DE2232593A1

DE2232593A1 - Vom abgas angetriebener lader fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2232593A1
Application number: DE2232593A
Authority: DE
Inventors: Otto Kraic
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Wankel GmbH; Audi AG
Current assignee: Wankel GmbH; Audi AG
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1972-07-03
Publication date: 1974-01-24

Description

Beschreibung der Erfindung

Vom Abgas angetriebener Lader für Brenrikraftmaschihen

Anmelder:

Fa. Wankel GmbH 899 Lindau (B) Audi NSU Auto Union AG 7107 Neckarsuim

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Turbolader.

Derartige von Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebene Frischgaslader verwenden die in den Abgasen enthaltene kinetischen- und Wärmeenergien zur Aufladung der Brennkraftmaschine. Dadurch wird ein Teil der sonst mit den

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Abgasen verlorene Energien dem in der Brennkraftmaschine ablaufenden Energieumwandlungsprozess wieder zugeführt und zugleich deren Wirkung verbessert.

Bekannt sind Abgasturbolader/ bei denen der Lader ein Turboverdichter ist, der von einer auf gleicher Welle arbeitenden, von den heißen Auspuffgasen beaufschlagten Turbine angetrieben wird. Ein bekannter Nachteil derartiger Turbolader ist es, daß sie nur bei höheren Drehzahlen Druck- und Fördermengen der Frischluft ausreichen, während bei niedrigen Drehzahlen der vom Lader erzeugte Luftdruck gleich oder nur wenig größer ist als bei einejnicht aufgeladenen Maschine. Die erzielbare Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung des Motors wirkt sich daher gerade nicht in denjenigen Drehzahl- und Lastbereichen aus, in denen sie am meisten benötigt werden. Auch lassen sich mit derartigen Anordnungen zwar die in den Abgasen enthaltenen kinetischen- und Wärmeenergien ausnutzen, nicht aber die Verbrennung verbessern. Durch die normalerweise eintretende Temperatursenkung hinter der Abgasturbine werden andererseits die Bedingungen für bekannte der Verminderung von Schadstoffen dienende Nachverbrennungen verschlechtert.

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Aufgabe der Erfindung ist ein Abgasturbolader, der auch in den unteren Drehzahlbereichen und Lastzüständen des Motors eine wirksame Frischgasförderung unter erwünschter Drucksteigerung ermöglicht und daher den Wirkungsgrad des Motors über alle Betriebszustände verbessert und in dem nicht nur die kinetische Energie und der Wärmegehalt des Abgases ausgenutzt wird, sondern auch die in ihm noch vorhandene chemische Energie. Letztere sollen daher nicht im Nachverbrenner nutzlos vernichtet, sondern dem Energieumtauschprozess des Motors wieder zugeführt werden. Dessen Wirkungsgrad kann dadurch in zweifacher Weise, d.h., auch in unteren Drehzahl- und Lastbereichen und durch vollständigere Verbrennung in allen Betriebszuständen verbessert, gleichzeitig aber die Emission an schädlichen Schadstoffen eingeschränkt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Beseitigung der Schadstoffe in gleichem oder höherem Umfang zu erzielen, wie bei bekannten Nachverbrennern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den frischluft- und abgasfördernden Ver-

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bindungsrohren zwischen Brennkraftmaschine und Abgasturbolader ein durch ein Stellglied drosselbarer Bypass vorgesehen ist, durch den die vom Lader geförderte Frischluft in den Abgasstrom ganz oder teilweise überschoben werden kann. Das Stellglied ist abhängig von Drehzahl- und Lastzustand der Brennkraftmaschine steuerbar.

Hierdurch kann in Anfahrzuständen wie überhaupt in niederen Drehzahl- und Lastbereichen der. Brennkraftmaschine der Abgasturbolader ganz oder teilweise kurzgeschlossen werden, so daß er die für einen ausreichenden Wirkungsgrad notwendige Drehzahl erreichen kann. Ferner wird dadurch Frischluft in den Abgasstrom eingeführt, so daß dort eine Nachverbrennung stattfinden kann, durch die die in den Abgasen noch enthaltenen chemischen Energien in den Energieumwandlungsprozessim Motor zurückgewonnen werden können.

