DE3338330A1 - CHARGING SYSTEM FOR A COMBUSTION ENGINE - Google Patents
CHARGING SYSTEM FOR A COMBUSTION ENGINEInfo
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Description
BESCHRiIIBUNGDESCRIPTION
Ein zur Steigerung der Leistungsabgabe eines Verbrennungsmotors
sehr häufig angev/andtes System ist die Aufladung, die
durch Verdränger- oder Schleuderlader erzeugt wird.A system that is very frequently used to increase the power output of an internal combustion engine is supercharging, the
is generated by positive displacement or centrifugal loaders.
Die Wirksamkeit der Aufladung hängt von der durch die Ver- · dichtung verursachten Zunahme der Luftdichte ab und ist je
grosser, je höher die Dichte ist.The effectiveness of the charging depends on the increase in air density caused by the compression and is dependent
larger, the higher the density.
Die Zunahme der Luftdichte ist jedoch von einer ziemlichen
Temperaturerhöhung begleitet, die bei den Motoren mit gesteuerter Zündung die Klopfgefahr mit sich bringt. Um diese
Gefahr abzuwenden ist also ein kleineres.volumetrisches Verdichtungsverhältnis
mit der Folge einer Zunahme des Kraftstoffverbrauches bei den niedrigen Drehzahlbereichen des Motors
erforderlich.The increase in air density, however, is considerable
Accompanied by a rise in temperature, which brings the risk of knocking in engines with controlled ignition. In order to avert this risk, a smaller volumetric compression ratio with the consequence of an increase in fuel consumption at the low speed ranges of the engine is required.
Es ist deshalb notwendig,die Luft vor der Einführung in die Zylinder abzukühlen.It is therefore necessary to purge the air before introducing it into the Cylinder to cool down.
In den meisten Fällen erfolgt die Luftkühlung vor Einführung in die Zylinder über Wärmeaustauscher der Luft/Luft- oder
Wasser/Wasser-Bauart, aber es handelt sich um nur massig
wirksame Lösungen, wei sie keine sehr starke Kühlung der
Aufladungsluft gestatten, da die Temperatur des Kühlmittels
höchstens gleich, aber niemals niedriger als die Raumtemperatur ist.In most cases the air cooling takes place before introduction into the cylinder via heat exchangers of the air / air or
Water / water type, but it is only massive
effective solutions, they do not know very strong cooling of the
Allow charging air, since the temperature of the coolant is at most the same, but never lower than room temperature.
Ausserdem bedingen solche Lösungen einen Raumbedarf, der je grosser, je höher das Kühlvermögen des Wärmeaustauschers
ist, da die Wärmeübertragung für einen gewissen Temperatur-"sprung
mit den Wärmeaustauschflächen ansteigt. Um die Gren-In addition, such solutions require a space requirement, the greater the higher the cooling capacity of the heat exchanger
is because the heat transfer increases with the heat exchange surfaces for a certain temperature jump.
BADBATH
zen dieser Lösungen zu überschreiten, ohne auf sehr verwickel te Konstruktionen zurückzugreifen, hat man nun daran gedacht, eine Aufladungsanlage für einen Verbrennungsmotor .auszuführen, bei der die verdichtete Luft in einem Wärmeaustauscher bis zu einem gewissen Mass abgekühlt und dann einer teilweisen, im wesentlichen adiabatischen Expansion in einer Turbine ausgesetzt wird ,wo sie stark abkühlt., und zwar bis zu einer Temperatur, die gleich oder niedriger als die Raumtemperatur ist, mit einer Temperaturänderung, die vom Drucksprung auf der Turbine abhängt. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung stellt die Tatsache dar, dass die von der Turbine geleistete Arbeit dazu ausgenutzt wird, um einen Hilfslader anzutreiben, der für eine weitere Luftverdichtung sorgt und somit die eigene Wirkung derjenigen des normalen, mit dem Motor in Wirkverbindung stehenden Laders hinzufügt.zen these solutions to exceed without being very tangled To fall back on te constructions, one has now thought of a supercharging system for an internal combustion engine . Execute in which the compressed air in a heat exchanger cooled to a certain extent and then a partial, essentially adiabatic expansion is exposed in a turbine, where it cools down significantly., to a temperature equal to or lower than is the room temperature, with a temperature change that depends on the pressure jump on the turbine. An essential one The feature of the invention is the fact that the work done by the turbine is used to produce a To drive auxiliary loader, which ensures further air compression and thus the own effect of that of the normal, with the engine in operative connection.
