DE1929126A1 - Verfahren zur Abgasturboladung in Abzweigung fuer Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

fur Verbrennungsmotoren

Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenmotoren, insbesondere Dieselmotoren, mit Abgasturboladung und bezweckt die Steigerung der thermoenergetischen Parameter des Motors durch Senkung des Luftüberschusses, die Steigerung der Charakteristik "Schnitt-Zeit" des Einlaßvorgangs (zum Zweck der Steigerung des volumetrischen Wirkungsgrades) sowie den Schutz der Schaufeln der Gasturbine gegen die thermische Beanspruchung durch die Verbrennungsgase.

Die jetzt üblichen Verfahren zur Abgasturboladung der Motoren bewirken gleichzeitig mit der Steigerung des Ladungsdruckes auch eine Steigerung der in die'Zylinder gepreßten Luftmenge, wodurch eine erhöhte Zuführung von Brennstoff Je Zyklus ermöglicht wird.

Die durch den maximalen effektiven Mitteldruck ausgedrückte maximale energetische Belastung der Zylinder könnte dadurch erzielt werden, daß die in die Zylinder angesaugte Luftmenge

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■genau der stöchiometrisch erforderlichen entspricht (der "Koeffizient des LuftüberSchusses wäre dann A =1). In diesem Fall würde aber die Temperatur der Abgase außerordentlich hohe Werte erreichen (bei einem gegebenen Kompressionsverhältnis) .

In funktioneller Hinsicht sind jedoch der Temperatur der Abgase in erster Linie durch die Wärmefestigkeit des Materials der Turbinenschaufeln Grenzen gesetzt. Die Temperaturen betragen beim gegenwärtigen technologischen Entwicklungsstand des Baues von Turboladern 650-700° G.

Die Begrenzung der Temperatur erfordert bei den Motoren mit Turboladung die Verwendung großer LuftüberSchüsse (X = 2...2,2). Dies ist gleichbedeutend mit der lNeutralisierung eines beträchtlichen Teils des Hubraums, was eine Begrenzung der thermoenergetischen Parameter bzw. der Motorenleistung darstellt.

In konstruktiver Hinsicht erfordern bei den Dieselmotoren die großen Luftüberschüsse einen großen Hubraum der Zylinder und somit große Abmessungen und großes Gewicht des Motors.

Die Erfindung beseitigt diese Nachteile dadurch, daß in der ersten Variante der Turboladungsluftstrom aus wenigstens zwei Luftabzweigungen besteht, von denen eine die Luft den Zylindern des Motors zuführt, und die zweite eine von der Gasturbine in die Abgasleitung eingeführte Luftabzweigung darstellt

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wobei die abgezweigte Luftmenge in direktem Verhältnis zur Belastung (d.h.. der je Zyklus eingespritzten Brennst off menge) durch eine der Zahnstange der Einspritzpumpe entsprechende kinematische Verbindung geregelt wird, während in der zweiten Variante ein zusätzlicher Luftstrom im Auslaß- und im Einlaßtakt durch eine oszillierende, kinematisch mit der Nockensteuerung des Motors verbundene Klappe geregelt wird, welche die Luftzufuhr aus der Luftleitung zum gemeinsamen Einlaß- und Auslaßventil schließt (im Auslaßtakt), bzw. das Eindringen frische/ Luft in die Zylinder durch das gemeinsame Einlaß- und Auslaßventil, parallel mit dem Einlaßventil sichert (im Einlaßtakt). Die Erfindung umfaßt natürlich ein- und mehrzylindrische, Zwei- und Viertaktmotoren.

Es werden im folgenden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ausführungsbeispiel mit einfacher Abzweigung der Luft;

Fig. 2 Ausführungsbeispiel mit doppelter Abzweigung der Luft (insges-amt also drei Abzweigungen der Luftleitung); Auslaßtakt des Motors;

Fig. 2 A zeigt den Einlaßtakt des Motors nach Fig. 2.

Der erfindungsgemäße Motor mit einfacher Abzweigung des Lade-Luftstroms (Fig. 1) weist folgende Elemente auf; Zylinder 1, Einlaßventil 2, Auslaßventil 3, Einlaßleitung 4, Auslaßleitung 5, Abzweigleitung 6, Regelklappe 7, Zahnstange der Einspritzpumpe 8, Gasturbine 9 und Zentrifugalkompressor 10.

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Das Verfahren zur Abgasturboladung durch doppelte Abzweigung, entsprechend den Figuren 2 und 2A, arbeitet mit denselben Elementen wie in Fig. 1, zu denen noch die Abzweigung 11 und die Verteilklappe 12 kommen.

Gleichzeitig wird darauf hingewiesen, daß in diesem Fall das Element 3 als Auslaß- und Einlaßventil gleichzeitig arbeitet.

Die Motoren mit Abgasturboladung mit einfacher Abzweigung, entsprechend Fig. 1, arbeiten folgendermaßen:

Die vom Zentrifugalkompressor 10 gelieferte Luftmenge strömt in die zwei Abzweigungen 4 und 6. Die durch die Luftleitung 4-strömende Luftmenge gelangt durch das Einlaßventil 2 in den Zylinder 1, während- die durch die Abzweigleitung 6 strömende Luft in die Auslaßleitung 5 gelangt. In dem Maße, indem die in den Zylinder 1 eingespritzte Brennstoffmenge wächst, wobei der Luftüberschuß dementsprechend herabgesetzt wird, steigt die Temperatur der durch das Auslaßventil 3 ausgelassenen Gase. In demselben Maße öffnet sich die Regelklappe 7, die sich in der Abzweigleitung 6 befindet und gestattet dadurch, daß in die Auslaßleitung 5 eine Frischluftmenge gelangt, welche die Verbrennungsgase verdünnt und gleichzeitig ihre Temperatur herabsetzt, die auf diese Weise innerhalb der für das einwandfreie Arbeiten der Gasturbinenflügel 9 zulässigen Grenzen (650 - 700° G) gehalten wird.

