Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturbinen-Aufladung. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturbinen-Aufladung, und besteht darin, dass die der Abgasturbine zugeführten Gase (Abgase oder Luft) zwischen der Kol- benbrennkraftmaschine und der Abgasturbine nicht nur zusätzlich erhitzt werden, sondern die Erhitzung auch derart geregelt wird,
dass beim Ausbleiben bezw. nicht genügender Zu fuhr von Kolbenbrennkraftmaschinen - Ab gasen, die zum Antrieb des Verdichters feh lende Energie erzeugt wird. Die Erhitzung der Gase kann mit Hilfe einer Heizeinrich- tung oder durch Verbrennung von Brennstoff erfolgen, wobei die Erhitzung in Abhängig keit von einer Betriebsgrösse der Kolben brennkraftmaschine oder der Abgasturbine oder von einer Zustandsgrösse der vom Ver dichter gelieferten Luft geregelt werden kann.
Zum Zweck, die Abgasturbine ohne Abgase der Kolbenbrennkraftmaschine durch eine den Verdichter antreibende Hilfs- maschine zum Beispiel anlassen zu können, kann dafür gesorgt werden, dass die vom Ver dichter gelieferte Luft unter Umgehung der golbenbrennkraftmaschine, der Abgasturbine zugeleitet werden kann.
An sich ist es bekannt, die Abgase von Kolbenbrennkraftmaschinen zu erhitzen. Durch die Erfindung wird bei Abgas- turbinen-Aufladung der Vorteil erreicht, dass der wirtschaftliche Wirkungsgrad der An lage gegenüber demjenigen von bekannten golbenbrennkraftmaschinen mit Abgastur- binen-Aufladung erhöht werden kann,
da bei diesen die bei nicht genügender Zufuhr von Kolbenbrennkraftmaschinen - Abgasen feh lende Verdichtungsarbeit in einem von einer besonderen Kraftquelle angetriebenen Ver dichter geleistet wird, der die Luft mit dem durch die Abgasturbine angetriebenen Ver dichter entweder in Parallel- oder in Hinter- einanderschaltung verdichtet.
Zur beispielsweisen Erläuterung des Ver fahrens dient die auf der Zichnung schema- fisch dargestellte Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturbinen-Aufladung.
Die Kolbenbrennkraftmaschine 1, deren Kolben 2 die Kurbel 3 antreibt, ist mittels der an die Auslassschlitze 4 angeschlossenen Abgasleitung 5 mit der das Laufrad 6 und die Leiträder 7 besitzenden Abgasturbine 8 verbunden, deren Welle 9 den Verdichter 10 antreibt. Der Verdichter 10, der zwei Lauf räder 11 mit zwischengeschaltetem Leitrad 12 aufweist, fördert die Luft durch die Lei tung 13, die Rüekschlagventile 14 und die Einlassschlitze 15 in die Brennkraftmaschine 1. Der Brennstoff wird letzterer durch das Brennstoffventil 16 zugeführt.
Erfolgt die zusätzliche Erhitzung der Ab gase oder der vom Verdichter kommenden und durch die Verdichtung bereits erwärmten Luft mit Hilfe einer Heizeinrichtung, so kann dafür die strichpunktiert eingezeieh- nete Rohrschlange 17 benutzt werden, die dazu von einem Heizmittel mit einer über der Abgastemperatur liegenden Temperatur nach Massgabe der Einstellang des Regel ventils 18 durchströmt wird.
Bei der zusätzlichen Erhitzung durch Verbrennung von Brennstoff wird dieser in die Leitung 5 durch die Düse 19 mittels der vom Elektromotor 20 angetriebenen Pumpe 21 in einer durch das Regelventil 22 be stimmten 112enge eingespritzt. Für die Ver brennung ist in der Leitung 5 ein Raum 24 vorgesehen, in welchem eine elektrische Zündvorrichtung 25 angeordnet ist, um den Brennstoff beim Ausbleiben von bezw. bei zu tiefer Temperatur der Kolbenbrennkraft- maschinen-Abgase zu entzünden.
Die Regel ventile 18 bezw. 22 werden durch den Dreh zahlregler 26 auf der Turbinenwelle 9 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Abgas turbine 8 eingestellt.
