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Andrehvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturboladegebläse
Die Erfindung betrifft eine Andrehvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem
Abgasturboladegebläse, das bei stillstehender Brennkraftmaschine durch Beaufschlagung
mit in einer Brennkammer erzeugten Gasen beschleunigt und anschließend mit der Brennkraftmaschine
gekuppelt wird.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art kann die Zuleitung der
Abgasturbine wahlweise an die Abgasleitung der Maschine oder einer Brennkammer angeschlossen
werden. Während des normalen Betriebes der Maschine ist die Verbindung mit der Brennkraftmaschine
hergestellt, so daß das Abgasturbogebläse von deren Abgasen angetrieben wird, und
während des Andrehvorganges mit der Brennkammer, so daß in diesem Falle die in der
Brennkammer erzeugten Brenngase die Abgasturbine beaufschlagen. Das Abgasturbogebläse
ist mittels eines Zahnradgetriebes über eine ausrückbare Kupplung mit der Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine verbunden. Das Drehmoment der Turbine wird entweder unmittelbar
auf die Kurbelwelle übertragen, oder die Energie der Turbine wird in einer Schwungmasse
gespeichert und nach deren Kupplung mit der Kurbelwelle auf diese übertragen.
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Für den Fall, daß das Gebläse zur Zuführung der Ladeluft für die Brennkraftmaschine
dient, wird beim Beaufschlagen der mit diesem Gebläse gekuppelten Turbine mit den
in der Brennkammer erzeugten Gasen die Gebläseluft nur umgewälzt. Bei Beaufschlagung
der Turbine mit Druckluft von
einer Fremdquelle macht der große
Luftbedarf die Vorrichtung für die praktische Anwendung ungeeignet.
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Es ist ferner bekannt, das Abgasturbogebläse bei Stillstand der aufgeladenen
Brennkraftmaschine als unabhängig arbeitendes Gasturbinenaggregat zu betreiben,
zwecks Verbesserung der Verhältnisse während des Anfahrens der Brennkraftmaschine,
wobei die Andreharbeit von einer äußeren Hilfskraftquelle (Druckluft, elektrische
Energie u. dgl.) geliefert wird.
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Die Erfindung bezweckt, die Nachteile bekannter Vorrichtungen zu vermeiden
und eine Andrehvorrichtung mit Abgasturboladegebläse so auszubilden, daß das Abgasturboladegebläse
nach dem Abkuppeln von der Hauptmaschinenwelle als selbständig arbeitendes Gasturbinenaggregat
weiterlaufen kann.
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Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß von der Gebläseförderleitung
eine mit einem Regelkörper versehene Leitung zur Brennkammer führt und das Abgasturboladegebläse
mit einer eigenen Andrehvorrichtung ausgerüstet ist, die bei gelöster Kupplung zwischen
Brennkraftmaschine und Abgasturboladegebläse und Verbindung der Gebläseförderleitung
mit der Brennkammer das Abgasturboladegebläse antreibt, bis nach Brennstoffzuführung
zur Brennkammer die erzeugten Brenngase den Antrieb des Abgasturboladegebläses übernehmen,
worauf nach ausreichender Beschleunigung die Kupplung mit der Brennkraftmaschine
erfolgt. Das Gebläse wird also erfindungsgemäß zur Förderung der Luft für die Bildung
des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer herangezogen. Damit ist die Brernnkraffimaschine
unabhängig von einem eigens zur Speisung der Brennkammer dienenden Gebläse oder
einem Druckluftspeicher.
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Es ist für die Zwecke der Erfindung angängig, jede beliebige Art von
Kupplung zwischen dem Aufladesatz und der Hauptmaschinenwelle zu verwenden; sie
kann beispielsweise mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch sein, jedoch
ist eine elektrische Kupplung als bevorzugte Lösung anzusehen, bei der die Welle
des Auf ladesatzes mit einer dynamoelektrischen Maschine und die Hauptmaschinenwelle
mit einem zweiten Dynamo unter elektrischer Verbindung der beiden Dynamos durch
Kabel gekuppelt ist.
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Die Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
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Fig. i zeigt eine aufgeladene Maschine mit mechanischer Kraftübertragung
zwischen dem Aufladesatz und der Hauptmaschinenwelle, Fig.2 eine Abänderung der
Anordnung nach Fig. i mit zusätzlichem Schwungrad; Fig. 2 a und :2b zeigen Einzelheiten
der Anordnung zum Anwerfen der Maschinen in beiden Drehrichtungen; Fig.3 stellt
eine Ausführungsform mit elektrischer Kraftübertragung vom Aufladesatz zur Hauptmaschinenwelle
dar; Fig. 4. zeigt eine Abänderung der Ausführungsform nach Fig. 3, bei der der
Energiefluß zwischen Aufladesatz und Hauptmaschinenwelle umgekehrt werden kann.
