DE714285C

DE714285C - Device for utilizing the energy of the exhaust gases from internal combustion engines

Info

Publication number: DE714285C
Application number: DEA87688D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Johannes Schmidt
Original assignee: Argus Motoren GmbH
Current assignee: Argus Motoren GmbH
Priority date: 1938-08-05
Filing date: 1938-08-05
Publication date: 1941-11-26

Description

Vorrichtung zur Verwertung der Energie der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verwertung der Energie der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen durch.Abgasturbinen oder durch Rückstoßwirkung.Device for utilizing the energy of the exhaust gases from internal combustion engines The present invention relates to a device for utilizing energy the exhaust gases from internal combustion engines through exhaust gas turbines or through recoil effect.

Es ist bekannt, die Leistungsausbeute von Brennkraftmaschinen zu steigern, indem man die in den Auspuffgasen enthaltene Energie zum Antrieb eines Laders verwendet, der die Füllung des Motors erhöht oder aber, indem man die Auspuffgase unter Zusatz von Luft ihrer Masse nach vergrößert und entgegen der Bewegungsrichtung eines Flug- oder Fahrzeuges ausströmen läßt, wodurch ein zusätzlicher Vortrieb erzeugt wird.It is known to increase the power output of internal combustion engines, by using the energy contained in the exhaust gases to drive a supercharger, which increases the filling of the engine or by adding the exhaust gases of air increased in mass and contrary to the direction of movement of a flight or vehicle can flow out, whereby an additional propulsion is generated.

Die erste Maßnahme wurde bisher meist in der Form angewendet, daß man die Gase vor der Turbine aufstaute und das Gefälle bis auf den Außendruck der Turbine verarbeitete. Das Aufstauen der Gase hat aber den Nachteil, daß der Motor beim Auspuffhub erhöhte Gegendruckarbeit leisten muß und daß mehr Restgas im Zylinder verbleibt, wodurch die Füllung und Leistung der Brennkraftmaschine sinkt, und daß die Temperatur des Auslaßv entils ansteigt, was zur Zerstörung durch Überhitzung führen kann. Dieser Umstand bewirkt, daß die Vorteile des Abgasturbinenantriebes des Laders gegenüber dem mechanisch von einem Flugmotor angetriebenen Lader bis zu den heute üblichen Flughöhen nur gering sind. Erst in sehr großen Höhen tritt eine klare Überlegenheit des Abgasturbinenladers auf. Am Erdboden ist es weiterhin bei Flugmotoren erwünscht, die Leistung zu steigern, um ein schnelles Abheben und Steigen des Flugzeuges zu erreichen. Die hierzu benötigte erhöhte Leistung der den Lader antreibenden Abgasturbine iäßt sich ebenfalls nur durch erhöhtes Aufstauen des Auspuffs mit den beschriebenen Nachteilen verwirklichen, die dazu führen, daß man einen besonders vom Motor angetriebenen Lader für den Start anordnet.The first measure has so far mostly been used in the form that you dammed the gases in front of the turbine and the gradient down to the external pressure of the Turbine processed. The damming up of the gases has the disadvantage that the engine has to do increased counter-pressure work during the exhaust stroke and that more residual gas in the cylinder remains, whereby the filling and performance of the internal combustion engine drops, and that the temperature of the outlet valve rises, resulting in destruction by overheating can lead. This fact causes the advantages of the exhaust gas turbine drive of the loader compared to the loader mechanically driven by an aircraft engine are only low compared to today's usual flight altitudes. Only occurs at very great heights a clear superiority of the exhaust gas turbine charger. It is still on the ground In aircraft engines, it is desirable to increase the power, to enable rapid take-off and Climb to reach the plane. The required increased performance of the The exhaust gas turbine driving the supercharger can also only be achieved by increasing the damming up Realize the exhaust with the disadvantages described, which lead to a supercharger, specially driven by the engine, is arranged for start-up.

