DE2660433C2

DE2660433C2 - Verfahren zum Betrieb einer abgasturbogeladenen Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung

Info

Publication number: DE2660433C2
Application number: DE2660433A
Authority: DE
Inventors: Thierry Andre; Michel de Paris Lambert de Boisjean; 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: 1987-10-01
Also published as: DE2617709A1; NO761408L; DK149988C; DK149988B; ES447099A1; IT1060557B; SE435645B; FR2308784B1; AR212965A1; NL7604333A; BE841060A; IN147330B; DE2617709C3; DK182376A; JPS51130716A; GB1528069A; PL115576B1; NL164120C; CA1049270A; AU515377B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer abgasturbogeladenen Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine mit niedrigem Kompressionsverhältnis, welche mit einer Ladeluftumblaseleitung zu einer in der Abgasleitung angeordneten Hilfsbrennkammer ausgerüstet ist, ferner mit einem in der Umblaseleitung angeordneten Regelventil, ferner mit einer Abgasrückführung, die zwischen Turbine und Hilfsbrennkammer abzweigt und in die Ladeluftleitung einmündet, und schließlich mit einem Drosselventil in der Ladeluftleitung, das zwischen der Einmündung der Abgasrückführungsleitung und der Abzweigung der Umblaseleitung sitzt.

Eine solche abgasturbogeladene Brennkraftmaschine ist aus der US-PS 26 33 698 bekannt.

Bei der bekannten Maschine erfüllt das Drosselventil in der Ladeluftleitung die Aufgabe, das Anlassen der Brennkraftmaschine bei niedriger Umgebungstemperatur zu erleichtern, indem der Ladeluftstrom durch Schließung des Drosselventils gebremst und dadurch die Ladeluft vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine durch Verdichtung erwärmt wird. Der in der bekannten Brennkraftmaschine auch schon vorgesehenen Abgasrückführungsleitung ist ein Regelorgan zugeordnet, um das Verhältnis zwischen der durch die weit offene Leitung ankommenden Luftmenge und der Menge der Auspuffgase einzustellen. Die im allgemeinen von Hand vorgenommene Regelung dieses Regelorgans regelt nur sehr grob und macht das Anlassen bei großer Kälte unsicher, weil entweder zu viel Auspuffgase zurückgeführt werden, was die Verbrennung unvollständig macht und die Gefahr des Erstickens des Motors mit sich bringt, oder nicht genügend Auspuffgase zurückgeführt werden, was das Anlassen behindert. Außerdem wird -das Regelventil durch die es berührende Gase hoher

Temperatur beschädigt

Aus der DE-OS 23 16 027 ist es bekannt, das Regelventil in der Umblaseleitung als Differenzdruckventil auszubilden, dessen Druckabfall vom Durchsatz unabhängig ist und linear mit dem Druck aiii Ausgang des

ίο Kompressors zunimmt, wobei der Druckabfall im allgemeinen 5% bis 15% des Drucks am Ausgang des Kompressors darstellt Bei dieser bekannten abgasturbogeladenen Brennkraftmaschine (bei der eine Abgasrückführungsleitung nicht vorgesehen ist) besteht wegen der ständig offenen Abzweigleitung die Möglichkeit den Turbokompressor wie eine Gasturbine arbeiten zu lassen und eine Anpassung an die Nähe seiner Pendellinie vorzunehmen, so daß er einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Der Turbokompressor für die Aufladung der

μ Brennkraftmaschine wird so gewählt daß er der Brennkraftmaschine angepaßt ist wenn diese in ihrem Nennpunkt, d. h. mit höchster Leistung (größtes Drehmoment und größte Drehzahl) arbeitet Diese Anpassung erfordert im allgemeinen, daß der Kompressor dann außer der von der Brennkraftmaschine aufgenommenen Luftmenge eine zusätzliche Luftmenge vor: größenordnungsmäßig 5% bis 15% der von der Brennkraftmaschine aufgenommenen Luftmenge zu liefern hat und zwar für die Erfüllung der folgenden Aufgabe

für die Aufrechterhaltung einer Strömung in der Umblaseleitung, welche die Festlegung der Druckdifferenz zwischen dem Kompressor und der Turbine ermöglicht;

J5 die Lieferung des Sauerstoffs, welcher zur Aufrechterhaltung der Verbrennung bei Sparbetrieb in der Hilfsbrennkammer erforderlich ist, sofern eine solche vorgesehen ist; für die Kühlung heißer Teile der Brennkraftmaschi nc insbesondere der Auspuffleitung und der Zünd kerzen;

für die Lieferung des Luftüberschusses, welcher zur Kompensation von Änderungen der Umgebungsbedingungen und zur Kompensation einer Ver- schmutzung der Luftfilter erforderlich ist.

Aus Gründen einer sparsamen Konstruktion ist es zweckmäßig, einen Kompressor zu wählen, welcher diesen Forderungen entspricht, aber auch nicht mehr.

so Wenn die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luft auf einer praktisch konstanten Temperatur gehalten wird, ist die den Betrieb des Motors bei konstanter Drehzahl (Kennlinie Förderleistung-Druck) darstellende Kurve eine durch den Ursprung gehende Gerade, wenigstens bei einem Viertaktmotor, welcher sich als volumetrische Maschine verhält Der Betriebspunkt des Turbokompressors verschiebt sich dagegen auf einer Kurve, deren Konkavität der Druckachse zugewandt ist und welche durch einen Nennanpassungspunkt geht, welcher dem Nenndruck und einer Förderleistung entspricht, welche um 5% bis 15% größer ist, als die von dem Motor aufgenommene Luftmenge; ferner gehl diese Kurve durch den die Förderleistung 0 und ein Druckverhältnis 1 darstellenden Punkt.

