DE3412283A1

DE3412283A1 - Turboverbundmotor

Info

Publication number: DE3412283A1
Application number: DE19843412283
Authority: DE
Inventors: Herbert G. Austin Tex. Zinsmeyer
Original assignee: Specialty Systems Inc
Current assignee: Specialty Systems Inc
Priority date: 1983-04-12
Filing date: 1984-04-02
Publication date: 1984-10-18
Anticipated expiration: 2004-04-03
Also published as: JPS6026124A; GB8406387D0; CH666725A5; JPH0674749B2; FR2544384B1; FR2544384A1; DE3412283C2; GB2138075B; GB2138075A; US4535592A

Description

Specialty Systems, Inc. Austin, Texas 78731, V. St. A.

Die Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren und betrifft insbesondere moderne Turboverbundmotoren, bei denen die Abgase durch eine oder mehrere Abgasturbinen, die in Verbindung mit dem Motor benutzt werden, wirksamer ausgenutzt werden.

Im Stand der Technik gibt es eine Vielfalt von Motoren mit Turboladung, bei denen die Abgase durch Turbinen ausgestoßen werden, um Kompressoren od.dgl. zum Verdichten der Luft für die Kraftstoff-Luft-Gemische in dem Motor anzutreiben oder um im Verbund mit dem Motor Leistung über die Motorkurbelwelle abzugeben. Bei diesen bekannten Motoren, bei denen Abgasturbinen benutzt werden, gibt es einen außergewöhnlich großen Prozentsatz an irreversiblen Druckverlusten aufgrund der Drosselung der Abgase und weitere irreversible Verluste vor dem Ausstoßen der einen reduzierten Druck aufweisenden heißen Abgase durch die Turbine, um darin ihre Energie abzugeben. Typisch für den Stand der Technik sind die Erfindungen, die die folgenden US-Patentschriften beschreiben, welche bei einer Vorrecherche ermittelt worden sind. Die US-PS 995 348 ist nicht einschlägig, sondern be-

schreibt einen dynamischen Zweitaktmotor, bei dem ein Schwungkraftausblaserad benutzt wird, um das Verdrängen der Abgase (durch das Frischgas beim Gaswechsel) zu unterstützen. Die US-PS 1 504 187 ist nicht einschlägig, sondern beschreibt die Vergasung bei einem Verbrennungsmotor, bei dem Kraftstoff vergast und mit der Luft vermischt wird. Die US-PS 1 921 907 ist nicht einschlägig und befaßt sich nur mit der Anordnung von Einzelteilen zum Erzielen einer "kompakten Anordnung", während thermodynamische Überlegungen weder erwähnt noch beansprucht sind. Die US-PS 1 963 780 zeigt einen Turbokompressor für ein Triebwerk mit einem Verbrennungsmotor, in dem die Abgase eine Turbine zum Verdichten von Ansaugluft oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches nur für das Aufladen am Ende des Hubes antreiben. Die US-PS 2 245 163 ist nicht einschlägig, sondern beschreibt eine Kraftanlage für ein Flugzeug, bei der eine Turbine in Wirkverbindung mit der Auslaßseite des Triebwerks steht, um entweder den Verdichter für das Flugzeug-Triebwerk anzutreiben oder um im Verbund mit dem Triebwerk Energie abzugeben oder beides. Die US-PS 2 858 666 bezieht sich in etwa auf die wirksamere Ausnutzung der Abgasenerie zum Antreiben eines Abgasturboladers bei einem Zweitakmotor. Die US-PS 2 932 ist nicht relevant und beschreibt eine Kanalanordnung zum Vermeiden einer Auspuffimpulsstörung. Die US-PS 2 982 087 ist nicht relevant und befaßt sich nur mit Freikolbengasgeneratoren und -kompressoren. Die US-PS 3 029 594 ist nicht relevant, sondern zeigt die Anpassung zwischen Abgasturbolader und Motor. Die US-PS 3 673 798 beschreibt eine gute Entwurfsanordnung, bezieht sich aber nicht auf das "Problem" von irreversiblen Verlusten bei der Rückgewinnung von Energie aus Abgasen. Die US-PS 3 913 542 ist nicht relevant, sondern befaßt sich mit vereinfachten Abgasturboladersteuereinrichtungen. Aus diesen US-Patentschriften ist zu erkennen, daß sich der Stand der Technik nicht nennenswert mit dem Problem der Irreversibilität von Verlusten bei der Rückgewinnung von Abgasenergie befaßt. Nur die US-PS 2 858

erwähnt den Wunsch, mehr Energie aus der Turbine zu gewinnen, das aber nur in Verbindung mit der Turboaufladung von Zweitaktmotoren. Darüber hinaus ist in Texten über die Motorkonstruktion, theoretische Motorarbeitsspiele und idealisierte Arbeitsspiele und Prozesse, Kompressoren, Abgasturbinen und Wärmetauscher sowie Maschinenelemente die Notwendigkeit einer Lösung für diese irreversiblen Verluste beschrieben worden. Edward Obert schreibt in seinem Text INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND AIR POLLUTION, "Idealized Cycles and Processes", Harper and Rowe, New York, 1973, daß "in dem wirklichen Motor nur ein Bruchteil (etwa 20 %) der Ausblasearbeit ... realisiert werden kann, weil der wirkliche Prozeß irreversibel ist." Charles Taylor beschreibt in seinem Text THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE IN THEORY AND PRACTICE, zweite Auflage, MIT Press, Massachusetts, 1967, Band 1, Seite 386, "In der Praxis ist es schwierig, mehr als einen bescheidenen Bruchteil der theoretischen Ausblaseenergie zu realisieren, und zwar aus folgenden Gründen:

1. wegen der unstetigen Natur der Strömung durch die Turbine,

2. wegen der Druckverluste in den Auslaßventilen oder -öffnungen,

3. wegen Wärmeverlusten zwischen dem Auslaßventil und der Turbine".

Taylor bemerkt in Band 2, daß Gewinne möglich sind, er gibt aber die im folgenden beschriebene und beanspruchte Lösung nicht an.

Es ist somit ersichtlich, daß zwar im Stand der Technik das Problem erkannt worden ist, daß aber keine pragmatische Lösung vorgeschlagen worden ist, um diese irreversiblen Verluste zu reduzieren, die den schlechten Wirkungsgrad bei der Rückgewinnung der Gesamtenergie der Abgase und der Umwandlung eines großen Teils in nutzbare Energie ergeben haben.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die das Wiedergewinnen eines relativ großen Pro-

zentsatzes der verfügbaren Energie aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors gestattet, der bislang nicht möglich war.

Insbesondere sollen gemäß der Erfindung eine oder mehrere Turbinen so angeordnet und mit den zugeordneten Zylindern verbunden werden, daß die irreversiblen Verluste verringert und das Rückgewinnen eines viel größeren Anteils der in den Abgasen verfügbaren Energie als durch bekannte Vorrichtungen ermöglicht wird.

