DE3807372C2 - Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader und Nutzturbine - Google Patents
Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader und NutzturbineInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor
mit zweistufigem Abgasturbolader und Nutzturbine
gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei hochaufgeladenen Verbrennungsmotoren zeigt sich im Teil
lastbetrieb das Problem, daß der Ladedruck zu gering ist.
In den Patentschriften US 3,257,797 und GB 1,062,983 sind
für zweistufige Aufladeeinrichtungen Lösungsmöglichkeiten
für dieses Problem angegeben. Der Hauptnachteil der dort
beschriebenen Lösungen besteht aber vor allem darin, daß
sie Umblaseeinrichtungen verwenden, wodurch ein Teil der
vom Motor gelieferten Abgasenergie durch das Abblasen und
auch Drosseln ungenutzt bleibt. Außerdem fällt der Turbinen
wirkungsgrad bei hohen Turbinendruckverhältnissen als Folge
der hohen Machzahlen stark ab. Da zudem bei der zweistufigen
Aufladung die Betriebslinien im Verdichterkennfeld sehr
flach verlaufen, kann es auch leicht zum Pumpen des Ver
dichters kommen.
Um diese Energie auszunutzen, wurde vorgeschlagen, den bei
bestimmten Betriebszuständen überschüssigen Abgasstrom in
eine Nutzturbine zu leiten, die über eine Bypassleitung
mit einem Absperrorgan an eine Stelle der Abgasleitung vor
der Hochdruckturbine der Aufladeeinrichtung angeschlossen
ist. Je nach Betriebszustand wird durch das Absperrorgan
die Nutzturbine parallel zur Hochdruckturbine in Betrieb
gesetzt oder vom Abgasstrom vor der Hochdruckturbine abge
schnitten. Der in die Nutzturbine abgezweigte Abgasstrom
wird in dieser auf den Druck der Umgebungsluft entspannt
und pufft ins Freie aus. Da, wie erwähnt, der Wirkungsgrad
der Hochdruckturbine bei hohen Machzahlen stark abfällt,
ist auch der Nutzen der Nutzturbine beeinträchtigt.
Im Zusammenwirken mit einstufigen Abgasturboladern ist eine
parallel zur Verdichterturbine an die Abgasleitung ange
schlossene Nutzturbine aus den EP-Patentanmeldungen 0 091 139
und 0 199 165 bekannt. Gemäß der erstgenannten arbeitet
die Nutzturbine auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors,
während bei letzterer die Nutzturbine eines Schiffsdiesel
motors an die Kurbelwelle eines Hilfsdieselmotors angekuppelt
ist, der einen das Bordnetz des Schiffes speisenden Synchron
generator antreibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
durch eine Nutzturbine gegenüber konventionellen Ladermotoren
erreichte Verbesserung des Teillastverhaltens und des Wirkungs
grades durch dem jeweiligen Betriebszustand angepaßte Schal
tungsverknüpfungen zwischen der Nutzturbine und dem Abgas
turbolader weiter zu steigern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 das Schema eines Verbrennungsmotors mit einem kon
ventionellen zweistufigen Abgasturbolader und einer
Nutzturbine, bei welchem die durch eine Nutzturbine
geleiteten Abgase unmittelbar ins Freie auspuffen,
und die
Fig. 2 bis 8
sieben Varianten des Erfindungsgegenstandes mit
verschiedenen Wirkkombinationen zwischen der bzw.
den Nutzturbinen und dem Abgasturbolader.
Im folgenden sind gleichen Elementen der verschiedenen Aus
führungsbeispiele jeweils gleiche Bezugszahlen zugeordnet.
Wie erwähnt, zeigt die Fig. 1 schematisch eine bekannte
Bauart eines Verbrennungsmotors mit einem zweistufigen Ab
gasturbolader in Verbindung mit einer Nutzturbine.
