DE2350784C2 - Aufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

3. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der im Stellzylinder (19) angeordnete Kolben (20) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Ladegebläses (7) betätigbar ist.

4. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellzylinder (19) mit einer Druckluftquelle (22) verbunden ist.

5. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des voll geöffneten Ringspalts (33) etwa gleich der Querschnittsfläche der Düse (14) ist.

6. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (14) als Einschnürung des Rohrschiebers (13) ausgebildet ist. deren Wand etwa parallel zur Wand (32) des Lufteinlaufs gegen die Achse geneigt ist.

7. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrschieber (13) in einem koaxial hierzu angeordneten Schalldämpfer (15) für den über den Ringspalt (33) führenden Strömungsweg verschiebbar gelagert ist.

8. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Rohrschieber (13) ein zentral angeordneter Innenzylinder (35) vorgesehen ist.

9. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Rohrschiebers (13), des Innenzylinders (35) und des Schalldämpfers (15) mit Filz verkleidet sind.

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit wenigstens einem von einer Abgasturbine angetriebenen Ladegebläse, das bei hoher Leistung Luft aus der Umgebung ansaugt und das bei niederer Leistung mittels eines in Serie vorgeschalteten Vorgebläses beaufschlagbar ist

Aus der DT-AS 1 102479 ist eine derartige Anordnung bekannt, bei der das Vorgebläse über eine relativ lange Luftleitung in eine mit Rückschlagldappen versehene Ventilkammer fördert, welche über einen Rohrstutzen mit der Saugseite des Ladegebläses verbunden ist Hierbei ist zu befürchten, daß die kinetische Energie des vom Vorgebläse geförderten Luftstroms in den Ventilkammern, weiche als Staukammem wirken, nahezu vollständig verlorengeht Sofern dabei nicht eine starke Vorverdichtung der Luft durch das Vorgebläse vorgesehen ist wirkt sich deshalb die Luftförderung durch das Vorgebläse nicht anders aus als irgendeine Erweiterung des Zuströmquerschnitts im Bereich der Ventilkammern. Ein starkes Vorgebläse ist bei der bekannten Anordnung zwar schon deshalb notwendig, weil hiervon die Brennkraftmaschine auch unter Umgehung des Turboladers ausreichend mit Luft versorgt werden soll. Ein starkes Vorgebläse weist jedoch einen hohen Leistungs- und Platzbedarf auf. Zudem ragen bei der bekannten Anordnung die an den Ventilkammern vorgesehenen Rückschlagklappen in geöffnetem Zustand mit ihrer ganzen Fläche in den Strömungsweg der vom Vorgebläse ankommenden Luft herein. Hierbei ist eine in strömungstechnischer Hinsicht enorm ungünstige gegenseitige starke Störung der beiden Luftströme zu befürchten. Weitere Energieverluste sind deshalb nicht zu vermeiden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Art mit vertretbarem Aufwand und geringem Platzbedarf unter weitestgehender Ausschaltung von Energieverlusten in dem vom Vorgebläse erzeugten Luftstrom eine ungestörte Zuströmung des von außen kommenden Luft-Stroms zu erreichen und eine strömungstechnisch günstige Vermischung der beiden Luftströme sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Vorgebläse mittels eines geraden Rohr-Schiebers an das Ladegebläse anschließbar ist, der zur Freigabe eines Ringspalts zwischen sich und einer ringförmigen Wand des Lufteinlaufs des Ladegebläses axial verstellbar ist und der auf der dem Lufteinlauf zugewanciten Seite eine Düse aufweist, deren Querschnittsfläche etwa gleich der Fläche des Saugmundquerschnitts des Ladegebläses ist. Durch die Düse am Ende des Rohrschiebers, in dem sich eine gerade gleichförmige Strömung ausbilden kann, wird die vom Vorgebläse gelieferte Luft gebündelt und mit hoher Geschwindigkeit direkt in den Saugmund des Ladegebläses eingespeist. Die dem Luftstrom auch mit einem kleinen, überall platzsparend verstaubaren Vorgebläse mitteilbare kinetische Energie bleibt deshalb nahezu voll erhalten, so daß sich ein sehr guter Wirkungsgrad ergibt. Bei geöffnetem Ringspalt wird durch die von dem mil hoher Geschwindigkeit in den Saugmund einströmenden Luftstrom ausgeübte Injektorwirkung zusätzlich benötigte Luft mitgerissen und beschleunigt. Dadurch, daß die Richtung des aus der Düse austretenden Luftstroms mit der Richtung des hiervon über den Ringspalt mitgerissenen Luftstroms annähernd übereinstimmt, ist eine ungestörte Zuströmung von Luft über den Ringspalt möglich und eine gegenseitige Störung der beiden Luftströme ausgeschlossen. Da der gemeinsame Weg der beiden Luftströme sehr kurz ist, ist auch auf diesem Weg eine Mischung und gegenseitige Störung nicht zu befürchten. Vielmehr findet erst im Laufrad des Ladegebläses, das eine gute Mischereigenschaft

