Verfahren und Einrichtung zum dynamischen Aufladen von Viertaktmotoren mit einem Kompressor zum Vorverdichten des gasförmigen Teiles ihrer Ladung. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum dynamischen Aufladen von Viertaktmotoren mit einem Kompressor zum Vorverdichten des gasförmigen Teils ihrer Ladung. Bekanntlich bezweckt eine Vorver- diehtung des dem Motor zugeführten gas förmigen Teils seiner Ladung eine Erhöhung d;,r spezifischen. Leistung des Motors.
Die Vorverdiehtung der Luft wird meistens durch einen Kolben- oder Rotationskompres sor bewirkt. Der Kompressor wird entweder unmittelbar vom Motor, oder von einem Hilfsmotor oder @sohliesslich mittelst einer durch die Motorauspuffgase angetriebenen Turbine angetrieben.
Die zuletzt genannte Antriebsweisse wird mit Rücksicht auf die Ausnutzung der in den Motorauspuffgasen enthaltenen Abfallenergie am meisten: be nutzt und hat den Vorteil, dass die zur Ver dichtung des dem Motor zugeführten Gases aufgewandte Arbeit nur in geringem Grade die Eigenwiderstände des Motors vergrössert.
Die beiden andern Antriebsarten ergeben eine umso grössere Verschleehterung .des Brennstoffverbrauches je PS-Stunde, je höher die Vorkompression ist. Aus diesem Grunde haben sie keine allgemeinere Ver breitung gefunden.
Die letztere Antriebsart ergibt zwar einen guten Brennstoffverbrauch, jedoch nur einen verhältnismässig geringen Aufladedruck. Dieser ist durch die Grösse der zur Ver fügung stehenden Auspuffenergie bedingt, welche unter normalen Bedingungen nach Deckung der Verluste in der Turbine und im Kompressor nur Überdrücke von ea. 0,3 Atü hinter dem Kompressor erzielen lässt.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Verfahren zum dynamischen Aufladen von Kolbenmaschinen, die ein gasförmiges Medium ansaugen, welches den Gegenstand .des Hauptpatentes bildet. Nach diesem Ver fahren. wird während des Ansaugens zur energischen. Beschleunigung der Gassäule in der Saugleitung im Zylinder ein Unterdruck erzeugt.
Erfindungsgemäss liefert der Kompressor den gasförmigen Teil der Ladung (Luft oder Brennstoffluftmischung) unter einem Überdruck; durch das dynamische Aufladen wird der gasförmige Teil der Ladung noch weiter verdichtet, ,so dass der Aufladedruek höher als: ,der durch den Kompressor hervor- gerufen; Überdruck isst.
Wird -der Kompressor unmittelbar vom Motor oder einem Hilfsmotor angetrieben, so kann er den gasförmigen Teil der Ladung mit einem Überdruck von beispielsweise 0,2 bis 0,3 Atm. liefern, und mittelst dynami- sehen Aufladens kann darauf die weitere Verdichtung bis zu einem Druck von etwa 0,5 Atü bewirkt werden.
Dann erfährt der Brennstoffverbrauch -trotz eines Aufladens auf etwa 0,5 Atü fast keine Änderung.
Bei Verwendung eines- Rotationskompres- sors, .der von einer Abgasturhine angetrieben wird, ermöglicht @die Erfindung bedeutend höhere Aufladedrücke, als die Summe der jenigen Drücke beträgt, -die durch Vorkom- pressiou beziehungsweise dynamisches Auf laden alleinerzielbar sind. Wird zum dyna mischen Aufladend :
ie durch das Hauptpatent geschützte Einrichtung verwendet, bei wel cher die Gasgeschwindigkeit in der Saug leitung auf über 100 m/sec. ansteigt und be trägt das Volumen der Saugleitung mehr als 0,4 des Zylindervolumens, so wächst die in den Abbassen des.
