DE2513889A1

DE2513889A1 - Maschinenanlage

Info

Publication number: DE2513889A1
Application number: DE19752513889
Authority: DE
Inventors: Thierry Andre-Talamon; Jean Melchior
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1974-03-29
Filing date: 1975-03-27
Publication date: 1975-10-09
Also published as: AU7961775A; DK144648C; DK131475A; DE2513889C2; JPS50133317A; CS209854B2; NO152763C; LU72168A1; NO750753L; NO148460C; FI750946A; YU76075A; AR202747A1; DD116893A5; CH585843A5; SE450902B; SU698543A3; GB1491561A; AT376767B; NL162714C

Description

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Patentanwälte Dipl.-Ino. Γ. Wj-ιγκμλνν, ^ ³ '

Dipl.-Inc. H. Wirickmann, Dipl.-Phys. Dk. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl-Chem. B. Huber.

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

CZM

Etat Francais

4, avenue de la Porte d'Issy

F-75996 Paris Armees

Maschinenanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschinenanlage derjenigen Art, ■welche umfaßt:

eine Brennkraftmaschine, vorzugsweise eine luftansaugende Brennkraftmaschine, die einerseits durch einen Turbolader aufgeladen ist, der einen Verdichter, eine Turbine, die den Verdichter antreibt, und einen Kanal, der den Auslaß des Verdichters mit dem Einlaß der Turbine vorzugsweise dauerhaft verbindet, und durch den der gesamte nicht durch die Brennkraftmaschine nicht hindurchgehende Durchsatz des Verdichters der Turbine zuführbar ist, aufweist und die andererseits eine Arbeitskammer mit veränderbarem Volumen aufweist, die durch eine Zuführungsleitung mit dem Auslaß des Verdichters und durch eine Auslaßleitung mit dem Einlaß der Turbine derart in Verbindung steht, daß die Arbeitskammer zumindest mit einem Teil des Kanales parallel geschaltet ist;

- eine Hilfsbrennkammer, die bezogen auf die Strömungsrichtung in eine primäre Verbrennungszone, die mit frischer Luft durch den Kanal und mit Brennstoff durch ein Brennstoff-Versorgungsystem beschickt ist, und eine sekundäre Mischzone unterteilt ist, die mit

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frischer Luft durch den Kanal und Verbrennungsgas durch die Auslaßleitung beschickt ist und heiße Gase zum Antrieb der Turbine liefert;

und eine Drosseleinrichtung im Kanal, durch die zwischen der aus dem Verdichter kommenden Luft und dem in die Turbine eintretenden Gas ein Druckabfall einstellbar ist, der praktisch unabhängig ist von dem Verhältnis zwischen der im Kanal strömenden Luftmenge und der vom Verdichter gelieferten Gesamtluftmenge, der sich jedoch im gleichen Sinne wie der in Strömungsrichtung vor der Drosseleinrichtung herrschende Druck verändert.

Unter "Brennkraftmaschine, die eine Arbeitskammer mit veränderbarem Volumen aufweist", soll jede Brennkraftmaschine verstanden werden, die zumindest eine Arbeitskammer aufweist, in welcher sich die Phasen der Zuführung, Kompression, Verbrennung und Expansion sowie die Auspuffphase abspielen, d.h. eine Brennkraftmaschine, die nach dem Viertakt- oder Zweitaktverfahren arbeitet. Es handelt sich im allgemeinen im Gegensatz zu Brennkraftmaschinen mit unveränderbarem Volumen, wie z.B. bei Gasturbinen, um solche Brennkraftmaschinen, bei denen die oder jede Arbeitskammer durch einen gegenüber einem Zylinder oder Mantel bewegbaren Kolben begrenzt ist, wobei die Bewegung entweder eine hin- und hergehende Bewegung oder drehende •Bewegung sein kann, wie dies bei Drehkolbenmaschinen oder Kreiskolbenmaschinen der Fall ist.

Wie dies den obigen Ausführungen zu entnehmen ist, umfaßt der Ausdruck "Brennkraftmaschine mit einer Arbeitskammer mit veränderbarem Volumen" sowohl Brennkraftmaschinen mit einer einzigen Arbeitskammer als auch Brennkraftmaschinen mit mehreren Arbeitekammern. Das Gleiche gilt, wenn z.B. gesagt ist, daß der Turbolader einen Kompressor und eine Turbine oder die Maschinenanlage eine Hilfsbrennkammer aufweist, so ist damit angezeigt, daß der Turbolader

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zumindest einen Kompressor und zumindest eine Turbine und die Maschinenanlage zumindest eine Hilfsbrennkammer aufweist, wobei diese Ausdrucksweise zur Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung gewählt wurde.

Maschinenanlagen der weiter oben erläuterten Art sind in den französischen Patentschriften Nr. 72.12 11.3 vom 6. April 1972 und Nr. 73.10 041 vom 21. März 1973 beschrieben.

Bevor auf die Verbesserungen nach der Erfindung bei Maschinenanlagen der obigen Art eingegangen wird, erscheint es nützlich zu sein, eine Parallele zwischen Brennkraftmaschinen mit veränderbarem Volumen und solchen mit unveränderbarem Volumen zu ziehen, die durch Gasturbinen gebildet werden. Bei Turbinen muß die Arbeitskammer nicht nur eine vollständige Verbrennung (guter Wirkungsgrad der Verbrennung und keine Bildung von Koks und Ruß) , sondern auch eine stabile (kein unerwartetes Löschen und Blasen der Flamme) Verbrennung des in die Kammer eingeführten Brennstoffes sichern.

