DE19743751B4

DE19743751B4 - Turbo-Compound-Verbrennungsmotor mit Motorbremse

Info

Publication number: DE19743751B4
Application number: DE19743751A
Authority: DE
Inventors: Nils Olof Håkansson
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 1996-10-03
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2017-10-03
Also published as: SE9603618D0; SE9603618L; DE19743751A1; SE507506C2

Abstract

Turbo-Compound-Verbrennungsmotor, umfassend eine Einlassleitung (9, 20) und eine Abgasleitung (5, 7, 12), einen Turbokompressor (3) mit einer ersten Turbinenstufe (4), die mit der Abgasleitung gekoppelt ist und eine Verdichterstufe (8) in der Einlassleitung antreibt, und eine zweite Turbinenstufe (6), die auf der stromabwärts liegenden Seite der ersten Turbinenstufe angeordnet und über eine Übertragungseinrichtung (11) mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, eine Kompressionsbremseinrichtung (21), und Ventilmittel (14), die in der Abgasleitung stromaufwärts der zweiten Turbinenstufe angeordnet sind und bei oder nach der Aktivierung der Kompressionsbremseinrichtung eingestellt werden können, um den Gasstrom zur zweiten Turbinenstufe zu reduzieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilmittel (14) in einer Leitung (19) angeordnet sind, die auf der Ansaugseite der Verdichterstufe (8) in die Einlaßleitung (20) mündet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbo-Compound-Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Ein derartiger Motor ist aus der EP 0 477 579 A2 bekannt.
Es ist bekannt, daß die Motorbremsleistung eines Fahrzeuges erhöht werden kann, wenn der Verbrennungsmotor mit einer sogenannten Kompressionsbremseinrichtung (oder allgemein einer Motorbremse) ausgerüstet ist, mittels der die Verbrennungskammer des Motors im Bremsmodus während des letzten Abschnitts des Verdichtungstaktes mit dem Abgassystem verbunden ist, beispielsweise durch Öffnen der vorhandenen Abgasventile. Das Ergebnis wird sein, daß die verdichtete Luft während des Verdichtungshubs aus den Zylindern ausströmen wird und die während des Verdichtungshubs geleistete Verdichtungsarbeit während des Expansionshubes nicht wieder eingebracht werden kann, was somit zu einer Zunahme der Bremsleistung des Motors führt. Bei der Motorbremsung mit einem Turbo-Compound-Verbrennungsmotor ist es somit wünschenswert, die der mit der Motorkurbelwelle gekoppelten Antriebsturbine zugeführte Extraleistung zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren, um die maximale Bremsleistung zu erzielen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, ein Nebenventil in einer Nebenleitung anzuordnen, die stromaufwärts der Antriebsturbine von der Abgasleitung abzweigt und stromabwärts der Antriebsturbine in die Abgasleitung mündet. Während der Motorbremsung wird das Nebenventil geöffnet, so daß durch die Antriebsturbine eine größere oder geringere Abgasmenge durchgelassen und über den Auspuff und die Abgasleitung in die Atmosphäre abgegeben wird.
Aus der US 4 894 992 ist ein Turbo-Compound-Verbrennungsmotor bekannt, der eine Abgasrückführung aufweist.
Die DE 195 16 971 A1 beschreibt einen Verbrennungsmotor in Turbo-Compound-Ausführung mit Abgasbremse. Die Abgase treiben teils in einem Abgasturbolader einen Turbinenteil zum Antrieb eines Verdichterteils zwecks Verdichtung und Einspeisung der Verbrennungsluft an und teils eine Kraftturbine, die Restenergie aus den Abgasen über ein mechanisches Getriebe auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors überträgt. Durch Anordnung einer Abgasbremse in Abgasströmungsrichtung gesehen hinter der Kraftturbine wird bei einer vorgegebenen, begrenzenden zulässigen Abgastemperatur eine wesentlich verbesserte Bremsleistung erhalten.
Darstellung der Erfindung
Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht vor allem darin, einen Turbo-Compound-Verbrennungsmotor der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, mit dem eine höhere Motorbremsleistung als mit dem oben beschriebenen Verbrennungsmotor erzielt werden kann.
Dieses technische Problem wird durch einen Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein derartiger erfindungsgemäßer Motor zeichnet sich dadurch aus, daß die Ventilmittel in einer Leitung angeordnet sind, die auf der Ansaugseite der Kompressorstufe in die Einlaßleitung (oder dem Ansaugrohr) mündet.
Der sehr einfache Schritt des Anschliessens der Leitung vom Neben- oder Bypass-Ventil zur Einlaßleitung anstatt mit der Abgasleitung erbringt eine Reduzierung des Abgasstroms zur Antriebsturbine, ohne daß die Antriebsturbine umgangen wird. Alles Gas, das letztlich den Verbrennungsmotor verläßt, lief bisher durch die Antriebsturbine. Durch das Verbinden der Leitung mit dem Ventil mit der Einlaßleitung wird auf der stromabwärts liegenden Seite der Verdichterturbine ein niedrigerer Druck als der Atmosphärendruck erzielt, was einen größeren Druckverlust über die Kompressorturbine hinweg schafft als bei dem Stand der Technik, also der bekannten Ausgestaltung, wo immer ein Abgasgegendruck im Abgasdrucksystem vorhanden ist, so daß der Druck hier immer etwas höher ist als der atmosphärische Druck. Ein größerer Druckverlust führt aber zu einer höheren Verdichter- oder Kompressorladeleistung. Obwohl es zutrifft, daß im Bremsmodus während des Einlaßhubs die Kolben einer größeren Energie des Gases ausgesetzt sind, muß die Arbeit, die die Kolben während des Verdichtungshubes gegen das Gas ausführen, soviel größer werden, daß der Nettoeffekt eine höhere Bremsleistung sein wird.
