Verfahren und Einrichtung zum dynamischen Aufladen von Kolbenmaschinen, die ein gasförmiges Hedium ansaugen. Die maximale Nutzleistung einer Kolben masebine, die ein gasförmiges Medium an saugt, zum Beispiel eines Kolbenverbrennungs motors oder eines Kolbenkompressors hängt unter anderem von der Menge des im Ma schinenzylinder am Anfang der Kompression eingeschlossenen Gasmediums ab, weswegen durch das sogenannte Aufladen eine höhere Leistung solcher Maschinen erzielbar ist. Es sind nun bereits Verfahren zum Aufladen der Zylinder von Verbrennungsmotoren und Kom pressoren bekannt geworden, sowohl solche, bei denen das Aufladen zwangläufig, als auch solche, bei denen es auf dynamischem Wege erfolgt.
Zu den bekannten Einrichtungen zur zwangläufigen Aufladung von Verbrennungs motoren gehören zum Beispiel die, bei wel chen die Motorauspuffgase eine Turbine antreiben, die ihrerseits einen Ventilator an- treibt, der Luft in den Motorzylinder drückt. Bei andern Einrichtungen dieser Art wird der Ventilator entweder durch den Motor selbst oder durch einen besonderen Elektro motor angetrieben. Alle diese Einrichtungen sind sehr kostspielig und ergeben nur bei Motoren von grosser Leistung (über mehrere hundert PS.) günstige Ergebnisse.
Zu der an zweiter Stelle genannten dy namischen Aufladung gehören alle Versuche, die durch entsprechende Verlängerung des Saugrohres den Liefergrad sowohl bei Motoren, als auch bei Kompressoren verbessern wollen. Diese - Verfahren beruhen auf der Aus nutzung der Trägheit der sich im Saugrohr bewegenden Gase zum Aufladen. Solche Versuche wurden bisher nur selten ausgeführt, und die mit ihnen erzielten Resultate waren gering. Dies ist auf die kleinen Gasge schwindigkeiten in der Saugleitung (30 bis 50 m/Sek.) zurückzuführen, die mit Rück sicht auf die befürchteten Saugwiderstände bis jetzt immer angewandt wurden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird während des Ansaugens im Zylinder zur energischen Beschleunigung der Gassäule in der- Saugleitung ein Unterdruck erzeugt. Die Geschwindigkeit des Gases in der Sauglei tung nähert sich zweckmässig der Schallge schwindigkeit, das heisst sie wird vorteilhaft mehr als 100 m/Sek. betragen. Dann wird die kinetische Energie der in der entsprechend langen Saugleitung bewegten Gase als pneu matischer Widder (Gaswidder) wirken, was eine starke Aufladewirkung gewährleistet.
Die Zeichnung zeigt beispielsweise Indi- katordiagramme von Kolbenmaschinen, die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung aufgeladen werden. Anhand dieser Diagramme werden im folgenden Verfahren und Ein richtung gemäss der Erfindung beispielsweise beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Teil eines Indikator diagrammes von einem Viertaktmotor und gibt den Druckverlauf während eines Saug hubes wieder.
Im Punkte 1 beginnt die Expansion der im Motorzylinder am Ende des Auspuffhubes zurückgebliebenen Verbrennungsgase bei ge schlossener Einlasssteuerung. Der Einlass wird erst im Punkte 2 geöffnet. Der im Zylinder dadurch hervorgerufene, durch die Abszisse 2-2' dargestellte Unterdruck be wirkt eine grosse Gasgeschwindigkeit in der Saugleitung. Während der weitei#en Kolben bewegung auf dem Wege von 2' bis 5 ver ringert sich der Unterdruck im Zylinder in folge des Eintrittes der zuströmenden Gase.
Nachdem der Druck im Zylinder dem At mosphärendruck (im Punkts) gleich geworden ist, verwandelt sich die kinetische Energie der noch im Saugrohr strömenden Gase in die durch die Diagrammfläche 5-4-3 dar gestellte Aufladearbeit. Das Einlasssteuerorgan schliesst im Augenblick 3, wo der höchste Rufladedruck 3 erreicht ist und die Kom pressionsperiode beginnt. Der in Fig. 1 dargestellte Verlauf ist jedoch nicht vorteilhaft, da gemäss den auf Grund theoretischer Überlegungen durchgeführten Versuchen beim Ansaugen aus der Atmosphäre bei Unterdrücken, die grösser als. 0,5 Atm. sind, die Aufladedrücke mit dem Unterdruck nicht mehr anwachsen.
