DE1526455A1

DE1526455A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE1526455A1
Application number: DE19661526455
Authority: DE
Inventors: Alexander Garve; Rothemund Dr-Ing Max
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1966-10-08
Filing date: 1966-10-08
Publication date: 1970-02-12

Description

Anlage

1525455

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft Augeburg , Stadtbachstr. 1

P.B. 2427

Aufgeladene brennkraftmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftaaschine, insbesondere eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, mit mindestens einem von einer Abgasturbine angetriebenen Gebläse und zusätzlich einem fremd angetriebenen Gebläse, die beide in allen Betriebszuständen Spül- und Ladeluft in die Brennkraftmaschinen- ^ Zylinder fördern. Besondere bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen ist es im allgemeinen üblich, daß die beiden Gebläse im oberen Lastbereich parallel und im niederen Lastbereich - wo infolge des geringen Abgasanfalles die Turbine allein nicht imstande wäre, den erforderlichen Luftdruck zur Spülung der Zylinder zu erzeugen - in Serie geschaltet werden.

Zur Steigerung der Brennkraftmaschinenleistungen werden bekanntlich immer größere Ladeluftmengen und -drücke angestrebt, was entweder durch Erhöhen der Drehzahl oder durch mehrstufige Bauart der Turbogruppe geschehen kann. Den Abmessungen des Ab- j gasturboladers sind aber besonders bei Schiffsmotoren infolge M des geringen Einbauraumes enge Grenzen gesetzt. Der Erhöhung der Drehzahl hingegen stehen Schwierigkeiten in der Regelung, erhöhte Gefahr von Schwingungsbrüchen und stärkere Geräuschbelästigung entgegen. Um einfache Bauformen zu erhalten, strebt man weiterhin eine einstufige Bauart für das Turbogebläse an, dessen Laufrad dann aber sehr hoch beansprucht wird. Die Herstellung solcher Räder mit ihren relativ komplizierten Schaufelformen durch Gießen ist bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten

BAD

wegen der begrenzten Festigkeit von Gußmaterial nicht mehr angebracht. Geschmiedete oder gepresste Räder (zur Reduktion des Gewichtes und der Lagerbelastung sowie der Trägheitsmomente im Hinblick auf Beschleunigung und Kreiselkräfte gewöhnlich Leichtmetall) müssen durch Fräsen auf die benötigte Form gebracht werden. Das Fräsen so komplizierter enger Schaufelkanäle ist nur mit schwachen Fräswerkzeugen möglich und sehr teuer; außerdem wird das Materialgefüge durch diese Bearbeitung in den festeren Randschichten zerstört, die Festigkeit wieder vermindert·

Es sind nun zwar Radialgebläse mit axialem Einlauf bekannt, deren Laufräder einfache ebene, meist in Axialebenen liegende Schaufeln aufweisen. Die unkomplizierten Formen dieser Räder gestatten die einfachste Herstellung, sei es in spanabhebender Weise, z.B. durch Fräsen, oder in spanloser Formgebung, z.B. durch Pressen in Gesenken. Diese Räder haben jedoch bei axialer Zuströmung infolge des am Eintritt auftretenden Stoßes einen schlechten Wirkungsgrad, den man mit Hilfe von Eintrittsleitschaufeln nur teilweise reduzieren kann, da der bei verlustarmer gleichmäßiger Zuströmung entstehende Drall dem Gesetz

^r " ^cu * constant

unterliegt. Stoßfreie Einströmung über die ganze Schaufelhöhe würde aber eine dem Gesetz

r/c » constant
folgende Drallsbrömung erfordern.

Zum Zwecke dar LeintungEregelung iefc es zwar bekannt, dem Druckstufe ζ an siiitsn l'aiL /ordLtthfeefear Luft 511 «nbnehm:?n und 4L-in s lh rn^hi¹ ο.Ιϊγ ^mi.p;.¹ tangential «u* Iii.ihb.irig Ln 1-n !-Ln- ■ i 1 if ijn jurüML-.i'.-· iaht---;.':, -Λ\ui -jL-ϊ aitih nib Xur i:i il -un jtr-;iu:ri-· A-'-. ;-U/- 7:-:-Jli .-U", :l· ■ L'L· ! I i I .Λ :iL„K> Ol , i ;f ■ 1. i - .1 1. L -Ii. .,IL ·:■:> ■■

BAD

stungsregelung ständig eine Luftmenge unter Verbrauch von Antriebsenergie im Kreislauf geführt, wobei sie sich mehr und mehr erhitzt und dadurch den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtert.

