DE349350C

DE349350C - Piston engine with suction effect in the exhaust line achieved through a nozzle-like slot outlet

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Publication number: DE349350C
Application number: DENDAT349350D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Publication date: 1922-03-03

Description

Kolbenkraftmaschine mit durch düsenartige Schlitzauslässe erreichter Nachsaugwirkung in der Auspuffleitung. Bei Verbrennungsmaschinen ist es bekannt, durch Fortsetzung der Auslässe in glatten und ohne scharfe Krümmungen ineinandergeführten Rohren die in den auspuffenden Dämpfen oder Gasen noch enthaltene Energie zur Erzeugung eines unterhalb der Atmosphäre liegenden Druckes im Arbeitszylinder auszunutzen; dabei hat man auch eine saugende Einwirkung des beginnenden Auspuffs eines Zylinders auf einen anderen zugleich in das gemeinsame Auspuffrohr geöffneten Zylinder mit zur Erzielung kräftiger Saugwirkung herangezogen.Piston engine with achieved through nozzle-like slot outlets Suction effect in the exhaust line. In internal combustion engines, it is known by continuing the outlets in smooth and without sharp bends into one another Pipes the energy still contained in the exhausting vapors or gases for generation take advantage of a sub-atmosphere pressure in the working cylinder; there is also a sucking effect from the beginning of the exhaust of a cylinder to another cylinder that is open at the same time in the common exhaust pipe used to achieve strong suction.

Das Wesen der Erfindung besteht zuvörderst darin, daß die zur Erreichung eines möglichst gleichförmigen Gasstromes in der, Auspuffleitungen erforderliche Dehnung der Auspuffdauer durch Ausströmquerschnitte in Gestalt kleiner von der Kolbentotlage verhältnismäßig weit entfernter Schlitzauslässe erreicht ist. Die Wirksamkeit dieser während des größten Teiles der Auspuffzeit voll beaufschlagten Düsen und damit die erreichbare Leersaugung des Zylinders werden damit besonders günstig. In demselben Sinne besteht noch eine weitere wichtige Einzelmaßnahme zur Anpassung der neuen Anordnung an Maschinen mit unregelmäßigem Kurbelversatze oder an synchron laufende Einzelmaschinen (beispielsweise an Drehstromnetzen), in so verschiedener Bemessung der Eröffnungsdauer und -größe der Auslässe der verschiedenen Zylinder, daß auch in diesem Falle eine gute Aneinanderreihung der Auspuffwellen erfolgt. Der Ausströmquerschnitt und damit auch die Ausströmdauer können ein für alle Male an der Maschine festgelegt sein oder auch mit besonderem Vorteile vom Drehzahlregler durch Ab- und Zuschalten oder Drosseln einer Gruppe zusammengeführter Leitungen während des Betriebes dauernd beeinflußt werden, so daß sich auch bei Änderungen der Drehzahl und der Füllung nie wesentliche Überdeckungen oder Abstände der Auspuffwellen ergeben.The essence of the invention is first of all that to achieve a gas flow that is as uniform as possible in the exhaust pipes is required Extension of the exhaust duration through outflow cross-sections in the shape of smaller than the piston dead center relatively distant slot outlets is reached. The effectiveness of this fully pressurized nozzles during most of the exhaust time and thus the achievable emptying of the cylinder are thus particularly favorable. In the same Meaning there is another important individual measure to adapt the new Arrangement on machines with irregular crank offsets or on machines that run synchronously Individual machines (for example on three-phase networks), in so different dimensions the opening duration and size of the outlets of the various cylinders, that too in this case the exhaust shafts are well aligned. The outflow cross-section and thus the duration of the discharge can be set once and for all on the machine or with particular advantages from the speed controller by switching it on and off or throttling of a group of merged lines continuously during operation can be influenced, so that changes in speed and filling never result in significant overlaps or clearances between the exhaust shafts.