hat, eine vollständige Vermischung statt Bei geschlossenem Ringspalt läßt sich die vom Vorgebläse gelieferte Luft auf Grund der Querschnittsverhältnisse ohne Wechsel von Verzögerungen und Beschleunigungen und damit ohne Energieverlust von der Düse id den Saugmund des Ladegebläses einspeisen.

Zweckmäßig ist die Querschnittsfläche des voll geöffneten Ringspalts etwa gleich der Düsenquerschnittsfläche. Hierdurch ergibt sich bei eingeschaltetem Vorgebläse im mittleren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine eine gute Saugwirkung auf den "'ber den Ringspalt ankommenden Luftstrom und im oberen LeistungsbTeich, in dem das Vorgebläse abgeschaltet ist. ein hinreichend starker Luftstrom durch das Vorgebläse, der dieses am Laufen hält und somit eine Beschädigung der Lager während großer Stillstandszeiten verhindert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Düse als Einschnürung des Rohrschiebers ausgebildet, deren Wand etwa parallel zur Wand des Lufteinlaufs gegen die Achse geneigt ist. Hierdurch lassen sich bei geschlossenem Ringspalt eine satte Anlage des Rohrschiebers an der Wand des Lufteinlaufs erzielen und bei geöffnetem Ringspalt genau übereinstimmende Strömungsrichtungen der beiden Lufiströme erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rohrschieber in einem koaxial hierzu angeordneten Schalldämpfer für den über den Ringspalt führenden Strömungsweg verschiebbar gelagert. Dies ergibt eine äußerst platzsparende Anordnung und ermöglicht durch die Schalldämpfung des äußeren Strömungswegs eine weitere Beruhigung des über den Ringspalt angesaugten Luftstroms. Vorteilhaft ist im Rohrschieber ein zentral angeordneter Innenzylinder vorgesehen. Hierdurch ergibt sich im Rohrschieber eine Reduktion der Spaltweite und damit ebenfalls eine Schalldämpfung. Zur Verstärkung der Reflexions- und Absorptionswirkungen sind die Wände des Rohrschiebers, des Innenzylinders und des Schalldämpfers zweckmäßig mit Filz verkleidet.

Die Erfindung ist im nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert. Hierbei zeigt

F i g. 1 eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung und

F i g. 2 einen Schnitt durch den Lufteinlaß des Ladegebläses.

