DE1003504B

DE1003504B - Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Abgasturbogeblaese

Info

Publication number: DE1003504B
Application number: DEM27524A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans-Rudolf Lembcke
Original assignee: Mak Maschinenbau Kiel GmbH
Current assignee: Caterpillar Motoren GmbH and Co KG
Priority date: 1955-06-27
Filing date: 1955-06-27
Publication date: 1957-02-28

Description

Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Abgasturbogebläse Es ist bekannt, daß bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen, deren Spül- und Ladeluft lediglich durch ein Abgasturbogebläse erzeugt wird, beim Starten der Brennkraftmaschine, bei Motorleerlauf und bei niedrigen Belastungen Schwierigkeiten bei der Förderung der erforderlichen Spül- und Ladeluft entstehen, da die Abgasenergie bzw. die ausnutzbare Abgasenergie während dieser Betriebszustände zu gering ist, um die Antriebsleistung für das Spül- und Ladeluftgebläse zu decken. Besonders bei Brennkraftmaschinen für Schiffe mit niedrigen Leerlaufdrehzahlen und entsprechend niedrigen mittleren Zylinderdrücken reicht die vom Abgasturbogebläse geförderte Spül- und Ladeluft allein nicht aus, um einen stabilen Leerlauf der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
Deshalb werden im allgemeinen bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen für Schiffe mit einer Leerlaufdrehzahl von einem Viertel bis einem Fünftel der Nenndrehzahl zusätzlich zu den Abgasturbogebläsen entweder die ursprünglichen Spülluftfördereinrichtungen oder kleine Hilfsfördereinrichtungen vorgesehen, die dann die fehlende Spül- und Ladeluft erzeugen. Diese Hilfsfördereinrichtungen können von der Brennkraftmaschine selbst oder unabhängig davon angetrieben werden. In den Fällen, wo keine fremde Energiequelle für den unabhängigen Antrieb zur Verfügung steht, z. B. bei kleineren Brennkraftmaschinen von 200 bis 800 PS oder bei Fahrzeug-Brennkraftmaschinen, muß der Antrieb der Hilfsfördereinrichtung durch die Brennkraftmaschine erfolgen. Hierbei ist es notwendig, daß der Antrieb während des Laufes ein- und ausgekuppelt werden kann. Anderenfalls würde das bei niedriger Motordrehzahl mit Nenndrehzahl umlaufende Hilfsgebläse bei steigender Motordrehzahl auf Cberdrehzahl kommen. Der diese Forderungen erfüllende mechanische Antrieb des Hilfsgebläses ist also aufwendig, teuer und nicht besonders betriebssicher wegen der Schalt- oder Fliehkraftkupplungen.
Außerdem wird bei dem rein mechanischen Antrieb folgende nicht unbedingt notwendige, aber erwünschte Bedingung nicht erfüllt. Da der Luftmangel der Zweitakt-Brennkraftmaschine bei der niedrigsten Motordrehzahl, also der Leerlaufdrehzahl, am größten ist, muß das Hilfsgebläse während dieses Betriebszustandes zweckmäßigerweise mit höchster Drehzahl laufen. Bei ansteigender Motorbelastung wird der Bedarf an Zusat,zluft geringer. Deshalb ist es aus Leistungsgründen erwünscht, daß die Fördermenge des Hilfsgebläses entweder mit steigender Motordrehzahl absinkt oder zumindest, konstant bleibt, aber nicht a-nsteigt. Dieses Verhalten kann bei einem mechanischen Antrieb nur erreicht werden, wenn ein Stufengetriebe vorgesehen wird, welches andererseits aber den Aufwand erheblich vergrößert und die Betriebssicherheit vermindert.
Bei der funktionsmäßigen Anordnung der Hilfsfördereinrichtung gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten. Die erste ist die luftseitige Parallelschaltung zu dem Abgasturbogebläse und die zweite die Hintereinanderschaltung beider Fördereinrichtungen. Bei der ersten entstehen bezüglich der Auslegung des Hilfsgebläses einige Vorteile, die aber durch den Nachteil, daß beide Luftwege, der Hauptluftweg vom Abgasturbogebläse und der Zusatzluftweg vom Hilfsgebläse gegeneinander abschaltbar sein müssen, bei weitem aufgewogen werden. Bei der Hintereinanderschaltung dagegen gibt es nur einen Luftweg. Hier ist aber die Forderung zu stellen, daß beide Fördereinrichtungen so dimensioniert werden, daß sie im Leerlauf möglichst geringe Drosselverluste aufweisen, um sich nicht gegenseitig, je nachdem, ob Turbogebläse- oder Hilfsgebläsebetrieb vorliegt, zu stören.
