Umsteuerbare mehrzylindrige Zweitakt-Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader Die Erfindung betrifft eine umsteuerbare mehr- zylindrige Zweitakt-Brennkraftmaschine mit minde stens einem Abgasturbolader, dessen Turbine im Stossbetrieb arbeitet.
Bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen ohne Ruf ladung sowie auch bei solchen mit einstufiger Ruf ladung durch einen im Stossbetrieb arbeitenden Ab gasturbolader ist es bekannt, zwecks Ermöglichung der Umsteuerbarkeit die Auslassorgane der Zylinder während einer sogenannten Nachauslassperiode offen zu lassen, während die Einlassorgane bereits geschlos sen sind, wobei diese Nachauslassperiode als Vor auslassperiode dient, wenn die Maschine mit um gekehrter Drehrichtung läuft.
Es werden vor allem Brennkraftmaschinen mit Auslassventi'len in dieser Weise gebaut, weil dabei die Verwendung eines zusätzlichen Nockensatzes für Rückwärtsdrehrichtung vermieden werden kann.
Bei aufgeladenen Zweitakt-Brennkraftmaschinen, deren Abgasturbine nicht im Stossbetrieb, sondern im Gleichdruckbetrieb arbeitet, wobei der Druck der Abgase nach den Auslassorganen der Maschine auf einem praktisch konstanten Wert gehalten wird, ist es ohne Schwierigkeiten möglich, durch Anwendung einer genügend grossen Nachauslassperiode die Um steuerbarkeit zu verwirklichen.
Dagegen ist dies nicht ohne weiteres möglich bei Brennkraftmaschinen, deren Abgasturbine im Stossbetrieb arbeitet, ins besondere bei Hochaufladung, wobei der mittleere effektive Kolbendruck im allgemeinen mehr als 7 kg/cm2 beträgt, weil nämlich die Anwendung einer grossen Nachauslassperiode bei Vorwärtsdrehrichtung der Maschine einen bedeutenden Verlust an Zylinder ladung zur Folge hätte, wodurch eine derart starke Abnahme des Ladedruckes auftreten würde, dass ein annehmbarer mittlerer effektiver Kolbendruck nicht mehr erreicht werden könnte,
ohne dass die ther mische Belastung der Maschine zu hoch ansteigen würde.
Es ist auch bekannt, zur Erzielung einer mög lichst hohen Leistung bei Hochaufladung von Brenn kraftmaschinen die Rufladung zweistufig vorzuneh men, wobei die Spül- und Ladeluft durch zwei hinter- einandergeschaltete, je von einer Abgasturbine an getriebene Ladeverdichter auf den gewünschten Ladedruck verdichtet wird, und wobei auch die bei den Abgasturbinen hintereinandergeschaltet sind, der art, dass der unmittelbar zur Maschine fördernde Ladeverdichter von derjenigen Abgasturbine angetrie ben wird, die die Abgase unmittelbar von der Ma schine erhält:
Dabei arbeitet der Abgasturbolader, in dessen Turbine die Abgase der Maschine zuerst ein treten, mit veränderlichem Druck vor den Düsen die ser Turbine, also im Stossbetrieb, während der zweite Abgasturbolader, vor dessen Turbine ein praktisch gleichbleibender Druck herrscht, im Gleichdruck betrieb arbeitet.
Die Erfindung ermöglicht nun die direkte Um steuerung und die Rufladung auf einen hohen Lade druck einer umsteuerbaren mehrzylindrigen Zweitakt- Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgas turbolader, dessen Turbine im Stossbetrieb arbeitet, und mit einer Nachauslassperiode, die gross genug ist, um bei geänderter Drehrichtung der Maschine als Vorauslassperiode dienen zu können, ohne dass dabei die oben beschriebenen Nachteile auftreten.
Hierfür ist die Maschine erfindungsgemäss dadurch gekenn zeichnet, dass die Abgase der Maschine nach ihrem Austritt aus der Turbine einem Sammelbehälter zu geleitet werden, welcher Behälter so bemessen ist, dass der darin herrschende Druck annähernd konstant bleibt, und zwar bei Vollast der Maschine auf einem Niveau von mindestens 60% des Spüldruckes in atü,
und dass diese Abgase nachher aus diesem Sammelbehälter über mindestens eine im Gleich druckbetrieb arbeitende Turbine ins Freie geführt werden und die im Gleichdruck- und im Stossbetrieb arbeitenden Turbinen Verdichter antreiben, welche hintereinander die Spul- und Ladeluft verdichten.
Die Gase, die die im Stossbetrieb arbeitende Abgasturbine verlassen, werden also einem Sammel- behälter zugeleitet, in welchem ein annähernd gleich bleibender Gegendruck aufrechterhalten wird.
