DE848119C - Mittels Turboaggregats aufgeladene, im Viertakt arbeitende Brennkraftkolbenmaschine - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 1. SEPTEMBER 1952

M 1319 Ia/46a»

l)ie Erfindung bezieht sich auf eine mittels Turboaggregats aufgeladene, im \ iertakt arbeitende Brennkraftkolbenmaschine. Sie besteht darin, daß der mit der Abgasturbine mechanisch gekuppelte I'lulaufverdichter einen Läufer aufweist, dessen in ( Hierschuitten normal zur Läuferachse radial sich erstreckende 1 .äuferschaufeln in axialer Schraubung derart rückwärts gekrümmt sind, daß die am Austrittsende gegen die L'mfangsrichtung einen Winkel einschließen, dessen l'osinus größer ist als das Verhältnis der Kelati\ geschwindigkeit des strömenden Mittels zur doppelten Umfangsgeschwindigkeit des 1 ,äufers.

Ks isi zweckmäßig, das Turboaggregat mit der Brennkraftkolbenmaschine thermisch zu kuppeln. ("berdies könnte auch noch eine weitere energieübertragende Verbindung, beispielsweise eine mechanische, elektrische, pneumatische od. dgl., zwischen dem Turboverdichter und der Brennkraftkolbenmaschine vorgesehen sein, über welche dem Verdichter z. B. bei gewissen Betriebszuständen zwecks Erzielung höherer Aufladedrücke die über die zurückgewonnene Abgasenergie hinaus noch erforderliche Leistung von der Hauptmaschine zugeführt wird.

Bei im Viertakt arbeitenden Brennkraftkolbenmaschinen erfolgt die Aufladung im allgemeinen mit einem Turboverdichtersatz, der frei fahrend, d. h. mit der Hauptmaschine thermisch, nicht aber mechanisch gekuppelt ist. Dabei stellen sich einer Steigerung des Aufladedrucks über die bisher übliche 1 )ruckgreii/.e von etwa 1,; ata hinaus mit

den bekannten Umlaufverdichtern Schwierigkeiten entgegen, die den Einbau von Sonderausführungen notwendig machen, welche öfter aus baulichen oder betriebswirtschaftlichen Gründen außer Betracht fallen müssen.

Bis zu Aufladedrücken von etwa 1,5 ata kann beispielsweise der einstufige Zentrifugalverdichter mit rückwärts gekrümmten Schaufeln von bekannter Bauart verwendet werden, der für diesen Zweck ίο befriedigende Wirkungsgrade aufweist. Seiner Schaufelausbildung entsprechend ist er aber in einstufiger Ausführung für Druckverhältnisse über 1,5 ata nicht geeignet, weil die zur Erzielung von solchen Druckverhältnissen erforderliche bedeutende Erhöhung der Läuferumfangsgeschwindigkeiten eine übermäßige Festigkeitsbeanspruchung zur Folge hat, der Ausführungen dieser Art nicht gewachsen sind.

Allerdings können höhere Gesamtdruckverhältnisse mit mehreren hintereinandergeschalteten Kadern dieser Art erzielt werden. Naturgemäß fallen solche Ausführungen schwerer und teurer aus als die einstufigen Ausführungen, so daß sie in gewissen Fällen nicht zur Anwendung gelangen können.

Eine Steigerung der Umfangsgeschwindigkeiten eines Verdichterläufers und damit des Stufendruckverhältnisses ist bekanntlich möglich, wenn die Stellung der Läuferschaufeln zur Vermeidung zusätzlicher Riegebeanspruchungen in eine rein radiale Richtung erfolgt. Es hat sich aber gezeigt, daß Verdichter mit einer solchen Schaufelstellung, im folgenden Radialverdichter genannt, im allgemeinen eine starke Wirkungsgradeinbuße erleiden, so daß sie für die Verwendung in frei fahrenden Turbogruppen bei aufzuladenden Viertaktbrennkraftkolbenmaschinen nicht geeignet sind.

Die höchsten Wirkungsgrade im Gebiet der für die Aufladung von Viertaktmaschinen angewandten Druckverhältnisse lassen sich bekanntlich mit mehrstufigen Axialverdichtern erzielen. Es handelt sich dabei um umständliche Bauarten, welche hohe Entstehungs- und Unterhaltungskosten bedingen und ferner die Eigenschaft besitzen, daß der hohe Wirkungsgrad nur in einem bestimmten, den Ausführungsdaten entsprechenden, eng begrenzten Gebiet der Ansaugmengen eingehalten wird, während er bei hiervon abweichenden Fördermengen stark sinkt.

