DE1526440A1

DE1526440A1 - Auspuffturbogeladener Zweitaktmotor

Info

Publication number: DE1526440A1
Application number: DE19661526440
Authority: DE
Inventors: Anders Ostergaard
Original assignee: Burmeister and Wains Motorog Maskinfabrik AS
Current assignee: Burmeister and Wains Motorog Maskinfabrik AS
Priority date: 1965-04-29
Filing date: 1966-04-26
Publication date: 1970-05-14
Also published as: BE680244A; GB1149617A; NL6605711A; NO120559B; FI50019B; DK107202C; SE331389B; ES326493A1; FI50019C

Description

v/y Ktnnvort; Zweitaktmotor

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Aktieselskabet Burmeister & Wain's Maskin- og Skibsbyggeri,

Kopenhagen

Auspuffturbogeladener Zweitaktmotor

Die vorliegende Erfindung betrifft auspuffturbogeladene Zweitakt-Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren und insbesondere solche, die für grosse Leistungen eingerichtet sind, und speziell, aber nicht ausschliesslich Motoren, die dazu bestimmt sind, als Antriebsmaschinerie in Schiffen Anwendung zu finden.

Noch präziser ausgedrückt betrifft die Erfindung einen auspuffturbogeladenen Zweitaktmotor, bei dem die zu jedem Zylinder gehörenden Steuerorgane für den Ein- und Auslass so angeordnet sind, dass jeder Zylinder mit einer Nachauslassperiode arbeitet, die vorzugsweise ein genügend grosses Zeitareal besitzt, dass sie bei Rückwärtsgang des Motors als Vorauslassperiode dienen kann, und bei dem die Auspuffgase von jedem Zylinder durch zwei oder mehrere in Reihe geschaltete Auslassturbinen und zwischen diesen liegende Aufnehmer geleitet werden, wobei die erste Turbine an eine Anzahl Zylinder angeschlossen ist, die eine Gruppe mit riicht-j|.nterfer4tren4^n Ausstöasen bilden,

und mit stark fluktuierendem Einlassdruck - also als Impulsturbine - arbeitet, während die zweite Turbine, die vorzugsweise für zwei oder mehrere der genannten Zylindergruppen gemeinsam ist, vom Zwischenaufnehmer mit hauptsächlich konstantem Einlassdruck gespeist wird und als Gleichdruckturbine arbeitet.

Bei solchen Motoren hat man bisher danach gestrebt, die Konstruktion so durchzuführen, dass ein Ausströmen von Luft aus dem Zylinder im Laufe der notwendigerweise recht grossen Nachauslassperiode vermieden wird, und zu diesem Zweck ist vorgeschlagen worden, die Grosse des Zwischenaufnehmers und das gegenseitige Verhältnis zwischen der Impulsturbine und der nachfolgenden Gleichdruckturbine auf eine solche Weise abzustimmen, dass im Zwischenaufnehmer ein in bezug auf den SpUldruck hoher Druck aufrechterhalten wird, der einem Ausströmen der Luft durch die Impulsturbine in der Nachauslassperiode entgegenwirkt, bis während der nach oben gerichteten Bewegung des Kolbens dank des schnellen Abnehmens des Zylindervolumens und des entblössten Auslassareales die Kompression der Luft zum neuen Arbeitshub beginnt.

Beim erfindungsgemässen Motor geht man jedoch von anderen Gesichtspunkten aus und auf Grundlage dieser Gesichtspunkte besteht das für die Erfindung Charakteristische darin, dass das Verhältnis zwischen dem Durchströmareal der zu einer Zylindergruppe gehörenden Impulsturbinensektion und dem dieser Zylindergruppe entsprechenden Anteil des gesamten Gleichdruckturbinen-Durchströmareales so gewählt ist, dass der Druck im Zwischenaufnehmer - gemessen in überdruck über dem Atmosphärendruck - sich beim Betrieb mit normaler Belastung und nor-

