WO1988001341A1 - Internal combustion engine - Google Patents

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WO1988001341A1
WO1988001341A1 PCT/EP1987/000462 EP8700462W WO8801341A1 WO 1988001341 A1 WO1988001341 A1 WO 1988001341A1 EP 8700462 W EP8700462 W EP 8700462W WO 8801341 A1 WO8801341 A1 WO 8801341A1
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WO
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pressure
low
openings
line
tubing
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Application number
PCT/EP1987/000462
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Inventor
Gerhard Haubenwallner
Original Assignee
Gerhard Haubenwallner
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Gerhard Haubenwallner filed Critical Gerhard Haubenwallner
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F13/00—Pressure exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/42—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with driven apparatus for immediate conversion of combustion gas pressure into pressure of fresh charge, e.g. with cell-type pressure exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/02—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using exhaust-gas pressure in a pressure exchanger to compress combustion-air

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a compressor for the intake air and a heat exchanger.
  • Such an engine is formed, for example, by a gas turbine, the heat exchanger returning the residual heat of the exhaust gases to the intake air. Since hi.er are needed for heat exchangers with great performance, they are either very voluminous or structurally complex, z. B. a gas permeable rotating disc extending across the low pressure air duct and the high pressure air duct. As compressors, blower-working machines are used which are driven by the gas turbine, thereby reducing their useful output.
  • So-called pressure shaft compressors are also known for internal combustion engines.
  • the energy required for air compression is transmitted through brief contact between the exhaust gas flow and fresh air with so-called pressure waves.
  • This energy exchange takes place in axially extending cells arranged on the circumference of a rotor, the ends of which are open at the end being periodically closed during the rotation of the rotor and rotating past openings which in turn are connected to the air or exhaust lines of the engine.
  • the Roto 'r is thus used only for controlling the Dr' uckwel 1 enreaes and needs to be driven by the motor virtually no power.
  • it is advantageous in internal combustion engines to provide air or mixture preheating during warming up, while the engine must be cooled after warming up.
  • the invention is based on the object of preparing an internal combustion engine of the type mentioned at the beginning. places, which is provided with little effort with a space-saving heat exchanger of high performance.
  • a device which is constructed in the manner of a pressure wave compressor, but contains a heat exchanger integrated therein. A part of the high-tension hot exhaust gases of the internal combustion engine is thus led over the pressure wave compressor part 1 of this device, while the relaxed, but still containing residual gases are carried out after work in the pressure wave compressor part of the heat exchange part of the device, namely in a gas turbine.
  • the device according to the invention in internal combustion engines is designed in such a way that fresh air is supplied to the heat exchange part of the device, which cools the rotor and preheats the intake air.
  • the rotor can be driven either mechanically or by inflowing gases.
  • the speed of the rotor can be regulated mechanically, electrically, hydraulically or through adjustable gas inlet or outlet openings.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first form of this devicewhos ⁇ raftmaschine the manner of a 'pressure wave compressor means formed and the arrangement in a gas turbine as combustion;
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of the control plates and the rotor of the device according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a jacketed representation of the rotor according to FIGS. 1 and 2 with a schematic representation of the processes taking place therein;
  • a high-pressure air line 2 leads to a combustion chamber 1 of a gas turbine.
  • fuel is supplied to the high-pressure air through a nozzle 3 and burned.
  • the gases burned in the combustion chamber 1 pass through a nozzle and act on the turbine impeller 4.
  • the hot exhaust gases of the turbine which are under high pressure, are fed to a device 6 via a line 5.
  • the device 6 is constructed in the manner of a pressure wave compressor. For this purpose, it has a drum-shaped rotor 8 rotating in a cylindrical housing 7, which is provided with axially extending cells 9 on the circumference.
  • the rotor 8 is driven mechanically by the gas turbine, for example by means of a belt.
  • Control plates 10, 11 are provided on both sides of the rotor 8, which are each provided with three openings 12, 13, 14 and 15, 16, 17.
  • the openings 12, 13 and 15, 16 on the one hand and the openings 14 and 17 on the other hand each lie on a semi-circular sector of the control plates 10, 11 according to FIG. 2.
  • All openings 12 to 17 have the same radial distance. While the openings 14 and 17 each other are opposite, the openings 12, 13 of one control plate 10 are arranged offset from the openings 15, 16 of the other control plate 11.
  • the high-pressure exhaust gas line 5 is connected to the openings 15 via a channel 18, while a channel 19 connects to the opening 13 and leads to the high-pressure air line 2 to the combustion chamber 1 of the gas turbine.
  • the opening 16 is connected via a channel 12, shown schematically in the drawing, to the low-pressure exhaust gas line 22 and the opening 12 via a channel 23, also indicated schematically in the drawing, to the low-pressure air line 24, via which air is sucked in from the environment.
