DE3505160A1

DE3505160A1 - Kapselvorverdichter fuer verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3505160A1
Application number: DE19853505160
Authority: DE
Inventors: Donlad Wilfrid Kingsbridge Devon Tryhorn
Original assignee: Sir WG Armstrong Whitworth and Co Engineers Ltd; Sir WG Armstrong Whitworth and Co Ltd
Current assignee: Sir WG Armstrong Whitworth and Co Engineers Ltd; Sir WG Armstrong Whitworth and Co Ltd
Priority date: 1984-02-17
Filing date: 1985-02-15
Publication date: 1985-08-22
Also published as: JPS60190623A; GB2154280A; GB8503810D0; GB2154280B; GB8404185D0

Description

Patentanwalt

DipL-lng. C-H, Huss Rathausstresse 1U-

D-8100 Garmisch-Partenkirchen

M 575-He

Garmisch-Partenkirchen, 14. Februar 1985

He: P

Sir 'rf.G. Armstrong tfhitworth & Co., (Engineers; Limited Aberdeen Avenue, Trading Estate Glough, Berkshire Großbritannien

Kapselvorverdichter für Verbrennungsmotoren

Die Erfindung betrifft Verbrennungsluft-Steuersysteme für Verbrennungsmotoren und verfolgt die allgemeine Aufgabe, die Energie zu nützen, die sonst am Drosselventil konventioneller Systeme verlorengent.

Bei Verbrennungsmotoren, deren Ausgangsleistung durch die Luftmenge, die an jedem Zyklus beteiligt ist, definiert ist, z.B. Ottom otoren, ist es bekannt, ein Vorverdichtersystem vorzusehen, bei dem ein Kompressor mit veränderlichem Durchsatz verwendet wird, um den Luftstrom und so die Ausgangsleistung der Maschine zu steuern. Ein derartiger Kompressor kann vom Motor durch eine unveränderliche Übersetzung angetrieben werden, wie beispielsweise in der GB-PS 665 424 beschrieben.

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Die zu verbessernden Verhältnisse sind die Veränderung der Luftzufuhr zum Motor während eines plötzlichen Anstieges der Maschinenbelastung.

Ein Hauptnachteil der Aufladung durch einen Abgasturbolader ist, daß bei fallender Maschinenlast die Drehzahl des Turboladers fällt und mit ihr der Ladedruck. Wenn daher eine hohe Last erforderlich ist, beschleunigt die Maschine aus einem geringeren Ladezustand heraus und die Reaktion auf das Erfordernis wird verzögert.

Bei Verwendung eines maschinengetriebenen Vorverdichters kann das Ladedruckverhältnis erhalten bleiben, wenn der Vorverdichter seine Luft durch eine konventionelle Drosselklappe ansaugt.

Das öffnen dieser Klappe läßt die volle Luftmenge zum Vorverdichter und auf diese tfeise kann eine bessere Beschleunigung erzielt werden. Der Vorverdichter verbraucht auch bei geringen Maschinenbelastungen Leistung entsprechend dem in ihm erfolgenden Druckanstieg, was den Kraftstoffverbrauch der Maschine bei durchschnitts- und niederbeJasteten Betriebsverhältnissen erhöht, ils ist daher nicht ökonomisch, das für die Spitzenbeschleunigung erwünschte hohe Vorverdichtungsverhältnis zu verv/enden.

Ideal wäre eine Steuerung der dem Motor zugeführten Luftmenge ohne die Verluste, die wegen der Verwendung einer drosselklappenartigen Leitungsregelung mit der Druckerhöhung durch den Vor-Verdichter verbunden sind. Die Verwendung eines Vorverdichtertyps mit "veränderlichem" Durchsatz gemäß der GB-PS 665 484 ermöglicht den Betrieb ohne

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Drosselklappe, wei¹ durch das Vorhandensein von uift'.ffnungen, die zeitweise verstellt werden können anstelle der Drosselung der Vorverdichter jede erforderliche Luftmenge liefern und so der Maschinenbelastung Rechnung tragen kann. Durch Veränderung der Einstellung um die Maschinenleistung zu erhöhen, wird dabei im Vergleich zur Turboladurig immer noch eine schnelle Reaktion erzielt, ohne den hohen Kraftstoffverbrauch des Drosselklappensystems bei geringer Belastung. Eine Grenze ist allen Vorverdichtungssystemen gesetzt durch das Verhältnis der volumetrischen Durchsätze des Vorverdichters und der Maschine und dem Volumen des MaschineneinlaOsystems, das auf Druck gebracht werden muß, bevor die volle Vorverdichtung an den Maschineneinlässen vorhanden ist.

