DE941235C

DE941235C - Method and device for operating two-stroke internal combustion engines with supercharging

Info

Publication number: DE941235C
Application number: DEM21884A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Fritz Schmidt
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1954-02-12
Filing date: 1954-02-12
Publication date: 1956-04-05

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von Zweitakt-- brennkraftmaschinen mit Aufladung Die Erfindung ,betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb von Zweitaktbrennkraftmaschinen mit Aufladung durch Abgasturbinen, insbesondere Schiffsdieselanlage mit Hilfsbrennkraftmaschinen.Method and device for operating two-stroke internal combustion engines with supercharging The invention relates to a method and a device for operation of two-stroke internal combustion engines with supercharging by exhaust gas turbines, in particular Ship diesel system with auxiliary internal combustion engines.

Neuerdings ist es gelungen, auch Zweitaktgroßdieselmaschinen mittels von Abgasturbinen angetriebener Gebläse zu spülen und aufzuladen. Ein derartiger Betrieb ist bei Vollast ohne Schwierigkeit durchzuführen. Bei langsamer Fahrt und beim Manövrieren ist der Betriebszustand des Motors aber wesentlich, ungünstiger als bei fremdgetriebenen Spülgebläsen, ida die geförderte Luftmenge sehr knapp ist.Recently it has also been possible to use large two-stroke diesel engines purge and charge blowers powered by exhaust gas turbines. One of those Operation can be carried out at full load without difficulty. When driving slowly and When maneuvering, however, the operating condition of the engine is significantly, less favorable than with externally driven flushing fans, because the amount of air conveyed is very scarce.

Man hat daher bereits vorgeschlagen, die fehlende Luftmenge durch ein elektrisch angetriebenes Zusatzgebläse oder Zusatzmotoren an den Ladegruppen selbst zu erhöhen. Dies ihat jedech den Nachteil, daß -die Leistung der S;tromerzeugergrwppe und damit die elektrischen Einirichtungen der Scihiffsmaschinenanlage vergrößert werden Müssen- Es sind auch Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturboladegebläsen bekannt, bei denen neben den Abgasen der Brennkraftmaschine zum Antrieb. der Turbine Druckluft verwendet wird, die von einem mit der' Brennkraftmaschine gekuppelten Kompressor erzeugt wird. Bei einer derartigen Anordnung muß jedoch ein erheblicher Energieverlust der Brennkraftmaschine für die Drucklufterzeugung in Kauf genommen werden. Andererseits hat man auch bereits vorgeschlagen, zur Beschleunigung der Turbine bei Fahrzeugbrennkraftmaschinen zusätzlich Heizdampf oder Bremsluft auf die Turbinenschaufeln zu leiten. Abgesehen' von einem Überzudimensionierenden Bremsluftbehälter besteht bei einer derartigen Ausführung die Gefahr, daß die Turbine durch die Beimischung von. Dampf zu den Auspuffgasen einem erhöhten Verschleiß unterworfen ist.It has therefore already been suggested that the missing amount of air through an electrically driven additional fan or additional motors on the loading groups increase yourself. However, this has the disadvantage that the performance of the fuel generator group and thus the electrical equipment of the ship engine plant is enlarged Need to become- There are also internal combustion engines with exhaust gas turbocharger fans known, in which in addition to the exhaust gases of the internal combustion engine to drive. the turbine Compressed air is used by a coupled with the 'internal combustion engine Compressor is generated. With such an arrangement, however, a considerable Energy loss of the internal combustion engine for generating compressed air accepted will. On the other hand, it has already been suggested to speed up the Turbines in vehicle internal combustion engines also generate heating steam or brake air to direct the turbine blades. Apart from an oversized brake air reservoir with such a design there is a risk that the turbine will be damaged by the admixture from. Steam to the exhaust gases is subject to increased wear.

Einen erhöhten Aufwand stellt auch die Anordnung mit einer zusätzlichen Brennkammer zur Erzeugung der bei ungenügender Zufuhr von Brennkraftmaschinen-Abgasen erforderlichen Zusatzabgase dar.The arrangement with an additional Combustion chamber for generating the inadequate supply of internal combustion engine exhaust gases required additional exhaust gases.

