Verfahren zum Betriebe von Kolben-Brennkraftmaschinen und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betriebe von Kolben-Brenn- kraftmaschinen, welche mit Verdichtungszün dung arbeiten und mit einem von der Maschi nenwelle unabhängigen Abgasturboauflade- aggregat mit mindestens einer Gasturbine und mindestens einem rotierenden Luftverdichter versehen sind, ferner mit Verbindungsleitun gen zwischen Verdichterauslass und Luftein- Mass zur Maschine bzw.
zwischen Gasauslass aus der Maschine und Turbine, einer Abzweig leitung von der Dreckleitung des V erdiehters in eine Brennkammer, in der Brennstoff ver brannt wird und von wo die heissen Brenn- gase mindestens einer Gasturbine zugeführt werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Ein richtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Nicht aufgeladene Maschinen geben im nutzbaren Drehzahlbereich Drehmomente von nahezu konstanter Grösse. Bei Maschinen, die mit Aufladung nach bekannten Verfahren arbeiten, steigen die Momente erst, wenn die Leistung und Drehzahl verhältnismässig hoch sind und erreichen Höchstwerte bei voller Drehzahl und Leistung.
Für viele Anwendungen ist. jedoch eine andere Drehmomeiit-Drehzahlcharakteristik er wünscht oder notwendig. So verlangen Ma schinen für Fahrzeuge aller Art, Lokomoti ven, Krane usw. gleichbleibende Leistung über einen möglichst grossen Drehzahlbereich. Heute werden, um das zu erzielen, Drehmo- mentumformergetriebe verschiedener Art, wie Wechselgetriebe, hydraulische oder elektrische Kraftübertragungen verwendet. Solche Um former sind schwer, teuer und nehmen viel Raum ein.
Propellerantriebe verlangen wieder eine andere Drehmoment - Drehzahlcharakteristik, die den mit der Propellerdrehzahl sehr stark ansteigenden Drehmomenten Rechnung tragen muss.
Das vorliegende Verfahren nach der Er findung bezweckt, Maschinen der angegebenen Gattung bestimmte Drehmoment-Drehzahlcha- rakteristiken aufzudrücken. Dies wird dadurch erreicht, dass bei einer Änderung des Bela stungszustandes der Maschine neben der Än derung der Brennstoffzufuhr zu den Zylin dern auch die von dem Verdichter gelieferte Luftmenge in wechselndem Mengenverhältnis zwischen der Kolbenmaschine und der Brenn- kammer verteilt und gleichzeitig der Energie gehalt der der Turbine zugeführten Gase ver ändert wird.
Auf diese Weise können Maschinen betrie ben werden mit zumindest angenähert kon stanter Leistung über grosse Drehzahlbereiche oder mit Hochlastbetrieb bei gleichbleibender Drehzahl oder mit steigenden Drehmomenten mit steigender Drehzahl. Hochlastbetrieb bei praktisch gleichbleibender Drehzahl kann da durch erzielt werden, dass mit steigender Last der Aufladedruck mittels der Brennkammer höher getrieben werden kann, als dies bei be kannten Aufladeverfahren möglich ist.
Ferner ermöglicht die vorliegende Erfin dung v erlässliches Anlassen, Leerlauf und Teillastbetrieb hochaufgeladener Maschinen, gleichgültig, nach welchem Verfahren (Vier takt oder Zweitakt) sie arbeiten.
In der beiliegenden Zeichnung sind in den Fig. 1 bis 3 beispielsweise grundsätzliche Ein richtungen zur Durchführung des erfindungs gemässen Verfahren dargestellt. Fig. 4 zeigt vereinfacht eine solche Einrichtung mit Regel vorrichtungen. Ähnliche selbsttätige Regelvor richtungen sind naturgemäss auf die Beispiele nach den Fig. 1 bis 3 anwendbar.
Fig. 5 zeigt eine weitere Einrichtung mit selbsttätigen Regelorganen zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens.
An Hand der Einrichtungen wird das Verfahren nachfolgend beispielsweise erläu tert.
Bei bekannten Aufladeverfahren, die meist für Viertaktmaschinen verwendet werden, stellt sieh der Aufladezustand selbsttätig ein und liefert ein bestimmtes Drehmoment-Dreh zahl-Verhalten, das nicht beeinflussbar ist.
Der erfindungsmässige Zweck wird da durch erreicht, dass jedem Belastungszustand der Maschine ein beliebiger Aufladezustand zugeordnet wird. Dies wird möglich, wenn die Leistung der Abgasturbine in weiten Gren zen unabhängig von dem Betriebszustand der aufgeladenen Maschine und genügend schnell beeinflusst werden kann. Das wird erzielt, wenn eine Abzweigleitung mit Einstellorgan von der Druckleitung des Aufladegebläses ab gezweigt und zur Abgasturbine geführt wird, in die eine Brennkammer eingeschaltet ist. Wird nun eine gewisse Menge Luft abge zweigt, durch Verbrennung von Brennstoff hocherhitzt und den Maschinenabgasen z. B.
beigemischt, so erhält die Gasturbine nicht nur mehr Gase, sondern wenn gewünscht auch heissere Gase, wodurch sich ein grosser Lei stungsbereich für die Turbine ergibt, ohne die zulässige Temperaturgrenze für die Turbinen schaufeln zu überschreiten. Die durch das er- findungsgemässe Verfahren geschaffene Frei heit in der Beeinflussung der durch die Tur bine strömenden Gasmenge, relativ zu der durch die Maschine strömenden Menge, ergibt wertvolle Vorteile für schnelles Ansprechen auf Änderungen des Belastungszustandes für Teillastbetrieb und für das Anlassen.
In Fig. 1 der Zeichnung bezeichnet 10 eine Brennkraftmaschine mit Lufteinlassleitung 11, für Spülung und Ladung, 12 eine Gasauslass leitung mit anschliessendem Auslassrohr 12a. 13 bezeichnet das Brennstoffzuführungsrohr zur Maschine 10, das mit einem Einstellventil 13a versehen ist. Die Lufteinlassleitung 11a ist mit dem Auslass des Verdichters 19 ver bunden, der einen Teil des Aufladeaggrega tes s bildet. Bei 11b ist vom Rohr 11a eine Leitung 14 abgezweigt, die über eine Brenn- kammer 15 mit den Einlassdüsen der Gas- turbine 21 verbunden ist.
