DE1231951B

DE1231951B - Internal combustion engine with supercharging by a compressor driven by an exhaust gas turbine

Info

Publication number: DE1231951B
Application number: DEB63624A
Authority: DE
Inventors: Donald Wilfred Tryhorn
Original assignee: British Internal Combustion Engine Research Institute
Current assignee: British Internal Combustion Engine Research Institute
Priority date: 1960-08-11
Filing date: 1961-08-11
Publication date: 1967-01-05

Description

Brennkraftmaschine mit Aufladung durch einen von einer Abgasturbine angetriebenen Verdichter Zusatz zur Anmeldung: B 63623 1 a/46 a9 Auslegeschrift 1223 192 Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Aufladung durch einen von einer Abgasturbine angetriebenen Verdichter, bei welcher ein Teil der vom Verdichter geförderten Luft vor Eintritt in die Maschinenzylinder abgezweigt und der Abgasturbine über eine Zumeßvorrichtung in Form einer volumetrischen Maschine zugeführt wird, die als Verdichter oder als Motor betrieben werden kann, und bezweckt eine Verbesserung des Gegenstands der Patentanmeldung B 63623 1 a/46 a9, zu der die vorliegende Erfindung im Zusatzverhältnis steht.Internal combustion engine supercharged by a generator driven by an exhaust gas turbine compressor addition, sign B 63623 1 a / 46 a9 Auslegeschrift 1 223 192 The invention relates to an internal combustion engine supercharged by a generator driven by an exhaust gas turbine compressor, in which a part of the conveyed from the compressor air before it enters branched off into the machine cylinder and fed to the exhaust gas turbine via a metering device in the form of a volumetric machine that can be operated as a compressor or as a motor, and aims to improve the subject matter of patent application B 63623 1 a / 46 a9, to which the present invention in Additional ratio stands.

Je höher die Energiedifferenz bzw. der Druckabfall zwischen der Ladeluft und der Abgasseite der Brennkraftmaschine gemäß der Hauptputentanmeldung ist, um so größer ist auch die mit der volumetrischen Maschine gewonnene Energie, d. h. um so häufiger und stärker arbeitet diese Maschine als Motor und um so weniger entzieht sie der Brennkraftmaschine Energie zur Verdichterarbeit. Eine derartige Energieerhöhung auf der Ladeluftseite wird aber durch eine Vorerwärmung der vom Verdichter geförderten Luft in einem Abgaswänneaustauscher kostenlos erzielt. Aufgabe der Erfindung ist es, die Brennkraftmaschine gemäß der Hauptpatentanmrldung hinsichtlich ihres thermischen Wirkungsgrads auf wirtschaftlich konstruktive Weise noch weiter zu verbessern, und zwar insbesondere durch Einschaltung eines Wärineaustauschers in die Verdichterluftleituna nach Abzweigung der Umgehungsluft und durch zusätzliche Ausnutzung der damit zwangläufig verbundenen Leistungssteigerung der Abgasturbine und des Verdichters. Diese Vorteile sollen allein aus zusätzlicher Nutzung der Wärmeenergie der Abgase erzielt werden.The higher the energy difference or the pressure drop between the charge air and the exhaust side of the internal combustion engine according to the main patent application, the greater the energy gained with the volumetric machine, i.e. H. the more frequently and more strongly this machine works as a motor and the less it draws energy from the internal combustion engine for compressor work. Such an increase in energy on the charge air side is achieved free of charge by preheating the air conveyed by the compressor in an exhaust gas heat exchanger. The object of the invention is to further improve the internal combustion engine according to the main patent application with regard to its thermal efficiency in an economically constructive manner, in particular by switching on a heat exchanger in the compressor air duct after branching off the bypass air and by additionally utilizing the associated increase in performance of the exhaust gas turbine and of the compressor. These advantages should be achieved solely from the additional use of the thermal energy of the exhaust gases.

Es ist zwar bekannt, zwischen der Ladeluft- und der Abgasseite einer turbogeladenen Brennkraftmaschine zur Erwärinung eines von der vom Ladeluftverdichter abgegebenen Luftmenge abgezweigten Luftanteils einen Wärineaustauscher vorzusehen, doch liegt dieser bekannten Vorrichtung eine andere Aufgabe, und Konstruktion zugrunde.It is known to have one between the charge air and the exhaust side turbocharged internal combustion engine for heating one of the charge air compressors Provide a heat exchanger for the amount of air that has been diverted, but this known device is based on a different object and construction.

Die Lösung der Erfindungsaufgabe liegt demgegenüber in einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der abgezweigte Teil der Luft in an sich bekannter Weise über einen von den aus der Abgasturbine.austretenden Abgasen geheizten Wänneaustauscher geleitet wird und daß ein Teil der aus dem Wärmeaustauscher austretenden Luft der Abgasturbine zugeführt wird, während der andere Teil einer zusätzlich zur Abgasturbine vorgesehenen Expansionsmaschine zugeführt wird.In contrast, the solution to the problem of the invention lies in an internal combustion engine of the type mentioned, which is characterized in that the branched off Part of the air in a manner known per se via one of the from the exhaust gas turbine Exhaust gas heated heat exchanger is passed and that part of the heat exchanger exiting air is supplied to the exhaust gas turbine, while the other part of a in addition to the exhaust gas turbine provided expansion machine is supplied.

Eine Ausführungsform besteht darin, daß nur der der Abgasturbine zugefÜhrte Teil der aus dem Wärineaustauscher austretenden Luft die volumetrische Maschine durchsetzt.One embodiment consists in that only the one fed to the exhaust gas turbine Part of the air exiting the heat exchanger the volumetric machine interspersed.

Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Aufteilung der aus dem Wääneaustauscher austretenden Luft nach dem Durchtritt der Luft durch die volumetrische Maschine.In a further embodiment, the distribution takes place from the air exiting the heat exchanger after the passage of the air through the volumetric Machine.

In einer in erster Linie vorgesehenen Abwandlung ist die volumetrische Maschine mit der Brennkraftmaschine gekoppelt und entnimmt dieser Energie, wenn ihr Auslaßdruck höher ist als ihr Einlaßdruck, und gibt an diese Energie ab, wenn ihr Einlaßdruck höher als ihr Auslaßdruck ist.In a primarily intended modification is the volumetric Machine coupled to the internal combustion engine and takes energy from it, if its outlet pressure is higher than its inlet pressure, and gives off energy to this when their inlet pressure is higher than their outlet pressure.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das durch die volumetrische Maschine hindurchtretende Luftvolumen unabhängig von deren Drehzahl veränderlich ist bzw. daß die volumetrische Maschine über ein Getriebe mit veränderlichem übersetzungsverhältnis .an die Brennkraftmaschine angekuppelt ist.It is also advantageous if this is done by the volumetric machine the volume of air passing through is variable or independent of its speed. that the volumetric machine has a gear with a variable transmission ratio . Is coupled to the internal combustion engine.

Schließlich liegt eine weitere besonders zu bevorzugende Ausführungsfonn der Erfindung darin, daß C die zusätzliche Expansionsmaschine aus einem an der dem Kolben der Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine gegenüberliegenden Seite angeordneten geschlossenen Zylinderraum besteht, dessen Volumen durch die Bewegung des Kolbens vergrößert und verkleinert wird und dessen Gaszufuhr und -auslaß durch Ventile gesteuert wird.Finally, another particularly preferred embodiment of the invention is that C the additional expansion machine consists of a closed cylinder space arranged on the side opposite the piston of the combustion chamber of the internal combustion engine, the volume of which is increased and decreased by the movement of the piston and whose gas supply and - outlet is controlled by valves.

Der mit der Erfindung erzielte technische Fortschritt liegt primär in einer erhöhten Ausnutzung der Ab gasenergie über eine erhöhte Motorleistung der volumetrischen Maschine, wobei auf die Volumenvergrößerung der umgeleiteten Luft mit steigender Temperatur und das erhöhte Druckpotential zwischen Lade- und Auspuffseite zurückgegriffen wird.The advantage obtained by the invention, technical progress is primarily in an increased utilization of the Ab gas energy via an increased engine power of the volumetric machine, wherein resorting to the increase in volume of the redirected air with increasing temperature and increased pressure potential between the charging and exhaust side.