  • the low-pressure exhaust pipe 22 is connected via a channel 25 to the opening 14 of the control plate 10 ' .
  • Another channel 26 connects to the opposite opening 17 of the control plate 11.
  • the channel 26 optionally leads to the outside via an exhaust pipe.
  • the opening 17 leading to the outside has an arc length such that it is also opposite the opening 12 connected to the low-pressure air line 24, so that the exhaust gas from the. relevant cell 9 of the rotor 8 rinsed and the cell 9 can be filled with fresh air.
  • the relaxed, but still hot exhaust gas from the gas turbine, which exits the channel 21, is then fed via the line 22 to the channel 25, where it passes through the opening 14 of the control plate 10 through the cells 9 of the rotor 8 and this via the Leaves opening 17 of the other control plate 11 and then goes out through the channel 26.
  • Fig. 3 the processes described are illustrated using a jacketed representation of the rotor, the reference numerals 2, 5, 8, 9, 18, 19 and 21 to
  • the ambient air flowing into the rotor via line 24 or channel 23 is preheated as a result.
  • a line 29 can be provided, by means of which the low-pressure exhaust gas emerging from the channel 21 is discharged directly into the open or the exhaust pipe.
  • the rotor 8 ' is formed from two hub rings 27, 28 arranged concentrically to one another.
  • Wreath of cells 9 ' 1 is between the inner hub ring
  • the openings of the control plates leading to the high-pressure exhaust line 5, the high-pressure air line 2, the low-pressure exhaust line 22 and the low-pressure air line 24 are arranged at the same radial distance as the rim of the cells 9 ', while the inner cell rim 9 1 ' on both control plates are assigned opposite openings distributed around the circumference of the control plates, the openings of one control plate corresponding to the inner ring are assigned to cells 9 1 ', are connected to low-pressure exhaust gas line 22 and, if necessary, lead the openings of the other control plate, which are assigned to the inner ring of cells 9-'', into the open via an exhaust pipe.
  • the walls of the cells 9 1 ' which are arranged offset to the walls of the cells 9', can also extend radially into the cells 9 *, and vice versa, in order to improve the heat exchange.
  • the inner circumferential wall of the cells 9 ' can also be drawn radially inwards or the outer circumferential wall of the cells 9''radially outwards.
  • the invention can be used not only in a gas turbine but also in other internal combustion engines, that is to say also in internal combustion engines.
  • the openings 14, 17 in the embodiment according to FIGS. 1 and 2 or the openings of both control plates assigned to the inner ring of cells 9 ' 1 are connected on the one hand to an air intake line leading to the outside and on the other hand to the opening 15 for applying pressure to the pressure wave compressor with low pressure.
  • the invention is particularly intended for gas turbines.
  • gas turbines the pressure and heat energy converted into mechanical energy is increased. a large part needed to drive the compressor.
  • the rotor 8 only controls serves the pressure processes in the compressor 6, its drive requires practically no power from the gas turbine. Accordingly, the invention achieves a considerable increase in the effectively usable mechanical energy, ie the efficiency of a gas turbine.
  • the device according to the invention which is designed in the manner of a pressure wave charger, can also be connected in series with a compressor of a conventional type in order to reduce the energy requirement of such a compressor accordingly.
  • the device according to the invention can be connected in series with conventional chargers in internal combustion engines in order to use the short response time of the device according to the invention compared to a charger.

Abstract

An internal combustion engine is provided with a device (6) of the induction ramming compressor type which has a rotor (8) with axial cells (9) and driving plates (10, 11) on both sides provided with at least two openings (12, 13, 15, 16) each. The two openings (12, 13) of one driving plate (10) are linked with the low-pressure air tubing (24) for the suction air or with high-pressure air tubing (2) for the compressed air and the two openings (15, 16) of the other driving plate (11) are linked with high-pressure exhaust fumes tubing (5) of the motor or with low-pressure exhaust fumes tubing (22). The openings are so arranged that when the rotor (8, 8') rotates each cell (9, 9', 9'') is successively linked to the low-pressure air tubing (24), the high-pressure exhaust fumes tubing (5), the high-pressure air tubing (2) and the low-pressure exhaust fumes tubing (22). At least one additional opening (14, 17) is provided for heat exchange in each driving plate (10, 11); these openings lie opposite each other and are linked on the one hand with the low-pressure exhaust fumes tubing (22) and on the other hand with exhaust fumes tubing that leads to the open air or on the one hand with intake tubing that leads to the open air and on the other hand with the low-pressure air tubing.

Description

Verbrennungskraftmaschine Internal combustion engine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftma¬ schine mit einem Verdichter für die Ansaugluft und einem Wärmetauscher.The invention relates to an internal combustion engine with a compressor for the intake air and a heat exchanger.
