Viertakteinspritzbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader Die Erfindung betrifft eine Viertakteinspritzbrenn- kraftmaschine mit mehreren, mechanisch unabhängi gen, strömungsmässig hintereinandergeschalteten Ab- (fasturbinen, von denen die zuletzt durchströmte Tur bine einen Aufladeverdichter antreibt und die andere Abgasturbine oder die andern Abgasturbinen Nutzlei stung abgeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aufgeladene Viertakteinspritzbrennkraftmaschine so zu gestalten und zu betreiben, dass einerseits hohe Spitzendrücke vermieden werden, die unter anderem auch eine Funktion des Ladedruckes sind und be kanntlich zu im Verhältnis zum Zylinderdurchmesser unverhältnismässig grosse Abmessungen des Kurbel triebes führen, anderseits jedoch ähnlich günstige Kraftstoffverbräuche erzielt werden, wie sie bisher nur durch abnormal hohe Aufladung mit entspre chend hohen Spitzendrücken erreichbar waren.
Zur Lösung dieser Aufgabe wurde bereits vor geschlagen, mehrere Abgasturbinen hinter einer Brennkraftmaschine so anzuordnen, dass sie strö mungsmässig hintereinandergeschaltet, mechanisch jedoch unabhängig voneinander sind. Es geben hierbei die zuerst durchströmten Abgasturbinen ihre Leistung an die Brennkraftmaschinenwelle ab, während die zuletzt durchströmte Turbine einen Aufladeverdichter antreibt. Bei einer besonderen Maschine dieser Art ist die auf die Brennkraftmaschinenwelle arbeitende Ab gasturbine strömungstechnisch und mechanisch ab schaltbar.
Das Abschalten erfolgt selbsttätig in Ab hängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine.
Bei diesen bekannten Brennkraftmaschinen wird jedoch eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit nur in beschränktem Ausmass erzielt, da bei ihnen der maximal wählbare Gegendruck mit Rücksicht auf die Zylinderspülung kleiner sein muss als der Ladedruck, widrigenfalls keine Ausspülung der Restgase aus den Arbeitszylindern stattfinden kann. Eine wirksame Ausspülung des Totraumes des Zylinders aber ist un erlässlich, wenn das Ladungsgewicht an Luft und da mit an Sauerstoff im Zylinder ein Maximum betragen soll.
Je grösser dieses Gewicht ist, um so grösser ist bekanntlich die Kraftstoffmenge, die bei jedem Ar beitsspiel verbrannt werden kann. Einer grösseren Menge an verbranntem Kraftstoff entspricht auch ein höherer indizierter Mitteldruck. Da die Reibungsver luste etwa konstant bleiben, wird der mechanische Wirkungsgrad grösser, und es ergibt sich somit ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch. Diese Überlegungen gelten im wesentlichen sowohl für Brennkraftmaschinen, bei denen die Abgase vor den Abgasturbinen gestaut sind, als auch für Maschinen mit Stossbetrieb, also solchen, bei denen die kinetische Energie der Abgase teilweise zum Antrieb der Tur binen ausgenutzt wird.
Eine wesentliche Verbesserung des wirtschaftli chen Wirkungsgrades der eingangs erwähnten Art von Viertakteinspritzkraftmaschinen, wird erfindungs gemäss dadurch erzielt, dass a) die von den Abgasen zuerst durchströmte Tur bine so ausgelegt ist, dass auch bei Vollast die Abgase über den ganzen Kolbenweg gegen einen Druck aus geschoben werden, der ebenso hoch wie der Lade druck oder höher als dieser ist, b) bei Vollast der Ladedruck grösser ist als der Druck vor der den Aufladeverdichter antreibenden Abgasturbine, c) der zu Beginn des Ansaughubes des Arbeits kolbens im Totraum des Zylinders noch herrschende,
über dem Ladedruck liegende Druck entweder durch ein Hilfsauslassventil allein oder durch die Bewegung des Arbeitskolbens und durch das Hilfsauslassventil mindestens annähernd auf den Druck vor der den Aufladeverdichter antreibenden Abgasturbine ab gesenkt wird und die Abgase in den Raum vor dieser Turbine geführt werden, d) das Einlassventil erst nach Absenken des Druk- kes im Zylinder auf oder unter den Ladedruck ge öffnet wird.
Der Hauptvorteil der erfindungsgemässen Brenn- kraftmaschine besteht darin, dass, obwohl die Abgase von dem Kolben der Maschine über den ganzen Kol benweg gegen einen Druck ausgeschoben werden, der gleich hoch oder höher ist als der Ladedruck, doch eine Ausspülung der Restgase erzielt wird. Bei einer bekannten Brennkraftmaschine, bei der die Abgase über den ganzen Kolbenweg gegen einen Druck aus geschoben werden, der höher ist als der Ladedruck, wird auf eine Ausspülung der Restgase verzichtet.
