DE565097C - Zweitaktbrennkraftmaschine mit Abgasturbine und Hilfsturbine - Google Patents

Zweitaktbrennkraftmaschine mit Abgasturbine und Hilfsturbine

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DE565097C
DE565097C DEM114009D DEM0114009D DE565097C DE 565097 C DE565097 C DE 565097C DE M114009 D DEM114009 D DE M114009D DE M0114009 D DEM0114009 D DE M0114009D DE 565097 C DE565097 C DE 565097C
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12Control of the pumps
    • F02B37/22Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Description

  • Zweitaktbrennkraftmaschine mit Abgasturbine und Hilfsturbine Die Energie der Abgase von Brennkraftmaschinen, die für den Antrieb von Abgasturbinen verwendet werden, ist gegeben durch die Menge, den Druck und die Temperatur der Abgase. Bei wechselnder Belastung der Brennkraftmaschine bleibt die Abgasmenge ungefähr konstant, dagegen nimmt ihr Druck und ihre Temperatur bei abnehmender Belastung stark ab, womit auch ihre Energie entsprechend sinkt.
  • Bei Benutzung der Abgasturbine zum Antrieb eines Gebläses zur Förderung von Spül- bzw. Aufladeluft ergibt sich eine grundsätzliche Verschiedenheit der Verhältnisse bei Viertakt- und Zweitaktmaschinen. Bei Viertaktmaschinen ist es insbesondere bei kleinen Belastungen nicht unbedingt erforderlich, daß der durch das Gebläse erzeugte Aufladedruck höher ist als der Auspuffgegendruck, d. h. der Druck der Abgase vor der Turbine. Es kann sich daher hier bei abgasgetriebenen Aufladegebläsen z. B. der in dem Diagramm der Abb. i bezeichnete Verlauf von Aufladedruck und Auspuffdruck in Abhängigkeit von der Belastung einstellen. Der Aufladedruck ist bei Belastungen von etwa über 3/4 Last höher, bei Belastungen unter 3/4 Last niedriger als der Auspuffgegendruck. Das bedeutet, daß bei den höheren Belastungen ein Ausspülen des Zylindertotraumes mit frischer Aufladeluft stattfindet, während umgekehrt bei kleiner Belastung Abgasreste im oberen Totraum verbleiben und der abwärts gehende Kolben nur Luft von niedrigerer Spannung als der Auspuffgegendruck vom Gebläse geliefert bekommt bzw. sich teilweise selbst durch das Gebläse hindurch ansaugt. Diese Verhältnisse sind beim Viertakt unbedenklich, da der Arbeitszylinder bei kleinen Belastungen auch in dem Fall, wo der Auspuffgegendruck höher als der Aufladedruck ist, immer noch genügend Luftgewicht erhält.
  • Anders liegen die Verhältnisse bei der Zweitaktmaschine. Hier muß, wie Abb.2 zeigt, auch bei kleinen Belastungen der Spüldruck höher sein als der Auspuffgegendruck, weil sonst der Zylinder überhaupt nicht gespült wird und keine Frischluft erhält. Nun sind aber bei der Zweitaktmaschine die Auspufftemperaturen infolge der Vermischung der Abgase mit dem Spülluftüberschuß erheblich niedriger als bei der Viertaktmaschine. Es reicht daher selbst bei sehr guten Wirkungsgraden von Abgasturbine und Gebläse schon bei Normallast die Energie der mit Spülluft vermischten Abgase nicht mehr aus, um Spülluft von höherer Spannung als die Abgasspannung zu erzielen. Die Abgase können vielmehr nur einen Bruchteil der erforderlichen Antriebsenergie für das Gebläse liefern.
  • Es ist deshalb schon vorgeschlagen worden, diese fehlende Antriebsleistung durch einen auf der Gebläsewelle sitzenden Elektromotor zu liefern. Ebenso ist vorgeschlagen worden, Gebläse und Abgasturbine durch festen Antrieb mit der Hauptmaschine zu kuppeln und von dieser die fehlende Energie zu entnehmen. Schließlich ist man auch schon dazu übergegangen, Abgase von höherer Spannung und höherer Temperatur aus dem Zylinder zu entnehmen und diese direkt ohne Vermischung mit den übrigen Abgasen auf das Laufrad einer besonderen Hilfsturbine arbeiten zu lassen. Dabei ist vorausgesetzt, daß alle Zylinder in gleicher Weise ausgeführt und bei schwankender Belastung in gleicher Weise geregelt werden. Bekannt ist auch die Anordnung einer mit Druckluft betriebenen Hilfsturbine, die eine Leistungserhöhung des Gebläses ermöglicht.
