DE712583C - Fahrzeugbrennkraftmaschine fuer wechselnde Hoehenlagen - Google Patents

Description

• Fahrzeugbrennkraftmaschine für wechselnde Höhenlagen Mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel nimmt die in einer Brennkraftm,aschine erzielbare Leistung ab. Diesen Leistungsabfäll kann man ausgleichen, wenn die Verbrennungsluft vor Eintritt in die Brennkraftmaschine in einem besonderen Verdichter auf den Druck, der in Erdnähe herrscht, verdichtet wird. In großen Höhen ist nun aber zur Verdichtung der gesamten Luftmenge auf den in Erdnähe herrschenden Druck eine ganz bedeutende Antriebsleistung erforderlich, die den Betrieb der Brennkraftmaschine im höchstem Grad unwirtschaftlich gestalten würde. Man verwendet daher zur Vorverdichtung der Luft Abgasturbogebläse, welche die Energie der Abgase zur Luftverdichtung ausnutzen. Infolge des Zusammenarbeitens zwischen Motor und Abgasturbine und Gebläse und Motor ist es nun nicht möglich, mit einem Abgasturbogebläse ohne besondere Regelvorrichtungen die Leistung der Brennkraftmaschine in jeder Höhe gleich zu halten. Die Leistungsabnahme mit zunehmender Höhe ist bei Verwendung eines Abgasturbogebläses allerdings weit geringer als bei einer Brennkraftmaschine ohne Abgasturbogebläse, sie ist aber doch je nach Veränderlichkeit des Wirkungsgrades des Abgasturbogebläses mehr oder weniger groß. In Abb. i ist das von einem Abgasturbogebläse geförderte Luftgewicht in Abhängigkeit. vom Luftaußendruck aufgetragen. Dieausgezogene Kurve stellt- das Luftgewicht bei gleichbleibendem adiabatischen Wirkungsgrad des Abgasturbogebläses dar und die gestrichelte Kurve bei mit der Höhe abnehmendem Wirkungsgrad von 50 auf 45 °/o. Da bei gleichbleibender Leistung und =gleichen Temperaturverhältnissen die Luftüberschußzahl annähernd gleichbleibt, ist die Änderung des Luftgewichtes bleichbedeutend mit der Änderung der indizierten Leistung.
• Es ist nun bereits vorgeschlagen worden, für die Luftversorgung von Flugmotoren zwei Kreiselgebläse hintereinanderzuschalteu, die von je einer Abgasturbine angetriebün werden, welche von zwei parallel laufenden Abgasströmen beaufschlagt sind, um im Frischgasrohr des Motors einen Druck zu erhalten, welcher etwa dem normalen Barometerdruck am Erdboden entspricht. Diese Turbinenanordnung hat aber verschiedene Nachteile. Da beide Abgasturbogebläse in verschiedenen Höhen mit verschiedenen Gefällen arbeiten, ist es nicht möglich, das eine Abgasturbogebläse dauernd im Gebiet des günstigsten Wirkungsgrades laufen zu lassen. Ferner kann z. B. beim Betrieb in Bodennähe eine Abschaltung einer der beiden Turbinen nicht erfolgen, wenn man nicht die Hälfte der Abgase unausgenutzt ins Freie entweichen lassen will.
• Es ist ferner bekannt, zur Erzielung einer möglichst hohen Leistung bei mit Abgasturbogebläse ausgerüsteten Brennkraftmaschinen, die bei der Entspannung der Verbrennungsgase bei Öffnung des Auslaßventils freiwerdende Energie durch zweckmäßige Bemessung und Anordnung der Auspuffleitungen auszunutzen und außerdem Vorkehrungen für eine möglichst wirksame Spülung der Zvlinder der Brennkraftmaschine zu treffen. LTm eine Störung der Spülung durch die Auspuffstöße zu verhindern, unterteilt man zweckmäßigerweise die Auspuffleitung je nach der Zündfolge und der Kurbelversetzung. Man hat bei vielzylindrigen Brennkraftmaschinen also immer mehrere Auspuffleitungen und entsprechend mehrere Düsenkammern an der Abgasturbine.
