DE2545665B2

DE2545665B2 - Antriebsanlage

Info

Publication number: DE2545665B2
Application number: DE2545665A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 7990 Friedrichshafen Deutschmann
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1975-10-11
Filing date: 1975-10-11
Publication date: 1980-06-12
Also published as: DE2545665A1; FR2327402A1; US4120155A; GB1547440A; FR2327402B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanlage mit zwei

κ durch Abgasturbolader aufgeladene Dieselbrennkraftmaschinen und hat den Zweck, das Leistungsgewicht und -volumen von Dieselbrennkraftmaschinen zu verbessern, ohne die thermische und mechanische Beanspruchung der Bauteile zu erhöhen.

-to Als wirksames Mittel hierzu ist die Verringerung des Verdichtungsverhältnisses bei gleichzeitiger Steigerung des Aufladedruckes bekannt Dadurch können die für die Nennleistung maßgebenden Mitteldrücke erhöht werden, ohne die zulässigen Spitzendrücke zu überschreiten. Nachteilig dabei ist, daß Brennkraftmaschinen mit entsprechend niedrigem Verdichtungsverhältnis nicht gestartet oder mit Teillast betrieben werden können, weil infolge der niedrigen Verdichtungsendtemperatur bei Einspritzen des Kraftstoffes keine bzw.

w keine für einen einwandfreien Verbrennungsablauf ausreichende Zündung erfolgt Eine entsprechende, den Verdichtungsenddruck und damit die Temperatur erhöhende Vorverdichtung der Ladeluft ist wegen der fehlenden Abgasenergie nicht ohne weiteres möglich.

^ Eine entsprechende Vorwärmung der Ladeluft ist aufwendig und erfordert Zusatzeinrichtungen.

Es ist eine mehrzylindrische Dieselbrennkraftmaschine bekannt, DE-PS 6 65 392, bei der einer oder wenige der vorhandenen Zylinder ein zur Erzielung der

f>o Zündung beim Andrehen ausreichendes, die übrigen Zylinder dagegen ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis aufweisen. Mit den Zylindern mit höherer Verdichtung wird zunächst die Brennkraftmaschine gestartet und mit den Abgasen die Ladeluft der übrigen, niedrig

^h'> verdichtenden Zylinder bzw. diese selbst erwärmt.

Nach ausreichender Erwärmung wird auch den niedrig verdichtenden Zylindern Brennstoff zugeführt, und durch die vorausgegangene Erwärmung wird die

Zündtemperatur am Ende des Verdichtungshubes erreicht

Neben dem unterschiedlichen Verdichtungsverhältnis müssen bei den beiden Zylindergruppen unterschiedliche Einspritzbedinguttgen sowie unterschiedliche Ven- ■> tilsteuerungszeiten vorgesehen werden, um für beide Zylindergruppen günstige Betriebsvoraussetzungen zu erhalten. Dies erfordert aufwendige Sonderkonstruktionen der Einspritzpumpen, Nocken- und Kurbelwellen bzw. Gehäuse, die zum Teil für den Betrieb mit niederer, ι ο zum Teil für den Betrieb mit hoher Verdichtung ausgebildet sein müssen. Eine optimale Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall, z. B. eine Variation der für den Start- und Teillastbetrieb verwendeten Zylinderzahl entsprechend den Betriebsverhältnissen, oder eine Abwandlung der Gesamtleistung der Dieselbrennkraftmaschine durch Änderung der Gesamt-Zylinderzahl, ist nur mii großem Kosten- und Entwicklungsaufwand möglich.

Es ist weiterhin bekannt, bei niederverdichtenden _>o Dieselbrennkraftmaschinen mit Abgasturboladern die Vorverdichtung zum Anlassen und im Teillastbetrieb durch zusätzliche Abgaserzeugung in einer Brennkammer zu erhöhen. Dadurch wird jedoch naturgemäß der Wirkungsgrad der Anlage im Teillastbereich durch den Brennstoffverbrauch in der Brennkammer ungünstig beeinflußt Nachteilig bei diesem Verfahren ist auch der große Aufwand für die Brennkammer, für die Luftführungen, für die Regelung und für den Start der Brennkammer. -i«