Die Erfindung schafft eine Verbesserung in Kombination mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor hat Zylinder, in denen Brennkammern zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben gebildet sind. Ansaug- und Auspuffleitungen sind vorgesehen. Eine Vergasungsvorrichtung od.dgl. ist vorgesehen zum Vermischen des eintretenden Kraftstoffes mit Sauerstoff enthaltendem Gas. Eine Zündvorrichtung ist vorgesehen zum Zünden des Kraftstoffes innerhalb der Brennkammer. Auslaßöffnungen sind vorgesehen zum periodischen Ausstoßen von heißen, eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Verbrennungsprodukten aus den Brennkammern innerhalb der Zylinder. Die Verbesserung beinhaltet, daß wenigstens eine Düsenvorrichtung vorgesehen ist, deren Einlaß an die Zylinderwand grenzt und deren Auslaß an eine Turbine grenzt, und zwar für alle praktischen Zwecke, so daß die heißen Hochdruckabgase aus dem Zylinder an dem Einlaß der Düse dem Turbineneinlaß mit minimalem Energieverlust und maximaler Geschwindigkeit zugeführt werden, wodurch die Zufuhr an kinetischer Energie zu der Turbine maximiert wird. Die Abgase in dem Zylinder werden ihre restliche Energie mit viel niedrigeren irreversiblen Verlusten abgeben als im Stand der Technik.

Der Einlaß der Düsenvorrichtung umgibt die Auslaßöffnung des Zylinders, und ihr Auslaßende grenzt innerhalb des praktisch möglichen an den Einlaßkanal der Turbine. Es kann, wie oben

erwähnt, eine einzelne Turbine mit mehreren Einlaßöffnungen mit mehreren Düsenvorrichtungen verbunden sein, um eine wirksamere und konstantere Strömung von Verbrennungsprodukten durch die Turbine zu erzielen. Andererseits kann eine Anzahl Turbinen bei einem einzelnen Motor benutzt werden, wobei jede über ihre Einlaßkanäle mit den Auslaßenden der Düsenvorrichtungen von ausgewählten Zylindern verbunden ist, um die Energie in den Verbrennungsprodukten wirksam auszunutzen. Der Ausdruck "Verbrennungsprodukte" wird hier benutzt, um die Auspuff- oder Auslaßprodukte zu bezeichnen, zu denen die Verbrennungsprodukte wie Kohlendioxid, Wasser und Kohlenmonoxid gehören und die außerdem die übrigen Heißgase wie Stickstoff, Stickoxide und dgl. umfassen, welche eine erhöhte Enthalpie wegen ihrer erhöhten Temperatur und ihres erhöhten Druckes, wenn sie aus dem Zylinder ausgestoßen werden, haben können. Andere Ausdrücke, die hier synonym für Verbrennungsprodukte benutzt werden, sind Abgase und Auslaßprodukte.

Die Aufgabenstellung zeigt implizit, daß die Erfindung eine Einrichtung schafft zum wirksamen Expandieren der Zylinderabgase von den Zuständen innerhalb des Zylinders auf Atmosphärendruck in dem Prozeß, der so nahe wie möglich bei dem reversiblen adiabatischen (isentropischen) Zustand liegt, wodurch die resultierende Sekundärenergie maximiert wird, die als mechanische Wellenleistung rückgewonnen wird und benutzt werden kann, um eine Sekundärwelle anzutreiben, um den Antrieb zu unterstützen, Zusatzgeräte anzutreiben oder Antriebsenergie für andere Zwecke zu liefern, was beispielsweise durch Unterstützen des Antriebs der Hauptkurbelwelle erfolgen kann. Das mechanische Verbinden der Turbine mit der Motorkurbelwelle ist mechanisch nicht einfach, und zwar wegen der charakteristischen Drehzahldifferenzen, es ist aber im folgenden ausführlicher dargestellt und beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

-46 - ⁴⁴

Fig. 1 eine Teillängsschnittansicht, die eine

Abgasturbinenanordnung zeigt, bei der ein erstes Düsenventil mit einem zweiten herkömmlichen Ventil zum Ausstoßen der Restgase benutzt wird,

Fig. 2 eine Teillängsschnittansicht, die eine Tur

bine zeigt, welche ein Düsenventil mit verstellbarem Düsenhals in Verbindung mit einem zweiten herkömmlichen Ventil zum Ausstoßen der Restgase zeigt,

Fig. 3 in schematischer Darstellung und teilweise

im Schnitt und in Draufsicht eine Ausführungsform der Erfindung mit einer zylinderseitigen öffnung mit einem Düsenhülsenschieberventil und einer mittig angeordneten Turbine,

Fig. 4 ein Düsenventil mit verstellbarem Düsenhals

in der Ausführungsform der Erfindung mit der zylinderseitigen öffnung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung

mit einem Düsenschlitzventil und einer sich im Takt drehenden Welle,

Fig. 6 noch eine weitere Ausführungsform der Erfin

dung mit mehreren konvergierenden Zylinderdüsen, die in einen einzelnen Einlaß einer Radialturbine münden,

Fig. 7 eine schematische Darstellung von Anordnungen

von Turboverbundmotoren, bei denen verschiedene Zylinderzahlen und Typen von Zylinderanordnungen in Verbindung mit Turbinenanbringungsorten, die den benachbarten Zylindern/Düsen/Turbine (n) angepaßt sind, zeigen, und

Al

Fig. 8 schematisch eine Vorrichtung zum Verbinden

der Abgasturbinenwelle mit der Motorkurbelwelle zur größeren Leistungsabgabe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Es dürfte hilfreich sein, einige der theoretischen Überlegungen ins Gedächtnis zu rufen, bevor die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung betrachtet werden. Wegen der Eigennatur des niedrigeren Kompressions- und ExpansionsVerhältnisses (die Kompressionsverhältnisse werden durch die erforderlichen Oktanzahlen begrenzt) geben die praktischen Motoren mit Fremdzündung einen größeren Teil der Gesamtenergie mit ihrem Abgas ab. Wegen dieser Eigenschaften wird die wirksame Ausnutzung der vollen und nutzbaren Expansion auf den Atmospärendruck, wie es bei dem Entwurf nach der Erfindung der Fall ist, wahrscheinlich eine größere relative Verbesserung für den Motor mit Fremdzündung als für den Dieselmotor bringen, obgleich die Erfindung mit Vorteil beim Dieselmotor benutzt werden kann.

Es sei daran erinnert, daß die Verbrennungsmotoren gewöhnlich mehrere Zylinder und Kolben haben, die mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sind. Zur Vereinfachung der Beschreibung und des Verständnisses der Erfindung werden jedoch die einfachsten Ausführungsformen mit einem Zylinder, einem Kolben, einer Düse, einem Ventil und einer Turbine in den ersten Ausführungsformen, die in den Figuren 1-5 dargestellt sind, beschrieben.

Gemäß den Fig. 1-4, die zur allgemeinen Beschreibung des Verbrennungsmotors herangezogen werden, enthält die Kombination 11 einen Verbrennungsmotor 13, der seinerseits wenigstens einen hin- und herbewegbaren Kolben 15, einen Zylinder 18, wenigstens einen Zylinderkopf 17, der auf dem Zylinder befestigt ist und das Ende des Zylinders verschließt, um eine Brennkammer für den Kolben zu bilden, eine Einlaßlei-

Al·

tung 19, die mit dem Zylinder verbunden ist, um diesem wenigstens ein Sauerstoff enthaltendes Gas zuzuführen, eine Einrichtung zum Vermischen des ankommenden Kraftstoffes mit Sauerstoff enthaltendem Gas, eine Zündeinrichtung zum Zünden des Kraftstoffes und des Sauerstoff enthaltenden Gases, um Arbeit zu leisten,und eine Auslaßöffnung 21 zum periodischen Abgeben von heißen Hochdruckverbrennungsprodukten aus dem Zylinder, die in einer Begrenzungswand der Brennkammer oben oder unten angeordnet ist, auf. Die Begrenzungswand kann wie in den Fig. 1 und 2 der Zylinderkopf oder wie in den Fig. 3-5 die Zylinderwand sein.

