DE1503581C - Mit Abgasturbo-Aufladung betriebene Zweitakt Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens ein von einer Abgasturbine angetriebenes Radialgebläse und einem anderweitig, z. B. von der Brennkraftmaschine selbst angetriebenen Hilfsgebläse, dessen Förderluft in Betriebsphasen des Abgasmangels als Treibmittel durch eine Zweigleitung mittels Düse über das Radialgebläse den Motorzylindern zugeführt werden kann.

Es ist bereits eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, dessen Verdichterrad durch einen Freilauf mit der Verdichterwelle gekuppelt ist und bei dem nahe dem äußeren Umfang in der das Rad abdeckenden Gehäusewand eine Düse angeordnet ist. Diese ist über eine Leitung mit einem Ventil an eine Druckluftquelle angeschlossen, das beim Starten oder bei einer Beschleunigung geöffnet wird. Beim Durchströmen der Düse wird dann der hohe Druck der Luft in Geschwindigkeit umgesetzt und somit das Laufrad mit einem Luftstrahl hoher Geschwindigkeit »angeschossen«. Infolge des damit erzeugten Drehimpulses wird das Laufrad von seiner Welle gelöst und erreicht so schneller eine höhere Drehzahl, bei welcher es eine größere Luftmenge bei höherem Druck liefert. Hierbei ist also lediglich eine intermittierende Betriebsweise möglich, d. h., es läßt sich nicht kontinuierlich ein bestimmter Betriebspunkt im Kennfeld des Verdichters einstellen und ein Beharrungszustand aufrechterhalten. Außerdem wird vdie Energie des Hilfstreibmittels nur mit einem schlechten Wirkungsgrad ausgenutzt. Denn um überhaupt einen wirksamen Drehimpuls zu erzeugen, muß der Strahl eine große Geschwindigkeit (c_Q), die zugeführte Luft also einen hohen Druck haben. Da mindestens zu Beginn einer Beschleunigung die Drehzahl des Rades und dementsprechend die Umfangsgeschwindigkeit («) gering ist, ergibt sich ein kleiner «/c_o-Wert und dementsprechend ein geringer Wirkungsgrad.

■ Ferner ist ein radialdurchströmtes Ladegebläse für die Aufladung von Druck-Kabinen, z. B. von Flugzeugen, mit einer Einrichtung zur Verhinderung der Aufheizung der Luft bei geringer Differenz zwischen dem Innen- und dem Außendruck bekannt, bei dem ebenfalls nahe dem Umfang des Laufrades in der Gehäusewand Düsen angeordnet sind, durch welche jedoch zur Entlastung des Antriebes Luft in die Laufschaufelkanäle eingeblasen wird. Die dieser Luft innewohnende Energie ist aber dem. Laufrad selbst in der Weise entnommen, daß bei geringem Druckunterschied der Verdichtereinlauf ganz oder fast ganz geschlossen wird, so daß am Laufradumfang ein Unterdruck entsteht. Dieser bewirkt das Ansaugen atmosphärischer Luft durch den Verdichtereinlauf über einen Nebenkanal mit Rückschlagklappe in einen schneckenförmigen Verteilkanal und von hier zu den Düsen, bei deren Durchströmung infolge Entspannung eine Temperaturabsenkung eintritt und dadurch der Arbeitsaufwand vermindert wird. Die Umfangskomponente der Geschwindigkeit der einströmenden Luft kann hierbei jedoch nicht größer sein als die Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufeln im.Düsenbereich, so daß diese Luft keine treibende Wirkung auf die Laufschaufeln ausüben kann.

Aus der deutschen Patentschrift 539 910 ist es bekannt, daß von einer durch die Brennkraftmaschine angetriebenen Luftpumpe erzeugte Druckluft eine am Gebläse angebrachte Turbinenbcschaufclung beaufschlagt. Eine derartige Ausbildung der Verdichterbeschaufelung zur Verminderung der Austrittsverluste erfordert erheblichen herstellungstechnischen Aufwand. Insbesondere in Phasen des Leerlaufs der Turbinenschaufeln entstehen erhebliche Verluste an einer derartigen, strömungstechnisch schwer zu optimierenden Anordnung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Mängel der bekannten Einrichtungen zu

ίο beseitigen und mit geringsten Zusatzluftmengen den Betrieb einer Zweitakt-Brennkraftmaschine mit stabiler Betriebsweise des Abgasturboladers zu ermöglichen, um dadurch den Zylindern bei niedriger Belastung und beim Übergang auf höhere Laststufen sofort die für einwandfreie Verbrennung ohne Abgastrübung erforderlichen Luftmengen liefern zu können.

