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Mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit mehreren Abgasturbinen Die Erfindung
bezieht sich auf mehrzylindrige Brennkraftmaschinen, die mit zwei oder mehr Abgasturbinen
versehen sind, welche jeweils von zwei oder mehr Zylindern nach dem Stoßsystem über
einzelne Abgasleitungen oder über Abgasleitungen, in die die Auslässe von Zylindern
mit einander nicht überschneidenden Steuerzeiten einmünden, mit Abgas beschickt
werden und insbesondere mit Verdichtern für Spül- und/oder Ladeluft gekuppelt sind.
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Brennkraftmaschinen der beschriebenen Bauart sind bereits bekannt.
Der Anschluß von Mehrzylindermaschinen an zwei oder mehr Turbinen bzw. auch an zwei
oder mehr getrennte Einlässe von Turbinen ermöglicht es, eine Störung der Füllung
oder Spülung eines Zylinders durch den Druckstoß eines anderen Zylinders zu verhindern.
Dabei dürfen jedoch nur Zylinder, deren Zündzeitpunkte wenigstens 240° Kurbelwinkel
bei Viertaktmaschinen bzw. 120° bei Zweitaktmaschinen auseinander liegen, an dieselbe
Auspuffleitung angeschlosen werden, da sonst die Zylinder über den Turbineneinlaß
miteinander in Verbindung stehen. Um die kinetische Energie der Abgase möglichst
vollständig auszunutzen, ist es zweckmäßig, das Volumen der Auspuffleitungen möglichst
klein zu halten, so daß bei derartigen Maschinen die Auspuffleitungen sehr kurz
ausgeführt werden. Das führt aber dazu, daß eine große Anzahl von Abgasturbinen
verwendet wird, weil die infolge der Auswuchtung und des Schwingungsverhaltens der
Kurbelwelle festgelegte Zündfolge und damit die Lage der Zylinder nicht beliebig
geändert werden kann. Eine große Anzahl von Abgasturbinen ist jedoch sehr kostspielig
und erhöht die Anfälligkeit der Anlage.
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Es ist bekannt, bei einer Mehrzylindermaschine in V-Anordnung jeweils
vier zusammenliegende Zylinder über getrennte Turbinenkammern mit einer Abgasturbine
zu verbinden, wobei sich außerordentlich kurze Abgasleitungen ergeben. Bei dieser
Anordnung müssen aber, wenn nicht Turbinen unterschiedlicher Größe verwendet werden
sollen, in jeder Reihe eine gerade Anzahl von Zylindern vorgesehen werden. Bei Reihenmaschinen
können nur jeweils zwei Zylinder an eine Turbine angeschlossen werden, so daß die
Zahl der Turbinen sehr groß wird und außerdem bei Ausfall eines Zylinders die zugehörige
Turbine nur noch ungenügend beaufschlagt wird.
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Bei Brennkraftmaschinen mit ungerader Zylinderzahl müssen, da nicht
alle Turbinen von der gleichen Anzahl Zylinder versorgt werden können, Turbinen
unterschiedlicher Konstruktion und Größe verwendet werden, wodurch aber konstruktive
Schwierigkeiten auftreten und die Ersatzteilhaltung erschwert wird.
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Die Verwendung möglichst kurzer Auspuffleitungen ist aber insofern
anzustreben, als es dadurch möglich wird, auch im Leerlauf und sogar beim Anlassen
mit den von den Turbinen angetriebenen Verdichtern den Luftbedarf der Maschine zu
decken, ohne daß ein be-. sonderer, von der Kurbelwelle oder mit äußerer Energie
angetriebener Kolbenverdichter erforderlich wäre.
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Ziel der Erfindung ist es, in der Wahl der Anzahl der Turbinen bei
einer bestimmten Anzahl von Zylindern größere Freiheit zu erhalten, wobei aber die
Abgasleitungen möglichst kurz sein und die Turbinen bei Ausfall von einem oder mehreren
Zylindern möglichst gleichmäßig belastet bleiben sollen. Weiterhin sollen Turbinen
gleicher Größe verwendet werden und eine gegenseitige Störung der Zylinder vermieden
werden.
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Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß der Verbrennungsraum
wenigstens eines Zylinders mit wenigstens zwei getrennten Auslässen versehen ist,
von denen jeder an eine andere Abgasturbine oder Turbinenkammer angeschlossen ist.
Unter »getrennten Auslässen« sei verstanden, daß die an die Auslaßorgane angeschlossenen
Auspuffleitungen bei geschlossenen Auslaßorganen nicht miteinander in Verbindung
stehen.
