DE2542970A1 - Aufgeladene brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft 8900 Augsburg , Stadtbachstraße 1

P.B. 2855/1268 Augsburg, den 25- Sept. 1975

Aufgeladene Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine, der bei ungenügender Luftversorgung durch den !Turbolader Hilfsluft zuführbar ist, welche mittels eines mit Treibluft beaufschlagbaren Injektors ansaugbar ist.

Die Zufuhr von Hilfsluft ergibt bei Anordnungen dieser Art eine Verbesserung des Teillast- und Beschleunigungsverhaltens der gesamten Anlage, wobei die Verwendung eines Injektors eine gute Energieausbeute der dem Injektor zugeführten Druckluft sicherstellt.

Aus der DT-PS 1 049 626 ist eine Anordnung der eingangs erwähnten Gattung bekannt, bei welcher der an ein Hilfsgebläse angeschlossene Injektor im Bereich der vom Verdichter des Turboladers zu den Zylindern führenden Ladeleitung angeordnet ist. Der Hauptanteil der Hilfsluft soll dabei vom Hilfsgebläse zur Verfugung gestellt wer-

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den. Hierdurch wird ein großer Energiebedarf für das Hilfsgebläse verursacht. Die zusätzlich vom Injektor geförderte Hilfsluft muß bei der bekannten Anordnung durch den Verdichter hindurch angesaugt werden. Dies ergibt eine Erhöhung des Verdichterdurchsatzes und damit ein sehr träges Verhalten beim Hochfahren, da die in der Regel fest mit dem Verdichter gekoppelte Turbine die Leistung für die Förderung der gesamten Luftmenge aufbringen muß.

Es sind auch Ausführungen bekannt, bei denen Hilfsluft direkt aus einem Vorratsbehälter in die Ladeluftleitung eingeblasen wird. Dabei muß die gesamte Hilfsluft im Vorratsbehälter gespeichert werden, wofür ein großes Volumen erforderlich ist. Beim Einblasen der Hilfsluft in die Ladeluftleitung kühlt sie sich infolge der Entspannung stark ab. Dadurch werden Zündung und Verbrennungsablauf im Motorzylinder verschlechtert. Auch die Abgastemperatur wird niedriger, wodurch sich die Leistung der Turbine verringert.

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung der Nachteile bekannter Anordnungen mit einfachen Mitteln eine Erhöhung der Laderdrehzahl bei stationärem Teillastbereich zu gewährleisten und eine Verkürzung der Hochlaufzeit beim Beschleunigen sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Injektor an einen Druckluftvorratsbehälter angeschlossen und außerhalb der vom Verdichter zu den Zylindern führenden Ladeleitung angeordnet ist, in welche die vom Injektor geförderte Hilfsluft im Bereich hinter dem Ladegebläse einführbar ist. Es hat

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sich herausgestellt, daß für die Unterstützung des Motors Hilfsluft mit niedrigem Druck, aber in großer Menge, erforderlich ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird die Druckenergie der Treibluft in vorteilhafter Weise dazu verwendet, eine sehr große Menge Hilfsluft mit niedrigem Druck zu fördern. Es reicht daher schon eine geringe Treibluftmenge aus, um den gewünschten Effekt zu erreichen. Dadurch, daß die durch den Injektor geförderte Hilfsluft nach dem Verdichter eingeblasen und nicht wie beim Stand der Technik durch den Verdichter hindurchgesaugt wird, verringert sich die vom Verdichter geförderte Luftmenge und damit auch die für die Förderung der Luft erforderliche Leistung. Es bleibt daher ein größerer Teil der von der Turbine angegebenen Leistung für die Beschleunigung des Turboladers übrig.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Injektor eine an die vom Druckbehälter kommende Treibluftleitung angesetzte Lavaldüse auf, die von einem freisaugenden Saugstutzen umgeben ist^und in eine mit dem Saugstutzen verbundene Mischstrecke mündet, an die ein in die Hxlfsluftleitung mündender Diffusor angeschlossen ist. Die Treibluft, die gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung aufgrund des geringen Verbrauchs in einfacher Weise aus der Anlaßluftflasche entnommen werden kann, wird hier in der Lavaldüse auf etwas weniger als Atmosphärendruck entspannt, wobei die Druckenergie praktisch vollständig in Geschwindigkeitsenergie umgesetzt wird. Dieser Luftstrahl hoher Geschwindigkeit wird mit Luft aus der Umgebung vermischt und anschließend in einem Diffusor verzögert. Bei geeigneter Wahl der Querschnitte,

