DE2617708B2

DE2617708B2 -

Info

Publication number: DE2617708B2
Application number: DE2617708A
Authority: DE
Inventors: Thierry Paris Andre; Jean Neuilly-Sur-Seine Melchior
Original assignee: Direction General pour lArmement DGA
Current assignee: Direction General pour lArmement DGA
Priority date: 1975-04-24
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1980-10-16
Also published as: NL7604133A; DE2617708A1; NL169098C; DK150943C; JPS5434852B2; CA1036373A; IT1060013B; DK150943B; NL169098B; BE841066A; NO145109C; DD124125A5; JPS51130717A; NO761281L; FR2308785A1; SE7604594L; CH603997A5; ZA762422B; BR7602511A; SU1055344A3

Description

Die Erfindung betrifft eine mittels eines Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Wärmeaustauschersystem für den Ladeluftstrom zur Brennkraftmaschine, welches beim Anlassen und im Schwachlastbetrieb die Aufheizung und im Lastbetrieb die Kühlung des Ladeluftstroms ermöglicht, und mit eirer in die Abgasleitung stromaufwärts der Abgasturbine einmündenden Umblaseleitung sowie mit einer stromaufwärts der Abgasturbine angeordneten, die Abgase der Brennkraftmaschine und die Luft aus der Umblaseleitung empfangenden Hilfsbrennkammer.

Eine solche Anlage ist aus der US-PS 26 33 698 bekannt. Dabei dient der Wärmetauscher einmal als wasserdurchflossener Kühler und ein andermal als ein von Abgasen aus der Turbine durchströmter Vorwärmer. Der Wärmetauscher ist also nicht ständig vom Abgas der Turbine duri_hströmt und liegt auch nicht zwischen dem Verdichter und der Abzweigung der Umblaseleitung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Brennstoffverbrauch in der Hilfsbrennkammer durch Zuführung vorgewärmter Luft in diese zu verringern und die Anpaßbarkeit des Wärmeaustauschersystems an verschiedene Betriebszustände ohne bewegte Steuerieile im Einwirkungsbereich der heißen Verbren-

nungsgase zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein ständig von den Abgasen der Turbine durchströmter Wärmeaustauscher ständig im Frischluftweg zwischen dem Verdichter und der Abzweigung der Umblaseleitung liegt.

Die Erfindung ist sowohl auf Brennkraftmaschinen mit Funkenzündung, als auch auf solche mit Selbstzündung anwendbar, gleichgültig ob es sich um rotierende

ίο Motoren oder um solche mit hin- und hergehendem Kolben handelt Besonderes Interesse bietet die Erfindung bei Anlagen mit einem Dieselmotor geringen Verdichtungsverhältnisses (kleiner als 12 und insbesondere, zwischen 6 und 10), welcher von einem Turbokompressor mit hohem Verdichtungsverhältnis, d. h. mit Vorverdichtung gespeist wird. Der Ausdruck »Abgasturbolader« umfaßt auch Fälle, in denen mehrere Kompressoren und/oder mehrere Turbinenstufen vorgesehen sind, gegebenenfalls mit Luftkühlung zwischen aufeinanderfolgenden Verdichtern oder Verdichterstufen.

Das Verdichtungsverhältnis wird im allgemeinen um so höher gewählt, je kleiner das Verdichtungsverhältnis des Motors ist, um für den Motor annehmbare

2^r> Verbrennungsdrücke zu erhalten. Bei einem Verdichtungsverhältnis des Motors von 7 beträgt das Verdichtungsverhältnis des Abgasturboladers beispielsweise 6 bis 8.

Das Vorhandensein der Umblaseleitung gestattet,

jo sofern diese im Betrieb des Motors ständig offen ist und von Luft durchströmt wird und zwischen der Ansaugseite und dem Auspuff des Motors einen genau bestimmten Druckabfall aufrechterhält, dem Abgasturbolader wie eine Gasturbine in der Nähe ihrer Pendellinie d. h. mit

si hohem Wirkungsgrad zu arbeiten. Die stromaufwärts der Turbine vorgesehene Hilfsbrennkammer läßt einen Betrieb des Abgasturboladers unabhängig von dem Motor in beliebigen Betriebszuständen desselben (insbesondere bei abgestelltem Motor) zu; der Vorver-

4i) dichtungsdruck kann durch Regelung der Kraftstoffmenge in der Hilfsbrennkammer nach Belieben geregelt werden.

Gegenüber der bekannten Anlage nach der US-PS 26 33 698 wird bei der erfindungsgemäßen Anlage der

■r> Vorteil der erwärmten Luftzufuhr zur Hilfsbrennkammer erreicht, wodurch einmal der Brennstoffverbrauch in der Hilfsbrennkammer gesenkt wird, zum anderen der Brennstoffverbrauch der Maschine im Teillastbetrieb erniedrigt wird. Dadurch daß die Abgasteniperatur hinter der Turbine am niedrigsten ist, kann der vom Abgas durchströmte Wärmeaustauscher ohne den Abgasdurchsatz steuernde Organe in die Ladeluftleitung geschaltet werden, weil bei erhöhter Last die Abgastemperatur gleich oder unter der Ladelufltemporatur liegt. Bei Teillast erhöht sich die Abgastemperatur hinter der Turbine, was zu Aufheizung der Ladeluft bzw. der Verbrennungsluft für die Hilfsbrennkammer führt.

Das vorteilhafte Verhalten der Erfindung kann auch so gesehen werden, daß das Arbeiten bei verschiedenen Betriebszuständen (insbesondere im Langsamlauf bei geringer Leistung und gegebenenfalls beim Anlassen) erleichtert wird und daß bei niedrigen Vorverdichtungsdrücken eine gute Anpassung des Abgasturboladers aufrechterhalten wird, welcher so gewählt wird, daß er den Motor für das Arbeiten unter den Nennbedingungen, d. h. mit hohem Vorverdichtungsdruck, gut angepaßt ist.
Zweckmäßig durchströmt bei der eifind'ingsgemäßcn

Lösung die Gesamtheit der aus der Turbine austretenden Gase den Wärmeaustauscher.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist auch die am Ausgang der Turbine eintretende Schalldämpferwirkung.

