DE4128642C2 - Aufgeladener Hubkolben-Dieselmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen aufgeladenen Hubkolben-Die­ selmotor mit zwei Auflade-Einheiten, von denen eine ein Abgasturbolader ist, der aus einer Abgasturbine und einem starr mit dieser gekuppelten Turbokompressor besteht, und die andere Auflade-Einheit durch einen nach dem Verdrän­ gerprinzip arbeitenden Kompressor gebildet ist, dem der Turbokompressor nachgeschaltet ist und der zu seinem An­ trieb mit der Kurbelwelle verbunden ist.

Mit der Aufladung einer Brennkraftmaschine wird vorrangig eine Leistungssteigerung angestrebt. Aus einem kleinen Verbrennungsmotor läßt sich mit Hilfe der Aufladung die Leistung eines erheblich größeren Verbrennungsmotors her­ ausholen. Bei einer vorgegebenen Nennleistung kann der Motor beispielsweise zur Senkung des Eigengewichts eines von ihm angetriebenen Kraftfahrzeugs beträchtlich ver­ kleinert werden. Abgasturbolader mit vom Druck der Abgase des Verbrennungsmotors angetriebener Abgasturbine und mit von der Abgasturbine angetriebenem Turbokompressor haben den prinzipiellen Nachteil der unzureichenden Aufladelei­ stung im Hochlast-Niedrigdrehzahl-Bereich des Verbren­ nungsmotors infolge einer unzureichenden Abgasmenge, was den Verbrennungsmotor träge, im unteren Drehzahlbereich drehmomentschwach und umweltschädlich durch zu hohe Rauch­ werte macht. Nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Kom­ pressoren, die vom Verbrennungsmotor selbst oder von einem gesonderten Motor angetrieben sein können, fördern wirt­ schaftlich und einfach die für niedrige Drehzahlen des Verbrennungsmotors benötigte Ladeluftmenge mit ausrei­ chendem Ladeluftdruck, arbeiten aber im Hochlast-Hoch­ drehzahl-Bereich des Verbrennungsmotors gegenüber einem nach dem Verdichterprinzip arbeitenden Abgasturbolader­ system unwirtschaftlich. Aus diesen Gründen ist es üb­ lich, an einer Brennkraftmaschine die jeweiligen Vorteile eines von einer Abgasturbine angetriebenen Turbokompres­ sors und eines nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Kompressors durch eine Serienschaltung oder eine Paral­ lelschaltung der beiden Kompressoren zu kombinieren.

Durch das Dokument DE 33 17 017 A1 ist bereits ein aufge­ ladener Hubkolben-Dieselmotor der eingangs angeführten Gattung bekannt. Um bei Beibehaltung eines hohen Auflade­ grades im Vollastbetrieb die Schadstoffemissionen sowie den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und bei niederen Motordrehzahlen ein gutes Beschleunigungsverhalten mit verminderten Rauchwerten zu erreichen, ist bei diesem Dieselmotor die andere Auflade-Einheit durch einen nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Kompressor gebildet, dem der Turbokompressor nachgeschaltet ist und der zu seinem Antrieb mit der Kurbelwelle entweder direkt oder über eine Schaltkupplung oder über eine viskositätsab­ hängige Kupplung verbunden ist, wobei letztere mit stei­ gender Motordrehzahl eine relativ absinkende Kompressor­ drehzahl bewirkt. Damit verbessert sich zwar das Drehmo­ mentverhalten der Brennkraftmaschine insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, von einer über die Leistungssteige­ rung mittels zweier Auflade-Einheiten an sich wesentlich hinausgehenden Leistungssteigerung einerseits und von einer befriedigenden Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen andererseits ist man jedoch noch weit entfernt.

Aus der Publikation DT 26 10 192 A1 ist eine luftverdich­ tende Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung bekannt, bei der in die Luftansaugleitung der Abgasturbo­ ladergruppe ein mittels der aus der Gruppe durch eine Ab­ gasauslaßleitung austretenden heißen Gase beaufschlagbarer Luftvorwärmer eingeschaltet ist, der nach dem Anfahren der Maschine abschaltbar ist. Damit wird der Schwierigkeit beim Anfahren begegnet, daß das Kompressionsverhältnis zumindest bei kalter Maschine nicht ausreicht, um die Luft ausreichend zu erwärmen und zu verdichten.

