-
Einrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere
Dieselmaschine, mit Abgasturboaufladung, bei der der Ab-
gasturbine zu ihrer
Beschleunigung zwecks Aufrechterhaltung oder Steigerung des Ladedruckes, besonders
bei niedrigen Motordrehzahlen, eine zusätzliche, in mindestens einem Motorzylinder
erzeugte Treibmittelmenge zugeführt wird.
-
Bekanntlich bewirkt der Abgasturbolader beim Anfahren und auch beim
schnellen Hochfahren des Motors sowohl auf der Ansaugseite als auch auf der Abgasseite
eine erhebliche Drosselung des Luft- bzw. Gasstromes, so daß bei der motorischen
Verbrennung Sauerstoffmangel auftritt. Da dabei auch die Abgasmenge geringer wird,
nimmt die Laderdrehzahl ab, so daß auch der Ladedruck absinkt und der Motor stark
rußt oder gar stehenbleibt.
-
Zur Behebung dieses Mangels hat man bereits vorgeschlagen, die Brennstoffmenge
entsprechend der bei niedrigen Motordrehzahlen vom Lader gelieferten geringen Luftmenge
zu steuern. Hierbei erzielt man zwar eine rußfreie Verbrennung, der Motor kann jedoch
nur sehr langsam auf höhere Leistung gebracht werden. Besonders nachteilig wirkt
sich diese Steuerung bei der Beschleunigung eines Fahrzeuges aus, wenn eine hohe
Drehmomentabgabe vom Motor verlangt wird.
-
Nach einem anderen bekannten Vorschlag wird der Abgasturbolader durch
ein zusätzliches Treibmittel beschleunigt, das a) einer zusätzlichen Turbinenbeschaufelung
am Laufrad des Ladegebläses zugeführt wird und nach Entspannung in den Motor gelangt
oder b) in die Turbinenspeiseleitung geführt wird und nach Mischung mit den
Motorabgasen die Turbinenschaufeln beaufschlagt.
-
Zur Erhöhung des Energieinhalts des zusätzlichen Treibmittels wurde
auch schon vorgeschlagen, das Zusatztreibmittel erst nach Aufheizung in einer Hilfsbrennkammer
den Turbinendüsen zuzuführen.
-
Der Vorschlag nach a) hat den Nachteil, daß der Gegendruck des Ladegebläses
durch das in die Ladeluftleitung einströmende Treibmittel erhöht wird und dadurch
der Betriebspunkt dieses Gebläses rasch in das Pumpgebiet gelangen kann. Mit dem
Vorschlag nach b) können zwar relativ kurze Beschleunigungszeiten erzielt
werden, jedoch reichen auch hierbei die Gasdurchsätze zur Erzeugung eines hohen
Drehmomentes, z. B. beim Anfahren eines Fahrzeuges am Berg, nicht aus. Die Anordnung
einer Hilfsbrennkammer könnte hierbei zwar Abhilfe schaffen, jedoch bedingt diese
einen nicht unbeträchtlichen Mehraufwand, da mit der Brennkammer auch noch Brennstoffzuführungs-
und Zerstäubungsvorrichtungen sowie eine Zündvorrichtung vorgesehen werden müssen.
Diese Hilfsvorrichtungen müßten bei jeder Einleituno, eines Beschleunigungsvorganges
erst in Betrieb gesetzt werden, wodurch wertvolle Zeit verlorengeht.
-
Die vorliegende Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß bei einer
mit Abgasturboaufladung betriebenen Brennkraftmaschine bereits Brennkammern vorhanden
sind ' nämlich die Motorzylinder. Dieser Gedanke liegt auch der in der deutschen
Patentschrift 565 097 beschriebenen Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Abgasturbine
und Hilfsturbine zugrunde, bei der zur Erzeugung einer energiereicheren Treibgasmenge
mindestens ein besonderer, unabhängig von der Hauptmaschine geregelter Hilfszylinder
vorgesehen ist, dessen Abgasmenge entweder ausschließlich, oder von dessen
Abgasmenge nur die Teilmenge des Vorauspuffes einem zusätzlich angeordneten Turbinenrad
zugeführt wird. Dieser Vorschlag ist aber kompliziert. Denn es ist nicht nur ein
von der Belastung der Hauptmaschine unabhängig geregelter Hilfszylinder
- der nach einer Version sogar im Viertakt-Verfahren betrieben werden soll
- erforderlich, man benötigt außerdem ein für das energiereichere Treibgas
ausgelegtes Hilfsturbinenrad bzw. eine Hilfsturbine. Schon im Interesse einer rationellen
Fertigung wird man aber denjenigen Lösungen den Vorzug geben, bei denen der Motor
ebensogut ohne Aufladung betrieben werden kann und die Turbine bei im wesentlichen
gleicher Grundkonzeption für möglichst viele Zwecke verwendbar ist.