Wertvoll für die Erfindung ist es endlich, am Ende jeder Einzel- oder Sammelauspuffleitung einen Diffusor anzubringen, der di.: vorhandene Strömungsenergie regelrecht in Pressungsenergie umzusetzen d. h. den niedrigen Auspuffleitungsdruck auf den höheren Auspuffdruck des Auspuffraumes (Atmosphäre, Vorwärmer, Aufnehmer, Heizsystem usw.) zu bringen hat. Übersteigt das Verdichtungsverhältnis das kritische Verdichtungsverhältnis, z. B. bei Dampf i : 1,73, so muß der Querschnitt im Diffusor erst verkleinert und dann vergrößert werden, bleibt dagegen das Verdichtungsverhältnis unter diesem Wert, so muß der Querschnitt im Diffusor lediglich erweitert werden. Dabei ist es zweckmäßig, für jede Längeneinheit des Diffusors angenähert denselben Betrag von Strömungsenergie in Preßenergie umzusetzen, weil dann die größte Sicherung gegen Schwingungserscheinungen gegeben ist. Der Diffusor bildet die letzte und wirksamste Sicherung gegen das Eindringen der Atmosphäre. Wenn noch Wellen in der Leitung vorhanden sein sollten, werden diese so zusammengeschoben, daß sie in ihrer Gesamtheit eine sehr wirksame Sicherung bilden.Finally, it is valuable for the invention to attach a diffuser at the end of each individual or collective exhaust line, which converts the existing flow energy into pressure energy, i.e. the low exhaust line pressure on the higher exhaust pressure of the exhaust chamber (atmosphere, preheater, sensor, heating system, etc.) has to bring. If the compression ratio exceeds the critical compression ratio, e.g. B. for steam i: 1.73, the cross-section in the diffuser must first be reduced and then increased; if, on the other hand, the compression ratio remains below this value, the cross-section in the diffuser only has to be enlarged. It is useful to convert approximately the same amount of flow energy into pressing energy for each unit of length of the diffuser, because then the greatest protection against vibration phenomena is provided. The diffuser forms the last and most effective protection against the ingress of the atmosphere. If there are still waves in the line, these are pushed together so that they form a very effective fuse in their entirety.

Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung, und zwar sind Abb. z und 2 Querschnitt und Längsschnitt eines Zylinders, der beispielsweise als Gleichstrom-Dampfmaschinenzylinder dienen kann, Abb. 3 und q. Querschnitte anderer Ausführungsformen des die Düsen enthaltenden Mittelteiles des Zylinders, Abb.5 eine Veranschaulichung der Zylinderanordnung nebst Auspuffrohren einer vierzylindrigen Maschine nach Abb. i und 2, Abb. 6 bis 8 Kurbel- und Indikatordiagramme für Maschinen mit drei verschiedenen Kurbelzahlen oder Zylinderzahlen, Abb. 9 ein Querschnitt eines Zylinders mit Einzelauspuffrohren verschiedener Längen, Abb. io ein Längsschnitt eines Zylinders mit Auspuffschlitzen verschiedener Vorausströmung, Abb. i i ein Diagramm zur Veranschaulichung der Auspuffverhältnisse.The drawing illustrates the invention, namely Fig and FIG. 2 cross-section and longitudinal section of a cylinder, which is used, for example, as a direct-current steam engine cylinder can serve, Fig. 3 and q. Cross-sections of other embodiments of the nozzles containing middle part of the cylinder, Fig.5 an illustration of the cylinder arrangement together with the exhaust pipes of a four-cylinder engine according to Fig. i and 2, Fig. 6 bis 8 crank and indicator diagrams for machines with three different crank numbers or cylinder numbers, Fig. 9 is a cross-section of a cylinder with individual exhaust pipes various lengths, Fig. io a longitudinal section of a cylinder with exhaust ports different pre-flow, Fig. i i a diagram to illustrate the exhaust conditions.