Die beschriebene Anlage arbeitet wie folgt: Läuft die Kolbenbrennkraftmaschine zum Beispiel mit Vollast und wird ihre Belastung verringert, so verringert sieh die Zufuhr von Abgasen zur Turbine B. Die Temperatur der Abgase sinkt, ihr Volumen wird kleiner und die Leistung der Turbine 8 nimmt ab. Dabei sinkt die Drehzahl der Turbine 8 und des Verdichters 10 in dem Bestreben, den bei kleinerer Drehzahl sich einstellenden klei neren Kraftbedarf des Verdichters der ver ringerten Leistung der Turbine anzupassen.
Infolge der Drehzahlverringerung öffnet nun aber der Regler 26 das Regelventil 22 und damit die Brennstoffzufuhr durch die Düse 19. wobei angenommen wird, dass die Pumpe 21 schon vorher in Betrieb gesetzt ist. Sind die Abgase heiss genug, so entzündet sich der Brennstoff ohne weiteres, während bei zu ge ringer Temperatur der Abgase die Zündvor richtung 25 eingeschaltet werden muss.
Die zusätzliche Erhitzung der Abgase durch Verbrennung von eingespritztem Brennstoff wird ermöglicht, weil die vom Verdichter 10 geförderte Luft nur zum Teil für die Verbrennung in der Kolbenbrenn- kraftmaschine 1 gebraucht wird und in den aus den Auslassschlitzen 4 austretenden Ab gasen noch Luft im Überschuss vorhanden ist.
Die der Abgasturbine 8 zugeführten Abgase werden nun vor ihrem Eintritt in die Tur bine 8 derart zusätzlich veränderlich erhitzt, das trotz der nicht genügenden Zufuhr von golbenbrennkraftmaschinen-Abgasen die zum Antrieb des Verdichters 10 fehlende Energie je nach Bedarf erzeugt wird. Durch die zu sätzliche Verbrennung wird nämlich das Vo lumen der Abgase und damit die in ihnen enthaltene ausnutzbare Energie vergrössert.
Zweckmässig wird die Regelung so getroffen, dass die Volumenvergrösserung mindestens ausreicht zur Erzeugung einer Abgastur- binenleistung, die dem Kraftbedarf des Ver- diehters 10 entspricht, wenn in demselben die gesamte Verdichtungsarbeit für die der Be lastung der Kolbenbrennkraftmaschine 1 ent sprechende. Zufuhr von Luft geleistet werden soll. Wenn die Abgase infolge kurzzeitigen Unterbruches der Verbrennung ausbleiben, so wird die in den Vorrichtungen 10 und 1 ver dichtete und dadurch erwärmte Luft zusätz lich erhitzt.
Bekanntlich wird bei niedrigem Ruflade druck von nur wenigen Zehnteln Atmo- sphären Überdruck die Abgasturbinen-Auf - ladung nur mit Hilfe der Kolbenbrennkraft- maschine in Gang gesetzt und betrieben. Bei hohen Aufladedrücken, z.
B. von mehreren Atmosphären Überdruck, kann es vorteilhaft sein, die Turbine 8 und den Verdichter 10 vor der Kolbenbrennkraftmaschine 1 in Gang zu setzen.
Zum Inbetriebsetzen des Verdichters 10 wird dann der Motor 27 zum Beispiel an das Netz angeschlossen und die Kupplung 28 ein gerückt. Durch Öffnen des Ventils 30 strömt die vom Verdichter 10 gelieferte Luft der. Turbine 8, unter Umgehung der Kolben- brennkraftma.schine 1, unmittelbar durch die Leitung 29 zu.
Sowohl bei Zweitakt-, als auch llei Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschinen kann eine solche Umgehungsleitung erforder lich sein, sofern bei Stillstand ein Durchtritt für die Luft durch die Ein- und Auslass organe solcher Maschinen nicht in ausreichen dem Masse vorhanden ist oder ganz fehlt.
Nachdem nun der Motor 27 den Ver dichter 10 und die Turbine 8 auf ihre An laufdrehzahl gebracht hat, wird die Erhit zung mittels des Heizrohres 24 bezw. mit tels der Brennstoffzufuhr durch die Düse 19 eingeschaltet. Der Brennstoff wird dabei durch die Zündvorrichtung 25 entzündet. Beim Erreichen der Anlaufdrehzahl kann dann auch die Kupplung 28 ausgekuppelt werden; der Motor 27 wird abgestellt und der Betrieb der Turbine 8 mittels der Er hitzung der Luft-. bewirkt, bis zum Beispiel die Förderung des Verdichters 10 dem Leer laufluftbedarf der Kolbenbrennkraftmaschine 1 entspricht.
