DE953129C

DE953129C - Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftkolbenmaschine

Info

Publication number: DE953129C
Application number: DEM17607A
Authority: DE
Inventors: Hans Seifert; Dr-Ing Wilhelm Vogel
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1953-03-06
Filing date: 1953-03-06
Publication date: 1956-11-29

Description

Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftkolbenmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Be:-trieb. einer Brennkraftkolbenmaschine mit Rufladung durch ein Abgasturboaggregat und Kühlung der Ladeluft in einem Ladeluftkühler und einer diesem nachgeschalteten Expansionsturbine. Es ist an sich bekannt, daß die Grenze der Leistungserhöhung einer aufgeladenen Brennkraftkodbenmaschine zu einem wesentlichen Teil von der verwendeten Kühleinrichtung abhängig ist. Insbesondere die Kolben, aber auch die Ventile und Einspritzdüsen werden im Betrieb durch, die heißen Verbrennungsgase sehr stark erwärmt und sind demzufolge thermisch sehr hoch belastet. Man .ist daher bemüht, die dort aufgenommene Wärmemenge so weit durch Kühlung abzuführen, als dies im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Anlage wirtschaftlich überhaupt tragbar erscheint. Bei Großmotoren kann dies durch eine intensive Wasserkühlung der genannten Maschinenteile bewirkt werden; bei kleineren Motoren ist z,var wegen des günstigeren Verhältnisses von Kühlfläche zur Motorleistung die Wärmeabfuhr besser, aber eine Flüssigkeitszusatzkühlung ist dort meist nicht mehr möglich.
Es ist auch bekannt, zum Zwecke der Leistungssteigerung die Eintrittstemperatur der Ladeluft künstlich abzusenken. Man läßt z. B. dieselbe vor ihrem Eintritt in die Arbeitszylinder der Brennkraftkolbenmaschine durch einen Ladeluftkühler strömen oder kühlt sie mittels einer Absorptions-oder einer Kompressionskältemaschine ab-. Der Antrieb, der Kältemaschine erfolgt dabei entweder direkt vom Motor selbst oder durch eine Abgasturbine. Die erzielbare Temperaturabsenkung ist jedoch mit den bisher bekannten Einrichtungen nicht so groß, daß etwa auch Ladelufttemperaturen unter dem Nullpunkt erreichbar wären. Man hat auch schon vorgeschlagen, durch Expansion eines verdichteten Arbeitsmittels in einer Expansionsturbine die Temperatur abzusenken. Ebenso ist die gleichzeitige Verwendung eines Ladeluftkühlers und einer diesem nachgeschalteten Expansionsturbine bekannt. Diese bekannten Anordnungen haben jedoch dzn Nachteil, daß im Bereich niederer Drehzahlers und insbesondere während des Anlaßvorganges die Anlage unwirtschaftlich arbeitet, so, wohl was den Verdichter als auch die Expansionsturbine betrifft.
Zur Behebung dieses Mangels wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Brennkraftkolbenmaschine mit Aufladung durch ein Abgasturboaggregat und Kühlung der Ladeluft in, einem Ladeluftkühler und einer diesem nachgeschalteten Expansionsturbine in der Weise zu betreiben, daß die Expansionsturbine während des Anlaßvorganges der Gesamtanlage abgeschaltet ist und erst bei einer bestimmten Umdrehungszahl der Bren.nkraftmaschine durch eine schaltbare Kupplung zugesdmltet wird.
Abgasturbine und Ladeluftverdichter sind dabei in an sich bekannter Weise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und mit der Welle der Expansionsturbine durch eine ausrückbare Kupplung verbunden, wobei die einzelnen Teile in der Reihenfolge Abgasturbine, Verdichter, Ladeluftkühler, Expansionsturbine angeordnet sind. Der Ladeluftkühler kann dabei entweder unmittelbar in den geraden Strömungsweg des Arbeitsmittels zwischen Ladeluftverdichter und Expansionsturbine eingeschaltet oder konzentrisch um den Mantel des Verdichters herum angeordnet sein. Um einerseits den Wärmetransport vom Verdichter zur Expansionsturbine einzuschränken, und andererseits die Eigenfrequenz der Läuferwelle möglichst hoch legen zu können, wird zumindest das Wellenteilstück innerhalb des Ladeluftkühlers, d. h. zwischen Ladeluftverdichter und Expansionsturbine als Hohlwelle ausgebildet. Es ist aber auch möglich, die gesamte Welle des Zusatzaggregates hohl auszuführen, sofern dies im Hinblick auf ihre mechanischen Belastungen tragbar erscheint. Da sich die Temperaturen des Arbeitsmittels im Ladeluftverdichter und insbesondere in der Expansionsturbine in verhältnismäßig niedrigen. Bereichen bewegen, ist eis weiter noch möglich, die Beschaufelung derselben aus Leichtmetall herzustellen. Um zu vermeiden, da.