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Die Verwendung getrennter Auslaßleitungen eines Zylinders ist zwar
bei Mehrzylindermaschinen bereits bekannt; bei einer Ausführung wird die nachgeschaltete
Turbine jedoch nach dem Gleichdrucksystem betrieben, und die getrennten Auslässe
jedes Zylinders sind je an gemeinsame Sammelleitungen angeschlossen, die zu getrennten
Turbinen führen. Durch diese Anordnung soll verhindert werden, daß die Turbinen
bei
Ausfall eines Zylinders ungleichmäßig beaufschlagt werden. Eine derartige Anordnung
ist bei Anwendung des Stoßsystems unmöglich, da die mit einer gemeinsamen Sammelleitung
in Vgrbindung stehenden Zylinder sich gegenseitig stören ünd damit einen Leistungsverlust
bewirken würden.
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Bei einer anderen Ausführungsform werden die getrennten Auslaßleitungen
verschiedenen Stufen derselben Turbine zugeführt. Die Leitungen sind in diesem Fall
aber untereinander nicht gleichwertig und speisen nicht gleichwertige Stufen derselben
Turbine. Die Anwendung der Erfindung bei einem oder mehreren Zylindern einer Mehrzylinderrnaschine
ermöglicht es, wenigstens einige der Auspuffleitungen. kurz zu halten und bei einer
beliebigen Anordnung mit gerader oder ungerader Zylinderzahl eine geringe Anzahl
von Abgasturbinen zu verwenden, die die gleiche Größe besitzen, so daß ein einfacherer
Aufbau der Anlage erzielt und die Störanfälligkeit herabgesetzt wird. Außerdem können
die Leistungsverluste möglichst klein gehalten werden. Durch die getrennten Auslässe
wenigstens eines- Zylinders läßt es sich erreichen, daß bei Ausfall eines oder mehrerer
Zylinder die Belastung der Turbinen etwa gleichbleibt. Die Auspuffleitungen können
wenigstens in einigen Fällen beträchtlich verkürzt werden, weil der Anschluß des
mit getrennten Auslässen versehenen Zylinders an eine näher gelegene Turbine möglich
wird.
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Nach einem weiteren Merkmal können bei einer Brennkraftmaschine mit
in der Zylinderwand angeordneten, vom Kolben gesteuerten Auslaßschlitzen diese Schlitze
in zwei oder mehr Gruppen unterteilt sein, die in je einen Auslaßraum einmünden,
wobei diese Auslaßräume nicht miteinander in Verbindung stehen und je an eine Auslaßleitung
angeschlossen sind, die zu einer Turbine oder Turbinenkammer führt.
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Andererseits können bei- einer Brennkraftmaschine mit gesteuerten
Ventilen als Auslaßorgane diese Ventile in zwei oder mehr Gruppen eingeteilt sein,
die in je einen Auslaßraum führen, wobei diese Auslaßräume nicht miteinander in
Verbindung stehen und je an eine Auslaßleitung angeschlossen sind, die zu einer
Turbine oder Turbinenkammer führt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
dargestellt und wird im folgenden im einzelnen erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine teilweise Draufsicht einer Dreizylinder-Zweitakt-Brennkraftmaschine,
versehen mit zwei Abgasturbinen, welche mit je einem Verdichter gekuppelt sind;
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1; Fig.3 ist eine schematische
Darstellung einer Siebenzylinder-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung mit vier
Turbinen-Verdichteraggregaten; Fig. 4 zeigt das Kurbeldiagramm und die Zündfolge
der Maschine nach Fig. 3; , Fig. 5 ist eine Alternative der Fig. 3 Die Maschine
gemäß den Fig. 1 und 2 ist eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Längsspülung und
unter 120° angeordneten Kurbeln. Der Kolben 1 in Fig.2 bewegt sich in einem Zylinder
oder in einer Büchse 2, die in dem Zylindermantel 3 angeordnet ist. .Nur der obere
Teil des Zylinders und des Zylindermantels ist dargestellt. Der Einlaß erfolgt durch
Schlitze in dem unteren, nicht dargestellten Teil des Zylinders 2. Der Zylinder
ist mit einem Deckel 4 verschlossen, in dem sich vier Auslaßventile 5, 6, 7, 8 befinden.
Diese werden mit Hilfe eines nicht dargestellten Mechanismus mechanisch, z. B. von
einer Nockenwelle aus, gesteuert. Sie werden von Federn 9. 10 geschlossen gehalten.
