DE1935230A1

DE1935230A1 - Verbrennungsmotor mit Aufladung durch Abgasturbine und Verdraengerlader

Info

Publication number: DE1935230A1
Application number: DE19691935230
Authority: DE
Inventors: Kickbusch Dipl-Ing Ernst
Original assignee: KICKBUSCH DIPL ING ERNST
Current assignee: KICKBUSCH DIPL ING ERNST
Priority date: 1969-07-11
Filing date: 1969-07-11
Publication date: 1971-01-14

Description

Dipl.Ing. Ernst Kickbusch.

Verbrennungsmotor mit Aufladung durch Abgasturbine und Verdrängerlader.

Die Erfindung betrifft durch Aufladung für optimales Betriebsverhalten eingerichtete Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotore für Fahrzeugantrieb konstanter Leistung oder mit vorgeschriebenem ρ -Verlauf, mit vorzugsweise freifahrendem Aufladeaggregat bestehend aus Abgasturbine und Verdrängerlader, die durch ein hydrodynamisches Energieübertragungssystem miteinander verbunden sind, nach Patentanmeldung Az.:P 1751 941.4.

Das Verhalten derartiger Verbrennungsmotoren ist optimal im eigentlichen Arbeitsbereich, in dem eine' genügende Abgasenergie zur Verfugung steht, aber man muß die Maschinen für die erhöhten Verdichtungsenddrücke auslegen und hat beim Anlassen und im Leerlauf mit minder hohen Verdichtungsenddrücken und geringeren Temperaturen zu rechnen, also mit ungünstigen Bedingungen für evtl. Mehrstoffbetrieb. Außerdem sind Schwierigkeiten zu erwarten, wenn man die Abgasturbine nicht in einer ganz bestimmten und charakteristischen Weise gestaltet· Zweck dieser Zusatzerfindung ist es, diesen Schwierigkeiten " mit einfachen Mitteln zu begegnen.

Es ist bei Dieselmotoren neuerdings bekannt, den Verdichtungsraum während des Betriebes so zu verändern, daß bei einem neuen Verdichtungsverhältnis £ der Verdichtungsenddruck in bestimmten Grenzen bleibt und es sind auch Verfahren angegeben worden, um bei Verbrennungsmotoren aller Art durch einen Lader eine größere Ladeluftmenge schon beim Starten und im Leerlauf zuzuführen, ale durch normales Ansaugen aus der Atmosphäre; dabei wird ein feil der Kompressione- und Ladearbeit außerhalb des Motors geleistet. Eint derartige Einrichtung bilden bei Zweitaktmotoren als Luftförderpumpen arbeitende Kolbenwntereeiten. Hier nicht zuzurechnen sind dl« •Systβ»e nach DBP 1 122 324, da hierbei das ^adermomtßt mit

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dem Motordrehmoment bei Leerlauf Null wird.

Diesem Stand der Technik können einzelne Elemente entnommen werden, aber grundsätzlich ist keine dieser Einrichtungen geeignet, den vorliegenden Zweck wirkungsvoll zu erfüllen, ebenso wenig, wie die auf dem Markt befindlichen Abgasturbinen geeignet sind um, wie hier erforderlich, einen konstanten ^assenstrom bei unterschiedlichem Gefälle zu verarbeiten. Axialturbinen wirken wie "eine gleichwertige Öffnung" und auch die bei Abgasturbinen gebrauchten Hadlalturbinen haben bei beschaufeltem Leitringkranz und ungenügender radialer Erfe Streckung der Laufräder nicht die erforderliche Charakteristik, wie sie in Pig.2 dargestellt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Verbrennungsmotoren nach der Patentanmeldung Az.i P 1751 941.4 durch Sicherstellung der Aufladung auch im Leerlauf das Verdichtungsverhältnis £ im Sinne optimaler Zündverhältnisse und niedriger Gesamtdrücke zu verändern, sie dadurch mehrstoffähig zu machen, das Verfahren auch auf große Zweitaktmotoren anwendbar zu gestalten und eine optimale Abgasturbine für den Verwendungszweck anzugeben.

