DE19516971A1 - Verbrennungsmotor in Turbocompoundausführung mit Abgasbremse - Google Patents
Verbrennungsmotor in Turbocompoundausführung mit AbgasbremseInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor in Turbocompoundausführung von
der im Oberbegriff zu Anspruch 1 angegebenen Art.
Eine Verbesserung der Bremsleistung von Viertakt-Verbrennungsmotoren kann durch
Anordnung einer Abgasbremsklappe im Auslaß des Abgassammelrohres erreicht werden. Bei
Schließen dieser Abgasbremsklappe pumpt der Motor während des Auspuffhubes Abgase
gegen die geschlossene Klappe, wodurch sich die Bremsleistung des Motors erhöht. Unter
anderem im Sinne eines schnelleren Ansprechens der Bremsleistungserzeugung wird
angestrebt, eine Abgasbremsklappe in möglichst kurzer Entfernung von den Auslaßventilen
des Zylinders und vorzugsweise direkt hinter der Zusammenführung der zylinderweisen
Auslaßkanäle zu einer gemeinsamen Abgasleitung anzuordnen. In der Absicht, Störimpulse
auf der Abgasseite des Motors zu vermindern, kann in gewissen Fällen die Klappe auch
direkt der Turbine eines Abgasturboladers nachgeschaltet werden, wenn zwei oder mehr
getrennte Abgassammelrohre die Abgase einer Turbine mit zwei oder mehr eingebauten
Diffusoren zuleiten.
Im Zusammenhang mit Turbocompoundmotoren gibt es bereits mehrere Patente für
Lösungen zur Erhöhung der Bremsleistung des Turbocompoundmotors.
EP,B,272680 und US,A,4748812 z. B. beschreiben Lösungen mit einer sog. Jake-Bremse.
Eine derartige Bremse bewirkt einen Motorbremsvorgang durch kurzzeitiges Öffnen des
Auslaßventils am Ende des Verdichtungshubes. Bei den vorgenannten bekannten Lösungen
wird eine besondere, zwischen der Turbine des Abgasturboladers und der Kraftturbine
angeordnete Abgasklappe benutzt, wobei der Abgasstrom von der Turbolader-Turbine
versperrt und gleichzeitig ein gedrosselter Kanal freigegeben wird, so daß die Kraftturbine im
Umlauf gegen eine Drosselung pumpt, während gleichzeitig die Kraftübertragung der
Kraftturbine umgesteuert wird. Diese Lösung ist technisch kompliziert, unter anderem durch
ein umsteuerbares Getriebe mit mehreren Übersetzungen.
US,A,5119633 behandelt eine Alternative für Motoren mit sog. Jake-Bremse, bei der eine
einfache Art von Umgehung der Kraftturbine zugeschaltet wird, sobald der Motorbremsvor
gang aktiviert wird. Auf diese Weise soll eine erhöhte Bremsleistung dadurch erhalten
werden, daß die von der Kraftturbine zusätzlich auf die Kurbelwelle wirkende Antriebskraft
im großen ganzen entfällt, indem der Abgasstrom durch die Kraftturbine ausfällt.
Der Zweck der Erfindung besteht darin, eine erheblich verstärkte Motorbremswirkung,
insbesondere bei hohen Motordrehzahlen, bei einem Verbrennungsmotor in Turbocompoun
dausführung und insbesondere bei einem zum Antriebsaggregat von Schwerlastwagen und
Omnibussen gehörenden Motor zu erhalten.
Ein anderer Zweck der Erfindung besteht darin, eine höhere Bremsleistung ohne übermäßi
gen Anstieg der Abgastemperatur oder übermäßigen Abfall des Abgasgegendruckes zu
erhalten.
Noch ein Zweck der Erfindung besteht darin, eine hohe Motorbremsleistung bei einem
Turbocompoundmotor durch ein einfaches und kostengünstiges System zu erhalten, das
weder besondere umsteuerbare mechanische Getriebe mit mehreren Übersetzungen noch
komplizierte Ladedruckventil-Vorrichtungen erfordert.
