-
Brennkraftmaschine mit Abgasturbine und Aufladeverdichter Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen mit Abgasturbinen. Es ist bekannt,
mit Teilen der Abgase die Turbine zu umgehen, um z. B. einen bestimmten Aufladeluftdruck
zu erreichen oder bei Flugmotoren mit abnehmendem äußerem Luftdruck den Anteil der
durch die Turbine geführten Abgase zu vergrößern, um so die Leistung der Brennkraftmaschine
möglichst gleichbleibend zu halten. Demgegenüber bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf eine besondere Arbeitsweise der Abgasturbinen bei Leerlauf und bei kleinen Belastungen
im Vergleich zu denen bei höheren Leistungen der betreffenden Kraftanlage. Die Erfindung
besteht darin, daß bei Leerlauf und bei kleiner Belastung die Temperatur der die
Turbine durchströmenden Abgase über der Kondensationstemperatur gehalten wird, welche
dem Wasserdampf in den Abgasen bei dem im Bereich der Turbine herrschenden Druck
entspricht, indem der Gegendruck der Abgase vor der Turbine erhöht oder die in dieVerbrennungszylinder
eingeführte Luftmenge vermindert oder indem nur der heißere Teil der Abgase durch
die Turbine hindurchgeleitet wird. Dadurch wird die Bildung von Säuren verhindert,
die durch die chemische Verbindung von Abgasbestandteilen mit dem kondensierten
Verbrennungswasser entstehen könnten und die Bauteile der Turbine angreifen. Nicht
nur erhalten dadurch die Turbinenbestandteile eine längere Lebensdauer, sondern
es wird außerdem die Verrauhung der Leit- und Laufschaufeln verhindert, so daß der
Reibungsverlust in diesen Schaufeln nicht zunimmt und ein guter Wirkungsgrad erhalten
bleibt.
-
In der beiliegenden Zeichnung ist an Hand von fünf Figuren die Anwendung
des Erfindungsgegenstandes an einigen Beispielen dargestellt.
-
In Fig. i und 2 sind die Temperaturen der Abgase in Abhängigkeit von
der Belastung bei Vier- und Zweitaktmaschinen ohne und mit Verwendung des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
-
In den Fig.3 bis 5 sind einige bauliche Lösungen gezeigt, in welcher
Weise eine Maschinenanlage nach dem Erfindungsgegenstand auszubilden ist.
-
In Fig. i ist durch die Linie a die Abgastemperatur von Viertaktmaschinen
in Abhängigkeit von der Leistung der Maschine aufgetragen. Man sieht, daß diese
Temperatur bei Leerlauf etwa ioo° C und bei 4/4 Last etwa q.9o° C beträgt. Bei einer
Maschine entsprechend der vorliegenden Erfindung wird nun durch später zu beschreibende
Mittel die Abgastemperatur bei Leerlauf und bei kleinen Belastungen entsprechend
der Linie b bzw. c gehoben. Die Erhöhung dieser
Temperaturen soll
mindestens so weit erfolgen, daß sie höher ist als die Kondensationstemperatur des
Verbrennungswassers bei den im Bereich der Turbine herrschenden Drükken. Die den
Drücken 1,6, 2, 3, 4 und 5 at abs. entsprechenden Kondensationstemperaturen sind
durch die Linien d, e, f, g, la dargestellt. Man sieht, daß eine Erhöhung
der Abgastemperatur entsprechend der gestrichelten Linie b bei Drücken in der Turbine
bis zu 2 at abs. genügen würde, um auch bei Leerlauf eine Kondensation des Verbrennungswassers
zu verhindern. Man wird sicherheitshalber diese Temperaturerhöhung um ein gewisses
Maß über der betreffenden Kondensationstemperatur einhalten. Eine Temperaturerhöhung
entsprechend der Linie c würde, wo bei Leerlauf noch eine Abgastemperatur von i8o°
besteht, genügen, um bei Drücken bis zu 5 at abs. in der Turbine die Kondensation
zu verhindern.
