DE3236789A1 - Niederdruck-dieselmotor mit rotationsschwinglader - Google Patents

Description

• Niederdruck - Dieselmotor mit Rotationsschwinglader.
• Die erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der nach dem Diesel-Verfahren arbeitet und dem ein Rotationsschwinglader nach dem Europäischen Patent oo 12 329 unter ausnutzung der Abgasenergie, vorzugsweise als freifaì1rendes Ladeaggregat, Ladeluft unter Druck im ganzen Motorarbeitsbereich zuführt und bei dem das Kompressionsverältnis so weit abgesenkt ist, daß auch unter Berücksichtigung der Kompressionswärme der Ladeluft beim Kompressionshub des rotors die für das Zünden des eingespritzten Kraftstoffs notwendige Temperatur mindestens bei ungünstigen Umgebungsbedingungen nicht erreicht wird.
• Sieht man von bekannten Zündhilfen ab, so ist zum sicheren ZUnden des eingespritzten Kraftstoffs eine Kompressionsendtemperatur um 5000 erforderlich.
• Das bedingt nach den Gasgesetzen für den normalen Saugmotor ein hohes Verdichtungsverhältnis und entsprechend hohen Druck.
• Bei PKW-Motoren, welche ja auch noch auf einer Paßhöhe und bei beträchtlichen Kältegraden sicher anspringen müssen, finden sich Kompressionsverhältnisse von 23 : 1, was einen Kompressionsenddruck um 70 bar ergibt.
• Wegen des besseren thermodynamischen Wirkungsgrad es wurde das ursprünglich von Diesel vorgesehene Gleichdruckverfahren weitgehend modifiziert, sodaQ Verbrennungsdrücke auch über 100 bar eher als normal anzusehen sind.
• Diesen ibiotoren werden dann bei Aufladung durch Abgasturbolader oder Comprex noch weit höhere Spitzendrücke zugemutet, wobei auch 170 bar erreicht oder gar überschritten werden können.
• Damit diese Motoren den hohen Belastungen standhalten, müssen sie weit schwerer als Ottomotoren gebaut werden. Das höhere Gewicht bedingt einen wesentlich höheren Preis, sodaß sich der im Brennstoffverbrauch weit günstigere Dieselmotor als PKW-Antrieb nur zögernd am Wirkt durchsetzt. Es gilt die Regel, daß nur wer mehr als 15 ooo km/a fährt, zu einer relativen Kostenersparnis kommt.
• Diesem unbefriedigenden Entwicklungsstand dadurch abzuhelfen, daß die Spitzendrücke besonders bei Fahrzeugdieselmotoren auf Inerte vergleichbar denen des Otto-Prozesses gesenkt werden, ist Zweck der vorgelegten Erfindung.
• Hohe Triebwerksgewichte sind besonders bei Flugzeugen unangenehm.
• Daher sind auf diesem Gebiet starke Kräfte zur Lösung des rroblems angesetzt, günstigen Brennstoffverbrauch mit geringem Motorgewicht zu vereinen.
• Der Stand der diesbezüglichen Entwicklung kann durch die Versuche der NASA gekennzeichnet werden, für kleinere Flugzeuge sogenannte 2-Takt-Niederdruck-Dieselmotoren zu bauen. Dieses Verfahren ist in der USA-Zeitschrift "opular Science", eft April 1982, Seite 103 u. flgde. beschrieben. Grundlage dir ist offenbar ein weiterentwickeltes Hyperbar-Verfahren, das in seinen Grundlagen in K. Zinner : Aufladung von Verbrennungsmotoren -2. Auflage - 1980 - Bpringer-Verlag berlin, im Abschnitt 9.7 erkennbar ist.
• Das Verfahren, wie es von der Firma Teledine im Auftrag der NASA entwickelt wurde, ist schematisch in Fig. 1 dargestellt.
