DE2534295A1

DE2534295A1 - Maschinenanlage

Info

Publication number: DE2534295A1
Application number: DE19752534295
Authority: DE
Inventors: Jean Melchior
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1975-07-31
Publication date: 1976-02-19
Also published as: ATA581575A; SU639474A3; DE2534295C2; DK348175A; SE403166B; DD119068A5; JPS5141105A; CA1026571A; AT378995B; FR2283314A1; LU73099A1; JPS531415B2; IT1053796B; GB1485713A; CS201032B2; CH589224A5; ES439882A1; NL7509125A; DK142999B; US4009574A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H W;tgkmann, Dn l.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R AAVeickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTI-ACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Etat Francais, represents? par Ie Delegue Ministeriel pour l'Armement A, avenue de la Porte d'Issy - 75996 Paris Armees / Frankreich

Mas chinenanlage

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

eine luftansaugende und selbstzündende Brennkraftmaschine, die einerseits durch einen Turbolader aufgeladen ist, der einen Verdichter mit einer Saugleitung, eine Turbine, die den Verdichter antreibt, und einen Kanal aufweist, der den Auslaß des Verdichters mit dem Einlaß der Turbine, vorzugsweise dauerhaft, verbindet, 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 mit frischer Luft durch den Kanal, mit Brennstoff durch ein Brennstoff-Versorgungssystem und mit Verbrennungsgas durch die Auslaßleitung beschickt ist und heiße Gase zum Antrieb der Turbine liefert;

- und einen Rückströmkanal, der eine Zone des Gaskreislaufes stromabwärts der Hilfsbrennkammer mit einer Zone dieses Gaskreislaufes stromaufwärts der Arbeitskammer der Brennkraftmaschine verbindet.

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Unter dem Ausdruck "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 Arbeitskammern 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 Arbeitskammern, was häufiger der Fall ist. Das Gleiche gilt, wenn z.B. gesagt ist, daß der Turbolader einen Verdichter und eine Turbine oder die Maschinenanlage eine Hilfsbrennkammer aufweist, so ist damit angezeigt, daß der Turbolader zumindest einen Verdichter 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 verschiedenen Druckschriften der Anmelderin, insbesondere in den französischen Patentschriften Nr. 72.12 113 vom 6. April 1972 und Nr. 73.10 041 vom 21. März 1973 beschrieben.

Es ist bekannt, daß das Anlassen und der Betrieb im gedrosselten Zustand der Brennkraftmaschine Probleme mit sich bringen, die um so schwieriger zu lösen sind, je geringer die Umgebungstemperatur ist. Diese Probleme

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B Π 9 8 Π 8 / 0 7 6 1

2 5 3 Λ ? 9 5

sind noch erschwert, wenn das Kompressionsverhältnis der Brennkraftmaschine gering ist (beispielsweise unter 12). Der Hauptgrund für diese Erschwerung liegt in der unzulässigen Ausdehnung der Zündverzögerung des Brennstoff-Luftgemisches in dem Zylinder oder der Arbeitskammer am Ende der Kompressionsphase; diese Zündverzögerung hängt in erster Linie von der Temperatur der Mischung und zum geringeren Teil von ihrem Druck ab.

Zur Lösung dieser Probleme sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen worden, unter denen diejenigen zitiert werden können, die den oben genannten Rückströmkanal verwenden, um dem Motor heiße Gase zurückzuführen, die aus einem Teil seiner Auspuffgase und den Verbrennungsprodukten aus der Hilfsbrennkammer bestehen. Diese Rezirkulation der heißen Gase findet insbesondere bei einer ersten Lösung ausgehend von dem stromaufwärts der Turbine gelegenen Bereich nach dem stromabwärts liegenden Bereich des Verdichters und bei einer zweiten Lösung ausgehend von einem stromabwärts der Turbine liegenden Bereich zu einem stromaufwärts des Verdichters liegenden Bereich statt (vgl. US-PS 2 633 698, Fig. 4).