Um diese beiden Bedingungen zu gewährleisten, ist es bekannt, die Arbeitskammer oder die Brennkammer der Turbine in zwei bestimmte Zonen zu unterteilen, und zwar in eine sogenannte "Primärzone¹¹, in welche Luft und Brennstoff in einem Verhältnis nahe dem stöchiometrischen Verhältnis eingeführt werden, und eine sogenannte "Sekundärzone" oder "Mischzone", in welcher das in der Primär zone erzeugte sehr heiße Verbrennungsgas durch Mischung mit frischer Luft abgekühlt wird, welche durch Mischöffnungen eingeführt wird. Damit die Verbrennung so vollständig und stabil wie möglich ist, ist es notwendig, daß der Druckverlust bzw. Druckabfall der in die Primär zone der Verbrennung eintretenden Luft genügend groß ist, um eine gute Turbulenz in dieser Primärzone hervorzurufen, jedoch genügend schwach ist, um nicht eine Beeinträchtigung des Wirkungsgrades der kompletten

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Maschinenanlage (Verdichter, Brennkammer, Turbine) hervorzurufen. Die Verwirklichung einer guten Brennkammer zeigtnun gerade die Schwierigkeit und Notwendigkeit der Ausbildung einer Primärzone mit großer Turbulenz und geringem Druckverlust. Es ist bekannt, daß man dieses Ziel nur mit Brennkammern erreicht, die einen Druckverlust in der Größenordnung von zumindest 5 % aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Brennkraftmaschinen mit im Volumen veränderbaren Arbeitskammern die aus Brennkraftmaschinen mit im Volumen unveränderbaren Arbeitskammern gev/onnenen Erfahrungen zu übertragen und dabei die mit der Übertragung entstehenden Kosten auf einem vernünftigen Wert zu begrenzen sowie den Gesamtwirkungsgrad der Maschinenanlage auf einem erhöhten Niveau zu halten.

Zu diesem Zweck ist die Maschinenanlage der weiter oben erläuterten Art, bei welcher die Brennkraftmaschine vorzugsweise eine Luft ansaugende und selbstzündende Maschine ist, im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in zwei parallele Zweigkanäle unterteilt ist, von denen der erste mit der Drosseleinrichtung versehen ist und stromabwärts der primären Verbrennungszone einmündet und der zweite mit der primären Verbrennungszone über zumindest eine Öffnung mit einem derartigen Querschnitt verbunden ist, daß der oben genannte Druckabfall praktisch auch zwischen den Bereichen vor und hinter der Öffnung auftritt und daß das Brennstoff»Versorgungssystem in die Primärzone in Höhe der Turbulenz mündet, die durch den Durchtritt der ankommenden Luft durch die Öffnung entsteht.

Unter der Voraussetzung, daß der Druckabfall, der durch die Drosseleinrichtung bei der Maschinenanlage der weiter oben erläuterten Art erzeugt wird, über 10 % und in manchen Fällen bis zu 20 % betragen kann, gestattet die Anwendung dieses Druckabfalls an der Öffnung oder den Öffnungen, durch welche die Luft in die Primär zone der Hilfs-

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brennkammer der Maschinenanlage eintritt, in dieser Zone diejenigen Arbeitsbedingungen zu gewährleisten, die als besonders nützlich bei Gasturbinen erkannt wurden. Da dieser Druckverlust durch Mittel erzielt -wird, die bereits vorher bestanden haben, sind die Kosten der Anpassung auf einen vernünftigen Wert begrenzt und der Gesamtwirkungsgrad der Maschinenanlage ist durch die Erzeugung eines erhöhten Druckverlustes nicht verringert.

Es ist klar, daß sich die Erfindung nicht in einer naheliegenden Weise aus dem Stande der Technik ergibt. Beispielsweise ist die Drosseleinrichtung bei dem oben genannten französischen Patent Nr. 73.10 041, die den vorerwähnten Druckverlust erzeugt, stromaufwärts der Hilfsbrennkammer angeordnet worden, die im übrigen eine wesentlich andere Rolle spielt als die Arbeitskammer einer Gasturbine, zumindest während der normalen Arbeitsbedingungen der Maschine.

Die Maschinenanlage nach der Erfindung umfaßt vorzugsweise eine Regeleinrichtung, die in Wechselbeziehung den Querschnitt der Öffnung oder der Öffnungen und den geeigneten Durchsatz des Brennstoff-Versorgungssystems verändert derart, daß in der Hilfsbrennkammer Bedingungen herrschen, die nahe genug an denjenigen eines stöchiometrischen Verhältnisses liegen, um die Stabilität der Verbrennung zu sichern. Diese Regeleinrichtung kann durch ein Steuerglied beeinflußt werden, das auf einen Druck an irgendeiner Stelle des Fluidkreises anspricht, der den Auslaß des Verdichters mit dem Einlaß der Turbine verbindet, wobei das Steuerglied so angeordnet und ausgebildet ist, daß sich sowohl der Querschnitt der Öffnung bzw. der Öffnungen als auch der geeignete Durchsatz des Brennstoff-Versorgungssystems zumindest zwischen einem maximalen Wert und einem minimalen Wert im umgekehrten Sinne wie der Druck und folglich der Druckabfall vor und hinter den Öffnungen verändern, da dieser Druckabfall proportional

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zum relativen Druck ist. Das Steuerorgan ist vorzugsweise entgegen der Wirkung dieses Druckes einer kombinierten Wirkung einer Rückstellfeder und eines regelbaren Gegendruckes ausgesetzt.

Wegen der Regeleinrichtung besteht nicht die Gefahr, daß die Flamme in der Hilfsbrennkammer erlischt und der Wirkungsgrad der Verbrennung erweist sich als verbessert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß dem ersten Zweigkanal, der direkt mit der Sekundärzone in Verbindung steht und dort vorzugsweise stromaufwärts des Eintritts der Auslaßleitungen in diese Zone einmündet, ein Luftkühlkreis für verschiedene Teile der Brennkraftmaschine entnommen ist, der stromabwärts dieser Zone in den Eintritt der Turbine einmündet. Die Drosseleinrichtung, mit der der erste Zweigkanal des Kanales versehen ist, ist an der Verbindungsstelle zwischen dem Abzweigkanal mit der Sekundärzone der Hilfsbr*nnkammer oder in der Nähe dieser Verbindungsstelle angeordnet.

