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Brennkraftturbine mit vom Turbinenlaufrade unabhängig umlaufendem
Kolbenverdichter Das Hauptpatent betrifft eine Brennkraftturbine, bei der die Welle
des Kolbenverdichters von der Welle der Turbine vollständig getrennt ist und bei
der die in Sternform angeordneten' Zylinder des Kolbenverdichters mit ihren Brennkammern
einzeln und unmittelbar an die Leitdüsen der Turbine angeschlossen sind. Dadurch
wird eine so schnelle und vollständige Entleerung der Brennkammern erzielt, daß
der. Kolbenverdichter mit Ansaugung durch Unterdruck arbeiten kann und die Verwendung
eines besonderen Vorverdichters zum Spülen der Zylinder des Kolbenverdichters in
Fortfall kommt. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung dieser Turbine ist bereits
vorgeschlagen worden, einige der Zylinder des Kolbenverdichters in der an sich bekannten
Weise mit einer von den Zylinderräumen abgeteilten, mit ihnen durch einen gesteuerten
Durchlaß in Verbindung stehenden Brennkammer auszurüsten, so daß die so ausgebildeten
Zylinder lediglich Verdichtungsarbeit leisten, während der oder die übrigen Zylinder
nach ihren Brennkammern hin offen sind und die Antriebsarbeit für den Betrieb des
Verdichters übernehmen. Durch diese Anordnung wird für diejenigen Zylinder, die
nur Verdichtungsarbeit leisten, ein längeres Offenhalten der Überströmventile ohne
Verminderung des Saugwirkungsgrades der zugeordneten Zylinder erzielt, woraus sich
eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und die Möglichkeit einer umfassenderen
Regelung der Turbine durch Einwirkung auf die Öffnungszeiten der Überströniventile
ergibt.
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Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, alle
Zylinder des Kolbenverdichters mit einer gleichmäßigen Verdichtungsleistung zu betreiben
und aus allen Brennkammern eine gleichmäßige Antriebsleistung an die Turbinen abzugeben
und den Kolbenverdichter so einzurichten, daß sämtliche Zylinder ohne Ausnahme und
unabhän-gig von der Öffnungszeit der Überströmventile mit gleichbleibendem
Saugwirkungsgrad arbeiten. Das wird dadurch erreicht, daß die von den Zylindern
des Kolbenverdichters in an sich bekannter Weise abgeteilten', mit ihnen durch einen
gesteuerten Durchlaß mir zeitweise in Verbindung stehenden Brennkammern erfindungsgemäß
zugleich mit Zylindern kleineren Durchmessers in offener Verbindung stehen, deren
Kolben den Antrieb des Kolbenverdichters vermitteln. Trotz unmittelbaren Antriebes
des Kolbenverdichters aus der Energie der von ihm verdichteten und in den Brennkammern
verbrannten Gase
wird durch diese Trennung der Verdichterkolben
von den Antriebskolben erreicht, daß in jeder Brennkaminer nur ein geringer Tei.1
der gespeicherten Energie für die Entspannung zum Antriebe des Verdichters verz6]ilitwird,
da die von den Verdichterkolben ge-, trennten Arbeitskolben so klein bemessen. werden
können, daß sie zur Leistung der Antriebsarbeit gerade ausreichen. Andererseits
können die Verdichterkolben beliebig groß bemessen werden, ohne die Entspannungsverluste
der in den Brennkammern gespeicherten Gase zu erhöhen, so daß also für den
All-
trieb der Turbine ein hohes Druckgefälle zur Verfügung steht, Man hat
bereits vorgeschlagen, bei Brennkraftturbinen mit unabhängig von der Turbinenwelle
umlaufendem Kolbenverdichter den Verdichterkolben als Stufenkolben auszubilden und
ihn mit der einen Stufe als Verdichter, mit der anderen Stufe als Brennkraftinaschine
zum Antrieb des Verdichters arbeiten zu lassen, hat dabei aber nicht die verdichtete
Luft in besondere Brennkammern übergeschoben, aus denen der als Brennkraftmaschine
arbeitende Teil des Stufenkolbens beaufschlagt wird, sondern man hat die verdichtete
Luft zunächst in einen Aufnehmer geleitet und nach dem 2,#bwärtsgange des Stufenkolbens
zum Spülen des Brennkraftzylinders benutzt. Die Brennkraftmaschine muß dabei die
Verdichtung einer Teilluftmenge selbst übernehmen, und nicht die gesamte, von der
Verdichterstufe verdichtete Luftmenge, sondern nur der geringe, nach der Spülung
im Zylinder der Brennkraftmaschine verbliebene Teil der verdichteten Luft nimmt
an der Verbrennung des eingespritzten Treibstoffes teil. Im Gegensatz dazu gestattet
es die vorliegende Erfindung durch Anschluß beider Kolben an eine gemeinsame, vom
Verdichterkolben abgeteilte Brennkammer, die gesamte, im Verdichter verarbeitete
Luftmenge an der Brenngemischbildung zu beteiligen und die für den Antrieb der Turbine
aus den einzelnen Brennkammern zur Verfügung stehende Eilergiemenge entsprechend
zu steigern.
