Brennkraftmaschine mit Turbine zum Ausnutzen von in den Auspuffgasen der Brennkraftmaschine enthaltener Energie. Die Erfindung betrifft eine Brennkraft- mazeliine mit Turbine zum Ausnutzen von in den Auspuffgasen der Brennkraftmaschine enthaltener Energie und bezweckt, die vom Auspuffstess herrührenden Schwankunggen des Druckes der Auspuffgase vor der Tur bine zu mildern und die Auspuffgas ausnutzung zu verbessern.
Die Erfindung besteht darin, dass ein Ausgleichsraum, vor gesehen ist, der deraxt bemessen und mitder Leitung der Auspuffgase, zwischen dem Aus lass der Brennkraftmaschine und dem Einlass der Turbine verbunden ist, dass bei jedem Auspuffstoss ein Teil der Auspuffgase, ohne wesentliche Beeinträchtigung der Aus nutzung der kinetiechen Energie des andern, unmittelbar zur Turbine abfliessenden Teils, in dem Ausgleiehsraum aufgenommen wird.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem Spülgcebläse, das mittels einer Abgasturbine angetrieben wird, sind grosse Schwankungen im Druak der Auspuffgase zulässig, und zwar sogar in solieim4 Masse, dass während der Spräperiode der Druck in der Abgas leitung kleiner ist als der Spüldruck, um die Spülung zu erleiclitern. Dient dagegen die Abgasturbine zur Energieerzeugung, so sind Druckechwankungen zu vermeiden, da sie den mittleren Wirkungsgrad der Abgas turbine verschlechtern. Der Vorteil der Er- fin,dung diegt darin, dass durch Milderunng der Sühwankungen,des Druekes,der Auspuff gase der mittlere Wirkunggsgrad der Abgas turbine erhölit wird.
Auf der Zeichnung sind Ausfülirungsbei- spiele der Erfindung schematisch dürgestellt. Fig. 1 zeigt eine als Freikelbenverdichter ausgebildete Brennkraftmaechine mit nach- geschalteiter Abga-sturbine und einem mit der Auspuffgasleitung verbundenen Aus- 01 eielisraum; die Fig-. <B>2</B> bis 4 sind Diagramme für die periodischen Änderungen von Menge und Draek der Auspuffgase;
Fig. <B>5</B> bis<B>7</B> zeigen weitere Anord eD Wungen von Ausgleielisräumen, Die Brennkraftmaecliine 1 in Fig. 1, .die als Freikolbenverdieliter gezeichnet ist, jedoch ebensogut eine Brennkraftmaschine mit Leistungsabgabe an einer Kurbelwelle sein könnte, 'hat einen Brennkraftzylinder 2 und Verdichter 3, 4, in denen die Frei kolben 5, 6 arbeiten.
Die Verdichter 3, 4 saugen die Luft über die Saugventile<B>7</B> an und fördern die verdichtete Luft über die Druckventile 8 in die Sammelleitung 9, die zu den Einlasssehlitzen -IC vz Brennkraft- zylinders 2 führt und dort beim Einwärts gang der Freikolben 5, 6 verdichtet wird. Etwa im innern Totpunkt der Freikolben 5, <B>6</B> wird Brennstoff über das Brennstoffventil 12 mittels einer nieht dargestellten Brenn stoffpumpe eingespritzt, worauf die Verbren nung beginnt.
Gegen das Ende des Aus- deltnungshubes der Freikolben 5, 6 öffnet der Kalben 6 die Auslassschlitze 13, durch- die die Auspuffgase und die Spülluft in die Leitung 14 gelangen. Am Endeder Leitung 14 ist die Abgasturbine 15 vorgesehen, deren Laufrad 17 durch das aus der Düse 18 aus strömende Gemisch von Luft und Verbren nungsgasen beaufschlagt wird. Die Turbine 15 treibt den Stromerzeuger 19, der den Strom über die Leitungen 20 an ein weiter nicht dargestelltes Netz abgibt. Von der Leitung 14 zweigt das Rohr 21 ab, das in den AusgeichGraum 22 ausmündet; dieser ist mit einer durch die Klappe<B>23</B> gesteuerten Auspuffleitung 224 und einer mittels des Ven tils 9,5 absperrbaren Abschlammleitung 26 versehen.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist die folgende: In Fig. 2 ist über der Zeit als Basis auf getragen die AbgaGmenge kg/sek., die bei jedem Öffnen des Auslasses des Brennkraft- zylinders in die Auspuffleitung ausgestossen wird. Infolge des anfänglichi hohen Druckes im Brennraum ergibt sich eine Spitze zu Beginn des Auspuffvorganges.
