DE521071C

DE521071C - Zweitaktbrennkraftmaschine mit von einem Hilfshauptmotor und von einem aus einer Abgasturbine bestehenden Hilfszusatzmotor angetriebenem Spuel- und Aufladegeblaese

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Publication number: DE521071C
Application number: DEB130857D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1927-04-15
Filing date: 1927-04-15
Publication date: 1931-03-19

Description

Zweitaktbrennkraftmaschine mit von einem Hilfshauptmotor und von einem aus einer Abgasturbine bestehenden Hilfszusatzmotor angetriebenem Spül- und Aufladegebläse Die einfachste Bauart der Zweitaktbrennkraftmaschine ist diejenige mit vom Kolben vom Arbeitshubende aus gesteuerten einfachen Auspuff- und Spülluftschlitzen.
Diese Bauart hat aber den Nachteil, daß die spezifische Zylinderleistung begrenzt ist durch das durch das Schließen der Auspuffschlitze bestimmte Ladeluftgewicht.
Um dieses Ladegewicht zu vermehren, können auf Kosten der Einfachheit besondere, vorverdichtete Luft nachladende Einrichtungen eingebaut werden, wie Auspuff- und '#achladeventile, oder gegen den Verbrennungsraum hin vorgeschobene Aufladeschlitze nebst Rückschlagventile. Solche Einrichtungen, neben anderen Nachteilen, komplizieren und verteuern die Maschine.
Ein einfaches Verfahren, um die spezifische Leistung von Zweitaktbrennkraftmaschinen ohne Zuhilfenahme derartiger Einrichtungen zu erhöhen, besteht in dein Aufstauen des Gegendruckes; dies hat den Nachteil, daß die Spülluft, unter Verlust der dazu aufgewandten Energie, auf den Aufladedruck mitverdichtet «-erden muß.
Die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens kann verbessert werden durch Ausnutzung der durch das Aufstauen vermehrten Abgasenergie in einer das Aufladegebläse mitantreibenden Abgasturbine.
Die Zweitaktbrennkraftmaschine ist aber der aufgeladenen Viertaktmaschine gegenüber bezüglich ihrer Fähigkeit, vermittels einer Abgasturbine aus eigener Abgasenergie die für das Spülen und Aufladen benötigte Leistung zu gewinnen, bedeutend im Nachteil.
Es ist dies einerseits die Folge davon, daß die, Zweitaktmaschine allein auf Luftverdrängung für das Spülen angewiesen ist und somit eine erhebliche Menge Spülluft benötigt, wodurch ferner die Temperatur ihrer Abgase erniedrigt wird, andererseits, daß ein erheblicher Überdruck über den Gegendruck erzeugt werden muß, um die für den außerordentlichen kurzen Vorgang des Spülens und das darauffolgende Aufladen benötigte Druckenergie zu entwickeln. Die vereinigte Wirkung dieser Verhältnisse verhindern die Zweitaktbrennkraftmaschine, auch nur annähernd und mit abnehmender Belastung in zunehmendem Maße den Antrieb des Gebläses aus der Energie ihrer Abgase zu bestreiten. Somit kommt die Abgasturbine nur als Zusatz zu einem Hilfshauptmotor in Betracht.
Dadurch aber, angesichts des beschränkten und mit der Belastung der Brennkraftmaschiile rasch abfallenden Anteils der Gasturbine an der gesamten benötigten Aufladeleistung, ist die wirtschaftliche Ausführbarkeit der Abgasturbine nur erreichbar, wenn es neben Vermeiden von besonderen Ladevorrichtungen an der Brennkraftmaschine gelingt, die gesamte dreigliedrige Hilfsgruppe besonders einfach zu gestalten und den Energieverbrauch des Hilf shauptmotors erheblich zu verringern.
