DE2545665A1

DE2545665A1 - Antriebsanlage

Info

Publication number: DE2545665A1
Application number: DE19752545665
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl Ing Deutschmann
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH; Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1975-10-11
Filing date: 1975-10-11
Publication date: 1977-04-14
Also published as: GB1547440A; FR2327402B1; DE2545665B2; US4120155A; FR2327402A1

Description

MOTOREN- UND TURBINEN -Ulf ION Z O 4 O O D

PRIEDRICHSHAPEN GMBH
Friedrichshafen

Antriebsanlage

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanlage mit zwei durch Abgasturbolader aufgeladenen Dieselmotoren und hat den Zweck, das Leistungsgewicht und -Volumen von Dieselmotoren zu verbessern, ohne die thermische und mechanische Beanspruchung der Bauteile zu erhöhen.

Als wirksames Mittel hierzu ist die Verringerung des Verdichtungsverhältnisses bei gleichzeitiger Steigerung des Aufladedruckes bekannt. Dadurch können die für die Motorleistung maßgebenden Mitteldrücke erhöht werden, ohne die zulässigen Spitzendrücke zu überschreiten. Nachteilig dabei ist, daß Dieselmotoren mit entsprechend niedrigem Verdichtungsverhältnis nicht gestartet oder mit Teillast betrieben werden können, weil infolge der niedrigen Verdichtungsendtemperatur bei Einspritzen des Kraftstoffes keine bzw. keine für einen einwandfreien Verbrennungsablauf ausreichende Zündung erfolgt. Eine entsprechende, den Verdichtungsenddruck und damit die Temperatur erhöhende Vorverdichtung der Ladeluft ist wegen der fehlenden Abgasenergie nicht ohne weiteres möglich. Eine entsprechende Vorwärmung der Ladeluft ist aufwendig und erfordert Zusatzeinrichtungen.

Es ist eine mehrzylindrige Dieselmaschine bekannt, DT-PS 665 392, bei der einer oder wenige der vorhandenen Zylinder

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ein zur Erzielung der Zündung beim Andrehen ausreichendes, die übrigen Zylinder dagegen ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis aufweisen. Mit den Zylindern mit höherer Verdichtung wird zunächst der Dieselmotor gestartet und mit den Abgasen die Ladeluft der übrigen, niedrig verdichtenden Zylinder bzw. diese selbst erwärmt. Nach ausreichender Erwärmung wird auch den niedrig verdichtenden Zylindern Brennstoff zugeführt, und durch die vorausgegangene Erwärmung wird die Zündtemperatur am Ende des Verdichtungshubes erreicht.

Neben dem unterschiedlichen Verdichtungsverhältnis müssen bei den beiden Zylindergruppen unterschiedliche Einspritzbedingungen sowie unterschiedliche Ventilsteuerungszeiten vorgesehen werden, um für beide Zylindergruppen günstige Betriebsvoraussetzungen zu erhalten. Dies erfordert aufwendige Sonderkonstruktionen der Einspritzpumpen, Nocken- und Kurbelwellen bzw. Gehäuse, die zum Teil für den Betrieb mit niederer, zum Teil für den Betrieb mit hoher Verdichtung ausgebildet sein müssen. Eine optimale Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall, z.B. eine Variation der für den Start- und Teillastbetrieb verwendeten Zylinderzahl entsprechend den Betriebsverhältnissen, oder eine Abwandlung der Gesamtleistung des Dieselmotors durch Änderung der Gesamt-Zylinderzahl, ist nur mit großem Kosten- und Entwicklungsaufwand möglich.

Es ist weiterhin bekannt, bei niederverdichtenden Dieselmotoren mit Abgasturboladern die Vorverdichtung zum Anlas-

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sen und im Teillastbereich durch zusätzliche Abgaserzeugung in einer Brennkammer zu erhöhen. Dadurch wird jedoch naturgemäß der Wirkungsgrad der Anlage im Teillastbereich durch den Brennstoffverbrauch in der Brennkammer ungünstig beeinflußt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist auch der große Aufwand für die Brennkammer, für die Luftführungen, für die Regelung und für den Start der Brennkammer.

Aufgabe der Erfindung ist es, den einwandfreien Betrieb von niederverdichtenden Dieselmotoren insbesondere bei Start, Leerlauf und Teillast zu gewährleisten, ohne die erwähnten Nachteile der bekannten Lösungen in Kauf nehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruches gelöst.