Es wird dadurch vermieden, den mit dem Motor in Wirkverbindung stehenden Lader unter kritischen Bedingungen arbeiten zu lassen, um die gleiche Förderhöhe zu erhalten, oder auf konstruktiv komplizierte Lösungen, wie zum Beispiel mehrere mit dem Motor in Wirkverbindung stehende Verdichtungsstufen, zurückzugreifen.This prevents the supercharger, which is operatively connected to the engine, from working under critical conditions to get the same delivery head or to constructively complicated solutions, such as several to use compression stages that are operatively connected to the engine.
Die so ausgeführte Aufladungsanlage weist wenigstens eine Luftansaugleitung, die mit ersten Luftverdichtungsmitteln versehen ist und mit dem Verbrennungsmotor in Wirkverbin- " dung steht, sowie Wärmeaustauschmittel für eine teilweise Luftkühlung auf, die nach den ersten Verdichtungsmitteln angeordnet sind, und dadurck gekennzeichnet ist, dass sie ausserdem mit wenigstens einer Turbine, wo die Luft eine teilweise Expansion erfährt und die nach den Wärmeaustauschmitteln angeordnet ist, sowie mit zweiten Luftverdichtungs-The charging system embodied in this way has at least one Air intake line, which is provided with first air compression means and in operative connection with the internal combustion engine dung stands, as well as heat exchange means for a partial air cooling, which are arranged after the first compression means are, and it is characterized by the fact that they are also equipped with at least one turbine, where the air is a undergoes partial expansion and which is arranged after the heat exchange means, as well as with second air compression
mitteln versehen ist, die vor den Wärmeaustauschmitteln angeordnet sind und mit der Turbine in Wirkverbindung stehen.means is provided, which is arranged in front of the heat exchange means are and are in operative connection with the turbine.
Oevjznr Bildung des Gemisches erforderliche Kraftstoff kann von einem Einspritzsystem - sowohl für Benzin als auch für Dieselkraftstoff - bzw. von Vergasern geliefert werden, die vorzugsweise nach dem Wärmeaustauscher angeordnet sind. The fuel required to form the mixture can be supplied by an injection system - for both gasoline and diesel fuel - or by carburetors, which are preferably arranged after the heat exchanger.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Aufladungsanlage ist in Fig. 1 schematisch dargestellt und Fig. 2 zeigt eine Variante derselben.An embodiment of the charging system according to the invention is shown schematically in Fig. 1 and Fig. 2 shows a variant of the same.
In Fig. 1 ist mit 10 ein Mehrzylinder-Verbrennungsmotor bezeichnet, der über den Ansaugkrümmer 11 mit Luft bzw. mit einem Luft/Kraftstoff-Gemisch beschickt wird. Nach einer eventuellen Filtration tritt die zum Motor geförderte Luft durch die Ansaugleitung 12 in den Schleuderlader 13 ein und von hier aus fliesst sie durch den Ansaugleitungsabschnitt 14 zum Schleuderlader 15 über. Die verdichtete Luft gelangt durch die Ansaugleitung 16 in den Wärmeaustauscher 17, der zum Beispiel ein Luft/Luft-Wärmeaustauscher ist, wo sie einen Teil der in den Ladern 13 und 15 aufgrund der im wesentlichen adiabatischen Verdichtung gewonnenen Kalorien verliert. ■In Fig. 1, 10 denotes a multi-cylinder internal combustion engine, which is charged with air or with an air / fuel mixture via the intake manifold 11. After a Any filtration, the air delivered to the engine enters the centrifugal loader 13 through the suction line 12 and from here it flows through the suction line section 14 to the centrifugal loader 15. The compressed air arrives through the suction line 16 into the heat exchanger 17, the for example an air / air heat exchanger is where it is part of the in the superchargers 13 and 15 due to the substantial adiabatic compaction loses calories gained. ■
Über die Ansaugleitung 18 gelangt die Luft zu einer mit 19 bezeichneten Zentripetalturbine, wo sie eine teilweise, im wesentlichen adiabatische Expansion und daher eine starke Kühlung erfährt, wodurch sie zu einer Temperatur gebracht wird, die gleich oder niedriger als die Umgebungstemperatur ist, da die Temperatur bei Expansionsende eine Funktion des Drucksprunges auf der Turbine ist.The air reaches a 19 via the suction line 18 designated centripetal turbine, where there is a partial, essentially adiabatic expansion and therefore a strong one Undergoes cooling, which brings it to a temperature equal to or lower than the ambient temperature because the temperature at the end of the expansion is a function of the pressure jump on the turbine.
