DE2404648B2

DE2404648B2 - Vorrichtung und verfahren zum anfahren eines abgasturboverdichters

Info

Publication number: DE2404648B2
Application number: DE19742404648
Authority: DE
Inventors: Jean Paris Melchior
Priority date: 1973-02-22
Filing date: 1974-01-31
Publication date: 1976-10-28
Also published as: AU468444B2; AU6531174A; BR7401307D0; GB1431016A; NL7401257A; JPS5225483B2; IT1009584B; SU1087085A3; IN141231B; SE402957B; IL44101A0; AT339091B; CH585344A5; NL160058B; JPS5117716A; CA1003649A; DE2404648A1; DD110093A5; ES422677A1; AR200762A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Anfahren eines Abgasturboverdichters für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, mit einer stromauf von der Abgasturbine angeordneten Brennkammer und mit einer von der Ladeluftleitung zwischen Verdichter und Brennkraftmaschine abzweigenden und zur Brennkammer führenden Bypass-Leitung.

65 Eine derartige Biennkraftmaschine wird mit Vorverdichtung durch einen Abgasturbolader gespeist, welcher wenigstens einen verdichtete Frischluft zur Speisung der Brennkraftmaschine liefernden Verdichter und wenigstens eine Abgasturbine aufweist, welche den Verdichter antreibt und mit den Auspuffgasen der Brennkraftmaschine betrieben wird.

Wenn diese Brennkraftmaschinen ein niedriges Verdichtungsverhältnis (von z. B. weniger als 12) besitzen, müssen verschiedene Kunstgriffe für ihre Inbetriebsetzung benutzt werden, welche jedoch alle verschiedene Nachteile besitzen.

Durch die DT-OS 2120 687 ist eine Brennkraftmaschine, insbesondere ein Dieselmotor, mit einem Abgasturbolader mit einer vor der Abgasturbine liegenden Brennkammer bekannt, wobei eine Bypass-Leitung vorhanden ist, welche einen unmittelbaren ständigen Durchgang zwischen dem Ausgang des Verdichters des Abgasturboladers und der Brennkammer gestattet, und wobei weiter eine Anfahrvorrichtung zum Anfahren des Abgasturboladers vorhanden ist.

Diese Brennkraftmaschine, deren Aufbau im Oberbegriff des Anspruchs 1 umrissen ist, weist jedoch den Nachteil auf, daß eine solche Brennkraftmaschine nicht selbsttätig betrieben werden kann, so daß eine Anlaßvorrichtung bis zu dem Zeitpunkt benötigt wird, zu dem der Betrieb der Brennkraftmaschine selbständig abläuft. Da zum Anlassen einer solchen Brennkraftmaschine äußere Fremdenenergie benötigt wird, ist der Wirkungsgrad der bekannten Brennkraftmaschine zumindest zum Zeitpunkt des Anlassens sehr niedrig. In diesem Zusammenhang auftretende Schwierigkeiten sollen gemäß der Erfindung gelöst werden. Die bei der bekannten Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, auftretende Schwierigkeit liegt insbesondere darin, daß die Brennkraftmaschine nicht ohne zusätzliche Fremdenenerg'e, wie z. B. mit Hilfe eines flüchtigen Gases, angelassen werden kann, bevor sie Abgase zum Anlassen des Abgasturboladers erzeugt. Folglich ist beim Anlassen einer solchen bekannten Brennkraftmaschine der Abgasturbolader außer Betrieb und dient zur Aufrechterhaltung des selbständigen Betriebs der Brennkraftmaschine, wenn diese angelassen worden ist, wobei die von dem Verdichter abgeführte Luft in die Brennkammer zur Erzeugung von Brenngasen zum Antreiben der Abgasturbine bestimmt ist.

Bei dieser bekannten Brennkraftmaschinenanlage ist eine Anordnung vorgeschlagen worden, bei der der Abgasturbolader einen Elektromotor zum Anlassen enthält, der mit dem Rotor des Abgasturboladers über eine Kupplung verbunden ist. Bei einer solchen Anordnung tritt der Nachteil auf, daß eine verhältnismäßig teure und verwickelte Kupplung benötigt wird. Außerdem muß in den meisten Fällen eine Vorrichtung zur Drehzahlerhöhung zwischen dem Motoi (Höchstdrehzahl von 3000 bis 4000 Umdrehungen/ Min.) und der Welle des Abgasturboladers (kleinste Anfahrdrehzahl von größenordnungsmäßig 18Ö0C Umdrehungen/Min.) vorgesehen werden. Wenr schließlich ein vorhandener Abgasturbolader benützi wird, ist kein Wellcnstumpf von außen zugänglich, unc ein Umbau dieses Abgasturboladers für eine Bewegungsabnahme ist sehr schwierig oder sogar unmög lieh.

