DE1040839B

DE1040839B - Diesel internal combustion engine, especially for locomotives or railcars, with exhaust gas turbocharger and with fuel and air supply to the exhaust gases

Info

Publication number: DE1040839B
Application number: DED13550A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Erwin Schiedt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1952-11-11
Filing date: 1952-11-11
Publication date: 1958-10-09

Description

Diesel-Brennkraftmaschine, insbesondere für Lokomotiven oder Triebwagen, mit Abgasturbolader und mit Brennstoff- und Luftzuführung zu den Abgasen Die Erfindung bezieht sich auf eine Diesel-Brennkra,ftmaschine, insbesondere für Lokomotiven oder Triebwagen, mit Aufladung durch Abgasturbolader und zusätzlicher Zuführung von Zusatzbrennstoff und Zusatzluft zu den Abgasen vor deren Verwendung zum Antrieb des Abgasturboladers, wobei die hierfür erforderliche Luft- und Brennstoffmenge unabhängig von der Regelung der Brennstoffeinspritzpumpe geregelt werden.Diesel internal combustion engine, especially for locomotives or railcars, with exhaust gas turbocharger and with fuel and air supply to the exhaust gases The invention refers to a diesel fuel engine, especially for locomotives or Railcar, with charging by exhaust gas turbocharger and additional supply of additional fuel and additional air to the exhaust gases before they are used to drive the exhaust gas turbocharger, The amount of air and fuel required for this is independent of the regulation controlled by the fuel injection pump.

Durch die an sich bekannte Aufheizung der Abgase mittels Zusatzeinspritzung vor dem Eintritt in die Abgasturbine ist eine wesentliche Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades erreichbar. Die Abgase werden hierbei auf hoheTemperatur, z. B. 600 bis 700° C, gebracht. Infolge dieser zusätzlichen Aufheizung übersteigt jedoch im allgemeinen die Turbinenleistung den für einen Lader erforderlichen Kraftbedarf.Due to the known heating of the exhaust gases by means of additional injection Before entering the exhaust gas turbine, there is a significant improvement in turbine efficiency accessible. The exhaust gases are here at high temperature, e.g. B. 600 to 700 ° C, brought. As a result of this additional heating, however, generally exceeds the turbine power the power required for a charger.

Es ist bereits bekannt, die Abgase zum Antrieb eines Kühllüfters auszunutzen. Die Erfindung sieht nun eine besonders zweckmäßige und für den Wirkungsgrad der Maschine besonders günstige Ausnutzung der Abgase vor und besteht im wesentlichen darin, daß bei Ausnutzung der Abgase zum Antrieb eines Kühllüfters zusätzlich zu einer vorzugsweise getrennt voneinander erfolgenden, an sich bekannten drehzahlabhängigen Regelung von Zusatzbrennstoff und Zusatzluft diese gleichzeitig in Abhängigkeit von der Motortemperatur derart geregelt werden, daß mit steigender Motortemperatur die Menge der Zusatzluft und des Zusatzbrennstoffes erhöht wird.It is already known to use the exhaust gases to drive a cooling fan. The invention now provides a particularly useful and effective for the Machine particularly favorable utilization of the exhaust gases before and essentially consists in that when the exhaust gases are used to drive a cooling fan in addition to one which is preferably carried out separately from one another and is known per se speed-dependent Control of additional fuel and additional air as a function of these at the same time be controlled by the engine temperature in such a way that with increasing engine temperature the amount of additional air and fuel is increased.

Es sind zwar Brennkraftmaschinenanlagen mit Abgasgebläse bekannt, bei welchen die zur zusätzlichen Verbrennung der Abgase geförderte Ladeluft sowie die Brennstoffmenge gemeinsam durch den Druck der Ladeluft wie auch drehzahlabhängig geregelt werden. Hierdurch ist aber eine unter Umständen sehr erwünschte verschiedenartige Regelung von Zusatzluft und Zusatzbrennstoff nicht möglich, und andererseits ist bei dieser Regelung auch nicht der Antrieb eines Kühllüfters durch die Abgase vorgesehen bzw. den besonderen Bedingungen eines solchen Antriebes oder auch eines gemeinsamen Antriebes eines Gebläses und eines Kühllüfters Rechnung getragen. Während z. B. im Leerlauf die von der Maschine gelieferte Abgasmenge auch bei zusätzlicher Aufheizung im allgemeinen nicht ausreicht. um Lader und Lüfter mit Hilfe der Abgasturbine anzutreiben, wird eine besonders große Frischluftmenge von den Abgasen dann benötigt, wenn die Drehzahl der Maschine sehr niedrig ist und zugleich ein großer Kühlluftbedarf, etwa beim Halten nach einer längeren Bergfahrt, vorliegt.Although internal combustion engine systems with exhaust fans are known, in which the charge air promoted for additional combustion of the exhaust gases as well as the amount of fuel based on the pressure of the charge air as well as speed be managed. This, however, is a very varied one under certain circumstances Control of additional air and additional fuel is not possible, and on the other hand is In this scheme, a cooling fan is not driven by the exhaust gases or the special conditions of such a drive or a common one Drive a blower and a cooling fan taken into account. While z. B. the amount of exhaust gas delivered by the machine when idling, even if it is additionally heated generally not enough. to drive the loader and fan with the help of the exhaust gas turbine, a particularly large amount of fresh air is required from the exhaust gases when the The speed of the machine is very low and at the same time a large amount of cooling air is required, for example when stopping after a long journey uphill.

