DE3315978C2

DE3315978C2 -

Info

Publication number: DE3315978C2
Application number: DE3315978A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.-Ing. 5160 Dueren De Rohs; Jochen Dr.-Ing. Reimann; Dieter Dr.-Ing. 5100 Aachen De Voigt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-05-02
Filing date: 1983-05-02
Publication date: 1989-01-05
Also published as: DE3315978A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladevorrichtung für einen Kolbenmotor mit einer Vielzahl von in einer umlaufenden Trommel axial angeordneten Zylinderräumen, auf einer geneig ten Antriebsscheibe gelagerten Kolben sowie einem an einen Ende der Trommel angeordneten, ortsfesten Zylinderkopf mit einer Brennkammer sowie Ein- und Auslaßrohren.The invention relates to a charging device for a Piston engine with a variety of revolving in one Drum axially arranged cylinder spaces, on an inclined piston and one on one Fixed cylinder head arranged at the end of the drum a combustion chamber and inlet and outlet pipes.

Ein Motor dieser Bauart ist beispielsweise aus der DE-PS 23 51 252 bekannt.An engine of this type is for example from DE-PS 23 51 252 known.

Bei Zweitaktmotoren wird eine gewisse Aufladung bei der Spülung des Zylinderraumes dadurch erzielt, daß Ladungsan teile durch den Zylinder in das Auspuffrohr geführt und anschließend durch eine reflektierte Druckwelle des Auspuff vorganges in den Zylinder zurückgeführt werden.With two-stroke engines, a certain amount of charge is applied to the Flushing of the cylinder space achieved in that charge parts passed through the cylinder into the exhaust pipe and then by a reflected pressure wave from the exhaust process are returned to the cylinder.

In der Zeitschrift mot 21/1978 S. 59 ist eine allgemein auch als "Comprex"-Druckwellenlader bekannte gasdynamische Druck wellenmaschine beschrieben. Diese besteht aus einem Zellen rad mit auf seinem Umfang angeordneten, stirnseitig offenen Kanälen mit trapezförmigem Querschnitt, das in einem Gehäuse gelagert und berührungsfrei von einem Mantel umschlossen ist. Vom Motor wird es über Keilriemen angetrieben. Die Luft und Gaskanäle münden an den Stirnseiten des Gehäuses und zwar Hoch- und Niederdruckluft auf der einen, und Hoch- und Niederdruckgas auf der anderen Stirnseite. Durch dem Abgas entnommene Verdichtungsenergie für die Aufladeluft vollzieht sich der Verdichtungs-Entspanungsprozeß unter dem Einfluß von in den Zellen des Zellenrades gebildeten Druck- und Saugwellen, die sich an den feststehenden Zu- und Abführungskanälen für beide Strömungsmedien vorbeibewegen.In the magazine mot 21/1978 p. 59 there is also a general one Gas dynamic pressure known as "Comprex" pressure wave supercharger wave machine described. This consists of one cell wheel with arranged on its circumference, open at the front Channels with a trapezoidal cross-section in a housing stored and enclosed without contact by a jacket is. It is driven by the engine via V-belts. The Air and gas channels open at the front of the housing namely high and low pressure air on one, and high and low pressure gas on the other end. By the Compression energy extracted from the exhaust gas for the charge air the compression-removal process takes place the influence of formed in the cells of the cellular wheel Pressure and suction waves, which are on the fixed inlet and Move discharge channels for both flow media past.

Der Comprex-Lader kann ohne das Zellenrad nicht arbeiten, weil dieses die Steuerung aller Vorgänge übernimmt und mit einer genau definierten Drehzahl angetrieben werden muß.The Comprex loader cannot work without the cellular wheel, because this takes over the control of all processes and with must be driven at a precisely defined speed.

Wegen eines sehr flachen Ladedruckverlaufes über der Motordrehzahl ermöglicht der bekannte Comprex-Lader zwar eine beträchtliche Steigerung des Drehmomentes bis in den Bereich niedriger Drehzahlen, doch benötigt er einen zusätzlichen Antrieb und besteht im wesentlichen aus einem relativ aufwendigen, umlaufenden Gitterrost.Because of a very flat boost pressure curve over the The well-known Comprex turbocharger enables engine speed a considerable increase in torque up to the Low speed range, but it needs one additional drive and consists essentially of a relatively complex, all-round grating.

