen 8 und 11 den Verdichterauslaß 6 mit dem Turbineneinlaß 10. In der Bypassleitung 12 ist ein Wärmetauscher 13 angeordnet, durch welchen außerdem über eine Leitung 15 die den Turbinenauslaß 14 verlassenden Turbinenabgase hindurchgeleitet werden.

Stromab des Abzweigs der Bypassleitung 12 von der Leitung 8 kann gewünschtenfalls in der Leitung 8 ein Luftkühler 16 angeordnet sein, an dessen Kühlmitteleinlaß 17 und Kühlmittelauslaß 18 Kühlmittelleitungen angeschlossen sind. Stromab der Verbindung zwischen der Bypassleitung 8 und der Leitung 12 ist in der Leitung 11 eine Hilfsbrennkammer 19 angeordnet, und in der Bypassleitung 12 ist ein Regulierventil 20 für die Bypasströmung vorgesehen.

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Zum Anlassen der Maschineneinheit wird zuerst der Turboverdichter 5, 6 angefahren. Bei stillstehender Brennkraftmaschine 1 wird das Regulierventil 20 vollständig geöffnet und der Turboverdichter wird mittels eines externen Antriebs, beispielsweise mittels eines elektrischen Anlassers, gedreht. Gleichzeitig wird der Hilfsbrennkammer 19 Kraftstoff zugeführt und verbrannte Dadurch wird Abgas mit hoher Temperatur zum Antrieb der Turbine 5 erzeugt, die dann über die Welle 4 den Verdichter 3 antreibt. Der Turbine steht dann weiteres Gas aus dem Verdichter über die Leitungen 8, 12 und 11 zur Verfügung, und der Turboverdichter erreicht deshalb schnell sein Betriebs drehzahl und der elektrische Anlasser kann abgeschaltet werden.

Sodann wird das Regulierventil 20 etwas geschlossen, um zwischen den Leitungen 8 und 11, d.h. zwischen dem Lufteinlaß 7 und dem Abgasauslaß 9 der Brennkraftmaschine ein Druckgefälle zu erzeugen, und sodann wird die Brennkraftmaschine mittels eines externen Antriebs, beispielsweise eines elektrischen Anlassers, durchgedreht. Der Verdichter kann typischerweise einen Förderdruck von etwa 3j5 bar erzeugen, so daß bei einem Druckverhältnis in der Brennkraftmaschine selbst von etwa 5 : 1 beispielsweise ein Gesamtdruckverhältnis von etwa 17,5 : 1 und damit leicht eine Selbstzündung erreicht wird. Die aus der Brennkraft-

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maschine 1 und dem Abgasturbolader 2 bestehende Maschineneinheit läuft nach kurzer Zeit selbständig, d.h. die elektrischen Anlasser brauchen nur kurz betätigt zu werden und die Kraftstoffzufuhr zur Hilfsbrennkammer kann nach kurzer Zeit abgestellt werden.

Der Luftkühler 16 dient dazu, die vom Verdichter geförderte und dabei erwärmte Luft zu kühlen und daher ihre Dichte zu erhöhen, so daß der Massendurchsatζ an Luft durch die Brennkraftmaschine bei einer gegebenen Maschinendrehzahl gesteigert wird.

Ist die Maschinendrehzahl hoch, verbraucht die Brennkraftmaschine den größten Teil der vom Verdichter zur Ver~ fügung gestellten Luft, und es strömt nur wenig Luft durch die Bypassleitung 12. Polglich handelt es sich bei dem den Turbineneinlaß 10 erreichenden Gas hauptsächlich um heißes Maschinenabgas, typischerweise mit einer Temperatur von etwa 600⁰C. Die Turbine erhält also, obwohl die Hilfsbrennkammer nicht mehr in Betrieb ist, Gas mit so hoher Temperatur, daß sie eine ausreichende Leistung zum Antrieb des Verdichters abgibt und ein ausreichend hoher Verdichterförderdruck aufrechterhalten wird.

