CH616207A5

CH616207A5 - Supercharged internal combustion engine

Info

Publication number: CH616207A5
Application number: CH1175876A
Authority: CH
Inventors: Jakob Bucher
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1975-09-26
Filing date: 1976-09-16
Publication date: 1980-03-14
Also published as: JPS5256213A; NL7610588A; GB1563003A; FR2325814B1; FR2325814A1; DE2542970A1

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine, der bei ungenügender Luftversorgung durch einen Turbolader Hilfsluft zuführbar ist, welche mittels eines mit Treibluft beaufschlagbaren Injektors ansaugbar ist. The invention relates to a supercharged internal combustion engine which can be supplied with auxiliary air by means of a turbocharger in the event of insufficient air supply and which can be drawn in by means of an injector which can be supplied with propellant air.

Die Zufuhr von Hilfsluft ergibt bei Anordnungen dieser Art eine Verbesserung des Teillast- und Beschleunigungsverhaltens der gesamten Anlage, wobei die Verwendung eines Injektors eine gute Energieausbeute der dem Injektor zugeführten Druckluft sicherstellt. With arrangements of this type, the supply of auxiliary air results in an improvement in the part-load and acceleration behavior of the entire system, the use of an injector ensuring a good energy yield of the compressed air supplied to the injector.

Aus der DE-PS 1 049 626 ist eine Anordnung der eingangs erwähnten Gattung bekannt, bei welcher der an ein Hilfsgebläse angeschlossene Injektor im Bereich der vom Verdichter des Turboladers zu den Zylindern führenden Ladeleitung angeordnet ist. Der Hauptanteil der Hilfsluft soll dabei vom Hilfsgebläse zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch wird ein grosser Energiebedarf für das Hilfsgebläse verursacht. Die zusätzlich vom Injektor geförderte Hilfsluft muss bei der bekannten Anordnung durch den Verdichter hindurch angesaugt werden. Dies ergibt eine Erhöhung des Verdichterdurchsatzes und damit ein sehr träges Verhalten beim Hochfahren, da die in der Regel fest mit dem Verdichter gekoppelte Turbine die Leistung für die Förderung der gesamten Luftmenge aufbringen muss. From DE-PS 1 049 626 an arrangement of the type mentioned is known, in which the injector connected to an auxiliary fan is arranged in the region of the charging line leading from the compressor of the turbocharger to the cylinders. The majority of the auxiliary air should be provided by the auxiliary fan. This causes a large energy requirement for the auxiliary blower. In the known arrangement, the auxiliary air additionally conveyed by the injector must be drawn in through the compressor. This results in an increase in the compressor throughput and thus a very sluggish behavior when starting up, since the turbine, which is generally firmly coupled to the compressor, has to exert the power for conveying the entire amount of air.

Es sind auch Ausführungen bekannt, bei denen Hilfsluft direkt aus einem Vorratsbehälter in die Ladeluftleitung einge-blasen wird. Dabei muss die gesamte Hilfsluft im Vorratsbehäl-ter gespeichert werden, wofür ein grosses Volumen erforderlich ist. Beim Einblasen der Hilfsluft in die Ladeluftleitung kühlt sie sich infolge der Entspannung stark ab. Dadurch werden Zündung und Verbrennungsablauf im Motorzylinder verschlechtert. Auch die Abgastemperatur wird niedriger, Designs are also known in which auxiliary air is blown directly from a storage container into the charge air line. The entire auxiliary air must be stored in the storage container, for which a large volume is required. When the auxiliary air is blown into the charge air line, it cools down considerably as a result of the expansion. This causes the ignition and combustion process in the engine cylinder to deteriorate. The exhaust gas temperature also gets lower,

wodurch sich die Leistung der Turbine verringert. which reduces the performance of the turbine.

