DE2207221A1

DE2207221A1 - Brennkraftmaschine mit abgasturbine und von dieser angetriebenem ladergeblaese

Info

Publication number: DE2207221A1
Application number: DE2207221A
Authority: DE
Inventors: Kurt Chabek; Karl-Heinz Dipl Ing Dr Lange; Valentin Schaeffer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 1972-02-16
Filing date: 1972-02-16
Publication date: 1973-09-27

Description

Dr.-lng. h. c. F. PORSCHE KG · 7 STUTTGART-ZUFFFJN HAUSEN ■ PORSCHESTRASSE 42 λ λ λ

Brennkraftmaschine mit Abgasturbine und von dieser angetriebenem Ladergebläse Q

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbine und von dieser angetriebenem Ladergebläse, das Verbrennungsluft in eine Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine fördert.

Bei Brennkraftmaschinen der genannten Ar.t werden die in den Abgasen enthaltenen Energien in Abgasturbinen zum Antrieb von Ladeeinrichtungen nutzbar gemacht, wodurch die Leistung der Brennkraftmaschinai erhöht werden.

Es sind Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader bekannt (DT-OS 1 526 443), bei denen die verdichtete Luft durch eine Leitung vom Ladergebläse der Brennkraftmaschine zugeführt wird und durch ein Auspuffrohr die Abgase von der Brennkraftmaschine zur Abgasturbine geleitet werden, wobei die Leitungen nicht miteinander verbunden sind. Hierbei hat sich als nachteilig erwiesen, daß im Brennkraftmaschinen-Schubbetrieb, z.B. beim Anbremsen oder Gaswegnehmen, der Abgasturbine nur noch die Leerlaufabgasenergie zugeführt wird, wodurch die Drehzahl des Turboladers sofort erheblich abfällt. Das Abfallen der Drehzahl wird dadurch unterstützt, daß bei geschlossener Brennkraftmaschinen-Drosselklappe der Ladedruck stark ansteigt. Dieser Drehzahlabfall hat zur Folge, daß beim öffnen der Brennkraftmaschinen-Drosselklappe - also während eines Beschleunigungsvorganges - nicht sofort die volle Brennkraftmaschinenleistung zur Verfügung steht, da der Turbolader durch die nun zugeführte größere Abgasenergie erst wieder auf die für die volle Brennkraftmaschinenleistung erforderliche Drehzahl beschleunigt werden muß,

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Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, einen raschen Drehzahlabfall des Turboladers beim Schließen der Brennkraftmaschinen-Drosselklappe zu unterbinden und das Beschleunigungsverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbine und von dieser angetriebenem Ladergebläse, das Verbrennungsluft in eine Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine fördert, dadurch gelöst, daß die Ladeluftleitung eine das Ladergebläse und die Abgasturbine unter Umgehung der Brennkraftmaschine verbindende Umluftleitung aufweist, in der ein von dem Leistungsregelorgan der Brennkraftmaschine gesteuertes Regelorgan angeordnet ist. Vorteilhaft ist, daß das Leistungsregel organ der Brennkraftmaschine und das Regelorgan in der Umluftleitung durch ein Gestänge derart miteinander verbunden sind, daß bei geschlossenem Leistungsregelorgan der Brennkraftmaschine das Regelorgan in der Umluftleitung diese öffnet und bei geöffnetem Leistungsregelorgan in der Umluftleitung diese schließt. Ebenfalls hat sich als günstig erwiesen, daß das Leistungsregelorgan der Brennkraftmaschine und das Regelorgan in der Umluftleitung durch ein Gestänge derart miteinander verbunden sind, daß in allen Betriebsbereichen des Leistungsregelorganes der Brennkraftmaschine das Regelorgan in der Umluftleitung diese teilweise geöffnet hält und beim schnellen Verstellen des Leistungsregelorganes der Brennkraftmaschine zur Erhöhung der Leistung der Brennkraftmaschine das Regelorgan in der Umluftleitung diese schließt. Hierbei ist in das Gestänge eine Verzögerungseinrichtung eingesetzt, der eine Druckfeder zugeordnet ist, wodurch die Umluftleitung beim schnellen Verstellen des Leistungsregelorganes der Brennkraftmaschine durch das Regelorgan nur für eine vorbestimmte Zeit geschlossen wird. Die Stellung des Regelorgane s in der Umluftleitung bei teilweise geöffneter Umluftleitung ist durch einen Anschlag festgelegt, der über ein Gestänge mit dem Leistungsregelorgan der Brennkraftmaschine verbunden ist, wodurch die Stellung des Regelorganes bei teilweise geöffneter Umluftleitung abhängig ist von der Stellung des Leistungsregelorganes der Brennkraftmaschine. Besonders

