DE662197C - Internal combustion engine, especially for working in the two-stroke diesel process - Google Patents

Internal combustion engine, especially for working in the two-stroke diesel process

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DE662197C DEM132576D DEM0132576D DE662197C DE 662197 C DE662197 C DE 662197C DE M132576 D DEM132576 D DE M132576D DE M0132576 D DEM0132576 D DE M0132576D DE 662197 C DE662197 C DE 662197C
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Description

Brennkraftmaschine, insbesondere zur Arbeit im Zweitakt-Diesel-Verfahren Bekannt sind Brennkraftmaschinen, insbesondere zur Arbeit im Zweitakt-Diesel-Verfahren, mit etwa sternförmig angeordneten Zylindern, deren Auspuffkanäle auf ein mit der Kolbenmaschine gleichachsiges Turbinenlaufrad münden. Bei diesen Maschinen ist das Turbinenlaufrad entweder in Axialrichtung entfernt von der Kolbenmaschine angeordnet oder die Auspuffschlitze der Zylinder liegen auf einem andern Kreise als der Turbinenschaufelkranz, so daß lange Leitungen für die Auspuffgase zwischen den Brennkraftzylindern und dem Turbinenschaufelkranz notwendig sind, die zu Strömungs- und Wärmeverlusten der Auspuffgase führen. Außerdem sind solche Maschinen sperrig und daher unnötig schwer. Bei anderen Br:ennkraftmaschinen ist auch die Anordnung von Leitschaufeln in den Auspuffkanälen bekannt.Internal combustion engine, especially for working in the two-stroke diesel process Internal combustion engines are known, in particular for working in the two-stroke diesel process, with approximately star-shaped cylinders, the exhaust ducts on one with the Piston engine coaxial turbine impeller open out. With these machines that is Turbine impeller arranged either in the axial direction away from the piston engine or the exhaust ports of the cylinders are on a different circle than the turbine blade ring, so that long lines for the exhaust gases between the internal combustion cylinders and the turbine blade ring are necessary, which lead to flow and heat losses of the Lead exhaust gases. In addition, such machines are bulky and therefore unnecessarily heavy. In other internal combustion engines, the arrangement of guide vanes in the Exhaust channels known.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Arbeit im Zweitakt-Diesel-Verfahren, mit etwa sternförmig angeordneten Zylindern und gleichachsig zur Kolbenmaschine angeordneter Abgasturbine. Das Wesentliche besteht darin, daß die Auspuffschlitze der Brennkraftzylinder auf einem gemeinsamen Kreise mit dem mittleren Durchmesser des Turb:inenschaufelkranzes angeordnet, innerhalb der Zylinderwand düsenförmig ausgebildet sind und unmittelbar auf die Laufschaufeln der dicht an den Zylinderwänden laufenden Gasturbine münden. Eine solche Maschine ist besonders für Luftfahrzeuge geeignet, und sie gewährleistet den Vorteil einer hohen Ausnutzung des Gasdruckes unter geringen Wärme- und Strömungsverlusten zwischen Kolbenmaschine und Turbine, also einen hohen thermischen Wirkungsgrad, ferner Geräuschlosigkeit der laufenden Maschine, weil die Auspuffgase dicht hinter den Zylindern durch die Turbine zerwirbelt werden, und schließlich auch eine gedrungene Bauart, durch die ein leichtes Gewicht der Maschine bei hoher Drehzahl erreichbar ist. Die sternförmige Anordnung der Kolbenmaschine ermöglicht dabei die Beaufschlagung eines großen Teils des Laufkranzes der Turbine durch die Abgase, so daß auch die Turbine weitgehend ausgenutzt ist.The invention relates to an internal combustion engine, in particular for working in the two-stroke diesel process, with cylinders arranged in a star shape and exhaust gas turbine arranged coaxially to the piston engine. The essential is in that the exhaust ports of the internal combustion cylinders are on a common circle with the mean diameter of the turbine blade ring arranged within the cylinder wall are nozzle-shaped and directly on the blades the gas turbine running close to the cylinder walls. Such a machine is particularly suitable for aircraft, and it ensures the benefit of a high utilization of the gas pressure with low heat and flow losses between Piston engine and turbine, so a high thermal efficiency, furthermore noiselessness the running machine because the exhaust gases close behind the cylinders through the Turbine are swirled, and finally a compact design, through which a light weight of the machine can be achieved at high speed. The star-shaped The arrangement of the piston machine enables a large part to be acted upon the running ring of the turbine through the exhaust gases, so that the turbine largely is exploited.

