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Mit Überladung arbeitende Viertaktbrennkraftmaschine Die Erfindung
betrifft eine mit Überladung arbeitende Viertaktbrennkraftmaschine.
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Es sind Maschinen bekannt, bei denen eine Leistungssteigerung dadurch
erzielt wird, daß ein Kreiselgebläse die Ladeluft für die Maschine erzeugt, das
von einer Abgasturbine angetrieben wird. Kreiselgebläse arbeiten jedoch bekanntlich
nur dann wirtschaftlich, wenn es sich um die Förderung großer Luftmengen von niedrigem.
Druck handelt. Infolgedessen ist auf diese Weise nur eine Leistungssteigerung von
etwa .4ö bis 5o'/, möglich.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, eine in gewöhnlicherWeise,
d. h. ohne Kreiselgebläse arbeitende Brennkraftmaschine durch einen von ihr angetriebenen
Kolbenverdichter nachzuladen. Diese Anordnung allein bringt aber auch nur eine Leistungssteigerung
von etwa 40 °/o maximal, weil die Anlage bei großer Leistungssteigerung infolge
der hohen Verdichtung der gesamten Luftmenge, die zum großen Teil wieder in den
Arbeitszylinder expandiert, zu unwirtschaftlich arbeitet.
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Die Erfindung bezweckt, eine Brennkrafttnaschine zu schaffen, deren
Leistung weit über dieses Maß gesteigert werden kann.. Dies wird der Eifindung gemäß
dadurch erreicht, claß ein Kreiselgebläse vorgesehen ist, das w ährend des Kolbeneinwärtshubes
(Saughubes) den Arbeitszylinder mit vorverdichteter -Ladeluft füllt, und da.B zur
Vorverdichtung der nach Beendigung der Füllung zugeführten Überlademenge ein Kolbenverdichter
vorgesehen ist.
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Durch die neue Kombination ist eine Leistungssteigerung von weit über
ioo °/o bei gleichzeitiger hoher Wirtschaftlichkeit im Brennstoffverbrauch erzielbar.
Die Grenze der Leistung liegt nicht im Arbeitsverfahren, sondern lediglich in der
thermischen und mechanischen Beanspruchung der wichtigsten Teile der Maschine.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer der Erfindung
gemäß eingerichteten Brennkraftmaschine in Abb. i schematisch dargestellt, während
die Abb. a und 3 ein theoretisches Arbeitsdiagramm bzw. ein Steuerdiagramm veranschaulichen.
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Die Auspuffleitung i des Zylinders a einer Brennkraftmaschine ist
an eine Abgasturbine 3 angeschlossen und wird durch ein Auslaßv entil 4 gesteuert.
Die Abgasturbine 3 treibt ein Gebläse 5 an, dessen Läufer auf der Achse der Abgasturbine
sitzt. Die Druckleitung 6 des Gebläses 5 ist an das Einlaßv entil j der Dieselmaschine
angeschlossen. An die Dieselmaschine ist ein Verdichter 8 angebaut, dessen Kolben
durch ein Balancier g von der Dieselmaschine unmittelbar angetrieben
wird.
io ist die Ansaugeleitung des Verdichters 8 und i i die Druckleitung. Letztere ist
mit der Druckleitung 6 des Gebläses 5 der Dieselmaschine unter Zwischenschaltung
eines Schiebers 12 verbunden, welcher Beginn und Ende der Einführung der Lade- und
der Zusatzluft steuert. Sowohl die Ladeluft als auch die Zusatzluft wird durch das
gleiche Einlaßventil 7 dem Zylinder 2 zugeführt. Hierbei ist zu bemerken, daß die
Anwendung eines gemeinsamen Ventils für die Ansauge- und Überladeluft an sich bekannt
ist.
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Der Arbeitsvorgang der Maschine ist folgender: Nachdem die Dieselmaschine
in bekannter Weise durch die Druckluft angelassen und auf Brennstoffbetrieb umgeschaltet
ist, leisten die durch das Auspuffventil .4 entweichenden Abgase in der Abgasturbine
3 Arbeit und treiben das Turbogebläse 5 an, das Außenluft durch den Saugstutzen
13 ansaugt. Diese Luft wird durch den Verdichter 5 auf etwa 1,5 at absolut verdichtet
und in bekannter Weise während der Ansaugeperiode durch (las Ventil 7 in den Zylinder
eingedrückt, nachdem vor Beginn der Ansaugeperiode der Rest der Abgase durch Offenhaltung
von Einlaß- und Auslaßventil vollkommen ausgeblasen ist. Kurz vor Erreichung des
unteren Totpunktes gibt der Schieber 12 die in dem Verdichter 8 komprimierte Luft
frei, die mit einem absoluten Druck von beispielsweise 2 bis 3 at von der Leitung
11 über den Schieber 12 und durch das Ventil ? in den Zylinder eintritt.
Nach Abschluß des Schiebers 12 und Schließen des Ventils ;7 wird der Zylinderinhalt
durch den aufwärts gehenden Arbeitskolben weiter verdichtet.
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Der bisher geschilderte Vorgang drückt sich im Diagramm nach Abb.
2 in der Weise aus, daß bei A das Auslaßventil öffnet und die Druckkurve durch das
Ausströmen der Abgase stark zu sinken beginnt. Bei B etwa ist das Ausschubende erreicht,
und es beginnt bei G das Aufladen des Motors durch das Abgasturbogebläse bis zum
Punkt D, Im Punkt D
öffnet dann der Nachladeschieber 12, so daß durch
das Ventil 7 bis zum Punkt E Nachladeluft in den Zylinder eintritt. Bei E ist der
Schieber 12 geschlossen. Dann beginnt bei dem Druck der Nachladeluft die Kompression,
die im Punkt F bei etwa 65 at beendet ist.