Außerdem ist bekannt, um das Zusatzgebläse zu sparen, in den kritischen Bereichen des Luftmangels das gesamte Abgasturbogebläse elektrisch oder mechanisch über Schaltkupplungen von der Brennkraftmaschine anzutreiben. Abgesehen von den bereits geschilderten Schwierigkeiten beim mechanischen Antrieb, besteht hierbei der Nachteil, daß bei gleicher Luftförderung eine größere Antriebsleistung erforderlich ist als bei einem zusätzlichen Hilfsgebläse, da der gleichschnell mit dem Gebläserad umlaufende Turbinenläufer erhebliche Ventilationsverluste erzeugt und stark bremst. Das ist besonders wichtig bei elektrischem Antrieb des Abgasturbogebläses oder des Hilfsgebläses.
Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Abgasturbogebläse und einem elektromotorisch angetriebenen Hilfszentrifugalgebläse zur Förderung von Zusatzspül- und Ladeluft während der Betriebszustände, in denen die alleinige Luftförderung durch das Abgasturbogebläse zu gering ist. Hierbei sind das Hilfszentrifugalgebläse und das Abgasturbogebläse hintereinandergeschaltet und das Hilfszentrifugalgebläse im Ansaugraum des Abgasturbogebläses angeordnet. Der Antrieb des Hilfsgebläses erfolgt durch einen Elektromotor, der in bekannter Weise von einem von der Brennkraftmaschine angetriebenen Stromerzeuger gespeist wird.
Der Stromerzeuger wirkt bei umsteuerbaren Brennkraftmaschinen in beiden Dre'hrichtungen und besitzt einen Regler, der die Spannung unabhängig von der Motordrehzahl konstant hält. Meistens kann die sowieso an der Brennkraftmaschine angebaute Lichimaschine als Stromerzeuger verwendet werden. Das Hilfsgebläse ist derart dimensioniert, daß es bei reinem Abgasturboladerbetrieb ohne Belastung mit umläuft und der durchströrnenden Luft nur einen geringen Durchflußwiderstand entgegensetzt. Der Elektromotor wird automatisch durch einen Schalter in Abhängigkeit von der Belastung oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine eingeschaltet.
Durch die Merkmale der Erfindung werden wesentliche Vorteile gegenüber den bekannten Anordnungen erreicht. Die Anordnung des Hilfsgebläses im Saugraum des Abgasturbogebläses ist raumsparend und billig durch Wegfall aller Luftleitungen u. dgl. Der Antrieb des Hilfsgebläses erfolgt durch die Brennkraftmaschine selbst ohne Benutzung fremder Energiequellen. Die Drehzahl des Hilf sgebläses ist unabhängig von der Motordrehzahl. Eine spezielle Regelung des Hilfsgebläses ist nicht erforderlich. Durch die Verwendung eines in beiden Drehrichtungen wirkenden Stromerzeugers (Lichtmaschine) ist ein Umsteuern der Brennkraftmaschine möglich ohne Drehrichtungsänderung des Hilfsgebläses. Da das Hilfsgebläse auch bei umsteuerbaren Brennkraftmaschinen nur in einer Drehrichtung läuft, läßt sich ein guter Wirkungsgrad erreichen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt Abb. 1 eine Draufsicht auf einen Motor mit dem Saugraum des Turboladers im Schnitt und Abb. 2 einen Längsschnitt durch den Turbolader mit dem Hilfsgebläse.
Im Saugraum 1 des Abgasturbogebläses 2 ist der Hilfsgebläseläufer 3, der direkt auf der Welle 4 des Elektromotors 5 fliegend gelagert ist, angeordnet. Der Hilf sgebläseläufer 3 ist offen und trägt gekrümmte Schaufeln 6, um in einer Drehrichtung einen bestmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen. Der Ansaugquerschnitt des Hilfsgebläses wird durch einen Rohrring 7 umschlossen, damit eine Wirbelbildung beim Einströmen der Luft vermieden wird. Der meridiane Strömungsquerschnitt der Luft im Gebläseläufer 3 und der Ansaugquerschnitt des Gebläseläufers 3 sind derart überbemessen, daß bei Hilfsgebläsebetrieb die Meridiangeschwindigkeit in der Größenordnung von 4 bis 6 m/sec liegt, damit bei Abgasturbogebläsebetrieb keine nennenswerten Ansaugwiderstände entstehen. Aus gleichem Grund, um bei Abgasturbogebläsebetrieb die Strömungsverluste klein zu halten, ist für das Hilfsgebläse keine Austrittsleitvorrichtung vorgesehen.
