DE3728681A1 - Turbo-verbundkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbo-Verbundkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Kraft­ maschine kann eine stark aufgeladene Maschine sein, die ent­ weder mit einem Turbolader oder einem Überlader (im folgen­ den auch als Turbolader bezeichnet) und mit einer Leistungs­ turbine ausgerüstet ist. Insbesondere betrifft die Erfin­ dung eine Turbo-Verbundkraftmaschine, die eine Bremskraft abgibt, welche mindestens gleich derjenigen einer nicht überladenen Maschine gleicher Leistungsabgabe ist.

Allgemein zeichnen sich überladene Kraftmaschinen gegenüber den nicht überladenen Kraftmaschinen größeren Hubraums durch einen günstigeren Kraftstoffverbrauch, eine mindestens glei­ che Ausgangsleistung und leichteres Gewicht sowie kompakte­ ren Aufbau aus. Diese Vorteile der überladenen Kraftmaschi­ nen werden mit den stark überladenen Kraftmaschinen und mit den Turbo-Verbundkraftmaschinen noch vergrößert, und die Er­ findung befaßt sich insbesondere mit den letzteren Maschinen.

Bei der Turbo-Verbundkraftmaschine, wie sie schematisch in Fig. 11 gezeigt ist, wird die Energie der Abgase aus der Ma­ schine b in dem Turbolader c als Ladearbeit umgesetzt, wo­ nach die restliche Energie der Abgase mit der Leistungstur­ bine d umgesetzt wird. Obwohl diese Konstruktion eine all­ gemeine Verbesserung der Leistungsabgabe, des Kraftstoff­ verbrauchs und des Wirkungsgrades der Kraftmaschine b mit sich bringt, müssen die Expansionsverhältnisse des Turbola­ ders c und der Leistungsturbine d erhöht werden, wenn eine weitere Verbesserung der Gesamtleistung der Verbundkraft­ maschine gewünscht wird. Ein Ansteigen des Überladedrucks bewirkt nämlich ein weiteres Ansteigen des Wirkungsgra­ des einer Turbo-Verbundkraftmaschine.

Ein Beispiel einer solchen Kraftmaschine ist durch die ja­ panische Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift 157 941/85 bekannt geworden.

Bei dieser Kraftmaschine ist, wie Fig. 12 zeigt, an den Ab­ gaskanal e, der den Turbolader c 1 mit der Leistungsturbi­ ne d 1 verbindet, ein Bypass f angeschlossen, der die Lei­ stungsturbine d 1 überbrückt, und an der Verbindungsstelle g des Abgaskanals e mit dem Bypass f befindet sich ein Schalt­ ventil h, das den Abgaskanal e entsprechend der Druckwirkung auf ein Beschleunigungspedal der Maschine (nicht dargestellt) verschließt.

Bei dieser Konstruktion soll eine Abnahme der Ausgangslei­ stung bei geringer Energie der Abgase verhindert werden, in­ dem der Gegendruck an der Turbine des Turboladers c 1 durch Führung der Abgase über den Bypass f erhöht wird. Hier wird die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase und damit deren Energie über den Betrag der Druckeinwirkung auf das Be­ schleunigungspedal ausgewertet.

Beim Einsatz einer solchen Brennkraftmaschine in einem Fahr­ zeug entsteht jedoch das Problem, daß es schwierig ist, eine Motorbremskraft (Abgasbremskraft) entsprechend zunehmender Leistungsabgabe beizubehalten. Dies erkennt man aus dem Zu­ sammenhang zwischen der Maschinendrehzahl Ne, der Ausgangs­ leistung Pme (durchgezogene Linien) und der Motorbremskraft Pmf (gestrichelte Linien), der in Fig. 13 für eine stark überladene Maschine im Vergleich mit einer nicht überlade­ men Maschine gezeigt ist. Bezüglich der relativen Bremskraft (d.h. Maschinendrehzahl/Ausgangsleistung) ist nämlich bei der Drehzahl N _100% bzw. 100% Nenndrehzahl B _N /S _N <B _T /S _T , wobei B die Bremskraft der Maschine und S die Ausgangslei­ stung ist, und zwar mit dem Index N jeweils für eine nicht überladene Maschine und mit dem Index T für eine überlade­ ne Maschine. Dies bedeutet, daß die relative Bremskraft ab­ fällt, wenn die Überladung verstärkt wird.