Der Grad, bis zu dem das Ansaugvolumen des Motors gefüllt wird, hängt von der Kapazität und Drehzahl des Vorverdichters ab und ist normalerweise für eine bestimmte Gegebenheit durch das übersetzungsverhältnis des Vorverdichters fixiert.

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Vorvepdichtersystern für Verbrennungsmotoren vor, bei dem ein motorbetriebener Vorverdichter so angekoppelt ist, daß er mit höherer Drehzahl laufen kann als der vom Motor bei höchster Vorverdichtung vorgegebenen.

Dies ist möglich, wenn ein Vorverdichtertyp mit veränderlichem Durchsatz verwendet wird. Bei geringer Maschinenbelastung entsteht im Ansaugsystem des Motors ein Teilvakuum aufgrund der Einstellung der Durchsatzregelung, das den Motor ver-

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anlaßt, den Vorverdichter durch den auf ihn einwirkenden verminderten Druck in Umdrehung zu versetzen, so daß der Vorverdichter praktisch ein Luftmotor wird. Wegen des unter diesen Bedingungen geringen I'iassenflusses ist nur wenig Luftenergicj/zur Umwandlung in Kraft vorhanden. Sie ist jedoch immer noch größer als die Reibungsverluste einer gut konstruierten Maschine, und es wird außerdem entsprechend der Erfindung vorgeschlagen, eine überhol- oder Freilaufeinrichtung zwischen den Motor und den Vorverdichter einzufügen, so daß der letztere durch den Unterdruck schneller rotieren kann, als seinem normalen Antrieb entspricht.

So kann bei geringer Belastung der Vorverdichter schneller laufen, a"J s er aufgrund seines Motorantriebes laufen würde und dann bei plötzlich auftretendem Leistungsbedarf verursacht die erhöhung der veränderlichen Durchsatzeinstellung eine Ubernormal große Luftzufuhr durch der schneller laufenden Vorverdichter, bis die kinetische energie der freilaufende]! Teile verbraucht ist. Dies führt zu einer vorbesserten wotorbeschleunigung bei geringen Kosten und ohne Verschlechterung des Motorlaufs bei Vollast. Vorzugsweise ist die Überholeinrichturig ein Klemmrollenfreilauf mit in ansteigenden Schlitzen geführten Rollen, jedoch ist die Erfindung nicht auf diesen Typ beschränkt. Bei großen Motoren wäre eine Flüssigkeitskupplung, die entleert und schnell wiedergefüllt werden kann, geeignet und würde es einem Eauteil ermöglichen, zweifach zu wirken.

Die Luftmenge ergibt sich aus dem Druck und der Temperatur beim Eintritt in den Motor und kann

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entsprechend den thermodynamischen Gesetzen viel einfacher durch Senken der Temperatur gesteigert werden als durch .Erhöhung des Drucks, Es ist ein einmaliges Merkmal des Betreibens des Vorverdichters als Luftmotor, daß er einen Temporaturabfall der zugeführten Luft bewirkt. Äs wird vorgeschlagen, dies zur Schaffung einer Kältequelle auszunutzen.

Bei einer bevorzugten Ausführung wird diese Kältequelle verwendet, um die Charge zwischen dem Vorverdichter und dem Motor während des Beschleunigungsstoßes auf hohe Belastung zu kühlen. Bei einer anderen Ausführung wird die Kältequelle verwendet, um die Luft vor dem Eintritt in den Vorverdichter zu kühlen.

Bei einer dritten Möglichkeit wird die Kältequelle verwendet, um andere Luft zu konditionieren, beispielsweise die des Passagierraumes.

Bei all diesen Möglichkeiten erfordert die Überholeinrichtung dadurch, daß sie ein Schnellerlaufen des Luftmotors ermöglicht, ein weiteres Schließen des Durchsatz-Steuerventils und erzeugt so ein höheres Expansionsverhältnis und niedrigere Temperaturen. Dies erzeugt ein effektiveres System.

wenn der Vorverdichter einen hohen wirkungsgrad als Luftmotor hat, kann das Freilaufen zum überdrehen führen. In diesem Fall kann ihm, um die Drehzahl zu begrenzen, Energie durch Antrieb einer Hilfsmaschine entzogen werden oder durch Rückführung von etwas Energie in den Motor, In diesem letzteren Fall sollte zwischen dem Vorverdichter und dem Motor ein Antrieb mit veränderlicher Über-

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Setzung verwendet //erden, aber dieser würde in einem gegenüber dem bei bekannten Arten der Vorverdichtung entgegengesetztem üinn verstollt werden, so daß sein "Jbersetzungsvcrhäü tnis bei verringerter Maschinenbelastung zunehmen würde.

