DE2925774A1

DE2925774A1 - Turboaufgeladene brennkraftmaschine, insbesondere dieselmaschine

Info

Publication number: DE2925774A1
Application number: DE19792925774
Authority: DE
Inventors: Imre Annus
Original assignee: Autoipari Kutato Intezet
Current assignee: Autoipari Kutato Intezet
Priority date: 1978-06-26
Filing date: 1979-06-26
Publication date: 1980-05-22
Also published as: GB2023721A; US4425761A; GB2023721B

Description

HOFFMANN · EITL₁S & PASTNER

PATENTANWÄLTE % Q £ 0 / /4

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1970) · DIPL.-ING. W.EITLE . D R. RER. NAT. K. HOFFMAN N · Dl PL.-1 NG. W. IEHN

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE A (STERN HAUS) · D-8000 MD NCH EN 81 · TELEFON (089) 9Π087 . TELEX 05-29619 (PATH E)

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. Turboaufgeladene Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine turboaufgeladene Dieselmaschine, in welcher der Turboverdichter eine maximale Aufladung in jenem Drehzahlbereich liefert, der unterhalb der Drehzahl liegt, die dem maximalen Drehmoment der mit Ansaugung arbeitenden Maschine entspricht, während oberhalb dieses Drehzahlbereiches ein in der Ansaugleitung liegendes Drosselventil auf den Druck der wechselnden Luft anspricht und den Turboverdichter am überschreiten des zulässigen Aufladesdrucks, hindert.

Eine bekannte, nachteilige Eigenschaft aufgeladener Dieselmaschinen besteht darin, daß die Kennlinie der Turboverdichterleistung ungünstig hinsichtlich des Luftbedarfs einer Kolbenmaschine ist und zwar sowohl bezüglich der Maschine selbst, als auch der von der Abgasturbine anqetriebenen Maschinen-

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einheit. Dieser Nachteil besteht darin, daß bei niedrigen Drehzahlen die vom Turboverdichter gelieferte Luftmenge geringer ist, als erforderlich, während in einem höheren Drehzahlbereich die Gefahr einer Überaufladung besteht, und somit die exzessive Wärmebeanspruchung und Wärmebelastung der Maschine infolge der Luftförderung größer als notwendig ist. Wegen der bei der Aufladung vorliegenden Drehzahlverhältnisse beim Betrieb von Motorfahrzeugen entstehen diese nachteiligen Merkmale in dort größerem Umfang ' wobei begleitende Erscheinungen bezüglich Rauch-und Abgasverunreinigungen besonders bei Beschleunigung auftreten. Einige bekannte Vorschläge sind darauf gerichtet, die vorausgehend aufgeführten, ungünstigen Eigenschaften aufgeladener Maschinen zu beseitigen.

Bei einer bekannten Konstruktion ist vor der Abgasturbine in der Abgasleitung eine NdDensdiluß leitung vorgesehen, welche einen Nebenschluß für die Gasturbine darstellt und durch ein Ventil abgeschlossen werden kann, das durch einen der Druckleitung des Turboverdichters zugeordneten Druckfühler gesteuert wird, und welches einen Teil des Abgases in die Nebenschlußleitung treten läßt, sooft der Aufladedruck des Turboverdichters einen vorgegebenen Wert überschreitet. Jedoch besteht ein Mangel dieser Vorrichtung darin, daß in der Abgasleitung ein Steuerventil angeordnet ist, welches einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, und daß der Turboverdichter bei höheren Maschinendrehzahlen nicht im Bereich hohen Wirkungsgrades seiner Kennlinie betrieben werden kann und ferner ein Teil der Energie des Abgases ungenützt bleibt.

Bei einer anderen bekannten Ausführung kann die Abgabeleitung des Turboverdichters durch Ventile geschlossen werden und ist mit dem Abschnitt der Abgasleitung stromaufwärts der Abgasturbine verbunden, womit ein Teil der verdichteten Luft

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mit den Abgasen vermischt werden kann, wobei beispielsweise zur Speisung einer der beiden Turbinen die Einstellung des Ventils durch einen handbetätigten Hebel oder abhängig von der Maschinendrehzahl erfolgt. Dieses Verfahren kann nur bei großen Maschinen verwendet werden und zwar zum Teil wegen der Schwierigkeit der Bedienung und zum Teil wegen der Verwendung zweier Abgasturbinen.

Eine andere Ausführung, die bei großen und verhältnismäßig langsam laufenden Maschinen verwendet werden kann, umfaßt zwei Verdichter auf einer gemeinsamen Welle, wobei bei niedriger Maschinendrehzahl nur einer der Verdichter arbeitet, während die Saugleitung und die Druckleitung des anderen Verdichters jeweils durch ein Drosselklappenventil geschlossen v/erden.

