DE3335856A1

DE3335856A1 - Abgasturbolader an aufgeladenem verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE3335856A1
Application number: DE19833335856
Authority: DE
Inventors: Adrian Dipl.-Ing. Schinznach-Bad Streuli
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1983-10-03
Filing date: 1983-10-03
Publication date: 1985-04-18
Also published as: FR2552815A1; JPS60104722A; FR2552815B1; DE3335856C2

Description

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29.9.83 Bo/SC

Abgasturbolader an aufgeladenem Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Abgasturbolader mit Nutzturbine werden entweder zur Verbesserung des spezifischen Brennstoffuerbrauchs oder zum optimalen Motorbetrieb bei stark unterschiedlichen klimatischen Bedingungen eingesetzt.

In der Anmeldung CH 2076/82-7 ist die Massnahme beschrieben, die Düsenfläche der Laderturbine für einen bestimmten Teillastbereich zu dimensionieren, d.h. kleiner zu gestalten gegenüber der Vollastauslegung. Diese Massnahme bewirkt bei Teillast eine Anhebung des Druckes im Abgasreceiver. Hierdurch steht gerade im Teillastbereich genügend Energie an der Laderturbine zur Verfügung, um den gewünschten Ladedruck im Verdichter zu erzeugen. Die gewünschte volle Wirkung dieser Massnahme wird dabei erzielt, indem im Teillastbetrieb die Nutzturbine abgeschaltet werden kann.

Das hier beschriebene Aufladesystem mit Nutzturbine ergibt dabei einen besseren Brennstoffverbrauch auf der ganzen

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Propellerkurve und ein günstigeres Teillastverhalten des Motors. Wenn die Nutzturbine bei Teillast ausser Betrieb gesetzt wird (auf/zu-Klappe in der Abgasleitung), können die Teillastbetriebswerte verbessert werden.

Beim Aufladesystem mit Nutzturbine bleibt die mechanische Belastung des Motors gleich. Die Temperaturen im Vollastpunkt steigen leicht an, sie können aber durch eine leichte Reduktion der Leistung wieder abgesenkt werden. Daraus ist ersichtlich, dass der aufzuladende Motor keiner Modifikation bedarf, denn selbst die Steuerzeiten sind nicht abzuändern.

Hierhin müssen selbstverständlich unterschiedliche Dimensionierungen der Turboladerturbine vorgenommen werden, je nachdem, ob eine Parallelschaltung oder eine Serieschaltung der Nutzturbine zur Anwendung gelangt.

Das Problem dieser Anordnung besteht darin, die potentielle Gasleistung in mechanische Leistung umzuwandeln. Die Nutzturbine, die hohe Druckverhältnisse und relativ kleine Massenströme verarbeitet, hat eine sehr hohe Drehzahl, die zwangsläufig auf einen gebräuchlichen Wert reduziert werden muss, will man ihre abgegebene Leistung für das System nutzbringend gestalten. Des weiteren ist nicht zu übersehen, dass diese Nutzturbine eine Spezialausführung ist, deren Kostenanteil zu den anderen Teilen der Anordnung unverhältnismässig hoch ist und nicht gerade für die Wahl und Ersetzbarkeit einer solchen Schaltung spricht.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Abgasturbolader an aufgeladenem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art eine kompekte, einfache und wirtschaftliche Nutzturbineneinheit anzubringen.

Zu diesem Zweck nimmt man einen gleichen oder baureihenkleineren Verbrennungsmotor-Turbolader mit Innenlagerung und ersetzt dessen Verdichter, Luftein- und Luftaustrittsgehäuse durch ein Getriebe. Ein mit der Turbinenwelle fest verbundenes Zahnrad greift in einen Zahnsatz von mindestens 3 (Planeten-) Rädern ein, so dass dieser Zahneingriff wie ein weiteres Wellenlager wirkt. Die weiteren Getriebestufen reduzieren die Drehzahl bis auf die gewünschten Werte und erstellen die notwendige Drehrichtung der Antriebswelle des Getriebes.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass als Nutzturbine die gleiche oder eine baureihenkleinere, bereits am Verbrennungsmotor angebaute Laderturbine eingesetzt werden kann. Diese kann auch ohne nennenswerte Aenderungen mit einem Getriebe versehen werden, wobei dieses anstelle des entfernten Verdichters mit der Laderturbine zu einer Einheit integriert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Antriebswelle der leistungsabgebenden abschaltbaren Laderturbine resp. des Getriebes über eine Fluidkupplung mit der Welle eines Verbrennungsmotorräderkastens verbunden, wodurch die Laderturbine bezüglich Torsionsschwingungen mit dem Verbrennungsmotor getrennt ist. Hierduch können auch kleine Fluchtungs- und Winkelfehler bei der Montage geschluckt werden.

