Brennkraftmaschine mit mindestens einem als Auf Ladegruppe wirkenden Drucktransformer Es ist üblich, Brennkraftmaschinen mit Hilfe von Turboladern aufzuladen, d. h. ihren Zylindern Lade luft mit einem gegenüber dem Atmosphärendruck er höhten Druck zuzuführen. Unter einem Turbolader ist dabei eine Maschinengruppe zu verstehen, welche einen Kreiselverdichter und eine Gasturbine in sich vereinigt und deren Verdichter den Maschinenzylin dern Luft zuführt, während deren Turbine von den Abgasen der Kraftmaschine selbst angetrieben wird.
Mit Turboladern werden sowohl Viertaktmaschi- nen wie auch Zweitaktmaschinen aufgeladen. Wäh rend aber bei den erstgenannten die Abgase von den Kolben aus den Zylindern geschoben werden, müssen die Zweitaktmaschinen mit der Aufladeluft gespült werden.
Es bietet einige Schwierigkeiten, rechtzeitig genügend Spül- und Ladeluft mit Turboladern zu be schaffen, hauptsächlich bei der Aufladung verhältnis mässig kleiner und rasch laufender Zweitaktmaschinen sowie insbesondere auch bei niedriger Belastung der selben, weil die in den Auspuffgasen enthaltene Ener gie oft nicht ausreicht, um die ganze für die Spülung und Aufladung benötigte Verdichterleistung aufzu bringen. In solchen Fällen sind dann oft zusätzliche Spülpumpen verwendet worden, wie z. B. Kolben pumpen, die von der Kraftmaschine selbst angetrieben wurden.
Es ist ferner bekannt, dass die Abgase der Kraft maschine entweder für den sogenannten Gleich druckbetrieb in einem verhältnismässig grossen Be hälter gesammelt werden können, bevor sie der Lader turbine zugeführt werden, oder dass sie im Stoss betrieb in möglichst kurzen Abgasleitungen mit ge ringem Rauminhalt zur Laderturbine geleitet werden, derart, dass beim Antrieb derselben die Druckstösse der einzelnen Maschinenzylinder ausgenutzt werden. Bei mehrzylindrigen Kraftmaschinen ist im letzt genannten Fall darauf zu achten, dass die Druckstösse verschiedener Zylinder sich nicht gegenseitig stören, weshalb die Abgasleitungen einzelner Zylinder oder Zylinderguppen in besonderen Strängen verlegt wer den müssen.
Die Vor- und Nachteile der beiden Be triebsarten sind allgemein bekannt.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die als Drucktauscher bekannte Maschine als Auflade gruppe für Brennkraftmaschinen zu verwenden. Eine verbesserte Maschine dieser Art, der Drucktrans former , kann selbstverständlich für diesen Zweck mit noch grösserem Vorteil verwendet werden. Beide Maschinen nehmen ein kompressibles Betriebsmittel auf einer unteren Druckstufe auf und verdichten die ses auf einen höheren Druck, während sie gleichzeitig ein anderes solches Betriebsmittel auf einer höheren Druckstufe aufnehmen und dieses auf einen tieferen Druck entspannen.
Die Verdichtung bzw. Entspan nung der beiden Betriebsmittel geschieht mit Hilfe von Druckwellen, die z. B. in länglichen, auf einem Läufer umlaufenden und an ihren Enden durch Steuerorgane gesteuerten Zellen entstehen. Das Wesen und die Wirkungsweise dieser Zellenmaschinen sind z. B. in den Schweiz. Patentschriften Nrn. 225426 und 315430 ausführlich beschrieben.
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem als Aufladegruppe wirkenden Drucktransformer und ist gekennzeichnet durch Ab gasleitungen und Luftleitungen, die zwischen der Brennkraftmaschine und dem Drucktransformer so angeordnet und bemessen sind, dass die in den Ab gasleitungen auftretenden Druckstösse im Druck transformer auf die Ladeluft übertragen werden, so dass diese zur Erhöhung des Spül- und Ladeluftdruk- kes ausgenützt werden.