ß bei Vorhandensein von Feuchtigkeit in dem angesaugten Ladeluftstrom sich während des Expansionsvorganges in der Expansionsturbine etwa Eis bildet, wird zwischen dem Ladeverdichter und der Entspannungsturbine eine Feuchtigkeits- oder Wasserabscheideeinrichtung bekannter Bauart angeordnet. Der Verdichtungsvorgang im Ladeluftverdichter kann sowohl ein- oder zweistufig durchgeführt werden. Bei einer zweistufigenVerdichtung, bei welcher in bekannter Weise zwischen den beiden Stufen eine Rückkühlung des Arbeitsmittels stattfinden. kann, wird zweckmäßigerweise die erste Verdichtereinhei.t mechanisch mit der Brennkraftkolbenmaschine gekuppelt, während der zweite Verdichter von einer Abgasturbine angetrieben wird.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Betriebsverfahrens nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt F.ig. 1 ein Schaltschema einer aufgeladenen Brennkraftrnaschinenanlage mit Expansionsturbine und zweistufigem Ladeluftverdichter, wobei die erste Stufe in gestrichelten Linien angedeutet ist, Fig. 2 eine konstruktive Ausbildung einer Anlage mit einstufiger Verdichtung im Schnitt, Fig. 3 eine konstruktive Ausbildung, wobei der Ladeluftkühler ringförmig um den Lade@luftverdichter herum angeordnet ist Die Fig. i zeigt schematisch eine Ausbildung der Kraftanlage, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Der Verdichtungsvorgang wird dabei zweistufig in getrennten Verd:ichtereinheiten durchgeführt. Der Verdichter i i saugt die Ladeluft aus der Umgebung an. Bevor sie in die zweite Verdichterstufe, den Verdichter 12 eintritt, wird, ihr die Kompressionswärme des ersten Verdichtungsvorganges in einem Zwischenkühler 13 entzogen. Nach erfolgter Endverdichtung wird, die Ladeluft wiederum zum Zwecke der Temperaturabsenkung einem. Rückkühler 14 zugeleitet. Um zu verhindern, da.ß sich bei der nachfolgenden Expansion in der Expansionsturbine 15 eine schädliche Eisbildung einstellen kann, ist dem Rückkühler 14. eine Wasserabscheideeinrichtung 16 nachgeschaltet. Nach ihrer Entspannung und intensiven Unterkühlung strömt die Ladeluft der Brennkraftmaschine 17 zu, deren. Abgas schließlich die Abgasturbine- 18 beaufschlagt. Bei der Anordnung nach Fig. i wird die erste Verdichtereinheit (Verdichter i i) direkt von der Brennkraftmaschine 17 angetrieben; er ist zu diesem Zwecke über eine mechanische Kupplung und ein Getriebe mit der Kurbelwelle verbunden. Der Verdichter 12 dagegen und, die Expansionsturbine 15 sind auf der gleüchen Welle wie die Abgasturbine 18 angeordnet und werden. von dieser aus angetrieben.
In Fig.2 ist die konstruktive Ausbildung der Brenukraftmaschinenanlage nach Fig. i im Schnitt abgebildet. Expansionsturbine 22, Ladeverdichter 21 und Abgasturbine 23 sind auf einer gemeinsamen Läuferwelle 24 axial hintereinander angeordnet. Der Ladeluftkühler 25 schließt unmittelbar an den Ladeluftverdichter 21 an, so.daß die Verbrennungsluft ohne jegliche Umlenkung in direkter achsparalleler Richtung der Expansionsturbine 22 zuströmen kann. Aus Gründen der Wärmeisolation und aus schwingungstechnischen Rücksichten ist das Teilstück 26 der Läuferwelle 24 als Hohlwelle ausgebildet.
Die Fig. 3 zeigt eine andere konstruktive Ausbildung det Kraftanlage nach Fig. i ; diese zeichnet sich durch eine sehr geringe axiale Erstreckung des Zusatzaggregates aus. Die geringe Baulänge wird dadurch erreicht, daß der Ladeluftverdichter 3 i und der Ladeluftkühler 32 zu einer einzigen baulichen Einheit vereinigt sind, und zwar in der Weise, daß letzterer ringförmig um den Mantel des Ladeluftverdichters herum angeordnet ist. Von der Expansionsturbine 33 aus wird die unterkühlte -Ladeluft der Brennkraftkolbenmaschine zugeführt. Die Abgasturbine, in der die heißen Abgase z. B. eines Dieselmotors entspannt werden, ist mit 34 bezeichnet. Ladeluftverdichter 31, Expansionsturbine 33 und Abgasturbine 34 sind wiederum auf einer gemeinsamen Läuferwelle 35 angeordnet.
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Schaltkupplung ist in allen Abbildungen mit 36 bezeichnet.

