DE1060085B

DE1060085B - Pressure exchanger

Info

Publication number: DE1060085B
Application number: DED28858A
Authority: DE
Inventors: Dudley Brian Spalding
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1957-08-29
Filing date: 1958-08-28
Publication date: 1959-06-25

Description

Druckaustauscher Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Druckaustauscher, insbesondere auf solche, welche zum Aufladen von Brennkraftmaschinen verwendet werden.Pressure exchangers The present invention relates to pressure exchangers, especially those that are used to charge internal combustion engines.

Derartige Druckaustauscher weisen im allgemeinen Zu- und Abführungskanäle auf, mit deren Hilfe unter verschiedenen Drücken stehende Gase den Zellen eines relativ dazu beweglichen Zellenrades zugeführt werden, wobei durch die Expansion eines Gases in den Zellen des Zellenrades ein anderes, mit diesem Gas unmittelbar in Berührung stehendes Gas komprimiert wird.Such pressure exchangers generally have inlet and outlet channels with the help of which gases under different pressures give the cells of a relative to this movable cellular wheel are supplied, whereby by the expansion one gas in the cells of the cell wheel another, with this gas directly the gas in contact is compressed.

Es ist bereits bekannt, derartige Druckaustauscher zum Aufladen von Brennkraftmaschinen zu benutzen. Dabei wird in einer Niederdruckspülstufe den Zellen des Zellenrades Luft von Atmosphärendruck zugeführt und diese Luft anschließend in den Zellen komprimiert und danach in einer Hochdruckspülstufe in die Ansaugleitung der Brennkraftmaschine abgelassen. Gleichzeitig wird das Abgas der Brennkraftmaschine in der Hochdruckspülstufe in die Zellen des Zellenrades eingelassen und nach entsprechender Expansion innerhalb der Zellen in der Niederdruckspülstufe wieder aus den Zellen in die freie Atmosphäre abgelassen. Das Abgas der Brennkraftmaschine enthält Verbrennungsrückstände, weshalb eine Durchmischung des Abgases mit der in die Ansaugleitung der Brennkraftmaschine abzugebenden Ladeluft in den Zellen des Druckaustauscherzellenrades unerwünscht ist. Eine solche gegenseitige Durchmischung des expandierenden Abgases mit der zu verdichtenden Ladeluft im Druckaustauscher ist auch dann nicht wünschenswert, wenn der Druckaustauscher anderweitig zum Verdichten von Gas benutzt wird, welches chemisch vom expandierenden Gas verschieden ist und nicht mit letzterem vermischt werden oder reagieren soll.It is already known such pressure exchangers for charging To use internal combustion engines. The cells are in a low-pressure rinsing stage the cell wheel is supplied with air at atmospheric pressure and then this air compressed in the cells and then in a high pressure flushing stage into the suction line drained the internal combustion engine. At the same time, the exhaust gas from the internal combustion engine let into the cells of the cellular wheel in the high pressure flushing stage and after corresponding Expansion within the cells in the low-pressure flushing stage back out of the cells released into the open atmosphere. The exhaust gas of the internal combustion engine contains combustion residues, which is why the exhaust gas is mixed with that in the intake line of the internal combustion engine charge air to be released in the cells of the pressure exchanger cell wheel is undesirable is. Such mutual mixing of the expanding exhaust gas with the to compressing charge air in the pressure exchanger is not desirable even if the pressure exchanger is otherwise used for compressing gas, which chemically is different from the expanding gas and not mixed with the latter or should react.

Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung der unerwünschten Gasdurchmischung, wie sie bei bisher bekannten Druckaustauschern auftritt.The object of the invention is to avoid undesired gas mixing, as occurs with previously known pressure exchangers.

