Verfahren und Einrichtung zur Ausnützung der Energie der Abgase von Brennkraftkolbenmasehinen. Bekannte Einrichtungen zur ineehani- .w,chen Ausnützung der Energie der Abgase von Brennkraftkolbenmasehinen leiten unge trennt zu Abgasturbinen, sowohl .diejenigen Gasmassen, welche infolge der unvollkom menen Dehnung in den Kolbenmaschinen, mechanische potentiale Energie besitzen, als auch die Abgaseinassen, welche nur zwang läufig (nämlich durch Kolben oder durch Spülmittel)
aus den Zylindern getrieben wer den können.
Bei Zuleitung,der zwangläufig ausgetrie benen Gase zur Turbine macht sich der Tur- binenaegendrucl;z auf die Brennkraftmaschi- nen arbeitsverzehrend geltend. Ferner lehrt die Erfahrung., dass die Zuleitung der ge- amten Abgase eine Speisung .der Turbine unter sehr mässigen Druck zur Folge hat.
Zum Beispiel beträgt nach der heutigen Praxis der mittlere Speisedruck einer Abgas turbine, welche einen Luftkompressor zum Aufladc-n von Dieselmaschinen antreibt, nur einige Zehntel- Atmosphären Überdruck und ist angenähert dem erzielten Aufladedruck gleich. Zu den Ursachen der Erniedrigung des mittleren Turbinenspeisedruckes zählt ider periodisch von Überdruckgasen entleerte, verhältnismässig grosse Abgasespeicher, wel cher von den Turbinenleitungen gebildet wird.
Bei den Abgasen höheren Druckes tritt infolge desselben eine grössere Entspan nung vor der Energieumwandlung in der Turbine ein, welche die Ausnützungsmöglich keil. ihrer Energie stark einschränkt. Ähn lich erfolgt eine Entspannung der Abgase höheren. Druckes vor der Energieumwand lung in der Turbine. wenn nur die Gase, welche mechanische potentielle Energie be sitzen, in ihrer Gesamtmasse zu .der Tur bine geleitet werden.
Gegenstand der Erfin dung ist ein Verfahren zur Ausnutzung .der Energie der Abgase von Brennkraftkolben- maschinen, gemäss welchem wenigstens eine Abgasturbine mit den zuerst aus dem Zy- linder auspuffenden Abgasen, die eine rela tiv hohe eigene potentielle Energie besitzen, gespiesen wird und diese Speisung der Tur bine unterbrochen wird, wenn der Druck in dem Zylinder soweit gesunken ist, dass die Leistung der aufnehmenden Turbine beim Zu führen weiterer Abbase infolge ihres gesun kenen Speisedruckes nicht mehr steigen würde.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Einrichtung zur Ausnützung der Energie -der Abgase von Brennkraftkolbenmaschinen, bei welcher die Verbrennungsgase aus dem Zy linder der Brennkraftkolbenmaschine :durch mindestens ein Steuerorgan austreten, das ge stattet, in einem entsprechend der Belastung einstellbaren Zeitpunkt jeweils bei einem be stimmten Zylinderinnendruck der Gase wäh rend einer jeden Auslassperiode die Verbin dung zwischen der Brennkraftkolbenmaschine und mindestens einer Stufe einer Abgastur bine zu unterbrechen.
Die Abgase, welche nach der Unterbre chung .der Verbindungen zwischen den Zy lindern und der Turbine noch zurückge blieben sind, können gemeinschaftlich mit den nur zwangläufig austreibbaren Gasen gegen,drucklos entweichen.
Das Verfahren ist von der Anwendungs weise der gewonnenen Energie vollkommen unabhängig. In der vorliegenden Beschrei bung werden jedoch nur Ausführungen, in welchen die Turbinenleistung zum Betrieb von Pumpen zur Luft- bezw. Ladungsver sorgung für :die abgasgebende Maschine ver wendet wird, beschrieben.
