EP0131566A1 - Verbrennungsmotor mit einer einrichtung zur vorverdichtung - Google Patents
Verbrennungsmotor mit einer einrichtung zur vorverdichtungInfo
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- EP0131566A1 EP0131566A1 EP19830900485 EP83900485A EP0131566A1 EP 0131566 A1 EP0131566 A1 EP 0131566A1 EP 19830900485 EP19830900485 EP 19830900485 EP 83900485 A EP83900485 A EP 83900485A EP 0131566 A1 EP0131566 A1 EP 0131566A1
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
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- F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
- F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
Definitions
- the invention relates to an internal combustion engine with a device for pre-compressing an ignitable mixture of the air required for combustion and a gaseous or nebulous fuel.
- an exhaust gas turbocharger is used for the pre-compression of the mixture, the temperature of all parts coming into contact with the mixture being kept below the ignition temperature of the mixture.
- a particular advantage of the invention over a device according to DE-PS 733 227 is that the control of the system is possible by simply throttling the mixture immediately before the inlet into the cylinder or the cylinder bank of the internal combustion engine.
- the reduction in the mixture supply leads to a Reduction of the turbine power and thus to a reduced mixture delivery corresponding to the lower power level
- Such a regulation can only be achieved when using separate turbochargers for air and gas by means of two carefully coordinated throttles, but not at all in those devices which have previously been proposed for external mixture compression, since there the performance of the charger is not different Engine power depends and must therefore be controlled separately.
- the relatively high temperature in the compressor housing of the turbocharger has proven to be quite advantageous proven. It leads to the fact that the methanol, which is initially in the form of finely divided droplets, passes into the gas phase, as a result of which the combustion of the mixture is particularly complete.
- Fig. 2 shows a simplified variant.
- turbocharger 3 is a section through a turbocharger which can preferably be used in the context of the invention.
- An optimal mixture of fuel gas and air is supplied to the schematically indicated internal combustion engine 1 via a feed line 15 in a manner to be discussed via the inlet valve 13.
- the exhaust gases leave the internal combustion engine via the valve 14 and the exhaust line 16 via the turbocharger 6, driving the turbine of the turbocharger.
- the supply of the mixture of fuel gas and air according to the invention takes place in such a way that the two components of the mixture are first brought together in a mixing container 8 and pass through a parts catcher 7 into the compressor housing of the turbocharger 6, where they are intimately driven by the compressor wheel rotating at high speed mixed and pressed under pressure into the supply line 15 of the motor.
- the amount of the gas mixture supplied to the internal combustion engine 1 can be regulated via a simple throttle valve. If you reduce the filling of the combustion engines 1 by adjusting the throttle valve 2, the power of the turbocharger 6 automatically drops and the replenishment of the mixture changes in accordance with the selected throttle position. In order to prevent premature ignition of the combustible mixture, an aftercooler 4 is provided in the feed line 15, through which cooling water flows. Flame back from the combustion chamber of the internal combustion engine 1 is prevented by a flame protection screen 3. If, despite all the precautionary measures in the supply line 15, an undesired combustion occurs, the pressure relief valve 5 prevents the occurrence of damage, and a flame protection screen in the pressure relief valve 5 also prevents the outward penetration of flames.
- the embodiment according to FIG. 2 differs from the first embodiment primarily in that the valve 10 can be used to add an additional fuel to the already ignitable gas mixture in order to optimize the mixing ratio.
- the flame protection screen is integrated in the aftercooler in such a way that the noise is passed through spaces that are so narrow that a flame does not penetrate.
- a pressure relief valve is dispensed with because of the lower flammability of the mixture; only a non-return valve 12 ensures the separation of the turbocharger 6 from the feed line for the premixed gas.
- FIG. 3 an exhaust gas turbocharger 6 is shown in detail, as it can be used in connection with the invention.
