DE3046876A1 - "brennkraftmaschine" - Google Patents

"brennkraftmaschine"

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DE3046876A1 DE19803046876 DE3046876A DE3046876A1 DE 3046876 A1 DE3046876 A1 DE 3046876A1 DE 19803046876 DE19803046876 DE 19803046876 DE 3046876 A DE3046876 A DE 3046876A DE 3046876 A1 DE3046876 A1 DE 3046876A1
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Description

MTU MOTOEEN- UND TUBBIiraN-UNION FRIEDRICHSHAFEN GMBH
Friedrichshafen " «J*
Brennkraftmaschine
Die 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 ist bei diesem System infolge
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des pulsierenden Abgasstromes 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 Beschleunigungsverhalten der Brennkraftmaschine wird spürbar verbessert. Der gravierende Nachteil liegt jedoch darin, daß bei optimaler Abstimmung des Systems - Brennkraftmaschine plus Hilfsbrennkammer - der normale Brennkraftmaschinenbetrieb 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 der Brennkraftmaschine die Ausschubarbeit, die für das Ausschieben der Abgase aus den Zylindern gegen den Strömungswiderstand der
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Abgasturbinen-Schaufelgitter im Normalbetrieb von ihr aufzubringen ist, nun für den Beschleunigungsvorgang zusätzlich zur Verfügung steht, daß sich gegenüber aufgeladenen Brennkraftmaschinen ohne Hilfseinrichtung eine deutliche 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 IOrtfall 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.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1: Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern, Pig. 2: Brennkraftmaschine mit drei Abgasturboladern.
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, 18 herkommenden Ladeluftzufuhrleitungen 20, 21 je ein Ladeluftkühler 22, 23 vorgeschaltet. Die Abgasleitungen 15, 16 sind über eine,
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die Schaltstellungen "a", "bw, "c" aufweisende Umschalteinrichtung 28 zu den Turbinen 25, 26 der Abgasturbolader 17, 18 geführt. Über Leitungen 32, ist einer Hilfsbrennkammer 31 Verbrennungsluft aus den Ladeluftzufuhrleitungen 20 und 21 zuführbar. Die Auspuffleitung 30 der Hilfsbrennkammer 31 ist ebenfalls an die Umsehalteinrichtung 28 angeschlossen.
Zur Regulierung des Verbrennungsluftstromes für die Hilfsbrennkammer 31 ist mindestens in den Leitungen 32, 33 je eine bis auf Null-Durchgang verstellbare Regeleinrichtung 34- bzw. 35 angeordnet, die durch je eine weitere Regeleinrichtung 37, 38 in der Ladeluftzufuhrleitung 20 bzw. 21 noch unterstützt werden kann.
Im Normalbetrieb, wenn die Brennkraftmaschine bei Leerlauf oder geringer Last arbeitet, befindet sich die Umschalteinrichtung 28 in Stellung naw. Die geschlossenen Regeleinrichtungen 34, 35 sperren die Luftzufuhr zur Hilfsbrennkammer 31 und das Abgas der Brennkraftmaschine wird über Leitung 39 nur dem Abgasturbolader 17 zugeführt, der mit seinem Verdichter 24 über die Ladeluftzufuhrleitung 20 und Überströmleitung 19 allein die Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine wahrnimmt. Da der Abgasturbolader 18 antriebslos ist, der Verdichter 27 also nicht fördert, ist die Rückschlagklappe 41 unter der Wirkung des von Verdichter 24 im Ladeluftleitungssystem der Brennkraftmaschine aufgebauten Ladeluftdrucks geschlossen.
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Für einen bevorsteilenden Beschleunigungsfall, d. h. wenn voraussehbar ist, daß die Brennkraftmaschine aus dem Leerlauf heraus oder bei Teillast für eine rasche Drehzahlerhöhung bereit sein muß, wird Regeleinrichtung 34 oder 35 und damit die Luftzufuhr zur Hilfsbrennkammer geöffnet. Bei Stellung Ma" der Umschalteinrichtung 28 erfolgt die Zündung der Hilfsbrennkammer 31 und ihr Betrieb mit zunächst kleiner Leistung. Mit dem Abgas der Hilfsbrennkammer 31, das über die Leitungen 39» 40 der Turbine 26 zuströmt, wird der Abgasturbolader 18 angetrieben. Wegen des vorerst nur kleinen Abgasmassenstromes ergibt sich nur eine geringe Drehzahl des Abgasturboladers 18. Eine Luftförderung von Verdichter 27, gegen den im Ladeluftsystem von Abgasturbolader 17 erzeugten Ladeluftdruck, kommt zunächst nicht zustande, so daß die Rückschlagklappe 41 noch geschlossen bleibt.