Das Verhältnis des verlorenen Raumes zum Dehnungsraum in den Zylindern ist zweckmäßig derart groß (i zu q. bis i zu bemessen, und die Zylinder werden dabei mit Spülluft von solchem Druck gefüllt, daß die Brenngase die Zylinder mit etwa io bis 1a Atm. Druck verlassen. Infolge des hierbei anwendbaren geringen Kolbenhubes wird die Kolbengeschwindigkeit auch bei hoher Drehzahl gering, und es ergibt sich eine für die Gasturbine genügend hohe Geschwindigkeit der Auspuffgase. Diese hohe Gasgeschwindigkeit vermindert weiter die Wärmeabgebe der Gase an die Zylinder und das die Auspuffkanäle umgebende Spülwasser, so daß der Wirkungsgrad der Maschine erhöht wird.The ratio of the lost space to the expansion space in the cylinders is expediently so large (i to q. to i to be dimensioned, and the cylinders are thereby filled with purge air of such a pressure that the fuel gases the cylinder with about io to 1a atm. Exit pressure. As a result of the small piston stroke that can be used here the piston speed becomes low even at high speed, and it results a speed of the exhaust gases high enough for the gas turbine. This high Gas velocity further reduces the heat output of the gases the cylinders and the flushing water surrounding the exhaust ducts, so that the efficiency the machine is increased.

Die Spülluft wird zweckmäßig vom Zylin derboden her eingeblasen, und die Auspdftöffnungen werden in Achsenrichtung dir Zylinder so groß bemessen, daß sie nach voll-' ständigem Ausblasen der verbrannten Gase noch etwa halb geöffnet sind. Dadurch gelangt Spülluft an die Schaufeln der Gasturbine und kühlt diese; die der Spülluft innewohnende Energie wird dabei in der Turbine zurückgewonnen.The purge air is expediently blown in derboden from the Zylin, and the Auspdftöffnungen are dimensioned so large in the axial direction of the cylinder that they are still about half open after the burned gases have been completely blown out are. As a result, purge air reaches the blades of the gas turbine and cools them; the energy contained in the scavenging air is recovered in the turbine.

Mit Vorteil sind die Kolbentriebe der Brennkraftzylinder zwangläuiig mit der Welle der Gästurbine durch ins Schnelle übersetzende Zahnradgetriebe und mit einer Hauptarbeitswelle durch einen gegebenenfalls ins Langsame übersetzenden Zahntrieb verbunden. Die Hauptarbeitswelle kann hierbei gleichachsig mit der als Nebenarbeitswelle dienenden Turbinenwelle angeordnet sein.The piston drives of the internal combustion cylinders are advantageously compulsory with the shaft of the guest turbine through high-speed gear drives and with a main working shaft through a possibly slow-down one Pinion connected. The main output shaft can be coaxial with the as Be arranged auxiliary working shaft serving turbine shaft.

Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel und gibt weitere vorteilhafte Ausführungsformen an.The drawing illustrates the invention using an exemplary embodiment and indicates further advantageous embodiments.

Abb. i zeigt die Vorderansicht einer Maschine ohne Gehäusedeckel, teilweise im Schnitt, Abb. 2 einen Längsschnitt der Maschine. Nach Abb. i und 2 sind an der Stirnwand i eines Gasturbinengehäuses 2 zwölf Brennkraftzylinder 3, 4 etwa sternförmig derart angeordnet, daß ihre düsenförmig ausgebildeten und gegebenenfalls mit Leitschaufeln versehenen Auspuffkanäle 5, 6 auf einem gemeinsamen den Schaufelkränzen 7, 8 des Turbinenrades 9 entsprechenden Kreise liegen.Fig. I shows the front view of a machine without a housing cover, partly in section, Fig. 2 is a longitudinal section of the machine. According to fig. I and 2 are on the end wall i of a gas turbine housing 2 twelve internal combustion cylinders 3, 4 arranged approximately in a star shape in such a way that their nozzle-shaped and optionally exhaust ducts 5, 6 provided with guide vanes on a common vane ring 7, 8 of the turbine wheel 9 are corresponding circles.

Die Zylinder 3, 4 enthalten im Deckel Spülluftventile io und Brennöldüsen i i und sind von einem Kühlwassermantel12 umgeben.The cylinders 3, 4 contain purge air valves and fuel oil nozzles in the cover i i and are surrounded by a cooling water jacket12.

Bei den schief zum Schaufelkranz liegenden Zylindern 4 liegen die Auspuffkanäle 6 schief zum Zylinder in Richtung des Schaufelkranzes 7. Statt dessen können die Kanäle 6 auch in der Zylinderwandung parallel zum Kolbenboden liegen und in sich in Längsrichtung so verdreht sein, daß sie parallel zum Schaufelkranz 7 münden.In the case of the cylinders 4 lying obliquely to the blade ring, the Exhaust ducts 6 at an angle to the cylinder in the direction of the blade ring 7. Instead the channels 6 can also lie in the cylinder wall parallel to the piston head and be twisted in the longitudinal direction so that they are parallel to the blade ring 7 open.

Je drei Zylinder 3, 4 wirken mit ihren Kolben 13, 14 und Pleuelstangen 15, 16 auf eine gemeinsame Kurbelwelle 17, 18, die durch ihr Zahnrad i9 über die auf einer-Welle 2o sitzenden Zahnräder 21, 22 auf das Zahnrad 23 der, Turbinenwelle 24 wirkt. Die vier sternförmig angeordneten Kurbelzahnräder i9 arbeiten ferner über die Zahnräder 21 unmittelbar auf ein Zahnrad 25 der Hauptarbeitswelle (z. B. Propellerwelle) 26, die im vorderen Gehäusedeckel 27 gelagert ist und außerdem mittels eines Spur- ;znd Traglagers 28 den Wellenstumpf 29 der Turbinenwelle 24 umfaßt.Three cylinders 3, 4 each act with their pistons 13, 14 and connecting rods 15, 16 on a common crankshaft 17, 18, which through their gear wheel i9 via the gear wheels 21, 22 seated on a shaft 2o on the gear wheel 23 of the turbine shaft 24 works. The four star-shaped crank gears i9 also work via the gears 21 directly on a gear 25 of the main working shaft (e.g. propeller shaft) 26, which is mounted in the front housing cover 27 and also the stub shaft 29 of the turbine shaft by means of a track and support bearing 28 24 includes.

.Bei geeigneter Zahnbreite des Zahnrades / rg und entsprechender Zurückverlegung des Zahnrades 21 kann das Zahnrad 25 auch so groß ausgebildet sein, daß es unmittelbar in das Kurbelrad i9 eingreift; dadurch kann die Drehzahl der Hauptarbeitswelle 26 erheblich herabgesetzt werden..With a suitable face width of the toothed wheel / rg and the corresponding relocation of the gear 21, the gear 25 can also be made so large that it is immediately engages the crank wheel i9; as a result, the speed of the main output shaft 26 can be significantly reduced.

Statt der vier Zahnradwellen 2o, 21, 22 kann dann gegebenenfalls auch nur eins vorgesehen sein, da dann alle Kurbelzahnräder i9 über das große Zahnrad 25 und eins der Zahnräder i9 auf die Zahnräder 2i, 22, 23 wirken.Instead of the four gearwheel shafts 2o, 21, 22 can then optionally also only one must be provided, since then all crank gears i9 via the large gear 25 and one of the gears i9 act on the gears 2i, 22, 23.

Die Schaufelkränze 7, 8 und die Zylinder 3, 4 sind auf beiden Seiten der Maschine vorgesehen, so daß alle innerhalb der Maschine entstehenden Axialkräfte gegenseitig ausgeglichen sind.The blade rings 7, 8 and the cylinders 3, 4 are on both sides provided on the machine so that all axial forces occurring within the machine are mutually balanced.

Der Auspuffraum 3o befindet sich dann zwischen den beiden Schaufelkränzen 7, 8 und ist am Umfang an irgendeiner Stelle mit der Atmosphäre verbunden.The exhaust chamber 3o is then located between the two blade rings 7, 8 and is connected to the atmosphere at some point on the circumference.

