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Verbrennungskraftmaschine mit Abgasturbine Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf Verbrennungskraftmaschinen. mit mindestens einerAbgasturbine, welche
einAufladegebläse antreibt, und einer Mehrzahl durch die Verbrennungskraftmaschine
angetriebener Kolbenpumpen und besteht darin, daß auch die Kolbenpumpen als weitereAufladegebläse
ausgebildet sind und die beiden Aufladegebläsearten mit ihren Druckleitungen parallel
zueinander geschaltet durch Schlitze in die Verbrennungszylinder fördern. Durch
die Unterteilung der Kolbengebläse in mehrere Pumpen kann eine gleichanäßigere Förderung
von Spül- und Aufladeluft in die Zylinder stattfinden. Dies ist namentlich dann
wichtig, wenn Kolbengebläse in Verbindung mit abgasgetriebenen Gebläsen deshalb
verwendet «erden, um beim Anlassen und bei kleiner Belastung dieser Art Maschinen
genügend Spül- und Aufladeluft zu besitzen, weil dann die abgasturbinengetriebenen
Gebläse infolge der kleinen in den Abgasen vorhandenen Energie nicht sehr leistungsfähig
sind. Ferner besteht dadurch die Möglichkeit, bei zunehinender Belastung und größerer
Leistung der Abgasturbine diese Kolbengebläse wenigstens teilweise abzuschalten,
wodurch die Verbrennungskraftrnaschine mehr Arbeit nach außen abgeben kann und ein
besserer Wirkungsgrad sich ergibt. Des weiteren ergibt sieh dadurch die Möglichkeit,
jedem Verbrennungszylinder seine eigene Kolbenpumpe zuzuordnen, wodurch an Leitungen
gespart wird und kleinere Druckverluste entstehen. Die Kolbenpumpen können zweckmäßig
in der Verlängerung ,der Achse der Verbrennungszylinder angeordnet sein. Bei einfach
wirkenden Maschinen kann als Pumpenraum die Unterseite des Kolbens benutzt werden.
Bei doppelt wirkenden Maschinen kann -die Kreuzkopfführung als Pumpe ausgebildet
sein. Die von den Kolbengebläsen und den gasturbinengetriebenen Gebläsen geförderte
Luft bzw. das Verbrennungsgemisch kann durch gemeinsame oder getrennte Öffnungen
in die Verbrennungszylinder geleitet werden. Dabei können sich bei getrennter Zufuhr
dieser Luftmengen die Öffnungen im Verbrennungszylinder über den gleichen oder einen
ungleichen Teil des Zylinderumfanges erstrecken; dadurch kann eine bessere Spül-und
Aufladewirkung erzielt werden. In die Zuleitungen von den Kolbenpumpen sowie von
den abgasturbinengetriebenen Gebläsen in die Verbrennungszylinder können Abschlußorgane
eingebaut sein. Die Kolbenpumpen können eine Vorrichtung zur Unterbrechung ihrer
Förderung erhalten, derart, daß dieselben bei bestimmten Belastungen leer laufen,
d. h. keine Pumpenarbeit verrichten. Die Unterbrechung der Förderung kann durch
äußeren Eingriff oder selbsttätig erfolgen. Da es zweckmäßig ist, hei stark einsetzender
Förderung des abgasturbinengetriebenen Gebläses die Förderung der Kolbengebläse
wenigstens teilweise zu unterbrechen, kan -dies mittels des Druckes des gasturbinengetriebenen
Gebläses gemacht
werden. Es kann dies auch mittels der Brennstoffeinstellvorrichtung
geschehen. Die Leitungen zu den Kolbengebläsen können auch so ausgebildet sein,
@d;aß dieselben wahlweise aus der Atmosphäre oder aus A er Druckleitung -des gasturbinengetriebenen
Gebläses ansaugen.
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In den Zeichnungen sind einige beispielsweise Ausführungsformen des
Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Gleiche oder ähnliche Teile sind
mit gleichen Nummern versehen.
