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Verbund-Brennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine V erbund-Brennkraftmaschine
mit Abgasturbine als zweiter Expansionsstufe und mit von letzterer angetriebenem
Vorverdichter für die Ladung. Sie besteht darin, daß die Abmessungen der Abgasleitung
zwischen der Brennkraftmaschine und der Abgasturbine sowie der Eintrittsquerschnitt
in die letztere so gewählt sind und der Auslaß des Verbrennungszylinders zeitlich
derart gesteuert ist, daß der Druck der Abgase vor der Turbine während des ersten
Zeitabschnittes des Auspuffens über den Aufladedruck ansteigt, gegen Ende des Ausschiebens
oder Ausspülens aber unter den Aufladedruck sinkt, derart, daß einerseits in dem
mittleren Druck der Auspuffgase genügend Arbeitsvermögen der Turbine zum Antrieb
des Vorverdichters zur Verfügung steht, andererseits zwischen Auslaß- und Einlaßperiode
des Verbrennungszylinders durch gleichzeitiges Offenhalten des Ein- und Auslasses
ein zusätzliches Durchströmen von Teilen kalter Ladung durch den Zylinder hindurch
in die Turbine möglich ist. Durch das Ansteigen des Druckes vor der Turbine während
des ersten Zeitabschnittes erreicht man eine höhere Turbinenleistung. Dadurch wird
es möglich, mehr Auflade- bzw. Spülluft zu fördern oder solche auf höheren Druck
zu verdichten, im Falle, wo die Turbine den Auflade- oder Spülluftverdicliter oder
beide antreibt. Durch den niedrigeren Druck in den Verbrennungszylindern am Ende
des Auspuffvorganges wird es aber trotzdem vermieden, daß am Ende dieses Vorganges
eine große Abgasmenge in diesen Zylindern verbleibt, wodurch die Menge der neu eingeführten
Ladung nur erwärmt und auch verkleinert würde. Der Beginn des Ausströmens eines
Zylinders muß so spät erfolgen, daß das Entstehen des tieferen Druckes !in vorher
auspuffenden Zylinder nicht verhindert wird.
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Die Abmessungen der die Abgase zur Turbine führenden Leitungen können
so gewählt werden, daß der niedrigste Druck vor der Turbine, wenigstens bei bestimmten
Belastungen, tiefer ist als der Druck der vorverdichteten Ladung. In diesem Fall
kann dann jeder Verbrennungszylinder noch mit neuer Ladung gespült werden. Es muß
dann nur dafür Sorge getragen werden, daß die Ein- und Auslaßorgane des gleichen
Verbrennungszylinders während des Spülvorganges gleichzeitig geöffnet sind und das
Auspufforgan des nachher zum Auspuffen der Verbrennungsgase gelangenden Zylinders
erst so spät öffnet, daß kein zu rascher, die Spülwirkung verhindernder Druckanstieg
in der Leitung zur Turbine erfolgt. Die Steuerzeiten sind je nach der Zahl der in
die gleiche Leitung auspuffenden Verbrennungszylinder entsprechend zu verlegen.
So muß z. B. bei Viertakt-Vierzylinderrnaschinen die Öffnung
des
Einlaßorgans der Verbrennungszylinder früher und die Öffnung der Auspufforgane -zeitlich
später erfolgen, als dies bisher bei gewöhnlichen Viertaktmotoren üblich ist, dies
insbesondere, wenn man gegen Ende der Auspuffhübe einen möglichst niedrigen Druck
erreichen will.
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Wenn mehr als vier bis fünf Zylinder, namentlich einer im Viertakt
arbeitenden Maschine, in eine gemeinsame Leitung zur Turbine auspuffen, so kann
es insbesondere bei höherer Belastung eintreten, daß die untere Grenze des Abgasdruckes
vor der Turbine sich nicht oder zu wenig lange unter den Aufladedruck einstellen
läßt, indem sich die Auspuffvorgänge der einzelnen Verbrennungszylinder zu rasch
folgen. Um diese nachteiligen Verhältnisse zu verbessern, können mehrere Leitungen
von den Verbrennungszylindern zur Turbine führen, derart, daß z.B. drei oder mehr
Zylinder je eine gemeinsame Abgasleitung besitzen. Dabei wird die Anordnung zweckmäßig
so gewählt, daß diejenigen Zylinder je in eine gemeinsame Leitung 'auspuffen, deren
Auspuffvorgänge sich möglichst in gleichen Zeitabständen folgen. Dadurch wird ein
gleichmäßiges Aufladen, Spülen und Auspuffen der einzelnen Verbrennungszylinder
erreicht, und auch der Betrieb der Turbine wird dadurch ein günstigerer.--- Die
-verschiedenen - Abgasleitungen können in eine oder mehrere Turbinen münden.
