DE895677C - Verwertung der Auslassenergie von Brennkraftkolbenmaschinen mit nachgeschalteter Abgasturbine - Google Patents

Description

• Verwertung der Auslaßenergie von Bre-nnkraftkolbenmaschinen mit nachgeschalteter Abgasturbine Bei Kolbentriebwerken mit Abgasturbolader ist zur Erreichung einer möglichst guten Wärm-ebnlanz grundsätzlich .anzustreben, daß idie Abgasienergie möglichst ohne Druck- und Wärmeverluste von der Brennleraftmaschine zur Abgasturbine gelangt. In Bodennähe treten ferner durch den Aufstau der Abgase vor den Turbinendüsen gleichbleibenden Querschnitts, notwendig zum. Durchsatz der erforlichen Abgasenergie zur Deckung des Laderkraftbed,arfs, besonders ungüns@tiige Verhältnisse bezüglich eines ausreichenden Unterschiedes dies Ladedruckes vor dem Zylinder zum Gegendruck hinter dem Zylinder auf, welche Idas Luftschluckvermögen der Brennkraftmaschine sehr beeinträchtigen und insbesondere bei Brennlz-raftmascih:inen mit Überschnittenen Steuerzeitenau 3endern eine,ausreichende Ausspülung des Zylindertotraumes behindern. Die Abgasführung von der Brennkraftmnaschine zur Abgastuirbine hat all diesen grundsätzlichen Einflüssen, namentlich für die Errelichnng einer großen Startleistung bei den erwähnten Triebwerken für Luftfahrtzwecke oder für Höchstleistungen beim Fahrzeugantrieb, Rechnung zu. tragen. Bei, dem üblichen Anschluß mehrerer Arbei:ts:zylind@er an einen Abgassammler, der zur Abgasturbine führt, verliang.t,die hone Beanspruchung bei Höchstleistung schon aus Gründen der Lebensdauer die Gewähr, d@aß bei dem in Bodennähe herrschenden verhältnismäßig hohen Gegendruck dann auch die Spülung der einzelnen Arbeitszylinder durch das Ausschieben oder anderen nicht beeinflußt wird.
• ,Maßnahmen zur GewährleIstung einer eimvan:dfreien Spülung von Dieselmaschinen für Fahrzeugbetrieb, die mixt Abgasenergie aufgeladen werden, sind. bekannt. Sie erfordern auf alle Fälle einen gewi,ssen Bauaufwand, an unterteilten Rohrleitungen. Die Anwendung dieser Erfahrungen auf Zündrflugmotoren mit Abgasturbolader ist wegen ider beim Start und beim Betrieb, in Bodennähe auftretenden ähnlichen Verhlltnissenaheliegen@d, bringt aber auch einen zusätzlichen erheblichen Bauaufwand mit sich, weil idite zweckmäßmgerweise angewendete Regelung des Gesamtt:riebweirkes durch Abblasen von Abgas vielteilige Regelorgane an der Alygaaleitung erfordert und andere bauliche Unbequemlichkeiten zur Folge hat. Eine Möglichkeit, bei gleicher Energiezufuhr zur Turbine den Staudruck vor den Düsen und damit hinter der Brennkraftmaschine zu senken, besteht besonders bei Luftfahrttriebwerken wegen der Betriebserfo;zderni se in: größeren Häher nur in der Anwendung eines regelbaren Düsenquerschnitts, was bei den herrschenden rohen Temperaturen, namentlich hinter Zündermotoren, und der Forderung nach Leichtbau ziemliche Schwierigkeiten für eine betriebssichere Lösung verursacht.
• Die Erfindung betrifft eine B,rennkraftko@lib,enmaschine mit Vorverdichtung der Verbrennungsluft und Entspannung des Arbeitsmittels in einer nachgeschalteten Abgasturbine, die zum Antrieb (desi Luftverdichters dient. Erfindungsgemäß ,ist (die Abgasführung von dem oder den Arbeitszylindern: zu einem o&r mehreren Abgasturboiadern derart ausgebildet, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Auslaßventil oder -schleber (durch entsprechende Auslegung und Gestaltung der Strömungsquerschnitte dahinter und der Zylinderstutzen auf einen Wert abgesenkt wird, welchersich