Die Aufgabe wird durch einen mechanischen oder hydraulischen k - Zusatzantrieb gelöst, der im Leerlauf oder allgemeiner in dem untern Drehzahlbereich des Motors wirksam wird, in dem mangels Abgasenergie die Aufladung über Abgasturbine und Verdrängerlader nicht oder nicht voll wirksam werden kann. Dadurch wird in jedem Bereich ein Teil der Lade- und Kompressionsartoeit nach außen verlegt, so daß £ freizügig und unter Berücksichtigung besonderer Anforderungen an die Brennraumgestaltung festgelegt werden kann. Durch Zusatz eines nennenswerten Teiles des Brennstoffes zur Ladeluft vor oder in dem Verdrängerverdichter wird dem Motor ein sehr mageres, noch nicht zündfähiges Gemisch zugeführt, das erfahrungsgemäß zusammen mit dem in üblicher Weise eingespritzten Brennstoff einen günstigen . Ablauf des Zünd- und Verbrennung»Vorganges sicherstellt und den Motor euch für schwer «ündende Brennstoffe geeignet macht. Auch in Verdichter ergeben «loh Torteile dadurch.

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Die mechanische Verbindung des Verdrängerverdichters mit einer motordrehzahlproportional umlaufenden Welle erfolgt beispielsweise über Keilriemenscheiben, Welle und Zahnräder; die letzterei kämmen dabei vorteilhaft mit denjenigen, die in dem vorzugsweise bei dem Gegenstand der Erfindung verwendeten Lader mit umlaufenden Verdrängern den berührungsfreien ^auf derselben sicherstellen. Da die hydrodynamische Energieübertragung zwischen Abgasturbine und Verdrängerlader bei langsamer Drehzahl kaum Widerstand leistet und übrigens der Zusatzantrieb in demselben Sinn erfolgt, in dem das Aggregat auch sonst umläuft, sind weiter keine Maßnahmen zu treffen, als für die automatische Abschaltung bei höheren Motordrehzahlen zu sorgen, was einfach durch Fliehkraftkupplung in der treibenden Keilriemenscheibe und Überholfreilauf in dem treibenden Zahnrad erfolgen kann.

Ein hydrodynamischer Zusatzantrieb kann über eine zusätzliche i'lüesigkeitsturbine eingeleitet werden, die von einem Flüssigkeitsstrom beaufschlagt wird, der die Abhängigkeit von der Motordrehzahl dadurch herstellt, daß die erzeugende Pumpe direkt vom Motor angetrieben wird und das kann z.B. auch die i'umpe eines Föttinger-Drehmomentwandlers Bein, der als Glied eines an den Motor anschließenden Getriebes vorhanden ist.

Bei Schiffsantrieben, bei denen die Aufladeleistung sehr groß wird, erfolgt der Zusatzantrieb auf den Verdränderlader vom Motor aus über eine hydrodynamische Kupplung oder einen Föttinger-Wandler, die zunächst überbrückt sein können und durch Füllen und Entleeren geschaltet werden.

Erfolgt die optimale Aufladung für einen Fahrzeugmotor gemäß der Erfindung etwa nach a-b, Fig.1, zwischen den beiden Motorschlucklinien S₁ und S₂, S₁ der niedrigsten zulässigen und Sp der höchsten Drehzahl zugeordnet, dann würde es sich in diesem Bereich um einen Konstantleistungsmotoer Handeln. Setzt man für einen anderen ρ -Verlauf eine Aufladung etwa nach a- - b. an, so ist das für eine Abgasturbine normaler Ausführung noch unzuträglicher, als konstante Schluckmenge, da dann bei steigendem Massendurchsatz m das Turbinengefälle niedriger wird.