Damit der Effekt der Rezirkulation stattfinden kann, ist es gemäß der ersten Lösung bekannt, daß der in der Auslaßleitung herrschende Druck höher ist als derjenige Druck, der in der Zuführungsleitung herrscht; zu diesem Zweck ist in der US-PS 2 633 698 vorgeschlagen worden, in der Zuführungsleitung für die Brennkraftmaschine stromaufwärts der Einmündung des Rückströmkanales eine Drosseleinrichtung vorzusehen, die geeignet ist, einen Druckverlust zwischen dem Auslaß des Verdichters und der Zuführungsleitung für die Brennkraftmaschine zu schaffen. Es ist bekannt, daß diese Drosseleinrichtung eine Veränderung der aerodynamischen Einrichtungen zwischen dem Verdichter und der Brennkraftmaschine erfordert und Steuereinrichtungen benötigt, die kostspielig und sperrig sind. Darüber hinaus verhindert die Anwesenheit dieser Drosseleinrichtung ein Spülen der Brennkraftmaschine, was ein Hindernis für die Anwendung der Drosseleinrichtung bei einer nach dem Zweitaktverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine ist.

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Die zweite der oben erwähnten Lösungen erfordert einen platzraubenden Rückströmkanal mit großem Querschnitt, da die rückzuführenden Gase einen wenig erhöhten Druck aufweisen, der höchstens gleich ist dem Auslaßdruck der Turbine. Darüber hinaus hängt der Durchsatz der zurückgeführten Gase insbesondere von demjenigen Druck ab, der in der Saugleitung des Verdichters herrscht, d.h. von einem Parameter, der sich der Bewertung durch den Konstrukteur der Brennkraftmaschine entzieht, da er von den LadungsVerlusten abhängt, die eine Funktion der Länge und der Geometrie der Leitung darstellen, die sich an die Saugleitung des Kompressors anschließt.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der oben erwähnten Nachteile das Anlassen und den Betrieb im Leerlauf sowie im unteren Lastbereich bei einer Maschinenanlage der oben erwähnten Art zu vereinfachen, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit einem geringen Kompressionsverhältnis .

Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Maschinenanlage der oben erwähnten Art gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Anfang des Rückströmkanales zwischen der stromabwärts gelegenen Zone der Hilfsbrennkammer und dem Eintritt der Turbine und das Ende dieses Rückströmkanales in der Saugleitung des Verdichters angeordnet sind und daß der Rückströmkanal mit einer Steuereinrichtung ausgerüstet ist, die so ausgebildet ist, daß sie den Rückströmkanal absperrt, sobald der Verdichter ohne Rückführung heißer Gase stromaufwärts der Brennkraftmaschine diejenigen Bedingungen schafft, die eine Selbstzündung gestatten.

Unter dem Ausdruck "stromabwärts gelegene Zone" der Hilfsbrennkammer versteht man hier diejenige Zone, in welcher der in diese Kammer eingeführte Brennstoff bereits fast vollständig verbrannt ist und das sich hieraus ergebende Gas mit Frischluft und/oder Abgasen der Brennkraftmaschine vermischt ist. Diese Zone befindet sich im allgemeinen stromabwärts der Einmündung der Abgase der Brennkraftmaschine.

R Π fi R η R / Π 7 B 1

Da der in der Hilfsbrennkammer herrschende Druck stets über demjenigen liegt, der in der Saugleitung des Verdichters herrscht (selbst wenn ein Niederdruckverdichter an diese Leitung angeschlossen ist), ist es selbstverständlich, daß durch den Rückströmkanal, so lange dieser nicht geschlossen ist, in die Saugleitung des Verdichters ein Teil der heißen Gase überführt werden, die stromaufwärts der Turbine vorhanden sind, ohne daß es demzufolge notwendig wäre, eine einen Ladungsverlust erzeugende Drosseleinrichtung vorzusehen. Die heißen Gase sind von der Menge her gesehen ausreichend, um durch Mischung mit der durch den Verdichter angesaugten Luft diese zu erhitzen und in der Zuführungsleitung für die Brennkraftmaschine diejenigen thermodynamischen Bedingungen zu schaffen, die am Ende der Kompressionsphase eine Selbstzündung gestatten. Das Starten bei Kälte, der Leerlauf und der Betrieb im unteren Lastbereich sind somit erleichtert.

Andererseits kann aufgrund der Tatsache, daß die Druckdifferenz zwischen dem Eintritt und dem Auslaß des Rückströmkanales verhältnismäßig hoch ist, einerseits der Querschnitt des Rückströmkanales verhältnismäßig klein sein und andererseits kann man durch Drosseln am Ausgang des Kanales Düsenstrahlen erzeugen, die vorzugsweise quer zur Hauptströmungsrichtung der frischen Luft austreten, was die Bildung einer homogenen Mischung des Gases mit der frischen Luft begünstigt.