Diese Ausgestaltung gestattet ohne bedeutende Kosten Kühleinrichtungen zu schaffen, deren Betrieb die Energiebilanz der Gesamtanordnung praktisch nicht belastet.

Die Drosseleinrichtung des Kanales und die Regeleinrichtung zur Veränderung des Querschnittes der Öffnung oder der Öffnungen weisen drei hohle koaxiale Elemente auf, von denen ein Element fest und die beiden anderen Elemente unabhängig voneinander bewegbar sind, wobei das feste Element zumindest einen Teil der Sekundärzone der Hilfsbrennkammer begrenzt und mit dem ersten bewegbaren Element zur Bildung der Drosseleinrichtung eine erste Reihe von Öffnungen mit einem von der Stellung des ersten bewegbaren Elementes abhängigen veränderbaren Querschnitt bestimmt und wobei das zweite bewegbare Element

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zur Bildung der Regeleinrichtung mit einem der beiden anderen Elemente eine zweite Reihe von Öffnungen mit einem von der Stellung dieses zweiten bewegbaren Elementes abhängigen veränderbaren Querschnitt bestimmt.

Aufgrund dieser Ausgestaltung der Drosseleinrichtung und der Regeleinrichtung erhält man eine besonders kompakte Konstruktion.

Zum besseren Verständnis der Erfindung ist diese an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht einer ersten Ausführungs -

form einer Maschinenanlage mit einer luftansaugenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine;

Fig. 2 eine zweite Ausführungs form der Erfindung in teilweise geschnittener Draufsicht, wobei verschiedene Teile mit denen der Ausführungs form nach Fig. 1 übereinstimmen;

Fig. 3 einen Axialschnitt in vergrößertem Maßstab durch eine Hilfsbrennkammer, bei der die Regeleinrichtung zur Zuführung von Luft und Brennstoff entsprechend einer Variante der Ausführungs formen nach den Fig. 1 und 2 ausgebildet ist;

Fig. 4 eine geschnittene schaubildliche Darstellung einer Hilfsbrennkammer, die eine Abänderung der Ausführungsform nach Fig. darstellt;

Fig. 5 schematische Darstellungen von Einzelheiten der Ausführungsund 6

form nach Fig. 4; und

Fig. 7 eine teilweise geschnittene Draufsicht einer Maschinenanlage, bei der die Hilfsbrennkammer entsprechend einer Variante der Fig. 3 ausgebildet ist.

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Die luftansaugende und selbstzündende Brennkraftmaschine, die nachfolgend als Diesel-Brennkraftmaschine bezeichnet wird, ist in den Fig. und 2 mit dem Bezugszeichen 1 versehen und wird durch einen Turbolader aufgeladen, der einen Verdichter 2, eine Turbine 3, welche den Verdichter 2 über eine Welle 4 antreibt, und einen Kanal 5 umfaßt, der ~ vorzugsweise dauerhaft - mit dem Auslaß des Verdichters 2 und dem Einlaß der Turbine 3 in Verbindung steht. Der Strömungsweg der Luft und anderer Gasgemische ist durch Pfeile in den Fig. 1 und 2 angedeutet.

Die Brennkraftmaschine umfaßt mehrere Arbeitskammern 6 (bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen sind es drei Kammern) mit veränderbarem Volumen, die durch Zuführungsleitungen 7 im allgemeinen über den stromaufwärts gelegenen Teil des Kanales 5 mit dem Auslaß des Verdichters 2 und durch Auslaßleitungen 8, im allgemeinen über den stromabwärts gelegenen Teil des Kanales 5 mit dem Eintritt der Turbine 3 derart verbunden sind, daß die Arbeitskammern 6 zumindest mit einem Teil des Kanales 5 parallel geschaltet sind.

Die Maschinenanlage umfaßt außerdem eine Hilfsbrennkammer 9, die in Strömungsrichtung gesehen in eine primäre Brennzone 10, welche durch den Kanal 5 mit frischer Luft und durch ein Brennstoff-Versorgungssystem 11 mit Brennstoff versorgt wird, sowie eine sekundäre Mischzone 12 unterteilt ist, welche mit frischer Luft aus dem Kanal 5 und Verbrennungsgas en aus den Auslaßleitungen 8 beaufschlagt wird und für den Antrieb der Turbine 3 heiße Gase liefert.

Die Maschinenanlage umfaßt auch noch in dem Kanal 5 eine Drosseleinrichtung 13, die geeignet ist, zwischen der aus dem Verdichter 2 austretenden Luft und den in die Turbine 3 eintretenden Gasen einen Druckabfall zu erzeugen, der praktisch unabhängig ist von dem Luftdurchsatz in Kanal 5 und dem durch den Verdichter 2 gelieferten Gesamtdurchsatz, der sich aber entsprechend dem stromaufwärts der Drosseleinrichtung im Kanal herrschenden Druck verändert.

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Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, kann die Drosseleinrichtung durch eine drehbare Klappe, einen verschiebbaren oder verschwenkbaren Schieber oder eine ähnliche Einrichtung gebildet sein und wird durch einen Differentialkolben 14 mit zwei unterschiedlichen Kolben 15 und 16 gesteuert, wobei eine Leitung 17 den stromaufwärts der Drosseleinrichtung 13 im Kanal 5 herrschenden Druck in den Raum zwischen die Kolben 15 und 16 überträgt. An seiner gegenüber liegenden Fläche ist der Kolben dem Atmosphärendruck ausgesetzt, während die gegenüber liegende Fläche des Kolbens 16 mit dem Druck beaufschlagt ist, der stromabwärts der Drosseleinrichtung 13 im Kanal 5 herrscht, wobei eine Leitung 18 diesen Druck zum Differentialkolben 14 überträgt. Der Differentialkolben 14 ist in einem entsprechend ausgebildeten Differentialzylinder 19 verschiebbar gelagert, der fest angeordnet ist. Die Anordnung bestehend aus Zylinder 19» Kolben 14, der Drosseleinrichtung 13 und der mechanischen Verbindung zwischen der Drosseleinrichtung 13 und dem Differentialkolben 14 ist derart, daß man das oben erwähnte Gesetz für den Druckabfall beim Überschreiten der Drosseleinrichtung erhält.