- the rotor consists of a turbine wheel 23 which is mounted on a shaft 31. This
- Turbine wheel 23 is fed through a water-cooled turbine housing 24 at 25, the hot exhaust gas of internal combustion engine 1, whereby the turbine is set in rotation.
- the exhaust gas is discharged at 26.
- the transfer of the exhaust gas temperature via the shaft 31 to the ignition Above left part of the system through capable gas mixture prevents the supply of cooling oil via the feed line 27.
- This coolant cools the bearings 3, 3 'and flows off at 28.
- the ignitable mixture is introduced through the inlet 29 into the compressor housing 17, where it is mixed and compressed by the compressor wheel 18. At 30, it flows into the feed line 15 of the internal combustion engine 1.
- a blocking pressure chamber 20 is provided in the exemplary embodiment shown, which is delimited on the one hand by the compressor housing 17 and on the other hand by a partition wall 19 surrounding the shaft 31. Exhaust gas that can be cooled in a heat exchanger 22 can be fed into this barrier pressure space 20 via a line 21. In general, however, it is sufficient to cool the extremely small amounts of exhaust gas that are supplied here, the supply line 21 as a cooling coil, which is cooled by the ambient air. The pressure of the exhaust gas in the barrier pressure chamber 29 leads to leakage losses in this area
- the parts of the compressor housing 17 and the compressor wheel 18 which are moved relative to one another consist of a material which, when rubbed or struck, that is to say in the event of a defect, does not generate any sparks, for example aluminum.
- the temperature of all parts with which the ignitable mixture supplied at 29 can come into contact is substantially below the ignition temperature of the mixture, for example 350 ° C.
- a certain warming of the mixture can be quite advantageous, since it completely evaporates the liquid droplets in nebulous fuels, in particular that of methanol, and thus contributes to a streak-free mixing of combustion air and fuel.
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Description
Verbrennungsmotor mit einer Einrichtung zur Vorverdichtung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit einer Einrichtung zur Vorverdichtung eines zündfähigen Gemisches aus der zur Verbrennung notwendigen Luft und einem gas- oder nebeiförmigen Brennstoff.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Insbesondere bei Gasmotoren läßt sich unter normalen Verhältnissen kein so hoher mittlerer Arbeitsdruck erreichen, wie etwa bei Diesel-Motoren. Um die erreichbare Leistung zu erhöhen, ist es zweckmäßig, den Motor aufzuladen, wobei die zum Antrieb der Gebläse erforderliche Leistung von einer Abgasturbine geliefert wird. Nach einem bekannten derartigen Vorschlag (vgl. DE-PS 733 227) wird von der Abgasturbine sowohl ein Luftgebläse wie ein Gasgebläse angetrieben. Die angestrebte gute Mischung von Gas und Luft soll dabei dadurch erreicht werden, daß Gas und Luft nach ihrer Verdichtung, aber noch vor den Arbeitszylindern, gemischt werden.
Eine gemeinsame Verdichtung von Gas und Luft durch den vorhandenen Turbolader wurde bei Einrichtungen gemäß DE-PS 733 227 nie ins Auge gefaßt. Dem offensichtlichen Vorteil einer solchen Maßnahme, nämlich der Einsparung eines Pumpenrades, steht ja auch ein ebenso offensichtlicher Nachteil, nämlich die erhöhte Entzündungsgefahr bei Förderung eines zündfähigen Gemisches durch einen im Turbinenbereich kirschrot glühenden Turbolader, entgegen.
Soweit die gemeinsame Verdichtung eines Gemisches aus Verbrennungsluft und gas- oder nebeiförmigem Brennstoff bereits vorgeschlagen worden ist (vgl. Knörnschild in
"ATZ Automobiltechnische Zeitschrift" , Jahrgang 1943, Seite 454) wurde hiefür kein Turbolader vorgesehen und insgesamt diese nur theoretisch erörterte Möglichkeit schon wegen der erwarteten Verunreinigung des Laders durch Teer usw. eher negativ beurteilt.