Die beiden Hauptbetriebsbereiche, Start mit Teillastbetrieb und Fahren mit maximaler Leistung, werden damit jeweils einem hierfür besonders geeigneten Motor zugeordnet. Für den Start mit Teillastbetrieb kann ein Serienmotor verwendet werden, der den Einsatzbedingungen entsprechend mit unterschiedlichen Zylinderzahlen ausgerüstet wird und einem normalen Motor-Fabrikationsprogramm entnommen werden kann.

Der niedrig verdichtende Dieselmotor kann in Bezug auf seine Aufladung, seine Einspritzverhältnisse, seinen Ladungswechsel und seine mechanische und thermische Belastung speziell für den Vollastbetrieb ausgelegt werden. Dadurch ergeben sich in diesem Betriebspunkt sehr günstige Leistungsgewichte bei geringen Abmessungen.

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Die Abwandlung der installierten Leistung kann bei beiden Motoren durch Änderung der Zylinderanzahl auf einfache Weise erfolgen. Damit ist eine wirtschaftliche Fertigung wenigstens bis in den Bereich von 2x12 Zylindern zu erreichen.

Für viele Anwendungsfälle kann man für den ersten Motor eine einheitliche Bauweise mit sechs Zylindern vorsehen. Dies ist eine auch bei Einzelmotoren oft angewandte Zylinderzahl, so daß sich auf Grund der großen Stückzahlen günstige Herstellungskosten ergeben.

Verschiedene Möglichkeiten, die zur Aufladung des ersten Motors nicht benötigte Abgasenergie zur Aufbereitung der Ladeluft des zweiten Motors zu verwenden, sind in den Ansprüchen zwei und vier vorgeschlagen, eine vorteilhafte Temperaturregelung der Möglichkeit nach Anspruch zwei enthält Anspruch drei.

Durch die Merkmale des fünften Anspruches erfolgt im Teillastbetrieb der Anlage mit dem ersten Motor ein Anwärmen und damit günstige Betriebsbedingungen für den zweiten Motor,

Weitere vorteilhafte Maßnahmen, die eine rasche Erwärmung der kalten Anlage, eine wirksame Kühlung der bei Vollast arbeitenden Anlage und eine Versorgung mit der notwendigen Abgasenergie sicherstellen, sind in Anspruch sechs enthalten.

Verschiedene Vorschläge für die Anordnung und die Verwendung der Motoren sowie ihre Verbindung untereinander enthalten die Ansprüche sieben bis zwölf, während die Ansprüche dreizehn und vierzehn die Erzielung der unterschiedlichen Verdichtung zum Inhalt haben.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigt:

Pig. 1 die Anordnung einer Schiffsanlage mit zwei erfindungsgemäß unterschiedlich ausgelegten Dieselmotoren;

Fig. 2 den Kühlkreislauf mit den erfindungsgemäßen Merkmalen einer Anlage nach Fig. 1.

In Pig. 1 ist ein erster Dieselmotor 11 mit einer Verdichtung E » 12 und ein zweiter Dieselmotor 12, mit einer Verdichtung £ = 12 ausgelegt. Die Gehäuse beider Dieselmotoren 11 und 12 sind über ein Zwischengehäuse 13 miteinander verbunden. Dadurch entfällt das genaue koaxiale Ausrichten der beiden Motoren. Zwischen beiden Dieselmotoren ist ein hydrodynamischer Drehmomentwandler 14 mit einem Pumpenrad 15* einem Turbinenrad 16 und einem Leitrad 17 angeordnet. Das Pumpenrad 15 ist mit einer Kurbelwelle 18 des ersten Dieselmotors 11, das Turbinenrad 16 mit einer Kurbelwelle 19 des zweiten Dieselmotors 12 verbunden.

Der erste Dieselmotor 11 besitzt z.B. sechs Zylinder und kann einem normalen Motoren-Fabrikationsprogramm entnommen werden. Der zweite Dieselmotor ist entsprechend dem Leistungsbedarf für den Fahrantrieb mit einer großen Anzahl von Zylindern, z.B. zwölf Zylindern, ausgestattet. Der Fahrantrieb erfolgt über eine Schiffsschraube 20. Durch hohe Aufladung ergeben sich bei dem zweiten Dieselmotor hohe Mitteldrücke und damit hohe Leistungen gegenüber einem normalen Motor, die jedoch in Verbindung mit dem niedrigen Verdichtungsver-

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hältnis C =12 keine Erhöhung der thermischen und mechanischen Belastung mit sich bringen.

