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Zweitaktbrennkraftmaschine mit Abgasturbinenkreiselgebläse und Rohrschiebersteuerung
Die Erfindung betrifft eine Zweitaktbrennkraftmaschine, die mit einem Abgasturbinenkreiselgebläse
versehen ist und bei der in bekannter Weise zwischen Arbeitskolben und Zylinder
ein rohrförmiger Steuerschieber vorgesehen ist, der sich relativ zum Arbeitskolben
bewegt und gegen Ende des Arbeitshubes des Arbeitskolbens vor Eröffnung der Spüllufteintrittsschlitze
im Zylinder von diesem getrennte, im Zylinder angeordnete Abgasaustrittsschlitze
öffnet.
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Es ist bekannt, die Verbrennungsgase einer Zweitaktbrennkraftmaschine
zwecks besserer Ausnutzung ihrer Energie nach dem Austritt aus dem Brennkraftmaschinenarbeitszylinder
durch besondere Steuerorgane nach ihrer zeitlichen Folge in Teile höheren und niederen
Druckes zu zerlegen und dabei einen Teil der Verbrennungsgase einer ersten- Turbinenstufe
zuzuführen und den übrigen Teil entweder frei entweichen zu lassen oder in tiefere
Stufen zu leiten oder aber mit der ganzen Auspuffgasmenge ein Lind dasselbe Turbinenlaufrad
zu beaufschlagen.
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Die bis jetzt bekanntgewordenen Ausführungsvorschläge für derartige
Auslaßsteuerungen von Brennkraftmaschinen mit Abgasturbinenvorverdichteranlagen
haben alle zwei Nachteile: i. Dadurch, daß die hochgespannten heißen Verbrennungsgase
zwei Steuerstellen und den unvermeidlich dazwischenliegenden schädlichen Raum passieren
müssen, bevor sie vor die Turbinenlaufschaufeln, kommen, nämlich den Hauptauslaß,
gesteuert durch die Auslaßschlitzoberkante und die Arbeitskolbenoberkanteeinerseits
und andererseits jenes Steuerorgan, das die zeitliche Trennung der Verbrennungsgase
in hochgespannte und niedriggespannte Gase besorgt, entsteht durch Drosselung ein
bedeutender Druckabfall. Durch diesen Druckabfall entsteht ein Leistungsverlust
für die Beaufschlagung der Turbinenlaufschaufel und eine wesentliche Erschwerung
der Betriebsbedingungen, unter denen sie arbeiten, da jener Druckabfall durch Drosselung
sich in eine Temperaturerhöhung der Verbrennungsgase vor der Turbine umwandelt,
2. Der zweite Nachteil besteht in der bedeutenden baulichen Verwicklung, in -der
Erhöhung des Gesamtgewichtes, der Verteuerung und in der bedeutenden Heruntersetzung
der Betriebssicherheit der gesamten Brennkraftmaschinengruppe durch jene mechanisch
angetriebenen, in. der - heißen Auspuffleitung angeordneten zusätzlichen Steuerorgane,
die die zeitliche Trennung der hoch- und niedriggespannten
Verbrennungsgäse
vornehmen müssen.
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Die genannten Nachteile sind derart groß, daß sich solche Maßnahmen
nicht einmal'' Maschinen für Sonderzwecke durchset, konnten.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt nun;^ diese Aufgabe zu lösen. Gemäß
der Erfindung werden nämlich die Auslaßschlitze im Zylinder so angeordnet, daß sie
von dem Rohrsteuerschieber geöffnet werden vor der Eröffnung von besonderen Spülluftaibgasgemischaustrittsschlitzen.