Das Beibehalten einer ausreichend großen Maschinenbrems­ kraft ist nicht nur für die Manövrierfähigkeit und die Si­ cherheit des Fahrzeugs wichtig, sondern auch zur besseren Ausnutzung der Vorteile einer Turbo-Verbundkraftmaschine.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Turbo-Verbundkraftma­ schine anzugeben, bei der stets eine ausreichend hohe Brems­ kraft gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einer Turbo-Verbundkraftmaschine nach der Erfindung ist eine Leistungsturbine so in dem Abgaskanal der Kraftmaschi­ ne angeordnet, daß sie die Energie der Abgase umsetzt. Die Leistungsturbine ist mit der Kurbelwelle der Kraftmaschine über ein Antriebsgetriebe verbunden. An denjenigen Teil des Abgaskanals, der zwischen der Leistungsturbine und der Kraft­ maschine liegt, ist ein Strömungskanal angeschlossen, und eine Schaltvorrichtung schließt bei Betätigen der Abgasbrem­ se den Abgaskanal stromaufwärts des Strömungskanals, wäh­ rend dieser gleichzeitig geöffnet wird.

Bei normalem Betrieb einer solchen Kraftmaschine setzt die Leistungsturbine die Energie der Abgase um, und diese umge­ setzte Energie wird über ein Antriebsgetriebe als Teil der zu liefernden Leistung auf die Kraftmaschine übertragen. Wird die Abgasbremse betätigt, so wird jedoch die strom­ aufwärtige Seite des Strömungskanals mit einer Schaltvor­ richtung geschlossen und gleichzeitig der Abgaskanal unmit­ telbar stromaufwärts der Leistungsturbine mit dem Strömungs­ kanal verbunden. Dies führt dazu, daß die Leistungsturbine, die eigentlich als Energieumsetzer arbeitet, nun als Kom­ pressor arbeitet und die Luft aus dem Strömungskanal auf­ nimmt, so daß sie nun eine negative Arbeit leistet, nämlich diejenige einer Pumpe. Deshalb wird bei Betätigung der Ab­ gasbremse eine große Motorbremskraft erzeugt, denn die Eigen­ reibung der Maschine, die Pumparbeit bzw. negative Arbeit und die Kraft der Abgasbremse addieren sich.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Aus­ führungsbeispiels einer Turbo-Verbundkraftma­ schine nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung der Anordnung eines Schaltventils an der Verbindungsstelle des Abgaskanals und des Strömungskanals,

Fig. 3 eine vergrößerte Teildarstellung der Richtun­ gen der Luftströmung bei Verbindung des Strö­ mungskanals mit dem Abgaskanal durch das Schalt­ ventil und gleichzeitiger vollständiger Schlie­ ßung des stromaufwärtigen Teils des Abgaskanals,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Turbo-Verbundkraft­ maschine nach der Erfindung,

Fig. 5 eine vergrößerte Teildarstellung der Schalt­ stellungen eines Drehventils, das an der Ver­ bindungsstelle des Strömungskanals mit dem Ab­ gaskanal der in Fig. 4 gezeigten Maschine an­ geordnet ist,

Fig. 6 eine vergrößerte Teildarstellung der Schalt­ stellung des Drehventils nach Fig. 5 bei Be­ tätigung der Abgasbremse,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung zur Verdeutlichung der Richtung der Luftströmung oder der Abgas­ strömung bei normal oder umgekehrt arbeiten­ der Leistungsturbine für die Maschine nach Fig. 4,

Fig. 8 ein Bremskraftdiagramm, das den Effekt der Än­ derung eines Drosselöffnungsdurchmessers zeigt,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Turbo-Ver­ bundkraftmaschine mit Turbolader und Leistungs­ turbine,

Fig. 10 ein Bremskraftdiagramm, das die Auswirkung der Maschinendrehzahl für eine Turbo-Verbundkraft­ maschine, eine Normalmaschine und die beiden Turbo-Verbundkraftmaschinen gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer üblichen Turbo-Verbundkraftmaschine mit Turbolader und Leistungsturbine,

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Bypass­ kanals, der über ein Schaltventil zwischen der Turboladerturbine und der Leistungsturbine einer üblichen turbogeladenen Kraftmaschine angeordnet ist, und

Fig. 13 Leistungskurven des Zusammenhangs zwischen Ma­ schinenleistung und Drehzahl sowie zwischen Bremskraft und Drehzahl für eine nicht turbo­ geladene und eine stark überladene Kraftma­ schine.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Turbo-Verbundkraft­ maschine umfaßt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Ansaug­ system 2 und einem Abgassystem 3. An das Abgassystem 3 ist ein Abgaskanal 4 angeschlossen, der Abgaskanalabschnitte 4 a, 4 b, 4 c und 4 d hat. An das Ansaugsystem 2 ist ein Ansaugka­ nal 5 angeschlossen.