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vorteilhaft ist hierbei, daß das Ladergebläse überdimensioniert ausgelegt ist und bei teilweise geöffneter Umluftleitung stets eine von der Stellung des Regelorganes in der Umluftleitung abhängige Luftmenge dem Abgasstrom zugeleitet wird, wobei vor oder hinter der Abgasturbine 5 ein oder mehrere Katalysatoren oder Reaktoren 32 angeordnet sind, denen diese Luft als Zusatzluft zugeführt wird. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist, daß in der Urnluftleitung in Strömungsrichtung der Ladeluft hinter dem Regelorgan eine eine Zündkerze aufweisende Brennkammer angeordnet ist, und daß das Regelorgan mit einer Regeleinrichtung verbunden ist, die in Abhängigkeit von dem Regelorgan der Brennkammer Brennstoff zuführt, wobei die Regeleinrichtung durch ein in Abhängigkeit von dem Regelorgan gesteuertem Potentiometer und einem ein Einspritzventil in Abhängigkeit vom Potentiometer steuerndes Steuergerät gebildet wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine aufgeladene Brennkraftmaschine erhalten wird, deren Beschleunigungsvermögen insbesondere aus dem Schubbetrieb heraus erheblich verbessert wird. Ferner wird ein schnelles Abfallen des Ladedruckes des Abgasturboladers in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine unterbunden, so daß immer die volle Leistung der Brennkraftmaschine vorhanden ist.

In den Zeichnungen, durch die drei Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht werden, sind

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Abgasturboladeranordnung und einer beispielsweisen Steuerung der Regelorgane,

Fig. 2 eine Ausführung der Erfindung mit einer weiteren Möglichkeit der Steuerung der Regelorgane und

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung mit einer zusätzlichen Brennkammer in der Umluftleitung.

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Die Brennkraftmaschine 1 wird mit Ladeluft höheren Druckes gegenüber der Atmosphäre über eine Ladeluftleitung 2 von einem Ladergebläse 3 eines Abgasturboladers 4 versorgt. Das Ladergebläse 3 wird durch eine Abgasturbine 5 angetrieben, die vom Abgasstrom der Abgasleitung 6 beaufschlagt wird. Eine Umluftleitung 7 ist mit der Ladeluftleitung 2 und der Abgasleitung 6 so verbunden, daß deren Mündungsstellen 8, 9 in die Leitungen 2 und 6 einmünden. Zwischen der Mündungsstelle 8 der Umluftleitung 7 und dem Einlaß der Ladeluftleitung 2 in die Brennkraftmaschine 1 ist in diese ein Leistungsregelorgan, z.B.. eine Drosselklappe 10 eingesetzt, die durch ein Gestänge, bestehend aus einem Gestängeteil 11, das an einem Ende eines mit der Drosselklappe 10 verbundenen Hebels 12 angelenkt ist, mit einem nicht dargestellten Gaspedal verbunden ist. Ein weiteres Regelorgan, z.B. eine Drosselklappe 13 ist in der Umluftleitung 7 angeordnet und ist durch das Gestängeteil 14, welches an dem mit der Drosselklappe 13 verbundenen Hebel 15 und dem Hebel 12 angelenkt ist, mit der Drosselklappe 10 verbunden. Die Drosselklappe 10 ist auf einer Achse 16 und die Drosselklappe 13 auf einer Achse 17 drehbar angeordnet. Die Anordnung der Drosselklappen ist derart gewählt, daß bei geschlossener Drosselklappe 10 die Drosselklappe 13 die in der Fig. 1 gezeigte Lage einnimmt. In dem gleichen Maße, um das die Drosselklappe 10 geöffnet wird, schließt die Drosselklappe 13 den Umluftkanal 7, so daß bei vollständig geöffneter Drosselklappe 10 der Umluftkanal 7 durch die Drosselklappe 13 verschlossen ist.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 werden die Abgase über die Abgasleitung 6 der Abgasturbine 5 zugeführt, durch die das Ladergebläse 3 angetrieben wird. Durch das Ladergebläse 3 wird über dessen Ansaugstutzen Frischluft angesaugt, verdichtet und durch die Ladeluftleitung 2 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Ist die Brennkraftmaschine 1 im Vollastbereich, so ist die Drosselklappe 10 in der Ladeluftleitung voll geöffnet und die Drosselklappe 13 in der Umluftleitung 7 geschlossen, so daß der volle Ladedruck der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Wird die Brennkraftmaschine im