Der Rohrsteuerschieber schließt dann die Abgasaustrittsschlitze zu Beginn der Eröffnung
der Spüllufteintrittsschlitze und der Spülluftabgasgemischaustrittsschlitze wieder
ab. Dadurch ist eine zweite Steuer- und Drosselstelle in der Turbinenzuleitung außerhalb
der Schlitze im Zylinder sowie der dazwischenliegende schädliche Raum und alle damit
zusammenhängenden Nachteile völlig ausgeschaltet. Es ergeben sich gleichzeitig große
Durchgangsquerschnitte sowohl für die heißen hochgespannten Verbrennungsgase für
die Turbine wie auch für die mit Spülluft gemischten Verbrennungsgase, die ins Freie
entweichen, da die Auslaßschlitze am ganzen Schieber und Zylinderumfang angeordnet
werden können. Ebenso ergeben sich zufolge der durch die Erfindung bedingten Anordnung
des Vorauspuffes zur Turbine nahe dem unteren Arbeitsraumende und der Anordnung
der Einlaßschlitze über oder in Sonderfällen auch unter demselben nahe dem oberen
oder am untersten Arbeitsraumende günstige Anordnungsmöglichkeiten für das Abgasturbinengebläse.
Dieses läßt sich mit einer Welle und mit übereinander angeordneten Turbinen- und
Verdichterlaufrädern so bauen, daß deren Spiralgehäuse unmittelbar auf die Ein-
und Auslaßsammelgehäuse der Steuerschlitze in den Zylindern zü liegen kommen.
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Die Abb. i veranschaulicht nun einen Querschnitt durch zwei Arbeitszylinder,
das Kurbelgehäuse und durch die Turbinen- und Verdichterlaufräder sowie durch die
Spül-und Ladeluftzuleitung und Abgasleitungen einer Brennkraftmaschine mit V-förmig
in zwei Reihen angeordneten Zylindern gemäß der Erfindung.
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Die Abb. 2 veranschaulicht im Querschnitt durch einen Arbeitszylinder
eine andere Ausführung des Vorauslasses aus dem Arbeitsräum zur Turbine, bei der
die heißen hochgespannten Verbrennungsgase für die Turbine in zwei zeitlich aufeinanderfolgenden
Teilströmen verschiedenen Druckes dem Arbeitsraum entnommen werden.
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Die Abb.3 veranschaulicht einen Schnitt A-B durch den Vorauspuffsammelkanal
und die Vorauspuffschlitze im Zylinder und Schieber. Ein Schnitt C-D durch das Spülluftäbgasgemischsammelgehäuse.
und die Spül-'';:@ ztftabgasgemischaustrittsschlitze in Zylinder @" d Schieber ist
genau gleich.
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Die Abb. q. veranschaulicht einen Schnitt @_-F durch den Spülluftsammelkanal
und die Spülschlitze im Zylinder.
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In den- Abb. i und 2 ist i der Arbeitszylinder mit dem dazugehörigen
Rohrsteuerschieber 2 mit seiner oberen Steuerkante 20 und dem Arbeitskolben 3 mit
seiner steuernden Oberkante 3, und seiner Unterkante 3u-
4 sind die
Auslaßschlitze im Rohrschieber und 5 im Zylinder, durch welche die heißen hochgespannten
Verbrennungsgase in den Sammelkanal 6 und von hier durch das Spiralgehäuse 15 der
Turbine 13 und deren Leitschaufeln 1q.' und durch die Turbinenlaufschaufeln 14.
in den Diffusor 16 und von hier ins Freie gelangen. 7 sind die Austrittsschlitze
im Rohrschieber und 8 im Zylinder, durch die das Spülluftabgasgemisch in den Sammelkanal
g und von hier durch den Austritt g` in den Diffusor 1.6 gelangt.
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io sind die Einlaßschlitze im Zylinder, durch die die Spül- und Ladeluft
aus dem Sammelkanal i i in den Arbeitsraum gelangt. Die Spülluft und Ladeluft wiederum
wird von dem Gebläselaufrad 17 durch den Stutzen i9 angesogen: und durch das« Spiralgehäuse
2o und die Zuleitung zum Sammelkanal i i gedrückt. Das Gebläselaufrad 17 sitzt gemeinsam
mit dem Turbinenlaufrad auf der Welle i8 und übernimmt dadurch vomTurbinenlaufrad
die zur Förderung und Verdichtung der Spül- und Ladeluft erforderliche Energie.
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Die Ausführungsform des Arbeitszylinders, dargestellt durch Abb.2,
unterscheidet sich von der Ausführungsform in Abb. i nur dadurch, daß die Austrittsschlitze
5 und der Austrittssammelkanal6, der die Verbrennungsgase zur Turbine leitet, in
zwei getrennte, übereinander angeordnete Schlitzreihen und Sammelkanäle unterteilt
ist, und zwar derart, daß die Gesamtheit der Verbrennungsgase, die zur Turbine geleitet
werden, durch die Austrittsschlitze 51 und den Sammelkanal 61 und die Austrittsschlitze
52 und den Sammelkanäl62- entsprechend der zeitlichen Druckfolge der Gase in zwei
zeitlich aufeinanderfolgende Teilströme geteilt und entsprechenden Turbinenlaufrädern
oder entsprechenden Beaufschlagungskranzstücken ein und desselben Laufrades zugeführt
werden. Bei mehreren Zylindern werden die einander entsprechenden Teilströme der
heißen hochgespannten Verbrennungsgase verschiedener Zylinder in entsprechenden
Rädern oder entsprechenden Beaufschlagungskranzstücken
ein und desselben
Laufrades zusammengefaßt.
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Abb. 5a, 5ib und 5c stellen drei Schaubilder für die Bewegung des
Arbeitskolbens und des Steuerschiebers dar und die aus der Zusammenarbeit der Schlitze
4 und 7 im Rohr= steuerschieber, der Schlitze 5, 51 und 52 und 8 im Arbeitszylinder
und der Arbeitskolbenoberkante 3o resultierenden Zeitquerschnitte für den Austritt
der heißen hochgespannten Verbrennungsgase in den Sammelkanal 61, 62 und 6 zur Turbine,
den Austritt des Spülluftabgasgemisches durch die Schlitze 5 und 7 des Rohrschiebers
und 8 des Zylinders in den ins Freie führenden Sammelkanal 9 und den Eintritt der
Spülluft aus dem Sammelgehäuse i i durch die Schlitze io in den Arbeitszylinder.
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Aus Abb. i ist noch das Kurbelgehäuse i2 und der Arbeitskurbeltrieb
beispielsweise ersichtlich, aus dem die Weg X Zeit-Kurven 5a, 5v und 5, der steuernden
Arbeitskolbenoberkante 3, abgeleitet wurden.
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Dies geschah derart;- daß eine ganze Kurbelumdrehung, also der Kurbelkreis
T, in zwölf Teile eingeteilt und waagerecht von links nach rechts abgetragen wurde,
während senkrecht zu jedem dieser Punkte die zugehörige ArbeitskolbenoberIiantenstellung
eingezeichnet wurde. In die so entstandenen drei Weg X Zeit-Schaubilder der steurnden
Arbeitskolbenoberkante 3, wurden in' gleichem Maßstab zu den zwölf Arbeitskolbenoberkantenstellungen
die zugehörigen Stellungen der steuernden Ober- und Unterkanten 4, und 4" und
7, und 7" der Rohrsteuerschieberauslaßschlitze 4 und 7 für die heißen hochgespannten
Verbrennungsgase und das Spülluftabgasgemisch sowie der den Eintritt der Spülluft
steuernden Rohrschieberoberkante 2a eingezeichnet. Und endlich durch Einzeichnung
der festen Ober- und Unterkanten 5, und 5" in Abb. 5a und 5c, 5"1 und 5a1
und 5a2 und 5,1 in Abb. 5b jener Schlitze 5, 51 und 52 im Arbeitszylinder i, die
die heißen hochgespannten Verbrennungsgase in den Sammelkanal 6, 61 und 62 und von
hier zur Turbine leiten, der festen Oberund'Unterkanten ioo und ioa, jener Schlitze
io, die die Spül- und Ladeluft in den Arbeitsraum einführen, und der festen Ober-und
Unterkanten 8, und 8u jener Schlitze 8, die das Spülluftabgasgemisch durch
den Sammelkanal 9 ins Freie leiten, entstanden die Abb.5a, 5'b und 5c über den zeitlichen
Verlauf aller Steuerquerschnitte während eines ganzen Arbeitsspieles. Die Kanäle
im Arbeitszylinder, der Arbeitskolben und der Rohrsteuerschieber mit seinen Auslaßschlitzen
und seiner steuernden Oberkante arbeiten nun folgendermaßen zusammen: Der Arbeitskolben
3 bewegt sich unter dem Drucke der Verbrennungsgase von seinem oberen Totpunkt gegen
seinen unteren Totpunkt hin und gibt über die Pleuelstange Ärbeit an die Kurbelwelle
ab. Um den Kurbelwinkel a nacheilend oder voreilend und mit kleinerer mittlerer
Geschwindigkeit bewegt sich der Rohrsteuerschieber 2 in gleicher Richtung. Etwa
ein Drittel vor dem unteren Totpunkt des Arbeitskolbens treffen sich gleichzeitig
die Arbeitskolbenoberkante 30, die Oberkante q, der Auslaß: schlitze 4 im Rohrsteuerschieber
2 und die Oberkante 50, 5,1 der Schlitze 5, 51 im Arbeitszylinder i. Da der
Arbeitskolben hier im Gebiete seiner größten Geschwindigkeit ist, während die Geschwindigkeit
des Rohrsteuerschiebers hier mäßig ist, weitet sich der Spalt zwischen der Arbeitskolbenoberkante
30 und der Oberkante 4p der Rohrsteuerschieberauslaßschlitze 4 rasch, und die heißen
hochgespannten Verbrennungsgase strömen mit geringstem Drosselverlust durch den
offenen Spalt und die Schlitze 5, 51 und den Sammelkanal 6 und das Spiralgehäuse
15 auf kürzestem Wege vor die Turbinenleitschaufeln 14' und Turbinenlaufschaufeln
14. Ist der Auslaß zur Turbine in mehrere, beispielsweise zwei in ihrer Eröffnung
zeitlich aufeinanderfolgendeSchlitzreihen und Sammelkanäle unterteilt, wie das in
Abb.2 und Abb. 5b veranschaulicht ist, dann erfolgt mit Vorzug die Eröffnung des
zweiten Sammelkanals durch Übergleiturig der festen Oberkante 5ö der Schlitze 52
im Arbeitszylinder i gleichzeitig durch die Arbeitskolbenoberkante 3, und
die Steuerkante 4" der Auslaßschlitze 4 im Rohrsteuerschieber. Unmittelbar nachher
erfolgt der Abschluß des ersten Sammelkanals durch Übergleitung der festen Unterkante
5u1 im Arbeitszylinder durch die obere Steuerkante 4a der Auslaßschlitze 4 im Rohrsteuerschieber
2.
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Bei Ableitung der heißen hochgespannten Verbrennungsgase zur Turbine
gemäß der Erfindung ist es nun so, daß im Augenblick, da der Druck im Arbeitszylinder
auf den Spül- und Ladedruck im Sammelkanal i i ader nahezu auf denselben heruntergefallen
ist, die Rohrschieberaberkante 2, die feste Oberkante ioo der Spülschlitze io übergleitet
und daß gleichzeitig oder unmittelbar etwas vorher oder etwas nachher einerseits
die Arbeitskolbenoberkante 30, die Oberkante 70 der Rohrschieberauslaßschlitze 7
und die feste Oberkante 8a der vorzugsweise durch den Sammelkanal 9, den Austritt
g1 und den Diffusor 16 ins Freie führenden Schlitze 8 im Arbeitszylinder i und andererseits
gleichzeitig oder unmittelbar nachher die Oberkante 4, der Rohrschieberauslaßschlitze
4 Lind
die Unterkante 5, 51t2 der festen Auslaßschlitze 5,
5= im Arbeitszylinder i sich treffen. Das heißt, der Austritt der hochgespannten
Verbrennungsgase zur Turbine wird nahezu oder in dem Augenblick sauber und in einfachster
Weise abgeschlossen, da das gründliche Ausspülen der niedriggespann_ ten Restgase
durch die nahe dem oberen Ende des Arbeitszylinders eintretende Spül- und Ladeluft
beginnt. Dieses Ausspülen dauert an, bis der Arbeitskolben 3 und der Rohrsteuerschieber
2 ihre untere Totlage nahezu erreicht oder überschritten haben und der Arbeitskolben
3 mit seiner Oberkante 3, die Oberkante 4, der Auslaßschlitze 4 im Rohrsteuerschieber
z eingeholt und überglitten hat oder vorher -schon die Unterkants 4" der Schlitze
4 im Rohrsteuerschieber 2 die Oberkante 8, der Auslaßschlitze B. im Arbeitszylinder
i- überglitten und den Austritt aus dem Arbeitsraum abgeschlossen hat.
