DE3046875A1 - "brennkraftmaschine" - Google Patents

"brennkraftmaschine"

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DE3046875A1 DE19803046875 DE3046875A DE3046875A1 DE 3046875 A1 DE3046875 A1 DE 3046875A1 DE 19803046875 DE19803046875 DE 19803046875 DE 3046875 A DE3046875 A DE 3046875A DE 3046875 A1 DE3046875 A1 DE 3046875A1
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Hans Dr.-Ing. 7990 Friedrichshafen Dinger
Helmut Ing.(grad.) 7992 Tettnang Klotz
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MTU Friedrichshafen GmbH
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Description

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION FRIEDRICHSHAFEN GMBH
Priedrichshafen
Brennkraftmaschine
Sie Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Aufladung durch Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Mit der Erfindung wird eine Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens der Brennkraftmaschine bezweckt.
Für diesen Zweck sind zwei verschiedene Systeme bekannt geworden. Deren Arbeitsprinzip besteht darin, den Energieinhalt des von der Brennkraftmaschine bei Leerlauf oder kleiner Teillast produzierten Abgasmassenstroms vor Eintritt in die Turbine des Abgasturboladers anzuheben. Mit dem energiereicheren Abgas wird eine schnelle Drehzahlzunahme des Abgasturboladers bzw. ein rascher Druckaufbau im Ladeluftsystem der Brennkraftmaschine erreicht.
Bei dem einen System durchströmt das Abgas der Brennkraftmaschine eine Hilfsbrennkammer. Dort wird durch Zufuhr von Brennstoff, der unter Ausnutzung des im Abgas enthaltenen Restsauerstoffes verbrennt, die Abgastemperatur und -menge erhöht. Das Brennverhalten der Hilfsbrennkammer 1st bei diesem System infolge des
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pulsierenden Abgasetromes aus der Brennkraftmaschine jedoch instabil und kann sogar zum Verlöschen der Hilfsbrennkammer führen.
Bei dem anderen System wird der Hilfsbrennkammer kein Abgas sondern aus dem Ladeluftstrom für die Brennkraftmaschine abgezweigte Verbrennungsluft sowie Brennstoff zugeführt. Das in der Hilfsbrennkammer produzierte Heißgas wird dann dem Abgasstrom aus der Brennkraftmaschine vor dem Eintritt in die Turbine des Abgasturboladers zugemischt. Mit diesem System ist ein stabiler Betrieb der Hilfsbrennkammer möglich und auch das Beechleunigungsverhalten der Brennkraftmaschine wird spürbar verbessert. Der gravierende Nachteil liegt jedoch darin, daß bei optimaler Abstimmung des Systems - Brennkraftmaschine plus Hilfebrennkammer - der normale Brennkraftmasohinenbetrieb ohne Unterstützung durch die Hilfsbrennkammer sehr unbefriedigend ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein funktionssicheres System einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einer Hilfsbrennkammer zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal von Patentanspruch 1 gelöst und findet die weitere Ausgestaltung durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 4.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich gegenüber aufgeladenen Brennkraftmaschinen ohne Hilfseinrichtung eine deut-
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liehe Verringerung der für die Beschleunigung der Brennkraftmaschine von Leerlauf bis Vollast erforderliche Zeitspanne ergibt, daß ein von der Abgaspulsation der Brennkraftmaschine unbeeinflußter Betrieb der Hilfsbrennkammer ermöglicht wird, daß durch Fortfall der Störstelle, den die Zusammenführung der Abgase aus Brennkraftmaschine und Hilfsbrennkammer vorher für die Abgasströmung darstellte, die Abgasleitung der Brennkraftmaschine für eine optimale Strömungsführung gestaltet werden kann, daß für das System mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 2 eine nur kleine Hilfsbrennkammer mit entsprechend geringem Brennstoffverbrauch erforderlich ist, und daß das System mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 3 gegenüber dem vorgenannten System eine weiter verkürzte Beschleunigungszeit ermöglicht.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern; Fig. 2: Variante einer Umschalteinrichtung.
Eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen 11, 12, die je eine Ladeluftleitung 13, 14 und je eine Abgasleitung 15» 16 aufweisen, wird durch Abgasturbolader 17, 18 mit vorverdichteter Ladeluft versorgt. Den Ladeluftleitungen 13, 14, die miteinander durch eine Überströmleitung 19 verbunden sind, ist in den von den Verdichtern 24, 27 der Abgasturbolader 17, herkommenden Ladeluftzufuhrleitungen 20, 21 je ein Ladeluftkühler 22, 23 vorgeschaltet. Die Abgasleitungen 15, 16 sind über eine, die Schaltstellungen
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"a", "b", "cn aufweisende Umschalteinrichtung 28, zu den Turbinen 25, 26 der Abgasturbolader 17, 18 geführt. An den zur Turbine 26 führenden Abgasleitungsabschnitt 29 ist die Auspuffleitung 30 einer Hilfsbrennkammer 31 angeschlossen, der die zum Zünden erforderliche Verbrennungsluft durch eine von der Ladeluftzufuhrleitung 20 abzweigende, über die Umschalteinrichtung 28 geführte Leitung 32 zuströmt. Die vom Abgasturbolader 18 ausgehende Ladeluftzufuhrleitung 21 ist ebenfalls über eine Umschalteinrichtung 28 geführt.
