DE1526459A1 - Aufgeladene Zweitakt-Kolbenbrennkraftmaschine mit frei laufender Turboladergruppe - Google Patents

Aufgeladene Zweitakt-Kolbenbrennkraftmaschine mit frei laufender Turboladergruppe

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DE1526459A1
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Description

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!'tbrüdT S u 1 ζ e r Aktiengesellschaft. Winterthur/Schwell
Aufgeladene Zweitakt-KoIbenbrennkraftmaachlne alt freilaufender Turboladergruppe
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Zweltakt-Kolbenbrennkraftmaachlne alt freilauf«ader Turboladergruppe, welcher für jeden Zylinder eine Kolbenpumpe nachgeachaltet lat.
Die erflndungageaäaae Kolbenbrennkraftmaschlne lat dadurch gekenntelehnet, daaa Jede Kolbenpumpe über ein RUckachlagorgan In eine getrennte Luftkaamer fordert, aua welcher SpUlachlltae In den betreffenden Zylinder führen und deren Volumen ao bemessen lat, daaa bei· Förderhub der Pumpe ein Druckanstieg mit einer BpIUe von 1,1 bla 1,3 fächer Oröaae dea abaoluten Ladedruckea entsteht und daaa parallel au den Kolbenpumpen ein allen Zylindern gemeinsames Zuaatageblllae geschaltet lat, welches Luft aua einem mit der Förderleitung 4es Ledegabläseβ verbundenen Raum In die Luftkammern förderte
BAD ORIG'NAL
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Kolbenbrennkraftmaschinen mit freilaufendem Turbolader haben bekanntlich bei Teillast Schwierigkeiten mit dar Beschaffung einer ausreichenden Menge von Brennluft, einerseits für den eigentlichen Teillastbetrieb an sich und insbesondere für eine eventuelle Lasterhöhung, zu welcher die Maschine la Teillastbereich Jederzeit bereit aeln soll-.
Besonders aufgeprägt alnd die erwähnten Schwierigkeiten bei Kolbenbrennkraftmaschinen, bei welchen die Abgaae aller Zylinder in einen Abgasaufnehmer mit varhlltnlamässig grossem Volumen eingeführt werden, wobei slcn während des r.etrlebes in diesem j.ufnehmer ein annähernd konstanter Druck einstellt und ein tocenannter Stau- oder Konstantdruckba · trieb der Turbine erfolgto Maschinen mit elnar derartigen Aufladung hiben Ausgezeichnete Wirkungsgrade bei mittleren und hohen Belastungen und sind bei hohen Ladedrücken den Maachlnen, welche mit nach des sogenannten 8tosabetrleb er* beitenden lurboladegruppen versehen sind, bttUgllch des Wirkungsgrades und des spezifischen Brennstoffverbrauches überlegen^ Dn jedoch nicht die Auspuffstösse der Abgas« aus don einzelnen Zylindern ausgenützt werden, stellt sich bei
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Betrlebszuständen das Motor· unterhalb einer gewissen Teillast la Abgasaufne baer ein niedriger Druck eln0 Das hat zur Folge, dass auch der ve* Ladegebläse gelieferte Luftdruck klein 1st und dass das Druckgefälle zwischen des Luftaufnehaer und des Abgasaufnehaer, welches für eine gute Durchspülung der Zylinder erforderlich 1st, zu klein, oder sogar negativ wird·
Es 1st bereits bekannt, bei Kolbenbrennkraftmaschinen ■lt Staubetrieb der Abgasturbinen alt den Ladegebläsen KoI-benpuapen in Serie zu schalten, wobei die Puapen in einen für alle Zylinder geaelnsaaen Luftaufnehaer förderru Wenn für diesen Zweck als Puapen die Kolbenunterseiten der einzelnen Zylinder verwendet werden, wie die· bei Kreuzkopfaaschlnen an sich bekannt 1st, so auss noch alndestens eine zusätzliche Kolbenpumpe vorgesehen sein, da bekanntlich eine Kolbenunterseite wegen des verhältnlsaässig groseen schädlichen Reumee nur ungefähr 95% des Hubvoluaens de· Zylinder· zu liefern vermag. Eine zusätzliche Kolbenpumpe verteuert Jedoch die Maschine und vergrössert deren Bauaasse, Insbesondere wenn sie, wie dies bekannt 1st, von einer zusätzlichen Kurbel der
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Kurbelwelle angetrieben wird
Die Erfindung hat die Beseitigung dieses Nachteiles und dio Schaffung einer aufgeladenen Zweitakt-Kolbenbrennlcraftmaschine zum Ziel, welche mit minimalem mechanischem Aufwand einerseits den hohen Wirkungsgrad der nach dem Stauverfahren aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine aufweist, andererseits Im Teillastbetrieb genügend Luft zur Verfugung hat, so dass sie ein gutes Beschleunigungsvermögen aufweist Luid in allen Arbeitsbereichen ohne Rauchbildung arbeitet.