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung der Nachteile bekannter Anordnungen mit einfachen Mitteln eine Erhöhung der Ladedrehzahl bei stationärem Teillastbereich zu gewährleisten und eine Verkürzung der Hochlaufzeit beim Beschleunigen sicherzustellen. Proceeding from this, it is the object of the present invention, while avoiding the disadvantages of known arrangements, to ensure, with simple means, an increase in the charging speed in the case of a stationary part-load range and to ensure a shortening of the acceleration time during acceleration.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass der Injektor an einem Druckluftvorratsbehälter angeschlossen und ausserhalb einer vom Verdichter des Turboladers zu den Zylindern führenden Ladeleitung angeordnet ist, in welche die vom Injektor geförderte Hilfsluft im Bereich hinter dem Verdichter einführbar ist. Es hat sich herausgestellt, dass für die Unterstützung des Motors Hilfsluft mit niedrigem Druck, aber in grosser Menge, erforderlich ist. This object is achieved according to the invention in that the injector is connected to a compressed air reservoir and is arranged outside a charging line leading from the compressor of the turbocharger to the cylinders, into which the auxiliary air conveyed by the injector can be introduced in the area behind the compressor. It has been found that auxiliary air with low pressure but in large quantities is required to support the engine.

Durch die erfindungsgemässe Anordnung wird die Druckenergie der Treibluft in vorteilhafter Weise dazu verwendet, eine sehr grosse Menge Hilfsluft mit niedrigem Druck zu fördern. Es reicht daher schon eine geringe Treibluftmenge aus, um den gewünschten Effekt zu erreichen. Dadurch, dass die durch den Injektor geförderte Hilfsluft nach dem Verdichter eingeblasen und nicht wie beim Stand der Technik durch den Verdichter hindurchgesaugt wird, verringert sich die vom Verdichter geförderte Luftmenge und damit auch die für die Förderung der Luft erforderliche Leistung. Es bleibt daher ein grösserer Teil der von der Turbine angegebenen Leistung für die Beschleunigung des Turboladers übrig. The arrangement according to the invention advantageously uses the pressure energy of the propellant air to convey a very large amount of auxiliary air at low pressure. A small amount of propellant air is therefore sufficient to achieve the desired effect. The fact that the auxiliary air conveyed by the injector is blown in after the compressor and not sucked through the compressor as in the prior art reduces the amount of air conveyed by the compressor and thus also the power required for conveying the air. Therefore, a larger part of the power specified by the turbine remains for the acceleration of the turbocharger.

In einer vorteilhaften Ausführunsform der Erfindung weist der Injektor eine an die vom Druckbehälter kommende Treibluftleitung angesetzte Lavaldüse auf, die von einem freisaugenden Saugstutzen umgeben ist und in eine mit dem Saugstutzen verbundene Mischstrecke mündet, an die ein in die Hilfsluftleitung mündender Diffusor angeschlossen ist. Die Treibluft, die gemäss einer zweckmässigen Ausführungsform der Erfindung aufgrund des geringen Verbrauchs in einfacher Weise aus der Anlassluftflasche entnommen werden kann, wird hier in der Lavaldüse auf etwas weniger als Atmosphärendruck entspannt, wobei die Druckenergie praktisch vollständig in Geschwindigkeitsenergie umgesetzt wird. Dieser Luftstrahl hoher Geschwindigkeit wird mit Luft aus der Umgebung vermischt und anschliessend in einem Diffusor verzögert. Bei geeigneter Wahl der Querschnitte, die durch Berechnungen und einfache Versuche für die Verhältnisse jedes Einzelfalls ermittelt werden können, steigt dabei der Druck auf ein für die Unterstützung des Motors erforderliches Mass an. Durch die Vermischung mit Umgebungsluft erhöht sich dabei die Temperatur der Hilfsluft über die Endtemperatur der entspannten Treibluft, wodurch nachteilige Auswirkungen auf den Verbrennungsvorgang im Motor vermieden werden und die Abgastemperatur hochgehalten werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, the injector has a Laval nozzle attached to the driving air line coming from the pressure vessel, which is surrounded by a free-sucking suction nozzle and opens into a mixing section connected to the suction nozzle, to which a diffuser opening into the auxiliary air line is connected. The propellant air, which according to an expedient embodiment of the invention can easily be removed from the starting air bottle due to the low consumption, is expanded here in the Laval nozzle to a little less than atmospheric pressure, the pressure energy being converted practically completely into velocity energy. This high-speed air jet is mixed with air from the environment and then decelerated in a diffuser. With a suitable choice of cross-sections, which can be determined by calculations and simple tests for the ratios of each individual case, the pressure rises to a level necessary to support the motor. By mixing with ambient air, the temperature of the auxiliary air rises above the final temperature of the relaxed propellant air, thereby avoiding adverse effects on the combustion process in the engine and keeping the exhaust gas temperature high.

