DE1056428B - Verfahren zum Regeln einer Brennkraftkolben-maschine mit Abgasturbolader - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf die mittels Turbine erfolgende Aufladung von Brennkraftkolbenmaschinen. Die Erfindung ist bei Viertaktmaschinen mit Funkenzündung anwendbar, jedoch ist sie insbesondere in Verbindung mit Zweitakt-Dieselmaschinen vorteilhaft.

In der nachfolgenden Beschreibung wird zur Hauptsache auf das Aufladen von Zweitakt-Dieselmaschinen Bezug genommen, jedoch wird auch die Anwendung der Erfindung auf Viertaktmaschinen erörtert.

Das Aufladen von Viertakt-Dieselmaschinen mittels Turbine bringt so große Verbesserungen in ihrer Leistung hervor, daß diese Art der Aufladung eine wirtschaftliche Notwendigkeit geworden ist, wenigstens für die größer dimensionierten Maschinen wegen ihrer Überlegenheit beim Wettbewerb mit der einfacheren Zweitaktmaschine. Die daraus abgeleiteten Vorteile, nämlich erhöhte Abgabeleistung, verbesserter spezifischer Brennstoffverbrauch, ein kleinerer Prozentsatz an Wärmeverlust des Brennstoffes an das Kühlwasser und die Erzielung einer wirksamen inneren Luftkühlung, sind so allgemein anerkannt, daß viele Versuche gemacht worden sind, um die gleichen Vorteile auch für Zweitaktmaschinen zu sichern.

Tatsächlich könnte die Zweitakt-Dieselmaschine von der Aufladung mittels Turbine noch mehr profitieren, weil, um mit ihrem mittleren effektiven Bremsdruck zu beginnen, dieser wesentlich kleiner ist als der einer entsprechenden Viertaktmaschine und ihr Arbeiten in bezug auf gutes Spülen noch empfindlicher ist. Da weiterhin jeder Abwärtshub ein Krafthub ist, ist ihre Wärmebelastung sehr viel höher, wenn nicht der mittlere effektive Bremsdruck auf drastische Weise reduziert wird, und sie kann daher aus der inneren Abkühlung durch sorgfältiges Spülen mit einer großen Menge an überschüssiger Luft mehr Nutzen ziehen.

Unglücklicherweise wird die Aufladung mittels Turbine einer Zweitakt-Dieselmaschine nicht so gut erreicht wie mit einer Viertaktmaschine, und zwar aus folgenden Gründen:

1. Die Zweitaktmaschine verschiebt die Auspuff gase nicht durch ihre eigene Wirkung, sondern ist von einer außerhalb der Zylinder angeordneten Luftzufuhrquelle abhängig, die einen genügenden Druck hat, um die Auspuffgase auszustoßen und die Zylinder während des kurzen Zeitintervalls, das für diese Phase des Taktes zur Verfügung steht, mit Frischluft zu füllen.. Diese Arbeit muß während einer Kurbelbewegung von nur etwa 90°, verglichen mit etwa 360°, durchgeführt werden, die dem Auslaß- und Einlaßhub in einer Viertaktmaschine zugebilligt wird. Ein zweckentsprechender Auflader in Form einer Turbine könnte die obengenannte äußere Luftzufuhrquelle während des normalen Arbeitens der Maschine bilden.

zum Regeln einer Brennkraftkolbenmaschine mit Abgasturbolader

Anmelder:

De Laval Steam Turbine Company,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. E. Wiegand, München 9,

und Dipl.-Ing. W. Niemann, Hamburg 1, Ballindamm 26,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. Juni 1953

Rudolph Birmann, Newtown, Pa. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Jedoch ist beim Arbeiten mit geringer Belastung und während des Leerlaufs die Temperatur der Auspuffgase ungenügend, um zu erreichen, daß eine solche Einheit die erforderliche Luftmenge bei einem ausreichenden Druck liefert. Weiterhin werden während des Anlaufens keine erhitzten Auspuffgase aus den Zylindern abgegeben, so daß die Kombination mit einem Turbinenkompressor nicht imstande ist, der Maschine den notwendigen Luftstrom für die Verbrennung zuzuführen, wodurch es einer solchen Maschinenausführung unmöglich gemacht ist, anzulaufen.

