DE4316761A1 - Verfahren zur Beschleunigung eines Abgasturboladers und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschleu­ nigung eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Abgasturboladern, welche ausschließlich vom Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt werden, tritt in der Be­ schleunigungsphase der Brennkraftmaschine das Problem auf, daß, bedingt durch die Massenträgheit des Turboladers, ein zwischenzeitlicher Luftmangel auftritt, der sich als soge­ nannter Rußstoß äußert.

Um diesen Rußstoß zu vermeiden und die Beschleunigungszeit der Brennkraftmaschine abzukürzen wird nach einem bekann­ ten Verfahren dem Eingang der Abgasturbine eine Brennkam­ mer vorgeschaltet, durch welche die Enthalpie des Abgases mittels Brennstoffeinspritzung erhöht und durch Erhöhung der Drehbeschleunigung des Abgasturboladers herbeigeführt wird. Eine derartige Maßnahme erfordert eine relativ komp­ lizierte Brennkammer, bei der die Stabilität der Verbren­ nung Schwierigkeiten bereitet und zusätzlicher Brennstoff­ verbrauch eintritt. (DE-PS 27 06 696)

Ausgehend von einem nur mit Abgas beaufschlagten Abgastur­ bolader liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde mit einem Minimum an baulichen Aufwand und möglichst geringer Zufuhr an zusätzlicher Energie das Beschleunigungsverhalten zu verbessern und den Rußstoß zu vermeiden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruches 1.

Durch die kurzfristige Verbindung des Ausgangs der Abgas­ turbine mit dem Unterdruckbehälter wird das Enthalpiege­ fälle beträchtlich erhöht und das Laufrad der Abgasturbine und der damit verbundene Verdichter kräftig angestoßen. Durch das schnellere Hochfahren der Abgasturbine und den somit schneller ansteigenden Ladedruck ergibt sich ein Rückkopplungseffekt, indem die nun ansteigende Abgas­ menge und deren ansteigende Enthalpie wiederum zu wei­ terer Drehbeschleunigung des Abgasturboladers führen. Die Expansion des Abgases auf ein sehr niedriges Druck­ niveau führt zu einer bestmöglichen Nutzung der im Ab­ gas enthaltenen thermischen Energie, so daß die zum Evakuieren des Unterdruckbehälters erforderliche Fremd­ energiezufuhr minimiert wird.

Die Unteransprüche 2 und 3 stellen vorteilhafte Weiter­ bildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

Es ist zunächst vorteilhaft soviel Brennstoff als mög­ lich zuzuführen, um die Abgasmenge und deren Enthalpie am Eingang der Abgasturbine durch Erfassung der Trübung des Abgases möglichst hoch zu halten um erst dann den Ausgang der Turbine mit dem Unterdruckbehälter zu ver­ binden, um eine weitere kurzfristige Leistungssteigerung durch zusätzliches Anstoßen des Turbinenrades herbeizu­ führen.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens kann dem Anspruch 5 ent­ nommen werden.

Ein schematisches Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Zeichnungen dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema zur wechselweisen Verbindung des Ausgangs einer Abgasturbine mit einem Abgasrohr oder einem Unterdruckbehälter.

Fig. 2 eine Anordnung zur Erfassung der Abgastrübung im Abgasrohr.

Eine Brennkraftmaschine 1 wird durch einen Abgasturbo­ lader 2 aufgeladen, welcher aus einer Abgasturbine 3 und einem Verdichter 4 gebildet wird. Im stationären Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird das Abgas über ein Abgasrohr 5 ins Freie geleitet.

Beim Hochfahren der Brennkraftmaschine 1 kann der Aus­ gang der Abgasturbine 3 über eine Abgasweiche 6 kurz­ fristig vom Abgasrohr 5 abgekoppelt und mit einem Unter­ druckbehälter 7 verbunden werden, so daß die Abgasturbi­ ne 3 in einen Bereich stark verminderten Druckes expan­ dieren kann, wodurch das Enthalpiegefälle zwischen Ein- und Austritt der Abgasturbine 3 sehr stark erhöht wird. Die Abgasweiche 6 kann durch eine Elektronik 8 gesteuert werden, ebenso wie ein Ventil 9, welches zwischen den Unterdruckbehälter 7 und der Saugseite eines Luftpressers 10 eingeschaltet ist. In Zeiten, in denen der Luftpresser nicht für die Erzeugung von Bremsluft benötigt wird, kann er über Ventil 9 den Unterdruckbehälter 7 weitgehend evakuieren.