Die Turbine 21 ist, wie ersichtlich, mit dem Verdichter 19 mecha nisch gekuppelt und bildet mit ihm das Aggre gat s. In dem Abzweigepunkt 11b der Lei tung 14 ist eine Einstellklappe 16 vorgesehen, die eine beliebige Verteilung des vom Ver dichter geförderten Luftstromes auf die Lei tungen 11 beziehungsweise 14 gestattet. In die Brennkammer 15 führt die Brennstofflei tung 17 mit dem Einstellventil 18.
Das Gas auslassrohr 12a ist ebenfalls mit den Einlass düsen der Turbine 21 verbunden. 20 bezeieh- net den Lufteintritt in den Ver diehter 19, 22 den Gasauslass aus der Turbine 21 in die Umgebungsluft.
Im normalen Betriebe treiben die Maschi nenabgase die Turbine 21 und befähigen den Verdichter 19, Ladeluft in die Leitung 11 zu liefern. Die Drehzahl des Aufladesatzes steigt und fällt mit der Maschinenbelastung, und der Aufladedruck schwankt in gleicher Weise. Die Klappe 16 schliesst dabei entweder die Luft von der Brennkammer 15 völlig ab oder erlaubt nur einem kleinen Teil derselben, ein zutreten, so dass bei etwas geöffnetem Ventil 18 eine kleine Flamme aufrechterhalten wer den kann.
Steigt nun die Maschinenbelastung, wobei beispielsweise die Drehzahl unverändert blei- gen soll, so kann die erforderliche Mehrlei stung durch Vergrösserung der Brennstoffzu fuhr über Ventil 13a erzielt werden. Die auf diesem Wege erzielbare Leistungssteigerung ist aber stark beschränkt, da die Luftladung bald zur vollkonnnenen Verbrennung des zu- sätzliehen Brennstoffes nicht ausreicht, was durch unsauberer Auspuff erkennbar wird.
In solchem Falle wird nun gleichzeitig mit der Erhöhung der Brennstoffzufuhr zu den Zylindern die Aufladung erhöht, was durch Steigerung des Aufladedruckes bewirkt wird. Diese Drucksteigerung wird eingeleitet durch Öffnen bzw. Mehröffnen der Klappe 16 und des Brennstoffventils 18. - Diese Massnahme scheint bei oberflächlicher Betrachtung vor erst falsch, weil offenbar ein Öffnen der Klappe 16 nach der Brennkammer hin in den Leitungen lla und 11 nicht nur keine Steige rung, sondern sogar ein Abfallen des Druckes verursacht. Bei näherer Betrachtung wird hin gegen klar, dass diese Massnahme doch die be absichtigte Endwirkung hat.
Sobald die Klappe 16 mehr Luft in die Kammer 15 ein zutreten gestattet und mehr Brennstoff darin verbrannt wird, erhält. die Turbine sehr heisse Brennase, und die so erhöhte Leistung be fähigt sie, den Verdichter 19 schneller zu trei ben, und so den Ladedruck auch bei erhöhter Maschinenleistung aufrechtzuerhalten oder sogar zu erhöhen. Ein neuer Gleichgewichts zustand wird erreicht, wenn die erhöhte Tur- binenleistung dem erhöhtem Kraftbedarf des Verdichters entspricht. Da die Luftladung der Maschine erhöht ist, kann sie auch mehr Brennstoff mit klarem Auspuff verarbeiten. Diese Arbeitsweise kann offenbar auch bei Teillastbetrieb angewendet werden, mit dein Ergebnis, dass der Aufladedruck auch bei Teillasten beliebig einstellbar ist.
In manchen Fällen ist es günstig, die Tur binendüsen in zwei Gruppen zu unterteilen, deren eine über die Leitung 12a gespeist wird, die andere über Leitung 14.
In Fig. 2 ist vereinfacht ein anderes Aus führungsbeispiel der Einrichtung dargestellt, in welchem sich die Brenngase, die aus der Brennkammer 15 austreten, mit den Auspuff- lasen der Maschine mischen. Teile, die mit Teilen der Fig. 1 identisch sind, sind durch gleiche Zahlen bezeichnet. Wie ersichtlich, ist die Brennkammer 15 am untern Ende offen. Die bei 11b abgezweigte Luft dient als Brenn- luft in der Kammer, wobei Brenngase sehr Koller Temperatur, z. B. 800 bis 1500 G, ent stehen. Die Maschinenabgase treten über die Leitung 12a in die die Kammer 15 umgebende Ringkammer c ein, mischen sich mit den Brenngasen und strömen gemischt über Lei tung 12 zur Turbine 21.
Offenbar kann durch entsprechende Einstellung der Brennstoff zufuhr über Ventil 18 die Temperatur der Brenngase und damit die Temperatur der in die Turbine eintretenden Mischgase beliebig eingestellt werden. Damit ist aber auch die Turbinenleistung frei einstellbar und folglich auch der Aufladedruck der Maschine, unab hängig von Belastung und/oder Drehzahl der Kolbenmaschine.
Fig. 3 zeigt eine Modifizierung der Ein- rielhtung. Hier führt die Leitung 14 zu einer besonderen Turbine 21a, die mit Verdichter 19 und Turbine 21 auf gemeinsamer Welle ange ordnet ist. Die die Turbine 21a verlassenden Brenngase dienen in diesem Falle zur Vor- wärmung der Luft in Leitung 11, zu welchem Zwecke der Wärmeaustauscher 28 vorgesehen ist, der die Case durch Leitung 22a zugeführt erhält.
Nach Passieren des Wärmeaustauscliers 28 gelangen die Gase in die Unigebung durch Leitung 22a.