In dem Abgaskanal 4 ist eine Turbine 6 a eines Turbola­ ders 6 etwa auf halber Länge des Abgaskanalabschnitts 4 a angeordnet, während der Kompressor 6 b des Turboladers 6 etwa auf halber Länge des Ansaugkanals 5 angeordnet ist. In dem Abgaskanalabschnitt 4 c ist stromabwärts des Turbo­ laders 6 eine Leistungsturbine 7 angeordnet. Ferner ist die Austrittswelle 8 der Leistungsturbine 7 mit der Kur­ belwelle 10 der Brennkraftmaschine 1 über ein mehrstufi­ ges Getriebe 9 verbunden, zu dem auch eine Flüssigkeits­ kupplung 11 gehört.

Die Flüssigkeitskupplung 11 ist so konstruiert, daß sie ein freies Zirkulieren der Hydraulikflüssigkeit zwischen der Eintrittsseite (Leistungsturbinenseite) eines Pumpra­ des 11 a und der Austrittsseite (Kurbelwellenseite) eines Pumprades 11 b gestattet und die Hydraulikflüssigkeit fer­ ner an eines der Pumpräder 11 a und 11 b liefert, wenn das andere arbeitet, so daß die Drehleistung wirksam übertra­ gen wird.

Zweck der Turbo-Verbundkraftmaschine nach der Erfindung ist es, eine Maschinenbremskraft entsprechend der Ausgangs­ leistung der Brennkraftmaschine 1 beizubehalten. Zu diesem Zweck benötigt man einen Widerstand, der der auf die Kur­ belwelle 10 direkt oder indirekt übertragenen Drehung ent­ gegenwirkt, so daß die Kurbelwelle 10 eine große negative Arbeit leistet. Dies wird bei der Turbo-Verbundkraftmaschi­ ne nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Leistungs­ turbine 7, die mit der Kurbelwelle 10 über das Getriebe 9 verbunden ist, eine große negative Arbeit leistet. Die Tur­ bo-Verbundkraftmaschine ist also so aufgebaut, daß eine Zu­ nahme der negativen Arbeit beim Abgasbremsen durch derar­ tiges Betreiben der Leistungsturbine 10 erreicht wird, daß sich für diese die Wirkung eines Kompressors mit geringem Wirkungsgrad ergibt.

Gemäß Fig. 2 ist an die Verbindungsstelle 271 des stromab­ wärtigen Endes des Abgaskanalabschnitts 4 b mit dem Abgas­ kanalabschnitt 4 c ein Ende eines Strömungskanals 12 ange­ schlossen, und in der Verbindungsstelle 271 ist eine Schalt­ vorrichtung 30 angeordnet, deren Zweck darin besteht, die Strömungswege an der Verbindungsstelle 271 umzuschalten. Diese Schaltvorrichtung 30 hat ein Schaltventil 14 mit zu­ gehörigem Antrieb 15. Das Schaltventil 14 verbindet in seiner einen Stellung den Abgaskanalabschnitt 4 c, der un­ mittelbar stromaufwärts der Leistungsturbine 7 angeordnet ist, mit dem Strömungskanal 12, während gleichzeitig der Abgaskanal 4 b, der stromaufwärts des Endes des Strömungs­ kanals 12 liegt, verschlossen wird.

Der Antrieb 15 des Schaltventils 14 ist folgendermaßen auf­ gebaut. Gemäß Fig. 2 ist an die Drehlagerung 16 des Schalt­ ventils 14 integral ein Hebel 17 angeschlossen, dessen freies Ende mit dem Schieber 19 eines Betätigungszylin­ ders 18 derart verbunden ist, daß bei Herausbewegen des Schiebers 19 aus dem Betätigungszylinder 18 das Schaltven­ til 14 den Abgaskanalabschnitt 4 b verschließt.

