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Fahrzeugbrennkraftmaschine für wechselnde Höhenlagen Mit zunehmender
Höhe über dem Meeresspiegel nimmt die in einer Brennkraftm,aschine erzielbare Leistung
ab. Diesen Leistungsabfäll kann man ausgleichen, wenn die Verbrennungsluft vor Eintritt
in die Brennkraftmaschine in einem besonderen Verdichter auf den Druck, der in Erdnähe
herrscht, verdichtet wird. In großen Höhen ist nun aber zur Verdichtung der gesamten
Luftmenge auf den in Erdnähe herrschenden Druck eine ganz bedeutende Antriebsleistung
erforderlich, die den Betrieb der Brennkraftmaschine im höchstem Grad unwirtschaftlich
gestalten würde. Man verwendet daher zur Vorverdichtung der Luft Abgasturbogebläse,
welche die Energie der Abgase zur Luftverdichtung ausnutzen. Infolge des Zusammenarbeitens
zwischen Motor und Abgasturbine und Gebläse und Motor ist es nun nicht möglich,
mit einem Abgasturbogebläse ohne besondere Regelvorrichtungen die Leistung der Brennkraftmaschine
in jeder Höhe gleich zu halten. Die Leistungsabnahme mit zunehmender Höhe ist bei
Verwendung eines Abgasturbogebläses allerdings weit geringer als bei einer Brennkraftmaschine
ohne Abgasturbogebläse, sie ist aber doch je nach Veränderlichkeit des Wirkungsgrades
des Abgasturbogebläses mehr oder weniger groß. In Abb. i ist das von einem Abgasturbogebläse
geförderte Luftgewicht in Abhängigkeit. vom Luftaußendruck aufgetragen. Dieausgezogene
Kurve stellt- das Luftgewicht bei gleichbleibendem adiabatischen Wirkungsgrad des
Abgasturbogebläses dar und die gestrichelte Kurve bei mit der Höhe abnehmendem Wirkungsgrad
von 50 auf 45 °/o. Da bei gleichbleibender Leistung und =gleichen Temperaturverhältnissen
die Luftüberschußzahl annähernd gleichbleibt, ist die Änderung des
Luftgewichtes
bleichbedeutend mit der Änderung der indizierten Leistung.
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Es ist nun bereits vorgeschlagen worden, für die Luftversorgung von
Flugmotoren zwei Kreiselgebläse hintereinanderzuschalteu, die von je einer Abgasturbine
angetriebün werden, welche von zwei parallel laufenden Abgasströmen beaufschlagt
sind, um im Frischgasrohr des Motors einen Druck zu erhalten, welcher etwa dem normalen
Barometerdruck am Erdboden entspricht. Diese Turbinenanordnung hat aber verschiedene
Nachteile. Da beide Abgasturbogebläse in verschiedenen Höhen mit verschiedenen Gefällen
arbeiten, ist es nicht möglich, das eine Abgasturbogebläse dauernd im Gebiet des
günstigsten Wirkungsgrades laufen zu lassen. Ferner kann z. B. beim Betrieb in Bodennähe
eine Abschaltung einer der beiden Turbinen nicht erfolgen, wenn man nicht die Hälfte
der Abgase unausgenutzt ins Freie entweichen lassen will.
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Es ist ferner bekannt, zur Erzielung einer möglichst hohen Leistung
bei mit Abgasturbogebläse ausgerüsteten Brennkraftmaschinen, die bei der Entspannung
der Verbrennungsgase bei Öffnung des Auslaßventils freiwerdende Energie durch zweckmäßige
Bemessung und Anordnung der Auspuffleitungen auszunutzen und außerdem Vorkehrungen
für eine möglichst wirksame Spülung der Zvlinder der Brennkraftmaschine zu treffen.
LTm eine Störung der Spülung durch die Auspuffstöße zu verhindern, unterteilt man
zweckmäßigerweise die Auspuffleitung je nach der Zündfolge und der Kurbelversetzung.