Das Turbinenrad 9 trägt an seinen Stirnseiten innerhalb und außerhalb der Schaufeln 7 Ringe 3 i, die in entsprechende Nuten der Gehäusestirnwand i mit Spiel eingreifen, um eine Labyrinthdichtung zu bilden. Der Raum zwischen der Gehäusestirnwand i und dem Turbinenlaufrad 9 ist durch Bohrungen 32 entlüftet. Die Turbinenwelle 24 trägt eine den hinteren Gehäusedeckel 33 durchdringende Nebenarbeitswelle 34, die beispielsweise zum Antrieb einer Kreiselluftpumpe und gegebenenfalls der Brennstoffeinspritzpumpe und sonstiger Vorrichtungen dient.The turbine wheel 9 carries on its end faces inside and outside of the blades 7 rings 3 i, which are in corresponding grooves in the housing end wall i Intervene play to form a labyrinth seal. The space between the housing front wall i and the turbine runner 9 is vented through bores 32. The turbine shaft 24 carries a secondary working shaft 34 penetrating the rear housing cover 33, for example to drive a centrifugal air pump and possibly the fuel injection pump and other devices.

Statt der zwölf Kraftzylinder an jeder Gehäuseseite können beispielsweise auch acht vorgesehen sein.Instead of the twelve power cylinders on each side of the housing, for example eight should also be provided.

Der Kranz des Turbinenrades kann genügende Masse erhalten, um gleichzeitig als Schwungrad zu dienen, falls dies nötig sein sollte.The rim of the turbine wheel can get enough mass to simultaneously to act as a flywheel if necessary.

Die Maschine arbeitet wie folgt. Nach Beendigung eines Arbeitshubes in einem Zylinder werden die Auspuffgase durch die düsenartigen Auspuffkanäle 5, 6 unmittelbar und mit geringem Wärme- und Energieverlust auf die Turbinenschaufeln 7 (nebst Leitschaufeln 8) zur Wirkung gebracht. Sobald der Druck unter 5 Atm. im Zylinder sinkt, bläst der Luftverdichter durch die Ventile io Spülluft nach und treibt die verbrannten Gase aus, bis der Kolbenboden die Schlitze 5, 6 etwa zur Hälfte geschlossen hat. Dann bläst die Spülluft durch die Spülschlitze 5, 6 auf die Turbinenschaufeln 7, 8 und wirkt hier gleichzeitig kühlend und auf die Turbine antreibend, so daß Energieverluste weitgehend vermieden werden. Dann schließen Kolben 13, 1q. die Schlitze 5, 6 und verdichten die Luft bis auf etwa 3o Atm.; nun wird durch besondere Brennstoffeinspritzpumpen Brennt öl durch die Düsen i i eingespritzt, so daß es sich entzündet und die Brenngase den Kolben wieder in die untere Totlage treiben. Beim Beginn des Auspuffens haben hierbei die Brenngase noch einen Druck von io bis 12 Atm., so daß der mittlere Gasdruck hoch ist und die Festigkeit der Kurbeltriebe gut ausgenutzt wird. Die Übersetzung von den Kurbeltrieben bis zur Turbinenwelle kann etwa i zu q. bis i zu 8 sein, so daß die Drehzahl derTurbine gut zu der Auspuffgeschwindigkeit paßt, um einen hohen Wirkungsgrad der Turbine zu erzielen. Da die Auspuffgase sofort nach ihrem Austritt aus- dem Zylinder durch die Turbine zerwirbelt werden, wird der Auspuff fast geräuschlos.The machine works as follows. After completing a working stroke In a cylinder, the exhaust gases are passed through the nozzle-like exhaust ducts 5, 6 directly and with little heat and energy loss on the turbine blades 7 (together with guide vanes 8) brought into effect. As soon as the pressure is below 5 atm. in the Cylinder drops, the air compressor blows purge air through the valves and drives out the burned gases until the piston head the slots 5, 6 approximately to Half closed. The scavenging air then inflates through the scavenging slots 5, 6 the turbine blades 7, 8 and acts here at the same time cooling and on the turbine driving, so that energy losses largely be avoided. Then piston 13, 1q close. the slots 5, 6 and compress the air up to about 30 atm .; Now oil is burned through by special fuel injection pumps the nozzles i i injected so that it ignites and the fuel gases hit the piston drive back to the bottom dead center. At the beginning of the exhaust the Combustion gases still have a pressure of 10 to 12 atm., So that the mean gas pressure is high and the strength of the crank mechanisms is used well. The translation of the crank drives up to the turbine shaft can be about i to q. up to i be 8, so that the speed of the turbine matches the exhaust speed well for high efficiency to achieve the turbine. Because the exhaust gases are released immediately after they have escaped Cylinders are whirled up by the turbine, the exhaust becomes almost noiseless.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE: i. Brennkraftmaschine, insbesondere zur Arbeit im Zweitakt-Diesel-Verfahren, mit etwa sternförmig angeordneten Zylindern, deren Auspuffkanäle auf ein mit der Kolbenmaschine gleichachsiges Turbinenlaufrad münden, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffschlitze der Brennkraftzylinder auf einem gemeinsamen Kreise mit dem mittleren Durchmesser des Turbinenschaufelkranzes angeordnet, innerhalb der Zylinderwand düsenförmig ausgebildet sind und unmittelbar auf die Laufschaufeln der dicht an den Zylinderwänden laufenden Gasturbine münden. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von totem Raum zum Dehnungsraum in den Brennkraftzylindern derart (etwa 1 zu 4 bis i zu 5) bemessen ist, daß die Brenngase die Zylinder mit- etwa io bis 12 Atm. Druck verlassen. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Spülluft von hohem Druck (etwa 5 Atm.) vom Zylinderboden her in den Zylinder einblasbar ist und die Auspufföffnungen in der Zylinderwand in Achsenrichtung des Zylinders derart groß .sind, daß die 'Auspufföffnungen nach vollständigem Ausblasen der verbrannten Gase noch etwa halb geöffnet sind. q.. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei bis drei V- oder sternförmig angeordnete Brennkraftzylinder auf eine Kurbel wirken und mehrere sternförmig angeordnete Kurbeln durch ins Schnelle übersetzende Getriebe mit der Turbinenwelle zwangläufig verbunden sind. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche i bis q., dadurch gektnnzeichnet, daß die Gasturbinenwelle an ihrem einen Ende an einer gleichachsigen Hauptarbeitswelle gelagert ist, vorzugsweise mittels Trag- und Spurlagers. 6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffschlitze der schief zum Schaufelkranz der Turbine stehenden Zylinder schief zum Zylinder angeordnet sind. i. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffschlitze der schief zum Schaufelkranz der Turbine stehenden Zylinder rechtwinklig zur Zylinderachse in den Zylinder münden und derart in sich verdreht sind, daß sie parallel zum Schaufelkranz der Turbine in diesen münden.PATENT CLAIMS: i. Internal combustion engine, in particular for working in the two-stroke diesel process, with cylinders arranged approximately in a star shape, the exhaust ducts of which open onto a turbine runner coaxial with the piston engine, characterized in that the exhaust slots of the internal combustion cylinders are arranged on a common circle with the mean diameter of the turbine blade ring, within the cylinder wall are nozzle-shaped and open directly onto the rotor blades of the gas turbine running close to the cylinder walls. z. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the ratio of dead space to expansion space in the internal combustion cylinders is such (approximately 1 to 4 to 1 to 5) that the combustion gases enter the cylinders with approximately 10 to 12 atm. Exit pressure. 3. Internal combustion engine according to claim i or 2, characterized in that scavenging air of high pressure (about 5 atm.) Can be blown from the cylinder bottom into the cylinder and the exhaust openings in the cylinder wall in the axial direction of the cylinder .sind so large that the 'exhaust openings are still about half open after the burnt gases have been blown out completely. q .. Internal combustion engine according to one of claims i to 3, characterized in that two to three V- or star-shaped internal combustion cylinders act on a crank and several star-shaped cranks are positively connected to the turbine shaft by high-speed gears. 5. Internal combustion engine according to one of claims i to q., Characterized in that the gas turbine shaft is mounted at one end on a coaxial main working shaft, preferably by means of support and thrust bearings. 6. Internal combustion engine according to one of claims i to 5, characterized in that the exhaust slots of the cylinder standing obliquely to the blade ring of the turbine are arranged obliquely to the cylinder. i. Internal combustion engine according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the exhaust slots of the cylinders at an angle to the blade ring of the turbine open into the cylinder at right angles to the cylinder axis and are twisted in such a way that they open parallel to the blade ring of the turbine.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002044535A1 (en) * 2000-11-28 2002-06-06 Goitemirov Ramzan U Internal combustion engine

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