Die Kammer 20 des Betätigungszylinders 18 ist über einen Flüssigkeitskanal mit einem Vorratsbehälter 22 verbunden, und in dem Flüssigkeitskanal 21 ist ein Elektromagnetven­ til 23 angeordnet, das den Flüssigkeitskanal 21 zur Kam­ mer 20 hin öffnet, wenn es eingeschaltet wird. Ferner ist das Elektromagnetventil 23 so konstruiert, daß es nur dann eingeschaltet wird, wenn ein Leerlaufschalter 24, der den Leerlauf der Brennkraftmaschine 1 feststellt, ein Kupp­ lungsbetriebsschalter 25 und ein Abgasbremsschalter 26 ge­ schlossen sind. Dann wird es in den Stromkreis einer Gleich­ stromquelle 27, beispielsweise einer Batterie, eingeschal­ tet.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Turbo-Verbundkraft­ maschine erläutert. Wenn der Abgasbremsschalter 26 (Fig. 1) geöffnet ist, so werden die Abgase der Brennkraftmaschine 1 über das Abgassystem 3 dem Abgaskanal 4 zugeführt. Die Tur­ bine 6 a des Turboladers 6 setzt die in den Abgasen enthal­ tene Energie um und treibt den koaxial mit ihr angeordne­ ten Kompressor 6 b, wodurch Ladeluft den Zylindern der Brenn­ kraftmaschine 1 zugeführt wird. Gleichzeitig übertragen die aus der Turbine 6 a austretenden Abgase eine Drehkraft auf die Leistungsturbine 7, so daß die Energie der Abgase wie­ derum umgesetzt wird und auf die Kurbelwelle 10 als zusätz­ liche Drehenergie über das Getriebe 9 und die Flüssigkeits­ kupplung 11 übertragen wird.

Wenn die Abgasbremse arbeitet, so sind der Leerlaufschal­ ter 24, der Kupplungsschalter 25 und der Abgasbremsschal­ ter 26 geschlossen, so daß das Elektromagnetventil 23 ein­ geschaltet wird und der Kammer 20 des Betätigungszylin­ ders 18 aus dem Vorratsbehälter 22 Arbeitsflüssigkeit zu­ führt. Dadurch wirkt der Schieber 19 über den Hebel 17 auf das Schaltventil 14, so daß dieses den Abgaskanalabschnitt 4 b schließt und den Abgaskanalabschnitt 4 c, der stromabwärts des Schaltventils 14 liegt, mit dem Strömungskanal 12 ver­ bindet.

Da die Leistungsturbine in diesem Betriebszustand keine zu­ sätzliche Energie aus den Abgasen erhält, wird die Drehkraft der Kurbelwelle 10 über das Getriebe 9 und die Flüssigkeits­ kupplung 11 auf die Leistungsturbine 7 übertragen. Dadurch arbeitet die Leistungsturbine 7 im Gegensatz zu ihrem Nor­ malbetrieb als ein Kompressor mit schlechtem Wirkungsgrad und bläst Luft aus dem Strömungskanal 12 durch die Abgas­ kanalabschnitte 4 c und 4 d, wie es Fig. 3 zeigt. Dieses Um­ wälzen von Luft durch die Leistungsturbine 7 ist mit einer großen negativen Arbeit an der Kurbelwelle 10 verbunden, wo­ durch eine entsprechend große Bremskraft zusätzlich zu der Eigenreibung der Brennkraftmaschine 1 erzeugt wird.

Die Abgasbremse wird hier durch das Abgassystem 3 und ein (nicht dargestelltes) Abgasbremsventil gebildet, das strom­ abwärts angeordnet ist. Wenn dieses Abgasbremsventil voll­ ständig geschlossen ist, so wird der Abgaswiderstand, näm­ lich die Pumparbeit, erhöht und damit die Bremskraft er­ zeugt.

Im folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er­ findung erläutert. Diese in Fig. 4 dargestellte Turbo-Ver­ bundkraftmaschine umfaßt eine Brennkraftmaschine 101, ein Ansaugsystem 102 und ein Abgassystem 103, an das ein Abgas­ kanal 104 angeschlossen ist, der Abgaskanalabschnitte 104 a, 104 b, 104 c und 104 d hat. An das Ansaugsystem 102 ist ein Ansaugkanal 105 angeschlossen.