Der Verbrennungsmotor 13 kann irgendein Verbrennungsmotor sein, wie oben angegeben, und es kann sich um einen Zwei- oder um einen Viertaktmotor handeln. Typisch handelt es sich um den Benzinverbrennungsmotor, der eine Zündkerze od.dgl. zum Zünden des Kraftstoffes in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Erzeugen von Leistung hat. Bei Bedarf kann es sich um einen Motor mit Kompressionszündung mit oder ohne Glühkerzen oder Katalysatoren zum Unterstützen des Anfangs der Verbrennung, wenn der Druck oder die Temperatur hoch genug sind, wie bei einem Dieselmotor, handeln. Die Zündkerzen zum Zünden des Kraftstoffes, die Vergasungseinrichtung zum Vermischen von Kraftstoff und Luft oder statt dessen die Druckeinspritzung zum Einspritzen von Kraftstoff in die unter Druck gesetzte Luft sind herkömmlich und bekannt, weshalb sie nicht dargestellt und beschrieben zu werden brauchen. Sie sind infolgedessen in den Fig. 1-4 der Einfachheit halber weggelassen worden.

Ebenso ist auch der Kolben 15 bekannt. Gewöhnlich hat er Ringe an seinem Umfang zum Verhindern des Vorbeiströmens der Hochdruckfluids, die im Anschluß an das Zünden und Verbrennen die Leistung erzeugen. Der Kolben ist gewöhnlich durch Pleuelstangen, die in Fig. 3 mit gestrichelten Linien 23 angedeutet sind, mit einer Kurbelwelle 25 verbunden, die entsprechende Kröpfungen hat und sich um eine Achse dreht. Die Motofkürbel-

ah

welle 25 (Fig. 3 und 8) dient zur Leistungsabgabe des Motors, beispielsweise zum Antreiben eines automatischen Getriebes od.dgl.

Selbstverständlich werden weitere Einrichtungen auch benutzt, um Zusatzgeräte anzutreiben. Beispielsweise Gebläsekeilriemen od.dgl. werden benutzt, um Luft- oder Kältemittelkompressoren, Generatoren, Wechselstromgeneratoren, Servolenkungspumpen, Wasserpumpen und dgl. anzutreiben. Das ist wiederum alles herkömmlich und für die Erfindung relativ unwesentlich und braucht nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Der Zylinder 18 kann irgendein bekannter Motorzylinder für das technische Gebiet (Plugzeug, Kraftfahrzeug, Schiene, Marine, stationär, usw.) sein, auf dem der Motor benutzt wird. Er kann luft- oder flüssigkeitsgekühlt sein. Die Zylinder und die Zylinderköpfe und ihre dichte Verbindung mittels Dichtungen, Stehbolzen und dgl. sind bekannt und brauchen hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Auf herkömmliche Weise sind Kanäle für Kühlfluids, Schmieröle und dgl. auch bei der Erfindung vorgesehen.

Ebenso ist eine Ansaugleitung vorgesehen, um wenigstens Sauerstoff enthaltendes Gas und gewöhnlich ein Gemisch aus Kraftstoff in dem Sauerstoff enthaltenden Gas, wie beispielsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bei einem fremdgezündeten Motor, der Brennkammer zuzuführen, das, wenn es im Arbeitshub gezündet wird, Kraft entwickelt. Jede herkömmliche Leitungsanordnung zum Einleiten von Luft und Kraftstoff in den Zylinder kann bei der Erfindung benutzt werden. Gemäß den Fig. 1 und 2 ist die Ansaugleitung in dem Zylinderkopf gebildet und hat ein Tellerventil 27, das zum Einlassen des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem geeigneten Zeitpunkt öffnet, der durch Nocken festgelegt ist, welche durch eine Nockenwelle od.dgl. betätigt werden.

Auf gleiche Weise ist eine Auslaßöffnung 21 im oberen oder unteren Teil des Zylinders vorgesehen, um nach der Verbrennung

die Verbrennungsprodukte abzulassen. Bei Viertaktmotoren ist gewöhnlich eine Ventilanordnung bestimmter Art an der Auslaßöffnung vorgesehen, um zu öffnen und den Verbrennungsprodukten das Abströmen in die Auslaßleitung zu gestatten. Andererseits wird bei Zweitaktmotoren die Auslaßöffnung 21 häufig durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 15 geöffnet oder freigelegt. Diese Seitenöffnung kann auch bei Viertaktmotoren vorgesehen sein, und eine solche Konstruktion ist in den Fig. 3-5 gezeigt.

Genau an diesem Punkt werden die Vorteile der Erfindung ins Spiel gebracht, um einen überraschend hohen Prozentsatz an Rückgewinnung der verfügbaren Energie aus den Verbrennungsprodukten zu erzielen.

Gemäß Fig. 1 sind zwei Auslaßventile vorgesehen. Das erste Düsenventil 29 der beiden Auslaßventile öffnet, wenn sich der Kolben dem unteren Ende des Arbeitshubes (Expansion) nähert. Dieses Düsen- oder Ausblaseventil 29 öffnet sehr schnell und entläßt das Abgas aus dem Zylinder in seine Turbinendüse 31. Das Einlaßende 33 der Turbinendüse 31 grenzt an die Begrenzungswand 35 der Brennkammer 37 an der Auslaßöffnung und umschließt abdichtend die Auslaßöffnung 21, so daß die Leckage der heißen Hochdruckverbrennungsprodukte in die Atmosphäre verhindert wird. Das Auslaßende 39 der Düse 31 ist mit dem Einlaß 41 einer Turbine 43 verbunden. Anders ausgedrückt, der Einlaßkanal der Turbine 43 ist so ausgebildet, daß er die Verbrennungsprodukte von dem Auslaßende 39 der Düse 31 gleichmäßig empfängt und irreversible Verluste, einen Druckabfall und dgl. minimiert, bevor die Energie an die Turbine 43 abgegeben wird. Die Düsenform ist so konstruiert, daß sie den Druck- und Strömungsbedingungen angepaßt ist, um so den Wirkungsgrad der Energierückgewinnung zu maximieren.