Dadurch, dass bei der erfindungsgemässen Brennkraft- maschine der Gegendruck bis zum Expansionsend- druck der Gase im Zylinder am Ende des Arbeits hubes gesteigert werden kann, eine bisher noch nicht verwirklichte Massnahme,
ist die den Expansionsgasen noch innewohnende Energie bei der erfindungsgemä ssen Maschine im Staubetrieb mit einem bisher nicht erzielten Wirkungsgrad ausnutzbar. Ein weiterer Vor teil der erfindungsgemässen Brennkraftmaschine ist in der geringeren thermischen Beanspruchung des Aus lassventils gegenüber der Beanspruchung bei solchen Maschinen zu sehen, bei denen am Ende des Ex pansionshubes der Druck im Zylinder plötzlich stark abfällt, so dass die Abgase mit hoher Geschwindigkeit austreten und entsprechend viel Wärme an das Aus lassventil abgeben und es stark erhitzen.
Im folgenden wird die Arbeitsweise eines Aus führungsbeispiels der erfindungsgemässen Brennkraft- maschine an Hand des Schaulinienbildes gemäss Fig. 1 beschrieben.
Zugrunde gelegt ist beispielsweise eine Maschine, bei der der im Totraum des Zylinders zu Beginn des Ansaughubes noch herrschende, über dem Ladedruck liegende Druck durch die Bewegung des Arbeitskolbens und durch ein Hilfsauslassventil auf den Druck vor der den Aufladeverdichter antrei benden Abgasturbine abgesenkt wird und die Abgase sodann in den Raum vor dieser Turbine zugeführt werden.
Aus dem idealisierten Diagramm ist der Druck verlauf im Zylinder während des Ladungswechsels zu ersehen.
Bei der bisher üblichen Abgasturboaufladung von Viertaktbrennkraftmaschinen wurde der Druck im Zylinder beim Öffnen des Auslassventils (2) im we sentlichen auf den Druck (8) vor der Turbine 15 herabgesetzt und die Abgase aus dem Zylinder gegen diesen Druck ausgeschoben. Die der Fläche 2-B-8-2 entsprechende Energie der Abgase konnte nur zum Teil, nämlich nur soweit sie in Form von kinetischer Energie auftrat, zurückgewonnen werden.
Es ist aber bekannt, dass dieser Effekt in der Abgasturbine we- gen der mit der veränderlichen Durchströmgeschwin- digkeit zusammenhängenden Stossverluste eine Ver minderung des Turbinenwirkungsgrades zur Folge hat, so dass tatsächlich nur ein kleiner Bruchteil dieser Fläche<I>(2-B-8-2)</I> wirklich nutzbar zu machen ist.
Die 17berschussenergie kommt in diesem Falle über die positive Ladungswechselschleife (8-9-0-1) an den Kolben bzw. an die Kurbelwelle.
Dagegen werden bei der beschriebenen Maschine die Abgase vom Kolben gegen einen Druck (2 - 3) ausgeschoben, der höher als der Ladedruck ist. Im Diagramm ist dieser Gegendruck beispielsweise dem Expansionsenddruck im Zylinder gleich. Beim Öffnen des Auslassventils fällt die sonst schlagartige Druck absenkung, die mit Überschallströmung und dement sprechend mit Geräuschbildung und starker Erwär mung des Auslassventils verbunden ist, fort. Die Aus schubarbeit ist vom Kolben zu leisten, so dass die von der Kurbelwelle abgebbare Leistung geringer wird.
Bis zum Schliessen des Auslassventils (Punkt 3) ist der im Kompressionsraum vorhandene Druck praktisch unverändert geblieben; er wird im Beispiel zunächst durch den Auswärtshub des Kolbens abgesenkt bis zum Punkt 4. Zu diesem Zeitpunkt öffnet das Hilfs- auslassventil und verbindet den Zylinderraum mit dem Raum vor der den Verdichter antreibenden Turbine 16, so dass der Druck im Zylinder auf den dort herr schenden Druck, der niedriger ist als der Ladedruck, absinkt.
Die Einrichtung kann auch so ausgeführt sein, dass das Absinken des Druckes im Zylinder durch das Hilfsventil allein bewirkt wird. Nun öffnet das Einlassventil (Punkt 5) und die Ladeluft spült, so lange das Hilfsauslassventil noch offen ist, die Abgas reste aus dem Zylinder. In Punkt 6 schliesst das Hilfs- auslassventil und die Ladeluft tritt während des rest lichen Auswärtshubes des Kolbens in den Zylinder ein (Strecke 7- 1). In Punkt 1 schliesst das Einlass- ventil und der Kompressionshub beginnt.
