DE454107C - Arbeitsverfahren fuer Viertakt-Brennkraftmaschinen mit Vorverdichtung der Ladung durch Abgasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Viertakt-Brennkraftmaschinen mit Vorverdichtung der Ladung, bei welcher die Vorverdichtung in Verdichtern erfolgt, welche mittels durch die Abgase der Brennkraftmaschinen beaufschlagter Turbinen angetrieben werden. Sie besteht darin, daß der Druck während des Auspuffhubes in der Brennkraftmaschine annähernd auf den Druck der vorverdichteten Ladung eingestellt wird, damit Druck und Temperatur des am Ende dieses Hubes im Verdichtungsraume der Kraftzylinder verbleibenden Abgasrestes so niedrig sind, daß die vorverdichtete Ladung dadurch nur wenig erwärmt und ein großer Teil derselben in die Kraftzylinder neu aufgenommen wird. Dieses Arbeitsverfahren kann so ausgestaltet sein, daß wenigstens in dem oberen Belastungsbereich der Maschinenanlage der Druck während des Auspuffhubes in der Brennkraftmaschine niedriger eingestellt wird als der Druck der vorverdichteten Ladung. Dieser Überdruck der vorverdichteten Ladung kann dazu benutzt werden, um die Kraftzylinder der Brennkraftmaschine mit neuer Ladung zu spülen. Ferner kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß bei verminderter Leistung, beim Anlassen, Umsteuern unter Umgehung des Vorverdichters und der Abgasturbine von der Brennkraftmaschine unmittelbar aus der Atmosphäre angesaugt und in dieselbe ausgepufft wird.

In Abb. ι ist eine Maschinenanlage zur Ausführung des Arbeitsverfahrens schematisch dargestellt, und in Abb. 2 ist an Hand von Indikatordiagrammen das Arbeitsverfahren veranschaulicht.

In Abb. ι bezeichnet K den Verdichter, in welchem die Ladung vorverdichtet wird. T ist die Abgasturbine, welche diesen Verdichter K antreibt. M ist eine Viertakt-Brennkraftmaschine, welche ihre Ladung durch die Leitung / aus dem Verdichter K erhält und ihre Auspuffgase an die Turbine T abgibt. Diese strömen durch die Leitung L und die Düsen oder Leitschaufeln D in den Turbinenläufer hinein. Der erhöhte Druck vor der Turbine wird nun durch entsprechende Bemessung des Eintrittsquerschnittes der Leitvorrichtung, ζ. B. durch Schließen der Ventile V und F₁, eingestellt. Steigt dieser Druck, so wird dadurch die Arbeitsleistung der Turbine vergrößert, da derselben stets die ganze Abgasmenge aus der Brennkraftmaschine zufließt.

Bei verminderter Leistung kann durch öffnen des Organs N in der Leitung L der Druck vor der Turbine T auf Atmosphärendruck erniedrigt werden, und durch Öffnen des Organs O kann die Brennkraftmaschine ihre Ladung statt aus dem Verdichter aus der Atmosphäre entnehmen.

Das Öffnen und Schließen der Düsen an der Turbine kann von Hand oder mittels eines ίο Reglers oder einer Hilfsmaschine erfolgen, welch letztere z. B. von der Umdrehungszahl des Verdichters oder der Turbine oder von der Höhe des Ladedruckes beeinflußt wird, so daß eine vollkommen selbsttätige Einstellung bei plötzlichen Belastungsschwankungen erfolgt.

In Abb. 2 stellen die Ordinaten dieArbeitsdrücke und die Abszissen die Volumina dar. Die Fläche a-b-c-d-a entspricht der indizierten Leistung der Vorverdichtung. Die vorverdichtete Ladung, welche, je nachdem ein Explosions- oder ein Gleichdruckmotor verwendet wird, mit Verbrennungsluft mit oder ohne Brennstoff gemischt ist, gelangt nun während des Saughubes c-b in die Viertaktmaschine und wird dort über b-e-f-g der Verdichtung, Verbrennung und Expansion unterworfen. Dabei kann die Verbrennung unter Selbstentzündung nach e-f-g oder nach dem Explosionsverfahren entsprechend e-f-g vor sich gehen. In der Nähe des unteren Totpunktes g· wird nun der Druck aller Abgase vor dem Übertritt in die Turbine bis auf den Wert h herabgemindert. Dies zwar derart, bis das durch die Diagrammfläche i-h-k-l-a-d-i dargestellte, den entspannten Gasen verbleibende Arbeitsvermögen der Vorverdichtungsarbeit a-b-c-d-a zuzüglich sämtlicher dabei auftretender Verluste mindestens gleich ist, Bei bekannten Anordnungen dieser Art wird sich vor der Abgasturbine ebenfalls ein kleiner Druckabfall einstellen beim Durchströmen des Auspuffventils und der Auspuffleitung. Bei vorstehendem Verfahren handelt es sich jedoch um einen großen, bei der Normalbelastung der Maschine mehrere Atmosphären betragenden Druckabfall bei Beginn des Auspuff ens.