Die Turbine 43 kann irgendeine Turbine sein, die diese Art von intermittierender Strömung von Verbrennungsprodukten wirksam ausnutzen kann. Gewöhnlich ist die Ausblaseturbinenkonstruktion am besten und eliminiert Motorpumpverluste und

minimiert irreversible Strömungsverluste. Anders ausgedrückt, die Konstruktion der Düse an ihrem Hals und sowohl an ihrem Einlaß- als auch an ihrem Auslaßende in Kombination mit den Einlaßkanälen der Turbine ist so getroffen, daß so viel wie möglich von der kinetischen und thermischen Energie in den Verbrennungsprodukten geliefert wird und trotzdem ein ausreichendes Spülen der Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder beibehalten wird. Darüber hinaus sind sie so konstruiert, daß die Turbine so nahe wie möglich an die Zylinderauslaßöffnungen verlegt wird (nur eine Düsenlänge davon entfernt), so daß die irreversiblen Strömungsverluste durch Reibung in Leitungen, die im Stand der Technik auftreten, den wirksamen Betrieb der Erfindung nicht stören. Der Turbinendüsenhals ist so bemessen und so geformt, daß er die Verbrennungsprodukte und ihre Enthalpie so schnell wie möglich und so wirksam wie möglich in kinetische Energie am besten umwandelt. Das schnell öffnende Ventil 29 ist relativ zu der Düsenhalsgröße so groß wie möglich bemessen, um die "Drosselung" zu minimieren.

Ein zweites, kleineres Tellerventil und ein weiterer Strömungskanal, die in Fig. 1 durch gestrichelte Linien 4 5 schematisch dargestellt und in Fig. 2 bei 46 sichtbar sind, öffnen in einer Position, die bei der Kurbelwellendrehung später liegt, nachdem der größte Teil der nutzbaren Abgasenergie über die Düse 31 und die Turbine 4 3 verbraucht worden ist. Das zweite Auslaßventil öffnet, während das erste Ventil 29 zu schließen beginnt. Das zweite Auslaßventil gibt die einen relativ niedrigen Druck aufweisenden restlichen Gase direkt an das Auslaßrohr 47 ab, das als Auspuffleitung dient. Diese Gase gehen daher direkt in die Atmosphäre und umgehen die Turbine. Es kann sich als praktisch erweisen, dieses zweite Auslaßventil zu eliminieren.

Eine weitere Doppelauslaßventilanordnung in dem oberen Zylinderkopf unter Verwendung von herkömmlichen Tellerventilen,

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Hülsenventilen oder anderen Arten von Ventilen ist unter Verwendung des folgegesteuerten öffnens, das oben beschrieben ist, möglich.

In Fig. 2 werden dieselben Elemente in dem Grundmotor benutzt, und zwar zusammen mit der Turbine 43, der Auspuffleitung 4 7 und dem weiteren Restgaskanal 45 und dem weiteren Ventil 46. In der Ausführungsform nach Fig. 2 ist das zweite Ventil 46 zu erkennen, weil das erste Ventil 29 nicht verwendet wird. Statt dessen wird ein Ventil 51 verwendet, das an dem Düsenhals angeordnet ist und einen Teil des Halses der Düse 31 bildet. Gemäß der Darstellung mit den gestrichelten Linien 53 kann das Schwenkventil 51 um seine Schwenkachse 55 durch eine Stoßstange 57 in seine geschlossene Stellung bewegt werden, beispielsweise mittels eines Nockens od.dgl. Dadurch kann das Ventil leicht geöffnet werden, und es wird eine gleichmäßige Strömung der Verbrennungsprodukte durch die Düse 31 während allen Phasen des öffnens erzielt. Wie erläutert grenzt der Düseneinlaß 33 an die Begrenzungswand 35 der Brennkammer 37 und ist ein Teil derselben. In den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 ist der Einlaß der Düse in dem Zylinderkopf an der Auslaßöffnung 21 angeordnet. Die Konstruktion nach Fig. 2 kann leichter so ausgeführt werden, daß die Düsenkontur während des Ausblasens optimal verändert werden kann, das ab hohem Druck beginnt (Erzeugen einer Überschallströmung durch eine konvergierende/divergierende Düse) und abnimmt, um sich dem Atmosphärendruck zu nähern, wenn das Düsenventil vollständig geöffnet wird, und zwar mit der gewünschten einfachen konvergierenden Düsenkontur. Gemäb obigen Angaben erzeugt der Einlaß 41 der Turbine 43 eine gleichmäßige Strömung und minimale irreversible Verluste wegen "Drosselung", Leitungsverlusten und dgl.

Das zweite Ventil 4 6 und der Abgasströmungskanal, der durch die gestrichelten Linien 45 dargestellt ist, arbeiten auf oben mit Bezug auf Fig. 1 beschriebene Weise, um das Herausspülen der restlichen Gase aus dem Zylinder zu gestatten, ohne

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daß die wirksame Entwicklung von Kraft in dem Motor 13 gestört wird. Wie in Fig. 1 kann es sich als praktischer erweisen, das zweite Ventil 46 zu beseitigen, indem dem Düsenventil gestattet wird, über den vollen Auspuffzyklus zur Turbine hin offen zu bleiben.

In den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 bildet das Einlaßende der Düse einen integralen Bestandteil der durch den Zylinderkopf gebildeten Begrenzungswand und grenzt an diese. Bei vielen Motoren, wie beispielsweise bei Zweitaktmotoren und dgl., ist es möglich, daß das Düseneinlaßende einen Teil einer Seitenwand des Zylinders od.dgl. bildet und an diese grenzt, wie es beispielshalber in den Fig. 3-5 dargestellt ist, und die üblicherweise benutzten Auslaßseitenöffnungen werden bei den meisten Zweitaktmotoren auf diese Weise gebildet. Bei der Erfindung bildet die Seitenöffnung ein integrales, glattes Einlaßende für die Düse 31 und ist so dimensioniert, daß sie die Verbrennungsprodukte wirksam aus dem Zylinder 31 entläßt und zu der benachbarten Turbine 43 an dem Auslaßende 39 der Düse gelangen läßt. Das kann bei Viertaktmotoren sowie bei der Doppelauslaßventilanordnung benutzt werden.

Gemäß Fig. 3 arbeiten die Zylinder 18 mit ihren hin- und herbewegbaren Kolben 15 auf herkömmliche Weise und geben die Verbrennungsprodukte über Düsen 31 an die Turbine 43 über mehrere Einlaßkanäle ab.

Bei Bedarf kann ein herkömmliches Auslaßventil noch am oberen Ende des Zylinders benutzt werden, das aber so taktgesteuert wird, daß es später öffnet, wie in der oben mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen Zweiventilanordnung, nachdem die nutzbare Ausblaseenergie durch die Düse 31 verbraucht worden ist. Dieses Ventil ist bei Viertaktmotoren erforderlich. Die Konstruktion nach den Fig. 3-5 hat sowohl Vorteile als auch Nachteile gegenüber der oben mit Bezug auf die Fig. 1 und 2