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Das angemessene V rhältnis zwischen der abgezweigten Luftmenge und der je Zyklus eingespritzten Brennstoffmenge wird dadurch eingestellt, daß die Zahnstange der Einspritzpumpe 8 die Regel· klappe 7 entsprechend steuert.

Da die Temperatur der in die Turbine 9 gelangenden Gase konstant bleibt, während ihre Menge wächst, wächst auch in entsprechendem Maße die von der Turbine entwickelte Leistung, wodurch das Anwachsen der von Kompressor 10 gelieferten Luftmenge gesichert wird.

Fig. 1 zeigt das !Funkt inns schema für einen Zylinder. Mehrzylindrige Motoren arbeiten analog.

Die Motoren mit Turboladung und doppelter Abzweigung des Ladestroms C^ig. 2 und 2A) arbeiten folgendermaßen:

Die Abzweigungsleitung 6 spielt dieselbe Rolle wie in der vorhergehenden Figur (Verdünnung der ausgelassenen Verbrennungsgase). Die Abzweigungsleitung 11 tritt in die Auslaßleitung 5 ein, und zwar strömungsmäßig oberhalb der Leitung 6, wobei der Einmündungsschnitt durch die Verteilerklappe 12 geregelt wird. Die Leitung 11 hat folgende Funktionen:

- im Auslaßtakt (Fig. 2) verhindert die Klappe 12 das Einströmen der Frischluft; die Frischluft gelangt über Abzweig 6 in die Auslaßleitung 5, wobei sich der in Fig. 1 beschriebene Vorgang abspielt;

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- im Einlaßtakt (Fig. 2A) wird durch Drehung der Klappe 12 das' Einströmen der Frischluft durch das Ventil 3 in den Zylinder 1 gewährleistet; dieses Ventil "bleibt in diesem Takt parallel mit dem Ventil 2 geöffnet. Das Ventil 3 dient also nacheinander als gemeinsames Auslaß- und Einlaßventil.

Diese Lösung gestattet die Verdoppelung der Charakteristik "Schnitt-Zeit" des Einlaßtaktes, was eine beträchtlich Steigerung des volumetrischen Wirkungsgrades zur Folge hat. Das Auslaß- und Einlaßventil 3 wird durch den Frischluftstrom gekühlt der aus. der AbzweigungsLeitung 11 in den Zylinder strömt. Die zwangsläufige Bewegung des Auslaß- und Einlaßventils 3 und der Abzweigklappe 12 wird durch Moeken mit entsprechendem Profil bestimmt.

Die Vorteile des neuen Verfahrens zur Turboladung sind folgend«

- Es gewährleistet eine Steigerung der Motorenleistung durch Steigerung des effektiven Mitteldrucks infolge der Senkung des I/uftüberschusses während der Verbrennung.

- Es gewährleistet die Verdoppelung der Charakteristik "Schniti Zeit" des Einlaßvorgangs, wodurch eine Steigerung des volumetrischen Wirkungsgrades und dementsprechend der Drehzahl des Motors erzielt wird.

- Es schützt - als Folge der Senkung des Luftüberschusses durch Verdünnung der ausgelassenen -Verbrennungsgase durch

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Frischluft entsprechend der eingespritzten Brennstoffmenge die Gasturbine gegen die erhöhte thermische Beanspruchung.

Es gewährleistet eine wirksame Kühlung des Auslaßventils, indem die Frischluft im Einlaßtakt auch durch das Auslaßventil in den Zylinder einströmt.

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Claims (4)

Patentansprüche

1.^Verbrennungsmotor mit Turboladung, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Frischluft-Abzweigleitung (6; 11) zwischen der Leitung (4-) für die komprimierte Frischluft und die Abgasleitung (5) eingeschaltet ist, wobei die abgezweigte Frisciiluftmenge im Verhältnis zur Belastung (je Zyklus eingespritzte Brennstoffmenge) regelbar ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der abgezweigten Frischluftmenge in die Abzweigleitung (6) eine Klappe (7) eingebaut ist, die in kinematischer, proportionaler Verbindung mit der Zahnstange (8) der Einspritzpumpe steht. -

5. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des Auslaßventils (3) auch als Einlaßventil zur Steuerung der abgezweigten Frischluftmenge (11) eine oszillierende, kinematisch mit der Steuerung der Ventile verbundene Klappe (12) dient, welche die abgezweigte Frischluft beim Einlaßtakt über das Ventil (3) in den Zylinder (1) leitet.

4. Motor nach Ansprüchen 1 bis 3_y dadurch gekennzeichnet, daß im Einlaßtakt der Ladungsluftstrom durch das Einlaßventil (2) und durch das gemeinsame, während des ganzen Einlaß- und Auslaßtaktes geöffnete Auslaß- und Einlaßventil (3)

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in die Zylinder strömt.

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