Die erfindungsgemäße Lösung ist von besonderem Interesse im Falle von Motoren, deren Kühlmitteltemperatur nicht geregelt werden kann (z. B. bei Kühlung mit Atmosphärenluft oder — im Falle von Schiffsmotoren — bei Kühlung mit in einem offenen Kreis strömendem Wasser).

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein in der Einlaßleitung der Brennkraftmaschine stromabwärts der Abzweigung der Umblaseleitung 20 vorgesehener Kühler mit Steuer- und Regelmitteln r> versehen, welche die abgeführte Wärmemenge im wesentlichen der Motordrehzahl und dem Druck der dem Motor zugeführten Luft proportional machen. Durch die Einflußnahme auf den Wärmeaustauscher in diesem Kühler z. B. durch Veränderung der ihn ><> durchströmenden Kühlmittelmenge, kann die Temperatur der in der Brennkraftmaschine eintretenden Luft über der Selbstzündungsschwelle gehalten werden, jedoch niedrig genug, um schädliche Auswirkungen der verringerten Masse und die Überhitzung des Motors bei r> hoher Leistung zu verhindern. Die Einstellung des Wärmeaustauschers in dem Kühler kann ohne Zuhilfenahme von einer hohen Temperatur ausgesetzten Organen erreicht werden; eine weitgehende Selbstregelung des Systems ist möglich.

Die erfindungsgemäß getroffene Maßnahme muß in Unkenntnis der mit ihr erzielten Vorteile zunächst als paradox angesehen werden, denn es wird die aus dem Kompressor austretende Luft in dem Wärmeaustauscher durch die Auspuffgase der Turbine erwärmt und r. anschließend die dem Motor zuströmende vorgewärmte Luft in einem Kühler wieder gekühlt. Erst eingehende Untersuchungen lassen erkennen, daß diese scheinbar paradoxe Maßnahme doch überraschende Vorteile bringt, insofern, als bei geringer Leistung der Wärme- 4ii Übergang in den Kühler sehr gering ist und bei hoher Leistung die Luft in dem Wärmeaustauscher praktisch nicht mehr erwärmt oder sogar abgekühlt wird. Die Funktion des Wärmeaustauschers in der erfindungsgemäßen Anlage ist also deutlich von der Funktion des 4~> Luftvorwärmers in klassischen Anlagen verschieden, in denen dieser Luftvorwärmer mit einem Brüchteil der aus der Turbine austretenden Gase gespeist wird. Im Gegensatz zur ertindungsgemäßen Anlage, wo der Wärmeaustausch zwischen wenigstens dem größten ϊο Teil des aus der Turbine austretenden Gasstroms und dem aus dem Kompressor austretenden Luftstrom stattfindet und bevorzugt die Gesamtheit der aus der Turbine austretenden Gase den Wärmeaustauscher durchströmt. ">">

Die Steuer- und Regelmittel des Kühlers schalten diesen beim Anlassen, bei Betrieb im Langsamlauf und bei Betrieb mit geringer Belastung aus (z. B. solange der Druck der von dem Motor ausgenommenen Luft kleiner als ein bestimmter Wert ist) und machen im übrigen den wi Wirkungsgrad des Kühlers proportional zur Motordrehzahl und dem Druck der von dem Motor angesaugten Luft.

Besonders interessant ist die Erfindung, wenn der Abgasturbolader mit einem hohen Nenndruckverhältnis tr. (von über 6) und einem hohen Gesamtwirkungsgrad arbeitet (der Gesamtwirkungsgrad entspricht dem Produkt der isentropischen Wirkungsgrade des Verdichters und der Turbine, sov.ie der mechanischen und volumentrischen Wirkungsgrade und mu3 als hoch angesehen werden, sobald er etwa 0,6 übersteigt) und wenn der Motor mit einem kleinen Verdichtungsverhältnis arbeitet Dann arbeitet nämlich der Wärmeaustauscher bei Betrieb mit geringer Leistung (d. h. wenn der Vorverdichtungsdruck niedrig ist und eine Vorwärmung der dem Motor zugeführten Luft zur Erzielung der Selbstzündung notwendig ist) als Luftvorwärmer, während er bei Betrieb mit hoher Leistung als Kühler für die dem Motor zugeführte Luft arbeitet, da ja die Temperatur der Auspuffgase der Turbine dann niedriger ist, als die Temperatur der aus dem Kompressor austretenden Luft Der zwischen der Abzweigung der Umblaseleitung und dem Einlaß der Brennkraftmaschine angeordnete Kühler, kann deshalb mit geringerer Leis< ung ausgeführt werden, als man sie einem getrennt wirkenden Kühler geben müßte, der bei hoher Leistung der Brennkraftmaschine aliain .-iie Lufttemperatur auf einem für die Brennkraftmaschine angemessenen Wert herabsetzen müßte Die bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung auftretende Erscheinung »thermischen Verschlusses« des Einlasses des Motors die im folgenden noch erläutert werden wird, erlaubt die Anpassung des Kompressors an einen volumetrischen Motor bis zu kleinen Werten des Vorverdichtungsdrucks aufrechtzuerhalten.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zum Stand der Technik ist noch folgendes nachzutragen:

Es ist vorgeschlagen worden an dem Einlaß des Motors einen Bruchteil der Auspuffgase des Motors oder der aus der Hilfsbrennkammer austretenden Verbrennungsgase zurückzuführen. Dies führt zu einer verwickelten Anordnung, welche eine ständige Wartung erfordert, die Vorrichtungen für die Rückführung der heißen Gase verschmutzen nämlich und es ist schwierig. Ventile herzustellen, welche bei den hohen Tempcraturen der Gase zufriedenstellend arbeiten.