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beschriebenen Zweiventilanordnung. Der Nachteil ist, daß in dem Fall von Viertaktmotoren eine Einrichtung vorgesehen werden muß, um die Kolbenbewegung daran zu hindern, die Düsenventilöffnung eine Kurbelwellenumdrehung später wieder zu öffnen, wenn der Kolben am Ende eines Ansaug- und am Beginn eines Kompressionshubes ist. Deshalb und nur in dem Fall von Viertaktmotoren muß die spezielle Ventilanordnung vorgesehen werden, um den Düsenweg zu der Turbine bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung zu blockieren, wenn der Kolben unten ist. Das kann durch irgendeine der in den Fig. 3-5 gezeigten Ventilanordnungen erreicht werden. Das Ventil kann ein Schieberventil 55 sein (Fig. 3), das durch einen Nocken 57 gegen den Druck einer Feder 59 geöffnet wird. Diese Art von Schieberventil wird manchmal auch als Hülsenschieber bezeichnet. Grundsätzlich verschiebt es einen undurchlässigen Schieber über der Öffnung in dem Hals der Düse 31. Wenn es jedoch offen ist, bildet die Begrenzung der Öffnung eine glatte Wand, die in die glatte Strömungsdüse übergeht, um Druckverluste oder eine Strömungsstörung ₂u verhindern. Ein verstellbares Düsenhaisventil ist in der Ausführungsform nach Fig. 4 gezeigt. Dabei arbeitet das Ventil 61 so wie das Ventil 51 nach Fig. Anders ausgedrückt, es wird durch die Bewegung der Stoßstange 65 um die Achse 63 verschwenkt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Konstruktionsmöglichkeit zum Schliessen der Seitenöffnung bei jeder zweiten Umdrehung, die eine "Düsenventilwelle" vorsieht, die sich mit einem Viertel der Kurbelwellendrehzahl (1/2 Nockenwellendrehzahl) dreht und offene Schlitze 67 in der Welle 69 hat, über die jede Düse während des Ausblasens Verbrennungsprodukte abgibt. Eine Kurbelwellenumdrehung später befinden sich die Schlitze bei 90° und sind geschlossen, um eine Fluidströmung am Beginn des Kompressionshubes zu verhindern. Nach einer weiteren Umdrehung sind die Düsenschlitze bei 180° und deshalb wieder korrekt offen.

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Die Vorteile dieser Seitenöffnungskonstruktionen sind die Einfachheit der Anordnung, die gestattet, die Turbine an der Seite des Motorblockes statt an dem bereits überfüllten Kopfteil anzuordnen. Die Lage der Turbine und die anderen Motorkonstruktionsanordnungen müssen jedoch optimiert werden, um das erforderliche viel kleinere Auslaßventil und die kleinere Auslaßöffnung in dem Kopfbereich vorteilhaft nutzen zu können und insbesondere um von dem größeren Raum Gebrauch zu machen, der dadurch für das Ansaugventil und die Ansaugöffnung verfügbar gemacht wird. Das verbessert den Betrieb des Motors und der Ansauganordnung durch Vergrößern der Luftströmungskapazität. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, daß das einen einfachen und sauberen Weg für das Ausblasen der Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder gestattet und die übliche Tellerventildrosselung und deren Erwärmungs- und Kühlprobleme eliminiert. Da die meisten Ausblasverbrennungsprodukte hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit in dem oberen Zylinderbrennraum vermieden werden, wird dieser wichtige Bereich auf niedriger Temperatur bleiben, was die Benutzung höherer Kompressionsverhältnisse bei einer bestimmten Kraftstoffoktanzahl gestattet, wodurch noch eine weitere schrittweise Wirkungsgradverbesserung erzeugt wird, die sonst nicht möglich ist.

Eine andere Ausführungsform für einen besseren Turbinenwirkungsgrad ist in Fig. 6 gezeigt.

Gemäß Fig. 6 sind mehrere Zylinder 18 mit Düsen 31 verbunden, deren Einlaßenden 33 an die Begrenzungswände der Brennkammern grenzen und deren Auslaßenden 39 gleichmäßig mit dem Einlaß der Turbine 71 verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform ist die Turbine 71 vorzugsweise eine Radialturbine, wobei die gruppenweise zusammengefaßten Motorzylinder 18 bestrebt sind, die sonst pulsierend aus den Zylindern ausgeblasenen Verbrennungsprodukte zu integrieren. Je größer die Anzahl der Zylinder ist, die auf die dargestellte Weise mit der Turbine verbunden werden können, mit umso größerem Wirkungsgrad wird die richtig konstruierte Turbine arbeiten, weil die

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Strömung der Verbrennungsprodukte nahezu konstant sein wird.

Das Darlegen einer genauen Analyse des äußerst thermodynamischen Arbeitsspiels ist zwar schwierig, die Texte wie die eingangs erwähnten von Obert und Taylor zeigen jedoch, daß bei dem üblichen Motor ohne Abgasturbolader, der in Meereshöhe und mit einer mittleren Drehzahl von etwa 2000 U/min bei Vollgas arbeitet, der absolute Zylinderdruck, der beim Auslaßventilöffnen bleibt, typisch 3,45 bar (50 pounds per square inch) oder mehr betragen wird. Wenn angenommen wird, daß diesen Gasen gestattet wird, durch eine glatte Düse wirksam in eine Turbine "auszublasen", von der zuerst angenommen wird, daß sie einen Wirkungsgrad von 100 % hat, so sollte es eine zusätzliche Rückgewinnung etwa 35-55 % der Wellenleistung geben, die bereits aus dem in dem Motor verbrannten Kraftstoff zurückgewonnen wird. Es ist wichtig, daran zu erinnern, daß ein beträchtlicher Teil dieser zusätzlichen Leistung ohne Verschlechterung der normalerweise durch den Kolben gelieferten Leistung zurückgewinnbar ist. -Infolgedessen wird die Motorausgangsleistung um die Größe der Turbinenleistung vergrössert, die ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch und ohne nennenswerte Zunahme der Leistungsverluste zurückgewonnen wird. Bei einem Turbinenwirkungsgrad in dem Bereich von 50-75 % ist daher eine Zunahme der Leistung und des gesamten Motorwirkungsgrades von wenigstens 20-30 % durch die Erfindung möglich.

Eine wichtige Entwurfsüberlegung ist das Maximieren des Arbeitsspiels jeder Turbine durch sorgfältige Zylinderanordnung und Turbinenanbringung,so daß soviele Zylinder wie möglich sich eine einzelne Turbine teilen können, während die enge Nähe von Zylinder, Düse und Turbine im Rahmen der beigefügten Ansprüche aufrechterhalten wird. Je mehr Auspuffimpulse eine bestimmte Turbine pro Zeiteinheit bei demselben Getriebewirkungsgrad empfängt, umso kleiner ist die Leerlaufzeit, die die Turbine haben wird, um Ventilationsverluste (schnelles Drehen im Leerlauf) zu erzeugen. Außerdem, je mehr Zylinder über Düsen an eine einzelne Turbine bei einem bestimmten Motor

auf oben beschriebene Weise angeschlossen werden können, umso weniger Turbinen sind erforderlich. Eine Anzahl von Motor-Turbinen-Anordnungen ist in Fig. 7 gezeigt. Zum Beispiel bei dem Reihenmotor, der bei A gezeigt ist, sind zwei Zylinder 18, die durch zwei Düsen 31 mit einer einzelnen Turbine 43 verbunden sind, oben links dargestellt. Wenn vier Zylinder benutzt werden, kann eine einzelne Turbine 43 bei der dargestellten Anordnung benutzt werden, oder es können zwei Turbinen 43a benutzt werden, die mit gestrichelten Linien gezeigt sind. Ebenso können bei sechs und acht Zylindern in Reihe wenigstens zwei Turbinen 43 erforderlich sein. In einer V-Anordnung, wie sie bei B gezeigt ist, kann die Turbine 4 3 in der Mitte angeordnet und über Düsen 31 mit den Zylindern 18 verbunden sein, wie es für die 2-, 4-, 6- und 8-Zylinder-Anordnungen gezeigt ist. Bei C sind V plus 2 (2 sind aufrecht) Anordnungen gezeigt, bei denen die Turbine 43 zwischen den Zylindern 18 und den aufrechten Zylindern 18a bei den 4-, 6- und 8-Zylinder-Motoren angeordnet ist. Bei der Anordnung gemäß D, bei der eine aufrechte Anordnung mit nebeneinander angeordneten Kurbelwellen benutzt wird, kann die Turbine 43 zwischen den Zylindern 18 angeordnet werden. Ebenso kann gemäß E und gemäß F die Turbine 43 zwischen den Zylindern 18 angeordnet werden und trotzdem können die Einlaß- und Auslaßenden der Düsen 31 mit der Begrenzungswand der Brennkammer bzw. der Turbine verbunden werden.

