DE2617709A1 - Antriebsanlage mit einem mit vorverdichtung von einem turbokompressor gespeisten verbrennungsmotor - Google Patents

Antriebsanlage mit einem mit vorverdichtung von einem turbokompressor gespeisten verbrennungsmotor

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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. F. A/Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
8 MÖNCHEN 86, DEN
POSTFACH 860 820
MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22
ETAT FRANCAIS Represent6 par Ie Delegue Ministeriel pour l'Armement - 14, rue Saint-Dominique, F-75997 Paris Armees
Antriebsanlage mit einem mit Vorverdichtung von einem Turbokompressor gespeisten Verbrennungsmotor.
Die Erfindung betrifft die Antriebsanlagen mit einem Verbrennungsmotor mit Brennkammern veränderlichen Volumens, welcher mit Vorverdichtung von einem Turbokompressor gespeist wird, dessen Turbine die Auspuffgase des Motors empfängt^ und eine Abzweigleitung aufweist, welche von dem Kompressor auf die Turbine die ganze nicht von dem Motor absorbierte luft mit einem Druckabfall übertragen kann, welcher praktisch von der Förderleistung unabhängig und eine wachsende Funktion des Ausgangsdrucks des Kompressors ist. Strömungsaufwärts von der Turbine ist eine Hilfsbrenakammer angeordnet, welche wenigstens einen Teil der luft empfängt, welche die Abzweigleitung durchströmt hat·
Die Erfindung ist sowohl auf rotierende Motoren als auch auf Motoren mit eine hin- und hergehende Bewegung ausführenden* Kolben sowie sowohl auf Motoren mit Funkenzündung als auch auf Motoren mit Verdichtungszündung anwendbar. Sie bietet jedoch ein besonderes Interesse bei einer Anlage mit einem eine volumetrische Maschine bildenden Motor (d.h. insbesondere mit einem Viertaktmotor, im Gegensatz zu einem Zweitaktmotor)· Ih diesem Fall stellt sie auch einen besonders wichtigen Fortschritt bei Anlagen mit einem Viertaktmotor mit kleinem volumetrischem Verhältnis (von kleiner als 12, welches kleiner als 6 sein kann)dar, welcter mit Vorverdichtung durch einen Turbokompressor mit hohem Verdichtungsverhältnis gespeist wird, welches 6 er-
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reichen oder übersteigen kann, und welcher in der Nähe seiner Pendellinie arbeitet, so daß er auch einen hohen Wirkungsgrad hat.
Der Ausdruck "Turbokompressor" schließt auch den Fall ein, daß mehrere Turbinenkörper und/oder -stufen vorgesehen sind, sowie auch den Fall, daß mehrere Kompressorkörper vorgesehen sind, gegebenenfalls mit Kühlung der Luft zwischen den aufeinanderfolgenden Kompressorkörpern.
Anlagen der obigen Art sind insbesondere in der Patentanmeldung Nr. P 23 16 027 2 vom 30, März 1973 beschrieben.
Die in dieser Patentanmeldung beschriebene Anlage weist eine Abzweigleitung mit Drosselmitteln auf, welche der von dem Kompressor zu der Turbine strömenden luft einen Druckabfall erteilen, welcher von der Förderleistung unabhängig ist und linear mit dem Ausgangsdrucks des Kompressors zunimmt (wobei er im allgemeinen 5 bis 15 % dieses Drucks darstellt). Das Vorhandensein der ständig offenen Abzweigleitung ermöglicht dem Turbokompressor, wie eine Gasturbine zu arbeiten, und ermöglicht die Anpassung an die Nähe seiner Pendellinie, damit er einen hohen Wirkungsgrad hat.
Als Gegengewicht zu ihren Vorteilen besitzen gewisse dieser Anlagen eine weiter unten definierte Abhängigkeit.
Der Turbokompressor für die Vorverdichtung wird so gewählt, daß er dem Motor angepasst ist, wenn dieser an seinem Nennpunkt arbeitet, d.h. mit der höchsten leistung (grösstes Drehmoment und grösste Drehzahl). Diese Anpassung erfordert im allgemeinen, daß der Kompressor dann außer der von dem Motor angesaugten Luftmenge eine Luftmenge von größenordnungsmäßig 5 bis 15 % der von dem Motor absorbierten Luftmenge liefert, welche folgende Aufgaben zu erfüllen hat:
- Die Aufrechterhaltung einer Strömung in der Abzweigleitung, welche die Festlegung der Druckdifferenz zwischen dem Kompressor und der Turbine ermöglicht;
- die Lieferung des Sauerstoffs, welcher zur Aufrechterhaltung der Verbrennung bei Sparbetrieb in der Hilfsbrennkammer erforderlich ist, wenn eine derartige Kammer vorgesehen ist?
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- die Speisung der Strömungskreise zur Kühlung der heißen Teile des Motors (Auspuffleitung, gegebenenfalls Zündkerzen usw.);
- die Lieferung des LuftüberSchusses, welcher zur Berücksichtigung der Änderungen der Umgebungsbedingungen und der Versetmutzung der Luftfilter erforderlich ist.
Aus Gründen der Ersparnis bei der Konstruktion und beim Betrieb ist es zweckmässig, einen Kompressor zu mahlen, welcher den obigen Forderungen entspricht, aber nicht mehr.
Wenn die von dem Motor angesaugte Luft auf
einer praktisch konstanten Temperatur gehalten wird, ist die das Arbeiten des Motors bei konstanter Drehzahl (Kennlinie Förderleistung-Druck) darstellende Kurve eine durch den Ursprung gehende Gerade, wenigstens bei einem Viertaktmotor, welcher eine volumetrische Maschine bildet. Der Betriebspunkt des Turbokompressors verschiebt sich dagegen auf einer Kurve, deren Konkavität der Achse der Drücke zugewandt ist, und welche durch einen Nennanpassungspunkt, welcher dem Nenndruck und einer Förderleistung entspricht, welche um 5 bis 15 % größer als die von dem Motor absorbierte Menge ist, und durch den eine Förderleistung Null für ein Druckverhältnis von 1 darstellenden Punkt geht.
