DE1179046B

DE1179046B - Multi-cylinder internal combustion engine charged by means of an exhaust gas turbocharger

Info

Publication number: DE1179046B
Application number: DES69305A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Richard Stoffel
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1960-06-15
Filing date: 1960-07-08
Publication date: 1964-10-01

Description

Mehrzylindrige, mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrzylindrige, mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder in mindestens zwei Gruppen zusammengefaßt sind, jede Zylindergruppe mit einer ein Aufladegebläse treibenden Abgasturbine verbunden ist, zur Förderung der Luft für jede Zylindergruppe noch ein oder mehrere weitere Gebläse jedem Abgasturbolader zugeordnet sind und für alle Gruppen ein gemeinsamer Spülluftaufnehmer vorhanden ist. Unter den weiteren Gebläsen sind dabei alle Einrichtungen zu ver= stehen, die es ermöglichen, die Zylinder in gewissem Umfang auch bei Ausfall eines Abgasturboladers mit Frischluft zu versorgen, also z. B. Spülhilfe mittels der Kolbenunterseite, ein separates Spülgebläse oder eine Spülpumpe beim Zweitaktmotor bzw. der Ladeluftwechsel beim Viertaktmotor.Multi-cylinder internal combustion engine charged by means of an exhaust gas turbocharger The invention relates to a multi-cylinder, charged by means of an exhaust gas turbocharger Internal combustion engine in which the cylinders are combined in at least two groups are, each cylinder group is connected to an exhaust gas turbine driving a supercharger is, to convey the air for each cylinder group one or more more Fans are assigned to each exhaust gas turbocharger and a common one for all groups Purge air sensor is available. Among the other fans are all facilities to understand, which make it possible to use the cylinder to a certain extent even in the event of failure to supply an exhaust gas turbocharger with fresh air, so z. B. rinsing aid means the underside of the piston, a separate flushing fan or a flushing pump for the two-stroke engine or the charge air change in a four-stroke engine.

Fällt bei einem aufgeladenen Dieselmotor ein Turbolader aus, so sinkt der Aufladedruck; um eine Überlastung und damit Beschädigung des Motors zu vermeiden, muß deshalb der nutzbare Mitteldruck gesenkt werden.If a turbocharger fails in a charged diesel engine, it sinks the boost pressure; to avoid overloading and thus damaging the motor, therefore the usable mean pressure has to be reduced.

Die Drehzahl eines Schiffsmotors wird, falls kein Drehmomentwandler vorhanden ist, durch den Propeller diktiert. Nimmt die Leitung des Motors wegen Ausfall eines Turboladers ab, so kann der Motor nach dem Propellergesetz auch nur mehr langsamer drehen. Bei Viertaktmotoren mit Turboladern oder Zweitaktmotoren mit Turboladern und in Serie ge= schalteten Spülgebläsen nimmt bei Ausfall eines Turboladers das Luftfördergewicht des Arbeitszylinders bzw. der Spülpumpe mit der Motordrehzahl und dem Ladedruck ab. Damit sinkt der Lader stark in seiner Drehzahl, und der Ladedruck wird sehr klein. Es kann infolgedessen auch der gesunde Teil der Zylinder nur mehr mit stark reduziertem Mitteldruck betrieben werden.The speed of a ship's engine is, if there is no torque converter is present, dictated by the propeller. Takes the line of the engine If a turbocharger fails, the engine can only, according to the propeller law turn more slowly. For four-stroke engines with turbochargers or two-stroke engines with turbochargers and flushing fans connected in series, if one of them fails Turbocharger the air delivery weight of the working cylinder or the flushing pump with the Engine speed and boost pressure. The speed of the loader then drops sharply, and the boost pressure becomes very small. As a result, it can also be the healthy part of the Cylinders can only be operated with a greatly reduced mean pressure.

