DE952851C

DE952851C - Rotary vane-controlled internal combustion engine with downstream exhaust gas turbine

Info

Publication number: DE952851C
Application number: DEN8456A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Walter Froede; Dipl-Ing Hanns Dieter Paschke
Original assignee: NSU Werke AG
Current assignee: NSU Werke AG
Priority date: 1954-02-13
Filing date: 1954-02-13
Publication date: 1956-11-22

Description

Drehschiebergesteuerte Brennkraftmaschine mit nachgeschalteter Abgasturbine Es ist vom Dampfmaschinenbau und vom Bau von Verbrennungsmotoren bekannt, Kolbenmaschinen mit nachgeschalteten Turbinenanlagen zu veT-einigen, um hierdurch eine besonders gute Wirtschaftlichkeit der Anlage zu erzielen. Verbrennungsturbinen. arbeiten normalerweise nur mit sehr niederem, Drücken, da anderenfalls die Temperaturbelastung für das Schaufelsystem zu hoch wird. Gegenüber der rennen Turbinenanlage hat die Kolbenmaschine mit nachgeschalteter Abgasturbine wirtschaftliche Vorteile.Rotary valve controlled internal combustion engine with downstream exhaust gas turbine It is known from the construction of steam engines and internal combustion engines, piston engines to agree with downstream turbine systems to thereby make a special to achieve good profitability of the system. Combustion turbines. usually work only with very low, pressures, otherwise the temperature load for the Bucket system gets too high. Opposite the running turbine system has the piston engine economic advantages with downstream exhaust gas turbine.

Bei einem ventilpsteuerten Verbrennungsmotor kann jedoch nur wenig Leistung in den Turbinenteil verlegt werden, da bei einem vorzeitigem Öffnen des Auslaßventils der Ventilteller und Schaft Überhitzt werden. Diese Verhältnisse sind wesentlich günstiger bei einem drehschiebergesteuerten Verbrennungsmotor. Es hat sich durch Versuche bestätigt, daß bei geeigneter Ausbildung und Kühlung der Dichtelemente eines Drehschiebermotors fast die volle Motorleistung durch den Au,slaßkanal abgesteuert werden kann. Damit besteht bei einem drehsch.ieberges.teuerten Verbrennungsmotor die Möglichkeit, die Leistungsaufteilung zwischen Kolbenmaschine und nachgeschalteterAbgasturbine in weitem: Grenzen zu verändern. Es ist nun zwar bekannt, bei einer drehschsebergesteuerten Brennkraftmaschine eine Abgasturbine unmittelbar oberhalb eines im Zylinderkopf vorgesehenen scheibenförmigen Drehschiebers konzentrisch zu diesem anzuordnen. Aber diese Turbine dient lediglich der Aufladung der Brennkraftmaschine. Die Abgasturbine ist also bei dieser bekannten Anordnung in ihrer Drehzahl unabhängig von der Drehzahl des Kolbenmotors, und es wird hierbei nur so viel Leistung in. den Turbinenteil verlegt, wie zum Antrieb des Laders erforderlich ist.In the case of a valve-controlled internal combustion engine, however, little can be done Power must be relocated to the turbine part, since if the Exhaust valve the valve head and stem overheat. These ratios are much cheaper with a rotary valve-controlled internal combustion engine. It has confirmed by tests that with suitable training and cooling of the sealing elements of a rotary valve engine, almost the full engine power is diverted through the outlet duct can be. With a rotary valve controlled internal combustion engine the possibility of dividing the power between the piston engine and the downstream exhaust gas turbine by far: to change boundaries. It is now known in one Rotary piston-controlled internal combustion engine an exhaust gas turbine immediately above a disc-shaped rotary valve provided in the cylinder head concentrically to to order this. But this turbine is only used to supercharge the internal combustion engine. In this known arrangement, the exhaust gas turbine is therefore independent in terms of its speed on the speed of the piston engine, and there is only so much power in here. relocated the turbine section as required to drive the loader.

Hiervon unterscheidet sich die Motoranordnung gemäß der Erfindung dadurch, daß die Turbinenleistung im Vergleich zur Leistung des Kolbenmotors sehr hoch gewählt werden kann und dem System unter Verwendung des vorhandenen Drehschieberaneriebes als Nutzleistung zugeführt wird.The motor arrangement according to the invention differs from this in that the turbine power compared to the power of the piston engine is very high can be chosen high and the system using the existing rotary valve operator is supplied as useful power.

