DE2541156A1 - Verfahren zur aufladung eines verbrennungsmotors, insbesondere eines dieselmotors, und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur aufladung eines verbrennungsmotors, insbesondere eines dieselmotors, und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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DE2541156A1 DE19752541156 DE2541156A DE2541156A1 DE 2541156 A1 DE2541156 A1 DE 2541156A1 DE 19752541156 DE19752541156 DE 19752541156 DE 2541156 A DE2541156 A DE 2541156A DE 2541156 A1 DE2541156 A1 DE 2541156A1
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Description

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.": Aktiensesel!schaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Verfahren zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, mittels mindestens eines Turboladers, der eine Abgasturbine, einen Verdichter, eine die Abgase der Abgasturbine zuführende Zuführleitung und eine die Abgase von der Abgasturbine abführende Abführleitung aufweist, wobei Abgase zum Zweck ihrer Beimischung zur Ladeluft zum Verdichter zurückgeführt werden.Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist schon seit langem bekannt, Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, mittels Abgasturboladern aufzuladen. Die
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zur Verbrennung des Treibstoffes nötige Luft wird in einem von einer Abgasturbine angetriebenen Verdichter auf einen höheren als atmosphärischen Druck verdichtet und im verdichteten Zustand den Zylindern des Motors zugeführt. Auf diese Weise wird eine dem grösseren Luftgewicht entsprechende grossere Brennstoffmenge verbrannt und somit eine grössere Leistung erreicht als beim Motor ohne Aufladung, der seine Brennluft selber aus der umgebenden Atmosphäre ansaugen muss.
Es ist ebenfalls bekannt, für die Aufladung des Motors "Ladeluft" zu verwenden, die eine begrenzte Menge von beigemischten Abgasen enthält. Damit können verschiedene vorteilhafte Wirkungen erzielt werden, wie z.B. eine Verminderung des als Dieselklopfen bekannten Zündgeräusches, ein verringerter Zündverzug zufolge Steigerung der Verbrennungsraumtemperatur bei geringen Teillasten und eine verlangsamte Verbrennung zufolge der Verringerung des Sauerstoffgehaltes der Zylinderladung. Ausserdem kann die Schadstoffemission insbesondere im Teillastbetrieb des Dieselmotors vermindert werden, da durch Abgasrückführung der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft und damit der effektive Luftüberschuss; der Frischgase herabgesetzt wird, was eine langsamere Verbrennung, eine Senkung der Verbrennungshöchsttemperatur und eine herabgesetzte Reaktionsgeschwindigkeit bei der Bildung von Stickoxyd zur Folge hat. Dies ist von wesentlicher Bedeutung, da in letzter Zeit die
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P)CDOtZl ich zulässigen Schadstoffemissionnwerte in beträchtlichorn Masse herabgesetzt worden sind. Bei kleinen Teillasten können grüssere Abgasmengen zurückgeführt werden, ohne dass sofort Luftmangel auftritt. Bei höheren Teillasten bewirkt die Rückführung einer zu trossen Abgasmenge einen Luftmangel und damit einen Leistungsabfall. Die optimal zurückzuführende Abgasmenge ist daher im allgemeinen nicht konstant; vielmehr ist sie von der momentanen Motorleistung abhängig und variiert in umgekehrtem Verhältnis zu dieser.