Weiterhin sind die Temperaturen der Abgase von Vergasermaschinen hoch und erschweren den Abgasturbinenbetrieb, da die Festigkeit der umlaufenden Turbinenteile mit wachsender Temperatur stark absinkt. Man muß daher verhältnismäßig langsam laufende Maschinen mit großem Gewicht verwenden. Die Tatsache, daß die Leitungen glühend werden, erschweren auch den Einbau, und füe :A .uspuffventile sind hohen Temperaturen ausgesetzt, was deren Festigkeit und Leber lauer gleichfalls beeinflußt.Furthermore, the temperatures of the exhaust gases from gasoline engines are high and complicate the exhaust gas turbine operation, as the strength of the rotating turbine parts with The temperature drops sharply as the temperature rises. One must therefore be proportionate Use heavy, slow running machines. The fact that the lines glowing, make installation difficult, and füe: A. exhaust valves are high Exposed to temperatures, which also affects their firmness and liver lukewarm.

Man hat nun schon vorgeschlagen, die Auspufftemperatur dadurch zu senken, daß man den Abgasen einen Teil der vom Lader geförderten Luft durch verstärktes Spülen dir Brennkraftmaschine oder unter Umgehung der Brennkraftmaschine unmittelbar zumischte. Dadurch wird zwar die Temperatur verringert, man büßt damit aber wiederum einen gewissen Teil der gewonnenen Abgasenergie durch die - dadurch notwendig gewordene höhere Leistung des Laders ein, der dementsprechend auch größer bemessen sein muß.It has already been proposed to reduce the exhaust temperature by doing this lower that one part of the air conveyed by the loader is amplified by the exhaust gases Flush the internal combustion engine or bypassing the internal combustion engine immediately mixed in. This lowers the temperature, but it costs you again a certain part of the exhaust gas energy gained by the - thereby become necessary higher performance of the charger, which must be dimensioned accordingly larger.

Will man andererseits die Auspuffgase unmittelbar zu einer V ortriebserzeugung heranziehen, so muß man dieselben zur Erzeugung einer geregelten Ausströmung ebenfalls aufstauen, was die obenerwähnten Nachteil-, hinsichtlich der von der Brennkraftmaschine beim Auspuffhub zu leistenden erhöhten Gegendruckarbeit und der größeren Restgasmasse im Zylinder mit sich bringt. Bei dieser Art der Verwertung der Abgasenergie ist es erforderlich, durch Zugabe von Zusatzluft eine Temperatursenkung zu erzielen und die Ausströmungsgeschwindigkeit zugunsten großer Gasmassen herabzusetzen. Es läßt sich nämlich nur ein guter Wirltungsgrad erreichen, wenn die Geschwindigkeit der ausströmenden Gase wenig über der Fluggeschwindigkeit liegt.On the other hand, if you want to use the exhaust gases directly to generate a propulsion system they must also be used to generate a regulated outflow accumulate what the above-mentioned disadvantage, in terms of the internal combustion engine The increased counter-pressure work to be performed during the exhaust stroke and the larger residual gas mass brings with it in the cylinder. With this type of utilization of the exhaust gas energy it is necessary to achieve a temperature reduction by adding additional air and to reduce the outflow velocity in favor of large gas masses. It A good degree of efficiency can only be achieved if the speed the escaping gases is slightly above the airspeed.

Es ist auch eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbine bekanntgeworden, bei dem den Auspuffgasen mittels einer in der Auspuffleitung angeordneten Strahlpumpe Luft zugeführt wird. Bei einer solchen Ausführungsform wird aber die Austrittsgeschwindigkeit der Gase in dem hinter dem Auspuffventil liegenden Raume sehr stark verringert und annähernd aufgehoben, so daß- eine schädliche Stauung entsteht. .An internal combustion engine with an exhaust gas turbine has also become known, in which the exhaust gases by means of a jet pump arranged in the exhaust line Air is supplied. In such an embodiment, however, the exit speed the gases in the space behind the exhaust valve are reduced and almost abolished, so that a damaging congestion arises. .

Die vorliegende Erfindung hat- nun eine Vorrichtung zur Verwertung der Energie der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen durch Abgasturbinen oder durch Rückstoß-,virkung, durch die den Auspuffgasen durch eine in der Auspuffleitung angeordnete Strahlpumpe zusätzlich Luft beigemengt wird, zum Gegenstand. Durch diese Vorrichtung werden die genannten Nachteile der bekannten Ausführungsformen- vermieden. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die Anordnung so getroffen, däß bei geöffneten Auspuffventiläbschlußkörper dieser in Verbindung- mit' dem Ventilsitzkörper die Strahldüse bildet, in deren Bereich sich ein Luftzuleitungskanal befindet. Der Ventilkegel und der Ventilsitz sind dabei von solcher Form, daß sie als erweiterte Düse wirken und die Gase bis unter # den Atmosphärendruck entspannen. Der ünterdruck dient zum Ansaugen der Kühlluft aus der Umgebungsluft, worauf das Geinisch dann in der als Diffusor wirkenden Leitung auf Gien Turbinendruck oder den Strahlapparatanfangsdruck verdichtet wird. Der Luftzusatz erhöht das Gasgewicht und senkt die Temperatur. .Ulan kann also bei Verwendung einer Abgasturbine infolge de erzielten Temperaturrückganges deren Leistungen erhöhen oder bei gleichbleibender Leistung ihre Abmessungen verringern und somit das Baugewicht senken. Es ist fernerhin günstig für die Brenukraftinaschine, den Druck hinter dem Ventil unterhalb des -Außendruckes zu haben, wodurch die Gasreste innerhalb des Verbrennungsraumes gründlicher entfernt werden und auch die Gegendruckarbeit beim Auspuffhub herabgesetzt wird. -Man kann beim Start den Ladedruck wesentlich erhöhen, ohne die Auspuffgase hinter dem Ventil unzulässig hoch anzustauen, da bei Verwendung einer Turbine zur Ausnutzung der Abgase ein Leistungsüberschuß erzielt "wird, wenn der Druck hinter dein Ventil dein Außendruck entspricht, weil der Druck am Ende der Strahlpumpe höher ist als der Druck hinter dein Ventil. Ventilsitz und -körper haben durch die zugesaugte Luft eine wesentlich bessere Kühlung als bisher, was für die Lebensdauer dieser Bauteile äußerst wünschenswert ist.The present invention now has a device for recovery the energy of the exhaust gases from internal combustion engines through exhaust gas turbines or through Recoil, effect by which the exhaust gases through a arranged in the exhaust pipe Jet pump is also admixed with air, to the object. Through this device the mentioned disadvantages of the known embodiments are avoided. To this According to the invention, the arrangement is made in such a way that when the exhaust valve closure body is open this in connection with 'the valve seat body forms the jet nozzle in which Area there is an air supply duct. The valve cone and the valve seat are of such a shape that they act as an enlarged nozzle and the gases up relax under # atmospheric pressure. The negative pressure is used to suck in the cooling air from the ambient air, whereupon the Geinisch then in the pipe acting as a diffuser is compressed to Gien turbine pressure or the jet apparatus initial pressure. The air addition increases the gas weight and lowers the temperature. .Ulan can therefore use a Increase the performance of the exhaust gas turbine as a result of the temperature drop achieved or while maintaining the same performance, reduce their dimensions and thus the structural weight reduce. It is also beneficial for the power plant to reduce the pressure behind the To have the valve below the external pressure, whereby the gas residues within the Combustion chamber can be removed more thoroughly and also the counter-pressure work when Exhaust stroke is reduced. -You can significantly increase the boost pressure at the start, without damming the exhaust gases behind the valve in an unacceptably high level, because when in use a turbine to utilize the exhaust gases a power surplus is achieved "if the pressure behind your valve corresponds to your external pressure, because the pressure at the end the jet pump is higher than the pressure behind your valve. Valve seat and body have a much better cooling than before because of the sucked in air, what is extremely desirable for the life of these components.

