Brennkraftmaschine Diese Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen mit Aufladung.
Brennkraftmaschinen mit einer aus einem ersten, mechanisch angetriebenen und einem weiteren, durch eine Abgasturbine angetriebenen Luftkompressor bestehenden Aufladeeinrichtung sind bereits bekannt. Solche Einrichtungen haben den Nachteil, dass bei hohen Motordrehzahlen, d.h. dann wenn der zweite Kompressor genügend komprimierte Frischluft zuzu führen vermag, der erste Kompressor immer weiter mitdreht und somit eine bestimmte Leistung auf nimmt.
Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass der erste Kompressor den ganzen oder teilweisen Aus fall des zweiten nicht auszugleichen vermag. Auch kann der erste Kompressor durch den zweiten nicht unterstützt werden, wenn letzterer in der Leistung abfällt.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist nun, diese Nachteile wenigstens teilweise zu beheben.
Die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine, die mit einem Lufteintrittsrohr, einem Abgasrohr und einer Einrichtung zum Aufladen der Maschine mit komprimierter Luft ausgerüstet ist, wobei diese Ein richtung einen ersten Luftkompressor, ein von der Brennkraftmaschine angetriebenes Differentialge triebe, das in Antriebsverbindung mit dem ersten Kompressor und mit einer Transmissionswelle steht, und einen zweiten Luftkompressor, der an eine Ab gasturbine angeschlossen ist, umfasst, zeichnet sich aus durch einen ersten Luftdurchlass,
der den Luft- auslass des ersten Kompressors mit dem Luftein- trittsrohr der Maschine verbindet, und durch einen zweiten Luftdurchlass, welcher den Luftauslass des zweiten Kompressors über ein Rückschlagventil mit dem Lufteintrittsrohr der Maschine verbindet.
Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine derart ausgebildet, dass der Luftauslass des zweiten Kom- pressors über einen dritten Durchlass mit dem Luft- einlass des ersten Kompressors in Verbindung steht, und dass dieser dritte Durchlass ein Hilfs-Drossel- ventil aufweist, welches den Luftdurchtritt in Ab hängigkeit der Stellung des Rückschlagventils steuert.
Zudem kann im Lufteintrittsrohr des ersten Kom pressors ein weiteres Rückschlagventil angeordnet sein.
In der beiliegenden Zeichnung sind beispiels weise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstan- des dargestellt. Es zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungs beispiels der erfindungsgemässen Brennkraftmaschine mit zugeordneter Gebläs,eeinrichtung ; Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht eines zweiten Beispiels ;
Fig. 3 eine im grösseren Masstab dargestellte Schnittansicht eines Ventils, das im Beispiel gemäss Fig. 1 verwendet ist, und Fig. 4 und 5 im vergrösserten Masstab jeweils einen Schnitt durch Ventile, wie sie beim Beispiel gemäss Fig. 2 benutzt sind.
Bezugnehmend auf Fig. 1 besitzt eine Brenn- kraftmaschine 1 ein Abgasrohr 2, ein Lufteinlassrohr 3 und eine Einrichtung zum Aufladen der Maschine 1 mit Pressluft. Die Aufladeeinrichtung besteht im allgemeinen aus einem ersten Luftkompressor 4 der Verdrängerbauart, einem Differentialgetriebe 5,
einem zweiten als Turbokompressor ausgebildeten Luftkompressor 6, einem Ventil 7 und aus Leitungen 8, 9 bzw. 10.
Das Differentialgetriebe 5 wird von der Brenn- kraftmaschine 1 über eine Welle 11 angetrieben und besitzt einen ersten Abtriebsteil, welcher über eine Wellenkupplung 12 in Antriebsverbindung mit dem Kompressor 4 steht, und einen zweiten,
in antrei- bender Verbindung mit einer Transmissionswelle 13 stehenden Abtriebsteil. Der Turbokompressor 6 be sitzt eine Turbine 14, welche von den durch das Rohr 2 aus der Maschine 1 kommenden Abgasen getrieben wird, und einem Kompressor 15, der ein Lufteintrittsrohr 16 mit einem Luftfilter 17 aufweist.
Das abgasentladende Rohr der Turbine 14 ist bei 18 angedeutet, während ein Lufteintrittsrohr und ein Luftfilter für den Kompressor 4 mit 19 bzw. 20 bezeichnet sind.
Das Ventil 7 weist einen Ventilkörper 21 auf, und die Leitungen 8, 9, 10 verbinden jeweils den Ventilkörper 21 mit der Luftabgabeseite des Kom- pressors 4, dem Lufteinlassrohr 3 und der Luftabga- beseite des Gebläses 15.
Das Ventil 7 besitzt einen ersten Durchlass 22, der die Leitung 8 mit der Leitung 9 verbindet, und einen zweiten Durchlass 23, wel cher an die Leitung 10 anschliesst und innerhalb des Ventilkörpers eine mit dem Durchlass 22 gemein same Öffnung 24 aufweist.
Die Öffnung 24 wird von einem Ventilteil 25 gesteuert oder geregelt, welcher sich zwischen der geschlossenen Lage, in welcher er in Fig. 1 gezeigt ist, und einer völlig offenen Lage bewegen kann, in welcher er durch Anschläge 26 bewegungsbegrenzt ist. Eine Feder 27 drückt den Ventilteil 25 in seine Schliesslage. Ein Luftkühler oder ein Wärmeaustauscher 28 ist in die Leitung 10 eingebaut, kann aber auch in der Leitung 8 oder 9 vorgesehen sein.
Die Wirkungsweise der Aufladeeinrichtung soll nun beschrieben werden.
Wenn die Brennkraftmaschine 1 angelassen wird und in Leerlauf mit hoher Drehzahl läuft, saugt der Kompressor 15 Luft durch den Filter 17 und das Rohr 16 und entlädt Luft durch die Leitung 10. Das Ventil 7 öffnet sich unter dem Druck der Luft in der Leitung 10 und Luft gelangt dann zur Maschine 1 durch die Öffnung 24, den Durchlass 22, die Lei tung 9 und das Einlassrohr 3. Der Kompressor 4 ist bei niedriger Maschinenleistung ausser Betrieb und das Öl im Differentialgetriebe 5 ist kalt und keine oder nur geringe Belastung besteht an der Welle 13.
Wird bei mittleren Maschinengeschwindig keiten eine mittlere Belastung an der Welle 13 ange legt, dann beginnt der Kompressor 4 zu arbeiten und liefert Luft zur Brennkraftmaschine 1 durch die Lei tung 8, den Durchlass 22 des Ventils 7 und das Ein- lassrohr 3, so dass somit beide Kompressoren 4 und 15 Luft zur Maschine 1 fördern.
Wenn die Drehzahl der Maschine niedrig und die Belastung hoch ist, dann übersteigt der Luftdruck im Durchlass 22 aus dem Kompressor 4 den Druck im Durchlass 23 aus dem Kompressor 15 und bei einem vorbestimmten Drucküberschuss schliesst der Ventilteil 25 die öff- nung 24 und schaltet die Luftzufuhr aus dem Kom pressor 15 zur Brennkraftmaschine 1 ab, während der Kompressor 4 weiterhin Luft zu dieser Maschine liefert.
Die grundlegenden Verhältnisse sind somit fol gende a) Bei hoher Drehzahl und geringer Belastung ist der Kompressor 4 ausser Betrieb und der Kom pressor 15 führt den ganzen Aufladevorgang durch.
b) Bei mittlerer Geschwindigkeit und mittlerer Be lastung arbeiten beide Kompressoren 4 und 15 in Parallelschaltung.
c) Bei niedriger Geschwindigkeit und hoher Be lastung, ist die Zufuhr aus dem Kompressor 15 zur Maschine abgeschaltet, und der Kompres sor 4 vollführt das ganze Aufladen.
Die Brennkraftmaschine weist somit einen hohen Aufladedruck und ein hohes Drehmoment, bei nied rigen Maschinendrehzahlen unter Belastung auf, während das Drehmoment mit zunehmenden Betriebs drehzahlen rasch abfällt.
Die reichliche Entladung von Abgasen zum Kom pressor 15 führt früh zu einer anfänglichen wirksa men Teilnahme des Kompressors 15, und wenn das Ventil 7 offen ist und sich die beiden Kompressoren 4 und 15 in Betrieb befinden, dann wird der Ruf ladedruck durch den Kompressor 4 geregelt und hängt vom Drehmomentswert ab, der durch die den Motor bedienende Person eingestellt wird. Die Lie fermenge und die Betriebsgeschwindigkeit des Kom pressors 15 stellen sich selbst gemäss der Leistungs kurve des Kompressors 15 ein.
Je höher die Maschinengeschwindigkeit ist, desto weiter öffnet sich das Ventil 7 und desto mehr erhöht sich der Anteil der vom Kompressor 15 gelieferten Aufladeluft. Mit zunehmender Maschinengeschwin digkeit, sinkt daher die Geschwindigkeit oder Dreh zahl des Kompressors 4 allmählich immer mehr, bis schliesslich der Kompressor 4 zum Stillstand kommt und die Ladeluft der Brennkraftmaschine 1 nur noch durch den Kompressor 15 zugeführt wird.
Über schüssige Aufladeluft kann dann durch die Leitung 8 zum Kompressor 4 gelangen, so dass letzterer um gekehrt getrieben wird und als Antriebsmaschine für den ersten Abtriebsteil des Differentialgetriebes 5 ar beitet, welches somit als Zusatz- oder Hilfsschalt getriebe für die Hauptwelle 11 der Brennkraft- maschine arbeitet.
Sollte der Kompressor 15 versagen, dann tritt der Kompressor 4 zur Lieferung der Gesamtmenge an erforderlicher Ladeluft automatisch in Betrieb, und falls der Kompressor 4 versagt, dann liefert der Kompressor 15 mindestens bei den höheren Maschi nengeschwindigkeiten genügend Aufladeluft.
Das in Fig. 2 gezeigte Beispiel soll nun beschrie ben werden, wobei rnit Bezug auf Fig. 1 gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern unter Hinzufügung des Buchstaben A bezeichnet sind.
Bezugnehmend auf Fig. 2 besitzt eine Brenn kraftmaschine 1A, die grösser ist als die Maschine 1 der Fig. 1, ein Abgasrohr 2A, ein Lufteinlassrohr 3A und eine Aufladeeinrichtung. Die Aufladeeinrichtung besteht aus einem ersten, durch ein Differential getriebe 5A getriebenen Luftkompressor 4A, einem zweiten Turbokompressor 6A, der von den Maschi- nenabgasen angetrieben wird und eine Turbine 14A, sowie einen Kompressor 15A aufweist, einem Ventil 7A und aus Leitungen 8A, 9A und 10A.
Das Ge triebe 5A wird von der Brennkraftmaschine über eine Welle 11A getrieben und hat einen ersten Abtriebs teil, der den Kompressor 4A durch eine Kupplung 12A antreibt, und einen zweiten Abtriebsteil, der eine Transmissionswelle 13A treibt. Die Turbine 14A weist ein Abgasauspuffrohr 18A auf, und der Kom pressor 4A besitzt ein Lufteintrittsrohr 19A mit einem Luftfilter 20A.
Das Ventil 7A besitzt einen Körper 21A, welcher durch die Leitungen 8A, 9A, 10A jeweils mit dem Kompressor 4A, dem Luftein- trittsrohr 3A und dem Kompressor 15A verbunden ist, und Durchlässe 22A, 23A, sowie eine Öffnung 24 aufweist, wobei innerhalb des Körpers 21A ein Ventilteil 25A die Öffnung 24A regelt.
Wie bereits beschrieben, entspricht die in Fig. 2 gezeigte Ladeeinrichtung im allgemeinen der Ein richtung gemäss Fig. 1 mit der Ausnahme, dass sich der Turbokompressor 6 am hinteren Ende der Brennkraftmaschine 1 befindet und kein separates Lufteintrittsrohr besitzt, während der Luftkühler oder Wärmeaustauscher 28A im Lufteintrittsrohr angeordnet ist.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom Beispiel gemäss Fig. 1 fol- gendermassen : Das Lufteintrittsrohr 19A dient sowohl für den Kompressor 4A, als auch für den Kompressor 15A und ist benachbart seinem Einlass ende oder oberen Ende zum Kompressor 15A zu durch ein Rohr 29 verzweigt. Zwischen seinem Zweigrohr 29 und seiner Verbindungsstelle zum Kom pressor 4A besitzt das Rohr 19A noch -ein zweites Zweigrohr 30, das zu .einer Öffnung 31 im Ventil körper 21A des Ventils 7A führt.
Die Öffnung 31 wird durch einen Hilfsventilteil 32 geregelt, der durch eine Stange 33 mit dem Ventilteil 25A so verbunden ist, dass der Ventilteil 32 bei Verschlusslage des Ven tilteils 25A sich, wie dargestellt, in seiner offenen Lage befindet, und umgekehrt. Ferner ist ein Ventil 34 im Rohr 19A zwischen den Rohrzweigen 29 und 30 vorgesehen.
Gemäss Fig. 5 besteht das Ventil 34 aus einem Hohlkörper 35, der durch eine Platte 36 mit Schlitzen 37 geteilt ist, welche durch an der Unterseite der Platte vorgesehene Blattfedern 38 verschlossen werden, die sich zur Öffnungslage dann bewegen, wenn der Luftdruck an der oberen Seite der Federn 38, das heisst an der Lufteintrittsseite, grösser als an der Unterseite oder Austrittsseite ist. Fig. 5 zeigt eine der Federn 38 in offener Lage.
Befindet sich das Ventilteil 25A in seiner Ver- schlusslage, dann ist das Ventil 34 auch geschlossen und Luft aus dem Kompressor 15A wird durch die Öffnung 31, das Rohr 30 und das Rohr 19A zur Eingangsseite des Kompressors 4A unter Umgehung des Lufteinlassrohres 3A geleitet, um noch weiter komprimiert und dann. .in die Leitung 9A und das Einlassrohr 3A geleitet zu werden, sodass eine zwei stufige Aufladung erzielt wird,
wobei der Kompres- sor 15A die erste Aufladestufe erzeugt. Das ge schlossene Ventil 34 verhindert ein Entweichen von Luft ins Freie durch den Luftfilter 20A.
Wenn die Lieferung von Luft aus dem Kompres sor 15A zum Ventil 7A ein vorbestimmtes Mass übersteigt, erhöht sich ihr Ladedruck im Durchlass 23A infolge einer Drosselwirkung durch den Ventil teil 32. Dadurch wird der Ventilteil 25A geöffnet und der Ventilteil 32 geschlossen, so :dass beide Kompres soren 4A und 15A dann in Parallelschaltung arbeiten zum Unterschied von einem Zweistufen- oder Serien betrieb.
Das bedeutet, der Kompressor 15A entlädt sich durch die Öffnung 24A zum Einlassrohr 3A, während sich der Kompressor 4A durch den Durch- lass 22A entlädt und durch das Ventil 34 Luft ansaugt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ergeben sich somit die folgenden, grundlegenden Betriebs verhältnisse a) Bei hoher Geschwindigkeit und leichter Belastung ist der Kompressor 4A ausser Betrieb, während der Kompressor 15A den ganzen Aufladevorgang durchführt.
b) Bei mittlerer Geschwindigkeit und mittlerer Last arbeiten beide Kompressoren 4A und 15A paral lel.
c) Bei niedriger Geschwindigkeit und hoher Be lastung arbeiten beide Kompressoren 4A und 15A in Reihenschaltung und liefern eine zweistufige Kompression, wobei der Kompressor 15A zum Kompressor 4A liefert.
Der Übergang vom Reihenbetrieb zum Parallel betrieb der Kompressoren 4A und 15A kann auch durch eine kurze Unterbrechung der Brennstoff strömung bewirkt werden, das heisst durch Rück drosseln da in jenem Augenblick der Ladedruck im Lieferrohr des Kompressors 15A zusammenbricht, während Lieferdruck im Lieferrohr 10A in jenem Augenblick nicht erfolgt.
Die durch Unterbrechung der Brennstoffströmung verursachte Drehmomentänderung erfolgt schlag artig, was natürlich auch zu einem sofortigen Abfall des durch den Kompressor 4A erzeugten Druckes führt. Der Abfall des vom Kompressor 15A erzeugten Druckes geht langsamer vor sich, da er von der Maschinendrehzahl abhängt. Während dieser Zeit ist somit der vom Kompressor 15A erzeugte Druck höher als jener des Kompressors 4A, und das Ventil 25A öffnet.
Beim Beispiel gemäss Fig. 1 kann das darge stellte Organ 25 durch irgendeine andere, passende Ventilart ersetzt werden, so zum Beispiel durch die den Organen 36, 38 des Ventils 34 in Fig. 2 ent sprechende oder gleichwertige Art.
Wenn bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel das Ventil 34 weggelassen wird und sich der Ventilteil 25A in seiner offenen Lage befindet, dann gelangt zum Ventil 7A durch den Kompressor 15A gelie ferte, überschüssige Luft durch die Leitung 8A zum Kompressor 4A in einer ähnlichen Weise wie es mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, so dass das Dif ferentialgetriebe 5A als ein Zusatzschaltgetriebe arbeitet.
Beim Parallelbetrieb der beiden Kompressoren ermöglicht die Ausbildung zum automatischen Dros seln des ersten oder getriebegetriebenen Kompres- sors, für den die erforderliche Leistung einen Lei stungsverlust im gesamten Leistungsausgleich be deutet, diesen Leistungsverlust zu verringern, so dass der Gesamtwirkungsgrad erhöht werden kann.
Die Ausgangsleistung der Einrichtung ist unabhängig vom Wirkungsgrad des zweiten oder Gas-Turbokompres- sors, welcher gemäss den Betriebsbedingungen be sonders je nach den Betriebstemperaturen fluktuieren kann. Ferner kann die Anordnung des Turbokom pressors vorgenommen werden, ohne die etwas kom plizierte Ausgleichseinstellung der differentialen Auf ladeeinrichtung zu stören.
Da im Falle von differentialer Aufladung der mechanisch angetriebene Kompressor gänzlich unab hängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ist, bietet die Erfindung noch die folgenden Vorteile Wenn die Fördermenge des Turbokompressors während des Anlassens noch ungenügend ist, wird der Hauptanteil der Aufladeluft :durch den mit hoher Geschwindigkeit laufenden, mechanisch angetriebenen Kompressor geliefert, da er in seinen Umdrehungen pro Minute unbeschränkt ist.
Bei fortschreitend zunehmender Fördermenge des Turbokompressors nimmt dessen Prozentsatz der gesamten gelieferten Aufladeluft zu, und der mechanisch angetriebene Kompressor verlangsamt sich im gleichen Verhältnis, und dieses Langsamerlaufen kann bis zum vollstän digen Stillstand fortschreiten.
Unter besonders gün stigen Betriebsbedingungen kann zudem die Förder menge des Turbokompressors bis zu einem solchen Grad zunehmen, dass deren Überschuss genügt, um ein Arbeitsmedium für den mechanisch angetriebenen Kompressor vorzusehen, der dann dank seiner Ar beitsweise als Luftmotor, als zusätzliche Leistungs quelle wirkt. Die überschüssige Leistung des Turbo kompressors wird nun über das Differentialgetriebe, das nun als Zusatzschaltgetriebe arbeitet, an die An triebswelle abgegeben, um dieser zusätzliche Leistung zu verleihen. Dieser letztgenannte Zustand ergibt günstige Leistungsdaten für alle in Betracht kom menden Komponenten.
In jedem Fall schafft die er- findungsgemässe Einrichtung jedoch eine automa tisch wirkende, kontinuierliche und. reziproke Ab wechslung zwischen dem Arbeiten der beiden Kom pressoren, so dass je nach der Wirksamkeit und den Betriebsbedingungen des zweiten Kompressors mehr oder weniger der Ladung durch eine Kraftrückgabe in Form einer entsprechenden Zunahme der Drehzahl der Kraftwelle eingespart wird.
Die Abgabe der ganzen Krafteinheit wird unabhängig vom Leistungs grad des Turbokompressors gemacht, da der mecha nisch angetriebene Kompressor aus eigenem Antrieb stets mit so hoher Drehzahl läuft, als erforderlich ist, um irgendwelchen Mangel in der Fördermenge des Turbokompressors auszugleichen.
Die nachteilige Eigenschaft eines Abgasturbo kompressors, besonders im Falle eines billigen Mas senproduktes beim Verschmutztwerden, bei Tempe ratur- oder Höhenänderungen durch eine negative Kettenreaktion rasch an Wirkungskraft oder Lei stungsfähigkeit verliert, wird nun durch eine verhält- nismässig geringe zusätzliche Luftförderung kompen siert, mittels welcher eine positive Kettenreaktion ein geleitet und eine Überhitzung der Brennkraft maschine und der Aufladeeinrichtung verhindert wird.
Es ist daher möglich, einen relativ kleinen Kom pressor der Verdrängerbauart und einen billiger im Massenproduktverfahren hergestellten Turbokom pressor zu verwenden.