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Jeder der drei Zylinder a, b und c ist mit diesen vier Auslaßventilen
versehen, die wiederum mit getrennten Auslaßleitungen 15, 16, 17, 18 in Verbindung
stehen. Diese Leitungen sind paarweise zu gemeinsamen Auspuffleitungen, 20, 21 für
den Zylinder c. 22, 23 für den Zylinder b und 24, 25 für den Zylinder a, vereinigt.
Die Leitungen 20, 22 münden in eine Leitung 26, während die Leitungen 23, 24 in
eine Leitung 27 auslaufen.
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Die Leitungen 21 und 26 führen zu einer Turbine 30, und zwar zu einem
Einlaß 31 bzw. einem Einlaß 32 der Turbine. Diese Einlässe 31 und 32 sind getrennte
Einlässe und versorgen je eine Turbinenkammer 33 bzw. 34, die durch eine Wand 35
voneinander getrennt sind. Die Turbine 30 treibt einen Verdichter 36, dessen Auslaß
37 an eine Spül- und Aufladeluftleitung für die Maschine angeschlossen ist.
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In entsprechender Weise versorgen die Auslaßleitungen25 und 27 je
eine getrennteTurbinenkaminer der Turbine 40, welche einen Verdichter 41 treibt,
dessen Förderleitung 42 ebenfalls zur Lieferung von Spül- bzw. Aufladeluft dient.
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Die normale Ausführung einer Dreizylinder-Brennkraftmaschine wäre
wahrscheinlich die, bei der die Auslässe der drei Zylinder an eine gemeinsame Turbine
angeschlossen sind. Eine derartige Ausführung wäre gerade noch möglich, weil bei
einer Dreizylindermaschine die Auslässe um 120° versetzt sind, so daß die Druckwellen
der Auspuffe der verschiedenen Zylinder einander gerade noch nicht stören. Die Auspuffleitungen
würden dann jedoch beträchtlich lang ausfallen und demzufolge ein ziemlich großes
Volumen bekommen, so daß die kinetische Energie der Druckwellen erheblich verringert
wird, bevor die Druckwelle die Turbine erreicht. Bei der dargestellten Ausführungsform
gemäß der Erfindung sind die Leitungen bestimmt kürzer, so daß in den Turbinen 30
und 40 mehr Energie gewonnen werden kann.
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Offenbar wird es zweckmäßig sein, die beiden Turbinen-Verdichtergruppen
gleich auszuführen und dieses erfordert, daß der Auspuff von 11/z Zylindern der
einen Turbine und der Auslaß von 11/z Zylindern der anderen Turbine zugeführt wird.
Deshalb werden die Abgase des Zylinders b auf die zwei Turbinen 30, 40 verteilt.
Die Auslaßventile der Zylinder b sind jedoch nur geöffnet, wenn die Auslaßventile
der Zylinder a und c geschlossen sind, und umgekehrt, so daß keine gegenseitige
Störung der Zylinderauspuffe auftreten kann. Die Turbine 30 erhält gleichzeitig
in ihren zwei Turbinenkammern einen Druckstoß des Zylinders c und dann, 120° Kurbelwellenumdrehung
später, in der Turbinenkammer 34 noch einen halben Druckstoß des Zylinders b. Dasselbe
ergibt sich in der Turbine 40.
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Es hat sich ergeben, däß eine Zweitaktmaschine nach den Fig. 1 und
2 mit der Spül- bzw. Aufladeluft, die von den Verdichtern 36, 41 geliefert wird,
auch in Leerlauf betrieben werden kann, ohne daß noch zusätzliche, von gesonderten
Kolbenluftpumpen oder von einem gesonderten Verdichteraggregat abgegebene Luft nötig
ist. Es ergibt sich sogar, daß mit ausschließlicher Luftlieferung durch die Verdichter
36, 41 die Anlaßluft den Turbinen 30, 40 eine genügende Energie zuführt, die das
Anlassen der Maschine gewährleistet.
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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich
auf eine Maschine mit Auslaßventilen. Die Erfindung ist auch dann anwendbar,
wenn
die Auslaßorgane von in einer Zylinderwand vorgesehenen Schlitzen gebildet werden,
die von dem Kolben gesteuert werden. In diesem Falle sind diese Schlitze in zwei
oder mehrere Gruppen unterteilt, die in je einen Auslaßraum einmünden, wobei diese
Auslaßräume nicht miteinander in Verbindung stehen und an je eine zu einer Turbine
oder Turbinenkammer führenden Auslaßleitung angeschlossen sind.
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Die Siebenzylinder-Brennkraftmaschine gemäß den Fig. 3 und 4 ist mit
vier Turbinen A, B, C und D versehen. Die Zylinder sind mit 1 bis 7 bezeichnet.
