DE2837023A1 - COMBUSTION ENGINE WITH EXHAUST GAS TURBOCHARGER - Google Patents
COMBUSTION ENGINE WITH EXHAUST GAS TURBOCHARGERInfo
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H. 623 Augsburg, den 17. August 1978H. 623 Augsburg, August 17, 1978
The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London, SWl, EnglandThe Secretary of State for Defense in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London, SWl, England
Brennkraftmaschine mit AbgasturboladerInternal combustion engine with exhaust gas turbocharger
. ■ Die Erfindung betrifft eine mit Kompressionszündung arbeitende Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader.. The invention relates to a compression ignition working internal combustion engine with exhaust gas turbocharger.
Dabei kann es sich beispielsweise um einen Kolben-Dieselmotor oder einen Wanke!-Dieselmotor handeln.This can be a piston diesel engine, for example or a Wanke! diesel engine.
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Brennkraftmaschinen dieser Art sind bereits bekannte Dabei wird die Turbine des Abgasturboladers von den Maschinenabgasen angetrieben und treibt ihrerseits den Verdichter des Abgasturboladers ans der dann dem Lufteinlaß der Brennkraftmaschine Luft mit erhöhtem Druck zuführt. Diese Anordnung hat den Vorteil;, daß die Kompression in zwei Stufen stattfindet, nämlich zuerst im Verdichter des Abgasturboladers und anschließend in der Brennkraftmaschine selbst. Ein Dieselmotor muß normalerweise mit einem Druckverhältnis von mindestens 12 : 1 arbeiten., um sich selbst in Gang halten zu können« Bei einem mit atmosphärischer Luft gespeisten Motor muß dieses Kompressionsverhältnis vollständig innerhalb des Motors selbst erzeugt werdeno Dagegen bringt eine Aufladung bekanntermaßen Vorteile hinsichtlich Größes Gewicht und Herstellungskosten einer Brennkraftmas chine„Internal combustion engines of this type are already known this case, the turbine of the turbocharger is driven by the engine exhaust gases and in turn, drives the compressor of the exhaust turbocharger to s which then supplies it to the air inlet of the engine air at elevated pressure. This arrangement has the advantage that the compression takes place in two stages, namely first in the compressor of the exhaust gas turbocharger and then in the internal combustion engine itself. A diesel engine must normally work with a pressure ratio of at least 12: 1 in order to keep itself running "In a can-fed with atmospheric air motor of this compression ratio must be fully generated within the motor itself o the other hand brings a charging known advantages in terms of size s weight and manufacturing cost Brennkraftmas chine"
Diese Vorteile machen natürlich eine mit Aufladung arbeitende Dieselmaschine als Antrieb für Kraftfahrzeuge interessant= Bisher hat die mit Aufladung arbeitende Dieselmaschine allerdings'auf diesem Gebiet noch keine Anwendung gefunden., was seinen Grund darin hats daß die erforderliche Anpassung der BetriebsCharakteristiken des Abgasturboladers an diejenigen der Brennkraftmaschine gegenwärtig zu einer erheblichen Einschränkung des aus=These advantages make of course a working supercharged diesel engine as a drive for motor vehicles interesting = So far, the working supercharged diesel engine has found no application allerdings'auf this area., Which is because s that the required adjustment of the operating characteristics of the exhaust gas turbocharger with those of the Internal combustion engine currently to a significant limitation of the off =
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nutzbaren Drehzahlbereiches der Maschine führt. Dies würde bei einer Anwendung als Kraftfahrzeugantrieb bedeuten, daß der Maschine ein Getriebe mit einer großen Anzahl eng abgestufter Getriebegänge nachgeschaltet werden müßte. Die sich daraus ergebende Kostensteigerung würde den durch die Aufladung gewonnenen Vorteil wieder zunichte machen, und außerdem würde die große Anzahl der erforderlichen Getriebegänge das Fahren eines mit einem solchen Antriebsaggregat ausgestatteten Fahrzeugs schwieriger machen. Obwohl sich die mit Turboaufladung betriebene Dieselmaschine auf Anwendungsgebieten, die einen Betrieb mit gleichbleibender Drehzahl zulassen, beispielsweise auf dem Gebiet der Energieerzeugung, bewährt hat, hat sie auf dem Gebiet des Kraftfahrzeugantriebs bisher noch zu keinen wesentlichen Erfolgen geführt.usable speed range of the machine leads. If used as a motor vehicle drive, this would mean that the machine is followed by a gearbox with a large number of closely spaced gears would have to be. The resulting increase in costs would restore the benefit gained by charging nullify, and besides, the large number of gears required would make driving one with one make such a drive unit equipped vehicle more difficult. Although the turbocharged Diesel engine in areas of application that require an operation Allowing at a constant speed, for example in the field of power generation, has proven itself has not yet led to any significant success in the field of motor vehicle propulsion.
