Brennkraftmaschinenanlage mit Turbo-Aufladung. Diese Erfindung betrifft eineBrennkraftma- schinenanlage mit Turbo-Aufladung. Kolben- Brennkraft.maschinen bedürfen zum Anlassen einer Hilfskraftquelle von oft beträchtlicher Leistung. Es ist bekannt., zu diesem Zwecke gespeicherte Druckluft oder elektrische Akku mulatoren zu verwenden.
Für kleinere Ma schinen werden Schwungkraftanlasser verwen det; deren Schwungräder entweder von Hand oder mittels eines verhältnismässig kleinen Hilfsmotors beliebiger Art auf Touren ge bracht werden.
Es ist. auch schon vorgeschlagen worden, eine Gasturbine zum Andrehen von Brenri- kraftmasehinen zu gebrauchen, wobei die Tur bine mit Druckluft von einer Fremdquelle ver-, sorgt wurde. Der grosse Luftbedarf der Tur bine hat. die praktische Verwendung dieser Anlage verhindert.
Die vorliegende Erfindung beseitigt diesen :\Nachteil. Sie betrifft eine Brennkraftmaschi- nena.nla.ge, die folgende Teile umfasst: 1. Ein Aufladeaggregat mit. einer Gastur bine und einem Aufladegebläse, das von der Gasturbine angetrieben wird. Das Auflade aggregat. ist mechanisch unabhängig von der Welle der Brennkraftmaschine.
2. Eine Vorrichtung zum Andrehen des Aufladeaggregates.
3. Eine Frischluftleitung vom Gebläse zur Maschine.
Eine Abgasleitung von der Maschine zur Gasturbine. 5. Eine Verbindungsleitung mit einstell barem Absperrorgan zwischen der Frisch luftleitung und der Abgasleitung der Ma sehine.
6. Eine Brennkammer in der Verbindungs leitung.
7. Eine Brennstoffleitung mit Ventil für die Brennkammer, das Ganze zum Zwecke, nach Andrehen des Aufladeaggregates dieses auch bei stillstehender Brennkraftmaschine als selbständige Gasturbinenanlage betreiben zu können.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die gestatten, die Nutzleistung des Aufladeaggregates zeitweise auf die Maschinenwelle zu übertragen, um die Maschine anzuwerfen.
Es ist für die Zwecke dieser Erfindung gleichgültig, auf welche Art die Nutzleistung des Aufladeaggregates auf die Maschinenwelle übertragen wird. Dies kann beispielsweise durch mechanische, hydraulische oder pneu matische Kupplung erfolgen. Zur Zeit wird die elektrische Übertragung bevorzugt, wobei die Welle des Aufladeaggregates mit einer elektrischen Maschine gekuppelt ist., und die Maschinen relle mit einer zweiten elektrischen Maschine, die elektrisch miteinander verbind- bar sind.
Beim Anwerfen der Brennkraftmaschine geht .der Energiefluss von der mit dem Auf- ladeaggrega.t gekuppelten elektrischen Ma schine zu der mit der Brennkraftmaschinen- welle gekuppelten Maschine. Es ist bekannt, dass die zufriedenstellende Arbeitsweise von aufgeladenen Maschinen von einer guten Spü lung der Arbeitszylinder abhängt.
Eine solche Spülung setzt einen Luftdruck in der Frisch luftleitung voraus, der reichlich höher ist als der Druck in der Abgasleitun-g-. Bei be kannten Aufladeaggregaten ist bei starken Drehzahlschwankungen und plötzlichen Lei- stungsschwankungen der aufgeladenen 3Ia- schine die Druekdifferenz zwischen den ge rannten Leitungen oft nicht genügend.
Um diesen Mangel züi beseitigen, kann zum Beispiel im Betrieb zur Regulierung der Drehzahl und folglich des Aufladedruekes des Aggregates der Energiefluss zwischen den beiden elektri- sehen Maschinen umgekehrt, werden, derart, dass die mit- der Brennkraftanasehinenwelle ;ekuppelte elektrische Maschine die andere elektrische Maschine, die mit dem Auflade aggregat gekuppelt ist, antreibt.