Bei Motoren, die ohne Aufladung arbeiten und bei solchen, die mit Aufladung mittels einer Druckwellenmaschine arbeiten, sind schon in bezug auf die Abgasrückführung und damit auf die Verringerung der Schadstoffemissionswerte beträchtliche Fortschritte erzielt worden, wie dies aus der DT-PS 1 *J51 991J bzw. der CH-PS 552 135 hervorgeht. Jedoch ist die Abgasrückführung für mit Turboladern aufgeladene Motoren lediglich im Versuchsstadium und noch nicht im praktischen Einsatz verwirklicht. Bei den bisherigen Versuchen, wie z.B. in der Motortechnischen Zeitschrift, 35. Jahrgang, Nr. 2, Februar 1972 beschrieben, wurde Abgas aus dem Gasstrom nach der Turbolader-Turbine entnommen und vor dem Verdichtereintritt in den Luftstrom des Verdichters wieder eingeführt. Diese Versuche zeigten, dass die aus Leichtmetall bestehenden, den Abgasen ausgesetzten Verdichterräder erst.ens sehr rasch verschmutzten, zweitens sehr rasch korro-
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dierten. Man ist jedoch in bezug auf das Material der Verdichterrfider auf Leichtmetalle, wie z.B. Aluminium angewiesen, um die Fliehkräfte und die aus diesen folgenden Spannungen innerhalb zulässiger Grenzen zu halten, so dass die Einführung der Abgase vor dem Verdichtereintritt keine praktische Lösung des Problems darstellt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Rückführung der Abgase so bewerkstelligt wird, dass die Verdichterschaufeln umgangen werden und sie weder verschmutzt noch korrodiert werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe iet dadurch gekennzeichnet, dass die zurückgeführten Abgase unter Druck in einen ebenfalls unter Druck stehenden Teil des Verdichters in mindestens einer Stelle eingeführt werden, die in Strömungsrichtung der Laufradbeschaufelung nachgeschaltet ist.
Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Rückführung der Abgase dienende Rückführleitung in eine im Betrieb unter Druck stehende Stelle des Verdichters mündet, die in Strömungsrichtung der Laufradbeschaufelung nachgeschaltet ist.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Turbolader, bei welchem die aus der Zuführleitung extrahierten Abgase in den Diffusorraum des Verdichters eingeführt werden ;
Fig. 2 einen Turbolader, bei welchem die aus der Abführleitung extrahierten Abgase in den spiralenförmigen Raum des Verdichters eingeführt v/erden;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zur Steuerung der zurückgeführten Abgasmenge dienenden Steuervorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zur Regelung der zurückgeführten Abgasmenge dienenden Regelvorrichtung.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Turbolader nach der Fig. 1 besteht aus der Abgasturbine 1 und dem von dieser angetriebenen Verdichter 9. Die von den Zylindern des Motors (nicht gezeigt) herrührenden Abgase strömen über die Zuführleitung 7 in das Gaseintrittsgehäuse 2, von diesem über die axialen Turbinenschaufeln 6 in das Gasaus-
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trittsgeh'i.use 3 und über die Abführleitung 8 hinaus. Auf der Turbinenwelle k sitzt das Verdichter-Laufrad 10 mit den radialen Verdichterschaufeln 11. In Richtung der Pfeile 12 strömende Umgebungsluft wird eingesaugt, auf den notwendigen Druck verdichtet und als Ladeluft den Zylindern des Motors zugeführt. Die Luft strömt durch die Verdichterschaufeln 11 in den Diffusorraum, welcher einen ringförmigen, unbeschaufelten Diffusorteil 13 und einen diesem nachgeschalteten, ebenfalls ringförmigen, beschaufelten Diffusorteil aufweist. Von hier strömt die Luft in die Spirale 15 und über eine Austrittsöffnung (nicht gezeigt) des Verdichtergehäuses 16 zu den Zylindern des Motors,
Eine Rückführleitung 17 für die der Ladeluft beizumischenden Abgase zweigt von der Zuführleitung 7 ab, und mündet in den unbeschaufelten Teil 13 des Diffusors. Dabei ist der Winkel, den der Mündungsteil der Rückführleitung 17 mit der Richtung der Hauptströmung bildet ein solcher, dass die Abgase mit einer in Richtung der Hauptströmung gerichteten Geschwindigkeitskomponente in den Verdichter 9 einströmen. .