Bei der beschriebenen Brennkraftmaschine ist wesentlich, dass nicht nur die Abgasleitungen, sondern auch die Luftleitungen für Stossbetrieb angeordnet und bemessen sind. Der Stossbetrieb wurde unter Ver wendung der üblichen Turbolader bisher nur zur Be- aufschlagung der Laderturbine angewendet, wäh rend die Luft den Maschinenzylindern im Gleich druckbetrieb zugeführt werden musste.
Die Verwen dung eines Drucktransformers als Aufladegruppe bie tet nun die Möglichkeit, die in den Abgasleitungen auftretenden Druckstösse unmittelbar auf die Lade luft zu übertragen, weil in den Zellen dieser Maschine die Gas- und Luftsäulen ohne Zwischenwand mitein ander in Verbindung stehen. Die Vorteile, die der allein gasseitige Stossbetrieb mit Turboladern bei der Aufladung von Zweitaktmaschinen bietet, werden ver mehrt durch den ebenfalls luftseitigen Stossbetrieb.
Es wird eine verbesserte Spülwirkung durch vorteilhafte zeitliche Spüldruckerhöhungen erzielt, weil der Drucktransformer sozusagen keine Trägheit hat und die Druckstösse im Abgas rasch, mit einer für die Spülung günstigen kleinen Verzögerung, auf die Luft überträgt. Dies ist von besonderer Bedeutung bei niedriger Belastung der Kraftmaschine, weil die vor handene Stossenergie bei Teillast verhältnismässig grö sser ist als bei Vollast. Die Trägheitslosigkeit des Drucktransformers ergibt also die Möglichkeit einer raschen Beschleunigung und Belastung der Kraft maschine.
Bei Viertaktmaschinen mit oder ohne über lappung der Ventilöffnungszeiten wird eine bessere Spülung der Zylinder bzw. eine nachfolgende höhere Füllung erreicht. Bei Zweitaktmaschinen ist die best mögliche Ausnutzung der verfügbaren Stossenergie zur Unterstützung der Spülung, vor allem bei Teil lasten, besonders wichtig, weil bei solchen die Spii- lung unerlässlich ist. Damit kann in vielen Fällen die Verwendung einer zusätzlichen Spülpumpe umgangen werden.
Der Drucktransformer kann mit Vorteil bei allen Brennkraftkolbenmaschinen als Aufladegruppe verwendet werden, besonders bei kleinen, rasch lau fenden Maschinen, aber vor allem auch bei Gas- oder Benzinmotoren, die üblicherweise eine hohe Abgas temperatur haben, bei welcher Laderturbinen der Kühlung bedürfen. Der Läufer eines Drucktransfor- mers wird abwechselnd von kalter Luft und heissen Gasen durchflossen, erreicht also nie die Temperatur der Abgase, so dass sich Kühlvorrichtungen erübri gen.
Auch bei Freikolbenmaschinen werden Druck transformer mit gas- und luftseitigem Stossbetrieb mit Vorteil verwendet.
Die Zeichnung zeigt in den Fig. 1 bis 4 Beispiele verschiedener Ausführungsformen der erfindungsge mässen Brennkraftmaschine, wobei in allen Figuren gleiche Teile in gleicher Weise bezeichnet sind. Fig. la zeigt einen Schnitt nach<B><I>A -A</I></B> in Fig. 1 senkrecht zur Achse durch das Gehäuse und den Läufer des in Fig. 1 in einer Abwicklung des Zylinderschnittes mit dem Durchmesser<I>Dm</I> dargestellten Drucktransfor- mers.
In Fig. 1 ist 1 ein Zylinder einer Viertaktkraft- maschine und 2 ein Kolben derselben. Bei 3 ist ein Abgasventil und bei 4 ein Lufteinlassventil gezeigt. Die Abgasleitung 5 führt die Abgase der Kraft- maschine zum Gaseinlass 2v des Drucktransformers, während die Luftleitung 6 die verdichtete Luft aus dem Luftaustritt 2n desselben zur Maschine führt.
Der Läufer 7 des Drucktransformers trägt die Zel len 8, deren Einlass- und Auslassenden von den steuernden Kanten der Einlass- und Auslassöffnungen in den Seitenteilen 9 des Transformergehäuses ge steuert werden.
In Fig. 1 a sind gleiche Teile des Drucktransfor.- mers in gleicher Weise wie in Fig. 1 bezeichnet. Der Drucktransformer kann bekanntlich so ge baut werden, dass die Luft an einem und demselben Ende in die Zellen 8 ein und aus denselben austritt und das Gas am entgegengesetzten Ende; aber auch so, dass diese Betriebsmittel je an entgegengesetzten Zellenenden ein- bzw. austreten. In Fig. 1 ist der erst genannte Fall dargestellt. Die punktierten Linien zei gen das Fortschreiten der Gasfront in den Zellen.
Eine Brennkraftmaschine mit nur einem Zylinder kann nach Fig. 1 durch je eine Abgasleitung 5 und eine Luftleitung 6 mit einem Drucktransformer ver bunden sein. Besitzt aber die Maschine mehr als drei Zylinder, so ist es, wie bei der Verwendung von Turboladern, vorteilhaft, nach Fig. 2 mehrere Abgas leitungen 5 und mehrere Luftleitungen 6 zwischen mehreren Zylindern a,. <I>b, c bzw. d, e, f</I> der Brenn- kraftmaschine und einem Drucktransformer anzu ordnen.
Dabei muss der Drucktransformer in an sich bekannter Weise so gebaut sein, dass bei jeder Um drehung des Läufers 7 in dessen Zellen 8 mehrere Arbeitsspiele ablaufen. Die Fig. 2 zeigt einen solchen Drucktransformer, der für zwei Arbeitsspiele pro Umdrehung gebaut ist und der demgemäss je zwei Steueröffnungen 1v, 1n, 2v und 2n im einen bzw. im anderen der beidseitig des Läufers angeordneten Steuerorgane 9 aufweist.
Anstatt eines für mehrere Arbeitsspiele pro Läu ferumdrehung gebauten Drucktransformers können nach Fig. 3 auch mehrere solche mit je nur einem Arbeitsspiel pro Umdrehung den verschiedenen Zy lindergruppen<I>a, b,</I> c bzw. <I>d, e, f</I> zugeordnet sein, wobei also mehrere Abgasleitungen 5 und mehrere Luftleitungen 6 zwischen mehreren Zylindern der Brennkraftmaschine und mehreren Drucktransfor- mern angeordnet sind.
Werden mehrere Drucktransformer mit einer Brennkraftmaschine gebraucht, so können nach Fig.4 solche mit mehreren intern verbundenen Arbeitsspiel kreisläufen verwendet werden. Bei jedem Druck transformer sind nach dieser Figur je zwei Gasein lässe 2v und je zwei Luftauslässe 2n miteinander verbunden. überdies können die Abgasleitungen 5 je zwischen mehreren Zylindern <I>a, b</I> bzw.
c, d der Brennkraftmaschine und einem von mehreren Druck transformern angeordnet sein, während die Luftlei tungen 6 je zwischen einem anderen Drucktransfor- mer und mehreren anderen Zylindern e, d bzw. <I>a, b</I> angeordnet sind. Die Auspuffgase aus bestimmten Zylindern können somit einen Drucktransformer oder einen Arbeitsspielkreislauf eines solchen speisen, wel- eher Luft zu anderen Zylindern fördert.
Nach Fig. 4 erhält der links gezeigte Drucktransformer Auspuff gase aus den Zylindern c und d, während er Luft zu den Zylindern<I>a</I> und<I>b</I> fördert, wobei der rechts ge zeigte Drucktransformer infolge der sich überkreu zenden Abgasleitungen aus den'Zylindern <I>a</I> und<I>b</I> mit Gas versehen wird und Luft an die Zylinder c und d liefert. Mit einer solchen Anordnung können die in den Luftleitungen entstehenden Druckstösse zeitlich so zu den Maschinenzylindern geführt werden, dass beste Spülung bzw. Füllung erreicht wird.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen prinzipiell wichtige Aus führungsformen der beschriebenen Brennkraftma- schine. Eine oder mehrere Aufladegruppen können aber auch noch in anderer Weise gebaut und der Kraftmaschine zugeordnet werden. So wird man z. B. für hohe Zylinderzahlen mehrere Aufladegruppen mit mehreren separaten Arbeitsspielkreisläufen verwen den. Die Wahl der Anzahl der Kreisläufe wird in jedem einzelnen Fall sorgfältig abgewogen.