Nach der bereits besprochenen Speisung mit einem Teil :der Abgase von höherem Druck können ein oder mehrere weitere Teile der potentiellen Energie besitzenden Ab gase je einer Turbine bezw. einer Turbinen- stufe zugeleitet und erst die übrigbleiben den Gase gegendrucksfrei abgelassen werden.
Mindestens ein Teil der die Abgasturbine nicht speisenden Abgasmasse kann zu Ab wärmeverwertern geleitet werden.
Hierbei wird bei mit Luft gespülten Kol benmaschinen eine Steigerung der Tempera- tur der verfügbaren Abwärme durch Unter brechung der Verbindung zwischen dem ab gasgebenden Zylinder und -den Abwärmever- wertern und Insfreieführen des kälteren Teils der Abgase erreicht.
Die Zeichnung betrifft Ausführungsbei spiele der Einrichtung gemäss der Erfindung. Anhand derselben wird im folgenden auch das Verfahren gemäss der Erfindung bei spielsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Viertakt maschine mit einer einstufigen Abgasturbine, Fig. 2 den Zylinder mit den Steuerven- tilen im ,Schnitt, Fig. 3 einen Querschnitt durch die Ventil stutzen, und Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Maschine; Fig. 5 zeigt eine Viertaktmaschine mit einer zweistufigen Abgasturbine, Fig. 6 bis 8 Diagramme für einen Flug motor gemäss Fig. 5;
Fig. 9 zeigt eine Viertaktmaschine mit einer Abgasturbine und einen Abgaswärme verwerter; Fig. 10 und 11 zeigen einen Zylinder einer Viertaktmaschine mit kombiniertem Ein- und Auslassventil und eingebauten Ab gasverteiler im Schnitt und Grundriss, und Fig. 12 und 16 eine Zweitaktmaschine mit Abgasturbine und Kompressor zur Motorauf- la:dung in schematischer Darstellung;
Fig. 13 zeigt; eine Zweitaktmaschine finit Abgasturbine und Kompressor zur Spülung und Aufladung des Motors in schematischer Darstellung; Fig. 14 und 15 zeigen den Zylinder einer Zweitaktmaschine mit Abgasverteilern am Auslassstutzen im Schnitt.
Fig. 1 bis 3 zeigen in schematischer Weise eine Anlage zur Ausnutzung,der Energie der Abgase .einer Brennkraftmaschine in einer einstufigen Abgasturbine. Die von dem. Viertaktmotorzylinder 11 durch das Auslass- ventil,des Zylinders strömenden Abgase wer den durch ein am Auslassventilstutzen S an- beordnetes Steuerorgan R,
während jeder Auslassperiode in zwei Teile gespalten. Der erste dieser Teile umfasst die Abgase höheren Druckes und wird durch die Leitung rS', in die Turbine T und dann ins Freie geleitet. Die Turbine treibt einen Kompressor C, der über die Leitung A den Motor M mit ver dichteter Luft auflädt. Der zweite Teil der Abgase entweicht durch die Leitung S, un benutzt ins Freie.
Der Zylinder der Brennkraftkolben- masehine besitzt gemäss Fig. 4 ein Hub volumen Hv und einen Verdichtungsraum Vr. Der Anfangsdruck des Auspuffes soll rund 5 Ata betragen. Die Linie A-B stellt die adiabatisch umkehrbare Dehnungslinie der Abgase von diesem Druck ausgehend dar. So mit stellt,die Fläche<I>A B C A</I> die Arbeit dar, welche aus den Abgasen durch Dehnungsver längerung im.
Motor von 5 Ata bis zum Aussendruck bei Ausschaltung jeglichen Ver lustes gewonnen werden könnte. Ferner stellt A--A, die Entspannungslinie der Verbren nungsabgase dar, wenn .diese weder Arbeit leisten noch Wärme abgeben. Es wird im folgenden ein gleichbleibender Turbinen- #speisedruck angenommen, so dass die Auslass- gase vom Anfangsdruck des Auspuffes an bis zu diesem Turbinenspeisedruck sich nach der Entspannungslinie A-A, ausdehnen.