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maler Drehzahl auf einen Wert einstellt, der höchstens der Hälfte des im Spülluftaufnehmer herrschenden Druckes entspricht, wobei das Durchströmareal der betreffenden Impulsturbinensektion so gewählt ist, dass es einen wesentlichen Einfluss auf den Druck im Spülluftaufnehmer ausübt und auf an und für sich bekannte Weise dazu mitwirkt, dass dieser Druck einen Wert annimmt, der wesentlich über dem Ladedruck liegt, der zum Erzielen des vorgeschriebenen Motoreffektes im Zylinder beim effektiven Beginn der Kompression in diesem herrschen muss, während das effektive Nachauslasszeitareal so auf das dazugehörende Impulsturbinenareal und das Volumen des zu diesem gehörenden Verbindungsleitungssystems abgestimmt ist, dass dieser Ladedruck hauptsächlich als Folge eines teilweisen Ausströmens der beim Schliessen des Einlassorganes im Zylinder vorhandenen Luftmenge durch das Auslassorgan in der Nachauslassperiode zustande kommt.

Hierdurch werden eine Reihe konstruktions- und betriebsmässige Vorteile erzielt, die es zusammen ermöglichen, einen sehr hohen,effektiven mittleren Druck ohne ein schädliches Erhöhen des Maximaldruckes im Zylinder zu erreichen, und ohne dass die thermische Belastung der einzelnen Teile des Motors das Normale und Zulässige übersteigt. Dies hängt damit zusammen, dass die Mehrstufenkühlung der Luft, die dadurch ermöglicht ist, dass die Kompression in den Turboladern in zwei oder mehrere Stufen mit etwaiger Zwischenkühlung aufgeteilt wird, mit einer wesentlichen Abkühlung der Luft im Zylinder selbst ergänzt wird infolge der dort vor sich gehenden Expansion der Luft von dem im Spülluftaufnehmer herrschenden, hohen Druck zu

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dem wesentlich niedrigeren, endgültigen Ladedruck bei Beginn der Kompression der Luft im Zylinder und dass diese erhebliche Uberkompression der zum Zylinder geführten Luft es ermöglicht, dass man sich mit einem relativ kleinen Zeitareal für das Einlassorgan (Spülöffnungen) begnügen kann, wodurch die Offnungsperiode dieses Organes sehr kurz gehalten und der Offnungszeitpunkt des Auslassorganes entsprechend zurückverlegt werden kann, so dass dadurch eine dementsprechende Verlängerung des nützlichen Arbeitshubes erzielt wird.

Ausserdem wird bei der angegebenen Kombination der verschiedenen Massnahmen eine günstige Verteilung der Turbinen-Gesamtleistung zwischen der Impulsturbine und d-er Gleichdruckturbine erzielt, wobei ein passend grosser Anteil der Leistung auf die Impulsturbine entfällt, die erfahrungsgemäss bei kleinerer Motorbelastung einen verhältnismässig kleineren Leistungsabfall hat als Turbinen, die in einem Gleichdrucksystem arbeiten, wodurch bei Teilbelastung, Leerlauf und Anlassen des Motors ein sicherer Betrieb der gesamten Anlage gewährleistet wird.

In Verbindung hiermit ist anzuführen, dass sowohl die Impulsturbine als έ-uch die nachfolgende Gleichdruckturbine mit einer oder mehreren Stufen ausgebildet sein können, die auf beliebige, bekannte Weise in einer einzelnen Turbine gesammelt oder aber auf mehrere Turbinen verteilt sein können. Das Wesentliche ist nur, dass die Energie der Auspuffgase in solcher Weise in zwei in Reihe geschalteten Operationen mit einem zwischen diesen liegenden druckausgleichenden Aufnehmer so ausgenutzt wird, dass der erste Arbeitsgewinn aus den Auspuff-

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gasen unter stark fluktuierendem Einlassdruck zur ersten Turbinenstufe vor sich geht, während der nach dem Zwischenaufnehmer stattfindende Arbeitsgewinn mit hauptsächlich konstantem Einlassdruck zur betreffenden Turbinenstufe vor sich geht.

