DE662196C

DE662196C - Internal combustion engine with exhaust gas turbine

Info

Publication number: DE662196C
Application number: DEH146019D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Otto Elwert
Original assignee: Humboldt Deutzmotoren AG
Current assignee: Humboldt Deutzmotoren AG
Priority date: 1935-12-20
Filing date: 1935-12-20
Publication date: 1938-07-07

Description

Brennkraftmaschine mit Abgasturbine Die Erfindung bezieht sich auf die Ausnutzung der Abgasenergie von Brennkraftmaschinen in einer Abgasturbine, beispielsweise für den Antrieb eines Spül- und Ladegebläses.Internal combustion engine with exhaust gas turbine The invention relates to the utilization of exhaust gas energy from internal combustion engines in an exhaust gas turbine, for example for driving a flushing and loading fan.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß der größte Teil der Abgasenergie unmittelbar nach Eröffnung derArbeitszylinder zur Verfügung steht und bei der üblichen Stauung der Gase vor der Turbine ein Teil der Energie verlorengeht, weil eine Verminderung des nutzbaren Druckgefälles durch die Vergrößerung des Zylinderraumes um den Inhalt des Stauraumes entsteht. Es soll daher eine reine Geschwindigkeitsturbine verwendet werden, bei welcher die Abgase bereits vor dem Eintritt in die Turbinenschaufeln auf den Gegendruck hinter der Turbine entspannt sind. Die Entspannungsdüsen sollen möglichst unmittelbar an den Ausströmquerschnitt des Arbeitszylinders ansetzen und die Turbine nahe den Zylindern angeordnet sein.The invention is based on the fact that most of the exhaust gas energy immediately after opening the working cylinder is available and at the usual Stowage of the gases in front of the turbine part of the energy is lost because of a reduction the usable pressure gradient by enlarging the cylinder space by the content of the storage space is created. A pure speed turbine should therefore be used in which the exhaust gases already enter the turbine blades are relaxed to the back pressure behind the turbine. The relaxation jets should Place as close as possible to the outflow cross-section of the working cylinder and the turbine must be arranged close to the cylinders.

Solche Turbinen zeigen in Verbindung mit Brennkraftmaschinen den Mangel, daß die nach dem ersten Druckabfall nachströmenden Abgase hemmend auf die Turbinenschaufeln einwirken, da ihre geringe Geschwindigkeit nicht mehr der Schaufelform und der Umfangsgeschwindigkeit der Turbine entspricht.Such turbines show in connection with internal combustion engines the deficiency, that the exhaust gases flowing in after the first pressure drop inhibit the turbine blades act, since their low speed no longer depends on the shape of the blade and the peripheral speed corresponds to the turbine.

Bei kolbengesteuerten Zweitaktmaschinen hat man daher vorgeschlagen, die Auspufföffnung des Zylinders zu unterteilen, um nur die ersten Abgase mit hohem Druckgefälle (Vorauslaßgase) der Geschwindigkeitsturbine zuzuführen und die weiteren während des Spülvorganges aus dem Zylinder austretenden Gase nach einer zweiten Turbine zu leiten. Diese Lösung der Aufgabe ist wegen der notwendigen doppelten Ausführung von Auslaßöffnüngen und -leitungen umständlich. Ferner wird das Nachströmen niedriggespannter Gase auch durch die erste Turbine nicht vermieden und deshalb eine Hemmung auf die Beschaufelung dieser Turbine eintreten. In einem solchen Falle ist es ferner bekannt, die aus der zweiten Kanalreihe austretenden Gase niedrigen Druckes durch Öffnungen des ersten Turbinenrades hindurch in den Stauraum vor dem zweiten Turbinenrad zu leiten.In the case of piston-controlled two-stroke engines, it has therefore been proposed that to divide the exhaust port of the cylinder to only the first exhaust gases with high Feed pressure gradient (discharge gases) to the speed turbine and the others gases emerging from the cylinder during the purging process after a second Direct turbine. This solution to the problem is twofold because of the need for it Execution of outlet openings and lines cumbersome. Furthermore, the after-flow Low-voltage gases are also not avoided by the first turbine and therefore an inhibition occur on the blades of this turbine. In such a case it is also known that the gases emerging from the second row of channels are low Pressure through openings in the first turbine wheel into the storage space in front of the second turbine wheel to direct.

