DE3100732A1

DE3100732A1 - "brennkraftmaschine mit abgasturbolader"

Info

Publication number: DE3100732A1
Application number: DE19813100732
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. 7990 Friedrichshafen Dinger
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1981-01-13
Filing date: 1981-01-13
Publication date: 1982-07-29
Also published as: FR2497873A1; IT8149684A0; FR2497873B1; IT1142986B; DE3100732C2; GB2090913B; US4453381A; GB2090913A

Description

MTIJ MOTOREN- UND TURBTNEN-UNT ON
FKIEDRICHSHAPEN GMBH

Friedrichshafen

Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit durch Abgasturbinen angetriebenen Ladeluft-Verdichtern, in deren Luftleitungen selbsttätige Ventile angeordnet sind, die einen Luftstrom nur vom Verdichter in Richtung zur Brennkraftmaschine zulassen, mit mindestens einem, von einem Hilfsantrieb angetriebenen, zusätzlichen Verdichter, der bei mangelnder Abgasenergie die Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft übernimmt.

Eine solche Brennkraftmaschine ist aus der DE-AS 11 02 479 bekannt. Mit Hilfe eines elektrisch angetriebenen Zusatzladers kann beim Anfahren und Beschleunigen der Brennkraftmaschine oder bei plötzlich auftretender, starker Belastung, also immer dann, wenn die Abgasturbolader wegen fehlendem Abgasanfall nicht oder nicht ausreichend betrj eben werden können, der erforderliche Druck und die notwendige Menge der Ladeluft erzeugt werden. Die selbsttätigen Ventile in den Luftleitungen der Abgasturbolader verhindern dabei ein Entweichen der vom Zusatzlader geförderten Ladeluft.

Nachteilig hierbei ist, daß das Zusatzgebläse, das eine etwa den Abgasturbinen entsprechende Aufnahmeleistung aufweisen muß, auch einen hierfür ausgelegten Antriebsmotor und eine diesen Antriebsmotor speisende Energiequelle benötigt. Dies bedingt neben hohen Anschaffungskosten einen großen Platzbedarf und hohe zusätzliche Gewichte. Auch muß das Zusatzgebläse im Bedarfsfall zunächst wenigstens annähernd auf seine Nenndrehzahl gebracht werden, bevor es den notwendigen Ladeluftdruck und die notwendige Ladeluftmenge liefern kann.

09.01.81

gm-kj 0 0 7 2

Die hierfür erforderliche Zeit verlängert wiederum die Beschleunigungszeit der Brennkraftmaschine.

Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile der bekannten Lösung zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Zusatzverdichter, wie an sich bekannt, mit einer zusätzlichen Schwungmasse fest verbunden ist, vom Hilfsantrieb während der Betriebszeit der Brennkraftmaschine dauernd angetrieben wird, zur Reduzierung seiner Antriebsleistung luftseitig absperrbar ist und im Bedarfsfall durch öffnen der luftseitigen Absperreinrichtungen zur Luftlieferung an die Brennkraftmaschine herangezogen wird.

Durch diese Maßnahmen wird der Brennkraftmaschine bei Betrieb mit zu geringer Abgasenergie und damit mangelhaftem Ladeluftangebot der Abgasturbolader zusätzlich Ladeluft zur Verfügung gestellt, deren Druck und Menge in erster Linie von der in der umlaufenden Schwungmasse gespeicherten Energie und erst in zweiter Linie von der Größe der Leistung des Hilfsantriebes abhängt.

Die Zusatzaufladung setzt sofort mit dem Öffnen der Luftabsperreinrichtungen voll ein. Zur An- und Abschaltung der Zusatzaufladung sind keine komplizierten, teuren und störanfälligen Maschinen- und Steuerungselemente notwendig. Die Leistung für den Hilfsantrieb kann klein gehalten werden, weil zwischen den einzelnen Bedarfsfällen genügend Zeit zum erneuten Beschleunigen der Schwungmasse zur Verfügung steht.

Damit halten sich auch Aufwendung und Größenordnung für den Antriebsmotor des Hilfsantriebes, für seine Energiequelle und gegebenenfalls für seinen Energiespeicher in vertretbaren Grenzen. Auf Grund der hohen Drehzahlen, für die Verdichter in der Regel ausgelegt sind, ist eine kleine Schwungmasse ausreichend, um die erforderliche Energie zu speichern. Diese Schwungmasse kann z. B. in einfacher Weise durch Erhöhen der Dicke der Laufradscheibe des Verdichters dargestellt werden.

