DE2849723C2

DE2849723C2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2849723C2
Application number: DE2849723A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. 7990 Friedrichshafen Dinger; Helmut Klotz, (Ing.grad.), 7992 Tettnang
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1978-11-16
Filing date: 1978-11-16
Publication date: 1983-08-04
Also published as: DE2849723A1; FR2441723A1; FR2441723B1; US4428192A; GB2034815B; GB2034815A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und bezweckt die Bereitstellung von Ladeluft mit hoher Vorverdichtung.

Es sind verschiedene Anordnungen an Brennkraftmaschinen bekannt, die Druckgas aus zeitweise als Kompressor betriebenen Zylindern als zusätzliches Antriebsmittel für dasjenige Aufladeaggregat einsetzen, das als Motor arbeitende Zylinder mit vorverdichteter Ladeluft versorgt. Der Energieinhalt des Druckgases aus den als Kompressor betriebenen Zylindern ist abhängig vom Gegendruck, der sich durch die Aufstauwirkung des den Zusatzantrieb bewirkenden Druckgasverbrauchers ergibt. Bei den bekannten Anordnungen ist die Aufstauwirkung des Druckgasverbrauchers im Teillastbetrieb erst bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine groß genug, um eine effektvolle Aufladedruckerhöhung zu erreichen. Dieses ungünstige Betriebsverhalten der bekannten Anordnungen ergibt sich durch die Verwendung von Druckgasverbrauchern, die im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine mit Druckgas sehr hohen Energieinhaltes betrieben werden und auf die Verhältnisse bei geteilter Betriebsweise der Brennkraftmaschine nicht optimal ausgelegt werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Druckgasantrieb zu schaffen, bei dem ein Druckgasverbraucher eingesetzt wird, dessen Aufstauwirkung die Erzeugung von Druckgas hohen Energieinhaltes schon br\ Leerlauf der Brennkraftmaschine zuläßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch den ersten Teil des kennzeichnenden Merkmals von Patentanspruch 1 gelöst Die Schaufelgitter der Turbine des weiteren Aufladeaggregates sind auf den bei geteilter Betriebsweise der Brennkraftmaschine zu erwartenden Druckgasmassenstrom aus den als Kompressor betriebenen Zylindern ausgelegt Dadurch verursachen die Schaufelgitter der Turbine eine ausreichende Aufstauwirkung, so daß sich schon mit dem Druckgasmassenstrom bei Leerlauf der Brennkraftmaschine ein hoher Gegendruck für die als Kompressor betriebenen Zylinder einstellt

Die beiden Aufladeaggregate, die im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine je eine Zylinderreihe mit Ladeluft versorgen, erfordern dafür eine identische Ausbildung. Es ist deshalb nicht möglich, das eine dieser Aufladeaggregate, das bei geteilter ü'etriebsweise den als Motor arbeitenden Zylindern zugeordnet ist, in seiner thermodynamischen Auslegung den bei dieser Betriebsweise veränderten Druck- und Volumenstromverhältnissen atizupassen. Mit dem zweiten Teil des kennzeichnenden Merkmals von Patentanspruch 1 wird der umgekehrte Weg beschritten. Und zwar erhöht sich mit dieser Maßnahme der Volumenstrom für die Abgasturbine, was eine wesentliche Verbesserung des Antriebspotentials für dieses Aufladeaggregat bei geteilter Betriebsweise der Brennkraftmaschine zur Folge hat.

Eine weitere Verbesserung der Antriebspotentiale für die Turbinen der bei geteiltes- Betriebsweise der Brennkraftmaschine Ladeluft liefernden Aufladeaggregate wird mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5 erreicht.

