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Regelungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Abgasturbinen. Die
Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Abgasturbinen;
d. h. Brennkraftmaschinen, deren Ladung unter Druck durch einen Verdichter zugeführt
wird, welchen eine durch die Abgase der Brennkraftmaschine beaufschlagte Turbine
antreibt.
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Es ist schon bei Brennkraftmaschinen, welche mit Abgasturbinen zusammenarbeiten
und bei welchen die Abgasturbine nur Kraft nach außen abgibt und die Brennkraftmaschine
nur den Ladeluftverdichter antreibt, vorgeschlagen worden, die Brennkraftmaschine
mit einem statischenLeistungs-, dieTurbine hingegen mit einem Geschwindigkeitsregler
zu versehen. Dabei sind die beiden Regler so miteinander verbunden, daß derselben
Einstellung des Steuerorgans an der Brennkraftmaschine die verschiedenen Ausschlagslagen
der beiden Regler zugeordnet werden. Bei der vorgeschlagenen Regelung der Abgasturbine
durch den Geschwindigkeitsregler handelt es sich dazu um bloße Drosselregelung der
Turbine. Beim Erfindungsgegenstand handelt es sich hingegen um eine andere Brennkraftmaschinenanlage,
die Brennkraftmaschine gibt die äußere Arbeit ab.
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Die Erfindung besteht darin, daß die zur Regelung des Betriebszustandes
-der Brennkraftmaschine angeordnete Vorrichtung mit der den Betriebszustand bestimmenden
Vorrichtung der Abgasturbine derart gekuppelt ist, daß der Zustand der Gase vor
Eintritt in die Abgasturbine in Abhängigkeit von der Brennkraftmaschine verändert
wird. Dabei kann die Ausbildung der Steuer- und Regelungselemente so getroffen sein,
daß dauernd gewisse, den Arbeitsprozeß bestimmende Faktoren gleich oder in einem
gewissen Verhältnis zueinander bleiben. Die Verbindung kann aber auch so ausgebildet
sein, daß diese Faktoren dem Belastungsgrad oder der Betriebsart der Maschinenanlage
entsprechend verschieden beeinflußt werden. Faktoren, welche den Arbeitsvorgang
in einer Kraftanlage, auf welche sich die Erfindung bezieht, bestimmen, sind u.
a. Druck, Menge und Temperatur der im Verdichter vorverdichteten Ladung, Brennstoffüllung
der Brennkraftmaschine, Druck und Temperatur in derselben und der von dort in die
Turbine übertretenden Gase, ferner die Drehrichtung sowie die Drehzahl der verschiedenen,
die Kraftanlage bildenden Aggregate.
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So kann die Ausbildung so getroffen sein, daß der Zustand der in die
Abgasturbine eintretenden Gase derart geregelt wird, daß der Verdichter Ladeluft
von konstantem Druck an die Brennkraftmaschine abgibt. Oder dieselbe kann so gestaltet
sein, daß der Zustand der in die Abgasturbine eintretenden Gase derart geregelt
wird, daß das Spannungsgefälle derselben sich entsprechend dem Ladedruck verändert.
In
den Zeichnungen sind Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes in schematischer
Weise dargestellt.
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In Abb. i ist i eine Brennkraftmaschine mit vier Kraftzylindern 2,
welchen die Ladung durch die Leitung 3 zugeführt wird. Die Auspuffgase verlassen
diese Verbrennungszylinder durch die Leitung 4. Die Brennkraftmaschine steht unter
der Einwirkung des Reglers 5, welcher beispielsweise die Drehzahl der Maschine regelt.
Ein Verdichter 6 drückt die Ladung der Brennkraftmaschine durch die Leitung 3. Der
Verdichter, der im gezeichneten Beispiel als Schleuderverdichter dargestellt ist,
wird von der Turbine 7 unmittelbar oder unter Vermittlung eines Zahnradgetriebes
angetrieben. Die Turbine wird durch die durch die Leitung 4 unter Druck zuströmenden
Abgase der Brennkraftmaschine beaufschlagt.