Diese Zielsetzung gelingt ernndungsgemäß dadurch, daß Düsen über den ganzen äußeren Umfang des Gebläselaufrades angeordnet sind und die Treibmittelluft eine alle Laufradaustrittsöffnungen verengende Strahlklappe bildet. /-Mit diesen Maßnahmen wird nun nicht nur die ^ Einstellung beliebiger stabiler Betriebsgrößen in dem Kennfeld eines gegebenen Radialverdichters ermöglicht, es wird darüber hinaus — wie Kennfeldaufnahmen gezeigt haben — der stabile Betriebsbereich eines Radialverdichters überhaupt erweitert, id. h. die Pumpgrenze weiter nach links verschoben. Die mit der Strahlklappe erzeugte Drosselung am Austrittsende des Laufschaufelkanals wirkt ähnlich wie bei den Verdichterlauf rädern mit gegen den Austritt hin verjüngten Kanalquerschnitten. Durch Veränderung „der Treibmittelmenge kann jedoch erfindungsgemäß diese Drosselung beliebig eingestellt werden. Für den Betrieb einer Zweitakt-Brennkraftmaschine haben diese Wirkungen zur Folge, daß der Abgasturbolader auch im Teillastbereich mit geringstem Bedarf an Fremdenergie (d. h. Nicht-Abgasenergie) störungsfrei betrieben werden kann, so daß nicht nur die Energieverluste in diesem Bereich, sondern überhaupt der Investitionsaufwand für das Hilfsgebläse und die Steuer- und Regeleinrichtungen reduziert werden. V*

Mit Vorteil ist zur Einführung der Treibmittelluft eine Ringspaltdüse vorgesehen. Strömungstechnisch besonders günstig wird die Treibmittelluft mit einer Radialkomponente eingeführt. Besonders bei Verwendung beschaufelter Düsen kann der Raum zwi-

sehen Gebläseeinlauf und Sammelraum als Verteilerraum für die Treibmittelluft ausgebildet sein.

Die Einströmrichtung der Treibmittelluft wird somit zweckmäßig unter dem Gesichtspunkt der größtmöglichen Impulskraft bei geringsten in radialeinwärtiger Richtung abgelenkten Treibmittelmengen festgelegt.

Gegenüber einer bekannten Anordnung, bei der die Abgasturbine mit einem besonderen Düsensegment für den Durchsatz von Luft als Hilfstreibmittel versehen ist, um bei ungenügender Abgasenergiezufuhr die Laderdrehzahl zu erhöhen oder bei "] Lastzunahme schneller zu beschleunigen, ergibt sich mit xler erfmdungsgemlißen Anordnung der Vorteil, daß die eingeführte antreibende Zusatzluft der Spül- und Aufladeluft für den Motor beigemengt wird. Das Abblasen von überschüssiger Luft ist somit niemals erforderlich. Auch bei hoher Brennkraftmaschinenleistung kann nämlich noch vom Hilfskompressor

geförderte Luft über den Radialverdichter dem Motor zugeführt werden und gelangt nach Arbeitsleistung in den Zylindern als heißes Abgastreibmittel zur Turbine. Schließlich ist ein weiterer Vorteil auch darin zu sehen, daß die beim bekannten Luftantrieb infolge unterschiedlicher Temperatur und verschiedener Drücke der beiden Treibmittel bestehende Gefahr der Schwingungsbrüche an Turbinenschaufeln vermieden ist.

Gegenüber einer anderen bekannten Anordnung, bei der in der Druckleitung nach dem Verdichter ein Injektor angeordnet ist, dem von einem Hilfskompressor geförderte Luft als Treibmittel zugeführt wird, um hinter dem Ladegebläse eine Druckabsenkung und damit eine Entlastung des ganzen Turboladers zu erzielen, hat die Anordnung nach der Erfindung folgende Vorteile: In der Ladeluftleitung sind keine im Normalbetrieb störende Einbauten vorhanden. Die Ladeluftleitung braucht nicht zur Erzielung eines brauchbaren Injektorwirkungsgrades verändert, insbesondere verlängert oder eingeschnürt zu werden. Außerdem wird die Zeit vom Beginn einer Beschleunigung bis zum Erreichen der höheren Drehzahl zweifellos kürzer, wenn die zusätzliche Treibmittelluft einen direkten Impuls auf den zu beschleunigenden Rotor des Ladegebläses ausübt.

Die zu den folgenden Ausführungsbeispielen gehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 den Meridianschnitt durch einen Radialverdichter mit einer Ringspaltdüse,

Fig. 2 einen Meridianschnitt durch einen Radialverdichter mit einer beschaufelten Düse,

Fig. 3 den Schnitt III-III der F i g. 2, in die Zeichenebene abgewickelt,

Fig. 4 das Strömungsbild beim Auftreffen eines Strahles auf eine radiale Laufschaufel,

F i g. 5 ein Schaltschema, über die Anwendung des Verdichters nach der Erfindung beim Abgasturbolader einer mit Aufladung betriebenen Zweitakt-Brennkraftmaschine.

In den F i g. 1 bis 4 bezeichnet 1 einen als Gebläse ausgebildeten Radialverdichter mit dem Gebläseeinlauf 2, dem auf der Welle 5 befestigten Gebläselaufrad 3 mit Laufschaufeln 4, dem Diffusor 6 und dem Sammelraum 7. Das Gebläselaufrad 3 wird von der inneren Gehäusewand 8 abgedeckt, die mit der inneren Gehäusewand 9 den Raum 10 einschließt.