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In den Zeichnungen sind die Arbeitsweise und Anordnungen von Maschinen,
welche nach denselben arbeiten, veranschaulicht.
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Fig. i zeigt den Druckverlauf in den Zylindern einer Vierzylinder-Viertaktverbrennungskraftmaschine
in stark vergrößertem Maßstab über zwei ganze Umdrehungen der Maschine.
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Fig.2 stellt die Anordnung der Kurbeln ihrer Kurbelwelle dar.
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Fig. 3 ist eine Darstellung des Druckverlaufes vor der Turbine, und
Fig. 4 zeigt die Ventilerhebungen der Ein-und Auslaßsteuerorgane der Vierzylindermaschine.
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Fig.5 ist die schematische Darstellung einer 8-Zylinder-Viertaktmaschine
mit zwei Abgasturbinen, und Fig.6 zeigt die Anordnung ihrer Kurbeln der Hauptwelle,
und in Fig. 7 und 8 sind besondere Ausbildungen von Abgasturbinen dargestellt.
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In Fig. i sind die Drücke in den Verbrennungszylindern mit den Linienzügen
pi dargestellt. I, II, III bzw. IV sind die vier Zylinder in der Ordnung, wie sie
nebeneinanderliegen. In ihnen folgen sich die Arbeitsvorgänge entsprechend den Zahlen
i, 2, 3 bzw. 4., derart, daß sich nach je i8o° Umdrehung der Kurbelwelle jeder Vorgang
wiederholt.
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Fig. 2 zeigt die Lage der Kurbeln der Verbrennungskraftmaschine in
einer Längs- und Seitenansicht, so daß sich die Einzelvorgänge in gleichen Zeitabständen
wiederholen.
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Verfolgen wir nun in Fig. i den Druckverlauf im Zylinder III (2),
so findet von o bis i8o° Verbrennung und Expansion statt. Vor Erreichung der i8o°
öffnet sich das Auspufforgan. Die Abmessungen der Zuleitungen zur Turbine sind aber
entsprechend der Erfindung so bemessen, daß nun der Auspuffdruck vom Moment der
Öffnung des Auspufforgans nicht plötzlich, sondern verhältnismäßig langsam bei der
weiteren Wellendrehung über i So gegen 36o° sinkt. In Fig. i ist angenommen, daß
dieser Druck etwas tiefer sinke als der Aufladedruck, welcher dann im Verlaufe des
Saughubes vor 36o bis i8o° Wellenumdrehung während der zweiten Umdrehung herrscht.
Während der weiteren Drehung der Maschine von i 8o bis 36o° wird dann die im Zylinder
befindliche Ladung wieder verdichtet. Das Ende der Verdichtung sowie die Verbrennung
und der Anfang der Expansion ist durch die Linienzüge pi nicht dargestellt, um einen
zu kleinen Maßstab zu vermeiden. Die Verbrennung kann ähnlich wie eine Explosion,
wie eine Verbrennung--unter-konstantem Druck oder sonstwie verlaufen.
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Fig.3 zeigt nun die Wirkung der eingeschlagenen Arbeitsweise auf den
Druck in der Abgasleitung. Um i8o° bei der ersten gezeichneten Maschinenumdrehung
herum, d. h. kurz nachher, steigt der Druck p2 in derselben stark an, um dann gegen
36o° unter den Rufladedruck p, zu fallen. Um 36o° herum beginnt dann der gleiche
Vorgang wieder, der nun durch die ausströmenden Auspuffgase aus Zylinder IV hervorgerufen
wird, usf. p, stellt sowohl in Fig. i sowie in Fig. 3 den Atmosphärendruck vor,
wodurch zum Ausdruck kommt, daß es sich um eine Maschine mit. Rufladung handelt.
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Betrachtet man nun in Fig. ¢ die Ventilerhebungskurven a», und b@j,
des Zylinders III (2), wovon die erstere diejenige des Auspufforgans und letztere
diejenige des Einlaßorgans darstellt, so erkennt man, daß kurz vor i8o° der ersten
Maschinenumdrehung sich das Auspufforgan öffnet, um erst etwa nach 36o° sich wieder
zu schließen. In diesem Moment beginnt, wie aus Fig. 3 ersichtlich, der Druck in
der Abgasleitung wieder über den Rufladedruck p, zu steigen, da das Auspufforgan
des Zylinders IV, entsprechend der Erhebungskurve alt, sich vorher geöffnet hat
und die in die Abgasleitung strömenden Gase den Druck dort wieder erhöht haben.