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Die besondere Art der Steuerung und Regelung der verschiedenen. Bestandteile
der Kraftanlage stützt sich nun darauf, daß der Förderdruck des Verdichters einerseits
durch die Drehzahl der Turbine 7, anderseits durch die bestimmte Einstellung der
Eintrittsquerschnitte und der Drehzahl der Brennkraftmaschine bedingt ist.
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Durch die Regelungsvorrichtung der Brennkraftmaschine werden auch
die Leistung und die Drehzahl der Abgasturbine bestimmt, wodurch weiter die Verdichterleistung
beeinflußt wird.
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In dem Ausführungsbeispiel Abb. i geschieht dies durch das Verbindungsgestänge
8 und das Organ g. Bei Schiffsmaschinen würde an die Stelle des Reglers 5 z. B.
eine von Hand einstellbare Einsteil- oder Umsteuervorrichtung treten. Auch bei ortsfesten
Kraftanlagen kann eine Handregelungsvorrichtung vorgesehen sein. Um das Verhältnis
der Leistungen der zwei kraftleistenden Maschinen, der Brennkraftmaschine und der
Turbine, verändern zu können, kann z. B. noch im Gestänge 8 eine Verstellvorrichtung
io angebracht sein.
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Um die Leitungen 3 und 4 mit der Atmosphäre in Verbindung setzen zu
können, können in dieselben, wie in Abb. i angedeutet ist, Abschlußventile ii und
12 eingebaut sein.
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In Abb. 2 und 3 sind Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, bei welchen das Verdichteraggregat mit einem besonderen Regler als
Teil der Mittel zur gegenseitigen Beeinflussung der Regelungen ausgestattet ist.
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In Abb. 2 wirkt der Regler 13, der von der Verdichter- oder Turbinenwelle
angetrieben wird, auf das Eintrittsorgan g der Abgas-, turbine 7. Um den Regelbereich
dieses Reglers verstellen zu können, ist derselbe mit einer Verstellvorrichtung
14 ausgerüstet. In der Zuleitung 3 vom Verdichter zur Brennkraftmaschine (nicht
gezeichnet) ist ein Regelungsorgan 15 eingebaut, um die zur Brennkraftmaschine übertretende
Ladung regeln zu können. Diese Regelung kann aber auch, wie bei der Ausführung nach
Abb. = angenommen, durch die besondere Einstellung der Eintrittsorgane der Brennkraftmaschine
und der .Drehzahl der letzteren erfolgen. Durch das punktiert angedeutete Gestänge
1ö kann das Organ 15 entweder von Hand oder vom Regler der Brennkraftmaschine aus
eingestellt werden. Bei dieser Regelungsart steht also das Verdichteraggregat unter
dem Einfluß des eigenen Reglers 13, der z. B. bei allen Belastungen des Verdichters
eine gewisse Drehzahl einhält. Anderseits wird die Fördermenge oder der Druck der
im Verdichter verdichteten Ladung durch die besondere Einstellung der Eintrittsorgane
der Brennkraftmaschine oder deren Drehzahl oder durch diejenige des Organs 15 geregelt;
somit beeinflußt die Regelung der Brennkraftmaschine die Regelung des Verdichters
und dieser die Wirkung des Reglers 13.
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In Abb. 3 sind zwei Verdichter 6 und 6' gezeichnet. Eine solche Anordnung
wird gewählt, wenn die der Brennkraftmaschine zuzuführende Ladung aus zwei Gemischbestandteilen,
nur Luft und Gas, besteht. Die Mischung der beiden Teile der Ladung kann in diesem
Falle kurz vor oder erst in der Brennkraftmaschine stattfinden.
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Der Regler 13 wirkt bei dieser Ausführungsform gleichzeitig auf das
Eintrittsorgan g der Abgasturbine 7 und auf die Eintrittsquerschnitte in den Saugstutzen
der beiden Verdichter 6 und 6' durch Beeinflussung der Stellung der Ventile 17 und
18. Das Gestänge ig zu diesen Organen 17 und 18 kann mit Verstellvorrichtungen 2o
versehen sein, um die gegenseitige Beeinflussung der Turbine und der Verdichter
verändern zu können. Wie im Falle der Ausführung nach Abb. 2 besitzt die Brennkraftmaschine
(nicht gezeichnet) ihre eigene Steuer- und Regelungsvorrichtung.