Es kann mit, dem Aufladeaggregat s ein Anlassmotor beliebiger Art 23, vorzugsweise über eine L'berholungskupplung 2-1, gekup pelt sein. Wo verdichtete Luft (oder Gas) ver fügbar ist, kann der Luftbehälter 25 über ein Rohr 26 mit Ventil 27 mit den Düsen der Turbine 21a. oder 21 verbunden sein. Diese Teile dienen zum Anlassen des Aggregates s, das bei stillstehender -Maschine als einabhän giger gasturbinenangetriebener Druckluft erzeuger dient.
Zwecks Anlassens wird das Aggregat s durch Motor 23 (oder mit Hilfe von Druckgas aus Behälter 25) in Umdrehung versetzt, wobei die Klappe 16 die Verbindung von Rohr 11.a nach Rohr 14 offen hält. Dadurch wird ein Luftstrom erzeugt, eintretend bei 20 über 19, 1lca, Klappe 16, 14, 15 zur Turbine 21a und über 22a, 28 zur Atmosphäre zurück. Nun wird Brennstoff durch Öffnen des Ventils 18 in die Kammer 15 geleitet und entzündet. Heisse Brenngase strömen nun zur Turbine, welche befähigt wird, mechanische Leistung abzu geben und den Antrieb des Verdichters zu übernehmen. Die Drehzahl des Aggregates steigert sich schnell und der Motor 23 kann abgeschaltet oder das Ventil 27 geschlossen werden.
Sofern die Kolbenmaschine 10 noch stillsteht, strömt die gesamte vom Ver dichter 19 gelieferte Luft unmittelbar zur Turbine und, je nach Brennstoffzufuhr, kann der Druck in Rohr 11a in weiten Grenzen eingestellt werden. Wird nun die Kolben maschine 10 zwecks Anlassens in beliebiger an sich bekannter Weise in Umdrehung versetzt und die Klappe 16 so betätigt, dass ein Teil der Luft aus der Leitung 11a über Rohr 11 auch zur Kolbenmaschine 10 strömen kann, so erhält diese sofort Luft von beliebig hohem Druck und springt verlässlich an.
Das ist von entscheidender Bedeutung für Dieselmaschinen, die mit hoher Aufladung arbeiten; denn diese ergeben mit Ansaugluft von atmosphärischem Druck eine ungenügende Verdichtungsendtemperatur, um den Brenn stoff zuverlässig, besonders bei niedriger Lufttemperatur, zu zünden.
Diese Art des Anlassens ist von besonde rem Wert für Zweitaktmaschinen, die bisher von der Maschinenwelle angetriebene Luft pumpen benötigten oder Pumpen, die von einer Fremdkraftquelle angetrieben waren. Für Zweitaktmaschinen sind die bekannten mit Abgasturbinen angetriebenen Auflade aggregate ohne Kupplung mit der Maschinen welle unbrauchbar, da bei den bisherigen Bau arten das Aggregat für das Anfahren keine oder nicht genügend Luft liefern kann, und auch bei kleineren Lasten und Drehzahlen die Turbinenleistung nicht ausreicht, -um genü gend Spülluft zu fördern.
Diese Schwierigkeiten sind vermieden, in dem das Aufladeaggregat unabhängig von dem Betriebszustand der Maschine, ja selbst vor Anlassen derselben, voll betrieben und reguliert werden kann. Die beschriebene Art des Anlassens ist anwendbar auf alle Arten von Maschinen einschliesslich Zweitaktmaschi- nen und macht. jede Kupplung zwischen Ma schine und Aufladesatz unnötig, was praktisch von ausschlaggebender Bedeutung ist.
In Anlagen, wo gleichbleibende Leistung bei stark schwankenden Drehzahlen der Ma schine gefordert wird, ermöglicht es das Ver fahren nach der Erfindung, die dazu erforder liche Drehmoment-Drehzahlcharakteristik der Maschine aufzudrücken und so mechanische, elektrische oder hydraulische Kraftübertra gungen, die bisher ausschliesslich diesem Zwecke dienen, zn vermeiden.
Beispielsweise in einer Anlage gemäss Fig. 1 und Fig. 3 für Lokomotivantrieb wird unter einer bestimmten Last eine bestimmte Brennstoffmenge pro Zeiteinheit in der Ma schine verbraucht. Steigt nun beim Befahren einer Steigung das geforderte Drehmoment, so wird zunächst die Maschinendrehzahl sinken. Da der Aufladesatz infolge seiner Trägheit mit praktisch wenig veränderter Drehzahl weiterarbeitet, so strömt nun mehr Luft über Leitung 14 zur Brennkammer 15, in der nun entsprechend mehr Brennstoff verbrannt wer den kann, tun die Gastemperatur am Turbi neneintritt zu beeinflussen.
Der Aufladedruek kann also unabhängig von der Maschinendreh zahl z. B. konstant gehalten werden. Bei ge eigneter Regelung oder Einstellung kann aber mit fallender Maschinendrehzahl auch ein stei gender Aufladedruck, d. h. auch ein steigendes Maschinendrehmoment erreicht werden, was dann geschieht, wenn die Gastemperatur mit Abfallen der Maschinendrehzahl ansteigt, wo durch auch ein Ansteigen der Drehzahl des Aufladeaggregates bewirkt wird, und wenn der Kolbenmaschine entsprechend mehr Brenn stoff pro Arbeitshub zugeteilt wird.
Die Gas temperatur ist nur begrenzt durch metallur gische und Festigkeitserwägungen des Turbi- nenschaiüelmaterials.
Bei fallendem Drehmoment kann durch entsprechende automatische oder Handbetäti- gung der Klappe 16 und Herabsetzung der Brennstoffzufuhr in die Kammer 15 den neuen Verhältnissen Rechnung getragen werden.
