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Hilfsantrieb für durch Abgasturbinen angetriebene Kreiselgebläse,
insbesondere für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen Hilfsantrieb für
ein Abgasturbinengebläse, das zum Aufladen von Brennkraftmaschinen mit Luft oder
Gemisch oder zum Spülen dient.
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In Sonderfällen, z. B. bei Zweitaktbrennkraftmaschinen, kann der Fall-eintreten,
daß die Leistung der Abgasturbine zum Antrieb des Auflade- oder Spülluftgebläses
nicht ausreicht. In solchen Fällen hat man eine zusätzliche Antriebskraft für den
Luftverdichter vorgesehen. Diese zusätzliche Antriebskraft besteht bei den bekannten
Ausführungen aus einem Elektromotor, der seinen Strom von einem vom Dieselmotor
angetriebenen kleinen Hilfsstromerzeuger bezieht, oder aus einer Luftturbine oder
sonst irgendeiner Kraftmaschine. Alle diese Anordnungen haben den Nachteil, daß
zur Erzeugung der Zusatzkraft eine besondere Kraftquelle aufgestellt werden muß,
sei es nun ein kleiner Stromerzeuger oder besondere Luftflaschen bei Anordnung einer
Luftturbine oder eine livdraulische Pumpe. Bei Bezug des elektrischen Stromes für
den Hilfselektromotor von einer fremden Kraftquelle ist die Brennkraftmaschine nicht
unabhängig, was ebenfalls ein Nachteil ist.
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Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß als
Zusatzmaschine zum Antrieb des Luftverdichters eine Turbine vorgesehen ist, .die
von dem Kühlmittel oder Schmiermittel der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Da
in der Regel jede Brennkraftmaschine eine Kühlmittel- und Schmiermittelpumpe besitzt,
sind somit zur Beschaffung des Arbeitsmittels für die Zusatzmaschine keinerlei besondere
Aufwendungen erforderlich. Die ganze Anlage wird wesentlich billiger als alle bisher
bekannten Anordnungen. Nach der Erfindung wird bei Verwendung z. B. des Kühlmittels
als Kraftübertragungsmittel das gesamte Kühlmittel von der Pumpe zunächst der Turbine
und erst dann den Kühlräumen der Brennkraftmaschine zugeleitet. Es ist zwar bei
Dampfturbinenanlagen bekannt, die Kondensatpumpe durch eine Flüssigkeitsturbine
anzutreiben, welche ihre Treibflüssigkeit aus einem bei der Anlage vorhandenen Flüssigkeitsumlauf
erhält, doch handelt es sich dabei nicht um einen nur zeitweilig einsetzenden Hilfsantrieb,
welcher zusätzlich zum Hauptantrieb angeordnet ist, sondern um den einzigen Hauptantrieb
der Kondensatpumpe. Demzufolge ist hier auch eine wesentliche Vergrößerung der den
Flüssigkeitsumlauf betreibenden Pumpe erforderlich. Die außerdem auftretenden beachtlichen
Energieverluste ergeben die Urizweckmäßigkeit des Antriebes eines Gebläses bei Brerm.kraftmaschinen
lediglich durch eine Flüssigkeitsturbine. Dagegen ist bei einem durch eine Abgasturbine
angetriebenen
Gebläse der Antrieb einer Zusatzturbine entsprechend der Erfindung durch den Kühlwasser-
oder Schmierölstrom von besonderer Bedeutung. Die Verhältnisse liegen hier ganz
anders als bei einem Gebläse, das entsprechend den bekannten Vorschlägen allein
von der Flüssigkeitsturbine angetrieben wird. Bekanntlich ändert sich die Leistung
einer Abgasturbine bei abnehmender Brennkraftmaschinenleistung in anderer Weise
als der entsprechende Leistungsbedarf des Gebläses. Sinkt die Brennkraftmaschinenleistung
unter einem bestimmten Wert, dann reicht die Abgasturbinenleistung in der für den
Betrieb der Bren.nkraftmaschine erforderlichen Weise nicht mehr aus. Aus diesem
Grund ist man gezwungen, für den Gebläseantrieb eine Zusatzleistung in Gestalt eines
Hilfsantriebes zu beschaffen. Da die erforderliche Zusatzleistung aber verhältnismäßig
klein ist, genügt hierfür der Kühlmittel- oder Schmierölstrom, ohne daß die bereits
vorhandenen Pumpen in ihrer Größe verändert werden müssen. Besonders günstig ist
hierbei der Umstand, daß die erforderliche Leistung der Zusatzturbine mit steigender
Brennkraftmaschinenleistung kleiner und schließlich ganz entbehrlich wird. Da Brennkraftmaschinen
in der Regel währenddes größten Teiles ihrer Betriebszeit im- oberen Belastungsbereich
laufen, ist demnach die durch den Kühlmittel-oder Schmierälstrom betriebene Hilfsturbine
nur während verhältnismäßig kurzer Betriebszeit eingeschaltet.
