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Brennkraftkolbenmaschine mit einem von einer Abgasturbine angetriebenen
Kompressor Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftkolbenmaschinen, die mit einem
Turbolader, d. h. einem von einer Abgasturbine angetriebenen Kompressor ausgerüstet
sind.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf B-rennkraftkolbenmaschinen
mit einem von einer Abgasturbine angetriebenen Kompressor und mit Düsen, welche
Abgase aus den Zylindern der Maschine aufnehmen und sie in einen aus in Strömungsrichtung
streckenweise querschnittserweiterten Einzelabschnitten zusammengesetzten gemeinsamen
Kanal abgeben, dem zur Aufnahme der Abgase ein Diffusor nachgeschaltet und eine
Ausgleichskammer zur Aufnahme und Weiterleitung von Abgasen durch den gemeinsamen
Kanal hindurch an die Turbine zugeordnet ist.
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Bei einer bekannten Brennkraftkolbenmaschine dieser Art besteht jeder
der Einzelabschnitte des die Abgase der Maschinenzylinder aufnehmenden gemeinsamen
Kanals aus einem Rohrstück, das sich in einem an der Einmündungsstelle der mit dem
betreffenden Maschinenzylinder verbundenen Düse beginnenden Teil allmählich erweitert,
sich dann aber in dem anschließenden Teil plötzlich verengt. Auf Grund dieser sich
abwechselnd erweiternden und plötzlich verengenden Gestalt der aufeinanderfolgenden
Abschnitte des gemeinsamen Kanals erfolgt in jedem Abschnitt zunächst eine Umwandlung
der kinetischen Energie in Druckenergie und dann wieder eine Umwandlung der Druckenergie
in kinetische Energie. Diese mehrfachen Energieumwandlungen in dem gemeinsamen Kanal
bedingen große Verluste, die den Wirkungsgrad beträchtlich herabsetzen.
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Brennkraftkolbenmaschine
der eingangs genannten Art, die solche Energieverluste dadurch vermeidet, daß die
kinetische Energie der durch die Düsen in den gemeinsamen Kanal eintretenden Abgase
der Maschinenzylinder über die ganze Länge des gemeinsamen Kanals aufrechterhalten
wird, so daß die Ab-
gase durch den gemeinsamen Kanal mit hoher Geschwindigkeit
strömen, während die durch die Ausgleichskammer umlaufenden Abgase eine geringe
Geschwindigkeit haben.
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Gemäß der Erfindung ist eine Brennkraftkolbenmaschine der obengenannten
Art dadurch gekennzeichnet, daß sich die Querschnittserweiterung jeweils übe#r die
volle Länge der Kanaleinzelabschnitte erstreckt und die Aufeinanderfolge der Einzelabschnitte
einen an sich bekannten, im wesentlichen sich zügig erweiternden Verlauf des gemeinsamen
Kanals ergibt.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsforin der Erfindung bilden die Ausgleichskammer
und der gemeinsame Kanal zusammen in an sich bekannter Weise eine endlose Leitung,
in welcher die Abgase umlaufen können, bevor sie zu der Turbine strömen.
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Es ist -eine Brennkraftkolbenmaschine bekannt, die mit einem Ladekompresser
ausgerüstet ist, der durch eine von den Abgasen der Zylinder der Maschine beaufschlagten
Turbine angetrieben wird. Bei dieser bekannten Maschine werden die Abgase durch
primäre Düsen hindurch in einen gemeinsamen ringförmigen Kanal geführt, in dem die
intermittierenden Gasmengen unter Aufrechterhaltung ihrer kinetischen Energie mit
hoher Geschwindigkeit kreisen und aus den Teilmengen dieses kreisenden Gasstromes
mit hoher Geschwindigkeit in sekundäre Düsen gelangen, welche die aufgenommenen
Gase der Turbine in kontinuierlichem Strom zuführen. Bei dieser bekannten Maschine
werden die Abgase der Zylinder nicht in einen sich in Strömungsrichtung erweiternden
gemeinsamen Kanal geführt, dem ein Diffusor zur Aufnahme der Abgase nachgeschaltet
ist und dessen Enden über eine Ausgleichskammer miteinander in Verbindung stehen,
durch welche aus dem gemeinsamen Kanal aufgenommene Abgase mit geringer Geschwindigkeit
umlaufen.