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Fig. i zeigt die Anwendung des Erfindungsgegenstandes bei doppelt
wirkenden Zweitaktmaschinen, Fig. 2 eine besondere Ausbildung bei einer einfach
wirkendenZweitaktmaschine, je an Hand eines Verbrennungszylinders. Fig. 3 zeigt
hingegen die Anwendung des Erfindungsgegenstandes bei einer inehrzylin:driigen Maschine,
und Fig.4 und 5 stellen besondere Anordnungen der Zuleitungen für die Aufladeluft
dar.
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In Fig. i ist i der Verbrennungszylinder einer .doppelt wirkenden
Zweitaktmaschine mit dem Kolben 2, der Kolbenstange 3, der Kreuzkopf führung 4 und
der Kurbelstange 5. 6 ist der obere Verbrennungsraum und 7 der untere. 8 ist eine
von den Abgasen des Verbrennungszylinders beaufschtagte Turbine, welche ein Aufladegebläse
9 antreibt, das seine Druckluft durch :den Kühler io und die Leiitung i i in den
Verbrennungszylinder i fördert, und zwar je nach der Stellung des Kolbens in der
Nähe des unteren oder oberen Totpunktes in den Zylinderraum 6 bzw. 7. Der Erfindung
gemäß :sind- außerdem von der Abgasturbine getriebenen Aufladegebläse 9 eine Mehrzahl
von der Verbrennungskraftmaschine angetriebene Kolbenpumpen als weitere Auftadegebläse
ausgebildet.
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Bei der Ausführung nach Fig. i ist nun der obere Teil der Kreuzkopfführung
als Pumpenraum 12 ausgebildet. Diese Pumpe 1.2 erhält ihre Luft aus der Leitung
13 und fördert -durch die Leitung 14 ebenfalls in .den Verbrennungszylinder i. Bei
der dargestellten Ausbildung gelangt sowohl die Luft aus dem abgasturbinengetriebenen
Gebläse 9 als aufs der Kolbenpumpe 12 durch eine gemeinsame Leitung 15 und gemeinsame
Schlitze 16 in den Verbrennungszylinder. In die Leitung i i oder 14, oder in beide
zusammen, können Abschlußorgane 17 oder i8 eingebaut sein. Dieselben können, wie
in der Figur dargestellt, als gegen die Pumpe automatisch abschließende Organe ausgebildet
werden. ig sind gegen .die Atmosphäre öffnende Abschlußorgane in der Leitung 14,
welche durch den Handgriff 2o und die Stange 21 geöffnet oder geschlossen werden
können. Das Öffnen der Absclilußorgane ig kann aber auch mittels eines Kolbens 22
erfolgen, der beispielsweise unter dem Druck in der Leitung i i und unter der Wirkung
(der Feder 23 steht. Ferner ist eine Leitung 24 und ein Abschlußorgan 25 eingezeichnet,
welches je nach seiner Einstellung :die Kolbenpumpe 12 gegen die Leitung 13 oder
gegen die Leitung 24. abschließen kann.
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Mit der Ausbildung einer Verbrennungskraftmaschnne nach Fig. i kann
nun folgende Arbeitsweise erzielt werden.
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Das Abschlußorgan 25 gebe die Leitung 13 zum Pumpenzylinder 12 frei,
und .das Organ ig schließe die Leitung 1.4 gegen außen ab. Beim Anlassender Maschline
wird nun hauptsächlich die Kolbenpumpe 12 Spülluft durch die Leitung 14 und die
Schlitze 16 in den Arbeitszylinder schicken. Solange der Druck in der Leitung 14
höher ist als in der Leitung i i, wird die Klappe 17 geschlossen bleiben, und es
findet vom Aufladegebläse 9 aus keine direkte Förderung von Luft in den Zylinder
i statt. Damit durch das Aufladegebläse 9 doch eine gewisse Luftmenge hindurchgeht,
kann das Abschlußorgan 25 so gestellt werden, .daß die geförderte Luftmenge in die
Leitung 13 bzw. die Kolbenpumpe 12 gelangt. Hierdurch wird es möglich, die im Gebläse
9 nur wenig vorverdichtete, aber vorgewärmte Luft nützlich zu verwenden, :da es
das Anlassen erleichtert, wenn warnie Luft in die Verbrennungszylinder gelangt.
