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Freikolben-Treibgaserzeuger
Die Erfindung betrifft einen Freikolben-Treibgaserzeuger mit gegenläufigen Flugkolben.
Freikolben-Treibgaserzeuger sind bereits allgemein bekannt ; sie lassen sich nach der Anordnung ihrer Arbeitshubräume und ihrer Arbeitsverfahren grundsätzlich in zwei verschiedene Gattungen untergliedern, u. zw. in sogenannte Einwärts- und Auswärtskompressionsmaschinen.
Die erste Gattung, die Einwärtskompressionsmaschinen, benutzen die an die gegenläufigen Motorkolben anschliessenden Kompressorkolben für zwei Funktionen, u. zw. einerseits auf ihren Innenseiten für die Komprimierung und Förderung der Luft und anderseits auf ihren Aussenseiten nur für die Komprimierung der Luft zur Speicherung der für den Rücklauf der Flugkolben erforderlichen Rücklaufenergien.
Diese Anordnung hat den Nachteil, dass das für die Synchronisierung des Laufes der gegenläufigen Flugkolben erforderliche Synchronisierungsgestänge, das an den Innenseiten der Kompressorkolben befestigt ist. durch die Kompressionshubräume hindurchgeführtwerdenmuss und dass zurVerrneidung von Kompressions- verlusten an den Austrittsstellen des Gestänges aus den genannten Hubräumen Stopfbuchsen angeordnet sind, die gleichzeitig auch als Lagerstellen für die Führung der Synchronisierungsstangen ausgebildet werden müssen. Das Synchronisierungsgestänge muss an diesen Stellen zur Vermeidung von Überhitzungen geschmiert werden, wodurch eine erhöhte Wartung erforderlich ist und zusätzliche Havariequellen entstehen.
Die zweite Gattung, die Auswärtskompressionsmaschinen, benutzen die an die gegenläufigen Motor-
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werden und somit die Kompressorzylinder nach ihren Innenseiten hin geöffnet sind. Dadurch entfallen bei dieser Gattung die an den Einwärtskompressionsmaschinen aufgezeigten Nachteile.
Des weiteren ist dieAnordnung derVerdichterhubräume bei den Auswärtskompressionsmaschinen vorteilhafter als bei den Einwärtskompressionsmaschinen, einerseits wegen der direkten Energieübertragung und anderseits wegen der besseren Reguliermöglichkeit, da bei Änderung des Hubes der viel wirksamere Ausstosshub und nicht der Ansaughub geändert wird.
Eine Schwierigkeit bei den Auswärtskompressionsmaschinen besteht jedoch darin, dass in den Kompressorzylindern oder auch in besonderen Pufferhubräumen die Rücklaufenergien für den Einwärtsgang der Flugkolben gespeichert werden müssen. Dieses hat zu verschiedenen Ausführungsformen geführt, so dass sich die Auswärtskompressionsmaschinen noch in drei weitere Gruppen untergliedern lassen.
Die erste Gruppe der Auswärtskompressionsmaschinen sieht die Speicherung der Rücklaufenergien für den Einwärtsgang der Flugkolben unmittelbar in den Kompressionshubräumen der Verdichterzylinder vor.
Für die Speicherung der Rücklaufenergien sind bei diesen Maschinen keine besonderen Massnahmen getroffen, so dass diese nur gestartet werden können, wenn die Aufnehmerhubräume hinter denDruckventilen der Verdichterstufen vor der Inbetriebsetzung der Maschine auf vollen Betriebsdruck aufgeladen werden. Dieses erfordert einen grossen Anlasspressluftbedarf, der den Anlassflaschen entnommen werden muss.