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Es ist ferner eine Einrichtung zur verbesserten Ausnutzung der Energie
der Abgase von zum Antrieb
von Luftfahrzeugen dienenden Brennkraftmaschinen
bekannt, bei welcher die Abgase der einzelnen Zylinder entgegengesetzt der Bewegungsrichtung
des. Luftfahrzeuges über je einen besonderen, mit einer Düse ve,rsehenen
Abgaskanal ins Freie austreten und dabei unter Erzeugung von Rückstoßleistung auf
den Außendruck entspannt werden und bei welcher mindestens zwei Düsen über Verbindungsleitungen
in eine gemeinsame Sammelleitung münden, deren Querschnitt an jeder Stelle größer
als jeder Düsenaustrittsquerschnitt ist, wobei die Abgase in den Düsen auf den Außendruck
entspannt werden. Diese bekannte Rückstoßeinrichtung arbeitet somit in grundsätzlich
anderer Weise als die mit einem voneiner Abgasturbine angetriebenen Kompressor ausgerüsteten
Brennkraftkolbenmaschine gemäß der Erfindung.
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Bei einer Brennkraftkolbenmaschine, bei welcher jeder Zylinder wenigstens
ein Paar Auspufföffnungen aufweist, welche derart angeordnet sind, daß sie während
des Auspuffhubes des Kolbens die Gase aufeinanderfolgend abgeben, ist gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung die Anordnung so getroffen, daß die sich während
des Auspuffhubes des Kolbens zuerst öffnenden Auspufföffnungen über jedem Zylinder
in an sich bekannter Weise zugeordnete Düsen Abgase in den gemeinsamen Kanal austreten
lassen, um in diesem einen Gasstrom hoher Geschwindigkeit herbeizuführen, und daß
die sich zuletzt öffnenden Auspufföffnungen Abgase in die Ausgleichskammer austreten
lassen, aus welcher die Abgase in den gemeinsamen Kanal durch dessen eines Ende
sowie durch Spalten zwischen den Einzelabschnitten hindurch in Richtung des durch
den gemeinsamen Kanal zur Turbine gehenden Gasstromes weiterströmen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielsweise
näher erräutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
einer mit Turbolader ausgerüsteten Zweitaktdieselmaschine, an welcher die Erfindung
verkörpert ist; Fig, 2 zeigt in Seitenansicht eine Zweitaktdieselmaschine mit entgegengesetzt
arbeitenden Kolben; Fig. 3 ist ein waagerechter Schnitt nach der Linie III-111
von Fig. 2; Fig. 4 ist ein senkrechter Teilschnitt nach der Linie IV-IV von Fig.
3;
Fig. 5 ist ein schematischer Schnitt durch einen Zylinder einer
Zweitaktdieselmaschine mit Schleifen-Spülung.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist eine Achtzylinder-Zweitaktdiesehnaschine,
bei welchei jeder Zylinder nur eine einzige Auspufföffnung hat, mit einem Turbolader,
d. h. einem von einer Turbine angetriebenen Luftkompressor vereinigt. Die
von dem Kompressor gelieferte Luft strömt von dessen Auslaß 16 über einen
Kühler 43 und eine Einlaßleitung 44 in die Zylinder der Maschine 42. Die Auslaßöffnungen
der Zylinder sind mit 46 bezeichnet.
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Über die ganze Länge der Auspuffseite der Maschine 42 erstreckt sich
ein Abgasführungsraum 47, der innen mit einer Auskleidung 48 und einer Isolation
49 und außen mit einem Wassermantel 50 versehen ist. Innerhalb des Abgasführungsraumes
47 ist an jede Zylinderauspufföffnung 46 eine Düse 53 angeschlossen, die
in ein Rohrstück 51 mündet, das in Stromrichtung über seine ganze Länge schwach
divergiert. Diese Rohrstücke 51 sind, wie aus Fig. 1 ersichtlich,
ineinandergeschachtelt und bilden aufeinanderfolgende Einzelabschnitte eines geraden,
durchgehenden gemeinsamen Kanals 52, der sich somit im Querschnitt von seinem
Anfang bis zu seinem Ende im wesentlichen zügig erweitert.
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Die Düsen 53 sind derart ausgebildet, daß sie den pulsierenden
Anteil der Energie der durch sie hindurchgehenden Auspuffgase jedes Zylinders in
kinetische Energie umwandegn, und der sich über seine ganze Länge zügig erweiternde
gemeinsame Kanal 52
gewährleistet, daß diese kinetische Energie durch den
ganzen Kanal hindurch erhalten bleibt und in dem Kanal ein Strom hoher Geschwindigkeit
erzeugt wird.