Da durch, dass dieser Gegendruck auf einen genügend hohen Wert festgelegt wird, wird erreicht, dass der Ladedruck in den Maschinenzylindern beim Schlie ssen der Auslassorgane noch hoch genug ist, um bei Vorwärtsdrehrichtung ohne thermische überlastung der Maschine einen mittleren effektiven Kolbendruck von mindestens etwa 7 kg!cm2 anwenden zu können, und dass trotzdem bei geänderter Drehrichtung der Maschine die Nachauslassperiode als Vorauslass- periode dienen kann.
Durch Berechnungen lässt sich zeigen, dass, obschon eine verhältnismässig grosse Nachauslassperiode angewendet wird, nach dem Schliessen der Einlassorgane nur ein geringer Druck verlust in den Maschinenzylindern auftritt, wenn der Gegendruck im Behälter im richtigen Verhältnis zum gewählten Spüldruck steht.
Dieses Verhältnis wird nun so festgelegt, dass der Druck in atü im Sammelbehälter bei Vollast der Maschine mindestens 60% des Spüldruckes beträgt. Wird die im Stoss- betrieb und die im Gleichdruckbetrieb arbeitende Gasturbine so bemessen, dass der praktisch kon stante Druck im Behälter einen Wert zwischen 60 und 85% des Spüldruckes aufweist,
so wird ein optimaler Gesamtwirkungsgrad erreicht. Gegenüber der bekannten Brennkraftmaschine, bei welcher nur eine im Stossbetrieb arbeitende Turbinenstufe ange wendet wird, kann bei Anwendung einer dem Sam- melbehälter nachgeschalteten zweiten Turbine eine Zunahme der Gesamtspülluftmenge von etwa<B>1501ü</B> erreicht werden.
Bei einigermassen gutem Wirkungs grad des turbinenseitig im Gleichdruckbetrieb arbei tenden Turboladers kann erwartet werden, dass der Saugdruck des Verdichters des im Stossbetrieb arbei tenden Turboladers ungefähr mit dem Druck im Sammelbehälter übereinstimmt, welcher der Turbine -ies im Stossbetrieb arbeitenden Turboladers nach geschaltet ist. Dies bedeutet für den im Stossbetrieb arbeitenden Turbolader bei richtiger Anwendung der Erfindung, dass sowohl der Saugdruck vor dem Verdichter wie auch der Gegendruck nach der Gas turbine ungefähr im gleichen Masse erhöht ist.
Die Gasturbine des im -Stossbetrieb arbeitenden Turbo- laders soll also, wenn die Erfindung für die Ruf ladung einer Brennkraftmaschine mit einem mittleren effektiven Kolbendruck von 7 bis 9 kg cm2 angewen det wird, in gleicher Weise bemessen werden wie bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine, die im Stossbetrieb für einen mittleren effektiven Druck von 6 bis 6,6 kg"cm-' aufgeladen wird.
Das Erreichen eines genügend hohen Gegen druckes im Sammelbehälter ist nicht nur deshalb von Interesse, weil dabei eine grosse Nachauslass- periode angewendet werden kann, ohne dass wäh rend derselben eine starke Senkung der Zylinder drücke eintritt, sondern es wird dabei auch erreicht, dass das Verhältnis zwischen Einlassdruck und Aus lassdruck der im Stossbetrieb arbeitenden Gasturbine in der Vorauslassperiode unterhalb des kritischen Druckverhältnisses bleibt, so dass die Verarbeitung der Vorauslassenergie in dieser Turbine auch dann mit bestmöglichem Wirkungsgrad stattfindet, wenn sie nur einstufig gebaut ist.
Im weiteren kann das Öffnen der Auslassorgane der Brennkraftmaschine in einem verhältnismässig späten Zeitpunkt stattfinden, so dass ein Höchstmass an Expansionsarbeit an der Maschinenkurbelwelle zur Verfügung steht. Der Druck in den Gasleitungen zwi schen den Auslassorganen der Maschinenzylinder und der daran angeschlossenen, im Stossbetrieb arbei tenden Gasturbine wird sehr rasch zunehmen, wo durch die Drosselverluste in diesen Auslassorganen niedrig bleiben und die kinetische Energie der Aus puffgase grösstenteils als Nutzenergie für die Liefe rung von Spül- und Ladeluft zur Verfügung steht.
Bei der beschriebenen Brennkraftmaschine wird der grösste Teil der insgesamt aufzuwendenden Verdich tungsarbeit von der Gleichdruckturbine dem mit dieser gekuppelten Verdichter zugeführt, während die Vorauslass-Stossenergie trotzdem auch gut aus genutzt wird, so dass die Vorteile des Stossbetriebes in günstigster Weise mit denjenigen des Gleichdruck betriebes kombiniert werden. Für eine gute Wir kungsweise der beschriebenen Maschine ist es von Vorteil, dass der Rauminhalt des Abgassammel- behälters so klein wie möglich gewählt wird und dass dieser Behälter mit einer guten Wärmeisolation versehen wird.
Als Richtlinie diene, dass die Gesamt druckschwankung im Behälter einen Wert von 0,05 at (doppelte Amplitude) nicht überschreiten soll.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung zwei beispielsweise Ausführungsformen einer auf geladenen Brennkraftmaschine nach der Erfindung.