Aufgabe der Erfindung
Trotz der offensichtlich hiegegen bestehenden Bedenken wurden von der Anmelderin Versuche durchgeführt, bei denen die Aufladung eines Gasmotors mittels ines Abgasturboladers erfolgte, der ein zündfähiges Gemisch aus Luft und nebeiförmigem Brennstoff verdichtete. Es zeigte sich dabei, daß die zur Verringerung der Entzündungsgefahr anzuwendenden Maßnahmen nicht sehr aufwendig waren, zumal ihnen erhebliche Einsparungen durch Vereinf chung der Steuereinrichtung gegenüber stehen. Vor allem aber zeigte sich, daß gegenüber einer konventionellen äußeren Gemischbildung eine Leistungssteigerung erzielt werden konnte, als deren Ursache die hohe Homogenität des Gemisches anzusehen ist, die der Turbolader bewirkt.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, daß zur Vorverdichtung des Gemisches ein Abgasturbolader dient, wobei die Temperatur aller mit dem Gemisch in Berührung kommenden Teile unter der Entzündungstemperatur des Gemisches gehalten wird.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung gegenüber einer Einrichtung gemäß DE-PS 733 227 liegt darin, daß die Steuerung der Anlage durch einfache Drosselung des Gemisches unmittelbar vor dem Einlaß in den Zylinder bzw. die Zylinderreihe des Verbrennungsmotors möglich ist. Die Verringerung des Gemischangebotes führt zu einer
Verringerung der Turbinenleistung und damit zu einer entsprechend der geringeren Leistungsstufe verringerten Gemischförderung. Eine derartige Regelung ist bei Verwendung von getrennten Turboladern für Luft und Gas nur durch zwei sorgfältig aufeinander abgestimmte Drosseln zu erzielen, bei jenen Einrichtungen hingegen, die bisher schon zur äußeren Gemischverdichtung vorgeschlagen worden sind, überhaupt nicht, da dort die Leistung des Laders nicht von der Motorleistung abhängt und daher gesondert gesteuert werden muß .
Die Vermeidung einer ungewollten Entzündung des Gemisches kann zunächst durch Verwendung eines an sich bekannten wassergekühlten Turboladers erleichtert werden. Durch geeignete Wahl der gegeneinander bewegten Teile läßt sich zudem verhindern, daß Funken auftreten, welche das Gemisch entzünden könnten. Im übrigen empfiehlt es sich, dafür Sorge zu tragen, daß ein Bereich, in dem eine Entzündung nicht gänzlich auszuschließen ist, durch Flammschutzsiebe begrenzt ist, sodaß eine Ausbreitung des Verbrennungsvorganges über diesen Bereich hinaus mit Sicherheit vermieden wird.
Besondere Sorgfalt wird darauf zu verwenden sein, ein Ausströmen des entzündungsfähigen Gemisches in jenen Bereich des Turboladers zu vermeiden, in welchem dieser durch die Abgase weit über die Entzündungstemperatur des Gemisches erhitzt ist. Insbesondere kann in diesem Zusammenhang die Verwendung eines Inertgases, beispielsweise von gekühltem Abgas, vorgesehen sein, um im Dichtungsbereich eine Strömung in Richtung des zündfähigen Gemisches zu erzeugen, welche das Ausfließen des Gemisches unmöglich macht.
Insbesondere bei Verwendung von Methanol als Brennstoff hat sich übrigens die relativ hohe Temperatur im Verdichtergehäuse des Turboladers als durchaus vorteilhaft
erwiesen. Sie führt nämlich dazu, daß das zunächst in Form feinverteilter Tröpfchen vorliegende Methanol in die Gasphase übergeht, wodurch die Verbrennung des Gemisches besonders vollständig wird.
Beschreibung der Zeichnungsfiguren
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anschließend anhand der Zeichnungen erläutert.