Die beiden Kennlinien schneiden sich also zwangsläufig bei beliebiger Motordrehzahl (kleiner werdende Motordrehzahl bewirkt nur eine Abnahme der Steilheit der Kennlinie Förderleistungs/Druck der Brennkraftma-

schine). Wenn man das Druckverhältnis bis auf den Kreuzungspunkt und unter diesen herabsinken ließe, so s'ürde dies die Luftströmungen der Umblaseleitung zu Null machen und danach umkehren, was einen normalen Betrieb des Motors und insbesondere eine Beschleunigung im Leerlauf verhindern würde.

Eine naheliegende Lösung zur Vermeidung dieses Fehlverhaltens könnte darin bestehen, die Kraftstoffeinspritzung in die Hilfsbrennkammer derart zu steuern, daß ein Absinken des Vorverdichtungsdrucks unter einen Wert verändert wird, welcher etwas höher ist, als der der Kreuzung der Kurven entsprechende Wert An den meisten Brennkraftmaschinen ist jedoch diese Lösung wenig befriedigend, da sie den Gesamtbrennstoffverbrauch erheblich erhöht, wenn die Brennkraftmaschine im Langsamlauf oder mit geringer Belastung arbeitet Bei der erfindungsgemäßen Lösung bestehen die Nachteile der bekannten Lösung nach der DE-OS 23 Ib 027 im wesentlichen nicht

Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung der erkannten Probleme vorgeschlagen, daß die Luftzufuhr zu der Brennkraftmaschine im Langsamlauf und bei geringer Leistung gedrosselt wird, um die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmenge auf einen Zwischenwert zwischen der Förderleistung des Kompressors und demjenigen Wert zu begrenzen, welcher zu einer übermäßigen Temperatur der Auspuffgase des Motors führen würde.

Die Kombination der Umblaseleitung, in welcher durch das Differenzdruckventil ein genau definierter Druckabfall aufrechterhalten wird, mit der weit offenen Abgasrückführungsleistung bringt die Möglichkeit, die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge auf einen solchen Wert einzustellen, daß keine Überlastung am Auspuff auftritt. Das Vorhandensein der Umblaseleitung läßt nämlich zwei Druckpegel auftreten, welche der »Pegel oberhalb« und der »Pegel unterhalb« genannt werden können, wobei diese beiden Pegel einzig und allein durch den Druck oberhalb festgelegt werden. Wenn das an dem Ladelufteinlaß der Brennkraftmaschine angeordnete Drosselventil der Luft keinen genügenden Querschnitt darbietet, um den Druck am Ladelufteinlaß über dem »Pegel unterhalb« zu halten, so wird die Abgasrückführleitung wirksam, um diesen »Pegel unterhalb« wieder herzustellen und sucht am Ladelufteinlaß eine heiße Atmosphäre bei dem Druck des »Pegels unterhalb« herrschen zu lassen. Da die öffnung des Drosselventils ohne Wirkung auf diesen »Druckpegcl unterhalb« ist, ist die dieser Brennkraftmaschine zugeführte Frischluftmenge keine Funktion des ihr von dem Drosselventil dargebotenen Durchtrittsquerschnitts mehr. Dieser kann dann so geregelt werden, daß er bestimmte Forderungen erfüllen kann, z. B. die Forderung nach Aufrechterhaltung der Einlaßtemperatur der Brennkraftmaschine auf einen konstanten Wert, ohne daß eine wirkliche Steuerschleife vorgesehen werden muß.

Die Abgasrückführleitung kann so ausgebildet werden, daß sie die Auspuffgase der Brennkraftmaschine allein, oder die aus der Hilfsbrennkammer austretenden Gase an den Einlaß der Brennkraftmaschine zurückführt. Die letztere Lösung ist im allgemeinen vorzuziehen, da sie eine vereinfachte Regelung gestattet und die am Ausgang der Hilfsbrennkammer entnommenen Gase nur wenig oder keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe enthalten, im Gegensatz zu den Auspuffgasen. Auch sind die aus der Hilfsbrennkammer kommenden Verbrennungsgase erheblich heißer, was die Rückführung in geringerer Menge gestattet

Die Abgasrückführleitung wird um keinen merklichen Druckabfall zu verursachen, mit einem großen Querschnitt ausgeführt und enthält ein Rückschlagven til mit einer schwachen Rückstellfeder.

Die Steuerung des Drosselventils wird in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors auf die Aufrechterhaltung einer solchen Drosselung hin abgestellt, daß die Strömungsmenge in der Umblaselenung genügt,

ίο um eine genau definierte Druckdifferenz zwischen dem Eingang der Turbine und dem Ausgang des Kompressors aufrechtzuerhalten, den für die Verbrennung in der Hilfsbrennkammer erforderlichen Sauerstoff zu liefern und die Temperatur am Auspuff des Motors innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten.

