DE2617708C3

DE2617708C3 - Aufgeladene Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2617708C3
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: 1981-05-27
Also published as: CH603997A5; CA1036373A; SE425016B; NO761281L; NO145109B; GB1534576A; DK150943C; JPS51130717A; FR2308785A1; ZA762422B; SU1055344A3; DE2617708A1; DK150943B; ES447322A1; BE841066A; SE7604594L; JPS5434852B2; US4077219A; BR7602511A; NL169098C

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 Aufhei/ung 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.

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 durchströmt Vorwärmer. Der Wärmetauscher ist also nicht ständig vom Abgas der Tut bine durchströmt und liegt auch nicht !Wischen dem Verdichter und der Abzweigung rter Umblaseleitung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Brennstoffverbrauch in der Hilfsbrennkamme- durch Zuführung vorgewärmter Luft in diese zu verringern und die Anpaßbarkeit des Wärmeaustauschersystems an verschiedene Betriebszustände ohne bewegte Steuerteile 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 !0), welcher von einem π Tu.-bokonipressor 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) Verbrennungsdrücke zu erhalten. Bei einem Verdichtungsverhältnis des Motors von 7 beträgt das Verdichtungsverhältnis des Abgasturbolader beispielsweise 6 bis 8.

Das Vorhandensein der Umblaseleitung gestattet, jo sofern diese im Betrieb des Motors ständig offen ist und von Luft durchströmt v/ird 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 π hohem Wirkungsgrad zu arbeiten. Die stromaufwärts der Turbine vorgesehene Hilfsbrennkammer läßt einen Betrieb des Abgasturboladers unabhängig von dem Motor in beliebigen Bctriebszuständen desselben (insbesondere bei abgestelltem Motor) ,:u; der Vorverdichtungsdruck kann durch Regelung dtr 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 4> Vorteil der erwärmten Luftzufuhr zur Hilfsbrennkam mer erreicht, wodurch einmal der Brennstoffverbrauch in der Hilfsbrennkammer gesenkt wird, /um anderen der Brennstoffverbrauch der Maschine im Teillastbetrieb erniedrigt wird. Darfurch daß die "ibgastemperatur Vi hinter der Turbine am niedrigsten ist. kann der vom Abgas durchströmte Wärmeaustauscher ohne den Abgasdurchsat/ s'euernde Organe in die l.adeluftlcitung geschaltet werden, weil bei erhöhter Last die Abgastemperatur gleich oder unter der Ladelufttempe- >ΐ ratur liegt. Bei Teillast erhöhl sich die Abgastempc-atur hinter der Turbine, was zu Aufhei/ung der I .adeluft bzw. der Verbrennungsluft für die Hilfsbrennkammer führt.

Das vorteilhafte Verhalten der Erfindung kann auch so gesehen werden, daß das Arbeiten bei verschiedenen «ι Betriebszuständen (insbesondere im Langsnmlauf 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 h--> den Motor für das Arbeiten unter den Nennbedingungen, d. h. mit hohem Vorverdichtungsdruck, gut angepaßt ist.
Zweckmäßig durchströmt bei der erfindungsgemäßen

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 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 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 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, ils bei geringer Leistung der Wärmeübergang in den Kühler sehr gering ist und bei hoher Leistung die Luft in dem Wärmeaustauscher praktisch niehl mehr erwärmt oder sogar abgekühlt wird. Die Funktion des Wärmeaustauschers in der erfindungsgemäßen Anlage ist also deutlich von der Funktion des Luftvorwärmer« in klassischen Anlagen ·■. erschieden, in denen dieser Luftvorwärmer mit einem Bruchteil der aus der Turbine austretenden Gase gespeist wird. Im Gegensatz /ur erfindungsgemäßen Anlage, wo der Wärmeaustausch zwischen -.wenigstens dem größten Teil des aus der Turbine austretenden Gasvroms und dem .iiis 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 Beirieb im Langsamlauf und fcei Betrieb mit geringer Belastung aus (z B. solange der Druck der von dem Motor ausgenommenen Luft kleiner •Is ein bestimmter Wert ist) und machen im übrigen den Wirkungsgrad des Kühlers proportional zur Motördrehzahl und dem Druck der von dem Motor angesaugten Luft.