Der Unterdruckbehälter 7 kann nach Art eines Bremsluftbe­ hälters unter einem Fahrzeugaufbau angebracht werden. Es kann auch vorteilhaft sein, ihn in Form einer Rohrschlange unter dem Fahrzeugaufbau oder in sonstigen verfügbaren Freiräumen anzubringen.

Zur Ansteuerung der Elektronik 8 können Sensoren 11 ver­ wendet werden, welche entweder den Druck in einer Lade­ luftleitung 12 erfassen, oder welche direkt die Abgastrü­ bung im Abgasrohr 5 erfassen.

Fig. 2 zeigt einen Sensor 11, welcher hier als Photozelle oder Photowiderstand ausgebildet ist. Diesem Sensor 11 ist eine Lichtquelle 12 gegenübergestellt, welche das durch Pfeil angegebene Abgase durchstrahlt. Überschreitet die Ab­ gastrübung als Folge von Luftmangel einen vorgegebenen Wert, wird durch die Elektronik 8 (Fig. 1) die Abgas­ weiche 6 umgestellt und die Abgasturbine 3 durch kurz­ zeitige Expansion in den Unterdruckbehälter 7 kräftig an­ gestoßen. Durch den Rückkopplungseffekt zwischen der Abgas­ turbine 3 und der Brennkraftmaschine 1 wird diese weitaus schneller rußfrei hochgefahren, als wenn die Abgasturbine ständig nur mit der Umgebung kommunizieren würde.

Ein Rechenbeispiel soll die Größenordnung des Lei­ stungsgewinns aufzeigen.

Bei der adiabaten Expansion der Abgasturbine von bei­ spielsweise 1,5 bar und 600°C auf einen Umgebungsdruck von 1 bar wird im reinen Stoßverfahren bezogen auf 1 kg Abgas eine Energie von 12 406 J/kg frei.

Expandiert man jedoch vom gleichen Anfangszustand ge­ mäß der Erfindung auf einen Enddruck von beispielsweise 0,2 bar, so wird bezogen auf 1 kg Abgas eine Energie von 166 687 J/kg frei.

Durch die Expansion auf den Druck von 0,2 bar wird das Arbeitsvermögen des Abgases um den Faktor 13 erhöht.

Claims (5)

1. Verfahren zur Beschleunigung eines Abgasturboladers, wobei der Abgasturbolader aus einer Abgasturbine und einem Verdichter gebildet wird und ein Eingang der Ab­ gasturbine mit einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Be­ schleunigungsphase der Brennkraftmaschine (1) ein Ausgang der Abgasturbine (3) mittels einer durch eine Regelein­ richtung (8) gesteuerte Abgasweiche (6) kurzzeitig mit einem Unterdruckbehälter 7 verbunden werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Abgasweiche (6) durch die Regelein­ richtung (8) von der Trübung des Abgases abhängig gemacht wird, derart, daß eine Einspritzmenge an Brennstoff zu­ nächst soweit gesteigert wird bis eine vorgegebene Ab­ gastrübung auftritt und daß erst dann die Verbindung des Ausgangs der Abgasturbine (3) mit dem Unterdruckbehälter (7) herbeigeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Abgasweiche (6) durch die Regelein­ richtung (8) vom Druck in einer Ladeluftleitung (12) ab­ hängig gemacht wird, derart, daß eine Einspritzmenge an Brennstoff zunächst soweit gesteigert wird, als es die in der Ladeluftleitung (12) vorhandenen Luft zuläßt und erst dann die Abgasweiche (6) umgeschaltet wird und eine Verbindung des Ausgangs der Abgasturbine (3) mit dem Unterdruckbehälter (7) herbeiführt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgastrübung durch einen Sensor (11) erfaßt wird, welcher im Abgasrohr (5) angeordnet ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasweiche (6) zwischen Abgasturbine (3) und Abgasrohr (5) angeordnet ist und an diese Abgasweiche (6) der Unterdruck­ behälter (7) angeschlossen ist, daß der Unterdruckbehäl­ ter unter Zwischenschaltung eines Ventils (9) mit einem Luftpresser (10) verbunden ist, und daß sowohl die Ab­ gasweiche (6), als auch das Ventil (9) von der Regelein­ richtung (8) ansteuerbar ist und daß die Regeleinrichtung (8) mit einem Sensor (11) korrespondiert.