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die durch Berechnungen und einfache Versuche für die Verhältnisse Jedes Einzelfalls ermittelt werden können, steigt dabei der Druck auf ein für die Unterstützung des Motors erforderliches Maß an. Durch die Vermischung mit Umgebungsluft erhöht sich dabei die Temperatur der Hilfsluft über die Endtemperatur der entspannten Treibluft, wodurch nachteilige Auswirkungen auf den Verbrennungsvorgang im Motor vermieden werden und die Abgastemperatur hochgehalten werden kann.

Dadurch, daß in der Hilf sluf ti eitung im Bereich zwischen dem Injektor und der Einmündung in die Ladeleitung ein Buckschlagventil vorgesehen ist, läßt sich auf einfache Weise vermeiden, daß in Zeiten, in denen der Injektor stillgelegt ist, ein Teil der.vom Verdichter geförderten Luft durch den Ansaugstutzen des Injektors entweichen kann.

Gute Ergebnisse wurden mit einer eine Länge von etwa neun Durchmessern aufweisenden Mischstrecke erreicht.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Treibluftleitung, wie vorstehend schon angedeutet wurde, an die Anlaßluftflasche angeschlossen. Hierdurch wird gegenüber der Verwendung eines Hilfsgebläses eine hohe Betriebssicherheit und ständige Einsatzbereitschaft ohne großen Wartungsaufwand gewährleistet.

Vorteilhaft ist zur Stillegung des Injektors in der Treibluftleitung im Bereich zwischen deren Ausgang aus dem Druckluftbehälter und der Lavaldüse ein Absperrventil vorgesehen. Eine Automatisierung des gesamten Vorgangs läßt sich in vorteilhafter Weise dadurch erreichen, daß das Absperrventil in Abhängig-

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keit vom Ladeluftdruck betätigbar ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Ansprüchen.

In der Zeichnung zeigen

Figur 1 einen aufgeladenen Vierzylindermotor mit einem erfindungsgemäß angeordneten und betriebenen Injektor in schematischer Darstellung und

Figur 2 den erfindungsgemäßen Injektor in vergrößerter Darstellung.

In Figur 1 bezeichnet 1 eine schematisch angedeutete Brennkraftmaschine mit vier Zylindern 2 bis 5. Die Brennkraftmaschine 1 kann über eine Welle 6, an die beispielsweise eine Schiffsschraube angeflanscht sein kann, Leistung abgeben. Die in den Zylindern 2 bis 5 entstehenden Abgase werden über eine Abgassammelleitung 7 cLer Abgasturbine 8 eines Turboladers zugeführt, in der sie den Rest ihrer Energie abgeben. Die Abgasturbine 8 treibt über eine Welle 9 einen fest hiermit gekuppelten Verdichter 10 an, der Luft aus der Umgebung ansaugt und zur Beaufschlagung der Zylinder 2 bis 5 über eine Ladeleitung 11 auf ein höheres Druckniveau bringt. In einem Ladeluftkühler 12 wird die Luft, die sich bei der Verdichtung aufgeheizt hat, zurückgekühlt.