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Es kann nun die Lage der steuernden Oberkante ioo der Spülschlitze
io im Arbeitszylinder in bezug auf die steuernde Rohrschieberaberkante 2, derart
gewählt wer-. den, daß die Spül- und Ladeschlitze io nach erfolgtem Abschluß der
Spülluftabgasgemischaustrittsschlitze 6 noch während der Zeit TL offen bleiben
und ein kräftiges Aufladen des Arbeitsraumes mit Frischluft auf den Spüldruck gewährleisten.
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Durch Wahl des Phasenwinkels a der Bewegung des Rohrsteuerschiebers
gegenüber der Bewegung des Arbeitskolbens sowie der relativen Lage der einzelnen
festen und beweglichen Steuerkanten im Arbeitszylinder und Rohrsteuerschieber sowie
durch Wahl des zeitlichen Geschwindigkeitsverlaufes der Rohrsteuerschieberbewegung
während eines Hinundherganges ist es möglich, die Steuerquerschnitte, Steuerzeiten
und Überschneidungen in weiten Grenzen zu ändern und jeder Maschine und ihrer besonderen
Aufgabe anzupassen.
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So dürfte es beispielsweise bei Maschinen für den Flug in großen Höhen,
also Entleerung des Spülluftabgasgemisches aus dem Arbeitsraum gegen Unterdruck,
von Vorteil sein, die Steuerschaubilder in Abb. 5ä und 5b dahin abzuändern, daß
man den Zeitquerschnitt für den Austritt der heißen hochgespannten Verbrennungsgase
zur Turbine vergrößert, während der Spülluftabgasgemischaustrittsquerschnitt ins
Freie zugunsten des Zeitquerschnittes zur Turbine kleiner gemacht wird, was auch
zulässig ist, da die Spülung außerordentlich begünstigt wird durch den geringen
atmosphärischen Druck außerhalb des Arbeitsraumes in großer, Flughöhe.
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Deswegen werden die Einlaßschlitze für die Spülluft auch mit Vorzug
erst am Ende der Eröffnungs- oder zu Beginn der Abschlußzeit des Sp.ülluftabgasgemisches
geöffnet, um ihren größten Eröffnungsquerschnitt erst nach Abschluß des Spülluftabgasgemi'schaustrittes
ins Freie zu erreichen, wodurch auch für große Flughöhen eine Rufladung des Arbeitsraumes
mit Frischluft auf Bodendruck oder darüber hinaus sichergestellt ist.
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Ein derartiges Steuerschaubild zeigt Abb. 5c. Es ist in genau gleicher
Weise entstanden wie die Schaubilder 5a und 5b. Bei allen drei Steuerschaubildern
können die Schlitze 7 und 8, mit Sammelkanal 9 und die Schlitze io mit Sammelkanal
i i in ihren Verrichtungen vertauscht werden, falls aus irgendwelchen Gründen sich
Vorteile bieten.