Besonders interessant ist die Erfindung, wenn der Abgasturbolader mit einem hohen Nenndruckverhältnis (von über 6) und einem hohen Gesamtwirkungsgrpd arbeitet (der Gesamtwirkun^sgrad entspricht dem Produkt der isentropischen Wirkungsgrade des Verdichters und der Turbine, sowie der mechanischen und volumentrischün Wirkungsgrade und muß als hoch angesehen werden, sobald er etwa 0,6 übersteigt) und wenn der Motor mit einem kleinen Verdichtungsver^r) hältnis 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,

ίο während er bei Betrieb mit hoher Leis'ung 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

r> Umblaseleitung und dem Einlaß der Brennkraftmaschine angeordnete Kühler, kann deshalb mit geringerer Leistung ausgeführt werden, als man sie einem getrennt wirkenden Kühler geben müßte, der bei hoher Leistung der Brennkraftmaschine allein die Lufttemperatur auf einem für die Brennkraftmaschine angemessenen Wert herabsetzen müßte. Die bei der erfinuungsgemäßen Ausgestaltung auftretende Erscheinung »thermischen Verschlusses« des Einlasses des Motors die im folgenden noch erläutert werden wird, erlaubt ciie

>> Anpassung des Kompressors an einen volumetrischen Motor bis im kleinen Werten des Vorverdichtungs drucks aufrechtzuerhalten.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

jo Zum Stand der Tech iik ist noch folgendes nachzutragen:

Es ist vorgeschlagen worden an dem Einlaß des Motors einen Bruchfeil der Auspuffgase des Motors oder der aus der Hilfsbrennkammer austretenden

r> 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 herzus'.ellen. welche bei den hohen Temperaturen 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 Kraftstoff menge zu liefern, welche ausreicht, um das Abtinken 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 Umge-

V) bungstemperatur 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 Anlas'.sr oes Motors überdimensioniert werden, um den

ü Motor mit einem hohen Vorverdichtungsdruck anwerfen zu können.

All diese Nachteile werden bei der erfindungsgemäßen Ausbildung vermieden.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf

w) die Zeichnung beispielshalber erläutert.

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

F i g. 2 ist ein Schaubild der Kurven der Veränderung der Temperatur in Funktion des Verdichtungsverhält-

h^r> nisses in einer typischen Anlage gemäß dem Schema der Fig. 1;

F i g. 3 is» ein schematisches Schaubild zur Verdeutlichung der Aufgabe der Anpassung des Kompressors an

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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 volumeirischen Typs arbeitet, sowie der erfindungsgem.-'ßen Lösung dieser Aufgabe.

Die schematisch in F i g. I dargestcllle 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 I 2 ist. Bekanntlich kann ein derartiger Motor, und /war um so mehr, je kleiner seine Bohrung ist. nicht ohne Vorverdichtiing anlaufen, außer bei Verwendung besonderer Mittel, / Ii. der zeitweiligen Benutzung von sehr fluchtigem Kraftstoff. Der Motor 10 wird mi ι Vorverdichtiing durch ein rurbokompressoraggregat mit einem Kompressor 11 und einer Turbine 12 gespeist, welche durch eine Welle 13 gekuppelt sind. In dem I .ufteinlauf des Kompressor·! ist ein Anwurfmotor 14 vorgesehen, welcher /um Anwerfen des Turbokompressors mit der Welle Π durch eine Kupplung 15 gekuppelt werden kann. Der Kompressor hat ein hohes Verdichtungsverhältnis von vo-/ugsweisc über 6. Bekanntlich gibt es jet/t einstufige oder mehrstufige l'berschallkompressoren mit einem einzigen Körper, welche derartige Druckverlulinisse mit hohen Wirkungsgraden liefern. Außerdem kenn ein Kompressor mit Doppelkorpe- mit oder ohne Zwischenkühlung benutzt werden.