• Wollte man daher ein derartiges Abgasturbogebläse regeln, dann müßten die Regelvorrichtungen bei jeder Düsenkammer angebracht werden, was außer einer sehr unerwünschten Gewichtsvermehrung beachtliche bauliche Schwierigkeiten bietet. Bei der Regelung der Abgasturbine durch Umführung von Luft aus dem Gebläse unter Umgehung des Motors in die Abgasturbine ist außerdem noch die Tatsache unangenehm, daß durch die Ausnutzung der Auspuffstöße beim Öffnen des Auslaßorgans in der Auspuffleitung kein gleichbleibender, sondern ein erheblich schwankender Druck herrscht. Während der mittlere Auspuffdruck vor der Abgasturbine unterhalb des Luftdruckes hinter dem Gebläse liegt, überschreiten die Druckspitzen in der Auspuffleitung den Luftdruck ganz beträchtlich. Bei Luftuinschleusung kann also während dieser Druckspitzen Abgas in die L: mführungsleitung zurückströmen. @ Da dieses Rückströmen periodisch im Takt der Brennkraftmaschine auftritt, kann ein lebhaftes Hinundherpendeln verursacht werden.
• Nach der Erfindung werden nun für Höhenlugbrennkraftmaschinen zwei Abgasturbogebläse vorgesehen, die es gestatten, bis in größte Höhen die Brennkraftmaschine mit praktisch gleichbleibender Leistung zu betreiben. Das Abgasturbogebläse, in -das die Abgase der Brennkraftmaschine zuerst eintreten, arbeitet mit veränderlichem Druck vor den Düsen der Abgasturbine. Diese Turbine nützt also die durch die Entspannung der Verbrennungsgase freiwerdende Energie aus und hat je nach der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine mehrere getrennte Düsenkammern. Nach Durchströmen der ersten Abgasturbine werden die Abgase in eine zweite Abgasturbine geleitet. Die vor dem Eintritt in die erste Turbine bestehenden Druckschwankungen werden in der ersten Turbine ziemlich abgeschwächt. Durch eine weite Leitung von der ersten Turbine zur zweiten Turbine werden die Druckschwankungen noch «-eiter abgeschwächt, so daß vor der zweiten Turbine ein praktisch gleichbleibender Druck herrscht. Die zweite Turbine hat nur eine einzige Düsenkammer.
• Die Luftführung ist der Abgasführung entgegengesetzt, d. h. die Außenluft wird von dem mit der zweiten Abgasturbine gekuppelten Turbogebläse angesaugt und hier auf etwa i,o atü verdichtet. Dann wird sie dem mit der ersten Abgasturbine gekuppelten Turbogebläse zugeleitet und hier auf den für die Spiilung und Aufladung des 'Motors erforderlichen Druck verdichtet.
• Wenn man die beiden Abgasturbogebläse ohne jede besondere Regelungsvorrichtung betreibt, dann kann man wohl eine größere Höhe mit einer größeren Motorleistung erreichen. eine Abnahme der Motorleistung ist aber auch hier mit zunehmender Höhe festzustellen. Da nun aber die zweite Abgasturbine nur eine Düsenkammer hat und mit annähernd gleichbleibendem Druck vor der Düsenkammer arbeitet, ist hier die Anordnung einer Regelung ohne weiteres möglich. Außerdem ist durch die vorhergehende Entspannung der Abgase in der ersten Turbine bereits eine gewisse Temperaturabsenkung eingetreten, so daß sich der Betrieb der Regelvorrichtungen einfacher gestaltet. Durch eine entsprechende Regelungsvorrichtung, die entweder in Luftumschleusung oder in Änderung des Düsenquerschnittes bestehen kann, ist man in der Lage, bis in große Höhen eine gleichbleibende Leistung der Brennkraftmaschine zu erzielen. Das erste Abgasturbogebläse bekommt dabei unabhängig von der Höhe stets das gleiche Luftgewicht und auch etwa das gleiche Luftvolutuen von dem zweiten Abgasturbogebläse zugeführt und hat es auf ein. ebenfalls unabhängig von der Höhe gleichbleibendes Druckverhältnis zu verdichten. Die Drehzahl des Abgasturbogebläses bleibt daher auch annähernd gleich.