In F i g. t ist mit 1 eine Brennkrjftmaschine, beispielsweise ein Schiffsmotor, bezeichnet, die über die Welle 2 Leinung abgibt. Die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 sind an eine Abgassammelleitung 4 angeschlossen, von der aus eine Abgasturbine 5 mit Abgas beaufschlagt wird. Über eine an die Abgasturbine 5 angeschlossene Auslaßleitung 6 werden die Abgase in die Atmosphäre entlassen. Die Abgasturbine 5 treibt ein Ladegebläse 7 an, von dem aus die Zylinder J über eine Ladeluftleitung 8 mit Ladeluft versorgt werden. Zur Kühlung der Ladeluft ist dem Ladegebläse 7 ein Kühler 9 nachgeschaltet. Aufgeladene Brennkraftmaschinen mit freisaugenden Ladegebläsen leiden bei geringem Turbinenwirkungsgrad, etwa im unteren Leistungsbereich, in welchem wenig Abgase mit niedriger Temperatur anfallen, an Luftmangel. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Luftversorgung auch im unteren Leistungsbereich ist im vorliegenden Beispiel dem Ladegebläse 7 ein hier fremdangetriebenes Vorgebläse 10 in Serie vorgeschaltet. Das Vorgebläse 10 ist zweckmäßig als Radialventilator mit einem direkt auf der Welle eines Drehstrommotors 11 angeordneten Verdichterrad ausgebildet Hierdurch ergibt sich eine einfache und kompakte Ausführung. Drehstrom ist eine an Bord von Schiffen stets vorhandene Energiequelle, welche eine von der Drehzahl der Brennkraftmaschine unabhängige, konstant hohe Drehzahl des Vorgebläses zu erreichen gestattet Die Vermeidung einer Drehzahlregelung ergibt eine einfache und billige Ausführung. Das Vorgebläse 10 saugt Luft aus der Umgebung an und transportiert diese unter geringer Verdichtung, vorzugsweise etwa 0,05 bis 0,07 atü, mit hoher Geschwindigkeit über ein Rohrsystem 12 direkt in den Saugmund des Ladegebläses 7. Die Förderhöhe des Vorgebläses 10 beträgt günstig etwa 3% bis 7% der Förderhöhe des Ladegebläses 7 bei Vollast Die geringe Verdichtung ermöglicht eine leichte Bauweise. Zur Vermeidung von Geschwindigkeitsverlusten der vom Vorgebläse 10 gelieferten Luft ist im Mündungsbereich des Rohrsystems 12 ein gerader Rohrschieber 13 vorgesehen, in dem sich die Strömung beruhigen kann und der auf der dem Ladegebläse 7 zugewandten Seite eine Düse 14 zur Bündelung des austretenden Luftstroms aufweist Der Rohrschieber 13 ist in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine 1 vorteilhaft in Abhängigkeit von einer Drehzahl, vorzugsweise der Laderdrehzahl, zur Steuerung eines äußeren Strömungswegs vom bzw. an den Lufteinlauf des Ladegebläses 7 ab- bzw. anstellbar. Im vorliegenden Beispiel ist die angestellte Lage des Rohrschiebers 13 angedeutet. Die vom Vorgebläse 10 gelieferte Luft reicht hierbei zum Aufbau eines entsprechenden Ladedrucks aus. Der Rohrschieber 13 ist in einem koaxial hierzu angeordneten Schalldämpfer 15, der an das Ladegebläse 7 angebaut ist, verschiebbar gelagert. Durch Umlenkbleche 16 wird der durch den Schalldämpfer 15 führende Strömungsweg der vom Ladegebläse 7 bei abgestelltem Rohrschieber 13 frei angesaugten Luft schallgedämpft Zur Betätigung des Rohrschiebers 13 kann ein Servomotor dienen. Bei einer drehzahlabhängigen Steuerung ist ein Elektromotor besonders zweckmäßig, da hierbei in der Regel elektrische Signale anfallen. Im vorliegenden Beispiel ist der Rohrschieber 13 über gegenüberliegende Laschen 17 und hieran angeschlossene Schubstangen 18 mit jeweils einem in einem Stellzylinder 19 geführten, beidseitig beaufschlagbaren Kolben 20 verbunden. Die Stellzylinder 19 weisen zu beiden Seiten der Kolben 20 Druckmittelanschlüsse 21 auf, d^;e mit einer Druckmittelquelle 22 verbunden sind. Vorteilhaft findet im vorliegenden Beispiel als Druckmittel Druckluft Verwendung, die aus einer an Bord eines Schiffes stets vorhandenen Druckluftflasche entnommen werden kann. Die An- bzw. Abstellbewegung des Rohrschiebers 13 wird im vorliegenden Beispiel in Abhängigkeit vom Druck in der Ladeluftleitung 8 gesteuert. Diese Größe hängt zweckmäßig unmittelbar von der Luftversorgung des Ladegebläses 7 ab. Mit einem Meßfühler 24 wird der Druck gemessen und in einem Meßwertumsetzer 25 vorteilhaft in eine elektrische Größe umgesetzt, die die Stellung eines Magnetankers 26 beeinflußt. Der Magnetanker 26 betätigt einen Hahn 27, dessen Eingang 28 mit dei Druckmittelquelle 22 verbunden ist und dessen Ausgänge 29 und 30 über die Druckmitteleingänge 21 mit den der Oberseite bzw. der Unterseite der Kolben 20 zugewandten Kammern in den Stell/.ylindern 19 verbunden sind. Der Ausgang 29 steuert die Abstellbewegung, der Ausgang 30 die Anstellbewegung des Rohrschiebers 13. In der gezeichneten angestellten Lage des Rohrschiebers 13 ist demnach der Eingang 28 des Hahns 27 mit seinem Ausgang