Der spezifische Luftverbrauch von Zweitaktmaschinen (in kg je Brems-PS und Stunde) ist viel größer als der von Viertaktmaschinen, woraus sich niedrigere Auspufftemperaturen ergeben. Dieser hohe spezifische Luftverbrauch ist das Ergebnis des hohen Verbrennungsluftüberschusses (welcher verwendet werden muß, um eine übermäßige Wärmebelastung der Maschine zu verhindern) und der großen Menge Spülluft, die zum Hinausführen der Restgase aus den Zylindern benötigt wird. Der große Überschuß an Verbrennungsluft ergibt verhältnismäßig niedrige Auspufftemperaturen, welche durch die Zumischung von großen Mengen Spülluft bis zu einem Punkt weiter erniedrigt werden, wo die Möglichkeit, daß die Auspuffgase in der Turbine noch nützliche Arbeit leisten, verglichen mit Viertaktmaschinen, drastisch

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reduziert wird. Wegen der oben beschriebenen niedrigen Auspufftemperatur in Zweitaktmaschinen und der entsprechenden kleinen Energiemenge, die für die Turbine zur Verfügung steht, ist gefunden worden, daß ein gewöhnlicher Turbinenauflader (welcher in Verbindung mit einer Viertaktmaschine ausgezeichnete Resultate geben kann) zum Aufladen einer Zweitaktmaschine nicht verwendet werden kann, nicht einmal bei Vollastbedingungen, ganz abgesehen von den Problemen beim Anlaufen, Leerlaufen und beim Arbeiten mit niedriger Belastung.

Die Möglichkeiten, die Zweitaktmaschine durch die Verwendung eines Turbinenaufladers zu verbessern, sind so vielseitig, daß ein erheblicher Teil an Fleiß aufgewandt worden ist, um die obengenannten Schwierigkeiten zu überwinden. Beispielsweise sind Ausführungen vorgeschlagen worden, bei denen die Belastung, welche von der Turbine entwickelt werden muß, durch die Verwendung eines zusätzlichen Kompressors erleichtert worden ist, der mit zwangläufiger Verschiebung oder mit Zentrifugalwirkung arbeitet und der direkt von der Maschine angetrieben wird, um entweder den Druck allein oder den Druck und den Massestrom der Luft zu erhöhen, die einer Zweitaktmaschine von einem Auflader in Form einer Turbine zugeführt wird.

Ein weiterer Vorschlag besteht darin, die Verbrennungsgase aus den Zylindern einer Maschine an zwei verschiedenen Stellen abzugeben, an denen zwei verschieden hohe Drücke während des Expansionshubes entstehen und sie verschiedenen Stufen einer den Kompressor antreibenden mehrstufigen Turbine in solcher Weise zuzuführen, daß die notwendigen Bedingungen für einen maximalen Abgabedruck des Kompressors mit einem minimalen schließlichen Auspuffrohrdruck erzielt werden. Diese Ausführungsform schließt Komplikationen in sich und führt weiterhin zu einer Verkleinerung des thermischen Wirkungsgrades der Maschine, und zusätzlich dazu löst sie die Anlaufschwierigkeiten nicht.

Ein weiterer Vorschlag besteht darin, einen Elektromotor vorzusehen, welcher die Differenz in der Kompressoreingangsleistung und der verfügbaren Turbinenausgangsleistung bei allen Arbeitsbedingungen der Maschine ausgleicht.

Diese und weitere Vorschläge, soweit sie zum Aufladen von Zweitaktmaschinen mittels Turbine vorgeschlagen worden sind, stehen mit der Einfachheit dieser Maschinengattung nicht im Einklang, und da sie von der einfachen unmittelbaren Anordnung, welche bei Aufladern in Form von Turbinen für Viertaktmaschinen vorhanden ist, weit entfernt sind, ist die Zweitaktmaschine in der Praxis bis zum heutigen Tag ohne den Vorteil der Aufladung mittels Turbine geblieben.