Aufgabe der Erfindung ist die Darstellung einer Antrjebsanlage, bei der zur Erzielung eines hohen Leistungsgewichtes eine niederverdichtende Dieselbrennkraftmaschine zur Anwendung gelangt, wobei aber mit der Antriebsanlage auch ein einwandfreier r> Teillastbetrieb möglich sein soll, ohne daß hierzu die beschriebenen Maßnahmen zum Betreiben der niederverdichtenden Dieselbrennkraftmaschine notwendig werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten ■»(> Anspruches gelöst

Es ist eine Dieselbrennkraftmaschine bekannt, die durch eine Hilfsbrennkraftmaschine angelassen wird und bei der die Abgase der Hilfsbrennkraftmaschine die Ladeluft der Dieselbrennkraftmaschine beim Startvor- ·»■> gang anwärmen (US-PS 27 64 966). pie Hilfsbrennkraftmaschine wird jedoch nach dem Startvorgang abgestellt, so daß die bei niederverdichtenden Dieselbrennkraftmaschinen notwendige Aufbereitung der Ladeluft bei Teillast entfällt Außerdem wird die Leistung der w Hilfsbrennkraftmaschine zur Leistungserzeugung der Antriebsanlage nicht verwendet, so daß durch das Gewicht der Hilfsbrennkraftmaschine das Gesamtgewicht der Antriebsanlage erhöht und damit das Leistungsgewicht und -volumen der Antriebsanlage >^r> verschlechtert wird.

Bei der Erfindung wird durch die Dieselbrennkraftmaschine mit niedrigem Verdichtungsverhältnis ein hohes Leistungsgewicht der Anlage erzielt. Dieses hohe Leistungsgewicht wird durch die Brennkraftmaschine ^h" mit niedrigem Verdichtungsverhältnis mir in geringem MaDe negativ beeinflußt, weil ihr Anteil an der Gesamtleistung gering gehalten werden kann.

Die Brennkraftmaschine mit hohem Verdichtungsverhältnis kann ohne Schwierigkeiten angelassen '·' werden und den Leisiungsbedarf der Anlage bei kleinen Belastungen abdecken. Hierfür kann eine Serien-Brennkraftmaschine verwendet werden, die den F.insat/bedingungen entsprechend mit unterschiedlichen Zylinderzahlen ausgerüstet wird und einem normalen Fabrikationsprogi amm entnommen werden kann.

Die niederverdichtende Dieselbrennkraftmaschine kann in bezug auf ihre Aufladung, Einspritzverhältnisse, Ladungswechsel und ihre mechanische und thermische Belastung speziell für den Vollastbetrieb ausgelegt werden. Dadurch ergeben sich in diesem Betriebspunkt sehr günstige Leistungsgewichte bei geringen Abmessungen.

Die Abwandlung der installierten Leistung kann bei beiden Brennkraftmaschinen durch Änderung der Zylinderanzahl auf einfache Weise erfolgen. Damit ist eine wirtschaftliche Fertigung wenigstens bis in den Bereich von 2x12 Zylindern zu erreichen.

Für viele Anwendungsfälle kann man für die hochverdichtende Brennkraftmaschine eine einheitliche Bauweise mit sechs Zylindern vorsehen. Dies ist eine auch bei Einzelbrenukraftmaschinen oft angewendete Zylinderzahl, so daß sich auf Grund der großen Stückzahlen günstige Herstellungskosten ergeben.

Verschiedene Möglichkeiten, die zui Aufladung der hochverdichtenden Brennkraftmaschine nicht benötigte Abgasenergie zur Aufbereitung der Ladeluft der niederverdichtenden Brennkraftmaschine zu verwenden, sir.d in den Ansprüchen zwei und drei vorgeschlagen.

Durch die Merkmale des vierten Anspruches erfolgt im Teillastbetrieb der Anlage mit der hochverdichtenden Brennkraftmaschine ein Anwärmen und damit günstige Betriebsvoraussetzungen für die niederverdichtenden Brennkraftmaschine.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen, die eine rasche Erwärmung der kalten Anlage, eine wirksame Kühlung der bei Vollast arbeitenden Anlage und eine Versorgung mit der notwendigen Abgasenergie sicherstellen, sind in Anspruch fünf enthalten.