Bekannt ist auch ein Dieselmotor mit einem Ab gasturbolader mit einer vor der Abgasturbine liegen

den Brennkammer, mit einer Vorrichtung zum Anfahren des Abgasturboladers mit Mitteln zur Erzeugung einer Druckdifferenz, welche ?m Strömungsweg zwischen dem Verdichter und der Abgasturbine angeordnet und so ausgebildet sind, daß sie eine Strömung in Richtung auf die Abgasturbine des Abgasturboladers erzeugen (US-PS 2921431).

Bei dieser bekannten Anlage ist ein Vorratsbehälter vorgesehen, wobei der in diesem Behälter herrschende Druck wesentlich über dem Atmosphärendruck liegt. Beim Anfahren des Verdichters steht dieser daher infolge des von dem Vorratsbehälter gelieferten Drucks in der Brennkammer unter einem Druck, der wesentlich höher als jener ist, der von dem Verdichter geliefert werden kann. Aus diesem Grunde gibt dieser bis zu dem Moment keine Leistung ab, bis der Abgasturbolader so beschleunigt wurde, daß der vom Verdichter gelieferte Druck ungefähr jenem Druck entspricht, der in dem Vorratsbehälter für komprimierte Luft herrscht. Aus diesem Grunde müssen aus Sicherheitserwägungen heraus zu dem Vorratsbehälter für komprimierte Luft zum Anfahren stets weitere Hilfseinrichtungen vorgesehen sein, um einen Überdruck in ausreichendem Maße aufrecht zu erhalten, damit dieser während des Anlaßvorgangs nicht abnimmt.

Es ist ferner eine Brennkraftmaschinenanlage mit Abgasturbolader bekannt, bei der zum Anfahren des Abgasturboladers ein von einem Elektromotor angetriebener Ventilator vorgesehen ist, dessen Ablaufstrom in eine Bypass-Leitung einmündet (DT-OS 2216059).

Bei dieser Anlage treten die gleichen Nachteile wie bei der vorher beschriebenen Anlage auf.

Es ist schließlich eine Brennkraftmaschinenanlage mit Abgasturbolader bekannt, bei der ein Elektromotor zum Anlassen des Abgasturboladers vorhanden ist, der auch eine Ölpumpe zur Lagerschmierung des Turboladers und eine Brennstoffpumpe zur Speisung der Brennkammer antreibt (US-PS 3 096615).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Anfahren eines Abgasturboladers so auszubilden, daß der Anfahrvorgang vom Stillstand über die Beschleunigung bis zum selbständigen Betrieb einer Brennkraftmaschine so durchführbar ist, daß der Anlaßvorgang mit Hilfe einer gespeicherten Energie und/oder einer Leistung durchgeführt werden kann, die wesentlich geringer als die bisher benötigte ist, wobei der Anfahrvorgang ohne kompliziert aufgebaute, mechanische Einrichtungen, wie z. B. eine Kupplung, und ohne die Anordnung eines Elektromotors zum Anlassen des Abgasturboladers durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß im Luftstrom zwischen Verdichter und Abgasturbine eine Einrichtung zur Erzeugung einer solchen Druckerhöhung vorgesehen ist, welche bei eingeschalteter Brennkammer den Betrieb des Abgasturboladers bei Stillstand der Brennkraftmaschine ermöglicht.