In dem Abgaskanal 104 ist auf etwa halber Länge des Abgas­ kanalabschnitts 104 a die Turbine 106 a des Turboladers 106 angeordnet, dessen Kompressor 106 b auf etwa halber Länge des Ansaugkanals 105 angeordnet ist. In dem Abgaskanalab­ schnitt 104 b stromabwärts des Turboladers 106 ist eine Lei­ stungsturbine 107 zur Umsetzung von Abgasenergie vorgesehen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine ausreichende Ma­ schinenbremskraft entsprechend der abgegebenen Leistung sichergestellt, indem die Leistungsturbine 107 bei Betäti­ gung der Abgasbremse in umgekehrter Richtung angetrieben wird, so daß sie eine große negative Arbeit leistet.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Maschine ist die Abtriebswel­ le 108 der Leistungsturbine 107 mit der Kurbelwelle 110 der Brennkraftmaschine 101 über ein mehrstufiges Getriebe 109 für normale Drehrichtung verbunden. Auf der der Lei­ stungsturbine 107 zugeordneten Seite dieses Getriebes 109 ist eine Flüssigkeitskupplung 111 vorgesehen, während zwi­ schen der die Flüssigkeitskupplung 111 enthaltenden Ge­ triebestufe und der Kurbelwellenseite des Getriebes eine Elektromagnetkupplung 128 für normale Drehrichtung derart angeordnet ist, daß bei ihrer Einschaltung eine Drehkraft von der Leistungsturbine 107 auf die Kurbelwelle 110 über­ tragen wird.

Gleichzeitig ist die Abtriebswelle 108 der Leistungstur­ bine 107 mit der Kurbelwelle 110 auch über ein Umkehrge­ triebe 129 verbunden, das parallel zu dem Getriebe 109 für normale Drehrichtung angeordnet ist. Dieses Umkehrgetrie­ be 129 ist mit einem Leerlaufzahnrad 130 für Gegendrehrich­ tung ausgerüstet. Zwischen diesem Leerlaufzahnrad 130 und der Kurbelwellenseite des Getriebes ist eine Elektromagnet­ kupplung 131 für Gegendrehrichtung derart angeordnet, daß bei ihrer Einschaltung eine Drehkraft von der Kurbelwel­ le 110 auf die Leistungsturbine 107 übertragen wird. Das System ist so aufgebaut, daß die Elektromagnetkupplung 131 für Gegendrehrichtung immer dann ausgeschaltet wird, wenn die andere Elektromagnetkupplung 128 für Normaldrehung ein­ geschaltet wird und umgekehrt. Somit ist bei Einschaltung des einen Getriebes das andere Getriebe abgeschaltet.

Auf der Turbinenseite der beiden Getriebe 109 und 129 ist jeweils eine Flüssigkeitskupplung 111 vorgesehen, die so arbeitet, daß die Hydraulikflüssigkeit frei zwischen dem Eintrittspumprad 111 a (Leistungsturbinenseite) und dem Aus­ trittspumprad 111 b (Kurbelwellenseite) zirkulieren kann und ferner einem der Pumpräder 111 a und 111 b zugeführt wird, wenn jeweils das andere arbeitet, wodurch die Drehkraft über­ tragen wird.

Die Aufgabe des Laufrades der Leistungsturbine 107, das mit hohem Wirkungsgrad arbeitet, besteht darin, bei Gegendrehung einen großen Widerstand für die Kurbelwelle 110 zu erzeugen. Zu diesem Zweck dient die im folgenden zu beschreibende Kon­ struktion.

Wie Fig. 4 zeigt, ist an denjenigen Teil des Abgaskanalab­ schnitts 104 b, der zwischen der Leistungsturbine 107 und dem Turbolader 106 liegt, das eine Ende eines Strömungs­ kanals 112 angeschlossen, dessen anderes Ende mit dem Ab­ gaskanalabschnitt 104 d stromabwärts der Leistungsturbine 107 verbunden ist. An der Verbindungsstelle des Strömungs­ kanals 112 und des Abgaskanalabschnitts 104 b ist eine Schaltvorrichtung 115 angeordnet.

Die Schaltvorrichtung 115 enthält, wie Fig. 4 und 5 zei­ gen, ein Drehventil 134, das in der Verbindungsstelle ange­ ordnet ist und mit einem Antrieb 135 bewegt wird. Das Dreh­ ventil 134 hat einen Rotor 134 b, der in einem Gehäuse 134 a frei drehbar angeordnet ist. Ein erster Kanal X und ein zweiter Kanal Y sind in dem Rotor 134 b vorgesehen. Der Durchmesser d₁ des ersten Kanals X sollte gleich dem Durch­ messer d₀ des Abgaskanalabschnitts 104 b sein, während der Durchmesser d₂ des zweiten Kanals Y kleiner als der Durch­ messer d 3 des Strömungskanals 112 sein sollte. Das Gehäu­ se 134 a hat eine Öffnung 134 c für jeden Abgaskanalabschnitt 104 b und 104 c und den Strömungskanal 112, so daß bei Dre­ hung des ersten Kanals X in die Stellung, in der die Abgas­ kanalabschnitte 104 b und 104 c verbunden sind, der zweite Kanal Y so angeordnet ist, daß der Abgaskanalabschnitt 104 b von dem Strömungskanal 112 getrennt ist (Fig. 5) und umge­ kehrt (Fig. 6).