In Ver bindung mit der sorgfältigen Abstimmung der Längen und Durchmesser, d. h. des Rauminhaltes, sowohl der Luftleitungen wie auch der Abgasleitungen, kann so bei allen Kolbenmaschinen für optimale Verhält nisse bezüglich Spülung und Aufladung gesorgt wer den.
Internal combustion engine with at least one pressure transformer acting as a charging group. It is common to charge internal combustion engines with the aid of turbochargers, i. H. Their cylinders are loaded with air at a pressure that is higher than atmospheric pressure. A turbocharger is to be understood as a machine group which combines a centrifugal compressor and a gas turbine and whose compressor supplies the Maschinenzylin countries with air, while the turbine is driven by the exhaust gases from the engine itself.
Both four-stroke and two-stroke engines are charged with turbochargers. During the former, however, the exhaust gases are pushed out of the cylinders by the pistons, the two-stroke engines must be flushed with the supercharged air.
It presents some difficulties in creating enough scavenging and charge air with turbochargers in good time, mainly when charging relatively small and fast running two-stroke engines and especially when the load is low, because the energy contained in the exhaust gases is often insufficient to bring all the compressor power required for flushing and charging. In such cases, additional flushing pumps have often been used, such as. B. pumps piston that were driven by the engine itself.
It is also known that the exhaust gases from the engine can either be collected for the so-called constant pressure operation in a relatively large loading container before they are fed to the turbocharger, or that they are operated in bursts in the shortest possible exhaust pipes with low volume Turbine supercharger are conducted in such a way that when driving the same, the pressure surges of the individual machine cylinders are used. In the case of multi-cylinder engines, care must be taken in the latter case that the pressure surges of different cylinders do not interfere with one another, which is why the exhaust lines of individual cylinders or groups of cylinders must be laid in special strings.
The advantages and disadvantages of the two modes of operation are well known.
It has also been proposed to use the machine known as a pressure exchanger as a charging group for internal combustion engines. An improved machine of this type, the pressure transformer, can of course be used for this purpose with even greater advantage. Both machines accept a compressible operating medium at a lower pressure level and compress this to a higher pressure, while at the same time they accept another such operating medium at a higher pressure level and relax it to a lower pressure.
The compression or relaxation of the two resources is done with the help of pressure waves that z. B. arise in elongated cells rotating on a runner and controlled at their ends by control organs. The nature and mode of operation of these cell machines are z. B. in Switzerland. Patent Nos. 225426 and 315430 are described in detail.
The invention relates to an internal combustion engine with at least one pressure transformer acting as a charging group and is characterized by gas lines and air lines which are arranged and dimensioned between the internal combustion engine and the pressure transformer so that the pressure surges occurring in the gas lines are transmitted to the charge air in the pressure transformer so that they are used to increase the scavenging and charge air pressure.
In the case of the internal combustion engine described, it is essential that not only the exhaust pipes but also the air pipes are arranged and dimensioned for burst operation. The burst mode was previously only used to pressurize the turbocharger using the usual turbocharger, while the air had to be fed to the machine cylinders in constant pressure mode.
The use of a pressure transformer as a charging group now offers the possibility of transferring the pressure surges occurring in the exhaust pipes directly to the charging air, because in the cells of this machine the gas and air columns are connected to each other without a partition. The advantages offered by the gas-side burst operation with turbochargers when charging two-stroke engines are increased by the air-side burst operation.
An improved scavenging effect is achieved through advantageous increases in scavenging pressure over time, because the pressure transformer has no inertia, so to speak, and transfers the pressure surges in the exhaust gas quickly to the air with a short delay that is favorable for scavenging. This is of particular importance when the engine is under low load, because the shock energy present at partial load is relatively greater than at full load. The inertia of the pressure transformer so results in the possibility of rapid acceleration and loading of the engine.
In four-stroke engines with or without overlapping of the valve opening times, better cylinder flushing or a subsequent higher filling is achieved. In two-stroke machines, the best possible use of the available shock energy to support the flushing process, especially with partial loads, is particularly important because flushing is essential for such machines. In many cases, this means that the use of an additional flushing pump can be avoided.
