DE1214474B

DE1214474B - Two-stroke internal combustion engine with exhaust gas turbocharging

Info

Publication number: DE1214474B
Application number: DEM49357A
Authority: DE
Inventors: Dr Karl Zinner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1961-06-15
Filing date: 1961-06-15
Publication date: 1966-04-14

Description

Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung und mit Vorverdichtung der Spül- und Ladeluft in einem frei umlaufenden Abgastarbolader, dessen Turbine außer von Abgasen noch mit Luft beaufschlagt wird, die unter Verbrauch mechanischer Brennkraftmaschinenleistung von einem anderen Verdichter, z. B. von mindestens einer Kolbenunterseite der Brennkraftmaschine, verdichtet und durch gesonderte Leitungen den Düsen für die Zusatzluft zugeführt wird, die einen Teil der Beschaufelung des Leitapparates für die Motorabgase bilden.Two-stroke internal combustion engine with exhaust gas turbocharging The invention relates to a two-stroke internal combustion engine with fuel injection and with precompression of the scavenging and charge air in a freely circulating exhaust gas charger, the turbine of which, in addition to exhaust gases, is still charged with air, which is consumed by another compressor, e.g. . B. from at least one piston underside of the internal combustion engine, compressed and fed through separate lines to the nozzles for the additional air, which form part of the blading of the diffuser for the engine exhaust gases.

Es ist eine solche Brennkraftmaschine bekannt, bei der vom mechanisch angetriebenen Verdichter geförderte Luft einer Leitungsverzweigung mit entsprechenden Regelorganen zugeführt wird, von wo sie nach Belieben den Düseft für Zusatzluftbeaufschlagung oder dem Spül- und Ladeluftaufnehmer zugeleitet oder auch ins Freie abgeleitet werden kann. Bei entsprechender Stellung der Regelorgane können auch hierbei die regulär zum Spül- und Ladeluftaufnehmer und ins Freie abgezweigten Luftmengen der Zusatzluftdüse in der Abgastarbine zugeführt werden. Dies soll jedoch nur bei »gewissen Leistungen« stattfinden. Im Vollastbetrieb jedenfalls, wenn also der Turbine zur Erzeugung der notwendigen Ladedrücke ausreichende Abgasmengen zur Verfügung stehen, wird dem besonderen Düsensegment durch eine weitere, vom,Abgassammler abgezweigte und verschließbare Hilfsleistung ebenfalls Abgas zugeführt. Demzufolge bilden auch die Zusatzluftdüsen einen Teil des Leitapparates für die Motorabgase. Mit einem Abgassammler kann aber nur das sogenannte Stauverfahren verwirklicht werden, das bei niedrigen Belastungen dem Stoßverfahren insofern unterlegen ist, als es schon bei höheren Teillasten den Einsatz zusätzlicher Druckluftquellen erfordert.It is known such an internal combustion engine, is supplied to the conveyed by the mechanically driven compressor air to a manifold with corresponding control elements, from where it can be freely supplied to the Düseft for Zusatzluftbeaufschlagung or rinsing and Ladeluftaufnehmer or discharged to the atmosphere. With an appropriate position of the control elements can also here that are regularly supplied to flushing and Ladeluftaufnehmer and diverted into the open air volumes of Zusatzluftdüse in Abgastarbine. However, this should only take place with "certain services". In full load operation, in any case, when the turbine has sufficient amounts of exhaust gas available to generate the necessary boost pressures, exhaust gas is also supplied to the special nozzle segment by a further auxiliary power which can be branched off from the exhaust manifold and which can be closed. As a result, the additional air nozzles also form part of the guide apparatus for the engine exhaust gases. With an exhaust collector , however, only the so-called damming process can be implemented, which is inferior to the impact process at low loads insofar as it requires the use of additional compressed air sources even at higher partial loads.