Ein weiterer Nachteil des vom Gebläserad erzeugten Vordralles besteht nun grundsätzlich darin, daß bei gegebener Umfangsgeschwindigkeit am Laufradaustritt die erreichbare Förderhöhe im Vergleich zur axialen Zuströmung geringer wird. Umgekehrt ist zur Erreichung einer bestimmten Förderhöhe eine vergleichsweise größere Umfangsgeschwindigkeit erforderlich. Dies ist ^ zu folgern aus der Euler'sehen Gleichung für die im Laufrad erzielte theoretische Verdichtungsarbeit:

^Yd - ^U2 * ^C2u - ^Ü1 · ^C1u

(U_x. = UmfangsgeschwMigkeit am Eadeintritt U₂ « Umfangsgeschwindigkeit am Radaustritt

C- « Umfangskomponente der absoluten Einströmgeschwindigkeit c_2u = Umfangskomponente der absoluten Ausströmgeschwindigkeit)

Bei der drallfreien Zuströmung, die jedoch am Eintrittsteil

gekrümmte Schaufeln erfordert, ist c- ■ 0, so daß hier die A

der Förderhöhe proportionale Verdichtungsarbeit ™

^Ydo - ^U2 " ^C2u ,
also um das Produkt U₁ * c^_u größer ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Herstellungskosten der Abgasturbolader und auch deren Einbauraum durch Erhöhen der Drehzahl bei einfachsten Schaufelformen zu verringern.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Kombination folgen der an sich bekannter Merkmale:

BAD ORIGINAL V. 909887/0559

a) das von der Abgasturbine getriebene Radialgebläse mit axialem Einlauf hat ein Laufrad mit Schaufeln, deren radiale Erzeugenden je Schaufel in einer Axialebene liegen, und

b) die von dem fremd angetriebenen Gebläse geförderte Luft wird vor dem Laufrad derart in den Einlauf des turbinengetriebenen Gebläses eingeführt, daß dort die Hauptströmung wenigstens annähern^ dem Gesetz r/ , ■ constant folgt.

cu

Durch diese Kombination bleiben alle vorteilhaften Eigenschaften und Wirkungen des bekannten Radialradee mit in Achsebenen liegenden Schaufeln auch bei axialem Eintrittsteil erhalten. Es entfallen jedoch der Eintrittsstoß beim Einströmen in das Laufrad und der Verlust an Förderhöhe bzw. an Verdichtungsarbeit, so daß dieser bei der Auslegung des Turboladers nicht mehr berücksichtigt zu werden braucht, weil der Energieanteil IL · c- von dem fremd angetriebenen Gebläse aufgebracht wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß die Laufschaufeln mit geringerer Relativgeschwindigkeit angeströmt werden, wodurch die Geräuschbildung am Laufradeintritt geringer wird·

Eine besonders einfache Regelungsmöglichkeit des ganzen Aggregates ist geboten, wenn das Zusatzgebläse proportional der Brennkraftmaschinen-Drehzahl angetrieben wird. Mit der Zunahme des Luftbedarfes des Motors mit größer werdender Drehzahl nimmt dann auch die Fördermenge des Zusatzgebläses zu, so daß die Einströmgeschwindigkeit der in Umfangerichtung in den Einlauf des turbinengetriebenen Gebläses eingeblasenen Luft entsprechend der größeren Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades größer wird. Etwa überschüssige Luft kann dann durch eine das turbinengetriebene Gebläse umgehende Leitung direkt den Zylindern zugeführt werden.

Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung in

909887/0559 ^ßAD

1526459

Flg. 1 eine Zweitaktbrennkraftmaschine mit Kolbenunterseiten-Pumpe und einem Abgasturbolader,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein Radialgebläse mit vollständig in Achsebenen liegenden Schaufeln und mit tangential einmündenden Schlitzen in der äußeren Gehausewand des Gebläseeinlaufes,

Fig. 3 einen Schnitt längs Linie III ·»> III der Fig. 2,

Fig. 4 einen Axialschnitt durch ein Gebläse entsprechend Fig. 2, jedoch mit geschlitzten Leitschaufeln im Einlauf und

Fig. 5 einen Schnitt längs Linie V ♦ V der Fig. 4.

Fig. 1 zeigt die mit 1 bezeichnete Zweitakt-Brennkraftmaschine, deren Abgase im Sammler 2 gesammelt und der Abgasturbine 3 zugeführt werden. Diese treibt das Radialgebläse 4 mit ausschließlich in Achsebenen liegenden Laufschaufeln an, welches die durch den axialen Einlauf 5 angesaugte Luft durch die Druckleitung 6, den Kühler 7 und die Leitung 8 in den Spül- und Ladeluftsammler 9 fördert, von wo die Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine 1 gelangt·

Als nicht von der Abgasturbine, also "fremd" angetriebenes Gebläse dient hier die Kolbenunterseiten-Pumpe 10, die die von ihr angesaugte Luft durch die Druckleitung 11, das Ventil 12 zur Ringkammer 13 des Gebläses 4 fördert. Zur günstigen Verteilung dieser Luftmenge über den ganzen Umfang des Einlaufes 5 erhält diese Ringkammer zweckmäßig eine Spiralkontur im Normalschnitt.

Besonders zur Regelung der Ladeluft im oberen Drehzahlbereich des Motors 1 kann ein Teil der von der PtuefB 10 geförderten Luft auch durch die das Gebläse 4 umgehende Leitung 14 mit Ventil 15, den Kühler 7 und die Leitung 16 in den Sammler 9 geleibet werden.

909887/055S

V. BAD ORIGINAL

Statt der Kolbenunterseiten-Pumpe 10 oder zusätzlich zu dieser kann auch ein beliebiger Kompressor vorgesehen werden, der dann an die Leitung 17 mit Ventil 18 anzuschließen wäre. Ebenso könnte an diese Leitung 17 vorübergehend oder ständig eine andere Druckluftquelle (Anlaßluftflasche, Bremsluftbehälter und dgl.) angeschlossen werden.

In dem Einlaufgehäuse nach Pig· 2 und 3 wird der Vordrall durch in der Außenwand angeordnete Schlitze 20 bzw. Leitschaufeln 21 erzeugt. Hierbei stellt sich nach der Vermischung mit dem Förderstrom automatisch eine in radialer Richtung von innen nach außen zunehmende Umfangkomponente c^_u ein.

Bei der Ausführung nach Fig, M- und 5 wird der Vordrall durch längs der Austrittskanten axialer Leitschaufeln austretende Strahlklappen (Pfeile 24) erzeugt. Für diesen Zweck sind die Leitschaufeln 23 teilweise hohl ausgebildet. Zur Korrektur des angestrebten Dralles (r/c^ ■ constant) können die Weiten β der Austrittsschlitze längs der Schaufelhöhe variieren.

BAD

909887/0559

Claims

152S455 Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt-Brennkraftmaschine, mit mindestens einem von einer Abgasturbine angetriebenen Gebläse und zusätzlich einem fremd angetriebenen Gebläse, die beide Spül- und Ladeluft fördern, gekennzeichnet durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale:

a) das von der Abgasturbine getriebene Radialgebläse (4-) mit axialem Einlauf hat ein Laufrad mit Schaufeln, deren radiale Erzeugenden je Schaufel in einer Axialebene liegen, und

b) die von dem fremd angetriebenen Gebläse (10) geförderte Luft wird vor dem Laufrad derart in den Einlauf (5) des turbinengetriebenen Gebläses (4) eingeführt, daß dort die Hauptströmung wenigstens annähernd dem Gesetz r/ « constant folgt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Zusatzgebläse (10) proportional der Brennkraftmaschinendrehzahl angetrieben wird.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweite "s" der Vorleitschaufeln des Radialgebläses über den Radius variiert.

90 98 8 7/055,9

Lee rse

ite