Diesen Anforderungen wird die Erfindung in besonderem Maße gerecht. So wird durch sie vor allem der Vorteil erzielt, daß auch bei niedriger Fahrgeschwindigkeit und relativ schnell laufendem Motor, insbesondere also bei Bergfahrt, eine erhöhte Leistung der Abgasturbine für die Kühlung der Maschine zur Verfügung steht. Auch ergänzen sich Ladegebläse und Lüfter hinsichtlich ihres Leistungsbedarfes in günstiger Weise. Die Verwendung getrennter Regelvorrichtungen hat des weiteren den Vorteil, daß die beiden Betriebsmittel, Zusatzbrennstoffmenge und Zusatzluftmenge, in ihrem Verhältnis zueinander leichter verschieden bemessen werden können, was z. B. bei Verwendung verschiedener Brennstoffarten unter Umständen erforderlich ist. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung im Gegensatz zu bekannten Abgasaufladeanlagen eine niedrige thermische Belastung der Brennkraftmaschine bei trotzdem gutem Gesamtwirkungsgrad, insbesondere jedoch dann, wenn die Maschine mit hohem Aufladedruck bzw. großem Luftüberschuß gefahren wird.The invention meets these requirements to a particular degree. The main advantage achieved by them is that even at low driving speeds and a relatively fast running engine, especially when driving uphill, an increased Power of the exhaust gas turbine for cooling the machine is available. Even The charging fan and fan complement each other more favorably in terms of their power requirements Way. The use of separate control devices has the further advantage of that the two resources, additional fuel and additional air, in their Ratio to each other can be measured differently, what z. B. at Use of different types of fuel may be required. Simultaneously In contrast to known exhaust gas charging systems, the invention enables a low thermal load on the internal combustion engine with nevertheless good overall efficiency, but especially if the machine has a high boost pressure or a large excess of air is driven.

Es kann hierbei ein und derselbe Abgasturbolader in an sich bekannter Weise einerseits zur Aufladung der Brennkraftmaschine und andererseits zur Förderung der Zusatzluft zu einer Brennkammer dienen, oder es können, wie an sich ebenfalls bekannt, die Abgase in zwei Stufen, insbesondere in an sich bekannter Weise, in zwei Abgasturbinen ausgenutzt werden, und zwar vorzugsweise derart, da.ß die Hochdruckstufe in an sich bekannter Weise den Lader und die Niederdruckstufe den Kühllüfter antreibt. Die zweistufige Ausbildung der Abgasturbine läßt eine besonders weitgehende Ausnutzung der den Abgasen noch innewohnenden Energien zu, wobei durch Anordnung getrennter Laufräder der Betrieb den günstigsten Bedingungen besonders leicht angepaßt werden kann.In this case, one and the same exhaust gas turbocharger can be used in a manner known per se Way on the one hand to charge the internal combustion engine and on the other hand to promote serve the additional air to a combustion chamber, or it can, as per se as well known, the exhaust gases in two stages, in particular in a manner known per se, in two exhaust gas turbines are used, preferably in such a way that the high pressure stage in a manner known per se, the charger and the low-pressure stage drives the cooling fan. The two-stage design of the exhaust gas turbine allows a particularly extensive utilization of the energies still inherent in the exhaust gases, whereby separated by arrangement Impellers the operation can be adapted particularly easily to the most favorable conditions.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für die Regelung des Zusatzbrennstoffes ein durch den Ladedruck und die 1@Iotortemperatur beeinflußtes Regelorgan vorgesehen, welches bei Erhöhung des Ladedruckes bzw. Erhöhung der Motortemperatur die Zusatzbrennstoffmenge vergrößert. während die Zusatzluftleitung vorzugsweise an die Ladedruckleitung angeschlossen ist und ein durch die Motordrehzahl und die Motortemperatur beeinflußtes Regelorgan enthält, das bei Verringerung der Drehzahl bzw. Erhöhung der Motortemperatur die Zusatzluftmenge vergrößert.In a particularly preferred embodiment of the invention is for the regulation of the additional fuel by the boost pressure and the 1 @ iotortemperature influenced control element provided, which when increasing the boost pressure or increase the engine temperature increases the amount of additional fuel. while the auxiliary air line is preferably connected to the boost pressure line and one through the engine speed and contains the engine temperature influenced control element, which when reducing the Speed or increase in engine temperature increases the additional air volume.