Eine derartige Kraftmaschine wird beispielsweise durch eine Gasturbine gebildet, wobei der Wärmetauscher die Restwärme der Abgase an die Ansaugluft zurückführt. Da hi.erfür Wärmetauscher mit großer Leistung benötigt werden,, sind sie entweder sehr- voluminös oder konstruktiv aufwendig, z. B. eine gasdurchlässige rotierende Scheibe, die sich quer durch den Niederdruck-Luftkanal und den Hochdruck-Luftkanal erstreckt. Als Verdichter werden dabei als Kreisel gebl se arbeitende Maschinen verwendet, die von der Gasturbine angetrieben werden, wodurch deren Nutzleistung verringert wird.Such an engine is formed, for example, by a gas turbine, the heat exchanger returning the residual heat of the exhaust gases to the intake air. Since hi.er are needed for heat exchangers with great performance, they are either very voluminous or structurally complex, z. B. a gas permeable rotating disc extending across the low pressure air duct and the high pressure air duct. As compressors, blower-working machines are used which are driven by the gas turbine, thereby reducing their useful output.
Weiterhin sind für Verbrennungsmotoren sogenannte Druckwel¬ lenverdichter bekannt. Die zur Luftverdichtung ben-ötigte Energie wird dabei durch kurzzeitigen Kontakt zwischen Abgasstrom und Frischluft mit sogenannten Druckwellen übertragen. Dieser Energieaustausch spielt sich in am Umfang eines Rotors angeordneten axial verlaufenden Zellen ab, deren an sich offene Enden während der Drehung des Rotors periodisch geschlossen werden und an Öffnungen vorbeidrehen, die ihrerseits mit den Luft- oder Abgaslei- tungen des Motors verbunden sind. Der Roto'r dient somit nur zur Steuerung des Dr'uckwel 1 enprozesses und benötigt zum Antrieb durch den Motor praktisch keine Leistung. Weiterhin ist es bei Verbrennungsmotoren vorteilhaft, während des Warmlaufens eine Luft- oder Gemi schvorwärmung vorzusehen, während nach dem Warmlaufen der Motor gekühlt werden muß.So-called pressure shaft compressors are also known for internal combustion engines. The energy required for air compression is transmitted through brief contact between the exhaust gas flow and fresh air with so-called pressure waves. This energy exchange takes place in axially extending cells arranged on the circumference of a rotor, the ends of which are open at the end being periodically closed during the rotation of the rotor and rotating past openings which in turn are connected to the air or exhaust lines of the engine. The Roto 'r is thus used only for controlling the Dr' uckwel 1 enprozesses and needs to be driven by the motor virtually no power. Furthermore, it is advantageous in internal combustion engines to provide air or mixture preheating during warming up, while the engine must be cooled after warming up.
««
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbren¬ nungskraf maschine der eingangs genannten Art bereitzu- stellen, die mit geringem Aufwand mit einem platzsparenden Wärmetauscher hoher Leistung versehen ist.The invention is based on the object of preparing an internal combustion engine of the type mentioned at the beginning. places, which is provided with little effort with a space-saving heat exchanger of high performance.
Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen erreicht. In den Ansprüchen 2 und 3 sind zwei vorteilhafte Ausfüh¬ rungsformen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschi¬ ne gekennzeichnet.This is achieved according to the invention by the measures specified in the characterizing part of claim 1. In claims 2 and 3, two advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are characterized.
Nach der Erfindung ist also eine Einrichtung vorgesehen, die nach Art eines Druckwell enverdichters aufgebaut ist, jedoch in denselben einen Wärmetauscher integriert enthält. Ein Teil der hochgespannten heißen Abgase der Verbrennuπgskraftmaschine wird also über den Druckwel- lenverdichtertei 1 dieser Einrichtung geführt, während die entspannten, jedoch noch Restwärme enthaltenden Abgase nach geleisteter Arbeit im Druckwell enverdichter- teil dem Wärmetauschteil der Einrichtung zugeführt werden, und zwar bei einer Gasturbine. Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Einrichtung bei Verbrennungsmoto¬ ren derart konzipiert, daß dem Wärmetauschteil der Einrichtung Frischluft zugeführt wird, welche den Rotor kühlt und die Ansaugluft vorerwärmt. Der Antrieb des Rotors kann entweder mechanisch oder durch einströmende Gase erfolgen. Die Regulierung der Drehzahl des Rotors kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder durch regulierbare Gaseintritts- bzw. -austrittsöffnungen vorgenommen werden.According to the invention, therefore, a device is provided which is constructed in the manner of a pressure wave compressor, but contains a heat exchanger integrated therein. A part of the high-tension hot exhaust gases of the internal combustion engine is thus led over the pressure wave compressor part 1 of this device, while the relaxed, but still containing residual gases are carried out after work in the pressure wave compressor part of the heat exchange part of the device, namely in a gas turbine. In contrast, the device according to the invention in internal combustion engines is designed in such a way that fresh air is supplied to the heat exchange part of the device, which cools the rotor and preheats the intake air. The rotor can be driven either mechanically or by inflowing gases. The speed of the rotor can be regulated mechanically, electrically, hydraulically or through adjustable gas inlet or outlet openings.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schmatisch:The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. In each case, schmatic show:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungs¬ form der nach Art eines 'Druckwellenverdichters ausgebildeten Einrichtung und die Anordnung dieser Einrichtung bei einer Gasturbine als Verbrennungs raftmaschine; Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Steuerplat¬ ten und des Rotors der Einrichtung nach Fig. 1;Fig. 1 shows a longitudinal section through a first form of this device Ausführungs¬ raftmaschine the manner of a 'pressure wave compressor means formed and the arrangement in a gas turbine as combustion; FIG. 2 shows a perspective illustration of the control plates and the rotor of the device according to FIG. 1;
Fig. 3 eine aufgemantelte Darstellung des Rotors gemäß Fig. 1 und 2 mit schemati scher Wiedergabe der darin ablaufenden Vorgänge; und3 shows a jacketed representation of the rotor according to FIGS. 1 and 2 with a schematic representation of the processes taking place therein; and
FTg-. 4- einen Querschnitt durch einen Rotor nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.FTg-. 4- a cross section through a rotor according to a second embodiment of the invention.