Gemäß einer anderen Konstruktion wird versucht, die unbefriedigende Luftzufuhr bei niedriger Maschinendrehzahl zu verbessern, indem die Druckleitung des Verdichters in einen Sammelraum mündet, welcher über ein Resonanzrohr mit einem Resonanzbehälter verbunden ist. Letzterer ist seinerseits an die kurzen Ansaugrohre der Zylinder der Maschine angeschlossen, wobei die Ansaugperioden der Maschine sich nicht merklich überlappen; die Eigenresonanzfrequenz des Systems wird auf eine Maschinendrehzahl abgestimmt, welche so niedrig ist, damit ein Ansteigen der sonst unzureichenden Luftabgabe des Turborverdichters begünstigt wird. Eine Begrenzung hinsichtlich der Verwendung dieses Verfahrens ist durch die Größe des wirksamen Resonanzbereichs gegeben; ferner sind die Abmessung der Vorrichtung beträchtlich, wodurch in gewissen Fällen der Einsatz bei Fahrzeugmotoren ausgeschlossen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbolader

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zu schaffen, der gut auf die Antriebsmaschine des Fahrzeugs abgestimmt ist, und dessen Luftabgabe besser auf den Frischluftbedarf einer Kolbenmaschine abgestellt ist, der ferner zuverlässig ist,verhältnismäßig einfach aufgebaut ist und die Abgasvorschriften für Kraftfahrzeuge erfüllt.

Ferner soll durch die Erfindung eine bessere Ausnützung der Möglichkeiten der Drehmomentvergrößerung über einen größeren Drehzahlbereich der Maschine geschaffen werden, wobei diese Möglichkeiten durch die mechanische und thermische Last, sowie durch die brauchbare Lebensdauer einer Brennkraftmaschine begrenzt werden. Das Grundkonzept, auf welchem die Erfindung beruht, ist die Verwendung eines Turboladers, der in einem niedrigen Drehzahlbereich, d.h. in einem Drehzahlbereich unterhalb des maximalen Drehmoments des mit Ansaugung arbeitenden Motors, ausreichend Frischluft für die Aufladung liefert, - zweckmäßig indem der Motor voll ausgenützt wird, bis der maximal zulässige Verbrennungsdruck erreicht ist -, wobei ein überschreiten des zulässigen Aufladedruckes verhindert wird, indem die Ansaugleitung stromaufwärts des Turboverdichters gedrosselt wird, und das Drosselventil in der Ansaugleitung durch ein Fühlerelement gesteuert wird, das auf den Aufladedruck des Turboverdichters anspricht.

Die Erfindung besteht somit in einer turboaufgeladenen Maschine, insbesondere Dieselmaschine, bei welcher die Luftförderung des Turboverdichters der Frischluftanforderung der Brennkraftmaschine bei Vollast bei oder in der Nachbarschaft der Hälfte der Nenndrehzahl entspricht, wobei in diesem Drehzahlbereich der Druck des Turboverdichters sich dem maximal zulässigen Aufladedruck nähert, der durch den zulässigen Scheitelwert des Verbrennungsdrucks begrenzt ist,

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während im Bereich der Nenndrehzahl die Luftabgabe des Turboverdichters um mindestens 10% größer als der Frischluftbedarf der Brennkraftmaschine ist; dabei liegt ein Drosselventil in der Frischluft- Saugleitung stromaufwärts des Turboverdichters, wobei ein druckbetätigtes Ventil vorgesehen ist, um das Drosselventil zu betätigen, und einem Element des Frischluftsystems zwischen dem Turboverdichter und dem Zylinder (n) der Maschine zugeordnet ist. Dabei ist der Schwellenwert des druckbetätigten Ventils der eingestellt zulässige Nennwert des Aufladedrucks.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dieselmaschine ist die Druckleitung des Turboverdichters mit einem Sammeltank verbunden, der seinerseits über ein Resonanzrohr mit einem Resonanzbehälter in Verbindung steht, der an die Ansaugleitungen oder eine gemeinsame Ansaugleitung von 3 oder höchstens 4 Zylindern angeschlossen ist, deren Ansaugperioden einander nicht wesentlich überlappen, wobei die Resonanzfrequenz des Frischluftsystems auf die Maschinendrehzahl abgestimmt ist, bei welcher der Scheitelwert des Verbrennungdruckes nicht den zulässigen Wert erreicht- ohne Re son an ζ au f.ladung.