Die beiden Kennlinien schneiden sich also
zwangsläufig bei beliebiger Motordrehzahl (welche nur in einer Abnahme der Steilheit der Kennlinie Förderleistung/Druck des Motors zum Ausdruck kommt, wenn die Motordrehzahl kleiner ist)·
Wenn man das Druckverhältnis bis auf den
Kreuzungspunkt und hierauf unter diesen absinken ließe, würde dies die Luftströmung in der Abzweigleitung zu Null machen und hierauf umkehren, was ein normales Arbeiten des Motors und insbesondere jede Beschleunigung im Leerlauf verhindern würde, wie dies weiter unten genauer erläutert ist.
Eine naheliegende lösung zur Vermeidung dieses Fehlers besteht darin, in die Brennkammer eine Kraftstoffmenge einzuspritzen, welche durch Re ge !mittel gesteuert wird, welche ein Absinken des Vorverdichtungsdrucks unter einen Wert verhindern, welcher etwas höher als der der Kreuzung der Kurven entsprechende ist. An den meisten Motoren ist jedoch diese Lösung wenig befriedigend, da sie den Gesamtverbrauch erheblich erhöht,
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wenn der Motor im Langsam lauf oder mit geringer Belastung arbeitet.
Die Erfindung bezweckt insbesondere die Herstellung einer Anlage der oben definierten Art, in welcher dieser Nachteil wenigstens in sehr weitem Maße aufgehoben ist. Hierfür schlägt die Erfindung eine Anlage der obigen Art mit auf dem Weg der dem Motor zuströmenden Vorverdichtungsluft angeordneten Drosselmitteln und Mitteln zur automatischen Steuerung der Drosselmittel, derart, daß die von dem Motor bei geringer Belastung angesaugte Luftmenge auf einem unter der Förderleistung des Kompressors liegenden Wert gehalten wird, vor.
Die Mittel zur automatischen Steuerung werden
zweckmässig durch Betriebsparameter des Motors so gesteuert, daß sie eine solche Drosselung aufrechterhalten, daß die Strömungsmenge in der Abzweigleitung so groß ist, daß sich eine genau bestimmte Druckdifferenz zwischen dem Eingang der Turbine und dem Ausgang des Kompressors ausbildet, und daß der für die "Verbrennung in der Hilfskammer erforderliche Sauerstoff geliefert wird, 3edoch auch so groß, daß die Temperatur am Auspuff des Motors nicht den zulässigen Grenzwert übersteigt.
Die Erfindung betrifft auch die Benutzung des Vorhandenseins einer Druckdifferenz zwischen der strömungsaufwärts liegenden und der strömungsabwärts liegenden Seite der Abzweigleitung, welche von der Strömungsmenge in dieser Leitung unabhängig ist (Druckdifferenz, welche man zwischen dem Ausgang des Kompressors und dem Einlaß der Turbine wiederfindet), um eine allen mit Vorverdichtung gespeisten Motoren mit niedrigem Verdichtungsgrad gemeinsame Aufgabe zu lösen, welche die Drosselung am Einlaß zu erschweren sucht. Es handelt sich um das Anlassen des Motors und seinen Betrieb im Langsamlauf oder bei geringer Leistung, wenn die Umgebungstemperatur sehr niedrig ist· Eine naheliegende lösung besteht auch hier darin, den Vorverdichtungsdruck durch Verbrennung von Kraftstoff in der Hilfskammer auf einem genügenden Pegel zu halten. Diese Lösung ist kostspielig und erfordert einen. Anlasser grösserer Leistung.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung enthält die Anlage Mittel zur Rückführung der Auspuffgase zu der Einlaßleitung des Motors, welche sich automatisch öffnen, wenn der
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Druck am Einlaß des Motors niedriger als der Druclc strönLiingsabwärts von der Abzweigleitung zu werden sucht.
Der Motor saugt so gleichzeitig mit der für die Verbrennung erforderlichen Luft einen Teil seiner Auspuffgase und der Yerbrennungsgase der Hilfskammer wieder an.
Es sind bereits mit Yorverdichtung gespeiste Dieselmotoren mit einem Drosselventil an dem Einlaß des Motors bekannt. Derartige Motoren sind insbesondere in dem USA-Patent Hp · 2.635.698 (Kette!) beschrieben. An diesen Motoren erfüllt jedoch das Drosselventil eine ganz andere Aufgabe als die durch die Erfindung beabsichtigte und führt nicht zu dem gleichen Ergebnis. Genauer ausgedrückt, der einzige durch das Vorhandensein eines Ventils bei den Motoren gemäß dem bisherigen Stand der Technik angestrebte Zweck besteht darin, das Anlassen des Motors bei niedriger Umgebungstemperatur zu erleichtern, indem die luftströmung durch Schließung ü&s Yentiis gebremst wird, wodurch die laift -vor der Zufuhr zu dem Motor durch Verdichtung erwärmt wird·
Bei diesen mit Yorverdichtung gespeisten Dieselmotoren kann ebenfalls eine leitung zur Rückführung der Auspuffgase vorgesehen werden« Es ist dann unbedingt notig, diese leitung mit einem üirgan· zu versehen, um die Verhältnisse zwischen der durch eine weit offene leitung ankommenden Imftmenge *£n& der Menge der Auspuffgase einzustellen« Sie im allgemeinen, von Hand vorgenommene Regelung dieses Organs kann nur sehr angenähert erfolgen und macht das Anlassern bei großer Kälte unsicher, weil man entweder zuviel Auspuffgase zurückführt, was die Verbrennung unvollständig macht und die Gefahr des Erstickens Öles Motors mit sich bringt, oder nicht genug Auspuffgase zurückführt, was das Anlassen verhindert· Außerdem wird, das Begelorgam schnell durch, die Gase hoher Temperatur beschädigt, im welche es eintaucht.
Es ist wesentlich, zu bemerken., daß die Erfindung nicht in der einfachen Übertragung eines hinter dem Kompressor? zur Erleichterung des Anlassens von mit Yorverdichtung gespeistem Motoren gemäß einer dem früheren Stand der Technik angehoreoäeii. Maßnahme angeordneten Drosselventils zu dem gleichen Zweck auf eine Anlage gemäß der bereits genannten französischen Patentschrift besteht· Die Erfindung besteht ia der Kombination voa
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Brasselmitte In und Mitteln zur Steuerung derselben, welche bei geringer Belastung oder im Leerlauf in Tätigkeit treten, um eine genau bestimmte Funktion zu erfüllen, welche in den früheren Patenten, nicht erläutert ist und in diesen auch keine Bedeutung hat.