Bei dam erfindungsgemäßeri o.ysteui wird von dem Vorverdichter, wenn er als Expansionsmaschine betrieben wird, Arbeit geleistet. Dies erniedrigt die Temperatur der Luftcharge und bei hoher Luftfeuchte kann Vereisung auftreten, die den Strömungcraum oder bewegliche Teile blockieren kann.

as liegt im Rahmen der Erfindung, einen Lufterhitzer anzubringen, um diese Unterkühlung zu verhindern. üo\ch ein Erhitzer kann boi einem Motorfahrzeug ein kleiner Tei.l des Fahrzeugkühlers oder ein Mantel sein, der so angebracht ist, daii die Wurme dor Umgebung des Auspuffrohrs entnommen wird. Beide k';-ir,cf» vor dem ui.f te; in tritt in den Vorverdichter angebracht sein, und es kennen ümgehun{;sleitungen vorgesehen sein, um den Lrwarmungs^rad auf einem Minimum zu halten, dar, durch die für den Motor zuträglichen Grenzen für die Eisbildung oder Kraftstoffkondensation diktiert wird.

c.in derartiges System ist hervorragend geeignet für Motoren, die über lange Zeiträume mit sehr niedriger Last laufen, z.B. wotaggregate.

Bei der Anwendung in Fahrzeugen, v/o Lastwechsel häufig und schnell erfolgen mit sehr wt.ni^ Zeiträumen anhaltender H"ciir;tlast kann aur; do η I'bergangGbedingUfigen Vortei¹ _Oozogen werden, um den Motorlauf weiter zu veroesserri, indem naxi einen

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Wärmetauscher zwischen den Vorverdichter und den Motor schaltet. In seiner einfachsten Form kann dies ein "passiver" //ärmetauscher sein, das ist einer ohne Sekundärmedium, beispielsweise ein Stahlwollebündel. Bei Niedriglastbetrieb wird dies sehr kalt und wirkt als Luftkühler, wenn die Maschinenleistung erhöht wird. Dies wiederum erhöht seine Temperatur, so daß es bei der nächsten Leistungsverringerung als Luftwärraer dient. Diese beiden Prozesse verbessern die Verbrauchswerte des Motors und. verlängern die Zeit, während der der Vorverdichter "freie" Vorverdichtung leistet, während er bis zur "Antriebsdrehzahl" herunter freiläuft.

Gemäi'3 einem weiteren iiirfindungsmerkmal kann ein Wärmetauscher hinter den Vorverdichter geschaltet werden, um entweder eine //arme- oder Kältequelle zu bilden, abhängig von der Temperatur der den Vorverdichter verlassenden Charge.

In dieser Weise kann auch ein passiver Wärmetauscher zwischen dem Vorverdichter und dem Motor angeordnet sein.

Die Klimatisierung von Fahrzeugen wird beeinträchtigt durch die hohen Kosten einer Kältequelle für die Luftkühlung des Passagierraumes. Die Anordnung eines Medien-viärmetauschers zwischen dem Vorverdichter und dem Motor stellt eine solche Quelle dar und ergibt mit entsprechenden Ventilen, um den Betrieb auf die Perioden zu beschränken, wenn der Vorverdichterausgang unter der Umgebungstemperatur liegt, eine Lösung des Problems der Klimatisierung.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann ein zweiter Medien-Wärmetauscher zwischen dem Vorverdichter und dem Motor vorgesehen sein. Bei einer Ausführungsform kann das zweite Medium für die Klimatisierung verwendet werden.

Unter Bedingungen, die eine hohe Beschleunigung während kurzer Perioden erfordern, wird die Kältequelle verwendet, um die Luftcharge vor dem Eintritt in den Vorverdichter zu kühlen. Durch diese Maßnahme wird die Durchsatzmenge den Vorverdichters erhöht und es ist vornehmlich die Durchsatzmenge, von der das Motordrehrnoment abhängig ist. Der mechanische Wirkungsgrad ist ebenfalls wichtig, und dieser nimmt zu, wenn die kühLere Ladung die für die Durchflußeinheit erforderliche Leistung verringert. Anwendungsgebiete sind z.B. Bulldozer oder Stadtbusse.