Die dafür verantwortliche Beschränkung des ausnutzbaren Drehzahlbereiches hat folgende Ursache:The responsible limitation of the exploitable Speed range has the following cause:
Bei einer einfachen Maschineneinheit, bei welcher eine Dieselmaschine mittels eines abgasgetriebenen Turboverdichters aufgeladen wird, muß die gesamte, vom Verdichter geförderte Luft von der Maschine aufgenommen werden. Der Verdi.chterdurchsatz wird dabei durch die Maschinendrehzahl gesteuert. Fällt aber die Maschinendrehzahl unterIn the case of a simple machine unit in which a diesel machine is operated by means of an exhaust gas-driven turbo compressor is charged, all of the air delivered by the compressor must be absorbed by the machine. The Verdi.chter throughput is determined by the machine speed controlled. But if the machine speed falls below
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einen bestimmten Wert ab, sinkt auch der Luftdurchsatz durch den Verdichter auf einen entsprechend niedrigen Wert ab, unterhalb dessen der Verdichter nicht mehr zufriedenstellend arbeitet, d.h. der Verdichter wird gezwungen, unterhalb der Pumpgrenze seiner Betriebs-Charakteristik zu arbeiten. In der Praxis führt dieses Problem der Verdichterpumpschwingungen in einem solchen einfachen System zu erheblichen Beschränkungen des praktisch nutzbaren Maschinendrehzahlbereiches.If a certain value falls, the air flow also decreases by the compressor to a correspondingly low value, below which the compressor is no longer satisfactory works, i.e. the compressor is forced to below the surge limit of its operating characteristics to work. In practice, this compressor surge problem results in one simple system to considerable restrictions of the practically usable machine speed range.
Aus der GB-PS 1 429 493 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher eine solche einfache Maschineneinheit dadurch abgewandelt ist, daß eine Bypassleitung vorgesehen ist, durch welche Luft unter Umgehung der Maschine unmittelbar vom Verdichterauslaß zum Turbineneinlaß gelangen kann. Bei dieser bekannten Anordnung ist in der Bypassleitung ein Regulierventil vorgesehen, mittels dessen in der Bypassleitung für einen bestimmten Luftdurchsatzbereich ein konstanter Druckabfall erzeugt wird.From GB-PS 1 429 493 an arrangement is known in which such a simple machine unit it is modified that a bypass line is provided through which air bypassing the machine directly can pass from the compressor outlet to the turbine inlet. In this known arrangement, a regulating valve is provided in the bypass line, by means of which in the bypass line a constant pressure drop is generated for a certain air flow rate range.
Eine andere Anordnung, bei welcher eine Bypassleitung Anwendung findet, ist beispielsweise aus der GB-PS 1 291 bekannt.Another arrangement in which a bypass line is used is, for example, from GB-PS 1 291 known.
