DE1073801B

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Publication number: DE1073801B
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Publication date: 1960-01-21

Description

Brennkraftmaschine mit mindestens einem als Zellenmaschine ausgebildeten und als Aufladegerät wirkenden Drucktransformer Es ist üblich, Brennkraftmäschinen mit Hilfe von Turboladern aufzuladen, d. h. ihren Zylindern Ladeluft mit einem gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhten Druck zuzuführen. Unter einem Turbolader ist dabei eine Maschinengruppe zu verstehen, welche einen Kreiselverdichter und eine Gasturbine in sich vereinigt und deren Verdichter den Maschinenzylindern Luft zuführt, während deren Turbine von den Abgasen der Kraftmaschine selbst angetrieben wird.Internal combustion engine with at least one pressure transformer designed as a cell machine and acting as a charger . H. to supply their cylinders with charge 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 air to the machine cylinders, while the turbine is driven by the exhaust gases from the engine itself.

Mit Turboladern werden sowohl Viertaktmaschinen wie auch Zweitaktmaschinen aufgeladen. Während 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 beschaffen, hauptsächlich bei der Aufladung verhältnismäßig kleiner und rasch laufender Zweitaktmaschinen sowie insbesondere auch bei niedriger Belastung derselben, weil die in den Auspuffgasen enthaltene Energie oft nicht ausreicht, um die ganze für die Spülung und Aufladung benötigte Verdichterleistung aufzubringen. In solchen Fällen sind dann oft zusätzliche Spülpumpen verwendet worden, wie z. B. Kolbenpumpen, die von der Kraftmaschine selbst angetrieben wurden.Both four-stroke and two-stroke engines are charged with turbochargers. While in the former case the exhaust gases are pushed out of the cylinders by the pistons, the two-stroke engines have to be flushed with the supercharging air. There are some difficulties in getting 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 same is low, because the energy contained in the exhaust gases is often not sufficient to supply all of the Flushing and charging the required compressor capacity. In such cases, additional flushing pumps have often been used, such as. B. piston pumps that were driven by the engine itself.

Es ist ferner bekannt, daß die Abgase der Kraftmaschine entweder für den sogenannten »Gleichdruckbetrieb« in einem verhältnismäßig großen Behälter gesammelt werden können, bevor sie der Laderturbine zugeführt werden, oder daß sie im »Stoßbetrieb« in möglichst kurzen Abgasleitungen mit geringem Rau Iminhalt zur Laderturbine geleitet werden, derart, daß beim Antrieb derselben die Druckstöße der einzelnen Maschinenzylinder ausgenutzt werden. Bei mehrzylindrigen Kraftmaschinen ist im letztgenannten Fall darauf zu achten, daß die Druckstöße verschiedener Zylinder sich nicht gegenseitig stören, weshalb die Abgasleitungen einzelner Zylinder oder Zylindergruppen in besonderen Strängen verlegt werden müssen. Die Vor- und Nachteile der beiden Betriebsarten sind allgemein bekannt.It is also known that the engine exhaust gases for either the so-called "equal pressure operation" collected in a relatively large container before they are fed to the turbocharger, or that they are in "burst mode" conveyed to the turbocharger turbine in the shortest possible exhaust pipes with little roughness are in such a way that when they are driven, the pressure surges of the individual machine cylinders be exploited. In the case of multi-cylinder engines, this is the case in the latter case make sure that the pressure surges of different cylinders are not mutually exclusive interfere, which is why the exhaust lines of individual cylinders or groups of cylinders in special Strands have to be laid. The advantages and disadvantages of the two modes of operation are well known.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die als »Drucktauscher« bekannte Maschine als Auflade-,gruppe für Brennkraftmaschinen zu verwenden. Eine verbesserte Maschine dieser Art, der »Drucktransformer«, kann selbstverständlich für diesen Zweck mit noch größerem Vorteil verwendet werden. Beide Maschinen nehmen ein kompressibles Betriebsmittel. auf einer unteren Druckstufe auf und verdichten dieses 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. Entspannung der beiden Betriebsmittel geschieht mit Hilfe von Druckwellen, die z. B. in länglichen, auf einem Läufer angeordneten und an ihren Enden durch Steuerorgane gesteuerten Zellen entstehen. Das Wesen und die Wirkungsweise dieser Zellenmaschinen ist z. B. in den deutschen Patentschriften 724 998 und 1000 132 ausführlich beschrieben.It has also been proposed to use the machine known as the "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 take a compressible resource. at a lower pressure level and compress this to a higher pressure, while at the same time they absorb another such operating medium at a higher pressure level and relax this 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 arranged on a runner and controlled at their ends by control organs. The essence and the mode of operation of these cell machines is z. B. in the German patents 724 998 and 1000 132 described in detail.