Erfindungsgemäß- wird daher vorgeschlagen, bei einer drerhschiebergesteuerten Zwei- oder Viertaktbrennkraftmaschine mit einer nachgeschalteten Abgasttirbine, wobei Drehschieber und Turbine eine bauliche Einheit im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine bilden,, die Antriebswelle des Dreh-Schiebers gleichzeitig zur Rückführung der Turbinenleistung in das System zu benutzen.According to the invention, it is therefore proposed in the case of a rotary slide valve-controlled Two- or four-stroke internal combustion engine with a downstream exhaust gas trough, the rotary valve and the turbine form a structural unit in the cylinder head of the internal combustion engine form ,, the drive shaft of the rotary valve at the same time to return the turbine power to use in the system.

Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung gegenüber der bekannten drehschiebergesteuerten Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader liegen auf der Hand. Ferner stellt der Gegenstand der Erfindung gegenüber dem bekannten Motoranordnun: gen mit einem Kolbenmaschinen- und einem Turbinenteil eine überraschend einfache Lösung dar.The advantages of the object of the invention over the known Rotary valve controlled internal combustion engine with exhaust gas turbocharger are obvious. Furthermore, the subject matter of the invention compared to the known motor assembly now provides: gen with a piston engine and a turbine part a surprisingly simple one Solution.

Dieses Prinzip kann in verschiedenen Bauformen verwirklicht werden. Beispielsweise kann ein paralleJ zur Kurbelwelle laufender Walzend.rehschieber .im Zylinderkopf untergebracht sein, der einen in axialer Richtung austretendem. Auslaßkanal besitzt und auf seiner Welle den Läufer einer ein- oder mehrstufigen Radialturbine trägt. Wenn der Kolbenmotor im Zweitakt arbeitet und die Drehzahl des Drehschiebers gleich der Kubelwellendrehzahl ist, kann der Turbinenläufer fest mit der Drehschieberwelle verbunden werden. Bei Viertaktmotoren, die einen mit halber Motorendrehzahl umlaufenden Drehschieber erhalten, wird zweckmäßig der Turbinenläufer über eine Getriebestufe mit der Drehschieberwelle gekoppelt.This principle can be implemented in various designs. For example, a rotary roller valve running parallel to the crankshaft can be used Be housed cylinder head, the one exiting in the axial direction. Exhaust port owns and on its shaft the rotor of a single or multi-stage radial turbine wearing. When the piston engine works in two-stroke and the speed of the rotary valve is the same as the crank shaft speed, the turbine rotor can be fixed to the rotary valve shaft get connected. With four-stroke engines that revolve at half engine speed Receiving rotary valve, the turbine rotor is expediently via a gear stage coupled to the rotary valve shaft.

Es ist weiterhin möglich, in an. sich bekannter Weise einen Scheibendrehschieber oberhalb des Zylinderkopfes zur Steuerung von ein oder zwei Zylindereinheiten zu verwenden und die Abgase durch die Steueröffnung im Scheibenschieber in dem oder die Schaufelkränze des Turbinenläufers zu leiten. Auch hierbei wird zweckmäßig die Drehzahl des Turbinenläufers durch Zwischenschalten einer Getriebestufe ebenso hoch oder höher ausgelegt wie die Drehzahl des Kolbenmotors.It is still possible in at. known way a rotary disc valve above the cylinder head to control one or two cylinder units use and the exhaust gases through the control opening in the disc valve in the or to guide the blade rings of the turbine rotor. Here too, the The speed of the turbine rotor is just as high by interposing a gear stage or higher than the speed of the piston engine.

Es liegt ferner im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Auslaßäffnung und den Auslaßkanal im Drehschieber selber als Teil der Abgasturbine zu beschaufeln. Da hierbei jedem Schaufelteil "ein unterschiedliches Druckgefälle zukommt, kann die Form jeder einzelnenSchaufel in derAuslaßöffnung des Drehschiebers und gegebenenfalls in den nachfolgenden Laufradstufen entsprechend dem Druckgefälle beim Auslaßvorgang unterschiedlich ausgebildet werden.It is also within the scope of the present invention, the outlet opening and to blade the outlet duct in the rotary valve itself as part of the exhaust gas turbine. Since each vane part "has a different pressure gradient, can the shape of each individual blade in the outlet opening of the rotary valve and, if applicable in the subsequent impeller stages according to the pressure gradient during the discharge process be trained differently.