Das Regelsystem des Drosselventils kann so ausgebildet werden, daß es wirksam wird, bevor die kleiner werdende Belastung des Motors einen Wert erreicht, bei dem die Hilfsbrennkammer in Tätigkeit tritt, um so den Ausgangsdruck des Kompressors auf einem »tiefsten« Pegel zu halten.

Durch die Aufrechterhaltung einer durchsatzunabhängigen Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang der Umblaseleitung (Druckdifferenz, welche sich zwischen dem Ausgang des Kompressors und dem Einlaß der Turbine wiederfindet) wird auch ein allen mit Vorverdichtung gespeisten Motoren geringen Verdichtungsverhältnisses gemeinsames Problem gelöst, welches die Drosselung am Einlaß der Brennkraftmaschine erschwert:

Es handelt sich um das Anlassen der Brennkraftmaschine und ihren Betrieb im Leerlauf oder bei geringer Leistung, wenn die Umgebungstemperatur sehr niedrig ist. Die sich als naheliegend anbietende Maßnahme, den

J5 Vorverdichtungsdruck durch Verbrennung von Kraftstoff in der Hilfsbrennkammer auf einem ausreichenden Pegel zu halten, Maßnahme, die kostspielig ist und einen Anlasser größerer Leistung erfordert, kann somit vermieden werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem Unteranspruch.

Die Erfindung ist sowohl auf rotierende Motoren, als auch auf Motoren mit hin- und hergehendem Kolben anwendbar. Sie kann bei Motoren mit Fremdzündung und bei Motoren mit Kompressionszündung angewandt werden. Besonders interessant ist die erfindungsgemäße Lösung, wenn der Motor eine volumetrische Maschine z. B. ein Viertaktmotor (im Gegensatz zu einem Zweitaktmotor) ist. Ganz besonderes Interesse für die An- wendung der Erfindung besteht bei Anlagen mit Viertaktmotor kleinen Verdichtungsverhältnisses von unter 12 bis unter 6 in Verbindung mit Turbokompressoren hohen Verdichtungsverhältnisses von bis zu 6 und darüber, insbesondere wenn der Turbokompressor in der Nähe seiner Pendellinie arbeitet und daher einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Die zur Anwendung kommenden Turbokompressoren können sowohl auf der Turbinenseite, als auch auf der Kompressorseite mehrteilig oder mehrstufig sein, wobei auf der Kompressorseite Zwi-

bO schenkühlung vorgesehen sein kann.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielshalber erläutert.

Fig. 1 ist ein Prinzipschema der Maschine mit einem hydromechanischem System zur Steuerung der Dros selmiltel.

F i g. 2 zeigt die Kennlinien-Förderleistung/Druck der Brennkraftmaschine und eines mit ihr gemäß Fig. 1 vereinigten Turbokompressors,

F i g. 3 zeigt die Kurven des Leistungsverlaufs der in der Anlage gemäß F i g. I eingesetzten Brennkraftmaschine als Funktion ihrer Drehzahl für verschiedene Werte der Auspufftemperatur Te bis zu dem größten zulässigen Wert von 650⁰C,

Fig.4 zeigt schematisch eine Abwandlung gegenüber F ig. l.und

F i g. 5 zeigt schematisch eine weitere Abwandlung.

In Fig. 1 erkennt man eine Brennkraftmaschine 10, nämlich einen Viertaktdieselmotor mit niedrigem Kompressionsverhältnis (von unter 12) und einen Turbolader, welcher durch eine Turbine 11 und einen Kompressor 12 gebildet wird; die Rotoren von Turbine und Verdichter sind durch eine Welle 13 verbunden. In dem Lufteinlaß des Fliehkraftkompressors 12 ist ein mit der Welle durch eine Kupplung 16 gekuppelter elektrischer Anlaßmotor 15 angebracht. Der Kompressor 12 hat ein hohes Verdichtungsverhältnis, etwa größer als 6.

Bekanntlich kann man derart hohe Verdichtungsverhältnisse mit gegenwärtig verfügbaren einstufigen Überschallkompressoren erhalten. Ein Luftkühlcr 17 mit (nicht dargestellten) Mitteln für seine Außerbetriebsetzung ist zwischen dem Kompressor 12 und der Ladeluftleitung 18 des Motors angeordnet. Eine mit einer Kraftstoffzufuhr 20 versehene Hilfsbrennkammer 19 gestattet die Vorwärmung der von der Auspuffleitung 21 des Motors kommenden Abgase vor ihrer Zufuhr zu der Turbine 11, wenn die in diesen Gasen enthaltene Energie ungenügend ist.

Eine im Betrieb der Anlage ständig offene Umblaseleitung 22 ermöglicht der von dem Kompressor 12 gelieferten und von dem Motor 10 nicht aufgenommenen Luft, zu der Turbine zu gelangen. Diese Umblaseleitung verbindet die stromaufwärtige Seite des Kühlers 17 mit der Hilfsbrennkammer 19. In der Umblaseleitung 22 ist ein Differenzdruck ventil 23 angeordnet, welches der diese Leitung in Richtung auf die Hilfsbrennkammer 19 durchströmenden Luft einen Druckabfall ΔΡ — Pi —Py erteilt, welcher praktisch linear mit dem Ausgangsdruck Pi des Kompressors zunimmt und von der die Leitung durchströmenden Strömungsmenge unabhängig ist.