Der Dampfzylinder i (Abb. i und 2) enthält in seinem mittleren Teile Auslaßdüsen 2. die je nach dem zu verarbeitenden Druckgefälle nur als Mündungen oder als sich erweiternde Düsen ausgebildet sind. Die Düsen :2 sind im Verhältnis zu der Vorausströmungslänge 3, die zum Hube des Arbeitskolbens 5 in dem durch die gewünschte Ausströmung bedingten Zusammenhange steht, von kleinem Durchmesser, so daß sie während des größten Teiles des Hubstückes 3 ganz offen sind und daher günstig arbeiten. Die Düsen 2 sind in langen Rohren 6 fortgesetzt, in denen sich die Auspuffwellen mit der ihnen durch die Düsen erteilten unterhalb der Atmosphäre liegenden Spannung fortbewegen, um eine gleichmäßige Saugwirkung sicherzustellen und am Ende der Rohre 6 durch Diffusoren oder ähnliche Glieder wieder auf atmosphärische Spannung oder auf die Spannung eines angeschlossenen Kondensators verdichtet zu werden. Die Diffusoren sind einfache erweiterte Rohrmündungen, wenn sie nicht über das kritische Druckverhältnis hinaus zu verdichten haben; anderenfalls sind sie ähnlich wie eine Düse eingeschnürt und wieder erweitert.The steam cylinder i (fig. I and 2) contains in his middle parts outlet nozzles 2. depending on the pressure gradient to be processed only are designed as mouths or as widening nozzles. The nozzles: 2 are in relation to the pre-flow length 3, which corresponds to the stroke of the working piston 5 in which is conditioned by the desired outflow, from the small Diameter, so that they are completely open during most of the lifting piece 3 and therefore work cheaply. The nozzles 2 are continued in long tubes 6, in which the exhaust shafts with the one given to them by the nozzles below the Move the tension away from the atmosphere to ensure even suction and at the end of the tubes 6 through diffusers or similar members back to atmospheric Voltage or compressed to the voltage of a connected capacitor will. The diffusers are simple extended pipe mouths when they don't have have to compress the critical pressure ratio; otherwise they are constricted and expanded again like a nozzle.

Bei den Ausführungsformen nach Abb.3 und 4 sind diese Verhältnisse die gleichen, nur ist der ganze Zylinderumfang mit Düsen besetzt, und außerdem sind die einzelnen Auspuffteile zusammengeleitet, so daß sie in einem einzigen gemeinsamen Anschlußrohre weitergeführt werden können.In the embodiments according to Figures 3 and 4, these ratios are the same, only the entire circumference of the cylinder is filled with nozzles, and in addition are the individual exhaust parts are brought together so that they are in a single common Connection pipes can be continued.

Bei Mehrzylindermaschinen können (nach Abb. 5) die einzelnen Auspuffrohre 6 zusammengeführt sein. Dazu sind sie 'zunächst unverändert auf eine bestimmte Länge 7 einzeln fortgeführt, und zwar ist diese Länge 7 so groß und, der Querschnitt der Rohre so bemessen, daß in diesen Rohrteilen sich die gesamte Nachexpansion abspielt, die im ersten Teile der Auspuffzeit auftreten kann, wenn beispielsweise das Düsenexpansionsverhältnis für etwa 2,5 Atm. paßt, das Druckgefälle dagegen noch 3 Atm. beträgt. Hinter diesen Rohrlängen 7 sind die Verbindungsrohre 6 in Zusammenführungsstellen 8 derart zu gemeinsamen langen Auspuffrohren 9 zusammengeführt, daß je ein Rohr von jedem der Zylinder r ausgewählt und diese untereinander vereint sind. Nach Maßgabe der Verhältnisse können auch zwei oder mehr Rohre jedes Zylinders zusammengefaßt sein und bei genügender Wellengleichheit auch sämtliche Sammelrohre 9, so daß ein einziges Sammelrohr vorhanden ist.With multi-cylinder machines (as shown in Fig. 5) the individual exhaust pipes 6 be merged. For this purpose, they are initially unchanged for a certain length 7 continued individually, namely this length 7 is so large and, the cross-section of the Dimension the pipes so that the entire post-expansion takes place in these pipe parts, which can occur in the first part of the exhaust time, for example when the nozzle expansion ratio for about 2.5 atm. fits, the pressure drop, however, still 3 atm. amounts to. Behind this Pipe lengths 7 are the connecting pipes 6 in junction points 8 in such a way common long exhaust pipes 9 merged, that one pipe from each of the Cylinder r selected and these are united with one another. According to the circumstances two or more tubes of each cylinder can also be combined and with sufficient Wave equality also all manifolds 9, so that a single manifold is available is.