Für die Wirtschaftlichkeit der Anlage ist es wesentlich, mit möglichst hohen Temperaturen in der Abgasturbine zu arbeiten, und es wird daher vorgeschlagen, den Drehschieberkörper sowie die Lauf- und Leitschaufeln des Turbinensys.terns aus temperaturfestem Material herzustellen. Hierfür kommen sowohl hochtemperaturbeständige Stähle als auch Nickellegierungen oder keramische Stoffe in Betracht.For the profitability of the plant it is essential to use as much as possible to work at high temperatures in the exhaust gas turbine, and it is therefore proposed that the rotary valve body as well as the rotor and guide vanes of the turbine system produce temperature-resistant material. Both high temperature resistant Steels as well as nickel alloys or ceramic materials can be considered.

Zur Veranschaulichung einer Kraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung dienen die Abb. i bis 3. Es zeigt Abb. i . einen Längsschnitt durch einem. Verbren.nungs.mo,tor mit Steuerung durch WaJzendrehschieber und nachgeschalteter Radialturbine, Abb. a die gleiche Maschine im Querschnitt bzw. in Teilansicht, Abb. 3 Zylinder und Zylinderkopf einer Zweizylinderzweitaktmaschine mit scheibenförmigem Drehschieber und koaxial hierzu laufendem Turbinenläufer.To illustrate an engine in accordance with the present invention Fig. i to 3 are used. Fig. i shows. a longitudinal section through one. Incineration motor, gate with control by rotary cylinder valve and downstream radial turbine, Fig. a the same machine in cross section or in partial view, Fig. 3 cylinder and cylinder head a two-cylinder two-stroke machine with disc-shaped rotary valve and coaxial turbine rotor running for this purpose.

In den Abb. i bis 3 sind folgende Einzelheiten durch Bezugszeichen herausgehoben: i Kalben, a Brennraum, 3 Drehschieber, 4Auslaßkanal, 5 Turbinenläufer, 6 Leitapparat der Turbine, 7 Gasaustritt, 8 Antriebswelle des. Drehschiebers, 9 Getriebeübersetzung zwischen Drehschieber und Turbinenläufer, io Saugleritung.In Figs. I to 3, the following details are given by reference numerals lifted out: i calving, a combustion chamber, 3 rotary valves, 4 exhaust duct, 5 turbine rotors, 6 diffuser of the turbine, 7 gas outlet, 8 drive shaft of the rotary valve, 9 Gear ratio between rotary valve and turbine rotor, OK suction line.

Claims

PATENT CLAIM: i. Rotary valve controlled two- or four-stroke combustion engine with a downstream exhaust gas turbine, the rotary valve and turbine forming a structural unit in the cylinder head of the internal combustion engine; characterized in that the drive shaft of the rotary valve also serves to return the turbine power to the system. a. Internal combustion engine according to claim i, characterized in that the rotor of the exhaust gas turbine is arranged in a manner known per se coaxially to the rotary slide valve. 3. Internal combustion engine according to claim i, characterized in that the impeller of the turbine is combined with the rotary valve to form a single component. 4. Internal combustion engine according to claim i, characterized in that in; As is known, two in two-stroke. working cylinders are controlled with a single rotary valve and act on an exhaust gas turbine. 5. Internal combustion engine according to claim i, characterized in that a gear stage is switched on between the impeller of the turbine and rotary slide shaft, which enables the impeller to have a higher speed. 6. Internal combustion engine according to claim i, characterized in that a multi-stage impeller is used for the turbine, the applied angular range increases in accordance with the gas expansion. 7. Internal combustion engine according to claim i, characterized in that the outlet opening. of the rotary valve is equipped with blades and acts as the first stage of the exhaust gas turbine. B. Bren.nkraftmaschine according to Claim.i, characterized in that the shape of each blade in the outlet opening of the rotary valve and optionally in the subsequent impeller stages is designed differently according to the pressure gradient during the discharge process. G. Internal combustion engine according to claim i, characterized in that running and. Distributors of the turbine made of temperature-resistant material such as ceramic or the like. ok Internal combustion engine according to claim i, characterized in that the slide body consists of a permanent material, such as ceramic or the like. Considered publications: German patent application L 5669 Ia / 46a4.