Es könnte auch in Betracht gezogen werden, die Luft beim Anlassen und beim Arbeiten mit geringer Leistung durch Verdichtung vorzuwärmen. Hierfür würde es genügen, der Hilfsbrennkammer eine Kraftstoffmenge zu liefern, welche ausreicht, um das Absinken des Vorverdichtungsdrucks unter einen bestimmten Kleinstwert zu verhindern. Dieser Kleinstwert müßte aber immer noch hoch sein, wenn der Motor ein kleines Verdichtungsverhältnis hat und mit niedriger Umgebungstemperatur gerechnet werden muß. Infolge dessen wäre auch diese Lösung unwirtschaftlich, da sie zu einem starken Kraftstoffverbrauch in der Hilfsbrennkammer führt. Außerdem müßte bei dieser Lösung der Anlasser des Motors überdimensioniert werden, um den Motor mit einem hohen Vorverdichtungsdruck anwerfen zu können.

All diese Nachteile werden bei der erfindungsgemäßen Ausbildung vermieden.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 ist ein die Hauptbestandteile der Anlage zeigendes Prinzipschema;

F i g. 2 ist ein Schaubild der Kurven der Veränderung der Temperatur in Funktion des Verdichtungsverhältnisses in einer typischen Anlage gemäß dem Schema der Fig. 1;

F i g. 3 ist ein schematiches Schaubild zur Verdeutlichung der Aufgabe der Anpassung des Kompressors an

den Motor der Anlage in dem unteren Gebiet der Kennlinie, d. h. wenn der Kompressor mit einem geringen Druckverhältnis und mit geringer Förderleistung zur Speisung eines Motors des volumetrischen Typs arbeitet, sowie der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe.

Die schematisch in F i g. 1 dargestellte Anlage enthält einen Verbrennungsmotor 10, von welchem nachstehend angenommen ist, daß er ein mit einer hin- und hergehenden Bewegung arbeitender Viertaktmotor (d. h. eine volumetrische Maschine) mit einem Verdichtungsverhältnis von weniger als 12 ist. Bekanntlich kann ein derartiger Motor, und zwar um so mehr, je kleiner seine Bohrung ist, nicht ohne Vorverdichtung anlaufen, außer bei Verwendung besonderer Mittel, z. B. der zeitweiligen Benutzung von sehr flüchtigem Kraftstoff. Der Motor 10 wird mit Vorverdichtung durch ein Turbokompressoraggregat mit einem Kompressor 11 und einer Turbine 12 gespeist, welche durch eine Welle 13 gekuppelt sind. In dem Lufteinlauf des Kompressors ist ein Anwurfmotor 14 vorgesehen, welcher zum Anwerfen des Turbokompressors mit der Welle 13 durch eine Kupplung 15 gekuppelt werden kann. Der Kompressor hat ein hohes Verdichtungsverhältnis von vorzugsweise über 6. Bekanntlich gibt es jetzt einstufige oder mehrstufige Überschallkompressoren mit einem einzigen Körper, welche derartige Druckverhältnisse mit hohen Wirkungsgraden liefern. Außerdem kann ein Kompressor mit Doppelkörper mit oder ohne Zwischenkühlung benutzt werden.

Als Beispiel sei erwähnt, daß die für die Luftfahrt bestimmten und von der Societe TURBOMECA hergestellten Kompressoren Verdichtungsgrade von 8 mit einem isentropischen Wirkungsgrad von über 80% erreichen.

Die Förderleitung 16 mündet in einen Wärmeaustauscher 17 beliebiger Bauart ohne Mischung der Flüsse, d. h. mit zwei unabhängigen Strömungskreisen. Es kann sich insbesondere um einen Austauscher mit Platten oder Rohren handeln.

Der aus dem Austauscher 17 austretenden Luft bieten sich zwei Strömungskreise dar. Einer dieser Wege wird durch eine Leitung 18 gebildet, welche mit der Einlaßleitung 19 des Motors 10 verbunden ist, und in welche ein weiter unten beschriebener Luftkühler 27 eingeschaltet ist Der andere Weg wird durch eine Umblaseleitung 20 gebildet Die durch diese Umblaseleitung strömende Luft vereinigt sich mit den durch eine Leitung 21 zugeführten Auspuffgasen des Motors strömungsaufwärts von dem Eingang der Turbine IZ Die Umblaseleitung 20 liegt so parallel zu dem Motor und dem Kühler 27. Bei der beispielshalber in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform mündet sie in eine Hilfsbrennkammer 22, welche auch die Auspuffgase des Motors empfängt Diese Brennkammer kann insbesondere die in der französischen Patentschrift Nr. 21 79 309 beschriebene Bauart haben. Die Umblaseleitung 20 ist mit Drosselmitteln 20a versehen, welche einen stetig veränderlichen Durchtrittsquerschnitt haben und automatisch so gesteuert werden, daß sie zwischen dem Ausgang des Kompressors und dem Eingang der Turbine eine Druckdifferenz liefern, welche praktisch einzig und allein von dem in der Abzweigleitung vor oder hinter diesen Drosselmitteln (in dem dargestellten Fall vor diesen) herrschenden Druck abhängt Die schematisch dargestellten Mittel haben die in der französischen Patentschrift 2179 310 beschriebene Bauart, es kann jedoch auch ein beliebig anderes Drosselmittel verwendet werden, welches gestattet, die gleichen Ergebnisse zu erzielen, d. h. praktisch einen Druckabfall zu liefern, welcher von dem Verhältnis zwischen der Strömungsmenge in der Umblaseleitung ■-, und der Förderleistung des Kompressors unabhängig ist (d. h. unabhängig von der Drehzahl des Motors bei einer gegebenen Leistung desselben). Beispielsweise ist die Druckdifferenz eine steigende Funktion des Ausgangsdrucks des Kompressors.