Die Erfindung geht von einem Zellenrad-Druckaustauscher mit durch im wesentlichen in Achsrichtung verlaufende Radialzwischenwandungen unterteilten Spülkanälen aus und besteht darin, daß diese Zwischenwandungen die Spülkanäle derart in mit Bezug auf die Relativbewegungsrichtung zwischen Zellenrad und Kanälen vorausliegende und zurückliegende Teilkanäle unterteilen, daß einerseits durch den in Zellenraddrehrichtung gelegenen Teilkanal des Einlaßkanals in Zellen des Zellenrades ein Spülgas zugeführt und durch den entgegen dieser Drehrichtung gelegenen Teilkanal des Auslaßkanals Gas aus diesen Zellen ausgespült wird, während andererseits durch den entgegen der Drehrichtung gelegenen Teilkanal des Einlaßkanals ein Puffergas in die Zellen eingeleitet wird, welches im wesentlichen über einen außerhalb des Zellenrades verlaufenden Verbindungskanal von dem in Drehrichtung gelegenen Teil des Auslaßkanals bezogen wird.The invention goes through with a cellular wheel pressure exchanger Subdivided radial partition walls running essentially in the axial direction Flushing channels and consists in the fact that these partitions the flushing channels in such a way in relation to the relative direction of movement between the star feeder and the channels and subdivide past subchannels that on the one hand by the in the rotary direction of the bucket wheel located sub-channel of the inlet channel in cells of the cellular wheel is supplied with a purge gas and through the partial channel of the outlet channel located opposite to this direction of rotation Gas is purged from these cells, while on the other hand through the opposite of the Direction of rotation located sub-channel of the inlet channel, a buffer gas is introduced into the cells is, which extends essentially via an outside of the cellular wheel Connection channel related to the part of the outlet channel located in the direction of rotation will.

Dabei können der entgegen der Zellenraddrehrichtung gelegene Teilkanal des Einlaßkanals und der in dieser Drehrichtung gelegene Teilkanal des Auslaßkanals jeweils in eine Anzahl weiterer Teilkanäle unterteilt sein, deren jeder Puffergas führt.The partial channel located opposite to the direction of rotation of the bucket wheel can be used of the inlet channel and the sub-channel of the outlet channel located in this direction of rotation each be divided into a number of further sub-channels, each of which is buffer gas leads.

Zwei Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr beispielsweise unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen Fig. 1 eine Abwicklung eines als Lader geschalteten Druckaustauschers zeigt, bei welchem die Hochdruckspülstufe einen einzigen Kanal für die Überführung von Puffergas aufweist, Fig. 2 einen Teil einer Abwicklung eines als Lader geschalteten Druckaustauschers zeigt, bei welchem die Hochdruckspülstufe zwei Überführungskanäle für die Überführung von Puffergas aufweist und Fig.2A eine graphische Darstellung zeigt, aus welcher zu entnehmen ist, wie sich die Konzentration der Abgasrückstände längs der Hochdruckspülzone entlang der Linie C-C in Fig. 2 verteilt.Two embodiments of the invention will now be exemplified with reference to the drawings, in which Fig. 1 is a development of a pressure exchanger switched as a charger shows in which the high-pressure flushing stage has a single channel for the transfer of buffer gas, Fig. 2 shows a part shows a development of a pressure exchanger connected as a charger, in which the high pressure purging stage has two transfer channels for the transfer of buffer gas and FIG. 2A shows a graphic representation from which it can be seen is how the concentration of the exhaust gas residues is along the high pressure purging zone distributed along the line C-C in FIG.

In den Figuren sind gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet.In the figures, the same parts are denoted by the same reference numerals.