Bei Motoren gemäß der DE-PS 23 51 252 ist ein Comprex-Lader noch nicht verwendet worden, weil dies eine beträchtliche Umgestaltung dieser Maschine erfordert hätte.For engines according to DE-PS 23 51 252 is a Comprex charger have not been used because this is a considerable one Remodeling this machine would have required.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Motor der eingangs genannten Art eine Auf- und Nachladung durch die Druckwel len des Auspuffvorganges mit einem minimalen Aufwand an bewegten Teilen vorzusehen.The object of the invention is in an engine of the beginning mentioned type a recharge and recharge by Druckwel len the exhaust process with minimal effort to provide moving parts.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Die erfin dungsgemäße Vorrichtung verwendet keine bewegten Teile und benötigt auch keinen besonderen Antrieb. Sie wird vielmehr unmittelbar vom Motor gesteuert.This object is achieved according to the invention from the characterizing features of claim 1. The inventions The device according to the invention does not use any moving parts and also does not require a special drive. Rather, it will directly controlled by the engine.

Anders als beim Comprex-Lader wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Luft zuerst in den Motorzylinder eingeführt und strömt erst durch diesen hindurch in die Nachladevor richtung. Anschließend wird sie dann durch die Druckwelle durch eine Düse in den Zylinder zurückgedrängt. Dabei entstehen eine Verdichtung und Aufladung.Unlike the Comprex loader, the one according to the invention Device first introduced the air into the engine cylinder and only flows through this into the reload direction. Then it is then through the pressure wave pushed back into the cylinder through a nozzle. Here compression and charging occur.

Vorteilhaft ist zwischen dem Düsenauslaß und der Mündungs stelle des Rohres im Zylinderkopf ein den Rohrquerschnitt ausfüllender Zellenkörper vorgesehen, der aus axialen Kanälen kleinen Durchmessers, z. B. Gitterwänden, Rohrbündeln oder dgl. bestehen kann. It is advantageous between the nozzle outlet and the mouth set the pipe in the cylinder head to the pipe cross section filling cell body provided, which consists of axial Small diameter channels, e.g. B. grid walls, tube bundles or the like.

Dieser Zellenkörper hat keine Steuerungsaufgabe wie beim Comprex-Lader, sondern dient lediglich zur Gleichrichtung der Gasströmungen. Würde man ihn weglassen, würde die Vorrichtung auch arbeiten, nur wäre bei Erzeugung höherer Drücke wegen des vom Zellenkörper gebildeten Strömungswider standes in der verdichteten Luft im Zylinder ein gewisser Abgasanteil nicht zu vermeiden.This cell body has no control task as with Comprex loader, but only serves for rectification of gas flows. If you left him out, she would Device also work, only would be if higher Press because of the flow resistance created by the cell body stood in the compressed air in the cylinder a certain Unavoidable exhaust gas content.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä ßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigenBelow is an embodiment of the invention ß device explained with reference to the drawing. It demonstrate

Fig. 1 und 2 einen abgewickelten Trommelsektor im Schnitt im Bereich des unteren Kolbentotpunktes zu verschiedenen Zeiten. Fig. 1 and 2, an unwound drum sector in the section in the region of the lower Kolbentotpunktes at different times.

Die Zeichnung zeigt im Längsschnitt einen Sektor einer abgewickelten Trommel 1 eines Kolbenmotors mit umlaufenden axialen Zylinderräumen 2 bis 5, in denen die zugeordneten Kolben 12-15 geführt sind. Diese sind ihrerseits auf einer nicht dargestellten geneigten Antriebsscheibe gelagert.The drawing shows in longitudinal section a sector of a unwound drum 1 of a piston engine with circumferential axial cylinder spaces 2 to 5 , in which the associated pistons 12-15 are guided. These are in turn mounted on an inclined drive disk, not shown.

Die Zylinderräume 2-5 sind an ihren kolbenseitigen Enden durch einen die Trommel 1 dicht abschließenden, ortsfesten, d. h. die Drehung der Trommel 1 nicht mitausführenden Zylinderkopf 6 begrenzt, der eine Brennkammer aufweist. Parallel zum Zylinderkopf 6 ist ein Rohr 7 angeordnet, dessen eines, freies, abgekrümmtes Ende eine Nebenauslaßöff nung 8 für das Gas bildet und dessen anderes, ebenfalls gekrümmtes, inneres Ende 9 im Zylinderkopf 6 in der Bahn der Zylinderräume 2-5 mündet. Die Drehrichtung der Trommel 1 ist mit dem Pfeil 10 angegeben.The cylinder spaces 2-5 are delimited at their piston-side ends by a cylinder head 6 which tightly seals the drum 1 , ie the cylinder head 6 does not carry out the rotation of the drum 1 and which has a combustion chamber. Parallel to the cylinder head 6 , a tube 7 is arranged, one, free, curved end of which forms a side outlet opening 8 for the gas and the other, also curved, inner end 9 in the cylinder head 6 opens into the path of the cylinder spaces 2-5 . The direction of rotation of the drum 1 is indicated by the arrow 10 .

