Brennkraftmaschine mit Abgasturbine und Ladepumpe. Die Erfindung betrifft eine besondere Ausbildung von Brennkraftmaschinen mit Ladepumpen, bei welchen die Energie der Auspuffgase in Turbinen verwertet wird.
Es ist bei Zweita1Ltbrennkraftmaschinen mit teil weiser Füllung von vorverdichteter Ladeluft schon vorgeschlagen worden, die vollständige Expansion der Verbrennungsgase bis zum Gegendruck derart zu erreichen, dass die Kol- benmaschinenarbeit ganz zur Durchführung der Vorverdichtung benützt wird und die Verbrennungsgase auf einen mit dem Lade luftdruck theoretisch übereinstimmenden Zwischendruck herunter expandieren und erst .darin eine, allein äussere Arbeit leistende Tur- b-ne beaufschlagen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun ebenfalls die vollständige Expansion .der Ver brennungsgase auszunützen, es soll dies aber mit einer andern Einrichtung erreicht wer den. Diese ist so getroffen. dass -die Verbren nungsgase unter raschem Druckabfall einer seits' in der Brennkraftmaschine und ander seits in einer ersten Turbine Arbeit leisten und nachher zwecks weiterer Arbeitsleistung in eine- zweite Turbine überströmen. Die Aus bildung kann derart sein, dass beide Turbinen auf die gleiche Welle arbeiten. Dabei können dieselben zum Beispiel zum Antrieb der Lade pumpen, oder von Elektrogeneratoren benützt werden; oder :die eine oder andere Turbine. oder beide können mit der Brennkraft-, mäschine gekuppelt sein.
Ferner können Mittel vorgesehen sein, um durch ,die Brenn- kraftmaschine hindurch Spülluft in die erste oder zweite Turbine oder in beide Turbinen einzuführen. Des weiteren kann die Ausbil dung so getroffen sein, @dass bei bestimmten, Belastungen oder Betriebsarten alle Verbren nungsgase nach Austritt aus der Brennkraft maschine nur der zweiten Turbine zuströmen.
In den Fig. 1 bis 7 ist der Erfindungs gegenstand beispielsweise dargestellt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die Arbeitsweise hei der Anwendung auf Vier-taktbrennkraft- maschinen, die FiG. 3 und 4 diejenige bei Zweitaktbrennkraftmaschinen; .die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Maschi nenanlage mit einer Viertakt- und die Fig. 3 und 7 solche mit Zweitaktbrennkraftmaschi- nen.
In Fig. 1 ist 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 1 das Indikatordiagramm der Viertaktbrennkraft- maschine. 1, 2, 3 entspricht dem Saug-, 3.; 4 dem Verdichtungs-, 4, 5, 6, 7 dem Verbreii- nungs- und Ausdehnungshub.
Bei 6 beginnt der Vbertritt eines Teils der Verbrennungs gase unter raschem Druckabfall bis zum Punkt 8 in die erste Turbine, und von 8 bis 1 findet das Ausstossen der noch in der Brenn kraftmaschine verbleibenden VerbrennuDgs- gase in die zweite Turbine statt. Das ideelIe Arbeitsdiagramm der ersten Turbine wird durch die senkrecht schraffierte Fläche 6, 7, 8, 9, 6 (I) dargestellt, während die ideelle Arbeitsleistung in der zweiten Turbine durch die schief schraffierte Fläche 10, 11, 12, 13, 10 (1I) veranschaulicht wird.
Die Fig. 2 zeih den zeitlichen Verlauf der Vorgänge .entsprechend Fis. 1 während einer I; mdre- hung, das heisst dem Ausdelinungs- und Aus puffhube in der Brennkraftmaschine. Ent sprechende Purllae sind gleich bezeichnet. Der Weg des Kurbelzapfenmittels wird durch den Kreis .4, 6, 7, 8, 10 dargestellt.
Die bei plötzlichem Druckabfall in der Brenn- kraftmaschine und in der ersten Turbine stattfindende Arbeitsleistung findet auf dem Kurbelweg 6, 7, 8 statt, Daran schliesst sich auf dem Kurbelweg 8, 1 bezw. 8, 10 die jenige der Verbrennungsgase in der zweiten Turbine an. 14, 15, 16. 17, 14 ist das ideelle Indikatordiagramm der Ladepumpe, welche der & rennlcraffmaschine die vorverdichtete Ladung zubringt. Der der Arbeitsleistung der ersten Turbine entsprechende Kurbelwin kel ist. mit I, derjenige welcher der zweiten Turbine entspricht, ist mit II bezeichnet.