Zur Behebung der bestehenden. Mängel wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Auspuffgase der bei Schiffsmaschinenanlagen üblicherweise vorhandenen Hilfsdieselmotoren in die vor der Abgasturbine .liegende Auspuffleitung der Hauptbrennkraftmaschine einzuführen. Zu diesem Zweck ist zwischen deti Auspuffleitungen der-Hilf sb.rennkraftmaschinen und der Auspuffleitung der Hauptbrennkraftmasch_in® -eine im Querschnitt regelbare Verbindungsleitung vorgesehen. Die Regelung erfolgt dabei durch eine vorzugsweise pneumatisch in Abhängigkeit von der Füllung oder der` Drehzahl der Brennkraftmaschine gesteuerte Klappe. Da als Hilfsdieselmaschinen hauptsächlich Viertaktbrennkraftmaschinen ohne Auf ladegruppe verwendet werden, kann aus deren Abgasen ohne erhöhten Brennstoffverbrauch eine beträchtliche Energie gewonnen werden: Durch-" das erfindungsgemäße Verfahren - nämlich das Zuführen der Abgase der Hilfsbrennkraftmaschinen in die Auspuffleitung der Hauptbrennkraftmaschine - wird die Energie dieser Abgase zur Erzeugung der Spülluft ausgenutzt und derenc Menge erhöht. Damit stellt sich ein neuer Gleichgewichtszustand zwischen der Abgasmenge, der Abgasturbinendrehzahl und der Spülluftmenge ein, der einen wesentlich günstigeren Betriebszustand ergibt als bei den bisher gebräuchlichen Aufladegruppen. Bei einer angenommenen Leistung der Hilfsbrennkraftmaschinen von 60/0 der Hauptbrennkraftmaschine kann in den unteren Drehzahlen (bis ein Drittel der Volildrehza'hl); für welche das vorliegende Verfahren vorteilhaft anzuwenden ist, eine Erhöhung der Luftmenge bis _zu 201/o erwartet werden.To fix the existing. Defects is proposed according to the invention, the exhaust gases of the auxiliary diesel engines usually found in marine machinery into the exhaust line of the main internal combustion engine located in front of the exhaust gas turbine to introduce. For this purpose, the auxiliary sb.rennkraftmaschinen is between the exhaust lines and the exhaust line of the main combustion engine - one with adjustable cross-section Connection line provided. The regulation is preferably carried out by a pneumatically depending on the filling or the speed of the internal combustion engine controlled flap. As auxiliary diesel engines mainly four-stroke internal combustion engines can be used without a charging group, from their exhaust gases without increased fuel consumption a considerable amount of energy can be obtained: by- "the method according to the invention - namely the feeding of the exhaust gases from the auxiliary internal combustion engines into the exhaust line the main internal combustion engine - the energy from these exhaust gases is used to generate the scavenging air exploited and their quantity increased. This creates a new state of equilibrium between the amount of exhaust gas, the exhaust gas turbine speed and the amount of scavenging air, the results in a much more favorable operating state than with the previously common ones Charge groups. With an assumed power of the auxiliary internal combustion engines of 60/0 of the main internal combustion engine can be used in the lower speeds (up to a third the full speed); for whom the present method can be used advantageously is, an increase in the amount of air up to 201 / o can be expected.