In der Innenwand 8 ist nun nahe dem äußeren Umfang des Gebläselaufrades 3 eine Luftdüse für die Einblasung von Luft zur Beaufschlagung der Laufschaufeln 4 angeordnet. In der Ausführung nach Fig. 1 dient hierfür eine geschlossene Ringspaltdüse 12 mit einem relativ engen Ringspalt, die an den Ringkanal 13 angeschlossen ist, in dem durch tangehtiales Einführen von aus dem Verteilerkanal 14 durch die Leitungen 15 übergeführter Druckluft eine Umlaufströmung erzeugt wird.

In der Ausführung nach Fig. 2 ist die Ringspalt-• düse 12 ersetzt entweder durch eine geschlossene Ringdüse 12 α mit Schaufeln oder durch mehrere Segmente solcher Düsen, die in die Gehäusewand eingelassen sind. In dieser Ausführung ist der Innenraum 10 α hermetisch abgeschlossen und dient zugleich als Verteiler für die Treibmittelluft.

Wie ψ Fig. 4 angedeutet, trifft die aus der Düse ausströmende Treibmittelluft unter dem Winkel α auf die Laufschaufeln 4 auf. Dieser Winkel α ist so bemessen, daß bei größtmöglicher Impulskraft der größte Teil der Treibmittelluft in Richtung des Pfeiles »α« radial nach außen und die geringste Menge in Richtung des Pfeiles »b« radial einwärts -umgelenkt wird.

Bei Zentrifugalverdichtern stellen sich bekanntlich, wie in F i g. 3 mit + und — angedeutet, auf. tier in Umlauf richtung vorne liegenden Seite einer" ijedeii Schaufel höhere Drücke ein als auf der Rückseite. Dies kann bei zu hohen relativen Gegendrücken zum

ίο »Umspringen« der Strömung führen. Mit der Einführung von Druckluft etwa gleichen Druckes wie auf der Schaufel Vorderseite wird zugleich dieses Gebiet geringeren Druckes aufgefüllt und somit der instabile Betrieb unterbunden, außerdem der Ver-

is dichterwirkungsgrad verbessert, wodurch ganz besonders gewichtige Vorteile erreicht sind. Der in F i g. 2 ersichtliche Pfeil »«« der Zusatzströmung läßt die Wirkung dieser Druckluftstrahlen auch als Strahlklappe erkennen, wodurch eine Drosselung des Austrittsquerschnittes »Fa« eines jeden Kanals erreicht wird, die ebenfalls zur Verhütung des Pumpens beiträgt.

Fig. 3 zeigt unten, wie die freien Seiten der Schaufeln 4 α zur Verminderung des Eintrittsstoßes entgegengesetzt zur Umlaufrichtung abgebogen sein können.

Fig. 5 schließlich zeigt die Anwendung des Radialverdichters nach der Erfindung bei einer mit Abgasturboaufladung betriebenen Zweitaktbrennkraftmaschine 21, deren Abgase im Sammler 22 gesammelt und einer Abgasturbine 23 zugeführt werden. Diese treibt das gemäß F ί g. 1 oder 2 ausgebildete Radialgebläse 24 an, welches durch den Ansaugstutzen 25, die Druckleitung 26, den Kühler 27 und die Leitung 28 in den Spül- und Ladeliiftsammler 29 fördert, von wo diese Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine 21 gelangt.

Der untere Zylinderteil ist hierbei als Kolbenunterseitenpumpe 30 ausgebildet. Die von dieser geförderte Luft gelangt über die Druckleitung 31 und das Ventil 32 zu den hier nicht dargestellten erfindungsgemäßen Treibdüsen des Verdichters 24. Gegebenenfalls kann ein Teil dieser Luft auch über Leitung 33, Kühler 34 und Leitung 35 mit in den Sammler 29 gefördert werden. Statt der Kolbenunterseitenpumpe 30 kann aber auch ein beliebiger Kompressor vorgesehen werden, der an die Leitung 36 mit dem Ventil 37 anzuschließen ist. Falls der Verdichter auch durch Abblasen von Druckluft geregelt werden soll, dann kann das Abblaseventil 38 über die Leitung 39 (wie mit gestrichelten Linien angedeutet) mit der Leitung 36 verbunden werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens ein von einer Abgasturbine angetriebenes Radialgebläse und einem anderweitig, z. B. von der Brennkraftmaschine selbst angetriebenen Hilfsgebläse, dessen Förderluft in Betriebsphasen des Abgasmangels als Treibmittel durch eine Zweigleitung mittels Düse über das Radialgebläse den Motorzylindern zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Düsen (12, 12 a) über den ganzen äußeren Umfang des Ge-

bläselaufrades (3) angeordnet sind und die Treibmittelluft eine alle Laufradaustrittsöffnungen verengende Strahlklappe bildet.

2. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einführung der Treibmittelluft eine Ringspaltdüsc (12) angeordnet ist. -

3. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibmittelluft mit einer Radialkomponente eingeführt ist.

4. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen Gebläseeinlauf (2) und Sammelraum (7) liegender Raum (10) als Verteilerraum für die Treibmittelluft ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen