DE8023061U1 - Vorrichtung zum aufladen eines verbrennungsmotors mit einem turbolader - Google Patents

Description

NOVA WERKE AG

8307 Effretikon

BESCHREIBUNG

Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader, der zwei auf einer gemeinsamen Welle sitzende Schaufelräder aufweist, von denen eines als Abgasturbine und das andere als Ladeverdichter ausgebildet ist.

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Es ist bekannt, dass durch Aufladung eines Verbrennungsmotors der Gasdurchsatz gesteigert und die Motorleistung erhöht werden kann. Ihrer Einfachheit wegen werden Abgasturbolader gegenüber mechanisch oder elektrisch angetriebenen Aufladern bevorzugt. Nachteilig ist die Tatsache, dass Verbrennungsmotoren (Diesel- und Otto-Motoren) mit Abgasturboladern gegenüber konventionellen, nichtaufgeladenen Saugmotoren ein verzögertes Beschleunigungsverhalten aufweisen. Dies, weil nach dem Oeffnen der Drosselklappe eine gewisse Zeit verstreicht, bis die notwendige Abgasmenge zur Beschleunigung des Turboladers vorhanden ist. Aus diesem Grund entwickelt sich der Ladedruck nur zögernd und erst nachdem die Schaufelräder eine bestimmte Drehzahl erreicht haben.

Die Erfindung bezweckt nun, diesen Verzögerungseffekt aufzuheben und darüber hinaus sogar ein beschleunigtes Hochdrehen der turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren gegenüber Saugmotoren zu erwirken.

Erfindungsgemäss wird dies so erreicht, dass die

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Vorrichtung Mittel zur Einspeisung von Fremdenergie in den Turbolader aufweist, zwecks Erzeugung einer Rotation der Schaufelräder, unabhängig von den Motorabgasen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eines der Schaufelräder über eine Düse direkt mit Druckluft beaufschlagt, wobei diese Druckluft einem Speicherbehälter entnommen wird, der laufend oder periodisch durch einen Kompressor nachgefüllt wird.

Der Abgasturbolader wird durch die Fremdeinspeisung, unabhängig von den Motorabgasen, rasch auf eine hohe Drehzahl gebracht, so dass innert kürzester Zeit Ladeluft mit Ueberdruck für den Motor zur Verfügung steht. Durch die Erfindung wird das Beschleunigungsverhalten von Automobilen und Lastwagen wesentlich verbessert. Auch ein rasches Hochfahren von Notstromgruppen mit Verbrennungsmotoren wird ermöglicht.

"Anhand der Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 perspektivisch einen Turbolader mit einer Patrone zum einmaligen Zuführen von Rauchgas in die Abgasturbine,

Fig. 2 perspektivisch einen weiteren Turbolader, bei welchem eines der Schaufelräder über eine Düse mit einem gasförmigen Medium direkt beaufschlagt wird,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Turbinenlaufrad des Turboladers gemäss Fig. 2 und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Turboladers ir.it Fremdeinspeisung von Drehenergie.

Der in den Figuren dargestellte Abgasturbolader 1 besteht in an sich bekannter Weise im wesentlichen aus einer Abgasturbine 2 und einem Ladeverdichter 3. Die beiden Schaufelräder 4 des Turboladers 1 sitzen auf einer gemeinsamen Welle ⁵· Der Turbolader 1 i-^{st am} Abgaskollektor 6 angeflanscht, der im vorliegenden Fall vier Abgasstutzen 1 aufweist und für einen Vierzylindermotor bestimmt ist.

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Der Ladeverdichter 3 saugt die atmosphärische Luft über den Einlassstutzen 8 an und leitet die verdichtete Luft über den Luftauslass 9 den Motorzylindern zu. Um eine Ueberladung des Motors zu verhindern, ist die Abgasturbine 2 mit einem Ladedruckregelventil 10 versehen, das sich bei einem bestimmten Druck öffnet und einen Teil der Abgase an der Abgasturbine 2 vorbei, direkt in den Auspuff führt. Zwischen den beiden Schaufelrädern ist eine Schmiereinrichtung 22 angeordnet.