Es ist bereits eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der jedem Abgasturbolader mechanisch angetriebene Kolbenkompressoren nachgeschaltet sind. Allerdings sind eine luftseitige Abtrennung und eine Aufteilung der Zylinder in zwei Gruppen bei der bekannten Maschine nicht möglich, so daß bei Ausfall eines Laders die ganze Maschine nur unaufgeladen mit reduzierter Leistung betrieben werden kann. Weiterhin ist schon vorgeschlagen worden, bei Ausfall eines Abgasturboladers die von diesem versorgte Zylindergruppe durch ein von dem Betrieb der Brennkraftmaschine unabhängiges, mittels eines Elektromotors angetriebenes Hilfsgebläse in gewissem Umfang mit Luft zu versorgen. Dabei wird als vorteilhaft angegeben, wenn der Spülluftaufnehmet zwischen der havarierten Zylindergruppe und den übrigen ZylitMlergrupperi durch einen Blindflansch abgetrennt wird, um eitle direkte Parallelschalturig des Hilfsgebläses mit den noch in Betrieb befindlichen Abgasturboladern zu vermeiden, da das Hilfsgebläse nicht an die Charakteristik der Abgas= turbolader angepaßt ist= Bei dieser bekannten l3rennkraftrnaschine rat jedoch bei dem Ausfall eines Abgasturboladers nicht vorgesehen, die verschiedenen Zylindergruppen mit unterschiedlichen Leistungen zu betreiben. Bei Havarie eines Turbo-Laders wird auch In diesem Fall die Zylindergruppe mit dem betriebsfähigen Turbolader mit reduzierter Leistung betrieben; daher sinkt die Gesamtleistung der Maschine erheblich ab: Ferner ist es bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens drei Turboladern einen havarierten Turbolader von dern genfeinsamen Spülluftaufnehmer abzutrennen und die ganze Maschine von den Übrigen Turboladern mit Luft versorgen zu lassen, wobei die ganze Maschine mit reduzierter Leistung betrieben wird. Um den stillgesetzten Turbolader, dessen Turbine noch von den heißen Abgasen durchströmt wird, ausreichend kühlen zu können, ist der Abschluß gegen den Spülluftaufnehmer so ausgebildet, das eine geringe Luftmenge das stillgesetzte Gebläse durchströmt.An internal combustion engine is already known in which each exhaust gas turbocharger mechanically driven piston compressors are connected downstream. However, are an air-side separation and a division of the cylinders into two groups the known machine is not possible, so that if a loader fails, the whole Machine can only be operated with reduced power when not charged. Farther has already been proposed, if an exhaust gas turbocharger fails, that of this supplied cylinder group by an independent of the operation of the internal combustion engine, Auxiliary fan driven by an electric motor to a certain extent with air to supply. It is stated to be advantageous if the scavenging air takes up between the damaged cylinder group and the remaining cylinder groups through a blind flange is separated in order to avoid direct parallel switching of the auxiliary fan with the still to avoid exhaust gas turbochargers in operation, as the auxiliary fan does not is adapted to the characteristics of the exhaust gas = turbocharger = in this known racing engine advice, however, in the event of a turbocharger failure, the various To operate cylinder groups with different powers. One in the event of an accident In this case, the turbo-charger is also the cylinder group with the operable Turbocharger operated with reduced power; therefore the overall performance of the Machine significantly from: It is also known in an internal combustion engine with at least three turbochargers a damaged turbocharger from the Geneva-fine scavenge air sensor and supply the whole machine with air from the remaining turbochargers to leave, whereby the whole machine is operated with reduced power. Around the shutdown turbocharger, the turbine of which still has the hot exhaust gases flowing through it is to be able to cool sufficiently, is the conclusion against the purge air sensor designed so that a small amount of air flows through the shutdown fan.