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Dem gemeinsamen Kanal 52 ist ein Diffusor 54 nachgeschaltet,
der die Abgase aus dem Kanal aufnimmt, ihre hohe Geschwindigkeit herabsetzt und
ihre kinetische Energie in Druckenergie umwandelt. Ein Teil der aus dem Diffusor
54 austretenden Ab-
gase tritt in den Turbinen-einlaß 18 und strömt
aus diesem in die Beschaufelung der Turbine. Der Rest der aus dem Diffusor 54 austretenden
Abgase gelangt in eine den gemeinsamen Kanal 52 umgebende Ausgleichskammer
55, durch welche diese Abgase mit geringer Geschwindigkeit, aber erhöhtem
Druck strömen und durch eine Düse 56 am Ende des gemeinsamen Kanals wieder
in diesen eintreten, so daß die Ausgleichskammer 55 und der gemeinsame Kanal
52
zusammen eineendlose Leitung bilden, in welcher die Abgase umlaufen können,
bevor sie zu der Turbine strömen.
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Da der von den Gasen mit hoher Geschwindigkeit durchströmte Kanal
52 (und auch die Maschinenauspufföffnungen) durch die Düse 56 an seinem
hinteren Ende und durch den Diffusor 54 an seinem vorderen Ende mit der Ausgleichskaminer
55 in direkter Verbindung steht, müssen der Gesamtdruck in dem Kanal
52 und der Druck in der Ausgleichskammer 55
gleich sein. Daraus, daß
die Gase die Ausgleichskammer aber mit sehr kleiner Geschwindigkeit durchströmen,
ergibt sich, daß der statische Druck in dem Kanal 52 um den Betrag der dynamischen
Geschwindigkeitsspitze niedriger sein muß. Die Maschine pufft daher gegen, einen
kleineren statischen Druck aus, als er am Turbineneinlaß vorhanden ist. Mit anderen
Worten ausgedrückt, die Einrichtung 52, 55 erzeugt eine größere Druckdifferenz
zwischen der Einlaß- und Auslaßleitung der Maschine, als sie der Turbolader allein
hervorbringen kann. Dies wird durch die Ausnutzung des pulsierenden Anteilles der
Auspuffenergie bewirkt, die andernfalls sowohl in der Maschine als auch in der Turbine
verlorengehen würde. Dieser pulsierende Anteil der Auspuffenergie wird dazu ausgenutzt,
in dem Kanal 52 die hohe Geschwindigkeit zu erzeugen und aufrechtzuerhalten,
mit dem Ergebnis, daß im ersten Teil der Auspuffphase in jedem Zylinder eine Injektorwirkung
und im letzten Teil eine Eduktorwirkung herbeigeführt wird, wenn die vorgenannte
hohe Geschwindigkeit die restlichen Auspuffgase aus den Zylindern heraussaugt.
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Durch die in Fig. 1 wiedergegebene Gasumlaufeinrichtung erfolgt
eine gleichförinige Zufuhr der Auspuffgase zurTurbine. Diejenigen Zylinder, deren
Auspufföffnung gerade geöffnet sind, geben Abgas unter hohem Druck in die Düsen
53 ab, in denen eine Umwandlung in Geschwindigkeit erfolgt, um einen Gasstrom
von hoher Geschwindigkeit durch den Kanal 52 hindurch zu erzeugen. Andere
Zylinder können sich zu dem gleichen Zeitpunkt in den Spülphasen ihrer Kreisläufe
befinden, und der hohe Geschwindigkeitsstrom
im Kanal
52 übt auf diese Zylinder eine Saugwirkung aus, wodurch der Rückdruck auf
sie verkleinert und die Spülwirkung durch Erhöhen des Druckabfalles zwischen dem
Einlaß und dem Auslaß der Zylinder- erhöht wird. Ein umlaufender Strom wird gemäß
vorstehender Beschreibung in der durch die Teile 52, 54, 55
und 56 gebildeten endlosen Leitung aufrechterhalten, und aus diesem Strom
werden die Gase abgezogen, die zum Antrieb der Turbine des Turboladers erforderlich
sind.
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Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform ist für Zweitaktmaschinen
gut geeignet, z. B. solche mit Auslaßventilen in den Zylinderköpfen, bei welchen
die Auslaßgase aus jedem Zylinder durch eine. einzige Öffnung abgegeben werden.