Hierdurch wird erreicht, daß die der Brennkammer Zugeführte Luft während des Anfahrvorgangs vollständig oder wenigslens größtenteils den Verdichter durchströmt, welcher, da die Abgasturbine beim Anfahren Leistung abgibt, die Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz ab diesem Zeitpunkt speist, so daß der Verdichter schnell auf Drehzahl kommt und den Abeasturbolader anfährt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Einrichtung zur Erzeugung einer Druckerhöhung in der Bypass-Leitung angeordnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Einrichtung zur Druckerhöhung ein von einem Elektromotor angetriebener Ventilator ist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz durch eine Strahlpumpe gebildet wird, welche mit Druckluft gespeist wird und durch Induktionswirkung eine Strömung erzeugt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Strahlpumpe aus einem Druckluftspeicher gespeist wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Strahlpumpe

ao durch einen von einem Hilfselektromotor angetriebenen Hilfskompressor gespeist wird.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt gemäß einem Verfahren, das sich dadurch auszeichnet, daß in der Luftströmung zwischen dem Veras dichter und der Abgasturbine eine Druckdifferenz erzeugt wird, welche eine Strömung in Richtung auf die Abgasturbine des Abgasturboladers erzeugt, daß die Brennkammer gezündet wird, sobald sich diese Strömung ausgebildet hat, und daß diese Druckdifferenz aufrecht erhalten wird, bis der Verdichter den Zustand seines selbständigen Betriebs erreicht und mit der alleinigen, von der Brennkammer gelieferten Energiezufuhr arbeiten kann.

Bei diesem Verfahren wird in vorteilhafter Weise die Druckdifferenz in der Bypass-Leitung erzeugt. Zum Anlassen der Brennkraftmaschinenanlage gemäß der Erfindung ist nur ein geringer Bruchteil der zum Beschleunigen benotigten Leistung erforderlich, wobei dieser Bruchteil, wenn die Anlage auf Drehzahl kommt, allmählich abnimmt, und diese Funktion der Verdichter übernimmt. Die erfindungsgemäße Anlage weist daher eine sehr vorteilhafte Gesamtenergiebilanz nicht nur während des Betriebs, sondern auch während des Anfahrvorgangs auf. Zudem werden bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Anlage keinerlei mechanische Verbindungseinrichtungen benötigt, wie z. B. Kupplungen, so daß der Gesamtbetrieb der Anlage wesentlich weniger störungsanfällig ist, da bei den bekannten Anlagen stets Hilfseinrichtungen zum Anlassen erforderlich sind, die solche mechanischen Verbindungseinrichtungen aufweisen, deren Störanfälligkeit bekanntlich sehr hoch ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird nämlich die während des Anfahrvorgangs auftretende Energie zuerst zum Antreiben des Abgasturboladers verwendet, bis dieser in den Zustand versetzt ist, daß der Betrieb der Brennkraftmaschincnanlage insgesamt selbständig ablaufen kann. Aus diesem Grunde sind keine zusätzlichen äußeren Energiequellen, wie z. B. ein Elektromotor zum Anlassender B r.ennkfaf !maschinenanlage, erforderlich.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform dei Erfindung,

Fig. 2 schematisch eine andere AusführungsföriT der Erfindung,

Fig. 3 und 4 zwei Ausführiingsabwandlüngen der 'Ausführungsform der Fig. 2.
' Eine in Fig. 1 und 2 dargestellte Brennkraftmaschine 1, insbesondere ein Dieselmotor., ist mit einem Abgasturbolader 2 mit einer vor einer Abgasturbine 4 liegenden Brennkammer 6 versehen. Dieser Abgasturbolader 2 umfaßt einen Verdichter 3, welcher verdichtete Frischluft zur Speisung der Brehnkraftrha-'. schine liefert, und die "Abgasturbine 4, welche den Verdichter 3 antreibt und mit dein Auspuffgasen der Brennkraftmaschine 1 betrieben wird. Ferner ist eine Bypass-Leitung 5 vorgesehen, welche einen unmittelbaren ständigen Durchgang zwischen dem Ausgang des Verdichters 3 und der vor der Abgasturbine 4 angeordneten Brennkammer 6 zuläßt. Diese Brennkammer 6 wird einerseits mit Brennstoff und andererseits gleichzeitig mit den aus der Brennkraftmaschine kommenden Auspuffgasen und mit an der Bypass-Leitung 5 entnommener Frischluft gespeist.

Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, ist eine Anfahrvorrichtung vorgesehen, welche eine Einrichtung 7 zur Erzeugung einer Druckdifferenz umfaßt, welche in der Luftströmung in der Bypass-Leitung 5 angeordnet und so ausgebildet ist, daß sie in dieser Bypass-Leitung eine Strömung in Richtung auf die Abgasturbine 4 des Abgasturboladers 2 erzeugt.