Demgegenüber kann der in eine Maschine eingebaute Verdichterläufer nach der Erfindung infolge seiner neuen Ausbildung mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten zwecks Erzielung von hohen Stufendruckverhältnissen von zwei und mehr betrieben werden, wobei seine Druck- und Volumencharakteristik einen flachen Verlauf aufweist. Er ist einfach in seinem Aufbau, verlangt eine nur geringe Wartung und gewährleistet einen gleichmäßighohen Wirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich, wodurch er, von einer Abgasturbine angetrieben, zur Aufladung von im Viertakt arbeitenden Brennkraftkolbenmaschinen sich als besonders geeignet erweist.

Hauptsächlich bei frei fahrenden, der Viertaktdieselaufladung dienenden Turbogruppen ist ein guter Wirkungsgrad in einem weiten Betriebsbereich besonders wichtig, da die gesamte Leistung für den Verdichter und die Verluste, beispielsweise die Reibungs- sowie die Strahlungsverluste u. dgl., von der Abgasturbine allein gedeckt werden müssen.

Welche Bedeutung ein hoher Verdichterwirkungsgrad bei mittels frei fahrender Turbogruppe aufgeladenen Viertaktbrennkraftkolbenmaschinen erlangt, läßt sich rechnungsmäßig mit dem Ergebnis nachweisen, daß eine Turbogruppe mit 75°/o Turbinen- und 75% Verdichterwirkungsgrad erst bei einer beinahe dem Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine entsprechenden Auspufftemperatur von 445⁰'C einen Aufladedruck liefert, der gleich dem Abgasdruck ist und somit erst von dieser Belastungsgrenze ab eine Spülung der Brennkraftzylinder ermöglicht. Läßt sich dagegen bei unverändertem Turbinenwirkungsgrad von 75% der Verdichterwirkungsgrad auf 85°/o erhöhen, so kann bereits oberhalb einer Abgastemperatur von 324⁰ C am Turbineneintritt mit dem Verdichter ein über dem Abgasgegendruck liegender Aufladedruck erzielt werden, welcher die Spülung der Zylinder bereits bei kleineren Teillasten der Brennkraftmaschine gestattet. Durch Ausnutzung der Auspuffströme und der Spülmöglichkeiten infolge Druckschwankungen im Auspuffrohr läßt sich die Spülung der Brennkraftzylinder bereits unterhalb der oben ermittelten Temperaturgrenzen erreichen, welche Tatsache jedoch am grundsätzlichen Erfordernis eines guten Gruppenwirkungsgrades nichts ändert.

Die Erfindung soll an !land der Zeichnung näher erläutert werden.

Fig. ι gibt die Druckvolumencharakteristiken eines Umlaufverdichters bei verschiedenen Drehzahlen wieder;

Fig. 2 veranschaulicht die Wirkungsgrade und die Aufladedrücke in Funktion des Ansaugvolumens von verschiedenen Arten von Umlaufverdichtern; Fig. 3 läßt die von der aufgeladenen Viertaktkolbenmaschine benötigten Betriebsluftmengen in Funktion des Druckes erkennen;

Fig. 4 stellt die für die Brennkraftmaschine notwendige Betriebsluftmenge und die von einer frei fahrenden Turbogruppe aufgebrachte Liefermenge in Funktion des Förderdruckes bei verschiedenen Belastungen der Brennkraftmaschine dar;

Fig. 5 zeigt einen Verdichterläufer in axonometrischer Ansicht;

Fig. 6 ist eine beispielsweise Ausführungsform einer Maschinenanlage in schematischer Ansicht, teilweise im. Schnitt.

In Fig. ι stellen die Kurven a, b, c, d, e den grundsätzlichen Verlauf des mit einem Umlaufverdichter erzeugten Druckes p in Funktion der angesaugten Luftmenge V bei den verschiedenen Drehzahlen Ji₁, M₂, n._}, M₄ und n. dar. Jeder Drehzahl η des Verdichters entspricht hierbei ein bestimmtes Verhältnis zwischen Förderdruck ρ und Ansaugvolumen V,

hei welchem der Yerdichterwirkungsgrad (/ ein Maximum erreicht. Dieser optimale Betriebszustand : für jede Betriebsdrehzahl wird im allgemeinen j dann erreicht, wenn die Strömungsverhältnisse im Verdichter mit den der Berechnung zugrunde liegen- | den übereinstimmen. Im Diagramm der Fig. ι sind j diese Punkte mit A, B, C, D, Il bezeichnet, die theoretisch auf einer durch den Koordinatennullpunkt laufenden quadratischen Parabel ι liegen. Können

ίο die den optimalen Wirkungsgrad ergebenden Druckvolumenverhältnisse am Verdichter nicht eingehalten werden, so sinkt sein Wirkungsgrad um so mehr, je weiter diese Verhältnisse sich vom optimalen Betriebspunkt entfernen.

Wie sich die Druckvolumencharakteristiken im einzelnen bei verschiedenen Arten vom Umlaufverdichtern bei konstanten Drehzahlen H₁ bis n-, also entlang den Kurven α bis c verhalten, ist im unteren Teil der Fig. 2 gezeigt. Danach fällt die für Axialverdichter geltende Druckkurve 5 mit zunehmendem Ansaugvolumen V stark ab. Bei Radialverdichtern luidet mit zunehmendem Ansaugvolumen V entsprechend der Druckkurve 7 nur eine unbedeutende Druckabnahme statt. Die zum Verdichter nach dem vorliegenden neuen Vorschlag gehörende Kurve 6 zeigt einen beinahe geradlinigen, mit zunehmendem Ansaugvolunien V flach abfallenden Druckverlauf.

Der Verlauf des Wirkungsgrades >/ bei diesen

Verhältnissen geht für verschiedene Verdichtertypen in Funktion des angesaugten Luftvolumens V aus dem oberen Figurenteil der Fig. 2 hervor. Die Kurven 4 bzw. 2 zeigen den Verlauf des Wirkungsgrades )j von Radial- bzw. Axialverdichtern. Daraus geht hervor, daß der Wirkungsgrad >/ bei letzteren bei einem hohen Scheitelwert nach beiden Seiten steil abfällt, während der Wirkungsgrad η von Radialverdichtern einen gestreckteren Verlauf bei bedeutend niedrigerem Scheitelwert aufweist. Mit der Kurve 3 ist der Wirkungsgrad >j eines der Erfindung zugrunde liegenden Umlauf Verdichters gezeigt, dessen gestreckter Verlauf einen bedeutend höheren Scheitelwert besitzt als die Kurve 4 des Radialverdichters. Zwecks Erzielung einer besseren Vergleichsmöglichkeit zwischen den einzelnen Wirkungsgradkurven 2 bis 4 sind diese in der Abszissenrichtung derart gegeneinander verschoben, daß ihre dem maximalen Wirkungsgrad entsprechenden Scheitel den gleichen Abszissenwert aufweisen, während sie in Wirklichkeit nicht bei ein und demselben Ansaugluftvolumen auftreten werden.

In Fig. 3 ist das von einer aufgeladenen, im Viertakt arbeitenden Brennkraftkolbenmaschine bei konstanter Drehzahl benötigte Volumen an atmospärischer Luft gezeigt, das sich zusammensetzt aus dem Hubvolumen /·" der Brennkraftzylinder, aus dem zur Aufladung dieser Zylinder auf den Aufladedruck notwendigen Luftvolumen G und aus dem zur Spülung des Totraumes benötigten Spülvolumen //, wobei die Spülung zwischen Auspuff- und Ansaughub stattfindet. Von diesen Teilmengen verhält sich in Funktion des Druckes einzig der Spülluftanteil H quadratisch, während /⁷ konstant ist und G annähernd linear mit zunehmendem Druck zunimmt.

Die aus der Summe der drei Anteile F, G, H gebildete Gesamtluftmenge gemäß Kurve 8 kann demnach in Funktion des Druckes p keinen quadratischen Verlauf aufweisen.