Die Erfindung -betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem als Zellenmaschine ausgebildeten und als Aufladegerät wirkenden Drucktransformer und ist gekennzeichnet durch Abgasleitungen und Luftleitungen, die zwischen der Brennkraftmaschine und dem Drucktransformer in an sich bekannter Weise so angeordnet und bemessen sind, daß die in den Ab- gasleitungen auftretenden und im Drucktransformer zwangläufig auf die Spül- und Ladeluft übertragenen Druckstöße zu einer besseren Spülung bzw. höheren Aufladung der Maschinenzylinder benutzt werden können.The invention -betrifft an internal combustion engine with at least one designed as a cell machine and as a charging device acting pressure transformer and is characterized by flues and air ducts, which are arranged between the internal combustion engine and the pressure transformer in a known manner and dimensioned such that in the exhaust pipes the engine cylinders can be used occurring and forcibly transferred in pressure Transformer on the scavenging and charging air pressure surges to a better flush or higher charge.

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 Verwendung der üblichen Turbolader bisher nur zur Beaufschlagung der Laderturbine angewendet, während die Luft den Maschinenzylindern im Gleichdruckbetrieb zugeführt werden mußte. Die Verwendung eines Drucktransformers als Aufladegruppe bietet nun die Möglichkeit, die in den Abgasleitungen auftretenden Druckstöße unmittelbar auf die Ladeluft zu übertragen, weil in den Zellen dieser Maschine die Gas-und Luftsäulen ohne Zwischenwand miteinander in Verbindung stehen. Die Vorteile, die der allein gasseitige Stoßbetrieb mit Turboladern bei der Aufladung von Zweitaktmaschinen bietet, werden durch den ebenfalls luftseitigen Stoßbetrieb vermehrt. 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 vorhandene Stoßenergie bei Teillast verhältnismäßig größer ist als bei Vollast. Die Trägheitslosigkeit des Drucktransformers ergibt also die Möglichkeit einer raschen Beschleunigung und Belastung der Kraftmaschine. Bei Viertaktmaschinen mit oder ohne Überschneidung der Ventilöffnungszeiten wird eine bessere Spülung der Zylinder bzw. eine nachfolgende höhere Füllung erreicht. Bei Zweitaktmaschinen ist die bestmögliche Ausnutzung der verfügbaren Stoßenergie zur Unterstützung der Spülung, vor allem bei Teillasten, besonders wichtig, weil bei solchen die Spülung 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 laufenden Maschinen, aber vor allem auch bei Gas- oder Benzinmotoren, die üblicherweise eine hohe Abgastemperatur haben, bei welcher Laderturbinen der Kühlung bedürfen. Der Läufer eines Drucktransformers wird abwechselnd von kalter Luft und heißen Gasen durchflossen, erreicht also nie die Temperatur der Abgase, so daß sich Kühlvorrichtungen erübrigen. Auch bei Freikolbenmaschinen werden Drucktransformer mit gas- und luftseitigem Stoßbetrieb mit Vorteil verwendet.In the case of the internal combustion engine described, it is essential that not only the exhaust pipes, but also the air pipes for "burst operation" are arranged and are sized. The burst operation was made using the usual turbocharger so far only used to act on the turbocharger, while the air den Machine cylinders had to be fed in constant pressure operation. The usage of a pressure transformer as a charging group now offers the option of using the To transmit pressure surges occurring from exhaust pipes directly to the charge air, because In the cells of this machine the columns of gas and air are connected to each other without a partition stay in contact. The advantages of the gas-side burst operation with turbochargers alone when charging two-stroke engines, are also provided by the air-side Rush operation increased. There is an improved flushing effect through advantageous time Rinsing pressure increases achieved because the pressure transformer has no inertia, so to speak and the pressure surges in the exhaust gas quickly, with a small one that is favorable for purging Delay on air transfers. This is of particular importance at lower Load on the prime mover because the impact energy present is proportionate at partial load is greater than at full load. The inertia of the pressure transformer results thus the possibility of rapid acceleration and loading of the engine. In four-stroke machines with or without overlap of the valve opening times, a better flushing of the cylinder or a subsequent higher filling is achieved. With two-stroke machines, the best possible utilization of the available impact energy is to support the flushing, especially with partial loads, especially important because in such cases rinsing is essential. This means that in many cases the use of an additional flushing pump can be bypassed. The pressure transformer can with advantage be used as a charging group in all internal combustion piston engines, especially with small, fast running machines, but especially with gas or petrol engines, which usually have a high exhaust gas temperature, at which turbo-charger the Need cooling. The rotor of a pressure transformer is alternately cold Air and hot gases flow through it, so never reaches the temperature of the exhaust gases, so that cooling devices are unnecessary. Pressure transformers are also used in free-piston machines Used with advantage with gas- and air-side surge operation.

