DE3100732C2

DE3100732C2 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Info

Publication number: DE3100732C2
Application number: DE3100732A
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: 1983-08-18
Also published as: GB2090913A; IT1142986B; GB2090913B; US4453381A; FR2497873A1; DE3100732A1; FR2497873B1; IT8149684A0

Abstract

Bei Brennkraftmaschinen (11) mit Abgasturboladern (12) gibt es Betriebszustände, bei denen die Abgasturbolader wegen geringem Abgasanfall nicht genug Ladeluft für die Brennkraftmaschine liefern können. Zur Abhilfe wird ein Zusatzverdichter (21) mit einer Schwungmasse (22) vorgeschlagen, der von einem Hilfsantrieb (23) dauernd angetrieben und dessen Leistungsaufnahme durch Absperren seiner Luftleitung beträchtlich verringert werden kann. Bei mangelnder Ladeluft wird dieser Zusatzverdichter (21) in einfacher Weise durch Öffnen seiner luftseitigen Absperreinrichtung (24) zur Luftversorgung der Brennkraftmaschine (11) herangezogen. Seine hierzu notwendige Leistung entnimmt er hauptsächlich der in der umlaufenden Schwungmasse (22) gespeicherten Energie sowie der Leistung des Zusatzantriebes (23).

Description

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

Eine solche Brennkraftmaschine ist aus der DE-AS 11 02 479 bekannt. Mit Hilfe eines elektrisch angetriebenen Zusatzladers kann beim Anfafc sn und Beschleunigen der Brennkraftmaschine oder bei plötzlich auftretender starker Belastung, also immer dann, wenn die Abgasturbolader wegen fehlendem Abgasanfall nicht oder nicht ausreichend betrieben 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 geförderter 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 notwenige Ladeluftmenge liefern kann.

Die hierfür erforderliche Zeit verlängert wiederum die Beschleunigungszeit der Brennkraftmaschine.

Aus der CH-PS 4 31 194 ist ein Aufladeverfahren für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Luftleitung eines Zusatzverdichters, solange dieser nicht zur Lieferung von Ladeluft erforderlich ist, saug- und druckseitig durch steuerbare Ventile abgesperrt ist. Dieser Zusatzverdichter wird von derselben Abgasturbine angetrieben wie der Hauptverdichter. Mit dem Absperren des Zusatzvcrdichters wird bei geringem Anfall von Abgasenergie der Wirkungsgrad der Energieumwandlung erhöht, weil der verbleibende Hatiptverdichter besser in der Lage ist, die verringerte Antriebsenergie in Ladeluft umzusetzen als beide Verdichter zusammen.

Damit kann ein stationärer Betrieb der Brennkraftmaschine mit Teillast zwar verbessert werden, jedoch auch nur in geringem Umfang, weil die Turbine dabei weiterhin in einem ungünstigen Bereich ihres Kennfeldes arbeitet. Zur Verbesserung eines Beschleunigungsvorganges oder des Verhaltens der Brennkraftmaschine bei plötzlich auftretender starker Belastung, wenn das Abgasangebot dem vorausgehenden Betriebszustand entspricht und deshalb zu wenig Ladeluft für die Verbrennung des zusätzlich notwendigen Kraftstoffes zur Verfügung steht, ist dieses Verfahren jedoch nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei abgasaufgeladenen Brennkraftmaschinen den beim Beschleunigen oder bei plötzlicher Belastung auftretenden Ladeiuftmangel weitgehend auszugleichen. Dabei soll die benötigte Zusatzladeluft bei Bedarf sofort zur Verfügung stehen. Die Aufwendungen für Anschaffungskosten, Gewicht und Platzbedarf sollen gegenüber der aus der DE-AS 11 02 479 bekannten Lösung wesentlich verringert werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Zusatzverdichter mit einer zusätzlichen Schwungmasse fest verbunden ist und vom Hilfsantrieb während der Betriebszeit der Brennkraftmaschine dauernd angetrieben ist und daß die Luftleitung des Zusatzverdichters, solange dieser nicht zur Lieferung von Ladeluft erforderlich ist, saug- und druckseitig durch steuerbare Ventile absperrbar ist.