Der Verbrennungsmotor 1, dessen Kurbelwelle 2 durch eine
stark ausgezogene, strichpunktierte Linie versinnbildlicht
wird, weist einlaßseitig einen Ladeluftaufnehmer 3 und aus
laßseitig einen Abgasaufnehmer 4 auf. Aus diesem gelangt
das aus dem Motor kommende Hochdruckabgas durch eine Hoch
druckabgasleitung 5 in eine Hochdruckturbine 7 eines zwei
stufigen Abgasturboladers 6. Das in der Hochdruckturbine 7
teilentspannte Abgas strömt über eine Niederdruckabgaslei
tung 8 in eine Niederdruckturbine 9 und über eine Auspuff
anlage 10 ins Freie. Der mit der Niederdruckturbine 9 ver
bundene Niederdruckverdichter 11 saugt die Verbrennungs
luft über einen Ansaugfilter 12 an und drückt sie über einen
Niederdruckdiffusor 13, einen Niederdruckzwischenkühler
14 und eine Niederdruckladeluftleitung 15 in den von der
Hochdruckturbine 7 angetriebenen Hochdruckverdichter 16,
aus dem sie als Hochdruckladeluft über eine Hochdrucklade
luftleitung 17, einen Hochdruckdiffusor 18, einen Hochdruck-
Ladeluftkühler 19 und den Ladeluftaufnehmer 3 in den Motor
1 gelangt.
Die in Fig. 1 dargestellte bekannte Bauart weist ferner
eine Nutzturbine 20 auf, die in bestimmten Teillastbereichen
über eine durch ein Absperrorgan 22 absperrbare und von
der Hochdruckabgasleitung 5 abzweigende Nutzturbinenabgas-
Leitung 21 mit Hochdruckabgas beaufschlagt werden kann.
Die entspannten Abgase verlassen die Turbine 20 durch eine
Auspuffanlage 23. Über ein Zahnradgetriebe 24 und eine
Schaltkupplung 25 wird die Leistung der Nutzturbine auf
die Motorkurbelwelle 2 übertragen. Über eine weitere Schalt
kupplung 26 ist ein Generator 27, z. B. für eine Bordstrom
versorgung, an- und abkuppelbar.
Beim vorstehend beschriebenen, zweistufig aufgeladenen Ver
brennungsmotor bekannter Bauart erhält man durch die Nutz
turbine ein verbessertes Teillastverhalten, indem die beiden
Laderturbinen 7 und 9 mit kleineren Einlaßquerschnitten
ausgeführt werden können, wodurch im unteren Teillastbereich
der dort geringere Abgasstrom zur Gänze von den beiden Lader
turbinen aufgenommen wird, wogegen im oberen Teillastbereich
und im Vollastbereich die Energie des überschüssigen Abgases
in der Nutzturbine verwertet wird.
Auf dieser bekannten Kombination eines Abgasturboladers
mit einer Nutzturbine bei einem Verbrennungsmotor als Ausgangs
basis seien nun im folgenden die erfindungsgemäßen Elemente
beschrieben, durch die das Teillastverhalten der beschrie
benen Bauart noch weiter verbessert werden kann.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante werden die in der
Nutzturbine 20 entspannten Abgase nicht ins Freie, sondern,
auf den Druck nach der Hochdruckturbine entspannt, über
eine Rückführabgasleitung 28 in die Niederdruckabgasleitung
8 vor der Niederdruckturbine 9 geführt. Wie vor der Nutz
turbine, ist auch in der Leitung 28 ein mit 29 bezeichnetes
Absperrorgan vorhanden. Die Einführung des in der Nutztur
bine 20 teilentspannten Abgases in die Niederdruckturbine
9 ergibt im Vollast- und im oberen Teillastbereich einen
höheren Ladedruck als bei voller Entspannung des in die
Nutzturbine 20 abgezweigten Abgasanteils.