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In Fig. i bedeutet io eine Brennkraftmaschine beliebiger Art mit Druck-
oder Kerzenzündung, i i die Luftsammelleitung dieser Maschine, i2 die Abgassammelleitung,
13 ein Schwungrad mit Zahnkranz.
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Der Abgasaufladesatz 14 besteht aus einem Aufladegebläse 15 mit Lufteinlaß
bei 16, einer Gasturbine 17 mit Gaseintritt bei 17' und Gasauslaß bei 18. Am oberen
Ende ist mit dem Aufladesatz eine Andrehvorrichtung beliebiger Art, z. B. ein Motor
2o gekuppelt, zu welchem Zweck eine Freilaufkupplung ig vorgesehen ist. Das untere
Ende der Aufladesatzwelle trägt eine abschaltbare Schlupfkupplung 21, die beliebiger
Bauart sein kann. Durch Einschalten dieser Kupplung kann das Zahnradgetriebe 22
angetrieben werden, dessen angetriebene Welle eine Vorrichtung 23 trägt, die in
Reihenfolge folgende Funktionen erfüllen kann erstens das Ritzel24 durch Abwärtsbewegung
in Eingriff mit dem Zahnkranz 13 zu bringen und zweitens bei Weiterbewegung dieses
Ritzel- mit dem Getriebe 22 zu kuppeln. Wahlweise kann die zweite Funktion weggelassen
werden, die dann von der Kupplung 21 selbst übernommen wird. Ein Handhebel 23' dient
zur Verstellung der Vorrichtung 23. Elektrische Leitungen 21' dienen zum Schalten
der Kupplung 21, die hier elektromagnetischer Art ist, aber auch anderer Bauart
sein kann.
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Die Luftladeleitung 25 verbindet den Gebläseauslaß mit der Luftsammelleitung
i i. Ein Klappenventil 26 stellt die Verbindung her, wenn es in seine obere Lage
gebracht wird; in seiner unteren Stellung wird die Leitung 25 mit der Leitung 27
verbunden. In Zwischenstellungen der Klappe 26 wird die Gebläseluft teilweise in
die Leitung i i und teilweise in die Leitung 27 strömen. Aus der Leitung 27 gelangt
die Luft in eine Hilfsbrennkammer 28, denen Auslaß über das Kniestück 29 in die
Gassammelleitung i2 führt. Die Brennkammer ist mit einer Brennstoffzufuhrleitung
3o, einer Düse 30' und einem Ventil 31 ausgerüstet.
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Das Anlassen der Brennkraftmaschine geht wie folgt vor sich: Das Ventil
26 wird in die untere Endlage gebracht, die Kupplung 21 abgeschaltet und
die Andrehvorrichtung 2o, ein Motor in dem vorliegenden Beispiel, in Betrieb gesetzt,
wodurch der Aufladesatz auf Touren gebracht wird, bis ein Luftstrom vom Einlaß 16
durch das Gebläse 15, die Leitungen 25 und 27 in die Brennkammer 28 und von da über
die Leitungen 29, 12 und 17' in die Turbine 17 und schließlich zurück in die Umgebungsluft
bei 18 fließt. Nun wird der Brennstoff durch die Leitung 30 über das Ventil
31 in die Kammer 28 gespeist und entzündet. Die sich darin bildenden heißen Brenngase
beginnen die Turbine 17 zu treiben, der Aufladesatz beschleunigt sich bald über
die Drehzahl des Motors 2o hinaus und wird durch die Freilaufkupplung i9 abgeschaltet,
worauf der Motor 2o stillgesetzt werden kann. Der Aufladesatz arbeitet nun als selbständige
Gasturbinenanlage und kann durch Steigerung der
Brennstoffzufuhr
auf hohe Drehzahl gebracht werden. Nun wird die Kupplung 2i eingeschaltet, wodurch
das Getriebe 22 ebenfalls auf Touren gebracht wird. Danach wird der Handhebel
23' so eingestellt, daß das Ritzel 24 mit dem Hauptrad 13 in Eingriff kommt,
und durch Weiterbewegung des Hebels 23' der Aufladesatz mit der Maschinenwelle gekuppelt.