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In Abb.4 ist ,eine Ausführungsform dargestellt, welche sich von den
bisher gezeichneten dadurch unterscheidet, daß die Einstellung des Eintrittsorgans
g der Abgasturbine 7 mittels eines Druckreglers 21 beeinflußt wird. Dieser Druckregler
21 steht unter dem Druck der im Verdichter verdichteten Ladung. Derselbe kann auch
mit einer Verstellvorrichtung 22 versehen sein, welche von Hand .oder z. B. vom
Regler 5 oder der Steuerung der Brennkraftmaschine i aus gestellt wird. Dies kann
z. B., wie in Abb.4 gezeigt, durch Zusammenpressung der Feder 23 erfolgen. Durch
die Vorrichtung nach Abb. 4 beeinflussen sich die Regelungen derart, daß der Druck
der Ladung bei allen Betriebsarten der Brennkraftmaschine auf einen bestimmten Wert
eingestellt werden kann.
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In ähnlicher Weise kann, wenn mit einem
bestimmten
Druck vor der Abgasturbine gearbeitet werden soll, ein Druckregler 21 in die Zuleitung
4 eingebaut sein, der dann seinerseits auch wieder das Eintrittsorgan 9 der Turbine
entsprechend einstellt.
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Im Beispiel de Abb. ,4. treibt die Abgasturbine 7 außer dem Verdichter
6 noch einen Elektrogenerator 24 an, gibt also auch Kraft nach außen ab.
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Es ist bekannt, die Zylinder von Brennkraftmaschinen zu spülen, um
in denselben eine niedrigere Temperatur und um in den Zylindern möglichst reine,
neue Ladung zu erhalten. Eine Spülung wird erreicht, indem man die Ein- und Auslaßorgane
einer Brennkraftmaschine eine Zeitlang gleichzeitig geöffnet hält und die notwendige
Luft- oder Gemischmenge zuführt.
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Abb. 5 zeigt nun eine Ausbildung der Steuerung und Regelung einer
Kraftanlage, bei welcher die Zylinder 2 gespült werden. Diese besondere Ausbildung
der Steuerung und Regelung besteht darin, daß z. B. vom Regler 5 der Brennkraftmaschine
die Steuerung der Ein- und Auslaßorgane 25, 26 oder beider zusammen derart beeinflußt
werden kann, daß diese Organe gleichzeitig geöffnet bleiben. Dies kann z. B. durch
verschiedene Einstellung der die Ventile 25, * 26 steuernden Nockenscheiben 27,
28 erfolgen, welche auf der Steuerwelle 29 sitzen und beispielsweise durch das Gestänge3o
verschoben werden.
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Während des Spülvorganges bläst die durch die Leitung 3 in die Zylinder
eintretende neue Ladung die Restgase in die Auspuffleitung 4 zur Turbine 7. Dabei
kann die Ausbildung so getroffen sein, daß sogar nach beendetem Spülvorgang ein
weiterer Überschuß an Luft in die Leitung 4 zur Turbine 7 übertritt. Durch eine
solche Ausbildung und entsprechende Bemessung der Fördermenge des Verdichters 6
kann die Temperatur vor und in der Turbine z. B. bei Überlast herabgesetzt werden.
Die Steuer-und Regelungsvorrichtung kann nun weiter mit Mitteln versehen sein, daß
außer der Einwirkung auf die Steuerzeiten der Organe 25,26
auch die Turbine
7 oder der Verdichter oder beide zusammen geregelt werden.
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Dies ist in Abb. 5 durch das Gestänge 8, das Organ 9 bzw. 31 angedeutet.
Eine besondere Ausführungsart der verschiedenen Steuer- und Regelungsorgane ist
diejenige, bei welcher dieselben so ausgebildet und miteinander so verbunden sind,
daß der Druck der neuen Ladung in der Leitung 3 stets höher gehalten wird als der
Druck in der Leitung 4 oder vor der Turbine 7. Bei einer solchen Anordnung kann
dann während des Spülvorganges der Druckunterschied zwischen den in die Zylinder
ein- und austretenden Gasen so eingestellt werden, wie dies einer wirksamen Spülung
der Zylinder entspricht. Durch eine solche Ausführung wird auch ein Zurückströmen
von heißen Auspuffgasen in die Zuleitung 3 für die neue Ladung verhindert.