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Um besondere Überströmventile, deren-Dichthaltung und Kühlung bei
den hohen Brennkammertemperaturen Schwierigkeiten bereitet, zu 'vermeiden-, werden
zweckmäßig die von den Brennkammern beaufschlagten Kolben räumlich neben oder zwischen
der Turbine einerseits und den Zylindern des Kolbenverdichters andererseits angeordnet,
und zwar so, daß sie bei ihrer Bewegung zugleich auch die Düsenöffnungen der Turbine
steuern. -
Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung in Abb.
i einen Längsschnitt durch eine Brennkraftturbine, in Abb. --, den Teil eines
Querschnittes durch die Verdichterzylinder.
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Die dargestellte Brennkraftturbine besteht « a , us
vier Hauptteilen, nämlich der Turbine I, Antriebsbrennkraftmaschine II für den .Verdichter,
dem lediglich als Pumpe- arbeitenden Verdichter III und der Anlaß- oder Lichtmaschine
IV mit Zündanlage.
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In dem Turbinengehäuse i ist das Turbinenlaufrad:2 gelagert, welches
zwei Düsenkränze4 und 5 trägt. Die Welle 6 des Turbinenrades ist auf
der einen Seite in einem Gehäusedeckel 7 und auf der anderen Seite in einem
Deckel 8 gelagert.
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Das Turbinengehäuse i ist nach der rechten Seite hin erweitert und
enthält zugleich die sternförmig angeordneten Zylinder der Brennkraftmaschine II-
und des Verdichters III, von denen bei der Brennkraftmaschine die Zylinder
9 und io, bei dem Verdichter die Zylinder i i und 12 sichtbar sind. Die Zylinder
9 und i o der Brennkraftmaschine undihre Kolben 13 und 14 sind dem
Durchmesser nach erheblich kleiner als die Zylinder i i und 12 des Verdichters und
ihrer Kolben 15 und 16. Sämtliche Kolben des Verdichters sind an einem gemeinsamen
Kurbelzapfen 17 einer Welle 18 gelagert, die von der Turbinenwelle
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getrennt ist. Die Welle 18 trägt an einem Ende eine Exzenterscheibe ig,
an der die Kolben der Brennkraftmaschine II gelagert sind, und an dem anderen Ende
den Läufer der Anlaß- oder Lichtmaschine IV, von der nur das Gehäuse 2o dargestellt
ist.
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Die Zylinder der Brennkraftmaschine und des Verdichters sind nach
außen hin durch Zylinderköpfe-,>i,:22 abgedeckt, weiche die Brennkammern
23, 24 enthalten. Diese Brennkammern sind nach den Zylindern 9 und
io der Brennkraftmaschine offen, mit den Zylindern i i und 12 des Verdichters jedoch
durch Leitungen:25, 26 verbunden, in denen je ein nach den Brennkammern
sich öffnendes Rückschlagventil 27, 28 angeordnet ist.
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Unmittelbar inden Wandungen der Brenn-1,iaftmaschinenzylinder
9, io sind die Leitdüsen :29, 3o angeordnet, deren Einlässe von den Kolben
13, 14 der Brentikraftinaschine gesteuert werden. Die Brenngase strömen aus den
Leitdüsen:29, 30 zunächst durch den Schauf elkranz 4 des Turbinenlaufrades,
dann ,durch ortsf este Umkehrkanäle 3 1, die am Umfange des Turbinengehäuses
angeordnet sind, um dann durch die zweite Schaufelstufe 5 in die Austrittsleitung
32 zu gelangen. Die Zylinderköpfe 2,1, 2,-, sind mit Öffnungen zum
Durchlaß der Zündkerzen 33 versehen, die über Leitungen 34 mit den Zündspulen
35 in Verbindung stehen, welche an den am Ende der Verdichterwelle 18 angeordneten
Unterbrecher
36 der Zündvorrichtung angeschlossen sind.