Die in dem schnell laufenden Rotor des Aufladesatzes 14 gespeicherte, sehr beträchtliche
kinetische Energie dient nun zum Anwerfen der Brennkraftmaschine. Falls die Vorrichtung
23, wie oben erwähnt, ohne die Kupplungseinrichtung ausgebildet ist, wird nach Abwärtsbewegung
des Hebels 23' die Kupplung 21 eingeschaltet.
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Es ist offenbar möglich, zusätzliche Schwungmassen in dem Rotor des
Aufladesatzes unterzubringen, was dann zweckmäßig ist, wenn die Energieanforderungen
beim Anfahren sehr erheblich sind, z. B. bei sehr niedrigen Umgebungslufttemperaturen.
Es liegt im Rahmender vorliegenden Erfindung, während des Anwerfens der Maschine
die Brennstoffzufuhr zu der Hilfsbrennkammer zu steigern und so zusätzliche Leistung
in der Turbine zu erzeugen.
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Nachdem die Maschine eine angemessene Anlaufgeschwindigkeit erreicht
hat, wird die Klappe 26 etwas nach oben gedreht, so daß Ladeluft die Zylinder über
die Leitung i i erreichen kann, und nun Brennstoff den Zylindern zugeführt, so daß
die '.Maschine anspringt. Danach wird die Brennstoffzufuhr zur Hilfsbrennkammer
28 durch Drosselung mittels des Ventils 31 herabgesetzt oder vollständig unterbrochen,
der Hebel 23' in seine obere Stellung zurückgebracht, wodurch das Ritzel 24 entkuppelt
wird, und die Kupplung 21 abgeschaltet, so daß der Aufladesatz, der nun von den
Maschinenabgasen angetrieben wird, weiterläuft und wie ein normales Ladeaggregat
der Hauptmaschine vorverdichtete Luft zuführt.
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Für besondere Zwecke, beispielsweise um eine Maschine unter Last anzuwerfen,
kann die in Fig. 2 dargestellte Anordnung gewählt werden. Gleiche oder gleichwertige
Elemente in dieser und den folgenden Figuren tragen dieselben Bezeichnungen wie
in Fig. i. In dieser Anordnung treibt das Getriebe 22 ein besonderes Schwungrad
4o auf Welle 41, die über eine hydraulische oder anders geartete Kupplung 42, Welle
43, Getriebe 44, 45, Welle 46 und Ritzel 24 mit dem Zahnkranz 13 gekuppelt werden
kann. Das Ritzel 24 ist auf der Welle 46 verschiebbar aufgekeilt und kann durch
den Hebel 47 ein- und ausgerückt werden.
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Der Aufladesatz wird in derselben Weise angelassen und betrieben,
wie oben für Fig. i angegeben. Danach wird das Schwungrad 4o durch Einschalten der
Kupplung 21 auf Touren gebracht. Zum Anwerfen der Maschine wird vorerst das Ritzel
24 eingerückt und darauf die Kupplung 42 eingeschaltet, z. B. bei hydraulischer
Bauart durch Füllen mit Öl, so daß der Aufladesatz Energie zum Anwerfen an die Maschinenwelle
liefern kann.
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Es wird bisweilen verlangt, die Maschine wahlweise in der einen oder
anderen Drehrichtung anzulassen. Zu diesem Zweck kann, wie in Fig.2a und 2 b angedeutet,
ein Umkehrgetriebe 44, 48 an Stelle des Getriebes 22 angeordnet sein. Zum Anwerfen
in der einen Drehrichtung sind die Räder 44, 45 im Eingriff, während für die entgegengesetzte
Drehrichtung die Räder 44 und 45' verwendet werden. Zu dieser Einstellung ist das
Rad 44 auf der Welle 43 verschiebbar aufgekeilt.
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Fig. 3 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung mit
einem Generator 54, der von dem Aufladesatz 14 angetrieben wird, und einem Elektromotor
55, der über das Ritzel 24 das Maschinenschwungrad antreiben kann. Das Ritzel 24
kann, wie in Fig. 2 angegeben, nach Anwerfen der Hauptmaschine ausgerückt und der
Motor 55 außer Betrieb gesetzt werden.
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Fig.4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der Mittel vorgesehen
sind, um den Energiefluß zwischen den zwei elektrischen Maschinen 54 und 55 umzukehren,
und weitere Mittel, um diesen umgekehrten Energiefluß derart zu regeln, daß der
Druck in der Leitung i i immer um einen angemessenen Betrag höher gehalten wird
als der Druck in der Leitung 12, und zwar unabhängig von dem Betriebszustand, also
Last und Drehzahl der aufgeladenen Brennkraftmaschine. Das Maschinenschwungrad 13
ist hier mit zwei Spurkränzen 13a und i36 versehen. Das Brennstoffventil 31 wird
mittels eines Handhebels 64 eingestellt und regelt die Brennstoffzufuhr zur Kammer
28. Mittels einer Stange 65 ist das Klappenventil 26 mit dem Brennstoffventil 31
gekuppelt.