Der wesentliche Unterschied zwischen dem durch die beiden Annäherungen angestrebten Ergebnis wird noch durch die Tatsache deutlich, daß das Vorhandensein eines derartigen Ventils in einer Anlage mit ständig offener leitung offensichtlich das einzige Ergebnis hat, die Aufgabe zu erschweren, welche dieses Ventil in der Patentschrift 2.633.689 lösen soll· Die Drosselmittel suchen nämlich bei geringer Belastung die luft der Abzweigung vorzubehalten·
In der erfindungsgemäßen Anlage bringt die Kombination einer Abzweigleitung mit einem genau bestimmten Druckabfall mit den weit offenen Mitteln zur Rückführung die Aufgabe vollständig zum Verschwinden» indem sie gestattet, unmittelbar nicht mehr das Verhältnis der beiden Flüsse zu regeln, sondern die dem Motor zugeführte Euftmenge auf einen solchen Wert einzustellen» daß keine Überlastung am Auspuff auftritt. Das Vorhandensein der Abzweigleitung lässt nämlich zwei Druckpegel auftreten, welche der Pegel "oberhalb" und der Pegel "unterhalb" genannt werden können, welche beide einzig und allein durch den Druck oberhalb festgelegt werden· Wenn die an dem Einlaß des Motors angeordneten Drosselmittel der Duft keinen genügeoden QuerscImitFt darbieten, um den Druck an der Einlaßleitung über dem Pegel unterhalb zu halten, tritt die Rückführung in Tätigkeit» um diesen Pegel unterhalb wiederherzustellen, und sucht in der Einlaßleitung die heiße Atmosphäre bei dem Druck des Pegels unterhalb herrschen zu lassen. Da der Öffnungsgrad der Drosselmittel ohne Wirkung auf diesen Druckpegel unterhalb ist, ist die dem. Kotor zugeführte Frischluftmenge keine Funktion des ihr von den Brosselmitteln dargebotenen Durchtrittsquerschnitts mehr. Dieser kann dann so geregelt werden, daß er eine bestimmte Bedingung erfüllt, z.B. die Aufrechterhaltung der Einlaßtem- peratur des Motors auf einem konstanten Wert, ohne daß im allgemeinen eine wirkliche Steuerschleife vorgesehen werden muß.
Die Rückführmittel können so ausgebildet werden,
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daß sie an den Einlaß die Auspuffgase des Motors allein, oder die aus der Hilfskammer austretenden Gase zurückführen. Die zweite lösung ist im allgemeinen vorzuziehen, da sie die Ver-. einfachung der Regelung gestattet und die am Ausgang der Hilfskammer entnommenen Gase nur wenig oder keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe enthalten, im Gegensatz zu den Auspuffgasen. Schließlich sind die Verbrennungsgase erheblich heißer, was gestattet, nur geringere Massen zurückzuführen.
Diese Rückführmittel können auf eine Leitung grossen Querschnitts beschränkt werden (um keinen merklichen Druckabfall zu verursachen), welche mit einen Rückschlag verhindernden Mitteln versehen ist (z.B. ein Ventil mit einer schwachen Feder zur Rückführung desselben auf seinen Sitz). Das Regelsystem der Drosselmittel kann so ausgebildet werden, daß es in Tätigkeit tritt, wenn die Belastung des Motors kleiner als ein Wert wird, welcher noch größer als der ist, für welchen die Hilfskammer in Tätigkeit tritt, um den Ausgangsdruck des Kompressors auf einem "tiefsten" Pegel zu halten.
Die Erfindung schlägt ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage der obigen Art vor, gemäß welchem die luftzufuhr zu dem Motor im Langsamlauf und bei geringen Leistungen desselben gedrosselt wird, um die von dem Motor angesaugte Iuftmenge auf einen Zwischenwert zwischen der Förderleistung des Kompressors und dem Wert, we Icher zu einer übermäßigen Temperatur der Auspuffgase des Motors führen würde, zu begrenzen· Gemäß einer zweckmässigen Ausführungsform wird gleichzeitig zu dem Einlaß des Motors ein Teil der Auspuffgase desselben und vorzugsweise der Verbrennungsgase der Hilfskammer zurückgeführt, ohne an ihnen einen merklichen Druckabfall zu erzeugen, und die von dem Motor absorbierte Luftmenge wird durch einfache Regelung des der Luft dargebotenen Durchtrittsquerschnitts geregelt.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Fig. 1 ist ein Prinzipschema einer Anlage mit einem hydr©mechanischem System zur Steuerung der Drosselmittel·
Fig. 2 zeigt die Kennlinien Förderleistung/Druck eines Motors und eines Turbokompressors, welche in der Anlage der Fig. 1 vereinigt werden können.
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Pig. 3 zeigt die Kurven der Änderung der leistung eines in der Anlage der Fig. 1 benutzbaren Motors als Funktion seiner Drehzahl für verschiedene Werte der Auspufftemperatur Te bis zu dem grössten zulässigen Wert von 650° C.
Fig. 4- zeigt schematisch eine Ausführungsabwandlung der Fig. 1.
Fig. 5 zeigt schematisch eine andere Ausführungsabwandlung.
Die in Fig. 1 dargestellte Antriebsanlage enthält einen Motor 10, von dem nachstehend angenommen ist, daß er· ein Viertaktdieselmotor mit geringem volumetrischem Verhältnis (von unter 12) ist, und ein Turbokompressoraggregat zur Speisung mit Vorverdichtung, welches durch eine Turbine 11 und einen Kompressor 12 gebildet wird, deren Rotoren durch eine Welle 13 verbunden sind, in dem Lufteinlauf des Fliehkraftkompressors 12 ist ein mit der Welle durch eine Kupplung 16 gekuppelter elektrischer Anlaßmotor 15 angebracht. Der Kompressor 12 hat ein hohes Verdichtungsverhältnis, welches in typischen Fällen größer als 6 ist.