Der Antrieb 135 für das Drehventil 134 ist folgendermaßen aufgebaut. Wie Fig. 4 und 5 zeigen, ist der Rotor 134 b mit einem Hebel 117 verbunden, dessen freies Ende außerhalb des Abgaskanalabschnitts 104 b mit dem Schieber 119 eines Betä­ tigungszylinders 118 verbunden ist.

Gemäß Fig. 4 ist die Kammer 120 des Betätigungszylinders 118 über einen Flüssigkeitskanal 121 mit einem Vorratsbehäl­ ter 122 verbunden, und in dem Flüssigkeitskanal 121 ist ein Elektromagnetventil 123 so angeordnet, daß es die Kam­ mer 120 mit dem Vorratsbehälter 122 verbindet, wenn es von einer Stromquelle 127, beispielsweise einer Batterie, ge­ speist wird. Das Elektromagnetventil 123 wird nur dann ein­ geschaltet, wenn ein Leerlaufschalter 124, ein Kupplungs­ schalter 125 und ein Abgasbremsschalter 126 geschlossen sind.

Die Elektromagnetkupplung 128 für Normaldrehung wird mit einem Schalter 133 eingeschaltet, der im Normalbetrieb ge­ schlossen ist. Die Elektromagnetkupplung 131 für Gegendre­ hung wird mit einem Schalter 132 eingeschaltet, der bei Nor­ malbetrieb geöffnet ist. Die Schalter 132 und 133 sind Re­ laisschalter, die gleichfalls durch die Schalter 124, 125 und 126 betätigt werden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der in Fig. 4 gezeigten Turbo-Verbundkraftmaschine beschrieben. Wenn das Elektro­ magnetventil 123 abgeschaltet und der Abgasbremsschal­ ter 126 geöffnet ist, so sind der Abgaskanalabschnitt 104 c unmittelbar stromaufwärts der Leistungsturbine 107 und der Abgaskanalabschnitt 104 b stromaufwärts des Drehventils 134 miteinander über den ersten Kanal X (Fig. 5) verbunden. In diesem Betriebszustand werden die Abgase von der Brennkraft­ maschine 101 über das Abgassystem 103 dem Abgaskanalab­ schnitt 104 b zugeführt, so daß die Turbine 106 a des Turbo­ laders 106 die Energie der Abgase umsetzt und den mit ihr koaxial angeordneten Kompressor 106 b antreibt, welcher La­ deluft in die Zylinder der Brennkraftmaschine 101 liefert. Gleichzeitig bewirken die aus der Turbine 106 a austreten­ den Abgase eine Drehung der Leistungsturbine 107, so daß in dieser Abgasenergie umgesetzt wird.

Da der Schalter 133 der Elektromagnetkupplung 128 für Nor­ maldrehung geschlossen und der Schalter 132 der Elektro­ magnetkupplung 131 für Gegendrehung geöffnet ist, wird die in der Leistungsturbine 107 umgesetzte Abgasenergie auf die Kurbelwelle 110 über das Getriebe 109 für Normaldrehung übertragen und bildet somit einen Teil der von der Brenn­ kraftmaschine 101 abgegebenen Drehenergie.

Wenn die Abgasbremse betätigt wird, so sind der Leerlauf­ schalter 124, der Kupplungsschalter 125 und der Abgasbrems­ schalter 126 geschlossen, so daß der Schalter 132 der Elek­ tromagnetkupplung 131 geschlossen ist, während der Schal­ ter 133 der Elektromagnetkupplung 128 für Normaldrehung ge­ öffnet ist, wodurch der Vorratsbehälter 122 Arbeitsflüssig­ keit in die Kammer 120 des Betätigungszylinders 118 liefert, so daß dieser den Schieber 119 betätigt und das Drehven­ til 134 über den Hebel 117 so verstellt, daß der Abgaska­ nalabschnitt 104 b geschlossen ist, während der Abgaskanal­ abschnitt 104 c stromabwärts des Drehventils 134 mit dem Strömungskanal 112 über den zweiten Kanal Y verbunden wird.