Wird also die Verbindung zwischen jedem Brennkraftma.schinenzylin.der und .der Tur bine unterbrochen, sobald der Druck der Gase im Zylinderinnern auf rund 2,5 Ata ge- unken ist, so bildet dieser Druck den Tur- binenspeisedruck. Dann findet im Punkt G auf Linie A-A, die Unterbrechung der ver- bindung zwischen,dem Zylinder und der Tur bine statt.
Die von diesem Punkt. ausgehende Kurve GBP stellt die adiabatisch umkehrbare Ausdehnung des turbinenspeisenden Teils .der Gase von 2,5 Ata bis zum Aussendruck dar.
Die Arbeit, welche diese Gase in,der Tur bine abgeben können, wird dann durch die Fläche G, <I>G</I> B_ <I>C</I> G, -dargestellt. Diese Ar beit ist für einen Turbinenspeisadruck in,der Nähe von 2,5 Ata. ein Maximum. Wird der Turbinenspeisedruck immer kleiner, so wird der Inhalt der entsprechenden Fläche zuerst langsamer und später immer rascher ab nehmen.
Wenn zum Beispiel wie bei dem eingangs erwähnten Einrichtungen,der Turbinenspeise- .druck -"/1o Atu ist, und A,.-B:, die adiabatisch u 'kehrbare Dehnuu(rslinie -der Abgase in in<B>C</B> der Turbine darstellt, wird die Fläche <I>D A,</I> B, <I>C</I> D die Arbeit darstellen, die die Abgase in .der Turbine abgeben können.
Diese Fläche ist nach der Figur erheblich kleiner als die Fläche G, <I>G</I> B2 <I>C</I> G, und die Verhältnisse verändern sich nicht wesentlich, wenn man zum Beispiel die Grenze günstiger, bekannter Erfahrungsergebnisse überschrei tend, annimmt, dass der Turbinenspeisedruck 4/,o Atu ist.
Die Abtastturbine T in Fig. 5 besitzt zwei Stufen Ta und Th, .die von den Leitungen 8, und<B>8,</B> gespeist werden. Die restlichen Abgase, entweichen durch die Leitung Ss beispielsweise ins Freie.
In Sonderfällen, wie zum Beispiel bei Flugmotoren, wenn sie in grosser Höhe arbeiten, kann man zeit- und bedarfsweise alle Abgase, .die nicht durch .die Leitung AS\, 4.er ersten Stufe der Turbine zu geführt werden, in die zweiten Turbinen stufe zu leiten. Bei andern Betriebsbedin gungen, zum Beispiel beim Getrieb mit nied riger Belastung oder bei Flugmotoren, wenn ;las Flugzeug niedrig fliegt, kann man zeit weise alle Abgase ins Freie leiten, die nicht in die erste Turbinenstufe strömen.
In den Fig. f , 7 und 8 sind die Ver hältnisse für einen Flugmotor beim Höhen flug dargestellt. Vorausgesetzt ist, dass der Aussendruck 0,5 Ata betrage. In Überein stimmung mit Fig. 1 ist angenommen, .dass der Speisedruck der ersten Turbinenstufe wieder konstant sei und 2,5 Ata betrage.
Die Ausdehnung -der Abgase geht dann vom Punkt G bis zum Punkt & also bis 0,5 Ata. Dementsprechend können .die durch die Lei- tiing S, in die erste Turbinenstufe strömen den Abgase in der Turbine noch die durch die Fläche<I>G</I> GB., C.; G, dargestellte Arbeit abgeben.
Fig. 7 zeigt das Diagramm für den durch die Leitung S.. in die zweite Turbinenstufe strömenden Teil der Abgase. Für die zweite Turbinenstufe ist der Speisedruck 1 Ata. Diese Abgase expandieren ohne Arbeit oder Wärme abzugeben von 2,5 auf 1 Ata nach Linie G=-A2. Die Linie<I>A.</I> B4 entspricht ihrer adiabatisch umkehrbaren Dehnung.