Aus der Publikation DE 37 10 195 A1 ist ein mit einem mechanisch angetriebenen Lader und einem Abgasturbolader ausgestatteter Dieselmotor bekannt, bei dem neben einer den Startvorgang des Motors erfassenden ersten Fühlein­ richtung eine einen Betriebszustand des Motors erfassende zweite Fühlereinrichtung vorgesehen ist, deren Signale zum wechselweisen Einkuppeln und Auskuppeln der Elektro­ magnetkupplung zwischen dem mechanisch angetriebenen Lader und der Kurbelwelle des Motors verwendet sind und die einen die Drehzahl des Motors ermittelnden Drehzahlfühler, einen die Motorlast erfassenden Lastfühler, einen die Kühlwassertemperatur des Motors erfassenden Temperatur­ fühler und einen den Atmosphärendruck ermittelnden Atmo­ sphärendruckfühler umfaßt.

Aus der Publikation DE-OS 19 66 223 ist eine Brennkraft­ maschine mit Selbstzündung und Aufladung mittels Abgas­ turbogebläse und nachgeschaltetem, von der Brennkraft­ maschine angetriebenem volumetrischem Verdichter, der über ein stufenlos regelbares Getriebe so angetrieben wird, daß mit zunehmendem Ladedruck die Drehzahl des Verdichters abnimmt und mit abnehmendem Ladedruck zunimmt, bekannt, bei der für Anlaßzwecke das stufenlos regelbare Getriebe abschaltbar und statt dessen ein Eingriff des Anlasserritzels in eine auf der Welle des Verdichters an­ geordnete Verzahnung einschaltbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Diesel­ motor der eingangs angeführten Art die infolge der zweifachen Aufladung mittels des Turbokompressors und des nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Kompressors bereits erhöhte Motorleistung weiter zu steigern, den dazu in Relation stehenden Kraftstoffverbrauch zu verringern und zugleich die Schadstoffemissionswerte zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dergestalt gelöst, daß der Kompressor mit der Kurbelwelle über ein vier oder mehr Getriebestufen aufweisendes Wechselgetriebe verbunden ist und für eine Schalteinrichtung zum automatischen Wechseln dieser Getriebestufen ein zum Erfassen der Brennraumwandtemperatur eingerichteter Temperaturfühler als Signalgeber vorgesehen ist, wobei die letzte Getriebe­ stufe mit der niedrigsten Antriebsübersetzung als Kraft­ stoff-Sparstufe verwendet ist, indem die der Ladung dort wegen geringen Ladeluftdrucks zur Selbstzündung fehlende Wärmemenge über einen in den Ladeluft-Leitungsstrang und den Abgas-Leitungsstrang eingefügten Wärmetauscher aus der Abgasenergie gewonnen wird, die Getriebestufe mit der dritthöchsten Antriebsübersetzung unter ladeluftseitiger Umgehung des Wärmetauschers als Höchstleistungsstufe des Hubkolben-Dieselmotors ausgelegt ist, die Getriebestufe mit der zweithöchsten Antriebsübersetzung unter ladeluft­ seitiger Einbeziehung des Wärmetauschers als Leerlaufstufe des Hubkolben-Dieselmotors ausgebildet ist und die erste Getriebestufe mit der höchsten Antriebsübersetzung dem Hubkolben-Dieselmotor als Anlaßstufe dient.

Damit kommt es zu einer differenzierenden Berücksichti­ gung der unterschiedlichen Motor-Belastungsfälle, des Kalt- oder Warmzustandes des Dieselmotors und der großen Variationsbreite der Temperatur der angesaugten Umge­ bungsluft. Mit dem Erfassen der Brennraumwandtemperatur erhält diese Berücksichtigung die erforderliche Genauig­ keit. Die Einfügung des Wechselgetriebes führt zu einer äußerst starken Verringerung der geometrisch-mechanischen Verdichtung des Dieselmotors, was sich in einer entspre­ chenden Steigerung des Leistungspotentials niederschlägt. Während derzeit ein nicht aufladbarer gewöhnlicher Hub­ kolben-Dieselmotor mit einer geometrisch-mechanischen Verdichtung von ca. 20 : 1, d. h. mit einem Totraum-Anteil von ca. fünf Prozent, arbeitet, ist im erfindungsgemäßen Hubkolben-Dieselmotor beispielsweise das dreifache Lade­ gewicht im Totraum unterzubringen, indem die geometrisch- mechanische Verdichtung im Hubkolben-Dieselmotor selbst auf ca. 6,7 : 1 reduziert wird. Die Vergrößerung des Tot­ raum-Anteils hat den zusätzlichen Vorteil, daß ein viel größerer Restgasanteil für die Erwärmung der Frischluft zur Verfügung steht, was zur Absenkung der Stickoxydemis­ sion führt und zugleich den Zündverzug vermindert, der sich im sogenannten Nageln des Dieselmotors unliebsam be­ merkbar macht. Außerdem werden insbesondere bei einem noch kalten Dieselmotor und extrem niedrigen Außentempe­ raturen die Rauchwerte verbessert, da mit der speziellen Anlaßstufe des Wechselgetriebes infolge der höchsten An­ triebsübersetzung und des demzufolge höchsten Ladeluft­ drucks eine hohe Kompressionsendtemperatur und ein be­ trächtlicher Ladeluftüberschuß gesichert sind.