Motors enthaltene Energie in einem solohen Masse, dass sie nicht nur zur Überwindung der Arbeit des Verdichtens bis auf den Druck .der durch .den Kompressor gelieferten grösseren Gasmenge ausreicht, sondern dass- noch ein Überschuss übrig bleibt,
der einen gompressionedruckzuwachs im Kompresssor ermöglicht. Anderseits kann in diesem Fasle auch der Effekt .des dyna- mischen;
Rufladens nicht nur wegen des grösseren spezifischen Gewichts des verdich- teten Gasmediums grösser sein, sondern auch mit Rücksicht auf die grösseren zur Ver fügung stehenden Druckunterschiede, welche zur energiechen Beschleunigung .der Gassäule in der Saugleitung ausgenutztwerdenkönnen.
Das dynamische Aufladen allein, wie es durch das Hauptpatent geschützt ist, ergibt beim Verdiehen des, gasförmigen Teils der Ladung von Atmosphärendruck einen Auf- la-dedruck bis zu -0,3 l@g/em2. Beim Zusam menwirken eines von einer Abgasturbine angetriebenen Rotationskompressors zur Vor kompression mit -der im Hauptpatent ge schützten Einrichtung zum dynamischen Aufladen sind Überdrücke von etwa 0,
7 Atü und beiläufig zweimal grössere Zuwächse d er Motorleistung als bisher erzielbar.
Falls ein so bedeutender Leistungszu- wachs unnötig iLt, kann das Aufladen, zur Verringerung der Auspufftemperatur be nutzt werden, wodurch eine Verkleinerung der thermischen Belastung des Motors er zielbar ist. Derartige Einrichtungen können z.
B. bei Schiffsmotoren von Bedeutung sein, wo die Betriebssicherheit o ft ein Über schreiten von Auopufftemperaturen von 500 C verbietet.
Dass Zusammenwirken der dynamischen Aufladung gemäss dem Hauptpatent mit der Vorkompression mittelst eines aus einer Ab- gasturbine und einem Gebläse bestehenden Aggregat"-, isst schliesslich auch vorteilhaft, weil beide Einrichtungen eine Verringerung des Brennetoffverbrauches hervorrufen kön nen.
Besonders vorteilhaft ist eine Einrich tung zum .dynamischen Aufladen mit einem ,gesteuerten Abschlüssorgan an der Eis mündung der Saugleitung, welche Einrioli- tungdurch entsprechende Betätigung des Absschlussorganes einen gleichbleibenden Ruf ladedruck ermöglicht.
Im Falle des Zusammenwirkens dieser Einrichtung mit einer Vorkompression treten Änderungen des Kompressionsdruckes im Zylinder bei Änderungen der Belastung oder der Umdrehungszahl nur in solchem Um fange auf, wie er dureh die Vorkompression allein [bedingt ist.
In Fig. 1 und 2 :der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele von Einrichtungen ge- mäss,der Erfindung -dargestellt. Anhand der selben wird im folgenden auch das Ver fahren gemäss der Erfindung beispielsweise erläutert.
Wenn bei der Einrichtung gemäss Fig. 1 der Kolben im Motorzylinder 1 den Saug hub beginnt, ist das, durch den Motor in nicht gezeichneter Weise betätigte Absehluss- organ 4 am Anfang der Rohrleitung zwi schen einer an .den Kompressor 5 ange schlossenen Leitung 3 und dem Einlassventil 6 des Zylinders 1 geschlossen,
so dass im Zylinder 1 und in der Saugleitung 2 ein Unterdruck gegenüber dem Druck in der Leitung 3 auftritt. Wenn währenddes Saug hubes das Absehlussorgan 4 öffnet, wird durch den .so erzeugten Druckunterschied eine energische Beschleunigung .der Gassäule in der Leitung 2 hervorgerufen. Die Leitung 3 besitzt einen so grossen Querschnitt, dass in ihr der Druck infolge der nun einsetzenden lebhaften :Strömung nicht nennenswert sinkt.
Die so im Rohr 2 in Bewegung versetzte Gassäule wirkt nach Erreichung eines dem Drucke in der Leitung :3 gleichen Druckes im Zylinder 1 als "Luftwidder" und ruft eine Aufladung des, Zylinders 1 über den Druck in der Leitung 3 hervor.
Sobald im Zylinder 1 der höchste Druck erreicht ist, schliesst ,das Einlassventil 6 und es, beginnt die Kompression des gasförmigen Teils der Ladung im aufgeladenen Zylinder.
