DE19637571A1

DE19637571A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Kompressor

Info

Publication number: DE19637571A1
Application number: DE19637571A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Pleimling
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 1996-09-14
Filing date: 1996-09-14
Publication date: 1998-03-19

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse und zumindest einer Zylindereinheit, die ein Ansaugsystem aufweist, dem von der Verdichterturbine eines Abgasturboladers Verbrennungsluft zuführbar ist, wo bei die Verbindungsleitung zwischen der Verdichterturbine des Abgasturbola ders und der Ansaugleitung zusätzlich mit dem Eingang eines weiteren Luft verdichters verbindbar ist und ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechend ausgebildeten Brennkraftmaschine.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der EP-A 0 369 189 bekannt. Diese Brennkraftmaschine ist zum Antrieb eines Personenkraftwagens vorgesehen und soll mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben werden. Zwischen dem Abgasturbolader und dem weiteren Luftverdichter ist eine Überschuß-Rückführ leitung vorgesehen, über die beim Überschreiten eines maximal zulässigen Ladedrucks die von dem Abgasturbolader erzeugte überschüssige Ladeluft auf die Saugseite des weiteren Luftverdichters geleitet wird. Dadurch kann eine Reduzierung der Antriebsleistung des weiteren Luftverdichters, der ansonsten mechanisch angetrieben ist, und ggfs. sogar ein Rückgewinn an mechanischer Arbeit durch den Betrieb des weiteren Luftverdichters als Kraftmaschine be wirkt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine anzugeben, de ren Betrieb über die geschilderten Vorteile beim Stand der Technik hinaus weiter optimiert ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend der ausgeführten Brennkraftmaschine da durch gelöst, daß der Luftverdichter ein Kompressor ist, an den ein Fremdluft verbraucher anschließbar ist. Dabei wird der Abgasturbolader so ausgelegt, daß ein wesentlich höherer Ladedruck erzeugt werden kann, als von der Brennkraftmaschine benötigt wird. Diese über die benötigte Ladeluft bereitge stellte Überschußluft wird dem Eingang des als Kompressor ausgebildeten Luftverdichter zugeführt. Die Baueinheit aus Brennkraftmaschine und Kom pressor ist beispielsweise auf Baustellen zum Betrieb von Luftverbrauchern, wie Stemmwerkzeugen oder sonstigen luftbetriebenen Arbeitsgeräten einsetz bar. Ein wesentlicher Unterschied gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, daß durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wirkungsgrad ins gesamt deshalb gesteigert werden kann, weil die erzeugbare Überschußluft zum Antrieb von Fremdgeräten verwertet wird, während beim eingangs disku tierten Stand der Technik die erzeugbare Überschußluft ausschließlich zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwertbar ist, d. h. in vielen Betriebszustän den wird die Überschußluft abgeblasen.

In Weiterbildung der Erfindung ist in die Verbindungsleitung zwischen der Verdichterturbine und der Ansaugleitung ein Regelventil eingeschaltet, daß eine Aufteilung des verdichteten Luftstroms in die Ansaugleitung und in den Kompressor steuert. Dieses Regelventil steuert bei Erreichen eines definierten Druckes hinter der Verdichterturbine derart, daß die über die benötigte Ladeluft zum Betrieb der Brennkraft hinausgehend erzeugte Überschußluft zu dem Kompressor abgeleitet wird. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in die Luftzufuhrleitung von dem Regelventil zu dem Kompressor ein Schaltor gan eingesetzt, das den Lufteingang in den Kompressor von dem Regelventil zu einem Atmosphäreneingang umsteuern kann. Dieses Schaltorgan ist so eingestellt, daß - wenn die von der Verdichterturbine erzeugte Ladeluft aus schließlich zum Betrieb der Brennkraftmaschine benötigt wird und somit von dem Regelventil keine Überschußluft zu dem Kompressor geleitet wird, das Schaltorgan den Lufteingang zu dem Atmosphäreneingang - also einem freien Ansaugen - umsteuert. Sobald aber das Regelventil Überschußluft mit einem Druck in die Luftzufuhrleitung ableitet, der über dem Atmosphärendruck liegt, wird das Schaltorgan so eingestellt, daß diese erzeugte Überschußluft voll ständig dem Kompressor zugeführt wird. Reicht die geförderte Überschußluft menge in einem Übergangsbereich nicht aus, kann zusätzlich von dem Atmo sphäreneingang Luft angesaugt werden.