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Schubbereich betrieben, so ist die Drosselklappe 10 geschlossen und die Drosselklappe 13 voll geöffnet, so daß die Ladeluft über die Umluftleitung 7 der Abgasturbine 5 zugeführt wird, wodurch ein plötzliches Abfallen der Drehzahl des Ladergebläses unterbunden wird. Wird die Brennkraftmaschine 1 nun wieder im Vollastbereich betrieben, so steht dieser sofort der volle Ladedruck des Ladergebläses zur Verfügung.

Weitere Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung sind darin zu sehen, die Betätigung der Drosselklappe 13 durch hydraulische oder pneumatische Mittel vorzunehmen, bzw. die Betätigung durch einen elektrischen Impuls auszulösen.

In der Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus der Abgasturboladeranordnung der Fig. 1 mit einer weiteren Steuerungsmöglichkeit der Drosselklappen 10 und 13 dargestellt. Auf der Achse 16 ist ein Hebel 18 drehfest angeordnet, an dem die Gestängeteile 11, 19 und 20 angelenkt sind. Das Gestängeteil 20 ist über eine Verzögerungseinrichtung 21, die beispielsweise aus einem mit dem Gestängeteil 20 fest verbundenen Hydraulikzylinder 22 und einem mit einem Gestängeteil 23 fest verbundenen Kolben 24, der Durehflußbohrungen 25 für die Hydraulikflüssigkeit 26 aufweist, mittels des Hebels 15 mit der Drosselklappe 13 verbunden. Das Gestängeteil 19 ist drehbar mit einem Gestängeteil 27 verbunden, welches schwenkbar am Umluftkanal 7 angeordnet ist. An dem Gestängeteil ist ein Anschlag 28 befestigt, der mit einem mit dem Gestängeteil 23 fest verbundenen Anschlag 29 zusammenarbeitet. Zwischen dem Anschlag 29 und einem am Umluftkanal ortsfest angeordneten Anschlag 30 ist eine Druckfeder 31 angeordnet, mittels deren Federkraft der Anschlag 29 gegen den Anschlag 28 gedrückt wird. Durch den Anschlag 28 wird die Drosselklappe 13 in der dargestellten Stellung gehalten, so daß eine bestimmte Luftmenge des in diesem Ausführungsbeispiel überdimensioniert ausgelegten Ladergebläses über dem Umluftkanal 7 der Abgasturbine zugeführt wird. Zwischen der Brennkraftmaschine 1 und der Abgasturbine 5 ist ein Katalysator oder Reaktor 32 in die Abgasleitung 6 eingenetzt, in den diese Luftmenge als Frischluft zwecks Nachverbrennung der Abgase

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eingeblasen wird.

Wird die Brennkraftmaschine durch schnelles Betätigen des Gasgestänges 11 beschleunigt, so dreht sich der Hebel 18 um die Achse 16 in Pfeilrichtung A, die Drosselklappe 10 öffnet die Ladeluftleitung 2 und das Gestänge 20 zieht den Hydraulikzylinder 22 nach rechts. Durch das schnelle Verschieben des Hydraulikzylinders 22 kann die Hydraulikflüssigkeit 26 nicht schnell genug durch die derart bemessenen Durchflußbohrungen 25 entweichen, so daß ebenfalls der Kolben 24 mit dem Gestängeteil 23 entgegen der Federkraft der Druckfeder 31 nach rechts bewegt wird, wodurch die Drosselklappe 13 den Umluftkanal 7 schließt. In dieser Stellung wird die gesamte Ladeluft der Brennkraftmaschine 1 zugeführt, wodurch eine gerade beim schnellen Beschleunigen notwendige Leistungssteigerung möglich wird. Der aus dem Pederdruck der Druckfeder 31 resultierende Druck in dem Hydraulikzylinder 22 wird durch die durch die Durchflußbohrungen 25 entweichende Hydraulikflüssigkeit abgebaut, so daß die Druckfeder den Anschlag 29 wieder an den Anschlag 28 zurückführt und die Drosselklappe 13 die gezeigte Stellung einnimmt. Beim Verdrehen des Hebels l8 wurde gleichzeitig das Gestängeteil 19 nach rechts bewegt, wodurch der Anschlag 28, um seinen Anlenkpunkt an der Umluftleitung schwenkend, verstellt wird. Dadurch ist es möglich, die Stellung der Drosselklappe 13 in der Lage, in der sie den Umluftkanal teilweise öffnet, in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage der Drosselklappe 10 zu steuern. Wird die Drosselklappe 10 mittels des Gasgestänges 11 zum Beschleunigen der Brennkraftmaschine 1 langsam verdreht, so wird der Hydraulikzylinder 22 so langsam nach rechts bewegt, daß die Hydraulikflüssigkeit 26 durch die Durchflußbohrungen 25 entweichen kann, ohne daß sich ein Druck in dem Hydraulikzylinder aufbauen kann, der ein Schließen der Drosselklappe 13 bewirkt.