Insbesondere wurde" gefunden, daß, falls der Auflader in Form einer Turbine mit der Zweitaktmaschine in der gleichen einfachen Weise verbunden wird, wie es bei Viertaktmaschinen üblich ist, die obenerwähnten niedrigen Auspufftemperaturen es der üblichen Turbinenart unmöglich machen, genügend Energie zu entwickeln, um den üblichen Kompressor unter Bedingungen anzutreiben, bei denen der Kompressorabgabedruck erheblich höher als der Turbineneinlaß druck (Auslaß rückdruck) ist. Jede Zweitaktmaschine kann nur dann arbeiten, wenn eine solche Druckdifferenz aufrechterhalten wird. Die Größe dieser Differenz hängt von der Maschinenausführung ab. Sie kann bei großen, langsam laufenden Maschinen im allgemeinen verhältnismäßig klein sein (in der Größenordnung von 0,14 kg/cm²), jedoch ist bei kleinen hochtourigen Maschinen, bei denen sowohl für die Verbrennung als auch für die Spülluft sehr wenig Zeit zur Verfügung steht, um in die Zylinder einzutreten und die Auspuffgase "zu verschieben, eine hohe Druckdifferenz (in der Größenordnung von 0,7 kg/cm²) häufig notwendig. Eine hohe Druckdifferenz bedeutet, daß der Kompressor eines Turbinenaufladers eine große Arbeitsleistung liefern muß; gleichzeitig ist ein verhältnismäßig niedriger Einlaß druck vorhanden, und daher steht für die Turbine verhältnismäßig wenig Energie zur Verfügung.

Eine thermodynamische Analyse des Aufladens mittels Turbine von Zweitaktmaschinen zeigt die mehr oder weniger überraschende Wirkung einer relativ kleinen Verbesserung in den Wirkungsgraden der Turbine und des Kompressors des Turboaufladers. Falls diese Wirkungsgrade nicht höher sind als die, welche mit bisher verfügbaren Einrichtungen erreicht werden können, ist eine direkte Aufladung schwierig, wenn nicht unmöglich, weil der gesamte Turboaufladungsvorgang unwirksam ist. Falls jedoch das Gebläse ein Druckverhältnis, von 2,0 oder mehr erzeugen kann und wenn sowohl sein Wirkungsgrad als auch der der Turbine verbessert werden, ändert sich das Bild vollständig.

Neuerdings sind nun Turbokompressoren vorgeschlagen worden, die zufolge ihres hohen Kompressionswirkungsgrades bei hohen Kompressionsdruckverhältnissen in der Lage sind, den vorgenannten Erfordernissen für die Aufladung von Zweitaktmaschinen zu entsprechen. Bei dieser vorgeschlagenen Turbokompressorart kann der Kompressor das verhältnismäßig hohe Druckverhältnis von wenigstens 2,0 erzeugen, und die Wirkungsgrade des Kompressors und der Turbine liegen zwischen 82 und 87%. Sowohl der Kompressor als auch die Turbine haben einen außerordentlich breiten Arbeitsbereich, über welchen ein stabiles Arbeiten mit hohen Wirkungsgraden erhalten wird. Die Turbine wird gekühlt und kann daher mit Sicherheit bei beträchtlich höheren Gastemperaturen, Gasdruckverhältnissen und -geschwindigkeiten als bei den üblichen nicht gekühlten Turbinen arbeiten. Die Turbine kann weiterhin zwei oder mehrere Ströme, welche verschiedene verfügbare Energien haben, wie z. B. den instationären Strom oder die Pulsationen, die allgemein in Maschinenauspuffanlagen gefunden werden, in Nutzleistung umwandeln. Dies wird erreicht, ohne daß die Zuflucht zu einer unterteilten Düsenkammer und zu einem Teileinlaß genommen werden muß, was unvermeidbar zu. einem verhältnismäßig niedrigen Turbinenwirkungsgrad bei dem Versuch führt, Energie aus den Auspuffpulsationen wiederzugewinnen.

Während die Verwendung eines Turbogebläses gemäß vorstehender Ausführungen die Aufladung von Zweitakt-Dieselmaschinen mit besonderen Vorteilen hinsichtlich der Ausgangsleistung, des Brennstoffverbrauchs und der inneren Kühlung der Maschine möglich macht, sind die Schwierigkeiten beim Anlaufen, Leerlauf und Arbeiten bei geringer Belastung einer mittels Turbine aufgeladenen Zweitakt-Dieselmaschine nicht überwunden worden. Diese Schwierigkeiten können jedoch auf Grund der höheren Wirkungsgrade der Turbine und des Kompressors, ihres weiten Arbeitsbereiches, ihres hohen Druckverhältnisses und der Fähigkeit der Turbine, mit Sicherheit selbst bei höheren Temperaturen zu arbeiten, als sie gewöhnlich in den Auspuffgasen von Dieselmaschinen vorhanden sind, überwunden werden.