Der speziellen ersten Getriebestufe des Wechselgetriebes steht die letzte Getriebestufe mit der niedrigsten An­ triebsübersetzung als anderes Extrem gegenüber, bei dem eine Unterdimensionierung der Antriebsübersetzung durch eine zum Abgasturbolader zusätzliche Nutzung der Abgas­ energie kompensiert wird. Daneben ist eine Getriebestufe mit der dritthöchsten Antriebsübersetzung unter ladeluftseitiger Umgehung des Wärmetauschers als Höchstleistungsstufe des Hubkolben-Dieselmotors und eine Getriebestufe mit der zweithöchsten Antriebsüber­ setzung unter ladeluftseitiger Einbeziehung des Wärme­ tauschers als Leerlaufstufe des Hubkolben-Dieselmotors vorgesehen. Diese zusätzlichen Differenzierungen liefern weitere Beiträge zur Erhöhung der Motorleistung und zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission. Mit der Erfindung erzielte Vorteile bestehen aber auch darin, daß die aufgrund der hohen Gleitgeschwindigkeit seiner Abdichtelemente begrenzte Lebensdauer des nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Kompressors durch die zumeist niedrige Antriebsüberset­ zung des Wechselgetriebes verlängert wird.

Ein aufgrund der in den Unteransprüchen angegebenen Er­ findungsausgestaltungen bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der überwiegend schematischen Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Der in der Zeichnung wiedergegebene Hubkolben-Dieselmotor 10 ist ein Sechszylinder-Reihenmotor. Für alle sechs Zy­ linder 11 des Motorblocks 12 sind ein gemeinsamer Lade­ luftsammler 13 und ein gemeinsamer Abgassammler 14 vorge­ sehen. Zum Ladeluftsammler 13 führt ein Ladeluft-Leitungs­ strang 15 vom Ansaugfilter 16 über den Wärmetauscher 17, das Dreiwegeventil 18, den nach dem Verdrängerprinzip ar­ beitenden Kompressor 19 und den Turbokompressor 20. Vom Abgassammler 14 verläuft ein Abgas-Leitungsstrang 21 über die starr mit dem Turbokompressor 20 gekuppelte Abgastur­ bine 22 und den Wärmetauscher 17 zum Auspufftopf 23. Da­ durch, daß der Wärmetauscher 17 primärseitig nach der Abgasturbine 22 und sekundärseitig vor dem Kompressor 19 eingefügt ist, kann man mit dem Wärmetauscher 17 im Ge­ genstrom ein noch großes Temperaturgefälle nutzen, ohne die Leistung der Abgasturbine 22 nachhaltiger durch Druck­ verlust zu schwächen.

Der Kompressor 19 ist mit der Kurbelwelle 24 über ein ins­ gesamt vier Getriebestufen 25, 26, 27 und 28 aufweisendes Wechselgetriebe 29 verbunden. Dieses Wechselgetriebe 29 besteht aus zwei durch einen Riemen 30 miteinander ver­ bundenen Planetenradkombinationen 31 und 32, was eine be­ sonders einfache Bauform darstellt. Dem Hubkolben-Diesel­ motor 10 dient die Getriebestufe 25 als Anlaßstufe, wobei der Kompressor 19 infolge der höchsten Antriebsüberset­ zung seinen höchsten Ladeluftdruck liefert, die Getriebe­ stufe 26 mit der zweithöchsten Antriebsübersetzung als Leerlaufstufe, die Getriebestufe 27 mit der dritthöchsten Antriebsübersetzung als Höchstleistungsstufe und die Ge­ triebestufe 28 mit der niedrigsten Antriebsübersetzung als Kraftstoff-Sparstufe.

Die ladeluftseitige Einbeziehung des Wärmetauschers 17 in der Kraftstoff-Sparstufe und in der Leerlaufstufe und die ladeluftseitige Umgehung des Wärmetauschers 17 in der An­ laßstufe und in der Höchstleistungsstufe erfolgen über das Dreiwegeventil 18, an dem eine Umgehungsleitung 33 angeschlossen ist und das über eine Signalleitung 34 von der Schalteinrichtung 35 des Wechselgetriebes 29 mit­ schaltbar ist, für die wiederum der zum Erfassen der Brennraumwandtemperatur eingerichtete Temperaturfühler 36 als Signalgeber vorgesehen ist. Im Rahmen des übergeord­ neten Schaltspiels des Dreiwegeventils 18 besteht die Möglichkeit, in dem Dreiwegeventil 18 zur Feinregelung der Kompressionsendtemperatur vom Ansaugfilter 16 kom­ mende Frischluft und im Wärmetauscher 17 vorgewärmte Luft mit variablem Mengenverhältnis zu mischen.