copy Icopy I.
Die aus der Turbine 19 austretende Luft gelangt über die Ansaugleitung 20 in den Krümmer 11 und zu den Zylindern des Motors 10.The air emerging from the turbine 19 passes through the intake line 20 into the manifold 11 and to the cylinders of the engine 10.
Selbstverständlich könnte man die Motorzylinder in Gruppen teilen und für jede Zylindergruppe eine getrennte Aufladungsanlage wie die oben beschriebene anwenden.It goes without saying that the engine cylinders could be divided into groups and a separate charging system for each cylinder group apply as described above.
Wie die Figur darstellt, wird der Lader 13 von der Turbine 19 über die Welle 21 angetrieben und nutzt somit die von der teilweisen Luftexpansion in der Turbine geleistete Arbeit aus.As the figure shows, the supercharger 13 is powered by the turbine 19 driven by the shaft 21 and thus uses the work done by the partial air expansion in the turbine the end.
Im beschriebenen Beispiel wird der Lader 15 über die Welle 25 von einer Zentripetalturbine 24 mitgenommen, die durch die Motorabgase angetrieben wird.In the example described, the loader 15 is on the shaft 25 taken along by a centripetal turbine 24 which is driven by the engine exhaust gases.
Die Motorabgase treten aus dem Krümmer 22 aus und von hier aus, durch die Leitung 23, gelangen sie zur Turbine 24; ist das Ventil 27 offen, weil der Druck im Krümmer 11 einen vorbestimmten Schwellenwert überschritten hat, so fliesst ein Teil der Abgase in die Umgehungsleitung 26 ein.The engine exhaust gases exit the manifold 22 and from here, through the line 23, they reach the turbine 24; is the valve 27 is open because the pressure in the manifold 11 has exceeded a predetermined threshold value, flows in Part of the exhaust gases into the bypass line 26.
Durch die Leitung 28 fliessen die Abgase in das Auslassrohr 29 zusammen> das in die Turbine 24 führt. ..-...-The exhaust gases flow through the line 28 into the outlet pipe 29> which leads into the turbine 24. ..-...-
Mit der beschriebenen Anlage erzeugt man eine wirksame Kühlung der Luft unter Druck, die den Motor beschickt, und zwar wegen der im Wärmeaustauscher 17 stattfindenden Wärmeableitung und wegen der anschliessenden Expansion in der Turbine 19.The system described creates an effective cooling of the air under pressure that feeds the engine, namely because of the heat dissipation taking place in the heat exchanger 17 and because of the subsequent expansion in the turbine 19th
Der Druck und daher die Luftdichte am Eintritt in die Zylinder können ohne starke Steigerung der Leistung des LadersThe pressure and therefore the air density at the entry into the cylinders can be achieved without greatly increasing the performance of the supercharger
15 auf den vorgesehenen Werten gehalten werden, weil ein Teil des in der Turbine 19 von der Luft verlorenen Drucksprunges durch die mit dem Ililfslader 13 davor erzielte Drucksteigerung ausgeglichen wird.15 are kept at the intended values because part of the pressure jump lost in the turbine 19 from the air by the one achieved with the Ililfslader 13 before Pressure increase is compensated.
Diese Ergebnisse wurden mit verschiedenen Ausführungsformen der Anlage rechnerisch bestätigt.These results have been mathematically confirmed with various versions of the system.