Ausserdem ist zu bemerken, dass die Anzahl der nebengeordneten Impulsturbinen von der Anzahl der Zylinder des Motors und von den Möglichkeiten für einen gruppenweisen Anschluss der Zylinder des Motors an gemeinsame Turbinensektionen abhängig ist und dass es in der Regel bei Motoren mit vielen Zylindern zweckmässig ist, eine einzelne oder nur einige wenige Gleichdruckturbinen anzuwenden, die von einem Zwischenaufnehmer gespeist werden, in den sämtliche oder eine gewisse Anzahl der Impulsturbinen ausstossen.

Hierzu ist noch hinzuzufügen, dass ein gewisser Zusammenhang zwischen dem Zeitareal des Einlassorganes des Motorzylinders und dem Durchströmareal der an den Zylinder angeschlossenen Impulsturbine besteht, welches so zu verstehen ist, dass man, um einen gewissen wunschgemässen Druck im Spülluft- I aufnehmer zu erhalten, verschiedene Kombinationen des Zeitareales des Einlassorganes und des Durchströmareales der Impulsturbine anwenden kann, wobei ein grösseres Einlasszeitareal ein etwas kleineres Turbinendurchströmareal erfordert und umgekehrt. Da das Ausströmen von Luft aus dem Zylinder des Motors in der Nachauslassperiode seinerseits von sowohl dem Durchströmareal der Impulsturbine als auch dem Nachauslasszeitareal der Impulsturbine abhängig ist, wird man kraft dieser Tatsache immer dazu imstande ^ein, eine zweckmässige Kombination zu wählen, die dem Erreichen von sowohl genügend hohem Druck im Spülltf tauf nehmer

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als auch einen ausreichenden Nachauslass wahrend der Nachauslassperiode ergibt.

Der Umstand, dass ein wesentlicher Teil der zum Betrieb der Turbokompressoren erforderlichen Energie in einer Turbine gewonnen wird, die als Gleichdruckturbine arbeitet, fuhrt bei normalem Betrieb zu einem guten Wirkungsgrad bei der Ausnutzung der Auspuffgase und das Verhältnis zwischen dem Durchströmareal sämtlicher Impulsturbinen und dem Durchstromareal sämtlicher Gleichdruckturbinen wird daher erfindungsgemäss so gewählt, dass der Druck im Zwischenaufnehmer beim Betrieb mit normaler Belastung und normaler Drehzahl wenigstens ca. ein Viertel des Druckes im Spülluftauf nehmer beträgt, wodurch gesichert wird, dass ein so grosser Teil der gesamten Turbinenleistung von Gleichdruckturbinen zuwege gebracht wird, dass sich die durch den besseren Wirkungsgrad dieser Turbinen erzielten Vorteile im Endergebnis merkbar geltend machen.

Wie gesagt ist es ein wesentlicher Zug der Erfindung, dass im Motorzylinder die Kompression eier Ladung für den nächsten Arbeitshub mit einem Druck, dem Ladedruck, beginnt, der erheblich unter dem im Spülluft aufnehmer herrschenden, hauptsächlich konstanten Druck liegt, da in Laufe der Nachauslassperiode, bis die Kompression einsetzt, eine erhebliche Expansion und ein Ausströmen des Luftinhaltes des Zylinders beim Schliessen des Einlassorganes stattgefunden hat. Der hiermit bezweckte Effekt ist wie bereits genannt, einerseits der, dass man mit einem wesentlich kleineren Einlasszeitareal auskommen kann, als es sonst nötig wäre, und andererseits eine innere Kühlung des Zylinders als Folge der Expansion der Luftladung zu

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zu erreichen, Gemäss der Erfindung können die angegebenen Grossen zweckmässigerweise so aufeinander abgestimmt sein, dass dieser Ladedruck - d.h. der Anfangsdruck der Kompression im Motorzylinder - beim Betrieb mit normaler Belastung und normaler Drehzahl höchstens drei Viertel und vorzugsweise höchstens zwei Drittel des Druckes im Spülluftaufnehmer beträgt.