Gemäß Fig. 1 und 2 führt zu einer Brennkammer 1 einer Gasturbine eine Hochdruck-Luftleitung 2. In der Brennkam¬ mer 1 wird der Hochdruckluft durch eine Düse 3 Brennstoff zugeführt und verbrannt. Die in der Brennkammer 1 verbrann¬ ten Gase treten durch eine Düse und beaufschlagen das Turbinenlaufrad 4. Die unter hohem Druck stehenden, heißen Abgase der Turbine werden über eine Leitung 5 einer Einrichtung 6 zugeführt.1 and 2, a high-pressure air line 2 leads to a combustion chamber 1 of a gas turbine. In the combustion chamber 1, fuel is supplied to the high-pressure air through a nozzle 3 and burned. The gases burned in the combustion chamber 1 pass through a nozzle and act on the turbine impeller 4. The hot exhaust gases of the turbine, which are under high pressure, are fed to a device 6 via a line 5.
Die Einrichtung 6 ist nach Art eines Druckwellenverdich¬ ters aufgebaut. Sie weist dazu einen in einem zylindri¬ schen Gehäuse 7 umlaufenden trommeiförmigen Rotor 8 auf, der am Umfang mit axial verlaufenden Zellen 9 versehen ist. Der Rotor 8 wird von der Gasturbine mecha¬ nisch, beispielsweise mittels eines Riemens, angetrieben.The device 6 is constructed in the manner of a pressure wave compressor. For this purpose, it has a drum-shaped rotor 8 rotating in a cylindrical housing 7, which is provided with axially extending cells 9 on the circumference. The rotor 8 is driven mechanically by the gas turbine, for example by means of a belt.
Beiderseits des Rotors 8 sind Steuerplatten 10, 11 vorgesehen, die jeweils mit drei Öffnungen 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 versehen sind. Die Öffnungen 12, 13 und 15, 16 einerseits und die Öffnungen 14 und 17 andererseits liegen dabei gemäß Fig. 2 jeweils auf einem halbkreisförmigen Sektor der Steuerplatten 10,11.Control plates 10, 11 are provided on both sides of the rotor 8, which are each provided with three openings 12, 13, 14 and 15, 16, 17. The openings 12, 13 and 15, 16 on the one hand and the openings 14 and 17 on the other hand each lie on a semi-circular sector of the control plates 10, 11 according to FIG. 2.
Alle Öffnungen 12 bis 17 weisen den gleichen radialen Abstand auf. Während die Öffnungen 14 und 17 einander gegenüberliegen, sind die Öffnungen 12, 13 der einen Steuerplatte 10 gegenüber den Öffnungen 15, 16 der anderen Steuerplatte 11 versetzt angeordnet.All openings 12 to 17 have the same radial distance. While the openings 14 and 17 each other are opposite, the openings 12, 13 of one control plate 10 are arranged offset from the openings 15, 16 of the other control plate 11.
An die Öffnungen 15 ist dabei die Hochdruckabgasleitung 5 über einen Kanal 18 angeschlossen, während an die Öffnung 13 ein Kanal 19 anschließt, der zu der Hochdruck- Luftleitung 2 zur Brennkammer 1. der Gasturbine führt.The high-pressure exhaust gas line 5 is connected to the openings 15 via a channel 18, while a channel 19 connects to the opening 13 and leads to the high-pressure air line 2 to the combustion chamber 1 of the gas turbine.
