CH188402A - Brennkraftmaschine mit Turbine zum Ausnutzen von in den Auspuffgasen der Brennkraftmaschine enthaltener Energie. - Google Patents

Description

  Brennkraftmaschine mit Turbine zum Ausnutzen von in den Auspuffgasen der  Brennkraftmaschine enthaltener Energie.    Die Erfindung betrifft eine     Brennkraft-          mazeliine    mit Turbine zum Ausnutzen von  in den Auspuffgasen der Brennkraftmaschine  enthaltener Energie und bezweckt, die vom  Auspuffstess herrührenden Schwankunggen  des Druckes der Auspuffgase vor der Tur  bine zu mildern und die Auspuffgas  ausnutzung zu verbessern.

   Die Erfindung  besteht darin, dass ein Ausgleichsraum, vor  gesehen ist, der deraxt bemessen und mitder  Leitung der Auspuffgase, zwischen dem Aus  lass der Brennkraftmaschine und dem Einlass  der Turbine verbunden ist,     dass    bei jedem  Auspuffstoss ein Teil der Auspuffgase,  ohne wesentliche Beeinträchtigung der Aus  nutzung der kinetiechen Energie des andern,  unmittelbar zur Turbine abfliessenden Teils,  in dem Ausgleiehsraum aufgenommen wird.  



  Bei Brennkraftmaschinen mit einem  Spülgcebläse, das mittels einer Abgasturbine  angetrieben wird, sind grosse Schwankungen  im Druak der Auspuffgase zulässig, und  zwar sogar in solieim4 Masse, dass während    der Spräperiode der Druck in der Abgas  leitung kleiner ist als der Spüldruck, um die  Spülung zu erleiclitern. Dient dagegen die  Abgasturbine zur Energieerzeugung, so sind  Druckechwankungen zu vermeiden, da sie  den mittleren Wirkungsgrad der Abgas  turbine verschlechtern. Der Vorteil der     Er-          fin,dung    diegt darin, dass durch Milderunng  der Sühwankungen,des Druekes,der Auspuff  gase der mittlere Wirkunggsgrad der Abgas  turbine erhölit wird.  



  Auf der Zeichnung sind     Ausfülirungsbei-          spiele    der Erfindung schematisch dürgestellt.  Fig. 1 zeigt eine als Freikelbenverdichter  ausgebildete     Brennkraftmaechine    mit     nach-          geschalteiter        Abga-sturbine    und einem mit  der Auspuffgasleitung verbundenen     Aus-          01        eielisraum;    die       Fig-.   <B>2</B> bis 4 sind Diagramme für die  periodischen Änderungen von Menge und       Draek    der Auspuffgase;

         Fig.   <B>5</B> bis<B>7</B> zeigen weitere     Anord          eD        Wungen     von     Ausgleielisräumen,         Die Brennkraftmaecliine 1 in Fig. 1,  .die als Freikolbenverdieliter gezeichnet ist,  jedoch ebensogut eine Brennkraftmaschine  mit Leistungsabgabe an einer Kurbelwelle  sein könnte, 'hat einen Brennkraftzylinder 2  und Verdichter 3, 4, in denen die Frei  kolben 5, 6 arbeiten.

   Die Verdichter 3, 4  saugen die Luft über die Saugventile<B>7</B> an  und fördern die verdichtete Luft über die  Druckventile 8 in die Sammelleitung 9, die  zu den Einlasssehlitzen -IC vz     Brennkraft-          zylinders    2 führt und dort beim Einwärts  gang der Freikolben 5, 6 verdichtet wird.  Etwa im innern Totpunkt der Freikolben 5,  <B>6</B> wird Brennstoff über     das    Brennstoffventil  12 mittels einer nieht dargestellten Brenn  stoffpumpe eingespritzt, worauf die Verbren  nung beginnt.

   Gegen das Ende des     Aus-          deltnungshubes    der Freikolben 5, 6 öffnet  der Kalben 6 die Auslassschlitze 13,     durch-          die    die Auspuffgase und die Spülluft in die  Leitung 14 gelangen. Am Endeder Leitung  14 ist die Abgasturbine 15 vorgesehen, deren  Laufrad 17 durch das aus der Düse 18 aus  strömende Gemisch von Luft und Verbren  nungsgasen beaufschlagt wird. Die Turbine  15 treibt den Stromerzeuger 19, der den  Strom über die Leitungen 20 an ein weiter  nicht dargestelltes Netz abgibt. Von der  Leitung 14 zweigt das Rohr 21 ab, das in  den AusgeichGraum 22 ausmündet; dieser ist  mit einer durch die Klappe<B>23</B> gesteuerten  Auspuffleitung 224 und einer mittels des Ven  tils 9,5 absperrbaren Abschlammleitung 26  versehen.  



  Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist  die folgende:  In Fig. 2 ist über der Zeit als Basis auf  getragen die AbgaGmenge kg/sek., die bei  jedem Öffnen des Auslasses des     Brennkraft-          zylinders    in die Auspuffleitung ausgestossen  wird. Infolge des anfänglichi hohen Druckes  im Brennraum ergibt sich eine Spitze zu  Beginn des Auspuffvorganges.  



  Ist an die Leitung 14 nur ein     Brenn-          krafizylinder    angeschlossen, so folgen sich  die Auspuffstösse gemäss den Kurven a und    a' mit einer grösseren Zwischenpause aufein  ander, während beim AiiGehiluss der Leitung  14 an zwei Breunkraftzylinder, deren Aus  puff zu verschiedenen Zeiten stattfindet, der  Auspuffstoss b (zum Beispiel miteiner klei  neren Gesamtmenge als für den Stoss a)     zwi-          sehen    a und<B>d,</B> der Auspuffstoss<B>b'</B> zwischen  a' und dem nächsten des ersten     Brennkraft-          zylinders    liegen.

   Sofern ein Ausgleichsraum  nicht vorhanden ist, steigt der Druck in der  Leitung 14 bei jedem Auspuffstoss sehr stark  an, wie dies aus dem Verlauf der     gestriehel-          ten    Kurven p, und p, in Fig. 3 und 4 er  sichtlich ist. Die Linie e, in Fig. 2 gibt die  mittlere Menge Auspuffgase bei einem an die  Leitung 14 angeschlossenen     Brennkraftzylin-          der,    die Linie e, die mittlere Menge bei zwei  Brennkraftzylindern. Die jeweiligen Schnitt  punkte dieser Linien der mittleren Mengen  mit den Kurven a und<B>b</B> der     Auepuffstösse     ergeben die Minima und Maxima der Druck  kurven in den Fig. 3 und 4.  



  Fig. 3 veranschaulicht die Druckverhält  nisse bei einem, Fig. 4 bei zwei an die Druck  leitung 14 angeschlossenen     Brennkraftzylin-          dern.    Dadurch,     dass    die Leitung 14 mit     -dem          Ausgoleichsraum   <B>22</B> verbunden ist, tritt wäh  rend des ersten Teils des Auspuffstosses,       wä,hrend    welchem der Druck und die aus  dem     Brennkraftzylinder    austretende     Gekund-          liche        Abgasinenge    sehr gross ist,

       durcli    die       Leitung    21 ein Teil     der    Auspuffgase     inden     Ausgleichsraum 2 2, so     dass    der Druckanstieg  in der Leitung 14     bezw.    vor der Turbine<B>1-5</B>  kleiner ist als ohne Anordnung dieses Aus  gleichsraumes. Der durch die Einfügung  eines Ausgleichsraumes veränderte Verlauf  der Drache in der     Leituno,    14 wird durch  die Kurven     p#,        und        p"    dargestellt.

   Die maxi  malen Drücke in der Leitung 14     und    im  Ausgleichsraum 22 sind     nunmelir    weniger  hoch, während nach Beendigung des     Aus-          Iasses    der     Brennkraftmaschine        die    im     Aus-          glei-ohsraum    aufgespeicherten     Auspuffgase     zum Speisen der Gasturbine dienen, so     dass     die     Dru-okabsenkung    bis zum nächsten Aus  puffstoss weniger gross ist, als     wenu-ein        Aus-          gleichsraunt    fehlt,      Aus den Fig.

   3 und 4 ist deutlich zu     er-          t5     sehen, dass die Druckschwankungen in der  Leitung 14 vor der Turbine gemildert wer  den. Die Turbine kann daher mit einem  besseren durchschnittlichen Wirkungsgrad  arbeiten, weil infolge der geringeren     Druck-          sehwankungen    die periodischen Änderungen  der Ausströmverhältnisse aus der Düse 18  ebenfalls cemildert sind. Dadurch, dass die  t'  Leitung 14 der Auspuffgase keinerlei sprung  n  hafte Quersehnittsveränderungen aufweist,  kann die kinetische Energie des währencl der  Auspuffzeit unmittelbar zur Turbine ab  fliessenden Teils der Auspuffgase ausgenutzt  werden. Dies wird durch die seitliche Ab  zweigung des Rohres 921 nicht beeinträchtiget.  