Die Verdichter der bei geteilter Betriebsweise der Brennkraftmaschine Ladeluft liefernden Aufladeaggregate ergeben gemäß Anspruch 6 eine zweistufige Ladeluftverdichtung. Von besonderem Vorteil ist die Anordnung nach dem zweiten Merkmal von Anspruch 6, weil dabei die Druck- und Volumenstromverhältnisse für den als erste Stufe arbeitenden Verdichter die gleichen sind wie bei seinem Einsatz während ungeteilter Betriebsweise der Brennkraftmaschine. Der Verdichter des weiteren Aufladeaggregates kann dagegen für die Druck- und Volumenstromverhältnisse, die für die zweite Verdichterstufe auftreten, speziell ausgelegt werden, da er nur bei geteilter Betriebsweise der Brennkraftmaschine eingesetzt wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich für die Brennkraftmaschine bei Leerlaui und kleiner Teillast besonders günstige AuFlädeverhältnisse schaffen lassen, daß sich für die Auslegung des zusätzlichen Aufladeaggregates eindeutige, thermodynamische Verhältnisse ergeben, daß sich bei Dieselmotoren, die mit niedrigem Verdichtungsverhältnis betrieben werden, die für störungsfreien Betrieb erforderlichen Druck- und Temperaturwerte im Zylinder mit Sicherheit erzielen lassen, und daß das Weißrauchen des Dieselmotors vermieden wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.

Eine Brennkraftmaschine 11 mit mehreren, in zwei Reihen angeordneten Zylindern 12, 13 wird durch zwei Aufiadeaggregate 14, 15, die je aus einer Abgasturbine 16, 17 und je einem Verdichter 18, 19 bestehen, mit vorverdichteter Ladeluft versorgt Bei Teillast der Brennkraftmaschine 11 arbeiten nur die Zylinder 12 als Motor, währenddessen die übrigen Zylinder 13 als ι Kompressor betrieben werden. Das Druckgas aus den Zylindern 13 gelangt über die in jedem Zylinder 13 vorhandenen Auslaßventile bzw. über spezielle nicht dargestellte Druckgas-Entnahmeventile in die Abgasleitung 21, die gegen die Atmosphäre durch eine ι Absperreinrichtung 23 bzw. 23' abgeschlossen ist Mittels einer an die Abgasleitung 21 angeschlossenen Druckgasleitung 25 wird das Druckgas der Turbine 24 eines weiteren Aufladeaggregates 22 zugeführt Dessen Verdichter 26 ist mit dem Verdichter 18 des 2 Aufladeaggregates 14, das die als Motor arbeitenden Zylinder 12 mix Ladeiufi «crsorgi, in Reihe geschähet Saugleitung 28 und Druckleitung 29 des Vtrdichters 26 sind dabei stroniab bzw. stromauf einer Absperreinrichtung 30 an die Ladeluftleitung des Verdichters 18 : angeschlossen. Auf diese Weise ergibt sich eine zweistufige Vorverdichtung der Ladeluft für die Zylinder 12, wobei prinzipiell zwei Schaltungsvarianten möglich sind. Bei der einen Variante wird Verdichter 26 des weiteren Aufladeaggregates 22 als Niederdruckstu- j fe und Verdichter 18 des Aufladeaggregates 14 als Hochdruckstufe verwendet Absperreinrichtung 30 und die Anschlüsse für Saug- und Druckleitung 28, 29 befinden sich dann in der Ladeluftsaugleitung 31 des Verdichters 18. Hierbei arbeitet Verdichter 18 allerdings s bei Druck- und Volumenstromverhältnissen, die vom Normalbetrieb abweichen und die seine Betriebslinie in die Nähe der Pumpgrenze verschieben. Damit Verdichter 18 bei dieser Betriebsweise ungestört funktionieren kann, ist entweder ein Verdichterlaufrad mit breitem -t K.ennfeld oder ein verstellbarer Leitapparat erforderlich. Diese Probleme lassen sich aber auch die im Beispiel dargestellte andere Variante u.Tigehen. Die Reihenfolge der Verdichter ist hier umgekehrt. Verdichter 18 arbeitet wie im Normalbetrieb und saugt als 4 Niederdruckstufe aus der Atmosphäre über Filter 35 an.

während Verdichter 26 als Hochdruckstufe eingesetzt ist Für Verdichter 18 ist dadurch keine Spezialausführung erforderlich und Verdichter 26 kann für den besonderen Anwendungsfall optimal ausgelegt werden. Bei dieser Variante sind Absperreinrichtung 30 und die Anschlüsse von Saug- und Druckleitung 28, 29 in der Ladeluftdruckleitung 32 des Verdichters 18 angeordnet