-
In Fig.2 sind die Verhältnisse bei Zweitaktmotoren dargestellt. a
ist wieder die Auspufftemperatur bei gewöhnlichen Zweitaktmaschinen,wenn ein Arbeiten
nach dem Eriindungsgegenstand nicht vorkommt. Im allgemeinen liegt diese Temperatur
infolge des bei Zweitaktmaschinen angewandten großen Spülluftüberschusses viel tiefer
als bei Viertaktmaschinen. Bei Leerlauf sei diese Temperatur z. B. etwa
75' C, bei 4/4 Last 24o ° C. Man sieht, daß die Kondensation des Verbrennungswassers
bei einer gewöhnlichen Zweitaktmaschine schon bei einer viel höheren Belastung eintritt
als bei einer gewöhnlichen Viertaktmaschine. Die der Kondensation bei den Drücken
1,6, 2, 3, 4 und 5 at abs. entsprechenden Temperaturen sind durch die Linien
d, e, f, g, h ebenfalls eingetragen. Bei einem Druck in der Turbine von 5
at abs. würde die Kondensation des Verbrennungswassers bei `j4 Last schon eintreten.
Es sind also hier viel energischere Maßnahmen notwendig, um die Abgastemperatur
auf die entsprechend der Erfindung gewünschte Höhe, beispielsweise der Kurve b bzw.
c zu bringen. Eine Erhöhung entsprechend der Kurve b würde für Drücke in der Turbine
von 1,6 bis 2 at abs. genügen und eine solche entsprechend der Kurve c bei Drücken
bis zu 5 at abs. im Bereich der Turbine.
-
In Fig.3 ist 1 eine Sechszylinder-Viertaktbrennkraftmaschine, 2 die
ihr nachgeschaltete Abgasturbine und 3 das Gebläse, welches durch die Turbine 2
angetrieben wird und der Brennkraftmaschine vorverdichtete Ladung zuführt. 4 ist
die Zuleitung der Abgase von der Brennkraftmaschine zur Turbine; 5 ist die Abgasleitung,
welche von der Turbine ins Freie führt. Bei 6 tritt die Ladung in den Vorverdichter
ein, um denselben durch die Leitung 7 wieder zu verlassen. Der Turbineneintritt
8 ist nun so ausgebildet, daß die die Abgase zum Turbinenrad g führenden Düsen io
bei Leerlauf oder bei kleiner Belastung teilweise geschlossen werden können. Im
gezeichneten Beispiel ist hierfür ein Ventil i i angeordnet, welches durch den im
Zylinder 12 befindlichen Kolben 13 bewegt werden kann. Auf diesen Kolben 13 wirke
rechts der Druck der Feder 14 und links im Raum 15 z. B. der Druck in der
Leitung 7. Die Leitung 7 steht durch die Leitung 16 mit dem Raum 12 in Verbindung.
Das Ventil i i kann aber auch auf andere Weise, z. B. durch den Regler 17 der Brennkraftmaschine
i, bewegt werden, indem derselbe mit den Hebeln i8 und ig und der Stange 2o das
Ventil i i, während die Maschine in Leerlauf oder bei kleinen Belastungen arbeitet,
mehr oder weniger zuschließt. Es kann aber auch eine Handeinstellvorrichtung 3o
angebracht sein.
-
Die Wirkungsweise der Abschlußvorrichtung i i besteht nun darin, daß
sie von einem gewissen Belastungsbereich der Maschine ab, z. B. vom Punkt A in Fig.
i, mehr und mehr geschlossen wird, womit sich der Druck in der Zuleitung 4 zur Turbine
erhöht und sich dementsprechend auch eine höhere Temperatur, z. B. entsprechend
der Linie c, einstellt. Wird mit veränderlichem Aufladedruck in der Leitung 7 gearbeitet,
so kann man die Einstellung des Ventils i i vom Druck in der Leitung 7 abhängig
machen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Sollen die Abgase mit den in Fig. i
nach Kurve b dargestellten Temperaturen arbeiten, so müßte bei Verkleinerung der
Belastung unter Punkt A das Ventil i i sich unter der Einwirkung des sinkenden Rufladedruckes
schließen. Die Einstellung des Ventils i i kann aber auch von der Einstellung des
Reglers 17 abhängig gemacht werden, z. B. derart, daß es bei Unterschreitung einer
dem Punkt A entsprechenden Belastung ebenfalls geschlossen wird. Oder das Schließen
des Ventils ii kann durch Einstellung des Handhebels 30 erfolgen. Statt ein
Ventil i i können deren mehrere angeordnet sein.
-
Die Ausbildung nach Fig. 3 ist vornehmlich für Viertaktmaschinen gedacht,
bei welchen der Auspuffdruck unabhängig vom Rufladedruck eingestellt werden kann,
da das Ansaugen und das Auspuffen während zweier getrennter Hübe erfolgt.