  • Die vorliegende Erfindung will die fehlende Antriebsenergie für das Spülluftgebläse in der Weise beschaffen, daß sie mit der Zweitaktmaschine einen oder mehrere mit dieser auf die gleiche Welle arbeitende Hilfszylinder kuppelt, die unabhängig von der Belastung der Hauptmaschine geregelt werden, so daß sie Abgase von höherer Energie als diese liefern können, wobei dann diese Abgase auf eine besondere, mit dem Spülluftgebläse auf gleicher Welle sitzende Abgasturbine oder auf ein besonderes Laufrad der normalen Abgasturbine arbeiten. Diese zusätzlichen Hilfszylinder können aus Viertaktzylindern oder aus Zweitaktzylindern bestehen. Sie müssen nur der Bedingung entsprechen, daß sie Abgase von höherer Energie als die Hauptmaschine liefern und ihre Regelung in anderer Abhängigkeit von der Belastung der Hauptmaschine erfolgt, derart, daß bei allen Betriebsverhältnissen genügend Abgasenergie zur Verfügung steht, um stets einen Spüldruck, der höher ist als der Auspuffgegendruck, zu erzielen.
  • In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt. Abb.3 zeigt eine Ausführung, bei der der Hilfsmaschinensatz aus Viertaktzylindern besteht. Die Abb. 4 bis 6 zeigen Ausführungen, bei denen der Hilfsmaschinensatz aus Zweitaktzylindem besteht.
  • In der Abb. 3 ist mit a eine Zweitaktbrennkraftmaschine bezeichnet, die beispielsweise als Vierzylindermaschine ausgebildet sein kann. Die einzelnen Zylinder besitzen eine gemeinsame Spülluft- bzw. Aufladeleitung b und ebenso eine gemeinsame Auspuffleitung c. Außerdem ist noch ein fünfter Zylinder d vorgesehen, der im Viertakt betrieben wird und auf die Kurbelwelle der Zweitaktzylinder arbeitet. An das Auspuffventil e dieses Zylinders schließt eine besondere, von der Leitung c unabhängige Auspuffleitung f an.
  • Die für die Zweitaktzylinder erforderliche Spül- und Aufladeluft wird von einem Gebläse g geliefert, das von zwei mit ihm auf gleicher Welle k sitzenden Abgasturbinen i und j angefrieben wird. Die erstere dieser Turbinen, i, ist an die Abgasleitung c der Zweitaktzylinder angeschlossen und wird von den Abgasen dieser Zylinder beaufschlagt, die zweite Turbine j dagegen steht mit der Abgasleitung f des Viertaktzylinders d in Verbindung und erhält dessen Abgase zugeführt. Die Regelung der Brennstoffpumpe des Viertaktzylinders kann unabhängig von derjenigen der Zweitaktzylinder erfolgen, derart, daß immer Abgase von genügender Temperatur bzw. Energie zur Verfügung stehen, um die nötige Antriebsleistung für die Spülpumpe zu erzielen. Ebenso kann die Steuerung des Auspuffventils e dieses Zylinders unabhängig von den Belastungsverhältnissen der Zweitaktmaschine von Hand oder durch den Regler der Maschine. so eingestellt werden, daß es früher oder später, also bei veränderlichem Auspuffgegendruck und damit auch bei veränderlicher Abgastemperatur, öffnet, so daß die Abgasenergie dieses Viertaktzylinders in beliebiger Höhe entnommen werden kann. Die angeschlossene Abgasturbine j gibt dann die zur Erzeugung des benötigten Spülluftdruckes fehlende Antriebsleistung der Abgasturbine i für das Gebläse her.
  • Bei doppeltwirkenden Zweitaktmaschinen kann die Anordnung auch so getroffen sein, daß die eine Zylinderseite eines oder mehrerer Zweitaktzylinder im Viertakt betrieben und an eine besondere Turbine oder eine besondere Stufe der normalen Abgasturbine angeschlossen ist. In diesem Falle muß diese Zylinderseite dann ebenfalls wiederum unabhängig von den Belastungsverhältnissen der übrigen Zweitaktzylinder derart geregelt werden, daß sie die benötigte zusätzliche Abgasenergie für den Antrieb des Spülluftgebläses hergibt.
  • Die Hilfszylinder für die Lieferung der zusätzlichen Abgasenergie können auch als Zweitaktzylinder ausgebildet sein. Eine solche beispielsweise Ausführung zeigt die Abb.4. Es ist hier wiederum mit a die Zweitakthauptmaschine bezeichnet, deren Zylinder a1 an die Spülluft- bzw. Aufladeleitung b und die Auspuffleitung c angeschlossen sind, während der Zylinder a= eine besondere Auspuffleitung cl besitzt. g stellt das Gebläse zur Beschaffung der Spül-bzw. Aufladeluft derZweitaktmaschine dar. Sein Antrieb erfolgt durch zwei auf gleicher Welle lt mit ihm sitzende Abgasturbinen i bzw. j. Von diesen wird die Turbine i von den Abgasen der Zweitaktzylinder a1 beaufschlagt, die ihr über das Leitungsrohr c3 zugeführt werden, während die zweite Turbine j an die Abgasleitung cl des Zweitaktzylinders «2 angeschlossen ist. Von der Leitung cl führt eine Abzweigung c2 nach dem Hauptabgasrohr c3. An der Gabelstelle der Leitung cl, c2 ist ein gesteuertes Organ, z. B. eine Klappe 1, vorgesehen, das so gesteuert wird, daß es zunächst die von dem sogenannten Vorauspuff herrührenden heißen und höher gespannten Abgase der Turbine y zuleitet, die somit den fehlenden Leistungsbedarf des Gebläses g liefern kann, dann umgestellt wird, so daß es die Leitung e1 abschließt und die Leitung e2 öffnet, um die mit dem Spülluftüberschuß vermischten und daher kälteren Abgase in die zur Turbine i führende Abgasleitung e3 abzuleiten. Die Regelung des ZweitaktztTlinders a= erfolgt hier ebenfalls nach anderer Gesetzmäßigkeit, wie die der normalen Zweitaktzylinder a1, so daß er jederzeit die zum Gebläseantrieb fehlende Abgasenergie liefern kann.