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30 verbunden. Zum Ausgleich von Distanzunterschieden bei verschiedenen Stellungen des Rohrschiebers 13 ist zwischen dem fest verlegten Teil des Rohrsystems 12 und dem Rohrschieber 13 ein Faltenbalg 31 vorgesehen. Es wäre jedoch auch eine Ausführung denkbar, bei der der Rohrschieber 13 verschiebbar mit einem konzentrischen Rohr zusammenwirkt.

Bei einer Betrachtung des Betriebsbereichs, der für verschiedene Leistungen der Brennkraftrnasqhine 1 am Vorgebläse 10 durchfahren wird, lassen sich drei Betriebszustände unterscheiden. Im unteren Leistungsbereich ist die der Turbine zugeführte Energie gering. Die gesamte benötigte Luft wird dem Ladegebläse 7 vom Vor^ebläse 10 zur Verfügung gestellt. Dieser Betriebsbereich, bei dem die Düse 14 direkt in den Saugmund des Ladegebläses 7 mündet, ist in F i g. 1 angedeutet. Um eine kontinuierliche Strömung zu erreichen und einen Wechsel von Beschleunigungen und Verzögerungen auszuschalten, entspricht die Querschnittsfläche der Düse 14 der Saugmundfläche. Hierdurch lassen sich Verluste der vom Ladegebläse 10 der angesaugten Luft in Form von kinetischer Energie mitgeteilten Leistung nahezu völlig vermeiden. Der F i g. 2 ist ein oberer Leistungsbereich der Brennkraftmaschine 1 zugrunde gelegt, bei der die Ladeleistung infolge der höheren Abgastemperaturen zur vollständigen Versorgung der Brennkraftmaschine 1 mit Ladeluft völlig ausreicht. Der Drehstrommotor 11 ist hierbei ausgeschaltet. Die Ein- und Ausschaltung des Drehstrommotors 11 kann vorzugsweise automatisch in Abhängigkeit etwa von der Laderdrehzahl erfolgen. Die vom Ladegebläse 7 durch das Vorgebläse 10 hindurch angesaugte Luft hält das Vorgebläse in Gang, so daß die in der Regel vorgesehenen Wälzlagerkörper keine Schädigung durch lange Stillstandszeiten erleiden. Der Luftdurchsatz durch das zur Erzielung günstiger Baugrößen und Platzverhältnisse zweckmäßig klein ausgelegte Vorgebläse. 10 reicht jedoch für den gestiegenen Luftbedarf nicht mehr aus. Der Rohrschieber 13 ist deshalb von der Wand 32 des Lufteinlaufs des Ladegebläses 7 abgestellt Hierdurch ergibt sich im Mündungsbereich der Düse 14 ein äußerer Ringspalt 33. über den das Ladegebläse 7 durch den Schalldämpfer 15 hindurch Luft aus der Umgebung ansaugen kann. Es wäre auch denkbar, zur Versorgung mit Außenluft eine Rohrleitung an den Schalldämpfer 15 anzuschließen. Zweckmäßig ist die Querschnittsfläche des Ringspalts 33 etwa gleich der Querschnittsfläche der Düse 14. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Aufteilung der vom Ladegebläse 7 angesaugten Luft in zwei etwa gleich große Luftströme.