ίο Der beispielshalber in Fig. 1 dargestellte Kühler für die Vorverdichtungsluft wird durch von einem Ventilator 23 in Bewegung gesetzte Atmosphärenluft gekühlt. Dieser Ventilator ist mit der Welle des Motors 10 durch einen Regelbetrieb 24 gekuppelt, dessen Übtrsetzungsverhältnis durch z. B. elektrische Steuermitte! 25 festgelegt wird, weiche für einen oder mehrere Betriebsparameter des Motors empfindlich sind, z. B. die Temperatur und/oder den Druck in der Einlaßleitung 19, welche durch eine Sonde 26 gemessen werden und/oder die durch eine Sonde 26a gemessene Umgebungstemperatur. Der Kühler 27 kann auch von dem Wasser des Kühlkreises des Motors 10 durchströmt werden, wobei dann die von dem Kühler 27 aufgenommene thermische Leistung durch Betätigung eines Drosselventils in dem Strömungskreis des Wassers, oder allgemeiner, der Kühlflüssigkeit des Motors geregelt werden kann. Die Funktion und der Aufbau der Mittel 25 sind weiter unten genauer beschrieben.

Schließlich werden noch die Gase, welche die Turbine

jo durchströmt haben, in den Wärmeaustauscher 17 geschickt, aus welchem sie bei 28 ins Freie austreten.

Die günstige Wirkung des Vorhandenseins des Wärmeaustauschers 17 auf den Verbrauch der Brennkammer ist mit der vergleichbar, welche man in den Gasturbinenanlagen mit Abwärmeverwertung findet. Diese Wirkung wird daher nicht genauer beschrieben. Es sei jedoch bemerkt, daß es, in dem Fall eines Kompressors 11, welcher mit geringer Förderleistung und somit mit einem geringen Verdichtungsverhältnis (von z. B. 2) arbeitet, und dessen isentropischer Wirkungsgrad 0,75 beträgt, gelingt, den Kraftstoffverbrauch in der Hilfskammer in einem Verhältnis von größenordnungsmäßig 2 zu verringern, selbst mit einem Wärmeaustauscher, dessen Wirkungsgrad 60% nicht übersteigt

In einer Anlage der obigen Art gestattet außerdem das Vorhandensein des Wärmeaustauschers, in hohem Maße das Problem der Aufrechterhaltung der Eintrittstemperatur der Luft auf einem für die Selbstzündung in

so den Zylindern des Motors ausreichenden Wert zu beseitigen. Die Vorteile der beschriebenen Maßnahme gehen deutlich aus F i g. 2 hervor, welche den Verlauf der Temperatur an verschiedenen Punkten der Anlage als Funktion des Verdichtungsverhältnisses Pilpi des Kompressors (worin p\ den Gesamtdruck am Eingang des Kompressors, d.h. praktisch den Atmosphärendruck, und pz den Gesamtdruck am Ausgang des Kompressors bedeuten), oder des absoluten Ausgangsdrucks bei konstantem Atmosphärendruck, zeigt

Von den in F i g. 2 gezeichneten Kurven stellt die mit Ti bezeichnete die Lufttemperatur am Ausgang des Kompressors (strichpunktierte Kurve), die mit T'₂ bezeichnete die Lufttemperatur am Ausgang des Wärmeaustauschers (gestrichelte Kurve) und die mit T_A bezeichnete die Temperatur der Gase am Ausgang der Turbine und am Eingang des Austauschers (vollausgezogene Kurve) dar.
Diese Kurven entsprechen in dem Fall einer

Umgebungstemperatur ΤΊ = -2O⁰C einem polytropen Wirkungsgrad von 0,80 für die Turbine und den Kompressor und einem (durch die Drosselmittel 20 bestimmten) relativen Druckabfall zwischen dem Kompressor und der Turbine von 10%. Die T"i als Funktion des Verdichtungsverhältnisses darstellende Kurve entspricht einem Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers 27 von 0,8 (wobei der Wirkungsgrad als das Verhältnis zwischen der Differenz der Lufttemperatur zwischen dem Eingang und dem Ausgang und der Differenz zwischen der Eingangstemperatur der Gase und der Eingangstemperatur der Luft definiert ist). Ein Wirkungsgrad von 0,8 erfordert natürlich einen bedeutenden Platzbedarf. Wenn der verfügbare Bauraum beschränkt ist. kann man sich mit einem geringeren Wirkungsgrad von z. B. 0,5 bis 0,6 begnügen.

Wie man sieht, ändert sich unter der Annahme eines konstanten Wirkungsgrades des Austauschers die Temperatur 7*2 der den Wärmeaustauscher 17 verlassenden und in den Kühler 27 eintretenden Luft sehr wenig mit dem Verdichtungsverhältnis pilp\, d. h. mit dem Vorverdichtungsdruck. Diese Temperatur ist außerdem bei konstanter Leistung infolge des Vorhandenseins der Umblaseleitung von der Motordrehzahl unabhängig. Genauer ausgedrückt sieht man, daß sich T'\ zwischen etwa 185°C und 215⁰C ändert, wenn sich das Druckverhältnis gleichzeitig wie die Förderleistung des Kompressors zwischen 1,5 und 7 ändert. Man schwächt so in bemerkenswerter Weise die Temperaturschwankungen der Luft am Ausgang des Verdichters ab, welche in dem gleichen Bereich der Verdichtungsverhältnisse von etwa 10° C auf 230° C geht.