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Kurz vor Erreichung des oberen Totpunktes wird eine der Luftmenge
entsprechende Brennstoffmenge eingespritzt, wodurch Drucksteigerung bis zum Punkt
G (etwa 35 at) stattfindet. Von G bis II findet der Verbrennungsvorgang statt und
anschließend Expansion bis zum Punkte A. Dann wiederholt sich das Arbeitsspiel.
Die dem Arbeitsdiagramm nach Abb. 2 entsprechenden Steuervorgänge sind in dem Steuerdiagramm
der Abb. 3 dargestellt. Die oberen und unteren Totpunkte sind darin mit
O. T. und U. T. bezeichnet. Der eingezeichnete Pfeil gibt die Richtung
der Aufeinanderfolge der einzelnen Vorgänge an. Das Auslaßventil öffnet ungefähr
6o° vor dem unteren Totpunkt und schließt ungefähr 15' nach dem oberen Totpunkt.
i5° vor dem oberen Totpunkt öffnet bereits das Einlaßventil und bleibt so lange
offen, bis das Nachladen durch den Verdichter 9 kurz nach dem nachfolgenden unteren
Totpunkt beendet ist. Das Nachladen erfolgt in der Gegend des unteren Totpunktes.
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Es ist für das Auf ladeverfahren wichtig und von Vorteil, zunächst
nur niedrig gespannte Gebläseluft dem Arbeitszylinder zuzuführen, um den Luftverlust
beim Ausspülen der Restgase möglichst gering zu halten und die Gebläseieistung so
,weit wie möglich. auszunutzen. Das Nachladen mittels des Kolbengebläses erfolgt
dann später, am zweckmäßigsten erst in der Zeit, wo sich der Kolben im unteren Totpunkt
befindet, da dann die Kolbenbewegung am kleinsten ist.
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Eine besonders hohe Leistungssteigerung und wirtschaftliche Ausnutzung
der Anlage ergibt sich bei Verwendung von Abgasgebläsen zum Antreiben der Kreiselgebläse,
weil mit der Steigerung der Zylinderfüllung durch den Nachladeverdichter auch ohne
weiteres eine Steigerung des Abgasgewichtes verbunden ist, das seinerseits wieder
eine Erhöhung der von dem Turbogebläse geförderten Luftmenge zur Folge hat.
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Für die Anwendung des neuen Arbeitsverfahrens kommt aus praktischen
und wirtschaftlichen Gründen nur ein Viertaktmotor in Frage. Denn nur bei dem Viertaktmotor
ist es möglich, die Abgase restlos aus dem Zylinder auszutreiben. Ferner wird durch
das vollständige Ausspülen der Abgase zu Beginn der Ansaugeperiode nicht nur die
restlose -Säuberung des Zylinderinnern erzielt, sondern gleichzeitig eine intensive
Abkühlung des Kompressionsraumes, also der beim Verbrennungsvorgang am meisten durch
die Verbrennungshitze beanspruchten Teile des Zylinders. Die Wärmebeanspruchungen
werden also trotz hoher Verbrennungshitze niedrig gehalten.
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Zweckmäßig ist es, zum Auslassen der großen Abgasmenge für jeden Zylinder
in an sich bekannter Weise mehrere Auslaßventile vorzusehen, von denen eins als
Vorauslaßventil ausgebildet ist. Das Vorauslaßventil hat die Aufgabe zu erfüllen,
die am Ende des Expansionshubes noch verhältnismäßig hoch gespannten und heißen
Abgase durch vorzeitiges Auslassen eines Teils davon zu entspannen
und
abzukühlen. Es besitzt deshalb nur einen kleinen Ventilteller und ist aus besonderem
Werkstoff hergestellt. 'Wollte man das Vorauslassen durch ein Hauptauslaßventil
selbst vornehmen, so würde das Ventil bald überhitzt und undicht werden; -abgesehen
davon, daß sein Antrieb wegen des öffnens bei hohem Gegendruck sehr schwer werden
würde.
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Die beschriebene Dieselmaschine eignet sich insbesondere als Antriebsmaschine
für Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge, da ihre Einrichtung eine weitgehende Leistungsänderung
zuläßt. Die Maschine kann für kleine Belastungen als einfache Dieselmaschine, ferner
als Dieselmaschine mit durch eine Abgasturbine angetriebenem Turbogebläse und schließlich
als Hochleistungsdieselmaschine in der oben beschriebenen Weise betrieben werden.
Um das zu ermöglichen, ist es nur nötig, L:mschalthühne zum Ein- und Abschalten
des Abgasgebläses und Ausrückorgane für den 1, achladeverdichter vorzusehen. Diese
an sich bekannten Einrichtungen sind so einfacher Art, daß sie nicht besonders dargestellt
sind.
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Durch die Erfindung ist eine Brennkraftmaschine geschaffen, die bei
kleinstem Raumerfordernis und kleinstem Gewicht den bisher günstigsten Brennstoffverbrauch
und eine bisher nicht im entferntesten erreichte Literleistung erzielt. So wird
mit der neuen Maschine beispielsweise eine Literleistung von ungefähr 3o PS/Liter
erreicht, im Gegensatz zu bekannten Maschinen, die im allgemeinen höchstens nur
etwa ein Drittel dieser Leistung hervorzubringen vermögen.