Eine weitere Ausführung der Erfindung besteht darin, daß die Dieselmaschine eine Vergasereinrichtung aufweist, um einen Teil des Brennstoffs in die Frischluftleitung abzügeben, wobei die Vergasereinrichtung in der Frischluftansaugleitung stromaufwärts des Eintrittsquerschnitts des Turboverdichters liegt und ein Drosselventil der Vergasereinrichtung eine Betätigungseinrichtung aufweist, die mit einem Fühlerelement zur Ermittlung der Temperatur der Frischluft ausgestattet ist, das in einer Frischluftleitung liegt, die den Turboverdichter mit den Zylindern der Maschine ver bindet, wobei ferner der gleichen Frischluftleitung ein

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Druckfühler zugeordnet ist, dessen Betätigungs-Schwellenwert der zulässige Aufladedruck ist. Dabei wird die vom Temperaturfühler ermittelte Umgebungstemperatur mit der Schließstellung des Drosselventils koordiniert, während ansteigende Temperaturen mit Ventileinstellungen verringerter Drosselung koordiniert sind und ein den zulässigen Wert überschreitender Aufladedruck mit einer erhöhten Drosselung durch das Drosselventil koordiniert ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gestatten die Verwendung eines kleineren, leichteren und kostengünstigeren Turboladers im Vergleich zu gegenwärtig verwendeten Ausführungen für eine bestimmte Brennkraftmaschine, bei welcher das maximale Drehmoment bei einer Drehzahl erreicht wird, die nicht größer als die halbe Nenndrehzahl der Maschine ist und ferner dieses Drehmoment bis zu etwa einem Viertel der Nenndrehzahl auf einem näherungsweise konstanten Wert gehalten werden kann. Der wirtschaftliche Betrieb der Maschine wird im merklichen Umfang lediglich durch den Umstand beeinträchtigt, daß im Nenndrehzahlbereich der Maschineim Gegensatz zum allgemeinen Trend und allgemeiner Bemühungen- die Maschine durch Drosselung der Ansaugleitung betrieben wird.

Eine Dieselmaschine mit einem Drosselventil in der Frischluftansaugleitung stromaufwärts des Turboverdichters ist bereits aus der DE-PS 1 280 616 bekannt. Bei dieser Konstruktion stellt das Drosselventil einen Teil der Vergasereinrichtung dar, die den Kaltstart der Maschine erleichtert und die Betriebseinstellung des Drosselventils hängt von der Frischgastemperatur ab, die in der Druckleitung stromaufwärts des Turboverdichters vorhanden ist. Sobald die Temperatur der Frischluft die Betriebstemperatur erreicht, wird das Drosselventil vollständig geöffnet, und hat bis zum

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nächsten Kaltstart keine weitere Funktion.

Eine bemerkenswerte Folge der Durchführung der zulässigen maximalen Aufladung bei niedriger Drehzahl besteht darin, daß die Arbeit der Aufladungsänderung der Brennkraftmaschine innerhalb eines weiten Drehzahlbereichs bei niedrigen Drehzahlen positiv wurde, so daß der Wirkungsgrad der Maschine und infolgedessen ihr Drehmoment erhöht wird.

Eine erfindungsgemäße Dieselmaschine wird anschließend anhand dreier bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungai beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Grundriß einer ersten Ausführungsform einer Dieselmaschine mit Turboaufladung mit sechs hintereinanderr.lie'genden Zylindern,

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, bei welcher die Maschine zusätzlich mit Saugleitungs-Aufladung und Resonanzbehältern ausgestattet ist,

Fig, 3 einen Schnitt im größeren Maßstab eines Drosselventils, das in die Ansaugleitung des Turboverdichters eingesetzt ist und eines druckbetätigten Steuerventils, welches das Drosselventil betätigt,

Fig. 4 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, die eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Dieselmaschine mit einer Vergasereinrichtung darstellt,

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Fig. 5 eine Darstellung der Nacheilung von Turboverdichtern mit verschiedenen Kennlinien bei Beschleunigung,

Fig. 6 eine Darstellung der Entwicklung des Luftüberschußfaktors, der bei Turboverdichtern mit unterschiedlichen Kennlinien bei Beschleunigung erhalten wird und

Fig. 7 eine Darstellung der durch Turborverdichter

unterschiedlicher Kennlinie bei Beschleunigung verursachten Rauchentwicklung.