Das Differenzdruckventil 23 kann von der in der deutschen Offenlegungsschrift 23 16 027 beschriebenen Art sein.

Es sei zunächst unter Bezugnahme auf F i g. 2 das Problem beschrieben, welches bei Betrieb der Anlage mit niedrigen Drücken und niedrigen Förderleistungen im Turbolader auftritt.

Da der Motor 10 die volumetrische Bauart aufweist und über den Kühler 17 Luft empfängt, welche im allgemeinen eine etwa konstante Temperatur (etwa 100⁰C) hat, ist seine Kennlinie (Verlauf der in der Zeiteinheit aufgenommenen Luftmasse <?als Funktion des Verdichtungsverhältnisses PilP\) bei konstanter Drehzahl N praktisch eine durch den Ursprung gehende Gerade, deren Steigung umso kleiner ist, je kleiner die Drehzahl ist Beispielshalber sind die Kennlinien A₀. A\ und A2 eines typischen Dieselmotors V 8 von 800 PS für N - 2000 U/min, N = 2500 U/min und N = 2800 U/ min in F i g. 2 gestrichelt eingezeichnet, wobei die Kurve A\ durch den Nennpunkt Pm geht

Da der Turbokompressor infolge des Vorhandenseins der ständig offenen Umblaseleitung 22 wie eine Gasturbine arbeitet, hat der Kompressor 12 eine einzige Kennlinie, welche durch den Punkt PJP\ = 1 (worin P\ den Atmosphärendruck bezeichnet) und Q — 0 (worin φ die von dem Kompressor in der Zeiteinheit gelieferte Luflmenge bezeichnet) geht. Diese Kennlinie Äist eine kon kave Linie, für welche ein Beispiel in F i g. 2 angegeben ist. Ihre genaue Form hängt von der Durchlässigkeit der Turbine ab, und es ist nicht möglich, sie bei einem gegebenen Turbokompressor in einfacher Weise zu verän- dem. Die befriedigende Anpassung des Kompressors 12 an den Motor 10 erfordert, daß der Nennpunkt Pc des Kompressors einer Förderleistung entspricht, welche um 5 bis 15% größer als die dem Nennpunkt Pm des Motors entsprechende ist.

Wie man sieht, verläuft die Kurve B zwangsläufig unterhalb der Kurven A in der Nähe des Ursprungs für einen Wert π\ = 1,7 von P\IP₂ bei 2500 U/min in dem dargestellten Fall.

Ein Betrieb unterhalb dieses Punkts ist ausgeschlos-

sen, da er eine umgekehrte Strömung in der Umblaseleitung 22 und das Erlöschen der Hilfsbrennkammer 19 zur Folge hätte. Die Betriebsbedingungen mit einem zu Pi proportionalen Druckabfall ΔΡ wären nicht mehr erfüllt. Wenn man sich nun damit begnügt, die Einsprit- zung von Kraftstoff mittels der Vorrichtung 20 so zu steuern, daß der von einer Sonde 24 festgestellte Druck in der Ladeluftlcitung 18 auf einem genügenden Pegel gehalten wird, um die Selbstzündung zu ermöglichen, und wenn dieser Pegel einem unter it\ liegenden Wert ΛΤ2 von P-ilP\ entspricht, sieht man, daß eine Beschleunigung vom Leerlauf bis zu der Nenndrehzahl unmöglich ist. Wenn z. B. Λ2 = 1,5 (wie in F i g. 2 dargestellt) ist es unmöglich, vom Leerlauf bis auf 2000 U/min und erst recht nicht darüber hinaus zu beschleunigen; denn die Hilfsbrennkammer 19 würde vor 2000 U/min infolge Luftmangcls erlöschen und der Motor würde ebenfalls stehenbleiben, da der Turbokompressor mit den Auspuffgasen des Motors 10, welche eine niedrige Temperatur haben, nicht selbständig arbeiten kann. Dieser Zu- stand kann bei einer doppelten Auskupplung an einem Fahrzeug oder bei der Abwärtsfahrt mit Motorbremsung sowie beim Hochtreiben oder einer Hohlraumbildung einer Schiffsschraube auftreten und eine Störung des Betriebs hervorrufen.

Ein einfaches Hilfsmittel besteht darin, den »unteren« Wert Λ2 soweit zu vergrößern, daß er über π\ liegt. Dies erhöht aber den Verbrauch bei Teillast und im Langsamlauf beträchtlich. Eine andere Lösung besteht darin, einen Kompressor vorzusehen, dessen Förderleistung im Nennpunkt Pc erheblich über der für den Motor erforderlichen liegt. Dann ist aber die Anpassung schlecht. Die durch die Umblaseleitung 22 strömende Strömungsmenge wird dann nämlich wenigstens bei Teillast zu hoch, und die Kühlung durch die Verdünnung

so der Auspuffgase des Motors erfordert entweder eine Vergrößerung der Vorwärmung in der Kammer 19 (und somit eine Erhöhung des Gesamtverbrauchs), oder eine Erhöhung der Auspufftemperatur des Motors mit der Folge einer thermischen Überlastung desselben.

Das Drosselventil 25 hilft den obigen Fehler unterdrücken, ohne deshalb den Verbrauch im Langsamlauf ' und bei geringer Belastung zu erhöhen, wobei es gestattet, eine gute Anpassung des Kompressors an den Motor beizubehalten.

