Luftzuführvorrichtung an einem Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft eine Luftzuführvorrichtung an einem Verbrennungsmotor, insbesondere an einem Dieselmotor, mit einem in der Einlassleitung angeordneten Turbo-Kompressor, dessen Turbine von den Auslassgasen des Motors betrieben wird. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Dieselmotoren, bei denen für jeden Zylinder der in die Verbrennungsluft eingespritzte Treibstoff durch Kompression der Luft gezündet wird.
Während die Anwendung von Abgas-betriebenen Turbo-Kompressoren im Vergleich mit von der Motorwelle angetriebenen Turbo-Kompressoren den Vorteil einer ner begrenzten Reduktion der Kompressor Geschwindigkeit und eine dadurch bedingte begrenzte Reduktion des Einspritzdruckes aufweist, wenn die Geschwindigkeit der Machine, insbesondere unter starker Last, abfällt, bestand trotzdem die Gefahr, dass der Einspritzdruck unter diesen Bedingungen unerwünscht stark absinkt. Dasselbe gilt, wenn die Maschine in der Nähe der maximalen Geschwindigkeit mit einer geringen Leistung betrieben wird, weil in beiden Fällen die zur Verfügung stehende Abgasenergie geringer ist, als wenn die Maschine mit hoher Geschwindigkeit und maximaler Leistung betrieben wird.
Ferner hat der Turbo-Kompressor keinen ausreichenden Einspritzdruck beim Start der Maschine geliefert, wenn praktisch keine Abgasenergie zur Verfügung steht, um den Turbo-Kompressor zu betreiben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anordnung für einen Abgas-betriebenen Turbo-Kompressor anzugeben, so dass dieser bei den genannten Bedingungen zu einer höheren Druckabgabe in der Lage ist, wobei ein allgemeines Ansteigen der vom Turbo Kompressor abgegebenen Leistung wünschenswert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Abgas-betriebene Turbo-Kompressor mit einem zusätzlichen Verbrennungsraum verbunden ist, der eine Einspritz- und eine Zündvorrichtung umfasst, dass der Lufteinlass dieses Verbrennungsraumes mit dem Ausgang des Kompressors verbunden ist, und dass der Ausgang des Verbrennungsraums mit dem Eingang der den Turbo-Kompressor treibenden Turbine verbunden ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Motors, bei dem ein zusätzlicher Verbrennungsraum in einer Verbindung zwischen dem Kompressor-Ausgang und der Auspuffleitung angeordnet ist, und
Fig. 2 eine ähnliche Darstellung, bei welcher der zusätzliche Verbrennungsraum von den Abgasen des Dieselmotors durchströmt wird.
Gemäss Fig. 1 ist ein Diesel-Verbrennungsmotor 1 vorgesehen, der mit einem elektrischen Anlasser und Generator 2 versehen ist. Von einer Lufteinlassöffnung 4 wird Luft über eine Einlassleitung 3 einem Einlass 2a zugeführt. In einem zu einem Turbo-Verdichter gehörenden Gebläse oder Kompressor 5, der von einer Turbine 6 angetrieben wird, welche wiederum mit einem Auslass 2b des Dieselmotors 1 in Wirkverbindung steht, werden die über eine Auslassleitung 7 zugeführten Gase nach Abgabe eines Teils ihrer Energie an die Turbine 6 einem Auspuff 8 zugeführt. Dort werden die Auspuffgase entweder direkt oder über einen Wärmetauscher 26 dazu benutzt, die vom Kompressor 5 kommende, dem Motor zugeführte Frischluft zu envärmen. Eine mit dem Anlasser und Generator 2 zusammenwirkende Batterie 10 ist mit diesen über eine Anlassteuereinheit 11 verbunden.