Dadurch, dass in der Hilfsluftleitung im Bereich zwischen dem Injektor und der Einmündung in die Ladeleitung ein Rückschlagventil vorgesehen sein kann, lässt sich auf einfache Weise vermeiden, dass in Zeiten, in denen der Injektor stillgelegt ist, ein Teil der vom Verdichter geförderten Luft durch den Ansaugstutzen des Injektors entweichen kann. The fact that a check valve can be provided in the auxiliary air line in the area between the injector and the confluence with the charging line makes it easy to prevent part of the air delivered by the compressor from being drawn by the compressor at times when the injector is shut down Intake nozzle of the injector can escape.

Gute Ergebnisse wurden mit einer eine Länge von etwa neun Durchmessern aufweisenden Mischstrecke erreicht. Good results have been achieved with a mixing section having a length of about nine diameters.

In einer zweckmässigen Ausführungsform der Erfindung ist die Treibluftleitung, wie vorstehend schon angedeutet wurde, an die Anlassluftflasche angeschlossen. Hierdurch wird gegenüber der Verwendung eines Hilfsgebläses eine hohe Betriebssicherheit und ständige Einsatzbereitschaft ohne grossen Wartungsaufwand gewährleistet. In an expedient embodiment of the invention, the propellant air line, as already indicated above, is connected to the starting air bottle. Compared to the use of an auxiliary blower, this ensures a high level of operational safety and constant readiness for use without great maintenance.

Vorteilhaft ist zur Stillegung des Injektors in der Treibluft5 It is advantageous to shut down the injector in the propellant air5

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leitung im Bereich zwischen deren Ausgang aus dem Druckluftbehälter und der Lavaldüse ein Absperrventil vorgesehen. Eine Automatisierung des gesamten Vorgangs Iässt sich in vorteilhafter Weise dadurch erreichen, dass das Absperrventil in Abhängigkeit vom Ladeluftdruck betätigbar ist. In the area between the outlet from the compressed air tank and the Laval nozzle, a shut-off valve is provided. Automation of the entire process can advantageously be achieved in that the shut-off valve can be actuated as a function of the charge air pressure.

Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert. The invention is explained using an exemplary embodiment with reference to the drawing.

In der Zeichnung zeigen: The drawing shows:

Fig. 1 einen aufgeladenen Vierzylindermotor mit einem erfindungsgemäss angeordneten und betriebenen Injektor in schematischer Darstellung und Fig. 1 shows a turbocharged four-cylinder engine with an injector arranged and operated according to the invention in a schematic representation and

Fig. 2 den erfindungsgemässen Injektor in vergrösserter Darstellung. Fig. 2 shows the injector according to the invention in an enlarged view.