Bei Freikolben-Treibgaserzeugern, bei denen die in den Kompressorstufen geförderte Luft zur Aufladung des Motorzylinders benutzt wird, liegen die Verhältnisse noch ungünstiger, da die Flugkolben in ih-
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der Flugkolben die Aufnehmerräume hinter den Druckventl ucr Vordselltorstutén vor der Inbetriebsetzung der Maschine nicht auf Betriebsdruck aufgeladen werden können. DieFlugkolben müssen in eine Anlassstellung gebracht werden, in der die genannten Schlitze im Motorzylinder von den Flugkolben überfahren und abgedeckt sind, wobei zur Vermeidung von Undichtigkeiten die Flugkolben so weit einwärts
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gestellt werden müssen, dass die Kolbenringe vor den Einlass- und Auslassschlitzen zu liegen kommen.
Da- durch geht ein grosser Teil des Flugkolbens für den Anlasshub verloren, so dass die Maschine mi : verhält- nismässig hohen Anlassdrücken angelassen werden muss.
Eine weitere Unzulänglichkeit dieser Maschinenart besteht darin, dass diese im Teillastgebiet mit schlechten Wirkungsgraden arbeiten, da die Turbinen mit niedrigeren Drücken betrieben werden und in den Verdichterstufen somit ebenfalls niedrigere Kompressionsenddrücke auftreten, wodurch die Rücklauf- arbeiten herabgesetzt und das Verdichtungsverhältnis im Motorzylinder kleiner wird.
Um diese Schwierigkeiten bei den Auswärtskompressionsmaschinen zu beheben, ist es auch schon be- kannt, besondere Druckhalteventile hinter den Druckventilen der Kompressorstufe anzuordnen oder auch die genannten Druckventile durch Anordnung entsprechend starker Federn als Druckhalteventile auszubil- den. Dieses hat bei Freikolben-Treibgaserzeugern, die in einem Betriebsbereich von einigen Atmosphären regelbar sein müssen den Nachteil, dass auch die Federn der Druckhalteventile entsprechend den jeweils auftretenden Betriebsdrücken in ihrer Spannung verändert werden müssten, wenn man nicht einen Druckverlust und somit eine Herabsetzung des Wirkungsgrades im Teillastgebiet in Kauf nehmen will.
Um beiFreikolben-Treibgaserzeugern der vorgenannten Art einen Druckaufbau in den Aufnehmerräumen hinter den Druckventilen bei voll geöffneten Ein- und Auslassschlitzen des Motorzylinders und damit eine volle Ausnutzung des Flugkolbenhubes beim Anlassvorgang zu ermöglichen, ist es auch schon bekannt, in der Auspuffleitung ein entsprechendes Druckhalteventil anzuordnen. Dieses Druckhalteventil, das leistungsabhängig geregelt werden muss, stellt jedoch ebenfalls eine Komplizierung dar und erhöht die Störanfälligkeit der Maschine, da die Temperaturen an diesem Ventil sehr hoch sind und eine Schmierung der beweglichen Teile des Ventiles schwierig ist.
Die zweite Gruppe der Auswärtskompressionsmaschinen sieht für die Speicherung der Rücklaufenergien für den Einwärtsgang der Flugkolben besondere, an die Kompressorkolben anschliessende Pufferkolben und-zylinder vor. Bei diesen Maschinen ist das Problem der Rückführung der Flugkolben zwar gut gelöst, jedoch mit einem zusätzlichen Aufwand von Pufferkolben und -zylindern, die zu komplizierten und langgestreckten Bauformen führen.
Die dritte Gruppe der Auswärtskompressionsmaschinen sieht für die Speicherung der Rücklaufenergien für den Einwärtsgang der Flugkolben besondere Pufferhubräume vor, die in die Innenräume der Brennkraftkolben gelegt sind. Eine derartige Anordnung löst nicht nur das Problem der Rückführung der Flugkolben, ohne vorherige Aufladung der Betriebsräume, sondern führt auch zu sehr kleinen und kompakten Bauformen mit geringen Leistungsgewichten, die allen andern bisher bekanntgewordenen und oben aufgeführten Freiflugkolbenmaschinen überlegen sind.
In diese Gruppe fällt der Freikolben-Treibgaserzeuger gemäss der Erfindung.