• Zum Start des Verbrennungsmotors 1 wird das aus Verdichter 2 und Turbine 3 bestehende Aggregat durch den starken Elektromotor 4 angetrieben. Lurch das geschaltete Ventil 5 wird bei 6 angesaugte Luft über die Brennkammer 7 der Turbine 3 zugeführt und diese beginnt das Ladeaggregat 2-5 anzutreiben. Bei genügend hoher Drehzahl wird die Ladeluft durch Kompression auf ca 3,7 bar um ca 1230 erwärmt.
• Jetzt ka-nn der Motor 1 nach Schalten des Ventils 5 mit erwärmter Ladeluft versorgt werden und seine Abgase treiben dann Turbine 3 - auch bei abgeschalteter Brennkammer 7.
• Das Kompresi@usverhältnis des Motors ist soweit abgesenkt, dRaß die Zündtemperatur für den eingespritzten Brennstoff bei einer Ladelufttemperatur von 123° erreicht wird. Das bedeutet bei einem Ladedruck von 3,7 bar Kompressionsenddrücke von 55 bar und so wird in der genannten Quelle ein Verbrennungsendd ruck vor 104 bar auen als "niedrig" bezeichnet, was gegenüber dem g@ jeichfalls angegebenen von 140 bar für marktgängige Dieselmotoren wohl zutrifft.
• Es ist übrigens ein in Fig. 1 nicht dargestellter als Luft-Luft-Aggregat ausgebildeter Ladeluftkühler voresehen, um im Betrieb nicht durch zu hohe Ladelufttemperaturen die Ladeluftmenge zu verkleinern. Dieses ist sicher notwendig, da es sich um einen Turboverdichter handelt, dessen iumpgrenze bekanntlich das Verhältnis von Fördermenge und Förderhöhe einschränkt.
• Außerdem ist der Wirkungsgrad besonders bei kleineren Einheiten so niedrig, daß dii Brennkammer vor allem in Teillastbereichen ständig für Energienachschub sorgen muß.
• Für PKW-Motoren, welche durch ihre große Stückzahl nicht nur ür die Industrie interessant sind, sondern a-uch wegen ihrer mweltbelastung einer besonderen beachtung bedürfen, ist diese Ausfuehrung bei geringen leistungen schon aus physikalischen uründen nicht einsetzbar, aber auch wegen des Aufwandes nicht anzuwerden.
• Demgegenüber sollen nach dem Erfindungsvorschlag aucn bei diesen Massentriebswerken günstige Errebnisse erzielt werden. Nicht nur durch einfache Ausführung uns übersichtliche Apparatur, sondern auch durch oprimale verhalten in 1eillastbereichen - dem Hauptarbeitsfeld der PK@-Triebwerke - , durch eine für Fahrzeuge günstige Charackteristik und niedrige Verbrauchswerte bei wenig umweltbelastendem Abgas.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß bei verringertem Kompressionsverhältnis des Dieselmotors die Ladeluft nicht nur durch die Vorkrompression im Laderverdichter -was nur eine Verlagerung bedeuten würde und nicht zur optimalen Drucksenkung im Motor führt -, sondern durch Aufheizung soweit erwärmt wird, daß die Zündtemperatur am Ende des Verdichtungshubes des Motors bei wesentlich verringertem Druck erreicht wird, sodaß bei einem geeigneten Einspritzgesetz der maximale Verbrennungsdruck in der Größenordnung des bei Ottomotoren vorkommenden bleibt.
• Diese Beheizung der Ladeluft erfolgt vorzugsweise ver#lustfrei durch einen Verbrennungsvorgang in Laceluftstrom, aber es ist auch eine andere Wärmequelle, z. B Umsetzung elektrischer Energie, anwendbar.
• Ein normales Heizregister mit Wärmeaustausch zur Ladeluft, hin ohne direkte Durchmischung von Heizgasen und Ladeluft, ist schon wegen des Wirkungsgrades dieser Übertragung nicht so günstig und auch materialmäßig aufwend@ger. Allerdings könnte man spater, wenn der motor läuft, die :u der #ntriebsmaschine des aotationsschwingladern immer noch mit erheblicher Temperatur abströmenden Motorabgase zur Beheizung benut':en. Diese würde vielleicht im Teillastbereich und vor allem bei den durch Spülluftbedarf viel anspruchsvolleren 2-Takt-Motoren interessant sein. tan könnte auch heiße Motorabgase der Ladeluft zu deren Erwarmung beimischen. Diese Mischung könnte direkt im Rotationsschwinglader, wo beide Ga.se nebeneinander strömen, onne Aufwand erfolgen.