Bekanntlich kann man derartige Verhältnisse mit gegenwärtig verfügbaren einstufigen Überschallkompressoren erhalten· Ein Luftkühler 17 mit (nicht dargestellten)Mitteln für seine Außerbetriebsetzung ist zwischen dem Luftkompressor 13 und der Einlaßleitung 18 des Motors angeordnet. Eine mit einer Kraftstoffzufuhr 20 versehene Hilfsbrennkammer 19 gestattet die Vorwärmung der von der Auspuffleitung 21 des Motors kommenden 5lase vor ihrer Zufuhr zu der Turbine 11, wenn die in diesen Gasen enthaltene Energie ungenügend ist.
Eine während des Arbeitens der Anlage ständig offene Abzweigleitung 22 ermöglicht der von dem Kompressor 12 gelieferten und von dem Motor 10 nicht absorbierten Luft, zu der Turbine zu gel engen. Diese leitung verbindet die strömungs aufwärts liegende Seite des Kühlers 17 mit der Hilfsbrennkammer 19· Ia der leitung 22 ist eine Vorrichtung 23 angeordnet, welche der diese Leitung in Sichtung auf die Kaismer 19 durchströmenden luft, einen Druckabfall ^P = P2 - P5 erteilt, welcher praktisch linear mit dem Ausgange&racic P2 des Kompressors zunimmt und von ügr die leitung diarchstrcaendsn 5tröjaungsa©£ge unabhängig ist.
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Die Vorrichtung 23 kann insbesondere einer der in der bereits genannten französischen Patentschrift beschrieberen und beanspruchten Ausführungsfoimen entsprechen.
Die bisher beschriebene Anordnung ist bekannt.
Is sei zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 2 die Aufgabe beschrieben, welche beim Arbeiten der Anlage mit niedrigen Drücken und niedrigen Förderleistungen zur Speisung mit Vorverdichtung auftritt, bevor die durch die Erfindung geschaffene Lösung besprochen wird.
Da der Motor 10 die volumetrische Bauart aufweist und über den Kühler 17 luft empfängt, welche im allgemeinen eine etwa konstante Temperatur (etwa 100° 0) hat, ist seine Kennlinie (Änderung der in der Zeiteinheit absorbierten Luftmasse Q in Punktion des relativen Vorverdichtungsdrucks Pp/P.*) bei konstanter Drehzahl N praktisch eine durch den Ursprung gehende Gerade, deren Steigung umso kleiner ist, je kleiner die Drehzahl ist. Beispielshalber sind die Kennlinien AQ, A^ und A2 eines typischen Dieselmotors V8 von 800 PS für Ή - 2000 U/min, N = 2500 U/min,- ™ und N = 2800 U/min in Fig. 2 gestricheltangegeben, wobei die Kurve A^ durch den Nennpunkt P^ geht.
Da der Turbokompressor infolge des Vorhandenseins der ständig offenen Abzweigleitung 22 wie eine Gasturbine arbeitet, hat der Kompressor 12 eine einzige Kennlinie, welche durch den Punkt Pp/P^ = 1 (worin P^ den Atmosphärendruck bezeichnet) und Q=O (worin Q die von dem Kompressor in der Zeiteinheit gelieferte Masse bezeichnet) geht. Diese Kennlinie B ist eine konkave Linie, für welche ein Beispiel in Fig. 2 angegeben ist. Ihre genaue Form hängt von der Durchlässigkeit der Turbine ab, und es ist nicht einfach, sie bei einem gegebenen Turbokompressor in einfacher Weise zu verändern. Die befriedigende Anpassung des Kompressors 12 an den Motor 10 erfordert, daß der Nennpunkt P0 des Kompressors einer Förderleistung entspricht, welche um 5 bis 15 % größer als die dem Nennpunkt PM des Motors entsprechende ist.
Wie man sieht, verläuft die Kurve B zwangsläufig unterhalb der Kurven A in der Nähe des Ursprungs für einen Wert t = 1,7 von P /P2 bei 2500 U/min in dem dargestellten Fall.
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Ein Arbeiten unterhalt) dieses Punkts ist ausgeschlossen, da es eine umgekehrte Strömung in der Leitung 22 und das Erlöschen der Kammer 19 zur Folge hätte. Die Betriebsbedingungen mit einem zu P2 - P, proportionalen Druckabfall Δ Ρ wären nicht mehr erfüllt. Wenn man sich nun damit begnügt, die Einspritzung von Kraftstoff mittels der Vorrichtung 20 so zu steuern, daß der von einer Sonde 24 festgestellte Druck in der Einlaßleitung 18 auf einem genügeoien Pegel gehalten wird, um die Selbstzündung zu ermöglichen, und wenn dieser Pegel einem unter TC^ liegenden Wert TT~ von Pp/P-i eatspricht, sieht man, daß eine Beschleunigung vom Leerlauf bis zu der Uenndrehzahl unmöglich ist. Wenn z.B. TT2 = 1 »5 (wie in Fig. 2 dargestellt) ist es unmöglich, vom Leerlauf bis auf 2000 U/min und erstrecht darüberhinaus zu beschleunigen, da die Hilfsbrennkammer vor 2000 U/min Infolge Luftmangels erlischt und der Motor ebenfalls stehenbleibt, da der Turbokompressor mit den Auspuffgasen des Motors 10, welche eine niedrige Temperatur haben, nicht selbständig arbeiten kann. Dieser Zustand kann bei einer doppelten Auskupplung an einem Fahrzeug oder bei der Abwärtsfahrt einer Steigung mit Motor bremsung sowie beim Hochtreiben oder einer Hohlraumbildung einer Schiffsschraube auftreten und eine Störung des Arbeitens erzeugen.