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Da bei großen Belastungsänderungen auch die Kühlmittelmenge verändert
wird, um keine zu großen Unterschiede in der Kühlmitteltemperatur zu erhalten, verringert
sich mit abnehmender Belastung auch die Leistung der Zusatzturbine. .Jedoch würde
diese Art der Leistungsreglung der Zusatzturbine nicht immer den jeweiligen Erfordernissen.
entsprechen, da z. B. .bei einer Zweitaktmaschine mit abnehmender Maschinenleistung
die Leistung der Zusatzturbine zunehmen soll.
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Zur Weiterbildung der Erfindung wird daher die Zusatzturbine in an
sich bekannter .Weise mit einem veränderlichen Düsenquerschnitt ausgerüstet, der
in Abhängigkeit vom Rufladedruck selbsttätig geregelt wird. Durch Verkleinerung
des Düsenquerschnittes steigt der Druck vor der Zusatzturbine und erhöht damit deren
Leistung. Umgekehrt verursacht eine Vergrößerung des Düsenquerschnittes eine Abnahme
der Turbinenleistung.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Abb. i beispielsweise eine Darstellung der Brennkraftmaschine mit
.dem Abgasturbinengebläse und seinem Hilfsantrieb, Abb. 2 beispielsweise eine Darstellung
der Regelung des Düsenquerschnittes der Zusatzturbine und Abb.-3 ein Schaubild,
an welchem der Rufladedruck in Abhängigkeit vom effektiven Druck in den Arbeitszylindern
aufgetragen ist.
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In Abb. i ist mit i die Brennkraftmaschine bezeichnet, von der aus
die Abgase durch die Leitung :2 in die Abgasturbine 3 geleitet werden. Mit der Welle
der Abgasturbine 3 ist ein Kreiselgebläse .1. verbunden, in welchem die Auflade-
und Spülluft oder das Brenngemisch verdichtet und durch die Leitung 5 zur Brennkraftmaschine
i geführt werden. Mit der gemeinsamen Welle des Abgasturbinen.gebläses 3 und. q.
ist ferner eine Zusatzturbine 6 verbunden, welche ihr Treibmittel durch eine Leitung
7 von der Pumpe 8 erhält, die unmittelbar von der Brenllkraftmaschine i angetrieben
wird. Nach dem Durchgang durch die Zusatzturbine 6 fließt das Treibmittel durch
die Leitung g seiner eigentlichen Bestimmung in der Brennkraftmaschine i zu. Das
Treibmittel kann entweder Schmieröl oder irgendein Kühlmittel sein. Zwischen der
Zusatzturbine 6 und dem Gebläse. ist eine Kupplung io angeordnet, mittels der die
Zusatzturbine abgeschaltet werden kann. Ebenso kann zwischen der Ab-
gasturbine
3 und dem Gebläse .i eine Kupplung vorgesehen werden.
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Ein Beispiel der Regelung der Zusatzturbine 6 ist in. Abb. 2 dargestellt.
In einem Zylinder i i bewegt sich ein Kolben 12 mit einer Kolbenstange 13, die an
einem Hebel 14. zur Verstellung des Düsenquerschnittes der Zusatzturbine 6 angreift.
