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Kraftanlage mit einer Brennkraftmaschine und einem durch ihre Abgase
angetriebenen Turboverdichter Die Erfindung betrifft eine Kraftanlage mit einer
Brennkraftmascbine,und einem von ihrem Auspuff angetriebenen Turboverdichter. Bei
einer solchen Anlage treibt eine mit ,den Abgasen der Brennkraftmaschine betriebene
Turbine einen Verdichter an, der seinerseits die Ladeluft oder ein brennbares Gemisch
unter Druck der Brennkraftmaschine zuführt.
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Es sind bereits derartige Kraftanlagen bekannt, bei der zwei Turboverdichter
vorgesehen sind, die aus den Auspuffleitungen angetrieben werden. Hierbei können
zwischen den Auspuffleitungen bestimmte Querverbindungen hergestellt werden, wobei
die Möglichkeit gegeben ist, die beiden Turbinen hinsichtlich ihrer Speisung aus
den Abgasleitungen miteinander zu vertauschen oder auch sämtliche Zylinderauslässe
gleichzeitig auf beide Turbinen zu schalten.
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Demgegenüber bezieht sich die Erfindung auf Kraftanlagen der erwähnten
Art, die beispielsweise
für Zugmaschinen ad. dgl. bestimmt sind,
bei denen ein hohes Drehmoment bei verhältnismäßig niedrigen Maschinendrehzahlen
benötigt wird, während bei höheren Drehzahlen ein- großes Drehmoment nicht erforderlich
ist. Die durch die Erfindung gelöste Aufgabe ist die Schaffung einer Kraftanlage,
bei der diesen Anforderungen in ausreichendem Maße Rechnung getragen ist.
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Die Erfindung geht von Kraftanlagen mit mehrzylindriger Brennkraftmaschine
und einem durch ihre Abgase angetriebenen Turboverdichter aus, mit dessen Hilfe
den Maschinenzylindern das Ladegemisch zugeführt wird und bei dem die Düsen od.
dgl., durch die die Abgase Bern Turbinenrotor zugeführt werden, in wenigstens zwei
Abschnitte unterteilt sind, denen das Abgas durch getrennte Leitungen zugeführt
wird, und bei der eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Zahl
der Abgasleitungen, an welche die Ausfaßöffnung oder -öffnungen jedes Zylinders
angeschlossen sind, derart regelbar ist, daß jede Auslaßöffnung bei relativ niedriger
Maschinendrehzahl mit einer kleineren Anzahl von Düsen in Verbin: dung steht als
bei verhältnismäßig hoher Maschinendrehzahl.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß bei derartigen Kraftanlagen jede
Auslaßleitung an die Auslaßöffnung von einem oder mehreren Zylindern angeschlossen
ist, bei denen sich die Öffnungsperioden nicht wesentlich überschneiden, wobei die
Ventileinrichtung Zwischenleitungen zwischen den Auspuffleitungen derart steuert,
daß beirr Öffnen oder Schließen des oder der die Zwischenleitungen steuernden Ventils
bzw. Ventile jede der Leitungen willkürlich mit wenigstens einer der anderen Leitungen
in bzw. außer Verbindung gebracht werden kann, so daß sich die Zahl der Düsen, m-it
denen jede Auslaßöffnung in Verbindung steht, vermehren oder verringern läßt. Auf
diese Weise ist es möglich, einen bekannten Effekt auszunutzen, der darin besteht,
daß die Impulswirkung einer Reihe getrennter Auspuffstöße des jeder Düse zugeführten
Abgases nutzbringend verwertet wird. Mit Hilfe der Ventilanordnung können durch
Öffnen oder Schließen der Ventile die an Zylinder mit einander nicht überdedkenden
Öffnungsperioden angeschlossenen Auspuffleitungen nach Belieben miteinander in Verbindung
gebracht oder voneinander getrennt werden. In der einen Stellung der Ventilanordnung
ist demnach die Gesamtheit der Auspufföffnungen eines jeden Zylindersatzes, deren
Öffnungsperioden sich nicht wesentlich überschneiden, über eine Albgasleitung nur
mit einem bestimmten Düsenabschnitt der Turbine verbunden; in der anderen Stellung
der Ventilanordnung sind jedoch die zwei oder mehr vorgesehenen Abgasleitungen miteinander
und gleichzeitig mit sämtlichen Düsenabschnitten der Turbine verbunden.