Für die- Energiegewinnung ist es w-esentlichi daß die niit sehr hoher Geschwindigkeit austretenden Auspuffgase nicht sofort stark umgelenkt werden, weil sonst kein einwandfreies Arbeiten des durch das Auspuffventil gebildeten Ejektors ermöglicht wird. Es wird daher zweckmäßig dafür gesorgt, daß die Abgase den Ejektor nach Verlassen des Ventils ohne Umleitung zentral in Richtung der Ventilspindel durchströmen, wie es an sich bekannt ist.For the generation of energy it is essential that the energy is not very high The speed of escaping exhaust gases is not immediately diverted because otherwise the ejector formed by the exhaust valve will not work properly is made possible. It is therefore expedient to ensure that the exhaust gases pass the ejector after leaving the valve without diversion centrally in the direction of the valve spindle flow through, as it is known per se.

Uni Raum für die Steuerung des Auspuffventils zu gewinnen und eine ausreichende Kühlung der Ventilführung zu erreichen, ist es zweckmäßig, daß die als Diffusor wirkende Abgasleitung: in zwei oder mehr Rehre unterteilt wird:: Es:. ist.bereits zur Kühlung des ;Sitzes eines Ventils vorgeschlagen worden, durch Anordnung einer Ummantelung des Ventilgehäuse: einen Kühlraum zwischen diesem und genannten Mantel- zu schaffe. .Die Luft- trat durch diesen Kühlraute. und entzog dem Ventilgehäuse einen Teil der auf -seine -Wandungen übertragenen Wärme. Eine besondere Ausbildung dieses Kühlraumes bestand nun darin. daß man ihn mit dem Abgaskanal verband, so daß durch die ausgestoßenen Abgase durch Strahlwirkung die Luft beschleunigt durch den Kühlraum mitgerissen wurde und -eine bessere Kühlung des Ventilkörpers herbeiführen sollte.Uni to gain space for the control of the exhaust valve and a To achieve sufficient cooling of the valve guide, it is appropriate that the Exhaust pipe acting as a diffuser: is divided into two or more ducts :: Es :. has already been proposed for cooling the seat of a valve, by arrangement a casing of the valve housing: a cooling space between this and said Coat to create. The air passed through this cooling diamond. and withdrew from the valve body part of the on-his-walls transferred heat. A special The formation of this cold room now consisted of it. that it was connected to the exhaust duct, so that the air accelerates through the jet effect of the exhaust gases emitted was entrained by the cold room and -a better cooling of the valve body should bring about.