ohne beisondere Verluste bei gegebenem Abstand Brennkradtmaschine - Abgasturbine in einer diffusorartig erweiterten Rohrleitung bis zum Eintrittsstutzen ider Turbine im wesentlichen in statischen. Druck umsetzt. Durch diese dynamische Gestaltungsweise erreicht man Berede im. Bodennähe »r. trotz des an sich erforderlichen Abgasstaudruckes vor Iden Türbinendüsen einen verhältni@smäßdg geringen statischen Gegendruck hinter der Brennkraftmaschine, z,. durch passende Gestaltung der Stutzenquerschnitte hinter (dem Ventil Ibis zur Einmündung in den Sammler eine Art Ejekto@rwiirkung des geriad@e gusschiebenden Arbeits-zydinders, auf die Spülung,des benachbarten Zylinders.
• Man; hat zwar (bei xler Ausnutzüng des Au@sdaßverlustes von Brennkraftmaschinen in sogenannten Freiauspuff-verfahren, wirlesam dm Rückstoß bied Eiau in. einem Fahrzeug, auf diie Notwendigkeit einer entsprechenden ,düsenähnlichen Gestaltung des Strömungsquerschnitts nach dem Ventil hingewiesen. Abgesehen davon, da,B idie Ausnutzung !der so entstandenen hohen Austrättsigesichwindikeit im Rückstoß bei den möglichen Fluggeschwindigkeiten nicht sehr wirtschaftlich ist, war -an eine andere Verwendung @dieser hohen GeschwinIdigkeiten von vornherein nicht gedacht. Bei vorliegender Erfindung ist .die Umsetzung dieser Geschwiüdigk,eitere, in statischetl Druck sowie die Impulsübertragung der Abgaswelle auf die Gaswechselarbei,t 'beim benachbarten Arbeitszylinder für die Beherrschung ungü nsbiger Betriebs.verhältnisse vorgesehen. Für Bre nkraftmaschinen mit überschni.ttenen Steuerzeiten ist dies sogar eine wichtige Frage der Lebensdauer.
• Ferner ist an sich der Gedanke, Iden in. der Abgasleitung vorübergehend entstehenden Unterdiruck zur Ansaugung von Frischluft zu verwenden, bekannt. Für Zweitakbdiesielnnaschinen hat man bereits Verfahren versucht, durch Vorauspuff und durch Anwendung besonderer Abigas,roihrlängendiese Wirkung der beim Ausschub entstandenen Druckwelle zur Verbesiserung (der Spülung und Ladüng ohne besondere Voxverdiiahtung auszunutzen. Freilich ist schon bei Zweitaktbrennkraftmaschinen das einwandfreie Arbeiten der Einrichtung nur bei gewissen Betriebsbedingungen und 'bei bestimmten baulichen Voraussetzungen gegeben, so daß die Aussichten beim Vderüaktmotor, auch dem mit ü(berachndttenen Steuerzeiten, im ald@g@enneinen recht unsiioher sind. Außerdem sind :bei Anschlugß mehrerer Arbeitszylinder an eine Abgasleitung, die zur Gasturbine führt, die Möglichkeiten sehr begrenzt, die erforderlichen Zylinderstutzenlängen meistens baulich sehr unbequem, namentlich bei gedrängt bauenden Luftfahrttriebwerken.
• Demgegenüber wirbt (der Erfindungsvorschlag brauchbare Anweisungen für mehrzylindrige Verbrennungsmotoren mit zusammenfassenden Abgassammlern, in den üblichen ged'rängtenAhmessungen. Schon du@rchdie Gestaltung der Querschnitte hinter -dem Auslaßtargan und derjenigen der anschließen, dien kurzen Zylsinders:tutzen wird im eigentlichen Ar(beitszylinder durch (die Auss,chubwelle die, Spülung günstig beeinflußt, gleichzeitig wird aber infolge fier vorgeschlaigenen Anordnung der einzelnen Zylinderstutzen innerhalb des Sammlers, wie siie anschließend an einem Beispiel erläutert wind, während der Zelt dar größten kinetischen Energie des Ausschuibes auch beim Naehbarzyl-inder einer Brennkraftmaschine mit überschnittenen Steuerzeiten (die Spülung wesentlich unterstützt. Da grundnützlich im Sammler mit höheren Strömungsgesohwdndigkeiten gearbeitet wird, sind auch die Wirhtingen zieitlich und räumlich größer als bei den bisher üblichen Verhältnissen.