  Allfällige Unreinigkeiten in den     Aus-          puffgusen,    die in den Raum 22 gelangen,  können dureh Öffnen des Ventils 25 mittels  der Absohlammleitung 26 entfernt werden  (Fig. 1). An 8telle einer periodischen     Ab-          schlämmung    kann das Ventil 25 auch wäh  rend des Betriebes ein wenig geöffnet blei  ben, wodurch eine dauerhafte     Abschlämmung     stattfindet,. Beim Öffnen der Klappe 23 in  der Augpufneitung werden die Leitungen 14  und 21 und der Auggleichsraum 22 entlastet.  Die Klappe 23 wird zum Beispiel beim An  fahren und Abstellen der Turbine 15 ge  öffnet, während des Betriebes ist sie ge  schlossen.  



  Eine andere, Anordnung des Ausgleichs  raumes zeigt Fig. 5. Die Leitung 14     dureh-          quert    den Aussgleichsraum 22 und ist mit  Überströmöffnungen 28 versehen. Dadureli,  dass die Leitung 14, abgesehen von der  honischen Erweiterung 30, ohne Querschnitts  veränderungen durch den Ausgleichsraum, 22  hiindurchgeführt wird, ist wiederum die, Aus  nutzung der kinetisehen Energie der Aus  puffgase des unmittelbar zur Turbine ab  fliessenden Teils derselben möglich,     und    der  in den Ausgleiehsraum 22 eintretende Teil  der     Auspufigaze    beeinträchtigt beim Austritt  durch die Überströmöffnungen 28 diesse Aus  nutzung in keiner Weise.

   Eine weitere  Überströmöffnung in Fig. 5 ist der     ringfdr-          mige    Spalt 29, der durell die konische Er-    weiterung 30 der Rohrleitung 14 gebildet  wird, und es ergibt sich einerseits ein un  gehinderter Ausfluss für die unmittelbar ab  strömenden Auspuffgase, anderseits wird das  Ausströmen der im Ausgleiehsraum, 22 ent  haltenen Auspuffgase erleiahtert. Die Lei  tung 14 kann anstatt mit mehreren     Über-          strömöffnungen    auch nur mit einer     Über-          strömöffnung    versehen sein.  



  Fig. 6 zeigt eine ähnliche Anordnung wie  Fig. 5. Die Auspuffleitungen 31 und 32, die  von zwei verschiedenen Brennkraftzylindern  ausgehen, vereinigen sich im Ausgleichsraum  22 und münden in die konische Erweiterung  <B>33</B> der zur Turbine führenden Leitung 34  ein. Die konische Erweiterung aässt als     Über-          strömöffnung    den Ringspaft 3,5 frei.  



  Der Querschnitt der Anechlussleitung  bezw. der Überströmöffnungen zum     Aus-          gleichsiraum    kann kleiner sein als der Quer  schnitt der Auspuffleitung. Von der Grösse  dieses Anschlussquerschnittes hängt zum Teil  die Wirkung des Auegleichsraumes ab. Wird  der Querschnitt verstellbar ausgeführt, so er  gibt     ---ich    eine Regelung -des Auspuffdruckes  in der     Leitung14.     



  Das Volumen des     Ausgleichsraumes   <B>29,</B>  in     Fig.   <B>7</B> ist veränderlich, indem mittels des  Schiebers<B>36</B> die Öffnungen<B>37</B> und<B>38</B> zu  den Kammern<B>39</B> und 40 geöffnet und ge  schlossen werden können. Der Schieber<B>H</B>  kann entweder mit der Hand verstellt     war-          den    oder über das Gestänge 41 in Abhängig  keit von der Belastung     der        Gasturbine,        das     heisst in Abhängigkeit von der     Muffen-          stellung    des Reglers 42, der     #durch    die Gas  turbine angetrieben wird.

   Bei     Vollaot    ver  ringert sich die Drehzahl, und     der    Regler 42  schaltet     die,    ]Kammer 40 zu der bereits mit  der Leitung 14 in Verbindung     gtehenden     Kammer<B>39</B> hinzu. Bei Leerlauf ist das  Volumen des     AusgleicUsraumes    klein,     bezw.     es kann der     Ausgleiclisraum        duroll    den Schie  ber<B>3,6</B> vollständig von der Leitung 14 ab  geschlossen werden.

   Zur Verfeinerung der  Regelung kann der     Ausgleiehsraum.    in eine       o,rössere    Anzahl Kammern     9,ufgeteilt        wer4en,     e      Bei Anlagen, bei denen eine Mehrzahl  von Freikelbenverdiehitern auf eine gemein  same Turbine geschaltet sind, kann für  jeden Freikolbenverdiehlber ein getrennter  Ausgleichsraum unabhängig von denen für  die andern angeordnet sein, oder es kann ein  Ausgleichsraum gleichzeitig für mehrere  Freikolbenverdichter dienen.