Als Beispiel sei erwähnt, dall il'c fur die Luftfahrt bestimmten und von de^r Societe Π RBOMI ( A hergestellten Kompressoren Verdichtunjisirradc von ^ mn einem isentropisthen Wirkungsgrad von ii'ht «< >"·■·. erreichen.

Die Förderleitung 16 mundet in einen Wärmeaustauscher 17 beliebiger Bauart ohne Mischung tier I iusse. d. h. mit zwei unabhängigen stromungskreiseri I s kaiv Mi.h insbesondere um einen Austauscher mit I'I.üu·:" oder Rohren handeln

Der aus dem Austauscher 17 austretenden LuI' hvlen s;ch zwei Stromungskreise J.f f :^r'-.-r dieser V. cue wird

vrm.li \_ : t : i_ i.i. ". ine ) *.r tv niv ■, "Livn. mmi ULI

Linlaßleitung 19 des Motors 10 verbunden ist. und in weiche ein weiter unten beschriebener l.uftkiihler 27 eingeschalte; ;s; Der andere Weg wird durch eine { "iblaseleitung 20 gebildet. Die durch diese t mblaseleitung stromende Lu'' vereinigt sich mit den durch eine Leitung 21 /ugefi.r -ten Auspuffgasen des Motors s:römungsaufwar:s von den: F.ingang der Turbine 12. Die Lmblaseieitung 20 lieg' s.· parallel zu dem Motor ura dem Kuh er 27 Be; de- rjetspielshalber in f ι g. I d.irgestellien Ausfiihrungsforn- mundet sie a· 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 einer stetig veränderlichen Durchtnltsquerschnitt haben und automatisch so gesteuert werden, daß sie zwischen dem Ausgang des Kompressors urd 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 2! 79 310 beschriebene Bauart, es kann jedoch auch ein beliebig anderes Drossclmittcl verwendet werden, welches gestattet, die gleichen Ergebnisse zu erzielen, el. 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 ciie Druckdifferenz eine steigende Funktion des Ausgangsdrucks des Kompressors.

Der beispielshalber in F i g. I dargestellte Kühler für die Vorverdichtungsluft wird durch von einem Ventilator 23 in Bewegung gesetzte Atmospharenliift gekühlt. Dieser Ventilator ist mit der Welle des Motors 10 durch einen Rcgclbetneb 24 gekuppelt, dessen Übersetzungsverhältnis durch z. Is. elektrische Steuermittel 25 festgelegt wird, welche für einen oder mehrere Beiriebsparameter ties Motors empfindlich sind. z. B. die Temperatur und/oder den Druck in der Linlaßleitung 19. wc ehe durch eine Sonde 26 gemessen werden und/oder die durch eine Sonde 26,7 gemessene I imgebungstempc rütür. Der Kühle- 27 kann auch stm dem Wasser des Kühlkreises ties Mo; ts 10 durchströmt werden, wobei dann die von dem Kunler 27 aufgenommene thermische Leistung durch Betätigung eines Dross ' entils in dem Stromungskreis des Wassers, oiler ,!-!gemeiner, der Kühlflüssigkeit des Motors geregelt werden kann Du· Fur ki'on und der Aufhau der Mittel 25 sind w euer unten genauer beschrieben

.Schließlich w erden noch die (iasi. ά eiche the I iirbme durchströmt haben, in den Wärmeaustauscher 17 geschickt, aus welchem sie bei 28 ins Freie .ium^ eten.