• Am praktischsten ist eine mit der vom Rotationsschwinglader gelieferten Druckluft betriebene Verbrennung des 3etriebsstoffes des Dieselmotors.
• Allerdings ist es bei dem an sich geringen Anteil der Beheizungsenergie, der im allgemeinen unter 5% liegen wird, auch möglich, ein leichter zündendes Medium, wie z.B. ein Flüssiggas, zur Zusatzheizung zu benutzen.
• Gezündet wird die Ladeluftheizung wohl nicht durch eine ständig brennende Pilotflamme, sondern nach dem bewährten Stand der Technik kontrolliert elektrisch, z.B. durch Funkenstrecke oder Flamrenbogen. Damit ist auch leicht die Kontrol@e zu verbinden, ob die Heizung in Betrieb ist, sowie ihre Drosselung bis zum Abschalten in gewissen Motorarbeitsbereichen.
• Bei einem Fahrzeugantrieb, dem vorzugsweisen Anwendungsgebiet der Erfindung, wird diese Zünd- und Kontrolleinrichtung zweckmäßig mit dem Startvorgang des Motors gekoppelt.
• Es wird besonders hervorgehoben, daß diese Erfindung unter Beachtung der für den Rotationsschwinglader geltenden Vorschriften sich hervorragend für den Einsatz bei 2-Takt-Dieselmotoren eignet, da gleichzeitig die erforderliche Spülluft zur Verfügung steht. wie Vorteile der Erfindung ind vielgestaltig und Leicht vu öelegen Der Ottomotor ist leicht un(l drehfreudig, also günstig fiir den Antrieb von Fahrzeugen. Leider ist er wegen des nur in gewissen Grenzen des Luftverhältnisses zündfähigen Arbeitsgemisches de@ Dieselmotor in bezug auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch grundsätzlich unterlegen, wie dies in Fig. 2 ersichtlich ist.
• Außerdem wird sein PV-Diagramm bei Teillast thermodynamisch schlechter, da dabei günstige Diagrammteile abgeschnitten werden.
• Beim Dieselmotor ist es gerade umgekehrt. Bei ihm entfallen dabei ungünstige Diagrammteile, sodaß er sich bei Teillast thermodynamisch verbessert.
• Wegen des nur in engen Grenzen änderbaren Luftverhältnisses ist die Abgastempertur beim Ottomotor immer hoch, sodaß viel Energie abströmt. Im Gegegnsatz dazu ist das Luftverhältnis beim Dieselmotor im Teillastbereich besonders hoch, was nach Fig. 2 zu günstigem 3rennstoffverbrjuch und zu geringen Abgastemperaturen führt.
• Im Stadtverkehr braucht ein mittlerer PKW auf ebener Straße eine Antriebsleistung von ca 5 kw, was vei einem 1,5-1-Motor bei 2 ooo min 1 einen mittleren tffektivdruck pe von ca 2 bar ergibt.
• Diesen 2 bar gegenüber fällt es schon ins Gewicht, daß ein Ottomotor in diesem Bereich stark gedrosselt fahren muß - wohl unter 25% der Ladungsmenge der Vollast - und entsprechend einen negativen mittleren Druck von ci -0,75 bar mitschieppt.
• Der aufgeladene Schwingladermotor nach dem Dieitlverfahren dagegen erfährt besonders bei Teillast beim Ladungswechsel einen zusätzlichen Schub durch die Differenz des Ladedrucks und der zum Lader abströmenden totorabgase von mindestens +0,5 bar, über den ganzen Arbeitszyklus gerechnet.
• Gegenüber den 2 bar des mittleren pffektivdrucks der benötigten Nutzleistung sind also -o,75 und +o,5 bar sehr erhebliche Beträge, welche den Brennstoffverbrauch im Stadtverkehr bestimmen.