Zwangläufig damit, d. h. mit der erhöhten Temperatur des Umgehungsluftanteils verbunden, ist aber auch die Tatsache, daß bei gleicher Umgehungsluftmenge deren Kühlwirkung auf die Abgasseite nachläßt. Will man aber eine sowohl für den therinischen Wirkungsgrad als auch für die Betriebssicherheit der Abgasturbine notwendige maximale Temperatur am Eingang der Turbine einhalten, dann muß die Menge der der Abgasseite zugeführten Umgehungsluft entsprechend ihrer Temperaturerhöhung ebenfalls erhöht werden, wodurch sich infolge größeren durchgesetzten Volumens wiederum einmal die Arbeitsweise der volumetrischen Maschine zur motormäßigen Charakteristik hin verlagert und der Zugewinn an dadurch zurückgewonnener Energie weiter ansteigt, zum anderen aber gleichzeitig die Leistung der Abgasturbine bzw. des angekuppelten Verdichters gesteigert wird.Inevitably with it, d. H. associated with the increased temperature of the bypass air portion, but is also the fact that with the same amount of bypass air, its cooling effect on the exhaust gas side decreases. But if you want to maintain a maximum temperature at the inlet of the turbine, which is necessary for the thermal efficiency as well as for the operational safety of the exhaust gas turbine, then the amount of bypass air supplied to the exhaust gas side must also be increased according to its temperature increase, which in turn increases the The mode of operation of the volumetric machine is shifted towards the engine-like characteristic and the gain in energy recovered continues to increase, but on the other hand, the output of the exhaust gas turbine or the coupled compressor is increased at the same time.

Diese gesteigerte Leistungsfähigkeit des Turboladers kann aber dazu benutzt werden, gleichzeitig auch eine zusätzlich auf der Ladeluftseite angeschlossene Zwangsverdrängermaschine - z. B. als Turbine - zu betreiben, deren Energie entweder auch auf die Brennkraftmaschine direkt übertragen wird oder unabhängige Aggregate, z. B. eine Lichtmaschine, treibt. Gerade auch durch die Tatsache, daß ein Teil der Verdichterluft durch Abgaswärme erhitzt wird, wird eine wirtschaftliche Anwendung der Verdichterluft auch zum Antrieb einer Turbine überhaupt erst möglich.This increased performance of the turbocharger can, however, be used at the same time to also have a positive displacement machine connected to the charge air side - e.g. B. as a turbine - to operate, the energy of which is either transferred directly to the internal combustion engine or independent units, eg. B. an alternator drives. It is precisely because of the fact that part of the compressor air is heated by exhaust gas heat that an economical use of the compressor air for driving a turbine is possible in the first place.

Bei Brennkraftmaschinen 'geringeren Luftüberschusses und kleinerer Spülluftanteile ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß auch wegen des geringen Ladeluftanteils derartiger Maschinen der Verdichter trotz größerer Umgehungsluftmengen kleiner als sonst üblich dimensioniert sein kann. Wenn allerdings unter bestimmten Verhältnissen die Temperatur auf der Abgasseite niedriger als die optimale Abgastemperatur der Abgasturbine ist, dann wirkt sich wieder nur die mit der Erfindung ermöglichte Verschiebung der Arbeitskennlinie der volumetrischen Maschine in Richtung auf eine erhöhte Motorleistung t2 dieser Maschine aus.In internal combustion engines' smaller excess air and smaller Scavenging air shares there is the additional advantage that also because of the low Charge air proportion of such machines of the compressor despite larger amounts of bypass air can be dimensioned smaller than usual. If, however, under certain The temperature on the exhaust side is lower than the optimum exhaust temperature the exhaust gas turbine is, then only the effect made possible with the invention Shifting the working characteristic of the volumetric machine in the direction of a increased engine power t2 of this machine.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt F i 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsforin der Erfindung, bei der der nicht zum Aufladen der Maschinenzylinder benötigte Luftüberschuß abgezweigt und aufgeteilt wird, wobei ein Teil dieses überschusses nach Durchtritt durch den i Wärmeaustauscher und die volumetrische Maschine mit den Abgasen vermischt und einer den Ladeluft-Kompressor antreibenden Turbine zugeführt wird, während ein zweiter Teil nach dem Durchtritt durch den Wärmeaustauscher und die volumetrische Maschine einer zweiten Turbine oder sonstigen Expansionsmaschine zugeführt wird, F i g. 2 eine schematische Anordnung einer weiteren Ausführungsforin der Erfindung, bei der der zweite Teil der überschußluft nach Durchtritt durch den Wärmeaustauscher und vor dem Eintritt in die volumetrische Maschine dem Zylinderraum unterhalb des kreuzkopfgeführten Kolbens einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, und F i g. 3 eine Seitenansicht der Anordnung noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die den Wärmeaustauscher verlassende Luft aufgeteilt wird.The invention is described below with reference to drawings of several exemplary embodiments. F i 1 shows a schematic representation of an embodiment of the invention in which the excess air not required for charging the machine cylinder is diverted and divided, with part of this excess being mixed with the exhaust gases after passing through the heat exchanger and the volumetric machine and one with the Charge air compressor is fed to the turbine driving the turbine, while a second part, after passing through the heat exchanger and the volumetric machine, is fed to a second turbine or other expansion machine, FIG. 2 shows a schematic arrangement of a further embodiment of the invention, in which the second part of the excess air, after passing through the heat exchanger and before entering the volumetric machine, is fed to the cylinder space below the crosshead guided piston of an internal combustion engine, and FIG . Figure 3 is a side view of the arrangement of yet another embodiment of the invention in which the air leaving the heat exchanger is split.