   Ist ein     Aus-          gleielisraum.    für mehrere Brennkraffzylinder  vorgesehen, so ergibt sich der Vorteil, dass  bei entsprechender Grösse der     Ausigleiehs-          raum    nicht nur die einzelnen Auspuffstösse  jedes Brennkraftzylinders ausgleicht, sondern  auch bei Lmtänderungen der Gasturbine auf  die daraus sieh ergebenden Vorgänge, sowie  auch auf Fördersehwankungen aus verschie  denen hintereinanderfolgenden Zündungen,  wie zum Beispiel in Fig. 2 dargestellt, aus  gleichend einwirkt.  



  Durch Anordnung des Ausgleichsraumee  nahe dem Auslass der Brennkraftmaschine  ergibt sich der Vortpail, dass der Widerstand  beim Auspuffstoss geringer     und    somit die  kinetische Energie der Abgase besser aus  genutzt werden kann. Es 'brauchen dann  nämlich die ersten hochgespannten Auspuff  gase nicht erst eine längere Rohrleitung zu  durchströmen, bevor sie in den     Aimgleivhs-          raum    gelangen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Brennkraftmaschine mit Turbine zum Ausnutzen von in den Auspuffgasen der Brennkraftmasoliine enthaltener Energie, ge kennzeichnet durch einen Ausgleichsraum, der derart bemessen und mit der Leitung der Austspuffgase zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine und dem Einlass der Turbine verbunden ist, dass bei jedem Aus puffstoss ein Teil der Auspuffgase, ohne wesentliche Beeinträchtiogung der Ausnutzung der kinetischen Energie des andern, unmittel bar zur Turbine abfliessenden Teils, in dem Ausgleichsraum aufgenommen wird, zum Zweek, die vom Auspuffstoss herrührenden Schwankungen des Druckes der Auspuffgase vor der Turbine zu mildern und die Auspuff grasausnutzung zu verbessern. UNTERANSPRÜCHE: 1.

   Brennkraftmaechine nach Patentanspruichi, dadurch gekennzeichnet, dass der Aus gleichsraum getrennt von der zur Tur bine führenden Leitung der Auspuffgase angeordnet und mittels eines von dieser Leitung abzweigen den Rohres mit ihr verbunden ist. 2. Brennkraftmaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung der Auspuffgaoe den Ausgleichsrauln durehquert und mit einer oder mehreren Überströmöffnungen versehen ist. 3. Brennkraftmaschine nach Patentanspruech, ,dadurch gekennzeichnet, dass ein Aus gleichsraum für mehrere Brennkrait- zylinder vorgesehen ist. 4.

   Brennkraftmaschine naeh Patentanspruch, dadurch gekennzeialinet, dass eine Über- strömöifnung in der Leitung der Aus puffgase als ringförmiger Spalt ausgebil det ist. 5. Brennkraftmaschine nach Patentanspruchi und Unteransprueb 4, dadurch gekenn- zeiechnet, dass inder Richtung der in der Leitung der Auspuffgase vorhandenen Gasströmung ein konisches Mundstück an den ringförmigen Spalt angeschlossen isst. 6. BrennkraftmaGchine nach Patentampruclh, dadurch gekennzeichnet, dass das Volu men des Ausgleichsraumes veränderbar ist. 7.

   Brennkraftmaschine nazh Patentanspruch und Unteransprueh 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Volumengnderung des Ausgleiebraumes durch Zu- und Ab schalten von Kammern bewirkt wird. <B>8.</B> Brennkraftmaschine nach Patentansprueh und Unteransprueli <B>6,</B> dadurch gekenn zeichnet, dass die Änderung des Volumen3 .des Ausgleiehsraumes in Abhängigkeit von der Turbinenbelastung erfolgt.

   <B>9.</B> Brennkraftmaschine nach Patentansprucli und Unteranepruell <B>2,</B> dadurch gekenn zeichnet, dass der Querschnitt der Über- strömöffnungen regelbar ist. <B>10.</B> Brennkraftmaschine nach Patentanspruch und Aden Unteransprüchen 2 -nna <B>9,</B> der durehl gekennzeichnet, dass die Regelung der tberströmöffnungen in Abhängigkeit von der Turbinenbelastung erfolgt. 11.

   Brennkraftmawhine naell Patentansprueh, dadurch aehennzeielhnet, dass der Aus <B>m</B> gleichsraum nahe dem Auslass der Brenn- kraftma,schine angeordnet ist.