Andererseits ist auch eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung bekannt, bei der die als zusätzliches Treibmittel dienende Druckluft, die ebenfalls in einem von der Brennkraftmaschine mechanisch angetriebenen Verdichter erzeugt wird, im ganzen Lastbereich des Motors der Zusatzluftdüse in der Turbine zugeführt wird. Diese Düse ist hier jedoch nicht ein Teil der Beschaufelung des Leitapparates für die Motorabgase, und hinsichtlich des Luftdruckes ist lediglich bekannt, daß dieser gleich dem Druck der Abgase vor der Turbine oder auch ein höherer Druck sein kann, damit die Druckluftpumpe möglichst kleiil bleibt und trotzdem der Abgasturbine ein möglichst großer Energiebetrag zugeführt werden kann. Zur Erhöhung des Energiegefälles wurde ferner vorgeschlagen, die Zusatzdrückluft durch Turbinenabgase zu erwärmen, wogegen der Umfangswirkungsgrad der Turbine, der - wie eingehende Untersuchungen gezeigt haben - für den Erfolg des Hilfsantriebes mit Druckluft von ausschlagender Bedeutung ist, unberücksichtigt blieb.On the other hand, an internal combustion engine with exhaust gas turbocharging is known in which the compressed air serving as an additional propellant, which is also generated in a compressor mechanically driven by the internal combustion engine, is fed to the additional air nozzle in the turbine over the entire load range of the engine. However, this nozzle is not part of the blading of the diffuser for the engine exhaust gases, and with regard to the air pressure it is only known that this can be the same as the pressure of the exhaust gases in front of the turbine or a higher pressure so that the compressed air pump remains as small as possible and still the largest possible amount of energy can be fed to the exhaust gas turbine. To increase the energy gradient, it was also proposed to heat the additional compressed air by means of turbine exhaust gases, whereas the circumferential efficiency of the turbine, which - as detailed studies have shown - is of crucial importance for the success of the auxiliary drive with compressed air, was not taken into account.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einers:tits den Aufwand an steuerungs- und regelungstechnischerr Mitteln in erträglichen Grenzen zu halten und andererseits die Menge an Druckluft als Hilfstreibmittel auf das Minimum zu reduzieren. Denn erst die Erreichung dieses Zieles würde dem an sich bekannten Lufthilfsantrieb zu einer praktischen Anwendung verhelfen.In contrast, the present invention is based on the object On the one hand: the expenditure on control and regulation-technical means is bearable To keep limits and on the other hand the amount of compressed air as an auxiliary propellant reduce the minimum. Because only the achievement of this goal would become that in itself help known auxiliary air drive to a practical application.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die gesamte von dem der Erzeugung von Treibmittelluft dienenden Verdichter geförderte Luft - wie an sich bekannt - im ganzen Lastbereich des Motors der Turbine zugeführt wird und daß der Düsenquerschnitt für die Treibmittelluft so bemessen ist, daß der Wert der Luftdüsen bei Vollast des Motors etwa gleich demjenigen der Abgasdüsen ist. Die Luftmenge liegt hierbei in der Größenordnung von 5 bis 3011/o, vorzugsweise von 12 bis 16% der die Turbin durchströmenden Abgasmenge.According to the invention, this object is achieved in that all of the air conveyed by the compressor serving to generate propellant air - as is known per se - is supplied to the turbine in the entire load range of the engine and that the nozzle cross-section for the propellant air is dimensioned so that the value of the air nozzles at full load of the engine is approximately the same as that of the exhaust nozzles. The amount of air is in the order of magnitude of 5 to 3011 / o, preferably 12 to 16% of the amount of exhaust gas flowing through the turbine.

Nach der Erfindung wird also im ganzen Lastbereich des Motors ein bestimmter Prozentsatz der Turbinenleistung von der Druckluft als Hilfstreibmittel erzeugt. Wenn diese Luftmenge z. B. 10% der Abgasmenge ausmacht, dann heißt dies bei gleichem daß auch etwa 101% der Turbinenleistung durch diese Druckluft übernornrnen wird. Wenn nun die Motorleistung bei konstanter Motordrehzahl sinkt, bleibt die z. B. von der Kolbenunterseite geförderte Luftmenge und auch das Gefälle dieser Luft in der Turbine konstant. Die Abgasmenge und der Abgasdruck vor der Turbine nehmen aber mit sinkender Motorlast stark ab, z.B. die Abgasmenge auf die Hälfte und das Gefälle in der Turbine auf ein Viertel der Werte bei Vollast. Die Energie der Abgase ist damit auf ein Achtel von dem Betrag bei Vollast gesunken und liegt hierbei in der gleichen Größenordnung wie die Energie der Druckluft. Das Verhältnis des Beitrags der Druckluft zum Beitrag der Abgasmenge an der Turbinenleistung verschiebt sich also im Teillastgebiet zugunsten der ersteren. Bei einer Zweitakt-Brennkraftmaschine nach der Erfindung ergibt sich demnach von selbst eine Regelung in der Weise, daß bei hohen Motorlasten dem Motor zum Antrieb der Turbiiie über die Druckluft eine relativ geringe Menge mechanischer Energie entnommen wird und im Teillastgebiet bzw. bei Leerlauf des Motors eine relativ große.According to the invention, a certain percentage of the turbine power is generated by the compressed air as an auxiliary propellant over the entire load range of the engine. If this amount of air z. B. makes up 10% of the exhaust gas amount, then this means the same that about 101% of the turbine power is taken over by this compressed air. If the engine power drops at constant engine speed, the z. B. the amount of air conveyed from the piston underside and also the gradient of this air in the turbine is constant. The exhaust gas quantity and the exhaust gas pressure in front of the turbine decrease sharply as the engine load drops, for example the exhaust gas quantity by half and the gradient in the turbine to a quarter of the values at full load. The energy of the exhaust gases has dropped to one eighth of the amount at full load and is in the same order of magnitude as the energy of the compressed air. The ratio of the contribution of the compressed air to the contribution of the exhaust gas quantity to the turbine output thus shifts in the partial load area in favor of the former. In a two-stroke internal combustion engine according to the invention, there is therefore a control in such a way that, at high engine loads, a relatively small amount of mechanical energy is taken from the engine to drive the Turbiiie via the compressed air and one in the partial load area or when the engine is idling relatively large.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel erläutert. Die Zeichnungen zeigen in F i g. 1 die Gesamtanordnung für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und F i g. 2 das Leit- und Laufschaufelgitter der Ab- gasturbine in der Draufsicht.An exemplary embodiment is explained below. The drawings show in FIG. 1 shows the overall arrangement for a two-stroke internal combustion engine with exhaust gas turbocharger and FIG. 2 the guide and rotor blade grille of the exhaust gas turbine in plan view.