Dadurch, daß während der Motorbremsung keine Einspritzung und Kraftstoffverbrennung stattfindet, werden sich keine Verbrennungsprodukte in dem Gas befinden, die ansonsten den Kompressor und den Ladeluftkühler beschädigen könnten. Das Gas ist aber in geeigneter Weise gekühlt, bevor es zur Einlaßseite eingeführt wird.
Wenn auch ein Staubseparator oder ein Staubfilter in der Leitung beabstandet vom Ventil angeordnet ist, kann das Ventil als ein sogenanntes EGR-Ventil (Abgasrückführventil) verwendet und während des Fahrmodus so gesteuert werden, daß es sich innerhalb des Lastintervalls des Verbrennungsmotors zur Abgasrückführung öffnet, wo dies zur Emissionsreduzierung nötig ist. Auf diese Weise erfüllt die Anordnung gemäß der Erfindung eine Doppelfunktion.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden ist zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:
die einzige Figur schematisch eine Turbo-Compound-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist ein Sechszylinder-Turbo-Compound-Verbrennungsmotor bzw. ein Misch- oder ein Verbundmotor 6 mit einem hieran angekoppelten Getriebe 2 ersichtlich. Ein allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichneter Turbokompressor umfaßt eine erste Turbinenstufe 4, die an dem Motorabgassammler 5 angeschlossen ist, und eine zweite Turbinenstufe 6, die an der Auslaßseite der Turbinenstufe 4 an eine Abgasleitung 7 angeschlossen ist. Die erste Turbinenstufe 4 ist eine kleine Hochdruckstufe, die einen Kompressor 8 in einer Lufteinlaßleitung 9, die einen Ladeluftkühler 10 umfaßt, antreibt, während die zweite Turbinenstufe 6 eine große Niedrigdruckstufe ist, die über eine Übertragungseinrichtung 11 mit der Motorkurbelwelle gekoppelt ist. Die Turbinenstufe 6 ist mit der Auslaßseite an eine einen Auspufftopf 13 umfassende Abgasleitung 12 angeschlossen. Über ein kontinuierlich variables Abgasauslaßventil (nicht gezeigt) (waste gate valve) kann der Abgasstrom durch die Hochdruck-Turbine 4 kontrolliert werden, um den Ladegrad des Kompressors 8 zu steuern. Ein pneumatisch gesteuertes Ventil 14 besitzt ein Ventilelement 16, das sich in einem Ventilgehäuse 15 bewegt, um in einer offenen Position eine Öffnung 17 in der Leitung 7 freizugeben, so daß Gas von der Leitung 7 über einen Auslaß 18 im Ventilgehäuse 15 zu einer Leitung 19 strömen kann, die in einen Einlaßleitungsabschnitt 20 zwischen einem Luftfilter 26 und dem Kompressor 8 mündet.
Der Motor ist mit einer schematisch angedeuteten Kompressionsbremseinrichtung – bzw. allgemein Motorbremse 21 ausgestattet, die derart sein kann, wie sie in der SE 466 320 gezeigt und beschrieben ist und mittels derer die Motorzylinder während des letzten Teils des Einlaßhubs wie auch während des letzten Teils des Verdichtungshubs mit dem Auspufftopf verbunden werden können, um den Motorbremseffekt zu erhöhen. Die Motorbremse 21 wird elektrisch betrieben, während das Ventil 14 über eine mit einer Druckluftquelle (nicht gezeigt) verbundene Steuerventileinheit 22 pneumatisch betätigt wird. Sowohl die Motorbremse 21 wie auch das Ventil 14 werden durch eine Steuereinrichtung 23 gesteuert, die vorzugsweise ein Mikroprozessor ist, der Ausgabesignale zum An- und Ausschalten der Motorbremse wie auch zum Einstellen des Ventils 14 in Erwiderung auf die vom Fahrer ausgehenden Kommandos aussendet. Dies bedeutet, daß, wenn der Fahrer die Motorbremse 21 aktiviert, sich das Ventil 14 zur gleichen Zeit öffnet, um Gas in der Leitung 7 zur Einlaßleitung 20 zu führen und hierdurch den Druckverlust über die Turbinenstufe 4 zu erhöhen, wie auch die Abgaszuführung zur Antriebsturbine 6 zu reduzieren, wodurch die Antriebsleistung der Antriebsturbine reduziert wird.
Das Ventil 14 ist vorzugsweise kontinuierlich zwischen einer vollständig geschlossenen und einer vollständig offenen Stellung veränderbar, um in einem normalen Fahrmodus zur Abgasrückführung verwendet zu werden, unter solchen Betriebsbedingungen (niedrige Geschwindigkeit, Teillast, etc.), bei denen eine Abgasrückführung (EGR) notwendig ist, um die Abgasemissionen auf einem zulässigen niedrigen Wert zu halten. Das Ventil 14 wird in einer an sich bekannten Art durch die Steuereinheit 23 gesteuert und zwar als Funktion verschiedener Fahrzeug- und Verbrennungsmotordaten, die der Steuereinheit zugeführt werden.
Um den Kompressor 8 und den Ladeluftkühler 10 gegen Überhitzen und Verschmutzen zu schützen, sind insbesondere während der Abgasrückführung in der Leitung 19 ein Staubseperator 24 bzw. Staubfilter und ein Kühler 25 angeordnet, durch die das rückgeführte Gas zum Reinigen und Kühlen strömt.