Zusätzlich zu der Gaszuführung von dem Auslass 2b des Dieselmotors 1 an die Turbine 6 ist an die Aus lassieitung 7 der Auslass eines zusätzlichen Verbrennungsraums 13 angeschlossen, der in einem Parallelzweig 12 angeordnet ist. Dieser Parallelzweig führt von der zwischen dem Ausgang des Kompressors 5 und dem Einlass 2a des Dieselmotors 1 angeordneten Lufteinlassleitung 3 zur Auslassleitung 7, welche die Speiseleitung für die Turbine 6 darstellt. Der Verbrennungsraum 13 enthält eine Einspritzdüse 14, welcher Brennstoff über eine von dem Kompressor 5 und der Turbine 6 betriebene Einspritzpumpe 15 und über ein Ventil 16 zugeführt wird.
Dieses Ventil enthält eine Magnetsteuerung, die von der Anlass-Steuereinheit 11 elektrisch betätigt wird, und zwar beispielsweise in Abhängigkeit von einem von der Turbinengeschwindigkeit abhängigen Signal. Ausserdem enthält der Verbrennungsraum 13 eine elektrische Zündeinrichtung 17, durch welche der über die Einspritzdüse 14 eingeführte Brennstoff gezündet werden kann. Auch diese Zündeinrichtung wird von der Anlass-Steuereinheit 11 gesteuert. Diese Anlass-Steuereinheit 11 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie automatisch die dem Verbrennungsraum 13 zugeführte Kraftstoffmenge steuert, um die Temperatur des Verbrennungsgases auf ein zulässiges Maximum von beispielsweise 9500 K zu begrenzen und um andererseits die Geschwindigkeit der Turbine sicherheitshalber auf ein bestimmtes Maximum zu begrenzen.
Schliesslich ist der Turbo-Verdichter 5, 6 mit einem kombinierten elektrischen Motor/Generator 18 ausgestattet, der durch die Anlass-Steuereinheit 11 so gesteuert wird, dass er zu Beginn des Anlassvorganges mit Strom von der Batterie 10 versorgt wird, um als Motor den Turbo-Verdichter anzutreiben, und dass er Ladestrom abgibt, und/oder die Energieabgabe der Batterie 10 unterstützt, sobald eine genügende An triebskraft für die Turbine 6 vom Verbrennungsraum 13 geliefert wird.
Um während des Anlaufvorganges zu verhindern, dass innerhalb des Motors 1 ein Staudruck entsteht, der mit dem der Turbine 6 zugeführten Druck ansteigt, ist die vom Auslass 2b kommende Auslassleitung 7 vorzugsweise mit einem Ablassventil 34 versehen, das in Fig. 1 als Magnetventil angedeutet ist und das bei Erregung durch die Anlass-Steuereinheit 11 die in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Position einnimmt, in der die Auslassleitung 7 mit der Atmosphäre verbunden ist, wobei diese Verbindung vorzugsweise auf den Auspuff 8 geführt ist, wodurch die Turbine 6 umgangen wird. Zur gleichen Zeit ist durch das Ventil 34 die Auslassleitung 7 vom Eingang der Turbine 6 und vom Zweig 12, der den Verbrennungsraum 13 enthält, abgetrennt.
Schaltet die Anlass-Steuereinheit 11 die Erre- gung für das Ventil 34 ab, nimmt dieses die in Fig. 1 voll ausgezogene Stellung ein, sobald die von dem Motor kommenden Auspuffgase die Auslassleitung 7 erreichen.
Um die Einlassleitung 3 und die Auslassleitung 7 des Dieselmotors zu trennen, kann in dem den Verbrennnungsraum 13 enthaltenden Parallelzweig ein Ventil 19 vorgesehen sein. Dieses Ventil 19 kann manuell betätigt werden, oder aber zum automatischen Betrieb ausgelegt sein, beispielsweise durch Steuerung von der Anlass-Leitung 11, derart, dass es nur solange geöffnet ist, wie Brennstoff über die Einspritzdüse 14 zugeführt wird.