Es handelt sich um einen Freikolben-Treibgaserzeuger mit gegenläufigen Flugkolben, bei denen die Innenräume der Brennkraftkolben als Pufferhubräume ausgebildet sind, indem in diesen stationäre Pufferkolben angeordnet sind, die die Pufferhubräume nach aussen hin verschliessen, dass an die Brennkraftkolben weiterhin Verdichterkolben anschliessen und dass die Kompressorkolben auf ihren Aussenflächen als
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Kompressorkolben nicht zur Arbeitsleistung herangezogen werden und die entsprechenden Zylinderhubräume nach innen hin offensind, so dass das andeninnenseiten der Kompressorkolben befestigte Synchronisierungsgestänge nicht durch Arbeitshubräume hindurchgeführt werden muss und dieses somit keiner besonderen Abdichtung bedarf.
Bei bekannten Maschinen dieser Art waren keine Aufnahmekammern für die den Arbeitszylindern zuzuführende Luft vorgesehen und die Leitungen für diese Luft hatten ein Volumen, das kaum genügte, um etwa auftretende Druckwellen dämpfen zu können. Derartige Druckwellen können sehr hohe Amplituden erreichen, wodurch sich eine merkbare Verringerung des Wirkungsgrades des Treibgaserzeugers ergibt.
Bei einer andern Ausführungsform dieser Maschinenart war die ganze Maschine von der die Luft zu den Arbeitszylindern führenden Leitung umgeben, deren mittlerer Teil eine Kammer geringen Volumens bildete. Bei dieser Ausführungsform ergab sich der Nachteil, dass Dichtungen, die gerade an dieser Stelle sehr schlecht zugängliche Teile bilden, für die Synchronisiereinrichtung erforderlich wurden ; solche Maschinen können auch nicht mit Luft gekühlt werden.
Zur Behebung dieser Nachteile wird bei einemFreikolben-Treibgaserzeuger der angegebenen Art gemäss der Erfindung die auf den Aussenseiten der Kompressorkolben in den Verdichterzylindern geförderte Luft zur Spülung und Aufladung des als Zweitakt-Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftzylinders benutzt, indem die Luft in den Speicherräumen der Zylinderköpfe aufgefangen und mittels Leitungen und eines
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1Einlassstutzens zu dem Einlasskanal und den Einlassschlitzen des Motorzylinders geleitet wird.
Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass die auf den Aussenseiten der Kompressorkolben in den entsprechenden Verdichterzylindern geförderte Luft ausser zur Spülung und Aufladung des Brennkraftzylinders, gleichzeitig auch zur Füllung und Aufladung der in den Innenräumen der Brennkraftkolben gelegenen Pufferhubräume dient, d. h., dass die den Verdichterzylindern entnommene und den Pufferhubräumen zugeführte Druckluft zur Aufbringung der für den Rücklauf der Flugkolben erforderlichen Rücklaufenergien herangezogen wird.
Zum Zwecke der Speicherung der Rücklaufenergien wird die Druckluft nach erfolgter Verdichtung in den Verdichterzylindern in die Speicherräume der Zylinderköpfe ausgeschoben. Aus diesem wird dann die
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gleichbehältern in die Speicherräume bei einem in diesen herrschenden niedrigeren Druckniveau, z. B. wenn die Maschine im Teillastgebiet arbeitet, wird durch Rückschlagventile verhindert.
Es ist nun schon bereits bekannt, die Pufterhubraume mit einem inerten Gas zu füllen bzw. mit einem solchen auf Druck aufzuladen. Die Verwendung von inerten Gasen bei in den Innenräumen der Brennkraftkolben gelegenen Pufferhubräumen wird vorgeschlagen um Ölexplosionen in diesen zu vermeiden.
Dieses stellt eine Komplizierung der Anlage und einen zusätzlichen Aufwand dar, da das genannte Gas in besonderen Flaschen gespeichert und mitgeführt werden muss.
Durch die Erfindung wird die gleiche Wirkung mit einem viel geringeren Aufwand erzielt.