Wenn die Auspuffhübe der einzelnen Zylinder zeitlich gleichmäßig versetzt sind, können die Längen der Rohre 6 untereinander gleich sein. Wenn aber ein ungleichmäßiger Versatz vorliegt, oder wenn etwa zwei Zylinder zugleich auspuffen und demgemäß ein Auseinanderdrängen der Auspuffwellen an bestimmten Stellen eintreten würde, sind die Längen der Einzelrohre durch Einlegen von Rohrschlingen derartig verschieden zu beinessen, daß sie an der Zusammenführungsstelle 8 genügend weit gegeneinander verschoben ankommen. Wenn beispielsweise die beiden zumeist rechts liegenden Zylinder r gleichzeitig auspuffen, erhalten die Rohre 6 des ganz rechts liegenden Zylinders große Rohrspiralen oder sonstige Umleitungen eingefügt; die hier durchströmenden Auspuffgase oder -dämpfe kommen dann an der Zusammenführungsstelle 8 so viel später an, daß sie sich mit den Wellentälern der Auspuffe des anderen Zylinders überlagern, ohne daß eine den Rohrquerschnitt überlastende Zusaminendrängung von Auspuffwellen entsteht.When the exhaust strokes of the individual cylinders are evenly offset in time are, the lengths of the tubes 6 can be equal to one another. But if an uneven There is an offset, or if, for example, two cylinders are exhausted at the same time and accordingly one Forcing the exhaust shafts apart would occur at certain points the lengths of the individual pipes are so different by inserting pipe loops to beinessen that they are far enough against each other at the merging point 8 arrive postponed. If, for example, the two cylinders, which are mostly on the right r exhaust at the same time, get the pipes 6 of the cylinder on the far right large spiral pipes or other diversions inserted; the ones flowing through here Exhaust gases or vapors then arrive at the junction 8 so much later that they overlap with the wave troughs of the exhausts of the other cylinder, without a congestion of exhaust shafts overloading the pipe cross-section arises.

Ähnlich können (nach Abb. g) bei einem einzigen Zylinder mit mehreren Einzelauslässen die einzelnen Auslaßrohre 6 vor ihren Zusammenführungsstellen 8 in Rohrspiralen io einen verlängerten Weg von verschiedener Größe erhalten, indem die Spiralen io untereinander verschiedene Windungszahl oder verschiedenen Durchmesser besitzen; oder es können auch sonstwie geformte Umwege eingeschaltet sein.Similarly (according to Fig. G) with a single cylinder with several Individual outlets the individual outlet pipes 6 in front of their merging points 8 in coiled tubing io an elongated path of various sizes obtained by the spirals io different numbers of turns or different diameters own; or otherwise shaped detours can also be switched on.

Eine weitere Dehnung der Auspuffwellen eines einzigen Zylinders ist (nach Abb. ro) erreichbar, indem die einzelnen Auslaßschlitze 2 verschieden weit vom Hubende in der Zylinderlaufbahn münden, so daß sie verschieden große Vorausströmungen besitzen. Soweit erforderlich können auch hier die Verbindungsrohre 6 verschieden große Längen erhalten, und es sind auch noch sonstige Vereinigungen der in den Abb. 5, 9 und io dargestellten Einzelausführungen möglich, so daß an beliebige Verhältnisse des Motors eine Anpassung der Auspuffleitungen zu guter Wellenaneinanderreihung stets erreichbar ist.Another stretch of the exhaust shafts of a single cylinder is (according to Fig. ro) can be achieved by making the individual outlet slots 2 differently far open from the end of the stroke in the cylinder liner, so that they advance flows of different sizes own. If necessary, the connecting pipes 6 can also be different here obtained great lengths, and there are also other associations of the in Fig. 5, 9 and io shown individual designs possible, so that any proportions of the engine an adaptation of the exhaust lines to a good shaft alignment is always available.