Der in Fig.1 beispielsweise schematisch dargestellte Druckaustauscher weist ein Zellenrad 1 mit an beiden Stirnseiten offenen Zellen auf, welches zwischen Endplatten 2 drehbar angeordnet ist. Die Endplatten 2 weisen Niederdruckspülöffnungen 3 und 4 sowie Hochdruckspülöffnungen 5 und 5 A auf, wobei die Öffnung 5 eine Eintrittsöffnung darstellt, während die Öffnung 5 A eine Auslaßöffnung darstellt. Ein durch eine gestrichelte Linie angedeuteter Kanal 8 verbindet die Öffnungen 5 und 5A mit einer Brennkraftmaschine 9. Entgegen der Drehrichtung des Zellenrades 1 ist neben der Hochdruckspülöffnung 5 eine weitere Hochdruckspül-Einlaßöffnung 6 angeordnet, die über einen durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Kanal 7 mit einer weiteren Hochdruckspül-Auslaßöffnung 6 A verbunden ist, welch letztere in Zellenrad-Drehrichtung neben der Hochdruckspül-Auslaßöffnung 5A angeordnet ist. Jede dieser Öffnungen ist also an einen entsprechenden Verbindungskanal angeschlossen und bildet gleichzeitig das jeweilige stirnseitige Ende des betreffenden Kanals. Die Einlaßöffnungen 6 und 5 stellen also praktisch jeweils entgegen der Drehrichtung bzw. in Drehrichtung des Zellenrades gelegene Teile der Mündung des Hochdruckspül-Einlaßkanals dar. In gleicher Weise stellen die Auslaßöffnungen 6.i und 5_3 praktisch in und entgegen der Zellenraddrehrichtung gelegene Teile der Mündung des Hochdruckspül-Auslaßkanals d'ar.The pressure exchanger shown schematically in FIG has a cellular wheel 1 with open cells on both ends, which between End plates 2 is rotatably arranged. The end plates 2 have low-pressure flushing openings 3 and 4 and high-pressure flushing openings 5 and 5 A, the opening 5 being an inlet opening represents, while the opening 5 A represents an outlet opening. A by a dashed line indicated channel 8 connects the openings 5 and 5A with an internal combustion engine 9. Opposite to the direction of rotation of the bucket wheel 1 is next to the high-pressure flushing opening 5, a further high-pressure flushing inlet opening 6 is arranged, via a channel 7 indicated by a dashed line with another High-pressure flush outlet port 6 A is connected, the latter in the direction of rotation of the rotary valve is arranged next to the high pressure flush outlet port 5A. Each of these openings is thus connected to a corresponding connection channel and forms at the same time the respective front end of the relevant channel. The inlet openings 6 and 5 represent practically each opposite to the direction of rotation or in the direction of rotation of the star feeder located parts of the mouth of the high pressure flushing inlet channel. In in the same way the outlet openings 6.i and 5_3 are practically in and opposite to each other parts of the mouth of the high-pressure flushing outlet channel located in the direction of rotation of the bucket wheel d'ar.

Die Wirkungsweise des als Lader geschalteten Druckaustauschers nach der Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf Fig. 1 der Zeichnung im einzelnen erläutert. Das Zellenrad 1 dreht sich relativ zu den Endplatten 2 in einer durch einen Pfeil A angedeuteten Richtung. In der Niederdruckspülstufe, welche die Öffnungen 3 und 4 aufweist, wird frische Luft unter Atmosphärendruck durch die Einlaßöffnung 4 eingelassen, welche das vorher in den Zellen des Zellenrades 1 befindliche Abgas ersetzt, das diese Zellen über die Auslaßöffnung 3 verlassen hat. Die unter Atmosphärendruck stehende Frischluft wird in den Zellen des Zellenrades durch Stoßwellenwirkung auf den Ladedruck verdichtet, so daß diejenigen Zellen, welche sich der Hochdruckspülstufe nähern, Frischluft von einem Druck von etwa 1,2 at enthalten, Diese verdichtete Frischluft verläßt die Zellen des Zellenrades in der Hochdruckspülstufe über die Auslaßöffnung 5.4 auf Grund der Spülwirkung einer Gasströmung, die von der Auslaßöffnung 6A her über den Kanal 7 zur Einlaßöffnung 6 strömt. Danach wird das vom Abgasstutzen der Brennkraftmaschine 9 herrührende Abgas über die Einlaßöffnung 5 der Hochdruckspülstufe in die Zellen des Zellenrades eingelassen. Dieses Abgas expandiert in den Zellen des Zellenrades und wird über die Auslaßöffnung 3 der Niederdruckspülstufe in die freie Atmosphäre abgelassen.The mode of operation of the pressure exchanger connected as a charger the invention will now be explained in detail with reference to Fig. 1 of the drawing. The bucket wheel 1 rotates relative to the end plates 2 in a direction indicated by an arrow A indicated direction. In the low pressure flushing stage, which the openings 3 and 4, fresh air is admitted under atmospheric pressure through the inlet port 4, which replaces the exhaust gas previously located in the cells of the cell wheel 1, the has left these cells via the outlet opening 3. The under atmospheric pressure Standing fresh air is generated in the cells of the cell wheel by shock waves the boost pressure is compressed, so that those cells which are part of the high-pressure flushing stage approach, contain fresh air of a pressure of about 1.2 at, this compressed Fresh air leaves the cells of the cell wheel in the high-pressure flushing stage via the Outlet opening 5.4 due to the flushing effect of a gas flow from the outlet opening 6A flows through the channel 7 to the inlet opening 6. Then this is from the exhaust port the internal combustion engine 9 originating exhaust gas via the inlet opening 5 of the high-pressure flushing stage embedded in the cells of the cell wheel. This exhaust gas expands in the cells of the bucket wheel and is via the outlet port 3 of the low pressure flushing stage in the drained free atmosphere.