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Wenn jedoch die Maschinendrehzahl abfällt_s benötigt die Brennkraftmaschine nicht mehr die ganze Förderluft des Verdichters und es strömt infolgedessen ein größerer Anteil des Verdichterdurchsatzes durch die Bypassleitung hindurch. Diese Bypassluft ist verhältnismäßig kühl und würde das heiße Maschinenabgas in der Leitung 11 beim Fehlen des Wärmetauschers 13 so stark verdünnen und abkühlen, daß die Turbineneinlaßtemperatur abfällt und sich ein beträchtliches Absinken der Verdichterdrehzahl und des Verdichterforderdruckes ergeben würde_s was wiederum zur Folge hätte _a daß bei gleichbleibender Kraftstoffeinspritzung das Luft/Kraftstoff-Verhältnis unter die Rauchgrenze abfallen würde_o Die untere Grenze des Betriebsdrehzahlbereiches der Brennkraftmaschine wird tatsächlich durch die Rauchgrenze bestimmt und daher kann durch eine Maßnahme_a mittels derer sich die Rauchgrenze zu einer niedrigeren Maschinendrehzahl hin verschieben läßt₀ der nutzbare Maschinendrehzahlbereich erweitert werden₀

Dies erfolgt im vorliegenden Fall durch die Anordnung des Wärmetauschers 13 in der Bypassleitung 12_O Dadurch wird die verhältnismäßig kühle Bypassluft erwärmt_fl bevor sie sich mit dem heißen Maschinenabgas vermischt^ wodurch sich bei niedrigen Maschinendrehzahlen eine beträchtliche

Steigerung der Turbineneintrittstemperatur gegenüber einem Betrieb ohne Wärmetauscher erzielen läßt. Computeruntersuchungen an einer bestimmten Maschinenauslegung mit einem Wanke!-Dieselmotor haben ergeben, daß durch Verwendung eines Wärmetauschers auf diese Weise die Turbineneintrittstemperatur an der unteren Grenze des Maschinendrehzahlbereiches um etwa 30⁰C gesteigert und gleichzeitig der Verdichterförderdruck und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis um etwa 20 % erhöht werden können. Während der Wert von 30°C auf den ersten Blick klein erscheinen mag, zeigen die Computeruntersuchungen auch, daß der nutzbare Masehinendrehzahlbereich durch Verwendung des Wärmetauschers von etwa 40 % der Maximaldrehzahl auf etwa 51 % der Maximaldrehzahl gesteigert werden kann, d.h. die Ausweitung des nutzbaren Maschinendrehzahlbereiches beträgt 28 %, und außerdem kann der Kraftstoffverbrauch um etwa 15 % herabgesetzt werden.

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L e e r s e i \ e

Claims

Patentansprüche

l.yMit Kompre s s ions zündung arbeitende Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Brennkraftmaschine (1) eine Bypassleitung (12) zwischen dem Verdichterauslaß (6) und dem Turbineneinlaß (10) des Abgasturboladers verläuft, in welcher ein außerdem von den Turbinenabgasen des Abgasturboladers durchströmter Wärmetauscher (13) angeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein in der Bypassleitung (12) angeordnetes Regulierventil (20).
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Verdichterauslaß (6) und dem Lufteinlaß (7) der Brennkraftmaschine angeordneten Luftkühler (16).
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch externe Antriebsmittel zum Drehen des Abgasturboladers, weiter durch eine zwischen dem Auspuff (9) der Brennkraftmaschine (1) und dem Turbineneinlaß (10) des Abgasturboladers angeordnete Hilfsbrennkammer (19)» in

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welche Kraftstoff einleitbar ist, und durch externe Antriebsmittel zum Drehen der Brennkraftmaschine.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe ein Wanke1-Diese!motor ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe ein Kolben-Dieselmotor ist.

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