AT513493B1

AT513493B1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: AT513493B1
Application number: ATA1072/2012A
Authority: AT
Inventors: Rüdiger Dipl Ing Herdin; Pawel Dipl Ing Kanicki; Andreas Herdin
Original assignee: Pges Günther Herdin Tech Büro Gmbh
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2014-05-15
Also published as: DE102013111002A1; DE102013111002B4; AT513493A4

Abstract

Bei einem Verbrennungsmotor mit einem Verdichter (6) für übereine Zuleitung (4) einem Verbrennungsraum (3) zugeführte Luftoder Luft-Brennstoff-Gemisch mündet zwischen dem Verdichter (6)und dem Verbrennungsraum (3) eine Sekundärleitung (14) zumEinspeisen von unter Druck stehender Sekundärluft oder einemSekundärluft-Brennstoff-Gemisch in die Zuleitung (14). Zwischender Mündung der Sekundärleitung (14) in die Zuleitung (4) unddem Verdichter (6) ist ein Hilfsverdichter (8) angeordnet. DerHilfsverdichter (8) bildet eine Trenneinrichtung in derZuleitung (14), die eine Erhöhung des Ladedruckes durch dieSekundärluft aus der Sekundärleitung verhindert.

Description

österreichisches Patentamt AT513 493 B1 2014-05-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotor mit einem Verdichter für über eine Zuleitung einem Verbrennungsraum zugeführtes Luft oder Luft-Brennstoff-Gemisch, wobei zwischen dem Verdichter und dem Verbrennungsraum eine Sekundärleitung zum Einspeisen von unter Druck stehender Sekundärluft oder einem Sekundärluft-Brennstoff-Gemisch in die Zuleitung mündet, und wobei zwischen der Mündung der Sekundärleitung in die Zuleitung und dem Verdichter ein Hilfsverdichter angeordnet ist.

[0002] Ein derartiger Verbrennungsmotor ist in der DE 10 2009 026 469 A1 offenbart. Die dort beschriebene Anordnung hat das Problem (speziell bei Turbinen-Verdichter-Kombinationen bzw. Abgasturboladern), dass, wenn man Luft nach dem Verdichter zuführt, um eine Druckerhöhung zu erzeugen, diese Druckerhöhung sehr stark begrenzt ist, da der Verdichter bei zu viel Gegendruck ins "Pumpen" kommt und somit keinen Durchsatz mehr liefert bzw. der Verdichter auch beschädigt oder zerstört werden kann. Aus diesem Grund sind zwei Rückschlagventile vorgesehen, welche verhindern sollen, dass die Verdichter bei zu hohem Gegendruck ins Pumpen kommen. Wenn diese Ventile schließen, kommen beide Verdichter jedoch sofort ins Pumpen, was wiederum zur erwähnten Beschädigung oder Zerstörung führen kann.

[0003] Grundsätzlich versucht man, Stationärmotoren, die unter anderem zum Erzeugen von Strom verwendet werden, stets im Wirkungsgradoptimum zu betreiben, um so den Kraftstoffverbrauch und Emissionen auf einem möglichst niedrigen Niveau zu halten. Dies ist z.B. bei Laststößen vom Netz nicht immer möglich. Fährt der Motor bei einer Erhöhung der Last mit der Leistung hoch, dauert dies zum Einen einige Zeit und wird der Motor zum Anderen in dieser Zeit nicht mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben. Man spricht dann von einem sogenannten Turboloch. Insbesondere bei der Energieerzeugung im Inselbetrieb wird eine sehr schnelle Abrufbarkeit der vollen Leistung gefordert.

[0004] Es gibt vor allem im KFZ-Bereich einige Konzepte, um dieses Turboloch zu kompensieren. Bekannte Konzepte sind beispielsweise ein elektrischer Zusatzantrieb auf der Turboladerwelle, ein elektrischer Verdichter vor dem Turbolader oder eine sequentielle Nacheinspritzung, um die Enthalpie vor der Turboladerturbine zu erhöhen. Diese Systeme sind für den KFZ- Bereich ausreichend schnell bei Laststößen, bei stationären Systemen ist die Zeitspanne aufgrund der viel größeren Trägheit dieser Systeme um ein Vielfaches größer. Ein aufgeladener Gasmotor beispielsweise benötigt für einen 50 % Lastsprung ca. 60-90 Sekunden. Bei hoch- und höchstaufgeladenen Gasmotoren (zweistufig mit starkem Miller-Zyklus), steigt diese Zeit auf bis zu 300 Sekunden an.

[0005] Es gibt Systeme, welche diese Hochfahrzeit vermindern. Dazu gehören eine Lufteinspeisung auf der Abgasseite vor der Turbine, eine Lufteinspeisung auf der Einlassseite nach dem Verdichter und elektrisch betriebene Turbolader. Selbst bei diesen Systemen liegt die Zeitspanne für einen Lastsprung um 50% zwischen 10 und 30 Sekunden.