Beginnt nun der Motor ohne Fremdantrieb des Turboladers zu laufen, so setzen die ausströmenden Abgase das Abgasschaufelrad langsam in Bewegung. Dadurch wird automatisch auch das auf der gleichen Welle sitzende Verdichterschaufelrad angetrieben. Zusätzliche Frischluft wird dem Motor zugeführt, verbrannt und ausgepufft. Die beiden Turbinenräder schaukeln sich gegenseitig zu immer höheren Drehzahlen auf, bis zu der durch das Ladedruckregelventil gegebenen Drehzahlbegrenzung. Bis die notwendige Abgasmenge zur Beschleunigung des Turboladers vorhanden ist, verstreicht eine relativ lange Zeit.

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Dieser Verzögerungseffekt kann nun vermieden
werden durch Fremdeinspeisung von Rauchgasen unter Druck
in den Abgaskollektor 6. Dazu dient eine Patrone 11, die
mit raketenähnlichem Treibstoff gefüllt ist und deren Ausgangsleitung 12 in den Abgaskollektor 6 mündet. Die Patrone 11 ist für einmalige Anwendung vorgesehen, z. B. um das
rasche Hochfahren einer Notstromgruppe mit Verbrennungsmotoren zu gewährleisten, oder um das Beschleunigungsvermögen von Rennautos in der Startphase zu begünstigen.

Beim Starten des Motors wird gleichzeitig die
Patrone gezündet. Die Rauchgase bringen den Turbolader unabhängig von den Abgasen des Motors sofort auf eine hohe Drehzahl, so dass innert kürzester Zeit der volle Ladungsdruck
zur Verfügung steht. Der Motor entwickelt aus der Leerlaufdrehzahl heraus sofort ein sehr hohes Drehmoment.

Bei der Ausführungsform gemäss den Figuren 2 und
3 wird Druckluft 13 über eine im Turboladergehäuse 14 angeordnete Düse 15 direkt auf die Schaufeln 16 des Laderades 4 geblasen, um ebenfalls den Turbolader unabhängig von den Ab-

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gasen sofort zu beschleunigen. Statt auf das Laderad könnte die Druckluft oder ein anderes gasförmiges Medium auch auf das Abgasturbinenrad geleitet werden. Der Düsenwinkel ist so gewählt, dass eine optimale Beaufschlagung der Schaufeln ¹16 erzielt wird.

Wie aus den Figuren hervorgeht, kann die Einspeisung von Druckluft, die einem Druckluftbehälter 17 entnommen wird, entweder in den Abgaskollektor 6 oder direkt ins Turboladergehäuse erfolgen. Messungen haben gezeigt, dass bei direkter Beaufschlagung der Schaufeln durch die Druckluft ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird im Vergleich zur Einspeisung in den Abgaskollektor. Die Druckluft wird unter 10 - 100 bar gespeichert und über ein Druckreduzierventil 18 und ein Betätigungsventil 19 zum Auslösen des Beschleunigungsvorganges dem Turbolader 1 zugeführt. Zur Einspeisung in den Abgaskollektor 6 dient die Leitung 22.

Je nach dem Volumen des Druckbehälters 17 und je nach der Höhe des Speicherdruckes sind unter Berücksichtigung des Luftverbrauches mehrere Beschleunigungsvorgänge

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möglich. Statt Druckluft könnte auch irgendein anderes, mit den Abgasen kompatibles Gas, ζ. Β. Stickstoff, im Behälter gespeichert sein.

Bei der Verwendung von Druckluft wird der Behälter 17 zweckmässigerweise periodisch oder laufend nachgefüllt. Dazu ist ein zweistufiger Kleinkompressor 20 für 10 - 100 bar vorgesehen, der direkt vom Motor angetrieben wird. Ein Druckschalter 21 schaltet den Kompressor bei einem niedrigen Behälterdruck ein und schaltet ihn bei Erreichung des Enddruckes wieder aus. Auf diese Weise ist es möglich, die Beschleunigungsvorgänge beliebig oft zu wiederholen. Die gespeicherte Druckluft kann auch zur Betätigung anderer Nebenaggregate bei einem Motorfahrzeug dienen, z. B. für Servorbremsen, Servolenkung, Zentralverriegelung von Türen, Starten des Motors mit Druckluft, usw.