Ein einfaches Hilfsmittel besteht darin, den
"unteren" Wert 77"2 soweit zu vergrössern, daß er über TT^, liegt. Dies erhöht aber den Verbrauch bei Teillast und im Langsamlauf beträchtlich. Eine andere Lösung besteht darin, einen Kompressor vorzusehen, welcher an dem Nennpunkt Pq eine Förderleistung liefert, welche erheblich über der für den Motor erforderlichen liegt. Dann ist aber die Anpassung schlecht. Die durch die Abzweigleitung 22 strömende Strömungsmenge wird dann nämlich wenigstens bei Teillast zu hoch, und die Kühlung durch die Verdünnung der Auspuffgase des Motors erfordert entweder eine Vergrößerung der Vorwärmung in der Kammer 19 (und somit eine Erhöhung des Gesamtverbrauchs), oder eine Erhöhung der Auspuff temperatur des Motors und eine thermische Überlastung desselben.
Die Anlage enthält Mittel, welche den obigen Fehler unterdrücken, ohne deshalb den Verbrauch im Langsamlauf und bei geringer Belastung zu erhöhen, wobei sie gestatten, eine gu-
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~ 11 - 0153 76 B te Anpassung des Kompressors an den Motor beizubehalten.
Diese Mittel umfassen Drosseliaittel 25 für den dem Motor 10 zuströmenden luft strom, welche in Fig· 1 durch eine Drehklappe dargestellt sind, welche durch ein beliebiges anderes Organ ersetzt werden kann, auf welches'die Drücke beiderseits desselben keine merkliche Wirkung ausüben, welche es zu öffnen oder zu schliessen suchen, und ein System zur automatischen Steuerung der Mittel 25» welches diese voll offenhält, wenn die Belastung des Motors größer als ein bestimmter Bruchteil (z.B. 20 %) seiner Nennlast ist, und unterhalb dieser Schwelle die Mittel 25 teilweise schließt, um die dem Motor 10 zuströmende Luftmenge auf einen Wert zu begrenzen, welcher gleichzeitig so klein ist, daß die Strömungsmenge in der Leitung 22 das Arbeiten der Brennkammer 19 ermöglicht, und so groß, daß die Temperatur eines kritischen Elements des Motors 10 (im allgemeinen die Temperatur am Auspuff) nicht einen bestimmten Grenzwert übersteigt.
Diese Begrenzung ist kein Nachteil für den Motor. Bei Fehlen der Mittel 25 saugt nämlich der Motor bei geringer Leistung vielmehr Luft an, als für die Verbrennung erforderlich ist, und die Auspuff temperatur ist erheblich niedriger als die zulässige Höchsttemperatur. Bei gegebener Leistung ist die Av.snpufftemperatur eine stark abnehmende j»*unktion der Drehzahl N (das Verhältnis Luft/Kraftstoff nimmt dagegen etwa proportional zu H zu) · Diese Eigenschaft geht aus Fig. 5 hervor·, welche für eine gegebene Auspufftemperatur TQ die Kurven der Änderung des auf die grösste Nenndrehzahl N bezogenen Bruchteils F der Nennleistung eines typischen Motors als Funktion der Drehzahl N für eine Anlage zeigt, deren Hilfsbrennkammer 19 in Betrieb genommen werden muß, wenn F kleiner als 20 % ist, um iyP1 auf dem Wert ^1 ZU halten» "1^ ^61^8*" zündung sicherstellt. Man sieht? daß man sich bei geringer Belastung und hoher Drehzahl des Motors stets in Betriebszonen befindet, in welchen die Auspuff temperatur TQ gering ist und durch Drosselung des Einlasses ohne Überhitzungsgefabr erhöht werden
Das automatische Steuersystem kann daher einen
sehr einfachen Aufbau haben. Es kann s.B. auf ein einer an der Auspuffleitung angeordnete Temperatur sonde zugeordnetes Organ
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zur Verstellung der Mittel 25 und eine AaOrdnung beschränkt werden, welche dieses Organ so betätigt, daß die Austrittstemperatur der Gase auf einem Wert gehalten wird, welcher entweder konstant oder unterhalb von F = 20 % eine Funktion von N/Nm ist. Unabhängig von der gewählten Steuerart hat dies eine Durchbiegung der Kennlinien des Motors bei konstanter Drehzahl zur Folge. Beispielshalber ist in Fig· 2 gestrichelt die Durchbiegung der Kennlinie A- der Nenndrehzahl dargestellt, deren unterer Teil
Kennlinie'
die/Aq erreicht und daher die Kurve B unterhalb von TT1 kreuzt.
Ss ist Jedoch zu bemerken, daß die Hilfsbrennkammer erlischt, wenn der Motor bei beliebiger Belastung von 2800 U/min an mit übermäßiger Drehzahl läuft (aie über der Kurve B liegende Kurve A2 entspricht dieser Drehzahl). Es muß daher eine Vorrichtung zur Wiederzündung der Hilfsbrennkammer 19 nach einem Übergang zu einer starken übermäßigen Drehzahl vorgesehen werden, oder-um eine Betriebsart zu erzwingen, welche Übergänge zu übermäßigen Drehzahlen verhindert.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind die Mittel 25 und ihr Steuersystem einer Leitung 26 zur Rückführung der heißen Gase zugeordnet, welche bei der Inbetriebnahme der Mittel 25 den strömungsabwärts herrschenden Druck P, am Einlaß des Motors durch Zufuhr von an dem Ausgang der Hilfsbrennkammer 19 entnommenen heißen Gasen wiederherstellt. Diese Leitung 26 stellt strömungsabwärts von der Hilfsbrennkammer 191 wo der Druck P3 herrscht» eine Verbindung mit der Einlaßleitung 18 des Motors her. In der Leitung 26 ist ein Rückschlagventil 27 angeordnet, welches die Leitung schließt, solange die Frischluft nach Durchströmung d©r Mittel 25 von dem Motor mit einem über P, liegenden Druck angesaugt wird.
Es sei hier daran erinnert, daß, da ^fP = P2 - Pz nur eine Funktion von P2 ist, die die Mittel 25 durchströmende Luftmenge vollständig durch den von diesen Mitteln dargebotenen Durchtrittsquerschnitt bestimmt wird. Unter diesen Umständen zeigt eine Untersuchung des Arbeitens des Motors, daß das System zur Regelung der Mittel 25 sehr einfach sein kann. Dieses System kann sich auf die in Fig. 1 dargestellten Bestandteile beschränken.