[0006] Die vorliegende Erfindung soll die Zeit für einen Lastsprung weiter senken.

[0007] Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch, dass der Hilfsverdichter eine Trenneinrichtung in der Zuleitung bildet, die eine Erhöhung des Ladedruckes durch die Sekundärluft aus der Sekundärleitung verhindert.

[0008] Bei der Erfindung wird, um Lastsprünge ausreichend schnell zu kompensieren, dem Motor im Saugtrakt ausreichend Ladedruck zur Verfügung gestellt. Am einfachsten kann dies dadurch erfolgen, dass der Ladedruck unmittelbar im Ansaugkanal bzw. in der Zuleitung durch zusätzliche Ladung mittels eines sekundären Ladesystems, z.B. eines Druckspeichers, erhöht wird. Hierbei stellt jedoch die Pumpgrenze des Verdichters eine Begrenzung dar, da durch die Erhöhung des Verdichtergegendruckes der Betriebspunkt des Verdichters in Richtung Pumpgrenze gerückt wird.

[0009] Hierbei kommt erfindungsgemäß der Hilfsverdichter zum Einsatz. 1 /5 österreichisches Patentamt AT513 493 B1 2014-05-15 [0010] Das Hilfsverdichter stellt als eine Art Trennsystem sicher, dass bei einer spontanen Druckerhöhung im Ansaugsystem durch das sekundäre Ladesystem der Massenstrom und Gegendruck des Hauptverdichters dem aktuellen Betriebspunkt entspricht.

[0011] Dieses Trennsystem kann durch einen Hilfsverdichter jeglicher Art ausgeführt werden, welches die obige Bedingung erfüllt, dass der Hauptverdichter nicht ins Pumpen kommen darf.

[0012] Als Hilfsverdichter kann zum Beispiel ein Roots-Hilfsverdichter zum Einsatz kommen.

[0013] Die Erfindung ist sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren einsetzbar.

[0014] Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

[0015] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen. Es zeigt: [0016] Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors und [0017] Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.

[0018] Ein Verbrennungsmotor 1 der in der dargestellten Ausführungsform einen Generator 2 zum Erzeugen von elektrischem Strom antreibt, weist einen lediglich symbolisch dargestellten Verbrennungsraum 3 in wenigstens einem Zylinder auf. Die Anzahl der Zylinder ist bei der Erfindung beliebig.

[0019] Dem Verbrennungsraum 3 wird über eine Zuleitung 4 ein Luft-Brennstoff-Gemisch, z.B. ein Gasgemisch, das in einer Einrichtung 5 zum Einspeisen von Gas erzeugt wird, zugeführt. Wenn es sich um einen Verbrennungsmotor 1 mit Direkteinspritzung handelt, wird über die Zuleitung 4 nur Luft zugeführt und die Einrichtung 5 entfällt.

[0020] In der Zuleitung 4 ist ein erster Verdichter bzw. Hauptverdichter 6 angeordnet, der von einer Abgasturbine 7 angetrieben wird. In Strömungsrichtung nach dem ersten Verdichter 6 ist ein Hilfsverdichter 8, z.B. ein Roots-Hilfsverdichter, in der Zuleitung 4 angeordnet, wobei parallel zum Hilfsverdichter 8 eine Bypass-Leitung 9 mit einem Absperrventil 10 an die Zuleitung 4 angeschlossen ist. Angetrieben wird der Hilfsverdichter 7 in dieser Ausführungsform von einem Elektromotor 11. Nach dem Hilfsverdichter 8 sind in der Zuleitung noch ein Wärmetauscher 12 und eine Drosselklappe 13 angeordnet.

[0021] In Strömungsrichtung nach dem Hilfsverdichter 8 mündet eine Sekundärleitung 14 in die Zuleitung, die an einen Druckspeicher 15 angeschlossen ist und die über ein Regelventil 16 verschließbar ist. Der Druckspeicher 15 wird von einem weiteren Verdichter 17 geladen, der über eine Versorgungsleitung 18 mit einem Absperrventil 19 an die Zuleitung 4 nach dem Gasmischer 5 angeschlossen ist. Der Brennstoff in Form von Gas wird dem Gasmischer über eine Leitung 20 zugeführt. Der weitere Verdichter 17 wird in dieser Ausführungsform ebenfalls von einem Elektromotor 21 angetrieben. Zwischen dem weiteren Verdichter 17 und dem Druckspeicher 15 ist ebenfalls, ein Wärmetauscher 22 angeordnet.

