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Die Erfindung betrifft eine Teillastregelungseinrichtung für eine ottomotorische Brennkraftmaschine mit einer der Brennkraftmaschine in der Ansaugleitung vorgeschalteten Turbine, sowie einen der Brennkraftmaschine in der Abgasleitung nachgeschalteten, durch die Turbine angetriebenen Kompressor.
Bei der bisher üblichen Drosselregelung bei ottomotorischen Viertakt-Brennkraftmaschinen muss, bedingt durch das unterschiedliche Druckniveau beim Ansaugen des frischen Gemisches, bzw. beim Ausschieben des Abgases eine signifikante Ladungswechselarbeit geleistet werden, die den spezifischen Verbrauch dieser Brennkraftmaschine deutlich gegenüber einem ungedrosselten Betrieb verschlechtert.
Aus der US 4 439 983Aist eine Teillastregelungseinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher ein Entspannen der bei Umgebungsdruck angesaugten Luft durch die in der Ansaugleitung angeordnete Turbine erfolgt. Die Leistung dieser Turbine wird zum Antrieb eines Kompressors verwendet, der das abgasseitige Röhrenwerk als Saugpumpe teilweise evakuiert, um damit die Ausschiebearbeit der Brennkraftmaschine gegenüber einer konventionellen Teillastdrosselregelung zu reduzieren. Um eine Teillastregelung der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, ist vor der Turbine ein Leitapparat vorgesehen. Die Teillastregelung des Motors erfolgt dabei ausschliesslich durch Regeln der Turbine durch den Leitapparat, was vor allem bei kleineren Motormassenströmen zu schlechten Turbinenwirkungsgraden führt.
Leitapparatgeregelte Turbinen erfordern weiters einen relativ grossen Bauaufwand und damit erhebliche Herstellungskosten. Die Führung des gesamten Abgases durch den Kompressor ist ausserdem vor allem bei Vollast nachteilig, da somit der Kompressor auf grosse Massenströme bei niederen Druckverhältnissen bei Vollast ausgelegt werden muss, um keinen Aufstau vor dem Kompressor bei Vollastbetrieb zu erhalten. Andererseits bedingt aber eine derartige Kompressorauslegung relativ schlechte Wirkungsgrade im eigentlichen Teillastregelbetrieb bei kleinen Massenströmen und grossen Druckdifferenzen am Kompressor.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden, und eine Teillastregelung der genannten Art derart zu verbessern, dass auf möglichst einfache Weise der Wirkungsgrad
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der Regelungseinrichtung insbesondere bei Teillast deutlich gesteigert wird.
Erfindungsgemäss geschieht dies dadurch, dass eine die Turbine umgehende Turbinenbypassleitung vorgesehen ist, deren Durchfluss durch ein erstes Drosselorgan regelbar ist, und ein mit der Turbine in Serie geschaltetes zweites Drosselorgan in der Ansaugleitung, vorzugsweise in der Turbinenzuführleitung, vorgesehen ist. Dadurch kann sowohl bei Teillast als auch bei Vollast das Druckniveau beim Ansaugen bzw. Ausschieben möglichst angeglichen und die Ladungswechselarbeit deutlich reduziert werden. Turbine als auch Kompressor müssen nicht mehr auf die maximale Ansaugluft bzw. Abgasmenge ausgelegt werden und können daher schon bei kleineren Massenströmen mit gutem Wirkungsgrad arbeiten.
Eine weitere Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades wird dadurch erreicht, dass der Turbine ein vorzugsweise umgehbarer Wärmetauscher zur Aufwärmung der Ansaugluft vorgeschaltet ist. Der Kompressorwirkungsgrad kann dadurch gesteigert werden, dass in der Abgasleitung ein dem Kompressor vorgeschalteter Wärmetauscher zur Kühlung des Abgases angeordnet ist.
Die geringsten Verluste sind durch eine Wärmetauscheranordnung zu erzielen, die die dem Abgas vor dem Kompressor entzogene Wärme der Ansaugluft vor der Turbine zuführt.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass in der Abgasleitung eine den Kompressor umgehende Kompressorbypassleitung angeordnet ist, deren Durchfluss durch ein drittes Drosselorgan regelbar ist. Der Kompressor braucht dadurch nur auf die Teillastabgasmenge ausgelegt zu werden, und kann bei Vollast, zumindest teilweise, umgangen werden. Weiters kann vorgesehen sein, dass in der Abgasleitung eine den Wärmetauscher umgehende Wärmetauscherbypassleitung angeordnet ist, deren Durchfluss durch ein viertes Drosselorgan regelbar ist. Der Wärmetauscher kann damit, wenn er nicht benötigt wird, umgangen werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Ansaugleitung zwischen Turbine und Brennkraftmaschine ein Ansaugluftkühler angeordnet ist. Dadurch wird die Temperatur der Ansaugluft reduziert und so die Gefahr eines klopfenden Motorbetriebs ausgeschlossen.
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Um die erfindungsgemässen Vorteile mit geringem Aufwand zu erreichen, können die Drosselorgane als einfache Drosselklappen ausgeführt sein.
Die Erfindung wird anhand der Fig. näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Teillastregelungseinrichtung, Fig. 2 ein TemperaturEntropiediagramm bei Betrieb einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemässen Teillastregelung.