Bevor jedoch dieser obere Leistungsbereich erreicht wird, wird ein Zwischenbereich durchlaufen, in dem das Vorgebläse sehr schnell durchströmt wird und dennoch der Durchsatz des Vorgebläses für den gestiegenen Luftbedarf der Brennkraftmaschine 1 knapp ist. Dasselbe gilt für den Leistungsanteil. Andererseits ist jedoch in diesem Zwischenbereich eine Leistungsunterstützung des Ladegebläses 7 durch das Vorgebläse 10 erwünscht. In diesem Zwischenbereich ist der Ringspalt

ίο 33 ebenfalls geöffnet, so daß hierüber Luft angesaugt werden kann. Der Hauptanteil der benötigten Luft, vorzugsweise etwa 70 bis 90%, wird jedoch über das angetriebene Vorgebläse 10 geliefert. Die mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse 14 austretende Luft übt in vorteilhafter Weise im Bereich des Ringspalts 33 eine Injektorwirkung aus, wodurch die Saugwirkung verstärkt wird. Dadurch, daß die Wand 32 des Lufteinlaufs und die nach innen gezogene Wand der Düse 14 etwa parallel verlaufen, wird eine Vereinheitlichung der Strömungsrichtungen des inneren, durch die Düse 14 austretenden Luftstroms und des äußeren, über den durch die parallelen Wände gebildeten Ringspalt 33 ankommenden äußeren Luftstroms erreicht und damit eine gegenseitige, unter Umständen mit starken Verlusten verbundene Störung vermieden. Auf dem kurzen gemeinsamen Weg durch den Lufteinlauf bis zum vom Laufrad 34 begrenzten Saugmund 35, in dem eine ideale Vermischung der beiden Luftströme stattfindet, ist eine gegenseitige, mit Verlusten behaftete Störung ebenfalls nicht zu befürchten. Auf Grund des parallelen Wandverlaufs ergibt sich zudem in der in F i g. 1 angedeuteten Stellung des Rohrschiebers 13 eine satte Anlage an der Wand 32 im Bereich unmittelbar vor dem Saugmund 35.

Zur Schalldämpfung des durch den Rohrschieber 13 gebildeten Strömungswegs und damit zur Beruhigung des inneren Luftstroms und zur Vermeidung von Energieverlusten ist im Rohrschieber 13 ein zentral angeordneter Innenzylinder 36 vorgesehen. Hierdurch ergibt sich praktisch ein Absorptionsschalldämpfer. Zur Verbesserung der Schalldämpfung sind die Wände des Rohrschiebers 13, des Innenzylinders 36 und des Schalldämpfers 15 in einfacher Weise mit einer Filzschicht 37 versehen. Zur Begrenzung der Rohrschieberbewegung können Endanschläge vorgesehen sein. Der Schalldämpfer 15 ist auf der am Ladegebläse 7 angebauten Seite mit einer gegen die Achse geneigten Wand versehen. Hierdurch ergibt sich im Bereich des Ringspalts 33 nurmehr eine geringe Umlenkung des äußeren Luftstroms.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit wenigstens einem von einer Abgasturbine angetriebenen Ladegebläse, das bei hoher Leistung Luft aus der Umgebung ansaugt und das bei niederer Leistung mittels eines in Serie vorgeschalteten Vorgebläses beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorgebläse (10) mittels eines geraden Rohrschiebers (13) an das Ladegebläse (7) anschließbar ist, der zur Freigabe eines Ringspalts (33) zwischen sich und einer ringförmigen Wand (32) des Lufteinlaufs des Ladegebläses (7) ixial verstellbar ist und der auf der dem Lufteinlauf zugewandten Seite eine Düse (14) aufweist, deren Querschnittsfläche etwa gleich der Räche des Saugmundquerschnitts des Ladegebläses (7) ist

2. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrschieber (13) durch wenigstens einen in einem Stellzylinder (19) angeordneten Kolben (20) verschiebbar ist