Mit Rücksicht auf die Forderung, daß nur Zylinder, deren Zündzeitpunkte wenigstens
120° Kurbelwinkel auseinander liegen, an ein und dieselbe Turbine angeschlossen
werden können (es handelt sich hier um eine Zweitaktmaschine), können die Zylinder
2 und 3 wie auch die Zylinder 5 und 6 ohne weiteres an eine Turbine angeschlossen
werden, in diesem Fall an die Turbine B bzw. C. Die dazu dienenden Verbindungsleitungen
sind in Fig. 3 dargestellt.
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Wenn man nun an die Turbine A den Zylinder 1 anschließt und an die
Turbine D den Zylinder 7, so kann das Abgas des Zylinders 4 auf diese beiden Turbinen
A und B verteilt werden. Der Zylinder 4 ist mehr als 120° Kurbelwellenumdrehung
versetzt, sowohl bezüglich des Zylinders 1 als auch des Zylinders 7, aber die Zylinder
1 und 7 sind nur um etwa 51° gegeneinander versetzt. Man muß also dafür sorgen,
daß der Auspuff des Zylinders 1 den Auspuff des Zylinders 7 über die Auslässe des
Zylinders 4 nicht stört, oder umgekehrt. Es ist deshalb nötig, daß erfindungsgemäß
der Zylinder 4 getrennte Auslässe aufweist. Wenn nämlich von den Zylindern 1 bzw.
7 die Auslaßorgane offen sind, sind die Auslässe des Zylinders 4 geschlossen, und
deshalb können dann die beiden erstgenannten Zylinder einander nicht über die Auspuffleitungen
50, 51 des Zylinders 4 stören. Es ist auch erwünscht, daß die Zylinder 1 und 7 getrennte
Auslässe aufweisen, weil sonst ein von dem Auslaß des Zylinders 4 kommender Druckstoß
sich über die Leitung 50 durch den Zylinder 1 hindurch und über die Leitungen 52
und 53 fortpflanzen könnte. Dieses würde in jedem Fall einen Energieverlust darstellen
und könnte insbesondere für die Turbine A ungünstig sein. Man kann sogar sagen,
daß die halbe Auspuffleistung, die der Zylinder 4 liefert, in jedem Fall nur die
Hälfte der Turbine A belasten darf, mit anderen Worten, nur die eine Turbinenkammer
54 beaufschlagen darf. Hätten die Zylinder 1 keine getrennten Auslässe, so würde
diese Energie über die Leitungen 52 und 53 auch in die Turbinenkammer 55 gelangen.
Die Durchtrittsquerschnitte der Turbine A wären dann nicht mehr richtig dimensioniert.
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Dasselbe gilt offenbar auch für die Turbine D, soweit diese von der
halben Abgasmenge des Zylinders4 beaufschlagt wird.
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Aus dem Obenstehenden geht schon hervor, daß wenigstens die Turbinen
A und D auch getrennte Einlässe aufweisen müssen, d. h. in einzelne
Turbinenkammern unterteilt sein müssen.
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Dabei sei bemerkt, daß in gewissen Fällen, die von dem der Fig: 3
und 4 abweichen, die Unterteilung der Turbinen auch in einem anderen Verhältnis
als 1 : 1 erfolgen kann. Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 ist, wie gesagt, ein getrennter
Auslaß für den Zylinder 4 notwendig und für die Zylinder 1 und 7 wenigstens sehr
erwünscht, und dieses ist in dem Schema gemäß Fig. 3 durch die Teilungen 56, 57,
58 angegeben. Die Unterteilung der Turbinen A und D ist durch die
Teilungen 59, 60 dargestellt.
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Es ist klar, daß man es in der Praxis mit Rücksicht auf die Gleichheit
der Konstruktion vorziehen wird, auch die Zylinder 2, 3, 5 und 6 mit getrennten
Auslässen und die Turbinen B und C mit getrennten Einlässen zu versehen.
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Es ist selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße Prinzip in vielen
Fällen angewandt werden kann. Gegebenenfalls könnte die Trennung der Auslässe eines
Zylinders auch mit Rückschlagventilen erzielt werden. So könnte der Zylinder 4 nach
Fig. 3 in derselben Weise wie in Fig. 5 mit einem Auslaß 61 versehen sein, wobei
in den Abzweigungen 50, 51 Rückschlagventile 64, 65 angeordnet sind, die eine Rückströmung
in der Richtung auf den Auslaß 61 verhindern. In der Leitung 52 könnte sich dann
ebenfalls ein Rückschlagventil 66 befinden.