Das Drosselventil 25 für den dem Motor 10 zuströmenden Luftstrom ist in F i g. 1 durch eine Drehklappe dargestellt, welche durch ein beliebiges anderes Organ ersetzt werden kann; zu beachten ist, daß die Drücke ' beiderseits des Drosselventils keine merkliche Wirkung »

auf dieses im Sinne eines öffnens oder Schließens aus- V üben; es ist ein System zur automatischen Steuerung des *« Drosselventils 25 vorzusehen, welches dieses voll offenhält, wenn die Belastung des Motors größer als ein be-

stimmter Bruchteil (ζ. B. 20%) seiner Nennlast ist und unterhalb dieser Schwelle das Drosselventil 25 teilweise schließt, um die dem Motor 10 zuströmende Luftmenge zu begrenzen, und zwar auf einen Wert, welcher gleichzeitig so klein ist, daß die Strömungsmenge in der Leitung 22 das Arbeiten der Brennkammer 19 ermöglicht, und so groß, daß die Temperatur eines kritischen Teils des Motors 10 (im allgemeinen die Temperatur am Auspuff) nicht einen bestimmten Grenzwert übersteigt.

Diese Begrenzung ist kein Nachteil für den Motor. Bei Fehlen des Drosselventils 25 saugt nämlich der Motor bei geringer Leistung viel mehr Luft an, als für die Verbrennung erforderlich ist, und die Auspufftemperatur ist erheblich niedriger, als die zulässige Höchsttemperatur. Bei gegebener Leistung ist die Auspufftemperatur eine stark abnehmende Funktion der Drehzahl N (das Verhältnis Luft/Kraftstoff nimmt dagegen etwa proportional zu N zu). Diese Eigenschaft geht aus F i g. 3 hervor: F i g. 3 zeigt für eine gegebene Auspufftemperatur T₁. den Verlauf des auf die größte Nenndrehzahl N,_mlx bezogenen Bruchteils F der Nennleistung eines typischen Motors als Funktion der Drehzahl N für eine Anlage, deren Hilfsbrennkammer 19 in Betrieb genommen werden muß, wenn F kleiner als 20% ist, um P₂I P\ auf dem Wert λί zu halten und die Selbstzündung sicherzustellen. Man sieht daß man sich bei geringer Belastung und hoher Drehzahl des Motors stets in Betriebszonen befindet, in welchen die Auspufftemperatur T₁- gering ist und durch Drosselung des Einlasses ohne Überhitzungsgefahr erhöht werden kann.

Das automatische Steuersystem kann daher einen sehr einfachen Aufbau haben. Es genügt eine der Auspuffleitung zugeordnete Temperatursonde und ein von dieser Temperatursonde beeinflußtes Organ zur Verstellung des Drosselventils 25, wobei dieses Organ so arbeitet, daß die Austrittstemperatur der Gase entweder konstant gehalten wird oder unterhalb von F = 20% eine Funktion von N/N_nmx ist. Unabhängig von der gewählten Steuerart hat dies eine Durchbiegung der Kennlinien des Motors bei konstanter Drehzahl zur Folge. Beispielshalber ist in F i g. 2 gestrichelt die Durchbiegung der Kennlinie A\ der Nenndrehzahl dargestellt, deren unterer Teil die Kennlinie Aa erreicht und daher die Kurve B unterhalb von λί kreuzt.

Es ist jedoch zu bemerken, daß die Hilfsbrennkammer erlischt wenn der Motor bei beliebiger Belastung von 2800 U/min an mit übermäßiger Drehzahl läuft (die über der Kurve B liegende Kurve A₂ entspricht dieser Drehzahl). Es muß daher eine Vorrichtung zur Wiederzündung der Hilfsbrennkammer 19 nach einem Übergang zu einer überhöhten Drehzahl vorgesehen werden, oder es muß der Übergang zu überhöhten Drehzahlen verhindert werden.

Das Drosselventil 25 und sein Steuersystem sind einer Abgasrückführungsleitung 26 zur Rückführung der heißen Gase zugeordnet, welche bei Wirksamwerden des Drosselventils 25 den stromabwärts von ihm herrschenden Druck P₃ am Einlaß des Motors durch Zufuhr von an dem Ausgang der Hilfsbrennkammer 19 entnommenen heißen Gasen wiederherstellt Diese Abgasrückführungsleitung 26 stellt stromabwärts der Hilfsbrennkammer 19. wo der Druck P₃ herrscht eine Verbindung mit der Ladeluftleitung 18 des Motors her. In der Abgasrückführungsleitung 26 ist ein Rückschlagventil 27 angeordnet welches die Abgasrückführungsleitung 26 schließt solange die Frischluft nach Durchströmung des Drosselventils 25 von dem Motor mit einem über P₃ liegenden Druck angesaugt wird.

Es sei hier daran erinnert, daß, da ΔΡ = P2—P) nur eine Funktion von P₂ ist, die das Drosselventil 25 durchströmende Luftmenge vollständig durch den von dem Drosselventil dargebotenen Durchtrittsquerschnitt bestimmt wird. Das Regelsystem für das Drosselventil 25 kann sehr einfach sein; es kann sich auf die in Fig. 1 dargestellten Bestandteile beschränken.