Wenn (las Gebläse g ein Turbogebläse ist, ist diese Arbeitsweise deshalb sehr wünschenswert,
da :dann zudem das sonst bei kleiner Fördermenge auftreten-de Pumpen verhindert
wird. Das Organ 25 kann aber auch beim Anlassen so eingestellt werden, @daß es .die
Leitung 13 gegenüber der Pumpe 12 vollkommen abschließt. In .diesem Fall erhält,die
Pumpe 12 ihre gesamte Luft vorn Gebläse g. Da im Beginn des Anlas:sens -die Turbine
8 noch wenig Druckmittel (Druckluft und später Abgase) aus der Verbrennungskraftmaschine
erhält und zuerst beschleunigt werden muß, wird das Gebläse 9 vorerst nur Luft von
kleinem Druck erzeugen,. und erst bei zunehmender Drehzahl und Belastung -der Maschine
wird eine Förderung höher gespannter Luft eintreten. Bei höherer Belastung können-
nun das Gebläse 9 und die Kolbenpumpe r2 ge= meinsarn Luft in die Leitung 15 fördern,
oder es kann diese Förderung dem Gebläse 9 allein überbunden werden. Im letzteren
Fall ist es zweckmäßig, wenn die Förderung der Kolbenpumpe 12 ganz abgeschaltet
wird. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß man das Organ 25 gegen die Leitung
24 schließt und das Organ ig öffnet. Es findet dann keine Förderung der Kolbenpumpe
12 statt, und da der vom Gebläse g erzeugte Druck in der
Leitung
15 höher ist als in 1.I, wo nun atmosphärischer Druck herrscht, schlielit das automatische
Abschlußorgan r.8 die Leitung 15 gegenüber 14 ab. Die Betätigung des Organs 1g kann
mittels des Handgriffes 2o oder ,durch entsprechende Einstellung des Kolbens 22
erfolgen. Auf diese Kolben _2 kann z. B. .der Druck in der Leitung i i, vom Aufladegebläse
9 herrührend, so wirken, daß von einem -bestimmten Förderdruck dieses Gebläses ab
" sich die Absch.lußorgane 1g öffnen und damit die Förderung der Kolbenpumpe 12
in die Verbrennungszyliinder unterbrochen wird.
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Es könnte aber auch bei steigender Belastung das Abschlußorgan 25
die Leitung 13
abschließen und die Leitung 2q. zur Pumpe 12 freigeben. In
diesem Fall würde dann die Pumpe i#_, im Gebläse 9 vorverdichtete Luft ansaugen
und diese noch höher verdichten, wodurch sich in der Leitung 15 gegenüber 2n der
Leitung il höherer Druck einstellt und sich das Organ 17 schließen würde. Dadurch
könnte höher verdichtete Luft in den Verbrennungszylinder gebracht werden, zum Zweck,
aus der Maschine eine größere Leistung hervorzubringen. Die Pumpe 12 kann mit nicht
dargestellten, am .besten selbsttätig wirkenden Ein- und Auslaßorganen versehen
sein. Alls einzige Auslaßorgane der Pumpe 12 können auch die Abschlußorgan.e 18
dienen, welche zwecks Vermeidung großer schädlicher Räume .möglichst in der Nähe
des Pumpenzylinders anzubringen sind.
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In Fig@2 ist i der Verbrennungszylinder einer einfach wirkenden Zweitaktmaschine.
Der Raum unter dem Kolben ist als Pumpenraum 12 ausgebildet. Diese Pumpe erhält
die Luft durch die Leitung 13 und gibt sie durch die Leitung 1d., das Abschlußorgan
18 und .die Schlitze 26 in den Verbrennungszylinder ab. Der Unterschied gegenüber
der Ausführung in. Fig. i besteht noch darin, daß die Luft vom Aufladegebläse g
durch die Leitung i i und besondere Schlitze 27 in den Verbrennungszylinder eintritt.