Erfindungsgemäss wird ferner, bei einer Stellung der Brennkraftkolben in der Nähe der inneren Totpunktlage, d. h., wenn die Luft in den Pufferhubräumen expandiert ist, die Füllung und Aufladung der genannten Pufferhubräume mit Druckluft vollautomatisch und ohne besondere Steuerorgane vollzogen, indem diese über die in den stationären Pufferkolben angeordneten Rückschlagventile aus den Ausgleichsbehältern infolge des in diesen bestehenden Überdruckes in die Pufferhubräume eintritt und diese auf den erforderlichen Druck auffüllt und auftretende Lässigkeitsverluste an den Pufferkolben somit ausgeglichen werden.
Es ist nun ferner auch schon bereits bekannt, die Pufferhubräume in den Brennkraftkolben in einem bestimmten Moment über besondere, in den Pufferkolben oder deren Zylindern angeordnete Schlitze aufzufüllen bzw. deren Lässigkeitsverluste auszugleichen. Dieses stellt gegenüber der Erfindung jedoch ebenfalls eine Komplizierung dar. Ferner ist es auch bekannt, besondere mechanisch betätigte Steuerorgane für diesen Vorgang zu benutzen, wodurch die Anlage noch wesentlich komplizierter wird.
Nach der Erfindung wird zwecks Vermeidung von Ölexplosionen und um eine Überhitzung der Brennkraftkolben zu vermeiden, das Verdichtungsverhältnis in den Pufferhubräumen extrem niedrig gewählt und zur Erzielung ausreichender Rücklaufenergien in den genannten Hubräumen, ein entsprechend hoher Pufferanfangsdruck mit niedrigen Temperaturen vorgesehen.
Um eine möglichst niedrige Anfangstemperatur bei Beginn der Kompression in den Pufferhubräumen zu erzielen, kann erfindungsgemäss die den Speicherräumen der Zylinderköpfe zum Zwecke der Speicherung der Rücklaufenergien entnommene Druckluft vor ihrem Eintritt in die genannten Pufferhubräume unterkühlt werden, wobei z. B. die Innenräume der stationären Pufferkolben als Aufnehmer für die Kühlmit - tel vorgesehen werden können und die Druckluft durch eine in diesen angeordnete Kühlleitung den Pufferhubräumen zugeleitet wird, wodurch gleichzeitig eine wirksame Kühlung der Pufferkolben und damit der in den Pufferhubräumen befindlichen Luft sowie der Brennkraftkolben erfolgt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
In der Fig. l ist der Freikolben-Treibgaserzeuger gemäss der Erfindung im Längsschnitt dargestellt. Der Zylinder l stellt den Brennkraftzylinder dar und die beiden daran anschliessenden, beiderseitig symmetrisch angeordneten Zylinder 2 und 3 sind als Verdichterzylinder vorgesehen. In den genannten Zylindern sind zwei gegenläufigeStufenkolben 4'/4 und & '/b angeordnet, wovon der eine Teil mit dem dünneren Schaft 4'5'als Brennkraftkolben und der andere Teil mit dem dickeren Schaft 4,5 als Verdichterkolben ausgebildet sind. In den genannten Brennkraftkolben sind stationäre Pufferkolben 8, 9 eingesetzt.
Der Brennkraftzylinder 1 mit den gegenläufigen Brennkraftkolben 4', 5'stellt eine Zweitakt-Brennkraftmaschine dar. Der Brennkraftzylinder ist mit Einlassschlitzen 10 und Auslassschlitzen 11 sowie einer Einspritzdüse 18 ausgerüstet. Der Kraftstoff wird der Einspritzdüse durch eine nicht dargestellte Kraftstoff pumpe zugeführt.
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Die Verdichterkolben 4,5 bilden mit den Verdichter zylindern 2, 3 die Verdichterstufen. Die genannten Verdichterkolben werden nur auf ihren Aussenflächen zur Verdichtungarbeit herangezogen. Die Ver-
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aussenmöglichen. Die Ventilplatten 16,17 sind mit Druckventilen 14,15 versehen, die den Austritt der Luft aus den genannten Verdichterhubräumen gestatten.