Die dargestellten Druckunterschiede zwi schen der Aussehublinie 8, 1 der Brennkraft maschine und dem Eintrittsdruck. 10, 9, 13 in die zweite Turbine sind durch den Druckv er- lust beim Überströmen der Verbrennungsgase aus der Brennkraftmaschine in die Turbine bedinct. Ebenso ergeben sich beim Ansaugen in den Vorverdichter, entsprechend der An sauglinie 17,
14 gegenüber dem Atmosphären- druck und beim Laden der Zylinder der Brennkraftmaschine entsprechend den Linien 1, 2, 3 gegenüber 16, 15 Druckverluste. Es kann auch während des Aussehiebens der Verbrennungsgase in die zweite Turbine ent sprechend 10, 9, 13 der Druck sich etwas än dern, also nicht ganz wie gezeichnet ver laufen.
Die Fig. 3 und 4 stellen die Arbeitsweise bei einer im Zweitakt arbeitenden, nach ,der Erfindung ausgebildeten Brennkraftmaschine ebenfalls anband eines Indikatordiagramms (Fig. 3) und eines Kurbeldiagramms (Fig. 4) dar.
In der Fig. 3 ia 20, 21, 22_ 23, 24, 25, 20 .das Diagrainni der Zweitaktbrennkraft- maschine; 20, 2l ist die Verdichtungslinie, 21, 22, 23 entspricht der Verbrennungs- und Expansionsperiode.
Auf dem Wege 23, 24 findet das Überströmen eines Teils der Ver- brennungsraz,e in die erste Turbine statt. 24 bis 25 und zurück bis 24 entspricht der Spül- perio,(le, das heisst auf dem entsprechenden Kolbenwege werden die in den Zylindern der Brelinl-Ira.ftmascliinc noch verbliebenen Aus puffgase durch neue Ladung hinausgespült. Auf dem Wege 24, 20 kann dies noch fort gesetzt werden, oder es kann auch eine Auf- ladunIe; stattfinden, und bei 20 beginnt die eigentliche Verdichtung.
Das ideelle Indikatordiagramm der ersten Turbine wird durch die Fläche 23, 24, 26, 23 dargestellt, das heisst durch die senkrecht schraffierte Fläche I. Die entsprechend dein Kolbenweg 24, 25, 20 aus der Brenrikraft- maschine hinausgespülten, sowie .die aus der Turbine I austretenden Verbrennungsgase gelangen in die Turbine II und leisten dort entsprechend der Diagrammfläche 27, 28, 29, 30, 27 gemeinsam Arbeit. Diese Fläche ist mit 1I bezeichnet und schief schraffiert.
Das Indikatordiagranim des Vorverdichters für die Ladung der Brennkraftmaschine wird durch die Fläche 31. 32. 33, 34, 31 darge stellt.
Ans der Fig. 4, in welcher die der Fig. 3 entsprecllen.den Punlzte Bleichbezeichnet sind, sieht man, dass auf (lern Kurbelwege 23, 24 entsprechend dem Kurbelwinkel I bei star kem Druckabfall gleichzeitig in der Brenn- kraftmaschine und dex ersten Turbine Arbeit geleistet wird.
Anschliessend daran erfolgt das Ausspülen der in der Brennkraftmascliine verbliebenen Verbrennungsgase auf dem Kurbelwege 24, 25, 24a, 20 und Übertritt derselben in .die zweite Turbine entsprechend dem Kurbelwinkel II. Steht der Kolben der Brennkraftmaschine in der dem Punkt 20 entsprechenden Stellung, so werden die Spül und Auspufforgane geschlossen und die Ver bindung Vorverdichter-Brennkraftmaschine- Abgasturbine ist unterbrochen.
In der Brenn- kraftmaschine beginnt nun die Verdichtung entsprechrend 20, 21.
Die Fig. 5 stellt schematisch ein Ausfüh rungsbeispiel einer nach den Diagrammen Fig. 1 und 2 arbeitenden Kraftmaschinen anlage dar. 40 ist der Vorverdichter, welcher durch die Leitung 41 seine Ladung, z. B. at mosphärische Luft oder brennbares Gemisch, ansaugt und in verdichtetem Zustand durch die Leitung 42 an die Viertaktbrennkraft- maschine 43, von der nur ein Zylinder dar- Crestellt ist. durch ihr Einlassventil 47 abgibt. 45 ist der Kolben, :der in der gezeichneten Stellung in der Nähe des untern Totpunktes angekommen ist.