In Fig. 1 bezeichnet 1 eine schematisch angedeutete Brennkraftmaschine mit vier Zylindern 2 bis 5. Die Brennkraftmaschine 1 kann über eine Welle 6, an die beispielsweise eine Schiffsschraube angeflanscht sein kann, Leistung abgeben. Die in den Zylindern 2 bis 5 entstehenden Abgase werden über eine Abgassammelleitung 7 der Abgasturbine 8 eines Turboladers zugeführt, in der sie den Rest ihrer Energie abgeben. Die Abgasturbine 8 treibt über eine Welle 9 einen fest hiermit gekuppelten Verdichter 10 an, der Luft aus der Umgebung ansaugt und zur Beaufschlagung der Zylinder 2 bis 5 über eine Ladeleitung 11 auf ein höheres Druckniveau bringt. In einem Ladeluftkühler 12 wird die Luft, die sich bei der Verdichtung aufgeheizt hat, zurückgekühlt. In Fig. 1, 1 denotes a schematically indicated internal combustion engine with four cylinders 2 to 5. The internal combustion engine 1 can output power via a shaft 6, to which, for example, a propeller can be flanged. The exhaust gases generated in the cylinders 2 to 5 are fed via an exhaust manifold 7 to the exhaust gas turbine 8 of a turbocharger, in which they release the rest of their energy. The exhaust gas turbine 8 drives, via a shaft 9, a compressor 10 which is fixedly coupled to it, which sucks in air from the environment and brings a higher pressure level to the cylinders 2 to 5 via a charging line 11. The air, which has heated up during compression, is cooled back in a charge air cooler 12.

Insbesondere beim Anfahren des Motors 1 und bei niedriger Belastung deckt bekanntlich die Energie der Abgase den zur Verdichtung der gesamten vom Motor 1 benötigten Luftmenge nicht vollständig ab. Der vom Verdichter 10 geförderten Luftmenge muss daher eine bestimmte Hilfsluftmenge beigefügt werden. Gemäss der Erfindung ist zur Förderung der Hilfsluft ein Injektor 13 vorgesehen, der über eine in vorteilhafter Weise an die Anlassluftflasche 14 angeschlossene Treibluftleitung 15 mit einer geringen Menge Treibluft beaufschlagbar ist und der mit Hilfe der Treibluft eine grössere Menge Hilfsluft aus der Umgebung frei ansaugt, welche sich mit der entspannten Treibluft vermischt und über eine an den Injektor 13 > angeschlossene Hilfsluftleitung 16 im Bereich hinter dem Verdichter 10 an die Ladeleitung 11 eingeblasen wird. Wie in Figur 1 durch gestrichelte Linien angedeutet, kann die Hilfsluftleitung 16 vor oder hinter dem Ladeluftkühler 12 in die Ladeleitung 11 einmünden. Die Einmündung vor dem Ladeluftkühler 12 hat den Vorteil, dass sich die kalte Hilfsluft im Ladeluftkühler etwas erwärmen kann, da dessen Kühltemperatur jedenfalls höher ist als die Temperatur der vom Injektor ankommenden Luft. Die erfindungsgemässe Anordnung stellt sicher, dass die Zylinder 2 bis 5 ständig ausreichend mit Luft versorgt werden können, wobei die hierzu benötigte zusätzliche Hilfsluft in vorteilhafter Weise mit einer sehr kleinen Menge Treibstoff gefördert werden kann. Die Einmündung der Hilfsluftleitung 16 im Bereich hinter dem Verdichter 10 erlaubt ein schnelles Hochfahren des Motors, unabhängig von der Durchsatzmenge des Verdichters. As is known, especially when starting the engine 1 and at low loads, the energy of the exhaust gases does not completely cover the amount of air required for the engine 1. A certain amount of auxiliary air must therefore be added to the amount of air delivered by the compressor 10. According to the invention, an injector 13 is provided for conveying the auxiliary air, which can be acted upon with a small amount of propellant air via a propellant air line 15 which is advantageously connected to the starting air bottle 14 and which, with the aid of the propellant air, freely draws in a larger amount of auxiliary air from the environment, which mixes with the relaxed propellant air and is blown into the charge line 11 via an auxiliary air line 16 connected to the injector 13> in the area behind the compressor 10. As indicated by dashed lines in FIG. 1, the auxiliary air line 16 can open into the charge line 11 in front of or behind the charge air cooler 12. The mouth in front of the charge air cooler 12 has the advantage that the cold auxiliary air in the charge air cooler can heat up somewhat, since its cooling temperature is in any case higher than the temperature of the air arriving from the injector. The arrangement according to the invention ensures that cylinders 2 to 5 can be supplied with sufficient air at all times, the additional auxiliary air required for this purpose being able to be conveyed advantageously with a very small amount of fuel. The confluence of the auxiliary air line 16 in the area behind the compressor 10 allows the engine to be started up quickly, regardless of the throughput of the compressor.