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Im Regelungsgestänge 8 können Verstellvorrichtungen 1o, 32 angeordnet
sein.
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Die Ausbildung kann auch so getroffen sein, daß z. B. beim Überschreiten
einer bestimmten Temperatur in der Zuleitung 4 zur. Gasturbine7 die Steuerung der
Brennkraftmaschine i und diejenige des Verdichteraggregates 7 und 6 so eingestellt
wird, daß die Brennkraftzylinder gespült werden und die dazu notwendige Luft vom
Verdichter gefördert wird. Eine solche Ausführungsform ist in Abb. 5 durch die punktiert
gezeichnete Vorrichtung angedeutet. Durch diese Vorrichtung 33 wird, gleich wie
oben vom Regler 5 geschildert, die Steuerwelle 29 mit den Nockenscheiben 27 und
28 verschoben, so daß die Ein- und Auslaßorgane 25, 26 wenigstens eine Zeitlang
gleichzeitig offen gehalten werden. Um in allen Fällen vorteilhaft zu spülen, kann
dann die Vorrichtung weiter so ausgebildet sein, daß damit auch der Druck in der
Leitung 3 höher als derjenige in der Leitung 4 gehalten wird. Dies kann z. B. durch
entsprechende Regelung des Eintrittsorganes 9 der Turbine 7 durch die gleiche, von
der Temperatur in der Leitung- 4 bee'nflußte Vorrichtung 33 geschehen. Dies wird
in Abb. 5 durch die untere Verlängerung dieser Vorrichtung 33 gezeigt. Diese Verlängerung
steht mit dem Gestänge 8 für die Organe 9 und 31 in Verbindung. Das Gestänge
30 fällt in diesem Falle ganz weg, und die Verbindung 8 mit dem Regler 5
der Brennkraftmaschine wird so ausgebildet, daß die Vorrichtung 33 doch auf die
Steuerung der Turbine 7 wirken kann. Der Spüldruck, d. h. der Druck in der Leitung
3, kann in diesem Falle auch durch ein Organ 3 1 oder durch die Durchtrittsöffnungen
in den Zylindern 2 bestimmt werden.
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In Abb. 6 ist eine andere Anordnung einer Steuerung und Regelung dargestellt.
Die Vorrichtung ist in diesem Falle so ausgebildet, daß gleichzeitig mit der Einstellung
derselben auf Halt oder kleine Belastung mit der gleichen Vorrichtung die Schieber
i2, ii in den Leitungen 3, 4 geöffnet und damit diese Leitungen mit der Atmosphäre
-in Verbindung gebracht werden. Dadurch wird z. B. Luft unter atmosphärischem Druck
in die Brennkraftmaschine gesaugt, und die Auspuffgase puffen z. B. durch einen
nicht gezeichneten Auspufftopf in die Atmosphäre. In Abb. 6 ist 34 die Vorrichtung
zur Einstellung der Steuerung der Brennkraftmaschine auf Halt, Anlassen oder Betrieb.
Die ausgezogene Stellung zeigt d?ejen-ge auf Betrieb, strichpunktiert angedeutet
ist diejenige auf Anlassen mit Druckluft. Die Zwischenstellung entspricht der Haltstellung
der Maschine. Die Ausbildung ist nun so getroffen,
daß nicht nur
durch diese Vorrichtung die für den Betrieb der Brennkraftmasghine maßgebenden Faktoren
beeinflußt werden, wie Brennstoff, Anlaßluft, sondern auch noch die Organe 12 und
ii.