Mr den eigentlichen Beschleunigungsvorgang der Brennkraftmaschine aus dem Leerlauf heraus oder bei Teillast wird die ümschalteinrichtung 28 nach Stellung wc" verschoben. Die Abgase der Brennkraftmaschine gelangen dann über Leitung 29 unter Umgehung der Abgasturbinen 25 und 26 direkt in den Auspuff 42. Die Auspuffleitung 30 der Hilfsbrennkammer 31 ist mittels der Verzweigung *^ 25 der zugehörigen Strömungspfade in der Umsehalteinrichtung 28 über die Leitungen 39 und 40 auf die Turbinen 25, 26 der Abgasturbolader 17 und 18 geschaltet. Gleichzeitig werden beide Regeleinrichtungen 34 und 35 voll geöffnet und die Hilfsbrennkammer 31 auf Vollastbetrieb hochgefahren. Die Hilfsbrennkammer 31 ist so ausgelegt, daß ihre Abgasproduktion ausreicht, mit den beiden Abgasturboladern 17, 18 sowohl den Luftverbrauch der
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Brennkraftmaschine für den Beschletmigungsvorgang als auch den Luftverbrauch der Hilfabrennlcanuner 31 bei Vollastbetrieb zu befriedigen.
Infolge der besonderen Abgasführung über leitung 36, 29 zum Auspuff 42 ist die Brennkraftmaschine von der Abgas-Ausschubarbeit gegen einen Gegendruck, der sonst durch die Turbinenschaufelgitter der Abgasturbolader 17, 18 gegeben ist, entlastet. Das Drehmoment, das für diese Ausschubarbeit aufzuwenden wäre, steht auf diese Weise zum Beschleunigen unterstützend zur Verfügung. Außerdem ist bei entsprechender Abstimmung der Hilfsbrennkammer 31 mit den Abgasturboladern 17 und 18 im Beschleunigungsfall ein höherer Aufladedruck als im Normalbetrieb zu realisieren. Jedenfalls bewirken alle diese Maßnahmen eine überaus rasche Beschleunigung der Brennkraftmaschine.
Ist die Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. die der Abgasturbolader 17, 18 beim Beschleunigen bis zu einem im oberen Teillastbereich liegenden Wert angewachsen, erreicht die Temperatur des Hilfsbrennkammer-Abgases einen für die !Turbinen 25, 26 der Abgasturbolader 17, 18 nicht mehr zulässigen Wert. Dieser Temperaturanstieg ergibt sich dadurch, daß der Luftverbrauch der Brennkraftmaschine mit steigender Drehzahl zu- und damit der für die Hilfsbrennkammer 31 übrig bleibende Verbrennungsluftmassenstrom abnimmt, obwohl die in der Hilfsbrennkammer 31 pro Zeiteinheit verbrannte Zraftstofmenge etwa gleich bleibt. Es kommt in dieser Betriebsphase dann der Moment, daß bei weiter zunehmendem Luftverbrauch der Brennkraftmaschine die Hilfsbrennkammer 31 schließlich aus Verbrennungsluftmangel nicht mehr mit Vollast betrieben werden kann.
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mm Q *β * *
Es erfolgt deshalb eine Ieistungsreduzierung der Hilfsbrennkammer 31, und zwar auf einen Bereitschaftszustand. Gleichzeitig wird Umschalteinrichtung 28 in Stellung "bn verschoben. Der bei dieser hohen Teilleistung der Brennkraftmaschine von ihr ausgehende, bereits sehr große Abgasmassenstrom wird nun anstelle der Abgase aus der Hilfsbrennkammer 31 den Abgasturboladern 17, 18 über die leitungen 39, 40 zugeführt. Sa der Abgasmassenstrom aus der Hilfsbrennkammer 31 bei Vollast bedeutend größer ist als der Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine bei Vollast, sind die !Turbinen 25, 26 zur Anpassung an den kleineren Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine mit je einem verstellbaren Leitapparat 44, 45 ausgerüstet.