Damit
ist zugleich die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problemstellung umrissen,
die also darauf abzielt, die Hauptbauteile des Motors möglichst unverändert zu lassen
und die Zufuhr des zusätzlichen Treibmittels zu den Zylindern so zu steuern, daß
der Gaswechselprozeß, besonders die für den Gaswechsel bei. Zweitaktmotoren erforderlichen
Druckverhältnisse zwischen Zylindereinlaß und -auslaß, nicht gestört werden.
-
Zur Lösung dieses Problems wird in Anwendung an der eingangs geschilderten
Einrichtung erfindungsgemäß vorgeschlagen, zur Erzeugung des zusätzlichen Treibmittels
die regulären Motorzylinder zu verwenden, denen die zusätzliche Verbrennungsluft
nach Beendigung des Gaswechselprozesses, und zwar zu Beginn des Kompressionshubes,
zugeführt wird.
-
Der Aufwand für eine derartige Beschleunigungseinrichtung ist im Vergleich
zu den zuletzt beschriebenen bekannten Einrichtungen gering, denn da bei der polytropischen
Verdichtung der Frischluft z. B. bei einer Einspritzbrennkraftmaschine der Kompressionsdruck
in der ersten Hälfte des Kolbenhubes nur gering ansteigt, braucht auch der Druck
des Hilfstreibmittels nur gering zu sein.
-
Da ferner die periodische Einspeisung des Zusatztreibmittels im gleichen
Rhythmus, jedoch nur mit etwa 180' kW Phas#enverschiebung zur Brennstoffeinspritzung
bzw. Zündung erfolgt, kann die Steuerung der Ventile für das Zusatztreibmittel gleichzeitig
von der Nockenwelle der Ventilsteuerung oder der Einspritzpumpe vorgenommen werden.
Für die Verwirklichung der Erfindung benötigt man also äußerstenfalls eine der Zylinderzahl
entsprechende Anzahl von Ventilen oder Düsen für die Einbringung des Zusatztreibmittels
in die Zylinder sowie eine ebenso große Anzahl von Steuerventilen, die von der Nokkenwelle
der Einspritzpumpe betätigt werden können, und eine Pumpe zur Förderung des Zusatztreibmittels.
Bei Vielzylindermaschinen wird es jedoch meist genügen, wenn nur einige Zylinder
mit Zusatztreibmittel gespeist werden. Als solches wird man zweckmäßig atmosphärische
Luft verwenden, bei einem Schienen- oder Straßenfahrzeug z. B. die aus dem Bremsluftbehälter
abgeblasene und in einem Speicher aufgefangene Abblasluft. Bei Zweitaktmaschinen
können auch die Kolbenunterseiten zur Verdichtung der Zusatzluft herangezogen werden.
Da aber der Energieinhalt des nach der erfindungsgemäßen Einrichtung erzeugten Zusatztreibmittels
erheblich größer ist als bei den bekannten Einrichtungen, ist die Zusatzluftmenge
gegenüber diesen wesentlich geringer, so daß ein kleiner, schnellaufender Hilfskompressor,
der nach Aufladung eines Druckluftbehälters automatisch abschaltet, in jedem Fall
ausreicht.
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist sowohl bei Viertakt- als auch
bei Zweitaktmaschinen, und zwar gleichermaßen bei Diesel- und Ottomotoren, anwendbar.
Besonders vorteilhaft ist seine Anwendung bei Brennkraftmaschinen mit abgeteilten
Brennräumen, wie Vor- und Wirbelkammermaschinen, und bei i Zweitaktmaschinen mit
Umkehrspülung, weil bei diesen Brennkraftmaschinen besonders im Teillastbetrieb
die Spülung des abgeteilten Brennraumes bzw. des oberen Zylinderraumes nur unvollkommen
ist.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich für i den Fahrzeugbetrieb
auch hinsichtlich der Reinhaltung der Luft von brennbaren Rückständen und unvollständig
verbrannten Gasen, da es mit dieser Einrichtung möglich ist, den Motorzylindem in
jeder Betriebsphase die zur vollständigen Verbrennung erforderliche Luft zuzuführen.