Beim Arbeiten mit geringer Leistung (wenn der Druck P₂ einen Bruchteil F von weniger als 20% des Nenndrucks in dem in F i g. 3 dargestellten Fall beträgt, wobei der Luftkühler 17 außer Betrieb ist, die Hilfsbrennkammer 19 arbeitet und das Drosselventil 25 teilweise geschlossen ist), besteht zwischen der Motoreintrittstemperatur 7"₅ des Gemisches Luft-Auspuffgase der Ausgangstemperatur T₂ des Kompressors, der Temperatur T₁ der zurückgeführten Gase, der angesaugten Luftmenge q_a und der von dem Motor angesaugten Gesamtmenge «/,„die angenäherte Beziehung:

T₅ = (q„lq„) T₂ + (1 - qjq„) T₃.

Unter der Annahme daß der durch das Differenzdruckventil 23 erzeugte Druckabfall ΔΡ ~ P₃- P₂ zu P₂ proportional ist und daß T₂ und T₃ nur von P₂ abhängen (was bedeutet, daß der Kompressor eine einzige Kennlinie hat), zeigt eine einfache Rechnung, daß T₅ (bei gegebener Umgebungstemperatur) praktisch konstant bleibt, wenn der von dem Drosselventil 25 dargebotene Querschnitt Fzu der Motordrehzahl N proportional ist, solange die Hilfsbrennkammer wirksam ist, um P2 auf dem tiefsten Wert (,T₂ in F i g. 2) zu halten.

Unter diesen Bedingungen läßt sich eine konstante Motoreintrittstemperatur während derjenigen Betriebsperioden, in welchen die Hilfsbrennkammer 19 in Tätigkeit ist, um P₂ auf dem tiefsten Wert π₂ zu halten, einfach dadurch aufrechterhalten, daß der Querschnitt S des Drosselventils 25 zu der Motordrehzahl N proportional gehalten wird.
Die Vorrichtung der F i g. 1 enthält ein automatisches Regelsystem, welches gestattet, diese Bedingung zu erfüllen und außerdem Veränderungen der Umgebungstemperatur zu kompensieren, zu welcher die Temperatur 7j (für einen gegebenen Wert von -T₂) und die Motoreintrittstemperatur T₅ proportional sind, solange der Kühler 17 außer Betrieb ist. Diese Kompensation erfolgt, wie weiter unten ausgeführt durch Veränderung des Proportionalitätsverhältnisses zwischen dem Querschnitt S des Drosselventils 25 und der Drehzahl N des Motors.

Das Regelsystem enthält einen Druckgeber, welcher öl oder ein anderes hydraulisches Druckmittel mit einem zu dem Quadrat der Motordrehzahl N proportio nalen Druck liefert; ferner umfaßt es ein mit dem Drosselventil 25 verbundenes Betätigungsglied und einen auf den Druck P₂ vor dem Drosselventil 25 ansprechenden Umschalter oder Verteiler, welcher je nach dem Wert dieses Drucks P₂ den Öldruck aus dem Druckgeber in voller Höhe oder nach Herabsetzung an das Betätigungsglied anlegt

Der Druckgeber umfaßt eine ölpumpe 28, welche von dem Motor 10 angetrieben wird und eine zu der Drehzahl N proportionale Förderleistung Q* — k\N hat Diese ölpumpe saugt öl aus einem Vorratsbehälter 29 an und fördert es in eine Leitung 30 mit einem geeich-

ten Überdruck- oder Schutzventil 31. Der Förderdruck Ph der Pumpe wird durch einen oder mehrere Leckströmungskreise mit einer Düse festgelegt deren Querschnitt festliegt oder eine Funktion eines zu berücksich-

tigenden Betriebsparameters ist.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei parallele Leckströmungskreise vorgesehen; der eine dieser Leckströmungskreise umfaßt einen mit einer festen Düse 33 des Querschnitts s\ versehenen Kanal 32 für den Rückfluß zu dem Vorratsbehälter 29; der andere umfaßt einen Kanal 34 ebenfalls für den Rückfluß zu dem Vorratsbehälter 29; dieser Kanal 34 ist mit einer Düse 35 versehen, deren Durchtrittsquerschnitt S₂ eine Funktion der Stellung einer Nadel 36 ist; die Nadel 36 ist von einer der Umgebungstemperatur T_n ausgesetzten Thermometerkapsel 37 getragen:

Der in der Leitung 30 herrschende Druck P_h ist (wenn der erste Leckströmungskreis offen ist):

worin k₂ eine Konstante ist.

Wenn der Druck Ph 50 Bar bei der Nenndrehzahl erreichen kann, wird das Überdruck- oder Schutzventil 31 z. B. auf 60 Bar eingestellt.

Das Betätigungsglied wird durch ein zweistufiges hydraulisches Kraftgerät 38 gebildet; dieses umfaßt in einem Zylinder 39 einen Hauptkolben 40, dessen Kolbenstange mit einem Hebel 52 verbunden ist, welcher seinerseits fest mit dem Drosselventil 25 verbunden ist; der Hauptkolben 40 ist auf einer Seite dem Atmosphärendruck P₀ und auf der anderen Seite dem Druck P\ ausgesetzt; dieser Druck p\ herrscht in einer Relaiskammer 42; eine Rückholfeder 41 wirkt dem Druck P'_h entgegen; ferner umfaßt das Betätigungsglied einen Steuerkolben 43, auf welchem der Druck P't, in der Relaiskammer 42 und eine geeichte Gegenfeder 44 im Sinne einer Entfernung von dem Hauptkolben 40 einwirken, während der Förderdruck P_h der Pumpe 28 in dem anderen Sinn wirkt.