Selbstverständlich können die Drosseleinrichtung und ihre Steuereinrichtung mit dem Differentialkolben in der in den oben genannten französischen Patenten 72.12 113 und 73.10 041 beschriebenen Weise kombiniert sein, anstatt aus den bestimmten Elementen zu bestehen, und sie können verschiedene Verbesserungen (Dämpfer, Rückholfeder usw.) aufweisen, die in diesen Patenten beschrieben sind.

Gemäß der Erfindung ist der Kanal 5 in zwei parallele Zweigkanäle 5a und 5b unterteilt, von denen der Zweigkanal 5a mit der Drosseleinrichtung versehen ist und stromabwärts in die primäre Verbrennungszone 10 einmündet, und der zweite Zweigkanal 5b mit der primären Verbrennungszone 10 durch zumindest eine Öffnung 20 mit einena derartigen Querschnitt in Verbindung steht, daß sich der oben genannte Druckabfall praktisch

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auch stromaufwärts und stromabwärts dieser Öffnung EO einstellt; außerdem rnün det das Brennstoff-Versorgungssystem 11 mit einer Einspritzdüse 21 in die primäre Zone 10 in Höhe der Turbulenz ein, die durch den Eintritt der Luft durch die genannte Öffnung entsteht. Es sei erwähnt, daß der oben erwähnte Druckabfall nicht auf den Durchgang der Luft durch die öffnung oder Öffnungen 2ö hervorgerufen wird, sondern durch die Drosseleinrichtung 13 erzeugt wird, da diese den Druckabfall unabhängig von dem Durchsatz erzeugt, der durch sie hindurchgeht.

Die Maschinenanordnung umfaßt eine Regeleinrichtung, die in entsprechender Wechselbeziehung den Querschnitt der Öffnung bzw. der Öffnungen und den geeigneten Durchsatz des Brennstoff-Versorgungssystems 11 verändert. Gemäß dex* Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 umfaßt die Regeleinrichtung ein Steuerglied 22, das schematisch durch einen Hebel angedeutet ist, welches in mechanischer Weise einerseits mit einer Schiebemuffe 23 und andererseits mit einer Düsennadel oder einem Ventilkörper 24 verbunden ist. Die Schiebemuffe 23 ist auf der äußeren Fläche eines Mantels 25 geführt, der das Innere der primären Kammer begrenzt und den zweiten Zweigkanal 5b des Ranales 5 absperrt, wobei der einzige freie Querschnitt für die Luft durch eine Lochreihe 20 hergestellt-ist, die den Mantel 25 durchsetzt. Die Schiebemuffe 23 überdeckt die Öffnungen 20 mehr oder weniger und regelt somit ihren geeigneten Querschnitt, Der Ventilkörper 24 arbeitet mit einer Ventilöffnung zusammen und regelt so deren geeigneten Querschnitt. Die Ventilöffnung 26 ist stromaufwärts durch eine Leitung 27 mit einer unter Druck stehenden Brennstoffquelle (nicht dargestellt) und stromabwärts durch eine Leitung 28 mit der Einspritzdüse 21 verbunden. Die Elemente 21, 24, 27 und 28 bilden Teile des Brennstoff-Versorgungssystems 11.

Von dem Zweigkanal 5a des Kanales 5 kann entweder stromabwärts der Drosseleinrichtung 13 in Fig. 2 oder stromaufwärts dieser Einrichtung entsprechend Fig. 3 ein Kühlluftstrom für verschiedene Teile der

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Brennkraftmaschine abgezweigt werden, wobei dieser Kühlluftstrom stromabwärts am Eintritt in die Turbine 3 einmündet. Man benützt vorteilhafterweise zu diesem Zweck zwei koaxiale Mäntel 29 und 30 mit annähernd zylindrischem Querschnitt, von denen der innere Mantel an den zweiten Zweigkanal 5b des Kanales 5 angeschlossen ist und den Mantel 2 5 der primären Zone 10 aufnimmt und das Innere der sekundären Zone 2 begrenzt. Die Auslaßleitungen 8 münden in den Innenmantel 29. Der Innenmantel 29 und der Außenmantel 30 begrenzen zwischen sich eine ringförmige Kammer 31, die mit dem ersten Zweigkanal 5a des Kanales 5 in Verbindung steht und welche den Kühlkreis, insbesondere für den Innenmantel 29. bildet.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 wird die sekundäre Beimischluft durch Öffnungen 32 in den Innenmantel 29 eingeführt, die diesen Mantel stromabwärts der Einmündungen der Auslaßleitungen 8 (wie dies in dem französischen Patent Nr. 72.12112 vom 6. April 1972 angezeigt ist) durchqueren und durch welche der gesamte Durchsatz in dem ersten Zweigkanal 5a des Kanales 5 hindurchtiitt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird die sekundäre Beimischluft in den Innenmantel 29 zum größten Teil durch die Öffnungen 33 mit verhältnismäßig großem Querschnitt eingeführt, die den Mantel stromaufwärts der Einmündungen der Auslaßleitungen 8 durchsetzen, wobei der Rest dieser sekundären Beimischluft nach dem Kühlen bestimmter Elemente des Motors in den Innenmantel durch die Öffnungen 34 mit relativ kleinem Querschnitt eingeführt wird, die den Innenmantel in gleicher Höhe wie die Öffnungen 32 bei der Ausführungsform nach Fig. durchsetzen. Die in dem Zweigkanal 5a des Kanales 5 strömende Luft verteilt sich auf die Sekundärzone 12 und denjenigen Teil der ringförmigen Kammer 31, der jenseits der Öffnungen 33 liegt, entsprechend dem Verhältnis der Querschnitte der Lochanordnung 33 und der Lochanordnung 34.