Die Erfindung kann des weiteren einen zweiten MedienwMrmetauscher zwischen dem Motor und dem Vorverdichter vorsehen, wobei das Sekundärmedium die Luftladung vor ihrem Eintritt in den Vorverdichter ist.

Die Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform und einer Modifikation beschrieben. Eg stellen dar:

Fig. 1 eine vereinfachte Vorderansicht einer

Vorverdichteranordnung,

Fig. 2 die Lufteinlaii- und Wärme tauscheranordriung der Fig. 1 und Fig. 3 eine modifizierte Lufteinlaß- und Wü

tauscheranordnung.

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Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 ist ein Vorverdichter 1 gezeigt, der von einem Motor über einen Riemen 20 durch eine Riemenscheibe 2 angetrieben wird, die mittels einer Freilaufnabe 3 auf einer Verlängerung der Motorkurbelwelle angebracht ist. Die Freilaufnabe bekannten'Typs enthält Rollen auf ansteigenden Bahnen, die in Antriebsrichtung einen Außenring verkeilen und wenn der Ring schneller läuft als die Wabe in Schlitze der Wabe zuriickgleiten.

Der gezeigte Vorverdichter ist von der Art mit veränderlichem Durchsatz, wie in der GB-P8 66i? 484 beschrieben und weist zusammenwirkende Rotoren 4 und 5 auf. Im Betrieb füllt Luft, die in den Rotor 5 über ein drehveränderliches Ventil 6 einströmt, abhängig von der Einstellung dieses Ventils den Arbeitsraum ganz oder teilweise aus. Wenn teilweise gefüllt, wird die Luftladung auf das volle Volumen expandiert, um später wieder verdichtet zu werden auf ein Volumen, das dem des Motors entspricht, und wird über einen v/ärmetauscher 8 dem Motorzylinder 9 bzw. den Zylindern zugeführt. Vor, in oder hinter dem Vorverdichter kann Kraftstoff der Luftcharge zugeführt werden, ohne die angestrebten Wirkungen der Erfindung zu beeinträchtigen.

Bei warmem Klima erfolgt der Luftzustrom zu dem Vorverdichter über einen Luftfilter 10, wobei ein Klappventil 11 sich in der "B"-Stellung befindet, die in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist. Bei kaltem Klima wird das Ventil 11 in die "A"-Stellung geschwenkt, die ausgezogen dargestellt ist und die Luft über eine vom Auspuff betriebene

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Heizeinrichtung 12 angesaugt. Mittels einer entsprechenden Steuerung kann das Klappventil 11 teilweise geöffnet werden, um die Temperatur der Luft beim Wärmetauscher 8 den momentanen Erfordernissen anzugleichen. Diese werden bezüglich eines unteren Wertes durch Eisbildung in gefährlichem Ausmai3 und eines oberen Wertes durch das Klopfen oder den Leistungsabfall des Motors bestimmt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß das zu erhitzende Medium im Wärmetauscher 8 die Luft des Passagierraumes 13 des Fahrzeuges ist, um so eine bestimmte Kühlung in heißem Klima zu erzielen. Ein Ventilator 14 wälzt die Luft um, wenn ihre Temperatur für die Klimatisierung geeignet ist.

Beim Betrieb des Systems in Straßenfahrzeugen wird man feststellen, dai3 es viele Zeiträume gibt, während der die Leistungsabgabe des Motors schnell wechselt, d.h. in Zeiträumen von Sekunden und nicht von Stunden. Während solcher Perioden muß die vom Vorverdichter kommende Luft bei geringer Last erwärmt und bei hoher Last gekühlt werden, um die beste Arbeitsweise zu gewährleisten.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, da;3 der iVärmetauscher 8 hinter dem Vorverdichter eine hohe thermische Kapazität hat, so daß ein groi3er Teil oder seine gesamte Wirkung von der Zufuhr eines wärmetauschender) Mediums aus einer äußeren Quelle unabhängig ist. In der Praxis wird das Ausmai3 der Erwärmung oder Kühlung eines externen Wcdiums bestimmt durch die Klimatisierungserfordernisse des Fahrzeugs.

