DE3439444A1

DE3439444A1 - Verfahren und einrichtung zum betrieb eines abgasturboladers

Info

Publication number: DE3439444A1
Application number: DE19843439444
Authority: DE
Inventors: Franco Dipl.-Ing. Viganello Roda
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1984-10-27
Filing date: 1984-10-27
Publication date: 1986-04-30

Description

105/84

25.10.84 Ke/dh

Verfahren und Einrichtung zum Betrieb eines Abgasturboladers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines auf Teillast ausgelegten Abgasturboladers an einer Brennkraftmaschine. Sie bezieht sich auch auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein wichtiges Problem der hochaufgeladenen Verbrennungsmotoren ist der Ladedruckabfall bei reduzierter Drehzahl. Als Beispiel sei der Propellerbetrieb bei Schiffsdieselmotoren erwähnt.

Dieses Problem beeinflusst sowohl den stationären Betrieb hinsichtlich hoher Bauteiltemperaturen und Rauchentwicklung als auch den transienten Betrieb hinsichtlich Beschleunigungszeiten.

Abhilfe schafft die an sich bekannte Erhöhung des Ladedruckes bei Teillast. Diese kann erreicht werden, indem der Turbolader auf Teillast ausgelegt wird, so dass bei reduzierter Drehzahl genügend Ladedruck zur Verfügung steht. Die Massnahme, beispielsweise die Düsenfläche der Laderturbine für einen bestimmten Teillastbereich

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zu dimensionieren, d.h. kleiner zu gestalten gegenüber der Vollastauslegung, bewirkt eine Anhebung des Druckes im Abgasreceiver. Hierdurch steht gerade im Teillastbereich genügend Energie an der Laderturbine zur Verfügung, um den gewünschten Ladedruck im Verdichter zu erzeugen. Der Ladedruck darf jedoch bei einer Drehzahlerhöhung ein bestimmtes Niveau nicht überschreiten. Die Begrenzung findet in der Regel durch Betätigung eines Abgasventiles oder eines Luftventiles statt.

Ganz allgemein ist das Abgasventil thermodynamisch besser als das Luftventil, aber seine Verwendung ist im Schwerölbetrieb wegen kaum vermeidbarer Verschmutzung sehr problematisch.

Das Luftventil ist für den Schwerölbetrieb besser geeignet, jedoch bewirkt es einen höheren Anstieg der Turboladerdrehzahl mit zunehmendem Volumenstrom.

Die grössten Nachteile beider bekannten Lösungen sind die beweglichen Teile in Form von Ventilen und/oder Klappen, die im Langzeitbetrieb zu mechanischen Problemen führen können und überdies starke Geräusche verursachen.

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei gleichbleibender thermodynamischer Wirkung ohne bewegte Teile auskommen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmedien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Das dargestellte System besteht aus einem Dieselmotor 1,

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der über den Verdichter 2 eines Abgasturboladers mit Druckluft versorgt ist. Den Verdichterantrieb besorgt die Laderturbine 3, welche mit den Abgasen des Dieselmotors beaufschlagt ist. In der Ladeluftleitung zum Dieselmotor befindet sich ein Ladeluftkühler 7.

Die Erfindung wird nun anhand eines Zahlenbeispiels erläutert. Es v/ersteht sich, dass auf die Bekanntgabe won allen den Berechnungen und Versuchen zugrundeliegenden Absolutwerten verzichtet wird, da diese wegen ihrer Abhängigkeit von allzu zahlreichen Parametern ohnehin ungenügende Aussagekraft besitzen.

Ausschlaggebend für die anzustellenden Ueberlegungen sind die herrschenden Drücke in der Kammer 4, im folgenden mit Ladedruck bezeichnet und im Abgasreceiver 5, im folgenden mit Receiverdruck bezeichnet. Um das Ausmass der mit der Erfindung erzielbaren Vorteile voll erkennen zu können, ist eine Quantifizierung dieser beiden Drücke erforderlich.

Zugrundegelegt wird ein sechszylindriger Modelldieselmotor, wie er beispielsweise für Schiffsantriebe Verwendung findet. Er weist eine Leistung von ca. 340 KW/Zylinder auf, eine Drehzahl von 750 U/min und einen spezifischen mittleren Druck von ca. 23 bar.

Soll eine Hochaufladung vorgenommen werden, so beträgt nach derzeitigem technischen Stand der Ladedruck bei Vollast ca. 3,4 bar» Berücksichtigt man ferner die derzeitigen Wirkungsgrade von Abgasturboladern, so ist bei Anwendung von nur einer Turboladerturbine ein Receiverdruck von ca. 2,8 bar notwendig, um diesen Ladewert erzielen zu können. Der Turbinenquerschnitt einer solchen

einzelnen Turbine sei im folgenden als Ausgangslage mit 100 % bezeichnet. Dieser 100?oige Turbinenquerschnitt kann selbstverständlich auch auf zwei oder mehrere Turbinen aufgeteilt werden, wie es beispielsweise unter dem Begriff der Registeraufladung bekannt ist.

Die Teillastauslegung geschieht nun in der Weise, dass der Receiverdruck anzuheben ist. Bei Zwei-Taktmotoren und gespülten Vier-Taktmotoren kann dies bis zu einem Wert geschehen, bei dem eine ausreichende Spülung noch gewährleistet ist; dies kann fast bis in den Bereich des Ladedrucks hinreichen. Bei nicht gespülten Vier-Taktmotoren, beispielsweise bei Fahrzeugmotoren, kann der Receiverdruck weit über den Ladedruck hinaus gesteigert werden, wodurch sich selbstverständlich die Ausschiebearbeit und somit der Ladungswechselverlust des Motors erhöht.