[0022] Im Normalbetrieb sind die Ventile 16 und 19 geschlossen, das Bypassventil 10 offen und der Hilfsverdichter 8 ausgeschaltet. Erwartet man bei Betrieb im Teillastbereich Lastsprünge, schaltet man den Hilfsverdichter 8 zu und schließt das Bypassventil 10, um in einen Zustand zu gelangen, in dem sehr rasch auf einen Lastsprung reagiert werden kann. Der Hilfsverdichter 8 läuft dann abgestimmt auf den Turbolader mit dem selben Massenstrom wie der Verdichter 6. Kommt es zu einer Lastanforderung, werden die Ventile 16 und 19 geöffnet und der weitere Verdichter 17 wird hochgefahren. Bis der weitere Verdichter 17 seine volle Förderleistung erreicht hat, wird Sekundär-Gas-Luftgemisch aus dem Druckspeicher 15 über das Ventil 16 geregelt in die Zuleitung 4 zugeführt, wodurch der Ladedruck in der Zuleitung 4 erhöht wird. Diese Erhöhung des Druckes muss der Hilfsverdichter 8 kompensieren, um den Verdichter 6 nicht an die Pumpgrenze zu bringen. Wenn der Lastsprung vollzogen ist und der Turbolader 6, 7 die nötige Förderleistung für den Betriebspunkt erreicht hat, wird zuerst das Ventil 16 geschlossen 2/5 österreichisches Patentamt AT513 493B1 2014-05-15 und der Druckspeicher 15 wieder auf Betriebsdruck gebracht. Danach kann Ventil 19 geschlossen sowie das Bypass-Ventil 10 wieder geöffnet und der Hilfsverdichter 8 abgeschaltet werden. Sobald der Motor wieder in den Teillastbereich übergeht und der nächste Lastsprung erwartet wird, fährt man den Hilfsverdichter 8 wieder hoch und schließt das Bypassventil 10.

[0023] In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1 dargestellt, die sich von jenem von Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass der weitere Verdichter 17 nicht über eine Versorgungsleitung nach dem Gasmischer 5 an die Zuleitung 4 angeschlossen ist, sondern mit Frischluft versorgt wird. Statt dessen ist in der Sekundärleitung 14 nach dem Ventil 16 eine Einrichtung 23 zum Einspeisen von Brennstoff, im vorliegenden Fall Gas, angeordnet, die über eine Leitung 24 mit dem Brennstoff versorgt wird.

[0024] Die Ausführungsform von Fig. 2 hat gegenüber der Ausführungsform von Fig. 1 den Vorteil, dass durch einen eigenen Gasmischer 23 kein brennbares Gasgemisch im Druckspeicher 15 gespeichert werden muss, da der Brennstoff erst im Falle der Leistungsanforderung direkt zur verdichteten Luft zugemischt wird.

[0025] Als weitere Ausführungsform besteht die Möglichkeit, den Verbrennungsmotor ohne Gasmischer zu betreiben und statt dessen das Gas bzw. den Brennstoff mit einer so genannten "port injection" einzubringen. Dies würde das Ansprechverhalten noch weiter verbessern. 3/5

Claims

österreichisches Patentamt AT513 493 B1 2014-05-15 Patentansprüche 1. Verbrennungsmotor mit einem Verdichter (6) für über eine Zuleitung (4) einem Verbrennungsraum (3) zugeführtes Luft oder Luft-Brennstoff-Gemisch, wobei zwischen dem Verdichter (6) und dem Verbrennungsraum (3) eine Sekundärleitung (14) zum Einspeisen von unter Druck stehender Sekundärluft oder einem Sekundärluft-Brennstoff-Gemisch in die Zuleitung (14) mündet, und wobei zwischen der Mündung der Sekundärleitung (14) in die Zuleitung (4) und dem Verdichter (6) ein Hilfsverdichter (8) angeordnet ist, gekennzeichnet, dass der Hilfsverdichter (8) eine Trenneinrichtung in der Zuleitung (14) bildet, die eine Erhöhung des Ladedruckes durch die Sekundärluft aus der Sekundärleitung verhindert.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärleitung (14), vorzugsweise über ein Regelventil (16), an einen Druckspeicher (15) angeschlossen ist.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (15) von einem weiteren Verdichter (17) gespeist wird.
4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (4) vor dem Verdichter (6) eine Einrichtung (5) zum Einspeisen von Brennstoff angeordnet ist.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum weiteren Verdichter (17) führende Versorgungsleitung (18), vorzugsweise über ein Absperrventil (19), an die Zuleitung (4) zwischen der Einrichtung (5) zum Einspeisen von Brennstoff und den Verdichter (6) angeschlossen ist.
6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sekundärleitung (14) eine Einrichtung (23) zum Einspeisen von Brennstoff angeordnet ist.
7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsverdichter (8) von einem Elektromotor (11) angetrieben wird.
8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Hilfsverdichter (8) eine, vorzugsweise über ein Absperrventil (10) verschließbare, Bypassleitung (9) an die Zuleitung (4) angeschlossen ist.
9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (6) ein abgasbetriebener Turbolader ist.
10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsverdichter (8) ein Roots- Hilfsverdichter ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5