Es ist ferner eine Anordnung zum Aufladen von Zweitakt-Dieselmaschinen vorgeschlagen worden, bei welcher eine Verbrennungskammer vorgesehen ist, die mit dem Auflader vollständig in solcher Weise integriert ist, daß letzterer im erforderlichen Fall beim Starten, beim Leerlauf und bei geringer Belastung wie eine Gasturbine arbeiten kann, die als Nutzleistung komprimierte Luft abgibt, um die Zweitakt-Dieselmaschine zu laden und zu spülen.

Unmittelbar vor oder gleichzeitig mit dem Anlauf der Maschine wird der Turboauflader angelassen und als Gasturbine betätigt, so daß er Verbrennungsluft in die Maschine während ihrer Anlauf- und Leerlaufphasen liefert. Sobald der Massenstrom und die Temperatur der Auspuffgase aus der Maschine ausreichen, um die Turbine anzutreiben, wird das Arbeiten als Gasturbine automatisch in das einer Auspuffturbine zum Antreiben des Aufladers geändert.

Dieser Auflader, der als Einrotortyp bezeichnet werden kann, vereinigt den Kompressor und die Turbine in einem einzigen Rotoraufbau, bei welchem die Kompressorbeschaufelung auf der einen Seite und die Turbinenbeschaufelung auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Diese Ausführung vermeidet schädliche Verluste, wie z. B. Turbinen- und Kompressorleckströme, Spiel und Reibung von nicht arbeitenden Flächen, d. h. Verluste, welche in üblichen Ausführungen, die getrennte Kompressor- und Turbinenläufer verwenden, unvermeidlich sind. Das Vermeiden solcher Verluste führt zu einer Verbesserung der Wirkungsgrade der Turbine und des Kompressors , zusätzlich zu den beträchtlichen Verbesserungen, die bereits durch die aerodynamisch erheblich verbesserte Mischfluß-Kompressorbeschaufelung und die verfeinerte Formgebung der Zentripetalturbinenbeschaufelung erreicht worden sind. Es sind Vorkehrungen getroffen, durch die ein kleiner Prozentsatz der komprimierten Luft dazu dient, die Oberfläche der Turbinennabe zu überstreichen, die sonst dem Strom des heißen Gases ausgesetzt wird, und dadurch wird eine Kühlung des Turbinenabschnittes des Rotors einschließlich der Fußteile der Turbinenschaufeln herbeigeführt. Diese Kühlung wird weiterhin dadurch erhöht, daß Kühlluftleitungen durch das hohle Innere des Rotors unmittelbar unterhalb der Turbinenschaufeln oder durch Kanäle in unmittelbarer Nähe der Turbinenschaufelfüße vorgesehen sind.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer weiteren Möglichkeit zum Aufrechterhalten des Arbeitens des Turboladers über den größten Teil des praktischen Arbeitsbereichs der Maschine. Es wird der Vorteil aus der Tatsache nutzbar gemacht, daß es für eine gute Maschinenleistung und -arbeit keinesfalls notwendig ist, daß der Luftstrom konstant gehalten und infolgedessen die Auspuffgastemperatur mit sich verkleinernder Last reduziert wird. Tatsächlich arbeitet die Zweitaktmaschine sehr gut, falls bei geringer Belastung der Luftstrom in solcher Weise reduziert wird, daß die Auspuffgastemperatur etwa konstant gehalten wird. Aus dieser Tatsache den Vorteil nutzbar zu machen, bedeutet einen Vorteil für die Anwendung des Turboladers für Zweitakt-Dieselmaschinen, weil der Turbolader — da er mechanisch unabhängig von der Maschine ist —· seine Drehzahl und damit seine Luftabgabe leicht ändern kann. Es wird ein Turbolader bei einer Zweitaktmaschine angewandt, so daß die Maschinenarbeit mit der einer üblichen, durch Gebläse gespülten Maschine identisch ist. Bei einem anderen Vorschlag sind Vorkehrungen getroffen, welche es gestatten, einen verhältnismäßig großen Luftstrom und große Leitungsdruckdifferenzen bei geringer Maschinenbelastung aufrechtzuerhalten, und dieses Ergebnis wird durch äußere Brennstoffverbrennung erreicht, die offensichtlich den Gesamtbrennstoffverbrauch der Maschine erhöht.

