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Vorrichtung zur Verwertung der Energie der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verwertung der Energie
der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen durch.Abgasturbinen oder durch Rückstoßwirkung.
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Es ist bekannt, die Leistungsausbeute von Brennkraftmaschinen zu steigern,
indem man die in den Auspuffgasen enthaltene Energie zum Antrieb eines Laders verwendet,
der die Füllung des Motors erhöht oder aber, indem man die Auspuffgase unter Zusatz
von Luft ihrer Masse nach vergrößert und entgegen der Bewegungsrichtung eines Flug-
oder Fahrzeuges ausströmen läßt, wodurch ein zusätzlicher Vortrieb erzeugt wird.
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Die erste Maßnahme wurde bisher meist in der Form angewendet, daß
man die Gase vor der Turbine aufstaute und das Gefälle bis auf den Außendruck der
Turbine verarbeitete. Das Aufstauen der Gase hat aber den Nachteil, daß der Motor
beim Auspuffhub erhöhte Gegendruckarbeit leisten muß und daß mehr Restgas im Zylinder
verbleibt, wodurch die Füllung und Leistung der Brennkraftmaschine sinkt, und daß
die Temperatur des Auslaßv entils ansteigt, was zur Zerstörung durch Überhitzung
führen kann. Dieser Umstand bewirkt, daß die Vorteile des Abgasturbinenantriebes
des Laders gegenüber dem mechanisch von einem Flugmotor angetriebenen Lader bis
zu den heute üblichen Flughöhen nur gering sind. Erst in sehr großen Höhen tritt
eine klare Überlegenheit des Abgasturbinenladers auf. Am Erdboden ist es weiterhin
bei Flugmotoren erwünscht, die Leistung zu steigern, um ein schnelles Abheben und
Steigen des Flugzeuges zu erreichen. Die hierzu benötigte erhöhte Leistung der den
Lader antreibenden Abgasturbine iäßt sich ebenfalls nur durch erhöhtes Aufstauen
des Auspuffs mit den beschriebenen Nachteilen verwirklichen, die dazu führen, daß
man einen besonders vom Motor angetriebenen Lader für den Start anordnet.
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Weiterhin sind die Temperaturen der Abgase von Vergasermaschinen hoch
und erschweren den Abgasturbinenbetrieb, da die Festigkeit der umlaufenden Turbinenteile
mit
wachsender Temperatur stark absinkt. Man muß daher verhältnismäßig
langsam laufende Maschinen mit großem Gewicht verwenden. Die Tatsache, daß die Leitungen
glühend werden, erschweren auch den Einbau, und füe :A .uspuffventile sind hohen
Temperaturen ausgesetzt, was deren Festigkeit und Leber lauer gleichfalls beeinflußt.
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Man hat nun schon vorgeschlagen, die Auspufftemperatur dadurch zu
senken, daß man den Abgasen einen Teil der vom Lader geförderten Luft durch verstärktes
Spülen dir Brennkraftmaschine oder unter Umgehung der Brennkraftmaschine unmittelbar
zumischte. Dadurch wird zwar die Temperatur verringert, man büßt damit aber wiederum
einen gewissen Teil der gewonnenen Abgasenergie durch die - dadurch notwendig gewordene
höhere Leistung des Laders ein, der dementsprechend auch größer bemessen sein muß.
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Will man andererseits die Auspuffgase unmittelbar zu einer V ortriebserzeugung
heranziehen, so muß man dieselben zur Erzeugung einer geregelten Ausströmung ebenfalls
aufstauen, was die obenerwähnten Nachteil-, hinsichtlich der von der Brennkraftmaschine
beim Auspuffhub zu leistenden erhöhten Gegendruckarbeit und der größeren Restgasmasse
im Zylinder mit sich bringt. Bei dieser Art der Verwertung der Abgasenergie ist
es erforderlich, durch Zugabe von Zusatzluft eine Temperatursenkung zu erzielen
und die Ausströmungsgeschwindigkeit zugunsten großer Gasmassen herabzusetzen. Es
läßt sich nämlich nur ein guter Wirltungsgrad erreichen, wenn die Geschwindigkeit
der ausströmenden Gase wenig über der Fluggeschwindigkeit liegt.
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Es ist auch eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbine bekanntgeworden,
bei dem den Auspuffgasen mittels einer in der Auspuffleitung angeordneten Strahlpumpe
Luft zugeführt wird. Bei einer solchen Ausführungsform wird aber die Austrittsgeschwindigkeit
der Gase in dem hinter dem Auspuffventil liegenden Raume sehr stark verringert und
annähernd aufgehoben, so daß- eine schädliche Stauung entsteht. .
