DE3224006A1

DE3224006A1 - Turboaufladegruppe fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3224006A1
Application number: DE19823224006
Authority: DE
Inventors: Helmut 7920 Heidenheim Müller
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1982-06-26
Filing date: 1982-06-26
Publication date: 1983-12-29

Description

G 3921 J.M. Voith GmbH

Kennwort: "Turbolader-Kupplung" Heidenheim

Turboaufladegruppe für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Turboaufladegruppe zur Hochaufladung von Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mit Hilfe der Aufladung wird erreicht, daß die Arbeitszylinder von Brennkraftmaschinen mit mehr Luft gefüllt werden, so daß pro Arbeitsspiel mehr Kraftstoff verarbeitet werden kann. Eine solchermaßen ausgerüstete Brennkraftmaschine kann dadurch bei gleichen Hauptabmessungen gegenüber einer Maschine mit atmosphärischer Ansaugung der Verbrennungsluft eine höhere Leistung entwickeln. Die dem Arbeits-Zylinder der Brennkraftmaschine zugeführte Ladeluft wird z.B. von einem Kreisel- oder Rootsgebläse verdichtet, oder, besonders bei Zweitakt-Motoren, von einer von der Unterseite des Arbeitskolbens gebildeten Spülpumpe. Die zur Verdichtung der Ladeluft erforderliche Leistung wird dabei der an der Kurbelwelle zur Verfügung stehenden Leistung entnommen.

Außer diesen mechanischen Ladeeinrichtungen sind sogenannte

Abgasturbolader bekannt, die aus einer von den Auspuffgasen des Motors beaufschlagten Gasturbine und direkt gekoppeltem Kreiselverdichter bestehen. Diese Turbolader verarbeiten die im Abgas als Wärme anfallende Energie.

Zwischen der Kurbelwelle und dem Turbolader besteht keinerlei mechanische Verbindung; man spricht dann von einem freifahrenden Abgasturbolader. Die Förderung von Ladeluft zum Motor ist dabei nur abhängig von der jeweils von der Abgasturbine entwickelten Leistung.

Es hat sich gezeigt, daß dieser im Prinzip sehr einfachen Anordnung betriebliche Mangel anhaften. Wird nämlich dem Motor mit Aufladung, der beispielsweise momentan mit Teillast läuft, mehr Kraftstoff zugeführt, so führt dies erst nach einigen Arbeitstakten zu mehr Abgas, das die Abgasladeturbine in mechanische Leistung umsetzen kann. Der Verdichter kann dadurch auch erst mit erheblicher Verzögerung die für die erhöhte Kraftstoffmenge erforderliche Verbrennungsluft fördern bei erhöhter Laderdrehzahl. Ein mit solcher Aufladung versehener Motor reagiert träger auf Laständerungen als ein reiner Saugmotor.

Durch die Abhängigkeit der Ladeluftzufuhr zu den Zylindern vom Abgas-Anfall aus den Zylindern tritt ein weiteres Problem auf. Der Motor gibt zwar im Bereich seiner Nenndrehzahl eine hohe Leistung ab, die aber bei Drehzahldrückung stark absinkt. Bei Fahrzeugantrieben aber ist es erwünscht, daß der Motor auch bei gedruckter Drehzahl ein hohes Drehmoment abgibt, beispielsweise bis in den Bereich der halben Nenndrehzahl. Wird für den Motor wirtschaftlicher Betrieb bei Teillast angestrebt, so ist vorteilhaft, die Abgasturbine und den Verdichter groß zu dimensionieren. Dabei aber entsteht kein optimaler Betrieb bei Vollast. Wird der Lader vorzugsweise auf optimalen Vollastbetrieb ausgelegt, so führen die erforderlichen großen

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Leitungsquerschnitte zu kleinem Ladeluftdruck bei Teillast. Ein Motor mit freifahrendem Turbolader neigt daher bei tiefen Drehzahlen in der Regel infolge Luftmangels zu unvollständiger Verbrennung und ungenügender Drehmomententwicklung. Wäre bei halber Nenndrehzahl genügend Luft zur Verfügung, dann müßte Überschußabgas bei Volldrehzahl ungenutzt in die Atmosphäre gehen. Die ohnehin schon heißen Teile der gesamten Abgasführung erwärmen sich dann noch mehr, wodurch in einem Fahrzeug die •benachbarten Teile einer hohen Wärmebelastung ausgesetzt sind. Bei Bussen, insbesondere in der heißen Jahreszeit, ist dies besonders nachteilig. Der Einbau besonderer Isolier- oder Kühleinrichtungen ist aber kosten- und platzaufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turboaufladegruppe zu schaffen, die in der Lage ist, in jedem Betriebszustand das vom Motor entwickelte Abgas zu verarbeiten und genügend Ladeluft zu fördern, dabei auch dem Motor bei tiefen Drehzahlen ein höheres Drehmoment zu verleihen und den Wärmehaushalt zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß zwischen der Motor-Kurbelwelle und der Laderwelle eine Vorrichtung zur Übertragung von Leistung angeordnet ist, wobei auf einer hochtourigen Welle dieser leistungsübertragenden Vorrichtung eine hydrodynamische Kupplung zur Drehmomentübertragung zwischengeschaltet ist. Dadurch wird folgendes erreicht:

Wird der Motor bei gedruckter Drehzahl betrieben, wie es bei Fahrzeugen mit Mehrgang-Schaltgetrieben in weiten Betriebsbereichen der Fall ist, so kann bei eingeschalteter, d.h. mit Flüssigkeit gefüllter hydrodynamischer Kupplung von der Kurbelwelle aus zusätzliche Leistung in den Abgasturbolader eingeleitet werden. Der Verdichter erhält somit eine so hohe Drehzahl von der Kurbelwelle her, daß eine größere

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Ladeluftmenge gefördert wird. Die Abgasturbine ist in diesem Betriebszustand bei niedriger Motordrehzahl alleine dazu nicht in der Lage, vor allem wenn der Motor in größerer geodätischer Höhe eingesetzt wird. Durch das erhöhte Ladeluftgewicht infolge des von der Kurbelwelle aus unterstützten Verdichterantriebes kann entsprechend mehr Kraftstoff verarbeitet werden, wodurch der Motor bei tiefen Drehzahlen ein höheres Drehmoment entwickelt.

Erhöht sich nunmehr die Motordrehzahl, so kommt der Abgasturbolader zunehmend ohne die Leistungsunterstützung von der Kurbelwelle her aus. Vielmehr kann im Bereich der Nennleistung an der Abgasturbine ein Leistungsüberschuß

entstehen, den der Verdichter nicht mehr verarbeiten kann, vor allem wenn die Abgasturbine groß dimensioniert ist. In diesem Fall kann diese Überschußleistung über die hydrodynamische Kupplung und die leistungsübertragende Vorrichtung wieder der Kurbelwelle zugeführt werden. Zwischen der Kurbelwelle und der Laderwelle findet also ein Leistungsfluß in beiden Richtungen statt, je nach Betriebszustand des Motors bzw. des Laders. Der Motor erfährt dadurch die günstigsten Voraussetzungen für die Entwicklung eines optimalen Beschleunigungsvermögens und besserer Nutzung der Abgasenergie, verbunden mit reduzierter Wärmeabgabe an die Umgebung.

Es sind schon Lösungen bekannt, eine aufgeladene Brennkraftmaschine dahingehend zu verbessern, daß bei reduzierter Motordrehzahl der Lader, d.h. der Verdichter eine höhere Drehzahl erfährt. In der DE-CS 28 08 147 ist ein Abgasturbolader offenbart, auf dessen Laderwelle ein Elektromotor angeordnet ist, der auch als Generator zur Rückgewinnung von Abgasenergie verwendet werden kann. Diese Erfindung bedient sich jedoch anderer Mittel, insbesondere nicht der leistungsübertragenden Vorrichtung zwischen Laderwelle und Kurbelwelle. In dem DE-GM 80 23 061 wird ein

Abgasturbolader gezeigt, der außer der Abgasturbine eine weitere Turbine aufweist. Durch Premdeinspeisung eines Gases, unabhängig von den Motorabgasen, wird mit Hilfe der Zusatzturbine der Verdichter bei Bedarf auf eine höhere Drehzahl gebracht, bei der dem Motor die erforderliche Ladeluft zur Verfugung steht. Das Gas für die Fremdeinspeisung stammt entweder aus einer Gaspatrone oder einem Reservoir, das mittels eines Kompressors nachgefüllt wird. Eine Rückführung von Energie aus dem Lader ist nicht möglich.

Auch die EP-OS 0 022 678 zeigt einen Abgasturbolader, der mit einer Zusatzturbine ausgerüstet ist zur Speisung mit einem Strömungsmedium, gefördert durch eine von der Kurbelwelle angetriebenen Pumpe. Eine Weiterbildung dieser Lösung ist in der EP-OS 0 040 910 offenbart. Dort ist außer einer hydraulisch angetriebenen Zusatzturbine auf der Laderwelle noch eine Brennkammer vorgesehen, in der zusätzlich Abgas zum Hilfs-Antrieb der eigentlichen Abgasturbine erzeugt werden kann, solange die Abgasmenge des Motors zur Entwicklung einer höheren Verdichterdrehzahl nicht ausreicht.