In der Zeichnung wurden gleiche oder funktionell equivalente Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

In Fig. 1 der Zeichnungen ist eine Reihenanordnung von sechs Zylindern einer Dieselmaschine dargestellt. Die Zylinder I-VI der Maschine 1 sind über Ansaugleitungen 2 mit einer Frischluftleitung 3 verbunden, die ihrerseits über eine Zufuhrleitung 4 mit der Druckleitung 6 des Turboverdichters 5 in Verbindung steht. Die Abgasleitungen 7 der Zylinder I-VI sind alle mit einer Abgasleitung 8 verbunden, die an die Einlaßleitung 10 einer Abgasturbine 9 angeschlossen ist. Die umlaufenden Teile des Turboverdichters 5 und der Abgasturbine 9 sind auf einer gemeinsamen, nicht dargestellten Welle angeordnet und die beiden Elemente 5,9 stellen zusammen eine einzige Turboladereinheit 11 dar. Ein nicht gezeigter Luftfilter befindet sich stromaufwärts der Frischluft-Einlaßleitung 13 und eine Auspuffleitung 12 ist an den Abgasauslaß der Gasturbine 9 angeschlossen. Ein Drosselventil 14 liegt in der Frischluft-Einlaßleitung 13 und steht in Wirkungsverbindung mit einem druckbetätigten Steuerventil 15,

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welches ein druckempfindliches Element aufweist, das über eine Leitung 16 mit der gemeinsamen Frischluftleitung 3 verbunden ist.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist das druckbetätigte Steuerventil 1 5 über eine Leitung 20 mit einer Resonanζkammer 19 verbunden, die den Zylindern IV bis VI gemeinsam ist und mit diesen in Verbindung steht. Die Zylinder I-III sind ebenfalls an eine gemeinsame Resonanζkammer 19, angeschlossen. Beide Resonanzkammern 19 sind mit einem gemeinsamen Sammler 17 verbunden, der über die Zufuhrleitung 4 mit der Druckleitung 6 des Turboverdichters 5 in Verbindung steht. Bei Vollast entspricht die Luftabgabe des Turboladers 11 dem Frischluftbedarf der Maschine 1 bei oder in der Nähe der halben Nenndrehzahl der Maschine und der Aufladungsdruck des Turborverdichters führt nicht zu Scheiteldruckwerten, die den zulässigen maximalen Scheitelwert des Verbrennungsdruckes überschreiten. Dies ist eines der wichtigen Merkmale des Turboladers und es ist offensichtlich, daß dieser Turbolader mehr Luft abgeben würde, als bei der Nenndrehzahl der Maschine zulässig ist. Ein weiteres, wichtiges Merkmal besteht darin, daß seine Luftabgabe bei Nenndrehzahl der Maschine nicht den Luftbedarf der Maschine um mehr als 10% überschreitet. Somit kann der Turbolader 11 kleiner sein als die in üblicher Weise bemessenen Turbolader und seine Luftabgabe entspricht dem Frischluftbedarf der Maschine 1 nur in einem Drehzahlbereich. Die Abgabe von mehr als der zulässigen Luftmenge wird durch das in der Frischluft-Einlaßleitung 13 des Turboladers 5 angeordnete Drosselventil 14 verhindert, das durch das Steuerventil 15 gesteuert wird, welches auf den Druck in der Zufuhrleitung 4 stromabwärts des Turboladers 5 und in der Resonanzkammer 19 anspricht. Beispielsweise entspricht bei einem Kraftfahrzeug mit einer Dieselmaschine 1 mit einem

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Zylindervolumen von 10 Litern die Luftabgabe des Turboladers bei Vollast dem Frischluftbedarf der Maschine bei einer Maschinendrehzahl von 1200 min , während bei der Nenndrehzahl von 2200 min · die Luftabgabe des Turboladers den Luftbedarf der Maschine um 10% übersteigt. Aus der Koordinierung der Verbrennung der Maschine 1 und des Turboladers 11 folgt, daß im Drehzahlberech von 1200 und 1600 min der Druckzustand des Turboladers, d.h. der Auf ladung sdruck, nicht den zulässigen Druckwert überschreitet. Oberhalb 1600 min betätigt das auf den Aufladungsdruck ansprechende Steuerventil 15 das Drosselventil 14 und verstellt dessen Einstellung in Richtung erhöhter Drossellung, so daß der Aufladungsdruck auf den zulässigen Wert verringert wird.