Die Schlitze 26 für die Luft aus der Kolbenpumpe sind nicht so hoch wie die Schlitze
27, welche zwischen den Schlitzen 26 in die Zylinderwand einmünden. Auch erstrecken
sich die Schlitze 26 über einen kleineren. Umfang des Zylinders als die Schlitze
27, die sich auf den halben Almfang des Zylindermantels verteilen. Beide Schlitzarten
reichen bis gegen das untere Totpunktende des Kolbens herab. In der Leitung r4 ist
auch ein Abschlußorgan 1g eingebaut, das als Flachschieber ausgebildet ist. Dieser
Schieber kann mittels des. Handgriffes 2o von Hand oder mittels des Kolbens 22 betätigt
werden, indem die gegenseitige Wirkung des Druckes in der Leitung i i .und der Spannkraft
der Feder 23 den Kolben 22 und damit den -Schieber 1g in eine bestimmte Lage bringt.
Die Wirkungsweise einer Ausführung nach Fig. 2 ist ähnlich derjenigen nach Fig.
i, nur kann durch die gezeichnete Anordnung der Schlitze eine bessere Spülwirkung
erzielt werden, indem die von den beiden Pumpenarten gelieferten Drücke nicht wie
in einer Ausführung nach Fig. r sich ausgleichen, sondern bis zum Eintritt in die
Verbrennungszylinder beibehalten .bleiben. So können z. B. die Schlitze 26 mit ,der
wenigstens anfänglich höher gespannten Luft aus der 1iolbenpumpe 12 so bemessen
und gerichtet sein, daß sie eine bestmöghchste Spülwirkung ergeben, auch wenn der
Druck in der Leitung i i noch tief ist.
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In Fig. 3 ist eine Maschine mit sechs Verbrennungszylindern i dargestellt.
8 ist die Abgasturbine, welche ein Gebläse g antreibt. Dieses Gebläse g fördert
seine Luft durch einen Kühler -26 und die Leitungsstränge i i und 15 zu den Verbrennungszylindern
i. Die nicht gezeichneten Kolbenpumpen 1.2 seien z. B. entsprechend F ig. i oder
2 ausgebildet. Ihre Förderluft werde durch die Leitungen 14 in die Verbrennungszylinder
geführt. Von den sechs Verbrennungszylindern sind nun deren vier mit Zylindern.2g,
welche mit der Leitung i i in Verbindung . stehen, ausgerüstet, in welchen sich
Kolben 22 und Federn 23 zur Betätigung von Abschlußorganen 1g, entsprechend Fig.
i und 2, befinden.
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Bei @dieser Ausführungsform kann also nur ein Abschalten der Kolbenpumpen
bei vier Verbrennungszylindern erfolgen. Eine solche Ausführung wäre denkbar bei
Maschinen, bei welchen in den Abgasen nie so viel Energie vorhanden ist, als zur
Luftbeförderung durch das Gebläse g allein genügt. In. ,diesem Fall würden dann
die Kolbenpumpen der beiden mittleren Zylinder bei allen Belastungen mitarbeiten.
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In Fig. .I ist eine besondere Anordnung der Eintrittsschlitze dargestellt.
Die von den Kolbenpumpen herrührende Luft tritt durch untere Schlitze 26 und die
aus :dem Gebläse 9 und .der Leitung 1i zuströmende Luft durch darüber angeordnete
Schlitze 27 in den Verbrennungszylinder.