Während aber die vorgenannte Einrichtung lediglich der Kühlung, gegebenenfalls noch der Spannungsherabminderung und der Schalldämpfung diente, wird bei der - Vorrichtung nach der Erfindung bei geöffnetem Ventilkegel in Verbindung mit dem Ventilsitz für einen, wie oben ausführlich geschildert wurde, ganz anderen Zweck eine Strahldüse gebildet, in deren Bereich sich ein Luftzuleitungskanal befindet. Diese Anordnung ermöglicht es, Luft unter Ausschluß schädlicher Wirbelbildungen anzusaugen. An der Stelle, an der nach der Erfindung die Strahldüse angeordnet ist, haben die Gase die Austrittsgeschwindigkeit und dadurch auch die Fähigkeit, eine möglichst große Frischluftmenge anzusaugen. In den an die Strahldüse anschließenden, in glattem Linienzug geführten Abgasleitungen wird das Abgasluftgemisch allmählich verdichtet und verliert so viel an Geschwindigl:eit, daß es vorteilhaft zu dem angestrebten Effekt, also zur Beaufschlagung einer. Abgasturbine, etwa zum Antrieb eines Laders oder zum zusätzlichen unmittelbaren Vortrieb des Fahr- oder Flugzeuges, Verwendung finden harn.However, while the aforementioned device is only cooling, if necessary was used to reduce the voltage and to dampen the noise, is used in the - device according to the invention with the valve cone open in connection with the valve seat for has a completely different purpose, as has been described in detail above, a jet nozzle formed, in the area of which there is an air supply duct. This arrangement makes it possible to suck in air with the exclusion of harmful vortex formations. At the Place at which the jet nozzle is arranged according to the invention, have the gases the exit speed and thus also the ability to achieve the greatest possible To suck in fresh air. In the adjacent to the jet nozzle, in smooth The exhaust gas air mixture is gradually compressed through linear exhaust lines and loses so much speed that it is beneficial to what is being striven for Effect, i.e. to act on a. Exhaust gas turbine, for example to drive a charger or for additional direct propulsion of the vehicle or aircraft, use find urine.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt Abb. i in wesenhafter Darstellung einen Querschnitt durch einen mit der Einrichtung nach der Erfindung ausgestatteten Zylinder einer Brennkraftmaschine, Abb. a in größerem Maßstabe das als Strahldüse ausgebildete Ventil mit dem Luftzufuhrkanal und den Kanälen für das Abgasluftgemisch.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing shown. Fig. I shows an essential representation of a cross-section through a cylinder of an internal combustion engine equipped with the device according to the invention, Fig. A on a larger scale, the valve designed as a jet nozzle with the air supply channel and the channels for the exhaust air mixture.

Der Zylinder a der mit i bezeichneten Brennkraftmaschine stößt während seines Auspuffhubes die Abgase durch das Auspuffventil 3 aus. Das Auslaßventil 3 mit dem Ventilsitz d. bildet eine Strahldüse, durch die Kühlluft durch den Stutzen 5 angesaugt wird. Die Kühlluft mischt sich mit den Abgasen, und das Gemisch wird in den als Diffusor wirkenden Teilen 6, 6' der Abgasleitung auf den, Turbinenanfangsdruck verdichtet. Die Abasleitung ist in zwei Leitungen 7, 7' unterteilt, wodurch Platz für die Ventilführung und die Ventilsteuerung 9 gewonnen wird. Die Abgase arbeiten in der Turbine iö, die den Lader z i antreibt, welcher die durch den Stutzen i2 angesaugte Frischluft dem Einlaßventil 13 und somit der Brennkraftmaschine zuführt.The cylinder a of the internal combustion engine denoted by i discharges the exhaust gases through the exhaust valve 3 during its exhaust stroke. The outlet valve 3 with the valve seat d. forms a jet nozzle through which cooling air is sucked in through the nozzle 5. The cooling air mixes with the exhaust gases, and the mixture is compressed to the initial turbine pressure in the parts 6, 6 'of the exhaust pipe that act as a diffuser. The waste line is divided into two lines 7, 7 ', whereby space for the valve guide and the valve control 9 is gained. The exhaust gases work in the turbine iö, which drives the charger zi, which feeds the fresh air sucked in through the connector i2 to the inlet valve 13 and thus to the internal combustion engine.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device for utilizing the energy of the exhaust gases of internal combustion engines by exhaust gas turbines or by recoil effect, by the the exhaust gases by a jet pump arranged in the exhaust line Air is added, characterized in that when the valve closure body is open this in connection with the valve seat body forms the jet nozzle in the area thereof there is an air supply duct. -: 2. Device according to claim i, characterized characterized in that the funnel-shaped, the conical head (3) of the _ Valve seat (4) assigned to the valve closure body arranged in a cavity into which a fresh air supply line (5) opens and from which exhaust lines (6, 6 ') are drawn in smooth lines.