Die gunstige Wirkung des Vorhandenseins des Wärmeaustauschers 17 auf ilen Verbrauch der Brennkammer ist mit der vergleichbar, welche man in den Gasturbinenanlagen mit Abwärmeverwertung findet. Diese Wirkung wird daher nicht genauer beschrieben Ls se. ledoch bemerkt. daH es. in dem I all e nes Kompressors II. welcher mit geringer I orderleisning und somit mit einem geringen Verdichtungsverhältnis (von z. B. 2) arbeitet, icid dessen isemropischer Wirkungsgrad 0.75 beträgt, gelingt, den Kraftstoffverbrauch in tier llilfskammer in einem verhältnis vor

CM/ui.iniiuiniiifMii.iiHp _ / -.i UMritfLiii.U;·,! IHK CM ICI M Wärmeaustauseher, dessen Wirkungsgrad Μΐ'Ί· nicht übersteigt.

Ir einer Anlage der obigen Art gestattet aul.ierdem tlas Vorhandensc r. des Wärmeaustauschers, in hohem Mal.le tlas Problem der Aufrechterhaltung tier Linrrittstempcratur der Luft auf einem .^:ür die .Selbstzündung in den Z>lindern des Motors ausreichenden Wert zu beseitigen. Die Vorteile der beschriebenen Mallmhme gehen deutlich aus F ι g. 2 hervor, welche den Verlauf der Temperatur an verschiedenen Punkten der Anlage als Funktion des Verdichtungsverhältnisses p;/p< des Kompressors (worin p- den Gehirndruck am Eingang des Kompressors, d. h. praktisch den Atmosphärendruck, und p: 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 T: bezeichnete die Lufttemperatur am Ausgang des Kompressors (strichpunktierte Kurve), die mit 7"? bezeichnete die Lufttemperatur am Ausgang des Wärmeaustauschers (gestrichelte Kurve) und die mit Ti bezeichnete die Temperatur der Gase am Ausgang der Turbine und am Eingang des Austauschers (vollausgezogene Kurve) dar.

Diese Kurven entsprechen in dem Fall einer

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Umgebungstemperatur Γι = -2O'C 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": als Funktion des Verdichtungsverhältnisses darstellende Kurve entspricht einem Wirkungsgrad des Wärmeaustausch;; s 27 von 0.8 (wobei der Wirkungsgrad als das Verhältnis zwischen der Differenz der I ufttemperaiur /wischen dem Eingang und dem Ausgang und der Differenz zwischen der Fingangstemperal.i- der Gase und der Eingangstemperatiir der Luft definiert isi). Ein Wirkungsgrad von 0.8 erfordert natürlich einen bedeutenden Platzbedarf. Wenn der verfügbare Bau· raum beschränkt ist. kann man sich mit einem geringeren Wirkungsgrad von /. Ii. 0.5 bis O.b begnügen. Wie man sieht, ändert sich unter der Annahme eines konstanten Wirk mgsgrades des Austauschers die

TpMintTnllir Γ". il.M- i\rn Wiirnii_>:intl uucijh^r 17 \ ^-;'!;; *>

senden und in den Kühler 27 eintretenden Luft sehr wenig mit dem Verdichtungsverhältnis />.· />·. d. h. mit dem Vorverdichtungsdruck. Diese Temperatur ist außerdem bei konstanter Leistung infolge des Vorhandenseins der I Imblaseli'imng von der Molordreh/ahl unabhängig. Genauer ausgedrückt sieht man. dall sich T": /wischen etwa 185 C und 215 C ändert, wenn sk ti das Driickverhältnis gleichzeitig wie die Förderleistung des Kompressors /wischen 1.3 und 7 ändert. Man schwächt so in bemerkenswerter Weise die Temperaturschwank :ngen der LuIt am Ausgang des V erdichlcrs .ib. welche in dem irleii 'icn Rereich der V erdichnings Verhältnisse von etw,ι H) t .nit J30 ( «.'el·:.

Man sieht, daß die durch den Wärmeaustauscher 17 erzielte Vorwärmung bei niedrigen Werten des Vorverdiehtuncsdrucks besonders ausgeprägt is:, wenn de¹ Motor besonders warme Luft zur I!-.-rstellnng der Selbstzündung benotigt und eine bedeutende Wärmemenge zu der von den Xiispuffgasen des Motors gelieferten hin/ .irelc muH. um das Turbokompressor-.iggregat selbständig zu machen. In der /one geringer Vorverdichtungsgrade lsi die Kraftstoffersparnis sehr hoch, da einerseits die T emperatur der Auspuffgase des Vioiors ti'ircn i-.rnonung tier l.utteintrittstemper.itiir ■:rhöht wird und andererseits die in die Hilfsbrennkamnier 22 eintretende Luft bereits durch den -Vust.iiischer 17 vorgewärmt ist.