Die Erfindung wird durch die Zeichnung veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform f eines erfindungsgemässen 7-Zylinder-Zweitaktmotors,

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausftihrungsform eines entsprechenden Motors,

Fig. 3 stellt ein Diagramm über den Druckverlauf in der betrachteten Periode dar und

Fig. 4 zeigt ein Steuerungsdiagramm für einen Motorzylinder.

Fig. 1 zeigt rein schematisch einen 7-Zylinder-

Zweitakt-Dieselmotor, dessen Zylinder mit den fortlaufenden Be- g zugsziffern l-?7 bezeichnet sind. Die nicht gezeigten Auslassorg£ie der Zylinder sind mit Hilfe der kürzest möglichen Rohrleitungen von kleinst möglichem Volumen gruppenweise an zwei Auspuffturbolader Ö und 9 angeschlossen, deren Turbinenteile Io und 12 als Impulsturbinen arbeiten und jeder seinen Kompressorteil 11 bzw. 13 antreiben. Von den Turbinen Io und 12 werden die Auspuffgase durch Rohrleitungen zu einem Zwischenaufnehmer 14 geleitet, der so dimensioniert ist, dass in ihm ein hauptsächlich konstanter Druck herrscht. Vom Zwischenaufnehmer 14 strömen die Auspuffgase durch einen Auspuffturbolader 15, des-

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sen Turbinenteil 16 als Gleichdruckturbine arbeitet und die Auspuffgase ins Freie abgibt, und zwar vorzugsweise durch einen Abgasdarapfkessel und einen Schalldämpfer in üblicherweise. Der Kompressorteil 17 des Auspuffturboladers 15 saugt Frischluft an und gibt die komprimierte Luft über einen Zwischenkühler 1Ö an die zwei parallel arbeitenden Kompressorteile 11 und 13 ab, die die Luft weiter komprimieren und sie über einen Zwischenkühler 19 an den Spülluftaufnehmer 2o liefern.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform des Motors unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten dadurch, dass die Turbolader Ö und 9 die erste Kompressionsstufe bilden, während der Gleichdruckturbolader 15 die zweite Kompressionsstufe für die Luft ausmacht.

Das Steuerungsdiagramm für jeden der Zylinder des Motors ist auf übliche Weise in Fig. 4 dargestellt, worin die Kurven U und S die in jedem Augenblick entblössten Durchströmareale des Auslassorganes des Zylinders und dessen Einlassorgan (üblicherweise Spülöffnungen) zeigt. Die Kurven U und S sind auf übliche Weise dadurch gebildet, dass die Durchströmareale als Ordinaten über einer Abszissenachse dargestellt sind, die die jeweilige Stellung der Kurbelwelle in Graden, abgetragen zu beiden Seiten des unteren Totpunktes BDP, angibt. Aus der Figur ist zu ersehen, dass das Steuerungsdiagramm im gezeigten Beispiel symmetrisch um BDP ist, welches besagt, dass der betreffende Motor in beiden Drehrichtungen völlig gleichartig arbeitet.

Bezüglich des Diagrammes in Fig. 4 ist besonders hervorzuheben, dass es möglich war, die Länge der Offnungsperio-

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de der Spülöffnungen auf nur insgesamt 6o°, symmetrisch um BDP angeordnet, zu begrenzen.

Im Diagramm in Fig. 3 stellt die Abszissenachse wieder die Stellung der Kurbelwelle, abgetragen zu beiden Seiten des BDP, dar, während die Ordinaten den Druck in absolutem Wert mit der Abszissenachse als Atmosphärenlinie angeben.

Der Druck im Spülluftaufnehmer wird in dieser Verbindung als konstant betrachtet und durch die waagerechte Linie Pg dargestellt, während der Druck im Zwischenaufnehmer " zwischen den zwei in Reihe geschalteten Auspuffturbinen ebenfalls als konstant angesehen werden kann und durch die waagerechteLinie P ausgedrückt wird.

