DE3807372A1 - Verbrennungsmotor mit zweistufigem abgasturbolader und nutzturbine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader und Nutzturbine mit einer von den Hochdruckabgasen des Verbrennungsmotors beaufschlagten Hochdruckturbine, die mit einem Hochdruckverdichter in An­ triebsverbindung steht, einer der Hochdruckturbine in Reihe nachgeschalteten Niederdruckturbine, die über eine Nieder­ druckabgasleitung mit der Hochdruckturbine leitend verbunden ist und mit einem dem Hochdruckverdichter über eine Nieder­ druckladeluftleitung in Reihe vorgeschalteten Niederdruck­ verdichter in Antriebsverbindung steht, sowie mit einer Nutzturbine, die dazu bestimmt ist, bei Betriebszuständen, in denen der vom Motor gelieferte Abgasstrom die Schluck­ fähigkeit der beiden Laderturbinen übertrifft, den dann überschüssigen Anteil des Abgasstromes in Antriebsleistung zur Unterstützung des Verbrennungsmotors oder zum Antrieb eines Generators einzusetzen.

Technisches Gebiet

Bei hochaufgeladenen Verbrennungsmotoren zeigt sich im Teil­ lastbetrieb das Problem, daß der Ladedruck zu gering ist. In den Patentschriften US 32 57 797 und GB 10 62 983 sind für zweistufige Aufladeeinrichtungen Lösungsmöglichkeiten für dieses Problem angegeben. Der Hauptnachteil der dort beschriebenen Lösungen besteht aber vor allem darin, daß sie Umblaseeinrichtungen verwenden, wodurch ein Teil der vom Motor gelieferten Abgasenergie durch das Abblasen und auch Drosseln ungenutzt bleibt. Außerdem fällt der Turbinen­ wirkungsgrad bei hohen Turbinendruckverhältnissen als Folge der hohen Machzahlen stark ab. Da zudem bei der zweistufigen Aufladung die Betriebslinien im Verdichterkennfeld sehr flach verlaufen, kann es auch leicht zum Pumpen des Ver­ dichters kommen.

Um diese Energie auszunutzen, wurde vorgeschlagen, den bei bestimmten Betriebszuständen überschüssigen Abgasstrom in eine Nutzturbine zu leiten, die über eine Bypassleitung mit einem Absperrorgan an eine Stelle der Abgasleitung vor der Hochdruckturbine der Aufladeeinrichtung angeschlossen ist. Je nach Betriebszustand wird durch das Absperrorgan die Nutzturbine parallel zur Hochdruckturbine in Betrieb gesetzt oder vom Abgasstrom vor der Hochdruckturbine abge­ schnitten. Der in die Nutzturbine abgezweigte Abgasstrom wird in dieser auf den Druck der Umgebungsluft entspannt und pufft ins Freie aus. Da, wie erwähnt, der Wirkungsgrad der Hochdruckturbine bei hohen Machzahlen stark abfällt, ist auch der Nutzen der Nutzturbine beeinträchtigt.

Im Zusammenwirken mit einstufigen Abgasturboladern ist eine parallel zur Verdichterturbine an die Abgasleitung ange­ schlossene Nutzturbine aus den EP-Patentanmeldungen 00 91 139 und 01 99 165 bekannt. Gemäß der erstgenannten arbeitet die Nutzturbine auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, während bei letzterer die Nutzturbine eines Schiffsdiesel­ motors an die Kurbelwelle eines Hilfsdieselmotors angekuppelt ist, der einen das Bordnetz des Schiffes speisenden Synchron­ generator antreibt.

Erfindungsaufgabe

Die vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabe, die durch eine Nutzturbine gegenüber konventionellen Ladermotoren erreichte Verbesserung des Teillastverhaltens und des Wirkungs­ grades durch dem jeweiligen Betriebszustand angepaßte Schal­ tungsverknüpfungen zwischen der Nutzturbine und dem Abgas­ turbolader weiter zu steigern.