In der in Pig. 3 gezeigten Abgasturboladeranordnung wird die Ladeluftleitung 2' und die Abgasleitung 6' durch eine Umluftleitung 33 miteinander verbunden. Die Drosselklappen 10 und

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sind durch die Hebel 34 und 35 sowie das Gestängeteil 36 miteinander verbunden und werden durch das Gasgestänge 37 verstellt. Die Drosselklappe 13 ist weiter mit einer Regeleinrichtung 38, die durch ein Potentiometer 39 gebildet wird, verbunden. Eine in die Kurzschlußleitung 33 eingesetzte Brennkammer 40 weist eine Zündkerze 4l und ein Einspritzventil auf, das über ein elektromagnetisches Steuergerät 43 angesteuert wird. Eine Kraftstoffleitung 44 verbindet das Steuergerät 43 und das Einspritzventil 42 mit einer nicht näher dargestellten Kraftstoffpumpe der Brennkraftmaschine 1. Über eine elektrische Steuerleitung 45 wird das Steuergerät 43 von dem Potentiometer 39 angesteuert, das mit einer Stromquelle 46 des Fahrzeuges verbunden ist. Die zur Zündung der Zündkerze 41 der Brennkammer 40 benötigte Zündspannung wird der nicht näher dargestellten Zündanlage der Brennkraftma- schine 1 entnommen.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 werden die Abgase über die Abgasleitung 6' der Abgasturbine 5 zugeführt, durch die das Ladergebläse 3 angetrieben wird. Durch das Ladergebläse 3 wird über dessen Ansaugstutzen Frischluft angesaugt, verdichtet und durch die Ladeluftleitung 2' der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Ist beispielsweise die Brennkraftmaschine 1 im Vollastbereich, so ist die Drosselklappe 10 der Ladeluftleitung 2¹ voll geöffnet und die Drosselklappe 13 der Kurzschlußleitung 33 geschlossen, so daß der volle Ladedruck für die Brennkraftmaschine 1 zur Verfügung steht. Wird die Brennkraftmaschine 1 im Schubbereich betrieben, so ist die Drosselklappe 10 geschlossen und die Drosselklappe 13 geöffnet. Dadurch wird die Ladeluft über die KurzoChlußleitung 33 der Brennkammer 40 zugeführt. Durch die Öffnungsbewegung der Drosselklappe 13 wird gleichzeitig das Potentiometer 39 betätigt, wodurch über die Steuerleitung 45 das Steuergerät angesteuert und der Kraftstoffzufluß zu dem Einspritzventil 42 geöffnet wird. Durch die Zündkerze 4l wird der mit der Ladeluft vermischte Kraftstoff in der Brennkammer 40 entzündet und verbrannt. Die verbrennenden und dadurch expansierenden Gase strömen in die Abgasleitung 6' und treiben die

