DE4205020A1 - Abgasturbolader fuer fahrzeuge mit druckluftreservoir - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbola­ der für Fahrzeuge mit Druckluftreservoir sowie ei­ nem Diesel- oder Ottomotor, wobei der Abgasturbola­ der eine Gasturbine und einen Verdichter aufweist.

Die Verwendung von Abgasturboladern sind im Stande der Technik allgemein bekannt. Sie kommen sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren in betracht, wobei jedoch der überwiegende Einsatz auf dem Ge­ biet der Dieselmotoren liegt. Der Lader bewirkt eine Vergrößerung der Masse der Frischluftladung durch Vorverdichtung der angesaugten Luft, wodurch sich eine bedeutende Steigerung der Hubraumleistung erreichen läßt, ohne daß dabei die Konstruktion des Motors in nennenswertem Umfang geändert werden muß. Vorliegende Erfindung läßt die Möglichkeit der durch den Motor angetriebenen Verdichter unberück­ sichtigt und bezieht sich einzig auf Abgasturbola­ der, die das Wärmegefälle der austretenden Abgase für den Antrieb einer Turbine ausnutzen, die ihrer­ seits den die Frischluft verdichtenden Lader an­ treibt. Somit besteht ein Abgasturbolader in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einer Gasturbine und ei­ nem hierdurch angetriebenen und auf die angesaugte Luft einwirkenden Verdichter.

Beim Anfordern von Motorleistung durch Betätigen des Gashebels in bekannter Weise erhöht sich die Menge des eingespritzten Kraftstoffes. Da in diesem Augenblick jedoch noch nicht die Drehzahl des Mo­ tors erhöht ist, bleibt zunächst anfänglich die Menge der durch den Lader zur Verfügung gestellten verdichteten Verbrennungsluft ungeändert, so daß kein für die Verbrennung optimales Kraftstoff/Ver­ brennungsluft-Mischungsverhältnis entsteht. Der Turbolader ist demnach nicht in der Lage, ausrei­ chend und in angemessener Menge Verbrennungsluft zur Verfügung zu stellen, solange nicht über die Abgasmenge die Förderleistung eine Erhöhung findet. Erst dann, wenn die Motorleistung und damit auch die Abgasleistung zunimmt, erhöht sich allmählich auch die Leistung des Turboladers. Das Ergebnis ist eine unvollständige Verbrennung und auch eine Ver­ geudung von Kraftstoff während der Beschleunigungs­ phase des Motors.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Wei­ terentwicklung der bekannten Abgasturbolader dahin­ gehend zur Aufgabe gemacht, daß beim Betätigen des Gaspedales zur Erzielung einer erhöhten Motorlei­ stung der demzufolge erhöhten Menge an eingespritz­ tem Kraftstoff sofort und in ausreichendem Maße Verbrennungsluft zur Verfügung gestellt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Verdichter antriebsmäßig über eine Welle mit einer zusätzlichen Turbine, die mit einem Sta­ tor zusammenarbeitet, in Verbindung steht und über Druckluft beaufschlagt wird, sofern ein die Motor­ daten in Form von Drehzahl des Motors und/oder Ein­ spritzmenge des Kraftstoffes und/oder Drehzahl des Turboladers odgl. erfassender Regelkreis im Be­ darfsfall die Verbindung zum Druckluftreservoir herstellt und während der übrigen Betriebsphasen Ein- und Auslaß geöffnet hält.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, mit zunehmendem Bedarf an Verbrennungsluft gleichzeitig die Leistung des Abgasturboladers und damit die Zu­ führung von Verbrennungsluft zu erhöhen. Hierzu be­ findet sich auf der Achse des Laders, die im Stande der Technik über die Abgasturbine angetrieben wird, eine zusätzliche Turbine und mit ihr zusammenarbei­ tend ein Stator, die durch aus einem Reservoir her­ geleitete Druckluft im Sinne einer Förderung des Verdichters angetrieben werden. Voraussetzung für die Realisierung der Erfindung ist demgemäß die Existenz eines Druckluftreservoirs wie er bei Last­ kraftwagen in Form des Kompressors in aller Regel und bei Pkw′s in Klimaanlagen mitunter bereits zur Verfügung steht. Die Beaufschlagung der erfindungs­ gemäß vorgesehenen zusätzlichen Turbine erfolgt durch Ansteuerung eines Ventiles, häufig handelt es sich um ein Magnetventil, das in der von dem Druck­ luftreservoir herführenden Versorgungsleitung ange­ ordnet ist.