Im
Moment, wo während der ersten Maschinenumdrehung der Druck p2 den Druck p, unterschreitet,
kann nun, wie durch die Öffnungskurve b", dargestellt ist, das Einlaßorgan irn Zylinder
III geöffnet werden. Dieses Organ bleibt nun bis nach Beendigung des Saughubes bei
etwa i8o° der zweiten Maschinenumdrehung geöffnet. Zwischen der ersten und zweiten
Maschinenumdrehung vor bzw. nach dem Kurbelwinkel 36o° kann bei gleichzeitiger Öffnung
des Ein- und Auslaßorgans Spülen durch neue Ladung stattfinden, insofern dann der
Druck p, höher als p2 ist, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Spülperiode
ist in den Öffnungskurven der Einlaßorgane b,, b", b", bzw. b,v jeweils durch horizontale
Schraffur hervorgehoben.
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In der Fig. 5 ist eine 8-Zy linder-Viertaktmaschine dargestellt. I,
II, III, IV, V, VI, VII und VIII sind die acht Kurbeln der Hauptwelle i i. io ist
der Maschinenständer, auf welchem die Verbrennungszylinder befestigt sind, 13, 1d.,
159 16, 17, 18, ig und 2o sind die Deckel zu diesen Zylindern. In der Figur sind
nun nur noch die Auspuffleitungen i3@, i., i5@, i6@, ij@, i8@, ig@ und 2Ö, die die
Abgase aus den Verbrennungszylindern zur Turbine führen, dargestellt. Die Zuleitungen
für die Aufladeluft sind weggelassen, da sie nur die Übersichtlichkeit beeinträchtigen
würden. Die Auspuffleitungen von je vier Zylindern, d. h von I, IV, V und VIII bzw.
1I, 11I, IV und VII, münden nun je in eine gemeinsame Leitung 21 bzw. 22, welche
ihrerseits wieder je zu einer besonderen Turbine 23 bzw. 2:f führen. Beide Turbinen
23 und 24 arbeiten auf die gleiche Welle 25, mittels welcher beispielsweise Arbeit
nach außen geleistet werden kann. 26 bzw. 27 sind die Auspuffleitungen dieser Turbinen.
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In der Fig.6 sind die Kurbelstellungen sowie die Zündfolgen in den
Zylindern eingetragen, analog Fig. 2. Man erkennt daraus, daß die Auspuffleitungen,
welche in eine gemeinsame Sammelleitung 2i bzw. 22 münden, den Zylindern angehören,
welche in der gleichen Ebene befindliche Kurbeln besitzen, gleich wie dies bei der
in Fig. 2 dargestellten Kurbelwelle auch ist. Die Zündfolgen in diesen Zylindern
folgen sich also je in iSo° Wellendrehung; die Zündfolgen der andern vier Zylinder
ebenfalls, nur sind dieselben gegenüber den andern um go° versetzt.
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Statt zwei Turbinen kann auch nur eine angeordnet sein, wie dies in
Fig. 7 dargestellt ist. 21 und 22 sind wieder die zwei Zuleitungen zur einzigen
Turbine 23, beispielsweise mit zwei voneinander getrennten Eintrittsquerschnitten.
25 ist die Welle dieser Turbine.
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Oder es können zwei Turbinen angeordneT sein, welche, wie Fig.8 dies
darstellt, zu sammengebaut sein können, derart, daß sich alle axial wirkenden Drücke
gegenseitig aufheben. Diese Turbine besitzt zwei Eintrittsorte 28 und 32, in welche
die Gase durch die getrennten Zuleitungen 21 und 2- gelangen. Die links und rechts
angeordneten Turbinen bestehen ferner aus je zwei Laufrädern 2g und 31 bzw. 33 und
35 und je einem dazwischenliegenden Leitrad 3o bzw. 3q.. Aus den Turbinen gelangen
die Abgase in die Leitungen 26 und 27 und von dort direkt oder durch weitere Vorrichtungen
ins Freie. Die Laufräder sitzen auf einer gemeinsamen Welle 25. Statt zwei zusammengebauten
Turbinen könnten auch zwei voneinander unabhängige Turbinen vorgesehen sein.
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Die Erfindung kann auch bei nach dem Zweitaktverfahren arbeitenden
Maschinen angewandt werden. Da dort die Aus- und Einlaßperioden zeitlich viel kürzer
andauern, lzönnen bei diesen mehr Zylinder in die gleiche Auspuffleitung auspuffen,
ohne daß dadurch der Gegendruck vor der Turbine sich nicht möglichst tief einstellen
ließe, um noch ein Durchspülen .der Verbrennungszylinder .zu gestatten.