Um in Motoren mit mehreren Turboladern noch eine möglichst große Nutzleistung zu erzielen, besteht die Erfindung darin, daß bei Ausfall eines Abgasturboladers nur die diesem Abgasturbolader zugeordnete Zylindergruppe mit verminderter Leistung betrieben wird, indem bei dieser Zylindergruppe die Brennstoffüllung entsprechend der Kapazität des oder der weiteren Gebläse reduziert wird und außerdem die genannte Zylindergruppe in an sich bekannter Weise luftseitig durch Abtrennung des ihr zugeordneten Spülluftaufnehmerteils von den übrigen Zylindern isoliert und damit ausschließlich von dem ihr zugeordneten weiteren Gebläse mit Luft versorgt wird, während die übrigen Zylinder mit ihrem vollen Mitteldruck arbeiten, indem bei ihnen die Aufladung unverändert durch die verbleibenden Turbolader und die zugehörigen weiteren Gebläse erfolgt.In order to achieve the greatest possible useful power in engines with several turbochargers to achieve, the invention consists in that in the event of failure of an exhaust gas turbocharger only the cylinder group with reduced power assigned to this exhaust gas turbocharger is operated by the fuel filling in this cylinder group accordingly the capacity of the further fan or fans is reduced and also said one Cylinder group in a manner known per se on the air side by separating the one assigned to it Purge air sensor part isolated from the other cylinders and therefore exclusively is supplied with air by the other fan assigned to it, while the rest Cylinders work with their full mean pressure, keeping their charging unchanged takes place through the remaining turbocharger and the associated additional fan.

Dabei können als weitere Gebläse mit Vorteil die Kolbenunterseiten oder, mindestens während des Havariebetriebs, parallel zum Lader geschaltete Gebläse benutzt werden. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, bei denen die Zylindergruppe, deren Abgasturbolader havariert ist, entweder völlig stillgelegt und von der Brennstoffzufuhr abgeschnitten wird oder bei denen sämtliche Gruppen mit reduzierter Leistung betrieben werden, lassen sich mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Brennkraftmaschine im Notbetrieb beträchtlich höhere Leistungen erzielen.The undersides of the pistons can advantageously be used as additional fans or, at least during emergency operation, fans connected in parallel to the charger to be used. In contrast to known processes in which the cylinder group, whose exhaust gas turbocharger is damaged, either completely shut down and from the fuel supply is cut off or in which all groups are operated with reduced power can be with the internal combustion engine designed according to the invention in Achieve considerably higher performance in emergency operation.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.Further features of the invention emerge from the description and the drawing.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen mit zwei Abgasturboladern versehenen Zweitaktmotor mit Spülhilfe durch die Kolbenunterseite, dessen eine Gruppe nach Ausfall des Laders mit reduzierter Leistung betrieben wird; F i g. 2 gibt am Beispiel eines Zylinders aus der rechten Gruppe von F i g. 1 die Förderung der Luft mit Hilfe der Kolbenunterseite wieder.F i g. 1 shows a schematic representation of one with two exhaust gas turbochargers equipped two-stroke engine with flushing aid through the piston underside, one group of which is operated with reduced power after failure of the charger; F i g. 2 gives on Example of a cylinder from the right group of FIG. 1 the promotion of air again with the help of the underside of the piston.

Die acht Zylinder 1 (F i g. 1) des Motors sind in zwei Gruppen 2 und 3 zu je vier Zylindern zusammengefaßt. Jede Gruppe ist an einen Abgasturbolader 4 mit der Turbine 5 und dem Gebläse 6 angeschlossen. Die von dem Gebläse 6 angesaugte und verdichtete Spülluft strömt während des Normalbetriebes, wie im linken Teil der Figur durch Pfeile angezeigt, nach Abkühlung in dem Kühler 7 in den Aufnehmer 8 und von diesem aus durch die Rückschlagventile 9 in die unter jedem Zylinder angeordneten separaten Spülkammern 10. Hier wird sie von den Kolbenunterseiten während des Abwärtshubes zusätzlich verdichtet, bevor sie durch die nicht dargestellten Spülschlitze in die Verbrennungsräume gelangt. Die Abgase strömen dann, wie ebenfalls durch Pfeile angedeutet, über die Leitung 11 zur Turbine 5 und werden nach ihrer Arbeitsleistung in der Turbine 5 durch den Auspuff ins Freie abgeführt. Die Öffnungen 12 in der Aufnehmerwand 13 sind während des Normalbetriebes durch die Deckel 14 verschlossen.The eight cylinders 1 (FIG. 1) of the engine are combined in two groups 2 and 3 of four cylinders each. Each group is connected to an exhaust gas turbocharger 4 with the turbine 5 and the fan 6 . The scavenging air sucked in and compressed by the fan 6 flows during normal operation, as indicated by arrows in the left part of the figure, after cooling in the cooler 7 into the receiver 8 and from there through the check valves 9 into the separate scavenging chambers arranged under each cylinder 10. Here it is additionally compressed by the piston underside during the downward stroke before it reaches the combustion chambers through the scavenging slots (not shown). The exhaust gases then flow, as also indicated by arrows, via the line 11 to the turbine 5 and, after their work in the turbine 5, are discharged into the open through the exhaust. The openings 12 in the transducer wall 13 are closed by the cover 14 during normal operation.

