DE4414132A1 - Turbolader für erhöhten Luftüberschuß im Motorbrennraum - Google Patents

Description

Die Entwicklung von mehr Energie im Abgas hat mit dem duothermischen D.I.-Brennverfahren im Motor einen hohen Stand erreicht. Gleichgültig, ob mit Benzin, Diesel oder Pflanzenöl gefahren wird, entfällt bei diesem Verfahren wärmeleitendes Aluminium im Brennraum ebenso wie Wasserman­ tel und Kühlrippen. Die dadurch entstehende höhere Wärme in der Arbeitsluft kommt etwa zur Hälfte dem Abgas zugute, wo eine bessere Nutzung erforderlich ist.

Um diesen thermodynamischen Gewinn nicht an verlustreiche Anbaugeräte wie Rußfilter, Katalysatoren und deren Heizanla­ gen wieder verlorengehen zu lassen, wird vorgeschlagen, die gesteigerte Abgasenergie für bessere Abgasemissionen zu mobilisieren. Will man den Katalysator sparen, werden alle Schademissionen reduziert, wenn mehr Luft in den Zylinder kommt, als zur Verbrennung gebraucht wird.

Anstelle von Abgasrückführung in die Brennraumluft, bringt auch jedes Mehr an Frischluftmasse über den Bedarf an Sauer­ stoff hinaus eine Absenkung der Brenntemperatur im Verhält­ nis der zu erwärmenden Masse eine kleinere Maximaltempera­ tur und weniger NOx. Ein erhöhter Luftüberschuß bringt außerdem den Vorteil einer wesentlichen Absenkung von CO, CH und anderer Emissionen, so daß Rußfilter und Katalysato­ ren überflüssig sind; dies besonders im unteren Drehzahl­ bereich, wo bisher Luftmangel herrschte, ganz abgesehen davon, daß bei dieser Lösung der Emissionsprobleme auch Ver­ brauch und CO₂ gesenkt werden und weniger Drehzahl für die gleiche Leistung nötig wird (Motorgeräusch).

Nachdem also die Optimierung der thermodynamischen Vorgänge im Zylinder einen gewissen Abschluß erreicht hat, muß also nur die Nutzung der vergrößerten Abgasenergie so verbessert werden, daß trotz Emissionsvorschriften auch der thermodyna­ mische Wirkungsgrad in der Abgasnutzung so verbessert wird, daß damit sogar die mechanischen Verluste in der Kolbenarbeit ausgeglichen werden. Die effektive Leistung des Motors wird gleich oder größer als die induzierte Kol­ benleistung.

Über den Erhalt der Wärmeenergie im Abgas und die optimierte Energienutzung im Abgas werden auch Schadstoffe wie Blei oder Benzol im Benzin nicht mehr gebraucht, weil reines Benzin dann im Selbstzünder mit den geschilderten Fort­ schritten mit wesentlich besserem Wirkungsgrad und ganz ohne nachgeschaltete Geräte am umweltfreundlichsten ver­ brannt wird.

Die bisherigen Energieverluste in der vorgeschalteten Tur­ boaufladung durch eine Abgasturbine begannen bisher schon im Zylinderkopf damit, daß die Abgase zwar im Ventildurch­ gang auf die hohe Geschwindigkeit gebracht wurden, wie sie in der Turbine gebraucht wird, durch die Irrwege des Abga­ ses, das erst alle Nebenkanäle und den Abgassammler auffül­ len mußte, bevor es zur Turbine kam, entstanden große Ener­ gieverluste sowohl thermisch wie dynamisch. Erst mit der Restenergie wurde in der Turbinenspirale wieder die nötige Gasgeschwindigkeit zum Turbinenantrieb erzeugt. Eine Nutzung der Sogwirkung beschleunigter Gassäulen im Auslaßrohr, wie sie für größere Motoren mit konstanter Drehzahl von Bedeu­ tung ist, kann auch erst mit einer nicht unterbrochenen Strömung vom Ventil bis zur Turbine erfolgen.

Mit der Steigerung der Abgasenergie über höhere Ladedrücke wird auch die Entwicklung der Luftlagerung des Turbolaufes als weitere Verbesserung der Turbinenleistung vorangetrie­ ben.

Fig. 1 zeigt die neue Abgaszuführung zur Turbine eines D.I. Selbstzünders.