Wie in Fig. 1 dargestellt, gelangt die Ansaugluft mL bei Teillast über die Teile 10 und 11 der Ansaugleitung in die
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vor dem Kompressor 4 dem Abgas mAG entzogene Wärme Q1 wird durch die Wärmetauscheranordnung 1 der Ansaugluft mL zugeführt. Die vorgewärmte Ansaugluft mL gelangt weiters über die Turbinenzuleitung 13 in die Turbine 2 und wird hier entspannt, wobei die Leistung P2-4 über die Welle 3 an den Kompressor 4 abgegeben wird. Die entspannte Ansaugluft mL gelangt über die Ansaugleitungen 14, 15 in den Ansaugluftkühler 5, welcher der Ansaugluft mL die Wärmemenge Q5 entzieht. Der nach dem Ansaugluftkühler 5 der Ansaugluft mL zugesetzte Brennstoff mB wird über Saugkanäle 16 der Brennkraftmaschine 6 zugeführt und verbrennt unter Abgabe der mechanischen Leistung Pm.
Das Abgas mAG verlässt über Abgaskanäle 17 die Brennkraftmaschine 6 und gelangt über die Zuführleitung 18 in den Wärmetauscher l", wo es die Wärmemenge Q1 abgibt. Das abgekühlte Abgas gelangt über die Kompressorzuführleitung 20,21 in den Kompressor 4, wo es auf Umgebungsdruck verdichtet wird und schliesslich über die Verdichterableitung 23 und die Abgasleitung 24 das System verlässt.
Zur Umgehung des Wärmetauschers l'und der Turbine 2 ist eine von der Ansaugleitung 10 abzweigende Turbinenbypassleitung 12 vorgesehen, wobei der Durchfluss in der Bypassleitung 12 durch das erste Drosselorgan 7 und der Volumenstrom zur Turbine 2 durch das zweite Drosselorgan 26 geregelt wird. Während bei Teillast der Grossteil der Ansaugluft mL über die Turbine 2 geleitet wird, steigt mit zunehmender Last der Anteil der an der Turbine 2 durch die Turbinenbypassleitung 12 vorbeigeleiteten Luftmenge.
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Zur Umgehung des Kompressors 4 ist in der Abgsleitung 20,21 eine Kompressorbypassleitung 22,25 vorgesehen, in deren Anfangsbereich 22 ein den Strömungsquerschnitt veränderndes drittes Drosselorgan 9 angeordnet ist. Zur Umgehung des Wärmetauschers 1" ist weiters die Wärmetauscherbypassleitun 19 vorgesehen, deren Strömungsquerschnitt durch das vierte Drosselorgan 8 veränderbar ist. Die Wärmetauscherbypassleitung 19 mündet direkt in die Kompressorbypassleitung 25. Mit zunehmender Last kann dadurch die Abgasluft mAG am Kompressor 4 und wahlweise auch am Wärmetauscher 1" vorbeigeleitet werden, sodass an der Motorvollast weder an der Turbine 2 noch am Kompressor 4 eine Massenstromlimitierung besteht.
Im Teillastbetrieb wird das erste Drosselorgan 7 variabel bis zur gewünschten Motorleistung teilweise oder ganz geschlossen, sodass die Turbine 2, die im Wärmetauscher l'er- wärmte Frischluft mL durch die Leitungen 11 und 13 ansaugt und durch die Leitungen 14,15 und 16 an die Brennkraftmaschine 6 abgibt. Gleichzeitig kann nun mittels der von der Turbine 2 abgegebenen Leistung der Kompressor 4 die Abgasleitungen 17, 18,20 und 21 teilweise evakuieren, sodass einerseits das Drosselorgan 8 geschlossen wird, um die maximal möglichen Abgasmengen mAG durch den Wärmetauscher 1" zu leiten. Andererseits wird, je nach Kompressorauswurfleistung, das dritte Drosselorgan 9 teilweise bis ganz geschlossen, sodass in keinem Betriebspunkt ein Aufstau vor dem Kompressor 4 auftritt.
Ist das erste Drosselorgan 7 ganz geschlossen, so kann eine weitere Teillastabsenkung mittels des zweiten Drosselorganes 26 erfolgen.
Fig. 2 zeigt ein idealisiertes Temperatur-Entropiediagramm der erfindungsgemässen Teillastregelung, wobei die Temperatur T über der Entropie S aufgetragen ist. Dabei wird bei Umgebungsdruck Pu und Umgebungstemperatur Tu die Ansaugluft mL im Punkt I angesaugt und durch die Wärmetauscheranordnung 1 isobar von I nach II erwärmt. In der Turbine 2 erfolgt anschliessend eine Expansion von II nach III von Umgebungsdruck Pu auf den gewünschten Saugrohrdruck P2. Danach kann eine Kühlung der Ansaugluft mL im Ansaugluftkühler 5 von III nach IV erfolgen, sodass der Brennkraftmaschine 6 die Ansaugluft m entsprechend dem Zustand IV zugeführt wird. Die Abgase mAG verlassen die Brennkraftmaschine 6 im Punkt V, der sich nun
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auf einem unter den Umgebungsdruck Pu liegenden Druckniveau P3 befindet.
Im Abgaswärmetauscher 1" wird dem Abgas mAG von V nach VI jene Wärmemenge Q1 entzogen, die zur Aufwärmung der Ansaugluft mL von I nach II benötigt wird. Schliesslich wird das Abgas mAG im Kompressor 4 vom Druck P3 auf Umgebungsdruck Pu von VI nach VII komprimiert, wobei die Kompressorantriebsleistung P2-4 von der Turbine von II nach III bereitgestellt wird. Die von I nach II der Ansaugluft mL zugeführte bzw. die von V nach VI dem Abgas mAG entzogene Wärme ist jeweils durch die schraffierte Fläche angedeutet.