Die Öffnung 16 ist über einen in der Zeichnung schematisch dargestellten Kanal 12 mit der Niederdruck-Abgasleitung 22 und die Öffnung 12 über einen in der Zeichnung gleichfalls schematisch angedeuteten Kanal 23 mit der Niederdruck-Luftleitung 24 verbunden, über welche aus der Umgebung Luft angesaugt wird.The opening 16 is connected via a channel 12, shown schematically in the drawing, to the low-pressure exhaust gas line 22 and the opening 12 via a channel 23, also indicated schematically in the drawing, to the low-pressure air line 24, via which air is sucked in from the environment.
Die Niederdruck-Abgasleitung 22 ist über einen Kanal 25 an die Öffnung 14 der Steuerplatte 10 angeschlossen'. Ein weiterer Kanal 26 schließt an die gegenüberliegende Öffnung 17 der Steuerplatte 11 an. Der Kanal 26 führt gegebenenfalls über ein Auspuffrohr ins Freie.The low-pressure exhaust pipe 22 is connected via a channel 25 to the opening 14 of the control plate 10 ' . Another channel 26 connects to the opposite opening 17 of the control plate 11. The channel 26 optionally leads to the outside via an exhaust pipe.
Die ins Freie führende Öffnung 17 weist dabei eine Bogenlänge auf, daß ihr auch die an die Niederdruck-Luft¬ leitung 24 angeschlossene Öffnung 12 gegenüberliegt, so daß das Abgas aus der. betreffenden Zelle 9 des Rotors 8 gespült und die Zelle 9 mit Frischluft gefüllt werden kann .The opening 17 leading to the outside has an arc length such that it is also opposite the opening 12 connected to the low-pressure air line 24, so that the exhaust gas from the. relevant cell 9 of the rotor 8 rinsed and the cell 9 can be filled with fresh air.
Mit der Einrichtung 6 wird zur Verdichtung der Luft benötigte Energie durch kurzzeitigen direkten Kontakt zwischen der Hochdruck-Abgasleitung 5 und der Niederdruck- Luftleitung 24 mit sogenannten Druckwellen übertragen. Dazu werden die an sich offenen Enden der Zellen 9 des Rotors 8 während der Drehung des Rotors 8 durch die Steuerplatten 10, 11 periodisch geschlossen und an den Öffnungen 12, 13 und 15, 16 vorbeigedreht. Der Rotor 8 dient dabei zur Steuerung des Druckwellenprozesses und benötigt zu seinem Antrieb durch die Gasturbine praktisch keine Leistung.With the device 6, energy required for compressing the air is transmitted by means of short-term direct contact between the high-pressure exhaust gas line 5 and the low-pressure air line 24 with so-called pressure waves. For this purpose, the ends of the cells 9 of the rotor 8, which are open per se, are periodically closed during the rotation of the rotor 8 by the control plates 10, 11 and rotated past the openings 12, 13 and 15, 16. The rotor 8 serves to control the pressure wave process and requires virtually no power to drive it through the gas turbine.
Während eines Drehzyklus gelangt zunächst hochgespanntes, heißes Abgas über die Leitung 5 durch die Öffnung 15 axial in die dahinter gerade erscheinende Zelle 9 des Rotors 8. Die darin befindliche Frischluft, die in diese Zelle zuvor über den Kanal 23 und die Öffnung 12 in der Steuerplatte 10 zugeführt worden ist, wird durch das hochgespannte ,- gas zu dem der Steuerplatte 10 zugewandten Ende der vorerst noch geschlossenen Zelle 9 gedrängt und dort verdichtet. Durch die Drehung des Rotors 8 gelangt nun diese Zelle in den Bereich der Öffnung 13, welche über den Kanal 19 mit der Hoch¬ druck-Luftleitung 2 verbunden ist. Anschließend wird die Zelle 9 über die Öffnung 16 in den Kanal 21 mit der Niederdruck-Abgasleitung 22 verbunden. Das bisher in der Zelle 9 gefangene Abgas wird reflektiert und strömt aus der Zelle aus.During a turning cycle, high-tensioned, hot exhaust gas first reaches the cell 9 of the rotor 8 axially through the opening 15 through the opening 15, and the fresh air therein, which previously entered this cell via the channel 23 and the opening 12 in the control plate 10 has been supplied, is pushed by the high-tension, - gas to the end of the initially closed cell 9 facing the control plate 10 and compressed there. As a result of the rotation of the rotor 8, this cell now reaches the region of the opening 13 which is connected to the high-pressure air line 2 via the channel 19. The cell 9 is then connected to the low-pressure exhaust gas line 22 via the opening 16 in the channel 21. The exhaust gas previously trapped in cell 9 is reflected and flows out of the cell.