Die Arbeit, die der Kolben beim Ausschieben der Abgase aus dem Zylinder zu leisten hatte, ist, wie dem Diagramm entnommen werden kann, wesentlich geringer als diejenige Arbeit, die eine Turbine leistet, in der die Expansion dieser Abgasmenge vom Expan- sionsenddruck im Zylinder auf den Druck vor der den Turbolader treibenden Turbine mit gutem Wir kungsgrad erfolgt. Auf diese Weise wird die Expan sionsenergie der Abgase<I>(2-B-8-2)</I> weitaus wirt schaftlicher ausgenützt als bei der herkömmlichen Art der Turboaufladung.
Die weitere Expansion der Abgase erfolgt in der Turbine eines Abgasturboladers, der für eine Ruf ladung bis zu 100 % ausgelegt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, zu mindest das Hilfsauslassventil, dessen Öffnungsdauer verhältnismässig kurz gehalten ist, damit im wesent lichen nur Restgase entweichen, in an sich bekannter Weise als Kegelventil mit zylindrischem Steueransatz auszubilden.
Die Erfindung ist mit gleichem Erfolg sowohl bei solchen Maschinen anwendbar, bei denen die Abgas- turbine oder die Abgasturbinen die Nutzleistung ab geben, diese an die Brennkraftmaschinenwelle ab geben, als auch bei solchen Maschinen, bei denen die Nutzleistung unmittelbar weitergegeben wird.
Zur Verbesserung der Spülung kann weiter die vom Hilfsauslassventil aus in den Raum vor der den Verdichter antreibenden Abgasturbine führende Lei tung in an sich bekannter Weise so bemessen sein, dass die bei Öffnung des Hilfsauslassventils in die Lei tung eintretende Druckwelle nach Reflexion am Lei tungsende noch vor Schliessen des Hilfsauslassventils im Zylinder als Unterdruckwelle eintrifft.
In den Fig. 2 und 3 der Zeichnung ist die Aus bildung des Ausführungsbeispiels dargestellt.
Fig. 2 zeigt die Brennkraftmaschine in Draufsicht, Fig. 3 stellt einen Schnitt durch das bei der Ma schine nach Fig. 2 verwendete Hilfsauslassventil dar.
In Fig. 2 ist in der Draufsicht eine sechszylindrige Viertaktbrennkraftmaschine 1 dargestellt, deren Zy linderköpfe 2, 3, 4, 5, 6 und 7 je drei Ventile besitzen, und zwar je ein Einlassventil 8, ein Hauptauslassventil 9 sowie ein Hilfsauslassventil 10. Einlassseitig ist eine allen Zylindern gemeinsame Sammelleitung 11 an geordnet.
Auslassseitig sind für die durch die Haupt auslassventile austretenden Abgase ebenfalls eine ge meinsame Auffangleitung 12, für die durch die Hilfs- auslassventile austretenden Abgase jedoch zwei, je weils eine Zylindergruppe 2, 3 und 4 bzw. 5, 6 und 7 erfassende Sammelleitungen 13 bzw. 14 vorgesehen. Abgasseitig sind fernerhin zwei mechanisch unabhän gig voneinander arbeitende Abgasturbinen 15 und 16 angeordnet, von denen die erstere ihre Leistung über ein aus den Zahnrädern 17, 18, 19 und 20 bestehen des Getriebe an die Kurbelwelle der Brennkraft- maschine abgibt, während die andere Turbine einen Ladeluft durch die Leitung 11 zur Maschine för dernden Verdichter 26 antreibt.
Strömungsmässig sind die Turbinen 15 und 16 so hintereinandergeschaltet, dass die durch die Sammel- leitung 12 abströmenden Abgase zuerst die Turbine 15 durchströmen. Aus der Turbine 16 heraus strö men die Abgase durch die Leitung 21 ab. Die beiden Abgassammelleitungen 13 und 14 führen in den Raum 22 vor der Turbine 16 und sind so ausgebildet, dass die bei Öffnung des Hilfsauslassventils eines jeden Zy linders in die Leitung eintretende Druckwelle nach Reflexion am Leitungsende noch vor Schliessen des Hilfsauslassventils im Zylinder als Unterdruckwelle eintrifft.
Aufschluss über die die Ventilsteuerung bestim mende Wirkungsweise der Maschine geben das Dia gramm nach Fig. 1 und die hierzu gegebene Erläu terung.
Fig. 3 stellt einen Schnitt durch eines der Hilfs- auslassventile der Brennkraftmaschine nach Fig.2 dar. Der kegehge Ventilteller 23 trägt einen dichtend in einer Bohrung des Ventilgehäuses 25 geführten zylindrischen Ansatz 24.
Die obere Kante dieses An satzes arbeitet mit der inneren Begrenzungskante des Ventilsitzes so zusammen, dass der Durchtrittsquer- schnitt zu einem Zeitpunkt freigegeben bzw. versperrt wird, an dem das Ventil beim Öffnen und Schliessen eine gewisse Hubgeschwindigkeit hat. Der Vorteil solcher Ventile gegenüber normalen Kegelventilen besteht somit darin, dass bei der zur Verfügung ste henden Steuerzeit der Zeitquerschnitt wesentlich grö sser ist.