Weiterhin ist die Betriebsweise der Maschinenanlage unabhängig von der Länge und der Geometrie der gesamten Saugleitung und entspricht nun immer dem Entwurf und der Entwicklung sowie Einstellung des Konstrukteurs. Die Anpassung des Rückströmkanales, die sehr einfach ist, erfordert keine Veränderung des Aufbaues des aerodynamischen Kreises der Turbolader-Brennkraftmaschineneinheit, und dieser Kanal kann, wenn die atmosphärischen Bedingungen rauh sind, nach Wahl bei einer Brennkraftmaschine vorgesehen sein, die bereits geeignete Mittel zum Anlassen und für den Betrieb im unteren Lastbereich aufweist, um das Anlassen und den Leerlauf bei diesen Bedingungen zu vereinfachen.

R η 9 ft n R / η 7 6 1

Schließlich verursachen die am Ausgang der Hilfsbrennkammer von den reinen Gasen (vollständige Verbrennung der mageren Mischung) abgezweigten zurückgeführten heißen Gase keine Verschmutzung des Verdichters und der Leitung, die den Verdichter mit der Brennkraftmaschine verbindet.

Um den Grundgedanken festzuhalten, sei auf folgendes hingewiesen: Wenn man die Ansaugtemperatur des Verdichters, der ein Kompressionsverhältnis von I, 7 aufweist, auf einer Temperatur von 40° C hält, während die Umgebungstemperatur zwischen +40 C und -40 C schwankt, ist es notwendig, eine Menge an Gas zurückzuführen, die zwischen 0 und 10 % des gesamten Durchsatzes des Verbrennungsgases beträgt, der durch die Hilfsbrennkammer geliefert wird. Für eine Maschinenanlage mit einem Verdichter, der in der Lage ist, ein Kilogramm Luft pro Sekunde mit einem Druckverhältnis von 5/1 zu liefern, kann eine maximale Zuführung von 10 % mit Hilfe eines Rückströmkanales von nur 3 0 mm Durchmesser durchgeführt werden.

Vorzugsweise arbeitet die Steuervorrichtung im Rückströmkanal automatisch und spricht auf diejenige Differenz an, die zwischen dem Druck stromaufwärts der Turbine und demjenigen s tr cm aufwärts des Verdichters herrscht und ist so ausgebildet, daß sie den Kanal öffnet oder schließt, je nachdem, ob diese Drucl Differenz oberhalb oder unterhalb einer bestimmten Schwelle liegt (Auf- Zu-Regelung). Tatsächlich werden die oben definierten thermodynamischen Bedingungen für einen gegebenen Verdichter ab einem bestimmten Druckverhältnis erreicht oder überschritten.

Es besteht auch ein Interesse daran, die automatisch arbeitende Steuereinrichtung im Rückströmkanal auf die Temperatur der Luft stromaufwärts des Verdichters ansprechen zu lassen, derart, daß bei offenem Rückströmkanal den zurückgeführten Gasen ein Strömungsquerschnitt

Π 9 M η Π / o 7 6 1

zur Verfügung steht, der progressiv abnimmt, wenn die Temperatur zunimmt, und umgekehrt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung zur Überwachung des Rückströmkanales innerhalb der Saugleitung des Verdichters angeordnet und umfaßt einerseits einen festen rohrförmigen Körper, der das stromabwärts gelegene Ende des Rückströmkanales bildet und aufeinanderfolgend in Strömungs richtung der zurückströmenden Gase einen Ventilsitz, Auslaßöffnungen für das zurückströmende Gas und eine Verbindung (Verbindungsöffnungen) zwischen dem Inneren und dem Äußeren des rohrförmigen Körpers aufweist, und andererseits einen Kolben, der in dem rohrförmigen Körper zwischen den Auslaßöffnungen und den Verbindungsöffnungen verschiebbar geführt ist und der stromaufwärts einen Ventilteller trägt, der mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, wobei der Kolben der Wirkung elastischer Glieder (Feder) ausgesetzt ist, die ein Abheben des Ventiltellers von seinem Ventilsitz und ein Verschieben des Kolbens entgegen der Strömungs richtung der zurückströmenden Gase bis zum Anlegen an einen Anschlag zu erreichen sucht.

Vorzugsweise ist derjenige Abschnitt des rohrförmigen Körpers, der die Auslaßöffnungen aufweist, in einem geradlinigen Abschnitt (in der Achse) der Saugleitung des Verdichters angeordnet und die Auslaßöffnungen sind auf den Umfang des rohrförmigen Körpers verteilt und im wesentlichen rechtwinklig zu der Achse der Saugleitung angeordnet. Um die Steuereinrichtung empfindlich in Bezug auf die Temperatur der in den Verdichter strömenden Luft zu machen, sind die Auslaßöffnungen für das rückströmende Gas in Richtung der Verschiebung des Kolbens gestaffelt und der rohrförmige Körper trägt eine auf die Temperatur ansprechende Einrichtung, durch die der Anschlag für den Kolben umso mehr in einem der Strömungsrichtung entgegengesetzten Sinn verschiebbar ist, je höher die Temperatur ist, -was z\i einem Verschließen einer zunehmenden Anzahl von Austrittsöffnungen und zu einer Verminderung des Gasdurchsatzes der zurückströmenden Gase führt, unter der Voraussetzung, daß der Kolben an seinem Anschlag anliegt und das Ventil folglich offen ist.

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Die Erfindung an Hand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in denen die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele erklärt und dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung teilweise im Schnitt und teilweise

in Ansicht einer Maschinenanlage mit einer aufgeladenen luftansaugenden und selbstzündenden Brennkraftmaschine, die entsprechend der Erfindung ausgerüstet ist und

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine Einzelheit der Maschinenanlage nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

Die luftansaugende (nach dem Diesel-Verfahren arbeitende) Brennkraftmaschine nach Fig. 1, die durch das Bezugs zeichen 1 bezeichnet ist, wird durch einen Turbolader aufgeladen, der einen Verdichter 2, eine Turbine 3, die den Verdichter 2 mittels einer Verbindungswelle 4 antreibt, und einen Kanal 5 aufweist, der, vorzugsweise dauerhaft, den Auslaß des Verdichters 2 mit dem Einlaß der Turbine 3 verbindet. Die Strömungsrichtung der Luft und anderer Gasgemische ist in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet.

Die Brennkraftmaschine umfaßt mehrere Arbeitskammern 6 mit veränderbarem Volumen, die durch eine Zuführungsleitung oder einen Zuführungssammler 7 mit dem Auslaß des Verdichters 2, im allgemeinen durch das stromaufwärts gelegene Ende des Kanales 5 und durch eine Auslaßleitung oder Auslaßsammler 8 mit dem stromabwärts gelegenen Ende des Kanales derart verbunden sind, daß die Arbeitskammern 6 mit einem Teil des Kanales 5 parallel geschaltet sind.

Die Maschinenanlage umfaßt auch noch eine Hilfsbrennkammer 9» die mit Frischluft durch den Kanal 5, von dem sie zumindest zum Teil das stromabwärts gelegene Ende bildet, mit Brennstoff durch ein Brennstoff-Versorgungssystem 10 und mit Verbrennungsgas durch die Auslaßleitung 8

R η 9 3 η R / η 7 6 1

versorgt wird, die in diese Hilfsbrennkammer 9 einmündet, welche heiße Gase zum Antrieb der Turbine 3 liefert.

Die Maschinenanlage kann auch in dem Teil des Kanales 5 zwischen dem Anfang der Zuführungsleitung 7 und der Hilfsbrennkammer 9 eine Drosseleinrichtung aufweisen, um zwischen der Luft, die aus dem Verdichter 2 kommt, und dem Gas, das in die Turbine 3 eintritt, einen Druckabfall zu erzeugen, der praktisch unabhängig vom Verhältnis zwischen der im Kanal strömenden Luftmenge und der vom Verdichter gelieferten Gesamtluftmenge ist, der sich jedoch im gleichen Sinne wie der in Strömungsrichtung vor der Drosseleinrichtung herrschende Druck verändert. Diese Drosseleinrichtung kann durch eine drehbare Klappe 11 (wie in Fig. 1 dargestellt), einen verschiebbaren oder verschwenkbaren Schieber oder eine ähnliche Einrichtung gebildet sein und wird durch einen Differentialkolben mit zwei Kolben 13 und 14 mit unterschiedlichem Querschnitt gesteuert, zwischen die eine Leitung 15 den in Kanal 5 stromaufwärts der Drosseleinrichtung herrschenden Druck überträgt; auf die andere Fläche des kleinen Kolbens 13 wirkt der Atmosphärendruck und auf die andere Fläche des großen Kolbens 14 wirkt der Druck, der im Kanal 5 stromabwärts der Drosseleinrichtung herrscht und durch eine Leitung 16 übertragen wird. Der Kolben 12 ist in einem Differentialzylinder 17 verschiebbar aufgenommen. Die Anordnung, bestehend aus dem Zylinder 17, dem Kolben 12, der Drosseleinrichtung (Drosselklappe 11 oder etwas Ähnliches) und der mechanischen Verbindung zwischen der Drosseleinrichtung und dem Differentialkolben ist derart, daß man das oben erwähnte Gesetz für den Druckabfall beim Überschreiten der Drosseleinrichtung erhält.