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Bei Ein- oder Mehrreihenmaschinen der V-, W-, X- oder Sternbauweise
ergibt der Austritt der Verbrennungsgase an den unteren Enden der Arbeitszylinder
zur Turbine insofern bedeutende thermodynamische und bauliche Vorteile, als ein
oder mehrere Abgasturbinenvorverdichter gemäß Abb. i derart seitlich an die Zylinderreihen
angebaut werden können, daß einerseits der kurze, aber breite und flache Einlaufstutzen
der Gase zur. Turbine in die Ebene der Auslaßkanäle der heißen hochgespannten Verbrennungsgase
für die Turbine an den unteren Enden der Arbeitszylinder zu liegen kommt und demzufolge
die heißen hochgespannten Verbrennungsgase durch kurze Kanäle in die Turbine fließen
und -andererseits genau in gleicher Weise der Turbinenvorverdichter mit seinem Druckspiralgehäuse
in die Ebene der Eintrittskanäle in die Arbeitsräume nahe den oberen Enden der Arbeitszylinder
zu liegen kommt, so daß die Spül- und Ladeluft aus dem Spiralgehäuse auf kürzestem
Wege in die Arbeitsräume fließt.
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Wählt man noch die Lage der Turbine derart, daß die Gase die Turbinenleit-
und Laufschaufeln gleichsinnig mit der Spülrichtung in. den Arbeitszylindern durchfließen,
so kommt der Auspuff aus der Turbine vor die Spülluftabgasgemischaustrittsschlitze
an den unteren Enden der Arbeitsräume zu liegen, d. h. das Spülluftabgasgemisch
aus den Arbeitszylindern kann auf kurzem Wege in den Auspuffsammler der Turbine
geführt und mit- dem Auspuff der Turbine durch ein gemeinschaftliches Rohr abgeleitet
werden.
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Bei Maschinen, bei denen die Spülluft am unteren Ende des Arbeitsraumes
eingeführt wird, -während der Auslaß des Spülluftabgasgemisches nahe dem oberen
Ende erfolgt, unterscheiden sich die Abgasturbinenvorverdichter von den vorhergehenden
nur dahin,
daß entsprechend der Lage der Auslaßkanäle der heißen
hochgespannten Verbrennungsgase für die Turbine und dem Einlaß der Spülluft in den
Arbeitszylindern die Turbine über dem Gebläse angeordnet ist.
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Bei Sternmotoren wird die Turbine vorzugsweise zentral hinter dem
Motorkurbelgehäuse angeordnet.
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In allen diesen Fällen können die aus dem Arbeitszylinder austretenden
Spülluftabgasgemische dort in den Turbinenauspuffsammler geleitet werden, wo die
Geschwindigkeit der aus dem Turbinenlaufrad austretenden Gase am höchsten ist, also
möglichst nahe den Laufschaufelnaustrittskanten, so daß der letzte Rest der kinetischen
Energie der aus der Turbine austretenden Gase noch dazu herangezogen wird, um die
restlichen Spülluftabgasgemische aus dem Arbeitszylinder abzusaugen. Es setzt das
natürlich voraus, daß jenes, die aus dem Turbinenlaufrad und den Arbeitszylindern
austretenden Gase sammelnde Rohr möglichst diffusorartig ausgebildet ist und die
aus dem Arbeitszylinder seitlich einströmenden Spülluftabgasgemische sich der Hauptströmung
möglichst störungsfrei anschmiegen. Ein derartiger Lösungsvorschlag ist bereits
in Abb. i enthalten. Das Sammelgehäuse 15 wird dabei vorzugsweise in mehrere Beaufschlagungskranzstücke
unterteilt, und zwar derart, daß in ein und demselben Kranzstück diejenigen Arbeitszylinder
der Brennkraftmaschine zusammengefaßt werden, deren Austrittssteuerzeiten der heißen
hochgespannten Verbrennungsgase für die Turbine sich nur leicht oder gar nicht überschneiden.
Wird auch das Sammelgehäuse 91 in entsprechende 'Kranzstücke unterteilt, so sollen
diejenigen Beaufschlagungskranzstücke 15 und 91, deren Arbeitszeiten zusammenfallen,
derart übereinander zu liegen kommen, daß die Spülluftabgasgemische dort in den
Diffusor eingeführt werden, wo in demselben Augenblick die Austrittsgeschwindigkeit
der Gase aus den Turbinenlaufschaufeln 1q, am größten ist.