Hierzu in Weiterbildung der Erfindung das Schaltorgan als Strahlpumpe gege benenfalls mit integriertem Schaltventil ausgebildet. Dabei wird die Strahl pumpe von der von dem Regelventil abgezweigten Überschußluft betrieben. Der Kompressor ist im übrigen so ausgelegt, daß er sowohl mit vorverdichteter Luft - also Überschußluft aus der Verdichterturbine - als auch mit atmosphäri schem Druck auf der Saugseite - also mit aus dem Atmosphäreneingang ange saugter Luft - betrieben werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung ist dem ersten Abgasturbolader ein zweiter Ab gasturbolader vorgeschaltet. In diesem Falle sind der erste Abgasturbolader und der zweite Abgasturbolader so abgestimmt, daß sowohl die gewünschten Luftmengen als auch die angestrebten Drücke erreicht werden. Insbesondere bei dieser Ausbildung können bei Bedarf ausgangsseitig der Verdichterturbine des zweiten Abgasturboladers und ausgangsseitig der Verdichterturbine des ersten Abgasturboladers Zwischenkühler eingesetzt sein. Durch diese Zwi schenkühler wird die verdichtete Luft in bekannter Art und Weise abgekühlt.

In Weiterbildung der Erfindung ist dem Kompressor ein Druckspeicher nachge schaltet. Dieser Druckspeicher wird während des Betriebs der Brennkraftma schine mit Luft gefüllt. Dabei ist der Druckspeicher in Weiterbildung der Erfin dung mit dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine über ein Steuerventil verbunden. Die Brennkraftmaschine wird zum Anfahren wie zuvor beschrieben betrieben. Bei Erreichen eines bestimmten Druckes in dem Druckspeicher wird über das Regelventil der Ausgang der Verdichterturbine ausschließlich auf den Lufteingang in den Kompressor geschaltet und die Brennkraftmaschine wird über das Steuerventil mit Ladeluft aus dem Drückspeicher versorgt. Der Lade luftdruck wird entsprechend dem leistungsabhängigen Bedarf der Brennkraft maschine über das Steuerventil geregelt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher be schrieben sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Variante mit einem Abgasturbolader und einem Kompres sor,

Fig. 2 eine Variante mit zwei Abgasturboladern und einem Kompressor und

Fig. 3 eine Variante mit einem Abgasturbolader, einem Kompressor und einem nachgeschalteten Druckspeicher.

Eine Brennkraftmaschine 1 nach Fig. 1 ist in bekannter Bauweise mit einem Kurbelgehäuse ausgestattet und weist zumindest eine, vorzugsweise vier oder sechs Zylindereinheit(en) auf. Diesen Zylindereinheiten wird über ein Einspritz system Brennstoff zugeführt, wobei die nötige Verbrennungsluft über ein An saugsystem den einzelnen Brennräumen der Zylindereinheiten zugeführt wird. Das Abgas verläßt die Zylindereinheiten über eine Abgasleitung. An der in dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine 1 drehbar gelagerten Kurbelwelle ist eine Antriebswelle 2 befestigt, die den Verdichter eines Kompressors 3 an treibt. Dabei bilden die Brennkraftmaschine 1 und der Kompressor 3 eine Bau einheit, die beispielsweise als bewegliche oder fahrbare Einheit beispielsweise im Baubereich oder auch allgemein in der Industrie zum Betrieb von Luftver brauchern wie Stemmwerkzeugen oder sonstigen luftbetriebenen Arbeitsgerä ten einsetzbar ist.

An das Abgassystem der Brennkraftmaschine 1 ist eine Abgasleitung 4a ange schlossen, die unter Einschaltung eines Absteuerventils 5 mit der Abgasturbine 6 eines Abgasturboladers 7 verbunden ist. Dabei steuert das Absteuerventil 5 eine Bypassleitung 8, die die Abgasleitung 4a vor der Abgasturbine 6 mit einer weiterführenden Abgasleitung 4b hinter der Abgasturbine 6 verbindet. Gesteu ert wird das Absteuerventil 5 in bekannter Weise in Abhängigkeit von Parame tern der Brennkraftmaschine 1, des Abgasturboladers 7 und der entsprechen den Luftströme. Dabei wird dem Absteuerventil 5 beispielsweise über eine Si gnalleitung 9 der von einem Sensor in einer nachfolgend erläuterten Verbin dungsleitung 10 gemessene Luftstrom und Luftdruck übermittelt. Die von der Abgasturbine 6 des Abgasturboladers 7 über eine Welle 11 angetriebene Ver dichterturbine 12 saugt Verbrennungsluft aus der Umgebung an und führt diese verdichtete Verbrennungsluft als Ladeluft über die Verbindungsleitung 10 dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine 1 zu. In die Verbindungsleitung 10 ist bei Bedarf ein Ladeluftkühler 13 eingeschaltet. Weiter ist in die Verbindungslei tung 10 ein Regelventil 14 eingesetzt, das über eine Luftzufuhrleitung 15 mit dem Lufteingang des Kompressors 3 verschaltet ist. Das Regelventil 14 ist stufenlos so schaltbar, daß der von der Verdichterturbine 12 gelieferte verdich tete Luftstrom in beliebigen Mengenströmen zu dem Ansaugsystem der Brenn kraftmaschine 1 und der Luftzufuhr zu dem Kompressor ausgeteilt werden kann. In die Luftzufuhrleitung 15 ist schließlich ein Schaltorgan 16 eingesetzt, daß bei Bedarf den Lufteingang in den Kompressor von dem Regelventil 14 zu einem Atmosphäreneingang 17 umsteuert. Dabei kann das Schaltorgang 16 als Strahlpumpe ggfs. mit einem integrierten Schaltventil ausgebildet sein. An den Luftausgang 18 des Kompressors 3 sind beliebige luftverbrauchende Werk zeuge oder Geräte anschließbar.