Zur Regulierung des Verbrennungsluftstromes für die Hilfsbrennkammer 31 ist mindestens in der Leitung 32 eine bis auf Null-Durchgang verstellbare Regeleinrichtung 33 angeordnet, die durch eine weitere Regeleinrichtung 34 in der Ladeluftzufuhrleitung 20 noch unterstützt werden kann.
Im Normalbetrieb, wenn die Brennkraftmaschine bei Leer lauf oder geringer Last arbeitet, befindet sich die Um schalteinrichtung 28 in Stellung naM. Die geschlossene Regeleinrichtung 33 sperrt die Luftzufuhr zur Hilfsbrennkammer 31 und das Abgas der Brennkraftmaschine wird über Leitung 35, 36 nur dem Abgasturbolader 17 zugeführt, der mit seinem Verdichter 24 über die Ladeluftzufuhrleitung 20 allein die Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine wahrnimmt.
Pur einen bevorstehenden Beschleunigungsfall, d. h. wenn voraussehbar ist, daß die Brennkraftmaschine aus dem Leerlauf heraus oder bei Teillast für eine rasche Drehzahlerhöhung bereit sein muß, wird nach öffnen der Regeleinrichtung 33, bei Stellung Man der Umschaltein-
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richtung 28, die Hilfsbrennkammer 31 gezündet, zunächst mit kleiner Leistung betrieben und deren Abgas über leitung 30 der Turbine 26 des Abgasturboladers 18 zugeführt. Wegen der Unterbrechung der Luftzufuhrleitung 21 in der Umschalteinrichtung 28 bei Stellung Ma" kann der Verdichter 27 nicht fördern, und der Abgasturbolader 18 wird daher unter der Wirkung des Abgases aus der Hilfsbrennkammer 31 eine höhere Drehzahl einnehmen.
1st der Augenblick gekommen, bei dem die Brennkraftmaschine beschleunigen soll, wird die Umschalteinrichtung 28 in Stellung nbH verschoben. Damit ist die Hilfsbrennkammer 31 von der Luftzufuhr durch Verdichter 24 getrennt und auf die Luftzufuhr durch Verdichter 27 umgeschaltet. Die nun mit erhöhter Leistung betriebene Hilfsbrennkammer 31 arbeitet dann zusammen mit Abgasturbolader 18 in einem Gasturbinenproζeß in ''Serbsthal tung". Die Hilfsbrennkammer 31 wird dabei mit einer solchen Leistung betrieben, daß der Abgasturbolader 18 eine Drehzahl erreicht, die gleich oder höher ist als die Drehzahl des Abgasturboladers 17, der vom Abgas der Brennkraftmaschine betrieben wird.
Gleichzeitig wird zum Beschleunigen die Brennkraftmaschine mit Vollast gefahren, wobei die Abgase aller Zylinder zunächst weiterhin dem Abgasturbolader 17 zugeführt werden. Dieser Abgasturbolader 17 wird dadurch aus seiner Leerlaufdrehzahl heraus mit einem wesentlich größeren Abgasmassenstrom beaufschlagt, als er im normalen "Zwei-Abgasturbolader-Betrieb" erhalten würde. Entsprechend rascher wird seine Drehzahl und damit der Aufladedruck zunehmen. Mit gestiegenem Aufladedruck ist die Brennkraftmaschine befähigt, mehr Brennstoff pro Arbeitstakt zu verarbeiten, als im Normalbetrieb
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bei einer bestimmten Drehzahl. Dadurch liegt aber auch das abgegebene Drehmoment der Brennkraftmaschine gleichermaßen auf höherem Niveau als im Normalbetrieb. Mit zunehmender Drehzahl und Abgasproduktion der Brennkraftmaschine erreicht der Abgasturbolader 17 seine Schluckfähigkeit, so daß der zweite Abgasturbolader 18 zugeschaltet werden muß, um den anwachsenden Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine verarbeiten zu können. Dazu wird die Umschalteinrichtung 28 in Stellung "c" verschoben. In dieser Phase wird die Hilfsbrennkammer 31 nicht mehr unterstützend benötigt und deshalb gelöscht oder auf eine Bereitschaftsleistung zurückgenommen.
