DE3317017A1

DE3317017A1 - Aufgeladener verbrennungsmotor, insbesondere dieselmotor

Info

Publication number: DE3317017A1
Application number: DE19833317017
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. 6148 Heppenheim Dietrich
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1983-05-10
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1984-11-15

Description

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DIPL.-ING. DR. MANFRED RAU DIPL-PHYS. DR. HERBERT SCHNECK ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

VNR 1Ο6984 Nürnberg, 09.05.1983

R/St

Motoren-Werke Mannheim Aktiengesellschaft vorm. Benz Abt. stationärer Motorenbau, Carl-Benz-Straße 5,

68oo Mannheim 1

Aufgeladener Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen aufgeladenen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei derartigen Motoren, und zwar insbesondere bei Nutzfahrzeug-Dieselmotoren, ist durch die Abgasturboaufladung bereits eine hohe Leistungskonzentration und ein relativ niedriger Kraftstoffverbrauch erreicht. In niedrigeren Drehzahlen, also in Drehzahlbereichen deutlich unterhalb der Nenndrehzahl fällt der Ladedruck der Turbolader aber stark ab mit der Folge, daß die Rußemission erhöht wird. Dem hat man schon dadurch zu begegnen versucht, daß an der Einspritzpumpe ein ladedruckabhängiger Vollastanschlag vorgesehen wurde, der bei niederer Motordrehzahl die Kraftstoffeinspritzung verringert; hierdurch wurde zwar die Rußemission reduziert, jedoch zu Lasten des Motordrehmoments.

Um zu starke Drehmomentabs'enkungen im niederen Drehzahlbereich zu vermeiden, sind schon eine Reihe von aufladetechnischen Maßnahmen vorgeschlagen worden.

Aus der Dissertation von H. Hiereth "Untersuchung über den Einsatz aufgeladener Ottomotoren zum Antrieb von Personenkraftwagen", TU München 1978, ist eine Registeraufladung bekannt geworden, bei der an einem V-Motor zwei Turbolader vorgesehen sind, von denen je einer auf die zugehörige Zylinderreihe arbeitet, soweit die Motordrehzahl zwischen der des höchsten Drehmoments und der Nenndrehzahl liegt. Bei Unterschreitung dieses Drehzahlbereiches wird mittels eines Klappensystems ein Turbolader abgeschaltet und der gesamte Abgasstrom beider Zylinderreihen auf nur einen Turbolader geleitet, der dann auch beide Zylinderreihen mit Ladeluft beschickt. Diese bekannte Aufladung erfordert einen hohen Bauaufwand, der nur für V-Motoren mit höheren Leistungen gerechtfertigt ist. Damit beim Übergang vom Betrieb mit zwei Turboladern auf einen Turbolader und umgekehrt eine stetige Drehmomentcharkateristik erhalten bleibt, bedarf es einer aufwendigen Abstimmung des Gesamtsystems.

Aus der Veröffentlichung von F.J. Wallace et al. "Variable Geometry Turbocharging",SAE-Paper 81o336, 1981, ist es bekannt, den Aufwand der Registeraufladung dadurch zu vermeiden, daß eine zweiflutige Abgasturbine eingesetzt wird. Bei Unterschreitung einer bestimmten Motordrehzahl wird der Abgasstrom, z. B. mittels einer Dosierklappe, auf nur noch einen der beiden Turbinenstränge geleitet. Wegen der hohen Abgastemperaturen ist eine betriebssichere Betätigung der Dosierklappe nur schwer zu gewährleisten.

Aus einer Veröffentlichung von N. Zloch, "Abgasturbolader für geregelte Ladedruckverläufe", MTZ 43 (1982), Heft lo, ist es bekannt, nur einen Turbolader vorzusehen und diesen im Drehzahlbereich des maximalen Drehmoments zu optimieren. Dies hat zur Folge, daß bei Nenndrehzahl der Ladedruck so hoch wird, daß der zulässige Zünddruck des Motors überschritten wird. Um eine solche Überlastung zu vermeiden, öffnet ein Abblaseventil, so daß der Ladedruck bei hoher Motordrehzahl konstant bleibt. Wegen der hohen Ladungswechselverluste wird durch diese Maßnahme der Kraftstoffverbrauch im Nenndrehzahlbereich erheblich erhöht.