Der Öffnungszeitpunkt des .Abschluss- organes 4 kann zweckmässig mittelst eines Reglers bei Änderungen der blotorumlauf- zahl in einer solchen Weise verstellt wer den, da.e das Abschlussorgan 6 bei jeder Um drehungszahl des Motors um dieselbe Zeit spanne vor dem Augenblick des Schliessens des Einlassventils 6 am Ende des Saughubes erfolgt.
Dann hängt die Wirkung der dyna mischen Aufladung im Zylinder weder von der Umdrehungszahl des Motors noch von dessen Belastung ab, und eine Änderung des Kompressionsdruckes im Motor kann aus- schliesslich von Änderungen des Vorkom- pressionsdruckes: herrühren.
Nach Fig. 2 fehlt das Abschlussorgan 4 und das Rohr 3 steht durch die Leitung 7 mit dem nicht gezeichneten Einlassventil des nichtdargestellten Motorzylinders- in offener Verbindung.
Im ersten Teil des. Kolbensaughubes hemmt das Einlassventil des Motorzylinders durch spätes. Öffnen oder Drosseln den Gas zufluss zum Motorzylinder, so dass im letzte ren ein Unterdruck gegenüber dem Druck in der Leitung 7 hervorgerufen wird. Dieser erzwingt, wenn währenddes Saughubes das Einlassvenel ganz geöffnet wird, eine ener gische Beschleunigung der Gassäule im Rohre 7.
Die auf diese Weise im Rohr 7 in Beweg-ang versetzte, als "Luftwidder" wir kende Gassäule ruft im Motorzylinder eine Verdichtung über den Vorkompressions- druak des Kompressors 5 hervor. In diesem Falle wird die Abhängigkeit des Kompres- sionsdrucke#s im Zylinder von der Belastung und .der Umdrehungszahl nicht nur durch den Kompressor 5, sondern auch ,durch das dynamische Aufladen bewirkt.
Method and device for dynamic charging of four-stroke engines with a compressor for precompressing the gaseous part of their charge. The present invention relates to a method for dynamically charging four-stroke engines with a compressor for pre-compressing the gaseous part of their charge. As is well known, the purpose of a predetermination of the gaseous part of its charge supplied to the engine is to increase d;, r specific. Engine power.
The pre-condensation of the air is usually effected by a piston or rotary compressor. The compressor is driven either directly by the engine, or by an auxiliary engine, or ultimately by means of a turbine driven by the engine exhaust gases.
The last-mentioned drive mode is used most with regard to the utilization of the waste energy contained in the engine exhaust gases and has the advantage that the work required to compress the gas supplied to the engine only slightly increases the inherent resistance of the engine.
The other two types of drive result in a greater deterioration in the fuel consumption per horsepower hour, the higher the pre-compression. For this reason they have not found a more generalized distribution.
The latter type of drive results in good fuel consumption, but only a relatively low boost pressure. This is due to the size of the available exhaust energy, which under normal conditions after covering the losses in the turbine and in the compressor can only achieve overpressures of about 0.3 Atü downstream of the compressor.
The present invention is based on the method for dynamic charging of piston engines that suck in a gaseous medium, which forms the subject of the main patent. Follow this procedure. becomes energetic while sucking. Acceleration of the gas column in the suction line in the cylinder creates a negative pressure.
According to the invention, the compressor delivers the gaseous part of the load (air or fuel-air mixture) under an overpressure; Dynamic charging compresses the gaseous part of the cargo even further, so that the charging pressure is higher than: that caused by the compressor; Overpressure eats.
If the compressor is driven directly by the engine or an auxiliary engine, it can remove the gaseous part of the load with an overpressure of, for example, 0.2 to 0.3 atm. supply, and by means of dynamic charging, further compression can be effected up to a pressure of about 0.5 Atü.
Then the fuel consumption experiences almost no change despite charging to about 0.5 Atü.
When using a rotary compressor, which is driven by an exhaust gas turbine, the invention enables significantly higher supercharging pressures than the sum of those pressures that can be achieved by means of precompression or dynamic supercharging. Becomes dynamic charging:
ie device protected by the main patent used, in wel cher the gas speed in the suction line to over 100 m / sec. if the volume of the suction line increases and the volume of the suction line increases to more than 0.4 of the cylinder volume, the increase in the drains of the.
