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Viertakteinspritzbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader Die Erfindung
betrifft eine Viertakteinspritzbrennkraftmaschine mit mehreren mechanisch unabhängigen,
strömungsmäßig hintereinandergeschalteten Ab-
gasturbinen, von denen die zuerst
durchströrnten Nutzleistung beispielsweise an die Brennkraftmaschinenwelle abgeben
und die zuletzt durchströmte Turbine einen Aufladeverdichter antreibt.
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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 bekanntlich zu im
Verhältnis zum Zylinderdurchmesser unverhältnismäßig großen Abmessungen des Kurbeltriebes
führen, andererseits jedoch ähnlich günstige Kraftstoffverbräuche erzielt werden,
wie sie bisher nur durch abnorm hohe Aufladung mit entsprechend hohen Spitzendrücken
erreichbar waren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wurde bereits vorgeschlagen, mehrere Abgasturbinen
hinter einer Brennkraftmaschine so anzuordnen, daß sie strömungsmäßig hintereinandergeschaltet,
mechanisch jedoch el 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 Abgasturbine strömungstechnisch
und mechanisch abschaltbar. Das Abschalten erfolgt selbsttätig in Abhängigkeit von
der Belastung der Brennkraftmaschine.
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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, widrige,nfalls keine Ausspülung der Restgase aus den Arbeitszylindern
stattfinden kann. Eine wirksame Ausspülung des Totraumes des Zylinders aber ist
unerläßlich, wenn das Ladungsgewicht an Luft und damit an Sauerstoff im Zylinder
ein Maximum betragen soll. je größer dieses Gewicht ist, um so größer ist bekanntlich
die Kraftstoffmenge, die bei jedem Arbeitsspiel verbrannt werden kann. Einer größeren
Menge an verbranntem Kraftstoff entspricht auch ein höherer indizierter Mitteldruck.
Da die Reibungsverluste etwa konstant bleiben. wird der mechanischeWirkungsgrad
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 k' Maschinen mit Stoßbetrieb,
also solchen, bei denen die kinetische Energie der Abgase teilweise zum Antrieb
der Turbinen ausgenutzt wird.
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Eine wesentlicheVerbesserung des wirtschaftlichen Wirkungsgrades solcher
Maschinen, bei denen die zuerst von den Abgasen durchströmten Turbinen Nutzleistung
abgeben, wird erfindun,-,sgemäß dadurch erzielt, daß a) die von den Abgasen zuerst
durchströrnten Turbinen so ausgelegt sind, daß auch bei Vollast die Abgase in an
sich bekannter Weise über den ganzen Kolbenweg gegen einen Druck ausgeschoben werden,
der ebenso hoch wie der Ladedruck oder höher als dieser ist, b) in an sich
bekannter Weise bei Vollast der Ladedruck größer ist als der Druck vor der den Aufladeverdichter
antreibenden Abgasturbine, c) der zu Beginn des Ansaughubes des Arbeitskolbens 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 auf den Außendruck oder etwa auf den Druck vor der den
Aufladeverdichter antreibenden Abgasturbine abgesenkt wird und die Abgase in den
Raum vor dieser Turbine geführt werden, d) das Einlaßventil erst nach Absenken
des Druckes im Zylinder auf oder unter den Ladedruck geöffnet wird.
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Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine besteht
darin, daß, obwohl die Abgase von dem Kolben der Maschine über den ganzen Kolbenweg
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
ausgeschoben werden, der höher ist als der Ladedru#l,:, wird auf eine Ausspülung
der Restgase. verzichtet. Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinie
der Gegendruck bis zum Expansionsenddruck der Gase im Zylinder am Ende des Arbeitshubes
gesteigert werden kann, eine bisher noch nicht verwirklichte Maßnahme, ist die den
Expansionsgasen noch innewohnende Energie -bei der erfindurigsgemäßen Maschine im
Staubetrieb mit einem bisher nicht erzielten Wirkungsgrad ausnutzbar. Ein weiterer
Vorteil der erfindungsgemäßen Brenlikraftmaschine ist in der geringeren Ihermischen
Beanspruchung des Auslaßventils gegenüber der Beanspruchung bei solchen Maschinen
zu sehen, bei denen am Ende des Expansionshubes der Druck ini Zylinder plötzlich
stark abfällt, so daß die Abgase mit hoher Geschwindigkeit austreten und entsprechend
viel Wärme an das Auslaßventil abgeben und es stark erhitzen.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftniaschine
an Hand deb Schaulinienbildes gemäß Abb. 1 beschrieben. Zugrunde gelegt ist
beispielsweise eine Maschine, bei der der im Totrauin des Zylinders zu Beginn des
2#risatighubes noch herrschende, über dem Ladedruck liegende Druck durch die Bewegung
des Arbeitskolbens und durch ein Hilfsatislaßventil auf den Druck vor der den Aufladeverdichter
antreibenden Abgasturbine abgesenkt wird und die Ab 'gase sodann in den Rauni
vor dieser Turbine ziigeführt werden.