Da die Zusatzluft in den Zylindern sogleich in heißes Treibgas umgesetzt wird, welches
infolge Arbeitsleistung in der Turbine das Ladegebläse auf höhere Drehzahlen mit
höheren Ladeluftdrücken und größeren Ladeluftmengen bringt, ermöglicht die Erfindung
zugleich das Minimum an zusätzlichem Luftaufwand.
-
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstands
erläutert. Die Zeichnungen zeigen in F i g. 1 die Gesamtanordnung dieser
Einrichtung und F i g. 2 ein Steuerventil in größerer Darstellung.
-
Es bezeichnet 1 eine Viertakt-Einspritzbrennkraftmaschine mit
im Zylinderkopf 2 untergebrachter zentraler Vorkammer 3, in die der von der
Einspritzpumpe 4 kommende Brennstoff mit Hilfe der mit Druckzerstäubung arbeitenden
Einspritzdüse 5 eingespritzt wird.
-
Die vom Gebläse 6 des Abgasturboladers vorverdichtete Ladeluft
wird durch die Leitung 7 den Motorzylindern zugeführt. Die Motorabgase gelangen
durch die Leitung 8 zur Abgasturbine 9.
-
Zur Beschleunigung der Abgasturbine 9 auf höhere Drehzahl,
d. h. zur Erzielung höherer Ladedrücke, ist die Einspritzdüse 5 von
einer Luftdüse 10 umschlossen, durch die dem Druckluftbehälter
11 entnommene und über das einstellbare Drosselventil 12, das Steuerventil
13 und die Leitung 14 geleitete Luft mit einem Druck von 1,5 bis
3 ata zugeführt wird. Die Druckluft wird hierbei von einem kleinen, schnellaufenden
Kompressor 15 mit volumetrischer Verdichtung geliefert, der entweder von
der Brennkraftmaschine 1 oder von einem kleinen Hilfsmotor (z. B. Elektromotor)
angetrieben sein kann und der nur so lange läuft, bis der Behälter 11 mit
Luft von einem bestimmten Druck, z. B. 3 ata, aufgeladen ist.
-
Die Steuerung des Steuerventils 13 für die Zusatzluft erfolgt
mit der Nockenwelle 4' der Einspritzpumpe 4, und zwar so, daß die Einblasung zu
Beginn des Kompressionshubes beginnt, zu einem Zeitpunkt also, wo die Ein- und Auslaßventile
der Zylinder praktisch geschlossen sind und der Druck der darin eingeschlossenen
Luft nur unwesentlich vom atmosphärischen Druck abweicht.
-
Die Fig.2 zeigt das Steuerventil 13 im größeren Maßstab. Das
Gehäuse 16 ist an das Gehäuse 4" der Einspritzpumpe 4 angeflanscht. Es enthält
den Stößel 17 und den Kolbenschieber 18, welch letzterer sich über
die Feder 19 am Boden 16a des Gehäuses abstützt. Die Kopplung von Stößel
17 und Schieber 18
erfolgt hydraulisch, wobei als Druckmittel das Schmieröl
der Brennkraftmaschine verwendet werden kann. Das Drucköl wird von der Pumpe 20
aus der Ölwanne 21 angesaugt und in die Leitung 22 gepreßt von der die überdruckleitung
23 mit dem überdruckventil 24 abzweigt. Die Leitung 22, in die noch das Druckminderventil
22a eingeschaltet ist, mündet in den Druckraum 25, aus dem das Druckmittel
bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 über das dann geöffnete Ventil
26 und die Rücklaufleitung 27
in die ölwanne zurückgeführt wird. In
dieser Betriebsstellung wird der Stößel 17 von der Feder 28
von der
Nockenwelle 4' abgehoben, und der Kolbenschieber 18 wird durch die Feder
19 in Schließstellung gehalten, so daß der Luftdurchgang vom Anschluß
29
zum Anschluß 30, an welchen die Leitung 14 angeschlossen ist, unterbrochen
ist.