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Insbesondere beim Anfahren des Motors 1 und bei niedriger Belastung deckt bekanntlich die Energie der Abgase den zur Verdichtung der gesamten vom Motor 1 benötigten Luftmenge nicht vollständig ab. Der vom Verdichter 10 geförderten Luftmenge muß daher eine bestimmte Hilfsluftmenge beigefügt werden. Gemäß der Erfindung ist zur Förderung der Hilfsluft ein Injektor 13 vorgesehen, der über eine in vorteilhafter Weise an die Anlaßluftflasche 14 angeschlossene Treibluftleitung 15 mit einer geringen Menge Treibluft beaufschlagbar ist und der mit Hilfe der Treibluft eine größere Menge Hilfsluft aus der Umgebung frei ansaugt, welche sich mit der entspannten Treibluft vermischt und über eine an den Injektor 13 angeschlossene Hilfsluftleitung 16 im Bereich hinter dem Verdichter 10 in die Ladeleitung 11 eingeblasen wird. Wie in Figur 1 durch gestrichelte Linien angedeutet, kann die Hilfsluftleitung 16 vor oder hinter dem Ladeluftkühler 12 in die Ladeleitung 11 einmünden. Die Einmündung vor dem Ladeluftkühler 12 hat den Vorteil, daß sich die kalte Hilfsluft im Ladeluftkühler etwas erwärmen kann, da dessen Kühltemperatur jedenfalls höher ist als die Temperatur der vom Injektor ankommenden Luft. Die erfindungsgemäße Anordnung stellt sicher, daß die Zylinder 2 bis 5 ständig ausreichend mit Luft versorgt werden können, wobei die hierzu benötigte zusätzliche Hilfsluft in vorteilhafter Weise mit einer sehr kleinen Menge Treibluft gefördert werden kann. Die Einmündung der Hilfsluftleitung 16 im Bereich hinter dem Verdichter 10 erlaubt ein schnelles Hochfahren des Motors, unabhängig von der Durchsatzmenge des Verdichters.

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Zur Stillegung des Injektors 13 in Leistungsbereichen, in denen die vom Turbolader geförderte Luftmenge zur Versorgung der Zylinder 2 bis 5 ausreicht, ist in der Treibluftleitung 15 ein Absperrventil 17 vorgesehen. Das Absperrventil 17 kann etwa von Hand betätigt werden. Zur Automatisierung des gesamten Vorgangs und zur Erzielung einer feinfühligen Regelung der Luftversorgung kann jedoch auch ein Stellglied 18 vorgesehen sein, das in Abhängigkeit der von einem Fühler 19 gemessenen Größe, die in einem Regler 20 umgesetzt wird, betätigbar ist. Als Meßgröße für den Fühler 19 kann vorteilhaft der Ladeluftdruck im Bereich der Ladeluftleitung 11 abgenommen werden, da diese Heßgröße direkten Aufschluß über die Luftversorgung des Motors gibt. Es sind jedoch auch andere Ausführungen denkbar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt der Fühler 19 den Leistungsbedarf des Motors 1 etwa im Bereich der Welle 6 als Meßgröße ab. In Zeitabschnitten, in denen der Injektor stillgelegt ist, wird das Entweichen eines Teils der vom Verdichter geförderten Ladeluft durch den Injektor 13 hindurch mittels eines in der Hilfsluftleitung 16 im Bereich zwischen dem Injektor 13 und der Einmundungsstelle in die Ladeleitung 11 vorgesehenen Rückschlagventils 21 wirksam und einfach verhindert. Das Absperrventil kann daher auch durch ein Signal geschlossen werden, das gegeben wird, wenn das automatische Rückschlagventil 21 zwischen Injektor und Ladeluftleitung schließt.