Der erste Dieselmotor 11 dient zum Fahrantrieb bei Teillast, zum Antrieb der Bordaggregate und zum Anwärmen und Starten des zweiten Dieselmotors 12. Seine überschüssige Leistung kann jedoch auch ohne Schwierigkeiten der Leistung des zweiten Motors für den Fahrantrieb zugeschaltet werden.

Zu Fig. 2 ist für die gesamte Antriebsanlage ein gemeinsamer Kühlkreislauf (ausgezogene Linie) vorgesehen. Eine vom Motor 11 aus angetriebene Kühlmittelpumpe 21 sorgt für den Umlauf der Kühlflüssigkeit. Über einen, z.B. von Seewasser durchströmten, Hauptwärmetauscher 22 und einen zusätzlichen Ladeluftwärmetauscher 25 wird die in der Kühlflüssigkeit aufgenommene Wärme abgeführt. Über Ladeluftkühler 24 und 25 wird im Betrieb Wärme von der Ladeluft (strichpunktierte Linie) an das Kühlwasser abgegeben. Die Menge des Kühlwassers durch die Lade luftkühler wird dabei über Thermostatventile 26 und 27 geregelt. Über einen Öl-Wasser-Wärmetauscher 28 wird die Verlustwärmemenge des Drehmomentwandlers 14 über Öl-Leitungen 55 und 56 an das Kühlwasser abgegeben.

Der Dieselmotor 11 ist mit einem einstufigen Abgasturbolader 29, der Dieselmotor 12 mit einem zweistufigen Abgasturbolader 50 ausgerüstet. Die Abgasüberschüsse des Dieselmotors 11 werden nach dem Abgasturbolader 29 in einer Leitung 51 zur Erwärmung der Ladeluft des Dieselmotors 12 einem zusätzlichen Wärmetauscher 52 zugeführt. Ein Regler 55 re-

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gelt über ein Abgasventil J54 in Abhängigkeit von der Motordrehzahl die Temperatur der Ladeluft so ein, daß die zum Zünden erforderliche Verdichtungsendtemperatur in den Zylindern erreicht wird.

Zum Betrieb der Antriebsanlage wird zuerst der Dieselmotor 11 gestartet. Auf Grund seiner hohen Verdichtung erfolgt ein sicherer Start. Der Kühlmittelumlauf ist durch die Pumpe 21 sichergestellt. Bei kaltem Kühlmittel wird der Kühlmittelstrom durch die Thermostat-Ventile 26 und 27 an den Ladeluftkühlern 24 und 25 sowie an dem Ladeluftwärmetauscher 2j5 vorbeigeleitet. Der Dieselmotor 11 kann den Leistungsbedarf der Bordaggregate decken oder mit seiner Leistung zum Fahrbetrieb mit Teillast herangezogen werden. Dabei treibt der Dieselmotor 11 über den Drehmomentwandler 14 und den zweiten Dieselmotor 12 die Schiffsschraube 20 an. Über den Drehmomentwandler 14 erfolgt dabei die Anpassung der zur Verfügung stehenden Motorleistung an den Leistungsbedarf der Schiffsschraube zuzüglich dem Leistungsbedarf für das Durchdrehen des zweiten Dieselmotors 12 ohne Brennstoffzugabe.

Durch die anfallende Wärmemenge des Dieselmotors 11 und des Drehmomentwandlers 14 erwärmt sich das Kühlmittel in kurzer Zeit und damit auch der vom Kühlmittel durchströmte Dieselmotor 12. Dieser Vorgang kann durch Absperren des Zuf^sses von Seewasser zu dem Hauptwärmetauscher noch beschleunigt werden. Da der erste Dieselmotor 11 mit Vollast oder annähernd Vollast betrieben wird, ist sein Abgasturbolader 29 in der Lage, die Aufladung voll zu übernehmen und überschüs-

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siges Abgas zur Anwärmung der Ladeluft des zweiten Dieselmotors im Wärmetauscher 32 zur Verfügung zu stellen. Damit sind die Startvoraussetzungen für den zweiten Dieselmotor erfüllt, so daß die Brennstoffzufuhr zu diesem Motor erfolgen kann. Nach dem Start kann der zweite Dieselmotor mit zunehmender Erwärmung die gesamte Fahrantriebsleistung abgeben. Er wird dabei von seinem zweistufigen Abgasturbolader 30 aufgeladen. Durch Entleeren des Wandlers kann der erste Dieselmotor 11 vom Fahrantrieb getrennt, aber auch in Phasen hohen Leistungsbedarfes wieder zugeschaltet werden.