Um die Leistung des Zusategebläses klein zu halten und ura nur die für den Telllastbetrieb erforderliche Zusatz-Luftnonge von ungefähr 10 - 20Ji der Liefermenge der Kolbenpumpe zu fördern, kann der Ueberdruck des Zusatzgebläse kleiner sein als die von den Kolbenpumpen mit den Luftkammern erzeugte Druchspitzoo In diesem Falle Bussen zwischen den Zusatzgebläse und den einzelnen Kammern Rfickschlagorgane vorgesehen sein, daait eine RUckströmung verhindert wird.
Das Zusatzgebläse kann dann ein von einem Elektromotor angetriebener Ventilator sein, welcher unabhängig von der Drehzahl de.' Maschine läuft und Luft mit einem Im wesentlichen konstanten Pruckverhältniii liefert. Der Betrieb de3 Zutatzgebläses kann dabei in Abhängigkeit vom Luftdruck im Luftaufnehmer vor dem
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Zusatzgebläse erfolgen, wobei nach dem Oeberichreiten eines gewissen Druckes im Luftaufnehmer das Zusatzgebläse abgeschaltet werden kann, sobald dieser Druck für einen einwandfreien Betrieb der Maschine ausreicht.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispleles erläutert« fs zeigen:
rig:öl den ob2ren Teil einer erflndung.«sgem£93en Kolbenbronr.kraftmaschine mit Kreuzkopf im Schnitt, wobei die zv.a Verständnis der Erfindung überflüssigen Teile der Maschine weggelassen bzw. vereinfacht dargestellt wurden,
Figo2 ein Diagramm der Druckverläufe in den einzelnen Teilen der Maschine während einer Umdrehung der Maschine und bei verschiedenen Lasten und FIge3 ein SchaItsehem« einer erflndungsgemässen Kolben-
brennkraftaaschine alt vier Zylindern. IUo in der FIg„1 im Schnitt dargestellte Maschine enthält oinen Zylinder 1, in welchem ein Kolben 2 alt einer Kolbenstange 3 beweglich ist, die zu einem nicht dargestellten
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Kreuzkopf führt. Der Zylinder 1 let oben durch einen Zylinderkopf 4 verschlossen, Ausserdem lift der Zylinder alt SpUlschlltien 5 und alt Aueleeechlltsen 6 verteilen, en die eich Aueleeekenäle 7 anscbllassen, die in einen für eile Zylinder dee Motor· gemeinsamen Abgesaufnchmer 8 führen. Aue des Abga sauf nehmer 8 werden die Abgase einer Abgasturbine 10 zugeführt. Die Abgasturbine treibt ein Ladegebläse 11 en, welches loft durch einen Luftfilter 12 ansaugt und diese Über einen LuftkUhler 13 in einen gemeinsamen Luft aufnehmer 14 fördert« Der Lufteufnehmer 14 ist über RUckschlagklappen 15 mit einem Pumpenraum 16 verbunden, der in diesem Felle, de ee eich um eine Kreuzkopfmaschine handelt, Jeweils durch die KoI bemalter eel te des betreffenden ZyIInderβ gebildet wird· Der Pumpenraum 16 1st seinerseits über RUckschlagklappen 17 mit einer Luftkammer 18 verbunden, die bei einer mehrzyliMrlgen Maschine für jeden Zylinder getrennt ausgebildet let. Aue der Luftkemmer besteht eine Verbindung zu den Spttlechlltzen 5 der Maschine und Über diese in den Zylinder 1, wobei die Luftströmung durch die Schlitze in den Zylinder in bekannter Weise durch de» Kolben 2 gesteuert wird« Dae Volumen der einseinen Luft-