Das in den einzelnen Zellen des Druckaustauscherzellenrades befindliche Abgas ist in der Zeichnung durch Kreuzschraffur angedeutet. Die Grenzflächen zwischen demjenigen Gas, welches Abgasrückstände der Maschine 9 enthält, und demjenigen Gas, welches als verhältnismäßig wenig verunreinigt anzusehen ist und welches zwischen den Öffnungen 6 und 6A durch die Zellen des Zellenrades zirkuliert, sind durch die gestrichelten Linien 10 und 11 angedeutet. Das verhältnismäßig wenig verunreinigte Gas zwischen diesen beiden Grenzflächen wirkt als Puffergas zwischen der die Zellen des Zellenrades über den Kanal 5.4 verlassenden verdichteten Ladeluft und dem über den Kanal 8 und die Einlaßöffnung 5 in die Zellen des Zellenrades einströmenden Abgas der Brennkraftmaschine. Ohne das Vorhandensein dieses Puffergases würde sich das Verbrennungsrückstände enthaltende Maschinenabgas mit der die Zellen des Zellenrades über den Kanal 5 A verlassenden verdichteten Ladeluft mischen und diese infolgedessen verunreinigen, so daß verunreinigte Ladeluft in den Einlaßkanal der Brennkraftmaschine 9 gelangen würde. Der Einlaßkanal und der Abgaskanal der Brennkraftinaschine 9 sind in der Zeichnung nicht angegeben, doch dürfte es ohne weiteres klar sein, daß der Einlaßkanal mit der Öffnung 5 A in Verbindung steht, während der Abgaskanal der Brennkraftmaschine mit der Öffnung 5 in Verbindung steht.The one located in the individual cells of the pressure exchanger cell wheel Exhaust gas is indicated in the drawing by cross-hatching. The interfaces between the gas which contains exhaust gas residues from the engine 9 and the gas which is to be regarded as relatively less contaminated and which between the openings 6 and 6A circulated through the cells of the cellular wheel are through the dashed lines 10 and 11 indicated. The relatively little polluted Gas between these two interfaces acts as a buffer gas between which the cells of the cellular wheel via the channel 5.4 leaving the compressed charge air and the via the channel 8 and the inlet opening 5 flowing into the cells of the cell wheel Exhaust from the internal combustion engine. Without the presence of this buffer gas it would the engine exhaust gas containing combustion residues with that of the cells of the cellular wheel Mix via the channel 5 A leaving compressed charge air and this as a result contaminate, so that contaminated charge air in the intake port of the internal combustion engine 9 would arrive. The inlet duct and the exhaust duct of the internal combustion engine 9 are not indicated in the drawing, but it should be readily apparent that the Inlet channel with the opening 5 A is in communication, while the exhaust channel of the Internal combustion engine with the opening 5 is in communication.