Claims

Turbo-Compound-Verbrennungsmotor, umfassend eine Einlassleitung (9, 20) und eine Abgasleitung (5, 7, 12), einen Turbokompressor (3) mit einer ersten Turbinenstufe (4), die mit der Abgasleitung gekoppelt ist und eine Verdichterstufe (8) in der Einlassleitung antreibt, und eine zweite Turbinenstufe (6), die auf der stromabwärts liegenden Seite der ersten Turbinenstufe angeordnet und über eine Übertragungseinrichtung (11) mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, eine Kompressionsbremseinrichtung (21), und Ventilmittel (14), die in der Abgasleitung stromaufwärts der zweiten Turbinenstufe angeordnet sind und bei oder nach der Aktivierung der Kompressionsbremseinrichtung eingestellt werden können, um den Gasstrom zur zweiten Turbinenstufe zu reduzieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilmittel (14) in einer Leitung (19) angeordnet sind, die auf der Ansaugseite der Verdichterstufe (8) in die Einlaßleitung (20) mündet.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühler (25) auf der Einlassseite der Verdichterstufe (8) zum Kühlen der Abgase, die durch die Ventilmittel (14) strömen, angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Staubseparator (24) oder Staubfilter zwischen den Ventilmitteln (14) und dem Kühler (25) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsbremseinrichtung (21) und die Ventilmittel (14) durch eine gemeinsame elektronische Steuereinrichtung (23) gesteuert werden.