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Aus dem idealisierten Diagramin ist der Druckverlauf im Zylinder während
des Ladungswechsels zu ersehen.
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Bei der bisher üblichen Abgasturboaufladung von Viertaktbrennkraftmaschinen
wurde der Drück im Zylinder beim Öffnen des Auslaßventils (2) im wesentlichen auf
den Druck (8) vor der Turbine 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 'feil, nämlich mir soweit sie in Form von kinetischer
Energie auftrat, zurückgewonnen werden. Es ist aber bekannt, daß dieser Effekt in
der Abgasturbine wegen der mit der veränderlichen Durchströmgeschwindigkeit zusammenhängenden
Stoßverluste eine Verminderung des Turbinenwirkungsgrades zur Folge hat, so daß
tatsächlich nur ein kleiner Bruchteil dieser Fläche (2-B-8-2) wirklich nutzbar
zu machen ist.
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Die Überschußenergie kommt in diesem Falle über die positive Ladungswechselschleife
an den Kolben bzw. an die Kurbelwelle.
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Dagegen werden bei der erfiridungsgemäßen Maschine die Abgase vom
Kolben gegen einen Druck (2-3') ausgeschoben, der höher als der Ladedruck ist. riii
Diagramm ist dieser Gegendruck beispielsweise dem 1-"xpansionsenddrilck iiii Zylinder
gleich. Beim Öffnen des Auslaßventils fällt die sonst schlagartige Druckabsenkung,
die mit Überschallströmung und dementsprechend mit Geräuschbildung und starker Erwärinung
des Auslaßventils verbunden ist, fort. Die Ausschubarbeit ist vom Kolben zu leisten,
so daß die von der Kurbelwelle abgebbare Leistung geringer wird. Bis zum Schließen
des Auslaßventils (Punkt3) ist der im Kompressionsraum vorhandene Druck praktisch
unverändert geblieben; er wird im Beispiel zunächst durch denAuswärtshub des Kolbens
abgelenkt bis zum Punkt 4. Zu diesem Zeitl)unkt öffnet das Hilfsauslaßventil und
verbindet den Zvlinderratim mit dem Rauni vor der den Verdichter antreibenden Turbine,
so daß der Druck im Zvlinder auf den dort herrschenden Druck, der niedriger ist
als der Ladedruck, absinkt. Nun öffnet das Einlaßventil (Punkt 5), und die
Ladeluft spült, solange das Hilfsauslaßventil noch offen ist, die Abgasreste aus
dem Zylinder. In Punkt 6 schließt das Hilfsauslaßventil, und die Ladeluft
tritt während des restlichen Auswärtshubes des Kolbens in den Zvlinder ein (Strecke
7-1). In Punkt 1 schließt das Üinlaßventil, und der Kompressionshub
beginnt.
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Die Arbeit, die der Kolben beim Ausschieben der Abgase aus dem Zylinder
zu leisten hatte, ist, wie dein Diagramm entnommen werden kann, wesentlich geringer
als diejenige Arbeit, die eine Turbine leistet, in der die Expansion dieser Abgasmenge
vom Expansionsenddruck im Zylinder auf d-en Druck vor der den Turbolader treibenden
Turbine mit gutem Wirkungsgrad erfolgt. Auf diese Weise wird die Expansionsenergie
der Abgase (2-B-8-2) weitaus wirtschaftlicher ausgenutzt als bei der herkömmlichen
Art der Turboaufladung.
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Die weitere Expansion der Abgase erfolgt in der Turbine eines Abgasturboladers,
der für eine Aufladung bis zu 100% ausgelegt werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vor-Cyeschlagen, zumindest
das Hilfsauslaßventil, dessen Öffriungsdauer verhältnismäßig kurz gehalten ist,
dainit im wesentlichen nur Restgase entweichen, in an sich bekannter Weise als Kegelventil
mit zylindrischem Steueransatz auszubilden.