In der Rückführleitung ist ein als Mischvorrichtung dienender grossvolumiger Receiver 18 vorgesehen, welcher dem Ausgleich von Schwankungen des Abgasdruckes dient. Die Abgase verlassen den Receiver 18 mit gleichbleibendem Druck, wodureh die Steue-
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rung oder Regelung der in den Verdichter einzuführenden Abgasmenge, die in der Vorrichtung 19 vor sieh geht, auf relativ einfache Weise gewährleistet werden kann. Zischen dem Receiver 18 und der Vorrichtung 19 ist eine Kühlvorrichtung 20 vorgesehen, die der Kühlung der Abgase vor ihrer Einführung in den Verdichter dient.
Bei Gleichdruck- oder gleichdruckähnlichem Betrieb ist der Receiver 18 überflüssig. Unter Umständen kann auch die Kühlvorrichtung 20 weggelassen werden, insbesondere wenn das Luft-Abgas-Gemisch nach seinem Austritt aus dem Verdichter noch gekühlt wird.
Bei der Einrichtung nach Fig. 2 werden die Abgase nicht mehr aus der Zuführleitung 7, in welcher sie unter einem Druck von etwa 2-h bar stehen, extrahiert, sondern aus der Abführleitung 8, in welcher sie sich bei einem Druck befinden, der den atmosphärischen Druck nur geringfügig übertrifft. Zu diesem Zweck zweigt die Rückführleitung 17 von der Abführleitung 8 ab und · mündet in die Spirale 15 des Verdichters. Der Winkel, den der Mündungsabschnitt der Rückführleitung mit der Richtung der Hauptströmung bildet, ist auch in diesem Fall ein solcher, dass die Abgase mit einer in Richtung der Hauptströmung gerichteten Geschwindigkeitskomponente in den Verdichter einströmen.
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Der Druck der aus der Abführleitung 8 extrahierten Abgase muss auf einen Wert gebracht werden, der höher als der im Verdichter bei der Einführstelle herrschende Druck ist, damit die Abgase in den Verdichter eingeführt werden können. Zu diesem Zweck ist die Verdichtungsvorrichtung 21 vorgesehen, die dem Receiver 18 nachgeschaltet ist und beispielsweise ein Radialverdichter oder eine Druckwellenmaschine sein kann. Eine Verdichtungsvorrichtung dieser Art kann auch bei der Ausführungsform nach Fig. 1 notwendig sein, wenn der Druck der aus der Zuführleitung 7 extrahierten Abgase kleiner ist'als der Druck im Verdichter bei der Abgas-Einführstelle. Da die Menge der zurückzuführenden Abgase relativ klein ist, sie liegt in der Grössenordnung von 5—20% der Ladeluftmenge, ist eine relativ kleine Verdichtungsvorrichtung 21 notwendig. Sie kann im Hinblick auf leichte Reinigbarkeit konstruiert, und ihre Schaufeln kennen aus korrosionsfestem Material hergestellt werden.
Der Receiver l8 und die Kühlvorrichtung 20 dienen den schon beschriebenen Zwecken und können unter Umständen weggelassen werden. Die Abgase können hier wie auch bei der Ausführungsform nach Fig. 1 an mehreren Stellen des Verdichters eingeführt werden, wenn die Einrichtung zu diesem Zweck mit Abzweigungen der Rückführleitung (17) oder mit mehreren Rückführleitungen ausgestattet ist.
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Wie schon früher erwähnt, ist es zweckmässig, die zurückzuführende Abgasmenge in Funktion der Motorleistung mittels einer Vorrichtung 19 zu steuern, oder wenn grosse Genauigkeit angestrebt wird, zu regeln. Wenn die Vorrichtung eine Steuervorrichtung ist, kann sie nach der: i''iß· 3 zusammengesetzt sein und als wesentlichen Bestandteil einen Funktionsgenerator 22 aufweisen, welcher die erforderliche Menge der zurückzuführenden Abgase in Funktion der Motorleistung oder einer mit dieser direkt variierenden Grösse, wie z.B. die Drehzahl, der Ladedruck oder der Abgasdruck, in sich trägt. In der Rückführleitung 17 ist ein die Menge der zum Verdichter strömenden Abgase beeinflussendes Stellglied 23, welches ein Ventil sein kann, vorgesehen, sowie eine Rückschlagklappe 2h, die die Rückströmung des Luft-Abgas-Gemisches vom Verdichter zur Zuführ- bzw. Abführleitung verhindert. Der Funktionsgenerator 22 empfängt als Eingangssignal die momentane Motorleistung bzw. die mit dieser direkt variierende Grösse, und liefert ein Ausgangssignal, welches mit der notwendigen Abgasmenge in Beziehung steht und als Stellsignal für das Stellglied 23 dient. Durch kontinuierliche Verstellung des Stellgliedes 23 wird erreicht, dass die zurückgeführte Abgasmenge bei jeder momentanen Motorleistung der erforderlichen Abgasmenge entspricht.