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In Fig. 5 ist die umgekehrte Anordnung der Schlitze 26 und 27 dargestellt,
d. h. die aus der Leitung 1¢ bzw. den Kolbenpunipen kommende Luft tritt durch obere,
mehr gegen das Verbrennungstotpunktende hin verlegte Schlitze 26 und :die aus dien
gasturbinengetriebenen Gebläse und der Leitung i i herrührende Luft durch untere
Schlitze 27 in den Zylinder ein. Durch diese Anordnung kann erzielt werden, daß
die niedrig gespannte Luft aus dem Gebläse 9 mehr zum Spülen und
die
höher gespannte Luft aus den Kolbenpumpen und der Leitung 14 zu A,ufladezwekken
benutzt wird.
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In Fig. 5 ist auch noch eine besondere Anordnung der Auspuffschlitze
3o und 31 dargestellt. Währenid in den Fig. i und 2 nur je eine Schlitzreihe gezeichnet
ist, welche nicht so weit gegen das Verbrennungstotpunktende des Kolbens als die
Eintrittsschlitze reichen, .sind in Fig. 5 zwei übereinanderliegende Schlitzreihen
30 und 31 dargestellt. Eine solche Anordnung könnte bei der Verwendung von zwei
Abgasturbinen getroffen werden. D.ie aus ,den Schlitzen 3o uivd 3i austretenden
Auspuffgase könnten aber auch in verschiedene Stufen der gleichen Turbine gelangen.
Die Höhe der Ein- und Auslaßschlitze und ihre gegenseitige Lage kann je nach dem
angestrebten Spül- oder Aufladezweck und der Art der nachgeschalteten Abgasturbine
verschieden gewählt werden.
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Statt von Hand oder durch eiinen vorn Druck im Aufladegebläse g beeinflußten
Kolben 22 kann die Abschaltung ;der Förderung der Kolbengebläse auch. von der Brennstoffeinstellvorrichtung
betätigt wenden, z. B. in dem Sinn, d@aß bei großer Brennstoffzufuhr, wenn die Abgasturbine
8 viel und heiße Gase erhält, durch die Brennstoffeinstellvorrichtung das Kolbengebläse
abgeschaltet wird.
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Bei steigender Belastung wird durch die Reglermuffe 32 :des Reglers
31 (Fig. 6 und 7) der V.erbrennungskraftmaschine die nutzbare Fördermenge
derBrennstoffpumpe in. üblicher, nicht gezeichneter Weise so beeinflußt, daß immer
mehr Brennstoff in die Verbrennungszylinder i gefördert wird. Die Reglermuffe 32
beginnt von einer bestimmten Stellung an die Muffe 33 in ihrer Bewegung mitzunehmen,
die ihrerseits über das Gestänge 3.1., 35 die Vorrichtung 21 zur Abschaltung der
Kolbengebläse betätigt. Fig.7 zeigt die Vorrichtung 2i geöffnet und. die Reglerstellung
für maximale Brennstofförderung. Eine Feder 36 schließt bei abnehmender Belastung
die Vorrichtung 21, Wenn mehr Brennstoff in die Verbrennungszylinder gefördert wird,
steigt zunächst die Prozeßtemperatur und damit der mittlere Druck, so daß, wenn
der Durchflußquerschnitt der Abgasturbine konstant bleibt, auch .der Druck der Abgase
vor der Turbine steigt. Damit steht in den Abgasen mehr Energie zurVerfügung, und.
zwar mehr als nur .der Drucksteigerung entspricht, wie aus nachstehender thermodynamischer
Betrachtung .ohne weiteres erhellt (Fig.8). Würde nur die Temperatur von T, auf
T. steigen und der -Druck p, konstant bleiben, würde schon dadurch das adiabatische
Gefälle um den Betrag b-a vergrößert. Da nun aber eine Drucksteigerung von p, auf
p, und eine Temperatursteigerung auf Z'3 eintritt, nimmt die verfügbare Energie
in -den Abgasen um c-a zu" dergestalt, daß die Drehzahl der Turbine erheblich ansteigt
und das. Gebläse mehr Luft fördert bei einem der Drehzahlsteigerung entsprechend
höheren Druck, wobei Druck und Volumen voneinander abhängig sind, je nach der Charakteristik
der verwendeten Gebläse.