In F i g. 1 ist ein Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine eingezeichnet, in dem ein über eine Pleuelstange 3 mit einer Kurbelwelle 4 verbundener Kolben 2 arbeitet. Die Ladeluft wird dem Zylinder 1 unter Kontrolle durch ein Einlaßventil 6 über die Leitung 5 zugeführt, während die Abgase über das Auslaßventil 7 an die Leitung 8 abgegeben werden, von wo aus sie über die Leitung 9 zur Turbine 10 gelangen. Von der Turbine 10 :aus werden die Abgase über die Leitung 11 dem Wärmeaustauscher 12 zugeführt, von wo aus sie in die Atmosphäre gelangen.In Fig. 1 shows a cylinder 1 of an internal combustion engine in which a piston 2 connected to a crankshaft 4 via a connecting rod 3 operates. The charge air is fed to the cylinder 1 under control by an inlet valve 6 via the line 5 , while the exhaust gases are released via the outlet valve 7 to the line 8 , from where they reach the turbine 10 via the line 9. From the turbine 10 : the exhaust gases are fed via the line 11 to the heat exchanger 12, from where they are released into the atmosphere.

Die Ladeluft tritt über die Leitung 14 in den Kompressor 13 ein und wird über die Leitung 15 an den Verzweigungspunkt 16 weitergeleitet, wo sie aufgeteilt wird. Der eine Teil der Ladeluft bewegt sich durch die Leitung 17 und tritt über die Leitung 5 und einen Luftkühler 18 in den Zylinder 1 ein, während der andere Teil über die Leitung 19 zum Wärmeaustauscher 12 und von dort aus über die Leitung 20 zu einer volumetrischen Maschine 21 gelangt. In einer Leitung 22 nach der volumetrischen Maschine verzweigt sich dieser Luftanteil bei 23 erneut. Der eine Teil davon wird in die zur Turbine 10 führende Leitung 9 der Abgase geleitet, während der andere Teil davon über die Leituno, 24 einer zweiten Expansionsb maschine 25 zugeführt wird. Diese Expansionsmaschine 25 ist nicht die Turbine 10, kann aber ebenfalls eine Turbine sein, die an die Kurbelwelle 4 der Brennkraftmaschine angekuppelt ist oder irgendeine andere zusätzliche Maschine antreibt.The charge air enters the compressor 13 via the line 14 and is passed on via the line 15 to the branching point 16 , where it is divided. One part of the charge air moves through line 17 and enters cylinder 1 via line 5 and an air cooler 18 , while the other part via line 19 to heat exchanger 12 and from there via line 20 to a volumetric machine 21 arrives. In a line 22 after the volumetric machine, this air portion branches again at 23. One part of it is passed into the line 9 of the exhaust gases leading to the turbine 10 , while the other part of it is fed to a second expansion machine 25 via the line 24. This expansion machine 25 is not the turbine 10, but can also be a turbine which is coupled to the crankshaft 4 of the internal combustion engine or drives any other additional machine.