Schliesslich kann auch eine Einrichtung zur automatischen Regelung des umgekehrten Energieflusses vorgesehen weiden, derart, dass sich die Druekdifferenz zwisehen der Frisch luftleitung und der Abgasleitung der Brenn- kraftmaschine unabhängig von den Arbeits verhältnissen auf einen bestimmten Wert ein stellt.
Die beiliegende Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen- standes.
Fig. 1 zeigt eine Anlage mit mechanischer Kraftübertragaing zwisehen dem Aufl.ade- aggregat und der Brennkraftmaschinenwelle.
Fig.2 zeigt eine Variante zu Fig-. 1.
Fig. 2a und 2b zeigen eine Detailvariante zu Fig. \? im Aufriss bzw. im Grundriss.
Fig. 3 betrifft eine Anlage mit elektrischer Kraftübertragung vom A.ufladeaggreggat zur Masehinenwelle.
Fig. 4 zeigt eine Variante, bei der der Energiefluss zwischen Aufladeagbregat und Masehinenwelle umgekehrt werden kann, mit einer Einrichtung zum Regeln des umgekehr ten Energieflusses.
Entsprechende Teile sind bei allen Ausführungen mit den deichen Überweisungen bezeichnet, _ Bei der Anlage nach Fig.l besitzt die Brennkraftanasehine 10 mit Kompressions- oder Fremdzündung- eine Frischluft.verteillei- tung 11, eine Abgassaninaelleitung 1.2 und ein Schwungrad 13 mit Zahnkranz.
Ein Auflade aa-gregat. 14 umfasst ein Gebläse 15 mit Luft cinlass 16, eine Clasturbine 17 mit Gaseintritt 17' und Gasauslass 18. Mit dein einen Ende der Welle des Aufladeaggregates isst eine An- drehvora-ielitun-@ '?0, zum Beispiel ein Motor, über eine Freilaufkupplung 19 gekuppelt.
Das andere Ende der Welle des Aggregates ist über eine zum Beispiel elektromagnetische Kupplung 21, die durch die Leitungen 21' betätigt -erden kann, mit einem Zahnradge- triebe\22 verbunden. Die angetriebene Welle trägt. eine Vorriehtung 23,
durch welche das Ritzel <B>27</B> in Eingriff mit dein Zahnkranz des Schi ungz@ades 13 gebracht und bei Weiter- bewegUng des Hebels durch Betätigung einer Kupplung mit dem Getriebe 22 gekuppelt wer den kann. Die letztgenannte Kupplung kann auch weggelassen werden. Der Handhebel 23' dient 7,1u' Betätigung der Vorriehtung 23.
Die Frisehluftleitung 25 verbindet das Ge bläse mit der Verteilleitung 11 der Maschine. Dazwischen ist eine Klappe 26 vorgesehen, welche so eingestellt werden kann, dass die Frisehluft durch die Frischluftleitung 25 über eine V erbindungsleituiig 27 direkt in die Ab- .rasleitung 12 geführt werden kann. In Zwi- sehenstellungen der Klappe 26 strömt die Ce- bläseluft teilweise in die Verteilleitung <B>11</B> und teilweise in die Leitung 27.
In der Leitung 27 ist eine Brennkammer 28 mit Auslass 29 an geordnet. In die Brennkammer mündet eine Brennstoffzufuhrleitung 30, die mit einer Düse 30' und einem Ventil 31 ausgerüstet ist.
Das Anlassen der Brennkraftmaschinen- anlage geht. wie folgt. vor sieh: Die Klappe 26 wird in die Stellung gebracht, in der sie die Verbindung der Leitungen 11 und 25 un- terbrieht. Die Kitplaliing 21. wird gelöst, und die Andrehvorriehtung 20 wird in Betrieb ge setzt, wodurch das Aufladeaggregat auf Tou ren gebracht wird und ein Luftstrom vom Gebläse 15 zur Turbine 17 erzeugt wird.
