DE2519281C3 - Einrichtung zur Hoch-Aufladung von Kolben-Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Hoch-Aufladung von Kolben-Brennkraftmaschinen, bei der eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagbare Turbine ein auf gleicher Welle angeordnete Ladegebläse antreibt, mit welchem den Zylindern der Brennkraftmaschine Verbrennungsluft unter wesentlich höherem als dem Atmosphärendruck zuführbar ist, wobei in den Abgasströmungsweg zwischen Brennkraftmaschine und Turbine eine Brennkammer geschaltet ist, der ein vom Ladegebläse geförderter, mittels eines Absperrventils in Abhängigkeit von der Brennstoffmengenzufuhr in die Brennkammer und/oder zur Brennkraftmaschine steuerbarer Frischluftanteil zuführbar ist.

Eine derartige Einrichtung ist durch die DT-OS 22 16 059 bekannt.

Diese bekannte Einrichtung sucht dem Mangel eines unzureichenden Ladedruckverhältnisses im unteren Drehzahlbereich, bzw. beim An- und Hochfahren einer Kolben-Brennkraftmaschine im wesentlichen dadurch zu begegnen, daß in den für ein unzureichendes Ladedruckverhältnis verantwortlichen Betriebsbereichen eine elektrisch betriebene Luftpumpe zuschaltbar sein soll, deren Abluftleitung mit der zur Brennkammer führenden Ladeluftleitung in Verbindung bringbar ist

Um insbesondere den Anteil der Stickoxyde in den Abgasen der Kolben-Brennkraftmaschine zu vermindern sowie deren Arbeitsprozeß im unteren Temperaturbereich effektiver zu gestalten, soll bei der vorliegenden bekannten Einrichtung weiter eine sogenannte »Abgasrückführung« zur Kolben-Brennkraftmaschine vorgesehen sein; d. h. ein relativ geringer Prozentsatz der von der Laderantriebsturbine verarbeiteten Gase soll über eine gesonderte Leitung der vom Ladegebläse geförderten Verbrennungsluft zugemischt werden können.

Die vorliegende bekannte Einrichtung befaßt sich nicht mit Vorkehrungen, die hinsichtlich der Anordnung und Ausführung der Brennkammer sowie hinsichtlich der Art der Brennstoff-Frischluft- und Abgaszuführung in die Brennkammer auf eine Homogenisierung des Nachverbrennungsprozesses abzielen.

Infolge der bei der bekannten Einrichtung vorgesehenen, gesondert anzutreibenden Luftpumpe sowie der relativ großen Anzahl von Rohrleitungen und Steuerventilen dürften hieraus nicht nur Nachteile hinsichtlich eines relativ großen Einbauvolumens und Eigengewichts sondern auch hinsichtlich eines erhöhten Störanfälligkeitsgrades erwachsen.

Durch die GB-PS 9 45 677 ist weiter eine Brennkraftmaschinenanlage mit mehreren Kolben-Zylinder-Einheiten und dazwischengeschalteten sogenannten »Turboladern« bekannt, bei der tangential in die betreffenden Turbinengehäuse der Turbolader einmündende Auspuffrohre vorgesehen sein können.

Im übrigen sind bei diesen Turboladern nach der bekannten Brennkraftmaschinenanlage keinerlei Vorkehrungen getroffen, die auf eine Verbesserung der Leitungscharakteristik von Kolben-Brennkraftmaschinen durch Nachverbrennung der Auspuffgase und damit zusammenhängende verbrennungstechnische Probleme Bezug nehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine Einrichtung nach der eingangs genannten Gattung insbesondere mit Rücksicht auf den Betrieb bei niedriger Drehzahl sowie beim An- und Hochfahrvorgang der Kolben-Brennkraftmaschine leistungsfähiger zu gestalten.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet:

a) Die Brennkammer ist in an sich bekannter Weise als Ringbrennkammer ausgebildet und am Gehäuse der Laderantriebsturbine rückwärtig angeflanscht angeordnet, wobei — wie ebenfalls an sich bekannt — die Auspuffrohre der Brennkraftmaschine tangenial in das Außengehäuse der Ringbrennkammer einmünden;

b) der Brennstoff ist dem Flammrohr über die gemeinsame Welle der Laderantriebsturbine und des Ladegebläses unter Rotationszerstäubung zuführbar;

c) seitlich im Flammrohr angeordneten Zuströmöffnungen sind Leitvorrichtungen zugeordnet, mit denen der aus dem Raum zwischen dem Außengehäuse und dem Flammrohr für die Verbrennung zugeführte Frischluftanteil und/oder die Abgase der Brennkraftmaschine einem Drall in Umfangsrichtung unterworfen werden.

Anhand der Einrichtung kann nicht nur im unteren

Drehzahlbereich, bzw. beim An- und Hochfahren der Kolben-Brennkraftmaschine sondern auch bereits vor dem AnIaB- bzw. Anfahrvorgang ein optimales Ladedruckverhältnis bereitgestellt werden, indem die Aufladeeinrichtung (Laderantriebsturbine, Ladegebläse, s Ringbrennkammer) im Sinne eines autarken Kleingasturbinentriebwerks betrieben werden kann.