In Drehrichtung 10 der Trommel 1 münden im Zylinderkopf 6 vor dem Rohr 7 ein sich konisch erweiterndes Druckluftein laßrohr 16 sowie, um ein Geringes von diesem versetzt, ein Hauptauslaßrohr 17. In Drehrichtung 10 der Trommel ist vor dem Hauptauslaßrohr 17 im Zylinderkopf 6 eine Düse 18 angeordnet, deren Einlaßende 19 in der Bahn der Zylinderräu me 2-5 liegt und deren Auslaßende 20 axial im Rohr 7, und zwar in Richtung auf sein im Zylinderkopf 6 mündendes Ende 9 einmündet.In the direction of rotation 10 of the drum 1 open in the cylinder head 6 in front of the pipe 7, a conically expanding compressed air inlet pipe 16 and, offset by a small amount from this, a main outlet pipe 17th In the direction of rotation 10 of the drum, a nozzle 18 is arranged in front of the main outlet pipe 17 in the cylinder head 6 , the inlet end 19 of which lies in the path of the cylinder rooms 2-5 and the outlet end 20 of which is axially in the pipe 7 , in the direction of its opening in the cylinder head 6 Ends at the end of 9 .

Das Einlaßende 19 der Düse 18 und der Mündungsstelle des Rohres 7 im Zylinderkopf 6 sind so über den Sektor des Zylinderkopfes 6 verteilt, daß dieser jeweils gleichzeitig mit einem der Zylinderräume 2-5 verbunden sind. Ferner ist der Abstand zwischen der in Drehrichtung 10 der Trommel 1 vorderen Auslaßkante 21 des Drucklufteinlaßrohres 16 und der rückwärtigen Kante 22 der Mündungsstelle des Endes 9 des Rohres 7 im Zylinderkopf 6 kleiner als der Durchmesser eines der Zylinderräume 2-5.The inlet end 19 of the nozzle 18 and the mouth of the tube 7 in the cylinder head 6 are distributed over the sector of the cylinder head 6 that these are each connected to one of the cylinder spaces 2-5 at the same time. Furthermore, the distance between the front edge 21 of the compressed air inlet tube 16 in the direction of rotation 10 of the drum 1 and the rear edge 22 of the mouth of the end 9 of the tube 7 in the cylinder head 6 is smaller than the diameter of one of the cylinder spaces 2-5 .

Im mittleren Teil des Rohres 7 ist zwischen der Mündung 20 der Düse 18 und der Mündungsstelle des Rohres 7 im Zylinderkopf 6 ein den Rohrquerschnitt ausfüllender Zellen körper 23 angeordnet, der aus einer Vielzahl axialer Kanäle kleinen Querschnittes besteht, die durch Gitterwände, Rohrbündel oder dgl. gebildet sind.In the middle part of the tube 7 between the mouth 20 of the nozzle 18 and the mouth of the tube 7 in the cylinder head 6, a tube cross-section filling cells 23 is arranged, which consists of a plurality of axial channels of small cross-section, the grid walls, tube bundle or the like. are formed.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:The device according to the invention works as follows:

Im Bereich des unteren Totpunktes bewegen sich die Zylinder räume 2-5 an der Einlaßstelle 19 der Düse 18, dem sogenannten "Vorauslaß" vorbei. Dabei wird der Expansions druck annähernd auf den Umgebungsdruck abgebaut und Abgas durch die Düse 18 in das Rohr 7 gedrückt. Beim anschließen den Überstreichen der Mündungsstellen des Hauptauslaßrohres 17 und des Drucklufteinlaßrohres 16 erfolgt eine Spülung des jeweils zugeordneten Zylinderraumes mit Frischluft unter Überdruck, wobei der Überdruck nur so hoch zu sein braucht, daß er die Strömungswiderstände beim Spülvorgang überwindet. In the area of bottom dead center, the cylinder spaces 2-5 move past the inlet point 19 of the nozzle 18 , the so-called "pre-outlet". The expansion pressure is reduced approximately to the ambient pressure and exhaust gas is pressed through the nozzle 18 into the pipe 7 . When connecting the mouths of the main outlet pipe 17 and the compressed air inlet pipe 16 , the associated cylinder space is purged with fresh air under positive pressure, the positive pressure only having to be so high that it overcomes the flow resistances during the flushing process.