Man hat bei vielzylindrigen Brennkraftmaschinen also immer mehrere Auspuffleitungen
und entsprechend mehrere Düsenkammern an der Abgasturbine.
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Wollte man daher ein derartiges Abgasturbogebläse regeln, dann müßten
die Regelvorrichtungen bei jeder Düsenkammer angebracht werden, was außer einer
sehr unerwünschten Gewichtsvermehrung beachtliche bauliche Schwierigkeiten bietet.
Bei der Regelung der Abgasturbine durch Umführung von Luft aus dem Gebläse unter
Umgehung des Motors in die Abgasturbine ist außerdem noch die Tatsache unangenehm,
daß durch die Ausnutzung der Auspuffstöße beim Öffnen des Auslaßorgans in der Auspuffleitung
kein gleichbleibender, sondern ein erheblich schwankender Druck herrscht. Während
der mittlere Auspuffdruck vor der Abgasturbine unterhalb des Luftdruckes hinter
dem Gebläse liegt, überschreiten die Druckspitzen in der Auspuffleitung den Luftdruck
ganz beträchtlich. Bei Luftuinschleusung kann also während dieser Druckspitzen Abgas
in die L: mführungsleitung zurückströmen. @ Da dieses Rückströmen periodisch im
Takt der Brennkraftmaschine auftritt, kann ein lebhaftes Hinundherpendeln verursacht
werden.
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Nach der Erfindung werden nun für Höhenlugbrennkraftmaschinen zwei
Abgasturbogebläse vorgesehen, die es gestatten, bis in größte Höhen die Brennkraftmaschine
mit praktisch gleichbleibender Leistung zu betreiben. Das Abgasturbogebläse, in
-das die Abgase der Brennkraftmaschine zuerst eintreten, arbeitet mit veränderlichem
Druck vor den Düsen der Abgasturbine. Diese Turbine nützt also die durch die Entspannung
der Verbrennungsgase freiwerdende Energie aus und hat je nach der Zylinderzahl der
Brennkraftmaschine mehrere getrennte Düsenkammern. Nach Durchströmen der ersten
Abgasturbine werden die Abgase in eine zweite Abgasturbine geleitet. Die vor dem
Eintritt in die erste Turbine bestehenden Druckschwankungen werden in der ersten
Turbine ziemlich abgeschwächt. Durch eine weite Leitung von der ersten Turbine zur
zweiten Turbine werden die Druckschwankungen noch «-eiter abgeschwächt, so daß vor
der zweiten Turbine ein praktisch gleichbleibender Druck herrscht. Die zweite Turbine
hat nur eine einzige Düsenkammer.
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Die Luftführung ist der Abgasführung entgegengesetzt, d. h. die Außenluft
wird von dem mit der zweiten Abgasturbine gekuppelten Turbogebläse angesaugt und
hier auf etwa i,o atü verdichtet. Dann wird sie dem mit der ersten Abgasturbine
gekuppelten Turbogebläse zugeleitet und hier auf den für die Spiilung und Aufladung
des 'Motors erforderlichen Druck verdichtet.
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Wenn man die beiden Abgasturbogebläse ohne jede besondere Regelungsvorrichtung
betreibt, dann kann man wohl eine größere Höhe mit einer größeren Motorleistung
erreichen. eine Abnahme der Motorleistung ist aber auch hier mit zunehmender Höhe
festzustellen. Da nun aber die zweite Abgasturbine nur eine Düsenkammer hat und
mit annähernd gleichbleibendem Druck vor der Düsenkammer arbeitet, ist hier die
Anordnung einer Regelung ohne weiteres möglich. Außerdem ist durch die vorhergehende
Entspannung der Abgase in der ersten Turbine bereits eine gewisse Temperaturabsenkung
eingetreten, so daß sich der Betrieb der Regelvorrichtungen einfacher gestaltet.
Durch eine entsprechende Regelungsvorrichtung, die entweder in Luftumschleusung
oder in Änderung des Düsenquerschnittes bestehen kann, ist man in der Lage, bis
in große Höhen eine gleichbleibende Leistung der Brennkraftmaschine zu erzielen.