Man sieht, daß die durch den Wärmeaustauscher 17 erzielte Vorwärmung bei niedrigen Werten des Vorverdichtungsdrucks besonders ausgeprägt ist, wenn der Motor besonders warme Luft zur Herstellung der Selbstzündung benötigt und eine bedeutende Wärmemenge zu der von den Auspuffgasen des Motors gelieferten hinzutreten muß, um das Turbokompressoraggregat selbständig zu machen. In der Zone geringer Vorverdichtungsgrade ist die Kraftstoffersparnis sehr hoch, da einerseits die Temperatur der Auspuffgase des Motors durch Erhöhung der Lufteintrittstemperatur erhöht wird und andererseits die in die Hilfsbrennkammer 22 eintretende Luft bereits durch den Austauscher 17 vorgewärmt ist.

Die Wärmeübertragung von den Gasen der Turbine auf die Luft nimmt dagegen ab, wenn der Vorverdichtungsdruck zunimmt und der Motor keine Vorwärmung der zugeführten Luft mehr benötigt und die Auspuffgase des Motors der Turbine die für ihren Antrieb nötige Energie liefern.

Man sieht somit, daß das System selbstregelnd ist, in dem Sinn, daß die Temperatur der Luft am Ausgang des Wärmeaustauschers 27 sich erheblich weniger als die Temperatur der Luft am Eingang ändert

Wenn der Wärmeaustauscher einen geringeren Wirkungsgrad hat, besitzt die Kurve der Änderung von T"₂ als Funktion von pjp\ eine stärkere Steigung, wobei sie die T₂ darstellende Kurve für das gleiche Verdichtungsverhältnis kreuzt

In jedem Fall wird man darauf achten, den wirtschaftlichen Kompromiß zwischen dem Volumen des Wärmeaustauschers, welches seinen Wirkungsgrad bestimmt, und der erwünschten Abwärmeverwertung zu bestimmen.

Beim Arbeiten mit einem kleinen Verdichtungsverhältnis und einer geringen Luftmenge im Langsamlauf des Motors wird der Regeltrieb durch ein von der Sonde 26 und/oder der Sonde 26a entnommenes Signal so gesteuert, daß die Kühlung der Luft möglichst gering wird, gegebenenfalls unter Abstellung des Ventilators 23 (wenn dieser von dem Kühlventilator des Motors verschieden ist). Nach Maßgabe der Zunahme des Verdichtungsverhältnisses, wenn der Motor belastet wird, wird dagegen der Kühler für die Vorverdichtungsluft in Betrieb genommen. Er bringt so die Temperatur

ίο der dem Motor zugeführten Luft auf einen für eine gute Füllung günstigen Wert, jedoch ohne die der Hilfsbrennkammer zugeführte Luft zu kühlen.

Die Kurven der Fig.2, welche einer Anlage mit einem Kompressor mit einem Wirkungsgrad von 0,8, d.h. mit einem verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad, entsprechen, lassen einen weiteren Vorteil der Erfindung aufscheinen, welcher dem Arbeiten mit hoher Leistung in der Nähe des Nennpunkts entspricht. In einer üblichen, mit einem Kühler für die Vorverdichtungsluft des Motors versehenen Anlage muß der Kühler entsprechend der Höchsten, der Höchstleistung des Motors entsprechenden abzuführenden thermischen Leistung bemessen werden. Die in F i g. 1 dargestellte Anlage kann einen Kühler geringerer Leistung und somit mit kleineren Abmessungen enthalten, da für diesen Betriebszustand des Motors der Wärmeaustauscher 17 nicht mehr als Abwärmeverwerter, sondern als zusätzlicher Kühler arbeitet. Man sieht nämlich in Fig. 2, daß die Temperatur T* der Gase am Ausgang der Turbine von einem Verdichtungsverhältnis von etwa 6 an kleiner als die Temperatur T₂ der Luft am Ausgang des Kompressors 11 wird. Die Wirkung des Wärmeaustauschers 17 wird sogar nach Maßgabe der Zunahme des Vernichtungsverhältnisses immer stärker.

Man könnte meinen, daß dieser Vorteil durch die Tatsache ausgeglichen wird, daß die zu der Brennkammer 22 strömende Luft ebenfalls von dem Wärmeaustauscher 17 gekühlt wird. Tatsächlich ist diese Kühlung nicht nachteilig, da die bei großen Leistungen in den Auspuffgasen des Motors verfügbare Energie für den Antrieb der Turbine ausreicht, ohne daß Kraftstoff in der Kammer 22 verbrannt werden muß.

Wenn der Wirkungsgrad des Kompressors kleiner ist (z. B. 0,75), kann die Temperatur am Ausgang der Turbine praktisch in dem gesamten Betriebsbereich der Anlage über der Temperatur der Luft am Ausgang des Kompressors bleiben, ohne daß die anderen Vorteile der Erfindung verlorengehen.

Das Vorhandensein des Wärmeaustauschers 17 löst außerdem in sehr einfacher Weise ein Problem, welches auftritt, wenn der Verbrennungsmotor 10 voulmetrischer Bauart ist (insbesondere Viertaktmotor). Dieses Problem ergibt sich aus Fi g. 3, welche die Veränderung der von dem Motor aufgenommenen Luftmenge (Kurve Af^und dervon dem Kompressor gelieferten Luftmenge (Kurve C) als Funktion des Verdichtungsverhältnisses, d. h. praktisch des Vorverdichtungsdrucks, zeigt

Der Turbokompressor zur Vorverdichtung ist so gewählt, daß er dem Motor 10 angepaßt ist, wenn dieser an dem Nennpunlct Pm in Fig.3 arbeitet Diese Anpassung erfordert, daß der Kompressor 11 dann außer der von dem Motor angesaugten Luftmenge eine

^Luftmenge von größenordnungsmäßig 5 bis !5% der dann vor dem Motor aufgenommenen Luftmenge

liefert; diese Überschußluftmenge erzeugt eine genau definierte Druckdifferenz zwischen dem Ausgang des Kompressors 11 und dem Eingang der Turbine 12 und liefert den für die Aufrechterhaltung der Sparverbren-

nung in der Hilfsbrennkammer 27 erforderlichen Sauerstoff; auch hilft sie, die heißen Teile des Motors durch Luftumlauf zu kühlen und schließlich stellt sie den erforderlichen Überschuß zur Berücksichtigung von Änderungen der Umgebungsbedingungen und von Verschmutzung dar.

