DE1003505B

DE1003505B - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Entspannungsturbine

Info

Publication number: DE1003505B
Application number: DEH21459A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Alfred Schuette
Original assignee: Henschel and Sohn GmbH
Current assignee: Henschel and Sohn GmbH
Priority date: 1954-09-10
Filing date: 1954-09-10
Publication date: 1957-02-28

Description

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Entspannungsturbine Wenn man bei der Aufladung von Brennkraftmaschinen auf höhere Aufladegrade geht, ist eine Rückkühlung der verdichteten Luft unbedingt erforderlich. Hohen Aufladegraden entsprechen hohe Luftdrücke. Gleichzeitig mit der Druckerhöhung durch eine Verdichtung tritt eine Temperaturerhöhung ein, die das spezifische Gewicht der verdichteten Luft herabsetzt. Das spezifische Gewicht der verdichteten Luft soll jedoch groß sein, um ein möglichst großes Luftgewicht in die Zylinder der Brennkraftmaschine einzubringen, das eine große Brennstoffmenge zu verbrennen gestattet.
Wenn genügend Kühlwasser niedriger Temperatur vorhanden ist, bereitet eine ausreichende Rückkühlung der Luft keinerlei Schwierigkeiten. Sehr ungünstig liegen dagegen die Verhältnisse im Fahrzeug-, insbesondere im Lokomotivbetrieb. Hier ist natürlich kein Frischwasser vorhanden. Das mitgeführte Kühlwasser wird daher in Rückkühlanlagen durch die Außenluft zurückgekühlt. Besonders in tropischen Gegenden, in denen man mit Lufttemperaturen bis zu 45° C rechnen muß, kann man die Aufladeluft nur auf etwa 70 bis 75° C zurückkühlen. Von einer wirksamen Rückkühlung kann man in diesem Fall also nicht reden.
Nun ist es eine bekannte Tatsache, daß sich verdichtete Luft bei der Entspannung abkühlt. Wenn man die Aufladeluft der Brennkraftmaschine noch weiter verdichtet, sie nach der Verdichtung mittels Kühlwasser zurückkühn und sie dann in einer Turbine auf den Anfangsdruck entspannt, kann man eine Lufttemperatur erhalten, die wesentlich unter der Außenlufttemperatur liegt. Die Leistung der Turbine wird dabei zum Antrieb des Verdichters mit herangezogen. Man hat hiervon bei der Aufladung von Brennkraftmaschinen schon Gebrauch gemacht. Es sind Anlagen bekanntgeworden, bei denen die Aufladeluft in zwei hintereinandergeschalteten, voneinander unabhängigen Verdichtern über den Aufladedruck hinaus verdichtet und anschließend nach Rückkühlung in einer Entspannungsturbine auf den Aufladedruck entspannt wird, wobei die erste Verdichtung in einem von den Ab- gasen der Brennkraftmaschine beaufschlagten Abgasturbogebläse oder auch in einem von der Brennkraftmaschine selbst angetriebenen Verdichter und die Weiterverdichtung in einem von der Entspannungsturbine angetriebenen Verdichter stattfindet.
Infolge der Verluste in der Entspannungsturbine und im Verdichter reicht das in der Entspannungsturbine verarbeitete Druckgefälle niemals aus, um das gleiche Druckgefälle im Verdichter zu erzeugen. Es muß daher der erste Verdichtersatz die Luft auf einen höheren Druck als den Aufladedruck verdichten.
Wenn der erste Verdichtersatz aus einem Abgasturbogebläse besteht, wird auch der Abgasgegendruck der Brennkraftmaschine infolge der erhöhten Verdichterleistung erhöht, was eine Verschlechterung der Spülung der Brennkraftmaschine und einen Leistungsrückgang zur Folge hat. Im Falle des Antriebs des ersten Verdichtersatzes durch die Brennkraftmaschine selbst wird eine größere Leistung von der Brennkraftmaschine abgezweigt.
Die Erfindung bezieht sich auf aufgeladene Brennkraftmaschinen, bei denen die von einem Abgasturbogebläse geförderte Aufladeluft in einem unabhängigen zweiten Verdichter über den Aufladedruck des Abgasturbogebläses hinaus weiter verdichtet und nach Durchströmen eines Rückkühlers in einer den zweiten Verdichter antreibenden Entspannungsturbine entspannt wird.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Verdichter und der Entspannungsturbine bestehende Aggregat zusätzlich von einer Kraftmaschine angetrieben wird und daß die Luft in der Entspannungsturbine auf den Aufladedruck des Abgasturbogebläses entspannt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß das Abgasturbogebläse die Luft nur auf den Auf ladedruck verdichten muß. Die für den Betrieb des zweiten mit der Entspannungsturbine gekuppelten Verdichtersatzes noch erforderliche Zusatzleistung wird durch eine besondere Kraftmaschine, beispielsweise eine kleine zusätzliche Brennkraftmaschine, erzeugt, die also ihre Leistung auf die Hauptbrennkraftmaschine überträgt.
Bei den bekannten Anordnungen erweist es sich als ungünstig, daß bei allen Laststufen der Brennkraftmaschine der zweite Verdichtersatz in Betrieb bleibt. Bei kleinen Lasten ist nun eine derartig wirksame Rückkühlung der Aufladeluft eigentlich nicht erforderlich. Besonders nachteilig wirkt sich dies im Lokomotivbetrieb aus, wo die wirksame Kühlung nur bei hohen Außentemperaturen und hohen Belastungen nötig ist. Hier sollte man die Möglichkeit haben, diese durch die Entspannungsturbine bewirkte Kühlung nach Belieben zu- und abzuschalten.