Es sei nun die Arbeitsweise einer mit Turbolader versehenen Maschine betrachtet, wobei mit hoher Belastung und großem Brennstofffluß begonnen wird. Es sei angenommen, daß der Turbolader ein genügendes Leistungsvermögen für diesen Vollastbetrieb hat. Falls sich die Belastung nun verringert, verringert sich der Brennstoffstrom, und es wird ein Punkt erreicht, an welchem die Auspuffgastemperatur zu niedrig ist, um das Arbeiten der Turbine aufrechtzuerhalten. An diesem Punkt könnte an Stelle der Aufrechterhaltung des Arbeitens des Turboladers durch Schaffung einer Nachverbrennung ein anderer Turbolader mit einem kleineren Leistungsvermögen gesetzt werden, der weniger Luft liefern und dann die Maschine veranlassen würde, ihre Gase bei einer höheren Temperatur abzugeben, die für das Arbeiten dieses kleineren Turboladers ausreicht. Dieser Turbolader würde wieder abwärts bis zu einem bestimmten Punkt gut arbeiten, an dem der Brennstoffverbrauch so reduziert ist, daß wiederum die Auspuffgastemperatur ungenügend sein würde, um das Arbeiten aufrechtzuerhalten. An diesem Punkt könnte ein noch kleinerer Turbolader eingesetzt werden, der zufolge der Abgabe einer noch kleineren Luftmenge an die Maschine das Arbeiten über einen weiteren Bereich aufrechterhalten würde, woraus sich eine höhere Auspuffgastemperatur ergeben würde. Offensichtlich ist der vorgenannte Vorschlag vollständig unbrauchbar. Es ist ein Verfahren zum Regeln einer Brennkraftkolbenmaschine bekannt, welche mittels eines Kompressors aufgeladen wird, der von einer Abgasturbine mit düsenartigen Einlaßkanälen von einstellbarer Querschnittsfläche angetrieben wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird die Querschnittsfläche der düsenartigen Einlaßkanäle derart eingestellt, daß bei einem Anstieg des Brennstoffverbauchs bei gleichbleibender Maschinendrehzahl eine Verkleinerung der Querschnittsfläche herbeigeführt wird, und umgekehrt.

Demgegenüber erfolgt bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Einstellung der Querschnittsfläche der düsenartigen Einlaßkanäle gerade umgekehrt, d. h. in solcher Weise, daß die Querschnittsfläche sich mit zunehmendem Brennstoffverbrauch vergrößert und mit abnehmendem Brennstoffverbrauch verkleinert.

Der durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzielte wesentliche Vorteil liegt darin, daß bei Anwendung des Turboladers sowohl bei mit konstanter Drehzahl als auch bei mit veränderlicher Drehzahl arbeitenden Maschinen ein Versagen des Turboladers verhindert wird. Dieses Versagen ist durch den verkleinerten Luft- und Auspuffgasstrom bedingt, welcher mit der verkleinerten Drehzahl der Maschine Hand in Hand geht und zu einem Verlangsamen des Turboladers und einem Verkleinern seines Abgabedruckes führt, gerade dann, wenn er ein Maximum sein sollte, damit die Maschine ein maximales Drehmoment abgeben kann. Dadurch, daß die Steuerung der die düsenartigen Einlaßkanäle begrenzenden Schaufeln sowohl mit der die Brennstoffzufuhr regelnden Einrichtung als auch mit einem von der Brennkraftmaschine betätigten Regler gekoppelt wird, ist es möglich, die Querscbnittsfläche der düsenartigen Einlaßkanäle zu verkleinern, wenn die Maschinendrehzahl sich verringert, um die Drehzahl des Auf-

laders durch Vergrößern des Druckabfalls in den düsenartigen Einlaßkanälen und damit auch den Kompressorabgabedruck beim Arbeiten der Maschine mit verkleinerter Drehzahl aufrechtzuerhalten. Zu diesem Ergebnis trägt bei, daß der Kompressor der vorgesehenen Art zufolge seiner schaufellosen Diffusorausbildung einen sehr weiten Arbeitsbereich hat.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Querschnittsfläche der düsenartigen Einlaßkanäle außerdem in an sich bekannter Weise derart geregelt, daß sie sich mit steigender Drehzahl der Maschine vergrößert.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 ist ein senkrechter Achsenschnitt durch einen mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung regelbaren Turbolader, wobei der Schnitt nach der Linie 1-1 von Fig. 2 verläuft;

Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene Ansicht gegen das Auslaßende des Turboladers;

Fig. 3 ist ein Teilschnitt nach der Linie 3-3 der Fig.l;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des Regelverfahrens gemäß der Erfindung.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Turbolader mit einem einzigen Rotor wiedergegeben, der an seinen gegenüberliegenden Seiten Kompressorschaufeln 4 und Turbinenschaufeln 6 trägt. Der Kompressor erhält seine Luft durch die Einlaßleitung 8 und fördert in einen schaufellosen Diffusor 10, der sich in einen mit Schaufeln versehenen Diffusor, wie er bei 12 angedeutet ist, fortsetzen kann oder nicht. Der dargestellte kombinierte Diffusor 10, 12 dient dazu, die radiale Abmessung des Turboladers zu verkleinern, jedoch ist es unter gewissen Umständen erwünscht, einen vollständig schaufellosen Diffusor zu haben, da das Ergebnis ist, einen breiteren Arbeitsbereich des Kompressors zu gewährleisten. Der Diffusor fördert in einen Krümmer 14, dessen Auslaß 16 mit der Einlaßleitung der zu ladenden Brennkraftkolbenmaschine in Verbindung steht.

Die Abgase der Maschine zum Antreiben der Turbine gehen durch einen Einlaß 18 in einen Krümmer 20, aus welchen sie in düsenartige Turbineneinlaßkanäle treten, welche durch Düsenschaufeln 22 begrenzt sind; der Strom der Abgase geht dann einwärts zu den Turbinenschaufeln 6 und wird schließlich durch einen Auslaßverteiler 23 abgegeben.

Die Düsenschaufeln 22 sind auf Schwenkzapfen 24 angeordnet, welche im Gehäuse befestigt sind, und an den Schaufeln 22 sind Zahnsegmente 26 befestigt, weiche mit der innenverzahnung 28 eines Ringes 30 kämmen, der in dem Gehäuse um die Achse des Rotors drehbar gelagert ist. An diesem Ring 30 ist ein Zahnsegment 32 befestigt, das mit einer verschiebbar angeordneten Zahnstange 34 kämmt. Dieser Zahnstange 34 werden gemäß nachstehender Beschreibung Längsbewegungen erteilt, um die Ouerschnittsflächen zwischen den Düsenschaufeln 22 einzustellen. Eine Verkleinerung der Düsenquerschnittsflächen vergrößer'; den Druckabfall in den von den Düsenschaufeln gebildeten Einlaßkanälen und die Geschwindigkeit der Gase, die zu den Turbinenschaufeln 6 strömen. Bei ein;-m gegebenen Druckabfall ist der Strom geringer als die Verkleinerung dieser Düsenquerschnittsflächen.

Zum Zweck des Anlassens ist ein Luftspeicher 36 vorgesehen, welcher Luft durch Hilfsdüsen 38 (Fig. 3) gegen die Turbinenschaufeln 6 abgibt, und die Luft wird dem Speicher 36 durch eine Rohrverbindung 40 aus der üblichen Hochdruckspeisequelle zugeführt, welche zum Anlassen einer Zweitakt-Dieselmaschine benutzt wird. Die Speisequelle kann die Form einer Luftflasche annehmen, in welcher ein Luftvorrat während des Arbeitens der Maschine durch einen von der Maschine angetriebenen Kompressor aufgespeichert wird, der nicht dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform

ίο einer Einrichtung zum Steuern der Maschine. Die obengenannte Zahnstange 34 ist vermittels eines Winkelhebels 57 und eines Lenkers 58 mit dem Mittelteil eines Hebels 59 verbunden, der an einem Ende eine Rolle trägt, die unter der Wirkung einer Feder 60 mit einem Nocken 61 in Eingriff treten kann, der von der üblichen Brennstoffregelzahnstange 62 getragen wird, die entweder von Hand oder selbsttätig eingestellt wird, um die Brennstoffzufuhr zur Maschine zu regeln. Die Ausführung ist derart, daß die Zahnstange 62 sich nach rechts (wie in Fig. 4 gesehen) bewegt, wenn die Brennstoffzufuhr erhöht wird, und es ist ersichtlich, daß diese Bewegung von einem Verschwenken der Düsenschaufeln 22 in einer Richtung zum Vergrößern der Ouerschnittsfläche der Einlaßkanäle begleitet ist.