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Bei beiden eben genannten bekannten Anordnungen ist stromauf der Turbine eine Hilfsbrennkammer angeordnet, die zum Anfahren des Turboverdichters dient.In both of the known arrangements just mentioned, an auxiliary combustion chamber is arranged upstream of the turbine, which is used to start up the turbo compressor.
Die vorliegende Erfindung geht von der in den beiden eben genannten Druckschriften nicht gewonnenen Erkenntnis aus, daß sich das Problem der Verdichterpumpschwingungen bei langsamen Maschinendrehzahlen mit Hilfe einer Bypassleitung beherrschen lassen kann.The present invention is based on the knowledge not obtained in the two publications just mentioned from that the problem of compressor pumping vibrations at slow engine speeds with the help of a bypass line can be controlled.
Die Anwendung einer Bypassleitung bringt jedoch eine weitere Schwierigkeit hinsichtlich -des Betriebs des Turboverdichters bei langsamen Maschinendrehzahlen mit sich, die sich aus folgendem Umstand ergibt:The use of a bypass line, however, brings with it a further difficulty with regard to the operation of the turbo compressor at slow engine speeds, which results from the following circumstance:
Wenn die Maschine mit langsamer Drehzahl läuft, strömt zur Vermeidung des Problems der Verdichterpumpschwingungen ein großer Teil des Verdichterdurchsatzes durch die Bypassleitung und nur ein verhältnismäßig kleiner Anteil durch die Maschine hindurch. Die Turbine erhält deshalb ein Gemisch aus Bypassluft und Maschinenabgas, so daß die Turbineneinlaßtemperätur bei niedrigen Masehinendrehzahlen abfällt. Infolgedessen sinkt auch die Turbinendrehzahl ab, und der Verdichterauslaßdruck und folglich die Maschinenleistung sinken ebenfalls.When the machine is running at slow speed, the compressor surge will flow to avoid the problem of the compressor surge a large part of the compressor throughput through the bypass line and only a relatively small proportion through the machine through. The turbine therefore receives a mixture of bypass air and engine exhaust gas, so that the turbine inlet temperature drops at low machine speeds. As a result, the turbine speed also drops, and the Compressor outlet pressure and, consequently, engine performance also decrease.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde s eine Brennkraftmaschinenanordnung mit Abgasturbolader der eingangs genannten Art so zu gestalten,, daß der nutzbare Maschinen= drehzahlbereich vergrößert wird-The invention is based on the object's an engine with turbocharger arrangement of the type mentioned to be as ,, that the usable machine increases = speed range wird-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des HauptanSpruchs angegebene Anordnung gelösteThis object is achieved according to the invention by the arrangement specified in the characterizing part of the main claim solved
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann im Turbinen= abgas enthaltende Wärmeenergie zur Steigerung der Temperatur der durch die Bypassleitung strömenden Luft ausgenützt werden., bevor diese sich mit dem Maschinenabgas vermischt und in die Turbine eintritt,, Auf diese Weise kann der nutz= bare Bereich der Maschinendrehzahlen ausgeweitet und außer= dem eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich des Kraft= stoffVerbrauchs bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden0 In the arrangement according to the invention, thermal energy containing exhaust gas can be used in the turbine to increase the temperature of the air flowing through the bypass line, before it mixes with the engine exhaust gas and enters the turbine expanded and, in addition, a significant improvement in terms of fuel consumption at low engine speeds can be achieved 0
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende schematische Zeichnung näher erläuterte 'An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the attached schematic drawing explained '
Die Zeichnung zeigt eine mit Kommpressionszündung arbeitende Brennkraftmaschine I3 bei welcher es sich um einen Kolben-Diese!motor oder einen Wankel=Die se !motorThe drawing shows an internal combustion engine I 3 which operates with compression ignition and which is a piston die engine or a Wankel die engine
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handeln kann. Die Brennkraftmaschine wird mittels eines Abgasturboladers 2 aufgeladen, der einen Verdichter 3 und einen diesen über eine Welle 4 antreibende Turbine 5 aufweist. Der Verdichterauslaß 6 ist über eine Leitung 8 mit dem Lufteinlaß 7 der Brennkraftmaschine verbunden, und der Abgasauslaß 9 der Brennkraftmaschine ist über eine Leitung 11 mit dem Turbineneinlaß 10 verbunden.can act. The internal combustion engine is by means of a Turbocharger 2 charged, which has a compressor 3 and a turbine 5 driving this via a shaft 4. The compressor outlet 6 is connected to the air inlet 7 of the internal combustion engine via a line 8, and the exhaust gas outlet 9 of the internal combustion engine is connected to the turbine inlet 10 via a line 11.