Anstelle der Steuervorrichtung kann eine nach der Fig. H
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zusammengesetzte Regelvorrichtung vorgesehen sein. Diese weist einen dem obigen ähnlichen Funktionsgenerator 22, das Stellglied 23 und die Rückschlagklappe 2h auf. Ausserdem ist ein Istwertgeber 25 vorgesehen, der in der Fig. h ein Mengenmessgerät ist und den Istwert der zurückgeführten Abgasmenge misst. Der Istwertgeber 25 kann jedoch auch ein die Konzentration der Abgase in dem Luft-Abgas-Gemisch messendes Gerät sein, wobei in diesem Fall der Funktionsgenerator 22 eine erwünschte Abgaskonzentration als Ausgangssignal liefern müsste. Der hier als Sollwertgeber dienende Funktionsgenerator 22 und der Istwertgeber 25 sind einem Differenzglied 26 zugeschaltet, und diesem ist ein Regler 27 nachgeschaltet. Das Differenzglied 26 empfängt den Istwert vom Istwertgeber 25 und den Sollwert vom Funktionsgenerator 22, bildet die Regelabweichung I-S und führt diese dem Regler 27 zu. Dieser bildet nun die zur Verstellung des Stellgliedes 23 geeignete Stellgrösse. Auch in diesem Fall wird durch kontinuierliche Verstellung des Stellgliedes erreicht, dass die Abgase bei jeder momentanen Motorleistung in erwünschter, optimaler Menge zum Verdichter 9 zurückgeführt werden.
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Claims (29)

- 11 - 120/75 Patentansprüche
1. Verfahren zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, mittels mindestens eines Turboladers, der eine Abgasturbine, einen Verdichter, eine die Abgase der Abgasturbine zuführende Zuführleitung und eine die Abgase von der Abgasturbine abführende Abführleitung aufweist, wobei Abgase zum Zweck ihrer Beimischung zur Ladeluft zum Verdichter zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zurückgeführten Abgase unter Druck in einen ebenfalls unter Druck stehenden Teil (13; 15) des Verdichters (9) in mindestens einer Stelle eingeführt werden, die in Strömungsrichtung der Laufradbeschaufelung nachgeschaltet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekerizeichnet, dass die Abgase mit einer in Richtung der Hauptströmung gerichteten Geschwindigkeitskomponente in den Verdichter (9) eingeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase in einen Teil (13) des Verdichterdiffusors eingeführt werden.
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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase in die Spirale (15) des Verdichters (9) eingeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase vor ihrer Einführung in den Verdichter (9)
verdichtet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase von der Zuführleitung (7) vor ihrem Eintritt in die Abgasturbine (1) extrahiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 5> dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase von der Abführleitung (8) nach ihrem Austritt aus der Abgasturbine (1) extrahiert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankungen der Abgase vor ihrer Einführung in den Verdichter (9) ausgeglichen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase vor ihrer Einführung in den Verdichter (9) gekühlt werden.
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10. Verfahren nacfci Anspruch ls dadurch gekennzeichnet, dass die Wemgse der zurückgeführten Abgase gesteuert wird.