Nun wird Brenn "toff dureli die Leitung 30 in die Brennkamnter '8 geführt und entzündet. Die heissen Brenngase beginnen die Turbine 17 zu treiben, das iluflacleaggregat beschleunigt sich über die Drehzahl der Anlassvorrichtung 20 hinaus, was durch die Freilaufkupplung er möglicht ist. Darauf wird die Anlassvorricli- tung 20 stillgesetzt.
Das Aufladeaggregat ar beitet nun als selbständige Crasturbinenan- labe und wird durch Erhöhen der Brenn stoffzufuhr auf hohe Drehzahl gebracht. Nun wird die Kupplung 21 eingeschaltet, wodurch das Getriebe 22 auch auf Touren gebracht wird. Dann wird der Handhebel 23' betätigt, so dass das Ritzel ?4 mit dem Zahnkranz des Schwungrades 13 in Eingriff kommt, worauf durch Weiterbewea ing des Hebels die Kupp hing des Aufladeaggregates mit der llasehi- nenwelle erfolgt.
Die in dem schnellaufenden Rotor des Aufladeaggregates 14 gespeicherte, beträchtliche kinetische Energie dient. nun zum Anwerfen der Brennkraftmasehine. Falls eine Vorrichtung 23 ohne die genannte Kupp lungseinrichtung vorgesehen ist, wird die Kupplung 21 erst nach dem Hebel 23' be tätigt.
Wenn zum Anwerfen der Maschine grosse Leistungen erforderlich sind, können ziLsätz- liche Schwungmassen mit dein Aufladeaggregat verbunden werden. Es ist zweckmässig, wäh rend des Anwerfens der Maschine die Brenn stoffzufuhr zu der Brennkammer zu steigern, um eine erhöhte Leistung in Jer Turbine zu erzeugen.
Nachdem die Maschine in Bewegung ge setzt ist, wird die Klappe ?6 etwas gedreht, so dass Ladeluft über die Leitung 11 die Zy linder erreichen kann. :Nun wird den Zylin- (lern Brennstoff zugeführt,
so da.ss die lla- sehine anspringt. Danach wird die Brennstoff zufuhr zur Brennkammer 28 durch Betätigen des Ventils 31 herabgesetzt oder vollständig unterbrochen. das Ritzel 24 ausser Eingriff gebracht und die Kupplung ?1 gelöst, so dass das Atifladeaggregat nun von den Maschinen abgasen angetrieben wird und wie ein üb liches Ladeaggregat der Maschine v orv erdieh- tete Luft zuführt.
Für besondere Zwecke, bei spielsweise um eine Maschine unter Last anzu- werfen, kann die Ausführung nach Fig. 2 ge wählt erden. Das Getriebe 22 treibt dort ein besonderes Schwungrad 40, das auf der Welle 41 sitzt und über eine hydraulische Kupp lung 42, eine Welle. 43, ein Getriebe 44 und 45, eine Welle 46 und ein Ritzel 24 mit dem Zahnkranz des Schwungrades 13 kuppelbar ist. Das Ritzel 24 ist auf der Welle 46 v er schiebbar aufgekeilt und durch den Hebel 47 verstellbar.
Das Aufladeaggregat wird in derselben Weise angelassen und betrieben, wie an Hand von Fig. 1 angegeben. Danäch wird das Schwungrad 40 durch Einschalten der Kupp lung 21 auf Touren gebracht. Zum Anwerfen der 1@Iaselline wird vorerst das Ritzel 24 in Eingriff gebracht und darauf die hydrau lische Kupplung 42 betätigt, zum Beispiel durch Füllen. mit öl, so dass das Auflade- aggregat Energie an die llasehinenwelle ab gibt.
Um die 11aschine in beiden Drehrichtun gen laufen lassen zu können, kann, wie in Fig.2a und 2b angedeutet, ein Umkehrge triebe mit den Rädern 44, 45, 45'. 48 angeord net werden. Zum Anwerfen in einer Dreh richtung sind die Räder 44, 45 im Eingriff, für die entgegengesetzte Drehrichtung die Räder 44, 48 und 45', wobei das Rad -4 auf der Welle 43 verschiebbar aufgekeilt ist..