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Die vorliegende Erfindung hat- nun eine Vorrichtung zur Verwertung
der Energie der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen durch Abgasturbinen oder durch
Rückstoß-,virkung, durch die den Auspuffgasen durch eine in der Auspuffleitung angeordnete
Strahlpumpe zusätzlich Luft beigemengt wird, zum Gegenstand. Durch diese Vorrichtung
werden die genannten Nachteile der bekannten Ausführungsformen- vermieden. Zu diesem
Zweck wird erfindungsgemäß die Anordnung so getroffen, däß bei geöffneten Auspuffventiläbschlußkörper
dieser in Verbindung- mit' dem Ventilsitzkörper die Strahldüse bildet, in deren
Bereich sich ein Luftzuleitungskanal befindet. Der Ventilkegel und der Ventilsitz
sind dabei von solcher Form, daß sie als erweiterte Düse wirken und die Gase bis
unter # den Atmosphärendruck entspannen. Der ünterdruck dient zum Ansaugen der Kühlluft
aus der Umgebungsluft, worauf das Geinisch dann in der als Diffusor wirkenden Leitung
auf Gien Turbinendruck oder den Strahlapparatanfangsdruck verdichtet wird. Der Luftzusatz
erhöht das Gasgewicht und senkt die Temperatur. .Ulan kann also bei Verwendung einer
Abgasturbine infolge de erzielten Temperaturrückganges deren Leistungen erhöhen
oder bei gleichbleibender Leistung ihre Abmessungen verringern und somit das Baugewicht
senken. Es ist fernerhin günstig für die Brenukraftinaschine, den Druck hinter dem
Ventil unterhalb des -Außendruckes zu haben, wodurch die Gasreste innerhalb des
Verbrennungsraumes gründlicher entfernt werden und auch die Gegendruckarbeit beim
Auspuffhub herabgesetzt wird. -Man kann beim Start den Ladedruck wesentlich erhöhen,
ohne die Auspuffgase hinter dem Ventil unzulässig hoch anzustauen, da bei Verwendung
einer Turbine zur Ausnutzung der Abgase ein Leistungsüberschuß erzielt "wird, wenn
der Druck hinter dein Ventil dein Außendruck entspricht, weil der Druck am Ende
der Strahlpumpe höher ist als der Druck hinter dein Ventil. Ventilsitz und -körper
haben durch die zugesaugte Luft eine wesentlich bessere Kühlung als bisher, was
für die Lebensdauer dieser Bauteile äußerst wünschenswert ist.
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Für die- Energiegewinnung ist es w-esentlichi daß die niit sehr hoher
Geschwindigkeit austretenden Auspuffgase nicht sofort stark umgelenkt werden, weil
sonst kein einwandfreies Arbeiten des durch das Auspuffventil gebildeten Ejektors
ermöglicht wird. Es wird daher zweckmäßig dafür gesorgt, daß die Abgase den Ejektor
nach Verlassen des Ventils ohne Umleitung zentral in Richtung der Ventilspindel
durchströmen, wie es an sich bekannt ist.
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Uni Raum für die Steuerung des Auspuffventils zu gewinnen und eine
ausreichende Kühlung der Ventilführung zu erreichen, ist es zweckmäßig, daß die
als Diffusor wirkende Abgasleitung: in zwei oder mehr Rehre unterteilt wird:: Es:.
ist.bereits zur Kühlung des ;Sitzes eines Ventils vorgeschlagen worden, durch Anordnung
einer Ummantelung des Ventilgehäuse: einen Kühlraum zwischen diesem und genannten
Mantel- zu schaffe. .Die Luft- trat durch diesen Kühlraute. und entzog dem Ventilgehäuse
einen Teil der auf -seine -Wandungen
übertragenen Wärme. Eine besondere
Ausbildung dieses Kühlraumes bestand nun darin. daß man ihn mit dem Abgaskanal verband,
so daß durch die ausgestoßenen Abgase durch Strahlwirkung die Luft beschleunigt
durch den Kühlraum mitgerissen wurde und -eine bessere Kühlung des Ventilkörpers
herbeiführen sollte.
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Während aber die vorgenannte Einrichtung lediglich der Kühlung, gegebenenfalls
noch der Spannungsherabminderung und der Schalldämpfung diente, wird bei der - Vorrichtung
nach der Erfindung bei geöffnetem Ventilkegel in Verbindung mit dem Ventilsitz für
einen, wie oben ausführlich geschildert wurde, ganz anderen Zweck eine Strahldüse
gebildet, in deren Bereich sich ein Luftzuleitungskanal befindet. Diese Anordnung
ermöglicht es, Luft unter Ausschluß schädlicher Wirbelbildungen anzusaugen. An der
Stelle, an der nach der Erfindung die Strahldüse angeordnet ist, haben die Gase
die Austrittsgeschwindigkeit und dadurch auch die Fähigkeit, eine möglichst große
Frischluftmenge anzusaugen. In den an die Strahldüse anschließenden, in glattem
Linienzug geführten Abgasleitungen wird das Abgasluftgemisch allmählich verdichtet
und verliert so viel an Geschwindigl:eit, daß es vorteilhaft zu dem angestrebten
Effekt, also zur Beaufschlagung einer. Abgasturbine, etwa zum Antrieb eines Laders
oder zum zusätzlichen unmittelbaren Vortrieb des Fahr- oder Flugzeuges, Verwendung
finden harn.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt. Es zeigt Abb. i in wesenhafter Darstellung einen Querschnitt durch
einen mit der Einrichtung nach der Erfindung ausgestatteten Zylinder einer Brennkraftmaschine,
Abb. a in größerem Maßstabe das als Strahldüse ausgebildete Ventil mit dem Luftzufuhrkanal
und den Kanälen für das Abgasluftgemisch.
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Der Zylinder a der mit i bezeichneten Brennkraftmaschine stößt während
seines Auspuffhubes die Abgase durch das Auspuffventil 3 aus. Das Auslaßventil 3
mit dem Ventilsitz d. bildet eine Strahldüse, durch die Kühlluft durch den Stutzen
5 angesaugt wird. Die Kühlluft mischt sich mit den Abgasen, und das Gemisch wird
in den als Diffusor wirkenden Teilen 6, 6' der Abgasleitung auf den, Turbinenanfangsdruck
verdichtet. Die Abasleitung ist in zwei Leitungen 7, 7' unterteilt, wodurch
Platz für die Ventilführung und die Ventilsteuerung 9 gewonnen wird. Die Abgase
arbeiten in der Turbine iö, die den Lader z i antreibt, welcher die durch den Stutzen
i2 angesaugte Frischluft dem Einlaßventil 13 und somit der Brennkraftmaschine zuführt.