Beim Arbeiten mit geringer Leistung (wenn der Druck
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P2 einen Bruchteil F von weniger als 20 % des Nenndrucks in dem in Pig. 3 dargestellten Fall beträgt, wobei der Iaiftkühler 17 außer Betrieb ist, die Hilfsbrennkammer 19 arbeitet und die Drehklappe 25 teilweise geschlossen ist) besteht zwischen der Eintritt stemperatur Tc des Gemische Luft-Auspuffgase in den Motor, der Ausgangstemperatur T2 des Kompressors, der Temperatur T* der zurückgeführten Gase, der angesaugten Luftmenge q. und der von dem Motor angesaugten Gesamtmenge q^ die angenäherte Beziehung:
Unter der Annahme, daß der durch die Mittel 23 erzeugte Druckabfall 4P = P, - P2 zu P2 proportional ist, und daß T2 und T, nur von P2 abhängen (was bedeutet, daß der Kompressor eine einzige Kennlinie hat), zeigt eine einfache Rechnung, daß Tc (bei gegebener Umgebungstemperatur) praktisch konstant bleibt, wenn der von den Drosselmitteln 25 dargebotene Querschnitt F zu der Motordrehzahl N proportional ist, solange die Hilfsbrennkammer wirksam ist, um P2 auf dem tiefsten Wert ( TT2 in Fig· 2) zu halten.
Unter diesen Bedingungen genügt es, um eine konstante Eintrittstemperatur während der Betriebsperioden aufrechtzuerhalten, in welchen die Hilfsbrennkammer 19 in Tätigkeit ist, um P2 auf dem tiefsten Wert 7T2 zu halten, die Mittel 25 so zu steuern, daß der Querschnitt S zu der Motordrehzahl N proportional ist·
Die Vorrichtung der Fig. 1 enthält eine automatische Regelvorrichtung, welche gestattet, diese Bedingung zu erfüllen und außerdem Veränderungen der Umgebungstemperatur zu berücksichtigen, zu welcher die Temperatur T^ (für einen gegebenen Wert von ?2) und die Einlaßtemperatur proportional sind, solange der Kühler 17 außer Betrieb ist. Dieser Ausgleich erfolgt, wie weiter unten ausgeführt, durch Veränderung des Proportionalitätsverhältnisses zwischen dem Querschnitt S und der Drehzahl
Das Steuersystem enthält eine Quelle, welche öl oder ein anderes hydraulisches Druckmittel unter einem zu dem Quadrat der Motordrehzahl K proportionalen Druck liefert, ein mit den DrosseMitteln 25 verbundenes Betätigungsglied und einen Um-
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schalter oder Verteiler, welcher für den vor den Drosselmitteln herrschenden Druck P2 empfindlich ist und je nach dem Wert dieses Drucks den Öldruck vollständig oder nach Herabsetzung an das Betätigungsglied anlegt·
Die Druckölquelle enthält eine Ölpumpe 28, welche von dem Motor 10 angetrieben wird und eine zu der Drehzahl M" proportionale Förderleistung Qj1 = k. N hat. Diese Pumpe saugt das öl in einem Vorratsbehälter 29 an und fördert es in eine Leitung 30 mit einem geeichten Ventil 31 f welches nur den hydraulischen Strömungskreis schützen soll. Der Förderdruck P, der Pumpe wird durch einen oder mehrere leckströmungskreise festgelegt, welche eine Düse mit einem Querschnitt enthalten, welcher festliegt oder eine Funktion eines zu berücksichtigenden Betriebsparameters ist·
Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei parallele Leckströmungskreise vorgesehen, von denen der eine durch einen mit einer festen Düse 33 mit dem Querschnitt s,, versehenen Kanal 32 für den Rückfluß zu dem Vorratsbehälter und der andere durch einen Kanal 34· für den Rückfluß zu dem Vorratsbehälter gebildet wird, welcher mit einer Düse 35 versehen ist, deren Durchtrittsquerschnitt s2 eine Funktion der Stellung einer Nadel 36 ist, welche von einer der Umgebungstemperatur T0 ausgesetzten Thermometerkapsel 37 getragen wird.
Der in der Leitung 30 herrschende Druck Pj1 wird so (wenn der erste Leckströmungskreis offen ist):
Ph = k2 ü2 / Cs1 + s2) 2 ,
worin k eine Konstante ist.
Wenn der Druck Pj1 50 Bar bei der Nenndrehzahl erreichen kann, wird das Ventil 31 z.B. auf 60 Bar eingestellt.
Das Betätigungsglied wird durch einen zweistufigen hydraulischen Arbeitszylinder 38 gebildet, welcher in einem Zylinder 39 einen Hauptkolben 40, dessen Kolbenstange mit einem Hebel verbunden ist, welcher fest mit der Drehklappe 25 verbunden ist, wobei der Kolben auf einer Seite dem Atmosphärendruck P0 und auf der- anderen Seite des Druck P1J1 ausgesetzt ist, welcher in einer EeI aiskasasr 42 herrscht und welchem eine Rückholfeder 41 entgegenwirkt j und einen Steuerkolben 43, auf welchen
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der Druck P 1^ in der Kammer 42 und/geeichte Gegenfeder 44 in einer Richtung wirken, welche ihn von dem Kolben 40 zu entfernen sucht, während der i'örderdruck Pj1 der Pumpe 28 in dem anderen Sinn wirkt, enthält·
Schließlich soll das Umschaltorgan 45 P1^1 durch eine "Auf-Zu-Wirkung" den Wert PQ geben, wenn der Vorverdichtungsgrad P2/P0 kleiner als ein gegebener Wert ist, z.B. TT* (Fig. 2) und so die Betätigung der Drehklappe 25 durch den Kolben 43 bewirken (wobei sich dann der Kolben 40 praktisch im Gleichgewicht befindet), oder den Wert Pj1, wenn P2/Pq großer als dieser Wert TT, ist, wodurch der Kolben 42 bis in seine der vollen öffnung der Drehklappe 25 entsprechende Grenzstellung (in Fig. 1 nach links) verschoben wird.