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Die Erfindung ist mit gleichem Erfolg sowohl bei #,Olchen Maschinen
anwendbar. bei denen die zuerst von den Abgasen durchströmten Turbinen ihre Nutzleistung
an die Brennkraftinascliinenwelle abg, eben, als auch bei solchen Maschinen, bei
denen sie ihre Xtitzleistung unmittelbar weitergeben.
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Zur Verbesserung der Spülung kann ini weiteren Ausbau der Erfindung
die vorn Hilfsauslaßventil aus in den Raum vor der den Verdichter antreibenden Abgasturbine
führende Leitung in an sich bekannter UTeise so bemessen sein, daß die bei Öffnung
des Hilfsauslaßventils in die Leitung eintretende Druckwelle nach Reflexion am Leitungsende
noch vor Schließen des Hilfsauslaßventils im Zylinder als Unterdruckwelle eintrifft.
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In der Zeichnung ist eine erfindungsgernäße Breimkraftmaschine beispielsweise
dargestellt, Abb. 1 zeigt ein Aufschluß über die Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine gebendes Schaulinie nbild; Abb. 2 zeigt eine erfindungsgemäße
Brennkraftniaschine in Draufsicht; Abb. 3 stellt einen Schnitt durch das
bei der Maschine nach Abb. 2 ver-,veridete Hilfsauslaßveritil dar.
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In Abb. 2 ist in der Draufsicht eine secliszvlinclrige#l'iertalztl)reiiiil,zraftiiiaseliinel
dargestellt, äeren Zylinderköpfe2, 3, 41. 5, 6 und 7 je drei
Ventile besitzen, und zwar je ein Einlaßveritil 8, ein Hauptauslaßventil
9 sowie ein Hilfsauslaßventil 10. Einlaßseitig ist eine allen Zylindern
gemeinsame Sai-ni-nelleitung 11 angeordnet. Auslaßseitig sind für die durch
die Hauptatislal,)veiitile austretenden Abgase ebenfalls eine gemeinsame Auffangleitung
12, für die durch die Hilfsauslaßventile austretenden Abgase jedoch zwei jeweils
eine Zylindergruppe 2, 3 und 4 bzw. 5, 6 und 7 erfassende Sammelleitungen
13 bzw. 14 vorgesehen. Abgasseitig sind fernerhin 7wei
mechanisch
unabhängig voneinander arbeitende Ab-
gasturbinen 15 und
16 angeordnet, von denen die erstere ihre Leistung über ein aus den 7;tliiir-i(lei-ii
17,
18, 19 und 20 bestehendes Getriebe in die Kurbelwelle der Breiinkraftinaschine
abgibt, während die andere Turbine einen Ladeluft durch die Leitung 11
zur
Maschine fördernden Verdichter26 antreibt.
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Striiinungsmäßig sind die Turbinen 15 und 16 so hintereinaiidergeschaltet,
daß die durch die Sammelleitung 12 abströrnenden Abgase zuerst die Turbine
15 durchströmen. Aus der Turbine 16 heraus strönien die Abgase durch
die Leitung21 ab. Die beiden Al)-gassaiiii'nelleitungen 13 und 14 führen
in den Raum 22 vor der Turbine16 und sind so ausgebildet, daß die bei Öffnung des
Hilfsauslaßventils eines jeden Zylinders in die Leitung eintretende Druckwelle nach
Reflexion ani Leitungsende noch vor Schließen des Hilfsauslativentils iiii Zvlinder
als Uliterdruckwelle eilitrifft.
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Aufschluß über 'die die Ventilsteuerung bestiiiiinende VVirkungsweise
der Maschine geben (la, Diairraiiiiii nach AM). 1 und die hierzu gegebene
EIrlauterung.
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Abb. 3 stellt einen Schnitt durch eines der Flilfisauslaßventile
der Brennkraftmaschiiie nach Abb.2 dar. [)er kegelige Ventilteller 23 trägt
einen dichtend in eille,- des #Tentilgehäuses25 geführten
_Z,
zvIindrischen Ansatz24. Die obere Kante dieses AnsaUes arbeitet illit
der inneren Hie-renziiii-skante des Ventilsitzes so zusammen, daß der Durchtrittsquer-,chnitt
zu einein Zeitpunkt freige, - eben byw. versperrt wird. an dein (las Ventil
behn Öffnen und Schlie13en eine gewisse Hubgeschwindigkeit hat. Der Vorteil solcher'
Ventile gegenüber normalen Kegelventilen he-steht soinit dariii. (laß bei der zur
Verfügutig stehenden Steuer7eit der Zeitquerschnitt wesentlich crr#')ßei- ist.
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