Fig. 3 zeigt eine einfache mechanische Ausführung für das druckbetätigte Steuerventil 15,'welches den Aufladungsdruck abfühlt und gleichzeitig das Drosselventil betätigt. Ein Gehäuse 22 weist eine Kammer 23 auf, die dem Aufladungsdruck ausgesetzt ist, infolge ihrer Verbindung über eine Rohrleitung 21 zur Druckleitung, die in Fig. 1 mit 16 und in Fig. 2 mit 20 bezeichnet ist. Die Kammer hat eine verschiebbare Wand, die durch einen Fühlerkolben 24 bebildet wird, der an seiner der Kammer 23 abgewandten Seite durch eine Druckfeder 25 belastet ist. Eine Einstellschraube 27 für die Einstellung einer Vorspannung legt sich gegen eine Platte 26 der Druckfeder 25 und ist auf eine vorgegebene Vorspannungkraft eingestellt. Die Kammer 23 ist immer einem dem Aufladungsdruck entsprechenden Druck ausgesetzt und der Fühlerkolben 24 bewegt sich ensprechend gegen die Vorspannung der Druckfeder 25. Das druckbetätigte Steuerventil 15 befindet sich in der Frischluft-Einlaßleitung des Turboverdichters 5 und die Kolbenstange 28 des Fühlerkolbens ist unmittelbar mit dem Arm 29 des Drosselventils 15 ver-

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bunden, welches bei diesem Ausführungsbeispiel als Drosselklappenventil ausgebildet ist.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt:

Der Turboverdichter 5 saugt Frischluft über die Frischluft-Einlaßleitung 13 an und fördert sie über die Zufuhrleitung 4 zur Frischluftleitung 3, von welcher sie über die Ansaugleitungen 2 in die einzelnen Zylinder I-VI gelangt. Bei Vollast des Turboverdichters 5 liefert der Turbolader 11 bei einer Drehzahl von 1200 min eine Luftmenge, die identisch mit der von der Maschine benötigten Luftmenge ist. Gleichzeitig mit dem Anstieg der Maschinendrehzahl steigt die vom Turbolader 11 gelieferte Luftmenge ebenfalls an und desgleichen das Druckverhältnis. Bei etwa 1600 Umdrehungen/min der Maschine nähert sich das Druckverhältnis des Turboverdichters 5 dem zulässigen maximalen Aufladungsdruck, der den Schwellenwert für die Betätigung bildet, auf den das druckbetätigte Steuerventil 15 eingestellt ist. Der ansteigende Aufladungsdruck verschiebt den Fühlerkolben 24, womit das Drosselventil 14 gegen seine Schließstellung verschoben wird.

Das Drosselventil 14 verursacht einen Druckabfall stromaufwärts des Turboverdichters 5, wodurch bei einem Druckverhältnisr das als ungeändert angesehen werden kann, der Aufladungsdruck an der Druckseite des Turboverdichters 5 verringert wird. Bis zum Erreichen der Nenndrehzahl der Maschine steigt der Aufladungsdruck nur in einem Ausmaß an, das" für die Steuerung erforderlich ist und das hinsichtlich der Maschine vernachlässigbar ist. Gleichzeitig erhöht sich ungeachtet der zunehmenden Drosselung das abgegebene Luftvolumen im Einklang mit dem Luftbedarf der Maschine als Folge der ansteigenden Drehzahl des Turboverdichters 11.

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Die Größe der Drosselung ist derart, daß bei Nenndrehzahl der Maschine die Menge der vom Turboverdichter gelieferten Luft um etwa 10% verringert wird, bezogen auf die Verhältnis s ohne Drosselung Unter dem Luftbedarf der Maschine wird eine Luftmenge verstanden, die ausreicht, um den gewünschten effektiven mittleren Druck oder einen diesen nahekommenden Wert zu erreichen.

Im allgemeinen erreicht der maximale Scheitelwert des Verbrennungsdrucks nicht den zulässigen Wert im gesamten Steuerbereich der Maschinendrehzahl. Die den Schei-teLdruck als Funktion der Drehzahl darstellende Kurve kann glatter oder gleichmäßiger gemacht werden- womit der effektive, mittlere Druch weiter erhöht werden kann- indem das Resonanz- Aufladungs- Frischluftsystem nach Fig. 2 verwendet wird, wobei in an sich bekannter Weise die Resonazfrequenz des Systems auf jene Maschinendrehzahl oder jenen Drehzahlbereich abgestimmt werden kann, bei welchem der zulässige Scheiieldruckwert ohne dasselbe nicht erreicht werden könnte. In anderer Hinsicht stimmt die Betriebsweise der Ausführungsform der nach Fig. 2 mit jener der Ausführungsform nach Fig. 1 überein.