Eine parallel zur Brennkraftmaschine 1 verlaufende Bypassleitung 6 verbindet über jeweils einen Abschnitt der Leitungen 8 und 11 den Verdichterauslaß 6 mit dem Turbineneinlaß 10. In der Bypassleitung 12 ist ein Wärmetauscher 13 angeordnet, durch welchen außerdem über eine Leitung 15 die den Turbinenauslaß 14 verlassenden Turbinenabgase hindurchgeleitet werden.A bypass line 6 running parallel to the internal combustion engine 1 connects via one section in each case the lines 8 and 11, the compressor outlet 6 with the Turbine inlet 10. In the bypass line 12 is a heat exchanger 13 arranged, through which the turbine exhaust gases leaving the turbine outlet 14 also via a line 15 be passed through.
Stromab des Abzweigs der Bypassleitung 12 von der Leitung 8 kann gewünschtenfalls in der Leitung 8 ein Luftkühler 16 angeordnet sein, an dessen Kühlmitteleinlaß 17 und Kühlmittelauslaß 18 Kühlmittelleitungen angeschlossen sind. Stromab der Verbindung zwischen der Bypassleitung 8 und der Leitung 12 ist in der Leitung 11 eine Hilfsbrennkammer 19 angeordnet, und in der Bypassleitung 12 ist ein Regulierventil 20 für die Bypasströmung vorgesehen.Downstream of the branch of the bypass line 12 from the line 8, if desired, an air cooler 16 can be arranged in the line 8, at its coolant inlet 17 and coolant outlet 18 coolant lines are connected. Downstream of the connection between the bypass line 8 and the line 12, an auxiliary combustion chamber 19 is arranged in the line 11, and in the bypass line 12 is a Regulating valve 20 provided for the bypass flow.
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Zum Anlassen der Maschineneinheit wird zuerst der Turboverdichter 5, 6 angefahren. Bei stillstehender Brennkraftmaschine 1 wird das Regulierventil 20 vollständig geöffnet und der Turboverdichter wird mittels eines externen Antriebs, beispielsweise mittels eines elektrischen Anlassers, gedreht. Gleichzeitig wird der Hilfsbrennkammer 19 Kraftstoff zugeführt und verbrannte Dadurch wird Abgas mit hoher Temperatur zum Antrieb der Turbine 5 erzeugt, die dann über die Welle 4 den Verdichter 3 antreibt. Der Turbine steht dann weiteres Gas aus dem Verdichter über die Leitungen 8, 12 und 11 zur Verfügung, und der Turboverdichter erreicht deshalb schnell sein Betriebs drehzahl und der elektrische Anlasser kann abgeschaltet werden.To start the machine unit, the turbo compressor 5, 6 is started up first. When standing still Internal combustion engine 1, the regulating valve 20 is fully opened and the turbo compressor is by means of a external drive, for example by means of an electric starter, rotated. At the same time the auxiliary combustion chamber 19 Fuel supplied and burned This generates high-temperature exhaust gas to drive the turbine 5, which then drives the compressor 3 via the shaft 4. The turbine then has more gas from the compressor the lines 8, 12 and 11 are available, and the turbo compressor therefore quickly reaches its operating speed and the electric starter can be switched off.