Der Flansch 1 mit dem Einlauf- und Dichtungsteil 2 ist auf kürzestem Weg an die Auslaßöffnung 3 des Ventiles heran­ gebracht. Eine Verbindung zwischen den Zylindern 4, 5, 6 im oder außerhalb des Zylinderkopfes 7 ist nicht vorgesehen.

Der Querschnitt der Auslaßöffnung 3 ergibt sich aus dem Ventilsitzdurchmesser 8 abzüglich des Ventilschaftquer­ schnitts 9 im Bereich des Ventilsitzes. Diese Querschnitts­ fläche wird in den folgenden Auslaßrohren 10, 11, 12 nicht überschritten. In der Bündelungsstelle 13 wird je nach Art des praktischen Einsatzes mit verschiedenen Düsenausführun­ gen 14, 15 ein Unterdruck in den Nebenrohren erzeugt und da das Gas mit erhöhter Geschwindigkeit dem Turbinenrad 16 zu­ geführt. Über die Welle 17 erfolgt in der herkömmlichen Weise der Antrieb des Luftverdichters und die Zufuhr der Luft zu den Zylindern 4, 5 und 6. Diese Luftzufuhr ist nicht Gegenstand der Anmeldung.

In Fig. 2 ist das gleiche System dargestellt, jedoch sind hier die einzelnen Auslaßrohre 18, 19, 20 am Umfang des Tur­ binenrades 21 angeordnet.

Die letzte Gasbeschleunigung erfolgt hier im Teil 22. Dessen Ausführung richtet sich nach der Anzahl der Zylinder und dem Durchmesser des Turbinenrades 16.

Claims (11)

1. Turbolader für erhöhten Luftüberschuß im Motor, dadurch gekennzeichnet, daß die im Auslaßventil durchlaufende thermische und dynamische Energie bis zum Eintritt in die Turbinenschaufel dadurch erhalten bleibt, daß jede Verbindung zu den Nebenzylindern innerhalb des Zylinder­ kopfes oder über Auspuffsammler durch eine direkte Lei­ tung vom Ventil zur Turbine unterbrochen ist und der erzielte Energiegewinn zwecks Reduzierung von NOx zur Er­ höhung der Luftmasse im Brennraum durch mehr Aufladung genützt wird.

2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Expansionshub induzierte Kolbenleistung um soviel kleiner als es die zugeführte Luftmasse erlaubt, einge­ stellt wird, wie nötig ist, um die geforderten NOx-Werte zu erreichen.

3. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Abgasrohres kleiner als die Ventildurchgangsfläche ist und eine Querschnittserweiterung nur am Einlauf des Gases in die Turbine (Lavaldüseneffekt) erfolgt.

4. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß lange Wege von Aus­ laßventil bis zur Turbine genutzt werden, um mit der be­ wegten Gassäule am Ende des Abgasstoßes eine Sogwelle zu erzeugen, die heiße Restgase aus dem Zylinder absaugt und über ein vorzeitig geöffnetes Einlaßventil diese mit hohem Ladedruck gelieferte Frischluft in die Abgasleitung übergeführt wird.

5. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitungen der einzelnen Zylinder gebündelt in eine Turbinenspirale eingeführt werden.

6. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abgasleitung eines Zylinders einen eigenen Zugang zum Turbinenrad erhält.

7. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufdüsen und Spiralen der einzelnen Zylinder selbst bei 12 Zylin­ dern auf einem einzigen Turbinenradumfang angeordnet werden.

8. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufquer­ schnitt in das Laufrad die gleiche oder kleinere Fläche ergibt wie der Ventildurchgang im Zylinder.

9. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Auslaßrohr bis zur Turbine dieser Querschnitt nach Anspruch 8 eingehal­ ten wird.

10. Turbolader nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte hohe Gasdruck zu einer Luftlagerung der Turbine genutzt wird.

11. Turbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Ladedruck im duothermischen Brennverfahren zur Trennung des hohen Überschußluftanteils von der zentralen Brennzone infolge der Schwerkraftgesetze im rotierenden Massehaufen genutzt wird, um NO-Bindungen durch die Aufteilung in eine zen­ trale Brennzone ohne Sauerstoffüberschuß und eine zwischen Brennzone und Brennraumwand rotierende Über­ schußluftmasse ohne Brenntemperatur geschieht.