The amount of energy contained in the motor is sufficient not only to overcome the work of compressing up to the pressure of the larger amount of gas supplied by the compressor, but that there is still an excess left over,
which enables an increase in compression pressure in the compressor. On the other hand, the effect of the dynamic;
Call loading must not only be greater because of the greater specific weight of the compressed gas medium, but also in consideration of the greater pressure differences available, which can be used for the energy acceleration of the gas column in the suction line.
Dynamic charging alone, as it is protected by the main patent, results in a charging pressure of up to -0.3 l @ g / em2 when the gaseous part of the charge is thrown from atmospheric pressure. When a rotary compressor driven by an exhaust gas turbine works together for pre-compression with the device for dynamic charging protected in the main patent, overpressures of about 0,
7 Atü and, incidentally, twice as much increases in engine power as previously achievable.
If such a significant increase in output is unnecessary, charging can be used to reduce the exhaust temperature, which can reduce the thermal load on the engine. Such facilities can, for.
B. be important in marine engines, where the operational safety o ft prohibits exceeding Auopufftemperaturen of 500 C.
The interaction of the dynamic charging according to the main patent with the pre-compression by means of a unit consisting of an exhaust gas turbine and a blower is ultimately also advantageous because both devices can bring about a reduction in fuel consumption.
A device for dynamic charging with a controlled shut-off element at the ice mouth of the suction line is particularly advantageous, which device enables a constant boost pressure by appropriately actuating the shut-off element.
If this device interacts with a pre-compression, changes in the compression pressure in the cylinder with changes in the load or the number of revolutions occur only to the extent that it is caused by the pre-compression alone.
In FIGS. 1 and 2: the drawing shows two exemplary embodiments of devices according to the invention. Based on the same, the method according to the invention is also explained below, for example.
When the piston in the motor cylinder 1 begins the suction stroke in the device according to FIG. 1, the closing element 4, actuated by the motor in a manner not shown, is at the beginning of the pipeline between a line 3 and connected to the compressor 5 the inlet valve 6 of cylinder 1 is closed,
so that a negative pressure occurs in the cylinder 1 and in the suction line 2 compared to the pressure in the line 3. If the closing element 4 opens during the suction stroke, the pressure difference thus generated causes an energetic acceleration of the gas column in line 2. The line 3 has such a large cross-section that the pressure in it does not decrease appreciably as a result of the lively flow that now sets in.
The gas column set in motion in the pipe 2 acts after a pressure equal to the pressure in the line: 3 has been reached in the cylinder 1 as an "air ram" and causes the cylinder 1 to be charged via the pressure in the line 3.
As soon as the highest pressure is reached in cylinder 1, the inlet valve 6 closes and the compression of the gaseous part of the charge in the charged cylinder begins.
The opening time of the closing element 4 can expediently be adjusted by means of a regulator in the event of changes in the number of rotations of the motor in such a way that the closing element 6 is at the same time span before the instant of closing of the inlet valve for every engine speed 6 takes place at the end of the suction stroke.
Then the effect of the dynamic charging in the cylinder depends neither on the number of revolutions of the engine nor on its load, and a change in the compression pressure in the engine can only be due to changes in the pre-compression pressure.
According to FIG. 2, the closing element 4 is missing and the pipe 3 is in open connection through the line 7 with the inlet valve, not shown, of the motor cylinder, not shown.
In the first part of the piston suction stroke, the intake valve of the engine cylinder inhibits by late. Open or throttle the gas flow to the engine cylinder, so that in the latter a negative pressure compared to the pressure in the line 7 is caused. This forces the gas column in the pipe 7 to accelerate energetically when the inlet valve is fully opened during the suction stroke.
The gas column set in motion in this way in the pipe 7 and acting as an “air ram” causes compression in the engine cylinder via the pre-compression pressure of the compressor 5. In this case, the dependence of the compression pressure in the cylinder on the load and the number of revolutions is brought about not only by the compressor 5, but also by the dynamic charging.