Wenn die von dem Motor angesaugte Luft auf einer praktisch konstanten Temperatur gehalten wird, ist die Kennlinie Luftmenge-Druck des Motors bei konstanter Drehzahl eine durch den Ursprung gehende Gerade. |₍₎ F i g. 3 zeigt vollausgezogen die der größten Drehzahl des Motors 10 (z. B. 2500 Umdrehungen in der Minute) und einer Lufteintrittstemperatur von 100⁰C entsprechende Kurve M.

Der Betriebspunkt des Turbokompressors verschiebt |-, sich dagegen (wie bei einer Gasturbine) auf einer Kurve C, deren Konkavität der Achse der Drücke zugewandt ist, welche der Pendellinie zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades naheliegt; sie läuft durch einen Nennanpassungspunkt Pc entsprechend dem Nenn- _>o druck und einer Luftmenge, welche 5 bis 15% größer als die von dem Motor aufgenommene Luftmenge ist und durch den Q=O und pjp\ = 1 entsprechenden Punkt geht.

Die Linien Cund Abschneiden sich daher zwangläufig > > für ein Verdichtungsverhältnis π\. Wenn man den Vorverdichtungsdruck bis unter diesen Wert π\ absinken lassen würde, würde sich die Strömungsrichtung in der Umblaseleitung umkehren, die Hilfsbrennkammer würde erlöschen, und der Druckabfall würde jo aufhören, genau definiert zu sein und in dem richtigen Sinn zu wirken. Bei erloschener Brennkammer wäre eine Beschleunigung des Motors unmöglich.

Eine Lösung, die sich sofort aufdrängt, um diese Gefahr zu vermeiden, besteht darin, die der I lilfsbrenn- j-, kammer zugeführte Kraftstoffmenge zu steuern, um ein Absinken des Vorverdichtungsdrucks unter den Wert ic\, oder — genauer gesagt — unter einen bestimmten, über JTi liegenden Wert, zu verhindern, um Abflüsse und die für die Hilfsbrennkammer als Sauerstoffträger erforderliche Luft zu berücksichtigen. Diese Lösung wurde zu einer Kraftstoffverschwendung im Langsamlauf in dem Maße führen, in welchem die Aufrechterhaltung des Werts π\, für die Selbstzündung des Motors 10 durch Verdichtung nicht erforderlich ist (Fall eines « Motors mit genügend hohem Verdichtungsverhältnis, welcher nicht bei sehr niedriger Umgebungstemperatur zu arbeiten braucht).

Das Vorhandensein des Austauschers 17 auf dem Weg der dem Motor 10 zugeführten Luft bringt eine Lösung dieses Problems, welche kein Gegenstück in den ohne ständig offene Umblaseleitung arbeitenden Anlagen hat: Die von dem Motor bei geringer Leistung angesaugte Luftnvenge wird durch eine Erscheinung begrenzt, welche als thermische Verstopfung bezeich- w net werden kana Diese Begrenzung ist ohne Nachteil für den Motor, da ein Bruchteil der aus dem Kompressor austretenden Luft genügt, um den für die Verbrennung der geringen, der Brennkammer unter diesen Betriebsbedingungen zugeführten Kraftstoffmenge erforderli- t,o chen Sauerstoff zu liefern.

F i g. 2 zeigt, daß man bei geringer Leistung in den Betriebsbereichen, in welchen die Wärmeübertragung zwischen den Auspuffgasen und der zugeführten Luft bedeutend ist, bis zu einer Umgebungstemperatur von <,5 — 20⁰C eine Temperatur von wenigstens 185" C am Einlaß des Motors aufrechterhalten kann, indem man die Wirkung des Kühlers ausschaltet (während man bei Belastung die Temperatur der Luft beim Eintritt in den Motor auf einem erheblich kleineren Wert zu halten strebt, z. B. auf etwa 100⁰C bei einem Motor mit dem Verdichtungsverhältnis von 9). Die thermische Verstopfung erfolgt in diesem Betriebsbereich durch Verringerung der spezifischen Masse der Luft (und somit der von dem Motor in der Zeiteinheit angesaugten Luftmasse) in dem Verhältnis:

100 + 273

185 + 273

^0,8

für eine Umgebungstemperatur von — 20° C.

Praktisch läuft die Wirkung des Austauschers 17 darauf hinaus, den unteren Teil der Kurve M so zu verformen, daß ihr dem Ursprung naheliegender Teil die einer Lufttemperatur von 185° C am Eintritt in den Motor entsprechende Linie M' erreicht. Der Kreuzungspunkt mit der Kennlinie Cliegt so erheblich tiefer. Man sieht z. B. in F i g. 3, daß er einem Wert π₂ von größenordnungsmäßig 1,2 anstatt 1,5 entspricht.

Man erhält so gleichzeitig zwei günstige Ergebnisse: Einerseits wird Kraftstoff bei geringer Leistung gespart, und andererseits kann ein weniger kräftiger Anlasser für den Motor vorgesehen werden, da der Vorverdichtungsdruck beim Anwerfen des Motors, wenn sich der Turbokompressor bereits im Betrieb befindet, erheblich herabgesetzt ist.

In einem typischen Fall (Dieselmotor von 800 PS mit 2500 Umdrehungen in der Minute mit einem Kompressor mit einem Nennverdichtungsverhältnis von 4,8 und einem isentropischen Wirkungsgrad von 0,75) wird der Kraftstoffverbrauch in der Hilfskammer beim Aibeiten im Langsamlauf in einem Verhältnis 2,4 : 1 verringert (1,91 infolge der Vorwärmung durch den als Verwerter von Kalorien mit einer Wirksamkeit von 0,6 arbeitenden Austauscher, und 1,25 infolge der thermischen Verstopfung).