Diese Erscheinung ist dadurch erklärlich, dass die Gasgeschwin digkeiten im Saugrohr die Schallgeschwindig keit nicht übersteigen können.
Mit Rücksicht hierauf ist das Diagramm nach Fig. 2 vorteilhafter. In demselben werden am Anfang des Saughubes durch die Einlasssteuerung in dein Zylinder so grosse Gasmengen eingeführt (Hubteil 6-7) dass die Expansion im Augenblick des erneuten Öffnens des Einlasses (Punkt 8) einen Unter druck ergibt, welcher nicht grösser als etwa 0,5 Atm. ist.
Da nach Fig. 2 der Einlass im Punkte 6 öffnen und im Punkte 7 schliessen muss, um dann im Punkte 8 wieder geöffnet und im Punkte 9 geschlossen zu werden, und die Konstruktion einer solchen Steuerung Schwierigkeiten bereiten dürfte, so kann der Einlass auch so gesteuert verwendet werden, dass der Druckverlauf während des Saug hubes etwa der gestrichelten Linie 6-8 ent spricht.
Der durch die Punkte 6-7-8--9 in Fig. 2 gezeichnete Druckverlauf kann bei grossen Motoren mit Leichtigkeit verwirk licht werden, indem das Ansaugen (6-7) durch im Zylinderdeckel angeordnete Ventile, und das Einlassen, sowie das Aufladen (8-9) durch besondere auf der Zylindermantelfläche angeordnete Einlassschlitze erfolgt, die durch den Kolben am Ende des Saughubes frei gelegt werden.
In Fig. 3 ist das Indikatordiagramm eines mit der erfingungsgemäss dynamischen Ruf ladung arbeitenden Kompressors dargestellt. Der durch die Diagrammfläche 10-11-14 dargestellte Unterdruck ruft im Saugrohr eine Strömung der Gase hervor, welche sich ihrerseits in die durch die Diagrammfläche 12-13-14 dargestellte Aufladeärbeit ver wandelt. Der Einlass kann durch am Ende des Saughubes entblösste Schlitze oder durch ein gesteuertes Ventil erfolgen.
Unter Kom pressoren werden hierbei allgemein alle Luft- und Gasverdichtungsvorrichtungen verstanden, also auch zum Beispiel Gebläse, Spülpumpen für Verbrennungsmotoren.
Das Gas kann entweder der Atmosphäre oder aber einem Raume entnommen werden, in welchem ein vom Atmosphärendruck ver schiedener Druck herrscht, zum Beispiel bei vielstufigen Kompressoren. In diesem Falle wird unter "Unterdruck" der Unterschied der Drücke verstanden, welche einerseits im Zy linder, anderseits im Speiseraume herrschen. Ebenso ist der Begriff "Unterdruck" beim Aufladen von Motoren zu verstehen.
Sowohl beim Aufladen von Motoren, als auch von Kompressoren ist der Saugleitungs- durchrnesser zweckmässig so gering, dass die Geschwindigkeiten in der Saugleitung über 100 m/Sek. ansteigen.
Die Länge der Saugleitung ist von der Öffnungszeit der Steuerung und der Charak teristik ihres Offnens, sowie auch vom Ver hältnis des Querschnittes der Leitung zum Hubvolumen des Zylinders abhängig. Unter suchungen theoretischer und praktischer Art haben ergeben, dass das Saugleitungsvolumen zweckmässig grösser als 0,4 des Zylinderhub volumens ist. Unter Saugleitungsvolumen wird dabei das Volumen der Saugleitung zwischen ihrer Einmündung und dem den Einlass nach dem Zylinder steuernden Organe verstanden.
Method and device for the dynamic charging of reciprocating engines which suck in a gaseous hedium. The maximum useful output of a piston machine that sucks in a gaseous medium, for example a piston internal combustion engine or a piston compressor, depends, among other things, on the amount of gas medium enclosed in the machine cylinder at the beginning of the compression, which is why such machines have a higher performance due to the so-called charging is achievable. There are already methods for charging the cylinders of internal combustion engines and Kom compressors become known, both those in which the charging inevitably, as well as those in which it takes place in a dynamic way.