Der Druck im Zylinder ist durch die Kurve P_c und der Druck im Auspuffrohr vor dem Einlass der Impulsturbine durch die Kurve Py ausgedrückt.

Die Offnungs- und SchliessZeitpunkte für das Auslassorgan und das Einlassorgan sind auf der Abszissenachse und der Linie P^ entsprechend den in Fig. 4 angegebenen Werten { abgetragen.

Aus dem Diagramm geht hervor, dass der Druck Py, der zu Beginn der betrachteten Periode dem konstanten Druck P« im Zwischenaufnehmer entspricht, beim beginnenden Offnen des Auslassorganes sofort im Laufe der Vorauslassperiode steil ansteigt und ungefähr in deren Mitte praktisch genommen den gleichen Wert wie der Druck Pg im Zylinder angenommen hat, dessen steiler Abfall daraufhin etwas verzögert und weniger eteil wird.

Im Rest der Vorauslassperiode verlaufen die Drucke Py und P_ß ziemlich genau zusammen und schneiden die

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- Io -

Drucklinie Pg - die den Druck im Spülluftaufnehmer darstellt ungefähr in dem Zeitpunkt, in dem die Spülöffnungen geöffnet werden.

In der eigentlichen Spülperiode, in der die Spülöffnungen offen sind, dringt die relativ hochkomprimierte Luft aus dem Spülluftaufnehmer in den Zylinder ein und verdrängt den Rest der darin befindlichen Auspuffgase durch das Auslassorgan heraus, wobei der Druck im Zylinder ziemlich genau dem Druck im Spülluftaufnehmer entspricht, von dem er sich nur durch den bei der Passage der Spülöffnungen aufgetretenen Druckabfall unterscheidet, einem Druckabfall, der sich sowohl absolut als auch relativ ziemlich klein halten lässt, da die notwendige Luftmenge stark komprimiert ist und deshalb ein entsprechend kleineres Volumen und eine kleinere Strömungsgeschwindigkeit durch die Spülöffnungen besitzt.

Gegen Ende der Spülperiode, wo das Areal der Spülöffnungen schnell abnimmt, beginnt der Druck im Zylinder infolge Abströmung des Zylinderinhaltes durch die ständig offenen Auslassöffnungen hinaus zu fallen und dies setzt nach dem Schliessen der Spülöffnungen in der eigentlichen Nachauslassperiode fort, in der der Zylinderdruck infolge dem ständigen Ausströmen eines Teiles der im Zylinder befindlichen Luftmenge weiter bis zu einem Minimumwert abfällt, welcher zu einem Zeitpunkt erreicht wird, in dem das Zylindervolumen wieder begonnen hat, schnell abzunehmen und infolge des gleichzeitig schnell abnehmenden Durchstrumareales des Auslassorganes schnell die* Übermacht über das Ausströmen gewinnt.

Der Minimumdruck, der auf diese Weise im Motor-

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zylinder erreicht wird, entspricht im gezeigten Beispiel zwischen ^5 und 6o% des Druckes im Spülluftaufnehmer und stellt also den Ladedruck dar, bei dem die Kompression zum darauffolgenden Arbeitszyklus im Zylinder eigentlich beginnt.

Die Lage der Drücke Pg im Spülluftaufnehmer und P_M im Zwischenaufnehmer relativ zueinander ist durch das Verhältnis der Dimensionierung der Impulsturbine und der der nachfolgenden Gleichdruckturbine bestimmt, das im gezeigten Beispiel so "abgestimmt ist, dass der Druck im Zwischenaufnehmer g zwei Fünfteln des Druckes im Spülluftaufnehmer entspricht. Ein wesentlicher Teil der Energie der Auspuffgase wird also in der Gleichdruckturbine ausgenutzt, während der Teil, der in der Impulsturbine ausgenutzt wird, einen verhältnismässig so bedeutsamen Teil der gesamten Energie beträgt, dass eich die bessere Wirkung der Impulsturbine bei kleineren Belastungen merkbar geltend macht, wenn der Motor mit Teilbelastung arbeitet.