Bei der Variante nach Fig. 3 ist die Nutzturbine 20 parallel
zur Niederdruckturbine 9 geschaltet, d. h., daß der für die
Nutzturbine bestimmte Abgasstrom nach der Hochdruckturbine
7 über die Nutzturbinenabgasleitung 32 aus der Niederdruck
abgasleitung 8 abgezweigt wird. In der Leitung 32 ist eben
falls ein Absperrorgan 22 vorgesehen, das, ebenso wie die
bisher anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen und die noch
zu erwähnenden Absperrorgane, durch Stellglieder gesteuert
werden, deren Betätigung vorzugsweise durch die Betriebs
größen Ladedruck, Lastzustand, gegeben durch den mittleren
effektiven Druck in den Arbeitszylindern und bei Diesel
motoren die Regelstangenstellung, sowie die Motordrehzahl
als Steuergrößen ausgelöst werden. Bei den Ausführungen
nach den Fig. 2 und 3 dienen die betreffenden Schaltungen
dazu, daß die Hochdruck- bzw. die Niederdruckturbine mit
einem kleineren Einlaßquerschnitt vor der Turbine ausgeführt
werden können, da sie im Vollast- und oberen Teillastbetrieb
nicht den gesamten Abgasstrom schlucken müssen. Im mittleren
und unteren Teillastbetrieb erhalten sie hingegen den gesamten
Abgasstrom, da dann die Zuleitung zur Nutzturbine abgesperrt
wird. Die beiden Turbinen leisten dann wegen ihres reduzierten
Einlaßquerschnitts, verglichen mit einer Aufladegruppe
ohne Nutzturbine, eine größere Arbeit und erzeugen somit
einen höheren Ladedruck.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist eine Gruppe von Nutz
turbinen, 20 und 31, parallel zu den beiden Laderturbinen
7 und 9 geschaltet. Durch Zu- und Abschalten der einzelnen
Nutzturbinen 20, 31 mittels der Absperrorgane. 22 und 33
ist es möglich, die Hoch- und/oder die Niederdruckturbine
7 bzw. 9 den jeweiligen Lastzuständen des Verbrennungsmotors
anzupassen und damit sowohl die Höhe des Ladedrucks als
auch die Lage des Betriebspunktes im Verdichterkennfeld
zu steuern.
Die zur Speisung mit dem höheren Druck bestimmte Nutzturbine
20 erhält das Abgas von höherem Druck über eine Nutzturbinen
abgasleitung 30 und ein Absperrorgan 22 direkt aus dem Abgas
aufnehmer 4. Ihr Auslaß ist über eine Nutzturbinenverbin
dungsleitung 34 mit der zweiten Turbine 31 verbunden, die
außerdem über eine niederdruckseitige Nutzturbinenabgas
leitung 32 mit einem Absperrorgan 33 in Verbindung gebracht
werden kann. Nach der Nutzturbine 31 pufft das entspannte
Abgas über die Auspuffanlage 23 ins Freie aus. Je nach Ab
gasangebot kann im oberen Teillast- und im Vollastbereich
ein Teil unmittelbar aus dem Abgasaufnehmer 4 als Hochdruck
abgas bei offenem Absperrorgan 22 in die erste Turbine 20
und, entspannt, weiter in die zweite Turbine 31 und ein
weiterer Abgasanteil als Niederdruckabgas aus der Leitung
8 durch die Nutzturbinenabgasleitung 32 bei offenem Absperr
organ 33 zusätzlich in die zweite Nutzturbine 31 geleitet
werden. Ebenso ist es möglich, Abgas für die zwei Nutztur
binen 20, 31 nur hochdruckseitig oder nur für die zweite
Turbine 31 niederdruckseitig abzuzapfen. Die zweite Turbine
31 steht über ein mit 35 bezeichnetes Zahnradgetriebe eben
falls mit der Kurbelwelle 2 in Antriebsverbindung.
Zur Verlagerung der Betriebspunkte im Verdichterkennfeld
bei Teillastbetrieb bieten sich in Ergänzung der in Fig. 2
dargestellten Schaltung folgende, in den Fig. 5-8 darge
stellte Mittel an:
Gemäß Fig. 5 verbindet eine Bypassleitung 36 den Hochdruck
verdichterauslaß mit der Hochdruckabgasleitung 5 vor der
Hochdruckturbine 7. In dieser Bypassleitung sind ein Absperr
organ 37 und ein vom Niederdruckabgas durchströmter Wärme
tauscher 38 vorgesehen. Von dieser Schaltung unterscheidet
sich die in der Fig. 6 dargestellte dadurch, daß eine vom
Auslaß des Hochdruckverdichters 16 abzweigende Bypassleitung
39 Hochdruckladeluft in den Einlaß der Niederdruckturbine
9 fördert. In der Leitung 39 sind ebenfalls ein Absperrorgan
37 und ein vom Niederdruckabgas durchströmter Wärmetauscher
38 vorgesehen.