Wenn der Motor nicht die volumetrische Bauart aufweist, d. h. wenn es sich z. 3. um einen Zweitaktmotor handelt, geht die Kennlinie M (bei konstanter Motordrehzahl und konstanter Lufteintrittstemperatur) nicht durch den Ursprung. Die angesaugte Luftmenge wird nämlich zu Null, wenn das Verhältnis p₂fp\ gleich 1 wird. Das Problem der Anpassung bei geringer Leistung, oder »untere« Anpassung, ist nicht mehr vorhanden, die anderen oben definierten Vorteile der Erfindung bleiben jedoch beibehalten.

Oben war angegeben, daß der Wärmeaustauscher Luft mit einer Temperatur liefert, welche sich in Funktion des Verdichtungsverhältnisses pilp\ wenig ändert. Diese Temperatur ist z. B. etwas niedriger als 200⁰C in dem in Fig.2 dargestellten Fall, in welchem die Umgebungstemperatur -20°C beträgt. Sie würde etwas unter 300°C für eine Umgebungstemperatur von + 40⁰C liegen. Diese Temperatur ist höher bei einer Anlage, deren Kompressor einen kleineren isentropischen Wirkungsgrad (z.B. 0,75 anstatt 0,8) hat Im Langsamlauf und bei geringer Leistung kann diese Luft dem Motor ohne Kühlung zugeführt werden. Im normalen Betrieb muß dagegen die Temperatur der Luft auf einem geringeren Wert von z.B. 100⁰C für einen Motor mit dem volumeirischen Verhältnis von 9 gehalten werden. Nachstehend ist eine Regelart des Kühlers 27 beschrieben, welche dieses Ergebnis zu erreichen gestattet

Die in dem Kühler abzuführende thermische Leistung Q,h ist zu N.P₂ (V₁-T₂) proportional, worin N die Motordrehzahl ist. Unter der Annahme, daß T"₂

angenähert gleich 200°C bleibt und T₂ auf 10O⁰C gebracht werden soll, ist die Leistung Q,i, zu der Drehzahl N und zu dem Vorverdichtungsdruck P₂ proportional. Es genügt daher, dem Kühler einen Wirkungsgrad zu geben, welcher zu der Drehzahl und > einem Signal proportional ist, welches eine lineare Funktion des Drucks P₂ ist.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform ist der Kühler 27 ein Wärmeaustauscher, welcher von einem mit der Motorwelle durch einen Regeltrieb 24 ui "erbundenen Ventilator 23 gekühlt wird. Die Drehzahl des Ventilators ist zu der des Motors proportional, wobei der Proportionalitätskoeffizient durch den Regeltrieb 24 festgelegt wird. Das Übersetzungsverhältnis dieses Regeltriebs wird seinerseits durch einen π Regler 25 auf einen Wert festgelegt, welcher eine wachsende Funktion des in der Einlaßleitung 19 herrschenden Drucks ist. Als Teil des Regeltriebs kann eine Riemenscheibe benutzt werden, welche durch zwei Kegel gebildet wird, deren Abstand für den effektiven Halbmesser der Riemenscheibe bestimmend ist. Der Regler 25 kann ein elektrisches oder mit Druckmittel arbeitendes Betätigungsorgan umfassen, welches die beiden Kegel gegeneinander axial verstellt unter Benutzung eines üblichen Regelkreises. r>

Auch kann ein Kühler benutzt werden, dessen Kühlmittel eine durch eine motorbetriebene Pumpe in Bewegung gehaltene Flüssigkeit ist. Die Pumpe kann mit dem Motor mittels eines Regeltriebs verbunden sein, oder sie kann auch unmittelbar von dem Motor in angetrieben werden, wenn ein durch den Regler 25 gesteuertes Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls vorgesehen wird. Es kann z. B. eine Abzweigung vorgesehen werden, welche die von dem Motor angetriebene Wasserpumpe kurzschließt und mit einem π durch den Vorverdichtungsdruck gesteuerten Drosselorgan zur Erzeugung eines Druckabfalls versehen ist. In dem Falle einer Kühlung durch Luft ist es möglich, den Querschnitt des Lufteinlaufs zu dem Ventilator 23 zu beeinflussen. -10

Der Regler 25 kann nicht nur den in der Einlaßleitung herrschenden Druck berücksichtigen, sondern auch andere Betriebsparameter. Ein wichtiger Parameter wird durch die Umgebungstemperatur gebildet, da der Wärmeaustausch in dem Kühler unmittelbar durch diese r> Temperatur beeinflußt wird.

Nachstehend sind beispielshalber das Arbeiten des Motors sowie ein Anlaßverfahren beschrieben, welches nicht die üblichen Hilfsmittel zur Erleichterung des Anwerfens von Dieselmotoren benutzt (Einspritzung >n von flüchtigem Kraftstoff in die Brennkammern, Vorwärmung der Einlaßleilung, Zusatz von flüchtigem K raftstoff in der Einlaßleitung, usw.).

Bei stillstehendem Motor 10 wird der Turbokompressor mittels des Anlassers 14 angeworfen, wobei v> gleichzeitig die Speisung der Hilfsbrennkammer 22 mit Kraftstoff begonnen wird. Der Turbokompressor wird so sehr schnell selbständig und läuft dann hoch. Die in die Kammer 22 eingespritzte Kraftstoffmenge kann automatisch entsprechend der verfügbaren Luftmenge to geregelt werden.

