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.
Internal combustion engine with turbine for utilizing the energy contained in the exhaust gases of the internal combustion engine. The invention relates to a Brennkraft- mazeliine with a turbine to utilize the energy contained in the exhaust gases of the internal combustion engine and aims to reduce the fluctuations in the pressure of the exhaust gases in front of the turbine and to improve the exhaust gas utilization.
The invention consists in the fact that a compensation space is provided, which is dimensioned and connected to the pipe of the exhaust gases between the outlet of the internal combustion engine and the inlet of the turbine, so that with each exhaust blast a part of the exhaust gases without significant impairment of the exhaust Use of the kinetic energy of the other part, which flows directly to the turbine, in which the compensation room is absorbed.
In internal combustion engines with a flushing blower that is driven by an exhaust gas turbine, large fluctuations in the pressure of the exhaust gases are permitted, even to the extent that the pressure in the exhaust pipe is lower than the flushing pressure during the flushing period in order to make flushing easier . If, on the other hand, the exhaust gas turbine is used to generate energy, pressure fluctuations must be avoided, as they worsen the average efficiency of the exhaust gas turbine. The advantage of the invention is that the mean efficiency of the exhaust gas turbine is increased by reducing the spray fluctuations, the pressure and the exhaust gases.
Examples of execution of the invention are shown schematically in the drawing. 1 shows an internal combustion engine designed as a free-air compressor with a downstream exhaust gas turbine and a discharge room connected to the exhaust gas line; the fig. 2 to 4 are graphs for the periodic changes in the amount and draft of the exhaust gases;
FIGS. 5 to 7 show further arrangements of railroad tracks, the internal combustion engine 1 in FIG. 1, which is drawn as a free piston distributor, but just as well an internal combustion engine with power output on one Crankshaft could be 'has an internal combustion cylinder 2 and compressor 3, 4, in which the free piston 5, 6 work.
The compressors 3, 4 suck in the air via the suction valves 7 and convey the compressed air via the pressure valves 8 into the collecting line 9, which leads to the inlet sockets -IC vz internal combustion engine- cylinder 2 and there when inward gear of the free piston 5, 6 is compressed. Approximately in the inner dead center of the free piston 5, <B> 6 </B>, fuel is injected via the fuel valve 12 by means of a fuel pump not shown, whereupon the combustion begins.
Towards the end of the expansion stroke of the free pistons 5, 6, the calf 6 opens the outlet slots 13 through which the exhaust gases and the scavenging air pass into the line 14. At the end of the line 14, the exhaust gas turbine 15 is provided, the impeller 17 of which is acted upon by the mixture of air and combustion gases flowing out of the nozzle 18. The turbine 15 drives the power generator 19, which delivers the power via the lines 20 to a network (not shown further). The pipe 21 branches off from the line 14 and opens out into the compensation space 22; this is provided with an exhaust line 224 controlled by the flap 23 and a blowdown line 26 that can be shut off by means of the valve 9.5.
The mode of operation of the device is as follows: In FIG. 2, the amount of exhaust kg / sec., Which is expelled into the exhaust line each time the outlet of the internal combustion cylinder is opened, is plotted against time as a basis. As a result of the initially high pressure in the combustion chamber, there is a peak at the beginning of the exhaust process.
If only one fuel cylinder is connected to the line 14, the exhaust puffs follow one another according to curves a and a 'with a larger interval, while with the AiiGehiluss the line 14 to two Breunkraft cylinders, whose exhaust takes place at different times Exhaust shock b (for example with a smaller total amount than for shock a) between a and <B> d, </B> the exhaust shock <B> b '</B> between a' and the next of the first internal combustion cylinder lie.
If there is no equalizing space, the pressure in line 14 rises very sharply with each exhaust surge, as can be seen from the course of the striated curves p and p in FIGS. 3 and 4. Line e in FIG. 2 gives the mean amount of exhaust gases in the case of an internal combustion cylinder connected to line 14, line e, the mean amount in the case of two internal combustion cylinders. The respective points of intersection of these lines of the mean quantities with the curves a and b of the buffer bursts result in the minima and maxima of the pressure curves in FIGS. 3 and 4.
FIG. 3 illustrates the pressure conditions in one, FIG. 4 in two internal combustion cylinders connected to the pressure line 14. Because the line 14 is connected to the equilibrium space <B> 22 </B>, during the first part of the exhaust burst, during which the pressure and the amount of geological exhaust gas exiting the internal combustion cylinder is very large,
through the line 21 a part of the exhaust gases in the equalization chamber 2 2, so that the pressure rise in the line 14 respectively. in front of the turbine <B> 1-5 </B> is smaller than without the arrangement of this equalizing space. The course of the kite in the Leituno, 14, changed by the insertion of a compensation space, is represented by the curves p #, and p ".