In diesem Betriebszustand erhält die Leistungsturbine 107 keine Antriebsenergie aus den Abgasen, und die Drehkraft der Kurbelwelle 110 wird über das Getriebe 129 für Gegen­ drehung auf die Leistungsturbine 107 übertragen. Diese ar­ beitet nun, wie Fig. 7 zeigt, in Gegendrehrichtung als Kom­ pressor mit schlechtem Wirkungsgrad und bläst Luft aus dem Abgaskanalabschnitt 104 d in den Strömungskanal 112. Da das zum Strömungskanal 112 über den zweiten Kanal Y strömende Gas durch die Drosselwirkung des zweiten Kanals Y beschleu­ nigt wird, ergibt sich eine große negative Arbeit für die Luftumwälzung und Luftkompression in der Leistungsturbi­ ne 107, die der Arbeit der Kurbelwelle 110 entgegenwirkt.

Bei Betätigung der Abgasbremse wird also eine große Maschi­ nenbremskraft durch diese negative Arbeit zusammen mit der negativen Arbeit der Abgasbremse und der Eigenreibung der Brennkraftmaschine erzeugt. Die Abgasbremse hat ein (nicht dargestelltes) Abgasbremsventil, das in dem Abgaskanalab­ schnitt 104 a angeordnet ist und bei vollständiger Schlie­ ßung eine Zunahme des Abgaswiderstandes erzeugt, der mit einer Zunahme der Pumparbeit verbunden ist, wodurch sich die Maschinenbremskraft ergibt.

Es besteht ein Zusammenhang zwischen dem Durchmesser d₂ des zweiten Kanals Y und der Maschinenbremskraft Pmf bzw. dem Betrag der negativen Arbeit, wie er in Fig. 8 darge­ stellt ist. Der Durchmesser d₂ wird auch wesentlich durch die Abmessungen der Leistungsturbine 107 bestimmt. Wie Fig. 8 zeigt, gibt es einen optimalen Bereich für diesen Durchmesser d 2, in dem die Leistungsturbine 107 eine maxi­ male Maschinenbremskraft erzeugt (siehe auch Fig. 10).

Bei einer Turbo-Verbundkraftmaschine nach der Erfindung kann mit der Leistungsturbine 7 bzw. 107 eine große Abgas­ bremskraft durch negative Arbeit erzeugt werden. Bei dem erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel läuft dabei die Lei­ stungsturbine 107 in Normaldrehrichtung, während die Lei­ stungsturbine 107 bei dem zweiten Ausführungsbeispiel in Gegendrehrichtung läuft. Die mit einer derartigen Erzeugung der Maschinenbremskraft verbundenen Vorteile gegenüber einer Normalmaschine sind aus Fig. 10 zu entnehmen, die ein Bremskraftdiagramm zeigt.

In Fig. 10 gilt die Kurve A für die Bremskraft bzw. Eigen­ reibung der Grundmaschine, die Kurve B für diejenige einer Turbo-Verbundkraftmaschine, die Kurve C für die Bremskraft der Turbo-Verbundkraftmaschine nach Fig. 9, wenn entweder der Abgaskanalabschnitt 4 b zwischen dem Turbclader 6 und der Leistungsturbine 7 oder der Abgaskanalabschnitt 4 d stromabwärts der Leistungsturbine 7 geschlossen ist. Die Kurve D zeigt die Bremskraft der Grundmaschine mit betätig­ ter Abgasbremse, die Kurve E die Bremskraft der Turbo-Ver­ bundkraftmaschine mit betätigter Abgasbremse.

Es ist zu erkennen, daß die Kurve E die beste Bremsleistung wiedergibt, jedoch ist die dabei erzielte Bremskraft für eine Turbo-Verbundkraftmaschine mit ausgezeichneter Lei­ stungsabgabe nicht hoch genug. Demgegenüber zeigt die Kur­ ve F eine Verbesserung. Diese gilt für den Fall, daß der Abgaskanalabschnitt 4 b zwischen dem Turbolader 6 und der Leistungsturbine 7 geschlossen ist und gleichzeitig die Leistungsturbine 7 eine Luftumwälzung in Gegendrehrichtung durchführt.