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Fig. 3 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der das Sekundärmedium des Wärmetauschers 8 das Arbeitsmedium selbst ist. Die Luftcharge strömt nach dem Verlassen des Filters über eine Kebenleitung durch den Wärmetauscher 8 unter Abgabe von Wärme bei geringer Last. Danach strömt sie zu dem Einlaß 17 des Vorverdichters, wo sie expandiert und weiter abkühlt, bevor sie durch das Passieren des Wärmetauschers angewärmt und dann dem Motor zugeführt v/ii-ü. Bei plötzlichem Leistungsbedarf wird das Ventil 6 (Fig. 1) voll geöffnet und der Einlaßraum mit sehr kalter Luft gefüllt. Es strömt daher eine größere als normale Luftmenge bei einer vorgegebenen Leistungsaufnahme bestimmt durch den Druckanstieg innerhalb des Vorverdichters. Dies kann nur ein vorübergehender Zustand sein, bis der Wärmetauscher durch die verdichtete Luft aufgeheizt wird und ist daher für Stoßlasten geeignet. Wenn dauernd hohe Leistung gefordert wird, wird ein Ventil 15 verwendet, um den Wärmetauscher stillzulegen und den Einlaß 17 des Vorverdichters mit dem Luftfilter zu verbinden.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, das Vorverdichtersystem für andere als Ottomotoren zu verwenden. Dieselmotoren mit hoher Turbo Ladung haben Kraftstoffs}sterne, die den Kraftstoff im Verhältnis zur Luftdurchsatzmenge verändern, wie das bei Vergasermotoren der Fall ist. Solche Motoren können die Vorteile dieses Vorverdichtungssystems aus-

;>0 nützen, wenn es zusätzlich zu dem Turbolader verwendet wird, um ein schnelleres Ansprechen auf das jiri'ordernis nach größerer Leistung zu erzielen.

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In einer so^che^ Anordnung versorgt der Kompressor des Turbo-adors den Vorverdichtereinlaß und ist so eingestellt, dai3 der Motor überladen wird,
wobei dies durch die Expansion innerhalb den Vorverdichters auf den korrekten «tfert reduzit-rt wird.

Bei plötzlicher Leistungsanforderung wird
das iilnlaßvexitil 6 voll geöffnet und ein hoher Vorverdichtungsdruck während einer kurzen Zeit erhalten, während welcher Zeit die vergrößerte Luftmenge auch die Turboladung auf eine uberriormaie Gr^:u3e beschleunigt.

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Claims

M 575-He Garmisch-Partenkirchen, 14. Februar 1985 He: F Sir W.G. Armstrong /vhitworth & Co. , (ügirieers) Limited Aberdeen Avenue, Trading Estate Slough, Berkshire Großbritannien Patentansprüche

1. J Vorverdichtungss>stf;ni für Verbrt-nxiuiigcmotoren, dadurch gekennzeichnet , daß ein maschinenangetriebener Vorverdichter ('i ) mit veränderlichem Durchsatz so angekoppelt ist, dai'3 er mit höherer Drehzahl laufen kann als vom Motorantrieb (2,3)20) bei maximaler Vorverdichturig abgegeben wird.

2. Vorverdichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dai3 die Kupplung zwischen dem Vorverdichter (1) und dem Antrieb (3) eine Überholeinrichtung ist und der Vorverdichter (1) schneller durch den vom i'iotor ausgehenden Luftsog in Rotation versetzt wird als durch den mechanischen Motorantrieb.

3. Vorverdichtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Überholeinrichtung ein Freilauf (2) ist.

4. Vorverdichtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überholeinrichtung eine Flüssigkeitskupplung ist.

5. Vorverdichtungss'j stern nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß eine

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variable Übersetzung so gesteuert wird, daß die Drehzahl des Vorverdichters mit abnehmender Last zunimmt.

6. Vorverdichtungssystem nach einem der Ansprüehe 1 bis 3, gekennzeichnet, durch einen Wärmetauscher (8) zwischen dem Auslaß des Vorverdichters (1) und dem Motor zur Optimierung der Temperatur des vom Vorverdichter (1) kommenden Mediurns.

7. Vorverdichtungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher (8) ein passiver Wärmetauscher ist.

8. Vorverdichtersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , da3 der Wärmetauscher (8) mit einem Sekundärmedium arbeitet.

9. Vorverdichtungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Sekundürmedium die Luftcharge ist, bevor sie in den Vorverdichter (1) eintritt.

10. Vorverdichtungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Sekundärmedium Luft aus dem Passagierraum (13) eines Fahrzeuges ist, in das das System installiert ist.

11. Vorverdichtungssystem entsprechend irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Steuerventileinrichtungen (11,15) zur Regelung der Temperatur der Luft, die dem Vorverdichter (1) zugeführt

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12. Vorverdichtersystem entsprechend irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, das einen Turbolader einschließt, dadurch gekennzeich net, daß der Kompressor des Turbo.laders den
Einlaß (17) des Vorverdichters (1) beaufschlagt.

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