Sowohl die Druckgasleitung 25,27 als auch die Saug- und Druckleitung 28, 29 vom und zum weiteren Aufladeaggregat 22 stehen in ständig offener Verbindung mit der Leitung 20,21,32, an die sie angeschlossen sind. Diese Anordnung ist möglich, weil im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine bei geöffneter Absperreinrichtung 23,23' weder zwischen den Abgasleitungen 20,21 noch in der Ladeluftdruckleitung 32 vor oder nach der in Offenstellung befindlichen Absperreinrichtung 30 ein nennenswerter Druckunterschied besteht Dadurch werden teuere und Bauraum erfordernde Absperreinrichtungen in den Leitungen 25,27,28,29 gespart

Das Abgas aus der Turbine 24 des weiteren Aufladeaggregates 22 wird über l.· itung 27 dem Abgas aus den als Motor arbeitenden Zylindern 12 vor Eintritt in die Abgasturbine 16 zugeführt Der die Abgasturbine 16 durchsetzende Massenstrom wird dadurch vermehrt was die Antriebsleistung für Verdichter 18 vergrößert.

Um den Energieinhalt des Druckgases für Turbine 24 noch zu erhöhen, ist in der Druckgasleitung 25 vor der Turbine 24 des weiteren Aufladeaggregates 22 eine Heizeinrichtung angeordnet, mit der die Temperatur des Druckgases angehoben werden kann. Mit 33 ist ein Abgaswärmetauscher bezeichnet, der die Restwärme der Abgase aus Abgasturbine 16 auszunutzen gestattet. Die Wirksamkeit der Druckgasaufheizung läßt sich durch Anordnung einer Hilfsbrennkammer 34 in der Druckgasleitung 25 erheblich steigern. Vor allem ist die Druckgasaufheizung rait der Hilfsbrennkammer 34 dosierbar. Bei gleichzeitiger Verwendung von Hilfsbrennkammer 34 und Abgaswärmetauscher 33, ist es zweckmäßig, den Abgaswärmetauscher 3? strcnauf der Hilfsbrennkammer 34 an der Druckgasleitung 25 anzuordnen.

Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, den Abgaswärmetauscher 33 stromab der Turbine 24 in der Leitung 27 anzuordnen, wenn es das Temperaturniveau der beiden Abgasströme zuläßt und die Hilfsbrennkammer 34 entfällt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, einem oder mehreren Aufladeaggregaten, von denen jedes aus Abgasturbine und Verdichter besteht und bei Teillast der Brennkraftmaschine einige Zylinder als Motor arbeiten und die übrigen Zylinder währenddessen als Kompressor betrieben Druckgas liefern, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgas Antriebsmittel einer Turbine (24) eines weiteren Aufladeaggregates (22) ist und daß das Abgas dieser Turbine (24) zusammen mit dem Abgas aus den als Motor arbeitenden Zylindern (12) Antriebsmittel für die Abgasturbine (16) desjenigen Aufladeaggregates (14) ist, das den Zylindern (12) zugeordnet ist

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Heizeinrichtung zur Wärmeabgabe an das Druckgas vor der Turbine 124) des weiteren Aufladeaggregates (22) in der Druckgasleitung (25) angeordnet ist

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Heizeinrichtung zur Wärmeabgabe an das Druckgas hinter der Turbine (24) des weiteren Aufladeaggregates (22) in der Leitung (27) angeordnet ist

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß ein an sich bekannter Abgaswärmetauscher (33) angeordnet ist, der zur Wärmeabgabe an das Druckgas vor Abgas aus der jo Abgasturbine.(16) durchströmt wird.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizeinrichtung eine jn sich bekannte Hilfsbrennkammer (34) in der Druckgas!*. lung (25) angeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (18) desjenigen Aufladeaggregates (14), das den als Motor arbeitenden Zylindern (12) zugeordnet ist, und der Verdichter (26) des weiteren Aufladeaggregates (22) in an sich bekannter Weise in Reihe geschaltet sind und daß der Verdichter (18) als erste Stufe angeordnet ist.