• In Weiterausbildung der Erfindung wird das erste Abgasturbogebläse, das die aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgase unmittelbar aufnimmt; unter Zwischenschaltung eines Getriebes mit der Brennkraftmaschine gekuppelt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß in den Fällen, in denen die Abgasenergie nicht ganz zum Antrieb der Spül- und Aufladegebläse ausreicht, was z. B. beim Anfahren und beim Leerlaufbetrieb von Zweitaktbrennkraftmaschinen eintreten kann, der Betrieb doch noch gesichert ist. Ferner kommt der mechanischen Kupplung des ersten Abgasturbogebläses mit der Brennkraftmaschine bei Ausfall einer oder beider Abgasturbinen eine erhebliche Bedeutung als Reserve zu, und schliefich kann noch etwa auftretende Überschußenergie der Abgasturbine auf den Motor übertragen werden.
• In der Abb.2 ist in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
• Von einer Brennkraftm,aschine i führen j e nach der Zylinderzahl mehrere Abgasleitungen 2, 3 zu der ersten. Abgasturbine 4, aus der sie nach Beaufschl.agung des Turbinenrades 5 durch die Leitung 6 der zweiten Abgasturbine 7 ausströmen, welche sie durch den Auslaßstutzen 8 verlassen. Die Außenluft wird von dem mit der Turbine 7 verbundenen Gebläse g angesaugt und durch die Leitung io zum Gebläse i i gedrückt, das mit der Abgasturbine 4 verbunden ist. Von hier aus wird die verdichtete Luft durch die Leitung 12, der Brennkraftmaschine i zugeführt. Während die erste Abgasturbine 4 eine der Anzahl der Abgasleitungen entsprechende Zahl von- getrennten Düsenkammern besitzt, weist die zweite Abgasturbine 7 nur eine Düsenkammer auf. Dagegen wird die zweite Abgasturbine 7 durch die Zuführung einer mehr oder weniger großen Frischluftmenge zu den Abgasen vor der Turbine geregelt. Die Frischluftzuführu:ng erfolgt mittels der Leitung 13 und des eingebauten Regelorganes 14. Die Leitung 13 verbindet die Luftleitung io mit der Abgasleitung 6. Eine Regelung der ersten Abgasturbine 4 findet nicht statt. Es ist jedoch nicht unbedingt nötig, daß die Regelung der Abgasturbine 7 durch Frischluftzuführung erfolgt, sondern sie kann auch in irgendeiner anderen Weise, z. B. durch Veränderung der Düsenquerschnitte, vorgenommen werden.
• Während die zweite Abgasturbine 7 lediglich durch den Abgasstrom betrieben wird, ist die erste Abgasturbine 4 noch zusätzlich. unter Zwischenschaltung eines Zahnradvorgeleges 15 mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine i verbunden. In Abb. 2 sind beide Abgasturbinen und Turbogebläse einstufig dargestellt. Es können natürlich auch mehrstufige Abgasturbinen und Turbogebläse verwendet werden: Die Brennkraftm.aschine nach der Erfindung ist nicht nur für den Höhenflug verwendbar, sondern überall dort, wo Brennkraftmaschinen in verschiedenen Höhen über dem Meeresspiegel betrieben werden, z. B. bei Lokomotiven, die in Gebirgen größere Höhenunterschiede-zu überwinden haben.

Claims (1)

1. hr1Tl?NTANSI'f2ÜCII1:: i. Fahrzeu,gbrennkraftmaschine für wechselnde Höhenlagen, insbesondere zum Antrieb eines Luftfahrzeugs, bei der das Spül- und Lademittel durch zwei hintereinäntdergesch.aitete, je von einer Abgasturbine angetriebene Ladegebläse auf einen von der Höhenlage unabhängigen annähernd konstanten Druck verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß auch die beiden Abgasturbinen (:4, 7) hintercin.andergeschaltet sind, wobei das unmittelbar zur Maschine fördernde Gebläse (ii) von derjenigen Abgasturbine (4) angetrieben wird, die die Abgase unmittelbar von der Maschine erhält. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß -die zuerst von den Abgasen beaufschlagte Turbine (4) mit einer der Zahl der Abgasleitungen entsprechenden Zahl von getrennten Düsenkammern versehen ist, und nicht geregelt wird, während die zweite Abgasturbine (7) nur eine Düsenkammer besitzt und ihre Energiezufuhr geregelt wird. 3. Brennkraftm.aschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet; daß die erste unmittelbar von den Abgasen beaufschlagte Turbine (.4) mittels eines Zahnra-dvorgel:eges (15) mit der Kurbelwelle der Brennkrafbmaschine (i) verbunden ist.