• Das gewählte Verfahren hat auch mit dem Vorschlag nichts zu. tun, welcher die beim Ausschub in @dker Abgasleitung entstehendL Druckwelle möglichst erhalten will, um durch: den damit zusätzlich gewonnenen Überschuß an Energiezufuhr bei dem jeweidrs . verlangten Laderkraftbedarf durch entsprechend größere Auslegung dies Düsenquerschnitts den Staudruck vor (dien Düsen abzusenken. Durch das Anstreben einer möglichst gut ausgeprägten Druckwelle auf dem Wege vom Ausdaßorgan dies Zylinders zu dien Turbinendüsen wird diese Abgasführung beim Anschluß mehrerer Zylinder an eine Abgasleitung empfindlicher geben eine ungünstige gegenseitige Beeinflussung ideir angeschlossenen Zylinder bei. der Spülung sein und verlangt daher die schon emvähnte Unterteilung der Abgasleitungen durch Zusammenfassen zeitlich günstig zueinander liegender Arbeitszylinder. 0'1a diese immerhin mit einem ansehnlichen Blauaufwand erreichte Leistungssteibnerwngdurch verringerte Gaswechsjelarbeit und gute Füllung der Arbeitszylinder auch für die ungünstigen Verhältnisse der Brennkraftmaschine mit überschndttenen Steuerzeiten mit Abgasturbine in Bodennähe besonders beim Start so wirksam ist, daß man mit einem genügend niedrigen Ladedruck vor Ventil, d. h. mit einer Schonung des Triebwerkes auskommt, ist recht fraglich. Demgegenüber ist als entscheidender Unterschied bei der vorliegenden Erfindiun@g zu beachten, @daß bei der Erhaltung !der hohen Gasgeschwindigkeit im Stutzen und Sammler die Druckwelle grundsätzlich nicht so groß ausfällt, Ader vorgesehene Diffusor sogar die Druckwelle weitgehend abbaut und die etwa vorhandene Versch:leehterung des Turbi:nen#,virkungsgmdes durch ungleichmäßige Beaufschlagung [email protected].
• In Verbindung mit Abgasturbinen ist auch schon vorgeschlagen, worden, idie Ab gasenerigiiei in einer Strahlpumpe zum Ansaugen von Luft zu verwerten. Dabei wird idurch eine geeignete gedrängte Air ordnung des. Auslaßorgan.s der Brennkraftmaschine und der anschließenden Kanäle der Impuls der Abgase auf :die anzusaugende Luft übeirtragen .und das Gemisch nach der Üblichen Strahlpwmpenbauart in einem anschließenden Diffusor verdichtet. Bei Abgasturbinenbetrie@b (denkt man duibei vor allem an die Herabsetzung der Treibgastemperatur zur besseren Beherrschung dar Bauteilfesti!gkeit der Turbine. Vorliegende Erfindung ist aber geraide für die volle Ausnutzung der Abgasenergie ohne jede Temperaturabsenkung durch Luftzwmischen vorgesehen, wenn auch zur Erreichung ihres Zieles, der relativen Absenkung des Brennkraftmasch:inengegendruckes gegenüber dem Standruck vor den Turbinendüsen, die bekannten Kanalformen mit Erweiterung verwendet werden.
• Das Wesen der Mittel zur Erreichung @dieser Wirkungen sei an einigen Abb,il!du:ogen erläutert.
• In Abb. r isst die grundsätzliche Anordnung der Abgasführung dargestellt. r stellt !den Arbeitszylinder, 2 den Abgasturbolader, 3 die hinter dbm Auslaßvenbil q. angeschlossene Rohrleitung dar. Die strichpunktierte Linie kennzeichnet die übliche Art des Anschlusses, die ausgezogeneLinie gibt sch,ematisch idie Begrenzung des eingeengten Strömungsquerschnitts hinter :dem Ventilsitz und der anschließenden@diffu:sorartiig [email protected]!detenRoh:rleitung entsprechend den in ider Beschreibung gegebenen Vorschriften wieder.
