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Brennkraftmaschinenanlage mit mehreren luftseitig und gasseitig zusammengeschalteten
Abgasturboladergruppen Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschinenanlage mit
mehreren luftseitig und gasseitig zusammengeschalteten Abgasturboladergruppen, von
denen mindestens eine eine Stoßgruppe und mindestens eine eine Staugruppe ist, die
gegenseitig in Serie, jedoch gleichartige Gruppen unter sich parallel geschaltet
sind, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Welle mindestens einer der Staugruppen
mit einer Einrichtung zur Nutzleistungsabgabe nach außen versehen ist.
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In Serie geschaltete Turboladergruppen einer aufgeladenen Brennkraftmaschine
der genannten Art verarbeiten bekanntlich die in den Abgasen enthaltene Energie
mit derart gutem Wirkungsgrad, daß sie fähig sind, mehr Luft der Brennkraftmaschine
zu liefern, als diese zur rauchfreien Verbrennung benötigt. Die Erfindung macht
sich diesen Umstand zur Ausnutzung thermischer Energie in einer eine Brennkraftmaschine
enthaltenden Anlage zunutze, und zwar mit besserem thermischem Wirkungsgrad, als
es bisher möglich war.
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Die Erfindung wird an Hand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsform erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Skizze einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschinenanlage, F i g. 2 bis 8 Diagramme zur Erläuterung der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschinenanlage enthält eine Brennkraftmaschine
1 mit einem an deren Welle 2 angeordneten elektrischen Generator 3. Der Generator
3 gibt den in. ihm erzeugten Strom in eine elektrische Leitung4 ab. Die Abgase der
Brennkraftmaschine gelangen durch Auspuffrohre 5, 5' in nach dem Stoßverfahren arbeitende
Abgasturbinen 6, 6' und aus diesen durch eine gemeinsame Auspuffleitung
7 in eine Stauturbine B. Aus derAbgasturbine 8 gelangen die
Auspuffgase in einen Abhitzekessel10 und aus diesem durch eine Abgasleitung
11 ins Freie.
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Die Abgasturbine 8 ist durch die Welle 12 mit einem Turbokompressor
13 verbunden, welcher die angesaugte Luft über einen Luftkühler
14 in eine Luftleitung 15 fördert, an welche zwei Turbokompressoren 16, 16'
angeschlossen sind. Die Turbokompressoren 16, 16' werden über Wellen 17, 17' von
den Abgasturbinen 6, 6' angetrieben. Die Turbokompressoren 16, 16' liefern die von
ihnen verdichtete Luft über Luftkühler 18,18' in Luftleitungen 20, 20' von denen
die Luft den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird.
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Durch die Welle 12 der Abgasturbine 8 wird außerdem ein hochtouriger
Wechselstromgenerator 21 angetrieben, welcher die erzeugte elektrische Energie über
einen Gleichrichter und Spannungsregler 22 in eine elektrische Leitung 23 liefert.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanlage bildet die elektrische
Energie in der Leitung 23 auslegungsmäßig einen Teil der von der Maschine gelieferten
Gesamtenergie. Die Brennkraftmaschine 1 kann somit um den Anteil dieser Energie
entlastet werden. Dementsprechend müssen die Turbolader derart dimensioniert werden,
daß weniger Luft durch die Brennkraftmaschine geschickt wird als im Falle ohne äußerer
Nutzleistungsabgabe durch den Generator 21. Die der Maschine zugeführte Brennstoffmenge
wird aber ebenfalls vermindert, und zwar entsprechend der Reduktion des auf die
Gesamtleistung bezogenen spezifischen Brennstoffverbrauches. Wird nun gleichzeitig
noch die Auslegung der Steuerung der Brennkraftmaschine so getroffen, daß der Vorauslaßwinkel
größer ist als im Falle ohne äußere Nutzleistungsabgabe der Turboladergruppe, so
gelingt es, die thermische Belastung der Brennkraftmaschine auf dem ursprünglichen
Wert ohne Leistungsabgabe der Turboladergruppe zu halten. Untersuchungen haben nämlich
gezeigt, daß diese Vergrößerung des Vorauslaßwinkels, d. h. die relativ frühere
Öffnung der Auslaßorgane vor den Einlaßorganen, welche eine Erhöhung des den Turboladergruppen
zur Verfügung gestellten Auspuffenergiepotentials darstellt, und die äußere Nutzenergieabgabe
von
einer der Turboladergruppen es ermöglicht, gleichzeitig die Brennkraftmaschine so
stark zu entlasten, daß auf diese Weise trotz der unvermeidlichen Reduktion des
Luftdurchsatzes ein Ansteigen der globalen thermischen Belastung des Motors verhindert
werden kann.