Es ist zwar bekannt, mit sinkender Motordrehzahl die Zusatzluftmenge und die Zusatzbrennstoffmenge zu erhöhen, doch reicht eine solche Abhängigkeit der Regelung nicht aus, um eine befriedigende Anpassung der Anlage an die verschiedenen Betriebsbedingungen und eine höchstmögliche Ausnutzung der den Abgasen noch innewohnenden Energien zu erreichen.It is known that the amount of additional air increases with decreasing engine speed and to increase the amount of additional fuel, but such a dependency is sufficient Regulation is not sufficient to ensure a satisfactory adaptation of the system to the various Operating conditions and maximum possible utilization of those still inherent in the exhaust gases Energies to achieve.

Die Erfindung ist besonders für Zweitaktdieselmaschinen von Bedeutung, jedoch auch für Viertaktdieselmaschinen mit Vorteil anwendbar, vor allem dann, wenn besonders hochtemperaturbeständige Werkstoffe für die Turbine vorgesehen werden.The invention is particularly important for two-stroke diesel engines, however, it can also be used to advantage for four-stroke diesel engines, especially when Particularly high-temperature-resistant materials are provided for the turbine.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung in Fig. 1 und 2 dargestellt.In the drawing, two exemplary embodiments of the invention are shown in FIG. 1 and 2 shown.

In Fig. 1 ist 10 die Maschine, z. B. eine nach dem Zweitakt- oder Viertaktverfahren arbeitende Dieselmaschine zum Antrieb einer Lokomotive oder eines Triebwagens, welche durch die Einspritzpumpe 11 mit Brennstoff beliefert wird. Die Verbrennungsluft wird dem Motor durch ein Gebläse 12 über die Einlaßleitung 13 zugeführt. Die Abgase der Maschine werden durch die Abgasleitung 14 einer Brennkammer 15 zugeleitet, von wo sie in eine erste Turbinenstufe, der Hochdruckturbine 16, gelangen. Von dieser strömen die Abgase über eine Leitung 17 zur zweiten Turbinenstufe, einer Niederdruckturbine 18. Von der Hochdruckturbine 16 wird das Aufladegebläse 12 durch eine Welle 19 angetrieben, während die Niederdruckturbine 18 mittels eines z. B. mechanischen Antriebes 20 den Lüfter 21 für das Kühlsystem der Maschine antreibt.In Fig. 1, 10 is the machine, e.g. B. a working according to the two-stroke or four-stroke process diesel engine for driving a locomotive or a railcar, which is supplied by the injection pump 11 with fuel. The combustion air is supplied to the engine by a fan 12 via the inlet line 13. The exhaust gases from the engine are fed through the exhaust line 14 to a combustion chamber 15, from where they reach a first turbine stage, the high-pressure turbine 16. From this, the exhaust gases flow via a line 17 to the second turbine stage, a low-pressure turbine 18. The supercharger 12 is driven by a shaft 19 from the high-pressure turbine 16, while the low-pressure turbine 18 by means of a z. B. mechanical drive 20 drives the fan 21 for the cooling system of the machine.

An die Aufladeleitung 13 bzw. unmittelbar an das Aufladegebläse 12 ist eine zur Brennkammer 15 führende Frischluftleitung 22 angeschlossen. In dieser Leitung befindet sich ein Regelventil 23, welches an einen Ausgleichhebel 24 bei 25 angeschlossen ist, dessen Gelenkpunkt 26 an, einen von der Maschine angetriebenen bzw. mit Maschinendrehzahl laufenden Drehzahlregler 27 und dessen Drehpunkt 28 an einen Thermostaten 29 im Kühlwasser- oder Ölsystem der Maschine angeschlossen ist.A fresh air line 22 leading to the combustion chamber 15 is connected to the charging line 13 or directly to the charging fan 12. In this line there is a control valve 23, which is connected to a compensating lever 24 at 25, the pivot point 26 of which is connected to a speed controller 27 driven by the machine or running at machine speed, and whose pivot point 28 is connected to a thermostat 29 in the cooling water or oil system of the Machine is connected.