Weiterhin sind noch Maßnahmen zur Ladedrucksteigerung im unteren Drehzahlbereich des Motors durch Abstimmung von Resonanzrohrsystemen bekannt geworden, die aber nur bei bestimmten Motorzylinderzahlen voll wirksam sind und die im übrigen sehr aufwendig sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß bei Beibehaltung eines hohen Aufladegrades im Vollastbetrieb die Schadstoffemissionen sowie der Kraftstoffverbrauch noch weiter reduziert und bei niederen Motordrehzahlen ein gutes Beschleunigungsverhalten mit verminderten Rauchwerten erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die üblichen Turbokompressoren arbeiten mit innerer Verdichtung, d. h. die Druckerhöhung der Luft findet im Turbokompressor selber statt. Im Gegensatz dazu wird bei nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Kompressoren, z. B. Roots-Gebläsen, die angesaugte Luft von der Saug- auf die Druckseite verdrängt und erst dort von der bereits komprimierten Luft verdichtet. Die Höhe des sich bei

derartigen Kompressoren einsteilenden Ladedrucks ist also abhängig vom Durchsatz des nachgeschalteten Verbrauchers in Relation zur Luftmenge, die vom Kompressor her zugeführt wird. Mit anderen Worten ist bei derartigen Kompressoren der sich einstellende Ladedruck abhängig vom Gegendruck. Da bei niedrigen Motordrehzahlen der etwa auf Nenndrehzahl optimierte Turbokompressor nur ein verhältnismäßig niedriges Ladeluftvolumen ansaugt, nimmt er nicht das volle von dem in Abhängigkeit von der Motordrehzahl angetriebenen nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Kompressor angebotene Volumen auf, was zur Folge hat, daß der Druck der vom Kompressor geförderten Luft steigt. Andererseits steigt bei hohen Motordrehzahlen das vom Turbokompressor angesaugte Ladeluftvolumen stark an mit der Folge, daß der Gegendruck zum nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Kompressor absinkt.Dies hat zur Folge, daß der Kompressor praktisch nur noch im Leerlauf arbeitet. Insgesamt haben daraus resultierend die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Folge, daß der Ladedruck gegenüber der reinen Abgasturboaufladung im unteren und mittleren Drehzahlbereich ansteigt. Dies führt auch zu einer erheblichen Verbesserung der Drehmomentencharakteristik über der Motordrehzahl. Insbesondere verschiebt sich das maximale Drehmoment zu niederen Motordrehzahlen hin. Damit sind Motoren mit starken Drehmomentüberhöhungen, d. h. mit einer sogenannten Büffel-Charakteristik ausführbar.

In der prinzipiellen und einfachsten Ausgestaltung ist der nach dem Verdrängungsprinzip arbeitende Kompressor gemäß Anspruch 2 direkt mit dem Motor verbunden.

Da der Kompressor im oberen Drehzahlbereich ohnehin nur angenähert im Leerlauf arbeitet, kann auch diese Leerlaufleistung durch die weiterbildenden Maßnahmen nach Anspruch 3 eingespart werden.

Alternativ hierzu kann durch die Maßnahmen nach Anspruch nicht eine Abschaltung, sondern eine stufenlose Rücknahme der Drehzahl des Kompressors bei steigender Motordrehzahl erreicht werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 einen aufgeladenen Verbrennungsmotor in einer Ausgestaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 Ladedrücke und Motordrehmoment über der Motordrehzahl und

Fig. 3 Ladedrücke über der Drehzahl bei einer abgewandelten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen 6-Zylinder-Reihen-Diesel-Motor 1, dessen Zylinder 2 über ein Abgassamme1rohr 3 an eine Abgasturbine 4 einer als Abgasturbolader ausgestalteten Auflade-Einheit 5 angeschlossen sind. Die Abgasturbine 4 ist in üblicher Weise starr mit einem Turbokompressor 6, also einem nach dem Verdichterprinzip arbeitenden Gebläse, verbunden, deren Druckseite 7 über eine Luftsammelleitung 8 mit den Zylindern 2 verbunden ist.