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Zu einer solchen Leistung ist nur eine Turbine mit den Kennlinien nach Fig.2 fähig, nämlich eine Zentripetalturbine, deren laufrad eine genügende radiale Erstreckung hat, um eine starke Turbinenrückwirkung zu erzeugen, die keinen beschaufelten ^eitkranz besitzt und deren Zuströmspirale in geeigneter *eise ans Rad anschließt. Diese Ausführung entspricht 2 in Fig.3, Unterstützt wird die Wirkung der Turbine besonders bei Fahrzeugmotoren durch A_usnu-fczung des Büchi-Effekts durch eine geeignete Zusammenführung der Abgasleitungen der einzelnen Zylinder, die sich nicht durch den Druckverlauf gegenseitig stören, so daß strahlpumpenartig jeweils eine positive Druckwelle ansaugend auf die unterdruckfuhrende leitung wirkt, so daß die Drucktäler ausgeglichen werden und der Zufluß gleichmäßig wird.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen werden die nach dem &aupt— patent ausgeführten Verbrennungsmotorenjauch in anderen wichtigen Betriebsbereichen verbessert und zu den entscheidenden Fortschritten in der Fahrzeugtechnik ergibt sich durch die Sicherstellung der Aufladung im gesamten Bereich die Möglichkeit, einen Teil der Lade- und Kompressionsarbeit grundsätzlich außerhalb des Motors zu leisten. Man kann dadurch die Zünddrücke und die Verdichtungsenddrücke optimal bestimmen, vermeidet schlechte Abgaszusammensetzung, macht den Motor mehrstoffähig, sichert diese Mehrstoffähigkeit im ganzen Leerlauf- und Schwachlastbereich und hat immer ein vorgeschriebenes Luftverhältnis λ · Durch Brennstoffzugabe zur Verdichtungsluft ergeben sich gut zündende Gemische, der Verdrängerverdichter wird gedichtet, gekühlt und geschmiert, die Brennräume lassen eich freier gestalten und dieses alles wird mit minimalem Aufwand an einfachen und betriebssicheren Bauelementen erreicht. Die vorgesehene Abgasturbine ist im Aufbau wesentlich einfacher als die bei Abgasturboladern sonst übliche. Große Zweitaktmotore für Schiffsantriebe erreichen die Traumgrenzje ' von 25 ^ der Höchstdrehzahl bei konstantem ρ_β·

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung

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Fig.3 dargestellt :

1 ist das Spiralgehäuse der Abgasturbine mit einem langsamläufigen Rad genügender radialer Erstreckung 2, mit dem auf gleicher Welle das Pumpenrad des ^öttinger-Wandlers, zu dem die Glieder des hydrodynamischen Energieübertragungssystems hier zusammengefaßt' sind, sitzt. Die Turbine 5 treibt den Verdrängerlader 9> wobei die Zahnräder 1o und 11 für den berührungsfreifin Umlauf der Verdränger sorgen. Bas flad 11 trägt außerdem eine Außenverzahnung, mit der das Had 12 für den Zusatzantrieb kämmt. Es wird über eine Welle 14 von der motordrehzahlproportional umlaufenden Keilriemenscheibe 15 angetrieben. Eine Fliehkraftkupplung 16 und ein Überholfreilauf 13 sorgen dafür, daß die gesamte Zusatzübertragung im Hauptarbeitsbereich des Motors stillsteht, bis auf das leer mitlaufende Zahnrad 12.

Bei einem hydrodynamischen Zusatzantrieb würde die zusätzlich treibende Turbine zwischen der Turbine 5 und dem ^ahnrad 1o angeordnet werden. Ein großer Schiffsantrieb enthält grundsätzlich dieselben Elemente, wie sie hier dargestellt sind, nur daß die einzelnen Maschinen nach den üblichen S-egeln des Maschinenbaus zusammengestellt und gekuppelt werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE.