Das gegenüberliegende Ende des Hebels 59 ist mit der Spindel eines üblichen Reglers 63 verbunden, der mit der Maschinenwelle getrieblich verbunden ist, und die Ausführung ist derail getroffen, daß eine Verkleinerung der Drehzahl der Maschine zu einem Verschwenken der Düsenschaufeln 22 führt, um die Querschnittsflächen der von den Schaufeln 22 gebildeten Einlaßkanäle zum Aufrechterhalten der Aufladerdrehzahl zu verkleinern.

Die insoweit beschriebene Einrichtung kann an einer üblichen Zweitaktmaschine verwendet werden.

Wenn die Maschine bei Vollast arbeitet, befindet

sich die Brennstoffregelzahnstange 62 in ihrer rechten Stellung und hält die Düsenquerschnittsflächen auf einem Maximum. Bei Vollast haben die Abgase der Maschine eine mittlere Temperatur, um den Turbolader mit vollem Leistungsvermögen in Tätigkeit zu halten, so daß er der Maschine ausreichend Luft sowohl zur Verbrennung als auch zu Spülzwecken zuführt.

Wenn die Belastung sinkt und die Brennstoffregelzahnstange 62 entweder von Hand oder selbsttätig nach links bewegt wird, werden die Düsenquerschnittsflächen verkleinert, woraus sich eine Einstellung der Turbine auf den richtigen Zustand zur Aufrechterhaltung ihres Arbeitens ergibt, indem die übliche übermäßig starke Verminderung des Druckabfalls in den Düsenkanälen mit sich verkleinernder Gasströmung vermieden wird. Das Ergebnis ist, daß das Arbeiten des Turboladers in solcher Weise aufrechterhalten bleibt, daß der Kompressorabgabedruck hoher als der Turbineneinlaßdruck ist, obgleich der Maschine weniger Luft zugeführt wird. Dies ist jedoch, wie oben ausgeführt, befriedigend, da unter Teillastbedingungen weniger Luft der Maschine zugeführt zu werden braucht, um zu verhindern, daß die Arbeitstemperatur der Maschine zu hoch wird. Dennoch wird ausreichend Luft für Spülzwecke zugeführt. Die Ausführung kann so getroffen sein, daß ein großer Bereich der richtigen Arbeitsweise bei Bedingungen gewährleistet ist, die sich von voller Belastung der Maschine bis zu ganz niedrigen Belastungen erstrecken.

Falls die Maschine eine solche mit konstanter Drehzahl ist, kann der Regler 63 in Wegfall gelangen.

ίο

Wenn die Maschine jedoch eine solche mit veränderlicher Drehzahl ist, ist es gewöhnlich erforderlich, daß der Auflader so arbeitet, daß er die notwendige Luft bei niedriger Drehzahl zuführt. Der Regler 63 spricht auf die Maschinendrehzahl an, um dieses Ergebnis zu gewährleisten. Der Regler bewegt die Düsenschaufeln 22, um die Querschnittsflächen der Einlaßkanäle zu verkleinern, wenn sich die Maschinendrehzahl verkleinert. Dadurch wird der Druckabfall in den Einlaßkanälen trotz der Verkleinerung des Abgasstromes aufrechterhalten. Dies entspricht der Forderung, die gewöhnlich an eine Maschine gestellt wird, bei niedriger Drehzahl ein höheres Drehmoment als bei hoher Drehzahl abzugeben, und was daher eine Aufrechterhaltung des Arbeitens des Aufladers erfordert.