Ist an die Leitung 14 nur ein Brenn- krafizylinder angeschlossen, so folgen sich die Auspuffstösse gemäss den Kurven a und a' mit einer grösseren Zwischenpause aufein ander, während beim AiiGehiluss der Leitung 14 an zwei Breunkraftzylinder, deren Aus puff zu verschiedenen Zeiten stattfindet, der Auspuffstoss b (zum Beispiel miteiner klei neren Gesamtmenge als für den Stoss a) zwi- sehen a und<B>d,</B> der Auspuffstoss<B>b'</B> zwischen a' und dem nächsten des ersten Brennkraft- zylinders liegen.
Sofern ein Ausgleichsraum nicht vorhanden ist, steigt der Druck in der Leitung 14 bei jedem Auspuffstoss sehr stark an, wie dies aus dem Verlauf der gestriehel- ten Kurven p, und p, in Fig. 3 und 4 er sichtlich ist. Die Linie e, in Fig. 2 gibt die mittlere Menge Auspuffgase bei einem an die Leitung 14 angeschlossenen Brennkraftzylin- der, die Linie e, die mittlere Menge bei zwei Brennkraftzylindern. Die jeweiligen Schnitt punkte dieser Linien der mittleren Mengen mit den Kurven a und<B>b</B> der Auepuffstösse ergeben die Minima und Maxima der Druck kurven in den Fig. 3 und 4.
Fig. 3 veranschaulicht die Druckverhält nisse bei einem, Fig. 4 bei zwei an die Druck leitung 14 angeschlossenen Brennkraftzylin- dern. Dadurch, dass die Leitung 14 mit -dem Ausgoleichsraum <B>22</B> verbunden ist, tritt wäh rend des ersten Teils des Auspuffstosses, wä,hrend welchem der Druck und die aus dem Brennkraftzylinder austretende Gekund- liche Abgasinenge sehr gross ist,
durcli die Leitung 21 ein Teil der Auspuffgase inden Ausgleichsraum 2 2, so dass der Druckanstieg in der Leitung 14 bezw. vor der Turbine<B>1-5</B> kleiner ist als ohne Anordnung dieses Aus gleichsraumes. Der durch die Einfügung eines Ausgleichsraumes veränderte Verlauf der Drache in der Leituno, 14 wird durch die Kurven p#, und p" dargestellt.
Die maxi malen Drücke in der Leitung 14 und im Ausgleichsraum 22 sind nunmelir weniger hoch, während nach Beendigung des Aus- Iasses der Brennkraftmaschine die im Aus- glei-ohsraum aufgespeicherten Auspuffgase zum Speisen der Gasturbine dienen, so dass die Dru-okabsenkung bis zum nächsten Aus puffstoss weniger gross ist, als wenu-ein Aus- gleichsraunt fehlt, Aus den Fig.
3 und 4 ist deutlich zu er- t5 sehen, dass die Druckschwankungen in der Leitung 14 vor der Turbine gemildert wer den. Die Turbine kann daher mit einem besseren durchschnittlichen Wirkungsgrad arbeiten, weil infolge der geringeren Druck- sehwankungen die periodischen Änderungen der Ausströmverhältnisse aus der Düse 18 ebenfalls cemildert sind. Dadurch, dass die t' Leitung 14 der Auspuffgase keinerlei sprung n hafte Quersehnittsveränderungen aufweist, kann die kinetische Energie des währencl der Auspuffzeit unmittelbar zur Turbine ab fliessenden Teils der Auspuffgase ausgenutzt werden. Dies wird durch die seitliche Ab zweigung des Rohres 921 nicht beeinträchtiget.
Allfällige Unreinigkeiten in den Aus- puffgusen, die in den Raum 22 gelangen, können dureh Öffnen des Ventils 25 mittels der Absohlammleitung 26 entfernt werden (Fig. 1). An 8telle einer periodischen Ab- schlämmung kann das Ventil 25 auch wäh rend des Betriebes ein wenig geöffnet blei ben, wodurch eine dauerhafte Abschlämmung stattfindet,. Beim Öffnen der Klappe 23 in der Augpufneitung werden die Leitungen 14 und 21 und der Auggleichsraum 22 entlastet. Die Klappe 23 wird zum Beispiel beim An fahren und Abstellen der Turbine 15 ge öffnet, während des Betriebes ist sie ge schlossen.