Der Elektromotor 5 wird durch den Stromerzeuger 8 gespeist, der über Zahnräder 9 von der Kurbelwelle 10 der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Der Stromerzeuger 8 trägt den Spannungsregler 11, der bei veränderlicher Motordrehzahl die Spannung konstant hält. Als Stromerzeuger 8 kann eine normale, in beiden Drehrichtungen wirkende Lichtmaschine Verwendung :finden. Wenn in diesem Fall die Lichtmaschine außerdem noch zum Laden einer Batterie herangezogen wird, so muß die Lichtmaschine so bemessen sein, daß sie bereits bei einer geringeren Drehzahl als die der niedrigsten Motorleerlaufdrehzahl zugeordneten eine Spannung erzeugt, die höher ist als die Batteriespannung. Außerdem muß noch ein zusätzlicher Batterieschalter vorgesehen sein.
Das Ein- und Ausschalten des Elektromotors 5 erfolgt durch den elektrischen Schalter 12 in Abhängigkeit von der Motorfüllung, der Motordrehzahl, des Spülluftdruckes od. dgl., je nachdem, ob Luftmangel vorliegt oder nicht.
Entsteht beim Starten oder beim Leerlauf oder bei kleinen Belastungen der Zweitakt-Brennkraftmaschine ein Mangel an Spül- und Ladeluft, so wird der Schalter 12 entweder durch den Füllungsregler des Motors oder durch den Spülluftdruck od. dgl. betätigt und der Elektromotor 5 des Hilfsgebläses eingeschaltet. Der Hilfsgebläseläufer 3 beginnt zu fördern und schafft die fehlende Zusatzluftmenge durch das Gebläse des Abgasturbogebläses 2 hindurch in die Spülluftleitung der Zweitakt-Brennkraftmaschine. Werden höhere Motorbelastungen gefahren, bei denen die vom Abgasturbogebläse geförderte Luft ausreicht, so wird der Elektromotor 5 durch den Schalter 12 abgeschaltet, und der Gebläseläufer 3 läuft frei mit, entsprechend der Schaufelkrümmung und der vom Abgasturbogebläse durch das Hilfsgebläse hindurchgesaugten Luftmenge. Wird die Zweitakt-Brennkraftmaschine umgesteuert, so liefert der Stromerzeuger trotzdem gleichartigen Strom, so daß der Hilfsgebläseläuf er 3 in alter Richtung weiterläuft.
Die Drehzahl des Hilfsgebläseläufers stellt sich automatisch ein, entsprechend der Schluckkennlinie der Brennkraftmaschine einschließlich des Abgasturbogebläses, der eigenen Fördermenge des Abgasturbogebläses und der Leistungskennlinie des Elektromotors 5. Sie ist nur indirekt abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Abgasturbogebläse und einem elektromotorisch angetriebenen Hilfszentrifugalgebläse zur Förderung von Zusalzspül- und Ladeluft während der Betriebszustände, in denen die alleinige Luftförderung durch das Abgasturbogebläse zu gering ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfszentrifugalgebläse und das Abgasturbogebläse hintereinandergeschaltet sind, wobei das Hilfszentrifugalgebläse im Ansaugraum des Abgasturbogebläses angeordnet ist und sein Antriebsmotor (5) in an sich bekannter Weise durch einen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Stromerzeuger (8) gespeist wird, und daß die Ein- und Ausschaltung des Antriebsmotors (5) durch einen Schalter (12) in Abhängigkeit von der Füllung, der Drehzahl, dem Spülluftdruck der Brennkraftmaschine oder von ähnlichen Impulsen selbsttätig erfolgt.
2. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfszentrifugalgebläse in den Betriebszuständen, in denen die alleinige Luftförderung durch das Abgasturbogebläse ausreicht, ohne elektrischen Antrieb mit umläuft und daß sein Durchflußwiderstand durch Weglassen von Leitvorrichtungen und Vermeidung zu enger Strömungsquerschnitte gering gehalten ist. 3. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromerzeuger (8) eine nortnale, bereits an der Brennkraftmaschine vorhandene Lichtmaschine verwendet wird, die bei nicht umsteuerbarer Brennkraftmaschine in einer Drehrichtung und bei umsteuerbarer Brennkraftmaschine in beiden Drehrichtungen arbeitet. 4. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Stromerzeugers durch einen Regler (11) unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine etwa konstant gehalten wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 595 658; französische Patentschriften Nr. 684 902, 837 488.