Der zum Betriebe des Verdichters in der Turbine notwendige Gasdruck wird je nach dem Vorverdichtungsgrad und dem Wirkungsgrad der gesamten Vorverdichtungsvorrichtung verschieden sein, und zwar um so tiefer, je höher der letztere ist. Wird eine erhebliche Vorverdichtung bei großer Belastung der Maschine angewandt, so wird angesichts des dann noch im Gase befindlichen großen Wärmegefälles schon ein ungefähr gleich großer Druck genügen. Derselbe kann bei günstiger Wahl der Verhältnisse kleiner sein als der Voryerdichtungsdruck selbst. In die sem Falle vergrößert sich die Arbeitsfläche des Brennkraftmaschinen-Diagramms, wie in Abb. 2 dargestellt, um den positiver Arbeit entsprechenden Betrag h-i-c-b-h und leistet dementsprechend die Viertaktmaschine mehr Arbeit nach außen. Die Höhe des Druckes vor der Turbine entsprechend der Linie i-h-k wird durch entsprechende Drosselung des Eintrittsquerschnittes der Turbine eingestellt. Bei zunehmender Drosselung steigt dieser Druck, was durch ein horizontales Hinaufschieben der Linie i-h-k im Diagramm zum Ausdruck kommt. Die Turbinenleistung wird dadurch entsprechend der größeren Fläche i-h-k-l-d-i vergrößert.

Entsprechend der starken Druckverminderung von g auf h findet eine Temperaturermäßigung der Verbrennungsgase in der Leitung zur Turbine und in derselben statt, und zwar kann dem größeren Druckgefälle entsprechend eine für die Turbine günstigere, tiefere Temperatur als im Auspuffrohr einer gewöhnlichen Viertaktmaschine dadurch erreicht werden. Dies tritt ein, wenn bei größerer Belastung das Verhältnis der Drücke g : h größer wird als dasjenige der Auspuff-Spannung zum Atmosphärendruck bei bekannten Maschinen ohne Vorverdichtung.

Des ferneren wird dabei ein anderer Vorteil erreicht. Sinkt nämlich der Druck vor der Turbine, so wird wegen des am Ende des Ausstoßhubes h-i entsprechend Punkt i in der Brennkraftmaschine verbleibenden kleineren Abgasgewichtes entsprechend mehr neue Ladung während des folgenden. Saughubes angesaugt. Da nun bei zunehmender Belastung infolge des vermehrten Arbeitsvermögens der Abgase schon ein kleinerer Druck als der Vorverdichtungsdruck zum Betriebe des Verdichters genügt, so kann sich sogar ein Volumen der frischen Ladung, das größer ist als das Kolbenhubvolumen der Brennkraftmaschine, ergeben. Es tritt demnach der Fall ein, daß die aktive Ladung mit zunehmender Belastung der Maschine sich vergrößert und die Temperatur der Ladung beim Beginne der Verdichtung in der Brennkraftmaschine sinkt. Dementsprechend kann juo bei gleichem Luftüberschuß eine größere Brennstoffmenge zur Verbrennung kommen, was sich in einer Verbreiterung des Diagrammteils e-f-g und vermehrter Arbeitsleistung ausdrückt. Auch wird, wenn der Druck der Ladung größer ist als der Druck vor der Turbine, ein Ausspülen des Verdichtungsraumes möglich, beispielsweise durch gleichzeitiges Offenlassen der Auspuff- und Ansaugventile am Ende des Aussdhubhubes oder am Beginne des Ansaughubes. Diese Spülung kann auch dazu benutzt werden, um

den Verbrennungsgasen bei Überlast frische Luft zwecks Kühlung zuzumischen.

Es wird nun bei dem vorgeschlagenen Arbeitsverfahren zu jeder Belastung der Maschine einen bestimmten Ladedruck und einen entsprechenden Druck der in die'Turbine übertretenden Verbrennungsgase geben, bei dem der Brennstoffverbrauch je geleistete Arbeitseinheit ein Mindestmaß ist. Es wird

ίο deshalb vorteilhafterweise eine solche Regelungsart gewählt, die dies erreichen läßt. Dies empfiehlt sich insbesondere, wenn die Belastungsänderung eine ganz bestimmte, z. B. von der Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine abhängige ist wie bei Schiffsund Fahrzeugantrieb.

