DE10239110A1 - Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Damit die spezifische Zylinderleistung einer Brennkraftmaschine weiter erhöht wird und gleichzeitig die Frischladung möglichst kalt gehalten wird, um die Stickoxidbildung zu reduzieren, ist ein zusätzlicher Druckluftspeicher für Zusatzluft vorgesehen, der von einem zweiten Verdichter einer abgasgetriebenen Nutzturbine angetrieben wird. Die vom Druckluftspeicher abgehenden Ladeluftleitungen werden dazu mit einem Luftzuführungsventil verbunden oder die Luft über eine elektronisch steuerbare Dosiereinrichtung der Ansaugluft der Brennkraftmaschine zugemischt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit Selbst- oder Fremdzündung, wobei ein Kolben in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder unter Bildung eines Brennraumes bewegbar ist, der über in den Zylinderkopf eingesetzte Gaswechselventile mit je einer Abgasleitung und einem Luftaufnehmer verbunden ist, wobei das Aufladesystem einen Abgasturbolader aufweist, dessen Verdichter mit dem Luftaufnehmer und dessen Turbine mit der Abgasleitung verbunden ist.
  • Ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 20 12 957 bekannt, welches einen Turbolader umfaßt, in dem ein Verdichter mit einer Turbine starr gekoppelt ist und der über ein Abgaszuführsystem mit den Abgasen einer Brennkraftmaschine angetrieben wird und der Verdichter verdichtete Luft in den Luftaufnehmer der Brennkraftmaschine fördert. Wenn die Leistung der Brennkraftmaschine weiter erhöht werden soll, muß auch der Druck der Verbrennungsluft im Luftaufnehmer der Brennkraftmaschine steigen. Dieser Druck ist aus physikalischen und mechanischen Gründen in einem einstufigen Verdichter nicht unbegrenzt steigerbar. Deshalb ist es unter anderem bekannt, durch die Hintereinanderschaltung zweier Turbolader den höheren Druck zu erreichen. Dieses zweistufige Aufladesystem ist sehr aufwendig und hat große Nachteile, wenn die Brennkraftmaschine in Teillast betrieben wird oder ein schneller Hochlauf erforderlich ist. Ruch benötigt dieses System einen hohen Regulierungsaufwand. Ein weiterer Aspekt ist, daß aus Gründen der Stickoxidabsenkung die Frischluftladung zu Beginn der Kompression möglichst kühl sein muß. Die Wärmetauschkapazität des Aufladesystems ist aufgrund der Umwelt begrenzt und erreicht in der Regel eine Rückkühltemperatur von 45°C. Diese Temperatur erhöht sich noch durch heiße Restgase im Zylinder infolge schlechter Ausspülung und durch aufgewärmte Bauteile aus der Verbrennung.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem die spezifische Zylinderleistung weiter erhöhbar ist und gleichzeitig durch geeignete Maßnahmen die Frischladung möglichst kühl gehalten wird, um die Stickoxidbildung zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Aufladesystem durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
  • Die erzielten Vorteile bestehen darin, daß ein Druckluftspeicher mit komprimierter Luft aufgefüllt wird, dessen Druck höher als der Druck im Luftaufnehmer der Brennkraftmaschine ist. Dies wird dadurch erreicht, daß über einen weiteren kleineren Abgasturbolader oder einen Kompressor eine Luftteilmenge aus dem angeschlossenen Luftaufnehmer der Brennkraftmaschine angesaugt wird. Diese Luftteilmenge wird weitergeleitet und über einen Zusatzwärmetauscher in einen Druckluftspeicher gefördert. Diese verdichtete Luft strömt im Zeitpunkt des Ladungswechsel-Totpunktes in den Brennraum der Brennkraftmaschine und spült die vorhandenen Restgase aus. Nach dem Schließen der Auslassventile und vor dem Öffnen der Einlaßventile werden die Arbeitsräume druckgleich von einem Druckspeicher über ein Luftzuführventil aufgefüllt. Nach einem Schließen des Luftzuführventiles expandiert die im Arbeitraum eingeschlossene Luft da der abwärtsgehende Kolben das volumen vergrößert, dabei kühlt sie sich ab. Kurz bevor der Druck sich bis auf den Druck im Luftaufnehmer der Brennkraftmaschine abgebaut hat, erfolgt ein Öffnen der Einlaßventile.
