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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.