09.01.81

gm-kj 8 0 7 2

Zur Vermeidung von Druckverlusten beim Hindurchleiten der Zusatzladeluft durch die Verdichterschaufelräder der Abgasturbolader ist es zweckmäßig, wenn die vom Zusatzverdichter gelieferte Ladeluft auf der Druckseite der Abgasturbolader in die Ladeluftleitung eingespeist wird.

Beim Auftreten von instabilen Verhältnissen (Pumpbetrieb der Verdichter) kann es jedoch erforderlich sein, daß die vom Zusatzverdichter gelieferte Ladeluft in die Saugleitung der Abgasturbolader eingespeist wird.

Aus der DE-PS 837 940 ist ein vom Motor über einen Freilauf angetriebener Verdichter mit einer zusätzlichen Schwungmasse bekannt. Dadurch wird bei absinkender Motordrehzahl der Verdichter vom Motor abgekuppelt und von der Schwungmasse angetrieben. Dem Motor wird dabei relativ mehr Luft zugeführt. Weder bei einem Startvorgang noch bei einem Beschleunigungsvorgang nach einer Leerlaufperiode können dadurch jedoch die Ladeluftverhältnisse verbessert werden. Zudem treten die bei Abgasturboladern beobachteten Schwierigkeiten bei einem motorangetriebenen Verdichter nicht auf. Dafür müssen jedoch andere Schwierigkeiten (z. B. Ladeluftüberschuß bei hohen Drehzahlen und geringer Leistung der Brennkraftmaschine mit entsprechender Leistungsaufnahme des Verdichters) in Kauf genommen werden. Außerdem ist die Anwendung eines Freilaufes bei den hohen Verdichterdrehzahlen nicht problemlos.

Es ist außerdem aus der DE-OS 28 40 375 und aus der DE-OS 29 12 950 bekannt, ein Schwungrad, daß mit Hilfe eines Fremdantriebes auf die erforderliche Drehzahl gebracht und gehalten wird, über einen Freilauf bzw. mit Hilfe einer Kupplung bei Bedarf an den Abgasturbolader anzukuppeln. Auf Grund der außerordentlich hohen Drehzahlen ist die sichere und problemlose Funktion dieser Elemente jedoch nicht gewährleistet. Die Lagerung der Abgasturbolader, die wegen der hohen Drehzahlen und Wärmedehnungen mit großem Spiel ausgeführt und deshalb durch den Schmieröldruck ge-

09.01.81

gm-kj 8 0 7 2

dämpft werden muß, reagiert auf eine Änderung der Lagerkräfte, wie sie mit einem Ankuppelvorgang verbunden sind, sehr empfindlich, so daß auch aus diesem Grund mit Störungen zu rechnen sein wird.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1: die schematische Anordnung eines Zusatzverdichters mit Einspeisung der Zusatzladeluft auf der

Druckseite des Abgasturboladers in die Ladeluftleitung;

Fig. 2: die gleiche Anordnung mit Einspeisung der Zusatzladeluft in die Saugleitung des Abgasturboladers.

Die Zeichnungen zeigen eine Brennkraftmaschine 11 mit einem Abgasturbolader 12, dessen Turbine 13 über eine Abgasleitung 14 mit der Brennkraftmaschine verbunden iat. Ein Verdichter 15 saugt Ladeluft über eine Saugleitung 16 an und fördert sie in eine Ladeluftsammelleitung 17 der Brennkraftmaschine. Ein selbsttätiges Ventil 18 in der Saugleitung 16 des Verdichters 15 läßt einen Luftstrom nur vom Verdichter 15 zur Brennkraftmaschine 11 zu.

Ein Zueatzverdichter 21 ist mit einer zusätzlichen Schwungmasse 22 fest verbunden und wird von einem Hilfsantrieb angetrieben. Dieser Hilfsantrieb 23 kann z. B. ein Elektro-, Druckluft- oder Hydromotor sein, dessen Leistung über einen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generator, Kompressor bzw. eine Hydropumpe, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Speichers (Batterie, Druckluftbehälter bzw. Hydrospeieher) geliefert wird. Der Zusatzverdichter 21 ist durch steuerbare Ventile 24 luftseitig absperrbar.