Verschiedene Vorschläge für die Anordnung und die Verwendung der Brennkraftmaschinen sowie ihre Verbindung untereinander enthalten die Ansprüche sechs bis zehn, während die Ansprüche elf und zwölf die Erzielung der unterschiedlichen Verdichtung zum Inhalt haben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Anordnung einer Schiffsanlage mit zwei erfindungsgemäß unterschiedlich ausgelegten Dieselbrennkraftmaschinen,

F i g. 2 den Kühlkreislauf mit den erfindungsgemäßen Merkmalen einer Anlage nach F i g. 1.

In F i g. 1 ist eine hochverdichtende Dieselbrennkraftmaschine It mit einer Verdichtung ε £ 12 und eine nieder verdichtende Dieselbretinkraftmaschine 12, mit einer Verdichtung ε < 12 ausgelegt Die Gehäuse beider Dieselbrennkraftmaschinen 11 und f 2 sind über ein Zwischengehäuse 13 miteinander verbunden. Dadurch entfällt das genaue koaxiale Ausrichten der beiden Brennkraftmaschinen. Zwischen beiden Dieselbrennkraftmaschinen ist ein hydrodynamischer Drehmomentwandler 14 mit einem Pumpenrad 15. einem Turbinenrad 16 und einem Leitrad 17 angeordnet. Das Pumpenrad 15 ist mit einer Kurbelwelle 18 der hochverdichtenden Dieselbrennkraftmaschine II. das Turbinenrad 16 mit "liner Kurbelwelle 19 der niuderverdichtendcn Dieselbrennkraftmaschine 12 verbunden.

Die hochverdichtende Pieselbrennkraftmaschine 11 besitzt /.. B. sechs Zylinder und kann einem normalen

Brennkraftmaschinen-Fabrikationsprogramm entnommen werden. Die niederverdichtende Dieselbrennkraftmaschine ist entsprechend dem Leistungsbedarf für den Schiffsantrieb mit einer großen Anzahl von Zylindern, d. h. zwölf Zylindern, ausgestattet. Der Schiffsantrieb erfolgt über eine Schiffsschraube 20. Durch hohe Aufladung ergeben sich bei der niederverdichtenden Diesclbrennkraftmaschine hohe Mitteldrücke und damit hohe Leistungen gegenüber einer normalen Brennkraftmaschine, die jedoch in Verbindung mit dem niedrigen Verdichtungsverhältnis f < 12 keine Erhöhung der Ihetmischen und mechanischen Belastung mit sich bringen.

Die hochverdichtendc Diesclbrennkraftmaschine Il dient zum Schiffsantrieb bei Teillast, zum Antrieb der Bordaggregate und zum Anwärmen und Starten der zweiten Dicsclbrennkraflmaschinc 12. Ihre überschüssige Leistung kann jedoch auch ohne Schwierigkeiten der

für den Schiffsantrieb zugeschaltet werden.

In Pig. 2 ist für die gesamte Antricbsanlagc ein gemeinsamer Kühlkreislauf (ausgezogene Linie) vorgesehen. Line von der Brennkraftmaschine Il aus angetriebene Kühlmittclpumpc 21 sorgt für den Umlauf der Kühlflüssigkeit. Ober einen z.B. von Seewasscr durchströmten Haupt wärmetauscher 22 und einen zusätzlichen l-adeluftwärmetauscher 23 wird die in der Kühlflüssigkeit aufgenommene Wärme abgeführt. Über Ladeluftkühlcr 24 und 25 wird im Betrieb Wärme von der l.adeltift (strichpunktierte Linie) an das Kühlwasser abgegeben. Die Menge des Kühlwassers durch die Ladcluftkühlcr wird dabei über Thermostatventile 26 und 27 geregelt. Ober einen Öl-Wasser-Wärmetauscher 28 wird die Verlustwärmemenge des Drehmomentwandlers 14 über Öl-Leitungen 35 und 36 an das Kühlwasser abgegeben.

Die Dieselbrcnnkraflmaschinc 11 ist mit einem einstufigen Abgasturbolader 29, die Dieselbrennkraftmaschine 12 mit einem zweistufigen Abgasturbolader 30 ausgerüstet. Die Abgasüberschüsse der Dieselbrennkraflmaschinc ti werden nach dem Abgasturbolader 29 in einer Leitung 31 zur Erwärmung der Ladeluft der Diesclbrennkraftmaschine 12 einem zusätzlichen Wärmetauscher 32 zugeführt. Ein Regler 33 regelt über ein Abgasventil 34 in Abhängigkeit von der Brennkraftmaschinendrehzahl die Temperatur der Ladeluft so ein, daß die zum Zünden erforderliche Verdichtungsendtemperatur in den Zylindern erreicht wird.