Der Brennstoffverbrauch in der Kammer 15 muss natürlich im Sinne einer Wirkungs gradherabsetzung der Gesamtanlage betrach tet werden, genau so wie die Verluste in den üblichen elektrischen, hydraulischen oder me chanischen Kraftübertragungen. Die genmäl vorliegendem Verfahren betriebene Anlage ist diesen bekannten Anlagen überlegen, da zu- sätzlicller Brennstoff meist dann verbratuclht wird, wenn Überlast oder erhöhtes Drehmo ment tatsäehlich geliefert werden muss.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbei spiel der Erfindung, das sich vorwiegend für grössere Leistungen eignet. hier stellt 19, 21 ein normales Aufladeaggregat dar, hiernach als Auflader I bezeichnet, während Turbine 21b einen zweiten Verdichter 196 treibt, der über die Leitung 20 fmnit der Saugseite des Ver dichters 19 verbanden ist. Dieses zweite Ag gregat 196, 21b wird hiernaclh als Aufla ger ih bezeichnet. 20b bezeichnet den Luftein tritt von der Atmosphäre, 22b den Gasaustritt in dieselbe.
Der Auflager I kann dauernd arbeiten, während der Auflager II leer läuft oder mit kleiner Belastung, und nur dann voll zur Wir kung kommt, wenn es die Last- oder Dreh- mnonmentrefordernisse verlangen. Da die Dreh zahlen beider Aggregate voneinander unab hängig sind, ergeben sich bessere Arbeits- und Regelbedingungen für die Verdichter. Die Aufladung kann weiter gesteigert werden, wenn ein Luftkühler 30 in die Leitung 20 eingeschaltet wird und gegebenenfalls ein wei terer Kühler 31 in der Leitung 11. In diesem Falle wird zwecks Anlassens der Anlage der Ruflader II durch Anlassmotor 23 über die Überholungskupplung 21 in Drehung versetzt.
Der Ruflader I kann still stehen, und kommt selbsttätig zur Wirkung, sobald die Maschine 10 anspringt. Das Anlassen des Rufladers II an sich erfolgt in derselben Weise mit Hilfe der Brennkammer 15 wie früher beschrieben.
In Fig. 1 sind automatische Regelvorrich tungen für den Betrieb vereinfacht angegeben. 10 ist ein Fliehkraft-Pendelregler, der über ZKegelräder 11 von der lMasehinenwelle ange trieben wird. Der Reglerlhebel 42 betätigt das Brennstoffventil 13a der Maschine über die Stangen 43 und 45 und den zweiarmigen He bel 14, wie an sich bekannt. Das Ventil 136 ermöglicht Begrenzung der Brennstoffzufuhr von Hand. Der Hebel 42 ist ferner durch Stange 46 mit einem Hebel 47 verbunden, dessen linkes Ende durch Feder 48 nachgiebig gelagert ist, und dessen rechtes Ende die Klappe über Stange 49 betätigt.
Ein elasti scher Mlembrankörper 50, der durch Rohr 51 mit der Leitung 11 in Verbindung steht, drückt das linke Ende des Hebels 17 gegen die Wirkung der Feder 18 nach abwärts, so bald der Luftdruck in 11 einen gewissen Grenzwert überschreitet. Die Verstellvorrich tung 52 mit Handrad 53 gestattet durch Be tätigung des Hebels 41 und Stange 15 eine Handeinstellung der Brennstoffzufuhr zur Ma schine 10. Ferner ist in der Leitung 11, wo die Brenngase die Kammer 15 verlassen, ein Gas- drucktlhermostat 54 mit elastischem Balg 55 vorgesehen, der über Hebel 56 das Brennstoff ventil 18 betätigt. 16a ist eine Einstellklappe und 18u. ein Brennstoffventil, beide für Hand einstellung. Der Thermostat 54 kann z.
B. so eingestellt werden, dass die Temperatur der Brenngase am Turbineneintritt zu 21b an nähernd konstant bleibt..
Sobald der Auflager II angelassen ist und den für Anlassen der --Maschine 10 nötigen Druck liefert, wird die Hasehine in beliebiger Weise in Drehung versetzt und springt an, sobald sie über die Klappe 16 Ladeluft erhält. Der Auflager I erhält nun lIaschinenabuase durch Leitung 1''a und übernimmt die Ruf ladung teilweise oder ganz.
Sollte der Druck in Leitung 11 zu hoch werden, was die Ma schine 10 gefährden könnte, so kommt der hleinbrankörper 50 zur Wirkung, indem er die linke Seite des Hebels :17 gegen die Wirkung der Feder 48 herabdrückt und dadurch, da der Angriffspunkt der Stange 46 nun Fest punkt ist, die Klappe 7.6 im Sinne von Schlie ssung der Luftzufuhr zur Kammer 15 betätigt. Da die Turbine nun weniger Clas erhält, sinkt ihre Leistung und damit der vom Verdichter 19b gelieferte Druck.
Der Regler 40 beeinflusst also nicht nur die Brennstoffzufuhr zur Maschine 10, sondern gleichzeitig die Luftzufuhr zur Brennkammer derart, dass mit fallender Maschinendrehzahl mehr Luft in die Leittrog 14 abgezweigt wird. Thermostat 54 öffnet das Ventil 18 mehr, um die Brenngastemperatur aufrechzuerhalten. Die Turbine 21b erhält also mehr heisse Gase und treibt den Verdichter 19b schneller, der nun mehr Luft von höherem Druck als zuvor liefert.
Ist nun z. B. die Brennstoffzufuhr zur Ma schine 10 pro Zeiteinheit (Kilogramm pro Stunde) durch Einstellung des Ventils 13b nach oben begrenzt, so arbeitet der Auflader I mit einer der Last entsprechenden Drehzahl und liefert (allein oder unter Mitwirkung des Aufladers II einen gewissen Aufladedruck. Steigt nun z. B. das von der Maschine gefor derte Drehmoment, so wird das Ventil 13a infolge des beginennden Drehzahlabfalles im Sinne des Öffnens betätigt. Da aber 13b die tatsächliche Zufuhr pro Zeiteinheit begrenzt, fällt die Drehzahl weiter und der Auflader II kommt, wie vorstehend beschrieben, zur Wir kung.
