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Brennkraftmaschine zur Andrehturbine und Abgasturbolader Die Erfindung
betrifft eine Brennkraftmaschine mit Andrehturbine und Abgasturbolader, der eine
eigene Andrehvorrichtung und eine Brennkammer aufweist, welche vom Lader mit Druckluft
versorgt werden und welche die Abgasturbine mit Gas versorgen kann.
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Derartige Brennkraftmaschinen sind bekannt. Bei ihnen ist mit der
Brennkraftmaschine ein Turboverdichter gekuppelt, dessen Turbine durch die Abgase
der Brennkraftrnaschine angetrieben wird, wobei ihr Eimaß mit dem Auslaßsammelrohr
verbunden ist, während der Auslaß des Verdichters an. das Einlaßsammelrohr der Brennkraftmaschine
angeschlossen ist. Außerdem ist eine Brennvorrichtung vorgesehen, deren Abgase beim
Anlassen der Brennkraftmaschine die Turbine des Turboverdichters antreiben. Dabei
liefert der Verdichter der Brennvorrichtung die notwendige Luft. Zum Anlassen des
gesamten Maschinenaggregats ist ein elektrischer Anlaßmotor vorgesehen, der zunächst
den Turboverdichter antreibt, wobei dessen Welle noch nicht mit der Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine gekuppelt ist. Dieses erste Anlassen ist erforderlich, um
die Brennvorrichtung in Betrieb nehmen zu können, die danach die Antriebsenergie
für den Turboverdichter liefert. Nach der Inbetriebnahme der Brennvorrichtung kann
der Anlaßmotor abgeschaltet und die Turbinenwelle mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
gekuppelt werden, um letztere in Betrieb zu setzen.
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Nach der Erfindung ist diesen bekannten Maschinenanlagen gegenüber
die Andrehturbine entweder vom Lader mit Druckluft und/oder von der Brennkammer
mit Gas beaufschlagbar. Diese Andrehturbine weist Betriebseigenschaften auf, die
besondere Vorteile gegenüber den bekannten Anlagen bietet, denn bei einer Brennkraftmaschine
nach der Erfindung befindet sich zwischen dem Turboverdichter und der Brennkraftmaschine
kein mechanisches Verbindungsglied in Gestalt einer ausrückbaren Kupplung od. dgl.
Ein solches Glied ist bei den bekannten Anlagen vorhanden, und eine Brennkraftmascbine
nach der Erfindung wird deshalb einfacher. Aber auch die Betriebseigenschaften sind,
wie bereits erwähnt, günstiger.
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Wird nämlich eine Starteranlage der bekannten Bauart eingeschaltet,
und ist der Tuboverdichter auf die Brennvorrichtung geschaltet, so muß die Kupplung
zwischen Turbinenwelle und Kurbelwelle der Brennkraftmaschine eingeschaltet werden.
Hierbei sinkt die Drehzahl des Turboverdichters sogleich ganz beträchtlich, und
das zum Anlassen verfügbare Drehmoment verringert sich entsprechend. Bei einer Brennkraftmaschine
nach der Erfindung jedoch wird der Turboverdichter, sobald er die Drehzahl erreicht
hat, bei der die Brennvorrichtung in Betrieb genommen werden kann, aus der Brennvorrichtung
betrieben, und man kann die Turbine durch die vom Verdichter gelieferte Luft antreiben
lassen. Hierbei ergibt sich keine nennenswerte Verringerung der Verdichterdrehzahl.
Dementsprechend ist auch das an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abgegebene
Drehmoment nahezu gleich dem Maximalwert, so daß die Brennkraftmaschine sehr viel
schneller auf ihre Anlaßdrehzahl gebracht werden kann.
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Diese Vorteile machen sich besonders bemerkbar, wenn die Brennkraftmaschine
unter besonders ungünstigen Umständen betrieben werden soll. Beim Starten von solchen
Brennkraftmaschinen, z. B. Dieselmaschinen, unter extrem kalten Bedingungen ist
ein. hohes Anwurf-Drehmoment erforderlich wegen der hohen Viskosität des kalten,
zwischen den bewegten Teilen befindlichen ölfilms. Abgesehen von diesem hohen, beim
Anwerfen der Brennkraftmaschine aufzuwendenden Drehmoment kann es sein, daß der
Ladedruck der Maschine niedrig ist, was. insbesondere in Betracht kommt, wenn eine
normalerweise mit überdruck arbeitende Maschine ohne
diesen überdruck
starten muß. Außerdem arbeitet bei Kälte die elektrische Anlage schlechter, insbesondere
weisen die Batterien eine wesentlich niedrigere Leistung auf.