Das Brennstoff-Versorgungssystem 10 wird durch eine Steuereinrichtung gesteuert, die den Durchfluß den Arbeitsbedingungen der Vorrichtung anpaßt; da diese Steuereinrichtung nicht unmittelbar mit der Verwirklichung der Erfindung zusammenhängt und bereits in verschiedenen Patenten der Anmelderin beschrieben wurde, wird sie hier nicht im einzelnen erläutert.

P. Π 9 P₅ 0 0/0761

Es sei nur erwähnt, daß die Hilfsbrennkammer 9, bezogen auf die Strömungsrichtung, in eine primäre Verbrennungszone, die mit frischer Luft und mit Brennstoff beschickt ist, und eine sekundäre Mischzone unterteilt ist, die mit frischer Luft und mit Verbrennungsgas aus der Auslaßleitung beschickt ist, und mit der Turbine 3 in Verbindung steht; aus dem schon oben angezeigten Grund wird der Aufbau der Kammer 9 nicht bis ins einzelne erläutert.

Gemäß der Erfindung umfaßt die Maschinenanlage einen Rückströmkanal für heiße Gase, dessen Anfang 19 zwischen der stromabwärts gelegenen Zone der Hilfs brennkammer 9 und dem Einlaß der Turbine 3 sich befindet und dessen Ende, welches durch Öffnungen 20 gebildet ist, sich in der Zuführungsleitung 21 des Verdichters 2 befindet. Darüber hinaus ist der Rückströmkanal 18 mit einer automatisch arbeitenden Steuereinrichtung versehen, die so eingerichtet ist, daß sie den Rückströmkanal absperrt, sobald der Verdichter 2 ohne Rezirkulation in der Lage ist, stromaufwärts der Brennkraftmaschine 1 diejenigen thermodynamischen Bedingungen zu schaffen, die eine Selbstzündung ermöglichen.

Man hat weiter oben den Ausdruck "stromabwärts gelegene Zone" der Hilfs brennkammer 9 definiert. Man kann jedoch präzisieren, daß diese stromabwärts gelegene Zone näherungsweise dem Ende der sekundären Mischzone entspricht.

Wie in Fig. 2 im einzelnen dargestellt, ist die Steuereinrichtung 22 in dem Saugkanal 21 des Verdichters 2 angeordnet und umfaßt einen festgelegten rohrförmigen Körper 23, der das stromabwärts gelegene Ende des Rückströmkanales 18 bildet und der aufeinanderfolgend im Strömungssinne des zurückgeführten Gases (schematisch durch den Pfeil F angedeutet) einen inneren Ventilsitz 24, Austrittsöffnungen 20 und eine Verbindung in Form von Öffnungen 2 5 zwischen dem Inneren und dem Äußeren des rohrförmigen Körpers 23 aufweist. Die Steuereinrichtung 22 umfaßt außerdem

fi η 9 R η 8 / η 7 6 1

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einen Kolben 26, der in der Zone des rohrförmigen Körpers 23 zwischen den Auslaßöffnungen 20 und den Verbindungsöffnungen 25 gleitet und der stromaufwärts einen Ventilteller 27 trägt, der mit dem Sitz 24 zusammenwirkt. Der Kolben ist der Wirkung einer abgestimmten Feder 28 unterworfen, die. bestrebt ist, den Ventilteller 27 von seinem Sitz 24 zu entfernen und ihn in eine Richtung entgegen dem Pfeil F zu verschieben, bis er durch einen Anschlag 29 angehalten wird, der gleichzeitig als Abstützung für die Feder 28 dient.