  • Außerdem ist der Druck im Druckluftspeicher im Verhältnis zum Druck im Luftaufnehmer der Brennkraftmaschine 1,0, liegt aber mindestens 1,2fach über dem mittleren Druck in der Abgasleitung. Im unterem Lastbereich wo weniger Abgasenergie von der Brennkraftmaschine kommt, kann neben dem kleinen Abgasturbolader auch ein externer Kompressor mithelfen den Druckluftspeicher über eine externe Druckluftanlage mit Druckluft aufzufüllen.
  • Auch kann die Nutzturbine des kleinen Abgasturboladers mit Fremdenergie z.B. aus einer Brenneranlage oder dem Abgas eines Hilfsmotors versorgt werden.
  • Der Druckluftspeicher ist mit dem Verdichter unter Zwischenschaltung eines Zusatz-Wärmetauschers verbunden, wobei der Druckluftspeicher selbst über abgehende Leitungen mit den Luftzuführventilen verbunden ist, welche im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet sind.
  • Erfindungsgemäß besteht aber auch die Möglichkeit, die Druckluft aus dem Druckluftspeicher, wie bei einem Gas-Otto-Motor, über ein gesteuertes Dosierventil sowie über eine Venturidüse der Ansaugluft der Brennkraftmaschine zu zumischen.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader sowie einem zweiten kleineren Abgasturbolader,
  • 2 ein Steuerdiagramm mit einer Öffnungs- und Schließkurve für Einlaß- und Auslaßventile sowie eine Einlaß- und Schließkurve des Ventils für Zusatzluft zum Spülen und Befüllen eines Arbeitsraumes der Brennkraftmaschine,
  • 3 eine erweiterte Ausführung des Aufladesystems mit Fremdenergiequellen, wie einem Brenner und einem Hilfsmotor und
  • 4 eine weitere Ausführung des Aufladesystems gemäß 3, bei der die Druckluft aus dem Druckluftspeicher über eine Dosiereinrichtung mit der Ansaugleitung des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine verbunden ist.
  • Das Aufladesystem umfaßt im wesentlichen einen Druckluftspeicher 15, der mit komprimierter Luft auffüllbar ist, dessen Druck höher ist als der Druck in einem Luftaufnehmer 14 der Brennkraftmaschine. Diese Druckluft wird durch einen externen Kompressor 4 und/oder mit einer kleinen Nutzturbine 11 erzeugt, welche mit überschüssiger Abgasenergie der Brennkraftmaschine 5 angetrieben wird und die wiederum einen starr gekoppelten Verdichter 10 antreibt. Der Kompressor 4 fördert die Luft in einen externen Druckluftbehälter 23, wie er bereits an Bord von Schiffen für den Start einer Brennkraftmaschine bekannt ist. Er ist über ein Druckminderventil 22 und einem elektrisch betätigbaren Absperrventil 21 für Fremdluft mit dem Druckspeicher 15 für Zusatzluft der Brennkraftmaschine 5 verbunden, wie es in 1 in dem Aufladesystem näher dargestellt ist.
  • Der Verdichter 10 des Zusatzturboladers 7 saugt die Luft aus dem Ladeluft-Luftaufnehmer 14 der Brennkraftmaschine 5 an und über einen kleinen Zusatz-Wärmetauscher 13 wird die Luft mindestens auf das Temperaturniveau im Luftaufnehmer 14 zurückgekühlt und in den Druckluftspeicher 15 gefördert. Es kann selbstverständlich auch bei Bedarf die vom Kompressor 4 geförderte Luft über den Wärmetauscher 13 geleitet werden.