Es wurde eine besondere Einrichtung zum Regeln der Turbineneinlaßkanäle beschrieben, jedoch ist ersichtlich, daß in Abhängigkeit von den Maschineneigenschaften und den besonderen Arbeitsbedingungen die Regelung von zahlreichen weiteren Faktoren abhängig gemacht werden kann, wie z. B. dem Druck in der Einlaßleitung, der Druckdifferenz zwischen der Einlaßleitung und dem Turbineneinlaß, der Drehzahl des Aufladers od. dgl. oder verschiedenen Kombinationen von Arbeitsbedingungen.

Es ist ersichtlich, daß bei einer üblichen Maschine das Anlaufen des Turboladers unabhängig von der Maschine durchgeführt werden muß, und weiterhin, daß die Turbine eine zusätzliche Antriebsenergie über diejenige Energie hinaus erhalten muß, die durch die Abgase bei Leerlauf oder bei sehr niedriger Belastung zugeführt wird. Dies wird durch das Einführen von Luft durch Düsen 38 (Fig. 3) zu den Turbinenschaufeln 6 gewährleistet. Wie bereits angedeutet, kann die Luft aus der üblichen Speiseluftquelle für Anlaßzwecke zugeführt werden. Bei Leerlauf kann diese Zufuhr durch Luft aus dem Kompressor erfolgen, der mit der Maschine verbunden ist und mechanisch von ihr angetrieben wird, und die auf diese Weise zugeführte Luft wird nutzbar gemacht, um zu gewährleisten, daß der Turbolader seine Arbeit fortsetzt. Der Antrieb dieses Kompressors erfordert natürlich eine gewisse Energiemenge aus dem der Maschine zugeführten Brennstoff, aber der Kompressor, der für die Zwecke der Aufrechterhaltung der Anlaufspeisung vorgesehen ist, und im vorliegenden Fall der Hilfsantrieb für den Kompressor können eine verhältnismäßig kleine Größe haben, welche imstande ist, eine kleine Menge Luft bei hohem Druck abzugeben.

Aus vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß eine Kombination aus einer Maschine und einem Auflader geschaffen ist, die so ausgeführt ist, daß sie alle Erfordernisse, die an sie bei den Bedingungen von Vollast bis zu Niedriglast, beim Leerlauf und Anlauf zu stellen sind, berücksichtigt und eine maximale Maschinenleistung beim Langsamlauf gewährleistet, wenn die Maschine eine solche mit veränderlicher Arbeitsdrehzahl ist.

Die Erfindung ist insbesondere mit Bezug auf Zweitakt-Dieselmaschinen beschrieben worden, und sie ist wegen ihrer besonderen Eigenschaften in Anwendung auf diese besonders vorteilhaft. Es ist jedoch ersichtlich, daß die Erfindung auch auf andere Maschinen einschließlich der mit Zündung arbeitenden Viertaktmaschinen anwendbar ist, bei welchen die gleiche Art von Anlaßproblemen nicht auftritt, welche jedoch bei niedrigen Belastungen Auspuffgase liefern, die einen unzureichenden Energiegehalt für den richtigen Antrieb eines Turboladers haben, der eine normale Arbeitscharakteristik bei Vollastbedingungen hat. Die gemäß der Erfindung vorgesehene Einstellung der düsenartigen Einlaßkanäle gibt dem Turbolader einen weiten Arbeitsbereich.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Regeln einer Brennkraftkolbenmaschine, welche mittels eines Kompressors aufgeladen wird, der von einer Abgasturbine mit düsenartigen Einlaßkanälen von einstellbarer Querschnittsfläche angetrieben wird, bei welchem die Querschnittsfläche der düsenartigen Einlaßkanäle gemäß dem Brennstoffverbrauch der Maschine eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einstellung in solcher Weise erfolgt, daß die Querschnittsfläche sich mit zunehmendem Brennstoffverbrauch vergrößert und mit abnehmendem Brennstoffverbrauch verkleinert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche außerdem in an sich bekannter Weise derart geregelt wird, daß sie sich mit steigender Drehzahl der Maschine vergrößert.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 490 850, 450 163;

deutsche Patentanmeldungen M 956 Ia/46f (bekanntgemacht am 31. 1. 1-952), D 8325-Ia/46b² (bekanntgemacht am 27. 11. 1952);

französische Patentschriften Nr. 1 018 006, 918 317, 914 498, 864 443, 704 677;

britische Patentschrift Nr. 700 672; schweizerische Patentschriften Nr. 227 661, 35 259.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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