Das Kuppeln der Turbine zum Unterstützen der nutzbaren Wellenabtriebsleistung ist im Stand der Technik gezeigt, beispielsweise in der US-PS 2 24 5 163. Das wirksame Kuppeln der beiden derart, daß hohe Trägheitskräfte in den Kupplungsteilen vermieden werden, und derart, daß die Turbine niemals zu einem Verbraucher von Motorleistung wird, sind die beiden Grundprobleme der praktischen Ausführung bei allen Verbrennungsmotoren, die mit leistungsabgebenden Abgasturbinen kombiniert sind, zu denen auch die nach der Erfindung gehören. Das Problem besteht wegen der Ungleichheit der charakteristischen Eigendrehzahlen

der herkömmlichen Hubkolbenmotoren gegenüber ihren Abgasturbinen. Das einfache direkte mechanische Kuppeln der beiden, das unter Kosten- und Wirkungsgradgesichtspunkten vorzuziehen wäre, erfordert einen Drehzahluntersetzer mit grossem Untersetzungsverhältnis für die Turbine. Dieses Kuppeln bringt eigene Probleme mit sich, weil große Trägheitskräfte durch plötzliche Drehzahländerungen erzeugt werden, die bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen typisch sind (und in geringerem Ausmaß bei Flugzeugen und Schiffen). Diese plötzlichen Änderungen werden durch die große Drehzahluntersetzung verstärkt. Diese plötzlichen Drehzahländerungen treten typisch auf, wenn Gas gegeben wird, ohne daß eine Belastung vorhanden ist, wenn plötzlich belastet wird und wenn das Getriebe geschaltet wird. Es ist deshalb eine flexible Kupplung erforderlich, um schädigende große Trägheitskräfte zu vermeiden. Eine Einrichtung zum Kuppeln der Turbine mit Motorwellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8 gezeigt. Darin sind A und B Kupplungen unterschiedlichen Typs zwischen dem Drehzahluntersetzungsgetriebe 73, das die Motorkurbelwelle mit der Abtriebswelle 75 verbindet, und dem Drehzahluntersetzungsgetriebe 77, das die Turbinenwelle 79 mit der Abtriebswelle 75 verbindet. Die Lage der Kupplungen A und B dient lediglich zur Veranschaulichung und beschränkt sich nicht auf das dargestellte Beispiel. Die Kupplung A ist eine drehrichtungsgeschaltete Kupplung, die so konstruiert ist, daß sie Drehmoment nur in einer Richtung überträgt und in der entgegengesetzten Drehrichtung vollständig und automatisch auskuppelt. Solche Kupplungen sind in den verschiedensten Texten beschrieben. Die Beschreibung einer Uberholkupplung findet sich beispielsweise in Fig. 198 auf Seite 262 in DESIGN OF MACHINE MEMEBERS,VaIlance and Doughtie, McGraw-Hill, New York, New York, 4. Auflage, 1964. Diese Kupplung beseitigt jede Möglichkeit eines Motorleistungsverbrauches durch die Turbine und Trägheitsstoßkräfte in dieser Drehmomentrichtung.

J 4 I I Z b ό

Die Kupplung B ist eine Kupplung für begrenztes Drehmoment, für die es viele verfügbare Konstruktionen gibt. Beispielsweise kann die Kupplung B für begrenztes Drehmoment eine Plattenreibungskupplung sein, eine Scheibenkupplung, eine Mehrscheibenkupplung, eine Kegelkupplung, eine Fliehkraftkupplung, eine Trommelkupplung, eine Bandkupplung oder eine Magnetkupplung, die trocken oder naß arbeitet. Ein weiteres Beispiel einer Konstruktion für begrenztes Drehmoment, die benutzt werden kann, ist eine Viskositäts- oder Hydraulikflüssigkeitskupplung. Diese Kupplung würde so ausgelegt werden, daß sie nur dann schlüpft, wenn übermäßige Trägheitskräfte vorhanden sind, und könnte in die drehrichtungsgeschaltete Kupplung A integriert werden.

Einige weitere Möglichkeiten zum Verbinden der Abtriebswelle der Turbine mit der Motorkurbelwelle oder mit einer gemeinsamen Welle sind folgende: 1. ein direktes Zahnradgetriebe mit ausreichender Stärke, Elastizität und Dämpfung, um Trägheitskräfte auszuhalten; 2. eine Zahnradgetriebe-und Fluidkupplung, wie sie in dem Wright-Turboverbundmotor benutzt wird; 3. ein Zahnradgetriebe und eine schnelle Auskuppeleinrichtung, um übermäßige Drehmomente zu vermeiden. Das Auskuppeln erfordert Kupplungen, die durch eine Steuereinheit oder durch Schlüpfen ausgerückt werden, weil ihre Kapazität so gewählt ist, daß sie unter einem schädigenden Drehmoment liegt. Diese Anordnung gleicht im wesentlichen der in Fig. 8 dargestellten. Generator/ Motor-Sätze können benutzt werden, wobei Wechselstrom oder Gleichstrom verwendet wird. Im Falle von Wechselstrom könnte ein Teil der benötigten Drehzahländerung durch eine Konstruktion erzielt werden, bei der eine kleinere Anzahl von Magnetpolen an Turbine/Wechselstromgenerator (hohe Drehzahl) und eine größere Anzahl von Polen an dem Motor (niedrige Drehzahl) benutzt wird. Eine solche Anordnung könnte so ausgelegt werden, daß sie wirksam als Asynchronmaschine mit dem dieser eigenen Schlupfvermögen läuft. Diese Generator/Motor-Einheiten können einzelne integrierte Einheiten sein, die Magnetkupp-

-Wt-

lungen haben, oder sie können Permanentmagnetelemente an einem und eine veränderliche Anzahl von elektromagnetischen Polen am anderen eingebaut haben. 5. Ein Typ von Generatoranordnung, bei der ein Generator oder Wechselstromerzeuger mit Gleichrichter oder eine Speicherbatterie und ein Gleichstrommotor benutzt wird, könnte verwendet werden, obgleich diese Anordnung keinen guten Wirkungsgrad aufweisen könnte. Ebenso können Turbinen und Flüssigkeitsmotoren mit oder ohne Akkumulatoren und Schwungräder benutzt werden, um das Speichern von Energie und das Anpassen der Energie an den Bedarf zu ermöglichen.