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Die Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 4 unterscheiden sich von den beiden vorhergehenden Ausführungs formen durch zwei Abänderungen oder Verbesserungen.

Entsprechend der ersten Verbesserung spricht das Steuerglied 22 auf den an irgendeinem. Punkt des Fluidkreises herrschenden Druck an, der den Auslaß des Verdichters 2 und den Einlaß der Turbine 3 verbindet, und dieses Steuerglied 22 ist so ausgebildet, daß sowohl der Querschnitt der Öffnung oder der Öffnungen 20 als auch die geeignete Fördermenge des Brennstoff-Versorgungssystems 11 (alles zumindest im Bewegungsbereich der Schiebemuffe 23) im umgekehrten Sinne wie der Druck und wie weiter oben gesagt, irn umgekehrten Sinne wie die Differenz der Drücke sich verändern, die vor und hinter den Öffnungen 20 herrschen. Zu diesem Zweck ist das Steuerglied 22 entgegen der Wirkung dieses Druckes der kombinierten Wirkung einer Rückstellfeder 3 5 (nicht in Fig. 4, jedoch in Fig. 6 dargestellt) und einem regelbaren Gegendruck unterworfen.

Gemäß der zweiten Verbesserung ist die Drosseleinrichtung 13, mit der der erste Abzweigkanal 5a des Kanales 5 versehen ist, an der Verbindungsstelle (Fig. 3) oder in der Nähe der Verbindungsstelle (Fig. 4) des Abzweigkanals 5a mit der Sekundärzone 12 vorgesehen.

Zu diesem Zweck umfassen die Drosseleinrichtung 13 und die Regeleinrichtung für die Veränderung des Querschnittes der Öffnung oder der Öffnungen 20 drei hohle koaxiale Elemente, von denen eins 36 oder 36a fest und die beiden anderen 37 oder 37a, 38 oder 3"8a voneinander unbeweglich sind. Das feste Element 36 oder 36a begrenzt im Inneren zumindest einen Teil der Sekundärzone 12, der Hilfsbrennkammer 9 und bestimmt zusammen mit dem ersten bewegbaren Element 37 oder 37a zur Bildung einer Drosseleinrichtung 13 eine erste Reihe von Öffnungen 39 oder 39a mit entsprechend der Lage des bewegbaren Elementes 37

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oder 37a veränderbarem Querschnitt. Das zweite bewegbare Element 38 oder 38a bestimmt mit einem der beiden anderen Elemente (d.h. dem ersten bewegbaren Element 37 in Fig.3_Und dem festen Element 36a in Fig. 4) zur Bildung der erwähnten Regeleinrichtung eine zweite Reihe von Öffnungen 20 oder 20a, deren Querschnitt von der Lage des zweiten bewegbaren Elementes 38 oder 38a abhängt.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die beiden bewegbaren Elemente 37 und 38 in Bezug auf das feste Element 36 verschiebbar angeordnet, wobei das Element 38 im Inneren des Elementes 37 vorgesehen ist, welches seinerseits im Inneren des Elementes 36 sitzt. Das feste hohle Element 36 spielt eine entsprechende Rolle wie der Mantel 29 in den Fig. 1 und 2. Es nimmt die Auslaßleitungen 38 auf und bildet mit dem äußeren Mantel 30 die ringförmige Kühlkammer 31. Die Reihe der Löcher 39 ist ringförmig in den beiden Elementen 36 und 37 derart vorgesehen, daß die Verschiebung des Elementes 37 den Querschnitt dieser Öffnungen verändert.

Das bewegbare Element 37 tritt aus dem Kanal 5 durch eine Abdichteinrichtung 40 (Dichtung, Membran, Balg oder dergl.) hindurch, welche eine Verschiebung des Elementes 37 gestattet. Außerhalb des Kanales 35 trägt das bewegbare Element 37 einen Zylinder 41, in welchem das Steuerglied 22 bewegbar aufgenommen ist, welches die Form eines Tauchkolbens aufweist, der mit dem inneren hohlen Element fest verbunden ist. Die Reihe der Öffnungen 20 ist als Ring in den zweiten Elementen 37 und 38 derart vorgesehen, daß eine gegenseitige Verschiebung dieser Elemente eine Veränderung des Querschnitts dieser Öffnungen bewirkt.

Im Inneren des Zylinders 41 kann (wie dies in dem oben genannten französischen Patent Nr. 73.10 041 beschrieben ist) ein Kolben 42 frei verschiebbar angeordnet sein, in welchem die Öffnung 26 eingebracht ist, die die Brennstoffmenge regelt. In diese Öffnung dringt der

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Ventilkörper 24 in Form einer Nadel ein, die eines der Enden einer Stange 43 bildet, welche in axialer Richtung das Steuerglied 22 durchdringt. Die Stange 43 ist im Inneren mit einer Längsbohrung versehen, die die Leitung 28 (Fig. 1 und 2) bildet und welche in der Einspritzdüse endet, die am Ende des Steuergliedes 22 vorgesehen ist.

Die Zuführungsleitung 27 für den Brennstoff mündet im Boden des Zylinders 41. Der Überschuß des Brennstoffes wird mittels einer Leitung 44 durch eine Öffnung 45 abgeführt, deren freier Querschnitt durch den freien Kolben 42 einstellbar ist. Letzterer ist unter den einander entgegengesetzten Wirkungen des Druckes des Brennstoffes, der durch die Leitung 27 eintritt, und einer Rückstellfeder 46 bewegbar, die sich an einer abdichtenden Trennwand 47 abstützt, welche quer durch das Innere des Zylinders 41 geführt ist. An seinem stromaufwärts gelegenen Ende mündet der Längskanal oder die Bohrung 28 zwischen dem freien Kolben 42 und der Trennwand 47 aus. An der anderen Seite der Trennwand 47 begrenzt das Steuerglied 22 eine Kammer 48, in welcher eine Leitung 49 endet, die den pneumatischen Gegendruck überträgt. Die Feder 35 ist in der Kammer 48 vorgesehen und stützt sich an der Trennwand 47 ab.