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Vorteilhaft ist hierbei die Anordnung :derart getroffen, daß die Auslaßleitungen
und die Ventileinrichtung so angeordnet und ausgebildet sind, daß, wenn sich eins
der Ventile in jener Stellung befindet, in der es die Abgase eines Zylinders bzw.
eines Zylindersatzes zwei Abschnitten der Turbinendüsen zuführt, jeder Auspuffstoß,
der das Ventil erreicht, von diesem in zwei annähernd gleiche Teile aufgespalten
wird, die den beiden zugehörigen Abschnitten der Turbinendüsen zuströmen. Hierbei
erfolgt die Zuführung des Auspuffgases zu den Turbinendüsen mit möglichst geringem
Energieverlust.
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Die Ventileinrichtung, mit deren Hilfe die Zahl der Düsenabschnitte
regelbar ist, die an die Auspufföffnung bzw. die verschiedenen Auspufföffnungen
der Brennkraftmaschine angeschlossen sind, kann so ausgebildet sein, daß sie von
Hand steuerbar ist. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch
eine drehzahlabhängige Einrichtung vorgesehen, die selbsttätig die Ventileinrichtung
derart steuert, daß die Zahl der Turbinendüsenabschnitte, an die jede Auslaßöffnung
der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, selbsttätig verringert wird, wenn die
Maschinendrehzahl einen bestimmten Wert unterschreitet, und bei Drehzahlen über
diesen Wert selbsttätig vergrößert wird.
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Mit einer Einrichtung nach der Erfindung. wird erreicht, daß bei relativ
niedriger Maschinendrehzahl ein hoher Aufladedruck zur Verfügung steht, so daß die
Maschine hierbei ein großes Drehmoment hergeben kann. Gleichzeitig wird erreicht,
daß bei höheren Drehzahlen, bei denen kein großes Drehmoment gefordert und daher
keine hohe Rufladung der Zylinderbenötigt wird, die Auspuffgase ohne nennenswerte
Drosselung und entsprechende Leistungseinbuße der Maschine die letztere verlassen
können. Dieses Verhalten der Kraftanlage wird dadurch ermöglicht, daß bei niedriger
Drehzahl jener obergenannte Effekt ausgenutzt wird, um eine hohe Rufladung zu erzielen.,
daß auf ihn aber bei höheren Drehzahlen verzichtet wird, um in diesem Drehzahlbereich
eine urgedrosselte Abgasabfuhr zu ermöglichen.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachstehenden
Beschreibung einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsformen der Erfindung
hervor.
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Fig. i zeigt schematisch und im Grundriß eine Kraftanlage nach der
Erfindung mit einer Achtzy linder-Brennkraftmaschine; Fig.2 zeigt schematisch und
gleichfalls im Grundriß, jedoch im größeren Maßstäbe, die Ventilsteuereinrichtung,
die bei der Anordnung nach Fig. i zur Anwendung gelangt; Fig. 3 zeigt die Einrichtung,
mit deren Hilfe die bei der Anordnung nach den Fig. i und z verwendete Ventilsteuereinrichtung
selbsttätig mittels eines drehzahlabhängigen Reglers geregelt werden kann; Fig.
4;. entspricht etwa der Fig. i und zeigt eine Kraftanlage nach der Erfindung mit
einer Siebenzylinder-Brennkraftmaschine; Fig.5 zeigt in größerem Maßstäbe und im
Grundriß die Ventilsteuereinrichtung der Anlage nach Fig. q..
Bei
dem in den Fig. i, 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Kraftanlage
kommt eine Brennkraftmaschine J mit acht Zylindern J1, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8
zur Anwendung. Es handelt sich um eine Viertakt-Brenn@kraftmaschine mit normaler
Zündfolge, so daß sich die Öffnungsperioden der Auspuffkanäle der Zylinder J1 und
J5 bzw. J2 und J5 bzw. J3 und J7 bzw. J4 und J8 nicht überschneiden. Die Auspufföffnungen
der Zylinder J1 und J5 sind an eine Gasleitung K, diejenigen der Zylinder J2 und
J6 an eine Leitung K1, diejenigen der Zylinder J3 und J7 an eine Leitung K2 und
schließlich diejenigen der Zylinder 14 und Je an eine Auspuffleitung K3 angeschlossen;
die Einlaßöffnungen aller Zylinder stehen mit einer gemeinsamen Einlaßleitung C3
in Verbindung.
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Die Auspuffleitungen K und K2 sind durch Leitungsstücke K4 und K5
miteinander verbunden, die durch Ventile L und M steuerbar sind. Diese Ventile können
entweder die durch die Bezugszeichen L und M gekennzeichneten Stellungen oder Endlagen
einnehmen, die durch die Bezugszeichen L1 und Ml gekennzeichnet sind. Die Zwischenleitungen
K4 und K5 sind schräg zu den Leitungen K und- K-und entgegengesetzt zueinander gerichtet,
wie dies aus der Zeichnung erkennbar ist.