09.01.81

gm-kj 8 0 7?

In Ji'ig. 1 kann der Zusatzverdichter mit der Ladeluftsammelleitung 17 der Brennkraftmaschine verbunden werden, in Fig. 2 wird die vom Zusatzverdichter gelieferte Ladeluft nach Öffnen der Ventile 24 in die Saugleitung 16 des Abgasturboladers eingespeist.

Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine sind die Ventile geschlossen. Die Leistungsaufnahme des Zusatzverdichters ist dadurch stark reduziert und der Hilfsantrieb 23 ist in der Lage, den Zusatzverdichter 21 mit der zusätzlichen Schwungmasse 22 bis zu einer zulässigen Drehzahl zu beschleunigen und diese Drehzahl beizubehalten. Die Aufladung der Brennkraftmaschine 11 erfolgt in bekannter Weise durch den Abgasturbolader 12.

Ist dies wegen fehlendem Abgas z. B. bei einem Besohleunigungsvorgang oder bei einer plötzlich auftretenden Belastung der Brennkraftmaschine nicht mehr möglich bzw. nicht mehr in ausreichendem Maße möglich, so wird der Zusatzverdichter durch Öffnen der Ventile 24 in einfacher Weise zugeschaltet. Der Zuschaltvorgang kann z. B. in Abhängigkeit von Ladeluftdruck, Drehzahl und Füllungsmenge gesteuert werden.

Der Zusatzverdichter liefert jetzt vorübergehend die notwendige Ladeluft für die Brennkraftmaschine bzw. ergänzt die Ladeluft der Abgasturbolader. Seine hierzu notwendige Leistung entnimmt er der in seinem Schwungrad gespeicherten Energie und der Antriebsleistung des Zusatzantriebes.

Die Brennkraftmaschine kann mit Hilfe der Zusatzluft mehr Brennstoff verbrennen und in kürzester Zeit ihre Drehzahl und Le.iHtun.tf erhöhen, bis die dadurch erzeugte Abgasmenge für die Bereitstellung der Ladeluft über die Abgasturbolader wieder ausreicht. Nun wird der Zusatzantrieb durch Absperren seiner Luftleitungen wieder abgeschaltet. Seine durch die Energieentnahme verringerte Drehzahl wird danach durch den Zusatzantrieb wieder erhöht.

09.01.81

gm-kj 8 0 7 2

Die Auslegung von Schwungradmasse, Zusatzantrieb und Zusatzverdichter hat so zu erfolgen, daß die zur Verfügung stehende Zeit "bis zum nächsten Beschleunigungs- bzw. Belastungsfall ausreicht, um den Verdichter samt der Schwungmasse auf die erforderliche Nenndrehzahl zu beschleunigen.

09.01.81

gm-kj 8 0 7 2

Leerseite

Claims

MTU MOTOREN- UND TURBiNEN-UNION * "
FRIEDRICHSHAFEN GMBH

Friedrichshafen

Patentansprüche

Brennkraftmaschine mit durch Abgasturbinen angetriebenen Ladeluft-Verdichtern, in deren Luftleitungen selbsttätige Ventile angeordnet sind, die einen Luftstrom nur vom Verdichter in Richtung zur Brennkraftmaschine zulassen, mit mindestens einem, von einem Hilfsantrieb angetriebenen, zusätzlichen Verdichter, der bei mangelnder Abgasenergie die Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft übernimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzverdichter (21), wie an sich bekannt, mit einer zusätzlichen Schwungmasse (22) fest verbunden ist, vom Hilfsantrieb (23) während der Betriebszeit der Brennkraftmaschine (11) dauernd angetrieben wird, zur Reduzierung seiner Antriebsleistung luftseitig absperrbar ist und im Bedarfsfall durch Öffnen der luftseitigen Absperreinrichtungen (24) zur Luftlieferung an die Brennkraftmaschine (11) herangezogen wird.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Zusatzverdichter (21) gelieferte Ladeluft auf der Druckseite der Abgasturbolader (12) in die Ladeluftleitung eingespeist wird.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Zusatzverdichter (21) gelieferte Ladeluft in die Saugleitung (16) der Abgasturbolader (12) eingespeist wird.

09.01.81

gm-kj 8 0 7 2