Fällt nun ein Abgasturbolader aus (rechte Hälfte der F i g. 1), so wird z. B. an den Stellen 15 und 16 je ein Blindflansch 17 bzw. 18 in den Aufnehmer 8 eingeführt. Dies kann dadurch geschehen, daß der Aufnehmer an den entsprechenden Stellen getrennt wird und die Blindflansche eingesetzt werden. Gleichzeitig werden die Deckel 14 auf der Seite des havarierten Turboladers 4 abgenommen. Durch die nunmehr freigegebenen Öffnungen 12 wird mit Hilfe der Kolbenunterseite Luft aus der Atmosphäre angesaugt und so in gewissem Umfang eine Spülung auch dieser Zylindergruppe aufrechterhalten. Dadurch können diese Zylinder mit einer Notleistung weiter betrieben und müssen nicht völlig stillgelegt werden. Die auf der linken Seite der Figur dargestellte Zylindergruppe 2 arbeitet im normalen Betrieb weiter, da hier die Aufladung unverändert durch den verbleibenden Turbolader und das Hilfsgebläse erzielt wird. Wie schon erwähnt, wird die Brennstoffüllung der im Notbetrieb laufenden Zylinder entsprechend der Kapazität des Hilfsgebläses reduziert. Dies kann beispielsweise in bekannter Weise so geschehen, daß das Brennstoffgestänge des havarierten Teiles durch Umstecken von Gelenkzapfen in bereits dafür vorbereitete Löcher rasch der reduzierten Brennstoffmenge angepaßt wird.If an exhaust gas turbocharger fails (right half of FIG. 1), z. B. at points 15 and 16 each have a blind flange 17 and 18 inserted into the transducer 8. This can be done by disconnecting the transducer at the appropriate points and inserting the blind flanges. At the same time, the covers 14 on the side of the damaged turbocharger 4 are removed. Air is sucked in from the atmosphere with the aid of the piston underside through the openings 12 that have now been released, thus maintaining a certain degree of flushing of this cylinder group as well. As a result, these cylinders can continue to be operated with an emergency power and do not have to be completely shut down. The cylinder group 2 shown on the left-hand side of the figure continues to operate in normal operation, since here the charging is achieved unchanged by the remaining turbocharger and the auxiliary fan. As already mentioned, the fuel filling of the cylinders running in emergency mode is reduced according to the capacity of the auxiliary fan. This can be done, for example, in a known manner in such a way that the fuel linkage of the damaged part is quickly adapted to the reduced amount of fuel by repositioning pivot pins in holes that have already been prepared for this purpose.