Die Arbeit, .die sie in der Turbine abgeben kön nen, ist durch die Fläche<I>C</I> A2 B4 Q <I>C</I> @dar- gestellt.
In Fig. 8 stellt endlich ,die Fläche<I>C</I> Bli C2 die verhältnismässig geringe Arbeit dar, wel che die restlichen Abgase bei einem Speise druck von 1 Ata noch abgeben könnten.
Es ist einleuchtend, dass die verhältnis mässige Bedeutung der beiden durch die Fig. 7 und 8 dargestellten Arbeitsbeiträge mit dem Abnehmen. der Auspuffanfangs ,drucke und mit der damit verbundenen Ab nahme,der von .dem der ersten Turbinenstufe zugeführten Abgasen in der Turbine belei- steten Arbeit zunimmt.
Nach Fig. 9 wird von den Abgasen ein erster Teil der Abgase durch die Leitung S1 über eine Turbine T und ein zweiter Teil durch die Leitung S= -direkt dem Abgas wärmeverwerter B zu Heiz- bezw. Verdamp- fungszwecken, und zwar entsprechend ihrer verschiedenen mittleren Temperatur jeder an einer andern Stelle zugeführt.
Der Abgas wärmeverwerter kann zum Beispiel aus einem Dampferzeuger und einem Dampfüberhitzer oder aus einem Dampferzeuger und einem Wasservorwärmer bestehen.
Bei einer mit Spülung arbeitenden Brenn kraftmaschine wird zweckmässig der mit Spülluft stark vermischte Teil der Abgase, durch eine Leitung S, ins Freie geführt.
Die dem Abgaswärmeverwerter direkt zugeführten Abgase können in heisse und weniger heisse Abgase unterteilt und verschie denen Stufen des Abgaswä_rmeverwerters zu geleitet werden.
Die durch die Turbine strömenden Ab gase und die dem Abgaswärmeverwerter direkt zugeleiteten Abgase können auch in dieselbe Stufe des Abgaswärmeverwerters eingeführt werden.
Nach den Fig. 10 und 11 besitzt der Zy linder einer Viertaktbrennkraftmaschine ein kombiniertes Ein- und Auslassventil V mit einem Drehschieber R, zur Umschaltung der Verbindungen des Zylinders mit den Ein- und Auslassleitungen. Auf -der Auslassseite sind zwei oder mehr zu den Auslassstutzen S1, S= und eventuell S, führende Austritts öffnungen vorgesehen, die nacheinander frei gelegt und zugedeckt werden,
um !die Ab gase in zwei bezw. drei Teilen abzuleiten. Bei gänzlich geschlossenen Auspuffleitungen erfolgt die Freigabe der Einlassöffnung.
Selbstverständlich kann auch bei Vier taktmotoren mit getrennten Auslass- und Ein lassventilen das Umschaltorgan zur Auftei lung der Abgase unmittelbar in der Auslass- kammer des Auspuffventils etwa konzen trisch zur Ventilspindel angeordnet sein, was .den Rauminhalt zwischen Ventil und Um schaltorgan beschränkt.
Die Fig. 12 und 16 zeigen einen ver tikalen Zweitaktmotor, bei welchem im Zy linder sowohl für den Einlass, als auch für den Auslass zwei Reihen von vom Kolben gesteuerter Schlitze a.1 und a2 bezw. s1 und s., untereinander angeordnet sind.
Beim Aus puff wird jeweils zuerst der Teil der Ab gase, die noch eine relativ hohe eigene Energie besitzen, durch die obere Auspuff schlitzreihe s, über ein federbelastetes selbst fätiges Ventil V und die Leitung S1 .der Tur bine T zugeführt, bis -der Druck im Zylinder so gesunken ist, dass das Ventil V von seiner Feder geschlossen wird. Der Rest der Abgase strömt nachher durch die untern Auspuff schlitze s2 und die Leitung 82 ins Freie.