• Geringerer Brennstoffverbrauch bedeutet auch weniger toxisches Abgas, bei dem die Nùx-Anteile auch wegen der viel geringeren Temperaturen des Motorarbeitszyklus bei hohem Luftverhältnis beim vorgeschlagenen Niederdruck-Dieselmotor + Rotationsschwinglader niedrig liegen.
• Die Erfindung macht den vorgeschlagenen Niederdruck-Dieselmotor so leicht wie den Ottomotor, behält ihm aber die Vorteile des Dieselverfahrens in Verbindung mit dem iiotationsschwlnglader: dberlegeren spezifischen Brennstoffsverbrauch - besonders in dem für PKW-Antriebe so wichtugeb Teillastbereich. Hohe Drehmomente auch bei geringen Motordrehzahlen günstige Luftverhältnisse im ganzen Motorarbeitsbereich. Durch dem Motor angepaßte Drehzahl des Rotationsschwingladers ist seine direkte Ankopplung beim Startvorgang des Motors möglich, soda? ohne zusätzliche Appara tur sofort geheizte Ladeluft zur Verfügung steht, aber auch die Spülluft für einen 2-Takt- Dieselmotor.
• Es sollte nicht unerwünnt bleiben, daß praktisch jedes Modell von Ottomotoren bei Anderung des Zylinderdeckels fur dieses Niederdruck-Dieselverfahren benutzt werden könnte : Die Drücke bleiben in den gleichen Grenzen und die Temperaturen werden niedrier. Das wieaerum macht eine erhebliche Leistungssteigerung ohne größere Anstrengung des Modells möglich. Zur bequemen aufnahme z.B. einer Wirbelkammer im Zylinderdeckel können die Ventile kleiner gemacht werden, da der Rotationsschwinglader Strömungsverluste ausgleicht.
• Beim Rotationsschwinglader gibt es keine gegenseitige Abhängigkeit von Fördermenge und Förderhöhe und keine Einschränkung wie durch die Pumpgrenze von Turboladern. Ls stört ihn wenig, wenn man den Motor mit beheizter Ladeluft aufläßt, da die Verkleinerung der Ladeluftmasse durch Ernhöhung des Ladedrucks kompensiert werden kann.
• Ordnet man die Aufheizung zwischen Laderverdichter und Motor an, 90 leistet die Erwärmung durch Ic e Ausdehnung der Ladeluft utzarbeit. Deshalb ist diese Anordnung rünstiger, als die vor nintritt in den Verdichter, weil dann der Lader ein größeres Volumen bewältigen muß.
• Der Stand der Technik stellt Mittel zur Verfügung, um die Beheizung optimal den jeweiligen Bedürfnissen, dem Arbeitsbereich des Motors und den Umgebungsbedingungen, anzupassen. bo wird man z.B. öeim Start höher aufheizen und später beir erwärmten Motor die Beheizung zurückfahren und vielleicht so auslegen, ddß man in den Hauptarbeitsbereichen darauf verzichten kann. rs ist eine Frage der Abstimmung des Gesamta@gregates, wobei es auch von Bedeutung ist, daß die Beheizung durch direkte Flamme und deren teuergase wenig aufwendig ist.
• Es ist leicht nachzuweisen, daß diese direkte Aufheizung der La-Ladeluft durch heiße Feuergase keine wesentliche Störung des Luftverhältnisses oder bedeutende Lnergieverluste verursacht Bei einem Luftverhältnis von 2 wird für 1 kg Brennstoff im Motor 28,6 kg Luft benötigt. Um diese Luftmenge um 1000 zusätzlich zur Kompressionswärme zu erhitzen, sind 720 kcal erforderlich, also ca 72 g Dieselöl, welche ihrerseits zur Verbrennung 1 kg Luft benötigen, also 3,5; der Arbeitsmenge, sodaß das Luftverhältnis sich auf 1,93 ändert - was zu vernachlässigen wäre! Die zusätzliche Erwärmung ist auch im Schluckliniendiagramm