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Entsprechend sind die Leitungen KI und K3 durch Zwischenstücke K6
und K7 miteinander verbunden., die mittels der Ventile N bzw. O steuerbar sind.
Diese Ventile können entweder die mit den Bezugszeichen N und O versehenen Stellungen
oder die Endlagen NI bzw. 0l einnehmen.
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Die Ventile L, M, A', und O sind gleichzeitig mittels einer Steuerstange
P verstellbar, die (vgl. Fig. 3) mittels eines Kolbens G in Abhängigkeit von dem
Regler H3 verstellt werden kann, der von der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
Dabei erfolgt die Verstellung des Servokolbens G mit Hilfe eines Druckmittels, und
der Kolben G ist in einem Zylinder G1 verschiebbar angeordnet und dem Einfluß einer
Feder G2 ausgesetzt, die das Bestreben hat, für gewöhnlich den Kolben G und damit
auch die Stange P in der in der Zeichnung veranschaulichten Stellung zu halten,
bei' der die Ventile die Stellungen L, M, N und O einnehmen. Das der Feder
G2 abgewandte Ende des Zylin@ ders G1 steht über einen Kanal G3 mit einem Zylinder
H für ein kolbenartiges Steuerventil Hl in Verbindung. Dieses Kolbenventil ist über
eine Stange H2 mittels eines Fliehkraftreglers H3 verstellbar, der von der Brennkraftmaschine
angetrieben wird. Das Ventil Hl ist so angeordnet, daß es unterhalb einer bestimmten
Maschinendrehzahl die in der Zeichnung veranschaulichte Stellung einnimmt; in :dieser
Stellung steht die Leitung G3 mit einer Entlastungsleitung H4 in Verbindung. Oberhalb
der erwähnten Grenzdrehzahl bringt das Kolbenventil Hl die Leitung G3 mit einer
Druckluftquelle H5 in Verbindung, was zur Folge hat, daß der Kolben G und damit
die Stange P nach rechts bewegt wird und die Ventile in die Stellungen J_1, Ml,
N1 und 01 übergeführt werden. Ein einstellbarer Anschlag kann auf der Stange
P vorgesehen sein (nicht dargestellt), um die Stellung festzulegen, die die Stange
P und die Ventile einnehmen, wenn sie sich in Aden letztgenannten Lagen befinden.
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Wie die Zeichnung erkennen läßt, sind die Ventile für die Durchführung
der soeben beschriebenen Steuerung mit der Steuerstange P über je ein Gestänge verbunden,
das z. B. im Falle des Ventils L aus einem Winkelhobel L2, einer Stange L3 und einem
Hebel L4, im Falle des Ventils M aus einem Doppelhebel M2, einer Stange M3
und einem Hebel M4, im Falle des Ventils N aus einem Doppelhebel N2, einer Stange
N3 und einem Hebel N4 und im Falle des Ventils O aus einem Doppelhebel 02, einer
Stange 03 und einem Hebel 04 besteht.
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An der einen Stirnseite der Brennkraftmaschine ist ein Abgasturbinengebläse
bekannter Bauart angeordnet, das aus dem Turbinenteil Cl und einem Zentrifugalverdichter
C2 besteht. Die Förderseite dieses Verdichters steht mit der Einlaßleitung C3 in
Verbindung. Der übliche Düsenring der Turbine Cl ist in an sich bekannter Weise
in vier Abschnitte aufgeteilt. Diese vier Abschnitte sind so angeordnet, daß sie
durch vier Auspuffleitungen K, K1, K2, K3 mit Abgasen gespeist werden :können.
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Nimmt die Steuerstange P die in der Zeichnung veranschaulichte Lage
ein, was in dem niedrigen Drehzahlbereich der Maschine, der Fall ist, so befinden
sich die Ventile in den Stellungen L, M, N und O; die Auslaßöffnung jedes Zylinders
ist nur mit je einem Abschnitt des Düsenringes verbunden. Nimmt hingegen die Stange
P ihre andere Endlage ein, so daß sich,die Ventile in dien Stellungen L1, Ml, N1
und 01 befinden, so wird die Auspufföffnung eines jeden Zylinders mit zwei
Abschnitten des Düsenringes der Turbine D verbunden sein. Im übrigen ist die Anordnung
der Ventile so, daß, wenn sie sich in den Stellungen L1, Ml, N1, 0l befinden, jedes
Ventil das Bestreben hat, jeden Stoß der Abgase, die durch die Leitungen L,
KI, K2 oder K3 hindurchtreten, in ungefähr zwei gleiche Hälften aufzuspalten,
und zwar deswegen, weil sich die Ventile teilweise quer über diese Leitungen erstrecken,
so daß etwa die Hälfte eines jeden Gasstoßes in die andere zugehörige Leitung abgelenkt
wird.