Der Umschalter 45 bringt den Druck in der Relaiskammer 42 auf den Wert P₀, wenn der Vorverdichtungsgrad P₂ZP₀ kleiner als ein gegebener Wert ist, z. B. λ-j (Fig.2), um so die Betätigung des Drosselventils 25 durch den Hauptkolben 43 zu bewirken (wobei sich dann der Kolben 40 praktisch im Gleichgewicht befindet), oder den Wert Ph, wenn P₂IP₀ größer als dieser Wert Λ-j ist, wodurch der Kolben 40 bis in seine der vollen öffnung des Drosselventils 25 entsprechende Grenzstellung (in F i g. 1 nach links) verschoben wird.

Der Umschalter 45 umfaßt ein Gehäuse, welches an den Kanal 32 angeschlossen ist und in welchem sich ein Schieber 46 befindet; dieser Schieber 46 ist in einer Richtung dem Druck Pi und in der anderen Richtung der Wirkung einer geeichten Feder 47 ausgesetzt. Die Feder 47 ist so geeicht, daß, wenn P₂ZF₀ kleiner als der Wert λτ₃ ist, der Schieber 46 seine voll ausgezogene Stellung einnimmt, in welcher er den Kanal 32 auf Entleerung schaltet; wenn dagegen P₂IP₀ den Wert λγ₃ übersteigt, unterbindet der Schieber 46 die Entleerung (gestrichelte Stellung).

Wenn die Umgebungstemperatur T₀ in weiten Grenzen schwanken kann, wird zweckmäßig jr_z ein umso höherer Wert gegeben, je niedriger T₀ ist. Hierfür genügt es, wie gestrichelt in Fig. 1 angegeben, den auf den Schieber 46 wirkenden Druck durch einen ins Freie mündenden Leckkanal gegenüber dem am Einlaß des Motors 10 herrschenden Druck zu korrigieren mit Hilfe einer Düse 48 konstanten Querschnitts und einer Stelldüse, deren Querschnitt durch eine von einer Thermometerkapsel 50 getragenen Nadel 49 geeigneten Profils gesteuert wird.

Es wird nun angenommen, daß keine Modulation des Werts ΛΊ des Drucks in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T₀ vorgesehen ist, sondern nur eine Modulation des Drucks Ph in Funktion dieser Temperatür Τ».

Zur Vereinfachung sei weiter angenommen, daß der Turbokompressor unter Benutzung des Anlassers 15 zunächst angelassen und hierauf auf die Betriebsdrehzahl gebracht wird. Der Druck Ph ist dann Null, und der Ladedruck ist gering. Die Federn 41 und 44 bringen die Kolben 40 und 43 in ihre Anschlagstellung (in F i g. 1 nach rechts), welche so gewählt ist, daß sie der vollständigen Schließung des Drosselventils 25 entspricht. Der Schieber 46 schaltet die Relaiskammer 42 auf Enllee-

15 rung.

Es wird dann der Anlasser 51 des Motors i0 betätigt. Solange der Motor mit dem Anlasser läuft, ist seine Drehzahl gering (z. B. kleiner als 250 U/min bei einer Nenndrehzahl von 2500 U/min). Der Druck P_h bleibt unter dem Wert (z. B. 0,5 Bar), bei welchem der Kolben

43 sich unter Überwindung der Vorspannung der Feder

44 zu verschieben beginnt (wobei ΡΉ gleich P₀ bleibt). Unter diesen Bedingungen läuft der Motor 10 an, wobei er unmittelbar von der Brennkammer 19 gelieferte Gase ansaugt und diese durch die Umblaseleitung 22 einen Luftüberschuß empfängt, welcher zur Verbrennung des in den Motor 10 eingespritzten Kraftstoffs bei weitem ausreicht.

Wenn der Motor angelaufen ist, aber noch im Langsamlauf oder mit geringer Belastung läuft und der Wert πι von P₂IP₀ noch nicht erreicht ist, öffnet das Kraftgerät 38 das Drosselventil 25 allmählich, dessen Luftdurchtrittsquerschnitt und Luftdurchsatz praktisch zu der Drehzahl N proportional werden, wobei der Proportionalitätskoeffizientvon To abhängt.

Hierfür genügt es, den Verlauf des Druchflußquerschnitts des Drosselventils 25 proportional zu der Quadratwurzel der Verschiebung des Hauptkolbens 40 von der Stellung der vollen Schließung aus veränderlich zu machen.