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Zu diesem Zweck stehen die Organe 12 und 1i durch die Gestänge 36
und 35 mit der Vorrichtung 34 in Verbindung. Die Turbine 7 und der Verdichter 6
bleiben selbst unter der Einwirkung des Reglers 37, wodurch auch nach der Abschaltung
derselben von der Brennkraftmaschine i die Drehzahl dieses Aggregats in seinem zulässigen
Bereich gehalten wird. Dies erfolgt auch während des Zuschaltens des Verdichteraggregats,
um gemeinsam mit der Brennkraftmaschine betrieben zu werden und während des normalen
Betriebes der ganzen Kraftanlage.
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Die Regelung des Verdichteraggregats kann auch von der Brennkraftmaschine
beeinflußt werden, was in Abb. 6 durch das Gestänge 8 angedeutet ist. Dieses kann
mit dem Regler 5 in Verbindung stehen oder mit der Brennstoffpumpe 38 oder irgendeinem
anderen von der Betriebsart der Brennkraftmaschine abhängigen Teil derselben, wie
der Vorrichtung 34 oder der Umsteuerung.
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Bei umsteuerbaren Maschinen kann die Vorrichtung so ausgebildet sein,
daß beim Übergang auf die Haltstellung der Brennkraftmaschine die Turbine oder der
Verdichter oder beide zusammen ganz oder teilweise abgeschaltet werden, z. B. durch
Öffnen der Organe i2 und ii. Gleichzeitig wird die Steuer-und Regelungsvorrichtung
der Turbine und des Verdichters entsprechend durch den Regler 37 oder das Gestänge
8 eingestellt. Beim Übergang in die Anlaßstellung kann das Verdichteraggregat bereits
in Betrieb gesetzt werden, oder dasselbe bleibt noch abgeschaltet, um dann erst
in der Betriebsstellung mit Abgasen wieder beaufschlagt zu werden.
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Die Vorrichtungen 34, 35, 11 und 34. 36, 12 sowie 37, 8, g können
so ausgebildet sein, daß zum Beispiel beim Übergang auf Betrieb der ganzen Kraftanlage
die Turbine angewärmt und mit dem Verdichter auf normalen Betrieb geregelt werden,
wobei dann die Organe 12 und ii vom geöffneten 'in den geschlossenen Zustand gebracht
werden.
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Mit den im vorstehenden beschriebenen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
werden Menge, Druck und Mischungsverhältnis der Ladung, Brennstoffladung, Druck
vor der Turbine oder die Drehzahlen der Maschinenteile geregelt. Es kann aber auch
die Ausbildung so getroffen sein, daß die Temperatur der Ladung der Betriebsart
der Brennkraftmaschine entsprechend durch die Vorrichtung zur Regelung und Steuerung
der Arbeitsvorgänge beeinflußt wird. Wenn der Verdichter mit einer Kühlvorrichtung
versehen ist, kann die Vorrichtung nach der Erfindung weiter so ausgebildet werden,
daß dadurch z. B. die dem Verdichter zuströmende Kühlmittelmenge bestimmt wird.
Die dafür vorgesehene Vorrichtung kann so ausgebildet sein, daß dieselbe bei kleiner
Belastung der Kraftanlage einen kleineren Kühlmittelzufluß ergibt, damit in diesem
Falle die Ladung eine höhere Temperatur erhält, was dann z. B. zur besseren Sicherung
der Zündtemperatur von Vorteil sein kann. Auch kann dieselbe so ausgeführt sein,
daß, besonders im Falle der Anwendung schwerflüchtigerer Brennstoffe oder bei der
Inbetriebsetzung usw., die Küh:wirkung vermindert oder ganz ausgeschaltet wird.
Bei großer Belastung der Kraftanlage wird zwecks Tiefhalten der Temperatur der Maschinenteile
und um rpöglichst viel Ladung in die Brennkraftzylinder zu bringen, die Kühlung
verstärkt, und zwar vom Verdichter oder von der Brennkraftmaschine oder beider zusammen.
Durch eine solche Regelungsvorrichtung kann gegenüber bei gewöhnlichen Motoren ohne
Vorverdichter eine stärkere Kühlwirkung erzielt werden, indem dadurch die Temperatur
der Ladung selbst stark beeinflußt werden kann,. während eine mittelbare Kühlung
durch die Zylinderwandungen hindurch erfahrungsgemäß weniger wirksam ist.