Derjenige Teil des rohrförmigen Körpers 23, der die Öffnungen 20 aufweist, ist in der X-X-Achse eines geradlinigen Abschnittes des Saugkanales 21 vorgesehen und die Öffnungen 20 sind auf den Umfang dieses Abschnittes des rohrförmigen Körpers verteilt und sind ungefähr im rechten Winkel zu dieser Achse X-X ausgerichtet, wie dies in Fig. 2 für diejenige der Öffnungen gezeigt ist, die mit 20a bezeichnet ist und die sich in der Zeichenebene der Figur befindet.

Die Austritts öffnungen 20 sind entsprechend der Verschieberichtung des Kolbens 26 gestaffelt und der rohrförmige Körper 23 trägt eine Einrichtung 30, die auf die Temperatur der in dem Saugkanal 21 einströmenden Luft anspricht und geeignet ist, den Anschlag 29 in einem dem Pfeil F entgegengesetzten Sinne um so mehr zu verschieben, je höher diese Temperatur ist, was zu einem Verschließen einer zunehmenden Anzahl von Öffnungen durch den Kolben 26 und somit zu einer Verminderung der Menge des zurückgeführten Gases führt, unter der Voraussetzung, daß der Kolben an seinem Anschlag 29 anliegt und das Ventil 27 auf ist.

Zu diesem Zweck trägt der Kolben 26 an der dem Ventilteller 27 gegenüber liegenden Seite einen Schaft 31, der frei durch eine Scheibe 32 faßt, die mit dem Anschlag 29 fest verbunden ist und sich an der Rückseite der Scheibe mittels eines quer laufenden Ansatzes abstützt, der fest mit dem Schaft

R Π '*;- ι :': / η 7 f. 1

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verbunden und beispielsweise durch eine Scheibe 33 gebildet ist. Der Anschlag 29 selbst ist durch einen Zylinder gebildet, der im Inneren des rohrförmigen Körpers 23 verschiebbar angeordnet ist und den einander entgegengesetzten Wirkungen einer Feder 3 5 (im Sinne des Pfeiles F) und eines Stößels 36 ausgesetzt ist, der um so mehr aus der Einrichtung 30 heraustritt, je höher die durch diese Einrichtung festgestellte Temperatur ist. Die Scheibe 32 kann als Abstützung für die Feder 28 dienen.

Schließlich ist der rohrförmige Körper 23 zwischen den Öffnungen 20 undden Ve bindungsöffnungen 25 mit einerEntspannungsnut 37 versehen, die derart angeordnet ist, daß sie eine Verbindung zwischen dem Saugkanal 21 und dem Raum zwischen dem Ventilteller 27 und der Steuerkante 38 des Kolbens herstellt, wenn sich der Ventilteller auf dem Sitz 24 befindet. Diese Entspannungsnut verhindert, daß die durch den Rückströmkanal 18 ankommenden heißen Gase mit den Federn 28 und 3 5 in Berührung kommen und diese zerstören.

Man erhält so eine Maschinenanlage, deren Arbeitsweise wie nachfolgend erläutert abläuft. Man startet den Turbolader 2, 3 mit Hilfe einer nicht dargestellten Anlasservorrichtung und führt Brennstoff mit Hilfe des Brennstoff-Versorgungssystems 1 0 in die Hilfsbrennkammer 9 mit ausreichender Menge ein, um ein selbständiges Laufen des Turboladers zu ermöglichen. Der in der stromabwärts liegenden Zone der Hilfsbrennkammer 9 herrschende und durch den Rückströmkanal 18 auf den Kolben übertragene Druck der heißen Gase ist ungenügend, um die Wirkung der Feder 28 zu überwinden. Dieser Druck istjedoch immer höher als der Druck der ankommenden Frischluft in dem Saugkanal 21, wodurch eine bestimmte Menge an heißen in der Hilfsbrennkammer 9 erzeugten Gasen durch den Rückströmkanal 18 und die Öffnungen 20 in den Saugkanal 21 eingeführt wird, wo sich die heißen Gase mit der Frischluft mischen und diese aufheizen. Man kann darauf die Brennkraftmaschine mit Hilfe ihres nicht dargestellten Anlassers anlassen, denn die thermodynamisehen Bedingungen, die auf diese Weise geschaffen sind, gestatten eine Selbstzündung in den Arbeitskammern 6 der Brennkraftmaschine 1.