Der Turbo-Verdichter 6, 5 ist nicht nur während der Startperiode des Dieselmotors in Betrieb, sondern auch während des gesamten späteren Betriebs. Aus diesem Grund ist es in vielen Fällen überflüssig, neben dem Motor/Generator 18, der durch die Turbine 6 angetrieben wird, noch einen separaten elektrischen Generator vorzusehen, der durch den Dieselmotor selbst angetrieben wird. Dadurch kann der Starter 2 für den Dieselmotor stark vereinfacht werden, da er nicht als Generator betrieben werden muss, bzw. mit einem Generator kombiniert sein muss, um die Batterie 10 aufzuladen. Ausserdem ist der Turbo-Verdichter als Kraftquelle für den Betrieb von Hilfseinrichtungen verfügbar, z. B. wenn der Dieselmotor vor dem Start angewärmt wird, sowie auch nach dem Start des Dieselmotors.
Die Auslass-Gase von der Turbine 6 können auch benutzt werden, um direkt oder über einen Wärmetauscher die einer Luftversorgungsanlage oder eine Klimaanlage 26 zugeführte Luft zu erwärmen. Frische Luft wird diesem System durch ein zweites Turbo-Gebläse 25 zugeführt, das ebenfalls von der Turbine 6 des Turbo-Verdichters 6, 7 angetrieben wird.
In dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel sind solche Teile, die dieselbe Funktion haben wie diejenigen aus Fig. 1, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass nur diejenigen Teile beschrieben werden müssen, welche zusätzlich vorhanden sind. Der Verbrennungsraum 13 gemäss Fig. 1, der vollständig in dem Parallelzweig 12 angeordnet ist, ist durch einen abgeänderten Verbrennungsraum 23 ersetzt, dessen Eingangsteil, der die Einspritzdüse 14 und die Zündeinrichtung 17 umfasst, mit dem Ende des Parallelzweiges 12 zusammenfällt. Der restliche Teil des Verbrennungsraumes 23 ist als Teil der Auslassleitung 7 zu betrachten, die von dem Auslass 2b des Dieselmotors zur Turbine 6 geführt ist. Die vom Auslass 2b kommenden Auspuffgase passieren daher den zuletzt erwähnten Teil des Verbrennungsraumes.
Diese Konstruktion ist besonders vorteilhaft. da die Luft, welche den Verbrennungsraum 23 über den Parallelzweig 12 erreicht, nicht ausreicht, um die Verbrennung des über die Einspritzdüse 14 zugeführten Kraftstoffes vollständig vorzunehmen, und zwar zu einer Zeit, zu der die Auspuffgase, die von dem Auslass 2b kommen, einen relativ hohen Restbestand an Sauerstoff aufweisen, wenn der Motor unter leichter Last läuft, d. h. wenn nur eine kleine Brennstoffmenge in die in jedem Zylinder enthaltene Luftmenge gegeben wird. Durch die Wirkung dieser Auspuffgase wird die Temperatur innerhalb des Verbrennungsraumes in den gewünschten Grenzen gehalten, während der Sauerstoffanteil dieser Gase für eine vollständige Verbrennung des über die Einspritzdüse 14 eingegebenen Brennstoffes sorgt.
Durch diesen Effekt wird bei geringen Motorlasten nicht nur eine Reduktion des vom Kompressor 5 gelieferten Einspritzdruckes vermieden, sondern es kann auch elektrische Energie durch den Motor/Generator 18 gewonnen werden und!oder gegebenenfalls Energie zum Antrieb von Hilfsaggregaten.
Zum Anlassen eines hier beschriebenen Motors mit einem Turbo-Verdichter wird der Turbo-Verdichter vorteilhafterweise vor dem Motor gestartet, und zwar mit einem beliebigen Energie-Speicher, worauf dann mit Hilfe einer grösseren gespeicherten Energie der Motor angelassen wird. Obwohl sich ein solcher Motor auch durch Muskelkraft anwerfen lässt, wird ein Motoranlasser bevorzugt, insbesondere ein elektrisch betriebener.
Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es jedoch möglich, wie in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet, einen Druckspeicher 31 vorzusehen, der während des normalen Betriebs des Motors und des Turbo-Verdichters über ein Rückschlagventil 32 durch den Kompressor geladen wird und der nach Öffnen eines weiteren Ventils 33, beispielsweise eines Magnetventils, das beispielsweise von der Anlass-Steuereinheit 11 ge steuert wird, die gespeicherte Luft zum Betrieb der Turbine 6 abgibt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Ventilanordnung 31 von Fig. 1 auf diejenige Anordnung von Fig. 2 zu übertragen. Die wesentliche Idee der vorliegenden Anordnung besteht darin, zusätzlich zu dem von den Abgasen eines Verbrennungsmotors betriebenen Turbo-Verdichter für die Einlassluft einen Parallelzweig vorzusehen, der einen Teil- der Kompressor Ausgangsluft auf den Eingang der Turbine führt. Ferner sind Mittel vorgesehen, um die durch diesen Parallelzweig strömende Luft zur Verbrennung von zusätzlichem Kraftstoff zu verwenden, um die Geschwindigkeit des Turbo-Verdichters ansteigen zu lassen oder wenigstens einen Abfall derselben, wenigstens unter bestimmten Arbeitsbedingungen, zu verhindern.
Durch diese Massnahmen wird im Vergleich zu bekannten Motoren mit Abgas-betriebenen Gebläseanordnungen die Luftmenge pro Arbeitshub des Motors erhöht und dadurch mehr Brennstoff im Motor verbrannt. Ferner kann eine zusätzliche Anfangsenergie an der Welle des Turbo-Verdichters zur Verfügung gestellt werden, die sogar bei stationären Motoren zur Energieversorgung herangezogen werden kann. Ferner kann das Konstruktionsprinzip des Motors abgeändert werden, da in einem konventionellen Motor mit Turbo-Verdichter das Mass des Kompressions-Verhältnisses von einem Minimum beim Stillstand des Motors bis zu einem Maximum schwankt, so dass das Kompressions-Verhältnis des Motors so gewählt werden muss, dass der Motor mit dem geringen Kompressionsverhältnis gestartet werden kann. Bei der beschriebenen Anordnung kann jedoch das Kompressionsverhältnis im wesentlichen konstant gehalten werden.
Ferner kann in bekannten Kompressionsmotoren die Selbstentzündungstemperatur sehr empfindlich gegenüber Schwankungen der Temperatur und der Kurbelwellengeschwindigkeit sein, während die beschriebene Anordnung diese Probleme im wesentlichen beseitigt.
Wegen des bereits beim Start auftretenden hohen Kompressionsverhältnisses wird der Startvorgang wesentlich verkürzt. Es hat sich ergeben, dass für einen erfolgreichen Start bereits ein einziger Füll- und Kompressionsvorgang in einem Zylinder genügt. Ferner wurde festgestellt, dass ein solcher Motor unmittelbar nach dem Start belastbar ist, sogar bei sehr geringen Aussentemperaturen, während ein bekannter Dieselmotor mit 250 PS bei einer Aussentemperatur von -26" C erst nach 20 Min. ansprach. Wird der Turbo Verdichter in der beschriebenen Anordnung über eine gewisse Zeit vor dem Starten des Verbrennungsmotors betrieben, kann eine grössere Menge von heissen Auslassgasen der Gasturbine dieses Verdichters zum Aufheizen des Motors benutzt werden, wodurch der spätere Startvorgang des Motors weiterhin begünstigt wird.
Ein bekannter, eine Leistung von 250 PS aufweisender Dieselmotor erreichte diese Leistung bei 2100 U.p.m. Durch Einbau der beschriebenen Anordnung wurde das Drehmoment dieses Motors bei 800 Umdrehungen um 80 O/o erhöht. Durch Berechnungen und Tests wurde weiter nachgewiesen, dass durch Reduzierung des Kompressionsverhältnisses des Motors bis unterhalb des minimalen zum Start ohne Einspritzen erforderlichen Kompressionsverhältnisses die Leistungsfähigkeit des Motors um mehr als 25 zur gesteigert werden kann, während gleichzeitig auch der Wirkungsgrad gesteigert wird. Bei Einbau des Motors beispielsweise in ein Fahrzeug kann durch das höhere Drehmoment bei geringeren Drehzahlen des Motors die Zahl der Getriebegänge reduziert werden und/oder ein wesentlich kleinerer Motor für den gleichen Zweck verwendet werden.