Weiter hat die Fluidkupplung den Vorteil, dass sie bei Ausserbetriebsetzung der Laderturbine entleert werden kann, wodurch die letztere vom Verbrennungsmotor nicht weitergedreht wird.

Diese Lösung ist wirtschaftlich, denn der Uebertragungswirkungsgrad beträgt 96-98 %; der Brennstoffverbrauch wird dadurch minimiert.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung treibt die Antriebswelle der leistungsabgebenden abschaltbaren Laderturbine resp. des Getriebes eine Hydropumpe an.

Dank dieser Lösung kann die Laderturbineneinheit beliebig plaziert werden. Das Drucköl wird einem Hydromotor zugeführt, der die Leistung an den Verbrennungsmotor abgibt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie bevorzugte erfindungsgemässe Leistungsübertragungs-Varianten schematisch dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze mit Parallelschaltung von Turbolader und leistungsabgebender abschaltbarer Laderturbine ;

Fig. 2 die Leistungsübertragung zwischen Laderturbine und Verbrennungsmotor mit Hilfe einer Fluidkupplung und .

Fig. 3 die selbe)Leistungsübertragung mit Hilfe einer Hydropumpe.

In den Figuren sind die gleichen Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmedien ist mit Pfeilen bezeichnet. Erfindungsunwesentliche Elemente wie beispielsweise - und insbesondere in Fig. 1 - die massstabgerechte Darstellung des Turboladers und der leistungsabhängigen abschaltbaren Laderturbine sind fortgelassen.

Das in Fig. 1 dargestellte System einer Parallelschaltung besteht aus dem Verbrennungsmotor 1, der über den Verdichter 2 eines Abgasturboladers mit Druckluft versorgt wird.

. 6.

Den Verdichterantrieb besorgt die Laderturbine 3, welche mit den Abgasen des Verbrennungsmotors 1 beaufschlagt ist. Die leistungsabgebende abschaltbare Laderturbine 3¹ ist eine Zwillingsturbine zu der Laderturbine 3 und gibt über das Getriebe 8 mechanische Leistung an das System ab. In der Zuströmleitung 6 zur Laderturbine 3¹ ist ein einfaches Absperrorgan 7 angeordnet, welches vorzugsweise bei einer vorgegebenen, einstellbaren Teillast selbsttätig schliesst.

Selbstverständlich kann auch eine Serieschaltung vorgesehen werden.

Wenn dank gutem Turboladerwirkungsgrad das Spülgefälle über einem Dieselmotor 1 grosser als zur Spülung des Motors unbedingt notwendig ist, kann das Aufladesystem mit der Laderturbine 3' als Nutzturbine angewendet werden. Bei konstantem Ladedruck in der Kammer 4 wird dabei der Abgasgegendruck im Abgasreceiver 5 soweit erhöht, bis das minimal nötige Spülgefälle über dem Dieselmotor 1 erreicht ist. Durch den erhöhten Abgasgegendruck im Abgasreceiver 5 steht ein grösserer Teil der potentiellen Abgasenergie zur Verfügung. Bei gleichem Ladedruck in der Kammer 4 benötigt die Laderturbine 3 folglich nur einen Teil der verfügbaren Abgasenergie, der Rest wird in der anderen Laderturbine 3' ausgenützt. Wenn der totale Wirkungsgrad der Laderturbine 3¹ genügend gross ist, kann der aus dem erhöhten Gegendruck herrührenden Ladungswechselverlust mehr als kompensiert werden. Daraus ergibt sich für das ganze System ein höherer Gesamtwirkungsgrad. Um den Abgasgegendruck höher aufzustauen, muss die resultierende Turbinenfläche der Laderturbine 3¹ kleiner sein als im Ausgangsfall.

Die kleinere resultierende Düsenfläche ergibt ein günstigeres Teillastverhalten und infolgedessen mehr Ladedruck bei Propellerteillast.