Der Druck der in den Zellen des Zellenrades innerhalb der Hochdruckspülstufe befindlichen Luft liegt etwa zwischen 2,0 und 2,1 at, wobei der Luftdruck von, der Frischluftseite her zur Abgasseite hin ansteigt, während der Druck des in den die Hochdruckspülstufe des Druckaustauschers verlassenden Zellen befindlichen Gases etwa bei 1,5 at liegt. Die Größe der Druckänderung von der jeweils einen Stirnseite der Hochdruckspülstufe zur anderen Stirnseite dieser Hochdruckspülstufe hängt von der Reibung im Überführungskanal s ab. Dieser Reibung kann dadurch entgegengewirkt werden, daß die Auslaßöffnung 6.-1 einen größeren Querschnitt bekommt als die Einlaßöffnung 6.The pressure in the cells of the rotary valve within the high-pressure flushing stage located air is approximately between 2.0 and 2.1 at, with the air pressure of, the Fresh air side increases towards the exhaust side, while the pressure of the in the High-pressure purging stage of the gas in the pressure exchanger leaving cells is about 1.5 at. The size of the change in pressure from one end face the high pressure rinsing stage to the other end of this high pressure rinsing stage depends on the friction in the transfer channel s. This can counteract this friction be that the outlet opening 6.-1 gets a larger cross-section than the inlet opening 6th

Im Einlaßkanal der Niederdruckspülstufe wird etwas mehr Luft in die Zellen des Druckaustauscherzellenrades eingelassen, als zur Ladung der Brennkraftmaschine 9 nötig wäre. Die Zellen werden also in der Niederdruckspülstufe etwas überspült. Da das Puffergas innerhalb des Überführungskanals 7 in einem praktisch geschlossenen Kreislauf zirkuliert, ist an sich keine äußere Puffergasquelle erforderlich. Tatsächlich findet innerhalb der Zellen des Zellenrades eine geringfügige Luftströmung von der Grenzfläche 11 zur Grenzfläche 10 hin statt. Diese Grenzflächen sind also in der Praxis nicht klar definiert, so daß eine gewisse Durchmischung der beiden Gase stattfindet, die sich in einer Diffusion des Abgases von der Grenzfläche 10 her in Richtung der Grenzfläche 11 äußert. Trotzdem findet eigentlich zwischen diesen beiden Grenzflächen keine Gasströmung statt, da die Ladeluft turbulent in den Abgasbereich hinein diffundiert und umgekehrt auch Abgas in die Ladeluft hinein diffundiert. Infolgedessen findet tatsächlich ein starker Abfall des Abgasanteils im Puffergas statt, wobei dieser Abfall von einem Höchstwert auf der Abgasseite auf einen im wesentlichen dem Wert Null gleichkommenden Mindestwert auf der Ladeluftseite verläuft.In the inlet duct of the low-pressure flushing stage, a little more air is drawn into the Cells of the pressure exchanger cell wheel let in as to charge the internal combustion engine 9 would be necessary. The cells are therefore somewhat flooded in the low-pressure rinsing stage. Since the buffer gas within the transfer channel 7 in a practically closed Circulating circuit, no external buffer gas source is required per se. Indeed there is a slight flow of air from the within the cells of the cell wheel Interface 11 to interface 10 instead. So these interfaces are in the Practice not clearly defined, so that a certain mixing of the two gases takes place, which results in a diffusion of the exhaust gas from the interface 10 in the direction of Interface 11 expresses. Nevertheless actually takes place between these two interfaces no gas flow takes place, as the charge air diffuses turbulently into the exhaust gas area and vice versa, exhaust gas also diffuses into the charge air. As a result, finds actually a sharp drop in the exhaust gas content in the buffer gas takes place, whereby this Drop from a maximum value on the exhaust side to essentially that value The minimum value on the charge air side, which equates to zero, runs.