  • In Abb.5 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei welcher der Hilfszylinder a= ebenfalls wiederum ein Zweitaktzylinder ist und die Entnahme von Abgasen höherer Spannung und höherer Temperatur dadurch herbeigeführt wird, daß ein Teil oder sämtliche Auslaßschlitze k1 dieses Zylinders größere Höhe besitzen als die Schlitze k der übrigen Zweitaktzylinder. Es werden infolgedessen aus diesem Zylinder Abgase von höherer Spannung bzw. höherer Temperatur entnommen, die dann wiederum auf eine gesonderte Abgasturbine j geleitet werden, während di° Abgase der übrigen Zylinder in der im vorigen Beispiel erwähnten Weise der normalen Abgasturbine i zugeführt werden.
  • Statt eines Hilfszylinders kann gegebenenfalls auch ein Satz aus mehreren solchen Vier-oder Zweitaktzylindern in Verbindung mit der Zweitaktmaschine Anwendung finden. Ebenso kann der Hilfszylindersatz statt an eine besondere Turbine auch an eine besondere Stufe der Hauptturbine i angeschlossen werden, so daß dann die besondere zweite Abgasturbine in Wegfall kommt.
  • Abb. 6 stellt eine Ausführungsform dar, bei welcher von einer Zweitaktmehrzylindermaschine zwei Zylinder (z.= an eine eigene Abgasleitung cl angeschlossen sind, an welche die mit höherer Abgasenergie arbeitende Abgasturbine j ganz dicht herangerückt ist, so daß eine gute Gasführung ohne wesentliche Leitungsverluste und damit auch ohne wesentliche Druck- und Temperaturverluste möglich ist. Die übrigen Zylinder puffen in eine gemeinsame Auspuffleitung c aus, die wiederum die Abgasturbine i, die mit Abgasen der üblichen Energie arbeitet, beaufschlagt.
  • In allen diesen Fällen, wo Zweitaktzylinder dazu benutzt werden, die fehlende Abgasenergie zu beschaffen, erfolgt deren Regelung ebenfalls nach anderer Gesetzmäßigkeit als die der normalen Arbeitszvlinder.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Zweital>tbrennkraftmaschine mit Abgasturbine und Hilfsturbine sowie einem von diesen angetriebenen Spülluftgebläse, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Hauptmaschine ein oder mehrere Hilfszylinder gekuppelt sind, die unabhängig von der Belastung der Hauptmaschine so geregelt werden, daß sie Abgase von höherer Energie als diese liefern, die dann auf eine besondere Abgasturbine oder ein besonderes Laufrad der normalen Abgasturbine geleitet werden. z. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch =, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfszylinder aus besonderen, mit der Hauptmaschine gekuppelten Viertaktzylindern bestehen. 3. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein öder mehrere Zylinder der Zweitakthauptmaschine als Viertaktzylinder ausgebildet sind. .1 .. Doppeltwirkende Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zylinderseite eines oder mehrerer Zweitaktzylinder im Viertakt betrieben und unabhängig von den übrigen Zylindern geregelt wird, derart, daß sie Abgase höherer Energie als diese liefert. 5. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Zylinder der Zweitaktmaschine eine gesonderte Auspuffleitung erhalten, die so geteilt und gesteuert ist, daß die Abgase von höherer Energie der Hilfsturbine und die mit Spülluft vermischten Abgase der Hauptturbine zugeführt werden. 6. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch i und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Zweitaktzylinder höhere Auspuffschlitze besitzt als die übrigen Zylinder, die an eine nach der Hilfsturbine führende besondere Abgasleitung angeschlossen sind.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE884130C (de) * 1940-06-15 1953-12-07 Karl Dr-Ing Leist Abgasturbine, insbesondere zum Antrieb von Aufladegeblaesen fuer Flugmotoren
DE1240332B (de) * 1963-09-25 1967-05-11 Otto Voigt Dipl Ing Einrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung
DE1258195B (de) * 1962-03-12 1968-01-04 Gen Electric Antriebsanlage mit einem Gasturbinenhauptstrahltriebwerk
WO1991007577A1 (en) * 1989-11-22 1991-05-30 Geoffrey Kershaw Multiple turbocharging
GB2253881A (en) * 1989-11-22 1992-09-23 Geoffrey Kershaw Multiple turbocharging

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