Eine andere, Anordnung des Ausgleichs raumes zeigt Fig. 5. Die Leitung 14 dureh- quert den Aussgleichsraum 22 und ist mit Überströmöffnungen 28 versehen. Dadureli, dass die Leitung 14, abgesehen von der honischen Erweiterung 30, ohne Querschnitts veränderungen durch den Ausgleichsraum, 22 hiindurchgeführt wird, ist wiederum die, Aus nutzung der kinetisehen Energie der Aus puffgase des unmittelbar zur Turbine ab fliessenden Teils derselben möglich, und der in den Ausgleiehsraum 22 eintretende Teil der Auspufigaze beeinträchtigt beim Austritt durch die Überströmöffnungen 28 diesse Aus nutzung in keiner Weise.
Eine weitere Überströmöffnung in Fig. 5 ist der ringfdr- mige Spalt 29, der durell die konische Er- weiterung 30 der Rohrleitung 14 gebildet wird, und es ergibt sich einerseits ein un gehinderter Ausfluss für die unmittelbar ab strömenden Auspuffgase, anderseits wird das Ausströmen der im Ausgleiehsraum, 22 ent haltenen Auspuffgase erleiahtert. Die Lei tung 14 kann anstatt mit mehreren Über- strömöffnungen auch nur mit einer Über- strömöffnung versehen sein.
Fig. 6 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 5. Die Auspuffleitungen 31 und 32, die von zwei verschiedenen Brennkraftzylindern ausgehen, vereinigen sich im Ausgleichsraum 22 und münden in die konische Erweiterung <B>33</B> der zur Turbine führenden Leitung 34 ein. Die konische Erweiterung aässt als Über- strömöffnung den Ringspaft 3,5 frei.
Der Querschnitt der Anechlussleitung bezw. der Überströmöffnungen zum Aus- gleichsiraum kann kleiner sein als der Quer schnitt der Auspuffleitung. Von der Grösse dieses Anschlussquerschnittes hängt zum Teil die Wirkung des Auegleichsraumes ab. Wird der Querschnitt verstellbar ausgeführt, so er gibt ---ich eine Regelung -des Auspuffdruckes in der Leitung14.
Das Volumen des Ausgleichsraumes <B>29,</B> in Fig. <B>7</B> ist veränderlich, indem mittels des Schiebers<B>36</B> die Öffnungen<B>37</B> und<B>38</B> zu den Kammern<B>39</B> und 40 geöffnet und ge schlossen werden können. Der Schieber<B>H</B> kann entweder mit der Hand verstellt war- den oder über das Gestänge 41 in Abhängig keit von der Belastung der Gasturbine, das heisst in Abhängigkeit von der Muffen- stellung des Reglers 42, der #durch die Gas turbine angetrieben wird.
Bei Vollaot ver ringert sich die Drehzahl, und der Regler 42 schaltet die, ]Kammer 40 zu der bereits mit der Leitung 14 in Verbindung gtehenden Kammer<B>39</B> hinzu. Bei Leerlauf ist das Volumen des AusgleicUsraumes klein, bezw. es kann der Ausgleiclisraum duroll den Schie ber<B>3,6</B> vollständig von der Leitung 14 ab geschlossen werden.
Zur Verfeinerung der Regelung kann der Ausgleiehsraum. in eine o,rössere Anzahl Kammern 9,ufgeteilt wer4en, e Bei Anlagen, bei denen eine Mehrzahl von Freikelbenverdiehitern auf eine gemein same Turbine geschaltet sind, kann für jeden Freikolbenverdiehlber ein getrennter Ausgleichsraum unabhängig von denen für die andern angeordnet sein, oder es kann ein Ausgleichsraum gleichzeitig für mehrere Freikolbenverdichter dienen.
Ist ein Aus- gleielisraum. für mehrere Brennkraffzylinder vorgesehen, so ergibt sich der Vorteil, dass bei entsprechender Grösse der Ausigleiehs- raum nicht nur die einzelnen Auspuffstösse jedes Brennkraftzylinders ausgleicht, sondern auch bei Lmtänderungen der Gasturbine auf die daraus sieh ergebenden Vorgänge, sowie auch auf Fördersehwankungen aus verschie denen hintereinanderfolgenden Zündungen, wie zum Beispiel in Fig. 2 dargestellt, aus gleichend einwirkt.
Durch Anordnung des Ausgleichsraumee nahe dem Auslass der Brennkraftmaschine ergibt sich der Vortpail, dass der Widerstand beim Auspuffstoss geringer und somit die kinetische Energie der Abgase besser aus genutzt werden kann. Es 'brauchen dann nämlich die ersten hochgespannten Auspuff gase nicht erst eine längere Rohrleitung zu durchströmen, bevor sie in den Aimgleivhs- raum gelangen.