Fig. 4 stellt schematisch eine mit einer Vergasereinrichtung (gasifier) ausgestatteten Dieselmaschine dar. Die Maschine 1 weist einen Zylinder 30 auf, der mit einem Kolben 31 und einem Ventil 32 ausgestattet ist, welches mit einer Ansaugleitung 2 und einer Abgasleitung 7 verbunden ist. Die Ansaugleitung 2, die Frischluftleitung 3 und die Zufuhrleitung 4 verbinden den Maschinenzylinder 31 mit der Druckleitung 6 des Turboverdichters 5 des Turboladers 11. Die Abgasleitung 7 und die Abgasleitung 8 verbinden den Zylinder 31 mit der Einlaßleitung 10 der Abgasturbine 9, die ihrerseits an die

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zur Atomsphäre führende Auspuffleitung 12 angeschlossen ist. Eine Frischluft-Einlaßleitung 13, die mit Umgebungsluft in Verbindung steht, ist mit dem Turboverdichter 5 verbunden. Ein Drosselventil 53 und eine Vergasereinrichtung 56 liegen in dem Abschnitt der Frischluft-Einlaßleitung, der zwischen dem Turboverdichter 5 und der Einlaßöffnung 49 liegt.

Die Vergasereinrichtung 56 weist eine Düse 55 auf, die mit einem Absperrelement ausgestattet ist und wird über eine Leitung 37 mit einer Förderpumpe 35 verbunden, die Brennstoff über eine Leitung 39 und ein Filter 40 aus einem Brennstofftank 38 erhält. Der Brennstofftank 38 ist ferner mit einer überlaufleitung 41 der Förderpumpe 35 verbunden, deren Auslaßleitung 34 an einen Zerstäuber 33 des Zylinders 30 der Maschine angeschlossen ist.

Der Arm 44 des zwischen der Vergasereinrichtung 56 und der Frischluft-Einlaßleitung 13 liegenden Drosselventils 53 ist für eine voneinander unabhängige Betätigung an zwei verschiedene Elemente angeschlossen. Das eine dieser Elemente ist ein Verbindungsglied 43 einer temperctürempfindlichen Bimetallfeder 42, welche die Temperatur der vom Turboverdichter 5 gelieferten Frischluft abfühlt und vorzugsweise in der Zufuhrleitung 4 des Frischluftsystems liegt, das den Zylinder 30 mit dem Turborverdichter 5 verbindet. Das andere Element ist eine Schubstange 48 des druckbetätigen Steuerventils 15, welches den Druck der Frischluft abfühlt. Das Drosselventil 53 hat einen Anschlagarm 55, an dem eine Feder 51 eingehängt ist, die das Bestreben hat, den Arm gegen einen Anschlag 50 zu ziehen.

Die Darstellung der einzelnen Elemente ist lediglich schematisch und zeigt diese Elemente bei mittlerer Drehzahl einer betriebswarmen Maschine.

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Am Verbindungsglied 43 der Bimetallfeder 42 ist ein Anschlag 45 vorgesehen, der mit einem Begrenzungsschalter 44 zusammenwirkt. Eine Leitung 46 übermittelt das Signal des Begrenzungsschalters 44 zum Absperrelement 54. In der Grundstellung der Bimetallfeder 42, die einer normalen Umgebungstemperatur entspricht, ist das Absperrelement 54 offen, während in einer Stellung, die der Frischlufttemperatur einer betriebswarmen Maschine entspricht, das vom Begrenzungsschalter 44 kommende Signal das Absperrelernent 54 in Schließstellung hält, so daß bei betriebswarmer Maschine die Vergasereinrichtung 56 inaktiv ist und kein Brennstoff durch die Düse 55 strömen kann.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 arbeitet in der nachfolgend beschriebenen Weise. Die dargestellte, im Viertaktverfahren arbeitende Dieselmaschine 1, ihre Brennstoffeinspritzpumpe 35 und ihr Zerstäuber 33 arbeiten in bekannter Weise. Das gleiche gilt für den Turbolader 11, wobei dessen Abmessungen und Betriebsverhalten in ähnlicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 gewählt sind. D.h. die Luftabgabe· des Turboladers 11 bei Vollast entspricht dem Frischluftbedarf der Maschine 1 bei halber Nenndrehzahl der Maschine oder in der Nähe dieses Werts, und ist für den Nenndrehzahlbereich der Maschine um höchstens 10% höher. Bei Stillstand der Maschine 1 hält die temperatürempfindliche Bimetallfeder 42 über ihr Verbindungsglied 43 das Drosselventil 53 in Schließstellung, bei welcher das Drosselventil etwa 90° gegenüber der dargestellten Stellung verdreht ist. Das Absperrelement 54 ist geöffnet und beim Starten wird Brennstoff von der Düse 55 der Vergasereinrichtung 56 zum Zylinder 30 der Maschine angesaugt, während die Einspritzpumpe 35 Brennstoff unmittelbar über den Zerstäuber 33 in den Zylinder einführt. Ein Anteil von etwa 10% des Brennstoffes tritt durch die Vergasereinrichtung 56, während der übrige