Zur Durchführung des Ar beitsverfahrens nach Fig. 1 und 2 steht nun der Arbeitszylinder 48 durch eine Leitung 49 mit einer Turbine I in Verbindung. In diese Leitung 49 kann ein selbsttätig wirkendes oder gesteuertes Abschlussorgan 51 eingebaut sein. Da. die Turbine I mit :dem Laufrad 50 mit stark fallendem Druck arbeiten soll, wird die Leitung 49 nur so gross gewählt, dass die Gase mit grosser Geschwindigkeit durchstreichen und kein Ansammeln dersel ben dort stattfindet. Die Eintrittsdüsen 52 in -die Turbine 50 sind ebenfalls so zu wäh len, dass eine noch gute Ausnützung der Ex pansionsenergie der Verbrennungsgase statt findet.
Die Turbine I kann aus einem oder meh reren Laufrädern bestehen.
Eine zweite Abgasleitung 53 führt den im Zylinder 48 verbliebenen Teil der Ver- brennungsgase während des Ausschubhubes in die Turbine II, welche im gezeichneten Beispiel aus einem ersten Leitrad 54, einem "ersten Laufrad 55 und einem zweiten Leit- bezw. Laufrad 56 bezw. 57 besteht.
Im Ge gensatz zur Leitung 49 werden die Leitung 53 und die Querschnitte in der Turbine 1I mit Vorteil so gewählt, dass die Verbren nungsgase mit annähernd konstantem Druch der Turbine II zufliessen. Im gezeichneten Beispiel sind die Turbinenlaufräder 50, 55 und 57 auf einer gemeinsamen Welle be festigt. Die aus dem Laufrad 50 austreten den Verbrennungsgase gelangen in den mit der Leitung 53 in Verbindung stehenden Sammelraum 58 und von dort ebenfalls in die Turbine II und von dort in den Auspuff stutzen 59.
Die Arbeitsweise der Kraftanlage ist nun derart, dass "ach beendeter Expansion in der Brennkraftmaschine der Kolben in der Nähe des untern Totpunktes (gezeichnete Kolben stellung) die Verbindung zwischen dem Kraftzylinder 48 und .der Turbine I durch die Leitung 49 herstellt. (Der Deutlichkeit halber sind die Austrittsschlitze in der Zeichnung im Verhältnis zu,den Zylinderab messungen übertrieben gross dargestellt.) Durch den im Kraftzylinder 48 herrschenden Überdruck öffnet sich das Rückschlagventil 51 und ein Teil der Verbrennungsgase strömt unter starkem Druckabfall in die Turbine I.
Dieses Überströmen dauert so lange, bis im Kraftzylinder im gleichen Zeitpunkt gegen über .dem Eintrittsraum 58 zur Turbine 1I kein wesentlicher Überdruck mehr besteht. In diesem Zeitpunkt öffnet sich das Ventil 44, und der nun nach oben gehende Kolben stösst die im Kraftzylinder noch verblie- nen Gase durch die Leitung 53 in :die Tur bine 1I aus.
Inzwischen hat sich das Organ 51 wieder geschlossen, es können keine Verbrennungs gase mehr durch dasselbe in die Turbine II gelangen. Nach beendetem Ausschubvor- gang wird das Ventil 44 wieder geschlossen, ,das Einlassventil 47 geöffnet, und es folgt das bei Viertaktmaschinen bekannte Ansau- gen der neuen Ladung. Geben Ende des Saughubes deckt der Kolben die Leitung 49 wieder ab.
Um nun bei der gezeichneten Ausführung zu verhindern, dass in diesem Zeitpunkt Verbrennungsgase aus der Leitung 49 oder der Turbine I in .den Kraftzylinder 48 gefangen, ist das R.ückschlagventil 51 oder ein besteuertes Organ so eingebaut, dass dasselbe den Zutritt zum Kraftzylinder nun abschliesst.
Die Abgasturbinen I und II können auch ,je mit besonderem Gehäuse versehen oder für sieh unabhängig sein. Ausser an die Ladepumpe 4(1 können sie auch noch Kraft nach aussen, zum Beispiel an einen' Elektrogenerator 60, ab- (reben. Sie könnten auch zum Beispiel mit telst eines Zwischengetriebes mit der Brenn kraftmaschine gekuppelt sein.
Die Fib. 6 und 7 stellen Maschinenanlagen finit Zweitaktbrennkra.ftmaschinen dar. Ent sprechende Teile sind mit gleichen Ziffern wie in Fig. 5 bezeichnet.
Beider in Fig. 6 gezeichneten Anordnung fördert der Vorverdicliter 40 seine Förder inenge durch die Leitung 42 und die Ein trittsschlitze 4 7 in den Kraftzylinder 48.