Diese Zwecke erfüllt die Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1
angegebenen Merkmale.
Weitere, die Erfindung kennzeichnende Merkmale gehen aus den abhängigen Ansprüchen
sowie aus nachstehender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor. Die Beschreibung
nimmt Bezug auf die folgenden Figuren.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor in Turbocompoundausführung mit einer
der Kraftturbine nachgeschalteten erfindungsgemäßen Abgasbremse.
In Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 7 in Turbocompoundausführung, vorzugsweise zum
Antriebsaggregat von Schwerlastwagen und Omnibussen gehörend schematisch dargestellt.
Der Motor ist vorzugsweise als Direkteinspritz-Dieselmotor ausgeführt, bei dem ein Ab
gasturbolader, mit von den Motorabgasen angetriebenem Turbinenteil 3 und auf der
Laderwelle 19 angeordnetem Verdichterteil 4, für die Verdichtung und Zufuhr von Verbren
nungsluft benutzt wird. Die Einlaßluft, in der Figur mit weißen Pfeilen gekennzeichnet,
strömt auf herkömmliche Weise durch Einlaßleitungen über nicht dargestellte Luftfilter zum
Verdichterteil 4 und danach weiter zum Ladeluftkühler 5, bevor die hierdurch verdichtete
und gekühlte Luft dem nicht abgebildeten Einlaßrohr 9 zugeleitet wird. Die Abgase vom
Motor, in der Figur mit schwarzen Pfeilen gekennzeichnet, gelangen zuerst in das Abgassam
melrohr 8 und strömen von dort weiter durch eine erste Abgasleitung 11, hier als eine am
Turbinenteil 3 geteilte Eintrittsschnecke ausgeführt, zum Turbinenteil 3 zum Antreiben
Verdichterteils 4. Die vom Turbinenteil 3 ausströmenden Abgase strömen durch eine zweite
Abgasleitung 12 zur Kraftturbine 2 und von dort auf herkömmliche Weise weiter durch eine
dritte Abgasleitung 13 zu nicht dargestellten Schalldämpfer- und etwaigen Abgasreinigung
sausrüstungen. Die Kraftturbine 2 hat beim Turbocompoundmotor die Aufgabe, die in den
Abgasen nach Verlassen des Abgasturboladers noch vorhandene Restenergie auszunutzen.
Bei Antrieb durch die Abgase erreicht die Kraftturbine sehr hohe Drehzahlen, bis zu
60 000/min bei normaler Drehzahl des Motors, die bei einem Dieselmotor in einem Schwer
lastwagen im Bereich 1400-2000/min liegt. Das von der Kraftturbine erzeugte Drehmoment
wird, über ein vorzugsweise mit einer Flüssigkeitskupplung 16 ausgerüstetes Zahnradgetrie
be 1 zur Herabsetzung der Drehzahl, auf die Kurbelwelle 10 übertragen. Durch die auf diese
Weise erzielte bessere Ausnutzung der in den Abgasen enthaltenen Energie, nämlich teils
zum Verdichten der Verbrennungsluft und teils zur Erzeugung eines positiven Zuschusses
zum Antriebsmoment an der Kurbelwelle läßt sich der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs
aggregats verbessern. Sowohl beim einfachen Turboladermotor als auch beim
Turbocompoundmotor sinkt die Abgastemperatur von einem normalen Wert von rund 650°C
im Abgassammelrohr 8 nach dem Durchströmen des Turbinenteils 3 im Abgasturbolader
um rund 100°C, aber beim Turbocompoundmotor ist sie nach Durchströmen der Kraftturbi
ne 2 um weitere 100-110°C niedriger. Dies und der erhebliche Druckabfall über die beiden
Turbinen lassen erkennen, daß von der Kraftturbine eine beachtliche Energiemenge aufge
nommen und an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors weitergeleitet wird.