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kaonern 18 1st Insassen Bit dea Volumen des Puapenrauaes 16 relativ sub Bubvolumen des Kolben· 2 to gewählt, da·· bela FOrdorhub der Puape, d.h· In diesea Falle» wenn «Ich der Kolben 2 nach unten bewegt, kors tot der Oeffmmg der 8pUlschlitse 5 durch die Oberkante dea Kolben· 2 In der be· treffenden Lnftkaaaer 18 und la alt dieser verbundenen Puapenraua 16 ein Druckanstieg alt. «Iner SpItie von I9I bis 1,3 fsober Orösse de· absoluten Ladedrücke* entsteht· Der Puapen* raua 16 aelbat iat dabei anglichst klein, dealt ein guter voluaetrlecher Wirkungsgrad der Kölbenpuape ersielt wird, vobel Jedoch ausreichende ßtrömungsquerechnitte für die Luft vorgesehen eeln attaaen·
Parallel sub gcaclnaaaan Luftaufnehaer 14 let ein ebenfalls für alle Zylinder der Maschine geaelnsaaer Zusats· luftraue 20 vorgesehen, welcher über RUokschlagklappen 21 alt den einseinen Luftkaaaarn 18 verbunden 1st· Der Zusatsluftraua 20 ist alt dea Luftaufnefaaer 14 über ein Zuaatsgcbläae 22 verbunden, welches Luft aus dea Luftaufnehner 14 In den Zuaatz· luf traun 20 fordert und la Zueatsluf traua 20 einen geringen Ueberdruck über dea Luftdruck la Luf taufnehaer 14 bildet« Wie aus der Zeichnung anhand der elngeseichneten Pfeile ersichtlich ist, lassen die Rttckschlagklappen 15 eine Strömung voa Luf taufnehaer 14 in den Puapenraua 16 su und verhindern eine Oeffnung in entgegengesetzter Richtung·
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Die Klappen 21 ermöglichen eine Strömung au· dem Zusatzluft» raurn 20 in die betreffend« Luftkaeeer 18 und die Klappen 17 eine Strömung aus des Puspenraua 16 ebenfall· in die Luftlra—er 16. In beiden P&lXen wird »in« entgegengesetzte Strttaung durch die Klappen verhindert«
Die Anordnung für eine mehxeyliadrige Maschine let bus dem Schalt acheaa in der Flg.3 ersichtlich, In welcher für die gleichen Teile die gleichen Bezugszeichen vie In der FIg 1 verwendet wurden« Man sieht daraus, dass Jeder Zylinder 1 mit einem ihn zugeordneten Pumpenraum 16 versehen 1st« Die Puffipenräume 16 sind über die Rtickschlagorgane 15 an den gemeinsamen Luftaufnehmer 14 angeschlossen. Aus den Pumpanräum-n 16 gelangt die Luft nach Bedarf über die Rückschlag«- organe 17 in die Zylinder 1. Das Zusatsgebläse 22 1st zu den Pumpenräumen 16 parallel geschaltet und fördert Luft aus dem gemeinsamen Luftaufnehaer 14 über den gemeinsamen ZusatzluftraυΐΕ 20 und über Rückschlagorgane 21 in dl« einzelnen Luftkamaiörn 18, aus welchen diese dann in den betreffenden Zyllndsr 1 Relangt ο Das Gebläse erhält seinen Antrieb von einem Elektromotor 30t welcher vorzugsweise unabhängig von der Dreh-
