DE2633568C2 - Einrichtung zur Hochaufladung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Hochaufladung eines Verbrennungsmotors, wobei das in zwei Stufen unterteilte Druckgefäß de^r Abgase des Motors zur Verdichtung der Verbrennungsluft in zwei Stufen dient.

Für die Aufladung von Verbrennungsmotoren zur Steigerung des effektiven Mitteldruckes werden heute fast ausschließlich Abgasturbolader verwendet. Bekannt sind dafür auch gasdynamische Druckwellenmaschinen, die sich besonders durch schnelles Ansprechen bei Laständerungen auszeichnen und eine Verbesserung der Elastizität des Motors bewirken, weshalb sie vor allem bei Fahrzeug-Dieselmotoren angewendet werden (Motortechnische Zeitschrift 32 (1970) 1, S. 17-23).

Für Höchstleistungsmotoren wurde auch schon eine zweistufige Aufladung mit Abgasturboladern (CH-PS 3 71 633) erprobt, wobei das Gefälle des zu expandierenden Abgases des Motors auf eine Hochdruckstufe im so Stoßbetrieb und auf eine Niederdruckturbine im Gleichdruckbetrieb aufgeteilt wurde. In gleicher Weise erfolgte die Verdichtung der Verbrennungsluft in einer Niederdruck- und einer Hochdruckstufe. Diese Aufteilung wird erforderlich, wenn die in einer Stufe des Türboladers erreichbaren Ladedruckverhältnisse nicht mehr ausreichen oder der Volumendurchsatzbereich des Verdichters bei den gewünschten hohen Druckverhältnissen so schmal wird, daß er den Anforderungen, die man an den Motor stellt, nicht mehr genügt. Bei t>o zweistufiger Aufladung arbeitet jede Stufe bei einem entsprechenden kleineren Druckverhältnis mil besserem Wirkungsgrad in einem breiteren Durehsalz.bercich.

Bei Anwendung der Serienschallung von zwei Abgas- μ turboladern für den Fahrzeugmotor leidet jedoch sehr die Beschleunigungsfähigkeit des Systems Motor-Turbolader sowie die Elastizität des Motors. Da die Turbolader mit dem Motor nur über das Abgas »gekoppelt« sind, folgen sie Lastwechseln am Motor nur mit einer gewissen Verzögerung, deren Zeitdauer vor allem von der Massenträgheit des Turöoladerläufers, vom Aufladeverfahren selbst und von den zu durchlaufenden Betriebsbereichen abhängt Bei der zweistufigen Aufladung kann zwar der kleinere Hochdruck-Turbolader im Stoßverfahren betrieben werden und reagiert daher relativ schnell auf Laständerungen. Der größere Niederdruck-Turbolader jedoch mit dem viel größeren Massenträgheitsmoment, der zudem noch im Gleichdruckverfahren betrieben wird, folgt nur sehr langsam. Starke Rußstöße beim Beschleunigen und lange Ansprechzeiten des Motors sind die Folge. Für Fahrzeugmotoren, bei denen sehr rasches Ansprechen des Motors auf Lastwechsel erwartet wird, um sich den wechselnden Verkehrs- und Straßensituationen schnell anpassen zu können, ist dieses zweistufige Aufladesystem wegen seiner großen Trägheit nicht anwendbar. Dieser Weg zu sehr hohen Mitteldrücken ist damit verschlossen.

Eine zweistufige Aufladung allein mit Druckweüenmaschinen ist auch nicht möglich, da bei diesen Maschinen der Expansions- und der Kompressionsteil nicht unabhängig voneinander sind. Denn wegen des direkten Kontaktes der zu expandierenden und der zu komprimierenden Gase können die Druckniveaus derselben nicht beliebig gewtiilt werden, da sonst die Maschine nicht mehr im gewünschten Sinne arbeitet. Dieser Umstand führt bei zweistufiger Aufladung mit Druckwellenmaschinen vor allem auf der unteren Druckstufe der Hochdruckmaschine zu Schwierigkeiten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Hochaufladung eines Verbrennungsmotors zu schaffen, welche bei gutem Wirkungsgrad der Forderung nach kurzer Ansprechzeit und breitem Betriebskennfeld der Aufladeeinrichtung entspricht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Kombination eines Abgasturboladers m.· einer gasdynamischen Druckwellenmaschine, die abgasseitig und luftseitig in Serie geschaltet und je für eine Stufe eingesetzt sind.

Durch eine solche Kombination, bei der die günstigen Eigenschaften beider Maschinen zur Geltung kommen, wird die zweistufige Aufladung insbesondere für den Fahrzeugmotor ermöglicht. Das wirkt sich vor allem dann aus, wenn der Abgasturbolader für die Hochdruckstufe und die Druckwellenmaschine für die Niederdruckstufe eingesetzt ist. Der hauptsächlichste Vorteil gegenüber der Verwendung von zwei Abgasturboladern liegt darin, daß das trägste Glied in jener Einrichtung, nämlich der im Gleichdruckverfahren betriebene, relativ große Turbolader der Niederdruckstufe, durch die annähernd mit Schallgeschwindigkeit ansprechende Druckwellenmaschine ersetzt wird. Dadurch kann die Ansprechzeit des Motors beim Beschleunigen wesentlich verkürzt, der Rußstoß vermindert werden. Es treten keine Schwierigkeiten bei der Spülung der Druckwellenmaschine auf; sie hat unter allen Betriebsbedingungen nur die Widerstände von gegebenenfalls vorhandenen Filtern oder Schalldämpfern zu überwinden. Eine Zwischenkühlung der Verbrennungsluft nach der Niederdruckstufe verbessert noch den Wirkungsgrad des Aufladcprozcsscs. Falls eine Abkühlung der Hochdruckgase vor dem Eintritt in den Turbolader nötig sein sollte, kann ein großer Teil der abgeführten Wärme durch eine Zwischenerhitzung der Abgase nach der Hochdruckstufe wieder zurückgewonnen werden und

so für den Gesamtprozeß erhalten bleiben. Auch Teillasten können ohne Schwierigkeiten gefahren werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt Es zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Gesamtschema,

Fig.2 ein gleiches Schema wie Fig. 1, jedoch mit Zwischenerhitzung der Abgase.