Fig. 2 zeigt eine im allgemeinen der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ähnliche Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung. Die Öffnungen 6 und 6A und die jeweils dazugehörigen Kanäle der Fig. 1 sind nach der hier gezeigten Ausführungsform der Erfindung in zwei Unterabteilungen unterteilt, so daß Öffnungen 18 und 19 bzw. 18A und 19A gebildet werden. Die Öffnungen 18 und 18A sind über einen Kanal 15 miteinander verbunden, der durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. In gleicher Weise sind die Öffnungen 19 und 19A durch einen ebenfalls in gestrichelten Linien angedeuteten Kanal 16 miteinander verbunden. Die Unterteilung der Öffnungen und Überführungskanäle in der dargestellten Weise hat die Wirkung, daß die Zahl der einzelnen Grenzflächen erhöht wird. Fig. 2 zeigt infolgedessen drei Grenzflächen 10, 11 und 14. Die Grenzfläche 10 liegt zwischen dem Abgas und der in der Zeichnung oberen Puffergasschicht, während die Grenzfläche 11 zwischen den beiden Puffergasschichten liegt und die Grenzfläche 14 zwischen der verdichteten Ladeluft und der unteren Puffergasschicht liegt.Fig. 2 shows an embodiment of a pressure exchanger according to the invention, generally similar to the arrangement shown in Fig. 1. The openings 6 and 6A and the respective associated channels of FIG. 1 are divided into two subdivisions according to the embodiment of the invention shown here, so that openings 18 and 19 or 18A and 19A are formed. The openings 18 and 18A are connected to one another via a channel 15 which is indicated by a dashed line. In the same way, the openings 19 and 19A are connected to one another by a channel 16 also indicated in dashed lines. The subdivision of the openings and transfer channels in the manner shown has the effect that the number of individual interfaces is increased. 2 shows three interfaces 10, 11 and 14. The interface 10 lies between the exhaust gas and the upper buffer gas layer in the drawing, while the interface 11 lies between the two buffer gas layers and the interface 14 lies between the compressed charge air and the lower buffer gas layer .

Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die gleiche wie diejenige der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, wobei lediglich eine weitere Puffergasströmung vorhanden ist, durch welche eine noch bessere Trennung zwischen Abgas und Ladeluft sichergestellt wird.The mode of operation of the embodiment shown in FIG Invention is the same as that of the embodiment shown in Fig. 1, whereby there is only one more buffer gas flow through which an even better one Separation between exhaust gas and charge air is ensured.

Bei beiden Ausführungsformen der Erfindung verlaufen die Stromlinien der Puffergasschichten innerhalb der Überführungskanäle und der jeweils in der Pufferzone befindlichen Zellen des Zellenrades in sich geschlossen.In both embodiments of the invention, the streamlines run the buffer gas layers within the transfer channels and each in the buffer zone located cells of the cell wheel closed in itself.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Cell wheel pressure exchanger with flushing channels divided by radial partitions running essentially in the axial direction, characterized in that these partitions are in front of the scavenging channels in relation to the relative direction of movement between the cellular wheel (1) and channels (5, 6, 5A, 6A) and subdivide backward sub-channels that on the one hand a flushing gas is supplied to the cells of the cell wheel through the sub-channel (5) of the inlet channel located in the direction of rotation of the bucket wheel and gas is flushed out of these cells through the sub-channel (5A) of the outlet channel located opposite to this direction of rotation, while on the other hand through the opposite the direction of rotation located sub-channel (6) of the inlet channel, a buffer gas is introduced into the cells, which is obtained essentially via a connecting channel (7) extending outside the cell wheel from the part (6A) of the outlet channel located in the direction of rotation (Fig. 1).

2. Pressure exchanger according to claim 1, characterized in that the opposite to the cell wheel 3 Partial channel of the inlet channel and the partial channel of the located in this direction of rotation The outlet channel is divided into a number of further sub-channels (18, 19 or 10, 11) are, each of which carries buffer gas (Fig. 2).

3. Pressure exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the sub-channel (6A) of the outlet channel located in the direction of rotation of the cell wheel has a larger cross-section than the part (6) of the inlet channel located opposite to this direction of rotation.

4. Pressure exchanger according to one of claims 1 to 3 for charging internal combustion engines, characterized in that the part of the channel (5) of the high pressure inlet channel located in the direction of rotation of the star feeder with the outlet of a rotary engine (9) and that the part (5A) of the high pressure outlet channel located opposite to this direction of rotation supplies the charge air and is connected to the inlet of the internal combustion engine.