Kurz bevor z. B., der sich drehende Zylinderraum 3 die Mündungsstelle des Rohres 7 im Zylinderkopf 6 erreicht, schließt er das Hauptauslaßrohr 17. Dann strömt die durch das Drucklufteinlaßrohr 16 eintretende Frischluft mit Überdruck durch den Zylinderraum 2 um die Kanten 12, 22 in den das Ende 9 des Rohres 7 bildenden Rohrkrümmer, während der Zylinderraum 2 das Drucklufteinlaßrohr 16 und das Rohr 7 miteinander verbindet.Just before z. B. the rotating cylinder chamber 3 reaches the mouth of the tube 7 in the cylinder head 6 , it closes the main exhaust pipe 17th Then the fresh air entering through the compressed air inlet pipe 16 flows with overpressure through the cylinder space 2 around the edges 12, 22 into the pipe bend forming the end 9 of the pipe 7 , while the cylinder space 2 connects the compressed air inlet pipe 16 and the pipe 7 to one another.

Sobald sich für den Zylinderraum 2 der Frischlufteinlaß infolge weiterer Drehung der Trommel 1 geschlossen hat (Fig. 2), öffnet sich der Vorauslaß (Düse 18) und die unter Expansions-Enddruck stehenden Abgase des Zylinderraumes 5 strömen am rückwärtigen Teil des Rohres 7 entgegen der Auspuffrichtung zum inneren Ende 9 des Rohres 7. Dabei pflanzt sich eine Druckwelle mit Schallgeschwindigkeit im Rohr 7 fort, verdichtet die darin befindliche Luft und drückt diese in den Zylinderraum 2 (sog. "Nacheinlaß"). Der Druck hat seinen Maximalwert erreicht, wenn sich der Nacheinlaß zum Zylinderraum schließt. Dann verlassen die Abgase das System durch die Nebenauslaßöffnung 8 des Rohres 7. Dabei setzt eine Reflektion der Druckwelle im Rohr 7 am Öffnungsquerschnitt des inneren Endes 9 des Rohres 7 ein. Der anschließende Abbau dieses Maximaldruckes beschleunigt das Abgas durch die Nebenauslaßöffnung 8 des Rohres 7. Anschließend strömt das Gas aufgrund seiner kinetischen Energie weiter und erzeugt einen Unterdruck im Mündungsbe reich des inneren Endes 9 des Rohres 7.As soon as the fresh air inlet has closed for the cylinder space 2 as a result of further rotation of the drum 1 ( FIG. 2), the preliminary outlet (nozzle 18 ) opens and the exhaust gases of the cylinder space 5 , which are under final expansion pressure, flow against the rear part of the tube 7 Exhaust direction to the inner end 9 of the pipe 7 . A pressure wave propagates at the speed of sound in the tube 7 , compresses the air therein and presses it into the cylinder space 2 (so-called "post-intake"). The pressure has reached its maximum value when the post-inlet to the cylinder chamber closes. Then the exhaust gases leave the system through the secondary outlet opening 8 of the pipe 7 . In this case, a reflection of the pressure wave in the tube 7 begins at the opening cross section of the inner end 9 of the tube 7 . The subsequent reduction of this maximum pressure accelerates the exhaust gas through the secondary outlet opening 8 of the pipe 7 . Then the gas continues to flow due to its kinetic energy and creates a negative pressure in the mouth area of the inner end 9 of the tube 7 .

Da eine durch eine Leitung laufende Druckwelle an einem offenen Ende negativ, d. h. als Unterdruckwelle reflektierend wirkt, stellt sich nach dem Schließen des Vorauslasses (Fig. 1) ein Unterdruck ein, der die Füllung des Nacheinlas ses mit Frischluft begünstigt. Since a pressure wave running through a line has a negative effect on an open end, ie it acts as a negative pressure wave, a negative pressure is created after closing the outlet ( FIG. 1), which favors the filling of the after-intake with fresh air.

Um die Durchmischung von Abgas und Frischluft im Rohr 7 möglichst gering zu halten, ist der strömungsrichtende Zellenkörper 23 im Rohr 7 vorgesehen, der das Auftreten von größeren Wirbelgebieten verhindert. Da durch den Nacheinlaß nur Frischluft mit geringem Druck eingeführt wird, ist es ohne Verlust an Wirkungsgrad möglich, durch einen ausrei chenden Luftüberschuß sicher zu stellen, daß bei der Aufladung kein Abgas in die Zylinderräume gelangt.In order to keep the mixing of exhaust gas and fresh air in the tube 7 as low as possible, the flow-directing cell body 23 is provided in the tube 7 , which prevents the occurrence of larger vortex areas. Since only fresh air is introduced at low pressure through the post-inlet, it is possible without loss of efficiency to ensure by a sufficient excess of air that no exhaust gas gets into the cylinder chambers during charging.