Claims

PATEN TA.NSPRÜGHE: i. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftkolbenmaschine mit Aufladung durch ein Abgasturboaggregat und Kühlung der Ladeluft in, einem. Lade luftkühler und einer diesem nachgeschalteten Expansionsturbine, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsturbine während. des Anlaßvorganges der Gesamtanlage abgeschaltet ist und erst bei einer bestimmten Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine durch eine schaltbare Kupplung zugeschaltet wird. z. Brennkraftmaschinenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß Abgasturbine (5,.18 23, 34) und Ladeluftverdichter (i, 12, 21) in an sich bekannter Weise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und mit der Welle der Expansionsturbine (3, 15, 22, 33) durch eine ausrückbare Kupplung verbunden sind, wobei die einzelnen Teile in der Reihenfolge Abgasturbine, Verdichter, Ladeluftkühler und Expansionsturbine gleichachsig angeordnet sind. 3. Brennkraftmaschinenanlage zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeluftkühler (32) in an sich bekannter Weise den Ladeluftverdichter (3i) konzentrisch umschließt. 4. Brennkraftmaschinenanlage zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwelle (24) zumindest innerhalb des Ladeluftkühlers (25) als Hohlwelle ausgebildet ist. 5. Brennkraftmaschinenanlage zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, d aß die Beschaufelung des Ladeluftverdichters (i, 1i, 12, 2i, 3i) und/oder der Expansionsturbine (3, 152 22, 33) aus Leichtmetall ausgeführt ist. 6. Brennkra,ftmaschinenanlage zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ladeluftkühler (i4) und der Expansionsturbine (i5) eine Feuchtigkeits- oder Wasserabscheideeinrichtung (i6) bekannter Bauart angeordnet ist. Brennkraftmaschinenan.lage zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeluftverdichter zweistufig ausgebildet ist, wobei in bekannter Weise die erste Stufe (i i) mit der Brennkraftkolbenmaschine (i7) mechanisch gekuppelt ist und die zweite Stufe (i2) von einer Abgasturbine (i8) angetrieben wird-8. Bnennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten (i i) und dem zweiten Verdichter (i2) ein Kühler bekannter Bauart (i3) angeordnet ist. In Betracht gezogene.Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 273 503; französische Patentschriften Nr. 979 01o, 992507.