Dies bedeutet, daß die Kurve G, die dem erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht, bei dem die Leistungsturbine 7 in Normaldrehrichtung eine Kompressions­ arbeit durchführt, eine noch bessere Maschinenbremsleistung verdeutlicht. Die Kurve H, die dem zweiten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung entspricht, bei dem die Leistungstur­ bine 107 in Gegendrehrichtung die negative Arbeit erzeugt, zeigt nicht nur eine noch bessere Maschinenbremsleistung, sondern auch ein schnelleres Ansprechverhalten, was durch den steileren Anstieg im Anfangsbereich deutlich wird. Dies ist mit einer gegenüber dem Fall G besseren Zuverlässigkeit der Maschinenbremse verbunden.

Bei beiden Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Strömungskanäle 12 und 112 entsprechend der Leistungsabga­ be der Brennkraftmaschine 1 bzw. 101 auf einen vorbestimm­ ten Querschnitt gedrosselt werden, wobei die Abgaskanalab­ schnitte stromaufwärts des Strömungskanals 12 bzw. 112 je nach Erfordernis geöffnet oder geschlossen sind.

Claims (9)

1. Turbo-Verbundkraftmaschine mit einer Brennkraftmaschi­ ne (1) und einer in dem Abgaskanal (4) der Brennkraft­ maschine (1) angeordneten Leistungsturbine (7) zur Um­ setzung von Abgasenergie sowie einer die Leistungstur­ bine (7) mit der Kurbelwelle (10) der Brennkraftmaschi­ ne (1) verbindenden Leistungsübertragungseinrichtung (9), dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskanal (4) zwischen der Leistungsturbine (7) und der Brennkraft­ maschine (1) an einen Strömungskanal (12) angeschlossen ist, und daß eine Schaltvorrichtung (30) vorgesehen ist, die bei Betätigung der Abgasbremse der Brennkraftma­ schine (1) den Abgaskanal (4) stromaufwärts des Strö­ mungskanals (12) schließt und den Strömungskanal (12) öffnet.

2. Turbo-Verbundkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsübertragungs­ einrichtung (9) ein die Kurbelwelle (10) mit der Lei­ stungsturbine (7) verbindendes Getriebe umfaßt.

3. Turbo-Verbundkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (9) eine Flüssigkeitskupplung (11) enthält.

4. Turbo-Verbundkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (12) mit dem Abgaskanal (4 b) stromauf­ wärts der Leistungsturbine (7) einerseits und mit dem Abgaskanal (4 d) stromabwärts der Leistungsturbine (7) andererseits verbunden ist.

5. Turbo-Verbundkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (115) die stromaufwärtige Seite des Ab­ gaskanals (104 b) gegenüber dem Strömungskanal (112) schließt und den Strömungskanal (112) bis zu einem vor­ bestimmten Querschnitt öffnet.

6. Turbo-Verbundkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsübertragungs­ einrichtung ein Getriebe (129) für Gegendrehung zur Über­ tragung von Antriebsleistung von der Kurbelwelle (110) zur Leistungsturbine (107) bei Betätigung der Abgas­ bremse und ein Getriebe (109) für Normaldrehung zur über­ tragung von Antriebsleistung von der Leistungsturbine (107) zur Kurbelwelle (110) bei Normalbetrieb umfaßt.

7. Turbo-Verbundkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (109) für Normaldrehung und das Getriebe (129) für Gegendrehung jeweils eine Flüssigkeitskupplung (111) und eine Elek­ tromagnetkupplung (128, 131) enthalten.

8. Turbo-Verbundkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (115) ein Schaltventil (134) enthält, das den Abgaskanal (104 b) stromaufwärts des Strömungs­ kanals (112) verschließt und den Strömungskanal (112) auf einen vorbestimmten Querschnitt öffnet, wenn die Ab­ gasbremse betätigt ist und die Antriebsleistung von der Kurbelwelle (110) zur Leistungsturbine (107) übertragen wird, und einen Betätigungsmechanismus (135) aufweist.

9. Turbo-Verbundkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (115) ein Schaltventil (134) umfaßt, das einen ersten Kanal (X) mit einem Durchmesser (d 1) gleich demjenigen des Abgas­ kanals (104 b) und einen zweiten Kanal (Y) mit einem Durchmesser (d 2) kleiner als derjenige des Strömungs­ kanals (112) aufweist und mit der Betätigungsvorrich­ tung (135) zur Verbindung des zweiten Kanals (Y) mit dem Strömungskanal (112) und damit verbundenen Sperrung des ersten Kanals (X) gegenüber dem Abgaskanal (104 b) be­ tätigt wird, wenn die Abgasbremse arbeitet und die An­ triebsleistung von der Kurbelwelle (110) zur Leistungs­ turbine (107) übertragen wird.