Schließlich geht, wenn der Wert Λ3 überschritten wird (welcher zweckmäßig etwas größer ist, als dem Wert des Sparbetriebs oder des Erlöschens der Hiifskammer 19 entspricht), der Schieber 46 in die in Fig. 2 gestricheltc Stellung, wobei P'h gleich Ph wird (welcher infolge der A ufhebung eines Leckweges gleichzeitig zunimmt). Wenn vorgesehen ist, daß der Turbokompressor vor dem Anwerfen des Motors angeworfen wird und selbständig mit der Hilfsbrennkammer arbeitet, sollte dafür gesorgt sein, daß Teile des Motors durch die Verbrennungsgase der Hilfsbrennkammer 19 erwärmt werden, wodurch das Anlassen des Motors iö erleichtert wird.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform (in welcher die bereits in F i g. 1 dargestellten Teile das gleiehe Bezugszeichen tragen) wird diese Vorwärmung durch Schaffung eines zeitweiligen ins Freie führenden Lecks in der Ladeluftleitung 18 des Motors erreicht Der Leckweg weist eine oder mehrere Leitungen 53 kleinen Durchmessers auf, deren Mündung ins Freie mit einem ω Ventil versehen ist. Dieses Ventil umfaßt bei der dargestellten Ausführungsform einen Konus 54, welcher von einer unter dem Abgabedruck der Pumpe 28 stehenden Kapsel 55 getragen wird; das Ventil schließt sich deshalb automatisch, sobald der Motor angelassen ist Dieses Ventil könnte auch von Hand betätigt werden.

Man sieht daß nach dem Anlassen des Turbokom-· pressors bei geschlossenem Drosselventil 25 ein schwacher, von der Hilfsbrennkammer kommender Strom

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heißer Gase (von etwa 500°C) die Ladeluftleitung 18 erfüllt und von da ins Freie austritt, wobei er die von ihm bestrichenen Metallmassen erwärmt (durch gestrichelte Pfeile in F i g. 4 angegebener Weg). Hierdurch wird das Anwerfen des Motors erheblich erleichtert und eindeutig gemacht.

Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform (in welcher die in P i g. t dargestellten Teilen entsprechenden Teile mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind) sind wesentliche Teile der erfindungsgemäßen Ausrüstung in einem einzigen Kasten zusammengefaßt, an welchem der Kompressor 12 und die Turbine 11 unmittelbar befestigt sind. Diese Lösung gestattet, die Größe der Rohrleitungen weitgehend zu verringern und das System sehr gedrängt zu machen.

Der Kasten enthält die Hilfsbrennkamrner 19, welche zweckmäßig die in der französischen Patentschrift 74 11 011 beschriebene Bauart aufweist, und in unmittelbarer Nähe der Hilfsbrennkammer 19 das Differenzdruckventil 23 zur Erzeugung eines Druckabfalls. Die von dem Kompressor gelieferte Luftmenge, deren Weg durch vollausgezonene Pfeile angedeutet ist, erfüllt das Innere des Kastens 50, in welchem sie sich in zwei Ströme aufteilt: einen ersten Strom, welcher zu der Ladeluftleitung 18 des Motors über den Luftkühler 17, den durch einen Sitz 51 begrenzten Durchlaß und den Einlaßstut-. zen 52 ankommt, und einen zweiten, der Brennkammer 19 zuströmenden Strom. Von diesem zweiten Strom bildet ein Teil die Verbrennungsluft und ti itt durch öffnungen 53 mit festem Querschnitt und durch öffnungen 54 mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt in die Hilfsbrennkammer ein, wie in der deutschen Patentanmeldung P 25 13 889.0-13 der Anmelderin angegeben. Ein anderer Teil bildet die Verdünnungsluft und durchströmt das Differenzdruckventil 23, welches die Druckdifferenz zwischen der strömungsaufwärts liegenden Seite und der strömungsabwärts liegenden Seite der Kammer 19 regelt. Diese Luft und die Verbrennungsgase der Kammer 19 werden von einer Strahlpumpe 55 angesaugt, welche durch die Auspuffgase des Motors angetrieben wird. Der größeren Klarheit wegen ist der Weg der Auspuffgase und des Verbrennungsgases durch gestrichelte Pfeile angedeutet.

Die Leitung 26 verbindet eine Verdünnungskammer 56, welche in dem Kasten 50 auf die Verbrennungszone der Kammer 19 folgt, mit einer in der Einlaßleitung 52 liegenden Mündung, welche im normalen Betrieb durch das Ventil 27 verschlossen ist, welches in dieser Stellung den Sitz 51 vollständig freigibt. Nach Maßgabe der Verschiebung des Ventils 27 (in Fi g. 5 nach links) zur öffnung dieser Mündung wird der Durchtritt von Frischluft Zu ucF EiPuäuiciiürig 52 gedrosselt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer abgasturbogeladenen Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine mit niedrigem Kompressionsverhältnis, welche mit einer Ladeluftumblaseleitung zu einer in der Abgasleitung angeordneten Hilfsbrennkammer ausgerüstet ist, ferner mit einem in der Umblaseleitung angeordneten Regelventil, ferner mit einer Abgasrückführung, die zwischen Turbine und Hilfsbrennkammer abzweigt und in die Ladeluftleitung einmündet, und schließlich mit einem Drosselventil in der Ladeluftleitung, das zwischen der Einmündung der Abgasrückführungsleitung und der Abzweigung der Umiilaseleitung sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr zu der Brennkraftmaschine im Langsamlauf und bei geringer Leistung gedrosselt wird, um die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmenge auf einen Zwischenwert zwischen dem der Förderleistung des Kompressors und demjenigen Wert zu begrenzen, welcher zu einer übermäßigen Temperatur der Auspuffgase des Motors führt

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Auspuffgase ohne merklichen Druckverlust zum Einlaß des Motors zurückgeführt wird, und daß die von dem Motor aufgenommene Luftmenge durch einfache Regelung des der Luft dargebotenen Durchtrittsquerschnitts geregelt wird.