Sodann wird das Regulierventil 20 etwas geschlossen, um zwischen den Leitungen 8 und 11, d.h. zwischen dem Lufteinlaß 7 und dem Abgasauslaß 9 der Brennkraftmaschine ein Druckgefälle zu erzeugen, und sodann wird die Brennkraftmaschine mittels eines externen Antriebs, beispielsweise eines elektrischen Anlassers, durchgedreht. Der Verdichter kann typischerweise einen Förderdruck von etwa 3j5 bar erzeugen, so daß bei einem Druckverhältnis in der Brennkraftmaschine selbst von etwa 5 : 1 beispielsweise ein Gesamtdruckverhältnis von etwa 17,5 : 1 und damit leicht eine Selbstzündung erreicht wird. Die aus der Brennkraft-Then the regulating valve 20 is closed somewhat to allow between the lines 8 and 11, i.e. between the air inlet 7 and the exhaust outlet 9 of the internal combustion engine to generate a pressure gradient, and then the internal combustion engine by means of an external drive, for example an electric starter. The compressor can typically have a delivery pressure of around 3j5 bar generate, so that at a pressure ratio in the internal combustion engine itself of about 5: 1, for example Total pressure ratio of about 17.5: 1 and therefore easy auto-ignition is achieved. The from the internal combustion
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maschine 1 und dem Abgasturbolader 2 bestehende Maschineneinheit läuft nach kurzer Zeit selbständig, d.h. die elektrischen Anlasser brauchen nur kurz betätigt zu werden und die Kraftstoffzufuhr zur Hilfsbrennkammer kann nach kurzer Zeit abgestellt werden.machine 1 and the exhaust gas turbocharger 2 existing machine unit runs automatically after a short time, i.e. the electric starter only needs to be actuated briefly and the fuel supply to the auxiliary combustion chamber can be turned off after a short time.
Der Luftkühler 16 dient dazu, die vom Verdichter geförderte und dabei erwärmte Luft zu kühlen und daher ihre Dichte zu erhöhen, so daß der Massendurchsatζ an Luft durch die Brennkraftmaschine bei einer gegebenen Maschinendrehzahl gesteigert wird.The air cooler 16 serves to cool the air conveyed by the compressor and thereby heated, and therefore to increase their density, so that the mass flow rate in air by the internal combustion engine at a given engine speed is increased.
Ist die Maschinendrehzahl hoch, verbraucht die Brennkraftmaschine den größten Teil der vom Verdichter zur Ver~ fügung gestellten Luft, und es strömt nur wenig Luft durch die Bypassleitung 12. Polglich handelt es sich bei dem den Turbineneinlaß 10 erreichenden Gas hauptsächlich um heißes Maschinenabgas, typischerweise mit einer Temperatur von etwa 6000C. Die Turbine erhält also, obwohl die Hilfsbrennkammer nicht mehr in Betrieb ist, Gas mit so hoher Temperatur, daß sie eine ausreichende Leistung zum Antrieb des Verdichters abgibt und ein ausreichend hoher Verdichterförderdruck aufrechterhalten wird.If the engine speed is high, the internal combustion engine consumes most of the air made available by the compressor, and only a small amount of air flows through the bypass line 12 a temperature of about 600 ° C. The turbine thus receives gas at such a high temperature, although the auxiliary combustion chamber is no longer in operation, that it delivers sufficient power to drive the compressor and a sufficiently high compressor delivery pressure is maintained.