Die Erfindung beseitigt die genannten Mängel und ermöglicht damit die Anwendung der für die Ausnutzung der Abgasenergie günstigen reinen Geschwindigkeitsturbine. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase hohen und niederen Druckes durch dieselbe Leitung der Turbine zugeführt werden und zwischen den Leitschaufeln und der Beschaufelung des Laufrades ein Raum vorgesehen ist, der unter äußerer Umgebung der Beschaufelung mit dem Raum hinter dem Turbinenrad in offener Verbindung steht. Es treten nur diejenigen Gase in die Beschaufe- Jung ein und geben ihre Energie an die Turbine ab, die auf Grund des ersten hohen Druckgefälles eine große Geschwindigkeit in den Düsen erhalten haben. Die mit niedriger Geschwindigkeit nachströmenden Spülgase da ,= gegen werden von den Schaufeln abgewiesen und strömen um den äußeren Umfang des Laufrades herum unmittelbar in den dahinter liegenden Raum. Darauf können diese Gase zusammen mit den aus dem Laufrad austretenden Gasen entweder ins Freie abgeleitet oder zwecks Ausnutzung eines restlichen Gefälles gesammelt -werden. Ein wesentlicher Vorzug der Ausbildung der Turbine gemäß der Erfindung besteht darin, @daß keine Steuerung oder Anpassung an bestimmte Betriebsverhältnisse notwendig sind, sondern die Wirkung in jedem Falle selbsttätig so eintritt, wie es der bestmöglichen Ausnutzung des Druckgefälles entspricht.The invention eliminates the shortcomings mentioned and thus enables the application of the pure speed turbine favorable for the utilization of the exhaust gas energy. The invention is characterized in that the exhaust gases are high and low pressure are fed through the same line to the turbine and between the guide vanes and the blades of the impeller are provided with a space that is below the external environment the blading is in open connection with the space behind the turbine wheel. Only those gases enter the loading Young one and give their energy to the turbine, which due to the first high pressure drop a have received great speed in the nozzles. The ones with low speed After-flowing purge gases there, = against are rejected by the blades and flow around the outer circumference of the impeller immediately into the one behind it Space. These gases can then be used together with the gases emerging from the impeller either diverted to the open air or collected in order to utilize a remaining slope -will. A major advantage of the design of the turbine according to the invention consists in @ that no control or adaptation to certain operating conditions are necessary, but the effect occurs automatically in each case as it corresponds to the best possible utilization of the pressure gradient.

Die Erfindung ist bei jeder Art von Brennkraftmaschinen anwendbar. Bei Höhenflugmotoren ist sie besonders wertvoll, weil dort das Druckgefälle höher und der Unterschied in der Geschwindigkeit der Auspuffgase größer ist als in Bodennähe.The invention can be used in any type of internal combustion engine. It is particularly valuable for high-altitude engines because the pressure gradient is higher there and the difference in the speed of the exhaust gases is greater than near the ground.

Auf der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ein kolbengesteuerter Zweitakt-Sternmotor mit einem gleichachsig gelagerten Turbinengebläse dargestellt. Abb. z ist ein Längsschnitt durch die Maschine und das Turbinengebläse, undAbb. 2 ein Teilschnitt durch das Turbinengehäuse. Abb. 3 zeigt die Geschwindigkeitsverhältnisse derAbgase gegenüber der Turbinenbeschaufelung.In the drawing is an exemplary embodiment of the subject matter of the invention a piston-controlled two-stroke radial engine with a turbine fan mounted on the same axis shown. Fig.z is a longitudinal section through the machine and the turbine fan, and Fig. 2 shows a partial section through the turbine housing. Fig. 3 shows the speed ratios of the exhaust gases compared to the turbine blades.