Der Druckanstieg im Nacheinlaß kann motorisch wie folgt ausgenutzt werden:The pressure increase in the after intake can be motorized as follows be exploited:

Durch die Aufladung kann die durchgesetzte Luftmenge gesteigert werden, was zugleich eine Erhöhung der Motorlei stung bedeutet. Dabei bleibt der Innenwirkungsgrad weitge hend unbeeinflußt.The amount of air that has passed through can be increased by charging be increased, which at the same time an increase in engine power stung means. The internal efficiency remains wide uninfluenced.

Durch die Nachladung kann ein Teil der Verdichtungsarbeit des Motors eingespart werden, wenn der Winkel für das Schließen des Nacheinlasses soweit in Richtung zum oberen Totpunkt gelegt wird, daß der im Zylinderraum erzielte Druck gleich demjenigen ist, der sich bei freier Verdichtung vom unteren Totpunkt aus eingestellt hätte.Reloading can do some of the compaction work of the engine can be saved if the angle for the Close the inlet as far towards the upper one Dead center is placed that the pressure achieved in the cylinder chamber is the same as that which, with a free compression of bottom dead center.

Da ein Wechsel von Gas und Luft erfolgt, können auch unvergütete Werkstoffe verwendet werden, z. B. Grauguß. Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß die erfindungsge mäße Vorrichtung ohne zusätzliche bewegte Teile auskommt.Since there is a change of gas and air, too unalloyed materials are used, e.g. B. Gray cast iron. A special advantage is the fact that the erfindungsge device without additional moving parts.

Claims

1. Charging device for a piston engine with a plurality of cylinder spaces axially arranged in a revolving drum, pistons mounted on an inclined drive disk and a fixed cylinder head arranged at one end of the drum with a combustion chamber, and inlet and outlet pipes, characterized in that
that a tube ( 7 ) is arranged parallel to the cylinder head ( 6 ), one free end of which forms a secondary outlet opening ( 8 ) and the other, inner end ( 9 ) of the cylinder head ( 6 ) in the path of the cylinder spaces ( 2-5 ) flows,
that in the direction of rotation ( 10 ) of the drum ( 1 ) before the mouth of the inner end ( 9 ) of the tube ( 7 ) in the cylinder head ( 6 ) and in the path of the cylinder spaces ( 2-5 ) a compressed air inlet pipe ( 16 ) opens, the outlet cross cut in the circumferential direction of the drum ( 1 ) extends at least over a cylinder cross-section,
that in the direction of rotation ( 10 ) of the drum ( 1 ) before the mouth of the compressed air inlet tube ( 16 ) in the cylinder head ( 6 ) a nozzle ( 18 ) is arranged, the inlet end ( 19 ) in the path of the cylinder spaces ( 2-5 ) and the outlet end ( 20 ) of which is directed axially in the tube ( 7 ), but against the outlet direction thereof,
that the distance between the in the direction of rotation ( 10 ) of the drum ( 1 ) front outlet edge ( 21 ) of the compressed air lassrohres ( 16 ) and the rear edge ( 22 ) of the mouth of the tube ( 7 ) in the cylinder head ( 6 ) is smaller than the diameter of a cylinder space ( 2-5 ),
that in the path of the cylinder spaces ( 2-5 ) further extends the input opening of a main outlet pipe ( 17 ) in the direction of rotation ( 10 ) of the drum ( 1 ), but ends at a distance before the end of the outlet cross section of the compressed air inlet pipe ( 16 ), so that as the drum ( 1 ) rotates progressively, air is flushed from the compressed air inlet pipe ( 16 ) into the pipe ( 7 ) via the associated cylinder space ( 2-5 ) that can still be reached by it, and when the drum ( 1 ) rotates further and before the tube ( 7 ) is closed, the exhaust gases emerging from the nozzle ( 18 ) can reload the air in the tube ( 7 ) by means of a pressure wave into the associated cylinder space ( 2 ) and
that the inlet end ( 19 ) of the nozzle ( 18 ) and the mouth of the tube ( 7 ) in the cylinder head ( 6 ) are so distributed over a sector of the cylinder head ( 6 ) that they are each simultaneously with one of the cylinder spaces me ( 2- 5 ) are connected.

2. Charging device according to claim 1, characterized in that in the tube ( 7 ) between the nozzle outlet ( 20 ) and the mouth of the tube ( 7 ) in the cylinder head ( 6 ) a filling the tube cross-section cell body ( 23 ) is seen from axial channels of small diameter, e.g. B. grid walls, tube bundles or the like.