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Auch unter diesen ungünstigen Umständen hat sich eine Maschinenanlage
nach der Erfindung bewährt. In an sich bekannter Weise sind ferner Mittel vorgesehen,
um die Andrehturbine selbsttätig von der Brennkraftmaschine abzukuppeln, sobald
diese mit eigener Kraft läuft.
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In den Verbindungsleitungen zwischen der Andrehturbine und seiner
Luft- bzw. Gasquelle ist zweckmäßig je ein Absperrventil vorgesehen. Außerdem ist
in der Eintrittsleitung der Brennkammer ein Absperrventil angeordnet, um den Zuftuß
von Luft aus dem Verdichter unterbrechen zu können.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden
Beschreibung einer in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsform hervor; diese
Zeichnung zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine, die mit einer durch eine Gasturbine
betriebenen Starteranlage ausgestattet ist.
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Die Brennkraftmaschine, die bei dem zu beschreibenden Ausführungsbeispiel
von einer Dieselmaschine gebildet wird, weist einen Zylinderblock 1 auf, dessen
Einlaßöffnungen 2 mit einer Leitung 3 verbunden sind, während die Auslaßöffnungen
12 an eine Auspuffleitung 11 angeschlossen sind.
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Die Einlaßleitung 3 ist an den Auslaß 4 eines Verdichters 5 angeschlossen,
der zusammen mit einer Turbine 8 einen Turbolader bildet. Der Einlaß 9 der Turbine
8 ist mit der Auspuffleitung 11 verbunden. Der Verdichter 5 und die Turbine 8 sind
durch eine Welle 7 miteinander verbunden, und der Verdichter 5 steht über eine Kupplung
14 mit einer Andrehvorrichtung 13 in Verbindung. Der Einfachheit halber ist diese
als eine von Hand zu betätigende Einrichtung veranschaulicht; es ist aber klar,
da.ß sie auch elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch angetrieben werden kann.
Auch die Kupplung 14 ist nur schematisch veranschaulicht; auch sie kann durch eine
mechanische, elektrische oder pneumatische Einrichtung ersetzt sein, die geeignet
ist, die Andrehvorrichtung 13 mit dem Turbolader bzw. seiner Welle 7 nur während
des anfänglichen Startvorganges zu kuppeln.
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Eine Brennkammer 15 ist mit einer regelbaren Brennstoffzufuhrleitung
16 versehen und mit der Einlaßleitung 3 mittels einer Leitung 17 verbunden, in der
sich ein Absperrventil 18 befindet. Der Aussaß der Brennkammer 15 steht über
eine Leitung 19 mit der Auspuffleitung 11 in Verbindung.
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Ferner zweigt von der Einlaßleitung 3 eine Leitung 23 ab, die ein
Absperrventil 24 aufweist und an den Einsaß einer pneumatischen Turbine 21 angeschlossen
ist, deren Welle 25 mittels eines Untersetzungsgetriebes 26 mit einem Ritzes 27
in Verbindung steht, das mit einem gezahnten Schwungrad 28 auf der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine 1 kämmt. Das Ritzes 27 und das Schwungrad 28 sind so ausgebildet
und angeordnet, daß sie nur während des Andrehvorgangs miteinander im Eingriff stehen
und außer Eingriff gebracht werden, sobald die Maschine mit eigener Kraft läuft.
Gegebenenfalls kann der Ritzelantrieb durch einen. elektrischen oder hydraulischen
Antrieb ersetzt werden. In der Zeichnung sind die Ventile 18 und 24 schematisch
als von Hand bedienbare Ventile veranschaulicht, die dazu dienen, die entsprechenden
Leitungen 17 und 23 absperren zu können; es ist aber einleuchtend, d'aß gegebenenfalls
diese Ventile auch durch elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigte Ventile
ersetzt werden können.
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Von der Auspuffleitung 11 zweigt eine Leitung 30 ab, in der sich ein
überströmventil 31 befindet, das derart regelbar ist, daß über den ganzen Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine ein konstanter Leitungsdruck aufrechterhalten wird. Dieser
Regelvorgang wird erleichtert durch die Wahl eines kleinen Düsenquerschnitts für
die Turbine 8 des Turboladers.