Weiter hat man noch die Möglichkeit, bei Teillast die Parallel-Laderturbine 3' abzudecken resp. die nicht dar-

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gestellte Serie-Laderturbine zu "bypassen". Die resultierende Turbinenfläche wird dadurch entsprechend verkleinert resp. das Enthalpiegefälle entsprechend vergrössert, was zu einem starken Ansteigen des Ladedruckes führt. Bei der Auslegung des Vollastpunktes spielt es indessen keine Rolle, ob ein Aufladesystem mit Parallel- oder Serieladerturbine zur Anwendung gelangt: Der festgelegte Abgasgegendruck bestimmt die isotrope Leistung, die man mit einer Laderturbine 3' gewinnen kann. Allgemein betrachtet gilt, dass man bei den gegebenen Randbedingungen heutiger, hochaufgeladener Motoren und den heutigen Turboladern an der leistungsabgebenden abschaltbaren Laderturbine 10-15 % der gesamten isotropen Abgasleistung erhält, was 2-3 % effektivem Motorleistungsgewinn entspricht. Diese Parallel-Laderturbine verarbeitet einen kleinen Massenstrom und ein grosses Druckverhältnis. Sie ist darum eine kleine hochdrehende Turbine, deren Drehzahl auf einen gebräuchlichen Wert reduziert werden muss. Zum dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zurückkehrend, wird zu diesem Zweck der Laderturbine 3' ein Getriebe 8 mit grossem Ueber-Setzungsverhältnis integriert. Dies geschieht zweckmässigerweise, indem man einen gleichen Dieselmotor-Turbolader 2, 3 nimmt und dessen Verdichter, Luftein- und Luftaustrittsgehäuse durch das ebengenannte Getriebe 8 ersetzt.

Ein mit der Turbinenwelle der Laderturbine 3¹ fest verbundenes Zahnrad greift in einen das Getriebe 8 bildenden Zahnsatz von mindestens drei Planetenrädern ein, so dass dieser Zahneingriff wie ein weiteres Wellenlager wirkt. Das System weist beispielsgemäss somit zwei identische Laderturbinen 3, 3' auf: Einmal wird die eine mit dem Verdichter 2 ergänzt und bildet den Abgasturbolader; die andere wird hingegen mit dem Getriebe 8 ergänzt und bildet die Nutzturbine dieser Schaltung. Die Anflanschung sowohl des Verdichters 2 als auch des Getriebes 8 ist wechselseitig möglich.

• S-

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie die Leistungsübertragung bei einer Parallel-Laderturbine 3' direkt auf den Räderkasten 13 des nicht dargestellten Verbrennungsmotors 1 bewerkstelligt werden kann.

Dort wo die Anbauverhältnisse es erlauben, ist es am vorteilhaftesten, die Laderturbinenleistung direkt in die Welle 11 des Motorräderkastens 13 einzugeben. Die Antriebswelle 9 des Getriebes 8 muss in diesem Fall über eine Fluidkupplung 10 mit der Welle 11 des Motorräderkastens 13 verbunden sein. Dadurch wird die Laderturbine 3' bezüglich Torsionsschwingungen vom Motor 1 getrennt und kleine Flucht- und Winkelfehler können bei Montage toleriert werden. Die Fluidkupplung 10 hat des weiteren den Vorteil, dass sie bei Ausserbetriebsetzung der Laderturbine 3¹ entleert werden kann, wodurch diese vom Motor 1 resp. Räderkasten 13 nicht weitergedreht wird.

Die Leistungsübertragung, wie in Fig. 3 dargestellt, eignet sich für Anbauverhältnisse, wo die Laderturbine 3¹ nicht direkt mit dem Räderkasten 13 verbunden werden kann. In diesen Fällen treibt die Laderturbine 3' über das Getriebe 8 die Hydropumpe 12 an. Das Drucköl wird einem nicht dargestellten Hydromotor zugeführt, der seine Leistung an den Verbrennungsmotor 1 abgibt.

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Claims

Patentansprüche

/l.)Abgasturbolader an aufgeladenem Verbrennungsmotor mit einer mit dem Abgasreceiver des Verbrennungsmotors verbundenen und für Teillast optimierten Laderturbine und mit einer separaten, leistungsabgebenden abschaltbaren Nutzturbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzturbine (3¹) eine Laderturbine (3) ist, die mit einem dem Verbrennungsmotor (1) vorgeschalteten Getriebe (8) versehen ist.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (9) des Getriebes (8) über eine Fluidkupplung (10) mit der Welle (11) des Verbrennungsmotors (1) verbunden ist.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstriebswelle (9) des Getriebes (8) eine Hydropumpe (12) antreibt.