Soll der Abgasturbolader hierbei Ladedrücke für eine ohne Fremdzündung laufende Kreiskolbenmaschine liefern, die in Folge ihrer Arbeitsraumbildung von sich aus solche Drücke nicht erreichen kann, ist es zweckmäßig, in den Anfahrzuständen oder solchen Betriebsbedingungen, in denen der Abgasturbolader auch unter voller Einschaltung des

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Bypasses nicht auf ausreichende Drehzahl kommen kann, in dem Bypass oder in dem Verbindungsrohr zwischen Brennkraftmaschinenauslaß und der Abgasturbine Kraftstoff wenigstens kurzfristig einzuspritzen.

Um ein Unterbrechen der Verbrennung der Abgase in Folge Unterkühlung durch zu hohe Frischluftbeimengungen zu verhindern, können in dem Bypass ein abgasbeheizter Wärmetauscher oder im Verbrennungsrohr zwischen Brennkraftmaschinenauslaß und Abgasturbine ein oder mehrere Katalysatoren zur Verbesserung oder zum Wiederingangsetzen der Verbrennung der in den Abgasen enthaltenen unverbrannten Kraftstoffbestandteilen insbesondere der Schadstoffe angeordnet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Abgasturboladers und einer Hubkolbenbrennkraftmaschine,

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Fig. 2 einen axialen Schnitt durch den gleichen Abgasturbolader, der erfindungsgemäß mit einer im Radialschnitt dargestellten Kreiskolbenbrennkraftmaschine zusammenwirkt,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Maschinenkombination.

In Fig. 1 ist 1 eine teilweise im axialen Schnitt durch Kolben und Zylinderkopf dargestellte Hubkolbenbrennkraftmaschine. Ihr Ansaugkanal 2 steht mit dem Lader 3 eines Abgasturboladers 4 bekannter Bauweise über die Rohrleitung 5 und den Vergaser 6 in Verbindung. Der Auslaßkanal 7 der Brennkraftmaschine 1 andererseits ist über die Rohrleitung 8 mit der Abgasturbine 9 des Abgasturboladers 4 verbunden. Der Rotor 10 der Abgasturbine 9 ist auf der gleichen Welle 11 befestigt wie der Rotor 12 des Turboladers 3. Die aus dem Auslaß 7 der Brennkraftmaschine 1 austretenden hochbeschleunigten und heißen Gase treiben den Rotor 10 an und werden über das Rohr 13 abgeführt. Der Rotor IO treibt über die Welle 11 den Rotor 12 an, der bei genügend hoher Drehzahl Druckluft in Vergaser 6 und Zylinder der Brennkraftmaschine 1 fördert.

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ErfindungsgemL- Ist zwischen den Rohrleitungen 5 und 8 ein Bypass-'14 angeordnet/ der von ^ainem Stellglied 15 je nach Drehzahl und Lastzustand der Brennkraftmaschine 1 gedrosselt oder geschlossen werden kann.

Die Wirkungsweise ist folgende: Durch Öffnen des Bypasses wird der Turbolader kurz geschlossen, so daß er nicht gegen Druck zu arbeiten braucht und selbst bei niedrigen* Beaufschlagungen der Abgasturbine durch die Abgase des Motors, wie dies in unteren Drehzahl— bereichen und niederen Lastzuständen des Motores der Fall ist/ eine hohe Drehzahl erreichen kann, bis sich ein ausreichender Wirkungsgrad des Laders ergibt. Mit dadurch steigender Motorleistung wird die Abgasturbine stärker bis zum normalen Betrieb des Abgasturboladers beaufschlagt, worauf der Bypass wieder gedrosselt werden kann. Das überschieben von frischluft in den Abgasstrom zwischen Brennkraftmaschine und Lader hat den weiteren Vorteil, daß auf diesem Weg eine Vermischung der Luft mit dem noch nicht vollständig verbrannten Abgas eintritt, so daß eine vollständige oder zumindestens erheblich verbesserte

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Verbrennung erfolgen kann und die Schadstoffe in den hinter der Abgasturbine austretenden Gasen ganz oder bis zu einem zulässigen Maß beseitigt sind. Es ist daher zweckmäßig nach Eintritt des normalen Betriebs des Abgasturboladers den Bypass nicht vollständig zu schließen, sondern diejenigen Frischluftmengen weiter überzuschieben, deren es für eine ausreichende Nachverbrennung bedarf.