• Abb.2 zeigt als Beispiel eine Möglichkeit, wie bei einer Brennkraftmasch.ine mit der üblichen Einbauweise der Auslaßventile im Zylinderkopf durch Einsetzen von Strömungseinsä fitzen der an sich vorhandene große Strömungsquerschnitt hinter dem Ventil eingeengt und,die aus dem Steuerque rschnitt des Ventils kommende Abgaswelle (mit einem zeitlichi in bestimmter Weise verteilten Verlauf vom: einander zugeordneten Größen, wie Menge, Druck und Temperatur) so gefaßt wird, daß sie in den Abgasstutzen des Sammlers mit einer hohen Mittelgeschwindigkeit übertritt, um auf dem weiteren Weg zur Abgasturbine unter Umsetzung in statischen Druck mit geringen Verliusten a bgebaut zu wendien. Die strichpunktierten Linien stellen d!ie Lage der zwei Zylin!&r und ihrer Aus.laßventüle innerhalb Ii.nes irnAusschnittdarge.stelltenZylinderblockes dar. Die schraffiert gekennzeichnete Linie gibt einen Schnitt durch die Ventiltaschen 59, 5b wieder, an welche sich in üblicher Weise die Zylinder .tutzen 64 und 6b anschließen. In Weiterbiltdung ,der vorliegenden Erfindung werden die Taschenquerschnitte d Durch (die Strömungseinsätze 7a und 7b, hier beispielsweise in Form von zwei gekrümmten Rohren :an einer im Stutzenfiansch geführten Platte (befestigt, eingeengt; dabei sind die Anfangsquerschnitte des Strömungseinsatzes den vorliegenden charakteristischen EZ.genschiaften des Ventils (zeitlicherÜffnungsquerschnitt, Größe, Einbau ws-w.) und: der Endquerschnitt des Einsatzes wiederum dem Stutzenquerschnitt fII :anggepaßt, so daß der Zylinderstutzen selbst am Flanschende für diesen Zweck eine erhebliche Verengung vom vorgegebenen Ans:chl:in.ßqwerschnlitt fI der Ventiltasche zum Stutzenquerschnitt fü aufweisen wird.
• Im Ansch.luß an das eben beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt Abb. 3 einen Ausschnitt aus einem kegelig Sammler 8 mit zwei schräg zur Sammlerachse einnnündenden Stutzen 9a, 9b. Sowohl aus herstedluagstechnifsohen Gründen .als auch aus Erfordernissen ides Betriebes. (Wärmespannungen beim Anwärmen und Abkühlen) hat,der Anschluß,der Stutzen in gut ausgerundeten Formen zu, erfolgen; bei der üblichen Ausführung der Au,srundwng im spitzen Winkel (der Verschnoüdung von Stutzen und Sammler würde die richtige Wirkung der Statzenwand an -der Austrittsöffnung des Stutzens verhältnis:mäß(i!g beschränkt sein:. Die nach der Erfindung gegebene Bauanweisung verbessert durch. (das Hineinragen des Stutzens an dieser Stelle in den Sammlerquerschnitt die Strahlwirkun!g der Abgaswelle auf die Spülung der benachbart am Sammler angeschlossenen Arbeits@zylinlder. Durch .die Ausrichtung des Abgasstrables hoher Geschwindigkeit in: die Fortschrittsrichtung der Sammlerachse wird die Wirkung einer aerodynam-isc-hen Rückstoßidrossel erreicht, die zwar das Abströmen begünstigt, aber das Rückströmen der Druckwelle in die einzelnen Stutzen behindert. Ohne diese Maßnahme, die man unter Umständen noch durch Einziehen einer weiteren Leitwand zo in der Mitte der Stutzenaustrittsöffnung unterstützen kann, würde namentlich der Betrieb von mehrzylindrigen Motoren mit übersohnittenenSteuerzeiten bei hohem Gegendruck irnAbgas,sammler von Zylindergruppen, wie er .besonders bei Anschluß einer Abgasturbine in Bodennähe auftritt, schwer ohne allzu großen Verschleiß mä@gl.icih sein.
• Durch -die Ejektorwirkun!g d1eis, gerade ausschiebenden Arbeitszylinders unter den beschriebenen Umständen (Erhaltung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit im Stutzen, gute Führ rung des Abgasstrahles am Stutzenaustritt) auf die