Andere Zweitaktdieselmaschinen sind jedoch mit zwei Auspufföffnungen für jeden Zylinder
versehen, wobei sich der Ausdruck »Öffnung« auf unabhängige Leitungen im Gegensatz
lediglich zu einer Mehrzahl von Öffnungen bezieht, welche in eine gemeinsame Leitung
abgeben. Die Anwendung des oben beschriebenen Impulsumwandlungsprinzips bei -einer
solchen Maschine würde daher zwei vollständige Impulsumwandlungseinrichtungen erfordern,
eine für jeden Satz von Auspufföffnungen, die gewöhnlich auf gegenüberliegenden
Seiten des Zylinde#rblockes angeordnet sind. Dies würde den Nachteil voin Komplikationen,
erhöhten Kosten, erhöhter Reibung und erhöhter Wärmeverluste zufolge der größeren
Flächen mit sich bringen, wenn der gleiche Gewichtsstrom in zwei mit hoher Geschwindigkeit
arbeitenden Einrichtungen statt in einer einzigen gesteuert würde; weiterhin würde
die Notwendigkeit, die Zwillingsauspuffeinrichtungen mit einem einzigen Turbineneinlaß
zu verbinden, zusätzliche Komplikationen und zusätzliche Wärme- und Strömungsverluste
mit sich bringen.
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Im nachstehenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 3 und
4 die Anwendung der Erfindung auf eine Zweitaktdieselinaschine mit entgegengesetzt
arbeitenden Kolben beschrieben, bei welcher jeder Zylinder zwei Auspufföffnungen
aufweist. Die in Fig. 2 allgemein mit 70 bezeichnete Maschine weist die üblichen
Auspufföffnungen in Verbindung mit einem der Kolben (dem unteren) und Einlaßöffnungen
auf, welche dem anderen, oberen Kolben jedes Zylinders zugeordnet sind. Von dieser
Maschine wird nur so viel beschrieben, als zum Verständnis der Anwendung der Erfindung
erforderlich ist; es sei be-
merkt, daß, abgesehen von gewissen Änderungen,
die Maschine von üblicher Ausführung ist.
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An der Maschine 70 ist ein Turbolader 72 angeordnet,
dessen Kompressor durch seinen Ausilaß 16'
komprimierte Luft in ein Rohr 74
ab,- gibt, das mit einer Luftverteilerkammer 76 in Verbindung steht, die
gegebenenfalls einen Zwischenkühler enthalten kann. Die Auspullfgase der Maschine
gelangen in die im
Turbine durch deren Ein-laß 18'.
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Fig. 4 zeigt den unteren Kolben 78 in einem der Zylinder
80 in seiner äußeren Totpunktstellung. Zwei Sätze von Auspufföffnungen sind
in üblicher Weise bei einer solchen Ausführung vorgesehen; sie sind bei
82 und 84 dargestellt. Außerdem ist ein zusätzlicher Satz von Auspufföffnungren
86 an einer Seite jedes Zylinders -vorgesehen.
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Die Auspufföffnungen 82 stehen mit einer Auspuffleitung
88 in Verbindung, welche sich längs der entsprechenden Seite der Maschine
erstreckt. Diese Auslaßleitung 88 ist mit einem Wassermantel 90 und
mit einer inneren Auskleidung 92 versehen, welche von der Leitungswandung
durch eine Isolation 94 getrennt ist, um Wärmeverluste aus den Auspuffgasen zu vermeiden.
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Die Öffnungen 84 des anderen Satzes stehen mit einer zweiten Auspuffleitung
96 in Verbindung, welche mit einer inneren Auskleidung 98 und einer
Isolation 100 versehen ist, um Wärmeverluste aus den Auspuffgasen zu verhindern.
Diese Leitung 96 ist weiterhin außen mit einem Mantel 102 für Kühlwasser
versehen. Es sind auf diese Weise zwei getrennte Durchgänge 104 und 106 vorgesehen,
welche die Abgase aus den jeweiligen öffnungen 82 und 84 aufnehmen, und diese
Durchgänge sind, wie beschrieben, wärmeisoliert.
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Dem dritten Satz von öffnungen 86, die durch den unteren Kolben
während seines Abwärtshubes freigelegt werden-, bevor die öffnungen 82 und
84 freigelegt werden, sind Schaufeln 108 zugeordnet, die, wie aus Fig.
3 ersichtlich ist, Düserheitungen schaffen, welche die aus den Öffnungen
86 austretenden Auspuffgase in eine Richtung nach rechts (gemäß Fig.
