DE3526631A1 - Brennkraftmaschine mit abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftma­ schine mit Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 31 26 678 ist es bekannt, in bestimm­ ten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, bei­ spielsweise beim Beschleunigen, in die Abgassammellei­ tung Wasser einzuspritzen. Durch rasches Verdampfen des eingespritzten Wassers vergrößert sich der der Tur­ bine zugeführte Massenstrom. Gleichzeitig steigt der Druck im Abgassammelrohr. Da bei dieser bekannten Einrichtung das Wasser direkt in den Abgasstrom ein­ gespritzt wird, wird jedoch die Energie im Abgas durch die Verdampfung des Wassers stark gemindert, so daß der Abgasturbolader nicht so schnell hochläuft und nicht so schnell eine größere Ladeluftmenge fördert, wie dies beispielsweise beim plötzlichen Beschleunigen erwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des An­ spruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, deren Beschleu­ nigungsverhalten durch Einspritzen von Wasser we­ sentlich verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird die Wär­ meenergie zur Verdampfung des Wassers ausschließlich der heißen Wand der Abgasleitung oder des Turbinen­ gehäuses entzogen, so daß die Energie im Abgas nicht verringert wird. Der aus der Verdampfungskammer austretende Heißdampfstrahl erhöht nicht nur den Mas­ senstrom, sondern er beschleunigt auch aufgrund seiner kinetischen Energie das Hochlaufen des Abgasturbola­ ders. Dadurch kann eine schnellere Beschleunigung mit geringeren Wassermengen als bei der bekannten Ein­ richtung erreicht werden. Diese Wirkung kann noch ge­ steigert werden, wenn der Heißdampf-Austrittskanal derart angeordnet ist, daß der austretende Heißdampf­ strahl die Turbinenschaufeln direkt beaufschlagt. Diese Anordnung hat zusätzlich den Vorteii, daß die Turbi­ nenschaufeln durch den Heißdampf gekühlt werden, da dessen Temperatur mit etwa 400°C wesentlich niedriger ist als die Temperatur der Abgase mit etwa 950°C.

Vorteilhaft ist es, die Verdampfungskammer nach Art einer Wirbelkammer mit im wesentlichen tangentialen Heißdampf-Austrittskanal auszubilden. Dadurch kann ein scharfer Heißdampfstrahl mit hoher kinetischer Energie erzeugt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im fol­ genden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Teil des Zylinderkopfes einer Brennkraft­ maschine, eine daran anschließende Abgasleitung und das daran angeschlossene Turbinengehäuse eines Ab­ gasturboladers, teilweise geschnitten,

Fig. 2 einen Längsschnitt einer Abgasleitung mit ei­ ner abgewandelten Verdampfungskammer, und

Fig. 3 ein Turbinengehäuse, teilweise geschnitten, mit integrierter Verdampfungskammer.

In Fig. 1 ist im Teilschnitt ein Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine dargestellt, der einen Auslaßkanal 2 aufweist, an den sich eine Abgasleitung 3 anschließt, die zum Einlaß 4 des Turbinengehäuses 5 eines Abgas­ turboladers führt, dessen Turbinenrad 6 in üblicher Wei­ se das Gebläserad eines Laders zur Förderung von La­ deluft zu den Einlaßkanälen der Brennkraftmaschine antreibt. In der Wand 7 der Abgasleitung 3 ist eine Verdampfungskammer 8 angeordnet, die vorzugsweise zylindrisch oder kugelförmig ist und in deren Wand eine Düse 9 zum Einspritzen von Wasser vorgesehen ist. Von der Verdampfungskammer 8 geht im wesentlichen tan­ gential ein Heißdampf-Austrittskanal 10 aus, der in Strömungsrichtung der Abgase in die Abgasleitung 2 mündet.

Beim Beschleunigen der Brennkraftmaschine wird in die Verdampfungskammer 9 Wasser eingespritzt, das durch die Wärme der Wand 7 der Abgasleitung 3 in der Kammer 8 verdampft und diese in Form eines heißen Dampfstrahls mit hoher kinetischer Energie durch den Austrittskanal 10 verläßt. Der Heißdampfstrahl tritt in Strömungsrichtung der Abgase in die Abgasleitung 3 unmittelbar vor dem Einlaß 4 des Turbinengehäuses ein, wobei er nicht nur durch sein Volumen den Massen­ strom vergrößert, sondern auch durch seine kinetische Energie das Turbinenrad 6 antreibt.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Ausführung von Fig. 1, wobei die Verdampfungskammer 8a bzw. der Heißdampfaustrittskanal 10a so angeordnet sind, daß der Heißdampfstrahl im wesentlichen parallel zur Strö­ mung der Abgase in der Abgasleitung 3a in diese eintritt und ohne wesentliche Vermischung mit den Abgasen auf die Schaufeln 12 des Turbinenrades 6 auftrifft, so daß die kinetische Energie des Heißdampfstrahles über­ wiegend dem Antrieb des Turbinenrades zugute kommt und über dies eine Kühlung der Schaufeln des Turbinen­ rades durch den Heißdampf erreicht wird, da dessen Temperatur wesentlich niedriger ist als die Temperatur der Abgase.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 ist die Verdamp­ fungskammer 8b in die Wand 11 des Turbinengehäuses 5 integriert und der Heißdampf-Austrittskanal 10a ist direkt auf die Schaufeln 12 des Turbinenrades 6 gerich­ tet, wodurch eine noch bessere Ausnützung der kineti­ schen Energie des Heißdampfstrahles als bei den vor­ hergehenden Beispielen und auch eine bessere Kühlung der Turbinenschaufeln 12 erreicht wird. Dieser Kühlef­ fekt ist für die Lebensdauer der Turbine insbesondere dann von besonderer Bedeutung, wenn in der Abgaslei­ tung vor der Turbine in bekannter Weise eine Nachver­ brennung zur Steigerung des Energieangebotes für die Turbine vorgesehen ist.

Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Ausführung gegenüber dem Stand der Technik beste­ hen vor allem darin, daß den Abgasen keine Energie zum Verdampfen des Wassers entzogen wird, daß die Leistungssteigerung nicht nur durch Vergrößerung des Massenstromes, sondern auch durch die kinetische Energie des Heißdampfstrahles erreicht wird, so daß für den gewunschten Erfolg geringere Wassermengen er­ forderlich sind, und daß eine Kühlung der Turbinen­ schaufeln eintritt und damit die Lebensdauer der Turbi­ ne erhöht wird.

Claims (3)

1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Turbinengehäuse einen Einlaß aufweist, der über eine Abgasleitung mit den Auslaßkanälen der Brennkraftmaschine verbunden mit und mit einer Einrichtung zum Einspritzen von Wasser zwecks Erhöhung der Drehzahl der Turbine, in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Wand (7) der Abgasleitung (3) nahe des Turbineneinlasses (4) oder in der Wand des Turbinengehäuses (5) eine Verdampfungskammer (8) angeordnet ist, in die ein Wasserinjektor (9) mündet und von der ein Heiß­ dampf-Austrittskanal (10) ausgeht, der im wesentli­ chen in Strömungsrichtung der Abgase in die Ab­ gasleitung (3) bzw. in das Turbinengehäuse (5) mün­ det.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißdampf-Austrittskanal (10a, 10b) derart angeordnet ist, daß der austreten­ de Heißdampfstrahl die Turbinenschaufeln (12) di­ rekt beaufschlagt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verdampfungskam­ mer (8) nach Art einer Wirbelkammer mit im we­ sentlichen tangentialem Heißdampf-Austrittskanal (10) ausgebildet ist.