In beiden Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Nach der F?g. 1 hat der Fahrzeugmotor 1 einen effektiven Mitteldruck, der viel größer ist als 15 bar. Mit einem einstufigen Abgasturbolader kann dieser Motor nicht betrieben werden, weil das erreichbare Ladedruckverhältnis zu klein und der Arbeitsbereich, der durch Pumpgrenze und Schluckgrenze festgelegt ist, zu schmal würde.

Als Hochdruckstufe für die zweistufige Aufladung ist der Abgasturbolader 2 eingesetzt, der im wesentlichen aus der Gasturbine 3 und dem von ihr angetriebenen Verdichter 4 besteht. Die Gasturbine 3 wird von den Abgasen des Motors gespeist, die nach einer Teilexpan sion der gasdynamischen Druckwellenmaschine 5 zuströmen, weiche als Niederdnickstufe für die Expansion der Abgase und für die Kompression der Verbrennungsluft dient. Anschließend strömen die Abgase durch den Auspuffschalldämpfer 6 ab.

Die Verbrennungsluft strömt über den Ansaugfilter 7 zur Druckwellenmaschine 5, in der sie, wie vorstehend erwähnt, auf die erste Druckstufe komprimiert wird. Sie strömt weiter zum Verdichter 4, in welchem die Hochdruckverdichtung erfolgt, und gelangt anschließend zum Motor 1.

Um den Turbolader und die Druckwellenmaschine besser aufeinander abstimmen zu können, um die Aufladeeinrichtung besser an die vorgegebenen Erfordernisse des Motors anzupassen und die Menge der geförderten Verbrennungsluft zu vergrößern, kann es zweckmäßig sein, zwischen der Druckwellenmaschine 5 und dem Verdichter 4 des Abgasturboladers 2 den Zwischenkühler 8 anzuordnen, dessen Kühlmittel durch das Ventil 11 regelbar ist. Auch kann es vorteilhaft sein, in Strömungsrichtung nach dem Verdichter 4 noch den Ladeluftkühler 9 vorzusehen.

Die zweistufige Aufladung bietet auch die Möglichkeit, das Abgas nach der Entspannung in der Hochdruckstufe zwischenzuerhitzen und dadurch seine Enthalpie, d. h. seine Arbeitsfähigkeit in der Niederdruckstufe zu erhöhen.

Bei den hohen Abgastemperaturen, die bei Motoren mit Hochaufladung vorkommen können, wird unter Umständen die zulässige Eintrittstemperatur der Gasturbine des Abgasturboladers überschritten. Eine Absenkung der Abgas-Temperatur ist dann notwendig, was auf beliebige Art, aber sehr vorteilhaft in Verbindung mit der Zwischenerhitzung des Abgases erfolgen kann.

Eine Ausführung dieses Konzeptes ist in F i g. 2 dargestellt.

In den Strömungsweg der Abgase zv/ischen Motor 1 und Gasturbine 3 ist der Abgaskühler-Zwischenerhitzer 10 eingeschaltet der nochmals von den Abgasen nach deren Entspannung in der Gasturbine durchströmt wird, bevor sie in die Druckwellenmaschine 5 eintreten. Auf diese Weise wird im selben Aggregat das heiße Abgas durch Abgas einer niedrigeren Druckstufe auf eine zulässige Temperatu. abgekühlt und letzteres dadurch gleichzeitig zwischenerhitzt.

Vorteilhafterweise wird der als Hochdruckstufe verwendete Abgasturbolader im Stoßverfahren und die als Niederdruckstufe eingesetzte Druckwellenmaschine im Gleichdruckverfahren betrieben. Ferner sei noch erwähnt, daß prinzipiell die beiden Maschinen auch umgekehrt, d. h. die Druckwellenmaschine als Hochdruckstufe und der Abgasturbolader als Niederdruckstufe verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Hochaufladung eines Verbrennungsmotors, wobei das in zwei Stufen unterteilte Druckgefälle der Abgase des Motors zur Verdichtung der Verbrennungsluft in zwei Stufen dient, gekennzeichnet durch die Kombination eines Abgasturboladers (2) mit einer gasdynamischen Druckwellenmaschine (5), die abgasseitig und luftseitig in Serie geschaltet und je für eine Stufe eingesetzt sind.

Z Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasturbolader (?.) für die Hochdruckstufe und die Druckwellenmaschine (5) für die Niederdruckstufe eingesetzt ist

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasturbolader (2) im Stoßverfahren und die Druckwellenmaschine (5) im Gleichdruckverwtbren betrieben ist.

4. Einrichtung nach Anspruch !, gekennzeichnet durch eine Zwischenerhitzung der Abgase nach der Entspannung in der Hochdruckstufe.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenerhitzung durch die Abgase vor deren Entspannung in der Hochdruckstufe erfolgt