Eine weitere Ausgestaltung der Schalteinrichtung 35 zum automatischen Wechseln der Getriebestufen des Wechselge­ triebes 29 besteht darin, daß am Mengenregler 37 der Kraftstoffeinspritzung 38 den Getriebestufen 25, 26, 27 und 28 des Wechselgetriebes 29 je ein Höchstmengenbegren­ zer 39 zugeordnet ist. Damit erfährt die Regelung des Hubkolben-Dieselmotors 10 eine noch stärker differenzie­ rende Anpassung an den Anlaßbetrieb, den Leerlaufbetrieb, den Höchstleistungsbetrieb und den Sparbetrieb, was diese Betriebszustände sicherer macht und einen eigenen Bei­ trag zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission liefert.

Ausgehend von einem nicht aufladbaren gewöhnlichen Hub­ kolben-Dieselmotor mit einer geometrisch-mechanischen Verdichtung von ca. 20 : 1, d. h. einem Totraum-Anteil von ca. fünf Prozent, ergibt sich für den beispielsweisen Hubkolben-Dieselmotor 10 eine Verdreifachung des Lei­ stungspotentials, da er in seiner geometrisch-mechani­ schen Verdichtung einen Totraum-Anteil von fünfzehn Pro­ zent aufweist, wobei der Kompressionsenddruck und damit der maximale Zünddruck in beiden Fällen übereinstimmt. Bei der auf ca. 6,7 : 1 reduzierten geometrisch-mechani­ schen Verdichtung im Hubkolben-Dieselmotor 10 selbst ist zu berücksichtigen, daß eine Selbstzündung nur noch bei einer Vorwegaufladung mit ca. 3 bis 4 bar Ladeluftdruck stattfindet und dies auch nur bei einer Brennraumwandtem­ peratur von mindestens 400°C und 15°C Temperatur der angesaugten Luft.

Da jedoch die Startfähigkeit des Motorsystems sowohl bei sehr kalter Maschine als auch bei sehr kalter Außenluft garantiert sein muß, wird der nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Kompressor 19 von der Kurbelwelle 24 über die Getriebestufe 25 mit der höchsten Antriebsübersetzung angetrieben, so daß er für diesen ersten Betriebspunkt zwischen 7 und 8 bar Ladeluftdruck entwickelt, die dann durch die geometrisch-mechanische Verdichtung von 6,7 : 1 im Hubkolben-Dieselmotor 10 selbst auf ca. 50 bar erhöht werden, um die mindestnotwendige Kompressionsendtempera­ tur von ca. 600°C bei eiskalter Maschine für umweltver­ trägliche Rauchzahlen sicherzustellen. Nach entsprechen­ der Erwärmung des Hubkolben-Dieselmotors 10 wird das Wechselgetriebe 29 von der Schalteinrichtung 35 in die Getriebestufe 26 mit der zweithöchsten Antriebsüberset­ zung geschaltet, die mit ca. 5 bis 6 bar Ladeluftdruck einen einwandfreien Leerlauf garantiert, der sich durch die Erwärmung der Ansaugluft im Wärmetauscher 17 noch ver­ bessert. Mit der Kraftstoffeinspritzung 38 ist die Lei­ stungsentwicklung des Hubkolben-Dieselmotors 10 in den Getriebestufen 25 und 26 durch die gesonderten Höchstmen­ genbegrenzer 39 am Mengenregler 37 auf minimale Werte, die nur den Leerlauf zulassen, begrenzt.