  Spülung der am Sammler angeschlossenen übrigen

  Aribeitszylinder wird auch bei der mehrzylindrigen

  Brennkraftmaschine ohne nachgeschailtete Abgas-

  turbine, id. h. ohne Iden besonders hohen Gegendruck,

  der Liefergrad ,der Gesamtmaschine unid mit diem

  erhöhten Lwftschluckvermögen auch: ,die Leistung

  verbessert, wenn, wie oben beschrieben,, ein Teil der

  aufgefangenen Strömunigsigeschwindi:gkeit am Ventil

  in einem Diffusor in statischen Druck umgesetzt

  werden kann, und das isst änz vielen. Fällen auch ih

  pulsierenden Strömungen mit geringen Verlusten

  möglich. Bei der Brennkraftmaschinve mit nach-

  geschalteter Dehnung Jes Arbeitsmittels in einer

  Abgasturbine*wind bei Anwendung der Vorschläge

  .die normalerweise bei hohem Gegendruck äuf-

  tretende Verschlechterung ,des Liefergraidies zum

  mindestens ausgeglichen, wenn nicht verbessert.

  Sollte für Luftfahrttriebwerke das. Abgas nach

  der Dehnung ihm Arbeitszylinder nur noch zum

  Strahilvorschub benutzt werden, so isst darüber

  hinaus bei, Aufrechterhaltung hoher Ab:gasigeschwin-

  ,diibkeiten in den Stutzen eines gemeinsamen

  Summler:s für mehrere Aribeitszylinder sowie durch

  beiilweiises Umsetzen derselben in statiischen Druck

  mittels einer eich erweiternden Rohrleitung neben

  der Verbesserung der Spülung gegebenenfalls auch

  noch eine Vergrößerung dies Strahlschubes rnögilich,

  weil erstens das gesamte Durchsatz:gewicht wegen

  des erhöhten. Liefergnadles gesteigert wird und

  zweitens auch der Wirkumgsgreidi ,der Ausnutzung

  :des Endstraihlschubes, beine Austritt in die

  Atmosphäre wegen der für die Umsetzung in Druck

  erfolgten Angleichung sder Gasgeschwindivgkeät an

  dieGrößenordmung id@er möglächenFlnugg'eschwind'ig-

  keiten besser wird.

  Die T-Ims:eitzung idiar Geschwindigkeit in statischen

  Druck verlangt schließlich: bei Vermeidung großer

  Verluste eine schlanke Querschnittserweiterung,

  wozu bei gewissen Einbauten des Triebwerkes die

  entsprechenden Rohrlängen des Diffusors fehlen. In

  diesem Fall wird man die Austriittsöffhung der

  schräg zur Sammlerachse oinmündendeni Zylinder-

  stutzen so. anordnen, z. B.. ,durch seitliches Ansetzen

  am Sammler -statt eines mittigen Ansetzens; daß ein

  Drall am Anfang iderDiffusorströmung entsteht, der

  desisen erforderliche Baulänge verkürzt und den.