Bei der Ausführung nach Fig.3 ist das Aufladeaggregat 14 mit. einem Generator 54 und- die Brennkraftmasehine über das Ritzel 24 mit einem elektrischen Motor 55 gekuppelt. Das Ritzel kann zweckmässig, wie in Pig. 2 angegeben, nach Anwerfen der Brennkraft masehine ausser Eingriff gebracht und der lIotor 55 ausser Betrieb gesetzt werden.
Bei der Variante nach Fig. 4 sind Mittel vorgesehen, um den Energiefluss zwischen den zwei elektrischen Maschinen 54 und 55 um zukehren und derart zu regeln, dass der Druck in der Leitung 11 immer um einen gewissen Betrag höher ist als der Druck in der Leitung 12, unabhängig von dem Betriebszustand der aufgeladenen Brennkraftmaschine. Das 3la- sehinenschwungrad 13 ist hier mit. zwei Zahn kränzen 13a und 13b versehen.
Der Hand- hebel 64 wirkt auf das Brennstoffventil 31 zum Einstellen der Brennstoffzufnlir zur Brennkammer 28. Die Stange 65 kuppelt die Klappe 26 mit. dem Brennstoffventil 31.
Die elektrische Maschine 55 mit Neben schlussregler 57 kann wahlweise entweder über Kranz 13a und Ritzel 13d. (hohe Übersetzung) oder über den kleineren Kranz 13b und Rit- zel 13c (niedrige Übersetzung) mit der Brenn- kraftmaschinenwelle gekuppelt werden. Die Ritzel 13c und 13(Z können durch den Hebel 67 verschoben werden.
Die elektrische Ma schine 54 mit Nebensclilussregler 56 ist mit dem Aufladeaggregat 1.1 gekuppelt und elek- i:riseh mittels Leitun-en 68 und Schalter 69 mit der elektrischen Maschine 5<B>5</B> verbunden. Eine Batterie 71 ist über Kabel 70 und Schalter 72 mit. den Leitungen 68 zwischen dem Schalter 69 und der Maschine 5.1 ver bunden.
Ein Druckbalg 36 ist. über ein Rohr 37 mit der Abgasleitung 12 und ein weiterer Druckbalg 38 über ein Rohr 39 mit der Lei tung 11 verbunden. Die beiden Bälge wirken auf die beiden Enden eines Hebels 60 in ent gegengesetzter Richtung. Eine Stange 59, die zwischen den Endpunkten am Hebel 60 an greift, ist. finit einem Hebel 58 des Feldreglers 5 7 verbunden. Der Hebel 58 ist im kürzeren firm 63 des Regulierhebels drehbar gelagert, dessen längerer Arm 61 als Handhebel ausge bildet ist. Dieser Handhebel kann in verschie denen Stellungen mittels einer Klinkvorrieh- tung 62 festgehalten werden.
Durch Bewegen des Hebels 61 wird unabhängig von der Stel lung der Bälge der Feldregler 57 verstellt und damit die Spannung geändert.
Die Anlage wird wie folgt angelassen und betrieben: Der Schalter 69 sei geöffnet und der Sehalter 72 geschlossen. Der Handhebel 6-1 sei nach rechts gestellt, so dass die Klappe 26 den Lufteintritt in die Brennkraftmaschine sperrt. Der Regler 56 wird nun betätigt, um die Maschine 54 als Motor zu betreiben, wo durch das Aufladeaggregat auf Touren ge bracht wird.
Das Brennstoffventil 31 wird ;-eöffnet und der Brennstoff in der Brenn- kainnier# 28 entzündet. Das Aufladeaggregat beginnt zu arbeiten, wie an Hand von Fig. 1 beschrieben. Dann wird der Schalter 72 ge öffnet und das Ritzel 13d mit dem Kranz 13a in Eingriff gebracht. Nun wird die elektrische Maschine 55 zum Betrieb als Motor geregelt, während die elektrische Maschine 5-l, die vom Aufladeaggregat 1-1 getrieben wird, zum Be trieb als Generator geregelt wird.