Ein erhöhter Receiverdruck wird dadurch erreicht, dass der von den Abgasen beaufschlagte Turbinenquerschnitt von 100 % auf 80 % reduziert wird. Der Druck beim Modell motor wird dadurch von 2,8 bar auf 3,2 bar erhöht, liegt somit immer noch unter dem gewünschten Ladedruck von 3,4 bar.

Dieser erhöhte Receiverdruck hat nun zur Folge, dass ein grösserer Teil der potentiellen Abgasenergie ausgenützt werden kann, da auch die Drosselverluste vom Zylinder zum Receiver hin reduziert sind. Um den erwähnten Ladedruck zu erzielen, d.h. um die erforderliche Verdichterleistung zu erbringen, benötigt die Laderturbine nicht mehr das vorhandene Energieangebot. Da der nicht benötigte Teil jedoch nicht, wie bekannt, durch ein Abgasventil abgeleitet wird, sondern von der Gasturbine verarbeitet wird, was zu einer Drehzahlerhöhung des Ver-

dichters führt und somit eine unerwünschte Ladedruckerhöhung zur Folge hätte, setzt hier die Erfindung ein.

Die Drehzahlerhöhung wird in Kauf genommen, jedoch wird der Ladedruck auf den zulässigen Höchstwert begrenzt, in dem die vom Laderverdichter angesaugte Luft vorgewärmt wird. Es zeigt sich, dass bei Motorvollast eine Aufheizung der Umgebungsluft um ca. 5O⁰C genügt, um den oben erwähnten Ladedruck von 3,4 bar nicht zu überschreiten.

Die erhöhte Eintrittstemperatur hat selbstverständlich eine erhöhte Verdichtungsendtemperatur zur Folge. Beim vorliegenden Zahlenbeispiel beträgt diese Erhöhung bei Vollast ca. 8O⁰C, welche zusätzlich im Ladeluftkühler 7 abgeführt werden müssen.

Vom Leerlauf bis zum Auslegungspunkt des Turboladers, d.h. jener Teillast, für welche die Düsenfläche der Turbine dimensioniert ist, erfolgt demnach in der Regel kein Eingriff. Wird diese vorbestimmte Teillast überschritten, so wird nach Massgabe des höchstzulässigen Ladedruckes die angesaugte Luft entsprechend vorgewärmt. Hierbei kann der Ladedruck als Regelgrösse für die aufzubringende Wärmemenge herangezogen werden.

Versuche und Rechnungen zeigen, dass die Erwärmung der Luft vor Verdichter im Ergebnis der bekannten Lösung des Luftabblasens entspricht. Für beide Systeme weisen die Motorenbetriebsgrössen wie beispielsweise Brennstoffverbrauch, Luftmenge durch den Motor, Luftüberschuss, Ventilsitztemperatur und dgl. gleiche Werte auf. Von Vorteil ist indessen, dass die nicht benötigte Energie - insbesondere bei Vollast - nicht durch Abblasen über Durchflussorgane vernichtet werden muss, sondern dass

die von der Laderturbine erzeugte überschüssige mechanische Energie in Wärme umgewandelt wird, die über ohnehin vorhandene Apparate einfach abzuführen ist.

Die Erwärmung der Umgebungsluft erfolgt in einem in der Ansaugleitung angeordneten Wärmeaustauscher 6. Beaufschlagt wird dieser Wärmeaustauscher mit Warmwasser, welches dem Ladeluftkühler wasseraustrittsseitig entnommen wird. Die jeweils durch den Wärmeaustauscher strömende Wassermenge ist bei vorgegebener Wassertemperatur eine Funktion der erforderlichen Lufteintrittstemperatur in den Verdichter 2.

Selbstverständlich kann die entsprechende Wassermenge auch dem aufgewärmten Kühlmittel des Dieselmotors 1 selbst entstammen.

Neben dem Wegfall des durch Ventile und Klappen verursachten Lärms hat die neue Lösung den zusätzlichen Vorteil, dass die überaus lästigen Luftansauggeräusche im Wärmeaustauscher gedämpft werden.

In Weiterbildung der Erfindung kann der Wärmeaustauscher 6 in Fällen, in denen Kühlwasser zur Verfügung steht, welches kälter als die Umgebungsluft ist, auch als Luftkühler verwendet werden. Dies gilt für jene Betriebsbereiche, die unterhalb der vorbestimmten Teillast gefahren werden. Die Luft vor Verdichter 2 kann in diesem Teillastbetrieb unter die Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Dadurch steigt das Verdichterdruckverhältnis an mit der Folge, dass die anderen Betriebsgrössen positiv beeinflusst werden, insbesondere jedoch eine Verbesserung im Brennstoffverbrauch erzielt wird.

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Claims

Patentansprüche

( 1.) Verfahren zum Betrieb eines auf Teillast ausgelegten Abgasturboladers an einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ueberschreiten der vorbestimmten Teillast der Brennkraftmaschine der Ladedruck nach der Verdichtung begrenzt wird durch Erhöhen der Temperatur der angesaugten Luft vor ihrer Verdichtung .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bis zur vorbestimmten Teillast die angesaugte Luft vor ihrer Verdichtung gekühlt wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem einer Brennkaftmaschine zugeordneten, auf Teillast ausgelegten Abgasturboladers, im wesentlichen bestehend aus einer Abgasturbine und einem hiervon angetriebenen Laderverdichter, sowie einem in der Ladeluftleitung angeordneten Ladeluftkühler, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansaugleitung zum Laderverdichter ein Wärmeaustauscher angeordnet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher mit Warmwasser aus der Brennkraftmaschine oder aus dem Ladeluftkühler beaufschlagt ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Ver-

fahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

der Wärmeaustauscher mit Arbeitsmittel aus einer Kaltwasserquelle versorgt ist.