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Teil in an sich bekannter Weise durch den Zerstäuber eintritt, wodurch erreicht werden soll, daß die Brennkraftmaschine zuverlässiger gestaltet werden kann, einen gleichmäßigeren Leerlauf hat und ein günstigeres Teillastverhalten aufweist.

Während die Maschine Betriebstemperatur erreicht, erhöht sich die Frischlufttemperatur in der Zufuhrleitung 4 stromabwärts des Turboverdichters 5. Dies wird durch die Bimetallfeder 42 abgefühlt, welche kontinuierlich das Drosselventil 53 bis zur dargestellten Ruhestellung öffnet. Nachdem die Maschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat, und da das Drosselventil sich in der dargestellten Stellung befindet, erreicht während des Ansteigens der Drehzahl der Druck der vom Turboverdichter 5 abgegebenen Luft, d.h. der Aufladungsdruck, seinen maximal zulässigen Wert bei 1/2-3/4 der Nenndrehzahl der Maschine.

Die Schubstange 48 des druckbetätigten Steuerventils 15 wird verschoben, wenn der Druck den vorgewählten zulässigen Aufladungsdruck übersteigt und die Schubstange bewegt das Drosselventil 53 über den Arm 47 gegen eine stärkere Drosselstellung, so daß die Ansaugseite des Turboverdichters 5 gedrosselt und der Aufladungsdruck der Frischluft verringert wird. Das druckbetätigte Ventil 15 und die Bimetallfeder 42 betätigen das Drosselventil 53 voneinander unabhängig, so daß immer die Wirkung jenes Elements überwiegt, welches eine größere Drossellung veranlaßt.

Es können auch zwei getrennte Drosselventile verwendet werden, von denen eines durch das druckbetätigte Steuerventil und das andere durch das Temperatuempfindliche Element betätigt werden.

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Der Vorteil der Dieselmaschine gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zeigt sich in erster Linie bei einem Motorbetrieb, bei welchem häufige Drehzahländerungen erfolgen, und bei welchem die Abgaswerte der Maschine besondere Bedeutung haben. Vom Standpunkt der Rauchentwicklung ist die kritischste Bedingung für turbobeladene Dieselmaschinen die Beschleunigung bei Vollast. Bei Beschleunigung erhöht die Nacheilung des Turboladers bei steigender Maschinendrehzahl die Tendenz zur Rauchabgabe. In der vorliegenden Erfindung ändert sich die Drehzahl des Turboladers weniger als bei bekannten Turboladern und folgt der Änderung der Maschinendrehzahl bei Beschleunigung enger, womit der Luftüberschußfaktor der Maschine verbessert und eine Rauchentwicklung verringert wird.

Die Kurvendarstellung nach Fig. 5 zeigt die Änderung der Drehzahl des Turboladers bei Beschleunigung als Funktion der Zeit, wobei η die Drehzahl des Turboladers als Prozentangabe eines stationären Betriebszustandes angibt und T die Zeit darstellt. Die Kurven a, b und m stellen jeweils die Änderung der Drehzahl des Turboladers einer in bekannter Weise aufgeladenen Dieselmaschine, des Turboladers der gleichen, erfindungsgemäß aufgeiadenen Dieselmaschine, und der Dieselmaschine selbst dar.

Fig. 6 zeigt die Änderung des Luftüberschußfaktors als Funktion der Zeit, wobei die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 5 und die gleiche Änderung der Maschinendrehzahl verwendet wird.

Fig. 7 zeigt die Änderung derKuchabgabezahl R als Funktion der Zeit unter Verwendung der gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 5.

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In den erfindungsgemäßen Dieselmaschinen kann eine Rückkühlung der Luft mit Vorteil verwendet werden, um eine weitere Erhöhung des Drehmoments der Maschine in einem beträchtlich höheren Drehzahlbereich zu erzielen. Der Luftkühler ist zweckmäßig zwischen der Einlaßleitung der Zylinder und dem Luftsteuerventil angeordnet.