Bei Überschieben größerer Frischluftmengen und bei andererseits geringer Drehzahl oder niedriger Belastung des Motors kann es zu Unterkühlungen des noch brennenden Abgasgemisches kommen, so daß die Verbrennung unterbrochen wird. Um diesem Nachteil abzuhelfen, ist es zweckmäßig, in der Abgasrohrleitung 8 einen oder mehrere Katalysatoren vorzusehen, denen getrennt FrischgasZuführungen aus dem Bypass 14 zugeordnet sein können. Die Rohrleitung kann zu diesem Zweck in ihrem Querschnitt entsprechend erweitert werden.

In der in Fig. 2 dargestellten weiteren Ausführungsform ist die Abgasturbine 10 des Abgasturboladers 4 · mit dem Auslaßkanal 16 einer ohne Fremdzündung arbeitenden Kreiskolbenmaschine der Trochoidenbauwexse über die Rohrleitung 8 verbunden. Der Turbolader

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steht über die Rohrleitung 19 mit dem Einlaßkanal 20 der Kreiskolbenbrennkraftmaschine 17 in Verbindung. Die Rohrleitungen 18 und 19 sind durch den Bypass 21 verbunden, der durch das Stell- , glied 22 gedrosselt oder verschlossen werden kann. Die Wirkungsweise ist die gleiche, wie bei der zu Fig. 1 dargestellten Maschinenkombination. Jedoch ist die Kreiskolbenbrennkraftmaschine für Dieselbetrieb bestimmt. Da der verwendete Maschinentyp einer 2:3 übersetzten, im Schlupfeingriff arbeitenden Trochoidenmaschine nicht von sich aus auf die für Dieselbetrieb notwendigen Drücke kommen kann, bedarf es vom Anlassen der Maschine an einer ausreichend hohen Aufladung, die aber von dem Abgasturbolader zunächst nicht erreicht werden könnte. Es ist daher im Bypass 21 eine Kraftstoffeinspritzung über die Düse 23 vorgesehen, die in Strömungsrichtung vor einer eine Strömungsbeschleunigung erzeugenden lavaldüsenartigen Einschnürung 24 im Bypass angeordnet ist. Zweckmäßig ist in diesem Fall hinter der Einschnürung 24 einen ringförmigen Brennraum 25 vorzusehen, in den der Auslaßkanal der Brennkraftmaschine 17 düsenförmig eingeleitet wird. Bei dieser Anordnung kann bei Anfahren aus dem niedrigen Drehzahlbereich heraus ein zusätzlicher Antrieb durch Verbrennung des aus dem Bypass in das Verbindungsrohr 18 eintretenden

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Gemisches gewonnen werden. Sobald ein normaler Betrieb des Turboladers und der Brennkraftmaschine einsetzt, kann die zusätzliche Verbrennung im Bypass beendet werden.

In einer weiteren in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Maschinenkombination die gleiche wie die in Fig. 2 dargestellte, jedoch ist der Bypass hier eine Ausnehmung 26 in der Mantellaufbahn 27 der Kreiskolbenmaschine, die den Laufbahnsattel 29 zwischen Einlaßöffnung 30 und Auslaßöffnung 31 durchschneidet. Das Stellglied zur Steuerung der Ausnehmung 26 ist in diesem Fall ein Schieber 32, der von der Gehäuseaußenseite her betätigt werden kann. Die Ausnehmung 26 muß schmäler als die Mantellaufbahn 27 sein, um ihr Verschließen durch die Dichtleiste 33 in den Kolbenecken bzw. deren Abscheren zu vermeiden. Im übrigen ist die Wirkungsweise die gleiche wie bei der in Fig. 1 dargestellten Maschine. Wenn die Kreiskolbenbrennkraftmaschine im Dieselbetrieb arbeiten soll, kann in dem Verbindungsrohr 34 zwischen Auslaßkanal 31 und der Abgasturbine eine Einspritzdüese für Kraftstoff vorgesehen werden. Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beiden nachfolgenden Diagrammen.