Die in F i g. 2 dargestellte Anordnung entspricht praktisch der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform, jedoch mit dem Unterschied, daß der in die Leitung 20 eintretende Teil der überschußluft am Verzweigungspunkt 32 vor der volumetrischen Maschine 21 aufgeteilt wird, wobei der eine Teil davon, wie vorstehend beschrieben, der volumetrischen Maschine 21 zugeführt wird, während der andere Teil über die Leitung 28 an das den Eintritt der Gase in den Raum 30 unter dem Kolben 2 des Zylinders 1 steuernde Ventil 29 geleitet wird. Der Austritt der Gase aus diesem unter dem Kolben gelegenen Raum 30 wird durch das Ventil 31 gesteuert. Bei dieser Anordnung ist der Kolben 2 mit einer vom Kreuzkopf 27 geführten und an die Pleuelstange 3 angekuppelten Kolbenstange 26 verbunden.The in F i g. The arrangement shown in FIG. 2 corresponds practically to that in FIG. 1 , but with the difference that the part of the excess air entering the line 20 is divided at the branching point 32 upstream of the volumetric machine 21, one part of which, as described above, is fed to the volumetric machine 21, while the other Part via the line 28 to which the entry of the gases into the space 30 under the piston 2 of the cylinder 1 controlling valve 29 is passed. The exit of the gases from this space 30 located below the piston is controlled by the valve 31 . In this arrangement, the piston 2 is connected to a piston rod 26 guided by the crosshead 27 and coupled to the connecting rod 3 .

Das dem Raum 30 unter dem Kolben pro Arbeitskreislauf zugeführte Volumen an unter Kompressor-Abgabedruck stehender Luft kann das Doppelte der Größe dieses Raums betragen. In diesem Fall gestattet das Ventil 29 den Eintritt von Luft praktisch während der gesamten Zeit der beiden Aufwärtshilbe des Kolbens 2 pro Arbeitskreislauf und öffnet sich das Ventil 31 am oder in der Nähe des oberen Totpunkts des Kolbens und dehnt sich die Luft in die Atmosphäre aus.The volume of air under compressor discharge pressure supplied to space 30 under the piston per working circuit can be twice the size of this space. In this case, the valve 29 allows air to enter practically during the entire time of the two upward strokes of the piston 2 per cycle and the valve 31 opens at or near the top dead center of the piston and expands the air into the atmosphere.

In anderen Fällen, in denen ein geringeres Volumen von unter Kompressor-Abgabedruck stehender Luft zur Verfügung steht, kann sich das Ventil 29 schließen, bevor der Kolben 2 das obere Ende seines Hubs erreicht hat, so daß in dem Raum unterhalb des Kolbens eine gewisse Expansion dieser Luft auftritt.In other cases where a smaller volume of air under compressor discharge pressure is available, the valve 29 may close before the piston 2 has reached the top of its stroke so that there is some expansion in the space below the piston this air occurs.

In vielen Fällen entsprechen die besonderen Merkmale der Turboladeeinrichtung nicht denen der Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann es für das Ladesystem günstig sein, wenn ihm bei niedrigen Ab- gabeleistungen von der Brennkraftmaschine Druck zugeführt wird, während es mehr Druck abgibt, als erforderlich ist, um die Brennkraftmaschine dauernd unter einer hohen Belastung zu halten. In diesem Fall wird häufig ein Nebenauslaß zum Abführen von Abgasen ins Freie und ohne Durchtritt durch die Turbine oder ein Entnahmeventil vorgesehen, das Druckluft an die Atmosphäre abführt, ohne daß diese durch die Brennkraftmaschine hindurchtritt. Beide Anordnungen sind aber wenig wirtschaftlich.In many cases, the special features of the turbocharger do not correspond to those of the internal combustion engine. For example, it can be used for the charging system to be favorable when it handover services at low waste is supplied from the internal combustion engine pressure, while it gives more pressure than is needed to keep the internal combustion engine constantly under a high load. In this case, a secondary outlet is often provided for discharging exhaust gases into the open air and without passage through the turbine or an extraction valve which discharges compressed air to the atmosphere without it passing through the internal combustion engine. However, both arrangements are not very economical.

In den vorstehenden Ausführungsformen wird die überschußluft dazu verwendet, mehr Zusatzleistung hervorzubringen, als dies durch Zurückbehalten der Luft im Ladesystem erreicht werden kann. Diese letztgenannte Möglichkeit bedarf sehr hoher Ladedrücke und sehr hoher maximaler Zylinderdrücke und erfordert daher eine sehr kräftige und schwere Maschine.In the above embodiments, the excess air is added used to generate more additional service than by withholding the Air can be reached in the charging system. This last possibility is necessary very high boost pressures and very high maximum cylinder pressures and therefore requires a very powerful and heavy machine.