Das zwar entspannte, aber noch heiße Abgas der Gasturbine, das aus dem Kanal 21 austritt, wird dann über die Leitung 22 dem Kanal 25 zugeführt, wo es über die Öffnung 14 der Steuerplatte 10 durch die Zellen 9 des Rotors 8 hindurchtritt und diese über die Öffnung 17 der anderen Steuerplatte 11 verläßt und dann über den Kanal 26 ins Freie abgeht.The relaxed, but still hot exhaust gas from the gas turbine, which exits the channel 21, is then fed via the line 22 to the channel 25, where it passes through the opening 14 of the control plate 10 through the cells 9 of the rotor 8 and this via the Leaves opening 17 of the other control plate 11 and then goes out through the channel 26.
Beim Durchtritt durch die Zelle 9 gibt das Niederdruck- -Abgas seine Restwärme über den Rotor 8 an die Luft ab, die über den Kanal 23 dem Rotor zugeführt und kompri- mi ert wi rd .When passing through the cell 9, the low-pressure exhaust gas releases its residual heat to the air via the rotor 8, which is fed to the rotor via the duct 23 and compressed. I am now
Es wird also ein Wärmetausch und damit eine beträchtliche Vorerwärmung der dem Brennraum 1 über die Leitung 2 zugeführten Hochdruckluft erreicht.A heat exchange and thus a considerable preheating of the high-pressure air supplied to the combustion chamber 1 via the line 2 is thus achieved.
In Fig. 3 sind die geschilderten Vorgänge anhand einer aufgemantelten Darstellung des Rotors verdeutlicht, wobei die Bezugsziffern 2, 5, 8, 9, 18, 19 und 21 bisIn Fig. 3, the processes described are illustrated using a jacketed representation of the rotor, the reference numerals 2, 5, 8, 9, 18, 19 and 21 to
26 die gleiche Bedeutung haben wie in Fig. 1 und der Pfeil a die Drehrichtung des Rotors 8 darstellt.26 have the same meaning as in Fig. 1 and the arrow a represents the direction of rotation of the rotor 8.
Die heißen Abgase der Niederdruck-Abgasleitung 22, die über den Kanal 25 dem Rotor 8 zugeführt werden und ihn über den Kanal 26 wieder verlassen, erwärmen die Zellen 9 des Rotors. Die über die Leitung 24 bzw. den Kanal 23 in den Rotor einströmende Umgebungsluft wird dadurch vorerwärmt.The hot exhaust gases of the low-pressure exhaust gas line 22, which are fed to the rotor 8 via the channel 25 and leave it again via the channel 26, heat the cells 9 of the rotor. The ambient air flowing into the rotor via line 24 or channel 23 is preheated as a result.
Während diese Vorerwärmung bei einer Gasturbine normaler¬ weise während des gesamten Betriebs erwünscht ist, ist bei einem Verbrennungsmotor erwärmte Ansaugluft nur beim Warmlaufen, nicht jedoch während des Normalbe¬ triebes erwünscht. Demgemäß kann eine Leitung 29 vorgese¬ hen sein, mit der das aus dem Kanal 21 austretende Niederdruck-Abgas direkt - ins Freie bzw. den Auspuff abgeführt wird.While this preheating in a gas turbine is normally desired during the entire operation, intake air heated in an internal combustion engine is only desired during warm-up, but not during normal operation. Accordingly, a line 29 can be provided, by means of which the low-pressure exhaust gas emerging from the channel 21 is discharged directly into the open or the exhaust pipe.
Gemäß Fig. 3 ist nach einer weiteren Ausführungsform der Rotor 8' aus zwei kontentrisch zueinander angeordne¬ ten Nabenringen 27, 28 gebildet. Der äußere Nabenring3, according to a further embodiment, the rotor 8 'is formed from two hub rings 27, 28 arranged concentrically to one another. The outer hub ring
27 trägt dabei einen Kranz von Zellen 91 und ein zweiter27 carries a ring of cells 9 1 and a second
**
Kranz von Zellen 9' 1 ist zwischen dem inneren NabenringWreath of cells 9 ' 1 is between the inner hub ring
28 und dem äußeren Nabenring 27 angeordnet. Die Öffnungen der Steuerplatten, die zur Hochdruck-Abgasleitung 5, der Hochdruck-Luftleitung 2, der Niederdruck-Abgasleitung 22 und der Niederdruck-Luftleitung 24 führen, sind dabei mit gleichem radialen Abstand wie der Kranz der Zellen 9' angeordnet, während dem inneren Zellenkranz 91 ' an beiden Steuerplatten sich gegenüberliegende, um den Umfang der Steuerplatten verteilte Öffungen zugeordnet sind, wobei die Öffnungen der einen Steuerplat¬ te, die dem inneren Kranz der Zellen 91 ' zugeordnet sind, mit der Niederdruck-Abgasleitung 22 verbunden sind und die Öffnungen der anderen Steuerplatte, die dem inneren Kranz der Zellen 9-' ' zugeordnet sind, gegebe¬ nenfalls über ein Auspuffrohr ins Freie führen.28 and the outer hub ring 27 is arranged. The openings of the control plates leading to the high-pressure exhaust line 5, the high-pressure air line 2, the low-pressure exhaust line 22 and the low-pressure air line 24 are arranged at the same radial distance as the rim of the cells 9 ', while the inner cell rim 9 1 ' on both control plates are assigned opposite openings distributed around the circumference of the control plates, the openings of one control plate corresponding to the inner ring are assigned to cells 9 1 ', are connected to low-pressure exhaust gas line 22 and, if necessary, lead the openings of the other control plate, which are assigned to the inner ring of cells 9-'', into the open via an exhaust pipe.