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zahl der Brennkref taiaschlne mit angenähert konstanter Dreh» zahl läuft. Die Auspuffgase werden aus de· Zylinder in den Abgaaaufnehmer 8 geführt und gelangen aus diesem In die Abgasturbine 1O0 Das alt der Abgasturbine gekuppelte Ladegebläae .1 fordert dann Luft aus der Atmosphäre Über den Kühler 13 Ln den Luftaufnehmer H„
Die Druckverläufe im Luftaufnahmer 14, Im Zusatiiuftaum 20, im Pumpenraum 16, In den Luftkammern 13 und im Zylinder 1 flad In der FIg,2 dargestellt. In dieser Figur sind jle einzelnen Kurven der Druckverllufe mit Buchataben a - e beteichnet, wobei die gleichen Buchataben euch tür besseren Verständnis in den Fig.i und 3 in den einseinen Räumen eingetragen sind, auf welche sich der betreffende Druckverlauf bezieht , Die Kurven sind dabei für swei verschiedene Leistung·- berelche gezeichnet, und swar für VoLlaet, d.h. lOOJf Last und eine Teillast von 25* der Vollast. Dl« Linie a stellt dabei
mittler· den Druck im Luftaufnehmer 14 dar ο Der/Druck der Auspuffgase im Abgasaufnehmer 8, der aus Gründen der Anschaulichkeit Iu Diagramm in der Flgo2 nicht dargestellt wurde, liegt in bei» den Fällen etwas unter der Linie S0 DU im Telllaatbereich
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152645Ϊ
1Ü
ίΠί«Γ der LInLa β gezeichnete UnIe h mitspricht Attu annähernd konstanten Uruek Un 'Zujatsluftrau.ii 20, A%r alt HlLi') i!es ZuHsitzgebItts-88 ?? über ilan Druck ti orhOht Ist3 Bin« d-ir Linie b öütjprnchende Linie fahit Iw 7 öl la.* dreien, da ihm das GeMtUiJ 22 n!fht im Betrieb let,
I)U Kurvis t. geigt den DruofevirL.iuf Im ^aptinraua I63 Dj § Luft Im PusspenrauÄt 16 «if;! fcel el'i.ir Ba-jagung an 2 nach unt<m kueprtjtlerfc uml tiliMln In >1U Luftka^ 10 (Kurv« Ή ftUfgeichobin, I» Aui#«bllok 1)? Oiffnunj opUlechUtij» r), waLcht In tLir FIj/? anrch «U· Hak« Lial ι dei Oäffnii^j.;isb"-3reiches "ßM dargt^tal.it l«t» erfolgt «in* r;i» ac:hd GetikuMs· de* Druckaj in (J«»n fMu^in Ιδ η !kl IfJ (Kurven c und ti); i.J'i ain-j <iurchgih*niJe Virbir^lu.jij Ub jf i1 an ;'-/llnd«r !. ^wI»οhon (!jr LuftkeMÄtr 10 un-1 da-i Abjieiui.ui^wt* ü bes^uiit » Bei «Ine." rshtig .-!J jenjloaj irta/i %41.Α«ι>>Γΐί uv;| dar Ürinü iffeftaa-JchL.-if., >«,h, "^ ■'<.· i Ugjii.1 sit )*lli vil jlnar rieht. L -
BAD ORlGiNAL
In Augenblicks wo die Spuischlltte durch den Kolben geschlossen werden (rechte Linie dee Bereiches "8" In der Fig.2), die Kurve β schneidet. Das heisst, dass In dies·· Augenblick die Druckerhöhung, die durch die Spülpumpe verursacht wird» ausgeschöpft ist und nur der naraale, ve· Ladegebläse gelieferte» lsi Luftaufnehmer 14 wirkende Druck (Linie "«")» wirkt» Ib weiteren Verlauf der Kolbenbewegung sinkt dann infolge der Widerstände bei« Saughub, insbesondere in den Klappen 15, der Druck la Pumpenrau* 16 (Kurvec) unter den Druck la Luftaufnehaer 14 (Linie a). Wie aus einem Vergleich der Kurven für Vollast und für Teillast folgt, sinkt der Druck la Puapenraun 16 (Kurve c) bei der angenoaaenen Teillast bereits la Bereich des unteren Totpunktes unter den Druck la Luftaufnehaer 14· Da die Strömungewiderstände in den Rückschlagklappe!! 