Wird der als Fahrpedal ausgestaltete Mengenregler 37 der Kraftstoffeinspritzung 38 von der Leerlaufstellung in eine der Fahrstellungen gedrückt, so wird das Wechselge­ triebe 29 in die Getriebestufe 27 mit der dritthöchsten Antriebsübersetzung geschaltet, so daß der Kompressor 19 einen Vorweg-Ladeluftdruck von 3 bis 4 bar liefert. Hat das Fahrzeug annähernd seine Normalgeschwindigkeit, bei einem Lastwagen auf der Autobahn beispielsweise 75 km/h, erreicht, so wird das Wechselgetriebe 29 in die Getriebe­ stufe 28 mit der niedrigsten Antriebsübersetzung für den Kompressor 19 geschaltet. Theoretisch, d. h. ohne Vorwär­ mung der Ansaugluft, sinkt dann die Gesamtverdichtung bzw. der Kompressionsenddruck mit ca. 1,5 bar effektivem Ladeluftdruck unter den wahrscheinlichen Selbstentzün­ dungspunkt des Dieselsystems ab. Jedoch wird infolge der starken Vorwärmung der Ansaugluft von bis zu 300°C durch den primärseitig nach der Abgasturbine 22 und sekundär­ seitig vor dem Kompressor 19 eingefügten Wärmetauscher 17 die Selbstentzündungstemperatur trotz dieses wesentlich zu niedrigen theoretischen Kompressionsenddrucks dennoch erreicht.

Um das Erlangen der Fahrbereitschaft eines von dem Hub­ kolben-Dieselmotors 10 angetriebenen Kraftfahrzeugs zu beschleunigen, ist zwischen dem Wechselgetriebe 29 und dem Kompressor 19 eine für den Kaltstart ausrückbare Schaltkupplung 40 vorgesehen und ist der Kompressor 19 in der Kaltstartphase von einem als Elektromotor 41 aus­ gebildeten eigenen Anlasser antreibbar. Beim Anlassen wird zunächst der Kompressor 19 von dem Elektromotor 41 solange separat angetrieben, bis in dem Ladeluftsammler 13 ein Druckniveau von mindestens 3 bar zustandegekommen ist. Ein Mitschleppen des Hubkolben-Dieselmotors 10 durch den relativ kleinen Elektromotor 41 wird somit vermieden. Außerdem ist für den Elektromotor 41 eine Trennkupplung 42 vorgesehen, die sein unnötiges Mitschleppen ausschließt.

Claims (5)

1. Aufgeladener Hubkolben-Dieselmotor mit zwei Auflade- Einheiten, von denen eine ein Abgasturbolader ist, der aus einer Abgasturbine (22) und einem starr mit dieser gekuppelten Turbokompressor (20) besteht, und die andere Auflade-Einheit durch einen nach dem Ver­ drängerprinzip arbeitenden Kompressor (19) gebildet ist, dem der Turbokompressor (20) nachgeschaltet ist und der zu seinem Antrieb mit der Kurbelwelle (24) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (19) mit der Kurbelwelle (24) über ein vier oder mehr Getriebestufen aufweisen­ des Wechselgetriebe (29) verbunden ist und für eine Schalteinrichtung (35) zum automatischen Wechseln die­ ser Getriebestufen ein zum Erfassen der Brennraumwand­ temperatur eingerichteter Temperaturfühler (36) als Signalgeber vorgesehen ist, wobei die letzte Getriebe­ stufe (28) mit der niedrigsten Antriebsübersetzung als Kraftstoff-Sparstufe verwendet ist, indem die der Ladung dort wegen geringen Ladeluftdrucks zur Selbstzündung fehlende Wärmemenge über einen in den Ladeluft- Leitungsstrang (15) und den Abgas-Leitungsstrang (21) eingefügten Wärmetauscher (17) aus der Abgasenergie gewonnen wird, die Getriebestufe (27) mit der dritt­ höchsten Antriebsübersetzung unter ladeluftseitiger Umgehung des Wärmetauschers (17) als Höchstleistungsstufe des Hubkolben-Dieselmotors (10) ausgelegt ist, die Getriebestufe (26) mit der zweithöchsten Antriebs­ übersetzung unter ladeluftseitiger Einbeziehung des Wärmetauschers (17) als Leerlaufstufe des Hubkolben­ Dieselmotors (10) ausgebildet ist und die erste Ge­ triebestufe (25) mit der höchsten Antriebsübersetzung dem Hubkolben-Dieselmotor (10) als Anlaßstufe dient.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vierstufige Wechselgetriebe (29) aus zwei durch einen Riemen (30) miteinander verbundenen Pla­ netenradkombinationen (31, 32) besteht.

3. Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmetauscher (17) primärseitig nach der Abgasturbine (22) und sekundärseitig vor dem Kompressor (19) eingefügt ist.

4. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wechselgetriebe (29) und dem Kompressor (19) eine für den Kaltstart aus­ rückbare Schaltkupplung (40) vorgesehen ist und der Kompressor (19) in der Kaltstartphase von einem als Elektromotor (41) ausgebildeten eigenen Anlasser an­ treibbar ist.

5. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in seiner geometrisch-mechanischen Verdichtung einen Totraum-Anteil von wenigstens fünfzehn Prozent aufweist.