Die Zeichnung zeigt in den Fig. 1 bis 4 Beispiele verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei in allen Figuren gleiche Teile in gleicher Weise bezeichnet sind. Fig. 1 a zeigt einen Schnitt nach A-A in Fig. 1 senkrecht zur Achse durch das Gehäuse und den Läufer des in Fig. 1 in einer Abwicklung des Zylinderschnittes mit dem Durchmesser Dnt dargestellten Drucktransformers.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. 1 a shows a section according to AA in Fig. 1 perpendicular to the axis through the housing and the rotor of the Drucktransformers shown in Fig. 1 in a developed view of the cylindrical section with the diameter Dnt.

In Fig. 1 ist 1 ein Zylinder einer Viertaktkraftmaschine und 2 ein Kolben derselben. Bei 3 ist ein Abgasventil und bei 4 ein Lufteinlaßventil gezeigt. Die Abgasleitung 5 führt die Abgabe der Kraftmaschine zum Gaseinlaß 2v des Drucktransformers, während die Luftleitung 6 die verdichtete Luft aus dem Luftaustritt 2 n desselben zur Maschine führt. Der Läufer 7 des Drucktransformers trägt die Zellen 8, deren Einlaß- und Auslaßenden von den steuernden Kanten der Einlaß- und Auslaßöffnungen 1 v und 1 it in den Seitenteilen 9 des Transformergehäuses gesteuert werden.In Fig. 1 , 1 is a cylinder of a four-stroke engine and 2 is a piston of the same. At 3 an exhaust valve and at 4 an air inlet valve is shown. The exhaust line 5 leads the output of the engine to the gas inlet 2v of the pressure transformer, while the air line 6 leads the compressed air from the air outlet 2n of the same to the machine. The rotor 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 1 v and 1 it in the side parts 9 of the transformer housing.

In Fig. 1 a sind gleiche Teile des Drucktransformers in gleicher Weise wie in Fig. 1 bezeichnet.In Fig. 1 a, the same parts of the pressure transformer are designated in the same way as in Fig. 1 .

Der Drucktransformer kann bekanntlich so gebaut werden, daß die Luft an ein 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 erstgenannte Fall dargestellt. Die punktierten Linien zeigen das Fortschreiten der Gasfront in den Zellen.The pressure transformer is known, can be constructed so that the air exits at one and one same end in the cells 8 and for the same and the gas at the opposite end, but also so that these resources once depending on opposing cell ends or leak. In Fig. 1 , the first-mentioned case is shown. The dotted lines show the progress of the gas front in the cells.

Eine Brennkraftmaschine mit nur einem Zylinder kann nach Fig. 1 durch je eine Abgasleitung 5 und eine Luftleitung 6 mit einem Drucktransformer verbunden sein. Besitzt aber die Maschine mehr als drei Zylinder, so ist es wie bei der Verwendung von Turboladern vorteilhaft, nach Fig. 2 mehrere Abgasleitungen 5 und mehrere Luftleitungen 6 zwischen mehreren Zylindern a, b, c bzw. d, e, f der Brennkraftmaschine und einem Drucktransformer anzuordnen. Dabei muß der Drucktransformer in an sich bekannter Weise so gebaut sein, daß bei jeder Umdrehung 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 demgemäß je zwei S teueröffnungen , V, 1 n, 2 v und 2 it im einen bzw. im anderen der beidseitig des Läufers angeordneten Steuerorgane 9 aufweist.An internal combustion engine with only one cylinder can according to FIG. 1 through j e an exhaust pipe 5 and an air duct 6 to be connected to a pressure Transformer. But the machine has more than three cylinders, it is as advantageous in the use of turbochargers, as shown in FIG. 2, several exhaust gas lines 5 and a plurality of air conduits 6 between a plurality of cylinders a, b, c or d, e, f of the internal combustion engine and a To arrange pressure transformer. The pressure transformer must be constructed in a manner known per se in such a way that with each revolution of the rotor 7 in its cells 8 several work cycles take place. Fig. 2 shows such a pressure transformer, which is built for two working cycles per revolution and accordingly j e expensive openings two S, V, 1 2 n, v and 2 it in one or the other of the both sides of the rotor are arranged control members 9 has.