Die Wärmeübertragung von den Gasen der Turbine auf die Luft nimmt dagegen ,ib. wenn der Vorverdichtungsdruck /unim'iii und der Motor keine Vorwärmung der /!!geführten Luft mehr benot,.". und die Auspuffgase des Motors der Turbine die für ihren -Vnirieb nötige Rnergie liefern.

Man steht snmit. daß das Svstern 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 ν on T'"> als Funktion von p^ip- eine stärkere Steigung, wobei sie die T- darstellende Kurve für das gleiche Verdientungsverhältnis 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 Hetrieb genommen. Er bringt so die Temperatur der dem Motor zugeführten Luft auf einen für eine gute Füllung günstigen Wert, jedoch ohne die der Hilfsbrcnnkammer zugeführte Luft zu kühlen.

Die Kurven der F i g. 2. welche einer Anlage mit einem Kompressor mit einer 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 Nennpunk'.s entspricht. In

Kühler i;;r die Vo

tungsluft 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. I dargestellte Anlage kann einen Kühler geringerer Leistung und somit mit kleineren Abmessungen enthalten, da für diesen Betriebszustand des Motors der Wärmeaustauscher 17 nklit mehr als Abwärmeverwertcr. sondern als zusätzlicher Kühler arbeitet. Man sieht nämlich in F i g. 2. daß die Temperatur T der Gase am Ausgang der Turbine von einem Verdichtungsverhältnis von etw a b an kleiner als die Temperatur 7": uer Luft am Ausgang des Kompressors Il wird. Die Wirkung des Wärmeaustauschers 17 wird sogar nach Maßgabe der Zunahme des Vernichtungsverhältnisses immer starker.

Man konnte meinen, daß dieser Vorteil durch die Tatsache ausgeglichen wird, daß die /u 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 verfugbare Energie für den Antrieb der Turbine ausreicht, ohne daß Kraftstoff in der Kammer 22 verbrannt werden muß.

Wenn der Wirkungsgrad des Kompressors kleiner ist (/. B. 1.75). 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 ν erlorengehen.

Das Vorhandensein des Wärmeaustauschers 17 löst außerdem in sehr einfacher Weise ein Problem, welches auftritt, wenn der Verbrennungsmotor IO volumetrische ' Bauart ist (insbesondere Viertaktmotor). Dieses Problem ergibt sich aus F i g. 5. welche die Veränderung der von dem Motor aufgenommenen Luftmenge (Kurve iW/'und der von 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 Nennpunkt 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 15"/o der dann vor dem Motor aufgenommenen Luftmenge liefert: diese Überschußluftmenge erzeugt eine genau definierte Drückdifferenz 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 ?.u kühlen und schließlich stellt sie den erforderlichen Überschuß zur Berücksichtigung von Änderungen der Unigebungsbedingungen 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. I ig. 3 zeigt vollausgezogen die der größten Drehzahl des Motors 10 (/. B. 2500 Umdrehungen in der Minute) Und einer Lufteintrittstemperatur von 100" C entsprechende Kurve M.

Der Betriebspunkt des Turbokompressnrs verschiebt dich dagegen (wie bei einer Gasturbine) auf einer Kurve C deren Konkavität der Achse der Drücke zugewandt Int. welche der Pendellinie zur F.rzielung eines hohen Wirkungsgrades naheliegt; sie lauft durch einen Neiiiiiifi|ja.ssuitg">|juiiki F, entsprechend dem Nenndruck und einer Luftmenge, welche 5 bis 1 5% größer als tlie von dem Motor aufgenommene Luftmenge ^;st und durch den Q = O und p;/p> - I entsprechenden Punkt geht.