Durch die Zuführung von Fremdenergie zur Beschleunigung des Turboladers wird erreicht, dass der Motor während einer möglichst langen Zeit mit optimalem Drehmoment arbeitet, was wiederum eine Energieeinsparung mit

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sich bringt. Mittels der zugeführten Druckluft, die an einer geeigneten Stelle des Abgaskollektors, nahe beim Abgaseintritt, eingespeist wird, besteht die Möglichkeit der Reduktion der Schadstoffemissionen durch Nachverbrennen von bislang unvollständig verbrannten Treibstoffrückständen im Kollektor. Schliesslich wird auch das Kaltstartverhalten des Motors verbessert, da die Brennstoffanreicherung.mittels Choke oder Start-Einspritzdüse vermindert werden kann.

Motorversuche an einem 1500-cm -Fahrzeugmotor mit Turboaufladung zeigten folgende Resultate auf dem Bremsstand:

Bei normaler Beschleunigung von 950 U/Min, auf 3500 U/Min., entsprechend einer eingestellten Leistung von ca« 65 PS auf der Bremse, wurde eine Beschleunigungszeit von 13,5 Sek. gemessen. Nun wurde das Turbinenschaufelrad mittels einer Düse beim Startvorgang direkt mit Druckluft beaufschlagt. Bei einem Luftdruck von 30 bar erfolgte die Beschleunigung des Motors von 950 U/Min, auf 3500 U/Min, (wiederum bei einer Leistung von 65 PS) innerhalb von ca.

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4,5 Sek. Dabei wurde ein Luftverbrauch während der Beschleunigung von ca. 1020 1 gemessen. Bei 16 bar Ausgangsdruck betrug die Beschleunigungszeit 6,5 Sek. und der Luftverbrauch 550 1.

Aus den obigen Resultaten geht hervor, dass der Fremdantrieb des Turboladers unabhängig von den Abgasen während des Startvorganges zu einer ganz erheblichen Reduktion der Beschleunigungszeit des Verbrennungsmotors führt. Der nachteilige Verzögerungseffekt des Turboladers wird dadurch gänzlich vermieden.

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Claims (6)

A 12 454 21.10.1980 i - kt Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader, der zwei auf einer gemeinsamen Welle sitzende Schaufelräder aufweist, von denen eines als Abgasturbine und das andere als Ladeverdichter ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel (11,15,17) zur Einspeisung von Fremdenergie in den Turbolader (1) aufweist, zwecks einer von den Motorabgasen unabhängigen Erzeugung einer Rotation der Schaufelräder (4).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Einspeisung von Fremdenergie in den Turbolader (1) durch eine von einer rauchgaserzeugenden Patrone (11} oder einem Druckgasbehälter (17) ausgehende, in den Abgaskollektor (6) des Turboladers (1) mündende Leitung (12) bzw. (22) gebildet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Einspeisung von Fremdenergie in den Turbolader (1) durch mindestens eine von einer rauchgaserzeugenden Patrone (11) oder von einem Druckgasbehälter ausgehende, über eine Düse (15)

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in den Ladeverdichter (3) oder die Abgasturbine (2} mündende Leitung gebildet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Düse (15) so ausgerichtet ist, daß die Schaufeln (16) des Schaufelrades (4) des Ladeverdichters (3) bzw. der Abgasturbine (2) unmittelbar durch das Druckgas beaufschlagbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Druckgasbehälter (17) über ein Druckreduzierventil (18) und ein Betätigungsventil (19) mit dem Turbolader (1) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß ein vom Motor angetriebener, durch einen Druckschalter (21) ein- und ausschaltbarer Kompressor (20) zum periodischen Nachfüllen des Druckgasbehälters (17) und zur eventuellen Versorgung anderer Druckgasverbraucher vorgesehen ist.