des Motors zu berücksichtigen; aber da man kaum unter ein Motorkompressionsverhältnis von 7 : 1 gehen wird, um noch einen günstigen thermodynamischen tirkungsgrad zu behalter, kann mit einer Ladeluftverdichtung von 2,5 bar gerechnet werden, ohne die maximalen Verbrennungsdrücke in einem Ottomotor zu überschreiten, sofern man ein entsprechendes Einspritzgesetz für den aufgeladenen Dieselmotor verwendet. Dieser Ladedruck aber ergibt bei günstigen Umgebungsbedingungen bereits eine genügend hohe Ladelufttemperatur, soda eie zusätzliche Heizung im Vollastbetrieb entfallen kann. Damit ändern sich die Motorschlücklinien gegenüber den üblichen Werten nicht im entscheidenden Bereich. Die Verringerung der Durchsatzmenge durcii die Aufheizung aber ist ohne Belang im Pnfahrberêich und während des Teillastbetriebes, da dort sowieso mit erheblichem Luftverhältnis gefahren wird.
• Ein Ausführungsschema des Erfindungsvorschlages sei an Hand der Fig. 3 als Zusammenfassung der bisherigen Beschreibung gegeben.
• Der Rotationsschwinglader 8 in Fig. 3 versorgt den in seinem Kompressionsverltnis zweckmäßig angepaßten Verbrennungsmotor nach dem Dieselverfahren 9 mit Ladeluft. Diese wird durch die Flamme 10 durch direkte Wärmeübertragung und durch Vermischung mit deren Feuergasen beheizt. nine Zünd- und Kontrolla#lage 11 nach dem Stand der Technik steuert diesen Vorgang, wobei die Heizungsintensität je nach den @edürfnissen sicherer Zündung und nicht unnötig hoher Temperatur nach Kontrol e etwa über Wärmefühler 12 geregelt wird. Die Flamme 10 wird durch die Brennstoffpumpe 15 gespei -t.
• 14 ist die zeitweilige möglich treibende Verbindung zwischen Motor und Rotationsschwinglader während des Startvorganges.
• Diese ist Stand der Rotationsschwingl@dertechnik.
• Anstelle der Flamme 10 kann auch z.B. eine elektrische Wi@erstandsheizung oder ein Flammenbogen angeordnet werden.
• Möglich ist auch die Beheizung der Ladeluft an der Stelle 10 durch ein nicht dargestelltes Heizregister, welcnes zum start fremd beheizt werden muP:, während später nach dem Start des A:otors die Beheizung des Registers durch Motorabgase erfolgen 9011-te.
• Auch eine direkte Zumischung heißer Motorabgase - nach einem anders eingeleiteten Start des Motors - zur Ladeluft ist ohne zeichnerische Darstellung nch dem Stand der Technik verstandlich. e Die Vorteile des Niederdruck-Dieselmotors n@ch der Erfindung, einschließlich der unvergleichlich günstigen Charakteristik, kommen besonders eindruckvoll zur G@ltung, wenn man sie im Zusammenhang mit der Verwendung einer solchen einrichtung zuir.
• Antrieb eines hochmotorisierten Fahrzeuges, z.B. enes PKW, betrachtet. Man kann dann zwischen Fahrzeug und Motor benötigte Getriebe als Föttinger-Wandler ausbilden. Dies@m könnte a-uch ein sigennanter Berggang nachgeschaltet werden. Es könnte aber auch entsprechend dem Stand der Technik selbstverstärkend sein, wie bei einem Rieseler-Getriebe und sogar den hückwärtsgang durch Umkehren der Funktion von Lauf- und Leitrad integrieren.
• Dabei können die für den Umlauf des Betriebsmediums vorhandenen Zahnradpumpen gleichzeitig zum verschließlosen Bremsen dienen.
• Die Verhältnisse werden optimal, wenn dieses Getriebe ein Trilok-Wandler ist, dessen Kupplkungspunkt dem maximalen Motordrehmoment möglichst gut entspricht.