Dem Zylinder 1 mit dem Kolben 2, Einlaßschlitzen 3 und Auslaßschlitzen 4 wird die Spül- und Ladeluft von dem Radialverdichter 5 durch die Verteilerleitung 6 und die Ladeleitungen 7 zugeführt.The cylinder 1 with piston 2, inlet slots and outlet slots 3 4 is fed into the scavenging and charging air from the centrifugal compressor 5 through the manifold 6 and the charging conduits. 7

Das Ladegebläse 5 wird von dem Läufer 8 der Ab- gasturbine 9 angetrieben, in. deren Einströnigehäuse zehn Luftkammern 11 eingeschlossen sind, die durch die Leitung 12 mit dem Austrittstutzen 13 des als Kolbenverdichter arbeitenden unteren Zylinderteils verbunden sind.The charging fan 5 is driven by the rotor 8 of the exhaust gas turbine 9 , in whose single-line housing ten air chambers 11 are enclosed, which are connected by the line 12 to the outlet connection 13 of the lower cylinder part operating as a piston compressor.

F i g. 2 zeigt in größerem Maßstab eine Luftk2mmer 11 mit den von Luft beaufschlagten Düsenschaufeln 14 sowie die von den Abgasen beaufschlagten Düsenschaufeln 15. Das Verhältnis der Düsenquerschnitte fl, f2, f3, f. für die Treibmittelluft zu der Fläche ist dabei so bemessen, daß der Wert -der Luftdüsen etwa gleich demjenigen der Abgasdüsen (Schaufeln 15) ist (u = Umfangsgeschwindigkeit, c. = absolute Austrittsgeschwindigkeit).F i g. 2 shows, on a larger scale, an air chamber 11 with the nozzle blades 14 acted upon by air and the nozzle blades 15 acted upon by the exhaust gases. The ratio of the nozzle cross- sections fl, f2, f3, f. For the propellant air to the area is measured so that the value - the air nozzles is approximately the same as that of the exhaust gas nozzles (blades 15) (u = circumferential speed, c. = absolute exit speed).

Claims

Patentanspräche: 1. Two-stroke Brennkraftinsachine is charged with fuel injection and with precompression of the scavenging and charging air in a freely rotating turbocharger whose turbine gases except of waste still with air-under of another compressor, for consumption of mechanical engine power. B. at least one piston lower side of the engine, compressed and fed through separate lines to the nozzles for the additional air, which form a part of the blading of the guide apparatus for the engine exhaust, d a d u rch in that the whole of the serving the generation of propellant air Compressor conveyed air - as known per se - is supplied to the turbine in the entire load range of the engine, and that the nozzle cross-section for the propellant air is dimensioned so that the value of the air nozzles at full load of the engine is approximately the same as that of the exhaust nozzles.

2. Two-stroke internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the piston underside (s) is (are) designed for a delivery rate of 5 to 3011 / o, preferably 12 to 16% of the amount of exhaust gas flowing through the turbine. Documents considered: German Patent No. 962 026; Swiss patent specification No. 133 564.