Nur bei Bereitschaftsleistung der Hilfsbrennkammer 31, mit einer gegenüber dem Vollastbetrieb sehr geringen Abgasproduktion, erfolgt bei Stellung "b" der Umschalteinrichtung 28 eine Zuführung von Hilfsbrennkammer-Abgas aus der Auspuffleitung 30 zu den Abgasen aus der Brennkraftmaschine. Der Normalbetrieb der Brennkraftmaschine wird dadurch jedoch nicht beeinträchtigt.
Eine kostengünstigere Lösung ergibt sich dadurch, daß die beiden Abgasturbolader 17, 18 nur auf den Abgasmassenstrom bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine ausgelegt werden. Die aufwendigen verstellbaren Leitapparate 44, 45 an den Turbinen 25 und 26 können dann entfallen. Da das Abgasschluckvermögen der Abgasturbolader 17, 18 gegenüber dem Beispiel nach Pig. 1 kleiner ist, kann auch für die Hilfsbrennkammer 31 eine kleinere Baugröße gewählt werden.
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·-. 10.S-.
Diese Lösung schränkt allerdings die Effektivität des Besohleunigungsvorganges ein, da der den Hilfsbrennkammereinsatz begrenzende Verbrennungsluftmangel wegen der kleineren Abgasturbolader und der kleineren Hilfsbrennkammer 31 schon bei einer relativ niedrigen Teillast-Drehzahl der Brennkraftmaschine auftritt. Die Brennkraftmaschine muß also über einen etwas größeren Drehzahlbereich als beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ohne Unterstützung durch die Hilfsbrennkammer 31 beschleunigen.
Eine weitere Abwandlung des für Fig. 1 beschriebenen Systems besteht darin, daß der eine der beiden Abgasturbolader, z. B. 17, für den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine von Leerlauf bis VoIllast ausgelegt ist, wobei die Turbine 25 gegebenenfalls auch einen verstellbaren Leitapparat aufweisen kann. Der Abgasturbolader 18 wird während des Normalbetriebs niemals mit Abgas aus der Brennkraftmaschine beaufschlagt. Die Rückschlagklappe 41 ist daher während dieser Zeit ständig geschlossen. Die Umschalteinrichtung 28 braucht deshalb nur die Stellungen "a" und wcM aufzuweisen. Stellung wan ist bei Normalbetrieb und für Brennkammerzünden erforderlich, während Stellung wcN für den Beschleunigungsvorgang eingeschaltet ist. Dabei wird dann auch der Abgasturbolader 18 mit Abgas aus der Hilfsbrennkammer 31 beaufschlagt.
In Pig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich aus der Kombination der beiden zuletzt beschriebenen Beispiele ergibt. Dabei sind die in Pig. 1 benutzten Bezugsziffern für Teile mit gleicher Punktion unverändert übernommen worden.
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Pur den Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ohne Hilfsbrennkammerunterstützung sind die Abgasturbolader 171, 181 so bemessen, daß die Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine je nach Teillast-Bereich durch einen oder durch beide Abgasturbolader gemeinsam bei optimalen Betriebsbedingungen erfolgt. Die Umschalteinrichtung 281 befindet sich dann entweder in Stellung HaM für den unteren Teillast-Bereich entsprechend einem "Ein-Lader-Betrieb" oder in Stellung "b" für den oberen Teil- bis Vollast-Bereich der Brennkraftmaschine entsprechend einem "Zwei-Lader-Betrieb" .
Bei einem Beschleunigungsvorgang der Brennkraftmaschine aus dem Leerlauf heraus oder bei kleiner Teillast ist der Betriebsablauf genau so wie für fig. 1 vorstehend bereits beschrieben. Das gemeinsame Abgasschluckvermögen bzw. die gemeinsame Luftförderung der beiden Abgasturbolader 171 und 181 ist auf Grund der Optimierung allein auf den Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ausgelegt und daher für die bei einem Beschleunigungsvorgang mit Hilfsbrennkammerunterstützung vorkommenden Abgas- bzw. Luft-Massenströme zu gering.