Der Brennstoffpumpe 11 wird der Brennstoff aus dem Brennstoffbehälter 30 durch eine Förderpumpe 31 und eine Leitung 32 zugeleitet. Von dieser Leitung 32 zweigt eine Leitung 33 zur Brennkammer 15 ab. Gegebenenfalls kann hierfür auch eine besondere mit dem Behälter 30 in Verbindung stehende Leitung mit einer weiteren Förderpumpe bzw. Einspritzpumpe vorgesehen sein. In der Leitung 33 befindet sich ein Regelventil 34, welches an einen Ausgleichshebel 35 im Gelenkpunkt 36 angeschlossen ist, der mit seinem weiteren Gelenk 37 an einen Thermostaten 38 im Kühlwasser- oder Ölsystem und mit seinem Gelenk 39 an ein Gestänge 40' angelenkt ist, das seinerseits an eine auf den Druck in der Ladeluftleitung ansprechende Vorrichtung 40 angeschlossen ist. Natürlich kann an Stelle der beiden Thermostaten 29 und 38 auch ein einziger Thermostat vorgesehen sein.The fuel from the fuel tank 30 is fed to the fuel pump 11 by a feed pump 31 and a line 32. A line 33 branches off from this line 32 to the combustion chamber 15. If necessary, a special line connected to the container 30 with a further feed pump or injection pump can also be provided for this purpose. In the line 33 there is a control valve 34 which is connected to a compensating lever 35 in the hinge point 36, which is hinged with its further hinge 37 to a thermostat 38 in the cooling water or oil system and with its hinge 39 to a linkage 40 'which is in turn connected to a device 40 responsive to the pressure in the charge air line. Of course, instead of the two thermostats 29 and 38, a single thermostat can also be provided.

Wie aus vorstehendem hervorgeht, wird die der Brennkammer oder den Brennkammern 15 durch die Leitung 22 zugeleitete Frischluft durch das Regelventil 23 in Abhängigkeit vom Drehzahlregler 27 wie auch von der Maschinentemperatur durch den Thermostaten 29 gesteuert, und zwar derart, daß bei Erhöhung der Maschinentemperatur und bei sinkender Maschinendrehzahl das Regelventil 23 im Sinne einer Erhöhung der zur Kammer 15 geförderten Luftmenge verstellt wird. Die durch das Regelventil 34 geregelte Brennstoffmenge unterliegt ferner einerseits dem Einfluß der Maschinentemperatur durch den Thermostaten 38 und andererseits dem Ladeluftbedarf der Maschine, indem z. B. im Falle des Ausführungsbeispiels der Ausgleichshebel 35 an das Druckorgan 40 angeschlossen ist. Bei sich erhöhender Maschinentemperatur bzw. bei sich erhöhendem Druck in der Leitung 13 wird jeweils das Ventil 34 im Sinne einer Erhöhung der der Brennkammer 15 zugeführten Brennstoffmenge gesteuert.As can be seen from the above, the combustion chamber or the Combustion chambers 15 through the line 22 supplied fresh air through the control valve 23 depending on the speed controller 27 as well as on the machine temperature the thermostat 29 is controlled in such a way that when the machine temperature increases and when the engine speed falls, the control valve 23 in the sense of increasing the is adjusted to the chamber 15 conveyed air volume. The through the control valve 34 The regulated amount of fuel is also subject, on the one hand, to the influence of the engine temperature by the thermostat 38 and on the other hand the charge air requirement of the machine by z. B. in the case of the embodiment of the compensating lever 35 to the pressure member 40 is connected. With increasing machine temperature or with increasing Pressure in the line 13 is the valve 34 in the sense of an increase in the Combustion chamber 15 controlled amount of fuel supplied.