Kennzeichnend für die Erfindung ist eine variable Drosselung, vorzugsweise eine Abgas
bremsklappe 6, die der Kraftturbine 2 nachgeschaltet und in der am Auslaß der Kraftturbine
angeschlossenen dritten Abgasleitung 13 angeordnet ist. Diese Anordnung ergibt einen
relativ großen Gesamtabgasraum zwischen dem Motor und der Abgasbremsklappe, was im
Hinblick auf die Ansprechzeit zum Erhalt der vollen Motorbremsleistung einen gewissen
Nachteil darstellt. Bei normalen Drehzahlen wird dieser Abgasraum jedoch schnell und ohne
merkbar verzögerte Entwicklung der Bremsleistung gefüllt.
Die Abgasbremsklappe 6 ist so ausgeführt, daß sie in der in Fig. 1 gezeigten Stellung völlig
schließt, wobei sie von einer Servoeinrichtung mit vorgegebener Schließkraft betätigt wird.
Als Servoeinrichtung kann ein druckgesteuerter Regelzylinder 18 dienen, der bei Öffnen
eines an einen Druckspeicher 17 angeschlossenen Regelventils 21 mit Druck beaufschlagt
werden kann. Der Druckspeicher 17 kann auf bekannte Weise bei schweren Nutzfahrzeugen
in das Druckluftsystem des Fahrzeugs integriert sein, das u. a. für die Radbremsen und andere
Druckluftausrüstung vorhanden ist und einen Luftpresser 26 umfaßt, der für die Druckver
sorgung des Systems und somit auch des Druckspeichers 17 sorgt. Das Öffnen des Ventils
21, mit dem ein Schließen der Abgasbremsklappe 6 entgegen der von einer im Regelzylinder
angeordneten Rückstellfeder 24 ausgeübten Kraft verbunden ist, regelt ein Steuergerät 20 in
Abhängigkeit von einem vom Fahrzeugfahrer angeforderten Einschalten der Motorbremse.
Dieses Einschalten kann automatisch nach vom Fahrer durchgeführter Betätigung eines
Bremspedals 25, mit Erkennung durch einen Bremspedalschalter 22, oder einer besonders für
diesen Zweck vorhandenen Motorbrems-Betätigungsvorrichtung 23 erfolgen.
Durch diese Drucksteuerung einer dicht schließenden Klappe wird der Abgasraum zwischen
Motor und Abgasbremsklappe schnell gefüllt und unter Druck gesetzt, wodurch ein schnelles
Ansprechen und eine gute Motorbremsleistung bereits bei niedrigen Motordrehzahlen und
geringem Luftdurchsatz beim Motor erzielt wird.
In anderen bekannten Fällen wird die Abgasbremsklappe häufig mit einem vorgegebenen
Leckspalt zur Begrenzung der Abgasdrücke, die auftreten können, ausgeführt. Die Nachteile
derartiger Lösungen bestehen darin, daß ein langsameres Ansprechen und eine schlechtere
Motorbremsleistung bei niedrigen Motordrehzahlen erhalten werden. Ein Leckspalt gestattet
auch die Anwendung weicherer Ventilfedern bei den Auslaßventilen des Motors ohne die
Gefahr so hoher Abgasdrücke im Abgassammelrohr, daß diese ein Öffnen der Auslaßventile
bewirken, wodurch Gefahr bestehen würde, daß diese bei völlig fehlerhaften Hubstellungen
des Motors öffnen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist eine dicht schließende Abgasbremsklappe mit
vorgegebener Schließkraft jedoch aus folgendem Grund vorteilhaft. Beim Übergang auf
Motorbremsung mit geschlossener Abgasbremsklappe wird die Kraftturbine Abgase gegen
diese Abgasbremsklappe pumpen, wodurch ein der Schließkraft entsprechender Abgasdruck
in Strömungsrichtung gesehen hinter der Kraftturbine erhalten wird. Für diesen Zweck
benutzt man vorzugsweise eine Abgasbremsklappe mit einer relativ zur Abgasleitung 13
exzentrischen Drehachse, wobei der größere Teil der Klappe stromabwärts gerichtet ist und
sich somit während der Schließbewegung entgegen dem Abgasstrom bewegt. Eine auf diese
Weise exzentrisch gelagerte Abgasbremsklappe öffnet, wenn der Abgasdruck zu hoch
ansteigt.