Da die Maschine mit fallender Drehzahl grössere Luftladung pro Arbeitshub erhält, kann sie auch mehr Brennstoff pro Arbeits hub verarbeiten, und bei geeigneter Wahl der Verhältnisse kann der mittlere effektive Druck in den Maschinenzylindern im annähernd um gekehrten Verhältnis zur Drehzahl gesteigert werden, d. h. die Maschinenleistung bleibt eun- verändert. Bei abnehmendem Drehmoment steigt die Drehzahl wieder. Ein solches Be triebsverhalten ist von grosser Bedeutung für viele Antriebe, insbesondere auch Fahrzeuge aller Art, und macht es möglich, ohne die üblichen elektrischen, hydraulischen oder me chanischen Kraftübertragungen auszukom men.
Fig. 5 zeigt vereinfacht eine andere Aus führungsart der Erfindung, bei der die Ma schine 10 und der Aufladesatz s wie in Fig. 2 angeordnet sind. Teile, die demselben Zweck dienen wie in Fig. 4, sind durch dieselben Zahlen bezeichnet. Je nachdem, ob der Regler 40 mit grossem oder kleinem Ungleichförmig- - keitsgrad ausgeführt wird, kann diese Aus führung für Betrieb mit schwankender oder praktisch konstanter Maschinendrehzahl ver wendet werden. Wie ersichtlich, wird von der Welle des Reglers 40 über das Zahnradge triebe 60 eine Brennstoffpumpe 61 angetrie ben.
Die von dieser Pumpe durch Rohre 62 in die Zylinder gelieferte Brennstoffmenge wird, wie bekannt, durch die Zahnstange 63 geregelt, wobei einer Abwärtsbewegung der selben eine Brennstoffzunahme entspricht. Der zweiarmige Reglerhebel 67 ist in Punkt 68 gelagert und über die Stange 66 mit der Klappe 16 und weiter mittels der Stange 69 mit dem Brennstoffventil 18 gekuppelt. Fer ner greift am Hebel 67 die Stange 65 an, die über den Hebel 64 mit der Zahnstange 63 ver bunden ist. Am rechten Ende des Hebels 64 greift eine elastische Membran 50 an, die durch das Rohr 51 mit Ventil 70 mit der Leitung 11 verbunden ist.
Die Anlage arbeitet wie folgt: Unter Annahme eines Reglers mit grossem Ungleichförmigkeitsgrad entspreche einem be stimmten Belastungszustand der Maschine eine bestimmte Lage des Reglerhebels 67. Bei ge schlossenem Ventil 70 ist das rechte Ende des Hebels 64 als Festpunkt anzusehen. Der Auf ladesatz erhält, mit Klappe 16 in der rechten punktiert angedeuteten Stellung und geschlos senem Ventil 18, weder Luft über die Leitung 14 noch Brennstoff, arbeitet also wie Auflade sätze bekannter Art. Steigt nun die Maschi nenbelastung, so dreht sich der Hebel 67 um Festpunkt 68 entgegen dem Uhrzeigersinn, zieht die Stange 65 und dadurch über Hebel 64 auch die Zahnstange 63 nach unten.
Gleich zeitig öffnet die sich aufwärts bewegende Stange 66 die Klappe 16 nach der Leitung 14 und mittels Stange 69 auch das Ventil 18. Der nun in die Brennkammer eintretende Brenn stoff wird in der durch Leitung 14 einströ menden Luft verbrannt, und die so gebildeten heissen Brenngase gelangen gemischt mit den Abgasen der Maschine in die Turbine 21. Da diese nun mehr und heissere Gase erhält, steigt ihre Drehzahl und damit der von dem Ver dichter gelieferte Druck. Es sind also niedri geren Maschinendrehzahlen höhere Ruflade drücke zugeordnet, bei steigender Brennstoff zufuhr zu den Zylindern.
Bei kleinem Ungleichförmigkeitsgrad des Reglers 40 kann die gleiche Anordnung für Betrieb bei praktisch gleichbleibender Ma schinendrehzahl verwendet werden. Es kann auch mit offenem Ventil 70, d. h. mit Mem bran 50 in Betrieb, gearbeitet werden. Wie ersichtlich, drückt dann die Membran 50 mit steigendem Rufladedruck den Hebel 64 nach abwärts und bewirkt dadurch eine weitere Abwärtsbewegung der Zahnstange 63, d. h. eine weitere Zunahme der Brennstoffzufuhr zur Maschine über die durch den Regler 40 allein angegebene hinaus.
Es ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung gleichgültig, welcher Bauart die aufgeladene Maschine ist. Sie kann im Zwei takt oder Viertakt mit beliebiger Anzahl und Anordnung der Zylinder arbeiten.
Es ist ferner für die vorliegende Erfin dung unwesentlich, welcher Bauart und Ar beitsweise die Verdichter und Turbinen sind, aus denen sich die Aufladeaggregate zusam mensetzen, und es ist ferner unwesentlich, was für Brennstoff in der Maschine und in der Brennkammer verwendet wird und ob der selbe oder verschiedene Brennstoffe in Ma schine und Brennkammer benützt werden.
Ein Vorteil der beschriebenen Einrichtun gen liegt darin, dass der erfinderische Zweck ohne wesentliche Erhöhung von Grösse, Ge wicht und Preis der Maschine erreicht werden kann, da dem bei hochbeanspruchten Mlaschi- nen ohnehin vorhandenen Aufladesatz nur andere Aufgaben im Zusammenhang mit der Steuerung zugewiesen werden. Als zusätzlieh ist nur eine verhältnismässig kleine und leichte Brennkammer zu werten und einige leichte und billige Regelorgane bzw. Einstellorgane.
Process for operating piston internal combustion engines and device for carrying out this process. The present invention relates to a method for operating piston internal combustion engines which work with compression ignition and are provided with an exhaust gas turbo-charging unit with at least one gas turbine and at least one rotating air compressor, which is independent of the machine shaft, and with connecting lines between the compressor outlet and Air intake to the machine or
between the gas outlet from the machine and the turbine, a branch line from the dirty pipe of the compressor into a combustion chamber in which fuel is burned and from where the hot combustion gases are fed to at least one gas turbine.