-
Der Hebel 31 des Ventils 26 ist nun über ein Gestänge
32 mit einer Katarakt-Vorrichtung 33 und einer Rückholfeder 34 mit
dem Fahrhebel 35, beim Fahrzeug z. B. mit dem Gaspedal, verbunden. Beim langsamen
»Gasgeben« bleibt daher das Ventil 26
geöffnet, und nur bei schneller Betätigung
des Fahrhebels wird es - wie in den Zeichnungen gezeigt -
in die Schließstellung
gebracht. Jetzt wird in dem Raum 25 des Steuerventils 13 ein Druck
aufgebaut, der entsprechend der Reduktion des Druckminderventils 22a geringer ist
als der am Überströmventil 24 eingestellte Druck. Infolge des Druckes im Raum
25 wird der Stößel 17 an die Nockenwelle 4' geschoben, wogegen die
Feder 19 so abgestimmt ist, daß der Kolbenschieber 18 in der Stellung
verbleibt, bei der die Schlitze 36 verschlossen bleiben. Erst bei weiterem
Druckanstieg infolge Verdrängerwirkung des auf den Nocken auflaufenden Stößels
17 wird der Schieber 18 entgegen der Kraft der Feder 19 nach
rechts verschoben, und dabei werden die Schlitze 36 freigegeben. Jetzt ist
also der Druckluft aus dem Behälter 11 der Weg durch die Leitung 14 zur Luftdüse
10
freigegeben, so daß zu Beginn des Kompressionshubes noch zusätzlich Luft
einströmt. Die zusätzliche Luftmenge nimmt dabei selbsttätig mit zunehmender Motordrehzahl
ab, da der für den Luftdurchlaß maßgebliche Zeitquerschnitt der Schlitze,
36 mit zunehmender Motordrehzahl kleiner wird. Schon dadurch wird die Abgasturbine
9 gegen Durchgehen gesichert. Als zusätzliche Sicherung ist noch die Rückstellfeder
34 vorgesehen, welche nach einer von der Motorgröße abhängigen Zeit das Ventil
26 wieder öffnet, wodurch Raum 25 wieder drucklos wird, der Stößel
17 also wieder abgehoben und der Kolbenschieber 18
wieder in Schließstellung
gebracht wird, so daß jeg-
liche weitere Zufuhr von Zusatzluft unterbunden
wird. Notfalls kann durch Zurückführen des Fahrhebels 35 und nochmaliges
schnelles »Gasgeben« ein weiterer Beschleunigungsvorgang eingeleitet werden.
-
Statt der oben beschriebenen halbautomatischen Steuerung des Ventils
26 kann dieses auch vollautomatisch in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder
vom Drehmoment der Brennkraftmaschine gesteuert werden.
-
Die vorgeschlagene Einrichtung kann nun besonders in Anwendung auf
Großmotoren in der Weise erweitert werden, daß man statt der Luftdüse eine kleine
mit Druckluftzerstäubung arbeitende Einspritzdüse außer der regulären Einspritzdüse
vorsieht, wobei jene nur soviel Brennstoff zu Beginn des Kompressionshubes in den
Zylinder einspritzt, daß das gesamte Brennstoff-Luft-Gemisch - unter Berücksichtigung
des Kompressionsenddruckes - noch nicht zündfähig ist. Die Zusatzbrennstoffmenge
sollte nicht größer sein als die im Verhältnis zur Zusatzluftmenge stöchiometrische
Brennstoffmenge, um zu verhindern, daß der Motor bei der Einleitung eines Beschleunigungsvorganges
rußt. Die Steuerung dieser Einspritz-Hilfsdüse kann ebenfalls in der oben angegebenen
Weise erfolgen. Im Gegensatz zu den bekannten Einspritzdüsen mit Druckluftzerstäubung,
bei denen der Luftdruck größer als der Zünddruck sein muß, kommt man bei diesem
Verfahren ebenfalls mit geringen Zerstäubungsdrücken aus. Der Vorteil der Erfindung
besteht darin, daß bei der moto-C, rischen Verbrennung auch bei Einführung von Zusatzluft
der Luftüberschuß nicht zu groß wird, der Motor sofort das gewünschte p., abgeben
kann und der Abgasturbolader infolge der mit der Verbrennung einer zusätzlichen
Brennstoffmenge sich ergebenden Vergrößerung der Abgasmenge noch schneller den für
den neuen Betriebszustand erforderlichen Ladedruck erzeugen kann.
-
Sofern man auf die Zuführung einer zusätzlichen Brennstoffmenge verzichten
will, kann man das bei solchen Großmotoren meist vorhandene Anlaß-Luftventil für
die Einbringung der Zusatzluftmenge verwenden. Dieses Ventil muß dann zur Einleitung
einer Beschleunigung so umgesteuert werden, daß es zu Beginn des Kompressionshubes
kurzzeitig öffnet. Während der Beschleunigungsperiode wird es zweckmäßig vom Anlaßluftbehälter
abgeschaltet und mit dem Behälter für Zusatzluft in Verbindung gebracht, da die
Verwendung der auf 30 bis 60 atü verdichteten Anlaßluft für diesen
Zweck zu kostspielig wäre.