In Fig. 1 sind die Zylinder einer umsteuer baren vierzylindrigen Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Hochaufladung mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnet. Die Abgase der Zylinder 1 und 2 bzw. der Zylinder 3 und 4 werden über Verbindungsleitungen 5, die einen möglichst kleinen Rauminhalt haben, den im Stossbetrieb arbeitenden Turbinen 6 und 7 der ersten Turboladergruppen 8 und 9 zugeführt.
Von der Abgasseite der Turbinen 6 und 7 werden die Gase einem Sammelbehälter 10 zugeleitet, der so bemessen ist, dass der Gegendruck dieser Turbinen praktisch konstant bleibt. Über die an diesen Behälter 10 angeschlossene Gleichdruckturbine 11 des Turbo- laders 12 strömen die Gase über einen nicht dar gestellten Schornstein ins Freie.
Der Verdichter 13 des Turboladers 12 saugt die Umgebungsluft an und verdichtet diese, wonach sie in einem Kühler 14 auf eine möglichst tiefe Tempe ratur rückgekühlt wird. Hierauf wird diese Luft durch die Verdichter 15 der ersten Turboladergruppen 8 und 9 weiter verdichtet und anschliessend in den Kühlern 16 wiederum rückgekühlt, bevor sie dem Spülluftbehälter 17 zugeleitet wird. Im allgemeinen wird der Luftdruck am Auslass des Kühlers 14 auf etwa gleicher Höhe sein wie der Gasdruck im Sammelbehälter 10. Hierfür ist nötig, dass dieser Behälter nicht zu gross bemessen und mit einer guten Wärmeisolation versehen sei.
Der Druck im Behälter 10 bleibt annähernd konstant und bei Voll- last der Maschine beträgt dieser Druck mindestens 601/9 des Spüldruckes in atü.
Bei Brennkraftmaschinen, bei welchen der Zünd- abstand zwischen Zylindern, die durch eine gemein same Abgasleitung an eine im Stossbetrieb arbeitende Gasturbine oder an ein Segment des Düsenringes einer solchen Turbine angeschlossen sind, kleiner ist als 135 Kurbelwinkel, kann es bei Anwendung der Erfindung vorkommen, dass die LUberlappungszeit der Auslassperioden der betreffenden Zylinder zu lange wird, so dass während der Nachauslassperiode in einen Zylinder, der gerade gespült worden ist, Abgase eines anderen Zylinders, der bereits angefan gen hat sich zu entleeren, hineingedrückt werden könnten.
Bei einer Brennkraftmaschine der beschriebenen Bauart, bei welcher jeder Zylinder mit mehreren Auslassorganen versehen ist, die an verschiedene Segmente des Düsenringes der im Stossbetrieb arbei tenden Turbine angeschlossen sind, kann die erwähnte Schwierigkeit dadurch vermieden werden, dass ein Teil der Auslassorgane eines Zylinders früher öffnet und schliesst als der übrige Teil der Auslassorgane des gleichen Zylinders, während die Öffnungsdauer der Auslassorgane, welche früher öffnen und früher schliessen, gleich ist der Öffnungsdauer der Aus lassorgane, welche später öffnen und später schlie ssen,
wobei die früher öffnenden Auslassorgane eines Zylinders und die später öffnenden Auslassorgane eines anderen Zylinders über Leitungen mit dem gleichen Segment des Düsenringes der im Stoss betrieb arbeitenden Turbine verbunden sind.
In Fig.2 ist von dieser Ausführungsform der beschriebenen Brennkraftmaschine ein schematisches Beispiel gezeigt. Die abgebildete dreizylindrige Zwei- takt-Brennkraftmaschine hat Zylinder I, 1I und 11I, welche je zwei Auslassventilpaare <I>a</I> und<I>b</I> besitzen, die nacheinander betätigt werden.
Die Ventilpaare la und IIb der Zylinder I bzw. 1I sind über Verbin dungsleitungen 5 und über eine gemeinsame Abgas leitung 5' mit dem gleichen Düsensegment A der im Stossbetrieb arbeitenden Turbine 18 des Turboladers 19 verbunden; zu diesem Turbolader gehört auch der Verdichter 20. Die Ventilpaare lb und IIla sind in gleicher Weise an das zweite Segment B und die Ventilpaare IIa und IIIb an das dritte Segment C des in drei Segmente unterteilten Düsenringes der Turbine 18 angeschlossen.
Der Auslass dieser Tur bine ist mit dem Abgasbehälter 10 verbunden, aus welchem die Gase über die im Gleichdruckbetrieb arbeitende Turbine 11 des Turboladers 12 in gleicher Weise ins Freie abgeführt werden, wie dies mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde. Die vom Verdichter 13 des Turboladers 12 angesaugte und verdichtete Luft durchströmt einen Kühler 14 und wird nach weiterer Verdichtung im Verdichter 20 über einen Kühler 16 dem Spülluftbehälter 17 zugeführt.