Ergänzend ist in der Fig. 2 eine zweiter Abgasturbolader 7′ vorgesehen, der additiv zu dem ersten Abgasturbolader 7 geschaltet ist. Dadurch wird die Ab gasenergie zweifach ausgenutzt bzw. eine zweistufige Ladeluftverdichtung er möglicht.

In Fig. 3 ist dem Kompressor 3 ein Druckspeicher 19 zugeordnet, dem die aus dem Luftausgang 18 kommende Luft ggfs. über einen Kühler 20 abgekühlt zu geführt wird. Aus diesem Druckspeicher 19 ist dann die Luft bei Bedarf ent nehmbar, wobei diese über einen Luftausgang 18′ auch dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine 1 zuführbar ist. Zur Mengensteuerung ist ein Steuer ventil 21 vorgesehen.

Zur allgemeinen Funktion der Erfindung ist festzuhalten, daß der bzw. die Ab gasturbolader 7, 7′ so ausgelegt ist/sind, daß ein wesentlich höherer Luftstrom lieferbar ist, als von der Brennkraftmaschine 1 zum Betrieb benötigt wird. Die ser "überschüssige" Luftstrom wird einem von der Brennkraftmaschine 1 be triebenen Kompressor 3 zugeführt. Der Kompressor 3 weist somit gegenüber einem freien Ansaugen aus der Umgebung einen höheren Luftfördergrad auf. Dabei kann das Gesamtsystem aber in beliebiger Art abgestimmt sein. So ist es möglich - wie zuvor ausgeführt - das System auf einen erhöhten Luftförder grad einzustellen oder aber auch bei unverändertem Luftfördergrad kann der Leistungsbedarf zum Antrieb des Kompressors 3 reduziert werden. Selbstver ständlich kann das System so ausgelegt sein, daß hier je nach Bedarf eine manuelle oder automatische Umstellung erfolgt.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse und zumindest einer Zy lindereinheit, die ein Ansaugsystem aufweist, dem von der Verdichterturbine eines Abgasturboladers Verbrennungsluft zuführbar ist, wobei die Verbin dungsleitung zwischen der Verdichterturbine des Abgasturboladers und der Ansaugleitung zusätzlich mit dem Eingang eines weiteren Luftverdichters verbindbar ist, da durch gekennzeichnet, daß der Luftverdichter ein Kompressor (3) ist, an den ein Fremdluftverbraucher anschließbar ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung (10) ein Regelventil (14) eingeschaltet ist, das eine Aufteilung des verdichteten Luftstroms in die Ansaugleitung und in den Kompressor (3) steuert.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Luftzufuhrleitung (15) von dem Regel ventil (14) zu dem Kompressor (3) ein Schaltorgan (16) eingesetzt ist, das den Lufteingang in den Kompressor (3) von dem Regelventil (14) zu einem Atmo sphäreneingang (17) umsteuert.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltorgan (16) als Strahlpumpe mit inte griertem Schaltventil ausgebildet ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abgasturbolader (7) ein zweiter Abgastur bolader (7′) vorgeschaltet ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kompressor (7, 7′) ein Druckspeicher (19) nachgeschaltet ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher (19) mit dem Ansaugsystem über ein Steuerventil (21) verbunden ist.

8. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Kurbelge häuse und zumindest einer Zylindereinheit, die ein Ansaugsystem aufweist, dem von der Verdichterturbine eines Abgasturboladers Verbrennungsluft zu führbar ist, wobei die Verbindungsleitung zwischen der Verdichterturbine des Abgasturboladers und der Ansaugleitung zusätzlich mit dem Eingang eines weiteren Luftverdichters verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasturbolader (7, 7′) so ausgelegt ist, daß der erzeugbare Ladeluftdruck höher als der von der Brennkraftmaschine (1) benötigte Ladeluftdruck ist und daß die über die benötigte Ladeluft erzeugte Überschußluft einem als Kompressor (3) ausgebildeten Luftverdichter zuführ bar ist.