  • Bei dem Aufladesystem wird die überschüssige Abgasenergie der Brennkraftmaschine 5 zur Druckerzeugung von Luft einge setzt, die den Druckluftspeicher 15 auffüllt. Über ein Zuführventil 17, das auch das Startventil der Brennkraftmaschine 5 sein kann, wird diese Luft in den Brennraum 25 der Brennkraftmaschine 5 geleitet. Dies wird zeitlich so gesteuert, daß, wenn der Kolben der Brennkraftmaschine 5 sich dem Ladungswechsel-Totpunkt nähert, das Zuführventil 17 geöffnet wird, wie es in 2 näher dargestellt ist. Der hohe Luftdruck im Druckluftspeicher 15 spült schnell und intensiv das Restgas aus dem Arbeitsraum und füllt unmittelbar nach dem Schließen der Auslaßventile 18 den Totraum des Arbeitszylinders auf den Speicherdruck auf .
  • Der Kolben der Brennkraftmaschine 5 bewegt sich jetzt nach unten und die eingeschlossene Luft expandiert aufgrund der Volumenvergrößerung und kühlt sich dabei ab. Kurz bevor der Druck im Arbeitszylinder das Druckniveau der Luft im Luftaufnehmer 14 unterschreitet, öffnen die Einlaßventile 19 der Brennkraftmaschine 5 und übernehmen die weitere Befüllung des Hubvolumens der Brennkraftmaschine mit Luft. Dabei wird die einströmende Luft aus dem Luftaufnehmer 14 der Brennkraftmaschine 5 durch die Rückexpansion stark abgekühlte Luft aus dem Druckluftspeicher 15 gekühlt. Mit dem Schließen der Einlaßventile 19 wird der Ladungswechsel beendet und der Verdichtungshub beginnt.
  • In 2 sind die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Ein-1aßventile 19 und der Auslaßventile 18 und des Luftzuführungsventils 17 dargestellt, wobei ein Spülen S, ein Befüllen B und eine Rückexpansion R dargestellt ist.
  • Am abgasseitigen Eintritt der Nutzturbine 11 ist eine Absperrklappe 24 eingesetzt, welche durch Absperren oder Teilabsperrung der Gaszufuhr eine vornehmlich im unteren Betriebsbereich das Teillastverhalten des Aufladesystems deutlich verbessert. Vorteilhaft wäre es, die Nutzturbine mit einem verstellbaren Leitapparat auszustatten.
  • Da es möglich ist, daß im unteren Lastbereich die Abgasenergie aus der Brennkraftmaschine 5 nicht ausreicht, kann der für eine ausreichende Kühlung erforderliche Luftdruck im Druckluftspeicher 15 auch mit Einspeisen von Fremddruckluft aus dem externen Druckluftbehälter 23 zusätzlich unterstützt werden.
  • Auch wäre es denkbar, Zusatzenergie aus einer externen Brenneranlage 31 oder Abgasenergie von Hilfsmotoren 30 in die Turbine 11 des Zusatzturboladers 7 zu leiten, um den Druckluftspeicher aufzufüllen.
  • Eine weitere Ausgestaltung besteht in der Einbeziehung der Druckluftanlage als Startsystems 4, 23, 22, 21 der Brennkraftmaschine 5 in das Aufladesystem, welches zu einer verbesserten Energiebilanz des Systems vorzugsweise im Teilastbereich führt.
  • Bei der Ausführung gemäß 4 sind die vom Druckluftspeicher 15 abgehenden Leitungen mit den zu den Einlaßventilen 19 führenden Ladeluftleitungen des Luftaufnehmers 14 verbunden, so daß über eine elektronisch steuerbare Dosiereinrichtung 33 mit integrierter Venturidüse 34 die Rückkühlung der Druckluft herbeigeführt wird und in den Ansaugtrakt des Zylinderkopfes 25 geleitet und sich mit der Luft aus dem Luftaufnehmer 14 mischt.