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader und Nutzturbine ist dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzturbine über eine Abgasleitung mit der Nieder­ druckabgasleitung zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine leitend verbunden ist, und daß in der Abgasleitung ein Absperrorgan vorhanden ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Kurze Beschreibung der Figuren

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 das Schema eines Verbrennungsmotors mit einem kon­ ventionellen zweistufigen Abgasturbolader und einer Nutzturbine, bei welchem die durch eine Nutzturbine geleiteten Abgase unmittelbar ins Freie auspuffen, und die

Fig. 2 bis 8 sieben Varianten des Erfindungsgegenstandes mit verschiedenen Wirkkombinationen zwischen der bzw. den Nutzturbinen und dem Abgasturbolader.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Im folgenden sind gleichen Elementen der verschiedenen Aus­ führungsbeispiele jeweils gleiche Bezugszahlen zugeordnet.

Wie erwähnt, zeigt die Fig. 1 schematisch eine bekannte Bauart eines Verbrennungsmotors mit einem zweistufigen Ab­ gasturbolader in Verbindung mit einer Nutzturbine.

Der Verbrennungsmotor 1, dessen Kurbelwelle 2 durch eine stark ausgezogene, strichpunktierte Linie versinnbildlicht wird, weist einlaßseitig einen Ladeluftaufnehmer 3 und aus­ laßseitig einen Abgasaufnehmer 4 auf. Aus diesem gelangt das aus dem Motor kommende Hochdruckabgas durch eine Hoch­ druckabgasleitung 5 in eine Hochdruckturbine 7 eines zwei­ stufigen Abgasturboladers 6. Das in der Hochdruckturbine 7 teilentspannte Abgas strömt über eine Niederdruckabgaslei­ tung 8 in eine Niederdruckturbine 9 und über eine Auspuff­ anlage 10 ins Freie. Der mit der Niederdruckturbine 9 ver­ bundene Niederdruckverdichter 11 saugt die Verbrennungs­ luft über einen Ansaugfilter 12 an und drückt sie über einen Niederdruckdiffusor 13, einen Niederdruckzwischenkühler 14 und eine Niederdruckladeluftleitung 15 in den von der Hochdruckturbine 7 angetriebenen Hochdruckverdichter 16, aus dem sie als Hochdruckladeluft über eine Hochdrucklade­ luftleitung 17, einen Hochdruckdiffusor 18, einen Hochdruck­ ladeluftkühler 19 und den Ladeluftaufnehmer 3 in den Motor 1 gelangt.

Die in Fig. 1 dargestellte bekannte Bauart weist ferner eine Nutzturbine 20 auf, die in bestimmten Teillastbereichen über eine durch ein Absperrorgan 22 absperrbare und von der Hochdruckabgasleitung 5 abzweigende Nutzturbinenabgas­ leitung 21 mit Hochdruckabgas beaufschlagt werden kann. Die entspannten Abgase verlassen die Turbine 20 durch eine Auspuffanlage 23. Über ein Zahnradgetriebe 24 und eine Schaltkupplung 25 wird die Leistung der Nutzturbine auf die Motorkurbelwelle 2 übertragen. Über eine weitere Schalt­ kupplung 26 ist ein Generator 27, z.B. für eine Bordstrom­ versorgung, an- und abkuppelbar.

Beim vorstehend beschriebenen, zweistufig aufgeladenen Ver­ brennungsmotor bekannter Bauart erhält man durch die Nutz­ turbine ein verbessertes Teillastverhalten, indem die beiden Laderturbinen 7 und 9 mit kleineren Einlaßquerschnitten ausgeführt werden können, wodurch im unteren Teillastbereich der dort geringere Abgasstrom zur Gänze von den beiden Lader­ turbinen aufgenommen wird, wogegen im oberen Teillastbereich und im Vollastbereich die Energie des überschüssigen Abgases in der Nutzturbine verwertet wird.

Auf dieser bekannten Kombination eines Abgasturboladers mit einer Nutzturbine bei einem Verbrennungsmotor als Ausgangs­ basis seien nun im folgenden die erfindungsgemäßen Elemente beschrieben, durch die das Teillastverhalten der beschrie­ benen Bauart noch weiter verbessert werden kann.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante werden die in der Nutzturbine 20 entspannten Abgase nicht ins Freie, sondern, auf den Druck nach der Hochdruckturbine entspannt, über eine Rückführabgasleitung 28 in die Niederdruckabgasleitung 8 vor der Niederdruckturbine 9 geführt. Wie vor der Nutz­ turbine, ist auch in der Leitung 28 ein mit 29 bezeichnetes Absperrorgan vorhanden. Die Einführung des in der Nutztur­ bine 20 teilentspannten Abgases in die Niederdruckturbine 9 ergibt im Vollast- und im oberen Teillastbereich einen höheren Ladedruck als bei voller Entspannung des in die Nutzturbine 20 abgezweigten Abgasanteils.