Beim Übergang auf Motorbremsung wird der bei normalem Betriebszustand von der
Kraftturbine zum Motor gerichtete Kraftfluß umgekehrt, so daß er statt dessen vom Motor
zur Kraftturbine erfolgt. Dies führt mit sich, daß die im Zahnradgetriebe 1 der Kraftturbine
angeordnete Flüssigkeitskupplung 16 bei der Motorbremsung einen negativen Schlupf
anstelle eines positiven Schlupfes entwickelt. Dieser Schlupf liegt normalerweise bei 3-5%.
Der Schlupf in Prozent ist definiert als 100 - (npump - nturbo)/(npump). Hierin bezeichnet
npump die Drehzahl der an der Turbine angeschlossenen Hälfte der Flüssigkeitskupplung
und nturbo die Drehzahl der an der Motor-Kurbelwelle angeschlossenen Hälfte der Flüssig
keitskupplung.
Bei einem praktischen Vergleich von zwei identischen sechszylindrigen 11-Ltr-Dieselmoto
ren, der eine - hier Turbomotor genannt - mit nur einem Abgasturbolader und hinter dessen
Auslaß angeordneter Abgasbremse, der andere - hier Compoundmotor genannt - mit Ab
gasturbolader, diesem nachgeschalteter Kraftturbine und dieser nachgeschalteter Abgasbrem
se, wird beim Compoundmotor bei maximal zulässiger Abgastemperatur eine erheblich
höhere Motorbremsleistung erhalten als beim Turbomotor. Bei eingeschalteter Motorbremse
und voller Motordrehzahl von ca. 2300/min kann der Compoundmotor ohne Überschreiten
der zulässigen Abgastemperatur eine Bremsleistung entfalten, die um annähernd 27% über
der Bremsleistung liegt die vom Turbomotor unter vergleichbaren Bedingungen in bezug auf
Abgastemperatur und Typ von Abgasbremse erreicht wurde.
Die Versuche ergaben für jede Erhöhung der Abgastemperatur um 1°C einen Bremsleis
tungszuschuß von 0,60 kW beim Compoundmotor und ca. 0,45 kW beim Turbomotor.
Die Versuche ergaben weiter für jede Erhöhung des Abgasdruckes vor der Abgasbremsklap
pe um 1 bar einen Bremsleistungszuschuß von 43,5 kW beim Compoundmotor und von ca.
34,6 kW beim Turbomotor.
Diese Ergebnisse können mit der Erhöhung des Bremsmoments verglichen werden, die nach
US,A,5119633 angeblich für eine "umgangene" Kraftturbine bei einem mit Jake-Bremse
geregelten Motor im Verhältnis zu einem reinen Turbomotor gilt. Für diesen komplizierteren
Motor, mit besonderer Vorrichtung zur Beeinflussung der Auslaßventile in der Endphase des
Verdichtungshubes und vorbeileitenden Vorrichtungen an der Kraftturbine wird eine
Erhöhung des Bremsmoments um über 25% geltend gemacht.
Bei der erfindungsgemäßen einfachen Anordnung mit einer Abgasbremsklappe, die der
vorzugsweise aber nicht notwendigerweise ohne Umgehungskanäle ausgeführten Kraftturbi
ne nachgeschaltet ist, wird mit wesentlich einfacheren Mitteln zumindest die gleiche relative
Verbesserung der Motorbremsleistung erhalten.