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In Fig. I ist eine Charakteristik der abgegebenen Leistung bei einer nichtaufgeladenen Maschine (A), bei einer Masoi^ne, die normalerweise mit einem Abgasturbolader gespeist wird (B) ,.mit (Q) \.ird eine Leistungskurve gezeigt für Maschinen/ die nach der Erfindung mit geregeltem Abzweigkanal arbeiten. Die Leistungskurve (D) ist für eine Verbrennungsmaschine gültig, die mit zusätzlicher Kraftstoffeinspritzung in den Abzweigkanal arbeitet. N bedeutet die Leistung der Maschinen, U die Drehzahl der Verbrennungsmaschine.

In Fig. II ist in Fig. 4 die Charakteristik der Luftmenge gezeichnet. Hier bedeutet Q die gesamte Luftmenge, U die Drehzahl der Verbrennungsmaschine, U . die Drehzahl des Abgasturboladers. Die Linie E ist die Luftmenge bei einer nichtaufgeladenen Maschine, F' bei einer normalerweise aufgeladenen Maschine, G bei aufgeladener Maschine nach der Erfindung. Mit der Linie H ist die gesamte Luftmenge, die von dem Turbolader gegeben wird, angedeutet. Linie G¹ stellt eine vom Lader gegebene Menge dar, wenn man zusätzlich eine an sich bekannte Ablaßsteuerung wählen sollte. Mit der Linie I ist die Abhängigkeit der Motordrehzahl und der Drehzahl der Abgasturbine gegeben. Der Unterschied zwischen G und H ist die Luftmenge, welche durch den Abzweigkanal geht.

Patentansprüche (nach Blatt 13)

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Claims

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Patentansprüche

Brennkraftmaschine mit Turbolader dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verbindungsrohren (5,19,8,18,34) zwischen Brennkraftmaschine (1,17,28) und Abgasturbolader (4) ein durch ein· Stellglied (15,24,32) drosselbarer Bypass (14,21,26) vorgesehen ist, durch den vom Turbolader (3) geförderte Frischluft in den Abgasstrom überschoben werden kann.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (15,22,32) abhängig von Drehzahl und Lastzustand der Brennkraftmaschine (1,17,28) gesteuert werden kann.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Kreiskolbenmaschine (28) ist und daß der Bypass eine kanalförmige Ausnehmung (29) in der Mantellaufbahn der Brennkraftmaschine ist, der zwischen deren Einlaßöffnung (30) und deren Auslaßöffnung (31) angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,2,3,

dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass (14,21) oder in dem Verbindungsrohr (18) in Strömungsrichtung hinter der Einmündung des Bypasses (26) eine Einspritzdüse (23) für Kraftstoff angeordnet ist.

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5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,2,3,4, dadurch gekennzeichnet ,- daß der Bypass (14,21) oder das Verbindungsrohr (18) in Strömungsrichtung hinter der Einspritzdüse (23) eine lavaldüsenartige * Einschnürung (24) aufweist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,2,3,4,5,. dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass in Strömungsrichtung nach der Einschnürung(24) einen ringförmigen Brennraum (25) bildet, in dem der Auslaßkanal der Brennkraftmaschine (17) düsenförmig eingeleitet ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,2,3,4,5,6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bypass (14,21) ein abgasbeheizter Wärmetauscher vorgesehen ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Mantellaufbahn (27) einer Kreiskolbenbrennkraftmaschine (28) vorgesehene Stellglied zur Drosselung des Bypasses (26) ein von der Außenseite des Gehäuses, der Brennkraftmaschine (28) betätigbarer Schieber (32) ist.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7,8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verbindungsrohr (8,18) zwischen Auslaß (7,16,31) der Brenri-

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kraftmaschine (1,17,28) und der Abgasturbine (9) ein oder mehrere Katalysatoren zur Verbesserung oder zum Wiederingangsetzen der Nachverbrennung der Abgase vorgesehen sind und daß jedem Katalysator eine Einlaßöffnung des Bypasses (14,21) zugeordnet ist.

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