Bekannt ist aus der DE-PS 19 03 261 eine Anordnung, bestehend aus einem Abgasturbolader und einem von der Kurbelwelle aus angetriebenen separaten Verdichter. Bei dieser Lösung liegt eine zweistufige Verdichtung mit Zwischenkühlung der Ladeluft vor mit der Möglichkeit, bei Bedarf mit der zweiten Verdichterstufe einen höheren Ladeluftdruck zu erzeugen. Eine Rückführung von Leistung aus dem Turbolader zur Kurbelwelle ist jedoch auch bei dieser Anordnung nicht möglich.

In den Unteransprüchen sind Maßnahmen angegeben, die geeignet sind, den Aufladevorgang noch zu optimieren. Vorteilhaft ist die Ausbildung der leistungsübertragenden Vorrichtung zwischen der Kurbelwelle und der Laderwelle als Zahnradgetriebe. Der große Drehzahlunterschied zwischen Kurbelwelle und Laderwelle

wird vorteilhaft in mehreren Stufen als Zahnradgetriebe überbrückt. Die hydrodynamische Kupplung kann als Regelkupplung ausgebildet werden, um durch verschiedene Füllungsgrade die Leistung zum Verdichter einerseits und zur Kurbelwelle andererseits regeln zu können. Die hydrodynamische Kupplung dient gleichzeitig auch als Schaltkupplung zum völligen Trennen des Kraftflusses; außerdem dient sie der Drehmomentbegrenzung in beiden Kraftflußrichtungen. Sie ist außerdem in der Lage, die hochtourige Laderwelle von der vibrationsbehafteten Kurbelwelle im Betrieb schwingungsmäßig zu isolieren.

Um zu verhindern, daß bei hoher Motorleistung der Verdichter des Abgasturboladers zu viel Luft fördert, wird am Lufteintritt des Verdichters eine feste oder verstellbare Zustömdrossel angeordnet, die vorzugsweise als leistungssparende Dralldrossel ausgebildet ist. Dadurch kann die Aufnahmeleistung des Verdichters in einfacher Weise geregelt werden und somit auch die Leistung, die die Abgasturbine an die Kurbelwelle abgibt.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, daß das Abgas aus den Arbeitszylindern des Motors durch Beschleunigungsdüsen geleitet wird. Dadurch wird in bekannter Weise der aus dem Zylinder austretende Druckstoß in Geschwindigkeit umgewandelt. Diese kinetische Energie steht dann mit den bereits mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gasen in der Abgasleitung für die Gasturbine zur Verfugung. Es ist von Vorteil, das Abgasrohr kurz und mit kleinem Durchmesser zu wählen, um die kinetische Energie der von den einzelnen Zylindern nacheinander zugeführten Gasmengen zu bekommen. Die entlang der Beschleunigungsdüsen zunehmende Beschleunigung der Gase kann die Entstehung von Druckwellen weitgehend verhindern, welche ansonsten aus der potentiellen Energie des Stoßes am Austritt des Gases aus dem Zylinder entstehen, also· ohne Beteiligung des Kolbens.

Das Zusammenwirken einer durch Dralldrossel geregelten Luftzufuhr, Zwischenkühlung der Ladeluft, Beschleunigungsdüsen in den Abgasleitungen sowie Leistungszufuhr und -rückgewinnung zwischen Kurbelwelle und Laderwelle ergeben das angestrebte günstige Betriebsverhalten des Motors. Mit der Erfindung ist es nicht nur möglich, dem Motor eine Leistungssteigerung in bestimmten Betriebsbereichen zu verleihen, sondern diese durch mechanische Rückführung von Gasturbinenleistung zur Kurbelwelle noch zu steigern.

Eine Ausfuhrungsform der Erfindung ist in nachfolgender Figurenbeschreibung näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung und

Fig. 2 Beschleunigungsdüsen in der Abgasleitung in schematischer Darstellung.

In Figur 1 ist mit 1 eine Brennkraftmaschine gezeigt mit der Kurbelwelle 2 und dem Abgasturbolader 3. Dieser besteht im wesentlichen aus dem Verdichter 4 und der Abgasturbine 5, die auf der gemeinsamen Laderwelle 6 und im allgemeinen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Die vom Verdichter geförderte Ladeluft gelangt über die Luftleitung 7 zu einem Ladeluftkühler 8 und von dort zum Luftsammeirohr 9 vor den Arbeitszylindern 10 der Brennkraftmaschine 1. Das Abgas aus den Zylindern strömt über die Abgassammeirohre 11 zu der Abgasturbine 5 und von dort über die Auspuffleitung 12 ins Freie.