15 und 17 eine weitere Drucksenkung bewirken, würde bei der nun einsetzenden Strömung aus dem Luftaufnehaer 14 der Druck la Raum d ungefähr auf die Höhe des Druckes la Abgasaufnehmer 8 sinken ο Das bedeutet, dass während ungefähr der halben Oeffnungsdauer der Spülorcane keine Luftströmung durch den Zylinder gewährleistet wäreο Bei der erfindungsgenässen Anordnung wird jedoch eine Senkung des Druckes in den Luftkammerη 18 (Kurve d)
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- JLJ -
flr den V'ert des Druckes Im Zuaatzlufträum b verhindert, von einer geringfügigen Drucksenkung, die durch Drosselung in den Rückschlagorganea 21 verursacht ist, abgesehen«. Da· wird dadurch verhindert, dass zusätzliche Luft aus des Zuaatslufträum 20 in die Luf tkasumer 18 itröat. Der Druck in dar Luftkammer 16 sinkt scait nur wenig unter d«n durch die Linie b dargestellten Wert, auch wenn der Druck in dar Puapankajuaar in der durch dia Kurve c dargestellten Weiae sinkto Is Diagram» wurde in beiden Fällen, d.h. fUr Vollast und für Teillast t der v/iderstand der Rtickschlaforgane 1? dadurch berücksichtigt, dass die Kurve d la über dar Linla a bsm. b befindlichen Teil mir ein geringes Maas unterhalb dar Kurve e gezeichnet wurde ο
Außerdem ißt la Diagram noch die Kurve a eingezeichnet f welche den Druckverlauf im ZyUnder I darstellt· Dia zwischen den Kurven d und e liegenden «schraffierten Fl&chen geben einen Hinwels auf die Intensität dar Spülung das Zylinders, indem sie den Verlauf des Druckgef&llaa y&hread dea Zeitraumes der Oeffnung der Spillschlltse ax^gaban. Man fleht, dass ohm die erf tndungagemttsse Massnahme bei 25% Teillast die Spülung bereits ' ;-i hinteren Totptznkt beendet wäre0 und zwar ung&fähf im Schnittpunkt der Kurven € und e0 Die über diesem
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BAD ORIGINAL
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Schnittpunkt und rechte van dieses
41* eint bedeutend« Verbttaeruag dir Sp-iUu* 4. ****;·.
let de» Zusatsgebüs® su verdanken c
Wie aus den Beispiel folgt, wlrtf, ■;!.:· durch die Verwendung tines kleines Zutatggiibl&aiSC! ;: Förderdruck, d»h· die geleistete Druckerhöhung bei s.Bs Teillast, nicht über O, 15 atü iu liegen braucht» wandfreier Betrieb der Brennkraftmaschine auch Ik Teillast bereich gewährleistet. Dabei ist das Q«bl£e# <?2 in Iastbt" reichen, die sich über eines bctitinsten Telllastbertich bs" finden, überflüssig und kann ausgeschaltet vc:^;s». Die Steuerung des Zueatsgebläsea 22 kann auf die iftiee dass Lk Luftaufnehsier 14 ein Druck-HeesMgsn angeordnet sein kann, welches in Abhängigkeit vos Luft£r>i£k Ib LvS*;*'. nehner 14 den Antrlebsaotor des Geblüsts 22 tin» bsv, aus· schaltet. Ein« derartig« Anordnung ist in d«r Fi$.3 stellt. In dieser Figur wird der Motor 30 de» 22 durch ein Steuersignal eines Drusk^M^ssorgik«« 31 te« tut Igt..