Im folgenden wird der Aufbau und die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Injektors anhand der Figur 2 näher

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erläutert. An die an einen Druckluftvorratsbehälter, hier in vorteilhafter Weise an die Anlaßluftflasche 14, angeschlossene Treibluftleitung 15 ist eine Lavaldüse 22 angesetzt, mittels der die dem Druckluftvorratsbehälter entnommene Treibluft auf etwas weniger als Atmosphärendruck entspannt wird. Die in der Treibluft steckende Druckenergie wird hierbei nahezu vollständig in Geschwindigkeitsenergie umgesetzt, Die Lavaldüse 22 ist von einem Saugstutzen 23 umgeben, durch den, wie durch Pfeile angedeutet, Umgebungsluft frei angesaugt wird. Der Saugstutzen 23 kann vorteilhaft als konische Erweiterung eines Rohres ausgebildet sein. An den Saugstutzen 23 schließt sich eine Mischstrecke 24 an, in welcher die aus der Umgebung angesaugte Luft und der aus der Lavaldüse 22 austretende Luftstrom gut miteinander vermischt werden. Gute Ergebnisse wurden damit erreicht, daß die Mischstrecke eine Länge von mindestens dem neunfachen des Durchmessers aufwies. Durch die Vermischung der infolge der starken Entspannung sehr weit abgekühlten Treibluft mit der aus der Umgebung angesaugten relativ warmen Luft erhöht sich die Temperatur der Hilfsluft auf ein Niveau, das eine gute Verbrennung in den Zylindern sicherstellt. An die Mischstrecke 24 schließt sich gemäß der Erfindung ein Diffusor 25 an, in welchem der durch das die Mischstrecke 24 bildende Rohr ankommende Luftstrom unter Erhöhung des Drucks verzögert wird. Durch geeignete Wahl der Querschnitte, die für jeden Einzelfall anhand einfacher Versuche getroffen werden kann, läßt sich so ein für die Unterstützung des Motors geeignetes Druckniveau der Hilfsluft einstellen. Der Diffusor 25 mündet in die Hilfsluftleitung 16, die mit gleichem Endquerschnitt fortgesetzt ist.

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Vorstehend ist zwar eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert, ohne daß hiermit jedoch eine Beschränkung verbunden sein soll. Vielmehr stehen dem Fachmann eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung, um den allgemeinen Gedanken der Erfindung, wie angedeutet, an die Verhältnisse des Einzelfalls anzupassen.

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Leerseite

Claims (7)

(P.B. 2855/1268) Ansprüche

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine, der bei ungenügender Luftversorgung durch den Turbolader Hilfsluft zuführbar ist, welche mittels eines mit Treibluft beaufschlagbaren Injektors ansaugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (13) an einen Druckluftvorratsbehälter (14-) angeschlossen und außerhalb der vom Verdichter (10) zu den Zylindern (2 bis 5) führenden Ladeleitung (11) angeordnet ist, in welche die vom Injektor (13) geförderte Hilfsluft im Bereich hinter dem Ladegebläse einführbar ist.

2. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (13) eine an die vom Druckluftvorratsbehälter kommende Treibluftleitung (15) angesetzte Lavaldüse (22) aufweist, die von einem freisaugenden Saugstutzen (23) umgeben ist und in eine mit dem Saugstutzen (23) verbundene Mischstrecke (24) mündet, an die ein in die Hilfsluftleitung (16) mündender Diffusor (25) angeschlossen ist.

3. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstans einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hilfsluftleitung (16) im Bereich zwischen dem Injektor (13) und der Einmündung in die Ladeleitung (11) ein Rückschlagventil (21) vorgesehen ist.

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4. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstrecke (24-) eine dem neunfachen Wert ihres Durchmessers entsprechende Länge aufweist.

5. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibluftleitung (15) an die Anlaßluftflasche (14-) angeschlossen ist.

6. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Treibluftleitung (15) im Bereich zwischen deren Ausgang aus dem Druckluftvorratsibehälter (14) und der Lavaldüse (22) ein Absperrventil (17) vorgesehen ist.

7. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (17) in Abhängigkeit vom Ladeluftdruck betätigbar ist.

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