Das erste Abgasturbogebläse bekommt dabei unabhängig von der Höhe stets das gleiche
Luftgewicht und auch etwa das gleiche Luftvolutuen
von dem zweiten
Abgasturbogebläse zugeführt und hat es auf ein. ebenfalls unabhängig von der Höhe
gleichbleibendes Druckverhältnis zu verdichten. Die Drehzahl des Abgasturbogebläses
bleibt daher auch annähernd gleich.
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In Weiterausbildung der Erfindung wird das erste Abgasturbogebläse,
das die aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgase unmittelbar aufnimmt; unter
Zwischenschaltung eines Getriebes mit der Brennkraftmaschine gekuppelt. Diese Maßnahme
hat den Vorteil, daß in den Fällen, in denen die Abgasenergie nicht ganz zum Antrieb
der Spül- und Aufladegebläse ausreicht, was z. B. beim Anfahren und beim Leerlaufbetrieb
von Zweitaktbrennkraftmaschinen eintreten kann, der Betrieb doch noch gesichert
ist. Ferner kommt der mechanischen Kupplung des ersten Abgasturbogebläses mit der
Brennkraftmaschine bei Ausfall einer oder beider Abgasturbinen eine erhebliche Bedeutung
als Reserve zu, und schliefich kann noch etwa auftretende Überschußenergie der Abgasturbine
auf den Motor übertragen werden.
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In der Abb.2 ist in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt.
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Von einer Brennkraftm,aschine i führen j e nach der Zylinderzahl mehrere
Abgasleitungen 2, 3 zu der ersten. Abgasturbine 4, aus der sie nach Beaufschl.agung
des Turbinenrades 5 durch die Leitung 6 der zweiten Abgasturbine 7 ausströmen, welche
sie durch den Auslaßstutzen 8 verlassen. Die Außenluft wird von dem mit der Turbine
7 verbundenen Gebläse g angesaugt und durch die Leitung io zum Gebläse i i gedrückt,
das mit der Abgasturbine 4 verbunden ist. Von hier aus wird die verdichtete Luft
durch die Leitung 12, der Brennkraftmaschine i zugeführt. Während die erste Abgasturbine
4 eine der Anzahl der Abgasleitungen entsprechende Zahl von- getrennten Düsenkammern
besitzt, weist die zweite Abgasturbine 7 nur eine Düsenkammer auf. Dagegen wird
die zweite Abgasturbine 7 durch die Zuführung einer mehr oder weniger großen Frischluftmenge
zu den Abgasen vor der Turbine geregelt. Die Frischluftzuführu:ng erfolgt mittels
der Leitung 13 und des eingebauten Regelorganes 14. Die Leitung 13 verbindet die
Luftleitung io mit der Abgasleitung 6. Eine Regelung der ersten Abgasturbine 4 findet
nicht statt. Es ist jedoch nicht unbedingt nötig, daß die Regelung der Abgasturbine
7 durch Frischluftzuführung erfolgt, sondern sie kann auch in irgendeiner anderen
Weise, z. B. durch Veränderung der Düsenquerschnitte, vorgenommen werden.
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Während die zweite Abgasturbine 7 lediglich durch den Abgasstrom betrieben
wird, ist die erste Abgasturbine 4 noch zusätzlich. unter Zwischenschaltung eines
Zahnradvorgeleges 15 mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine i verbunden. In
Abb. 2 sind beide Abgasturbinen und Turbogebläse einstufig dargestellt. Es können
natürlich auch mehrstufige Abgasturbinen und Turbogebläse verwendet werden: Die
Brennkraftm.aschine nach der Erfindung ist nicht nur für den Höhenflug verwendbar,
sondern überall dort, wo Brennkraftmaschinen in verschiedenen Höhen über dem Meeresspiegel
betrieben werden, z. B. bei Lokomotiven, die in Gebirgen größere Höhenunterschiede-zu
überwinden haben.