Zwischen der Kurbelwelle 2 und der Laderwelle 6 ist ein Zahnradgetriebe 13 angeordnet, das infolge des erheblichen Drehzahlunterschiedes mehrstufig ausgeführt sein kann. Anstelle des dargestellten Stirnradgetriebes kann beispielsweise auch ein Planetengetriebe verwendet werden. Auf einer hochtourigen

Welle 14 des Zahnradgetriebes 13 ist eine hydrodynamische Kupplung 15 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist diese Kupplung auf der Laderwelle dargestellt; sie kann auch auf einer Zwischenwelle des Zahnradgetriebes angeordnet sein. Vorteilhaft ist die Anordnung auf einer hochtourigen Welle, um die Kupplung kleiner dimensionieren zu können. Sie ragiert dadurch auch auf Füllungsgradänderungen rascher. Die Kupplung besteht in bekannter Weise aus einem Primärschaufelrad 16, das mit der hochtourigen Welle 14 des Zahnradgetriebes umläuft, und aus einem Sekundärschaufelrad 17, das mit der Laderwelle 6 umläuft. Zum Einstellen unterschiedlichen Füllungsgrades ist ein Regelglied, z.B. ein Schöpfrohr 18 vorgesehen, das in eine mit dem Primärschaufelrad 16 umlaufende Gehäuseschale 19 eintaucht und in bekannter Weise durch Radialverstellung den Füllungsgrad der Kupplung zwischen Totalentleerung und Vollfüllung bestimmt.

Am Lufteintritt zum Verdichter ist eine leistungssparende Dralldrossel 20 angeordnet, die bewegliche Verstellschaufeln 21 aufweist, welche über einen Verstellmechanismus 22 in ihrer Lage verstellt werden können. Dadurch wird der effektive Lufteintrittsquerschnitt verändert und somit auch das vor allem bei hoher Leistung des Motors nicht verarbeitbare Luftvolumen. Dadurch läßt sich auch die vom Verdichter aufgenommene Leistung regulieren. Es hat sich gezeigt, daß es vorteilhaft ist, soweit wie möglich von der Reguliermöglichkeit an der Dralldrossel 20 bei konstanter Drehzahl der Laderwelle Gebrauch zu machen, und erst nach Durchfahren des Regelbereiches der Dralldrossel die hydrodynamische Kupplung zum Regulieren zu verwenden. Letztere reguliert den Schlupf und damit die Drehzahl der Laderwelle. Bei sinkender Drehzahl der Laderwelle verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Verdichters rascher als bei Veränderung des Lufteintrittsquerschnittes mittels Dralldrossel.

Figur 2 zeigt eine bekannte Beschleunigungsdüse 25 am

Zylinderkopf des Arbeitszylinders 10. Das Abgas erfährt beim Durchströmen bis zum kleinsten Querschnitt 26 der Beschleunigungsdüse 25 eine Geschwindigkeitszunahme, die sich dem schon im Abgassammeirohr 11 zur Abgasturbine 5 hin strömenden Gas mitteilt. Der am Austritt des Gases am Zylinderkopf entstehende Druckstoß wird abgebaut und in Geschwindigkeit des Gases umgesetzt, die dann im Abgasturbolader 3 in mechanische Energie zurückgeführt und an die Kurbelwelle 2 über die hydrodynamische Kupplung 15 weitergeleitet wird.-

DK/GKü 23.06.82
0004k/0030k

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Claims

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G 3921 J.M. Voith GmbH

Kennwort: "Turbolader-Kupplung" Heidenheim

Patentansprüche

Turboaufladegruppe zur Hochaufladung von Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, die folgende Merkmale aufweist:

a) der aus Abgasturbine und Verdichter bestehende Abgasturbolader ist als Einwellen-Aggregat ausgebildet;

b) in der Ladeluftführung ist ein Zwischenkühler angeordnet

c) eine Vorrichtung ermöglicht die Übertragung von Leistung von der Motorkurbelwelle auf die Laderwelle

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

d) die Vorrichtung zur Leistungsübertragung zwischen Kurbelwelle und Laderwelle ist derart gestaltet, daß sie Leistung auch in umgekehrter Richtung übertragen kann

e) auf einer hochtourigen Welle (14) der leistungsübertragenden Vorrichtung zwischen Kurbelwelle und Laderwelle (13) ist eine hydrodynamische Kupplung (15) zur Drehmomentübertragung angeordnet.
2) Turboaufladegruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Leistungsübertragung zwischen der Kurbelwelle und der Laderwelle als Zahnradgetriebe ausgebildet ist.
3) Turboaufladegruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrodynamische Kupplung (15) durch veränderliche Füllungsgrade regelbar ist.

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4) Turboaufladegruppe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Luftzuführung zum Verdichter (4) des Abgasturboladers (3) eine Zuströmdrossel (20) angeordnet ist·
5) Turboaufladegruppe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgaszuleitung (11) zum Abgasturbolader (3) Beschleunigungsdüsen (25) angeordnet sind.
6) Turboaufladegruppe nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladegruppe aus einem mehrstufigen Verdichter und einer mehrstufigen Turbine in Einwellenausführung besteht.

DK/GKü 23.06.82
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