Durch Tests und Berechnungen wurde ferner eine wesentliche Verbesserung des Verbrennungsvorgangs im Motor nachgewiesen, sowie eine höhere Reinheit des Auspuffgase bei Grenztemperatur.
Abgesehen von dem normalen Betrieb der Anordnung beim Start des Motors kann die Anordnung dazu benutzt werden, Energie der Auspuffgase vom Verbrennungsmotor der Turbine des Turbo-Verdichters zuzuführen, wenn der Motor mit relativ niedriger Drehzahl läuft, wodurch der Turbo-Verdichter mit voller Geschwindigkeit betrieben wird und dadurch der Einspritzdruck bei geringen Motordrehzahlen erhalten bleibt. Ferner ist es möglich, den Einspritzdruck unabhängig von der Motorgeschwindigkeit zu steuern.
Durch diese Massnahme wird das Drehmoment des Motors bei niedrigen Drehzahlen wesentlich erhöht.
Andererseits fiel bei hoher Drehzahl des Motors und bei relativ geringer Last die Geschwindigkeit von bekannten Turbo-Verdichtern stark ab, wodurch eine Reduktion des Kompressionsverhältnisses der den Zylindern zugeführten Luft eintrat. Der Grund lag darin, dass der in den Zylindern des Motors enthaltenen Luft nur eine geringe Brennstoffmenge beigegeben wurde. Dadurch trat bei niedriger Motordrehzahl eine Erniedrigung der Betriebstemperatur auf, wodurch die Energie der dem Turbo-Verdichter bzw. dessen Turbine zugeführten Auspuffgase reduziert wurde.
Da unter diesen Voraussetzungen die Menge der dem Motor zugeführten Luft von der Motorgeschwindigkeit abhängt, und zwar unabhängig von dessen Belastung, so dass die zugeführte Luftmenge auch bei geringer Last ein Maximum beträgt, steht nur eine äusserst geringe Luftmenge des Turbo-Verdichters zur Verfügung, um den Verbrennungsraum zu versorgen, der weitere Energie für den Turbo-Verdichter abgibt. Unter diesen Bedingungen ist wegen der geringen Brennstoffmenge, die bei jedem Zylinderakt verbrennt, eine relativ grosse Menge überschüssiger Luft im Auspuffgas vorhanden, weshalb in der beschriebenen Anordnung diese Luft zur Verbrennung mit Hilfe eines zusätzlich beigegebenen Brennstoffes herangezogen wird, wodurch die Energie des der Turbine des Turbo-Verdichters zugeführten Gases einen höheren Wert erreicht.
Dies wird erreicht durch die Anordnung des zusätzlichen Verbrennungsraums im Bereich der Auslassleitung des Motors, wodurch eine vollständige Verbrennung von eingegebenem Brennstoff erreicht wird, wozu die von dem Kompressorausgang zugeführte Luft allein nicht ausreichen würde. Die gemäss dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehene Anordnung enthält einen zusätzlichen Verbrennungsraum, bei welchem der Eingangsteil des Verbrennungsraums mit der vom Kompressorausgang kommenden Zuführungsleitung verbunden ist und wobei der Verbrennungsraum eine Einspritz- und Zündeinrichtung umfasst, so dass die Verbrennung des eingegebenen Brennstoffes auch stattfindet, wenn keine Verbrennungsprodukte vom Motor vorliegen.
Vorteilhafterweise ist dieses Eingangsteil mit einem weiteren Teil des Verbrennugnsraumes verbunden, durch welches die vom Verbrennungsmotor kommenden Auspuffgase dem Turbineneinlass zugeführt werden und in den die heissen Verbrennungsgase vom Eingangsteil des Verbrennungsraumes hineingeführt werden. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn Sauerstoff in dem Auspuffgas des Motors enthalten ist, der dann eine vollständige Verbrennung der dem zusätzlichen Verbrennungsraum zugeführten Brennstoffe vornimmt.