Dabei stellt
Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine vereinfachte Variante dar.
Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen im Rahmen der Erfindung bevorzugt verwendbaren Turbolader.
Dem schematisch angedeuteten Verbrennungsmotor 1 wird ein optimales Gemisch von Brenngas und Luft über eine Zuleitung 15 in noch zu besprechender Weise über das Einlaßventil 13 zugeführt. Die Abgase gelangen aus dem Verbrennungsmotor über das Ventil 14 und die Abgasleitung 16 über den Turbolader 6 ins Freie, wobei sie die Turbine des Turboläders antreiben.
Die erfindungsgemäße Zufuhr des Gemisches aus Brenngas und Luft erfolgt in der Weise, daß zunächst die beiden Komponenten des Gemisches in einem Mischbehälter 8 zusammengeführt werden und durch einen Teilefänger 7 in das Verdichtergehäuse des Turboladers 6 gelangen, wo sie durch das mit hoher Drehzahl umlaufende Verdichterrad innig vermischt und unter Druck in die Zuleitung 15 des Motors gepreßt werden.
Die Menge des dem Verbrennungsmotor 1 zugeführten Gasgemisches kann über eine einfache Drosselklappe geregelt werden. Verringert man die Füllung des Verbrennungs
motors 1 durch Verstellen der Drosselklappe 2, so sinkt automatisch die Leistung des Turboladers 6 und der Nachschub an Gemisch verändert sich entsprechend der gewählten Drosselstellung. Um eine vorzeitige Entzündung des brennbaren Gemisches zu verhindern, ist in der Zuleitung 15 ein Nachkühler 4 vorgesehen, der von Kühlwasser durchflössen ist. Ein Rückschlagen von Flammen aus dem Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 1 wird durch ein Flammschutzsieb 3 verhindert. Sollte es trotz aller VorSichtsmaßnahmen in der Zuleitung 15 zu einer ungewollten Verbrerihung Tcommen, verhindert das Überdruckventil 5 das Entstehen eines Schadens, wobei zudem ein Flammschutzsieb im Überdruckventil 5 das Nachaußendringen von Flammen unterbindet.
Die Ausführung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der ersten Ausführung vor allem insofern, als durch das Ventil 10 dem bereits zündfähigen Gasgemisch ein Zusatzbrennstoff zur Optimierung des Mischungsverhältnisses beigefügt werden kann. Das Flammschutzsieb ist hier in den Nachkühler in der Weise integriert, daß das Geraisch durch Zwischenräume geleitet wird, die so eng sind, daß eine Flamme nicht durchschlägt. Auf ein Überdruckventil ist wegen der geringeren Brennbarkeit des Gemisches verzichtet, lediglich eine Rückschlagsicherung 12 sorgt für die Trennung des Turboladers 6 von der Zufuhrleitung für das vorgemischte Gas.
In Fig. 3 ist im Detail ein Abgasturbolader 6 dargestellt, wie er im Zusammenhang mit der Erfindung Verwendung finden kann. Der Läufer besteht dabei aus einem Turbinenrad 23, das auf einer Welle 31 gelagert ist. Diesem
Turbinenrad 23 wird durch ein wassergekühltes Turbinengehäuse 24 bei 25 das heiße Abgas des Verbrennungsmotors 1 zugeführt, wodurch die Turbine in Drehung versetzt wird. Die Ableitung des Abgases erfolgt bei 26. Die Übertragung der Abgastemperatur über die Welle 31 auf den von zünd
fähigem Gasgemisch durchströmten linken Teil der Anlage verhindert vor allem die Zuführung von Kühlöl über die Zuleitung 27. Dieses Kühlmittel kühlt die Lager 3,3' und fließt bei 28 ab. Das zündfähige Gemisch wird durch den Einlaß 29 in das Verdichtergehäuse 17 eingeführt und dort durch das Verdichterrad 18 durchmischt und komprimiert. Bei 30 strömt es in die Zuleitung 15 des Verbrennungsmotors 1 ab. Um zu verhindern, daß brennbares Gas mit hocherhitzen Teilen der Anlage in Berührung kommt, ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein Sperrdruckräum 20 vorgesehen, der einerseits durch das Verdichtergehäuse 17, andererseits durch eine die Welle 31 umgebende Schottwand 19 begrenzt ist. In diesen Sperrdruckraum 20 ist über eine Leitung 21 Abgas zuführbar, das in einem Wärmetauscher 22 gekühlt werden kann. Im allgemeinen genügt es jedoch, zur Kühlung der äußerst geringen Abgasmengen, die hier zugeführt werden, die Zuleitung 21 als Kühlschlange auszubilden, welche von der Umgebungsluft gekühlt wird. Der Druck des Abgases im Sperrdruckraum 29 führt dazu, daß Leckverluste aus diesem Bereich in
Richtung des Verdichterrades 18 erfolgen, daß also kein zündfähiges Gemisch in den Bereich des Turbinenrades 23 gelangen kann.