Die Wände der Zellen 91 ', die zu den Wänden der Zellen 9' versetzt angeordnet sind, können sich dabei auch radial in die Zellen 9* hineinerstrecken, und umgekehrt, um den Wärmetausch zu verbessern. Auch kann, abgesehen von den Endabschnitten an den Steuerplatten, die innere Umfangswand der Zellen 9' radial nach innen bzw. die äußere Umfangswand der Zellen 9' ' radial nach außen gezogen sein.The walls of the cells 9 1 ', which are arranged offset to the walls of the cells 9', can also extend radially into the cells 9 *, and vice versa, in order to improve the heat exchange. Apart from the end sections on the control plates, the inner circumferential wall of the cells 9 'can also be drawn radially inwards or the outer circumferential wall of the cells 9''radially outwards.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht nur bei einer Gasturbine, sondern auch bei anderen Verbrennungskraf ¬ maschinen anwendbar ist, also auch bei Verbrennungsmoto¬ ren. In diesem Fall sind die Öffnungen 14, 17 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 bzw. die dem inneren Kranz von Zellen 9' 1 zugeordneten Öffnungen beider Steuerplatten einerseits mit einer ins Freie führenden Luftansaugleitung und andererseits mit der Öffnung 15 zur Beaufschlagung des Druckwell enverdichters mit Niederdruck verbunden.It goes without saying that the invention can be used not only in a gas turbine but also in other internal combustion engines, that is to say also in internal combustion engines. In this case, the openings 14, 17 in the embodiment according to FIGS. 1 and 2 or the openings of both control plates assigned to the inner ring of cells 9 ' 1 are connected on the one hand to an air intake line leading to the outside and on the other hand to the opening 15 for applying pressure to the pressure wave compressor with low pressure.
Die Erfindung ist insbesondere für Gasturbinen bestimmt. Bei Gasturbinen wird nämlich die in mechanische Energie umgewandelte Druck- und Wärmeenergie zu. einem großen Teil zum Antrieb des Verdichters benötigt. Da anderer¬ seits erfindungsgemäß der Rotor 8 nur der Steuerung der Druckprozesse in dem Verdichter 6 dient, benötigt sein Antrieb praktisch keine Leistung von der Gasturbine. Demgemäß wird durch die Erfindung eine erhebliche Steige¬ rung der effektiv nutzbaren mechanischen Energie, d. h. des Wirkungsgrades einer Gasturbine erzielt.The invention is particularly intended for gas turbines. In gas turbines, the pressure and heat energy converted into mechanical energy is increased. a large part needed to drive the compressor. On the other hand, according to the invention, the rotor 8 only controls serves the pressure processes in the compressor 6, its drive requires practically no power from the gas turbine. Accordingly, the invention achieves a considerable increase in the effectively usable mechanical energy, ie the efficiency of a gas turbine.
Bei Gasturbinen kann die erfindungsgemäße, nach Art eines Druckwellenladers ausgebildete Einrichtung auch in Serie mit einem Verdichter herkömmlicher Bauart geschaltet sein, um den Energiebedarf eines solchen Verdichters entsprechend zu reduzieren.In the case of gas turbines, the device according to the invention, which is designed in the manner of a pressure wave charger, can also be connected in series with a compressor of a conventional type in order to reduce the energy requirement of such a compressor accordingly.
Ebenso kann bei Verbrennungsmotoren die erfindungsgemäße Einrichtung in Serie mit üblichen Ladern geschaltet werden, um die gegenüber einem Lader kurze Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Einrichtung zu nutzen. Likewise, the device according to the invention can be connected in series with conventional chargers in internal combustion engines in order to use the short response time of the device according to the invention compared to a charger.