The invention also relates to a device for performing this method. Machines that are not charged give torques of almost constant magnitude in the usable speed range. In machines that work with charging according to known processes, the torques only increase when the power and speed are relatively high and reach maximum values at full speed and power.
For many uses it is. however, a different torque-speed characteristic he wants or needs. Machines for vehicles of all kinds, locomotives, cranes, etc. require constant power over the largest possible speed range. Today, in order to achieve this, various types of torque converter transmissions, such as change gears, hydraulic or electrical power transmissions, are used. Such converters are heavy, expensive and take up a lot of space.
Propeller drives again require a different torque - speed characteristic, which has to take into account the torques that increase sharply with the propeller speed.
The present method according to the invention aims to impose specific torque-speed characteristics on machines of the specified type. This is achieved by the fact that when the load condition of the machine changes, in addition to the change in the fuel supply to the cylinders, the amount of air supplied by the compressor is also distributed between the piston machine and the combustion chamber in an alternating ratio and at the same time the energy content of the Turbine supplied gases is changed.
In this way, machines can be operated with at least approximately constant power over large speed ranges or with high load operation at constant speed or with increasing torques with increasing speed. High-load operation at practically the same speed can be achieved through the fact that with increasing load, the boost pressure can be driven higher by means of the combustion chamber than is possible with known charging processes.
Furthermore, the present invention enables reliable starting, idling and part-load operation of highly charged machines, regardless of which method (four-stroke or two-stroke) they work.
In the accompanying drawings are shown in Figs. 1 to 3, for example, basic A directions for performing the fiction, according to method. Fig. 4 shows in simplified form such a device with control devices. Similar automatic Regelvor directions are of course applicable to the examples according to FIGS.
FIG. 5 shows a further device with automatic regulating elements for carrying out the method according to the invention.
Using the facilities, the method is tert erläu below, for example.
In known charging processes, which are mostly used for four-stroke engines, the charging state sets automatically and delivers a certain torque-speed behavior that cannot be influenced.
The purpose of the invention is achieved by assigning an arbitrary charge state to each load state of the machine. This becomes possible if the performance of the exhaust gas turbine can be influenced within wide limits independently of the operating state of the supercharged machine and sufficiently quickly. This is achieved when a branch line with an adjusting element branches off from the pressure line of the supercharger and is led to the exhaust gas turbine, in which a combustion chamber is switched on. If a certain amount of air is branched off, it is heated up by combustion of fuel and the engine exhaust z. B.
mixed in, the gas turbine not only receives more gases, but also hotter gases if desired, which results in a large power range for the turbine without exceeding the permissible temperature limit for the turbine blades. The freedom created by the inventive method in influencing the amount of gas flowing through the turbine relative to the amount flowing through the machine provides valuable advantages for quick response to changes in the load condition for partial load operation and for starting.
In Fig. 1 of the drawing, 10 denotes an internal combustion engine with an air inlet line 11 for flushing and charging, 12 a gas outlet line with an adjoining outlet pipe 12a. 13 denotes the fuel supply pipe to the engine 10, which is provided with an adjusting valve 13a. The air inlet line 11a is connected to the outlet of the compressor 19 which forms part of the charging unit s. At 11b, a line 14 is branched off from the pipe 11a and is connected to the inlet nozzles of the gas turbine 21 via a combustion chamber 15.
The turbine 21 is, as can be seen, mechanically coupled to the compressor 19 and forms with it the aggregate gat s. In the branch point 11b of the Lei device 14, an adjusting flap 16 is provided, which allows any distribution of the air flow promoted by the Ver denser on the Lei lines 11 and 14, respectively. The fuel line 17 with the adjusting valve 18 leads into the combustion chamber 15.
The gas outlet pipe 12a is also connected to the inlet nozzle of the turbine 21. 20 refers to the air inlet into the compressor 19, 22 the gas outlet from the turbine 21 into the ambient air.
In normal operations, the machine exhaust gases drive the turbine 21 and enable the compressor 19 to deliver charge air into the line 11. The speed of the boost set rises and falls with the engine load, and the boost pressure fluctuates in the same way. The flap 16 either completely closes the air from the combustion chamber 15 or allows only a small part of it to enter, so that when the valve 18 is slightly open, a small flame can be maintained.
If the machine load increases, for example the speed should remain unchanged, the required additional power can be achieved by increasing the fuel supply via valve 13a. The increase in performance that can be achieved in this way is, however, severely limited, since the air charge will soon be insufficient for the full combustion of the additional fuel, which can be seen from an unclean exhaust pipe.
In such a case, the supercharging is increased simultaneously with the increase in the fuel supply to the cylinders, which is effected by increasing the supercharging pressure. This increase in pressure is initiated by opening or reopening the flap 16 and the fuel valve 18. - On a superficial view, this measure appears to be wrong, because obviously opening the flap 16 to the combustion chamber in the lines 11a and 11 not only does not increase , but even causes the pressure to drop. On closer inspection, however, it becomes clear that this measure has the intended end effect.
Once the flap 16 allows more air to enter the chamber 15 and more fuel is burned therein. the turbine is very hot, and the increased output enables it to drive the compressor 19 faster, and so maintain or even increase the boost pressure even with increased engine output. A new equilibrium is reached when the increased turbine output corresponds to the increased power requirement of the compressor. As the engine's air charge is increased, it can also handle more fuel with a clear exhaust. This mode of operation can apparently also be used in part-load operation, with the result that the boost pressure can be adjusted as required even with part-loads.
In some cases it is beneficial to divide the turbine nozzles into two groups, one of which is fed via line 12a and the other via line 14.
In FIG. 2, another exemplary embodiment of the device is shown in a simplified manner, in which the combustion gases emerging from the combustion chamber 15 mix with the exhaust pipes of the machine. Parts that are identical to parts of Fig. 1 are denoted by like numbers. As can be seen, the combustion chamber 15 is open at the lower end. The air branched off at 11b serves as combustion air in the chamber, with combustion gases having a very high temperature, e.g. B. 800 to 1500 G arise. The engine exhaust gases enter the annular chamber c surrounding the chamber 15 via the line 12a, mix with the combustion gases and flow in a mixed manner via the line 12 to the turbine 21.