Betrachtet man nach Fig. 4 die Wechselwirkung zwischen einem aufgeladenen Viertaktmotor und seinem zugehörigen Verdichter, so ergibt sich, daß die mit der Kurve 8 gezeigte für konstante Motordrehzahl und verschiedene Belastung gültige Schluckcharakteristik in einem einzigen, dem Berechnungspunkt entsprechenden Punkt A mit der parabolischen Druckvolumencharakteristik 1 des maximalen Verdichterwirkungsgrades übereinstimmt, während diese Charakteristiken bei allen übrigen Motorbelastungen voneinander abweichen. Im Diagramm ist angenommen, daß der gemeinsame Kurvenpunkt A bei Vollast liege. Je nach der Bemessung des Verdichters könnte der Punkt A z. B. bei ¹Vj oder einer anderen Teilbelastung des Motors liegen. Dadurch, daß nur ein einziger Punkt der Motor- und der Verdichtercharakteristik gemeinsam sein kann, ist es wesentlich, einen Verdichter zur Verfugung zu haben, dessen Wirkungsgrad über einen größeren Betriebsbereich gleichmäßig hoch verläuft.

Als ein solcher Verdichter ist der in Fig. 5 und 6 gezeigte Verdichter anzusprechen, dessen Läufer 19 go mit Schaufeln g ausgerüstet ist, die in Querschnitten normal zur Läuferachse 10 eine radiale Erstreckung aufweisen und überdies in axialer Schraubung gegen die Drehrichtung / derart rückwärts gekrümmt sind, daß sie am Austrittsende mit der Umfangsriehtung einen Winkel α einschließen, dessen Cosinus größer ist als das Verhältnis der Relativgeschwindigkeit des strömenden Mittels zur doppelten Umfangsgeschwindigkeit des Läufers, an der Austrittsstelle gemessen. Durch diese Ausbildung kann der Läufer einerseits ohne Gefahr einer Überbeanspruchung der Läuferschaufeln mit hohen und höchsten Umfangsgeschwindigkeiten von 400 m/sec und mehr, an der Austrittsstelle gemessen, betrieben werden, wodurch ein hohes Stufendruckverhältnis von zwei und mehr erzielbar ist. Andererseits läßt sich infolge der axialen Rückwärtsschraubung der Läuferschaufeln 9 entgegen der Drehrichtung f, trotz einer über der Schallgeschwindigkeit des F"ördermittels an der Austrittsstelle liegenden L^Tmfangsgeschwindigkeit des Läufers die absolute Austrittsgeschwindigkeit des F'ördermittels aus dem Läufer so weit vermindern, daß sich in ihm an dieser Stelle keine den Wirkungsgrad herabsetzenden Machschen Druckwellen ausbilden können.

In Fig. 6 ist die Viertaktbrennkraftmaschine 11 über die Abgasleitung 12 mit der Abgasturbine 13 verbunden. An diese ist der einstufige, gemäß Fig. 5 ausgebildete Verdichterläufer 19 über die Welle 14 gekuppelt. Der Verdichterläufer 19 ist von einem Gehäuse 15 umschlossen, das an der Eintrittsseite einen axial gerichteten Ansaugstutzen 16 und an der Austrittsseite eine Spirale 17 aufweist. Die Spirale 17 ist über die Luftleitung 18 mit der Brennkraftmaschine verbunden.

Claims (3)

1. Bei hohen, an der Grenze der einstufigen Erzeugbarkeit liegenden Aufladedrücken kann es vorteilhaft sein, außer der rein thermischen eine weitere energieübertragende Verbindung, /.. B. eine mechanische, elektrische, hydraulische, pneumatische, zwischen der Aufladegruppe und der Kolbenmaschine vorzusehen, welche den Zweck hat, das Anfahren zu erleichtern, wobei unter Umständen zwischen Turbine und Lader ein Ubersetzniigs
   getriebe einzuschalten ist.

   PATIiNTANSPIiC C. II K:

   i. Mittels Turlxiaggregats aufgeladene, im Viertakt arbeitende Brennkraftkolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Abgasturbine mechanisch gekuppelte Umlaufverdichter einen Läufer aufweist, dessen in Querschnitten normal zur Läuferachse radial sich erstreckende Läuferschaufeln in axialer Schraubung derart rückwärts gekrümmt sind, daß sie am Austrittsende gegen die Unifangsrielitung einen Winkel einschließen, dessen Cosinus größer ist als das Verhältnis der Relativgeschwindigkeit des strömenden Mittels zur doppelten Umfangsgeschwindigkeit des Läufers.
2. 2. Brennkraftkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turboaggregat thermisch mit der Brennkraftkolbenmaschine gekuppelt ist.
3. 3. Brennkraftkolbenmaschine nach den An-Sprüchen 1 und J, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Brennkraftkolbenmaschine und dem Turboaggregat eine weitere energieübertragende Verbindung vorgesehen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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