Die durch die der Kraftturbine nachgeschaltete Abgasbremsdrosselung bei einer vorgegebe
nen, begrenzenden zulässigen Abgastemperatur erhaltene starke Erhöhung der Bremsleistung
erklärt sich dadurch, daß die Arbeitsweise der Kraftturbine insofern umgekehrt wird, als sie,
statt antreibend auf den Motor zu wirken, vom Motor angetrieben wird, wodurch sich
mehrere Wirkungen einstellen. Zuerst entsteht ein Bremsmoment bei der Kurbelwelle, wenn
diese dazu übergeht, die Kraftturbine anzutreiben, wodurch die Kraftturbine ähnlich wie ein
Kompressor arbeitet und die Abgase gegen die geschlossene Abgasbremsklappe pumpt. Die
Kraftturbine hält bei Zusammenwirken mit der dichten, pneumatisch gesteuerten
Abgasbremsklappe einen erhöhten Abgasdruck aufrecht, der dem Regeldruck entspricht,
weicher die Abgasbremsklappe geschlossen hält. Da die Kraftturbine in der Hauptsache zum
Antrieb durch die Abgase mit höchstem Wirkungsgrad ausgelegt ist, wird sich bei der
umgekehrten Funktion als Pumpe beim Abgasbremsvorgang ein niedriger Wirkungsgrad
einstellen. Dies ist an einem Auftreten starker Turbulenzen erkennbar, das zu einem Anstieg
der Temperaturbelastung der Kraftturbine führt. Die von der Kraftturbine erhaltene Pump
wirkung trägt jedoch dazu bei, daß die Massenströmung durch den Grundmotor bei einer
vorgegebenen Bremsleistung zunimmt, wodurch sich die Temperaturbelastung des Grund
motors und damit auch der Kühlbedarf des Motors reduzieren.
Bei einer vorgegebenen Gesamtbremsleistung bewirkt die erfindungsgemäße Anordnung der
Abgasbremse, daß bei eingeschalteter Abgasbremse die Temperaturbelastung des Grundmo
tors bei einer gewissen Anhebung der Temperaturbelastung der Kraftturbine sinkt und
gleichzeitig die Massenströmung durch den Motor zunimmt. Die höhere Massenströmung erklärt
sich zum Teil durch die von der Kraftturbine erhaltene Pumpwirkung. Daraus ergibt sich,
daß die Gesamtbremsleistung z. B. durch Erhöhen des Regeldruckes für die Abgasbremse
erhöht werden kann, damit die Temperatur der am Motor ausströmenden Abgase das gleiche
Niveau erreicht wie bei einem konventionellen aufgeladenen Motor mit dem Abgasturbolader
nachgeschalteter Abgasbremse.
Die Gesamtbremsleistung setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, der vom Grundmo
tor erzeugten Bremsleistung und der von der Kraftturbine auf die Kurbelwelle aufgebrachten
Bremsleistung. Bei Zusammenlegen dieser beiden Komponenten wird, bei einer vorgegebe
nen Temperatur der am Motor ausströmenden Abgase, eine wesentlich höhere Bremsleistung
erhalten als die Gesamtbremsleistung eines konventionell aufgeladenen Motors mit
dem Abgasturbolader nachgeschalteter Abgasbremse, bei dem eine Bremsleistung nur vom
Grundmotor erhalten wird.
Bei einer alternativen, nicht gezeigten Lösung kann die dicht schließende Klappe durch eine
Servoeinrichtung geschlossen gehalten werden, die nicht durch den Abgasdruck zum Öffnen
der Klappe betätigt werden kann, und statt dessen wird die Abgasklappe durch eine Tempe
ratursteuerung in Abhängigkeit von der im Abgassammelrohr des Verbrennungsmotors
detektierten Abgastemperatur geregelt. Diese Lösung erfordert jedoch bei Anwendung einer
konventionellen Abgasbremsklappe einen sehr schnell ansprechenden Temperaturfühler.