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Abgasturbine 5 an. Die dadurch erzwungene Drehzahlerhöhung des Ladergebläses steht nun beim Übergang in den Vollastbereich der Brennkraftmaschine 1 zur Verfügung, so daß ein erhöhter Ladedruck des Ladergebläses wirksam wird. In diesem Betriebszustand ist die Drosselklappe 10 nach Betätigen des Gaspedals wieder geöffnet und die. Drosselklappe 13 geschlossen, so daß das Potentiometer 39 den Stromzufluß zu dem Steuergerät 43 unterbindet. Dadurch erhält das Einspritzventil 42 keinen Kraftstoff mehr und die Brennkammer 40 wird außer Betrieb gesetzt. Der Punktionsablauf der Drosselklappe 13 ist auch in den Teillastbereichen zwischen dem Schubbetrieb und dem Vollastbereich der Brennkraftmaschine 1 derselbe, so daß diese Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine nicht näher erläutert werden.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung ist darin zu sehen, die Brennkammer derart anzuordnen, daß der zur Zündung des Gemisches notwendige heiße Zündpunkt durch den über die entsprechende Stelle der Brennkammer geleiteten heißen Abgasstrom der Brennkraftmaschine geschaffen wird.

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Claims

Schutzrechtsansprüche

Il.)Brennkraftmaschine mit Abgasturbine und von dieser angetriebenem Ladergebläse, das Verbrennungsluft in eine Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine fördert, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeluftleitung (2, 2') eine das Ladergebläse O) und die Abgasturbine (5) unter Umgehung der Brennkraftmaschine (1) verbindende Umluftleitung (7* 33) aufweist, in der ein von dem Leistungsregelorgan (10) der Brennkraftmaschine (1) gesteuertes Regelorgan (IJ) angeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsregelorgan (10) der Brennkraftmaschine (1) und das Regelorgan (13) in der Umluftleitung (7) durch ein Gestänge (12, 14, 15) derart miteinander verbunden sind, daß bei geschlossenem Leistungsregelorgan (10) der Brennkraftmaschine (1) das Regelorgan (Ij) in der Umluftleitung (7) diese öffnet und bei geöffnetem Leistungsregelorgan (13) in der Umluftleitung (7) diese schließt.
3» Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsregelorgan (10) der Brennkraftmaschine (l) und das Regelorgan (13) in der Umluftleitung (7) durch ein Gestänge (15, 18, 19, 20, 23, 27) derart miteinander verbunden sind, daß in allen Betriebsbereichen des Leistungsregelorganes (10) der Brennkraftmaschine (1) das Regelorgan (13) in der Umluftleitung (7) diese teilweise geöffnet hält und beim schnellen Verstellen des Leistungsregelorganes (10) der Brennkraftmaschine (1) zur Erhöhung der Leistung der Brennkraftmaschine (1) das Regelorgan (IJ) in der Umluftleitung (7) diese schließt.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gestänge (15, 18, 19, 20, 23, 27) eine Verzögerungseinrichtung (21) eingesetzt ist, der eine Druckfeder (31) zugeordnet ist, wodurch die Umluftleitung (7) beim schnellen Verstellen des Leistungsregelorganes (10) der Brennkraftmaschine (1) durch das Regelorgan (13) nur für eine vorbestimmte Zeit geschlossen wird.

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5· Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung des Regelorganes (13) in der Umluftleitung (7) bei teilweise geöffneter Umluftleitung (7) durch einen Anschlag (28) festgelegt 1st, der über ein Gestänge (18, 19, 27) mit dem Leistungsregelorgan (10) der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist, wodurch die Stellung des Regelorganes (13) bei teilweise geöffneter Umluftleitung (7) abhängig ist von der Stellung des Leistungsregelorganes (10) der Brennkraftmaschine (l).
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 3* 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladergebläse (3) überdimensioniert ausgelegt ist und bei teilweise geöffneter Umluftleitung (7) stets eine von der Stellung des Regelorganes (13) der Umluftleitung (7) abhängige Luftmenge dem Abgasstrom zugeleitet wird, wobei vor oder hinter der Abgasturbine (5) ein oder mehrere Katalysatoren oder Reaktoren 32 angeordnet sind, denen diese Luft als Zusatzluft zugeführt wird.
7· Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umluftleitung (33) in Strömungsrichtung der Ladeluft hinter dem Regelorgan (13) eine eine Zündkerze (4l) aufweisende Brennkammer (40) angeordnet ist, und daß das Regelorgan (13) mit einer Regeleinrichtung (38) verbunden ist, die in Abhängigkeit von dem Regelorgan (13) der Brennkammer (40) Brennstoff zuführt.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (38) durch ein in Abhängiglei t von dem Regelorgan (13) gesteuerten Potentiometer (39) und einem ein Einspritzventil (42) in Abhängigkeit vom Potentiometer (39) steuerndes Steuergerät (43) gebildet wird.

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