Im Leerlauf der Maschine bzw. bei niedriger Drehzahl wird daher eine besonders starke Verbrennung in der oder den Brennkammern 15 stattfinden, so daß der beim Leerlauf verhältnismäßig geringe Energieinhalt der Abgase genügend erhöht wird, um die von den Abgasturbinen angetriebenen Aggregate einwandfrei zu betreiben.When the machine is idling or at low speed, a particularly strong combustion take place in the combustion chamber or chambers 15, so that which increases the relatively low energy content of the exhaust gases when idling in order to operate the units driven by the exhaust gas turbines properly.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird der Lüfter 21 von der Niederdruckstufe 18 der Abgasturbine nicht unmittelbar angetrieben. Zum Antrieb dient in diesem Falle ein Elektromotor 41, welcher seinen Strom von einem von der Niederdruckturbine 18 angetriebenen Generator 42 erhält.In the embodiment of FIG. 2, the fan 21 is of the Low pressure stage 18 of the exhaust gas turbine is not driven directly. To the drive is used in this case, an electric motor 41, which its current from one of the Low pressure turbine 18 driven generator 42 receives.

Außer zum Antrieb eines Lüfters kann die Abgasturbine bzw. deren Niederdruckstufe, gegebenenfalls bei etwas größerer Bemessung als bei bloßem Ladebetrieb erforderlich, auch zum Laden einer Batterie bzw. für weitere Stromerzeugung oder zum Antrieb anderer Hilfsaggregate der Maschine bzw. des Fahrzeuges dienen.In addition to driving a fan, the exhaust gas turbine or its low-pressure stage, possibly required for a somewhat larger dimensioning than for mere charging operation, also for charging a battery or for further power generation or for driving others Serve auxiliary units of the machine or the vehicle.

Gegebenenfalls können auch Hochdruck- und Niederdruckstufe der Turbine axial zueinander angeordnet und in einem Aggregat vereinigt werden. Auch kann gegebenenfalls die Hochdruckstufe zum Antrieb des Lüfters oder anderer Aggregate und die Niederdruckstufe zum Antrieb des Aufladegebläses bzw. zur Lieferung der Verbrennungsluft zur zusätzlichen Verbrennung von Brennstoff in der oder den von den Abgasen durchzogenen Brennkammern dienen.If necessary, the high-pressure and low-pressure stages of the turbine can also be used are arranged axially to each other and combined in one unit. Also can optionally the high pressure stage to drive the fan or other units and the low pressure stage to drive the supercharger or to supply the combustion air for the additional Combustion of fuel in the combustion chamber or chambers through which the exhaust gases pass to serve.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Diesel internal combustion engine, especially for locomotives or railcars. with charging by the exhaust gas turbocharger and additional supply of additional fuel and additional air to the exhaust gases before they are used to drive the exhaust gas turbocharger. The air and fuel quantities required for this are regulated independently of the regulation of the fuel injection pump, characterized in that the exhaust gases - as known per se - are used to drive a cooling fan (21) and that in addition to one which is preferably carried out separately known speed-dependent control of additional fuel and additional air, these are controlled simultaneously as a function of the engine temperature in such a way that as the engine temperature rises, the amount of additional air and the additional fuel is increased. z. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that, in a manner known per se, the engine is operated with a large excess of air, expediently at a high boost pressure. 3. Brennkraftmasch.ine according to claim 1 and 2, characterized in that the exhaust gas turbocharger is used in a known manner on the one hand to charge the internal combustion engine and on the other hand to promote the additional air to a combustion chamber (15). 4. Internal combustion engine according to claim 1 to 3, characterized in that the exhaust gases are utilized in a manner known per se in two stages, in particular in a manner known per se in two exhaust gas turbines, preferably in such a way that the high pressure stage (16) is known per se Way the charger, the low pressure stage (18) drives the cooling fan (21). 5. Internal combustion engine according to claim 1 to 4, characterized in that the temperature-sensitive control elements are influenced by the temperature of the lubricating oil or the cooling water. 6. Internal combustion engine according to claim 1 to 5, characterized in that a control member (34) influenced by the boost pressure and the engine temperature is provided for regulating the additional fuel, which increases the amount of additional fuel when the boost pressure or the engine temperature is increased. 7. Internal combustion engine according to claim 1 to 6, characterized in that the additional air line is connected to the boost pressure line and contains a control element (23) influenced by the engine speed and the engine temperature, which increases the amount of additional air when the engine speed is reduced or the engine temperature is increased. B. Internal combustion engine according to claim 1 to 7, characterized in that the fan serving to cool the internal combustion engine is driven indirectly by the exhaust gas turbine driving it - as is known per se, preferably via an electric generator and an electric motor (Fig. 2). Documents considered: German Patent No. 836 870; USA. Patent Nos. 1410726, 1731 708, 2213683, 2608051, 2654991.