Der Raum i 5 des Zylinders i i ist durch eine Leitung 16 mit dem Druckraum des nicht
dargestellten Luftverdichters .i in Verbindung. Auf der rechten Seite stützt sich
eine Feder 17 gegen den Kolben 12. Die Feder 17 wird durch ein Gestänge i 8 vom
Füllungshebel der nicht dargestellten Brennstoffpumpe beeinflußt.
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Die Wirkungsweise dieser Regelvorrichtung läßt sich an Hand oder Abb.3
leicht erklären. In dieser Abbildung ist vier Rufladedruck p""fl. in Abhängigkeit
vom mittleren effektiven Druck p, aufgetragen. Im Punkt a wird die Antriebsleistung
des Luftverdichters gerade von der Abgasturbine geliefert. Sinkt nun die Belastung
der Brennkraftmaschine, dann würde der Rufladedruck auf den Punkt b absinken, wenn
nur die Abgasturbine vorhanden. wäre. Durch den geringeren Druck im Raum 15 der
Regelvorrichtung drückt der Kolben 12 nach links und verengt dadurch den Düsenquerschnitt
der Zusatzturbine 6. Dadurch wird die Leistung der Zusatzturbine 5 erhöht und ein
höherer Auf-
Ladedruck, als dem Punkt b entspricht, erzielt. Der
Aufladedruck wird also einen zwischen den Parallelen zur Abszissenachse durch den
Punkt a und den Punkt b gelegenen Wert annehmen. Der Verlauf des Aufladedruckes
nach der Linie 2o stellt den anzür strebenden Wert dar. Die Feder 17 und das Gestänge
189 der Regelvorrichtung sind nun so zu bemessen, daß durch die Zusatzturbine 6
jeweils eine solche Leistung abgegeben wird, daß sich der Aufla:dedruck in Abhängigkeit
von der Belastung der Brennkraftmaschine auf der Linie 2o bewegt. Würde z. B. bei
feststehendem Gestänge 18, also bei Fehlen der zusätzlichen. Regelung durch die
Füllung der Brennstoffpumpe, der Aufladedruck einen dem Punkt c entsprechenden.
Wert annehmen, dann müßte, um einen geringeren Aufladedruck entsprechend der Linie
2o zu erhalten, mit abnehmender Belastung des Dieselmotors die Feder 17 entspannt
werden, so daß der Düsenquerschnitt ,der Zusatzturbine 6 eine geringe Vergrößerung
bringt und somit ein Absinken des Aufladedruckes verursacht. Diese -zeitweilige
Entspannung der Feder 17 erfolgt durch die Verbindung des Gestänges i8 mit der Füllungseinstellung
der Brennstoffpumpe. Die beschriebene Regelvorrichtung ist nur ein Beispiel. Es
kann selbstverständlich auch irgendeine andere Regelvorrichtung Verwendung finden.
Die Erfindung ist dadurch nicht betroffen.
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Schließlich wird, um einen völlig selbständigen Betrieb zu erhalten,
eine Steuervorrichtung irgendeiner bekannten Bauart vorgesehen, die die Zusatzturbine
dann abkuppelt, wenn die Energie der Abgasturbine zur Erzielung des nötigen Aufladedruckes
allein ausreicht, und umgekehrt ankuppelt, wenn (lies nicht der Fall ist.
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An Stelle des An- und Abkuppelns der Zusatzturbine, kann natürlich
auch die Druckmittelleitung zeitweise kurzgeschlossen werden, so daß die Zusatzturbine
nicht mehr beaufschlagt wird. Irr diesem Fall empfiehlt es sich, die Zusatzturbine
.mit einer selbsttätigen Entleerungsvorrichtung zu versehen, wodurch der Energieverlust
durch das leerlaufende Turbinenrad herabgesetzt wird.
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Unter Umständen können auch bei den Vorrichtungen das Abkuppeln und
das Kurzschließen gleichzeitig Verwendung finden.