Die Erfindung ist an Hand der .Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. i eine. Schiffsdieselanlage nach der Erfindung mit Steuerung der Klappe in Abhängigkeit" von der Füllung der Hauptbrennkraftmaschine, Fig. 2 eine Ansicht auf däs Manövrierrad, Fig. 3 eine Anlage nach der Erfindung mit Steuerung der Klappe in Abhängigkeit-von der Drehzahl der Hauptbrennkraftmaschine, Fig. q. bis 6 Einzelheiten des Steuerschiebers in größerem Maßstab, Fig. 7 eine Dieselanlage nach der Erfindung mit pneumatisch, elektrischer Steuerung der Klappe. Die Schiffsmaschinenanlage besteht aus einer Hauptbrennkraftmaschine i; die dem Antrieb des Propellers dient und einer oder mehrerer Hilfsbrennkraftmaschinen 2 zur Erzeugung elektrischer Energie für den Antrieb der Pumpen und die Hilfsbetriebe des Schiffes. Die Auspuffleitung der Hilfsmaschine ist mit 3 und die der Hauptmaschine mit q. bezeichnet. Während der normalen Fahrt des Schiffes genügen die von der Hauptbrenrikraftmaschine in der Leitung q. abgeführten Auspuffgase zum Betrieb der-Abgasturbine ,5, welche das nichtgezeichnete Spül- und Ladegebläse antreibt. Diese Verhältnisse ändern sich grundlegend bei Langsamfahrt und Manövrierfahrt, wie bereits oben erwähnt, wurde. Um jedoch in derartigen Fällen eine.gute Leistung der Hauptbrennkraftmaschine zu-erhalten, werden erfindungsgemäß die Abgase der gewöhnlich in- diesem Leistungsbereich der Hauptmaschine stark belasteten Hilfsbrennkraftmaschinen in die Auspuffleitung der Hauptbrennkraftmaschine vor der Abgasturbine eingeführt. Zu diesem Zweck ist die Abgasleitung 3 mit der Abgasleitung q. durch eine Leitung 6 verbunden, welche eine Steuerklappe 7 aufweist. Die Klappe 7 verhindert beim Stillstand der Hauptmaschine e;n Eindringen der Auspuffgase der Hilfsmaschine und damit eine Verschmutzung der Zylinder und unterbricht von einer bestimmten Leistung der Hauptbrennkraftmaschine ab. die Verbindung der beiden Auspuffleitungen.The invention is explained in more detail with reference to the drawings. It shows Fig. I a. Ship diesel system according to the invention with control of the flap in Dependence "on the filling of the main internal combustion engine, Fig. 2 is a view däs maneuvering wheel, Fig. 3 shows a system according to the invention with control of the flap as a function of the speed of the main internal combustion engine, Fig. q. up to 6 details of the control slide on a larger scale, FIG. 7 shows a diesel system according to the invention with pneumatic, electrical control of the flap. The ship's machinery exists from a main internal combustion engine i; which is used to drive the propeller and one or more auxiliary internal combustion engines 2 for generating electrical energy for the propulsion of the pumps and the auxiliary systems of the ship. The exhaust pipe of the Auxiliary machine is marked with 3 and that of the main machine with q. designated. During the normal travel of the ship is sufficient for the main combustion engine in the Line q. discharged exhaust gases for the operation of the exhaust gas turbine, 5, which is not shown Drives the flushing and loading fan. These conditions change fundamentally when driving slowly and maneuvering, as mentioned above. However, in such cases To obtain a good performance of the main internal combustion engine, according to the invention the exhaust gases, which are usually heavily polluted in this power range of the main engine Auxiliary internal combustion engines in the exhaust pipe of the main internal combustion engine before Exhaust turbine introduced. For this purpose, the exhaust pipe 3 is connected to the exhaust pipe q. connected by a line 6 which has a control flap 7. The flap 7 prevents the ingress of exhaust gases from the Auxiliary machine and thus a contamination of the cylinder and interrupts by one certain power of the main internal combustion engine. the connection of the two exhaust lines.

Um diesen Betrieb von der Zuverlässigkeit des Bedienungspersonals unäbhängig zumachen, können in Weiterausbildung der Erfindung nachstehend beschriebene selbsttätige Steuerungen der Klappe 7 angewendet werden. So ist beispielsweise in Fig. i eine von der Füllung der Hauptbrennkraftmaschine abhängige pneumatische Steuerung gezeigt. Mit der Klappe 7 ist über eine Stange 8 der Kolben 9 eines Druckzylinders io verbunden, der über eine Leitung ii und einen Steuerschieber 12 an die Anlaßluftflasche 13 anzuschließen ist. Der Steuerschieber 12 wird von einem Nocken 1q. auf der Manövrierradwelle i5 betätigt, und zwar ist der Nocken 1q. so ausgebildet, daß der Steuerschieber 12 nur im Bereich von kleinster bis ein Drittel Füllung die Verbindung von der Flasche 13 zum Kolben 9 freigibt. Solange der Zylinder io von Druckluft beaufschlagt ist, nimmt die Klappe 7 die. in ausgezogenen Linien dargestellte Stellung ein, so daß die Abgase der Hilfsmasdhine .in die Abgasleitung der Hauptmaschine geleitet werden. Beim Weiterdrehen des Handrades über ein Drittel Füllung hinaus wird der Schieber 12 geschlossen, die Druckluft abgesperrt und die Klappe 7 geschlossen, so daß die-Hilfsmaschine durch die Leitung 3 auspufft. An Stelle des beschriebenen Steuerschiebers können selbstverständlich ein oder mehrere nacheinander betätigte Ventile verwendet werden.In order to make this operation independent of the reliability of the operating personnel, automatic controls of the flap 7 described below can be used in a further development of the invention. For example, FIG. 1 shows a pneumatic control which is dependent on the filling of the main internal combustion engine. The piston 9 of a pressure cylinder io is connected to the flap 7 via a rod 8 and is to be connected to the starting air bottle 13 via a line ii and a control slide 12. The control slide 12 is controlled by a cam 1q. operated on the maneuvering wheel shaft i5, namely the cam 1q. designed so that the control slide 12 releases the connection from the bottle 13 to the piston 9 only in the area from the smallest to a third of the filling. As long as the cylinder io is acted upon by compressed air, the flap 7 takes the. a position shown in solid lines, so that the exhaust gases from the auxiliary machine .in the exhaust pipe of the main engine are conducted. When turning the handwheel beyond a third of the filling, the slide 12 is closed, the compressed air is shut off and the flap 7 is closed so that the auxiliary machine exhausts through the line 3. Instead of the control slide described, one or more valves operated one after the other can of course be used.