-
In den Fig. q. und 5 ist dargestellt, in welcher Weise der Erfindungsgegenstand
bei Zweitaktmaschinen auszubilden ist. In Fig. 4 ist 21 ein Zylinder einer Zweitaktmaschine,
in welcher sich der Arbeitskolben 22 bewegt. Durch die Leitung 7 gelangt die Ladung
in den Zylinder 2i und verläßt dieselbe beispielsweise durch die Leitungen 4 und
23. Beide
Leitungen 4 und 23 können zu Abgasturbinen oder zu verschiedenen
Stufen einer solchen, oder es kann nur die Leitung .4 zu einer Abgasturbine. die
Leitung 23 hingegen in die Atmosphäre führen. In Fig.4 teilt sich die Zuleitung
7 in zwei Leitungen 24 und 25, «-elche je durch besondere Schlitze 26 bzw. 27 in
den Zylinder 21 ausmünden. Die Schlitze 28, 29 dienen dem Austritt der Auspuffgase
aus dem Zylinder 21 in die Leitungen 23 und 4. Es ist nun ebenfalls ein Ventil i
i angeordnet, mit welchem die Leitung 25 gegen die Leitung 7 abgeschlossen werden
kann. Die Bewegung des Ventils erfolge wiederum durch einen Kolben 13, der
sich in einem Zylinder 12 bewegt. Auf diesen Kolben wirke beispielsweise von oben
eine Feder 14 und von unten der Druck in der Leitung 7. Das Ventil i i kann auch
durch eine Handeinstellvorrichtung 3o bewegt werden.
-
Die Wirkungsweise einer Vorrichtung nach Fig.4 besteht nun im Gegensatz
zu derjenigen nach Fig. 3 darin, daß die vom Aufladegebläse 3 gelieferte Luftmenge
bei abnehmender Belastung derart verringert wird, daß die Abgastemperatur bei abnehmender
Belastung entsprechend den Linien b bzw. c sich ändert. Diese Ausbildungsart ist
namentlich für Zweitaktmaschinen gedacht, bei welchen der Spül-und Ladedruck vom
Auspuffdruck nur wenig verschieden sein soll. Sinkt z. B. die Leistung nach Fig.2
unter Punkt B, so wird das Ventil i i mehr und mehr geschlossen und es tritt der
Hauptteil oder alle Ladung durch die Leitung 2:1 in den Zylinder ein. Ist nun das
Gebläse 3 als Kreiselgebläse ausgebildet, so verringert sich dadurch seine Fördermenge
und der Zylinder -2i wird mit weniger Luft gespült und geladen, d. h. bei gleicher
Brennstoffzufuhr ergibt sich eine höhere Temperatur bei der Verdichtung, Verbrennung
und damit auch der den Zylinder durch .4 und 23 verlassenden Auspuffgase. Damit
die Temperatur in der Turbine gesteigert werden kann, können z. B. auch nur die
durch die Leitung .4 abströmenden Auspuffgase, welche unter hoher Temperatur und
hohem Druck austreten, in die Turbine geleitet werden, diejenigen von der Leitung
-23, welche kälter sind, aber unmittelbar unter Umgehung der Turbine- in die Atmosphäre.
-
Während in Fig. 4 die verschiedenen Zutrittsleitungen zu dem Arbeitszylinder
übereinander angeordnet sind, können dieselben sich auch auf die gleiche Höhe in
Richtung der Zylinderachse erstrecken und am Umfang der Zylinderlauffläche nebeneinander
angeordnet sein. Eine solche Ausbildung ist aus Fig. 5 ersichtlich. Es ist in dieser
ein Schnitt auf der Höhe der Ein- und Austrittsschlitze durch einen Verbrennungszylinder
gezeichnet. 7 ist die Zuleitung der Ladung und 4 die Ableitung zur Abgasturbine.
Durch die Schlitze 24 kann die Ladung stets ungehindert in den Zylinder 2i eintreten.
Außerdem sind aber noch Schlitze 31 und 32 vorhanden. Durch diese Schlitze kann
die Ladung nur in den Zylinder eintreten, wenn die Ventile i i und 33 geöffnet sind.
In Fig. 5 ist i i geschlossen und 33 geöffnet gezeichnet, so daß in diesem Fall
die Ladung nur durch die Schlitze 24 und 32 eintreten kann.
-
Die Wirkungsweise einer Ausbildung nach Fig. 5 kann die gleiche sein
wie eine solche nach Fig. 4, indem bei voller Belastung die Abschlußv entile i i
und 33 vollständig geöffnet und bei abnehmender Belastung allmählich geschlossen
werden.