Hierauf wird der Schalter 69 geschlossen, wodurch die -Maschine 54 die Maschine 55 antreibt. und die Bremikraftmasehine angeworfen wird. Sobald die Brenn'kraftmasehine läuft, wird das Ritzel l")c mit dem Kranz 13b in Eingriff gebracht, um eine zu hohe Drehzahl der elektrischen Maschine 57)
hei voller Drehzahl der Brenn- l@raftma"chine zu vermeiden.
Sobald die Turbine 17 durch die Maschi nenabgase getrieben wird, kann die Brenn stoffzufuhr zur Brennkammer 28 herabgesetzt oder ganz unterbrochen werden. Die Bälge 36 und 38 können während des Anfahrens oder auch während des Betriebes durch Schliessen der Hähne 37' und 39' ausser Wirkung gesetzt werden.
Bei gewissen Betriebsarten der Brenn kraftmasehine kann es vorkommen, dass das Aufladeaggregat nicht fähig ist, genügend Luft zu fördern. Dieser Nachteil wird da durch behoben, dass der Eiiergiefluss zwischen den elektrischen Maschinen 51 und 55 umge kehrt. wird, was durch entsprechende Feld- i-egel-uing erzielt werden kann, so dass die Ma schine 55 die Maschine 5-1 antreibt, um die Turbine 17 beim Antrieb des Gebläses 15 zu unterstützen und so den Aufladedruek bzw.
die Druekdifferenz in den Leitungen 11 und 12 zu regeln. Die Umkehrung des Energie flusses wird selbsttätig mit Hilfe der in Fig. 4 eezeig-ten Bälge geregelt, da. eine Änderung Ller Druelfifferenz eine Bewegung der Stange 59 und das wiederum eine Verstellung des Feldreglers 57 im Sinne der Wiederherstel lung der Druckdifferenz zur Folge hat. Steigt zum Beispiel der Druck in der Leitung 12, so bewegt sieh der Hebel um sein rechtes Ende abwärts und zieht die Stange 59 mit sich.
Dadurch wird der Feldwiderstand vermin- dert, das heisst die Klemmspannung der Ma schine 55 erhöht, und mehr Energie fliesst der Maschine 54 zu, was die Drehzahl des Aufladeaggregates und damit den Druck in der Leitung 11 erhöht, bis .die Differenz wie der hergestellt ist. Sinkt der Druck in der Leitung 12, so tritt die umgekehrte Wirkung ein.
Der Handhebel 61 kann dazu benützt werden, den Aiüladedruck der Brennkraft- maschine umabhängig vom Betriebszustand zu verändern. Wird eine höhere Aufladung ver langt, so wird der Hebel 61 nach rechts be wegt, wodurch das rechte Ende des Regler ;
armes 58 gehoben wird. Der Arm 58 dreht sich um den Angriffspunkt der Stange 59 als Drehpunkt und bewirkt eine Verstellung des Reglers 57 im Sinne einer Spannungsstei- gerung, was eine Drehzahlsteigerung des Aiü- ladeaggregates und damit eine Steigerung des Gebläsedruckes zur Folge hat.
Bei erhöhtem Aufladedruck kann der Brennkraftmaschine auch mehr Brennstoff zugeführt werden, ohne das unvollständige Verbrennung zu befürch ten ist.
Es ist unwesentlich, was für elektrische Maschinen verwendet werden und welcher Art die Regelvorrichtungen sind, die benützt werden, um den Energiefluss zwischen den elektrischen Maschinen, der für das Anwerfen der Brennkraftmaschine von dem Aülade- aggregat nach der Brennkraftmaschine gerich tet ist, während des Betriebes der Brennkraft- maschine umzukehren.
Es ist ferner unwesent- lieh, ob Viertakt- oder Zweitakt-Brennkraft- maschinen verwendet werden und welcher Art der in der Maschine und in der Brennkammer verwendete Brennstoff ist.