Die Vorausströmungslängen (vg1.3, Abb.2) sind so zu bemessen, daß in jedem Augenblicke einer der Zylinder Ausströmung besitzt. So zeigt Abb.6 ein Diagramm mit 50 Prozent Vorausströmung, und dieses würde bei einer Maschine mit einem doppeltwirkenden Zylinder oder mit zwei einfachwirkenden Zweitaktzylindern oder mit vier einfachwirkenden Viertaktzylindern gerade eine lückenlose Aneinanderreihung der Auspuffe im Sammelrohr 9 bedeuten. Das zweite Diagramm (Abb.7) würde in derselben Art mit einer Vorausströmung von 25 Prozent die lückenlose Aneinanderreihung etwa bei einem normalen- dreizylindrigen Zweitaktverbrennungsmotor oder bei einem sechszylindrigen Viertaktmotor bedeuten. Das letzte Diagramm (Abb. 8) endlich zeigt, wie mit 7 Prozent Vorausströmun z die Aneinanderreihunz etwa hei einem sechszylindrigen Zweitaktmotor sich ergibt.The pre-flow lengths (vg1.3, Fig.2) are to be dimensioned in such a way that one of the cylinders has an outflow at every moment. Fig. 6 shows a diagram with 50 percent pre-flow, and in a machine with a double-acting cylinder or with two single-acting two-stroke cylinders or with four single-acting four-stroke cylinders, this would mean a complete stringing of the exhausts in the manifold 9. The second diagram (Fig. 7) would, in the same way, with a pre-flow of 25 percent, mean the seamless sequence for a normal three-cylinder two-stroke internal combustion engine or a six-cylinder four-stroke engine. The last diagram (Fig. 8) finally shows how, with 7 percent advance flow, the rowing results for a six-cylinder two-stroke engine.

In ähnlicher Weise ergehen sich die Verhältnisse auch bei Maschinen mit Ausströmung durch gesteuerte Ventile oder ähnliche Glieder, nur brauchen dort die Punkte 11, 12 (Abb. 6 bis 8) für den Beginn und Schluß der Ausströmung nicht um gleiche Winkel votr Kurbeltotpunkte entfernt liegen, da die Steuerungen hier weiten Spielraum lassen.The situation is similar with machines with outflow through controlled valves or similar members, just need there points 11, 12 (Fig. 6 to 8) for the beginning and end of the outflow are not by the same angle from the crank dead center, since the controls are here leave a lot of leeway.