Die Linien Cund M schneiden sich daher/wangliuifig für ein Verdichtungsverhältnis .Ti. Wenn man den Vorverdichtungsdruck bis unter diesen Wert .τι absinken lassen würde, würde sich die Strömungsrichtung in der Uniblaseleitung umkehren, die Hilfsbrennkammer würde erlöschen, und der Druckabfall würde Aufhören, genau definiert zu sein und in dem richtigen (Sinn zu wirken. Bei erloschener Brennkammer wäre tine Beschleunigung des Motors unmöglich.

Eine Lösung, die sich sofort aufdrängt, um diese Gefahr zu vermeiden, besteht darin, die der Hilfsbrennfcammer zugeführte Kraftstoffmenge zu steuern, um ein Absinken des Vorverdichtungsdrucks unter den Wert Jti. oder — genauer gesagt — unter einen bestimmten, fiber .Ti liegenden Wert, zu verhindern, um Abflüsse und Oic für die Hilfsbrennkammer als Sauerstoffträger Erforderliche Luft zu berücksichtigen. Diese Lösung Wurde zu einer Kraftstoffverschwendung im Langsamlauf in dem Maße führen, in vn-lrhprn Hip Aiifrprhtpi-hallung des Werts .Ti, für die Selbstzündung des Motors 10 ♦urch Verdichtung nicht erforderlich ist (Fall eines Motors mit genügend hohem Verdichtungsverhältnis, ♦reicher nicht bei sehr niedriger Umgebungstemperatur tu 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 #hne ständig offene Umblaseleitung arbeitenden AnIa-Jen hat: Die von dem Motor bei geringer Leistung ingesaugte Luftmenge wird durch eine Erscheinung begrenzt, weiche als thermische Verstopfung bezeichnet werden kann. 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 erforderlichen Sauerstoff zu liefern.

F i g. 2 zeigt, daß man bei geringer Leistung in den Betriebsbereichen, in weichen die Wärmeübertragung zwischen den Auspuffgasen und der zugeführten Luft bedeutend ist bis zu einer Umgebungstemperatur von — 20° C 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 .-heblich 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 Austauschen 17 darauf hinaus, den unteren Teil der Kurve \f so zu verformen, daß ihr dem Ursprung naheliegender Teil die einer Lufttemperatur von 185'C am Eintritt in den Motor entsprechende Linie A/' erreicht. Der Kreuzungsptinkt mit der Kennlinie Cliegt so erheblich tiefer. Man sieht z. B. in F i g. 3. daß er einem Wert .Ti von größenordnungsmaßig 1.2 anstatt 1.1 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 Mo'.ors. 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 Arbeiten im Langsamlauf in einem Verhältnis 2.4 : 1 verringert (1,91 infolge der Vorwärmung durch den als Verwerter von K alorien 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. B. um einen Zweitaktmotor handelt, geht die Kennlinie M (bei konstanter Motordrehzahl und konstanter Lufteintrittstemperatur) nicht durch den Ursprung. Die angesaugte Lui .menge ivirH nämliph 711 Mull wionr» ^«>c UorkSUnic n~ I r%. "j^J^j^ \ 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 fhjp\ wenig ändert. Diese Temperatur ist z. B. etwas niedriger als 200^CC in dem in "-ig. 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. 100°C für einen Motor mit dem vohimetrischen Verhältnis von 9 gehalten werden. Nachstehend ist eine Regelart des Kühlers 27 beschrieben, welche dieses Ergebnis zu erreichen gestattet

C ie in dem Kühler abzuführende thermische Leistung Qth ist zu N.P2 (T"₂—T'2) proportional, worin N die Motordrehzahl ist Unter der Annahme, daß 7""->