Anstatt eines für mehrere Arbeitsspiele pro Läuferumdrehung gebauten Drucktransformers können nach Fig. 3 auch meherere solche mit je nur einem Arbeitsspiel pro Umdrehung den verschiedenen Zylindergruppen a, b, c bzw. d, e, f zugeordnet sein, wobei also mehrere Abgasleitungen 5 und mehrere Luftleitungen 6 zwischen mehreren Zylindern der Brennkraftmaschine und mehreren Drucktransformern angeordnet sind.Instead of a built for several working cycles per rotor revolution Drucktransformers can of FIG. 3 also meherere such each with only one working cycle per revolution of the various cylinder groups a, b, c or d, e, be associated with f, wherein so several exhaust gas lines 5 and a plurality of air pipes 6 are arranged between several cylinders of the internal combustion engine and several pressure transformers.

Werden mehrere Drucktransformer mit einer Brennkraftmaschine gebraucht, so können nach Fig. 4 solche mit mehreren intern verbundenen Arbeitsspielkreisläufen verwendet werden. Bei jedem Drucktransformer sind nach dieser Figur je zwei Gaseinlässe 2 v und je zwei Luftauslässe 2 n miteinander verbunden. überdies können die Abgasleitungen 5 je zwischen mehreren Zylindern a, b bzw. c, d der Brennkraftmaschine und einem von mehreren Drucktransformern angeordnet sein, während die Luftleitungen 6 je zwischen einem anderen Drucktransformer und mehreren anderen Zylindern c, d bzw. a, b angeordnet sind. Die Auspuffgase aus bestimmten Zylindern können somit einen Drucktransformer oder einen Arbeitsspielkreislauf eines solchen speisen, welcher Luft zu anderen Zylindern fördert. Nach Fig. 4 erhält der links gezeigte Drucktransformer Auspuffgase aus den Zylindern c und d, während er Luft zu den Zylindern a und b fördert, wobei der rechts gezeigte Drucktransformer infolge der sich überkreuzenden Abgasleitungen aus den Zylindern a und b 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.If several pressure transformers are required with an internal combustion engine, then according to FIG. 4, those with several internally connected working cycles can be used. At each pressure Transformer two gas inlets 2 are v to this figure, and two air outlets 2 n connected to each other. In addition, the exhaust lines 5 can each be arranged between several cylinders a, b or c, d of the internal combustion engine and one of several pressure transformers, while the air lines 6 are each arranged between another pressure transformer and several other cylinders c, d or a, b . The exhaust gases from certain cylinders can thus 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 a and b , the pressure transformer shown on the right is provided with gas due to the crossing exhaust lines from the cylinders a and b and 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.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen prinzipiell wichtige Ausführungsformen der beschriebenen Brennkraftmaschine. Eine oder mehrere Aufladegruppen können aber auch noch in anderer Weise gebaut und der Kraftmaschine zugeordnet werden. So wird man z. B. für hohe Zy- linderzahlen mehrere Aufladegruppen mit mehreren separaten Arbeitsspielkreisläuf en verwenden. Die Wahl der Anzahl der Kreisläufe wird in jedem einzelnen Fall sorgfältig abgewogen. In Verbindung 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 Verhältnisse bezüglich Spülung und Aufladung gesorgt werden.FIGS. 1 to 4 show important embodiments of the internal combustion engine described. One or more charging groups can, however, also be built in a different way and assigned to the engine. So you will z. For example, for high numbers of cylinders, use several charging groups with several separate work cycle 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 of space, both the air lines and the exhaust lines, can thus be ensured in all piston engines for optimal conditions with regard to purging and charging.

Claims

PATENT CLAIMS-. 1. Internal combustion engine with at least one pressure transformer designed as a cell machine and acting as a charger, characterized by exhaust lines and air lines which are arranged and dimensioned between the internal combustion engine and the pressure transformer in a manner known per se so that the inevitably occurring in the exhaust lines and in the pressure transformer. the scavenging and charging air transmitted pressure surges to a better flush or higher charging of the engine cylinders can be used.

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized by each overall an exhaust pipe and an air pipe which are arranged between a cylinder of the engine and a pressure transformer (Fig. 1). 3. Internal combustion engine according to claim 1, characterized by several exhaust gas and air lines which are arranged between several cylinders of the internal combustion engine and a pressure transformer (Fig. 2). 4. Internal combustion engine according to claim 1, characterized by several exhaust and air lines which are arranged between several cylinders of the internal combustion engine and several pressure transformers (Fig. 3). 5. Internal combustion engine according to claim 1, characterized by exhaust lines j e between multiple cylinders of the internal combustion engine and a are arranged several Drucktransformern and through air ducts, which are each arranged between a pressure transformer and other than him gas side feeding cylinders (Fig. 4 ). Documents considered: German Patent No. 485 386; German Auslegeschrift No. 1000 132; Swiss patent specification No. 225 426.