Claims

- 3 -Verbrennungs raf maschinePatentansprüche - 3 -combustion raf machine patent claims
Verbrennungskraftmaschine mit einem Verdichter für die Ansaugluft und einem Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet,' daß eine nach Art eines Druckwell enver- dichters ausgebildete Einrichtung (6) vorgesehen ist, welche einen Rotor (8, 8' ) mit axial verlaufenden Zellen (9, 9', 9' 1) und Steuerplatten (10, 11 ) auf beiden Seiten aufweist, welche jeweils mit mindestens zwei Öffnungen (12, 13, 14, 17) versehen sind, wobei die beiden Öffnungen (12, 13) der einen Steuerplatte (10) mit einer Niedrigdruck-Luftleitung (24) für die Ansaugluft bzw. einer Hochdruck-Luftleitung (2) für die verdichtete Luft und die beiden Öffnungen (15, 16) der anderen Steuerplatte (11) mit einer Hochdruck-Abgas! eitung (5) von der Verbrennungskraftma¬ schine bzw. mit einer Niederdruck-Abgasleitung (22) verbunden und derart angeordnet sind, daß bei umlaufen¬ dem Rotor (8, 8') jede Zelle (9, 9', 9' ') nacheinander mit der Niederdruck-Luftleitung (24), der Hochdruck-Ab- gasleitung (5), der Hochdruck-Luftleitung (2) und der Niederdruck-Abgasleitung (22) verbunden wird, und mindestens je eine weitere Öffnung (14, 17) in jeder Steuerplatte (10, 11) vorgesehen ist, welche aneinander gegenüberliegen und einerseits mit der Niederdruck-Abgasleitung (22) und andererseits mit einer ins Freie führenden Abgasleitung oder einerseits mit einer ins Freie führenden Ansaugleitung und andererseits mit der Niederdruck-Luftleitung verbunden sind.Internal combustion engine with a compressor for the intake air and a heat exchanger, characterized in that ' a device (6) designed in the manner of a pressure wave compressor is provided which has a rotor (8, 8') with axially extending cells (9, 9 ' , 9 ' 1 ) and control plates (10, 11) on both sides, which are each provided with at least two openings (12, 13, 14, 17), the two openings (12, 13) of one control plate (10) with a low-pressure air line (24) for the intake air or a high-pressure air line (2) for the compressed air and the two openings (15, 16) of the other control plate (11) with a high-pressure exhaust gas! line (5) from the internal combustion engine or with a low-pressure exhaust gas line (22) and are arranged such that each cell (9, 9 ', 9'') in succession when the rotor (8, 8') rotates is connected to the low-pressure air line (24), the high-pressure exhaust line (5), the high-pressure air line (2) and the low-pressure exhaust line (22), and at least one additional opening (14, 17) each In each control plate (10, 11) is provided, which are opposite each other and are connected on the one hand to the low-pressure exhaust pipe (22) and on the other hand to an exhaust pipe leading to the outside or on the one hand to an intake pipe leading to the outside and on the other hand to the low-pressure air pipe.
2 -, Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Öffnungen (12, 13) zu der Nieder- druckluftleitung (24) und der Hochdruckluftleitung (2) und die Öffnungen (15, 16) zu der Hochdruck-Abgas! eitung (5) und der Niederdruck-Abgasleitung (22) in einem Kreissektor der Steuerplatten (10, Tl) und die weiteren Öffnungen (14, 17) mit gleichem radialem Abstand, aber in davon getrennten Kreissektorenangeordnet sind, wobei der Öffnung (12) zu der Niederdruck-Luftleitung (24) eine der weiteren Öffnungen (17) an der anderen Steuerplatte (11) gegenüberliegt.2 -, internal combustion engine according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that the openings (12, 13) to the low-pressure air line (24) and the high-pressure air line (2) and the openings (15, 16) to the high-pressure exhaust gas! line (5) and the low-pressure exhaust pipe (22) in a circular sector of the control plates (10, Tl) and the further openings (14, 17) are arranged with the same radial distance but in separate circular sectors, the opening (12) the low-pressure air line (24) is opposite one of the further openings (17) on the other control plate (11).
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (8') aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Nabenringen (27, 28) besteht, wobei der äußere Nabenring (27) einen Kranz von Zellen (9') trägt und ein zweiter Kranz von Zellen (91 1) den inneren Nabenring (28) mit dem äußeren Nabenring (27) verbindet und daß die Öffnungen der Steuerplatten, die zur Hochdruckabgasleitung (5), zur Hochdruck-Luftleitung (20), zur Niederdruck-Abgasleitung (22) und zur Nieder¬ druck-Luftleitung (24) führen, mit gleichem radialen Abstand wie der eine Zellenkranz und die weiteren Öffnungen mit gleichem radialen Abstand wie der andere Zellenkranz angeordnet sind. 3. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the rotor (8 ') consists of two concentrically arranged hub rings (27, 28), the outer hub ring (27) carrying a ring of cells (9') and a second ring of cells (9 1 1 ) connects the inner hub ring (28) to the outer hub ring (27) and that the openings of the control plates leading to the high-pressure exhaust line (5), to the high-pressure air line (20), to the low-pressure exhaust line (22) and lead to the low-pressure air line (24) with the same radial distance as the one cell ring and the further openings with the same radial distance as the other cell ring.
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