Das Ende des hohlen Elementes 37, welches durch die Dichtung 40 hindurchtritt, weist einen Querschnitt s auf, aufweichen der Umgebungsdruck einwirkt; dieser Querschnitt s ist kleiner als der Querschnitt S des anderen Endes des hohlen Elementes 37, welches stromaufwärts der Austrittsleitungen 8 vorgesehen ist. Da die äußere Fläche des hohlen Elementes 37, welches an seinem durch die Dichtung 40 hindurchtretenden Teil im Querschnitt verringert ist, dem Austrittsdruck P 2 des Verdichters (der in dem Kanal stromaufwärts der Drosseleinrichtung L3 oder der Öffnungen 39 herrschende Relativdruck) unterworfen ist, beträgt der Druckabfall ^ P , welcher durch die Drosseleinrichtung

/\ P _s

hervorgerufen wird, = — , wie groß auch immer der Durchsatz

Po S

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sein mag, wenigstens so lange als die Drosselöffnungen 39 nicht vollständig geöffnet sind.

Durch Regelung und Abstimmung der Federkennung der Federn 35 und und der Abmessungen der Öffnungen 20 und 26 bleiben der Durchsatz der Luft, die die Primärzone 10 speist, und der Brennstoffdurchsatz durch die Einspritzdüse 21 in einem Verhältnis, das genügend nahe dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht, um eine gute Stabilität der Verbrennung zu gewährleisten, und diese Durchsätze verändern sich im umgekehrten Verhältnis zum Druck an irgendeinem Punkt des Kanals (Druck am Eintritt der Turbine gemäß Fig. 3 oder am Austritt des Verdichters, wie weiter oben festgestellt, gemäß Fig. 4); diese Veränderung der Durchsätze tritt zwischen einem maximalen Wert (der Turbolader 2, 3 arbeitet allein oder mit einer gedrosselten Brennkraftmaschine) und einem minimalen Wert für eine Spar- oder Zündflamme (der eventuell 0 sein kann) auf, und zwar ab einem Leistungs-wert, bei welchem der Turbolader selbständig in Betrieb ist mit der alleinigen Energiezuführung, die aus den Abgasen der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht.

Der Gegendruck, der über die Leitung 49 nach Fig. 3 aufgebaut wird, gestattet eine Veränderung des Regelbereiches der Vorrichtung und ein willkürliches Wiederinbetriebnehmen der Hilfsbrennkammer 9.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 3 durch die Tatsache, daß die bewegbaren Elemente 37a und 38a drehbar und nicht verschiebbar sind. Aus Gründen der Vereinfachung der Zeichnung ist in Fig. 4 der die Ringkammer 31 umfassende Kühlkreis nicht dargestellt.

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Das feste Element 36a ist zylindrisch und umfaßt einerseits einen Lufteintritt 50, an welchem derjenige Teil des Kanales 5 einmündet, der vom Verdichter 2 kommt, und andererseits eine erste Reihe von Öffnungen, die einen ersten Satz der Öffnungen 39a bildet, sowie einen zweiten Satz Öffnungen 33. An der Innenwand des festen Elementes 36a kann sich ein bewegbares Element 37a drehen, welches ebenfalls zylindrisch ausgeführt ist und eine Reihe von Öffnungen aufweist, die den zweiten Satz der Öffnungen 39a bilden. Durch Speichen 51 und eine Muffe 52 ist das drehbare Element 37a mit einem ersten Steuerhebel 53 verbunden.

Durch eine dicht abschließende quer verlaufende Trennwand 54 ist das feste Element 36a mit einer festen zylindrischen Muffe 55 verbunden, an deren Innenfläche das bewegbare Element 38a drehbar gelagert ist, welches zylindrisch ausgeführt ist, wobei das Element 38a und die Muffe 55 mit zwei Reihen von Öffnungen 20a versehen sind. Durch eine dicht abschließende quer verlaufende Trennwand 56, die den Boden der primären Zone 10 der Brennkammer 9 bildet, und eine Muffe 57 ist das drehbare Element 38a mit einem zweiten Steuerhebel 58 verbunden, der über eine Stange 43 mit dem Steuerglied 22 verbunden ist. Die Muffe 52 umgibt in koaxialer Weise die Muffe 57, die von einer Leitung 28 durchsetzt ist, welche die Einspritzdüse 21 an ihrem gegen die Primärzone gerichteten Ende trägt.

Die Fig. 6 zeigt das Schema einer Einrichtung, die wechselseitig den Durchsatz der Primärluft und des Brennstoffes nach Art der Ausführungsform der Fig. 4 regelt, wobei entsprechende Elemente, die denjenigen der vorhergehenden Figuren entsprechen, mit den gleichen Bezugs zeichen versehen sind.Diese Einrichtung verwendet wie ein Hydraulikmotor Brennstoff, der unter konstantem Druck durch eine Leitung 59 zugeführt wird. Stromabwärts einer Düse 60 mündet die Leitung 59 in einen Zylinder 61, wo ein Kolben 62 entsprechend dem Steuerglied 22 der Fig. 3 verschiebbar gelagert und der Wirkung einer Rückstellfeder 3 5 (die

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in Fig. 4 nicht gezeigt ist) und dem Druck des Brennstoffes in dem Zylinder 61 unterworfen ist. Der Kolben 62 ist mit der Stange 43 fest verbunden. Der Brennstoff fließt aus dem Zylinder 61 durch einen Auslaß, der mit Hilfe eines Kolbenreglers 63 für die Anreicherung des Brennstoff-Luftgemisches überwacht ist, in eine Rücklaufleitung 64 zum Brennstoff-Vorratsbehälter, wobei der Kolben 63 in einer Richtung der Wirkung einer Rückstellfeder 65 und in der anderen Richtung einem regelbaren Druck unterworfen ist, der durch die Leitung 49a übertragen wird; dieser Druck ist vorzugsweise demjenigen Druck proportional, der an irgendeinem Punkt des Kanales 5, beispielsweise am Auslaß des Verdichters 2, herrscht, wobei der Koeffizient der Proportionalität willkürlich regelbar ist.