Ist, wie in F i g. 2 gezeigt, der Turbolader, bestehend aus der Turbine 5 und dem Gebläse 6, ausgefallen, so saugt der Kolben 20 des Zylinders 1 bei seiner Aufwärtsbewegung durch die Öffnung 12 in der äußeren Wand 13 des Aufnehmers 8, der, wie in F i g. 1 dargestellt, an den Stellen 15 bzw. 16 abgeschlossen ist, Luft aus der Atmosphäre an. Diese gelangt durch die Rückschlagventile 9 in die für jeden Zylinder gesondert vorhandene Nebenkammer 10a und die Spülkammer 10. Nach der Umkehr der Kolbenbewegung wird die angesaugte, an der Kolbenunterseite befindliche Luft durch die Abwärtsbewegung verdichtet und tritt in den Zylinder 1 ein, sobald die Spülschlitze 21 von dem Kolben 20 freigegeben werden. Die Abgase gelangen über die Leitung 11, den Drehschieber 22 und die stillstehende Turbine 5 des Zylinders 1 in die Auspuffleitung.Is, as shown in Fig. 2, the turbocharger, consisting of the turbine 5 and the fan 6, has failed, so the piston 20 of the cylinder 1 sucks in its upward movement through the opening 12 in the outer wall 13 of the receiver 8, which, as shown in FIG. 1, is completed at points 15 and 16, air from the atmosphere. This passes through the check valves 9 into the secondary chamber 10a and the rinsing chamber 10 , which are separate for each cylinder. After the reversal of the piston movement, the air sucked in on the underside of the piston is compressed by the downward movement and enters the cylinder 1 as soon as the rinsing slots are opened 21 are released from the piston 20 . The exhaust gases reach the exhaust line via the line 11, the rotary valve 22 and the stationary turbine 5 of the cylinder 1.

Auf diese Weise lassen sich aus den Zylindern, deren Turboladeraggregat ausgefallen ist, noch Leistungen von etwa 40% der Gesamtleistung herausholen. Da die übrigen Zylindergruppen voll arbeiten, können z. B. von einem 8-Zylinder-Schiffsmotor mit zwei Turboladern, von denen einer ausgefallen ist. 60 bis 70% der Normalleistung erzielt werden, was einer Schiffsgeschwindigkeit von etwa 85 bis 90 % entspricht.In this way, from the cylinders, their turbocharger unit failed, you can still get around 40% of the total output. There the other cylinder groups work fully, z. B. from an 8-cylinder marine engine with two turbochargers, one of which has failed. 60 to 70% of normal performance can be achieved, which corresponds to a ship speed of about 85 to 90%.

Bei Maschinen mit mehr als zwei Abgasturboladern läßt sich die Erfindung in gleicher Weise anwenden, nur wird bei Ausfall eines mittleren Laders, dessen Zylindergruppe durch je zwei Blindflansche 17 bzw. 18 auf beiden Seiten von den übrigen Gruppen getrennt.In machines with more than two exhaust gas turbochargers, the invention can be used in the same way, only if a middle charger fails, its cylinder group is separated from the other groups by two blind flanges 17 and 18 on both sides.

In ähnlicher Weise wie in dem geschilderten Beispiel ist die Anwendung der Erfindung bei allen Maschinen möglich, bei denen nach Ausfall eines Turboladers eine Spülung der an diesen Lader angeschlossenen Zylinder beim Zweitaktmotor bzw. der Ladungswechsel beim Viertaktmotor in gewissem Umfang aufrechterhalten werden kann.The application is similar to the example shown The invention is possible in all machines in which a turbocharger fails a flushing of the cylinders connected to this charger in the two-stroke engine or the gas exchange in the four-stroke engine can be maintained to a certain extent can.

Claims

Claim: Multi-cylinder, supercharged by means of an exhaust gas turbocharger Internal combustion engine in which the cylinders are combined in at least two groups are, each cylinder group is connected to an exhaust gas turbine driving a supercharger is, to convey the air for each cylinder group one or more more Fans are assigned to each exhaust gas turbocharger and a common one for all groups Scavenging air sensor is present, characterized in that in the event of failure of an exhaust gas turbocharger only the cylinder group with reduced power assigned to this exhaust gas turbocharger is operated by the fuel filling in this cylinder group accordingly the capacity of the further fan or fans is reduced and also said one Cylinder group in a manner known per se on the air side by separating the one assigned to it Purge air sensor part isolated from the other cylinders and therefore exclusively is supplied with air by the other fan assigned to it, while the rest Cylinders work with their full mean pressure, keeping their charging unchanged takes place through the remaining turbocharger and the associated additional fan. References considered: British Patent Nos. 736 581, 815 387.