Bei der Variante nach Fig. 3 ist die Nutzturbine 20 parallel zur Niederdruckturbine 9 geschaltet, d.h., daß der für die Nutzturbine bestimmte Abgasstrom nach der Hochdruckturbine 7 über die Nutzturbinenabgasleitung 30 aus der Niederdruck­ abgasleitung 8 abgezweigt wird. In der Leitung 30 ist eben­ falls ein Absperrorgan 22 vorgesehen, das, ebenso wie die bisher anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen und die noch zu erwähnenden Absperrorgane, durch Stellglieder gesteuert werden, deren Betätigung vorzugsweise durch die Betriebs­ größen Ladedruck, Lastzustand, gegeben durch den mittleren effektiven Druck in den Arbeitszylindern und bei Diesel­ motoren die Regelstangenstellung, sowie die Motordrehzahl als Steuergrößen ausgelöst werden. Bei den Ausführungen nach den Fig. 2 und 3 dienen die betreffenden Schaltungen dazu, daß die Hochdruck- bzw. die Niederdruckturbine mit einem kleineren Einlaßquerschnitt vor der Turbine ausgeführt werden können, da sie im Vollast- und oberen Teillastbetrieb nicht den gesamten Abgasstrom schlucken müssen. Im mittleren und unteren Teillastbetrieb erhalten sie hingegen den gesamten Abgasstrom, da dann die Zuleitung zur Nutzturbine abgesperrt wird. Die beiden Turbinen leisten dann wegen ihres reduzierten Einlaßquerschnitts, verglichen mit einer Aufladegruppe ohne Nutzturbine, eine größere Arbeit und erzeugen somit einen höheren Ladedruck.

Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist eine Gruppe von Nutz­ turbinen, 20 und 31, parallel zu den beiden Laderturbinen 7 und 9 geschaltet. Durch Zu- und Abschalten der einzelnen Nutzturbinen 20, 31 mittels der Absperrorgane 22 und 33 ist es möglich, die Hoch- und/oder die Niederdruckturbine 7 bzw. 9 den jeweiligen Lastzuständen des Verbrennungsmotors anzupassen und damit sowohl die Höhe des Ladedrucks als auch die Lage des Betriebspunktes im Verdichterkennfeld zu steuern.

Die zur Speisung mit dem höheren Druck bestimmte Nutzturbine 20 erhält das Abgas von höherem Druck über eine Nutzturbinen­ abgasleitung 30 und ein Absperrorgan 22 direkt aus dem Abgas­ aufnehmer 4. Ihr Auslaß ist über eine Nutzturbinenverbin­ dungsleitung 34 mit der zweiten Turbine 31 verbunden, die außerdem über eine niederdruckseitige Nutzturbinenabgas­ leitung 32 mit einem Absperrorgan 33 in Verbindung gebracht werden kann. Nach der Nutzturbine 31 pufft das entspannte Abgas über die Auspuffanlage 23 ins Freie aus. Je nach Ab­ gasangebot kann im oberen Teillast- und im Vollastbereich ein Teil unmittelbar aus dem Abgasaufnehmer 4 als Hochdruck­ abgas bei offenem Absperrorgan 22 in die erste Turbine 20 und, entspannt, weiter in die zweite Turbine 31 und ein weiterer Abgasanteil als Niederdruckabgas aus der Leitung 8 durch die Nutzturbinenabgasleitung 32 bei offenem Absperr­ organ 33 zusätzlich in die zweite Nutzturbine 31 geleitet werden. Ebenso ist es möglich, Abgas für die zwei Nutztur­ binen 20, 31 nur hochdruckseitig oder nur für die zweite Turbine 31 niederdruckseitig abzuzapfen. Die zweite Turbine 31 steht über ein mit 35 bezeichnetes Zahnradgetriebe eben­ falls mit der Kurbelwelle 2 in Antriebsverbindung.