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Der Motordynamo 55, der mit einem Nebenschlußregler 57 versehen ist,
kann wahlweise über Kranz i3a und Ritzel 13d mit hoher Übersetzung oder über den
kleineren Kranz i36 und Ritzel 13c mit niedriger Übersetzung mit der Maschinenwelle
gekuppelt werden. Die Getriebe werden durch einen Hebel 67 geschaltet. Der Motordynamo
54, der mit einem Nebenschlußregler 56 versehen ist, ist mit dem Aufladesatz i i
gekuppelt und mit dem Motordynamo 55 mittels der Leitungen 68 über einen Schalter
69 elektrisch verbunden. Eine Hilfsbatterie 71 ist über Kabel 70 und Schalter
72 an die Leitungen 68 unterhalb des Schalters 69 angeschlossen.
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Ferner sind zwei elastische Membranen 36, 38 vorgesehen, von denen
die erste ein Rohr 37 mit einer Öffnung 37' in der Leitung 12, die zweite in ähnlicher
Weise über ein Rohr 39 mit einer Öffnung 39' in der Leitung i i verbunden ist.
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Die beiden Membranen 36 und 38 wirken auf die Enden eines Hebels 6o
in entgegengesetztem Sinn ein. Eine Stange 59, die zwischen den Endpunkten des Hebels
6o angreift, ist mit dem Hebel 58 des Feldreglers 57 verbunden. Ein Schalthebel
58 bewegt sich um einen Drehpunkt am kurzen Arm 63 eines Regelhebels, dessen längerer
Arm als Handhebel 61 ausgebildet ist. Der Handhebel 61 kann mittels eines feststehenden
Zahnsegmentes 62 in beliebiger Lage festgestellt werden. Durch Schwenken des Handhebels
61 wird der Feldregler 57 unabhängig von einer etwaigen Hubbewegung der
Membranen
36 und 38 eingestellt und somit die Maschine 55 geregelt.
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Die Anlage wird wie folgt angelassen: Schalter 69 ist geöffnet und
Schalter 72 geschlossen. Der Feldregler 56 wird nun angestellt, um die Maschine
5.1 von der Batterie 71 aus als Motor zu betreiben, wodurch der Aufladesatz auf
Touren gebracht wird. Der Brennstoffhebel 64 wird hierauf nach rechts gedreht, wie
in Fig. 4 dargestellt, wodurch das Klappenventil 26 den Lufteintritt über Leitung
27 in die Hilfsbrennkammer 28 freigibt. Gleichzeitig damit wird das Brennstoffventil
31 geöffnet und nunmehr die Zündung in der Kammer 28 eingeleitet. Der Aufladesatz
beginnt so zu arbeiten, wie es für Fig. i beschrieben ist, und der Schalter 72 kann
jetzt geöffnet werden. Danach wird der Getriebeschalthebel 67 nach aufwärts geschwenkt,
wodurch Kranz 132 und Ritzel 13d in Eingriff miteinander kommen. Nun wird der Motordynamo
55 zum Betrieb als Motor eingeregelt, während der Motordynamo 54, der bereits mit
hoher Drehzahl, vom Aufladesatz 14 angetrieben, umläuft, zum Betrieb als Generator
eingeregelt wird. Hierauf wird der Schalter 69 geschlossen, so daß nunmehr die Maschine
54 als Generator die :Maschine 55 als -Motor antreibt und somit die Brennkraftmaschine
angeworfen wird. Sobald die Brennkraftmaschine mit eigener Kraft läuft, wird der
Getriebeschalthebel 67 in seine untere Stellung gebracht, wodurch Spurkranz 13b
und Ritzel 13c in Eingriff miteinander kommen. Diese Schaltung ist nötig, um eine
zu hohe Drehzahl der Maschine 55 bei voller Drehzahl der Brennkraftmaschine zu vermeiden.
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Die nun in die Turbine 17 gelangenden Maschinenabgase lassen den Aufladesatz
weiterarbeiten, so daß die Brennstoffzufuhr zur Kammer 28 entweder herabgesetzt
oder ganz unterbrochen «-erden kann. Die Membranen 36 und 39 können während des
Anfahrens oder auch während des Betriebes durch Schließen der Hähne 37" und
39"
abgeschaltet werden.