Vorliegende- Erfindung bezweckt, diese Bedingungen der wirtschaftlichen Ausführbarkeit der Abgasturbine für das Aufladen von Z,#veitaktbrennkraftmaschinen zu erfüllen. Sie besteht darin, das Spül- und Aufladegebläse von einem Hilf shauptmotor, vorzugsweise von einem elektrischen Gleichstrommotor und von einem aus einer Abgasturbine bestehenden Hilfszusatzmotor, anzutreiben, wobei die Durchlaßquerschnitte der Turbine so knapp bemessen sind, daß der Gegendruck in der Brennkraftmaschine mit der Belastung zunimmt, wobei sowohl der Hilfshauptmotor wie der Hilfszusatzmotor ihre Antriebskraft ungeregelt zugeführt erhalten und ungeregelt aufnehmen und wobei die Antriebskraft des Hilfshauptmotors demselben bei konstanter bzw. annähernd konstanter Spannung zugeführt wird.
Durch das Fortfallen von Regelungen erreichen die drei Bestandteile der Hilfsgruppe - Kreiselgebläse, Hilfshauptmotor und Abgasturbine - ihren höchsten Grad von Einfachheit und dadurch die Abgasturbine, selbst bei durch ungünstige Abgasverhältnisse stark beschränkter Leistung, einen wirtschaftlichen Nutzen, bezogen auf ihre Betriebs-, Anlagelind Unterhaltungskosten. Durch das Fortfallen von Steuerorganen wird ferner das verfügbare Druckgefälle von deren Drossel- und Wirbelverlusten befreit, wodurch die Wirtschaftlichkeit abermals gesteigert wird.
eben Verminderung der Anlagekosten ,wird die Wirtschaftlichkeit der Abgasturbine gesteigert durch Verminderung des Energiebedarfs des Hilfshauptmotors bei Abnahme der Maschinenleistung, indem der Motor so gebaut wird, daß seine Leistung mit der ihm seitens des Hilfszusatzmotors (Abgasturbine) aufgenommenen Drehzahl zunimmt, und umgekehrt.
Bei starker Leistungszunahme bzw.-abnahme durch die aufgezwungene Drehzahl kann der Energieverbrauch bei Leerlauf bzw. bei geringen Belastungen der Bremskraftmaschine klein bemessen werden. Die Abgasturbine nebst ihrer Funktion als Leistungserzeuger wirkt somit auf einen solchen Hilfszusatzmotor vermöge der Veränderlichkeit ihrer Drehzahl unmittelbar als steuerungsfreier Leistungsregler, und das gesamte Hilfsaggregat reagiert auf das rascheste auf den jeweiligen Bedarf der von ihm bedienten Brennkraftmaschine an Aufladeluft. Bei. Zweitaktmaschinen, die plötzlichen und erheblichen Belastungszunahmen ausgesetzt sind, ist diese Eigenschaft für die wirtschaftliche Anwendung der Abgasturbine gemäß Erfindung Grundbedingung, da ohne sie, infolge des trägen Ansprechens der Abgasturbine bei einer Zweitaktmaschine, um den Übergang zum neuen thermischen Zustand einwandfrei zu ermöglichen, eine sogroßeLuftmengevorgesehen werden muß, daß die Berechtigung der Anwendung einer Abgasturbine dahinfällt. Die Eigenschaft der Steigerung seiner Leistung durch die ihm von der Abgasturbine aufgezwungene Drehzahl ist somit eine sehr wertvolle.
Bei Wahl eines elektrischen Gleichstrommotors als Hilfshauptmotor kann diese Leistungscharakteristik durch Selbstdämpfung seines Erregerfeldes vermittels eines ein- bzw. angebauten Gegenerregers erreicht werden. Dabei wird vorzugsweise die untere Leistungsgrenze des Hilfshauptmotors beim Ausbleiben der mit der Belastung der Maschine abnehmenden Nutzleistung der Abgasturbine so gewählt, daß die betriebsfähige Spülung der Maschine bei geringen Belastungen, beim Anfahren und beim Wechseln der Drehrichtung noch eingeschlossen wird.
Besondere Sicherheitsvorrichtungen gegen Durchbrennen erübrigen sich, denn bei Drehzahlzunahme steigen Leistung, Ventilations-und Reibungswiderstände unter gleichzeitiger Senkung der Auspufftemperatur, bis ein neuer Beharrungszustand erreicht ist.
Wesen und Wirkungsweise der Erfindung werden an Hand folgender Abbildungen, die beispielsweise Anwendungen veranschaulichen, näher erläutert.
Es veranschaulichen: Abb. r und :2 gegenseitige Beziehungen. der Leistung von Kreiselgebläse, Hilfshauptmotor und einer Abgasturbine als Hilfszusatzmotor, Abb.3 eine Anwendung einer Dampfturbine als Hilfshauptmotor und Abb. q. eine Anwendung eines elektrischen Gleichstrommotors als unmittelbar antreibender Hilfshauptmotor.