The pressure transformer can be used with advantage in all internal combustion piston engines as a charging group, especially in small, fast-running machines, but especially in gas or gasoline engines, which usually have a high exhaust gas temperature, in which turbo-charger require cooling. The rotor of a pressure transformer is alternately traversed by cold air and hot gases, so it never reaches the temperature of the exhaust gases, so cooling devices are unnecessary.
Pressure transformers with gas-side and air-side surge operation are also used to advantage in free-piston machines.
The drawing shows in FIGS. 1 to 4 examples of different embodiments of the internal combustion engine according to the invention, the same parts being denoted in the same way in all figures. Fig. La shows a section according to <B> <I> A -A </I> </B> in Fig. 1 perpendicular to the axis through the housing and the rotor of the in Fig. 1 in a development of the cylinder section with the diameter <I> Dm </I> shown pressure transformer.
In FIG. 1, 1 is a cylinder of a four-stroke engine and 2 is a piston of the same. An exhaust valve is shown at 3 and an air inlet valve is shown at 4. The exhaust line 5 guides the exhaust gases from the engine to the gas inlet 2v of the pressure transformer, while the air line 6 guides the compressed air from the air outlet 2n of the same to the machine.
The runner 7 of the pressure transformer carries the cells 8, the inlet and outlet ends of which are controlled by the controlling edges of the inlet and outlet openings in the side parts 9 of the transformer housing.
In Fig. 1 a, the same parts of the Drucktransfor.- mers are designated in the same way as in FIG. As is known, the pressure transformer can be built so that the air flows into and out of the cells 8 at one and the same end and the gas at the opposite end; but also in such a way that these resources enter and exit at opposite cell ends. In Fig. 1, the first case is shown. The dotted lines show the progress of the gas front in the cells.
An internal combustion engine with only one cylinder can be ver according to Fig. 1 by an exhaust pipe 5 and an air line 6 with a pressure transformer connected. But if the machine has more than three cylinders, it is advantageous, as when using turbochargers, according to FIG. 2 several exhaust lines 5 and several air lines 6 between several cylinders a ,. <I> b, c or d, e, f </I> to arrange the internal combustion engine and a pressure transformer.
In this case, the pressure transformer must be constructed in a manner known per se in such a way that with each rotation of the rotor 7 in its cells 8 several work cycles take place. 2 shows such a pressure transformer which is built for two work cycles per revolution and which accordingly has two control openings 1v, 1n, 2v and 2n in one or the other of the control elements 9 arranged on both sides of the rotor.
Instead of one pressure transformer built for several work cycles per rotor revolution, according to FIG. 3, several such with only one work cycle per revolution can be used for the various cylinder groups <I> a, b, </I> c or <I> d, e, f </I>, with several exhaust gas lines 5 and several air lines 6 being arranged between several cylinders of the internal combustion engine and several pressure transformers.
If several pressure transformers are needed with an internal combustion engine, those with several internally connected work cycles can be used according to FIG. At each pressure transformer two gas inlets 2v and two air outlets 2n are connected to each other according to this figure. In addition, the exhaust lines 5 can each between several cylinders <I> a, b </I> or
c, d of the internal combustion engine and one of several pressure transformers, while the air lines 6 are each arranged between a different pressure transformer and several other cylinders e, d or <I> a, b </I>. The exhaust gases from certain cylinders can therefore feed a pressure transformer or a work cycle of one that conveys air to other cylinders.
According to Fig. 4, the pressure transformer shown on the left receives exhaust gases from cylinders c and d, while it conveys air to the cylinders <I> a </I> and <I> b </I>, the pressure transformer shown on the right as a result the crossing exhaust lines from the cylinders <I> a </I> and <I> b </I> is provided with gas and supplies air to cylinders c and d. With such an arrangement, the pressure surges occurring in the air lines can be guided to the machine cylinders in such a way that the best possible flushing or filling is achieved.
1 to 4 show principally important embodiments of the internal combustion engine described. One or more charging groups can, however, also be built in another way and assigned to the engine. So one is z. B. for high numbers of cylinders use several charging groups with several separate work cycles. The choice of the number of circuits is carefully considered in each individual case.
In connection with the careful coordination of the lengths and diameters, i. H. the volume, both of the air lines and the exhaust lines, can be ensured in all piston engines for optimal conditions with regard to purging and charging.