Das Umschaltorgan 45 wird durch ein Gehäuse gebildet, welches in dem Kanal 32 hinter dem Anschluß der Kammer 42 angeordnet ist, und in welchem sich ein Schieber 46 befindet, welcher in einer Richtung einer von dem Druck P2 ausgeübten Kraft und in der anderen Richtung der Wirkung einer geeichten Feder 47 ausgesetzt ist. Die Feder 47 ist so geeicht, daß, wenn P2ZPq kleiner als der Wert TT, ist, der Schieber 46 eine (vollausgezogene) Stellung einnimmt, in welcher er den Kanal 32 auf Auslaß schaltet, während,wenn P2/Pq diesen Wert übersteigt, der Schieber 46 die Verbindung unterbricht (gestrichelte Stellung).
Wenn die Umgebungstemperatur Tq in weiten Grenzen schwanken kann, wird zweckmässig TT, ein umso höherer Wert gegeben, je niedriger T0 ist. Hierfür genügt es, wie gestrichelt in Fig. 1 angegeben, den auf den Schieber 46 wirkenden Druck an einer Stelle eines ins Freie mündenden leckkanals von dem Einlaß des Motors 10 abzunehmen, wobei dieser Punkt zwischen einer Düse 48 mit konstantem Querschnitt und einer Düse liegt, deren Querschnitt durch eine von einer Thermometerkapsel 50 getragenen Nadel 49 geeigneten Profils gesteuert wird.
Der bereits aus der vorangehenden Beschreibung hervorgehende Betrieb der Anlage wird nur kurz erwähnt, wobei angenommen ist, daß keine Modulation des Werts 7T^ des Drucks in Funktion der Umgebungstemperatur T0 vorgesehen ist, sondern nur eine Modulation des Drucks \ in Funktion dieser Temperatur TQ.
Zur Vereinfachung sei angenommen, daß der Turbo-
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kompressor unter Benutzung des Anlassers 15 der Hilfsbrennkammer 19 zunächst angelassen und hierauf auf die Betriebsdrehzahl gebracht wird. Der Druck P^ ist dann Null, und der Vorverdichtungsdruck ist gering. Die Federn 41 und 44 bringen die Kolben 40 und 43 in ihre Anschlagstellung (in Fig. 1 nach rechts), welche so bestimmt ist, daß sie der vollständigen Schließung der Drehklappe 25 entspricht· Der Schieber 46 schaltet die Relaiskammer 42 auf Auslaß.
Es wird dann der Anlasser 51 des Motors 10 betätigt. Solange der Motor mit dem Anlasser läuft, ist seine Drehzahl gering (z.B· kleiner als 250 U/min für eine Nenndrehzahl von 2500 U/min). Der Druck Pj1 bleibt unter dem Wert (z.B. 0,5 Bar), für welchen der Kolben 43 sich unter Überwindung der Vorspannung der Feder 44 zu verschieben beginnt (wobei P1J, gleich P0 bleibt).
Unter diesen-Bedingungen läuft der Motor 10 an, wobei er unmittelbar von der Brennkammer 19 gelieferte Gase ansaugt, welche durch die Abzweigleitung 22 einen iAiftüberschuß empfängt, welcher zur Verbrennung des in den Motor 10 eingespritzten Kraftstoffsbei weitem ausreicht.
Sobald der Motor angelaufen ist, aber noch im
Langsamlauf oder mit geringer Belastung läuft, bis der Wert T^ von Pp/Pf) erre;i-cn"fc wird und die Umschaltung des Organs 45 bewirkt, Öffnet das Betätigungsglied 38 die Drehklappe 25 allmählich, damit der Luftdurchtrittsquerschnitt (und somit die Luftmenge) praktisch zu der Drehzahl N proportional ist, wobei der Proportionalitätskoeffizient von T0 abhängt.
Hierfür genügt es, daß das Profil der Drehklappe 25 und. der Ausnehmung, in welcher sie sich bewegt, so bemessen sind, daß sich der Durchtrittsquerschnitt proportional zu der Quadratwurzel der Verschiebung des Kolbens 40 von der Stellung der vollen Schließung aus ändert.
Schließlich geht, wenn man den Wert T* (welcher zweckmässig einem Wert entspricht, welcher etwas größer als der des Sparbetriebs oder des Erlöschens der Hilfskammer 19 ist/, der Schieber 46 in die in Fig. 2 gestrichelte Stellung, wobei Pf h gleich Ph wird (welches infolge der Aufhebung eines Leckweges gleichzeitig zunimmt).
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Wenn die Anlage so vorgesehen ist, daß ihr Turbokompressor vor dem Anwerfen des Motors angeworfen wird und selbständig an der Hilfsbrennkammer arbeitet, wird sie zweckmäßig so ausgebildet, daß sie die Vorwärmung wenigstens gewisser Teile des Motors durch die Verbrennungsgase der Kammer 19 ermöglicht, wodurch das Anlassen des Motors 10 erleichtert wird·
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform (in welcher die bereits in Fig. 1 dargestellten Teile das gleiche Bezugszeichen tragen) wird dieses Ergebnis durch Schaffung eines zeitweiligen Lecks der Einlaßleitung 18 des Motors ins Freie erreicht· Der Leckweg weist eine oder mehrere Leitungen kleinen Durchmessers 53 auf, deren Mündung ins Freie mit einem Ventil versehen ist· Dieses Ventil wird bei der dargestellten Ausführungsform durch ein Körnerventil 54- gebildet, welches von einer unter dem Ausgangsdruck der Pumpe 28 sbehenden Kapsel 55 getragen wird, so daß es sich automatisch schließt, sobald der Motor angelassen ist. Dieses Ventil könnte auch von Hand betätigt werden.
Man sieht, daß nach dem Anlassen des Turbokompressors bei. geschlossenen Drosselmitteln 25 ein schwacher, von der Hilfsbrennkammer kommender Strom heißer Gase (von etwa 500 G) die Einlaßleitung 18 erfüllt und von da ins Freie austritt, wobei er die von ihm bestrichenen Metallmassen erwärmt (durch gestrichelte Pfeile in Fig. 4 angegebener Weg). Hierdurch wird das Anwerfen des Motors erheblich erleichtert und eindeutig gemacht .