In den angeführten Ausführungsformen wird ein Teil der Abgaswärme an die Turbine 10 zurückgeleitet, während zusätzlich normalerweise verlorengehende Wärme in zugeordneten Expansionsmaschineu bzw. in einer volumetrischen Maschine ausgenutzt wird. Die Verwendung eines Wärmeaustauschers und einer Anordnung, bei der in diesem Austauscher erwärmte Luft der Abgasleitung zugeführt wird, gewährleistet nicht nur, daß ein Teil der Abgaswänne zurückgeführt wird, sondern auch, daß das durch die Turbine hindurchströmende Volumen vergrößert wird. Das erstgenannte Merkmal gewährleistet eine sehr große Wirtschaftlichkeit des thermodynamischen Kreislaufs, während das zweitgenannte Merkmal den Kompressor, dessen Leistung gleich der der Turbine sein muß, durch Erhöhung der Turbinenleistung in die Lage versetzt, die Menge an Über-CD schußluft zu erhöhen.In the cited embodiments, part of the exhaust gas heat is returned to the turbine 10 , while additionally normally lost heat is used in the associated expansion machine or in a volumetric machine. The use of a heat exchanger and an arrangement in which air heated in this exchanger is supplied to the exhaust pipe ensures not only that part of the exhaust heat is recirculated, but also that the volume flowing through the turbine is increased. The first-mentioned feature ensures a very high economy of the thermodynamic cycle, while the second-mentioned feature enables the compressor, whose output must be the same as that of the turbine, to increase the amount of excess CD excess air by increasing the turbine output.

Bei der einfachsten Anordnung wird die überschußluft auf der Kompressor-Ausgangsseite entnommen, unter Ausnutzung der Abgaswärine mittels eines Wärmeaustauschers erwärmt und einer Expansionsvorrichtung, beispielsweise einem Luftmotor zugeführt, dessen abgegebene Leistung zu der der Brennkraftmaschine addiert wird.In the simplest arrangement, the excess air is on the compressor outlet side taken, heated using the exhaust gas heat by means of a heat exchanger and an expansion device, for example an air motor, the output power to which the internal combustion engine is added.

Eine erheblich größere Leistungszunahme kann dadurch erreicht werden, daß ein Teil oder die ganze erwärinte Luft der Auspuffseite zugeführt wird, wodurch der Massestrom durch die Turbine des Turboladers verg größert und dadurch dessen Leistungsabgabe erhöht wird. Der Luftstrom in Richtung auf die Auspuffseite muß gesteuert werden, um das durch diese hindurchtretende Volumen in das richtige Verhältnis zu dem der Maschine zugeführten Luftvolumen zu setzen. Ein derartiges Steuermittel kann eine volumetrische Maschine sein, die ebenfalls eine zusätzliche Leistung abgibt. Bei einer optimalen Anordnung wird ein Teil der im Wärmeaustauscher erhitzten Überschußluft, wie vorstehend beschrieben, der Auspuffseite zugeführt, während --in anderer Teil an eine zusätzliche Expansionsmaschine abgegeben wird, wo die Luft von Kompressor-Abgabedruck auf Atmosphärendruck entlastet wird, während der durch die volumetrische Maschine hindurchtretende Teil von Kompressor-Abgabedruck auf den Druck der Abgasseite entspannt wird.A significantly greater increase in performance can be achieved by that some or all of the heated air is fed to the exhaust side, whereby the mass flow through the turbine of the turbocharger is increased and thereby its Power output is increased. The air flow must be in the direction of the exhaust side can be controlled to bring the volume passing through them into the correct ratio to the volume of air supplied to the machine. Such a control means can be a volumetric machine that also delivers additional power. With an optimal arrangement, part of the excess air heated in the heat exchanger, as described above, fed to the exhaust side, while - in the other part is delivered to an additional expansion machine, where the air is released from the compressor delivery pressure is relieved to atmospheric pressure while by the volumetric machine Passing part of the compressor discharge pressure relieves the pressure on the exhaust side will.