Obviously, the temperature of the fuel gases and thus the temperature of the mixed gases entering the turbine can be adjusted as required by setting the fuel supply via valve 18. However, this means that the turbine power can also be freely adjusted, and consequently also the boost pressure of the machine, regardless of the load and / or speed of the piston machine.
3 shows a modification of the arrangement. Here the line 14 leads to a special turbine 21a, which is arranged with the compressor 19 and turbine 21 on a common shaft. The combustion gases leaving the turbine 21a serve in this case to preheat the air in line 11, for which purpose the heat exchanger 28 is provided, which receives the case through line 22a.
After passing through the heat exchanger 28, the gases enter the environment through line 22a.
It can be a starter engine of any type 23, preferably via an overhaul clutch 2-1, be kup pelt with the charging unit s. Where compressed air (or gas) is available, the air tank 25 can be connected to the nozzles of the turbine 21a via a pipe 26 with a valve 27. or 21 connected. These parts are used to start the unit, which, when the machine is at a standstill, serves as an independent gas turbine-driven compressed air generator.
For the purpose of starting the unit s is set in rotation by motor 23 (or with the aid of pressurized gas from container 25), the flap 16 keeping the connection from tube 11.a to tube 14 open. This creates an air flow, entering at 20 via 19, 11a, flap 16, 14, 15 to the turbine 21a and via 22a, 28 back to the atmosphere. Fuel is now passed into chamber 15 by opening valve 18 and ignited. Hot fuel gases now flow to the turbine, which is enabled to deliver mechanical power and to take over the drive of the compressor. The speed of the unit increases rapidly and the motor 23 can be switched off or the valve 27 can be closed.
If the piston engine 10 is still at a standstill, all of the air supplied by the United denser 19 flows directly to the turbine and, depending on the fuel supply, the pressure in pipe 11a can be set within wide limits. If the piston machine 10 is now set in rotation in any known manner for the purpose of starting and the flap 16 is actuated so that part of the air can flow from the line 11a via pipe 11 to the piston machine 10, it immediately receives air from any high pressure and starts reliably.
This is of crucial importance for diesel engines that operate with high supercharging; because with intake air at atmospheric pressure, these result in an insufficient compression end temperature to reliably ignite the fuel, especially at low air temperatures.
This type of starting is of particular value for two-stroke machines that previously required pumps driven by the machine shaft or pumps that were driven by an external power source. For two-stroke engines, the known charging units driven by exhaust gas turbines are useless without a coupling to the machine shaft, since with the previous types of construction the unit cannot supply any or not enough air for starting, and the turbine output is not sufficient even with smaller loads and speeds, in order to convey enough purge air.
These difficulties are avoided in that the charging unit can be fully operated and regulated independently of the operating state of the machine, even before it is started. The type of starting described is applicable to all types of machines, including two-stroke machines and power. any coupling between machine and charging set is unnecessary, which is of decisive importance in practice.
In systems where constant power is required at strongly fluctuating machine speeds, the process according to the invention enables the required torque-speed characteristics to be applied to the machine and thus mechanical, electrical or hydraulic power transmissions that were previously used exclusively for this purpose serve, avoid.
For example, in a system according to FIG. 1 and FIG. 3 for locomotive propulsion, a certain amount of fuel per unit of time is consumed in the machine under a certain load. If the required torque increases when driving on an incline, the machine speed will first decrease. Since the supercharging set continues to work with practically little change in speed due to its inertia, more air now flows via line 14 to combustion chamber 15, in which more fuel is burned who can do the gas temperature at the turbine neneintritt to influence.
The Aufladedruek can so regardless of the machine speed z. B. be kept constant. With a suitable control or setting, however, as the engine speed falls, an increasing boost pressure, i.e. H. an increasing engine torque can also be achieved, which happens when the gas temperature rises as the engine speed drops, which also causes an increase in the speed of the charging unit, and when the piston engine is allocated more fuel per working stroke.
The gas temperature is only limited by the metallurgical and strength considerations of the turbine blade material.
When the torque drops, the new conditions can be taken into account by appropriate automatic or manual actuation of the flap 16 and reducing the fuel supply to the chamber 15.
The fuel consumption in the chamber 15 must of course be considered in terms of a reduction in the efficiency of the overall system, just like the losses in the usual electrical, hydraulic or mechanical power transmissions. The system operated according to the present method is superior to these known systems, since additional fuel is usually consumed when overload or increased torque actually has to be supplied.
Fig. 4 shows a further Ausführungsbei game of the invention, which is mainly suitable for larger performances. 19, 21 represents a normal supercharging unit, hereinafter referred to as supercharger I, while turbine 21b drives a second compressor 196 which is connected to the suction side of compressor 19 via line 20 fmn. This second aggregate 196, 21b is hereinafter referred to as Aufla ger ih. 20b denotes the air inlet from the atmosphere, 22b the gas outlet into the same.
The support I can work continuously while the support II runs empty or with a small load, and only comes into full effect when the load or torque requirements demand it. Since the speeds of the two units are independent of one another, there are better working and control conditions for the compressors. The charge can be further increased if an air cooler 30 is switched on in line 20 and, if necessary, a further cooler 31 in line 11. In this case, the Ruflader II is rotated by starter motor 23 via overrunning clutch 21 in order to start the system .
The Ruflader I can stand still, and comes into effect automatically as soon as the machine 10 starts. The start of the Rufladers II itself takes place in the same way with the aid of the combustion chamber 15 as described earlier.
In Fig. 1 automatic Regelvorrich lines for operation are given in simplified form. 10 is a centrifugal pendulum regulator which is driven by the machine shaft via Z bevel gears 11. The regulator lever 42 actuates the fuel valve 13a of the machine via the rods 43 and 45 and the two-armed lever 14, as is known per se. The valve 136 enables manual fueling to be restricted. The lever 42 is also connected by rod 46 to a lever 47, the left end of which is resiliently supported by spring 48 and the right end of which actuates the flap via rod 49.