Wesentlich ist, daß die Temperatur im Abgassammelrohr des Motors nicht überschritten
wird, da diese Temperatur Einfluß auf die Einspritzventile und Dichtungen des Motors hat.
Bezugszeichenliste
1 Zahnradgetriebe
2 Kraftturbine
3 Turbinenteil
4 Verdichterteil
5 Ladeluftkühler
6 Abgasbremsklappe
7 Verbrennungsmotor
8 Abgassammelrohr
9 Einlaßsammelrohr
10 Kurbelwelle
11 1. Abgasleitung
12 2. Abgasleitung
13 3. Abgasleitung
14 Abgasturbolader
15 Einlaßleitungen
16 Flüssigkeitskupplung
17 Druckspeicher
18 Regelzylinder
19 Laderwelle
20 Steuergerät
21 Regelventil
22 Bremspedalschalter
23 Motorbrems-Betätigungsvorrichtung
24 Rückstellfeder
25 Bremspedal
26 Luftpresser
2 Kraftturbine
3 Turbinenteil
4 Verdichterteil
5 Ladeluftkühler
6 Abgasbremsklappe
7 Verbrennungsmotor
8 Abgassammelrohr
9 Einlaßsammelrohr
10 Kurbelwelle
11 1. Abgasleitung
12 2. Abgasleitung
13 3. Abgasleitung
14 Abgasturbolader
15 Einlaßleitungen
16 Flüssigkeitskupplung
17 Druckspeicher
18 Regelzylinder
19 Laderwelle
20 Steuergerät
21 Regelventil
22 Bremspedalschalter
23 Motorbrems-Betätigungsvorrichtung
24 Rückstellfeder
25 Bremspedal
26 Luftpresser
Claims (5)
1. Verbrennungsmotor (7) in Turbocompoundausführung, versehen mit einem Abgassam
melrohr (8) zur Entgegennahme der Abgase vom Verbrennungsmotor und Weiterleitung
derselben über eine erste Abgasleitung (11) an einen Abgasturbolader mit einem Turbinenteil
(3), der einen Verdichterteil (4) zur Verdichtung der dem Motor zuzuführenden Verbren
nungsluft antreibt, sowie einer Kraftturbine (2), die dem Abgasturbolader nachgeschaltet und
in einer am Auslaß des Turbinenteils angeschlossenen zweiten Abgasleitung (12) angeordnet
ist und über ein Zahnradgetriebe (1) aus den Abgasen gewonnene Energie auf die Kurbelwel
le (10) des Motors überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise als
Abgasklappe ausgeführte Abgasbremsdrosselung (6) in einer dritten, am Auslaß der
Kraftturbine angeschlossenen Abgasleitung (13) angeordnet ist.
2. Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnradge
triebe (1) der Kraftturbine mechanisch arbeitet und eine zum Ausgleich von Unterschieden
zwischen den Drehzahlen von Kraftturbine (2) und Kurbelwelle (10) dienende Flüssigkeits
kupplung (16) umfaßt.
3. Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abgastur
bolader der Turbinenteil (3) und der von diesem angetriebene Verdichterteil (4) auf ein und
derselben Welle (19) angeordnet sind.
4. Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasbrems
drosselung (6) in ihrer Schließstellung im wesentlichen dicht schließend und ohne vorgegebe
ne Leckspalte ausgeführt ist.
5. Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasbrems
drosselung (6) von einer Servoeinrichtung (18) mit vorgegebenem Kraftniveau in geschlosse
ner Stellung gehalten wird und öffnen kann, wenn der Abgasdruck ein diesem Kraftniveau
entsprechendes Niveau übersteigt.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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SE9401651-6 | 1994-05-13 | ||
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ID=20393989
Family Applications (1)
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