Die Federdes Ventils V ist so stark, dass sie das Ventil schliesst und .damit die Verbindung zwischen,dem Zylinder und der Turbine un terbricht, wenn der Druck im Zylinder so weit gefallen"dass die Leistung der Turbine beim Zuführen weiterer Abgase nicht mehr steigen würde.
Der Augenblick der Unterbrechung der Verbindungen zwischen abgasgebenden Zy linder und Turbine, welcher selbstverständ- lich vor der Spülung stattfindet, ist also nicht an ,,ine bestin nte Kolbenstellung ge bunden.
Die Turbine T treibt. einen einstufigen Aufladekompressor C an. Die Spülung er folg. durch ein elektrisch angetriebenes Ge- bläse F-8, das -durch ein von der Brenn kraftmaschine angetriebene normale Spülluft pumpe ersetzt sein könnte.
Spülung, Ladung lind Aufladung der Brennkraftmaschine fin den durch zwei übereinanderliegenden Rei hen von Sehlitzen statt. die ,Spülung und Ladung durch eine untere Reihe mittelst .der Leitung A, und die Aufladung durch eine obere Schlitzreihe über die Leitung A,.
In Fig. 13 treibt die Turbine T einen aus einem Niederdruckteil Cb und einen Hoch:drmekteil C,, bestehenden Kompressor. Der Niederdruckteil besorgt die Spülung a und die Ladung und der Hochdruckteil die Aufladung der Brennkraftmaschine.
Statt des Ventils V könnte auch ein ge steuertes Umschaltorgan vorgesehen sein. Das selbsttätige Ventil Z' ist seiner geringen Re- (,rulierfähigkeit wegen praktisch unvollkom men. Besser wirkt beispielsweise der Druck im Zylinder in einem Servomotor auf einen Kolben, der das Ventil betätigt.
Wenn die Turbinenleistung nicht bei allen Betriebsverhältnissen zum Betrieb .des Kom pressors genügt, muss eine Hilfseinrichtung zum Beispiel eine Ersatzspülluftpumpe oder ein ausrückbarer zweiter Antriebsmotor für den Kompressor vorgesehen sein, um die Be triebsfähigkeit der Anlage zu gewährleisten.
Der Kompressor kann auch als einfacher Zweistufenkompressor mit Zwischenentnahme für die Spülluft ausgebildet sein oder es kön nen zwei getrennte Turbokompressoren ver wendet werden, einer für die Spülung und Ladung des Motors und der andere für die Aufladung, welcher nur beim Vorhandensein eines Überschusses von Abgaseenergie ar beitet.
Die Fig. <B>1 1</B> und<B>15</B> zeigen eine Zwei- ta.ktbrennkraftmaschine mit normaler Schlitz spülung. Hinter den Auspuffschlitzen ist ein Drehschieber B eingebaut, der die Abgase auf die Leitungen b'1, .S', und eventuell S.; in Abhängigkeit vom Druck im Zylinderinnern während der Auspuffperiode verteilt.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbei spielen könnte an die Stelle der einzylin- drigen einfachwirkenden auch eine doppel wirkende und Meh_rzylind-erbrennkra.ftkolben- maschine treten. Hierbei können mehrere Zylinder, bezw. Zylinderseiten über eine Sammelleitung :die Turbine unter andauern der Nachfüllung der Sammelleitung durch die nacheinander a.bga.sabgebenden Zylinder speisen.
Reicht hierzu die vorhandene Zylinder zahl nicht aus, so kann der Rauminhalt ,der Leitungen .derart bemessen sein, dass eine aus reichende Speicherwirkung erzielt wird, um erhebliche periodische Abfälle der Leitungs drücke unter die Turbinenspeisedrüeke zu vermeiden.