Zur Verlagerung der Betriebspunkte im Verdichterkennfeld bei Teillastbetrieb bieten sich in Ergänzung der in Fig. 2 dargestellten Schaltung folgende, in den Fig. 5-8 darge­ stellte Mittel an:

Gemäß Fig. 5 verbindet eine Bypassleitung 36 den Hochdruck­ verdichterauslaß mit der Hochdruckabgasleitung 5 vor der Hochdruckturbine 7. In dieser Bypassleitung sind ein Absperr­ organ 37 und ein vom Niederdruckabgas durchströmter Wärme­ tauscher 38 vorgesehen. Von dieser Schaltung unterscheidet sich die in der Fig. 6 dargestellte dadurch, daß eine vom Auslaß des Hochdruckverdichters 16 abzweigende Bypassleitung 39 Hochdruckladeluft in den Einlaß der Niederdruckturbine 9 fördert. In der Leitung 39 sind ebenfalls ein Absperrorgan 37 und ein vom Niederdruckabgas durchströmter Wärmetauscher 38 vorgesehen.

Bei der Ausführung nach Fig. 7 verbindet eine Bypassleitung 40 den Auslaß des Niederdruckverdichters 11 mit dem Einlaß der Niederdruckturbine 9, wobei diese Bypassleitung eben­ falls ein Absperrorgan 37 und einen Wärmetauscher 38, durch­ strömt von den Auspuffgasen der Niederdruckturbine 9, aufweist.

Die in Fig. 8 dargestellte Variante ist bezüglich der Ver­ dichterluftabzapfung eine Kombination der Schaltungen nach den Fig. 5 und 7. Über die Bypassleitungen 36 und 40 strömt Hochdruckladeluft in die Hochdruckturbine 7 bzw. Niederdruck­ ladeluft in die Niederdruckturbine 9.

Die in den Fig. 5 bis 8 gezeigten Schaltungen verbessern gegenüber den Ausführungen nach den Fig. 2 bis 4 das Teillast­ verhalten des Motors im mittleren und unteren Bereich.

Eine weitere Möglichkeit der Steuerung des Abgasstromes erlaubt die in Fig. 3 strichpunktiert eingezeichnete Nutz­ turbinenauslaßleitung 41 zwischen der Nutzturbine 20 und dem Einlaß der Niederdruckturbine 9 in Verbindung mit einem unmittelbar vor der Einmündung der Leitung 41 in die Nieder­ druckabgasleitung 8 angeordneten Absperrorgan 42. Für den Betrieb bei Voll- und oberer Teillast wird der gesamte Ab­ gasstrom bei geschlossenem Absperrorgan 42 und offenem Ab­ sperrorgan 22 durch die Nutzturbine geleitet, während für den mittleren und unteren Teillastbetrieb das Absperrorgan 22 geschlossen und das Absperrorgan 42 geöffnet wird, so daß die Energie des gesamten Abgasstromes in den beiden Laderturbinen 7 und 9 ausgenutzt wird.

Claims (9)

1. Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader und Nutzturbine (20), mit einer von den Hochdruckabgasen des Verbrennungsmotors (1) beaufschlagten Hochdrucktur­ bine (7), die mit einem Hochdruckverdichter (16) in An­ triebsverbindung steht, einer der Hochdruckturbine (7) in Reihe nachgeschalteten Niederdruckturbine (9), die über eine Niederdruckabgasleitung (8) mit der Hochdruck­ turbine (7) leitend verbunden ist und mit einem dem Hoch­ druckverdichter (16) über eine Niederdruckladeluftleitung (15) in Reihe vorgeschalteten Niederdruckverdichter (11) in Antriebsverbindung steht, sowie mit einer Nutzturbine (20), die dazu bestimmt ist, bei Betriebszuständen, in denen der vom Motor (1) gelieferte Abgasstrom die Schluck­ fähigkeit der beiden Ladeturbinen (7, 9) übertrifft, den dann überschüssigen Anteil des Abgasstromes in An­ triebsleistung zur Unterstützung des Verbrennungsmotors (1) oder zum Antrieb eines Generators (27) umzusetzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzturbine (20) über eine Abgasleitung (28; 30; 32+34) mit der Niederdruck­ abgasleitung (8) zwischen der Hochdruckturbine (7) und der Niederdruckturbine (9) leitend verbunden ist, und daß in der Abgasleitung (28; 30; 32+34) ein Absperrorgan (22; 29; 33) vorhanden ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß der Nutzturbine (20) über eine Nutztur­ binenabgasleitung (21) mit einer Hochdruckabgasleitung (5) zwischen einem Abgasaufnehmer (4) und der Hochdruck­ turbine (7) verbunden ist und daß die genannte Abgas­ leitung eine Abgasrückführleitung (28) ist, die den Aus­ laß der Nutzturbine (20) mit der Niederdruckabgasleitung (8) vor der Niederdruckturbine (9) verbindet.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Abgasleitung eine Nutzturbinenabgaslei­ tung (32) ist, die die Niederdruckabgasleitung (8) zwi­ schen der Hochdruckturbine (7) und der Niederdruckturbine (9) mit dem Einlaß der Nutzturbine (20) verbindet, und daß der Auslaß der Nutzturbine (20) über eine Auspuff­ anlage (23) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßeite der Nutzturbine (20) über eine Nutz­ turbinenabgasleitung (30) mit dem Abgasaufnehmer (4) leitend verbunden ist, daß die genannte Abgasleitung aus einer niederdruckseitigen Nutzturbinenabgasleitung (32) und einer diese Leitung (32) mit dem Auslaß der Nutzturbine (20) verbindenden Nutzturbinenverbindungs­ leitung (34) besteht, und daß diese Verbindungsleitung (34) mit dem Einlaß einer zweiten Nutzturbine (31) ver­ bunden ist, deren Auslaß über eine Auspuffanlage (23) mit der Atmosphäre in Verbindung steht und die über ein Getriebe (35) mit dem Motor (1) in Antriebsverbindung steht.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Hochdruckverdichters (16) über eine Bypassleitung (36) mit der Hochdruckabgasleitung (5) vor der Hochdruckturbine (7) in Verbindung steht und daß in der Bypassleitung (36) ein vom Niederdruckabgas aus der Niederdruckabgasleitung (8) beaufschlagter Wärme­ tauscher (38) und ein Absperrorgan (37) vorhanden sind.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Hochdruckverdichters (16) über eine Bypassleitung (39) mit dem Einlaß der Niederdruckturbine (9) in Verbindung steht und daß in der Bypassleitung (39) ein vom Niederdruckabgas aus der Niederdruckabgas­ leitung (8) beaufschlagter Wärmetauscher (38) und ein Absperrorgan (37) vorhanden sind.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Niederdruckverdichters (11) über eine Bypassleitung (40) mit dem Einlaß der Niederdruck­ turbine (9) verbunden ist und daß in der Bypassleitung (40) ein vom Auspuffgas aus der Niederdruckturbine (9) beaufschlagter Wärmetauscher (38) und ein Absperrorgan (37) vorhanden sind.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Hochdruckverdichters (16) über eine Bypassleitung (36) mit der Hochdruckabgasleitung (5) vor der Hochdruckturbine (7) in Verbindung steht, daß der Auslaß des Niederdruckverdichters (11) über eine Bypassleitung (40) mit dem Einlaß der Niederdruckturbine (9) verbunden ist, und daß in den genannten Bypassleitungen (36; 40) je ein Absperrorgan (37), in der Bypassleitung (36) ein vom Niederdruckabgas aus der Niederdruckabgas­ leitung (8) beaufschlagter Wärmetauscher (38) und in der Bypassleitung (40) ein vom Auspuffgas aus der Nieder­ druckturbine (9) beaufschlagter Wärmetauscher (38) vor­ handen ist.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß der Nutzturbine (20) mit dem Einlaß der Niederdruckturbine (9) über eine Nutzturbinenauslaß­ leitung (41) leitend verbunden ist und daß in der Nieder­ druckabgasleitung (8) unmittelbar vor der Einmündung der Auslaßleitung (41) ein Absperrorgan (42) vorhanden ist.