In den Fig. 3 bis 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der automatischen Steuerung der Steuerklappe 7 gezeigt, bei welchem die Stellung der Klappe in Abhängigkeit von der Drehzahl der Hauptbrennkraftmaschine verändert wird. An Stelle des von dem Nocken 14 betätigten Schiebers i2 wird der Schieber von einem durch einen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Hilfskompressor 16 gespeisten Aufnehmer 17 aus gesteuert. Der Aufnehmer 17 besitzt ein einstellbares Drosselventil 18, durch welches die vom Hilfskompressor geförderte Luft teilweise entweichen' kann. Bei zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine nimmt der Druck im Aufnehmer zu und pflanzt sich auf den Steuerschieber i2 fort, wobei dessen Kolben ig aus der in Fig. q. gezeigten Lage unter Überwindung der Kraft der Feder 2o in die in Fig. 5 gezeigte Lage gehoben wird. Damit ist der Durchfluß der Druckluft vom Behälter 13 zum Kolben g frei und mit der Klappe 7 wird die Verbindungsleitung geöffnet. In dieser Lage stützt sich der Steuerkolben gegen eine zweite Feder 21, die mit einer gewissen Vorspannung eingesetzt ist. Steigt nun die Drehzahl der Hauptbrennkraftmaschine weiter an, so öffnet der Schieber ig nicht weiter. Erst bei Überschreiten einer durch Versuche zu ermittelnden Drehzahl ist der Druck im Aufnehmer 17 so hoch, daß der Kolben i9 weiter, und zwar in die Stellung der Fig. 6 gehoben wird. Damit wird aber die Druckluftzufuhr zum Kolben g unterbrochen und die Klappe 7 derart gestellt, daß die Hilfsbrennkraftmaschine wieder frei in die Leitung 3. auspufft. Durch Änderung der Drosseldüse 18 sowie Auswechseln der Federn 2o, 2i kann die Steuerung den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Durch Vergrößerung des Aufnehmers 17 kann außerdem eine Verzögerung der Verstellung erreicht werden.3 to 6 show a further embodiment of the automatic control of the control flap 7, in which the position of the flap is changed as a function of the speed of the main internal combustion engine. Instead of the slide i2 actuated by the cam 14, the slide is controlled by a pickup 17 fed by an auxiliary compressor 16 driven by the internal combustion engine. The transducer 17 has an adjustable throttle valve 18 through which the air conveyed by the auxiliary compressor can partially escape. As the engine speed increases, the pressure in the transducer increases and is propagated to the control slide i2, its piston ig being derived from the position shown in FIG. The position shown is lifted into the position shown in FIG. 5 by overcoming the force of the spring 2o. Thus the flow of compressed air from the container 13 to the piston g is free and the connecting line is opened with the flap 7. In this position, the control piston is supported against a second spring 21, which is inserted with a certain preload. If the speed of the main internal combustion engine increases further, the slide ig does not open any further. Only when a speed to be determined by experiments is exceeded is the pressure in the transducer 17 so high that the piston 19 is raised further, namely into the position shown in FIG. In this way, however, the supply of compressed air to the piston g is interrupted and the flap 7 is set in such a way that the auxiliary internal combustion engine again exhausts freely into the line 3. By changing the throttle nozzle 1 8 and replacing the springs 2o, 2i, the control can be adapted to the respective requirements. By increasing the size of the transducer 17, the adjustment can also be delayed.