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κ Π 9 Π μ Ά ι η ι Β 1

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Die heißen Gase, die mit großer Geschwindigkeit aus den Öffnungen 20 quer zur Strömung der Frischluft in dem Saugkanal 21 austreten, bilden mit der Frischlust eine homogene Mischung sowohl hinsichtlich der Zusammensetzung als auch hinsichtlich der Temperatur.

Je niedriger die Temperatur der Außenluft ist, um so mehr läßt der Stößel der Einrichtung 30 ein Anheben des Anschlages 29 durch die Feder 35 und damit ein Anheben des Ventiles 27 zu, was zu einer Vergrößerung der Anzahl der geöffneten Öffnungen 20 führt. Schließlich ist der Durchsatz der zurückgeführten heißen Gase um so größer, je niedriger die Außentemperatur ist, d.h. daß eine besonders bedeutsame Aufheizung notwendig ist.

So lange der Druck der heißen zurückgeführten Gase geringer ist als die Schwelle, von welcher ab die thermodynamischen Bedingungen eine Selbstzündung ermöglichen, wird der Kolben 26 durch die Feder 28 so lange entgegen der Richtung des Pfeiles F verschoben, als dies die gegenseitige Berührung der Scheiben 32 und 33 zuläßt. Wegen der erweiterten Form, die der Sitz 24 und der Ventilteller 27 aufweisen, werden die heißen Gase beim Umströmen des Ventiltellers 27 nicht eingeschnürt. Wenn der Druck der zurückgeführten heißen Gase die oben erwähnte Schwelle erreicht, hebt er den Kolben 26 an, wodurch eine Einschnürung der heißen Gase hervorgerufen wird, die den Ventilteller 27 umströmen, was einen Druckabfall hinter dem Ventil zur Folge hat; der Ventilteller legt sich daher schnell an seinen Sitz 24 an. Das Ventil 27 führt somit eine Auf-Zu-Regelung aus. Auf diese Weise ist ab einer erhöhten Leistung die Rückführung der heißen Gase, die eine Zerstörung des Verdichters 2 herbeiführen könnten, vollständig unterbunden.

Es sei erwähnt, daß gemäß der Erfindung die Aufheizung der durch den Verdichter angesaugten Luft eine Erhöhung des Brennstoffverbrauches herbeiführt, die sich im obigen Beispiel zwischen 0 und 21 % bewegt. Wenn man dagegen die Bedingungen für die Selbstzündung nur durch eine

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Erhöhung des Druckes des Turboladers 2, 3 erreichen möchte, so ist die Erhöhung des Brennstoffverbrauches wesentlich größer und man kann behaupten, daß die Erfindung eine Wirtschaftlichkeit bezogen auf den Brennstoff gewährleistet. Im übrigen würde die Erhöhung des Druckes des Turbo· laders eine Überdimensionierung der Anlaßvorrichtung der Brennkraftmaschine und somit eine Erhöhung der Anlagekosten hervorrufen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt, sondern umfaßt sämtliche dem Fachmann geläufigen Abänderungen. So kann, wie dies in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet ist, die Maschinenanlage einen Niederdruckverdichter 39 stromaufwärts der Saugleitung 21 des Verdichters 2 und eine Niederdruckturbine 40 stromabwärts der Turbine 3 aufweisen, wobei die Turbine 40 den Verdichter 39 mittels einer Welle 41 antreibt. Ebenso kann die Steuereinrichtung 22, so lange sie automatisch arbeitet, auf andere Parameter, wie z.B. die Temperatur des Kühlmediums der Brennkraftmaschine, ansprechen. Selbstverständlich ist es nicht notwendig, daß die Steuereinrichtung automatisch arbeitet, sondern diese Vorrichtung kann auch der Initiative des Bedienenden überlassen sein.