Dank dieser Einrichtung 7 zur Erzeugung einer Druckdifferenz wird die Luft durch den Verdichter 3 gesaugt und durch die Abgasturbine 4 gefördert, welche, sobald sie in Umdrehung versetzt wird, den Verdichter 3 antreibt, welcher in die Bypass-Leitung 5 fördert, wobei diese Fördermenge durch die Einrichtung 7 strömt. Der Förderdruck des Verdichters 3 nimmt mit seiner Drehzahl zu und tritt zu der von der Einrichtung 7 erzeugten Druckdifferenz hinzu. Es genügt daher, daß die Einrichtung 7 eine geringe Druckdifferenz zip liefert, welche zu dem ständig wachsenden, vom Verdichter 3 während des Anfahrvorgangs erzeugten Druck hinzutrit'«.

Unter diesen Bedingungen ist die erforderliche Leistung sehr gering, da, sobald sich die durch die Einrichtung 7 erzeugte Strömung ausgebildet hat, die Brennkammer 6 gezündet wird, weiche dann dem Verdichter 3 eine erhebliche Energie liefert.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird die Einrichtung 7 durch einen von einem Elektromotor 9 angetriebenen Ventilator 8 gebildet, welcher vorzugsweise in einem rechtwinkligen Krümmer der Bypass-Leitung 5 angeordnet ist. Dieser Elektromotor 9 treibt auch eine ölpumpe 10 an, welche Schmieröl in einem Gehäuse oder einem Vorratsbehälter 11 ansaugt und in eine zu Lagern 13 des Abgasturboladers 2 führende Leitung 12 fördert. Dank dieser Ausbildung werden die Lager 13 des Abgasturboladers 2 automatisch geschmiert, bevor dieser in Umdrehung versetzt wird, was ohne diese vorherige Schmierung nicht möglich wäre. Sobald die Brennkraftmaschine 1 angelassen ist, fördert eine hiervor angetriebene ölpumpe 14 über eine Leitung 15 Drucköl zu einer druckempfindlichen Vorrichtung 16. Sobald der Druck des von der Pumpe 14 geförderten Öls einen gegebenen Wert erreicht, schaltet die druckempfindliche Vorrichtung 16 den Elektromotor 9 ab und ermöglicht den Durchtritt von Drucköl durch eine zu den Lagern 13 des Abgasturboladers 2 führende Leitung 17.

Der Elektromotor 9 des Ventilators 8 treibt auch eine Brennstoffpumpe 18 an, weiche über eine Leitung 19 und eine BrennstoffdosiervorrichtüngiO die Brennkammer 6 speist und den Brennstoff aus einem Vorratsbehälter R entnimmt. Wenn der Elektromotor O abgestellt ist, erfolgt die Speisung der Brerih- kammer 6 mit Brennstoff durch eine -yon der Brennkraftmaschine 1 angetriebene Brennstoffpumpe 2Γ; welche mit der Brennstoffdosiervorrichtung 20 durch eine Leitung 22 verbunden ist. · ^:

Bei der in Fig. 2 dargestellten 'iAüsführungsförm

ίο wird die Einrichtung 7 durch eine Strahlpumpe 23 gebildet, welche mit Druckluft gespeist wird und die Strömung durch Induktionswirkung erzeugt. Die Strahlpumpe 23 kann aus einem Druckluftspeicher 24 gespeist werden, welche mit einem Druckminderer 24a versehen ist, welcher die Regelung der Druckluftströmung in Richtung auf die Strahlpumpe 23 gestattet.

Zur Erzielung der oben angegebenen vorteilhaften Schmierung und der Brennstoffspeisung ist ein Hilfs-

elektromotor 25 vorgesehen, welcher eine ölpumpe 1Oo und eine Brennstoffpumpe 18a antreibt, welche die gleichen Aufgaben wie die anläßlich der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform beschriebenen Ölpumpe 10 bzw. Brennstoffpumpe 18 haben. Übrigens finden sich in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform die gleichen, mit den gleichen Bezugs.zeichen aber mit dem Index α bezeichneten Elemente wieder, welche die gleichen Aufgaben wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 erfüllen.