Die obigen Ausführungen beschreiben eine Anlage mit Anwurfmitteln zum Anwerfen des Turbokompressoraggregats vor dem Anlassen des Motors. Diese Mittel bilden natürlich nur eine Anlaßmöglichkeit unter anderen.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform (in welcher die in Fig. 1 dargestellten Teilen entsprechenden Teile mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind) sind die meisten erfindungsgemäßen Organe in einem einzigen Kasten zusammengefasst, an welchem der Kompressor 12 und die Turbine 11 unmittelbar befestigt sind. Diese Lösung gestattet, die Größe der Rohrleitungen weitgehend zu verringern und das System sehr gedrängt zu machen.
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Der Kasten enthält die Hilfsbrennkammer 19, welche zweckmässig die in der französischen Patentschrift Nr. 74 11011 beschriebene Bauart aufweist, und in unmittelbarer Nähe die Vorrichtung 23 zur Erzeugung eines Druckabfalls. Die von dem Kompressor gelieferte Luftmenge, deren Weg durch vollausgezogene Pfeile angedeutet ist, erfüllt das Innere des Kastens 50, in welchem sie sich auf zwei Flüsse aufteilt, nämlich einen ersten Fluß, welcher an der Einlaßleitung 18 des Motors über den Iuftkühler 17» den durch, einen Sitz 51 begrenzten Durchlaß und den Einlaßstutzen 52 ankommt, und einen zweiten, der Brennkammer zuströmenden Fluß· Ein Teil bildet die Verbrennungsluft und tritt durch öffnungen 53 mit festem Querschnitt und einen veränderlichen Durchtrittsquersehnitt bietende öffnungen 54- ein, wie in der genannten französischen Patentschrift angegeben· Ein anderer Teil bildet die Verdünnungsluft und durchströmt die Vorrichtung 23» welche die Druckdifferenz zwischen der strömungsaufwärts liegenden Seite und der strömungsabwärts liegenden Seite der Kammer 19 regelt. Diese Luft und die Verbrennungsgase der Kammer bilden das angesaugte Strömungsmittel einer Strahlpumpe 55, deren Antriebsmittel durch die Auspuffgase des Motors gebildet wird. Der grosser-en Klarheit wegen ist der Weg der Auspuffgase und des Verbrenaungsgases durch gestrichelte Pfeile angedeutet.
Die Leitung 26 verbindet die Verdünnungskammer 56 j weiche in dem Kasten >·0 auf die Verbrennungssone der Kammer 19 folgfc, mit einer in der Einlaßleitung 52 liegenden Mündung, weiche ir noimalen Betrieb durah das Ventil 2? verschlossen ist, welches in dieser Stellung den Sitz 51 vollständig freigibt. Nach Maßgabe der Verschiebung des Ventils 27 (in Fig. 5 nach links) sur öffnung dieser Möndung wird der Durchtritt von Frischluft zu der Einlaßleitung 52 gedrosselt.
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Claims (8)

  1. - 19 - 0153 76 B
    PATENTANSPRÜCHE
    Antriebsanlage mit einem Verbrennungsmotor mit Brennkammern veränderlichen Volumens, insbesondere Motor mit Verdichtungszündung, welcher mit Vorverdichtung durch einen Turbokompressor gespeist -wird, dessen Turbine die Auspuffgase des Motors empfängt,und eine Abzweigleitung aufweist, welche von dem Kompressor auf die Turbine die ganze nicht von dem Motor absorbierte Luftmenge mit einem Druckabfall übertragen kann, welcher praktisch von der Strömungsmenge unabhängig und eine wachsende Punktion des Ausgangsdrucks des Kompressors ist, wobei eine Hilfsbrennkammer strömungsaufwärts von der Turbine angeordnet ist und wenigstens einen Teil der Luft empfängt, welche die Abzweigleitung durchströmt hat, gekennzeichnet durch auf dem Weg der zu dem Motor (10) strömenden Vorverdichtungsluft engeordnete Drosselmittel (25) und ein System zur automatischen Steuerung dieser Drosselmittel, welches bei kleiner Leistung des Motors (10) die von dem Motor absorbierte Luftmenge auf einem Wert hält, welcher kleiner als die von dem Kompressor (12) gelieferte Luftmenge ist, wobei eine Leitung (26) zur Rückführung der Auspuffgase zu der Einlaßleitung (18) des Motors (10) vorgesehen ist, welche sich automatisch öffnet, wenn der Druck am Einlaß des Motors kleiner als der Druck strömungs abwärts von der Abzvjeigleitung (22) zu werden sucht.
  2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung zur Rückführung der Auspuffgase des Motors (10) und der Hilfsbrennkammer (19) zwischen den Drosselmitfee In (25) und der Einlaßleitung (18) des Motors mündet und mit einen Rückschlag verhindernden Mitteln (27) versehen ist.
  3. 3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (26) einen so großen Querschnitt hat, daß sie die Gesamtheit der grössten von dem Motor angesaugten Luftmenge ohne merklichen Druckabfall durchlässt·
  4. 4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem Mittel (4-5) aufweist, welche die vollständige öffnung der Drosselmittel (25) bewirken, wenn der von dem Kompressor (12) gelieferte Druck einen bestimmten Wert (TM übersteigt.
  5. 5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich-
    609845/0332
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    net, daß der bestimmte Wert ( TT ) eine Funktion der Umgebungstemperatur ist.
  6. 6. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher die Hilfsbrennkammer (19) mit Mitteln zur Steuerung der Kraftstoff zufuhr versehen ist, welche für den von dem Kompressor gelieferten Druck empfindlich sind und das Absinken dieses Drucks unter einen tiefsten Wert (T,.) verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Wert C 7,) größer als der tiefste Wert (IT1).
  7. 7· Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem so ausgebildet ist, daß es den Drosselmitteln (25) einen zu der Motordrehzahl proportionalen Durchtrittsquerschnitt gibt.
  8. 8. Anlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel zur Veränderung der Proportionalitätskonstante in Funktion der Umgebungstemperatur (To)·
    9· Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen von der Einlaßleitung des Motors ins Freie führerden Leckweg, welcher mit einem Verschlußorgan (5^) versehen ist, welches dem aus der Brennkammer kommenden heißen Gas gestattet, vor dem Anlassen des Motors die Einlaßleitung (18) desselben zu durchstreichen.
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