Die Fig.7 zeigt eine pneumatisch, elektrische Steuerung der Klappe 7. In die Leitung I I zwischen Zylinder io und Speicher 13 ist ein Magnetventil 22 eingeschaltet. Die Hauptbrennkraftmaschine treibt ihrerseits eine Geberdynamo 23 an, deren Spannung bekanntlich proportional der Drehzahl ansteigt. In dem Stromkreis ist ein Einschaltrelais 24 und ein Ausschaltrelais 25 eingebaut. Bei niederer Drehzahl geht der Strom von der Dynamo 23 über das Relais 2¢ zum Magnetventil 22, während das Relais 25 den Strom bei einer gewünschten höheren Drehzahl wieder unterbricht. Das Magnetventil22 öffnet oder schließt die Leitung i i und bewirkt dadurch ein Verstellen der Klappe 7. Nach Abschluß der Druckluftzufuhr wird durch die mit dem Magnetventil 22 gesteuerte Entlüftungsbohrung 26 der Raum fo entlüftet und die Klappe 7 4n die Ausgangsstellung zurückbewegt. Durch geeignete Wahl der Bohrung kann auch hier der Schließvorgang beeinflußt werden.7 shows a pneumatic, electrical control of the flap 7. In line I I between cylinder io and memory 13 is a solenoid valve 22 switched on. The main internal combustion engine in turn drives a transmitter dynamo 23, the voltage of which, as is known, increases proportionally to the speed. In the circuit a switch-on relay 24 and a switch-off relay 25 are installed. At low speed the current goes from the dynamo 23 via the relay 2 ¢ to the solenoid valve 22, while the relay 25 interrupts the current again at a desired higher speed. The solenoid valve 22 opens or closes the line i i and thereby causes a Adjusting the flap 7. After the compressed air supply has been completed, the with the Solenoid valve 22 controlled vent hole 26 the space fo vented and the flap 7 4n moved back to the starting position. By suitable choice of the hole can also the closing process can be influenced here.

Die Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere kann statt der im vorstehenden beschriebenen »auf-zu«-Regelung eine kontinuierliche Regelung der Klappenstellung Verwendung finden.The invention is not limited to the exemplary embodiments described above limited, in particular, instead of the "on-to" rule described above a continuous regulation of the flap position can be used.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Method for operating two-stroke internal combustion engines with supercharging by an exhaust gas turbo fan and with auxiliary internal combustion engines, in particular Ship diesel system, characterized in that in a certain operating range, especially in the range of low speeds of the main internal combustion engine, the exhaust gases of the auxiliary internal combustion engines led into the exhaust line of the main internal combustion engine will.

2. Two-stroke internal combustion engine with charging by an exhaust gas turbo fan and with auxiliary internal combustion engines, in particular marine diesel systems, characterized in that that between the exhaust pipe of the main internal combustion engine and the exhaust pipe The auxiliary 'internal combustion engines have a connecting line that can be regulated with respect to the cross-section is provided.

3. Two-stroke internal combustion engine according to claim i and 2, characterized in that that a control flap is arranged in the connecting line, which is preferably pneumatically operated depending on the filling of the main internal combustion engine will. q ..

Two-stroke internal combustion engine according to Claims i to 3, characterized in that that the control flap is articulated by a linkage to a compressed air-actuated piston is the one operated by a cam on the handwheel shaft control slide is to be connected to the compressed air network.

5. Z.weitaktbrennkraftmaschine according to claim i and q., characterized in that the cam is designed such that the Piston is only actuated up to a third full.

6. Two-stroke internal combustion engine according to claim i and 2, characterized in that the control flap as a function is operated by the speed of the main internal combustion engine.

7. Two-stroke internal combustion engine according to claim i, 2 and 6, characterized in that the control flap is articulated by a linkage to a compressed air-operated piston which is to be connected to the compressed air network via a control slide controlled by a sensor provided with an adjustable throttle valve. B. two-stroke internal combustion engine according to claim i, 2 and 7, characterized in that an auxiliary compressor driven by the main internal combustion engine is provided for pressurizing the transducer. G. Two-stroke internal combustion engine according to Claims 1, 2 and 7, characterized in that the control slide is designed as a two-stage piston slide and is provided with two compression springs with different tensioning forces. ok Two-stroke internal combustion engine according to claims 1, 2 and 6, characterized in that the control flap is linked by a linkage to a compressed air-actuated piston which is to be connected to the compressed air network via a solenoid valve controlled by a transmitter dynamo. i i. Two-stroke internal combustion engine according to claims 1, 2, 6 and io, characterized in that the solenoid valve is provided with a vent hole.-Referred publications: Swiss patents No. 133 564, 202 315, 2.11 352; British Patent N ;. 620 376.