Patentansprüche

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Claims

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1. Maschinenanlage umfassend:

eine luftansaugende und selbstzündende Brennkraftmaschine, die einerseits durch einen Turbolader aufgeladen ist, der einen Verdichter mit einer Saugleitung, eine Turbine, die den Verdichter antreibt, und einen Kanal aufweist, der den Auslaß des Verdichters mit dem Einlaß der Turbine vorzugsweise dauerhaft verbindet, 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;

und einen Rückströmkanal, der eine Zone des Gaskreislaufes stromabwärts der Hilfsbrennkammer mit einer Zone dieses Gaskreislaufes stromaufwärts der Arbeitskammer der Brennkraftmaschine verbindet,

dadurch gekennzeichnet, daß der Anfang (19) des Rückströmkanales (18) zwischen der stromabwärts gelegenen Zone der Hilfsbrennkammer (9)

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und dem Eintritt der Turbine (3) und das Ende (20) dieses Rückströmkanales (18) in der Saugleitung (21) des Verdichters (2) angeordnet sind, und daß der Rückströmkanal (18) mit einer Steuereinrichtung (22) ausgerüstet ist, die so ausgebildet ist, daß sie den Rückströmkanal (18) absperrt, sobald der Verdichter ohne Rückführung heißer Gase stromaufwärts der Brennkraftmaschine (1) diejenigen Bedingungen schafft, die eine Selbstzündung gestatten.

2. Maschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (22) im Rückströmkanal (18) automatisch arbeitet und auf die Differenz zwischen dem Druck stromaufwärts der Turbine (3) und dem Druck stromaufwärts des Verdichters (2) anspricht und so ausgebildet ist, daß sie den Rückströmkanal (18) öffnet oder schließt, je nachdem, ob diese Differenz oberhalb oder unterhalb einer bestimmten Schwelle liegt.

3. Maschinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die automatisch arbeitende Steuereinrichtung (22) im Rückströmkanal (18) auf die Temperatur der Luft stromaufwärts des Verdichters (2) derart anspricht, daß bei offenem Rückströmkanal den zugeführten Gasen ein Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht, der progressiv abnimmt, wenn die Temperatur zunimmt und umgekehrt.

4. Maschinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Rückströmkanal (18) automatisch arbeitende Steuereinrichtung (22) innerhalb der Saugleitung (21) des Verdichters (2) angeordnet ist und einerseits einen festen rohrförmigen Körper (23), der das stromabwärts gelegene Ende des Rückströmkanales (18) bildet und aufeinanderfolgend in Strömungs richtung der zurückströmenden Gase einen Ventilsitz (24), Auslaßöffnungen (20) für das zurückgeführte Gas und eine Verbindung (Verbindungsöffnungen 25) zwischen dem Inneren und dem Äußeren des rohrförmigen Körpers aufweist, und

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andererseits einen Kolben (26) umfaßt, der in dem rohrförmigen Körper (23) zwischen den Auslaßöffnungen (20) und den Verbindungsöffnungen (25) verschiebbar geführt ist und der stromaufwärts einen Ventilteller (27) trägt, der mit dem Ventilsitz (24) zusammenwirkt, und daß der Kolben (26) der Wirkung elastischer Glieder (Feder 28) ausgesetzt ist, die ein Abheben des Ventiltellers (27) von seinem Ventilsitz (24) und ein Verschieben des Kolbens entgegen der Strömungsrichtung der zurückströmenden Gase bis zum Anlegen an einen Anschlag (29) zu erreichen suchen.

5. Maschinenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Abschnitt des rohrförmigen Körpers (23), der die Auslaßöffnungen (20) aufweist, in einem geradlinigen Abschnitt (Achse X-X) der Saugleitung (21) des Verdichters (2) angeordnet ist und daß die Austrittsöffnungen (20) auf den Umfang des rohrförmigen Körpers (23) verteilt und im wesentlichen rechtwinklig zu der Achse (X-X) der Saugleitung (21) angeordnet sind.

6. Maschinenanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (20) für das zurückströmende Gas in Richtung der Verschiebung des Kolbens (26) gestaffelt sind und daß der rohrförmige Körper (23) eine auf die Temperatur ansprechende Einrichtung (30) trägt, durch die der Anschlag (29) für den Kolben (26) um so mehr in einem der Strömungs richtung entgegengesetzten Sinne verschiebbar ist, je höher die Temperatur ist, was zu einem Verschließen einer zunehmenden Anzahl von Austritts öffnungen (20) und zu einer Verminderung des Gasdurchsatzes der zurückströmenden Gase führt, unter der Voraussetzung, daß der Kolben (26) an seinem Anschlag anliegt und das Ventil (24, 27) folglich offen ist.

7. Maschinenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Körper (23) mit einer Entlüftungsnut (37)

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versehen ist, die der Kolben (26) mit seiner mit den Austritts öffnungen (ZO) zusammenwirkenden Steuerkante (38) in dem Moment öffnet, in welchem das Ventil (24, 27) schließt.

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