Wie erwähnt, bestehen die gegeneinander bewegten Teile des Verdichtergehäuses 17 und des Verdichterrades 18 aus einem Material, das bei reibender oder schlagender Berührung, also im Falle eines Defektes, keine Funken erzeugt, beispielsweise aus Aluminium.
Die Temperatur aller Teile, mit denen das bei 29 zugeführte zündfähige Gemisch in Berührung kommen kann, liegt wesentlich unter der beispielsweise 350°C betragenden Entzündungstemperatur des Gemisches. Eine gewisse Erwärmung des Gemisches kann hingegen durchaus vorteilhaft sein, da sie die vollständige Verdampfung der Flüssigkeitströpfchen in nebeiförmigen Brennstoffen, insbeson
dere von Methanol, fördert und somit zu einer schlierenfreien Durchmischung von Verbrennungsluft und Brennstoff beiträgt.
Claims
1. Verbrennungsmotor mit einer Einrichtung zur Vorverdichtung eines zündfähigen Gemisches aus der zur Verbrennung notwendigen Luft und einem gas- oder nebelförmigen Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorverdichtung des Gemisches ein Abgasturbolader (6) dient, wobei die Temperatur aller mit dem Gemisch in Berührung kommenden Teile unter der Entzündungstemperatur des Gemisches gehalten wird.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasturbolader (6) wassergekühlt ist.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Gemisch bestrichenen bewegten Teile des Abgasturboladers (6) aus Aluminium oder Buntmetall bzw. einer Legierung davon bestehen.
4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasturbolader (6) vom Verbrennungsmotor ( 1 ) durch mindestens ein Flammschutzsieb (3) od. dgl. getrennt ist.
5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach dem Abgasturbolader (6) angeordneter Nachkühler (11) für das Gemisch mit so engen Durchlässen für das Gemisch versehen ist, daß er als Flammschutzsieb wirkt.
6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Gemisch durchströmte Teil des Abgasturboladers (6) durch eine Wellendichtung (13) mit Leckverlust gegen die Turbinenseite des Abgasturboladers (6) abgedichtet ist, an welche ein Hohlraum (14) anschließt, in welchem ein inertes Medium auf einer Temperatur unter der Zündtemperatur des Gemisches und auf einem höheren Druck als dieses gehalten wird.
7. verbrennungsmotor nach Anspruch 6 , dadu rch gekenn zeichnet, daß als inertes Medium z.B. durch eine Kühl schlange ( 11 ) gekühltes Abgas dient.
8. verhrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurchh gekennzeichnet, daß die Temperatur im Abgas turbolader (6) oberhalb der Verdampfungstemperatur
des als Brennstoff dienenden Methanols liegt.
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1984
- 1984-01-25 EP EP84890022A patent/EP0117864A1/de not_active Ceased
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| WO1984002955A1 (en) | 1984-08-02 |
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