Bei der Ausführung nach Fig. 7 verbindet eine Bypassleitung
40 den Auslaß des Niederdruckverdichters 11 mit dem Einlaß
der Niederdruckturbine 9, wobei diese Bypassleitung eben
falls ein Absperrorgan 37 und einen Wärmetauscher 38, durch
strömt von den Auspuffgasen der Niederdruckturbine 9, aufweist.
Die in Fig. 8 dargestellte Variante ist bezüglich der Ver
dichterluftabzapfung eine Kombination der Schaltungen nach
den Fig. 5 und 7. Über die Bypassleitungen 36 und 40 strömt
Hochdruckladeluft in die Hochdruckturbine 7 bzw. Niederdruck
ladeluft in die Niederdruckturbine 9.
Die in den Fig. 5 bis 8 gezeigten Schaltungen verbessern
gegenüber den Ausführungen nach den Fig. 2 bis 4 das Teillast
verhalten des Motors im mittleren und unteren Bereich.
Eine weitere Möglichkeit der Steuerung des Abgasstromes
erlaubt die in Fig. 3 strichpunktiert eingezeichnete Nutz
turbinenauslaßleitung 41 zwischen der Nutzturbine 20 und
dem Einlaß der Niederdruckturbine 9 in Verbindung mit einem
unmittelbar vor der Einmündung der Leitung 41 in die Nieder
druckabgasleitung 8 angeordneten Absperrorgan 42. Für den
Betrieb bei Voll- und oberer Teillast wird der gesamte Ab
gasstrom bei geschlossenem Absperrorgan 42 und offenem Ab
sperrorgan 22 durch die Nutzturbine geleitet, während für
den mittleren und unteren Teillastbetrieb das Absperrorgan
22 geschlossen und das Absperrorgan 42 geöffnet wird, so
daß die Energie des gesamten Abgasstromes in den beiden
Laderturbinen 7 und 9 ausgenutzt wird.
Claims (9)
1. Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader und
Nutzturbine (20), mit einer von den Hochdruckabgasen
des Verbrennungsmotors (1) beaufschlagten Hochdrucktur
bine (7), die mit einem Hochdruckverdichter (16) in An
triebsverbindung steht, einer der Hochdruckturbine (7)
in Reihe nachgeschalteten Niederdruckturbine (9), die
über eine Niederdruckabgasleitung (8) mit der Hochdruck
turbine (7) leitend verbunden ist und mit einem dem Hoch
druckverdichter (16) über eine Niederdruckladeluftleitung
(15) in Reihe vorgeschalteten Niederdruckverdichter (11)
in Antriebsverbindung steht, sowie mit einer Nutzturbine
(20), die dazu bestimmt ist, bei Betriebszuständen, in
denen der vom Motor (1) gelieferte Abgasstrom die Schluck
fähigkeit der beiden Ladeturbinen (7, 9) übertrifft,
den dann überschüssigen Anteil des Abgasstromes in An
triebsleistung zur Unterstützung des Verbrennungsmotors
(1) oder zum Antrieb eines Generators (27) umzusetzen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzturbine (20) über
eine Abgasleitung (28; 30; 32 + 34) mit der Niederdruck
abgasleitung (8) zwischen der Hochdruckturbine (7) und
der Niederdruckturbine (9) leitend verbunden ist, und
daß in der Abgasleitung (28; 30; 32 + 34) ein Absperrorgan
(22; 29; 33) vorhanden ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Einlaß der Nutzturbine (20) über eine Nutztur
binenabgasleitung (21) mit einer Hochdruckabgasleitung
(5) zwischen einem Abgasaufnehmer (4) und der Hochdruck
turbine (7) verbunden ist und daß die genannte Abgas
leitung eine Abgasrückführleitung (28) ist, die den Aus
laß der Nutzturbine (20) mit der Niederdruckabgasleitung
(8) vor der Niederdruckturbine (9) verbindet.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die genannte Abgasleitung eine Nutzturbinenabgaslei
tung (32) ist, die die Niederdruckabgasleitung (8) zwi