An elastic diaphragm body 50, which is connected to the line 11 by means of a tube 51, presses the left end of the lever 17 downward against the action of the spring 18 as soon as the air pressure in 11 exceeds a certain limit value. The adjustment device 52 with handwheel 53 allows manual adjustment of the fuel supply to the machine 10 by actuating the lever 41 and rod 15. Furthermore, a gas pressure thermostat 54 with elastic bellows 55 is in the line 11, where the fuel gases leave the chamber 15 provided, which actuates the fuel valve 18 via lever 56. 16a is an adjustment flap and 18u. a fuel valve, both for manual adjustment. The thermostat 54 can, for.
B. be set so that the temperature of the fuel gases at the turbine inlet to 21b remains almost constant ..
As soon as the support II is started and supplies the pressure necessary for starting the machine 10, the rabbit is set in rotation in any way and starts as soon as it receives charge air via the flap 16. The support I now receives lIaschinenabuase through line 1''a and takes over the call charge partially or completely.
Should the pressure in line 11 become too high, which could endanger the machine 10, then the hleinbrankkörper 50 comes into effect by pressing the left side of the lever: 17 down against the action of the spring 48 and thereby, as the point of application of the rod 46 is now a fixed point, the flap 7.6 in the sense of closing the air supply to chamber 15 is actuated. Since the turbine now receives fewer Clas, its output and thus the pressure supplied by the compressor 19b decrease.
The controller 40 therefore not only influences the fuel supply to the engine 10, but also at the same time the air supply to the combustion chamber in such a way that more air is diverted into the guide trough 14 as the engine speed falls. Thermostat 54 opens valve 18 more to maintain the fuel gas temperature. The turbine 21b thus receives more hot gases and drives the compressor 19b faster, which now supplies more air at a higher pressure than before.
Is now z. If, for example, the fuel supply to the machine 10 per unit of time (kilograms per hour) is limited by setting the valve 13b upwards, the supercharger I operates at a speed corresponding to the load and delivers (alone or with the assistance of the supercharger II) a certain boost pressure Now, for example, the torque required by the machine, the valve 13a is actuated in the sense of opening due to the start of the drop in speed. But since 13b limits the actual supply per unit of time, the speed continues to drop and the supercharger II comes on, as above described for the effect.
Since the machine receives a larger air charge per working stroke as the speed decreases, it can also process more fuel per working stroke, and with a suitable choice of the ratios, the mean effective pressure in the machine cylinders can be increased in approximately the opposite ratio to the speed, i.e. H. the machine performance remains unchanged. When the torque decreases, the speed increases again. Such operating behavior is of great importance for many drives, especially vehicles of all types, and makes it possible to get along without the usual electrical, hydraulic or mechanical power transmissions.
Fig. 5 shows a simplified form of another imple mentation of the invention, in which the Ma machine 10 and the charging set s are arranged as in FIG. Parts which serve the same purpose as in Fig. 4 are denoted by the same numerals. Depending on whether the controller 40 is designed with a large or a small degree of irregularity, this version can be used for operation with a fluctuating or practically constant machine speed. As can be seen, a fuel pump 61 is driven from the shaft of the controller 40 via the Zahnradge gear 60.
The amount of fuel delivered by this pump through pipes 62 into the cylinders is, as is known, regulated by the rack 63, a downward movement of the same corresponding to an increase in fuel. The two-armed control lever 67 is mounted at point 68 and is coupled to the flap 16 via the rod 66 and further to the fuel valve 18 by means of the rod 69. Fer ner engages the lever 67 on the rod 65, which is ver via the lever 64 with the rack 63 connected. At the right end of the lever 64, an elastic membrane 50 engages, which is connected to the line 11 through the pipe 51 with valve 70.
The system works as follows: Assuming a controller with a high degree of irregularity, a certain load condition of the machine corresponds to a certain position of the controller lever 67. When the valve 70 is closed, the right end of the lever 64 is to be regarded as a fixed point. The charging set receives, with flap 16 in the right-hand dotted position and closed senem valve 18, neither air via line 14 nor fuel, so works like charging sets of known type. If the machine load increases, the lever 67 rotates Fixed point 68 counterclockwise, pulls the rod 65 and thereby also the rack 63 via lever 64 downwards.
At the same time the upward moving rod 66 opens the flap 16 after the line 14 and by means of rod 69 also the valve 18. The fuel now entering the combustion chamber is burned in the air flowing in through line 14, and the hot fuel gases thus formed get mixed with the exhaust gases of the machine into the turbine 21. Since this now receives more and hotter gases, its speed increases and with it the pressure supplied by the compressor. So there are niedri geren machine speeds, higher call charge pressures associated with increasing fuel supply to the cylinders.
With a small degree of irregularity of the controller 40, the same arrangement can be used for operation at a practically constant machine speed Ma. It can also be with the valve 70 open, i.e. H. with membrane 50 in operation. As can be seen, the diaphragm 50 then presses the lever 64 downwards with increasing call boost pressure and thereby causes a further downward movement of the toothed rack 63, i. H. a further increase in fuel delivery to the engine beyond that indicated by regulator 40 alone.
It is immaterial for the purposes of the present invention what type of supercharged machine is. It can work in a two-stroke or four-stroke cycle with any number and arrangement of cylinders.
It is also insignificant for the present inven tion what type of construction and work mode are the compressors and turbines that make up the charging units, and it is also irrelevant what fuel is used in the machine and in the combustion chamber and whether the the same or different fuels are used in the machine and combustion chamber.
One advantage of the described facilities is that the inventive purpose can be achieved without a significant increase in size, weight and price of the machine, since the charging set, which is already present in highly stressed machines, is only assigned other tasks in connection with the control. In addition, only a comparatively small and light combustion chamber and a few light and inexpensive regulating devices or adjusting devices are to be assessed.