Mit einem Schleuderlader 15, der ein VerdichtungsverhältnisWith a centrifugal loader 15, which has a compression ratio
A = 3 leistet, mit einem Wärmeaustauscher 17, der einen cA = 3 performs, with a heat exchanger 17, the one c
Wirkungsgrad i) - 0,8 hat - davon ausgehend, dass die Raumlufttemperatur T = 27 C ist und dass die Anlage weder die Turbine 19 noch den Lader 13 besitzt - wurden am Eingang in die Zylinder eine Temperatur der verdichteten Luft T' = 53 CEfficiency i) - 0.8 has - assuming that the room air temperature is T = 27 C and that the system has neither the turbine 19 nor the charger 13 - the compressed air temperature T '= 53 C at the inlet to the cylinder
x 3 a x 3 a
und eine Luftdichte O= 0,325 kg /m gemessen.and an air density of O = 0.325 kg / m 2 was measured.
Bei Anwendung eines Schleuderladers 15, der ein Verdichtungs"»When using a centrifugal loader 15, which has a compression "»
verhältnis /, =4 leistet, eines Schleuderladers 13 mit βίο ratio /, = 4 makes a centrifugal loader 13 with βίο
nem Verdichtungsverhältnis 5 =1/7 und einer Turbine 19,nem compression ratio 5 = 1/7 and a turbine 19,
C SC S
in der ein Drucksprung Jl = 2,^5 erzielt wird, wurden dagegen, am Eingang in die Zylinder eine Temperatur der verdichtetenin which a pressure jump Jl = 2, ^ 5 is achieved, on the other hand, at the entrance to the cylinder a temperature of the compressed
Luft T = 22°C und eine Luftdichte 6= 0,333 kg /m gemessen a _ mAir T = 22 ° C and an air density 6 = 0.333 kg / m measured at the
Es wurde daher praktisch die gleiche Aufladung- des Motors erzielt, da die Luftdichte im wesentlichen die gleiche ist, aber mit einem beträchtlichen Unterschied der Lufttemperatur: 58°C gegen 22°C.Practically the same supercharging of the engine has therefore been achieved, since the air density is essentially the same, but with a considerable difference in air temperature: 58 ° C versus 22 ° C.
Würde man keinen Lader 13 vorsehen, so wäre ein Turbolader 15, eventuell mit mehreren Stufen, erforderlich, der in der ' Lage sein sollte, das Gesamtverdichtungsverhältnis 4 χ 1,7 = 6,8 zu liefern.If no charger 13 were provided, it would be a turbocharger 15, possibly with several stages, is required, which should be able to achieve the overall compression ratio 4 χ 1.7 = 6.8 to deliver.
ORiGlSMALORiGlSMAL
Die in Fig. 2 dargestellte Aufladungsanlage weist diÄ gleichen Bestandteile der Anlage nach Fig. 1 auf, die daher mit den gleichen Nummern bezeichnet sind.The charging system shown in Fig. 2 has the same Components of the system according to FIG. 1, which are therefore denoted by the same numbers.
Die beiden Anlagen arbeiten genau in derselben Weise und der einzige Konstruktionsunterschied besteht in der Anordnung
des Laders 13, der in diesem zweiten Fall nach dem Lader 15 angeordnet ist.The two systems work in exactly the same way and the only design difference is in the arrangement
of the loader 13, which in this second case is arranged after the loader 15.
Claims (3)
den Wärmeaustauschmitteln angeordnet ist, sowie mit zwei ten Luftverdichtungsmitteln versehen ist, die vor den
Wärmeaustauschmitteln angeordnet sind und mit der Turbi" ne in Wirkverbindung stehen./ 1J Charging system for an internal combustion engine / which has at least one air intake line, which is provided with first air compression means and is in operative connection with the engine, as well as heat exchange means for partial air cooling, which are arranged after the first compression means and are characterized by: that they also have at least one turbine, where the air undergoes a partial expansion and the after
the heat exchange means is arranged, and is provided with two th air compression means, which is in front of the
Heat exchange means are arranged and are in operative connection with the turbine.
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Legal Events
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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| 8165 | Publication of following application cancelled |