schen der Hochdruckturbine (7) und der Niederdruckturbine
(9) mit dem Einlaß der Nutzturbine (20) verbindet, und
daß der Auslaß der Nutzturbine (20) über eine Auspuff
anlage (23) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einlaßseite der Nutzturbine (20) über eine Nutz
turbinenabgasleitung (30) mit dem Abgasaufnehmer (4)
leitend verbunden ist, daß die genannte Abgasleitung
eine Abgasrückführleitung (32) ist,
die den Auslaß der
Nutzturbine (20) mit der Niederdruckabgasleitung (8) verbindet
und daß von dieser Abgasrückführleitung
(32) eine Verbindungsleitung abzweigt, die
mit dem Einlaß einer zweiten Nutzturbine (31) verbunden
ist, deren Auslaß über eine Auspuffanlage (23)
mit der Atmosphäre in Verbindung steht und die über ein
Getriebe (35) mit dem Motor (1) in Antriebsverbindung
steht.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Auslaß des Hochdruckverdichters (16) über eine
Bypassleitung (36) mit der Hochdruckabgasleitung (5)
vor der Hochdruckturbine (7) in Verbindung steht und
daß in der Bypassleitung (36) ein vom Niederdruckabgas
aus der Niederdruckabgasleitung (8) beaufschlagter Wärme
tauscher (38) und ein Absperrorgan (37) vorhanden sind.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Auslaß des Hochdruckverdichters (16) über eine
Bypassleitung (39) mit dem Einlaß der Niederdruckturbine
(9) in Verbindung steht und daß in der Bypassleitung
(39) ein vom Niederdruckabgas aus der Niederdruckabgas
leitung (8) beaufschlagter Wärmetauscher (38) und ein
Absperrorgan (37) vorhanden sind.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Auslaß des Niederdruckverdichters (11) über
einem Bypassleitung (40) mit dem Einlaß der Niederdruck
turbine (9) verbunden ist und daß in der Bypassleitung
(40) ein vom Auspuffgas aus der Niederdruckturbine (9)
beaufschlagter Wärmetauscher (38) und ein Absperrorgan
(37) vorhanden sind.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet.,
daß der Auslaß des Hochdruckverdichters (16) über eine
Bypassleitung (36) mit der Hochdruckabgasleitung (5)
vor der Hochdruckturbine (7) in Verbindung steht, daß
der Auslaß des Niederdruckverdichters (11) über eine
Bypassleitung (40) mit dem Einlaß der Niederdruckturbine
(9) verbunden ist, und daß in den, genannten Bypassleitungen
(36; 40) je ein Absperrorgan (37), in der Bypassleitung
(36) ein vom Niederdruckabgas aus der Niederdruckabgas
leitung (8) beaufschlagter Wärmetauscher (38) und in
der Bypassleitung (40) ein vom Auspuffgas aus der Nieder
druckturbine (9) beaufschlagter Wärmetauscher (38) vor
handen ist.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die genannte Abgasleitung eine Nutzturbinenabgaslei
tung (32) ist, die die Niederdruckabgasleitung (8) zwi
schen der Hochdruckturbine (7) und der Niederdruckturbine
(9) mit dem Einlaß der Nutzturbine (20) verbindet, und
daß der Auslaß der Nutzturbine (20) mit dem Einlaß
der Niederdruckturbine (9) über eine Nutzturbinenauslaß
Leitung (41) leitend verbunden ist und daß in der Nieder
druckabgasleitung (8) unmittelbar vor der Einmündung
der Auslaßleitung (41) ein Absperrorgan (42) vorhanden
ist.
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DE3807372A DE3807372C2 (de) | 1988-03-07 | 1988-03-07 | Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader und Nutzturbine |
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ID=6349026
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