3)
lenken, wobei die Wärme- und Druckenergie der Auspuffgase in hohe Geschwindigkeit
umgewandelt wird. Die auf diese Weise geschaffenen Düsenleitungen fördern die Abgase
in eine Reihe von aneinandergrenzenden Rohrstücken 110, welche die Abschnitte
des gemeinsamen Kanals 107 bilden. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist,
haben die rohrförmigen Abschnitte 110
einen schwach konischen Verlauf, so
daß der von ihnen gebildete gemeinsame Kanal 1.07 sich von links nach rechts
(gemäß Fig. 3), d. h. in Richtung der durch den Kanal hindurchgehenden Strömung,
zügig erweitert. Jeder der rohrförmigen Kanalabschnitte 11-0 mit Ausnahme
des äußersten linken, ist mit einei sich konisch erweiternden Öffnung 112 'versehen,
die in den einen Durchgang 106 mündet, welcher die Ausgleichskammer bildet.
Der äußerste linke Ab-
schnitt 110 des gemeinsamen Kanals
107 ist zu der Ausgleichskammer 106 offen, wie dies bei lil Angel
deutet ist. Die durch die RPihe der Abschnitte 110
des gemeinsamen Kanals
107 strömenden Abgase gelangen in einen Diffusor 114, aus dem sie in den
Turbineneinlaß 18' treten. Der Diffusor 114 ist an seinem Einlaßende ebenfalls
mit einer sich konisch erweiternden öffnung 116 versehen, um aus der Ausgleichskammer
106 Gase aufzunehmen. Eine Leitung 118
verbindet die Ausgleichskammer
106 und den anderen Durchgang 104 an dem einen Ende der Maschine.
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Die Gase von hoher Temperatur und hohem Druck, die durch die Hochdrucköffnungen
86 abgegeben werden, enthalten praktisch die gesamte im Auspuff zur Verfügung
stehende pulsierende Energie. Diese pulsierende Energie wird in den durch die Schaufeln
108 gebildeten Düsen, welche den Auspuffgasstrom von hoher Geschwindigkeit
in den durch die Rohrstück-e 110 gebildeten, sich zügig erweiternden gemeinsamen
Kanal 107 für hohe Geschwindigkeit richten, in kinetische Energie umgewandelt.
Die als Ergebnis der vorgenannten Nutzbarmachung der pulsierenden Auspuffenergie
erhaltene hohe Geschwindigkeit erzeugt an den Öffnungen 111, 112 und
116 eine Saugwirkung, durch welche Auspuffgase in den gemeinsamen Kanal aus
der ihn umgebenden Ausgleichskammer 106 hineingezogen werden.
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Die Niederdruckzylinderöffnungen 82 und 84 werden durch die
Kolben freigelegt, nachdem der größte Teil der pulsierenden Auspuffenergie verbraucht
worden
ist, so daß der Druck und die Temperatui der aus ihnen austretenden Gase verhältnismäßig
niedrig sind. Die aus den Niederdruckzylinderöffnungen 82 und 84 austretenden
Gase sind daher aus Restauspuffgas und überschüssiger Spülluft zusammengesetzt.
Der von ihnen gebildete Strom geht durch die Leitungen 88 und 96 mit
geringer Geschwindigkeit hindurch, und diese Gase werden in den von den Rohrstücken
110 gebildeten gemeinsamen Kanal für hohe Geschwindigkeit hineingesaugt und
darin beschleunigt. Sie treten schließlich in den Diffusor 114 am stromabwärtsseiti#gen
Ende des gemeinsamen Kanals ein. Der Diffusor 114 dient dazu, die hohe Geschwindigkeit
teilweise in einen Druckanstieg umzuwandeln.
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Fig. 5 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung auf eine
Maschine mit Schleifenspülung. Jeder Kolben 120 arbeitet in einem Zylinder 122,
der nur nahe der unteren Totpunktstellung des Kolbens mit Öffnungen versehen ist.
Die Lufteinlaßöffnungen124 werden mit Luft aus dem Turbolader durch eine Leitung
126 gespeist. Die Niederdrucköffnungen 128 sind so angeordnet, daß
sie in eine Niederdruckleitung 130 auspuffen, die der Ausgleichskammer
106 der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform entspricht. Die Hochdrucköffnungen
1.32, die vor den Niederdrucköffnungen 128 geöffnet werden, puffen
durch Düsen 133 in eine Leitung 134 aus, die dem gemeinsamen Kanal
107 bei der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform entspricht. Die Arbeitsweise
der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist in jeder Beziehung derjenigen der Ausführungsform
gemäß den Fig. 2 bis 4 ähnlich, und daher ist eine nähere Beschreibung nicht notwendig.
Der einzige Unterschied ist der schleifenförmige Weg der Spül-
luft in den
Zylinder und dann zu den Auslaßöffnungen.