Infolge der bei der Einrichtung tangential in das Außengehäuse der Ringbrennkammer einmündenden Auspuffrohrleitungen soll erreicht werden, daß bereits vor dem Eintritt ins Flammrohr die Abgase einschließlich des gegebenen Frischluftanteils möglichst innig miteinander vermischt werden, um die später gewünschte homogene Verbrennung von vornherein zu erzwingen.

Die nächste Siufe zur Intensivierung des Aufbereitungsprozesses des Gasgemisches einschließlich des Brennstoffs findet in der Ringbrennkammer statt

Hierbei ist es vorteilhaft, daß das im wesentlichen quer zum rotationszerstäubt zugeführten Brennstoff ins Flammrohr eintretende Gasgemisch infolge der Leitvorrichtungen an den seitlichen Zuströmöffnungen des Flammrohrs einem Drall in Umfangsrichtung unterworfen wird und hierbei den in Form feinster Tröpfchen rotationszerstäubt zugeführten Brennstoff in die rotationssymmetrische Gemischverdrallung mit einbezieht.

Die geschilderte intensive Aufbereitung des Frischluft-Abgas-Brennstoff-Gemisches läßt eine äußerst homogene Verbrennung erwarten, wobei außerdem der Aufbau und die Zuordnung der Ringbrennkammer zur gemeinsamen Welle der Laderantriebsturbine und des Ladegebläses eine rotationssymmetrische Flamrr.ausbreitung sowie eine gleichförmige Temperaturverteilung am Brennkammeraustritt erzielen lassen sollen.

Infolge der bei der Lösung nach der Anmeldung erzielbaren homogenen Nachverbrennung dürften weiter äußerst geringe Schadstoffmissionen zu erwarten sein.

Ein weiterer Vorteil der Lösung nach Erfindung wird in der Schaffung einer — bei relativ hoher Leistungsfähigkeit — kompakten Aufladeeinrichtung gesehen, deren in einem Fahrzeig beanspruchtes Einbauvolumen kaum höher anzusetzen sein dürfte als dasjenige einer Aufladeeinrichtung ohne zusätzliche Brennkammer.

Bezüglich der Kompaktheit der Einrichtung wäre die relativ kurze, biegesteife Ausführbarkeit der gemeinsamen Welle der Laderantriebsturbine und des Ladegebläses hervorzuheben.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung dann beispielhaft weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 den Mittellängsschnitt eines schematisch dargestellten, im wesentlichen die Laderantriebsturbine, das Ladegebläse sowie die Ringbrennkammer enthaltenden Teil der Einrichtung und

F i g. 2 den Querschnitt einer Brennkamme-alternative gemäß Schnittansicht I-I der F i g. 1.

Gemäß Fi g. 1 weist die Einrichtung zur Hoch-Aufladung einer in den Zeichnungen nicht weiter dargestellten Kolben-Brennkraftmaschine ein Ladegebläse 1, welches z. B. als Radialverdichter ausgebildet ist, sowie eine Laderantriebsturbine 2 auf, die z. B. als Axialturbine ausgebildet ist. Das Ladegebläse 1 und die Laderantriebsturbine 2 sind über die gemeinsame Welle 3 miteinander gekoppelt.

An das Gehäuse 4 der Laderantriebsturbine 2 ist rückwärtig eine Ringbrennkammer 5 mit ihrem Außengehäuse 6 angeflanscht.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich, ist die Ringbrennkammer 5 über eine von der Stirnseite des Ladegebläses 1 eingeführte, zentral die Welle 3 durchragende Brennstoffversorgungsleitung 7 und dieser zugeordnete Brennstoffdüsen 8 mittels infolge Rotation dieser Welle 3 zerstäubten Brennstoffs beaufschlagbar.

Im Interesse einer kurzen sowie schwingungstechnisch günstigen Bauweise ist die Welle 3 innen, d. h. zwischen Ladegebläse 1 und Laderantriebsturbine 2, an einem festen Gehäuseabschnitt 9 gelagert, wobei die Lager mit 10 und 11 bezeichnet sind.

Der einfacheren Darstellung halber sind in F i g. 1 nur zwei, je von oben und unten in das Außengehäuse 6 der Ringbrennkammer 5 einmündende Auspuffrohrenden 12,13 dargestellt

Von dem mit dem größten Durchmesser versehenen Spiralgehäuseabschnitt 14 des Ladegebläses 1 zv/eigt eins Druckluftleitung 15 ab, über die der jeweilige zur Nachverbrennung der Auspuffgase in der Ringbrennkammer 5 benötigte Frischluftanteil zuführbar ist

Mittels einer innerhalb der Druckluftleitung 15 verschwenkbar angeordneten Absperrklappe 16 ist die jeweils zur Nachverbrennung der Auspuffgase benötigte Luftmenge steuerbar.