Die Ansteuerung erfolgt über einen geschlossenen Regelkreis, der entweder den Bedarf an Verbren­ nungsluft über die Drehzahl und/oder die Einspritz­ menge an Kraftstoff und/oder die Drehzahl des Tur­ boladers ermittelt. Hierbei können die speziellen Kennlinien des Motors Berücksichtigung finden. Das erfindungsgemäße Steuerungssystem des Abgastur­ boladers wird nur während der Beschleunigungsphase aktiviert. Um in den übrigen Betriebszuständen, beispielsweise bei konstanter Geschwindigkeit und bei zum Druckluftreservoir hin unterbrochener Ver­ bindung den Lauf der Antriebswelle des als Verdich­ ter dienenden Laders nicht zu behindern, also einen ungehinderten Leerlauf und nicht die Erzeugung ei­ nes Über- oder Unterdruckes zu bewirken, ist ein dann geöffnetes Einlaß- und Auslaßventil zusätzlich vorgesehen, um ein ungehindertes Zu- und Abströmen der durch die (zusätzliche) Turbine bewegten Luft zu ermöglichen.

Die Erfindung bewirkt in entscheidender Weise eine Verbesserung der Kraftentwicklung bei erhöhter Lei­ stungsanforderung, also beim Übergang von niedriger zu höherer Leistung durch Betätigen des Gaspedales. Man erhält dann während jeder Phase des Überganges eine optimale Verbrennung und stellt sicher, daß auch in dieser Phase der zur Verfügung gestellte Kraftstoff vollständig und unter optimalen Bedin­ gungen verbrannt wird. Eine Kraftstoffeinsparung neben einer schnelleren Bereitstellung der angefor­ derten Leistung sind die Folge.

Die konkrete bauliche Realisierung des erfindungs­ gemäßen Gedankens steht im Rahmen der Erfindung grundsätzlich frei. Besonders bevorzugt ist, zwi­ schen der den Antrieb darstellenden Gasturbine und dem als Verdichter wirkenden Lader, die in der Re­ gel eine gemeinsamen Welle aufweisen, die erfin­ dungsgemäß zusätzlich vorzusehende Turbine anzuord­ nen. Der Vorzug besteht in der Möglichkeit weiter­ hin die konventionellen Gasturbinen und Verdichter zu verwenden, so daß lediglich und als Zwischen­ stück die Turbine einzubauen ist.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, die vom Druckluftreservoir hergeleitete und nach der Beaufschlagung der Turbine im allgemeinsten Fall an die Atmosphäre abgegebene Luft weiter da­ durch zu nützen, daß sie als Verbrennungsluft den Zylindern zugeführt wird. Zum einen unterstützt die kinetische Energie den Saugvorgang und ist folglich von Vorteil im Hinblick auf das Füllen der Zylin­ der. Zum anderen erfährt diese Luft aufgrund ihrer räumlichen Nähe zu den Abgasen gleichzeitig eine Vorwärmung, die sich im Hinblick auf den Verbren­ nungsvorgang als Vorteil erweist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert wird.

Sie zeigt in schematisch gehaltener Querschnitts­ darstellung einen Schnitt durch einen erfindungsge­ mäßen Abgasturbolader, der in seinem prinzipiellen Aufbau aus einer Gasturbine (1), die durch die Ab­ gase angetrieben wird, einem als Lader wirkenden Verdichter (2) sowie der erfindungsgemäßen Turbine (3) besteht. Sämtliche vorbeschriebenen Bauteile (1, 2, 3) sind auf einer geraden Welle (4) angeord­ net.

Die Gasturbine (1) wird über die in radialer Rich­ tung gemäß der Pfeilrichtung einströmenden Abgase in Rotation versetzt, von der sie stirnseitig und damit in axialer Richtung austreten. Aufgrund der gemeinsamen Welle (4) wird die Rotationsbewegung auf den als Lader wirkenden Verdichter (2) übertra­ gen. Dort wird axial und ebenfalls in der durch den Pfeil gekennzeichneten Richtung Frischluft ange­ saugt, verdichtet und dem Hubraum zur Leistungs­ steigerung zugeführt. Die soeben beschriebene An­ ordnung ist von den aus dem Stande der Technik be­ reits bekannten Abgasturboladern allgemein bekannt.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Neuerung besteht in der Anordnung einer zusätzlichen Turbine (3), die im wiedergegebenen Ausführungsbeispiel auf der­ selben Welle (4) angeordnet ist. Zur Erreichung der Funktionsfähigkeit ist der Turbine (3) ein Stator (5) zugeordnet, so daß bei Beaufschlagung durch Druckluft die Turbine in Rotation versetzt wird und antriebsmäßig zu einer Erhöhung der Leistung des Verdichters (2) und damit der den Hubräumen zuge­ führten Verbrennungsluft dient.