In TRANSACTIONS OF THE SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS (SAE), Band 62, 1954, zeigen die Daten, daß der Wright-Turboverbundmotor, der mit "Startleistung" in Meereshöhe arbeitet, in den Abgasen eine kinetische Energie verfügbar hat, die bis zu 79 % der gesamten Kolbenenergie beträgt, die durch die Motorkurbelwelle zurückgewonnen wird. Abgasturbinen gewannen Energie zurück, die bis zu 18,2 % der gesamten Kolbenenergie betrug, was nur 23 % der verfügbaren kinetischen Energie war. Bei "Reiseleistung¹¹/ was grob einem natürlich beatmeten Motor entspricht, der mit voller Leistung arbeitet, betrug die verfügbare kinetische Energie des Abgases 55 % der Kolbenenergie. Die Gesamtenergie, die durch die Turbinen zurückgewonnen wurde, betrug 9,5 % oder nur 17,4 % der verfügbaren kinetischen Energie. Diese Zahlen basieren auf dem 18-Zylinder-Flugzeugsternmotor, bei dem drei Ausblaseturbinen benutzt werden, wobei sechs Zylinder jede Turbine über ziemlich gekrümmte und herkömmliche "verlustbehaftete" Auslaßleitungen und -krümmer mit herkömmlichen Auslaßtellerventilen versorgen. Beim Betrieb in Meereshöhe betrugen die Energieverlustprozentsätze, die der Auslaßventildrosselung zuzuschreiben sind, etwa 36 % der Kolbenenergie beim Start und 31 % der Kolbenenergie beim Reiseflug, was 45 % bzw. 57 % der verfügbaren kinetischen Energie ausmacht. Der Zweck der Erfindung ist es, diese Verluste wirksam in nutzbare Arbeit umzuwandeln. Der Übersichtlichkeit halber sind die obigen Daten in der Tabelle 1 aufgelistet.

J4 IZZÖJ

- & - of

TABELLE I

Wright-Turboverbundmotorleistungsdaten (Information entnommen aus SAE Transactions, Band 62, 1954)

Abgasenergie-

rückgewinnungs-

parameter

Verfügbare kinetische Abgasenergie

(% der Kolbenenergie)

Meereshöhe Start- Reiseleistung leistung

78,5

rückgewonnene Gesamtturbinenenergie:

(% der Kolbenenergie) 18,2 (% der verfügbaren kinetischen Energie) 23,1 (% der verbleibenden Energie nach der Abgasventildrosselung) 42,8

Abgasventildrosseiungsverlust:

(% der Kolbenenergie) 36,0 (% der verfügbaren kinetischen Energie) 45,4

54,8

9,5 17,4

40,4

31,3 57,1

Kritische Höhe Start- Reiseleistung leistung

26

Die angegebenen Daten zeigen die Vorteile des TurboVerbundbetriebes. Der Aufbau nach der Erfindung verringert jedoch stark die gezeigten hohen Verluste, vergrößert beträchtlich den Prozentsatz der rückgewonnen Gesamtturbinenenergie und verbessert die angegebenen Ergebnisse durch Verlagern der Verluste in die Gesamtturbinenleistungsabgabekategorie.

Wie erwähnt, können sich bei Motoren mit Fremdzündung die größten Vorteile der Erfindung realisieren lassen. Es ist wichtig anzumerken, daß die Erfindung die Kombination der Vorverdichtung zusammen mit der des Verbundbetriebes bei Bedarf enthalten kann. Diese Vorverdichtung kann mit oder ohne innere Kühlung nach einer oder mehreren Kompressionsstufen wie in herkömmlicher Praxis erfolgen.

Im Betrieb eines herkömmlichen Verbrennungsmotors wird das Ansauggemisch aus Kraftstoff und Luft über die Ansaugleitung 19 durch das geöffnete Einlaßtellerventil 27 in die Brennkammer 37 gesaugt, wenn sich der Kolben 15 nach unten bewegt.

Anschließend kehrt der Kolben seine Bewegungsrichtung um, bewegt sich nach oben und komprimiert das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Eine gewisse Anzahl Grad vor dem oberen Totpunkt wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch Zündung einer Zündkerze (nicht dargestellt) verbrannt. Die Zündkerze wird mit einer herkömmlichen Anordnung gezündet, in der eine Einrichtung, wie beispielsweise ein zusammenbrechender Primärstromkreis, eine hohe Spannung in einer Sekundärspule induziert, die einen elektrischen Lichtbogen in dem Elektrodenspalt der Zündkerze verursacht. In jedem Fall entwickelt die Verbrennung des Kraftstoffes in der Luft unter die Verbrennung unterstützenden Bedingungen thermische Energie und verursacht einen hohen Druck; dadurch wird der Kolben 15 kräftig nach unten bewegt, um die Motorkurbelwelle 25 in Drehung zu versetzen und den Motor an der Welle Leistung abgeben zu lassen. Anschließend wird die Auslaßöffnung 21 geöffnet, um die heißen Verbrennungsprodukte unter ihrem hohen Druck direkt in die Düse 31 und gleichmäßig in den Einlaß der Turbine 43 ohne die irreversiblen Druck- und Kühlverluste abzugeben, die mit diesem Prozeß bei herkömmlichen Motoren im Stand der Technik verbunden sind. Die Abgase strömen durch die Turbine und versetzen die Turbinenschaufeln in schnelle Drehung, wodurch Leistung erzeugt und die Turbinenwelle 79 gedreht wird. Die Leistungsabgabe der Turbinenwelle wird dann nach Bedarf benutzt. Das kann entweder im Verbundbetrieb mit der Motorkurbelwelle erfolgen, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, oder durch Drehen eines Kompressors, wie es der Stand der Technik zeigt, beispielsweise die US-PS 3 673 798. Selbstverständlich können beide bei Bedarf zum Ausnutzen der Leistung oder für jeden anderen Leistungsverwendungszweck benutzt werden, wie oben beschrieben.

Wie erwähnt gehen dann die niedrigen Druck und niedrige Geschwindigkeit aufweisenden verbrauchten Abgase durch den Auslaßkanal der Turbine 43 in die herkömmliche Auspuffanlage.

- X?

Der Zyklus wird für jeden Zylinder wiederholt. Die Taktsteuerung der Wiederholung hängt davon ab, ob es sich um einen Zwei- oder um einen Viertaktmotor handelt. Darüber hinaus wird die beste Anordnung für die Ventilsteuerung und dgl. davon abhängen, ob es sich um einen Zwei- oder um einen Viertaktmotor handelt.

Gemäß üblicher Praxis wird der Motor durch Luft oder durch eine umgewälzte Flüssigkeit gekühlt, beispielsweise durch Wasser oder durch eine wässrige Lösung von Diethylenglycol. Der Motor wird durch herkömmliche Umlaufschmierung über entsprechende Schmierkanäle (nicht dargestellt) geschmiert.

Vorstehende Darlegungen zeigen, daß die Erfindung einen fort schrittlichen Turboverbundmotor schafft, der einen überraschend hohen Wirkungsgrad hat und eine überraschend große Rückgewinnung der theoretisch verfügbaren Energie gestattet.

Claims

Specialty Systems, Inc. Austin, Texas 78731, V.St.A.