In Abb. r bedeuten die Abszissen die Drehzahlen und die Ordinaten je die zugehörigen Volumina gemäß Kurve o-3, Drücke gemäß Kurve 0-d. und der Kraftverbrauch für den Antrieb des Aufladegebläses gemäß Kurve 0-5. Die Ordinate 6-7 entspricht dem Kraftbedarf vom Gebläse bei der Maximalleistung der Brennkraftmaschine; sie wird gedeckt durch die Leistung 7-8 des Hilfshauptmotors zuzüglich die ergänzende Leistung 6-8 der Abgasturbine. Mit abnehmender Leistung der Brennkraftmaschine nimmt der Energiegehalt der Abgase ebenfalls ab und mit ihm die Leistung .der Abgasturbine und somit auch deren Anteil am Antrieb des Gebläses, um bei 9 den Wert Null zu erreichen. In diesem Grenzfall wird das Gebläse,. abgesehen -von der Expansion der Spülluft in der Abgasturbine, von dem Hilfshauptmotor allein betrieben, und seine untere Leistungsgrenze 9-io ist so groß zu bemessen, daß die Brennkraftmaschine bei kleinsten Belastungen, beim Anfahren und beim Wechseln ihrer Drehrichtung stets betriebsfertig gespült bleibt.

Je nach dem Verlauf der Kurve 8-9, die die

Abhängigkeit der Leistung des Hilfshaupt-

motors von der ihm von der Abgasturbine

aufgezwungenen Drehzahl darstellt, wird der

Bereich 1z-12 der Druckvolumenänderung

vom Kreiselgebläse größer oder kleiner.

Die Spül- und Aufladevorgänge von Inbe-

triebsetzung bis Vollast der Maschine reihen

sich wie folgt aneinander.

Die Dampfturbine 42 als Hilfshauptmotor

,wird durch Öffnen des Ventils 44 in Betrieb

gesetzt und erreicht ihre unterste Leistung

1o-9 und liefert vermittels des von ihr ange-

triebenen Gebläses 40 eine Luftmenge io-io'

vom Druck io-io", die genügt, um das Spü-

len und Laden der daraufhin angelassenen

Brennkraftmaschine zu bewirken, bis zu Be-

lastungen, bei denen die Abgasenergie aus-

nutzbare Werte erreicht. Mit zunehmender

Belastung der Maschine bzw. zunehmender

Brennstoffzufuhr steigen Temperatur, Volu-

men und Druck der Abgase, so daß die sie

aufstauende und verarbeitende Abgasturbine

,? i sich zunehmend an .dem Antrieb des Ge-

bläses beteiligt, bis seine Leistung von dem

Wert -Null bei 9 auf den Wert 8-6 bei -Maxi-

tnallast der Maschine steigt. Dadurch .teigt

die Drehzahl der Hilfsgruppe auf den Wert

0-7 und die Gesamtleistung auf .den Wert 7-6.

Der Verlauf der Gesamtleistung von

Dampf- und Abgasturbine muß so sein, daß

Verbrennungsluft stets in genügender Menge

geliefert wird, um einwandfreie Verbrennung

zu sichern. Es ist deshalb erforderlich, daß

mit Rücksicht auf den Zeitintervall zwischen

Brennstoffvermehrung und Auswirkung der

dadurch vermehrten Abgasenergie in der

Hilfsgruppe, in Fällen raschen Belastungs-

wechsels, wie z. B. bei Spitzendienst in Kraft-

zentralen, der jeweilige Luftüberschuß bzw.

die Leistung des Hilfshauptmotors größer ge-

wählt ist als in Fällen langsamen Be-

lastungswechsels.

In Fällen raschen Belastungswechsels ist

es somit von Vorteil, wenn die Kurve 9-8

einen steilen Verlauf nimmt, z. B. dem gemäß

13-8, denn bei einem solchen Verlauf leitet

eine kleine Drehzahlzunähme des Haupthilfs-

motors eine große Zunahme der Leistung und

mit ihr der Luftförderung ein.

Der steile Leistungsverlauf gemäß der

Kurve 13-8 kann vermittels einer eigenarti-

gen Gestaltung eines Gleichstrommotors als

Hilfshauptmotor erreicht werden. In Abb. 4,

die eine Hilfsgruppe mit einem unmittelbar

gekuppelten elektrischen Motor als Hilfs-

hauptmotor darstellt, ist 5o ein Gleichstrom-

N ebenschluß- oder kompoundmotor, der eine

Zusatzerregerwicklung 54 trägt, die von einer

angebauten Erregermaschine 55 gespeist wird

und der Haupterregerwicl;lung 56 entgegen

wirkt. Dieser Motor wird vermittels des

Anlassers 52 einfach an ein Verteilungsnetz

51 mit annähernd konstanter Spannung ange-

schlossen. Der Bereich der Druckvolumen-

änderung des Gebläses von Null bis Vollast

der Brennkraftmaschine wird vermöge dieser

steileren Charakteristik von 11-12 auf 14-15

erweitert. Die Erweiterung dieses Bereiches

hat zur Folge, daß .der Punkt 13, bei dem das

Gebläse allein von dem Hilfshauptmotor an-

getrieben wird, bei einem verhältnismäßig

sehr kleinen Kraftbedarf und Fördermenge

des Gebläses sich einstellt, wodurch die ge-

suchte Steigerung der Wirtschaftlichkeit der

ungeregelten Hilfsgruppe bei kleinsten Be-

lastungen bzw. beim -Manöverieren der lIa-

schine erheblich erreicht wird.