Zum Betrieb der Antriebslage wird zuerst die Diesclbrcnnkrafimaschinc 11 gestartet. Auf Grund ihrer hohen Verdich".mg erfolgt ein sicherer Start. Der Kühltniitelumlauf ist durch die Pumpe 21 sichergestellt. Bei I altem Kühlmittel wird der Kühlmrttelstrom durch die Thcrmostat-Venlile 26 und 27 an den l-adeluftküh lern 24 und 25 sowie an dem !,adeluftwärmctauscher 23 vorbeigeleitcl. Die Dieselbrennkraftmaschine Il kann den Leistungsbedarf der ßordaggregatc decken oder mit ihrer Leistung zum Fährbetrieb mit Teillast herangezogen werden. Dabei treibt die Diesclbrennkraftmaschine 11 über den Drehmomentwandler 14 und die zweite Dieselbrennkraftmaschinc 12 die Schiffsschraube 20 an. Ober den Drehmomentwandler 14 erfolgt dabei die Anpassung der zur Verfügung stehenden Hrcnnkraftmaschinenlcistung an den Leistungsbedarf der Schiffsschraube zuzüglich dem Leistungsbedarf für das Durchdrehen der nicdcrverdichtenden Brennkraftmaschine 12 ohne Brcnnsloffzugabe.

Durch die anfallende Wärmemenge der Dieselbrennkraftmaschinc 11 und des Drehmomentwandlers 14 erwärmt sich das Kühlmittel in kurzer Zeit und damit auch die vom Kühlmittel durchströmte Dieselbrennkraiimaschim.· Yi. Dieser Vorgang kann durch Absperren des Zuflusses von Seewasser zu dem Hauptwärmetauscher noch beschleunigt werden. Da die hochverdichtendc Diesclbrennkraftmaschine 11 mit Vollast oder annähernd Vollast betrieben wird, ist ihr Abgasturbolader 29 in der l.age, die Aufladung voll zu übernehmen und überschüssiges Abgas zur Anwärmung der Ladeluft der niederverdichtenden Dieselbrennkraftmaschine im Wärmetauscher 32 zur Verfügung zu stelle;.. Es ist auch möglich, zwischen den beiden Ladeluftleitungen der Brennkraftmaschinen eine durch ein federbelastet Überströmventil 37 gesteuerte Verbindungsleitung 38 vorzusehen, über die überschüssige Ladeluft der hochverdichtenden Brennkraftmaschine in die Ladeluftleitung der niederverdichtenden Brennkraftmaschine gelangen kann. Damit sind die Startvoraussctzungen für die niederverdichtende Dieselbrennkraftmaschine 12 erfüllt, so daß die Brennstoffzufuhr zu dieser Brennkraftmaschine erfolgen kann. Nach dem Start kann die niederverdichtende Dieselbrentikraflmaschine mit zunehmender Erwärmung die gesamte Schiffsantriebsleitung abgeben. Sie wird dabei von ihrem zweistufigen Abgasturbolader 30 aufgeladen. Durch Entleeren des Wandlers kann die hochverdichtende Dieselbrennkraftmaschine 11 vom Schiffsantrieb getrennt, aber auch in Phasen hohen Leistungsbedarfes wieder zugeschaltet werden.