Soll die Leistung der Abgasturbine 8 be sonders hoch gesteigert bezw. der Betrieb des Verdichters 10 bei den kleinsten Belastungen der Kolbenbrennkraftmaschine 1 sicher gestellt werden, so kann zum Beispiel mittels des strichpunktiert gezeichneten, von der Kolbenbrennkraftmaschine 1 angetriebenen Verdichters 31 zusätzlich Druckluft durch die Leitung 32 in die Leitung 5 bezw. durch die Leitung 35 in die Leitung 13 gefördert werden.
Diese zusätzliche Druckluftzufuhr ermöglicht eine Erhöhung der Erhitzung bezw. der Verbrennung und damit der Tur- binenleistung über das durch die Menge der Kolbenbrennkraftmaschinen-Abgase gegebene Mass hinaus, ohne Überschreitung der durch die Turbinenschaufelung bedingten Höchst temperatur der Abgase.
Ist an Stelle des Ver dichters 31 ein durch den Elektromotor 33 angetriebenes Gebläse 34 vorgesehen, so kann letzteres auch zum Anlassen der Turbine 8 ohne Kolbenbrennkraftmaschinen-Abgase ver wendet werden, wobei der Motor 27 weg fallen würde.
An Stelle des Reglers 26 kann eine Re gelung der Erhitzung in Abhängigkeit von der D_ rehzahl der Kolbenbrennkraftmaschine, von Druck oder Temperatur in der Leitung 5 bezw. dem Raum 24, sowie von Tempera tur, Druck oder Menge der Luft in der Lei tung 13 vorgesehen sein.
Durch die Erwei terung des Durchtrittsquerschnittes im Raum 24 gegenüber dem Querschnitt im übrigen - Teil der Leitung 5 wird der Vorteil erreicht, dass infolge der Verringerung der Geschwin digkeit der Luft bezw. der Abgase im Raum 24 ein Ei.n.trih von unverbranntem Brenn- stoff in die Turbine 8 hintangehalten wird und dadurch ein Brennstoffverlust vermieden werden kann.
Method for operating a reciprocating internal combustion engine with exhaust gas turbine supercharging. The invention relates to a method for operating a piston internal combustion engine with exhaust gas turbine supercharging, and consists in that the gases (exhaust gases or air) supplied to the exhaust gas turbine between the piston internal combustion engine and the exhaust gas turbine are not only additionally heated, but the heating is also regulated in this way ,
that if there are no resp. insufficient supply of piston internal combustion engines - exhaust gases that are generated to drive the compressor lacking energy. The gases can be heated with the help of a heating device or by burning fuel, with the heating being able to be regulated as a function of an operating variable of the piston internal combustion engine or the exhaust gas turbine or of a state variable of the air supplied by the compressor.
For the purpose of being able to start the exhaust gas turbine without exhaust gases from the piston internal combustion engine by means of an auxiliary machine driving the compressor, for example, it can be ensured that the air supplied by the compressor can be fed to the exhaust gas turbine, bypassing the piston internal combustion engine.
It is known per se to heat the exhaust gases from reciprocating internal combustion engines. With exhaust gas turbine charging, the invention achieves the advantage that the economic efficiency of the system can be increased compared to that of known piston internal combustion engines with exhaust gas turbine charging,
because with these the inadequate supply of reciprocating internal combustion engines - exhaust gases missing compression work is done in a Ver driven by a special power source, which compresses the air with the Ver driven by the exhaust turbine either in parallel or in series.
The piston internal combustion engine with exhaust gas turbine supercharging, shown schematically in the drawing, serves to explain the process by way of example.
The piston internal combustion engine 1, the piston 2 of which drives the crank 3, is connected by means of the exhaust line 5 connected to the outlet slots 4 to the exhaust gas turbine 8, which has the impeller 6 and the guide wheels 7 and whose shaft 9 drives the compressor 10. The compressor 10, which has two impellers 11 with an interposed stator 12, conveys the air through the line 13, the check valves 14 and the inlet slots 15 into the internal combustion engine 1. The fuel is supplied to the latter through the fuel valve 16.
If the additional heating of the exhaust gases or the air coming from the compressor and already warmed up by the compression takes place with the aid of a heating device, the pipe coil 17 drawn in dash-dotted lines can be used for this purpose, which is supplied by a heating means with a temperature above the exhaust gas temperature Depending on the setting of the control valve 18 flows through.
In the additional heating by combustion of fuel, this is injected into line 5 through nozzle 19 by means of pump 21 driven by electric motor 20 in a tightness determined by control valve 22. For the United combustion, a space 24 is provided in the line 5, in which an electrical ignition device 25 is arranged to the fuel in the absence of BEZW. to ignite if the temperature of the piston engine exhaust gases is too low.