  Wirkungsgmd der Umsetzung verbesisert.

  Die Senkung des Gegenidruckes hinter de'r Brennr-

  kraftm:aschine und die icL@namis-che Wirkung auf die

  Spülung rast also besonders: für Brennlcraftmaschinen

  mit überschnittenen Steuerzeiten: bei 'Betrieb mit

  verhältnismäßig hohem Gegendruck, wie es der

  Bodenbetrieb mit Abgasturbinen ohne ,die baulich

  verwickelte Düsenquerschnittsregelung mit sich

  bringt, vor erheblicher Bedeutung. Ohne solche

  Maßnahmen ist sonst ,die Erreichung der Start-

  leistung solcher Kolbentriebwerke mit Aib:gas-

  turbolaid@er in ähnlicher Größte wie die Startleistung

  ,derselben Kolbentriebwerke mit mechanischem

  Bodenlaider bzw. eine weitere dringend erwünschte

  Steigerung ,der Höchstleistung nur unter An-

  wendung verhältnismäßig ihaherLadedrücke vor der

  Brenuk raftmaschine möglich, was. einer erheblichen

  Belastung und Abnutzung des Kolbentriebwerkes

  gleichkommt.

  Natürlich ist die Anwendung -der gegebenen Am-

  weisungen auch, für die unterteilte Abgasführung

  mehrzyliniüri:ger B-rennkraftmasch:inen, Wie sie ein-

  gangs erwähnt wurde, in gewissen Sonderfällen

  anwendbar.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCFIE: i. Brennkrafbkolbenmaschine mitVorverdich- tung ,der Verbrennurngsluft und Entspannung des Arbeitsmittels in einer nachgeGchalteten Abgas- turbine, die zum Antrieb eines: Luftverdichters idäent, dadurch gekennzeichnet, dlaß. die Abgas- führung von dem oder Iden Arbeitszylinidern zu einem oder mehreren Abgasturiboiladern ,derart ausgebildet ist, idaß die Strömungsbge'schwindi'g- kait ,der Albgase im. Ausilaßventiil oder -schieber ,durch entsprechende Auslegung und Gestaltung der Strömungsquerschnitte dahinter und der Zylinderstutzen nur auf einen Wert abgesenkt wird, welcher sich: ohne. besondere Verluste bei gegebenem Abstand Brennkraftmaschine- Ab- gasturbIne -in einer diffusorartig erweiterten Rohrleitung bis zum Eintrittsstutzen derTurbine im wesentlichen in statischen Druck .umsetzt. a. BrennknaftkolbenmaschinenachAnspruch i, die von:- Auslaßventi:len, Schachern, u. ärnl. ge- isteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauen hinter 'dem einen oder mehreren Auslaß- ventiilen bzw. Schialbern je Zylinider durch Strömungseinsätze verkleinert wird, ,die dien Abgasistrom ,derart fassen, daß er mit einer hohen Geschwindsgkeit; in die Stutzen Ö es Sammlers übertritt. 3. Brenvnkraftkölbenmaschine nach Anspruch i und/oder a, ,bei der die Stutzen schräg zur Sammlerachse oinmünlden, daidurcih gekenn- zeichnet, däß der eine Stutzenrand im spitzen Winkel ,der Verschneidung einen gewissen Be- trag in Iden Sammlerquerschnitt hineinragt und die Stutzenawstrittsöffnung im Sammler als Leä:tvorrichtwng trotz der erforderlichen Aus- irundurngen:der Wandungsübergänge ausgebildet ist. 4. Brennkraftkolbenmas-chine nach Anspruch i und/oder z und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stutzen in dien Summier in hekannter Weise außermittig einmündet. Angezogene Druckschriften: Deutsche Piatentschrift Nr. 684 33a.