Bei zwei in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsabwandlungen der Erfindung, in welchen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig. 2 bezeichnen, wird die Strahlpumpe 23 durch einen Hilfskompressor 26 gespeist, welcher zweckmäßig durch einen Schaufelkompressor gebildet wird. Dieser Hilfskompressor 26 wird von dem auch die ölpumpe 10a und die Brennstoffpumpe 18a antreibenden Hilfselektromotor 25 angetrieben.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform saugt der Hilfskompressor 26 Atmosphärenluft an und fördert diese in die Strahlpumpe 23 über ein Rückschlagventil 27, welches den Durchtritt von Vorverdichtungsluft verhindert, wenn der Hilfskompressor 26 abgestellt ist.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsabwandlung saugt der Hilfskompressor 26 aus der aus dem Kompressor 3 kommenden Luftströmung vor der Strahlpumpe 23 an. Diese Ausbildung ermöglicht, die Anbringung eines Rückschlagventils zu vermeiden und über einen Ansaugdruck des Hilfskompressors 26 zu verfügen, welcher bei dem Anwurfvorgang des Turbokompressoraggregats zunimmt.

Die Erfindung schafft also unabhängig von der gewählten Ausführungsform eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Anfahrvorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz benutzt, welche mit einer äußerst schwachen Leistungsquelle betrieben werden können. Es kann nämlich angegeben werden, daß diese Einrichtung nui eine Druckdifferenz ρ von 0,015 Bar zu liefern hat bis sich die Luftströmung ausgebildet hat und die Brennkammer gezündet werden kann. Ferner ist diese Einrichtung besonders einfach herzustellen und kanr mit einem aus einer Batterie gespeisten Elektromotoi oder einem Druckluftspeicher geringer Kapazität betrieben werden.

Schließlich werden alle beim Abgasturboladei (Ausgangswelle, Kupplung, Drehzahlerhöhung usw.;

auftretenden Schwierigkeiten vermieden, so daß der Abgasturbolader ein bereits vorhandener Abgasturbolader sein kann.

Ferner können bei Erlöschen oder schlechter Zündung der Brennkamfner ein oder mehrere Anfahrvorgänge wiederholt werden, wofür es genügt, die Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz wieder in Betrieb zu setzen.

Schließlich ist zu bemerken, daß, wenn der Verdichter zufällig stehen bleibt (z. B. infolge von mechanischen Störungen), die Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz in Betrieb gesetzt werden kann was eine Rücksaugung der Auspuffgase durch die Brennkraftmaschine verhindert. Diese Einrichtung erzeugt nämlich eine bevorzugte Strömung und verhindert eine Strömung in entgegengesetzter Richtung so daß sie die Aufgabe einer »aerodynamischer Diode« erfüllt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

'■ 1. Vorrichtung zum Anfahren eines Abgasturboverdichters für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, mit einer stromauf von der Abgasturbine angeordneten Brennkammer und mit einer von der Ladeluftleitung zwischen Verdichter und Brennkraftmaschine abzweigenden und zur Brennkammer führenden Bypass-Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftstrom zwischen Verdichter (3) und Abgasturbine (4) eine Einrichtung (7) zur Erzeugung einer solchen Druckerhöhung vorgesehen ist, welche bei eingeschalteter Brennkammer (6) den ¹S Betrieb des Abgasturboladers (2) bei Stillstand der Brennkraftmaschine (1) ermöglicht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) zur Erzeugung einer Druckerhöhung in der Bypass-Leitung (5) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) zur Druckerhöhung ein von einem Elektromotor (9) angetriebener Ventilator (8) ist. *5
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) zur Erzeugung einer Druckdifferenz durch eine Strahlpumpe (23) gebildet wird, welche mit Druckluft gespeist wird und durch Induktionswirkung eine Strömung erzeugt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlpumpe (23) aus einem Druckluftspeichei (24) gespeist wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlpumpe (23) durch einen von einem Hilfselektromotor {25) angetriebenen Hilfskompressor (26) gespeist wird.
7. Verfahren zum Anfahren eines Abgasturboverdichters für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Luftströmung zwischen dem Verdichter und der Abgasturbine eine Druckdifferenz erzeugt wird, welche eine Strömung in Richtung auf die Abgasturbine des Abgasturboladers erzeugt, daß die +5 Brennkammer gezündet wird, sobald sich diese Strömung ausgebildet hat, und daß diese Druckdifferenz aufrecht erhalten wird, bis der Verdichter den Zustand seines selbständigen Betriebs erreicht und mit der alleinigen, von der Brennkammer gelieferten Energiezufuhr arbeiten kann.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz in der Bypass-Leitung erzeugt wird.

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