Die Steuerung der Zuführung der Druckluft hat immer dann zu erfolgen, wenn die durch die Gasturbine (1) gelieferte Drehzahl der Welle (4) unzureichend ist, um dem Verdichter (2) die zur Erreichung einer op­ timalen Verbrennung notwendige Förder- und Ver­ dichtungsleistung aufzubringen. Dies gilt insbeson­ dere für jene Betriebsphasen des Motors, in denen zur Erhöhung der Motorleistung das Gaspedal betä­ tigt und demzufolge eine erhöhte Kraftstoffmenge eingespritzt wird, andererseits aufgrund der zu­ nächst nicht vorhandenen und langsam ansteigenden Leistung der Abgasturbine, die zur optimalen Ver­ brennung erforderliche Menge an Luft noch nicht durch den Verdichter (2) zur Verfügung gestellt wird. Genau in diesen Phasen wird durch Beaufschla­ gung mit Druckluft (6) die Leistung des Verdichters (2) erhöht.

Während der übrigen Betriebsphasen dreht die Tur­ bine (3) leer und ist inaktiv. Hierzu müssen durch Anbringung von Ein- und Auslässen Vorkehrungen ge­ troffen werden, die das Entstehen von Über- oder Unterdruck, der zu einer Behinderung der Bewegung der Welle (4) führen könnten, unterbunden wird.

Im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung der Tur­ bine (3) bzw. des sie umgebenden Gehäuses ist nur zu bemerken, daß die in Richtung des Pfeiles zuge­ führte Druckluft (6) in einen Ringraum geleitet wird und geführt durch den Stator (5) auf die Tur­ bine (3) einwirkt und sie in Bewegung setzt. Nach vollbrachter Arbeit wird die Luft über ein, in der Zeichnung komplex dargestelltes Kanalsystem nach außen abgegeben, wo es entweder in die Atmo­ sphäre entweicht oder bevorzugterweise als Verbren­ nungsluft genutzt wird.

Wie sich aus der Beschreibung der Funktion ergibt, ist das Vorhandensein von Druckluft für die Reali­ sierung der Erfindung unabdingbar. Des weiteren ist ein, die Zuführung der Druckluft (6) bestimmendes Regelsystem erforderlich, welches den Bedarf des Motors an Verbrennungsluft erfaßt und dementspre­ chend die Beaufschlagung mit Druckluft (6) steuert.

Im Ergebnis erhält man einen Abgasturbolader, der während der Erhöhung der Motorleistung und ganz allgemein dann, wenn die konventionellen Abgastur­ bolader nicht in der Lage sind, die zur optimalen Verbrennung erforderliche Luftmenge zur Verfügung zu stellen, eine Möglichkeit zur Verfügung stellt, die Leistung des die Ladeluft bewegende und mengen­ mäßig bestimmenden Verdichters (2) zu erhöhen.

Optimale Leistung bei minimalem Kraftstoffverbrauch sowie zur Verfügungstellen der angeforderten Motor­ leistung innerhalb kürzester Zeit sind die vorteil­ haftesten Folgen.

Claims (3)

1. Abgasturbolader für Fahrzeuge mit Druckluftre­ servoir sowie einem Diesel- oder Ottomotor, wobei der Abgasturbolader eine Gasturbine und einen Ver­ dichter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (2) antriebsmäßig über eine Welle (4) mit einer zusätzlichen Turbine (3), die mit einem Stator (5) zusammenarbeitet, in Verbindung steht und über Druckluft beaufschlagt wird, sofern ein die Motordaten in Form von Drehzahl des Motors und/oder Einspritzmenge des Kraftstoffes und/oder Drehzahl des Turboladers odgl. erfassender Regel­ kreis im Bedarfsfall die Verbindung zum Druckluft­ reservoir herstellt und während der übrigen Be­ triebsphasen Ein- und Auslaß geöffnet hält.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zusätzliche Turbine (3) auf der zwischen Gasturbine (1) und Verdichter (2) durchge­ henden gemeinsamen Welle (4) angeordnet ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Turbine (3) verlassende Druckluft dem Verdichter (2) zugeführt wird.