Durch das Ventil 51 findet auf dem entsprechend der Diagrammlinie 23, 24 in der Fic. 3 das Überströmen der sich stark entspannenden Verbreiiiiungsgase durch .die Leitung 49 in die Turbine I statt. Diese be steht aus einem von Düsen 52 beaufschlagten Laufrad 50. Während dieses Vorganges hält der Kolben 45 noch die Öffnungen 47 und 44 in der Zylinderwand geschlossen.
Diese werden erst hegen Ende des Hubes in der ;ezeiehneten Stellung vom Kolben 45 freige legt. Auch in Fig. 6 sind die Austrittsschlitze iin Verhältnis zu den Zylinderabmessungen übertrieben gross geze:
ehnet. Von diesem Zeitpunkte ab strömt neue Ladung durch die Schlitze 47 in den Zylinder 48 ein und die noch dort befindlichen V erbrennungsgase werden durch die Schlitze 44 und die Leitung 53 in die Turbine 1I mit den Leiträdern 54 und 56 und den Laufrädern' 55 und 57 hin durchgetrieben.
Nach erfol ter Arbeitslei= tung, welche in der Turbine II gemeinsam mit .den aus der Turbine I tretenden Gasen erfolgt, gelangen die Gase in den Austritts stützen 59 und von dort ins Freie. 46 ist das Brennstoffventil.
Ein solches ist nicht noll-- w e n- di-, wenn durch den Vorverdichter 40 Brennstoffluftgemisch befördert wird.
Bei der Anordnung- nach der Fig, 7 ge schieht die Einführung -rler vorverdichteten Ladung durch zwei übereinander angeord nete Schlitzreihen 47 und 4711, wobei der Zu tritt vom Zylinder 48 zu der Leitung 42 durch die obern Schlitze 47a durch Ventile 47>> abgeschlossen werden kann,
Ferner mün den beide Turbinenzuleitungen 49 und 53 durch Schlitze 49a und 44 in der Zylinder- wand. In der Leitung 49 ist ein Rückschlag- ventil 51. eingebaut.
Beim Kolbenniedergang legt der Kolben zuerst, die Schlitze 49a und 47a frei. Das @Tentil 411i verhindert, solange noch Über- drucl:# im Zylinder 48 besteht; das Über strömen von Verbrennungsgasen in die Zu leilung 42. Hingegen öffnet dieser Überdruck das Rückschlagventil 51 und die Verbren nungsgase strömen durch die Leitung 49 und die Düsen 5 2 auf das Laufrad 50. Dies dauert so lange, bis die Drücke in der Lei tung 49 und in dem Sammelraum 58 sich nahezu ausgeglichen haben.
Ungefähr in die sem Zeitpunkt legt der Kolben 4:5 die Aus- lassschlitze 44 frei, ebenso die Einlassschlitze 47. Die vorverdichtete Ladung tritt in den Zylinder 48 ein und treibt. die Verbrennungs gase durch die Schlitze 44 in die Leitung 53 zur Turbine 1I, wo diese mit den aus der Turbine I kommenden Gasen Arbeit leisten. Das Ventil 47U öffnet sieh, sobald in der Zuleitung 42 gegenüber dem Zylinder innern sich ein gewisser Überdruck einge stellt hat.
Es tritt dann auch durch die obern Schlitze .17a neue Ladung ein.
Ein Durchspülen mittelst neuer L adiant; kann bei allen Ausführungen Fig. 5, 6 und 7 sowohl durch die Leitung 49 in die Turbine E-als auch durch die Leitung 53 in die Tur bine II erfolgen. Bedingung hierzu ist nur, dass die Organe 47 und 51 und 47 oder 47a und. 44 "gleielizeiti,-- geöffnet bleiben.
Die Steuerung der Organe 51 kann so gebildet sein, dass dieselben zum Beispiel <B>i</B> aus bei bestimmten Maschinenbelastungen ge schlossen gehalten werden, so dass dann nur die Turbine II von den Verbrennungsgasen beaufschlagt wird. Dies empfiehlt sich dann. wenn infolge kleiner Belastung und entspre chend kleiner Brennstoffüllung der Druckab fall ss bis 8 nach Fig. 1 oder 23 bis 24 nach Fig. 3 so klein geworden ist, dass sieh eine Ausnützung der Energie in der Turbine i nicht mehr lohnt.
Bei Mehrzylinder - Brennkraftmaschinen können Leitungen 49 und Düsen 52 zwecks Vermeidung einer gegenseitigen Störung der aus den einzelnen Zylindern austretenden Verbrennungsgase von jedem Zylinder 48 aus gesondert zur Turbine I führen.
Statt einfachwirkenden Brennkraftmaschi- nen können auch doppeltwirkende oder sol che mit gegenläufigen Kolben vorgesehen sein.