Für den Gleichlauf der gegenläufigen Flugkolben dient ein auf den Innenseiten der Verdicherkolben
4,5 angeordnetes und an diesen befestigtes Synchronisierungsgetriebe, bestehend aus den beiden Synchro- nisierungsstangen 19,20 und dem Zahnrad 21.
- Für die Aufnahme der Luft nach ihrem Austritt aus den Verdichterhubräumen 6,7 sind Zylinderköpfe
22 mit Speicherräumen 23 vorgesehen. Für die Überführung der Luft aus den Speicherräumen 22 in den lv* Jtorzylinder 1 dienen die Leitungen 24, 25, die an die Zylinderköpfe 22 anschliessen sowie der Einlass- stutzen 26 und der Einlasskanal 27. Für den Austritt der Gase aus dem Brennkraftzylinder 1 ist ein Abgas- stutzen 30 vorgesehen, an den eine nicht dargestellte Leitung angeschlossen wird, die zu einer ebenfalls nicht dargestellten Nutzturbine führt.
Für den Rücklauf der Flugkolben von ihren äusseren Totpunktlagen in die inneren, dienen die in den
Brennkraftkolben 4', 5. angeordneten Pufferhubräume 38, in denen beim Auswärtsgang der genannten
Flugkolben diebenötigtenRücklaufenergien gespeichert werden. Für die Aufladung der Pufferhubräume 38 auf den jeweils erforderlichen Pufferanfangsdruck sind in den stationären Pufferkolben Bohrungen 36 und
Rückschlagventile 37 angeordnet.
Zur Erzielung eines konstanten Pufferanfangsdruckes in den genannten Pufferhubräumen, auch dann, wenn im Teillastgebiet der Druck in den Speicherräumen 23 fällt, sind die Innenräume 9 der stationären
Pufferkolben 8 als Ausgleichsbehälter ausgebildet, in denen ein konstanter Druck herrscht, der dem Ma- ximalwert entspricht. Die Innenräume 9 der stationären Pufferkolben 8 sind zu diesem Zwecke durch I'eckel 34,35 nach aussen hin verschlossen. Für den Eintritt der Druckluft aus den Speicherräumen 22 in die Innenräume 9 der Pufferkolben 8 sind in den Wandungen der Zylinderköpfe 22 und Pufferkolben 8 entsprechende Bohrungen 28 und Rückschlagventile 29 vorgesehen.
Die Rückschlagventile 37 in den Kolbenböden der Pufferkolben verhindern das Rückströmen der Luft aus den Pufferhubräumen 38 in die Ausgleichs behälter 9 und die Rückschlagventile 29 verhindern das Rückströmen der Luft aus den Ausgleichsbehältern 9 in die Speicherräume 23.'Die Ausgleichsbehälter 9 und die Pufferhubräume 38 werden bei Volllastleistung derMaschine auf ihrenMaximaldruck aufgeladen, d. h., auf den erforderlichen Pufferanfangsdruck gebracht.
Aus fertigungstechnischen Erwägungen können zwischen dem Brennkraftzylinder l und den Verdichterzylindern 2 bzw. 3 entsprechende Zentrierstücke 31,32 angeordnet werden, so dass die genannten Zylinder miteinander fluchten.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausbildung und Verwendung der Innenräume der stationären Pufferkolben als Kühlmittelaufnehmer zum Zwecke einer wirksamen Kolbenkühlung und zur Herabsetzung der Pufferanfangstemperaturen. Die Innenräume 109 der stationären Pufferkolben 108 sind mit einem Kühlmittel gefüllt, das durch einen Anschluss 141 in diese zugeleitet und durch einen Anschluss 142 wieder abgeleitet wird. Entsprechende nicht dargestellte Leitungen führen zu einer ebenfalls nicht dargestellter Kühlmittelpumpe. Die Luft für die Auffüllung der Pufferhubräume 138 wird über eine im Kühlmittelstrom liegende und in den Innenräumen 109 der stationären Pufferkolben 108 angeordnete Kühlleitung 139 den genannten Pufferhubräumen zugeführt.
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