Patentansprüche

y. Turboverbundmotor mit einem Verbrennungsmotor (13), der wenigstens einen Zylinder (18) hat, welcher einen hin- und herbewegbaren Kolben (15) enthält und einen Zylinderkopf (17) trägt, der ihn an einem Ende verschließt und mit dem Kolben (15) eine Brennkammer begrenzt, mit einer Einlaßleitung (19), die mit dem Zylinder (18) verbunden ist, um diesen wenigstens ein Sauerstoff enthaltendes Gas zuzuführen, mit einer Einrichtung zum Vermischen von ankommendem Kraftstoff mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas, mit einer Zündeinrichtung zum Zünden des Kraftstoffes in dem Sauerstoff enthaltenden Gas, um Leistung zu entwickeln, und mit einer Auslaßöffnung (21) zum periodischen Abgeben von heißen Hochdruckverbrennung sprodukten aus dem Zylinder, wobei die Auslaßöffnung in einer Begrenzungswand der Brennkammer oder des Zylinders (18) angeordnet ist,
gekennzeichnet durch:

a) wenigstens eine Düse (31), die geeignet geformt ist, um die heißen Hochdruckverbrennungsprodukte zu beschleunigen und aus dem Zylinder (18) zu einer Turbine (4 3) zu fördern, wobei die Düse (31) ein Einlaßende (33) und ein Auslaßende (39) hat und wobei ihr Einlaßende (33) an die Be-

3 4 Ί Z Z ö J

grenzungswand (35) an der Außlaßöffnung (21) grenzt und die Auslaßöffnung (21) abdichtend umschließt, so daß eine Leckage der heißen Hochdruckverbrennungsprodukte in die Atmosphäre verhindert wird;

b) eine Ventilvorrichtung (29), die geeignet taktgesteuert wird, um den Zylinderverbrennungsgasen zu gestatten, nahe dem Ende des Expansions(Arbeits)-Hubes des Kolbens (15) durch die Düse zu strömen; und

c) wenigstens eine Turbine (43) , die Einlaß- und Auslaßkanäle (41) und eine Abtriebswelle (79) zur Leistungsabgabe hat, nahe bei der Düse angeordnet ist und über ihren Einlaßkanal (41) mit dem Auslaßende (39) der Düse verbunden und außerdem damit abgedichtet verbunden ist, so daß die Leckage von expandierten Verbrennungsprodukten hoher Geschwindigkeit in die Atmosphäre verhindert und die expandierten Verbrennungsprodukte hoher Geschwindigkeit gezwungen werden, durch die Turbine (43) hindurchzugehen, um dadurch ihre Energie an die Turbine (43) abzugeben und sich in Abgas niedrigen Druckes und niedriger Geschwindigkeit zu verwandeln, das über den Auslaßkanal aus der Turbine (43) abgegeben wird;

wodurch die Abtriebswelle (35) der Turbine Leistung liefern kann, die die Turbine (43) mit großem Wirkungsgrad den heißen Hochdruckverbrennungsprodukten aus dem Zylinder (18) entnimmt.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Turbine (43) vorgesehen ist und daß der Motor mehrere Zylinder (18) und mehrere Düsen hat, die mit den Auslaßöffnungen (21) der Begrenzungswände (35) der Turbine (43) verbunden sind, so daß sich eine konstantere Strömung von Verbrennungsprodukten durch die Turbine (43) ergibt.
3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Turbine (43) zwischen den Zylindern (18) angeordnet ist und daß die Begrenzungswand (35) jedes Zylinders (18) an den

Einlaß (33) einer Düse grenzt, deren Auslaßende (39) mit dem Turbineneinlaßkanal (41) verbunden ist.
4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (43) eine Axialturbine ist.
5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine eine Radialturbine (71) ist.
6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinder (18) vorgesehen sind und daß Axial- oder Radialturbinen (43, 71) über Düsen an die Zylinder angeschlossen sind.
7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse eine schnellöffnende Ventilvorrichtung (29) aufweist, die das schnelle Abgeben der heißen Hochdruckverbrennungprodukte über die Düse mit minimalem Drosselungsdruckabfall vor dem Erreichen der Düse (31) gestattet.
8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (31) und die Ventilvorrichtung (29) ein Kombinationsdüsenhalsventil (51) aufweisen, welches geeignete variable Düsenformen über der Ventilöffnungsfolge ergibt und irreversible Drosselungsverluste vor der Düse (31) eliminiert, wodurch die Düsenaustrittsgasgeschwindigkeit und die Energierückgewinnung durch die Turbine (43) maximiert werden.
9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (31) und die Ventilvorrichtung (29) zum Teil durch ein Düsenhalsventil (51) gebildet sind, das durch einen Nocken (57) betätigt wird, der sich synchron mit dem Motor (13) dreht.

-A-
10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse ein Düsenschlitzventil (67) aufweist, das durch eine Welle (69) betätigt wird, welche mit einem Bruchteil der Motorkurbelwellendrehzahl arbeitet.
11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (13) ein Viertaktmotor ist, daß die Auslaßöffnung (21) in der Seitenwand des Zylinders (18) angeordnet ist, so daß die heißen Hochdruckverbrennungsprodukte abgegeben werden, wenn die Auslaßöffnung durch den sich nach unten bewegenden Kolben (15) freigegeben ist, wobei das Düsenschlitzventil (67) nur benutzt wird, um die Strömung bei jedem zweiten Hub und Saug-Kompressionshüben des Kolbens (15) zu blockieren und sich die Welle (69) mit einem Viertel der Drehzahl der Kurbelwelle (25) dreht.
12. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (13) mehrere Zylinder (18) und Kolben (15) hat und daß mehrere Turbinen (43) mit den Zylindern (18) über die Düsen (31) verbunden sind, die an die Zylinder (18) und die Turbinen (43) grenzen.
13. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zylinder (18) wenigstens zwei Auslaßventile (29, 46) hat, wobei eines (29) der Ventile schnell und früh öffnet, um direkt über die Düse auszulassen, während das zweite Auslaßventil (46) später öffnet und die verbleibenden Niederdruckgase ausläßt, wenn sich der Kolben (15) nach oben bewegt.
14. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (79) der Turbine (43) so angeschlossen ist, daß sie Leistung mit der Motorkurbelwelle (25) über ein Drehzahluntersetzungsgetriebe (73, 77) und eine drehrichtungsgeschaltete Kupplung (A) abgibt, die so konstruiert ist, daß sie Drehmoment nur in einer Richtung überträgt, und über eine Kupplung (B) für begrenztes Drehmoment, so daß die Motorkur-

belwelle (25) niemals Leistung zum Drehen der Abtriebswelle (79) der Turbine (43) liefert und auf notwendige Weise schlüpft, um übermäßige Trägheitsdrehmomente zu verhindern.
15. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (31) ein Halsschieberventil (55) aufweist.
16. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (31) mit einer Seitenwandöffnung (21) des Zylinders (18) verbunden ist.
17. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (13) ein Zweitaktmotor ist, daß die Auslaßöffnung (21) eine Seitenöffnung ist, daß die Ventilvorrichtung die Bewegung des Kolbens (15) ausnutzt, um die Auslaßöffnung (21) freizulegen, und daß die Düse (31) an die Seitenauslaßöffnungen (21) und die Turbine (43) grenzt.