Zur Verminderung der Strömungsverlvit können RUckschlagorgane 32
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treiben und den restlichen Teil nur alt den SpUlpuapen und des lusKtillchen Gebläse 22· In diese« Falle ist jedoch die Anordnung einer Trenwand 1· Lufteufnehaer 14 an einer geeigneten Stelle erforderlich·
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Claims (6)

- is - Patentanspruch«
1. Aufgeladene Zueitakt-Kolhenbrennkraftmaechlne
mit freilaufender fur bolt (3 ©gruppe, welcher fUr jeden Zylinder «jη© Kolbenpumpe nachgeschaltet let, dadurch gekennzeichnet, dass jsd« Kolbenpumpe (1$) über ein Rückschlagorgan in eine getrennt® Luftkanuaer (18) fördert, «u« welcher SpUlechlltze (5) In dan betreffenden Zylinder (1) führen und deren Volumen so besessen ist, dßss bei» FtSrdarhub der Puape ein Druckanstieg Cc5. dl) mit einer ßpltxe von 1,1 bis 1,3 fächer Gröaee d?s abaoluton Leäodruckee (e) entsteht und dass parallel zu d?n Kolbanp>ußp9n (16) ein allan Zylindern gemeinsame· Zusatzgebläse (22) geschaltet ist, welches Luft aus einem mit dor Förderleitung des Ladegebläse» verbundenen Raum (14) in die Luftkamraem (18) fördert»
2. Kolbenbrennkraftiaatuhine nach Anspruch I9 dadurch gekennzeichnetι dass das Zueatsgeblftse (22) so besessen ist,
dtr von diesem erssugte Ueberdnassk (ee b) kleiner ist die Druckspitze üb«r dem Ladedruck Cc, d) der Kolbenpumpen (16) ynd dass «wf sx' ^n -i&m Zusatsgeblftne (22) und den einseine· lVL?t%Mzmi .·■ i ν-Λ) yii-ickechlegofgan« {21) angeordnet sind»
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3. KolbenbrennkraftBaschlne mach Anspruch 2,
dadurch gekennte Ichnet, da·· da· Zusatzgebläse derart besessen tat, d··· dar von diesen erzeugte Ueberdruck höchstens 0,15 atU biträft.
4. Kolbenbrennkraftnaschiae nach «la·· de? Ansprtiehe
ι 1 bie 3, dadurch gekennzeichnet, da·· das Zusatzgebläse (£2) ein von einen Elektromotor (30) angetriebene» Zentrifugalst» blase 1st, welches unabhängig vco dar Dreh&ahl d«r H&scbivm Luft mit la ««»entliehen kooatant«· Dmckvarhältnle liefert.
5. Kolbaabraankraftaaachlna nach «in«» der Anaprtfshe 1 bie 4, dadurch gekennzeichnet, da·* da· Ztiaatigebläee (22) Luft aus einen fUr alle Zylinder (1) geMln««a«ii Luftaufnehaer (14) in einen für alle Zylinder ieaeinfiuMm Zusatzluft- ' raus (20) fördert, wobei die Luftktunaern (18) der elazelnen
Zylinder an den Zusattiuftrau» (20) Über die RUckschlagorfane (21) angeschlossen sind.
6. KolbenbrennkraftBaachin· nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, da·· der Antrieb (30) de«
Zusatzgebläse· (22) Über eine Steuervorrichtung (31) in Abhängigkeit vom Luftdruck vor des Zusatzgebläse erfolgt.
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