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angenäher! gleich 200" C bleibt und T₂ auf 100' C gebracht werden soll, ist die Leistung Q,t, zu der Drehzahl /V jnd zu dem Vorverdichtungsdruck P₂ ρ· oportional. 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 Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist der Kühler 27 ein Wärmeaustauscher, welcher von einem mit der Motorwelle durch einen Regeltrieb 24 verbundenen Ventilator 23 gekühlt wird. Die Drehzahl «les Ventilators ist zu der des Motors proportional, wobei der Proportionalitätskoeffizient durch den Regeltrieb 24 festgelegt wird. Das Übersetzungsverhältnis dieses Regekriebs wird seinerseits durch einen Regler 25 auf einen Wert festgelegt, welcher eine wachsende Funkten des in der Einlaßleitung 19 herrschenden Drucks ist. Als Teil des Regeltriebs kann eine Riemenscheibe benutzt werden, welche durch zwei Kegel gebildet wTci, deren Abstand für den effektiven Halbmesser der Riemenscheibe bestimmend ,st. Der Regler 25 kann ein elektrisches oder mit Druckmittel

■ rbeitendes Betätigungsorgan umfassen, welches die beiden Kegel gegeneinander axial verstellt unter Benutzung eines üblichen Regelkreises.

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

Der Regler 25 kann nicht nur den in der Einiaßleitung herrschenden Druck berücksichtigen, sondern auch

■ iiucic ocuicuspaiameier. Ein wichtiger Karameler wird durch die Umgebungstemperatur gebildet, da der Wärmeaustausch in dem Kühler unmittelbar durch diese 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 benutz; (Einspritzung von flüchtigem Kraftstoff in die Brennkammern. Vorwärmung der Einlaßleitung, Zusatz von flüchtigem Kraftstoff in der Einlaßleitung, usw.).

Bei stillstehendem Motor 10 wird der Turbokomprestor mittels des Anlassers 14 angeworfen, wobei gleichzeitig die Speisung der Hilfsbrennkammer 22 mit kraftstoff begonnen wird. Der Turbokompressor wird Io sehr schnell selbständig und läuft dann hoch. Die in die Kammer 22 eingespritzte Kraftstoffmenge kann automatisch entsprechend der verfügbaren Luftmenge 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 Temperatur verfügbar, und zwar von etwa 200° C ^;n dem oben betrachteten Fall. Diese Temperatur reicht •us, um das Anlassen des Motors 10 unter der Wirkung

eines (nicht dargestellten) Anwurfmolors 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 Einlaßleifjng 19 des Motors ankommende Luft soweit abgekühlt ist. daß der Motor nicht mehr anlaufen kann.

Bei der in Fig. 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 Fland 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 Einlaßleitung 19 und die Auspuffleitung und erwärmt diese. Das Anlassen wird daher einige Augenblicke nach der Erreichune der vollen Drehzahl des Turboknmnrpssors möglich.

Sobald dei Motor angeworfen ist, wird das Ven'il 30 entweder von Hind 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 einam gegebenen Wert p₂ 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 .T₂ sein.

Wenn der Motor belastet wird, nimmt die in die Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge zu. während Jie 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 P\i kommt. Nach Maßgabe der Zunahme der Belastung tritt der Regeltrieb in Tätigkeit, um bei gegebener Motordrehzahl 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 Turbokompre£soraggregates vor dem Anlassen des Motors gestatten.

Selbstverständlich sind diese Mittel nicht unbedingt erforderlich und bilden nur eine der Aniaßmögiichkeiten des Motors, fur welche die Erfindung besonders geeignet ist

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

Hier/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. 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 Abzweigung der Umblaseleitung (20) liegt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß ein in der Einlaßleitung (19) stromabwärts der Abzweigung der Umblaseieitung (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 mad;en.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Nebenschlußleitung (29). die einen Luftstrom nach Durchströmung des Wärmeaustauschers (17) bei stillstehendem Motor von der Einlaßlc.ung (19) in die Abgasleitung (21) führt.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Nebensc^l-'"jßleitung (29) eine Leitung kleinen Durchmessers aufweist und mit einem Ventil (30) versehen ist, welches beim Anlassen der Brennkraftmaschine von Hand oder automatisch geschlossen wird.