Mit weiter zunehmender Erwärmung wird über den Regler 33 das Abgasventil 34 immer mehr geöffnet, so daß die Anwärmung der Ladeluft für den Dieselmotor 12 nachläßt, und schließlich wird über das Thermostatventil 27 der Durchfluß des Kühlmittels durch Ladeluft-Warmetauscher und -Kühler eingeleitet, so daß eine Kühlung der Ladeluft erfolgt.

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Claims

Patentansprüche

1.] Antriebsanlage mlfpr&i^ durch Abgasturbolader aufgeladenen Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Motor (11) mit einem ein sicheres Anlassen gewährleistenden Verdichtungsverhältnis c * 12 ausgeführt ist, daß der Abgasturbolader (29), die Kraftstoffeinspritzung und der Ladungswechsel dieses Motors für einen optimalen Teillastbetrieb ausgelegt sind, daß der zweite Motor (12) mit einem eine Hochaufladung und damit hohe Mitteldrücke zulassenden Verdichtungsverhältnis C ^Ä 12 ausgeführt ist, wobei dessen Abgasturbolader (30) den dazu erforderlichen hohen Ladedruck im Vollastbetrieb zu liefern vermag, und daß die zur Aufladung des ersten Motors (11) nicht benötigte Abgasenergie zur Aufbereitung der Ladeluft des zweiten Motors für sichere Zündbedingungen im Teillastbetrieb dieses Motors verwendet wird.

2. Antriebsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Abgasen des ersten Motors (11) nach dem Abgasturbolader (29) enthaltene Abgaswärme zur direkten oder indirekten Anwärmung der Ladeluft des zweiten Motors bei dessen Leerlauf bzw. Teillastbetrieb verwendet wird."

3. Antriebsanlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Temperaturregeleinrichtung (33) für die von den Ab-. gasen des ersten Motors (11) angewärmte Ladeluft des zweiten Motors (12) bei Leerlauf und Teillastbetrieb, die für

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diese Ladeluft eine solche Temperatur einregelt, daß bei jeder Drehzahl die zum Zünden erforderliche Verdichtungsendtemperatur in den Zylindern erreicht wird.

4. Antriebsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorhandene Abgas- bzw. LadeluftUberSchüsse des ersten Motors (11) für die zusätzliche Aufladung des zweiten Motors (12) bei dessen Leerlauf bzw. Teillastbetrieb verwendet werden.

5. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Dieselmotoren (11 und 12) ein gemeinsamer Kühlkreislauf mit einem gemeinsamen Hauptwärmetauscher (22) angeordnet ist, dessen Wasserpumpe (21) vorzugsweise durch den ersten Motor (11) angetrieben wird.

6. Antriebsanlage nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der erste Motor mit einem einstufigen Abgasturbolader (29) und mit im Nebenstrom des Kühlwassers dieses Motors liegendem Ladeluftkühler (24) ausgerüstet ist, und daß der zweite Motor mit Doppelaufladung (50) und mit einem zusätzlichen Wärmetauscher (25) zur weiteren Kühlung des Kühlwassers vor Eintritt in dessen Ladeluftkühler (25) versehen ist.

7. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dieselmotoren hintereinander angeordnet und ihre beiden Kurbelwellen (18, 19) starr oder drehelastisch miteinander verbunden sind.

8. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dieselmotoren (11, 12) hintereinander

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angeordnet sind und ihre beiden Kurbelwellen (18, 19) durch eine schaltbare Kupplung miteinander verbunden sind.

9. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 8, vorzugsweise für Schiffsantriebe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Dieselmotoren ein hydrodynamischer Drehmomentwandler (14) angeordnet ist, dessen Pumpenrad (15) mit der Kurbelwelle (18) des ersten Motors (11) und dessen Turbinenrad (16) mit der Kurbelwelle (19) des zweiten Motors (12) verbunden ist.

10. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse der beiden Dieselmotoren über ein Zwischengehäuse (13) zu einer Gehäuseeinheit verbunden sind.

11. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dieselmotoren (11, 12) nebeneinander angeordnet sind und gegebenenfalls über je eine sehaltbare Kupplung bzw. Drehmomentwandler mit einem Sammelgetriebe verbunden sind.

12. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 10 für Schiffsantriebe, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Motor (11) als Antrieb für die Bordaggregate und zum Starten des zweiten Motors (12) eingesetzt wird, während der zweite Motor (12) zum Schiffsantrieb dient.

13.'Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- und Triebwerksteile der beiden Motoren übereinstimmen und die unterschiedliche

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Verdichtung durch verschiedenartige Ausführung der Kolben erzielt wird.

14. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Motor (11) eine andere Zylinderabmessung besitzt als der zweite Motor (12).

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