The maximum pressures in the line 14 and in the compensation chamber 22 are now less high, while after the end of the exhaust of the internal combustion engine, the exhaust gases stored in the exhaust chamber serve to feed the gas turbine, so that the pressure drop until the next The puff pressure is less than if there is no compensation space, from Fig.
3 and 4 it can be clearly seen that the pressure fluctuations in the line 14 upstream of the turbine are reduced. The turbine can therefore work with a better average efficiency, because the periodic changes in the outflow conditions from the nozzle 18 are also reduced as a result of the lower pressure fluctuations. Because the t 'line 14 of the exhaust gases does not have any sudden changes in cross-section, the kinetic energy of the part of the exhaust gases flowing directly to the turbine during the exhaust time can be used. This is not affected by the lateral branching off of the pipe 921.
Any impurities in the exhaust ducts that get into the space 22 can be removed by opening the valve 25 by means of the suction line 26 (FIG. 1). Instead of a periodic blowdown, the valve 25 can also remain open a little during operation, whereby a permanent blowdown takes place. When the flap 23 in the Augpufneitung is opened, the lines 14 and 21 and the equalization space 22 are relieved. The flap 23 is, for example, when starting and stopping the turbine 15 ge opens, during operation it is ge closed.
Another arrangement of the compensation space is shown in FIG. 5. The line 14 passes through the compensation space 22 and is provided with overflow openings 28. As a result of the fact that the line 14, apart from the honeycomb extension 30, is passed through the compensation chamber 22 without any changes in cross-section, it is again possible to utilize the kinetic energy of the exhaust gases from the part of the exhaust gas flowing directly to the turbine, and the in the Ausgleiehsraum 22 entering part of the exhaust pipe affected when exiting through the overflow openings 28 this off use in no way.
A further overflow opening in FIG. 5 is the annular gap 29, which is formed through the conical widening 30 of the pipeline 14, and on the one hand there is an unhindered outflow for the exhaust gases flowing out immediately, on the other hand the outflow of the In the Ausgleiehsraum, 22 contained exhaust gases loaned. The line 14 can also be provided with only one overflow opening instead of several overflow openings.
FIG. 6 shows an arrangement similar to FIG. 5. The exhaust lines 31 and 32, which start from two different internal combustion cylinders, unite in the compensation chamber 22 and open into the conical widening 33 of the line 34 leading to the turbine one. The conical enlargement leaves the ring spaft 3.5 free as an overflow opening.
The cross-section of the connection line respectively. the overflow openings to the compensation space can be smaller than the cross-section of the exhaust line. The effect of the equilibrium space partly depends on the size of this connection cross-section. If the cross-section is made adjustable, it gives --- I a regulation of the exhaust pressure in the line14.
The volume of the compensation space <B> 29, </B> in FIG. <B> 7 </B> can be changed in that the openings <B> 37 </B> and <B> 38 </B> for chambers <B> 39 </B> and 40 can be opened and closed. The slide <B> H </B> can either be adjusted by hand or via the linkage 41 depending on the load on the gas turbine, that is to say depending on the sleeve position of the regulator 42, which is # by the Gas turbine is driven.
At full throttle, the speed is reduced, and the controller 42 switches the] chamber 40 to the chamber <B> 39 </B> which is already connected to the line 14. When idling, the volume of the balancing space is small, respectively. the equalizing space can be completely closed off by the line 14 by the slide valve 3, 6.
The compensation room can be used to refine the regulation. divided into an o, larger number of chambers 9, e In systems in which a plurality of free-piston dispensers are connected to a common turbine, a separate compensation space can be arranged for each free-piston dispenser, independently of those for the others, or a Compensating space is used simultaneously for several free piston compressors.
Is an ice cream room. provided for several internal combustion cylinders, the advantage arises that, given the appropriate size, the lending space not only compensates for the individual exhaust shocks of each internal combustion cylinder, but also for the resulting processes in the event of changes in the gas turbine, as well as for fluctuations in delivery from various successive ignitions , as shown for example in Fig. 2, acts from the same.
By arranging the compensation space near the outlet of the internal combustion engine, the advantage results that the resistance during the exhaust shock is lower and thus the kinetic energy of the exhaust gases can be better utilized. The first high-pressure exhaust gases then do not need to flow through a longer pipe before they reach the target area.