In Fortführung der Erfindung wird daher in die Aufladeluftleitung zwischen Abgasturbögebläse und Brennkraftmaschine ein Umschaltorgan eingebaut, welches es gestattet, bei hohen Außentemperaturen und hohen Belastungen die vom Abggasturbogebläse kommende Verdichterluft in den zweiten Verdichter zu leiten, der von der Entspannungsturbine und der zusätzlichen Kraftmaschine, z. B. einer kleinen zusätzlichen Brennkraftmaschine, angetrieben wird. Zwischen dem zweiten Verdichter und der Entspannungsturbine ist ein an sich bekannter wasserbeaufschlagter Zwischenkühler angeordnet. Die aus der Entspannungsturbine austretende Luft wird einem zweiten Umschaltorgan zugeführt, welches zweckmäßigerweise am anderen Ende der Aufladeluftleitung der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dieses zweite Umschaltorgan kann unter Umständen auch fortgelassen werden.
Im Normalbetrieb sind die beiden Umschaltorgane so gestellt, daß die vom Abgasturbogebläse kommende Luft in die Aufladeleitung der Brennkraftmaschine strömt. Der von der Entspannungsturbine und der zusätzlichen Kraftmaschine angetriebene zweite Verdichtersatz' bleibt dabei außer Betrieb. Das zweite Umschaltorgan schließt die Aufladeluftleitung von der Entspannungsturbine ab.
Man hat durch diese Anordnung also die Möglichkeit, mit Hilfe einer kleinen Zusatzleistung die Leistung der Hauptbrennkraftmaschine auch bei höchsten Außentemperaturen auf dem der Normalleistung entsprechenden Wert zu halten bzw. diesen sogar noch etwas zu überschreiten.
Wenn die zusätzliche Brennkraftmaschine zum Antrieb des zweiten Verdichtersatzes noch für andere Zwecke, beispielsweise zur Stromerzeugung, herangezogen werden soll, kann in Fortführung der Erfindung zwischen diese zusätzliche Brennkraftmaschine und die Entspannungsturbine noch eine abschaltbare Kupplung eingebaut werden.
Da im allgemeinen der Verdichter sowohl wie die Entspannungsturbine mit höheren Drehzahlen betrieben werden als die zusätzliche Brennkraftmaschine, kann erfindungsgemäß noch ein Übersetzungsgetriebe zwischen der zusätzlichen Brennkraftmaschine und der Entspannungsturbine angeordnet werden.
In der Abbildung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Abgase der Brennkraftmaschine 1 werden von den einzelnen Zylindern 2 durch die Abgasstutzen 3 der Auspuffsarnmelleitung 4 zugeführt. Von hier gelangen sie in das Abgasturbogebläse 5. Die im Abgasturbogehläse verdichtete Luft strömt über das Umschaltorgan 6 im Normalbetrieb der Aufladeleitung 7 zu, von wo sie durch die einzelnen Einsaugstutzen 8 den Zylindern 2 zugeleitet wird. Bei hoher Last und hoher Außentemperatur wird die vom Abgasturbogebläse 5 kommende Luft durch das Umschaltorgan 6 von der Aufladeleitung 7 abgesperrt und über die Leitung 9 zum zweiten Verdichter 10 geleitet. Die hier weiter verdichtete Luft wird über den Kühler 11 zur Entspannungsturbine 12 geführt, in der sie auf den Rufladedruck entspannt wird. Die durch die Entspannung gekühlte Luft strömt durch die Leitung 13 über das Umschaltorgan 14 zur Aufladeleitung 7. Der Verdichter 10 wird noch zusätzlich durch die kleine Brennkraftmaschine 15 angetrieben.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der die von einem Abgasturbogebläse geförderte Aufladeluft in einem unabhängigen zweiten Verdichter über den Rufladedruck des Abgasturbogebläses hinaus weiter verdichtet und nach Durchströmen eines Rückkühlers in einer den zweiten Verdichter antreibenden Entspannungsturbine entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Verdichter und der Entspannungsturbine bestehende Aggregat zusätzlich von einer Kraftmaschine angetrieben wird und daß die Luft in der Entspannungsturbine auf den Rufladedruck des Abgasturbogebläses entspannt wird.
2. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abgasturbogebläse und dem zweiten Verdichter ein wasserbeaufschlagter Kühler angeordnet ist.
3. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abgasturbogebläse und der Brennkraftmaschine ein Umschaltorgan angeordnet ist, das es gestattet, die Aufladeluft entweder unmittelbar in die Brennkraftmaschine oder in den zweiten Verdichter, der von der Entspannungsturbine angetrieben wird, zu leiten, und daß die die Entspannungsturbine verlassende Luft in die Aufladeleitung der Brennkraftmaschine gegebenenfalls über ein weiteres Umschaltorgan geführt wird.
4. Aufgeladene Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kraftmaschine zur Unterstützung der Entspannungsturbine eine Brennkraftmaschine ist.
5. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verdichter mit der Entspannungsturbine über ein Übersetzungsgetriebe und eine abschaltbare Kupplung mit der zusätzlichen Brennkraftmaschine gekuppelt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 693 688; französische Patentschrift Nr. 601965.