Wenn durch die volumetrische Maschine ein konstantes Luftvolumen hindurchtritt und diese Verrichtung an die Brennkraftmaschine angeschlossen ist, ist selbstverständlich das umgeleitete Luftvolumen für jeden Maschinenkreislauf konstant.When a constant volume of air passes through the volumetric machine and this operation is connected to the internal combustion engine, of course the diverted air volume constant for each machine circuit.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Konstruktion tritt Luft über die Leitung 14 in den Kompressor 13 der Turbine 10 ein und verläßt diesen über die Leitung 15, wo der Strom aufgeteilt wird. Ein Teil der Luft tritt über die Leitung 17 in den Luftkühler 18 und von dort in den Einlaßverteiler 33 und die Zylinder der Brennkraftmaschine ein, während der Rest über die Leitung 19 an den Wärmeaustauscher 12 gelangt. Diese Luft verläßt den Wärmeaustauscher über die Leitung 20 und wird am Verzweigungspunkt 23 erneut aufgeteilt, wobei ein Teil über die Leitung 24 einer zusätzlichen Expansionsmaschine 25 zugeführt wird, während der Rest über die Leitung 34 an eine volumetrische Maschine 21 und von dort aus zur Leitung 9 der Abgasseite gelangt, wo er sich mit den Ab- gasen vereinigt und der Turbine 10 zugeführt wird. Nach Verlassen dieser Turbine über die Leitung 11 treten die Gase durch den Wärmeaustauscher 12 hindurch und gelangen über die Leitung 35 an die Atmosphäre. Die die zusätzliche Expansionsmaschine 25 verlassende Luft gelangt über die Leitung 36 ins Freie. Gewünschtenfalls kann die Expansionsmaschine 25 eine weitere zusätzliche Maschine antreiben oder über ein Untersetzungsgetriebe 37 und eine hydraulische Kupplung 38 an die Kurbelwelle 4 der Brennkraftmaschine angekuppelt sein. Die volumetrische Maschine 21 ist eine Kompressions- und Expansionsmaschine, welche der Brennkraftmaschine Energie zuführt. Der Durchsatz dieser Maschine wird durch Zusammenwirken einer Zalmstangen-Steuerstange 39 der Kraftstoff-Einspritzpumpe 40 und des Reglers 41 über eine entsprechende Verbindung 42 gesteuert. Auf diese Weise erfolgt die Steuerung in Abhängigkeit von der Belastung und der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Die in F ig. 3 dargestellte drehzahlveränderliche Vorrichtung kann über die aus den F i g. 1 und 2 ersichtliche Welle 43 eingeschaltet seh Die Vorrichtung zum Abmessen der Menge der umgeleiteten Luft bzw. die volumetrische Maschine kann eine beliebige, eine Expansion und Kompression hervorbringende thermodynamische Maschine sein. Am besten geeignet ist ein Zwangsverdränger-Kompressor bzw. -Gebläse, beispielsweise ein Roots-, Kapsel- oder Gleitflügelgebläse. Derartige Maschinen besitzen ein für die Erfindung wichtiges Merkmal, indem das pro Arbeitskreislauf durch sie hindurchtretende Luftvolumen durch ihre Kapazität und ihre Drehzahl festgelegt wird, wodurch das Volumen der pro Kreislauf umgeleiteten Luft nicht eine Funktion des Druckunterschieds zwischen Ein- und Auslaß wird, der seinerseits eine Funktion der Eigenschaften des Turboladers und der Brennkraftmaschine ist. Demgemäß steuert die umgeleitete Luft das Gewicht der dem Zylinder zugeführten Luft sowie die Ausgangsleistung des Turboladers.In the case of the in FIG. 3 , air enters the compressor 13 of the turbine 10 via line 14 and leaves it via line 15, where the flow is split. Part of the air enters the air cooler 18 via line 17 and from there into the inlet manifold 33 and the cylinders of the internal combustion engine, while the remainder reaches the heat exchanger 12 via line 19. This air leaves the heat exchanger via line 20 and is divided again at branch point 23 , with part being fed via line 24 to an additional expansion machine 25 , while the remainder is fed via line 34 to a volumetric machine 21 and from there to line 9 reaches the exhaust side, where it combines with the exhaust gases and the turbine is supplied to the tenth After leaving this turbine via the line 11 , the gases pass through the heat exchanger 12 and reach the atmosphere via the line 35. The air leaving the additional expansion machine 25 reaches the outside via line 36. If desired, the expansion machine 25 can drive a further additional machine or be coupled to the crankshaft 4 of the internal combustion engine via a reduction gear 37 and a hydraulic clutch 38. The volumetric machine 21 is a compression and expansion machine that supplies energy to the internal combustion engine. The throughput of this machine is controlled by the interaction of a Zalmstangen control rod 39 of the fuel injection pump 40 and the regulator 41 via a corresponding connection 42. In this way, the control takes place as a function of the load and the speed of the internal combustion engine. The in Fig. The variable-speed device shown in FIG. 3 can be controlled via the device shown in FIGS. Shaft 43 shown in FIGS. 1 and 2 is switched on. The device for measuring the amount of diverted air or the volumetric machine can be any thermodynamic machine that produces expansion and compression. A positive displacement compressor or blower, for example a Roots, capsule or sliding wing blower, is most suitable. Such machines have an important feature for the invention in that the volume of air passing through them per working circuit is determined by their capacity and their speed, whereby the volume of air diverted per circuit is not a function of the pressure difference between inlet and outlet, which in turn is a function Function of the properties of the turbocharger and the internal combustion engine is. Accordingly, the diverted air controls the weight of the air supplied to the cylinder as well as the output of the turbocharger.