Claims (12)

  1. Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit Selbst- oder Fremdzündung, wobei ein Kolben in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder unter Bildung eines Brennraumes bewegbar ist, der über in den Zylinderkopf eingesetzte Gaswechselventile mit je einer Abgasleitung und einem Luftaufnehmer verbunden ist, wobei das Aufladesystem einen Abgasturbolader aufweist, dessen Verdichter mit dem Luftaufnehmer und dessen Turbine mit der Abgasleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß über einen weiteren kleineren Abgasturbolader (7) oder einen externen Kompressor (4) eine Luftteilmenge aus einem angeschlossenem Luftaufnehmer (14) ansaugbar ist und das diese Luftteilmenge weiter verdichtbar und über einen Zusatzwärmetauscher (13) in einen Druckluftspeicher (15) förderbar ist und die verdichtete Luft entweder im Zeitpunkt des Lastwechsel- Totpunktes in den Arbeitsraum des Zylinders (25) einströmt und Restgase ausspült und nach Schließung der Auslassventile 18 und vor einer Öffnung der Einlaßventile (19) die Arbeitsräume der Zylinder (25) druckgleich von einem Druckspeicher (15) auffüllbar sind und nach einem Schließen der Luftzuführungsventile (17) die eingeschlossene Luft durch den abwärts gehenden Kolben rückexpandiert, bis diese das Druckniveau im Luftaufnehmer (14) aufweisen und kurz vor Erreichen dieses Druckniveaus ein Öffnen der Einlaßventile (19) erfolgt oder die Luft aus dem Druckspeicher (15) über eine steuerbare Dosiereinrichtung (32) mit integrierter Venturidüse (33) im Ansaugtrakt des Zylinderkopfes (25) der angesaugten Luft aus dem Luftaufnehmer (14) zugemischt wird.
  2. Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Druckluftspeicher (15) im Verhältnis zum Druck im Luftaufnehmer (14) der Brennkraftmaschine (5) ≥ 1,0 ist, mindestens über dem mittleren Druck in der Abgasleitung liegt.
  3. Aufladesystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom Lastpunkt der Brennkraftmaschine über einen externen Kompressor (4) mit Fremdenergie wahlweise Luft aus dem Luftaufnehmer (14) oder von außen ansaugbar ist und wahlweise in die Luftflasche (23) oder über den Wärmetauscher (13) in den Druckluftspeicher (15) fördert.
  4. Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckluftstartsystem bestehend aus dem externen Kompressor (4) und eine Druckluftflasche (23) der Brennkraftmaschine (5) in das Aufladesystem integriert ist.
  5. Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Haupt-Abgasturbolader (6) ein weiterer Neben-Abgasturbolader (7) nachgeschaltet ist, dessen Verdichter (10) von dem Abgas der Brennkraftmaschine über die Abgasleitung (16) beaufschlagbar ist.
  6. Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (10) des weiteren Abgasturboladers (7) über Abgasenergie eines Hilfsmotors (31) zusätzlich antreibbar ist.
  7. Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (10) des weiteren Abgasturboladers (7) über eine Brenneranlage (30) zusätzlich antreibbar ist.
  8. Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluftspeicher (15) mit dem Verdichter (10) unter Zwischenschaltung eines Zusatz-Wärmetauschers (13) verbunden und der Druckluftspeicher (15) über abgehende Leitungen mit den Luftzuführventilen (17) verbindbar ist, welche im Zylinder (25) der Brennkraftmaschine angeordnet sind.
  9. Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Druckluftspeicher {15) der externe Kompressor (4) verbunden ist, und an den Druckluftspeicher (15) anschließend eine Druckluftflasche (23) vorgesehen ist, der an seinen abgehenden Leitungen ein Druckminderventil (22) und ein elektrisch betätigbares Absperrventil (21) aufweist.
  10. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftflasche (23) zur Zuführung von Fremddruckluft mit dem Druckluftspeicher (15) verbindbar ist.
  11. Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am abgasseitigen Eintritt der Abgasturbine (7) eine steuerbare Absperrklappe (24) für die Abgase zur Voll- oder Teilabsperrung angeordnet ist.
  12. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit den vom Luftaufnehmer (14) abgehende Ladeluftleitungen mit Ladeluftleitungen des Druckluftspeichers (15) über eine Dosiereinrichtung (32) mit integrierter Venturidüse (33) verbindbar sind.
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