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Wenn jedoch die Maschinendrehzahl abfällts benötigt die Brennkraftmaschine nicht mehr die ganze Förderluft des Verdichters und es strömt infolgedessen ein größerer Anteil des Verdichterdurchsatzes durch die Bypassleitung hindurch. Diese Bypassluft ist verhältnismäßig kühl und würde das heiße Maschinenabgas in der Leitung 11 beim Fehlen des Wärmetauschers 13 so stark verdünnen und abkühlen, daß die Turbineneinlaßtemperatur abfällt und sich ein beträchtliches Absinken der Verdichterdrehzahl und des Verdichterforderdruckes ergeben würdes was wiederum zur Folge hätte a daß bei gleichbleibender Kraftstoffeinspritzung das Luft/Kraftstoff-Verhältnis unter die Rauchgrenze abfallen würdeo Die untere Grenze des Betriebsdrehzahlbereiches der Brennkraftmaschine wird tatsächlich durch die Rauchgrenze bestimmt und daher kann durch eine Maßnahmea mittels derer sich die Rauchgrenze zu einer niedrigeren Maschinendrehzahl hin verschieben läßt0 der nutzbare Maschinendrehzahlbereich erweitert werden0 However, when the engine speed drops s the engine does not need the whole conveying air of the compressor and it flows as a result, a greater proportion of the compressor flow rate through the bypass line therethrough. This bypass air is relatively cool and would the hot engine exhaust gas diluted in the absence of the heat exchanger 13 so strong in the line 11 and to cool that turbine inlet temperature is decreased and s would result in a considerable lowering of the compressor speed and the Verdichterforderdruckes which in turn results in a would in that constant fuel injection, the air / fuel ratio would drop below the smoke limit o The lower limit of the operating speed range of the internal combustion engine is actually determined by the smoke limit and therefore a measure a by means of which the smoke limit can be shifted to a lower engine speed 0 the usable engine speed range can be expanded 0
Dies erfolgt im vorliegenden Fall durch die Anordnung des Wärmetauschers 13 in der Bypassleitung 12O Dadurch wird die verhältnismäßig kühle Bypassluft erwärmtfl bevor sie sich mit dem heißen Maschinenabgas vermischt^ wodurch sich bei niedrigen Maschinendrehzahlen eine beträchtlicheThis is done in the present case by the arrangement of the heat exchanger 13 in the bypass line 12 O As a result, the relatively cool bypass air is heated fl before it mixes with the hot engine exhaust ^ whereby at low engine speeds, a considerable
Steigerung der Turbineneintrittstemperatur gegenüber einem Betrieb ohne Wärmetauscher erzielen läßt. Computeruntersuchungen an einer bestimmten Maschinenauslegung mit einem Wanke!-Dieselmotor haben ergeben, daß durch Verwendung eines Wärmetauschers auf diese Weise die Turbineneintrittstemperatur an der unteren Grenze des Maschinendrehzahlbereiches um etwa 300C gesteigert und gleichzeitig der Verdichterförderdruck und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis um etwa 20 % erhöht werden können. Während der Wert von 30°C auf den ersten Blick klein erscheinen mag, zeigen die Computeruntersuchungen auch, daß der nutzbare Masehinendrehzahlbereich durch Verwendung des Wärmetauschers von etwa 40 % der Maximaldrehzahl auf etwa 51 % der Maximaldrehzahl gesteigert werden kann, d.h. die Ausweitung des nutzbaren Maschinendrehzahlbereiches beträgt 28 %, und außerdem kann der Kraftstoffverbrauch um etwa 15 % herabgesetzt werden.Can achieve an increase in the turbine inlet temperature compared to operation without a heat exchanger. Computer investigations on a certain machine design with a Wanke! Diesel engine have shown that the use of a heat exchanger in this way increases the turbine inlet temperature at the lower limit of the engine speed range by about 30 ° C and at the same time increases the compressor delivery pressure and the air / fuel ratio by about 20 % can be increased. While the value of 30 ° C may appear small at first glance, the computer studies also show that the usable mass engine speed range can be increased from around 40% of the maximum speed to around 51 % of the maximum speed by using the heat exchanger, i.e. the expansion of the usable machine speed range is 28 %, and it can also reduce fuel consumption by about 15 % .
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