Die Erfindung ist nicht an die gezeigten oder beschriebenen Ausführungsbeispiele gebunden, da der Typ des Motors, seine Grosse, Zylinderanzahl usw. frei gewählt werden " kann, welches auch für die relative und absolute Dimensionierung der einzelnen Komponenten innerhalb der durch die Patentansprüche angegebenen Rahmen gilt. Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, mit Hilfe der Prinzipien der Erfindung grosse, direkt umsteuerbare Schiffsdieselmotoren für so hohen effektiven mittleren Druck wie 15 kg/cm zu konstruieren, ohne dass bezüglich der Grosse der auftretenden Maximaldrücke und VTärmebelastungen Schwierigkeiten von Bedeutung auftreten, und die bezüglich des Brennstoffverbrauches wenigstens ebenso wirtschaftlich

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sind, wie die bisher gebräuchlichen Motoren.

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Claims

Belegexemplar Darf nicht geändert werden Patentansprüche

1. Auspuffturbogeladener Zweitakt-Verbrennungsmotor

mit einer Nachauslassperiode, die vorzugsweise ein genügend grosses Zeitareal besitzt, dass sie bei Rückwärtsgang des Motors als Vorauslassperiode dienen kann, und mit zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Auslassturbinen mit zwischen diesen liegenden Aufnehmern, von denen die erste Turbine an eine Anzahl Zylinder angeschlossen ist, die eine Gruppe mit nicht-interferierenden Ausstössen bilden, und mit stark fluktuierendem Einlassdruck (als Impulsturbine) arbeitet, während die zweite Turbine, die vorzugsweise für zwei oder mehrere der genannten Zylindergruppen gemeinsam ist, vom Zwischenaufnehmer mit hauptsächlich konstantem Einlassdruck gespeist wird und als Gleichdruckturbine arbeitet, dadurch gekennzeichnet. dass das Verhält- * nis zwischen dem Durchströmareal der zu einer Zylindergruppe gehörenden Impulsturbinensektion und dem dieser Zylindergruppe entsprechenden Anteil des gesamten Gleichdruckturbinen-Durchströmarealea so gewählt ist, dass der Druck im Zwischenaufnehmer (gemessen in überdruck Über dem Atmosphärendruck) sich beim Betrieb mit normaler Belastung und normaler Drehzahl auf einen Wert einstellt, der höchstens der Hälfte des im Spülluftaufnehmer herrschenden Druckes entspricht, wobei das Durchströmareal der betreffenden Impuleturbineneektion so gewflhlt ist, dass es

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einen wesentlichen Einfluss auf den Druck im Spülluftaufnehmer ausübt und auf an und für sich bekannte Weise dazu mitwirkt, dass dieser Druck einen Wert annimmt, der wesentlich über dem Ladedruck liegt, der zum Erzielen des vorgeschriebenen Motoreffektes im Zylinder beim effektiven Beginn der Kompression in diesem herrschen muss, während das effektive Nachauslasszeitareal so auf das dazugehörende Impulsturbinenareal und das Volumen des zu diesem gehörenden Verbindungsleitungssystems abgestimmt ist, dass dieser Ladedruck hauptsächlich als Folge eines teilweisen Ausströmens der beim Schliessen des Einlassorganes im Zylinder vorhandenen Luftmenge durch das Auslassorgan in der Nachauslassperiode zustande kommt.

2. Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. dass das Verhältnis zwischen der Impulsturbine und der Gleichdruckturbine so gewählt ist, dass der Druck im Zwischenaufnehmer wenigstens ein Viertel des Druckes im Spülluftaufnehmer beträgt.

3« Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, dass die angegebenen Grossen so aufeinander abgestimmt sind, dass in der Nachauslassperiode der niedrigste Druck im Zylinder (Ladedruck) höchstens drei Viertel und vorzugsweise nicht mehr als zwei Drittel des Druckes im Spülluftaufnehmer beträgt.

BAD ORiGiNAL

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