Die Kolben a der Arbeitszylinder b arbeiten auf die Kurbelwelle c. Auf einer unabhängig gelagerten Welle d sind die Laufräder e und feiner Geschwindigkeitsturbine und einer Stauturbine sowie die Läufer g des zweistufigen Spül- und Ladegebläses befestigt. Das Gebläse fördert die Luft durch einzelne Leitungen h in einen Ringraum j des Kurbelgehäuses, der auf der linken Seite des Zylindersterns über Kanäle k mit den einzelnen Arbeitszylindern b verbunden ist.The pistons a of the working cylinder b work on the crankshaft c. The impellers e and fine speed turbine and an accumulation turbine as well as the rotors g of the two-stage flushing and charging fan are attached to an independently mounted shaft d. The fan conveys the air through individual lines h into an annular space j of the crankcase, which is connected to the individual working cylinders b on the left side of the cylinder star via channels k.

Der Kolben des unteren Arbeitszylinders befindet sich gerade in seiner oberen Totlage, in der er den düsenförmigen Auspuffkanal m freigegeben hat. Dieser Kanal ist als Geschwindigkeitsdüse ausgebildet, die sich unmittelbar an den Zylinder anschließt. Die bei Beginn der Kanalöffnung unter Druck stehenden Abgase entspannen sich in der Düse in auf den Druck des hinter der Geschwindigkeitsturbine befindlichen Sammelraumes o. Sie treten durch die Leitschaufeln p in -die Turbinenschaufeln q ein, an die sie ihre Geschwindigkeit abgeben. Die während der Durchspülung des Zylinders nachströmenden Gase niederen Druckes erhalten in den Düsen in eine für den Turbinenantrieb nicht mehr ausreichende Geschwindigkeit. Diese Gase strömen durch den Kanal r außen um das Turbinenrad e herum unmittelbar in den Sammelraum o. Die Strömungswege der mit verschiedener Geschwindigkeit zur Turbine gelangenden Abgase sind in Abb. 2 durch Pfeillinien angedeutet. Die im Raum o gesammelten Gase beaufschlagen die Stauturbine f zwecks Ausnutzung des restlichen Druclcgefälles.The piston of the lower working cylinder is currently in his top dead center, in which he has released the nozzle-shaped exhaust duct m. This Channel is designed as a speed nozzle, which is located directly on the cylinder connects. Relieve the exhaust gases that are under pressure at the beginning of the duct opening in the nozzle in on the pressure of the located behind the speed turbine Collection space o. They enter through the guide vanes p in -the turbine blades q one to which they give up their speed. The during the flushing of the cylinder Downstream gases of low pressure are fed into the nozzles for the turbine drive no longer sufficient speed. These gases flow outside through the channel r around the turbine wheel e directly into the collecting space o. The flow paths of the Exhaust gases reaching the turbine at different speeds are shown in Fig. 2 indicated by arrow lines. The gases collected in room o act on the storage turbine f for the purpose of utilizing the remaining pressure drop.

Im Schaubild Abb. 3 bedeuten v1 und v2 die absoluten Geschwindigkeiten der Gase beim Austritt aus der Düse m. v1 entspricht dem hohen Druckgefälle und v2 dem geringen Druck der Spülgase. Durch Zusammensetzung dieser Geschwindigkeiten mit der Umfangsgeschwindigkeit zc im Parallelogramm ergeben sich die Geschwindigkeiten w1 und w2 gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenschaufeln. Die Geschwindigkeit w1 ist tangential zu den Leitflächen der Schaufeln gerichtet, während w2 eine negative Umfangsgeschwindigkeit besitzt und die Gase mit dieser Geschwindigkeit daher nicht in die Beschaufelung eintreten können.In the diagram in Fig. 3, v1 and v2 mean the absolute speeds of the gases as they exit the nozzle m. v1 corresponds to the high pressure gradient and v2 the low pressure of the purge gases. By combining these speeds the speeds result from the circumferential speed zc in the parallelogram w1 and w2 versus the peripheral speed of the turbine blades. The speed w1 is directed tangential to the vanes' guide surfaces, while w2 is negative Has peripheral speed and the gases therefore not at this speed can enter the blading.

Claims

PATENT CLAIM: Internal combustion engine utilizing the exhaust gas energy in an exhaust gas turbine, in which the exhaust gases are relaxed to the counter pressure behind the turbine before entering the turbine blades, characterized in that the high and low pressure exhaust gases pass through the same line (m) of the turbine (q ) and between the guide vanes (p) and the blading (q) of the impeller (e) a space is provided which, while bypassing the blading (q), is in open communication with the space (o) behind the turbine wheel (e) stands.