The control valves 18 respectively. 22 are set by the speed controller 26 on the turbine shaft 9 depending on the speed of the exhaust turbine 8.
The system described works as follows: If the piston internal combustion engine runs, for example, at full load and its load is reduced, the supply of exhaust gases to turbine B is reduced. The temperature of the exhaust gases falls, their volume becomes smaller and the output of turbine 8 decreases. The speed of the turbine 8 and the compressor 10 decreases in an effort to adapt the smaller power requirement of the compressor, which occurs at a lower speed, to the reduced power of the turbine.
As a result of the reduction in speed, however, the controller 26 now opens the control valve 22 and thus the fuel supply through the nozzle 19. It is assumed that the pump 21 has already been started. If the exhaust gases are hot enough, the fuel ignites easily, while if the temperature of the exhaust gases is too low, the ignition device 25 must be switched on.
The additional heating of the exhaust gases through the combustion of injected fuel is made possible because the air conveyed by the compressor 10 is only partly used for combustion in the piston internal combustion engine 1 and there is still excess air in the exhaust gases emerging from the outlet slots 4 .
The exhaust gases supplied to the exhaust gas turbine 8 are now additionally heated variably before they enter the turbine 8 in such a way that, despite the insufficient supply of piston internal combustion engine exhaust gases, the energy required to drive the compressor 10 is generated as required. Because of the additional combustion, the volume of the exhaust gases and thus the usable energy contained in them is increased.
The regulation is expediently made in such a way that the volume increase is at least sufficient to generate an exhaust gas turbine output which corresponds to the power requirement of the thief 10 if the entire compression work for the load on the piston internal combustion engine 1 corresponds to the same. Supply of air is to be made. If the exhaust gases are absent due to a brief interruption of the combustion, the air compressed in the devices 10 and 1 and thereby heated is additionally heated.
It is known that when the charging pressure is low, of only a few tenths of an atmospheric overpressure, the exhaust gas turbine charging is only started and operated with the aid of the piston internal combustion engine. At high charging pressures, e.g.
B. from several atmospheres overpressure, it can be advantageous to set the turbine 8 and the compressor 10 upstream of the piston engine 1 in motion.
To start the compressor 10, the motor 27 is then connected, for example, to the mains and the clutch 28 is engaged. By opening the valve 30, the air supplied by the compressor 10 flows through the. Turbine 8, bypassing the piston internal combustion engine 1, directly through line 29.
In both two-stroke and four-stroke piston internal combustion engines, such a bypass line may be required if, at standstill, a passage for the air through the inlet and outlet organs of such machines is insufficient or absent.
Now that the motor 27 has brought the Ver poet 10 and the turbine 8 to its running speed, the heating will bezung by means of the heating pipe 24. switched on by means of the fuel supply through the nozzle 19. The fuel is ignited by the ignition device 25. When the starting speed is reached, the clutch 28 can then also be disengaged; the engine 27 is turned off and the operation of the turbine 8 by means of the heating of the air. causes until, for example, the promotion of the compressor 10 corresponds to the idle air requirement of the piston engine 1.
Should the performance of the exhaust gas turbine 8 be particularly high increased respectively. the operation of the compressor 10 can be ensured with the smallest loads of the piston internal combustion engine 1, for example by means of the dash-dotted line compressor 31 driven by the piston internal combustion engine 1 additional compressed air through the line 32 into the line 5 respectively. be conveyed through line 35 into line 13.
This additional compressed air supply enables BEZW to increase the heating. the combustion and thus the turbine output beyond the amount given by the amount of the piston engine exhaust gases, without exceeding the maximum temperature of the exhaust gases caused by the turbine blades.
If instead of the Ver poet 31, a fan 34 driven by the electric motor 33 is provided, the latter can also be used to start the turbine 8 without piston engine exhaust gases, with the motor 27 falling away.
Instead of the controller 26, the heating can be regulated depending on the speed of the piston internal combustion engine, the pressure or temperature in the line 5 or. the space 24, as well as temperature, pressure or amount of air in the device 13 Lei can be provided.
By widening the passage cross-section in space 24 compared to the cross-section in the rest of the line 5, the advantage is achieved that, as a result of the reduction in the speed of the air, respectively. of the exhaust gases in the space 24, an amount of unburned fuel is prevented from entering the turbine 8 and a loss of fuel can thereby be avoided.