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Die Anlage arbeitet wie folgt: Soll die Brennkraftmaschine angedreht
werden, so wird zunächst das Ventil 18 (bei geschlossenem Ventil 24) geöffnet; dann
wird dieAndrehvorrichtung 13 betätigt und unter Vermittlung der eingerückten Kupplung
14 der Turbolader inDrehung versetzt. Aus demAuslaß desVerdichters5 wird verdichtete
Luft der Brennkammer 15 durch die Leitung 17 zugeführt. Diese Luft mischt sich mit
dem Brennstoff, der durch die Einlaßleitung 16 zugeführt und in der Brennkammer
gezündet wird; die Verbrennungsprodukte gelangen durch die Leitung 19 in die Auspuffleitung
11 und treiben die Turbine 8 des Turboladers an, der nunmehr beschleunigt wird.
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Es wird nunmehr die Andrehvorrichtung 13 abgekuppelt; der Turbolader
6 wird weiterhin beschleunigt, bis er seine volle Drehzahl erreicht hat; das Uberströmventil
31 sorgt dafür, daß die Andrehzahl des Turboladers so groß ist, daßdererforderliche
Druck in der Einlaßleitung 3 aufrechterhalten wird. Ist dieser Zustand einmal erreicht,
so kann die Andrehturbine 21 durch Öffnen des Ventils 24 in Betrieb gesetzt werden,
die über das Ritze127 und das gezahnte Schwungrad 28 dann die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
1 in Drehung zu versetzten beginnt.
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Während dieses ersten Betriebsabschnittes gelangt verdichtete Luft
aus der Einlaßleitung 3 durch die Einlaßöffnungen 2 unter dem vollen, in der Einlaßleitung
herrschenden Druck und der darin herrschenden Temperatur in die Brennkraftmaschine,
so daß der an den Zylinderlaufbüchsen der Brennkraftmaschine befindliche Ölfilm
angewärmt wird; dies hat eine entsprechende Verringerung der Maschinenreibung und
damit eine Unterstützung des Andrehvorganges zur Folge. Nunmehr wird Brennstoff
in die Maschine eingespritzt; die Zündung wird durch die Tatsache erleichtert, daß
die Maschine unter dem vollen Druck und mit der Temperatur in Betrieb gesetzt wird,
die in der Einlaßleitung herrschen. Ist die Maschine einmal angesprungen und läuft
sie mit eigener Kraft, so kommt das Ritzes 27 mit dem Schwungrad 28 außer Eingriff,
und zwar entweder selbsttätig oder in Abhängigkeit von einer entsprechenden Steuerung.
Anschließend können die Ventile 18 und 24 geschlossen und die Brennstoffzufuhr durch
die Leitung 16 unterbrochen werden, so daß die Arbeit der Brennkammer 15 und der
Andrehturbine 21 aufhört.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
die Andrehturbine 21 durch kalte, aus der Einlaßleitung 3 zugeführte Luft
betrieben wird. Bei einer Abänderungsform kann die Turbine 21 aus der Auspuffleitung
11 versorgt werden, und zwar über eine Leitung 33, in der sich ein Absperrventil
32 befindet; es kann auf diese Weise der Turbine heißes Verbrennungsgas aus der
Brennkammer 15 zugeleitet werden; auf diese Weise kann die Leistung erhöht werden,
wenn dies notwendig ist, um die Brennkraftmaschine anzudrehen. Normalerweise wird
jedoch der Kaltluftbetrieb zu bevorzugen
sein. da er einfacher
durchführbar und auch billiger ist.
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Um das Anwärmen der Maschine zu unterstützen, kann gegebenenfalls
die Wärme aus den Abgasen der Turbinen 8 und 21 ausgenutzt werden.
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Bei der dargestellten Ausführungsform wird eine Brennkraftmaschine
mit einem einzigen Zylinderblock 1 verwendet; es ist aber einleuchtend, daß diese
gleiche Andrehvorrichtung auch für Maschinen mit mehreren Zylinderblöcken und auch
mit mehreren Turboladern zur Anwendung kommen kann. Dabei kann die Andrehturbine
von einem einzigen Turbolader oder auch von mehreren Turboladern versorgt werden.
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Bei der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsform ist die
Andrehturbine 21 durch den Verdichter 5 des Turboladers 6 antreibbar. Es wäre aber
auch möglich, die Andrehturbine 21 in Serie mit der Turboladerturbine 8 zu
schalten. So könnte beispielsweise die Andrehturbine am Auslaßende der vom Turbolader
angetriebenen Turbine vorgesehen sein. Eine solche Bauweise würde jedoch verhältnismäßig
lange Leitungen und mehrere Ventile erfordern, da die Andrehturbine die ganze Strömungsmenge
der Turboladcrturbine zu verarbeiten hätte.