In Fällen, in denen es sich als vorteilhaft erweist, das umgeleitete Luftvolumen nicht durch Änderung der Maschinendrehzahl, sondern auf andere Weise zu ändern, kann dies dadurch erreicht werden, daß die volumetrische Maschine unabhängig von der Brennkraftmaschine angetrieben oder ein drehzahlveränderlicher Antrieb zwischen beiden Maschinen eingefügt wird oder eine volumetrische Maschine benutzt wird, deren Durchgangsleistung unabhängig von ihrer Drehzahl geändert werden kann. Derartige Maschineu sind bekannt. Eine unabhängige Veränderung des umgeleiteten Luftvolumens bewirkt unabhängig von den normalen Eigenschaften einer aufgeladenen Brennkraftmaschine eine stärkere Steuerung des der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehenden Luftdrucks.In cases where it proves beneficial, the diverted Air volume not by changing the engine speed, but in a different way to change this can be achieved by making the volumetric machine independent driven by the internal combustion engine or a variable speed drive between is inserted into both machines or a volumetric machine is used whose Throughput can be changed regardless of their speed. Such Machines are known. An independent change in the volume of air diverted causes independent of the normal properties of a supercharged internal combustion engine greater control of the air pressure available to the internal combustion engine.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, daß die Zeitspanne, während der die Einlaß- und Auslaßventile gleichzeitig geöffnet sind, verringert werden kann, da die zur Kühlung der Abgase erforderliche Luft nicht durch die Maschine hindurchtritt, wodurch die Tiefe der Aussparungen verringert werden kann, die normalerweise in der Kolbenkrone erforderlich sind, um zu gewährleisten, daß letztere nicht in der Nähe des oberen Totpunkts gegen die Ventilköpfe stoßen.Another advantage of the system according to the invention is that that the period of time during which the inlet and outlet valves open simultaneously can be reduced, since the air required to cool the exhaust gases is not passes through the machine, reducing the depth of the recesses which are normally required in the piston crown to ensure that the latter do not hit the valve heads near top dead center.

Claims

Claims 1. Internal combustion engine with supercharging by a compressor driven by an exhaust gas turbine, in which part of the air conveyed by the compressor is branched off before entering the machine cylinder and fed to the exhaust gas turbine via a metering device in the form of a volumetric machine, which is used as a compressor or as a motor can be operated, according to patent application B636231a / 46a9, characterized in that the branched off part of the air is passed in a manner known per se over a heat exchanger heated by the exhaust gases emerging from the exhaust gas turbine and that part of the air emerging from the heat exchanger is fed to the exhaust gas turbine while the other part of an expansion machine provided in addition to the exhaust turbine is carried out.

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that only the part of the air exiting from the heat exchanger which is fed to the exhaust gas turbine passes through the volumetric machine. 3. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the distribution of the air exiting the heat exchanger takes place after the air has passed through the volumetric machine. 4. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the volumetric machine is coupled to the internal combustion engine and removes energy from it when its outlet pressure is higher than its inlet pressure, and emits energy to the internal combustion engine when its inlet pressure is higher than you Outlet pressure is. 5. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the volume of air passing through the volumetric machine is variable regardless of the speed of this machine. 6. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the volumetric machine is coupled to the internal combustion engine via a transmission with a variable transmission ratio. 7. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the volumetric machine is operated independently of the internal combustion engine. 8. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the additional expansion machine consists of a closed cylinder space arranged on the side opposite the piston of the combustion chamber of the internal combustion engine, the volume of which is increased and decreased by the movement of the piston and its gas supply and outlet through valves is controlled. 9. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the additional expansion machine is a turbine. 10. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 9, characterized in that it has an air cooler known per se, which cools only the proportion of charge air conducted from the compressor to the cylinders of the internal combustion engine. Considered publications: German Patent Nos. 614 348, 693 277, 801596.