Der Saugseite 9 des Turbokompressors 6 ist über eine Leitung Io ein nach dem Verdrängerprinzip arbeitender Kompressor 11 vorgeschaltet, an dessen Druckseite 12 die Leitung Io angeschlossen ist. Dieser Kompressor saugt Luft auf seiner Saugseite 13 an. Dieser Kompressor 11 wird direkt, beispielsweise über einen Riementrieb 14, von der Kurbelwelle 15 angetrieben. Er bildet

insoweit eine weitere Auflade-Einheit 16. Die Drehzahl des Kompressors 11 ist bei dieser Ausgestaltung direkt proportional der jeweiligen Motordrehzahl.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, fällt der Druck TT_v hinter dem Kompressor 11 mit zunehmender Motordrehzahl ab, da das vom Turbokompressor 6 angesaugte Luftvolumen überproportional gegenüber der Motordrehzahl ansteigt. Der von der Saugseite 9 des Turbokompressors 6 her zur Druckseite des Kompressors 11 hin ausgeübte Gegendruck sinkt also mit steigender Motordrehzahl ab, wie in Fig. 2 gepünktelt dargestellt ist. Andererseits steigt - wie in Fig. 2 strichpunktiert dargestellt ist - der Ladedruck eines isoliert vorhandenen Abgasturboladers mit steigender Motordrehzahl an. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, resultiert aus diesen beiden Druckverläufen ein Gesamt-Ladedruck 1Γ , der in Fig. 2 ausgezogen dargestellt ist. Er zeichnet sich gegenüber dem sonst üblichen Verlauf von 7T₁. dadurch aus, daß insbesondere im unteren und mittleren Drehzahlbereich ein erheblich höherer Ladedruck vorhanden ist.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, ist das Drehmoment eines mit dem Gesamt-Ladedruck TTV beaufschlagten Motors 1 entsprechend der ausgezogen dargestellten Kurve im unteren Drehzahlbereich des Motors erheblich günstiger als der gestrichelt dargestellte Drehmomentenverlauf, der sich bei einer üblichen Abgasturboaufladung einstellt.

Da der Ladedruck Hf* _v auf der Druckseite 12 des Kompressors 11 mit steigender Motordrehzahl absinkt, kann es zweckmäßig sein, die zum Betrieb des Kompressors erforderliche Leerlaufleistung dadurch einzusparen, daß anstelle der starren mechanischen Ankopplung des Kompressors 11 an die Kurbelwelle 15 eine, beispielsweise elektromagnetisch betätigbare, Schaltkupplung vorge-

sehen wird, mittels derer dann der Kompressor 11 völlig abgeschaltet wird. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß

hier der Druck Tf¹ _v im oberen Drehzahlbereich Null wird,

— — woraus sich bei ansonsten gleichem Tf_x ein TT" ergibt, das in diesem Drer.zahlbereich identisch mit // _T ist.

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Eine ähnliche Beeinflussung des Gesamt-Ladedruckes ergibt sich, wenn eine sogenannte Visco-Kupplung zwischen Kurbelwelle 15 und Kompressor 11 geschaltet wird, d. h. eine hydraulische Kupplung, die zu einer relativen Rücknahme der Kompressordrehzahl bei steigender Motordrehzahl, führt.

Wenn der Kompressor 11 über eine Schaltkupplung mit der Kurbelwelle 15 verbunden ist, dann wird beim Abkuppeln des Kompressors 11 eine Bypassklappe 17 in der Leitung Io geöffnet, so daß die Verbrennungsluft vom Turbokompressor 6 direkt angesaugt wird.

- Leerseite -

Claims

Al \l Y": ·::.": RAU & SCHNECK

33 170 17 PATENTANWÄLTE

DIPPING. DR. MANFRED RAU DIPL.-PHYS. DR. HERBERT SCHNECK ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAM"

VNR Io6984 Nürnberg, 09.05.1983

R/St

Motoren-Werke Mannheim Aktiengesellschaft vorm. Benz Abt. stationärer Motorenbau, Carl-Benz-Straße 5,

68oo Mannheim 1

Ansprüche

JlJ Aufgeladener Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, mit zwei Auflade-Einheiten, von denen eine ein Abgasturbolader ist, der aus einer Abgasturbine und einem starr mit dieser gekuppelten Turbokompressor besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Auflade-Einheit

(16) durch einen nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Kompressor (11) gebildet ist, dem der Turbokompressor

(6) nachgeschaltet ist und der zumindest im niederen Drehzahlbereich in Abhängigkeit von der Motordrehzahl antreibbar ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (11) direkt mit der Kurbelwelle

(15) verbunden ist. .
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (11) über eine Schaltkupplung mit der Kurbelwelle(15) verbunden ist.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (11) über eine hydraulische oder viskositätsabhängige Kupplung mit der Kurbelwelle (15) verbunden ist, die mit steigender Motordrehzahl eine relativ absinkende Kompressordrehzahl bewirkt.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Turbokompressor (6) überbrückender Bypass (17) vorgesehen ist.