Das Diagramm (Abb. i i) zeigt in der Linie 13 den Druckverlauf im Zylinder nach dem Kurbelwinkel aufgetragen und gibt verschiedene Auslaßeröffnungslinien 1d., 15, 16, die sämtlich der Einheitlichkeit halber für eine Ausströmung von 50 Prozent vor bis 5o Prozent nach dem Totpunkte gezeichnet sind. Die Höhen der Linien bedeuten die Größe des Ventilspaltquerschnittes oder ihm entsprechenden Auslaßquerschnittes. Von diesen zeigt die oberste Linie 1.1 die übliche ähnlich einer Sinuslinie verlaufende Gestalt, die auf die Drucke während des Ausströmungsvorganges keinerlei Rücksicht nimmt. Die zweite Linie 15 entspricht der Schlitzeröffnung einer Schlitzauslaßmaschine mit kleinen weit vom Totpunkte entfernt liegenden Düsen, die während des größten Teiles der Ausströmung voll offenstehen und demgemäß guten Wirkungsgrad haben. Die unterste Linie 16 endlich entspricht einer Maschine mit gesteuertem Auslaßventil oder einem ähnlichen Auslaßgliede. Der Ventilquerschnitt nimmt hierbei während des Anhebens in derartiger zeitlicher Bemessung zu, daß in jedem Augenblick der gerade geöffnete Ventilspalt mit dem größten Querschnitt im Ventilhalse ein Düsenerweiterungsverhältnis ergibt, das dem gerade herrschenden Drucke im Zylinder die richtige Expansion auf den Gegendruck ermöglicht. -.L%Iit sinkendem Zylinderdruck steigt demgemäß der Spaltquerschnitt, so daß das Düsenerweiterungsverhältnis passend sinkt; sobald dann das kritische Druckgefälle zwischen Zylinderdruck und Gegendruck unterschritten wird und demgemäß keine erweiterte Düse sondern nur eine einfache Mündung nötig ist, steht das Ventil in voll geöffneter Lage mit überall gleich großem Querschnitt eine Zeitlang still, um dann möglichst schnell geschlossen zu werden- Die Beschleunigungsverhältnisse bedingen unter Umständen, daß sofort nach Erreichen der höchsten Lage die Schließbewegung einsetzen muß; dann würde der oberste wagerecht verlaufende Teil der Linie 16 zu einem Punkt zusammenschrumpfen. Die sämtlichen Linien 1d., 15, 16 geben naturgemäß nur den ungefähren- Charakter der wirklich zu erzielenden Linien wieder, da diese für verschiedene Kraftmaschinen ungleich sind.The diagram (Fig. Ii) shows in line 13 the pressure curve in the cylinder plotted according to the crank angle and gives various outlet opening lines 1d., 15, 16, which for the sake of uniformity are all drawn for an outflow of 50 percent before to 50 percent after dead center are. The heights of the lines mean the size of the valve gap cross section or the outlet cross section corresponding to it. Of these, the top line 1.1 shows the usual shape running similar to a sine line, which does not take any account of the pressures during the outflow process. The second line 15 corresponds to the slot opening of a slot outlet machine with small nozzles located far from the dead center, which are fully open during most of the outflow and accordingly have good efficiency. The bottom line 16 finally corresponds to a machine with a controlled exhaust valve or a similar exhaust member. The valve cross-section increases during the lifting in such a temporal dimension that at every moment the currently open valve gap with the largest cross-section in the valve neck results in a nozzle expansion ratio that allows the pressure prevailing in the cylinder to expand correctly to the counter pressure. -.L% With decreasing cylinder pressure, the gap cross-section increases accordingly, so that the nozzle expansion ratio decreases appropriately; As soon as the pressure drop below the critical pressure gradient between cylinder pressure and counter pressure and accordingly no extended nozzle but only a simple orifice is required, the valve stands still for a while in the fully open position with the same cross-section everywhere, only to be closed as quickly as possible may require the closing movement to start immediately after reaching the highest position; then the uppermost horizontally extending part of the line 16 would shrink to a point. All of the lines 1d., 15, 16 naturally only reproduce the approximate character of the lines that are actually to be achieved, since these are unequal for different prime movers.

Bei der düsenartigen Ausbildung der Auslaßventile besteht das Wesentliche darin, daß an die Sitzflächen sich Leitflächen anschließen, die ohne scharfen Knick in die Sitzflächen übergehen, und zwar sowohl beim Ventilteller wie auch beim Ventilsitz. Weiterhin sind nur in üblicher Weise -möglichst schlanke Überführungen der einzelnen Querschnitte ineinander wichtig, so daß keine die Strömung störenden Hervorragungen in dem Durchflußraum sich befinden.The essentials are the nozzle-like design of the exhaust valves in that baffles are connected to the seat surfaces without any sharp kink merge into the seat surfaces, both with the valve head and with the valve seat. Furthermore, only in the usual way - as slim as possible transfers of the individual Cross-sections in each other important, so that no protrusions that interfere with the flow are located in the flow space.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Piston engine with suction effect in the exhaust line achieved by nozzle-like slot outlets, characterized in that the outlets are designed as small openings that are far removed from the piston dead center, that is, openings controlled by the piston with a high looping speed, for the purpose of a known stringing together of the individual exhaust shafts to achieve in the exhaust pipe with good efficiency of the outlets designed as nozzles.

2. Machine according to claim i, with individually forwarded from the cylinder outlets Exhaust lines, characterized in that when the speed or the Filling of all individual lines in order to maintain good corrugation one or more collecting lines or these collecting lines themselves switched off or on or be throttled.

3. Machine according to claim 1, characterized in that each individual exhaust line or collective exhaust line ends in a diffuser, which for the purpose of favorable transfer of the low exhaust line pressure to the larger one Exhaust pressure is only narrowed when the critical compression ratio is exceeded then expanded, but if the critical compression ratio is not exceeded is only extended.