Die Licht- und Zündmaschine ist nach außen hin durch Gehäuse 37, 38 abgedeckt.
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Die Hubräume der Zylinder i i und 12 des Verdichters stehen durch
Einlaßschlitze 39
mit dem Innenraum4o des Verdichterkurbelgehäuses in Verbindung,
welches seinerseits durch einen Saugkana141 an den nicht dargeste ' llten
Vergaser der Maschine angeschlossen ist.
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Wird die Verdichterwelle iS mittels des Anlassers IV in Drehung versetzt,
so saugen die Kolben des Verdichters III bei ihrer Bewegung nach innen die zu verdichtende
Ladung aus dem Kurbelgehäuse an. Bei ihrer Bewegung nach außen drücken diese Kolben
dann die Ladung unter Öffnun- der Rückschlagventile 27, 28 in die zugehörigen
Brennkammern 23, 24. Das Fassungsvermögen der Brennkammern ist gegenüber
dem Hubraum der zugehörigen Verdichterzylinder entsprechend kleiner, so daß das
übliche Verdichtungsverhältnis erreicht wird. Die Kolben der Brennkraftmaschine
II sind gegenüber den Kolben des Verdichters III so angeordnet, daß diese Kolben
nach der Füllung der Brennkammern etwa gleichzeitig in die äußere Totpunktlage kommen,
wie es in Abb. i für die unten befindlichen Kolben 14 und 16 dargestellt ist. Die
nach erfolgter Zündung in der Brennkammer 9-4 eintretende Druckerhöhung schließt
einerseits das Rückschlagventil :28 und treibt andererseits den Kolben 14 arbeitverrichtend
abwärts. Der Arbeitsllub ist relativ klein und so bemessen, daß nur die für den
Antrieb des Verdichters III und der Hilfsmaschine IV erforderliche Leistung an die
Brennkraftmaschine abgegeben wird. Ist diese Leistung abgegeben, so deckt der Kolben
14 mit seiner Bodenkante die Öffnung der Düsen 3o auf, so daß die Druckgase nach
der Turbine überströmen und die potentielle Energie der Gase in kinetische Energie
umgewandelt wird, die in dem zwei- oder mehrstufigen Turbinenrad bis auf Atmosphärenspannung
ausgenutzt wi'rd.
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Um günstige Wirkungsgrade für die Turbine zu erzielen, müssen die
Düsen einen möglichst engen Querschnitt haben. Kleine Düsenquerschnitte verlängsamen
aber die Entleerungsdauer der Brennkammern und machen es daher erforderlich, daß
die Düseneinlässe verhältnismäßig lange geöffnet bleiben. Da nun die Kolbenmaschine
nach einem Kreisverfahren arbeitet und der Saugwirkungsgrad des Verdichters von
der Brenn-ZD kammerentleerung völlig unabhängig ist, können günstige Öffnungszeiten
für die Düsenauslässe vorgesehen werden.
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Entsprechend der gleichmäßigen Verteilung der wärmeabführenden Antriebsarbeit
für den Verdichter und die Hilfsmaschinen auf alle Brennkammern werden die Brennkarnmertemperaturen
ohne künstliche innere Kühlung so weit herabgesetzt, wie es für eine gute Schaufelung
zulässig ist. Trotz der durch die Verminderung der Entspannungsarbeit bedingten
Temperaturerhöhung kann daher bei dieser Maschine eine Einspritzwasserkühlung unterbleiben.
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Der einheitliche, gedrängte Zusammenbau der Maschine, die Erhöhung
der Turbinenleistung und die Begrenzung der Ternperaturen ohne Wassereinspritzung
ermöglichen eine weitgehende Anwendung der Brennkraftturbine nach der Erfindung,
insbesondere auch ihre Anwendung für den Antrieb von Kraftfahrzeugen.