Known devices for the positive charging of internal combustion engines include, for example, those in which the engine exhaust gases drive a turbine which in turn drives a fan which pushes air into the engine cylinder. In other devices of this type, the fan is driven either by the motor itself or by a special electric motor. All of these devices are very expensive and only give favorable results with engines of great power (over several hundred horsepower).
The dynamic charging mentioned in the second place includes all attempts that want to improve the delivery rate for both engines and compressors by extending the intake manifold accordingly. These methods are based on the use of the inertia of the gases moving in the intake manifold for charging. Such attempts have hitherto been carried out rarely and the results obtained with them have been poor. This is due to the small gas speeds in the suction line (30 to 50 m / sec.), Which have always been used up to now with regard to the feared suction resistance.
According to the present invention, a negative pressure is generated in the suction line during suction in order to energetically accelerate the gas column. The speed of the gas in the suction line appropriately approaches the speed of Schallge, that is, it is advantageously more than 100 m / sec. be. Then the kinetic energy of the gases moving in the correspondingly long suction line will act as a pneumatic ram (gas ram), which ensures a strong charging effect.
The drawing shows, for example, indicator diagrams of piston engines that are charged according to the method according to the invention. With the aid of these diagrams, the following method and device according to the invention are described, for example. Fig. 1 shows part of an indicator diagram of a four-stroke engine and shows the pressure curve during a suction stroke.
At point 1, the combustion gases remaining in the engine cylinder at the end of the exhaust stroke begin to expand when the inlet control is closed. The entrance will only open in point 2 The resulting negative pressure in the cylinder, represented by the abscissa 2-2 ', causes a high gas velocity in the suction line. During the wide movement of the piston on the way from 2 'to 5, the negative pressure in the cylinder is reduced as a result of the entry of the incoming gases.
After the pressure in the cylinder has become equal to the atmospheric pressure (in the dot), the kinetic energy of the gases still flowing in the intake manifold is transformed into the charging work shown in the diagram area 5-4-3. The inlet control organ closes at the moment 3, when the highest call boost pressure 3 is reached and the compression period begins. The course shown in Fig. 1 is not advantageous because, according to the tests carried out on the basis of theoretical considerations, when sucking in from the atmosphere at negative pressures greater than. 0.5 atm. are, the charging pressures no longer increase with the negative pressure.
This phenomenon can be explained by the fact that the gas velocities in the intake manifold cannot exceed the sound velocity.
In view of this, the diagram according to FIG. 2 is more advantageous. In the same, at the beginning of the suction stroke, the inlet control introduces such large amounts of gas into the cylinder (stroke part 6-7) that the expansion at the moment the inlet is reopened (point 8) results in a negative pressure which does not exceed about 0.5 Atm. is.
Since according to FIG. 2 the inlet has to open at point 6 and close at point 7 in order to then be opened again at point 8 and closed at point 9, and the construction of such a control might cause difficulties, the inlet can also be controlled in this way used that the pressure curve during the suction stroke corresponds approximately to the dashed line 6-8 ent.
The pressure curve shown by points 6-7-8-9 in Fig. 2 can easily be achieved in large engines by the intake (6-7) through valves arranged in the cylinder cover, and the intake and charging ( 8-9) through special inlet slots on the cylinder surface, which are exposed by the piston at the end of the suction stroke.
In Fig. 3 the indicator diagram of a compressor operating with the dynamic call charge according to the invention is shown. The negative pressure shown by the diagram area 10-11-14 causes a flow of gases in the intake manifold, which in turn converts into the charging work shown by the diagram area 12-13-14. The inlet can be through slits exposed at the end of the suction stroke or through a controlled valve.
Compressors are generally understood to mean all air and gas compression devices, including, for example, fans and flushing pumps for internal combustion engines.
The gas can either be taken from the atmosphere or from a room in which there is a pressure different from atmospheric pressure, for example in multi-stage compressors. In this case, "negative pressure" is understood to mean the difference in pressures which prevail on the one hand in the cylinder and on the other hand in the dining room. The term "negative pressure" is also to be understood when charging engines.
When charging engines as well as compressors, the suction line diameter is expediently so small that the speeds in the suction line are over 100 m / sec. increase.
The length of the suction line depends on the opening time of the controller and the characteristics of its opening, as well as on the ratio of the cross-section of the line to the displacement of the cylinder. Investigations of a theoretical and practical nature have shown that the suction line volume is expediently greater than 0.4 of the cylinder stroke volume. The suction line volume is understood to mean the volume of the suction line between its confluence and the organs controlling the inlet after the cylinder.