Zur Stillegung des Injektors 13 in Leistungsbereichen, in For decommissioning the injector 13 in performance areas, in

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denen die vom Turbolader geförderte Luftmenge zur Versorgung der Zylinder 2 bis 5 ausreicht, ist in der Treibluftleitung 15 ein Absperrventil 17 vorgesehen. Das Absperrventil 17 kann etwa von Hand betätigt werden. Zur Automatisierung des gesamten Vorgangs und zur Erzielung einer feinfühligen Regelung der Luftversorgung kann jedoch auch ein Stellglied where the amount of air delivered by the turbocharger is sufficient to supply cylinders 2 to 5, a shut-off valve 17 is provided in the motive air line 15. The shut-off valve 17 can be operated approximately by hand. However, an actuator can also be used to automate the entire process and to achieve sensitive regulation of the air supply

18 vorgesehen sein, das in Abhängigkeit der von einem Fühler 18 may be provided depending on the one of the sensors

19 gemessenen Grösse, die in einem Regler 20 umgesetzt wird, betätigbar ist. Als Messgrösse für den Fühler 19 kann vorteilhaft der Ladeluftdruck im Bereich der Ladeluftleitung 11 abgenommen werden, da diese Messgrösee direkten Auf-schluss über die Luftversorgung des Motors gibt. Es sind jedoch auch andere Ausführungen denkbar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt der Fühler 19 den Leistungsbedarf des Motors 1 etwa im Bereich der Welle 6 als Messgrösse ab. 19 measured size, which is implemented in a controller 20, is actuated. The charge air pressure in the area of the charge air line 11 can advantageously be taken as the measurement variable for the sensor 19, since this measurement variable provides direct information about the air supply to the engine. However, other designs are also conceivable. In the exemplary embodiment shown, the sensor 19 decreases the power requirement of the motor 1 approximately in the area of the shaft 6 as a measured variable.

In Zeitabschnitten, in denen der Injektor stillgelegt ist, wird das Entweichen eines Teils der vom Verdichter 10 geförderten Ladeluft durch den Injektor 13 hindurch mittels eines in der Hilfsluftleitung 16 im Bereich zwischen dem Injektor 13 und der Einmündungsstelle in die Ladeleitung 11 vorgesehenen Rückschlagventils 21 wirksam und einfach verhindert. Das Absperrventil kann daher auch durch ein Signal geschlossen werden, das gegeben wird, wenn das automatische Rückschlagventil 21 zwischen Injektor und Ladeluftleitung schliesst. In periods in which the injector is shut down, the escape of part of the charge air conveyed by the compressor 10 through the injector 13 by means of a check valve 21 provided in the auxiliary air line 16 in the area between the injector 13 and the junction with the charge line 11 becomes effective and simply prevented. The shut-off valve can therefore also be closed by a signal which is given when the automatic check valve 21 between the injector and the charge air line closes.