Das Arbeitsvermögen der in die Turbine überströmenden Abgase wird sich bei kleinerer Belastung ebenfalls vermindern, und dazu wird sich auch der Turbinenwirkungsgrad verschlechtern. Statt unter dem Vorverdichtungsdruck muß dann der Druck der Abgase höher als derselbe sein. Daraus erwächst dann eine unter Umständen erhebliche Arbeitsverlustfläche im Brennkraftmaschinen-Diagramm. Um nun mit der Maschine nach der Erfindung dennoch bei kleinen Belastungen ökonomisch arbeiten zu können, kann dieselbe so ausgebildet sein, daß die Vorverdichtungsspannung bedeutend ermäßigt oder ganz auf atmosphärischen Druck gebracht werden kann. Zu diesem Behufe muß es dann möglich sein, den Druck vor der Turbine gleichzeitig bis auf Atmosphärendruck herunterzubringen. Dabei können die Abgase sowie die frische Ladung dennoch dieTurbine oder den Verdichter durchstreichen oder unmittelbar in die Atmosphäre ausgestoßen oder aus derselben entnommen werden. Da das Vorverdichteraggregat nicht mit der Brennkraftmaschine gekuppelt ist, kann dies durch einfaches Umschalten der Zu- und Ableitungen zu den Maschinenteilen während des Betriebes geschehen, ohne daß dadurch die Kraftlieferung nach außen irgendwelchen Unterbrach erleidet. Das gleiche Verfahren kann auch beim Anlassen und Umsteuern solcher Maschinen zur Anwendung gelangen. Die Inbetriebsetzung erfolgt dann jeweils mit den bei bekannten Brennkraftmaschinen dauernd zur Anwendung gelangenden Drücken unter Abschaltung des Vorverdichteraggregates. Alle oder ein Teil der Abgase können dabei zwecks Anwärmung oder Beschleunigung gleichwohl der Turbine zugeführt werden.

Beim Umsteuern wird nach Stillegen der Maschine, welche die Arbeit nach außen leistet, dieselbe z. B. unter Verwendung von Druckluft in der anderen Drehrichtung angelassen. Das Vorverdichteraggregat sei dabei abgeschaltet. Es läuft deshalb infolge der den kreisenden Massen innewohnenden lebendigen Kraft mit fast unverminderter Geschwindigkeit in der gleichen Richtung weiter. Hat der Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine richtig eingesetzt, so werden die Abgase, insofern eine große Leistung bei der geänderten Fahrtrichtung notwendig ist, wieder der Turbine zugeführt und die Ladung aufs neue dem Vorverdichter entnommen. Damit setzt dann eine rasche Leistungssteigerung ein, insbesondere da die kreisenden Massen des Vorverdichteraggregates nicht erst beschleunigt werden müssen. Es kann z. B. auf diese Weise, da nur die verhältnismäßig an Massen kleine Brennkraftmaschine umgesteuert zu werden braucht, innerhalb kurzer Zeit eine große Rückwärtsleistung erzielt werden.

Um einen einwandfreien Betrieb zu erhalten, muß die Turbinenleistung stets dem Arbeitsbedarf des Vorverdichters angepaßt werden. Dies zwar auch, wenn z. B. statt Druck oder Menge nur die Temperatur der Ladung geändert wird. Soll beispielsweise, um mit schwerflüchtigen Brennstoffen zu arbeiten, die Temperatur des Prozesses erhöht werden, so kann dies in einfachster Weise durch Herabsetzung der Kühlung im Verdichter geschehen. Der dadurch veränderte Arbeitsbedarf des Verdichters muß sich dann entsprechend der Erfindung durch Anpassung des Druckabfalles g-h in einfacher Weise von selbst ergeben.

Hilfsmaschinen, wie insbesondere umlaufende Schmieröl-, Kühlwasser- oder sonstige Pumpen, Lade- oder Lichtdynamos, welche nur eine verhältnismäßig geringe oder vorübergehende Arbeitsentnahme bewirken, können von der Verdichterwelle angetrieben werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Arbeitsverfahren fürViertakt-Brennkraftmaschinen mit Vorverdichtung der Ladung, bei welcher die Vorverdichtung in Verdichtern erfolgt, welche mittels durch die Abgase der Brennkraftmaschine beaufschlagter Turbinen angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck während des Auspuffhubes in der Brennkraftmaschine annähernd auf den Druck der vorverdichteten Ladung eingestellt wird, damit Druck und Temperatur des am Ende dieses Hubes im Verdichtungsraum der Kraftzylinder verbleibenden Abgasrestes so niedrig sind, daß die vorverdichtete Ladung dadurch nur wenig erwärmt und ein großer Teil derselben in die Kraftzylinder aufgenommen wird.

2. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens in dem oberen Belastungsbereich der Maschinenanlage der Druck während des Auspuffhubes in der Brennkraftmaschine niedriger eingestellt wird als der Druck der vorverdichteten Ladung.

3. Arbeitsverfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruck der vorverdichteten Ladung über den Druck der Abgase dazu benutzt wird, um die Kraftzylinder mit neuer Ladung zu spülen.

4. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei verminderter Leistung, beim Anlassen oder Umsteuern unter Umgehung der Abgasturbine von der Brennkraftmaschine in die Atmosphäre ausgepufft wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.