Die Kurve 8-13 kann durch geeignete

Wahl der Erregung .des Erregers 55 beliebig

steil verlaufen. Steigt die Summe der moto-

rischen Leistungen 7-6 über das erforder-

liche Maß, dann stellt sich ein neues Gleich-

gewicht ein mit dem ungefähr in der dritten

Potenz der Drehzahl zunehmenden Wider-

stand o-4 des Gebläses, und umgekehrt.

53 ist ein der Mantelkühlung der Brenn-

kraftmaschine vorgeschalteter Luftkühler, der

in Fällen hohen Gegendruckes zu empfehlen

ist. Die Übertragung der Leistung des elek-

trischenHilfshauptmotors auf .dasSpülgebläse

kann auch vermittels einer Zahnradüberset-

zung bewirkt werden.

Statt eines einzigen ungeregelten Hilfs-

hauptmotors können deren mehrere Anwen-

dung finden, z. B. eine von Abwärmedampf

betriebene Dampfturbine und ein elektrischer

Motor, die zusammen oder getrennt arbeiten.

Abb.2 ist eine schematischeDarstellung der

Beziehungen zwischen den effektiven Leistun-

gen bzw. der verfügbaren Energie von Gebläse,

Hilfshauptmotor und Abgasturbine, bezogen

auf die Expansions =Auspuff-Spül- und Auf-

ladeverhältnisse eines vollbelasteten Zweitakt-

dieselmotors. Der Kurvenverlauf 15-16-17-

i8-ig stellt den unteren Teil des Indikator-

diagrammes dar und das Maß 2o den Kolben-

hub. Die Entspannung setzt bei 16 ein beim

Abdecken der Kante 21 der Auspuffschlitze 22

durch den Kolben 23, und beim Zudecken

dieser Kante beim Kolbenrückhub setzt die

Zylinderkompression bei 18 ein. 24-25 be-

deutet die atmosphärische Linie und 26-27

den von der Abgasturbine aufgestauten Gegen-

druck. Die Spül- und Ladepotentiale ist 26-

28, so daß die gesamte vom Gebläse 4o zu

leistende Vorv erdichtung die Größe 24-3o und

deren effektive Verdichtungs- und Verdrän-

gungsarbeit die Fläche24-3o-31-32 beträgt.

Die Fläche 33-26-34-25 bedeutet die für die

Abgasturbine 41 verfügbare Energie unter

Einbeziehung der Erwärmung infolge von

Verlust der Expansionsarbeit 16-35-r7, ferner

die Fläche33-36-37-38 die Leistung desHilfs-

hauptmOtOrs 42 bzw. 5o. Der Anteil 8-6 der

Leistung der Abgasturbine an die Gesamt-

leistung 7-6 beider Motoren ist unter anderem

von den Nutzeffekten von Gebläse und Abgas-

turbine abhängig und kann bei Vollast der

:Maschine die Leistung 7-8 des Hilfsmotors er-

reichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Z-,veitaktbrennkraftmaschine mit einem Spül- und Aufladegebläse, das von einem Hilfshauptmotor, vorzugsweise von einem elektrischen Gleichstrommotor, und von einem aus einer Abgasturbine beste- henden Hilfszusatzmotor angetrieben ist,

wobei dieDurchlaßquerschnitte derAbgasturbine so knapp bemessen sind, daß der Gegendruck in der Brennkr aftmaschine mit der Belastung zunimmt, .dadurch gekennzeichnet, daß sowohl .der Hilfshauptmotor als der Hilfszusatzmotor ihre Antriebskraft ungeregelt zugeführt erhalten und ungeregelt aufnehmen und wobei die Antriebskraft des Hilfshauptmotors demselben bei konstanter bzw. annähernd konstanter Spannung zugeführt wird.
2. Zweitaktbrennkraftmaschinenach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik des Hilfshauptmotors so gestaltet ist, daß dessen Leistung mit der ihm seitens des Hilfszusatzmotors (Abgasturbine) aufgezwungenen Drehzahl zunimmt, und umgekehrt.