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Es hat sich außerdem gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Maschinenanlage
der thermische Wirkungsgrad um so höher ist, je größer der Anteil der vom Generator
21 gelieferten Leistung an der Gesamtleistung der Anlage ist. Eine Vergrößerung
dieser Leistung erfordert Dank der Vergrößerung des Vorauspuffwinkels nur eine relativ
geringfügige Verminderung der Luftmenge pro PS und Stunde. Beide Maßnahmen führen
aber zu einer Erhöhung der Temperatur der Abgase: Eine Grenze dieser Erhöhung ist
dabei gegeben durch die Rücksichtnahme auf die thermische Belastung der Auspufforgane,
z. B. der Auspuffventile, und der Stoßturbinen. Andererseits gestattet aber gerade
dieser Umstand eine vermehrte Nutzung der Wärme der Abgase im Abhitzekessel
10. Da bekanntlich z. B. aus Gründen von Korrosion die Abgase unter eine
bestimmte Temperatur, z. B. 200° C, nicht abgekühlt werden dürfen, vergrößert sich
bei einem relativ kleinen Anstieg der Abgastemperatur die ausnutzbare Wärmeenergie
viel stärker, als es dem Verhältnis der Erhöhung der absoluten Temperaturen entspricht.
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Die Diagramme F i g. 2 bis 8 zeigen die Einflüsse der erfindungsgemäßen
Maßnahmen auf die einzelnen Betriebsgrößen der Anlage. Alle Diagramme weisen die
gleiche Abszisse auf, nämlich die auf die gesamte Leistung bezogene spezifische
Luftmenge gL ges. Diese hat am linken Rand -des Diagramms den niedrigsten Wert (nicht
den Wert Null) und steigt in Richtung auf den rechten Rand des Diagramms an. Die
am Generator 21 abgenommene Leistung NG weist am rechten Ende des Diagramms
den Wert Null auf und steigt, wie durch Pfeile angedeutet, in Richtung auf das linke
Ende des Diagramms an. Die Ordinaten der einzelnen Diagramme sind dann jeweils durch
eine bestimmte angegebene Betriebsgröße gebildet, wobei diese in keinem Fall mit
Null beginnen und deren Wert von der Abszissenachse gesehen ansteigt.
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So zeigt die F i g. 2 die globale thermische Belastung des Motors
bzw. die thermische Belastung von dessen Zylinderräumen. Diese thermische Belastung
qx (spezifischer Kühlwärmefluß) wird unter anderem durch das relative Verhältnis
der Luft- und der Brennstoffmenge sowie durch die Steuerungsdaten am Motor beeinflußt.
Wie das Diagramm Fi g. 2 zeigt, sind diese Einflüsse erfindungsgemäß derart gegeneinander
abgewogen worden, daß die thermische Belastung des Motors bzw. der spezifische Kühlwärmefluß
unverändert bleibt. Gleichzeitig sind dabei weder die Spitzen- noch die Aufladedrücke
erhöht worden.
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Es ist also damit gelungen, eine Anlage zu erhalten, die ohne Verringerung
der Leistung und der Zuverlässigkeit der Brennkraftmaschinenanlage oder deren Lebensdauer,
gegeben durch die Abnutzung der maßgebenden Verschleißteile, wie Kolben und Kolbenringe
sowie Zylinder, eine verbesserte Energieausbeute gestattet. Dies steht im ausgesprochenen
Gegensatz zu allen bisher bekanntgewordenen Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen
Wirkungsgrades, die alle entweder eine Vergrößerung der mechanischen Belastung der
Brennkraftmaschine (Vergrößerung der Zylinderdrücke, Erhöhung der spezifischen Leistung)
oder der thermischen Belastung (Heißkühlung mit erhöhtem Temperaturniveau im Zylinder)
zur Folge hatten.