Zusammenfassend wird durch die Erfindung eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmaschine geschaffen, bei welcher die Luftabgabe des Turboladers auf den Luftbedarf der Maschine bei niedriger Drehzahl abgestimmt ist, wobei die Saugleitung des Turboverdichters mit einem Drosselventil ausgestattet ist, welches betätigt wird, um zu verhindern, daß der zulässige Aufladungsdruck bei höheren Drehzahlen überschritten wird, was durch ein Steuerventil erreicht wird, welches auf den Aufladungsdruck des Turboverdichters anspricht und dessen Schwellenwert auf den zulässigen Aufladungsdruck - Nennwert eingestellt ist.

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Claims

HOFFMANN · EITXJ3 & PARTNER

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Turboaufgeladene Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmäschine

P a t e η. t. a η s p. r. ü c. h.

^r1 .*) Turboaufgeladene Brennkraftmaschine, insbesondere

Dieselmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftabgabe des Turboladers (11) auf den Frischluftbedarf der Brennkraftmaschine bei Vollast bei der halben Nenndrehzahl der Maschine oder in der Nähe derselben abgestellt ist und in diesem Drehzahlbereich das Druckverhältnis des Turboverdichters sich dem zulässigen maximalen Aufladungsdruck nähert, der durch den zulässigen Scheitelwert des Verbrennungsdrucks begrenzt ist, während im Bereich der Nenndrehzahl der Maschine die Luftabgabe des Turboladers höchstens um 10% größer als der Frischluftbedarf der Brennkraftmaschine ist, Gin Drosselventil (14) in der Frischluft-Einlaßleitung (13) stromaufwärts de,s Turboverdichters (5) liegt und durch ein druckbetätigtes Steuerventil (15) be-

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tätigt wird, das einem Element des Frischluftsysteitis des Turboverdichters zugeordnet ist_f.wobei der Schwellenwert des druckbetätigten Steuerventils (1B der voreingestellte zulässige Aufladungs-Nenndruck ist, und der Aufladungsdruck unterhalb und oberhalb dieses Schwellenwerts jeweils mit den Einstellungen für minimale Drosselung und erhöhte Drosselung des Drosselventils (14) koordiniert ist.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung (6) des Turboverdichters (5) an einen Sammler (17) angeschlossen ist, der über eine Resonanzleitung (18) mit einer Resonanzkammer

(19) verbunden ist, die ihrerseits an die Ansaugleitungen (2) von drei und höchstens vier Zylindern angeschlossen ist, deren Ansaugperioden sich nicht merklich überlappen, und daß aie Resonanzfrequenz des Frischluftsysteras auf jene Maschinendrehzahl abgestimmt ist, bei der ohne Resonanzaufladung der maximale Scheiteldruck der Verbrennung den zulässigen Wert nicht erreicht.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein federbelastetes Fühlerelement in Gestalt einer verschiebbaren viand im Arbeitsraum des druckbetätigten Steuerventils (15), welches dem Aufladungsdruck ausgesetzt ist, wobei der Verschiebungsweg des Fühlerelements proportional zum Aufladungsdruck ist, der oberhalb des Schwellenwerts als Steuerdruck dient und wobei das insbesondere als Drossel klappenventil ausgebildete Drosselventil (14) mit der verschiebbaren Wand durch eine mechanische Anordnung verbunden ist.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,, daß das druckbetätigte Steuer-

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ventil (15) in der Frischluftansaugleitung des Turboverdichters (5) angeordnet ist und über eine Leitungsanordnung mit dem genannten Element verbunden ist, das mit dem Zylinder-Ansaugleitungen (2) des Frischluftsystems verbunden ist.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselelement als Steuerelement einer Vergasereinrichtung (56) ausgebildet ist und einen Teil des Brennstoffs für die Zylinder zur Frischluftsaugleitung durchtreten läßt.
6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Drosselventil (53) in Wirkungsverbindung mit einem Fühlerelement (42) für die Frischlufttemperatur steht, welches in der Frischluftzufuhrleitung (4) angeordnet ist, die den Turboverdichter (5) mit dem Maschinenzylinder verbindet, wobei die Einstellung des Drosselventils eine maximale und minimale Drosselung gestattet, die jeweils mit der Umgebungstemperatur und der Frischlufttemperatur der Maschine koordiniert ist.
7. Maschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil (53) durch eine Feder (51) in ihre Einstellung für minimale Drosselung gebracht wird und daß das Fühlerelement (42) für die Frischlufttemperatur und das Fühlerelement (15) für den Aufladungsdruck voneinander unabhängig zur Betätigung des Drosselventils angeordnet sind, so daß zu jeden Zeitpunkt jenes Element, welches die größere Drossellung veranlaßt, wirksam ist.

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