Die Fig. 5 zeigt das Schema eines Reglers des Druckabfalls Δ» Ρ nach Art der Ausführung der Fig. 4. Dieser Regler verwendet ebenso wie ein Hydraulikmotor den unter Druck durch die Leitung 59 ankommenden Brennstoff. Stromabwärts einer Düse 66 mündet die Leitung 59 in den Zylinder 67, wo ein Kolben 68 verschiebbar gelagert ist, dessen Kolbenstange 69 mit einem Steuerhebel 53 in Verbindung steht. Der Kolben 68 ist der Wirkung einer Rückstellfeder 70 und dem Druck des Brennstoffes in dem Zylinder 67 ausgesetzt. Der Brennstoff strömt aus dem Zylinder durch einen mittels eines Kolbenreglers 14 (entspricht der Ausführung in den Fig. 1 und 2) in eine Leitung 71, die zu dem Brennstoffbehälter führt.

Die Funktionsweise der Aus führung s form en nach den Fig. 4 bis 6 ist die gleiche wie die bei der Aus führung s form nach Fig. 3, ausgenommen die Tatsache, daß die Steuermechanismen mit Hilfe einer hydraulischen Steuervorrichtung gesteuert sind und daß die Änderung des Regelbereiches des in Fig. 6 gezeigten Steuergliedes durch direkte Einwirkung des über die Leitung 49a zugeführten Druckes erfolgt.

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An der Ausmündung der Öffnungen 20 und 20a entsteht eine derartige Turbulenz, daß der in die Primärzone 10 eingespritzte Brennstoff bei optimalen Bedingungen verbrennt. Diese Turbulenz tritt ohne Leistungsverlust ein, da die Drosseleinrichtung 13, welche dies hervorruft, bereits vor der vorliegenden Erfindung bestanden hat.

Die Ausführungsform nach Fig. 7 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig, 3 im wesentlichen durch die Tatsache, daß die Drosseleinrichtung, die einen kontrollierten Druckverlust erzeugt und hier durch das Bezugszeichen 13a gekennzeichnet ist, von der Verbrennungskammer mit veränderbarer Gestalt getrennt ist, welche hier mit dem Bezugs zeichen 9a bezeichnet ist. Entsprechend Fig. 7 ist der Kanal 5 durch einen Kasten begrenzt, von dem zwei Zuführungsleitungen 7 ausgehen und der durch eine Trennwand 75 begrenzt ist, hinter der (in Strömungsrichtung gesehen) der Abzweigkanal 5a gebildet ist. Die Trennwand 7 5 ist mit einem Durchgangsloch versehen, dessen Ränder einen Sitz 76 bilden, mit welchem ein Schließteller 77 zusammenwirkt, der stromabwärts dieses Sitzes vorgesehen ist. Der Teller ist mit einer Stange 78 fest verbunden, welche den Sitz 76 durchquert und unter Zwischenschaltung einer Dichtung 79 durch die äußere Wand des Kastens 74 herausgeführt ist. Der Teller mit der· Stange 78, welche eine Drosseleinrichtung 13a bilden, ist dem Atmosphärendruck ausgesetzt, der auf den Querschnitt der Stange 78 außerhalb des Kastens einwirkt, sowie denjenigen Drücken, die stromaufwärts und stromabwärts des Schließtellers 77 wirken, die ihre Wirkung auf die obere und die untere Fläche des Tellers 77 ausüben. Wenn man den Querschnitt der Stange 78 mit s. , die Fläche des Tellers 77 mit S., den Atmosphärendruck mit T und die Drücke stromaufwärts und stromabwärts des Tellers 77 mit P und P bezeichnet, so kann das herrschende Gleichgewicht durch folgende Formen ausge-

P-P s

drückt werden: ^ 3 _ 1 Was die Verbrennungskammer 9a

anlangt, so ist diese durch eine gegenüber dem Kasten 74 festliegende Hülse 25 und eine verschiebbare Muffer 38 begrenzt, die entsprechend

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der Muffe 38 nach Fig. 3 ausgebildet und gesteuert ist. Die einzigen Unterschiede bestehen darin, daß die Feder 35 nach Fig. 3 durch einen elastischen Faltenbalg 75a ersetzt ist, der als Abdichtung zwischen der Kammer 48 und dem Abzweigkanal 5b des Kanales 5 liegt, so daß der Zylinder 41 am Kasten 74 festgelegt ist.