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Die erzielte Verbesserung d b, im spezifischen Brennstoffverbrauch
der gesamten Anlage, bezogen auf die Gesamtleistung vom Motor und Generator 21,
zeigt F i g. 3. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, daß der spezifische Brennstoffverbrauch
in Gramm-Brennstoff pro PS und Stunde mit zunehmender Generatorleistung und abnehmender
Gesamtluftmenge abnimmt.
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Das Diagramm in F i g. 4 zeigt die Verteilung der Leistungen des Motors
und des Generators, und zwar ausgedrückt als mittleren effektiven Druck, bezogen
auf die Brennkraftmaschine. Die waagerechte Linie (gestrichelt) ist die auslegungsgemäß
gleichbleibende Leistung der ganzen Anlage, die untere schräge Linie die Motorleistung
und die Differenz dieser beiden Werte die mit abnehmender Luftmenge zunehmende Generatorleistung.
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Die F i g. S zeigt die gleichzeitig durchgeführte Veränderung des
Vorauslaßwinkels, d. h. des Winkels, welcher zwischen dem Augenblick der Öffnung
der Auslaßorgane und dem der Einlaßorgane liegt. Wie aus dieser Figur ersichtlich
ist, steigt der Vorauslaßwinkel mit zunehmender Generatorleistung bzw. abnehmender
Gesamtluftmenge an.
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In F i g. 6 ist der Verlauf der Temperatur der Auspuffgase beim Austritt
aus dem Motorzylinder enthalten. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß bei der erfindungsgemäßen
Maßnahme die Auspuffgastemperatur mit zunehmender Leistung des Generators 21 ansteigt.
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F i g. 7 zeigt den thermischen Wirkungsgrad der Anlage, und zwar des
Motors für sich allein, wie auch der gesamten Anlage. Die untere volle Linie nthmoc
zeigt den thermischen Wirkungsgrad der Anlage ohne Abhitzekessel. Bereits dieser
Wirkungsgrad steigt mit zunehmender Generatorleistung und abnehmender Luftmenge
an. Wird jedoch zusätzlich noch die im Abhitzekessel 10 gewonnene Wärmeleistung
berücksichtigt, so gewinnt man einen Verlauf des Wirkungsgrades nach der oberen
Linienthges-Diese verläuft steiler als die untere Linie, da aus den bereits erwähnten
Gründen durch einen geringen Anstieg der Temperatur der Auspuffgase die ausnutzbare
Wärmeenergie relativ stärker wächst. Zum Vergleich ist eine mit dem thermischen
Wirkungsgrad des Motors parallel verlaufende Linie gestrichelt eingezeichnet worden.
Aus diesem Diagramm geht hervor, daß sich die erfindungsgemäße Anordnung ganz besonders
für jene Fälle eignet, die eine Ausnutzung von Abwärme erlauben, da sich dann die
größten relativen Gewinne realisieren lassen.
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In F i g. 8 ist schließlich die spezifische Luftmenge, bezogen auf
die Leistung des Motors allein im Vergleich zur spezifischen Luftmenge, bezogen
auf die Leistung der gesamten Anlage, eingetragen. Zum Vergleich ist gestrichelt
noch eine Linie eingezeichnet worden, welche in den verwendeten Maßstäben die Werte
für gL ges über gL ges angibt. Wie aus dem Vergleich beider Linien hervorgeht, nimmt
die spezifische Luftmenge, bezogen auf die reine Motorleistung, wesentlich weniger
stark ab als gL ges.
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Diese Feststellung erläutert einerseits, wieso es in diesem Falle
möglich ist, die thermische Belastung des Motors zusammen mit dem verringerten effek
tiven
Mitteldruck, bezogen auf die Brennkraftmaschine allein, konstant zu halten, und
illustriert andererseits, daß es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung möglich
ist, mit weniger Luftgewicht pro erzeugtes PS auszukommen als bei konventionellen
Anlagen; was für bestimmte Anwendungsfälle, wie z. B. bei Schnorchel- oder Stollenbetrieb,
einen nicht zu unterschätzenden praktischen Vorteil bedeutet.