Claims (11)

Niederdruck-Dieselmotor mit Rotationsschwinglader Patentansprüche.

1. Verbrennungsmotor nach dem Diesel-Verfahren, dem ein Rotationsschwinglader unter Ausnutzung der Abgasenergie, vorzugsweise als freifahrende @adeaggregat. Lade#uft unter Druck im ganzen Motorarbeitsbereich zuführt, wobei das Kompressionsverhältnis des Elotoru so weit abgesenkt ist, daß auch unter Berücksichtigung der Kompressionswärme der Ladeluft beim Kompressionshuo des ?ctors die für das den des eingesritzten Kraftstoffs notwendige Temperatur an sich nicht erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, da2 die Ladeluft vor Eintritt in den Arbeitszylinder der Motors zusätzlich aufgeheizt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung der Ladeluft durch Anordnung einer Wärmequelle im Ladeluftstrom erfolgt.

3. Einrichtung nach Ansprüchen 1 u. 2, dad. gek. daß eine verlustarme Beheizung durch direkte Vermischung der Ladeluft mit Feuergaser. eines Verbrennungsvorganges erfolgt.

4. binrichtung nach den Ansprüchen 1 u. 2, dad. gek. daß eine verlustarme Beheizung durch Anordnung einer durch Elektrizität gespeisten Wärmequelle, Flammenbogen oder Glü@einrichtung, im Ladeluftstrom erfolgt.

5. Einruchtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dad. gek. da?:. ein nach de Stand der Technik ausgebildetes Kontrollorgan vorgesehen ist, welches Zünden und Wirksamkeit der Heizeinrichtung überwacht und regelt.

6. Einrichtung nach den Anspüchen 1 bis 3, dad. gek. daß zur Beheizung ein leichter entzündliches Medium, z.B. Propangas, benutzt wird.

7. Einrichtung nach der Ansprüchen 1 bis 5, dad. gek. daß zur Beheizung dasselbe Medium verwendet wird, welches auch zum Betrieb des Motors dient.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dad gek. daß die Auslösung der Beheizung mit den Startvorgang gekoppelt ist, wobei eine Voreilung sowie eine Sichderung bei Versagen der Heizung vorgesehen ist.

9. Einrichtng nach denAnsprüchen 1 bis 8, als Niderdruck-2-Takt-Dieselmotor, dad. gek. daß beim Start und in den Arbeitsbereichen in denen die Energie der Motorgase auch bei Zusatzheizung für den Rotatonsschwinglader nicht ausreicht, eine treibende verbindung zwischen Rotationsschwinglader und Motor besteht, welche automatisch ausgeschaltet wird, sobald freifahren des @aders möglich ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 ois 9, die als Antrieb in einem hochmotorisierten Fahrzeug, vorzugsweise in einem PKW verwendet wird, dad. gek. daß ihr als Getrieb zwischen rotor und Fahrzeug ein solches mit nydrodynamischen Wandler mit oder ohne Berggang nachgeschaltet ist, wobei der Wandler der Trilok-Bauart entspricht und so ausgelegt ist, daß sein Kupplungspunkt etwa dem höchsten Motordrehmoment entspricht.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dad. gek. daß der Wandler allein das komplette Fahrzeuggetriebe darstellt, bei dem auch der Rückwartsgang durch Umkehrung der Funktion von Lauf- und Leiträdern integriert ist, während die für den Medienumlauf vorhandenen Zahnradpumpen gleichzeitig als verschleißlose bremsen eingesetzt werden können.