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Bei der Anordnung nach Fig. 4 findet eine Kraftanlage Anwendung, deren
Brennkraftmaschine Q sieben Zylinder Q1, Q2, Q3, Q4, Q8, 0e, Q7 aufweist. Bei dieser
Maschine ist die Zündfolge derart gewählt, daß sich die Öffnungsperioden der Auspufföffnungen
der Zylinder Q1, Q4 und Q7 nicht überlappen, desgleichen nicht die Auspuffperioden
Q2 und Q5 und diejenigen der Zylinder Q3 und Q6. Die Auspufföffnungen der Zylinder
Q1, Q4 und Q7 sind an eine Auspuffleitung R angeschlossen; diejenigen der Zylinder
Q2 und Q5 hingegen an eine Auspuffleitung R1 und diejenigen der Zylinder Q3 und
Q6 an eine Auspuffleitung R2. Alle Einlaßöffnungen sämtlicher Zylinder stehen mit
einer gemeinsamen Einlaßleitung S -in Verbindung.
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Zwischen den Auspuffleitungen R und R2 besteht eine Verbindung über
eine Zwischenleitung R3, die
mittels eines Ventils T steuerbar ist;
eine Zwischenleitung R4, steuerbar.mittels eines Ventils U, verbindet die beiden
Auspuffleitungen R und R1, und die beiden Leitungen. R1 und R2 sind durch eine mittels
eines Ventils V steuerbare Zwischenleitung RS miteinander verbunden; wie die Zeichnung
erkennen läßt, verlaufen diese Zwischenleitungen gegenüber den zugehörigen Abgasleitungen
in schräger Richtung. Die Ventile können entweder die mit den Bezugszeichen
T, U und V gekennzeichneten Stellungen oder ihre anderen durch die Bezugszeichen
T1, U1 und V1 bezeichneten Endlagen einnehmen.
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Die Ventile sind so angeordnet, daß sie mittels einer Stangc W gleichzeitig
steuerbar sind; diese Stange entspricht der Steuerstange P in der Anordnung nach
Fig. i, 2 und 3. Die Steuerstange W ist mit dem Ventil T über einen Doppelhebel
T2, eine Stange T3 und einen Hebel T4, mit dem Ventil U über einen Doppelhebel U2,
eine Stange U3 und einen Hebel U4 und mit dem Ventil V über einen Doppelhebel V2,
eine Stange V3 und einen Hebel V4 verbunden. Außerdem kann die Stange W mittels
eines Kolbens gesteuert werden, der dem Kolben G der Ausführungsform nach. den Fig.
i, 2 und 3 entspricht; dies geschieht mittels eines drehzahlabhängigen Reglers H3
unter Vermittlung eines Ventils Hl derart, daß die Ventile ihre Stellungen T und
'V einnehmen, wenn die Maschinendrehzahl sich unterhalb eines festgesetzten Wertes
hält, während sie die Stellungen T1, U1 und Vi -bei darüberliegenden Drehzahlen
einnehmen.
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Die Abgasleitungen R, R1 und R2 sind an verschiedene Düsenabschnitte
der Turbine Cl eines mittels der Abgase antreibbaren Turboverdichters angeschlossen.
Die Druckseite des Verdichterteils C2 steht mit dem Einlaß'kanal S in Verb-in, dung.
Bei dieser Anordnung ist der Abschnitt des Düsenringes, der an die Abgasleitung
R angeschlossen ist, größer als jeder der beiden anderen an die Leitungen R1 und
R2 angeschlossenen Abschnitte. Unterhalb einer bestimmten, im voraus festzulegenden
Drehzahl der Brennkraftmaschine werden also, wenn die Ventile die Stellungen
T, U und V einnehmen, die einzelnen Auspufföffnungen nur mit einem Abschnitt
des Düsenringes der Turbine D in Venbindung stehen; ist aber diese vorbestimmte
Maschinendrehzahl überschritten, nehmen also die Ventile die Stellungen T1, U1,
V1 ein, so steht jede Auspufföffnung mit zwei Abschnitten des Düsenringes der Turbine
in Verbindung. Jeder Stoß oder Auspuffgase, der aus einer Auspufföffnung in eine
der Abgasleitungen R, R1 oder R2 eintritt, wird also durch das zugeordnete Ventil
in ungefähr zwei gleiche Hälften aufgespalten, derart, daß jede dieser beiden Hälften
einem anderen Abschnitt des Turbinendüsenringes zugeleitet wird.