Durch die Verzweigung der Strömungspfade von Leitung 35 auf die beiden Leitung 21 und 29 innerhalb der Umschalteinrichtung 28 wird nun beiden Abgasturboladern 17 und 18 Abgas der Brennkraftmaschine zugeführt. Der Abgasturbolader *8 wurde mit Unterstützung der Hilfsbrennkammer 31 bereits auf Drehzahl gebracht und muß nun nicht mehr vom Abgas der Brennkraftmaschine beschleunigt werden. Er kann sofort nach der Umschaltung zur Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine über die in der Umschalteinrichtung 28 bei Stellung HcM nicht mehr unterbrochene Ladeluftzufuhrleitung 21 maßgeblich beitragen. Auf diese Weise wird ein Drehzahleinbruch beim Umschalten auf "Zwei-Abgasturbolader-Betrieb", der durch das Zuschalten eines weiteren Abgasverbrauchers sonst eintreten würde, vermieden. Die Zeitspanne, die die Brennkraftmaschine für einen Beschleunigungsvorgang aus dem Leerlauf oder kleiner Teillast heraus benötigt, ist erheblich verkürzt.
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Im Normalbetrieb, d. h. ohne Unterstützung durch die Hilfsbrennkammer 31, wird die Brennkraftmaschine im. oberen Lastbereich bei Stellung wcw der Umschalteinrichtung 28 gefahren. Segeleinrichtung 33 ist dann geschlossen oder nur so weit geöffnet, daß die Hilfsbrennkammer 31 mit der oben erwähnten Bereitschaftsleistung weiterarbeitet. Nur bei Bereitschaftsleistung der Hilfsbrennkammer 31, mit einer gegenüber dem Volllastbetrieb sehr geringen Abgasproduktion, ergibt sich eine Zuführung von Abgas aus der Auspuffleitung 30 in den Abgasleitungsabschnitt 29. Dadurch wird der Normalbetrieb der Brennkraftmaschine jedoch nicht beeinträchtigt .
Pur den Beschleunigungsfall gibt es gemäß Fig. 2 bei Stellung ttb" der Umschalteinrichtung 28 die Möglichkeit, einen Teil der vom Verdichter 27 geförderten Luft zur Brennkraftmaschine abzuzweigen, was die luftversorgung der Brennkraftmaschine weiter verbessert.
Die in Fig. 1 dargestellte Zusammenfassung der Abgasleitungen 15, 16 in der Leitung 35 vor der Umschalteinrichtung 28 ist nicht die einzig mögliche Anordnung. Die Abgasleitungen 15 und 16 können auch getrennt bis zur Umschalteinrichtung 28 geführt werden und sich bei Stellung "a" innerhalb der Umschalteinrichtung 28 vereinigen, um gemeinsam Leitung 36 zu speisen. Dadurch entfällt dann in Stellung wc" die Verzweigung der Leitungspfade für das Brennkraftmaschinenabgas. In der Umschalteinrichtung 28, Stellung ncw, ist dann für die Verbindung der Abgasleitung 15 mit 36 und 16 mit 29 je ein Strömungsweg vorhanden.
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In den Beispielen ist die Umsehalteinrichtung 28 wegen der "besseren Übersichtlichkeit als geschlossene Einheit dargestellt. Es ist jedoch ebenso gut möglich, für die von der Umschalteinrichtung 28 beherrschten Leitungen jeweils einzelne Umschalteinrichtungen zu verwenden.
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Claims (4)

  1. MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION FRIEDRICHSHAPEN GMBH
    Priedrichshafen
    Patentansprüche
    1/ Brennkraftmaschine mit Aufladung durch Abgasturbolader und mit einer Hilfsbrennkammer, deren Abgas zeitweise der Turbine eines Abgasturboladers zur Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens der Brennlcraftmaschine zugeführt und die Verbrennungsluft für den Leerlaufbetrieb der Hilfsbrennkammer dem vom Abgasturbolader erzeugten Ladeluftstrom entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß von zwei parallel arbeitenden Abgasturboladern (17,
    18) bei Teillast nur einem (17) das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine zu deren Ladeluftversorgung zuströmt, daß das Abgas der für den Beschleunigungsfall im unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine mit Vollast betriebenen Hilfsbrennkammer (31) der Turbine (26) des anderen Abgasturboladers (18) zugeführt wird und der zugehörige Verdichter (27) die Verbrennungsluft für den Volllastbetrieb der Hilfsbrennkammer (31) liefert.
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  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftförderung des von den Abgasen der Hilfsbrennkammer (31) angetriebenen anderen Abgasturboladers (18) zur Brennkraftmaschine unterbrochen ist.
  3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Verbrennungsluft für die Hilfsbrennkammer (31) eine Teilmenge für die Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine abgezweigt wird.
  4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb der Brennkraftmaschine in ihrem oberen Lastbereich die Hilfsbrennkammer (31) mit einer Verbrennungsluftmenge versorgt wird, die für einen Bereitschaftsbetrieb ausreicht.
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