Mit weiter zunehmender Erwärmung wird über den Regler 33 das Abgasventil 34 immer mehr geöffnet, so daß die Anwärmung der Ladeluft für die Dieselbrennkraftmaschine 12 nachläßt, und schließlich wird über das Thermostatventil 27 der Durchfluß des Kühlmittels durch Ladeluft-Wärmetauscher und -kühler eingeleitet, so daß eine Kühlung der Ladeluft erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antriebsanlage mit zwei durch Abgasturbolader aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkraftmaschine (11) mit einem ein sicheres Anlassen gewährleistenden Verdichtungsverhältnis ε δ 12 ausgeführt ist, daß die andere Brennkraftmaschine (12) mit einem eine Hochaufladung und damit hohe Mitteldrücke zulassenden Verdichtungsverhältnis Ei 12 ausgeführt ist, daß beide Brennkraftmaschinen bei mittlerem bis maximalem Leistungsbedarf der Antriebsanlage zusammen auf die Abtriebswelle der Antriebsanlage wirken, wobei die hochverdichtende Brennkraftmaschine (11) die Zündbedingungen der niederverdichtenden Brennkraftmaschine (12) bei deren Teillastbetrieb durch Aufbereitung der Ladeluft der niederverdichtenden Brennkraftmaschine (12) mit überschüssiger Abfasenergie der hochverdiehtenden Brennkraftmaschine (11) verbessert und as3 bei kleinem bis mittlerem Leistungsbedarf der Antriebsanlage diese Leistung ausschließlich von der hochverdichtenden Brennkraftmaschine (11) zur Verfügung gestellt wird.

2. Antriebsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wie an sich bekannt, die in den Abgasen der hochverdichtenden Brennkraftmaschine (11) nach dem Abgasturbolader (29) enthaltene Abgaswärme zur direkten oder indirekten Anwärmung der Ladeluft der niederverdichtenden Brennkraftmaschine bei deren Leerlauf bzw. Teillastbetrieb verwendet wird.

3. Antriebsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorhandene Abgas- bzw. Ladeluftüberschüsse der hochw dichtenden Brennkraftmaschine (11) für die zusätzliche Aufladung der niederverdichtenden Brennkraftmaschine (12) bei deren Leerlauf bzw. Teillastbetrieb verwendet werden.

4. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wie an sich bekannt, für beide Dieselbrennkraftmaschinen (11 und 12) ein gemeinsamer Kühlkreislauf mit einem gemeinsamen Haupiwärmetauscher (22) angeordnet ist, dessen Wasserpumpe (21) vorzugsweise durch die hochverdichtende Brennkraftmaschine (11) angetrieben wird.

5. Antriebsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wie an sich bekannt, die hochverdichtende Brennkraftmaschine mit einem einstufigen Abgasturbolader (29) und mit im Nebenstrom des Kühlwassers dieser Brennkraftmaschine liegendem Ladeluftkühler (24) ausgerüstet ist, und daß die niederverdichtende Brennkraftmaschine mit Doppelaufladung (30) und mit einem zusätzlichen Wärmetauscher (23) zur weiteren Kühlung des Kühlwassers vor Eintritt in deren Ladeluftkühler (2S) versehen ist.

6. Antriebsanlage nach Anspruch t bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Dieselbrennkraftmaschinen hintereinander angeordnet und ihre beiden Kurbelwellen (18, 19) starr oder drehelastisch miteinander verbunden sind.

7. Antricbsanlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Dieselbrennkraftmaschinen (11, 12) hintereinander angeordnet sind und daß ihre beiden Kurbelwellen (18, 19) durch eine schaltbare Kupplung verbunden sind.

8. Antriebsanlage nach Anspruch I bis 7, vorzugs-

weise für Schiffsantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Dieselbrennkraftmaschinen ein hydrodynamischer Drehmomentwandler (14) angeordnet ist, dessen Pumpenrad (15) mit der Kurbelwelle (18) der hochverdichtenden Brennkraftmaschine (11) und dessen Turbinenrad (16) mit der Kurbelwelle (19) der niederverdichtenden Brennkraftmaschine (12) verbunden ist

9. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse der beiden Dieselbrennkraftmaschinen über ein Zwischengehäuse {ί 1) zu einer Gehäuseeinheit verbunden sind.

10. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dieselbrennkraftmaschinen (11, 12) nebeneinander angeordnet sind und gegebenenfalls über je eine schaltbare Kupplung bzw. Drehmomentwandler mit einem Sammelgetriebe verbunden sind

11. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- und Triebwerksteile der beiden Brennkraftmaschinen übereinstimmen und die unterschiedliche Verdichtung durch verschiedenartige Ausführung der Kolben erzielt wird.

12. Antriebsanlage nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die hochverdichtende Brennkraftmaschine (11) eine andere Zylinderabmessung besitzt als die niederverdichtende Brennkraftmaschine (12).