Wenn der Turbokompressor seinen normalen Betriebszustand erreicht hat, wobei die Kammer 22 die größte Kraftstoffmenge empfängt, ist an dem Ausgang des Wärmeaustauschers 17 Luft unter Druck mit hoher b5 Temperatur verfügbar, und zwar von etwa 20O⁰C in dem oben betrachteten Fall. Diese Temperatur reicht aus. um das Anlassen des Motors 10 unter der Wirkung eines (nicht dargestellten) Anwurfmotors zu ermöglichen. Der Kühler 27 stellt jedoch, obwohl er außer Betrieb ist, eine thermische Trägheit dar, welche so groß sein kann, daß bei kaltem Wetter die an der Einlaßleitung 19 des Motors ankommende Luft soweit abgekühlt ist, daß der Motor nicht mehr anlaufen kann.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform genügt die Benutzung der durch die Drosselmittel 20 erzeugten Druckdifferenz. Eine zeitweilige Strömung durch den Kühler zur Erwärmung desselben bildet sich über eine Leitung 29 kleinen Querschnitts aus, welche mit einem von Hand oder automatisch gesteuerten Verschlußventil 30 versehen ist und die Einlaßleitung 19 mit der Auspuffleitung des Motors 10 verbindet. Ein Bruchteil der aus dem Austauscher 17 austretenden warmen Luft strömt dann durch den Kühler 27, die Einlaßleitup.g !9 und die Auspuffleitung und erwärmt diese. Das Anlassen wird daher einige Augenblicke nach der Erreichung der vollen Drehzahl des Turbokompressors möglich.

Sobald der Motor angeworfen ist, wird das Ventil 30 entweder von Hand oder automatisch geschlossen (z. B. durch Erhöhung des Öldrucks des Schmierkreises des Motors). Solange der Motor im Langsamlauf bleibt, bleibt der Kühler 27 außer Betrieb (der Regler 25 kann so ausgebildet sein, daß er den Ventilator 23 bis zu einem gegebenen Wert pi abgestellt hält). Die in die Hilfsbrennkammer 22 eingespritzte Kraftstoffmenge wird auf einem solchen Wert gehalten, daß der Einlaßdruck an dem Motor größer als ein Schwellenwert oder ein »Kleinstwert« ist, unterhalb welchem keine Selbstzündung durch Verdichtung in den Zylindern des Motors stattfindet. Dieser Kleinstwert muß offenbar größer als der Wert π? sein.

Wenn der Motor belastet wird, nimmt die in die Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge zu, während die in die Hilfsbrennkammer eingespritzte Kraftstoffmenge entsprechend abnimmt, bis sie gerade ausreicht, um eine Zündflamme aufrechtzuerhalten, welche bestehen bleibt, selbst wenn der Motor an seinen Nennbetriebspunkt Pm kommt. Nach Maßgabe der Zunahme der Belastung tritt der Regeltrieb in Tätigkeit, um bei gegebener Motordrehzahi die Drehzahl des Ventilators zu erhöhen.

Wenn schließlich der Motor bei voller Drehzahl entlastet wird (z. B. in dem Fall eines einen starken Abhang mit Motorbremsung herunterfahrenden Fahrzeugs), verschieben sich die entsprechenden Betriebspunkte des Kompressors und des Motors auf den Kennlinien M und C (Fig. 3) in Richtung auf den Ursprung, und die Brennkammer wird dann mit einer bedeutenden Kraftstoffmenge gespeist, um den kleinsten Vorverdichtungsdruck aufrechtzuerhalten, welcher erforderlich ist, um die Selbstzündung zu ermöglichen und eine genügende Strömungsmenge in der Umblaseleitung zur Verbrennung des in die Hilfskammer eingespritzten Kraftstoffs zu gewährleisten. Gleichzeitig greift der Regler 25 ein, um das Antriebsverhältnis des Ventilators 23 auf den kleinsten Wert zu bringen oder den Ventilator abzustellen.

In der obigen Anordnung ist eine Anlage mit Anwurfmitteln beschrieben, welche das Anwerfen des Turbokompressoraggregates vor dem Anlassen des Motors gestatten.

Selbstverständlich sind diese Mittel nicht unbedingt erforderlich und bilden nur eine der Anlaßmöglichkeiten des Motors, für welrhe die Erfindung besonders geeignet ist

Die Erfindung erleichtert zwar das Anlassen des Motors, sie ist aber natürlich auch für den Betrieb bei anderen Betriebszur'änden, im Langsamlauf oder bei geringer Leistung anwendbar und kann daher auch in Anlagen benutzt werden, in welchen der Motor durch ein beliebiges anderes gleichwertiges Mittel angelassen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mittels eines Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Wärmeaustauschersystem für den Ladeluftstrom zur Brennkraftmaschine, welches beim Anlassen und im Schwachlastbetrieb die Aufheizung und im Lastbetrieb die Kühlung des Ladeluftstroms ermöglicht, und mit einer in die Abgasleitung stromaufwärts der Abgasturbine einmündenden Umblaseleitung, sowie mit einer stromaufwärts der Abgasturbine angeordneten, die Abgase der Brennkraftmaschine und die Luft aus der Umblaseleitung empfangenden Hilfsbrennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß ein ständig von den Abgasen der Turbine (12) durchströmter Wärmeaustauscher (17) ständig im Frischluftweg zwischen dem Verdichter (11) und der Abzv/eigung der Umblaseleitung (20) liegt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Einlaßleitung (19) stromabwärts der Abzweigung der Umblaseleitung (20) vorgesehener Kühler (27) mit Steuer- und Regelmitteln (23, 24, 25) versehen ist, die die abgeführte Wärmemenge im wesentlichen der Motordrehzahl und dem Druck der dem Motor zugeführten Luft proportional machen.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch I oder 2, gekennzeichnet durch eine Nebenschlußleitung (29), die einen Luftstrom nach Durchströmung des Wärmeaustauschers (17) bei stillstehendem Motor von der Einlaßleitung (19) in die Abgasleitung (21) führt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußleitung (29) eine Leitung kleinen Durchmessers aufweist und mit einem Ventil (30) versehen ist, welches beim Anlassen der Brennkraftmaschine von Hand oder automatisch geschlossen wird.