M./Durch Aufladung für optimales Betriebsverhalten eingerichteter ^~^- Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor für Fahrzeugantrieb, konstanter Leistung oder mit vorgeschriebenem ρ -Verlauf, mit vorzugsweise freifahrendem Aufladeaggregat bestehend aus Abgasturbine und Verdrängerlader, die durch eine hydrodynamische Energieübertragung vorzugsweise in Form eines Föttinger-Wandlers miteinander verbunden sind, dad.gek., daß zusätzlich zum Antrieb desVerdrängerladers durch die Abgasturbine, eine der Motordrehzahl proportionale und unabhängige treibende Verbindung zwischen Verdrängerlader und Motor vorgesehen ist, wobei das Übersetzungsverhältnis dieser Verbindung auch - programmiert oder willkürlich. - verändert werden kann.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dad.gek., daß der Zusatzantrieb durch mechanische Verbindung, etwa über Keilriemenscheiben, Wellen und/oder Zahnräder, zwischen einer motordrehzahlproportional umlaufenden Welle und dem Verdrängerverdichter bewirkt wird, wobei diese Verbindung nur in gewissen Drehzahlbereichen des* Motors besteht und die Schaltung von An- und Abkupplung automatisch, beispielsweise über Fliehkraftkupplungen und/oder Freiläufe erfolgt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dad.gek., daß der Zusatzantrieb hydrodynamisch entweder über die Turbine der Energieübertragung zwischen Abgasturbine und Lader", oder über eine zusätzliche Flüssigkeitsturbine erfolgt und die motordrehzahlabhängige Proportionalität des Zusatzantriebes durch eine Flüssigkeitspumpe bewirkt wird, die vom Motor angetrieben wird, wobei es sich auch um die Pumpe im Wandlerkreislauf eines dem Motor nachgeschalteten Getriebes handeln kann.
4. Einrichtung nach 1 - 3 , bei der im ganzen Drenzahlbereich des Motors, einschl. Leerlauf, eine Versorgung mit Ladeluft sichergestellt ist, deren Masse die durch natürliche Ansaugung verfügbare übereteigt, dad.gek., daß das Verdichtungsverhältnis

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£ nach Maßgabe der Zusatzfüllung für günstigen Verdichtungsenddruck gewählt ist, wobei gleichzeitig auch beim Anlassen und im Leerlauf eine den Anforderungen auch des Mehrstoffbetriebes entsprechende Verdichtungstemperatur sichergestellt ■ ist und diese letztere Maßnahme durch Veränderung der Zusatzluftmenge auch noch willkürlich beeinflußt werden kann.
5. Einrichtung nach 1-4, dad.gek., daß ein wesentlicher Prozentsatz des Brennstoffs durch den Verdichter zugeführt wird.
6. Einrichtung nach 1-5, dad.gek., daß es sich bei der Abgasturbine um eine Zentripetalturbine handelt, deren Laufrad eine genügende radiale Erstreckung für eine spürbare Turbinenrückwirkung aufweist, die keinen beschaufelten Leitkranz besitzt und bei der die Zuströmung dureh ein Spiralgehäuse erfolgt, so daß die physikalischen Voraussetzungen für konstanten Massendurchsatz auch bei unterschiedlichem Gefälle gegeben sind.
7. Einrichtung nach 1-6, Großmotor, insbesondere Zweitaktmotor für Schiffsantrieb, mit zusätzlicher Ladeluftversorgung im Leerlauf und im unteren Arbeitsbereich, dad.gek., daß der Zusatzantrieb für den Verdichter über ein Schaltgetriebe erfolgt, da.s vorzugsweise in der Hauptsache aus einem füll- und entleerbaren Pöttinger-Wandler oder einer Föttinger-Kupplung besteht, wobei ersterer auch als Stellwandler ausgebildet sein kann.
8. Einrichtung nach 1-6, dad.gek., daß diejenigen der sich durch den Druckverlauf in ihnen nicht wesentlich störenden Abgasleitungen der einzelnen Zylinder vor Eintritt in die Zuströmspirale der Abgasturbine strahlpumpenartig zusammengeführt werden, so daß die dynamische Wirkung der pulsierenden Strömung dazu ausgenutzt wird, um die Drucktäler auszugleichen und die Zuströmung zu glätten.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dad.gek., daß die zusätzliche Aufladung automatisch bei Unterschreiten eines vorgegebenen Ladedrucks einsetzt.

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