11. Verfahren nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der zurückgeführten Abgase geregelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die noaentane Motorleistung oder eine mit dieser direkt variierende Grosse gemessen und als Eingangssignal einem Punktionsgenerator (22) zugeführt wird, der die zurückzuführende AbKasmenge in Punktion der Motorleistung bzw. der gemessenen Grosse in sich trägt.
13. Verfahren nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Punktionsgenerators (22) als Stellsignal für ein die Abgasmenge beeinflussendes Stellglied (23) verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11 und 12,-dadurch gekennzeichnet, dass aus dem als Sollwert S dienenden Ausgangssignal des Punktionsgenerators (22) und einem Istwert I der zurückgeführten Abgasmenge die Regelabweichung I-S, und aus dieser eine Stellgrösse für ein die Abgasmenge beeinflussendes Stellglied (23) gebildet wird.
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15. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch X, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Rückführung der Abgase dienende Rückführleitung (17) in eine im Betrieb unter Druck stehende Stelle des Verdichters (9) mündet, die in Strömungsrichtung der Laufradbeschaufelung nachgeschaltet ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsabschnitt der Rückführleitung (17) mit der Richtung der Hauptströmung einen solchen Winkel bildet, dass die Abgase mit einer in Richtung der Hauptströmung gerichteten Geschwindigkeitskomponente in den Verdichter (9) strömen.
17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführieitung (17) in einen Teil (13) des Verdichter-Diffusors mündet.
18. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (17) in die Spirale (.15) des Verdichters (9) mündet.
19. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
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dass die Rückführleitung (17) von der Zuführleitung (7) abzweigt.
20. Hinrichtung nach Anspruch 15> dadurch gekennzeichnet,
dass die Rückführleitung (17) von der Abführleitung (8) abzweigt.
21. Einrichtung nach Anspruch 15> gekennzeichnet durch einen in der Rückführleitung (17) vorgesehenen, dem Ausgleich von Druckschwankungen dienenden Receiver (18).
22. Einrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine der Verdichtung der zurückzuführenden Abgase dienende
zusätzliche Verdichtungsvorrichtung (21).
23· Einrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine in der Rückführleitung (17) vorgesehene Kühlvorrichtung (20)
24. Einrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine die zurückgeführte Abgasmenge steuernde Steuervorrichtung (19).
25· Einrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine die zurückgeführte Abgasmenge regelnde Regelvorrichtung (19).
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26. Einrichtung,nach Anspruch 2ί und 25» dadurch gekennzeichnet, dass ein'Punktionsgenerator (22) vorgesehen ist, der die zurückzuführende Abgasmenge in Punktion der Motorleistung oder in Punktion einer mit der Motorleistung direkt variierenden Grosse in sich trägt und als Eingangssignal die momentane Motorleistung bzw. die genannte Gröss©
■ empfängt (Fig. 3 und 4).
27. Einrichtung nach Anspruch 21I und 26, gekennzeichnet durch: ein in der Rückführleitung (17) vorgesehenes Stellglied
(23), welches das Ausgangssignal des Funktionsgenerators
(22) als Stellsignal empfängt und nach Massgabe desselben die zurückgeführte Abgasmenge beeinflusst (Fig. 3)·
28. Einrichtung nach Anspruch 25 und 26, gekennzeichnet durch ein Differenzglied (26), welchem ein die zurückgeführte
Abgasmenge oder die Abgaskonzentration in dem Luft-Abgas-Gemisch kontinuierlich messender Istwertgeber und der
Funktionsgenerator (22) als Sollwertgeber zugeschaltet
sind, und einen dem Differenzglied (26) nachgeschalteten, zur Bildung der Stellgrösse für das Stellglied (23) dienender Kegler (27) (Fig. k).
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29. Einrichtung nach Anspruch 24 und 25, gekennzeichnet durch eine in der Rückfuhrleitung (17) angeordnete Rückschlagklappe (24).
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri 4 Cie.
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DE19752541156 1975-08-29 1975-09-16 Verfahren zur aufladung eines verbrennungsmotors, insbesondere eines dieselmotors, und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens Withdrawn DE2541156A1 (de)

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