Durch diese Maßnahmen kann der Brennkraftmaschine bei allen Betriebszuständen, bei denen die anfallende Abgasenergie und damit die vom Abgasturbolader gelieferte Ladeluft zu gering ist, zusätzlich Ladeluft zur Verfügung gestellt werden. Druck und Menge der Zusatzladeluft hängen hauptsächlich von der in der umlaufenden Schwungmasse gespeicherten Energie ab. Die Leistung des Hilfsantriebes wird bestimmt von der Zeit, die zwischen den einzelnen Bedarfsfällen zur erneuten Beschleunigung der Schwungmasse zur Verfügung steht. Da die Bedarfsfälle in der Regel zeitlich weit auseinanderliegen und weil durch die Absperrung der Luftleitungen vom Zusatzverdichter nur eine kleine Leistung aufgenommen wird, kann die Leistung für den Hilfsantrieb klein bemessen werden, was geringe Anschaffungskosten, Gewichte und Platzbedarf für den Antriebsmotor, für seine Energiequelle und gegebenenfalls für seinen Energiespeicher bedeutet.

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.

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.

Aus der DE-PS 8 37 940 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 Leerlaufpcriode können dadurch jedoch die

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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 Verdichterdiebzahlen nicht problemlos.

Es ist außerdem, aus der DE-OS 28 40 375 und aus der DE-OS 29 12 950 bekannt, ein Schwungrad, das 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 de/ hohen Drehzahlen und Wärmedehnungen mit großem Spiel ausgeführt und deshalb durch den Schmieröldruck gedämpft werden muß, reagiert auf eine Änderung der Lagerkräfte, wie sie mit einem Ankuppelvorgang verbunden sind, sehr empfirdlich, co 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 zeigt

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 ist. 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 Zusatzverdichter 21 ist mit einer zusätzlichen Schwungmasse 22 fest verbunden und wird von einem Hilfsantrieb 23 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. Hydrospeicher) geliefert wird. Der Zusatzverdichter 21 ist durch steuerbare Ventile 24 luftseitig absperrbar.

In F i g. 1 kann der Zusatzverdichter mit der Ladeluftsammeüeitung 17 der Brennkraftmaschine verbunden werden, in F i g. 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 24 geschlossen. Die Leistungsaufnahme des Zusalzverdichters 21 ist dadurch stark reduziert unö 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 Beschleiinigungsvorgang oder bei einer plötzlich auftretenden Belastung der Brennkraftmaschine nicht mehr möglich bzw. nicht mehr in au!„.-ichendem Maße möglich, so wird der Zusatzverdichter 21 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 Leistung erhöhen, bis die dadurch erzeugte Abgasmenge für die Bereitstellung der Ladeluft über die Abgasturbolader wieder ausreicht. Nun wird der Zusatzverdichter durch Absperren seiner Luftleitungen wieder abgeschaltet. Seine durch die Energieentnahme verringerte Drehzahl wird danach durch den Zusatzantrieb wieder erhöht.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Brennkraftmaschine mit durch Abgasturbinen angetriebenen Ladeluft-Verdichtern, in deren Luftleitungen selbsttätige Ventile angeordnet sind, die ί einen Luftstrom nur vom Verdichter in Richtung zur Brennkraftmaschine zulassen, mit mindestens einem von einem Hilfsantrieb angetriebenen Zusatzverdichter, der bei mangelnder Abgasenergie zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft n> einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzverdichter (21) mit einer zusätzlichen Schwungmasse (22) fest verbunden ist und vom Hilfsantrieb (23) während der Betriebszeit der Brennkraftmaschine (11) dauernd angetrieben ist i> und daß die Luftleitung des Zusatzverdichters (21), solange dieser nicht zur Lieferung von Ladeluft erforderlich ist, saug- und druckseitig durch steuerbare Ventile (24) absperrbar ist.

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