In nicht dargestellter Weise kann diese Absperrklappe 16 z. B. über ein Hebelgestänge in Abhängigkeit von der Gashebelstellung der Kolben-Brennkraftmaschine verschwenkt werden.

Andererseits besteht die Möglichkeit, die Stellung der Absperrklappe 16 zusätzlich oder ausschließlich über die ebenfalls nicht weiter dargestellte Brennstoffregeleinrichtung für die Brennkammer zu beeinflussen.

Für den Fall, daß schon vor dem Anlaß- bzw. Anfahrvorgang eine Hoch-Aufladung der Kolben-Brennkraftmaschine gewährleistet werden soll, ist es vorgesehen, die Aufladeeinrichtung als autarkes Kleingasturbinentriebwerk zu betreiben, wozu naturgemäß eine gegenüber dem Nachverbrennungsfall größere Luftmenge über die Druckluftleitung 15 der Ringbrennkammer 5 zuzuführen wäre; die hierfür etwa maßgebliche Stellung der Absperrklappe 16 ist gestrichelt angedeutet.

Mit 17 ist in F i g. 1 weiter eine vom Spiralgehäuseabschnitt 14 des Ladegebläses 1 abzweigende Ladeluftleitung bezeichnet, welche an die entsprechenden Zylinderlufteinlässe der Kolben-Brennkraftmaschine angeschlossen sein soll.

Eine Turbinenabgasleitung ist mit 18 bezeichnet.

Durch die Pfeile F, G sind ins Flammrohr 19 der Ringbrennkammer 5 einströmende Luft-Abgasanteile gekennzeichnet, wobei den seitlich im Flammrohr 19 angeordneten Zuströmöffnungen Leitvorrichtungen 20, 21 zugeordnet sind, um den ins Flammrohr 19 einströmenden Luft-Abgasanteilen bzw. der Hochdruckluft — im Falle der Funktion der Einrichtung als autarkes Kleingasturbinentriebwerk — einen Drall in Umfangsrichtung der Brennkammer zu vermitteln, bzw. um ein weitestgehend homogenes, gleichförmig über den Flammrohrquerschnitt verteiltes Brennstoff-Luft-Gasgemisch zu erzielen.

Nach F i g. 2 sollen die Auspuffrohrleitungen 22, 23, 24 der Kolben-Brennkraftmaschine tangential an das Außengehäuse 6 der Ringbrennkammer 5 angeschlossen sein, um eine tangentiale Einströmung der Auspuffgase in die Leitschaufeln 25 der Laderantriebsturbine 2 zu ermöglichen sowie weiter, um eine intensive Vermischung und Aufbereitung des aus Brennstoff, Hochdruckluft und den Auspuffgasen bestehenden Gasgemisches zu erzwingen.

Im übrigen gelten in Fig.2 die bereits in Fig.2 gewählten Bezugszeichen.

Wegen des erzielbaren relativ hohen Ladedruckverhältnisses eignet sich die Einrichtung nach der Erfindung vornehmlich für Dieselmotoren wie aber auch für sogenannte »Otto-Motoren«.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einrichtung zur Hoch-Aufladung von Kolben-Brennkraftmaschinen, bei der eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagbare Turbine ein auf gleicher Welle angeordnetes Ladegebläse antreibt, mit welchem den Zylindern der Brennkraftmaschine Verbrennungsluft unter wesentlich höherem als dem Atmosphärendruck zuführbar ist, wobei in den Abgassirömungsweg zwischen Brennkraftmaschine und Turbine eine Brennkammer geschaltet ist, der ein vom Ladegebläse geförderter, mittels eines Absperrventils in Abhängigkeit von der Brennstoffmengenzufuhr in die Brennkammer und/oder zur Brennkraftmaschine steuerbarer Frischluftanteil zuführbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) Die Brennkammer ist in an sich bekannter Waise als Ringbrennkammer (5) ausgebildet und am Gehäuse (4) der Laderantriebsturbine (2) rückwärtig angeflanscht angeordnet, wobei — wie ebenfalls an sich bekannt — die Auspuffrohre (22,23,24) der Brennkraftmaschine tangential in das Außengehäuse (6) der 2s Ringbrennkammer (5) einmünden;

   b) der Brennstoff ist dem Flammrohr (19) über die gemeinsame Welle (3) der Laderantriebsturbine (2) und des Ladegebläses (1) unter Rotationszerstäubung zuführbar;

   c) seitlich im Flammrohr (19) angeordneten Zuströmöffnungen sind Leitvorrichtungen (20, 21) zugeordnet, mit denen der aus dem Raum zwischen dem Außengehäuse (6) und dem Flammrohr (19) für die Verbrennung zugeführte Frischluftanteil und/oder die Abgase der Brepnkraftmaschine einem Drall in Umfangsrichtung unterworfen werden.