Patentansprüche

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Claims

_P_a_t_e_n_t ^ η _s_ £^ r^ ü £ h _e _

( 1. i&aschinenanlage umfassend:

β eine Brennkraftmaschine, die vorzugsweise eine luftansaugende Brannkraftmaschine ist, die einerseits durch einen Turbolader aufgeladen ist, der einen Verdichter, eine Turbine, die den Verdichter antreibt, und einen Kanal, der den Auslaß des Verdichters mit dem Einlaß der Turbine vorzugsweise dauerhaft verbindet, und durch den der gesamte, nicht durch die Brennkraftmaschine hindurchgehende Durchsatz des Verdichters der Turbine zuführbar ist, aufweist und die andererseits eine Arbeitskammer mit veränderbarem Volumen aufweist, die durch eine Zuführungsleitung mit dem Auslaß des Verdichters und durch eine Auslaßleitung mit dem Einlaß der Turbine derart in Verbindung steht, daß die Arbeitskammer zumindest mit einem Teil des Kanales parallel geschaltet ist;

eine Hilfsbrennkammer, die bezogen auf die Strömungsrichtung in eine primäre Verbrennungszone, die mit frischer Luft durch den Kanal und mit Brennstoff durch ein Brennstoff-Versorgungssystem beschickt ist,und eine sekundäre Mischzone unterteilt ist, die mit frischer Luft durch den Kanal und Verbrennungsgas durch die Auslaßleitung beschickt ist und heiße Gase zum Antrieb der Turbine liefert;

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- und eine Drosseleinrichtung im Kanal, durch die zwischen der aus dem Verdichter kommenden Luft und dem in die Turbine eintretenden Gas ein Druckabfall einstellbar ist, der praktisch unabhängig ist von dem Verhältnis zwischen der im Kanal strömenden Luftmenge und der vom Verdichter gelieferten Gesamtluftmenge, der sich jedoch im gleichen Sinne wie der in Strömungsrichtung vor der Drosseleinrichtung herrschende Druck verändert,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (5) in zwei parallele Zweigkanäle (5a, 5b) unterteilt ist, von denen der erste (5a) mit der Drosseleinrichtung (13, 13a) versehen ist und stromabwärts der primären Verbrennungszone (10) einmündet und der zweite (5b) mit der primären Verbrennungszone (10) über zumindest eine Öffnung (20) mit einem derartigen Querschnitt verbunden ist, daß der oben genannte Druckabfall praktisch auch zwischen den Bereichen vor und hinter der Öffnung (20) auftritt und daß das Brennstoff-Versorgungssystem (H) in die Primärzone (10) in Höhe der Turbulenz mündet, die durch den Durchtritt der ankommenden Luft durch die Öffnung (20) entsteht.
2. Maschinenanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (22 bis 26), die in Wechselbeziehung den Querschnitt der öffnung oder der Öffnungen (20, 20a) und den geeigneten Durchsatz des Brennstoff-Versorgungssystems verändert, derart, daß in der Hilfsbrennkammer (9) Bedingungen herrschen, die nahe genug an denjenigen eines stöchiometrischen Verhältnisses liegen, um die Stabilität der Verbrennung zu sichern.
3. Maschinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung beeinflußt wird durch ein Steuerglied (22), das auf einen Druck an irgendeiner Stelle des Fluidkreises (5) anspricht, der den Auslaß des Verdichters (2) mit dem Einlaß der Turbine (3) verbindet, wobei das Steuerglied so angeordnet und ausgebildet ist,

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daß sich sowohl der Querschnitt der Öffnung bzw. der Öffnungen (20) als auch der geeignete Durchsatz des Brennstoff-Versorgungssystems (11) zumindest zwischen einem maximalen Wert und einem minimalen Wert im. umgekehrten Sinne wie der Druck verändern.
4. Maschinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (22) der Wirkung des Druckes an irgendeinem Punkt des Fluidkreises (5) und der kombinierten Wirkung einer Rückstellfeder (3 5) und eines regelbaren Gegendruckes ausgesetzt ist.
5» Maschinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4₃ dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Zweigkanal (5a), der direkt mit der Sekundärzone. (12) in Verbindung steht und dort vorzugsweise stromaufwärts des Eintritts der Auslaßleitung (8) in diese Zone einmündet, ein Luft kühlkreis für verschiedene Teile der Brennkraftmaschine (1) entnommen ist, der stromabwärts dieser Zone in den Eintritt der Turbine (3) einmündet.
6. MascMnenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (13) mit der der erste Zweigkanal (5a) des Kanals (5) versehen ist, an der Verbindungsstelle zwischen dem Zweigkanal (5a) mit der Sekundär zone (12) der Hilfsbrennkammer (9) oder in der Nähe dieser Verbindungsstelle angeordnet ist.
7. Maschinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (13) des Kanales und die Regeleinrichtung zur Veränderung des Querschnittes der öffnung oder der Öffnungen (20) drei hohle koaxiale Elemente (36, 36a; 37, 37a; 38, 38a) aufweisen, von denen ein Element (36, 36a) fest und die beiden anderen Elemente (37, 37a; 38, 38a) unabhängig voneinander bewegbar sind, daß das feste Element (36, 36a) zumindest einen Teil der Sekundärzone (12)

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der Hilfsbrennkammer (9) begrenzt und mit dem ersten bewegbaren Element (37, 37a) zur Bildung der Drosseleinrichtung (13) eine erste Reihe von Öffnungen (39, 39a) mit einem von der Stellung des ersten bewegbaren Elementes abhängigen veränderbaren Querschnitt bestimmt und daß das zweite bewegbare Element (38, 38a) zur Bildung der Regeleinrichtung mit einem der beiden anderen Elemente (36, 36a; 37, 37a) eine zweite Reihe von Öffnungen (20) mit einem von der Stellung dieses zweiten bewegbaren Elementes (38, 38a) abhängigen veränderbaren Querschnitt bestimmt.
8. Maschinenanlage nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite bewegbare Element (38, 38a) im Inneren des ersten bewegbaren Elementes (37, 37a) angeordnet ist, zusammen mit diesem die zweite Reihe der Öffnungen (20) bestimmt und die Sekundärzone (12) der Hilfsbrennkammer (9) begrenzt.
9. Maschinenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite bewegbare Element (38, 38a) mit dem Steuerglied (22) fest verbunden ist.

10, Maschinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden bewegbaren Elemente (37a, 38a) mit dem festen Element (36a) zur Bestimmung der beiden Reihen von Öffnungen (39a, 20a) mit veränderbarem Querschnitt zusammenwirken und daß dasjenige bewegbare Element, welches die zweite Reihe der Öffnungen (20a) bestimmt, die Sekundärzone (12) der Hilfsbrennkammer (9) begrenzt.

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