Im folgenden wird der Aufbau und die Wirkungsweise des Injektors anhand der Fig. 2 näher erläutert. An die an einen Druckluftvorratsbehälter, hier in vorteilhafter Weise an die Anlassluftflasche 14, angeschlossene Treibluftleitung 15 ist eine Lavaldüse 22 angesetzt, mittels der die dem Druckluftvorratsbehälter entnommene Treibluft auf etwas weniger als Atmosphärendruck entspannt wird. Die in der Treibluft stekkende Druckenergie wird hierbei nahezu vollständig in Geschwindigkeitsenergie umgesetzt. Die Lavaldüse 22 ist von einem Saugstutzen 23 umgeben, durch den, wie durch Pfeile angedeutet, Umgebungsluft frei angesaugt wird. Der Saugstutzen 23 kann vorteilhaft als konische Erweiterung eines Rohres ausgebildet sein. An den Saugstutzen 23 schliesst sich eine Mischstrecke 24 an, in welcher die aus der Umgebung angesaugte Luft und der aus der Lavaldüse 22 austretende Luftstrom gut miteinander vermischt werden. Gute Ergebnisse wurden damit erreicht, dass die Mischstrecke eine Länge von mindestens dem Neunfachen des Durchmessers aufwies. Durch die Vermischung der infolge der starken Entspannung sehr weit abgekühlten Treibluft mit der aus der Umgebung angesaugten relativ warmen Luft erhöht sich die Temperatur der Hilfsluft auf ein Niveau, das eine gute Verbrennung in den Zylindern sicherstellt. An die Mischstrecke 24 schliesst sich gemäss der Erfindung ein Diffusor 25 an, in welchem der durch das die Mischstrecke 24 bildende Rohr ankommende Luftstrom unter Erhöhung des Drucks verzögert wird. Durch geeignete Wahl der Querschnitte, die für jeden Einzelfall anhand einfacher Versuche getroffen werden kann, lässt sich so ein für die Unterstützung des Motors geeignetes Druckniveau der Hilfsluft einstellen. Der Diffusor 25 mündet in die Hilfsluftleitung 16, die mit gleichem Endquerschnitt fortgesetzt ist. The structure and the mode of operation of the injector are explained in more detail below with reference to FIG. 2. A Laval nozzle 22 is attached to the propellant air line 15 connected to a compressed air reservoir, here advantageously to the starting air bottle 14, by means of which the propellant air removed from the compressed air reservoir is expanded to somewhat less than atmospheric pressure. The pressure energy contained in the propellant air is almost completely converted into velocity energy. The Laval nozzle 22 is surrounded by a suction nozzle 23 through which, as indicated by arrows, ambient air is sucked in freely. The suction nozzle 23 can advantageously be designed as a conical extension of a tube. A mixing section 24 adjoins the suction nozzle 23, in which the air sucked in from the environment and the air stream emerging from the Laval nozzle 22 are mixed well with one another. Good results were achieved in that the mixing section had a length of at least nine times the diameter. By mixing the propellant air, which has cooled down a great deal as a result of the strong relaxation, with the relatively warm air drawn in from the surroundings, the temperature of the auxiliary air rises to a level which ensures good combustion in the cylinders. According to the invention, the mixing section 24 is followed by a diffuser 25, in which the air flow arriving through the tube forming the mixing section 24 is decelerated while increasing the pressure. Through a suitable choice of cross-sections, which can be made for each individual case on the basis of simple tests, a pressure level of the auxiliary air that is suitable for supporting the engine can be set. The diffuser 25 opens into the auxiliary air line 16, which is continued with the same end cross section.

3 3rd

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Charged internal combustion engine, which can be supplied with insufficient air supply through a turbocharger auxiliary air, which can be sucked in by means of an injector to which propellant can be applied, characterized in that the injector (13) is connected to a compressed air reservoir (14) and outside of the compressor (10) of the turbocharger to the cylinders (2 to 5) leading charging line (11) is arranged, into which the auxiliary air conveyed by the injector (13) can be introduced in the area behind the compressor.

2. Supercharged internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the injector (13) has a Laval nozzle (22) attached to a driving air line (15) coming from the compressed air reservoir, which is surrounded by a free-sucking suction nozzle (23) and into one with the suction nozzle (23) connected mixing section (24) opens, to which a diffuser (25) opening into an auxiliary air line (16) is connected.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Supercharged internal combustion engine according to claim 2, characterized in that a check valve (21) is provided in the auxiliary air line (16) in the area between the injector (13) and the confluence with the charging line (11).

4. Supercharged internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the mixing section (24) has a length corresponding to the nine-fold value of its diameter.

5. Supercharged internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the driving air line (15) is connected to a starting air bottle (14).

6. Supercharged internal combustion engine according to claim 2, characterized in that a shut-off valve (17) is provided in the motive air line (15) in the area between its outlet from the compressed air reservoir (14) and the Laval nozzle (22).

7. Supercharged internal combustion engine according to claim 6, characterized in that the shut-off valve (17) can be actuated as a function of the charge air pressure.