Zur Anpassung an die Erfordernisse beim Beschleunigungsvorgang ist deshalb ein weiterer, aus Abgasturbine 47 und Verdichter 48 bestehender Abgasturbolader 46 angeordnet, dem nur bei gezündeter Hilfsbrennkammer 31 Abgas über Leitung 53 zugeführt wird. Die von Verdichter 48 geförderte Luft gelangt über die Leitung 51, in der die auf Null-Durchgang verstellbare Regeleinrichtung 52 angeordnet ist, in die zur Hilfsbrennkammer 31 führende Leitung 32. In der
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-/te.
Saugleitung 50 von Verdichter 48 ist wie bei Verdichter 181 eine Rückschlagklappe 49 angeordnet. Bei geöffneten Regeleinrichtungen 34 bzw. 35 und 52 und gezündeter, aber nur mit geringer Leistung betriebener Hilfsbrennkammer 31, so daß Abgasturbolader 46 noch nicht in der Lage ist, gegen den herrschenden Ladeluftdruck zu fördern, verhindert die Rückschlagklappe 49 einen Druckabfall im Ladeluftsystem der Brennkraftmaschine.
Mit Abgasturbolader 46 entspricht der mit den drei Abgasturboladern gemäß Fig. 2 insgesamt verarbeitbare Massendurchsatz etwa dem Beispiel nach Fig. 1. Da für die Abgasturbolader 171 und 181 keine aufwendigen verstellbaren Leitapparate benötigt werden und der Abgasturbolader 46 gleich groß oder kleiner als die beiden anderen sein kann, ergibt sich eine vom Bauaufwand her gesehene besonders wirtschaftliche Lösung.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Zusammenfassung der Abgasleitungen 15, 16 in der Leitung 36 vor der Umschalteinrichtung 28 bzw. 281 ist nicht die einzig mögliehe Anordnung. Die Abgasleitungen 15 und 16 können auch getrennt bis zur Umschalteinrichtung 28 bzw. 281 geführt werden und sich bei Stellung "a" und ncM erst Innerhalb der Umsehalteinrichtung 28 bzw. 281 vereinigen, um gemeinsam Leitung 39 bzw. Leitung 29 zu speisen. Dadurch entfällt dann in Stellung "b" die Zusammenführung der Leitungspfade für das Brennkraftmaschinenabgas, wenn jede Zylinderreihe 11, 12 auf einen der Abgasturbolader 17, 18 bzw. 171, 181 arbeitet.
In den Beispielen ist die Umschalteinrichtung 28 wegen der besseren Übersichtlichkeit als geschlossene Einheit dargestellt. Es ist jedoch ebenso gut möglich, für die
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von der TJmschalteinrichtung 28 beherrschten Leitungen jeweils einzelne Umschalteinrichtungen zu verwenden.
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Claims (4)

  1. 30A6876
    MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
    I1RIEDRICHSHAi1EN GMBH
    Fri e dri chshaf en
    Patentansprüche
    Brennkraftmaschine mit Aufladung durch Abgasturbolader und mit einer Hilfsbrennkammer, deren Abgas zeitweise der Turbine eines Abgasturboladers zur Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens der Brennkraftmaschine zugeführt und die Verbrennungsluft für die Hilfsbrennkammer dem vom Abgasturbolader erzeugten ladeluftstrom entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei parallel arbeitende Abgasturbolader (17, 18 bzw. 171, 181) angeordnet sind, daß im Beschleunigungsfall die Abgase der Brennkraftmaschine die Turbinen (25, 26 bzw. 251, 261) der Abgasturbolader (17, 18 bzw. 171, 181) umgehen, und daß die Abgase der Hilfsbrennkammer (31) allein den Antrieb aller Abgasturbolader bewirken.
  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinen (25, 26) der Abgasturbolader (17, 18) zusammen für den Abgasmassenstrom der Hilfsbrennkammer (31) ausgelegt sind, und die Turbinen (25, 26) der Abgasturbolader (17, 18) je einen an sich bekannten verstellbaren Leitapparat (44, 45) aufweisen.
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  3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß neben dem oder den Abgasturboladern (17, 18 bzw. 171, 181) für den Normalbetrieb der Brennkraftmaschine mindestens ein weiterer Abgasturbolader (46) vorhanden ist, dem beim Beschleunigen der Brennkraftmaschine ebenfalls Abgase aus der Hilfsbrennkammer (31) zugeführt werden.
  4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des ladeluftstromes zwischen Hilfsbrennkammer (31) und Brennkraftmaschine durch mindestens ein einstellbares Drosselorgan (34) erfolgt.
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