Flugkolben-Kraftanlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Flug kolben-Kraftanlage, deren Arbeitskolben auf der einen Seite von den Gasen eines Brenn- kraftzylinders Arbeit aufnimmt und auf der andern Seite in einem Verdichterzylinder Arbeit abgibt, und besteht darin, dass die 13:
ubendlage auf der Seite des Verbrennungs zylinders einerseits und die Hubendlage auf der Seite des Verdichterzylinders anderseits ungleich geregelt werden, um in der einen Hubendlage den Bedingungen der Brenn- t3 und unabhängig davon in der andern Hubendlage den Bedingungen des Verdichters genügen zu können.
Die Regelung der Hubendlagen erfolgt vorteilhafterweise so, dass die Verschiebung auf der Seite des Brennkraftzylinders grösser als auf der Seite des Verdichterzylinders ist. Die Verschiebung auf der Seite des Brenn- kraftzylinders kann aber auch gleich oder kleiner als auf der Seite des Verdichterzylin- ders sein.
Bei einfacheren Ausführungen kann es genügen, nur die Hubendlage auf der eite des Brennkraftzylinders zu verschie- ben, während- dann die Hubendlage auf der Seite des Verdichterzylindersnicht verändert wird.
Gewöhnlich erfolgen die Verschiebun gen der Hubendlage auf Seite des Brenn- kraftzylinders einerseits und auf der Seite des Verdichterzylinders anderseits in glei chem Sinn; sie können aber auch in ausser gewöhnlichen Fällen in entgegengesetztem Sinn erfolgen. Die Regelung der Hubend- lagen kann in Abhängigkeit von der Leistung der Flugkolben-Kraftmaschine erfolgen.
Zu diesem Zweck kann die Regelung in Ab hängigkeit vom Druck der Verbrennungs luft oder von den Abgasen .des Brennkraft zylinders oder vom Verdichter oder von der durch die verdichteten Gase angetriebenen Maschine oder von einer durch die Abgase des Brennkraftzylin.ders betriebenen Turbine erfolgen. Der Gang je zweier oder aller Flugkolben kann miteinander synchronisiert werden.
Zur Synchronisierung kann beispiels weise ein Kurbelgetriebe verwendet werden, wobei zufolge der endlichen Schubstangen länge die Hubendlage auf der Seite des Ver- brennungszylinders in anderer Weise geregelt wird als wie die Hubendlage auf der Seite des Verdichterzylinders. Dabei wird gewöhn lich die Schubstange in .der Richtung der Arbeitsleistung des Verdichters vom Flug kolben zum Kurbelgetriebe geführt.
Je zwei gegenläufige Flugkolben können auch durch Kipphebel miteinander verbunden sein, wobei die Hubendlage in Abhängigkeit vom Dreh punkt des Kipphebels beeinflusst wird. Zur Synchronisierung zweier gegenläufiger Flugkolben kann auch ein hydraulisches Ge stänge verwendet werden und zur Regelung der Hubendlage der Flüssigkeitsinhalt des hydraulischen Gestänges verändert werden. Zur Veränderung des Flüssigkeitsinhaltes können Ventile für die Zu- bezw. für die Abführung von Flüssigkeit vorhanden sein.
Die Flugkolben können in den Hubendlagen durch eine Bremsvorriehtung abgebremst werden, wobei die Hubendlagen durch Ver änderungen der Bremsvorrichtung geregelt werden. Die Regelung der Hubendlagen kann auch durch Veränderung der Einspritz zeit des Brennstoffes in den Brennkraft- zylinder oder durch Veränderung der Auf ladung des Brennkraftzylinders oder durch Veränderung der Auslassverhältnisse des Brennkraftzvlinders erfolgen.
Die Erfindung ist durch die Zeichnung anhand einiger vereinfacht dargestellter Aus führungsbeispiele und mehrerer Kurven näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Flugkolben-Kraftanlage nach der Erfindung; Fig. 2 stellt ein Diagramm dar, welches sich auf .die Maschine nach Fig. 1 bezieht;
Fig. 3 veranschaulicht ein zweites Bei spiel der Flugkolben-Kraftanlage gemäss der Erfindung; Fig. 4, 5 und 6 zeigen Einzelheiten, die für die Anlage nach Fig. 3 verwendet wer den können, und die Fig. 7 und 8 zeigen Kurven, welche sich auf Anlagen nach den Fig. 1 und 3 be ziehen.
Die Flugkolben-Kraftanlagen nach den Fig. 1 und 3 besitzen vier verschiedene Flug- kalben 1 bis 4, welche in den beiden Brenn kraftzylin:dern 5 und 6 arbeiten. Zu beiden Seiten des Brennkraftzylinders 5 sind die Verdichterzylinder 7 und 8, und zu beiden Seiten des B@rennkraftzylinders 6 die Ver- dichterzylinder 9 und 10 angefügt.
Die Brennkraftkolben 1-.4 sind je mit einem der Verdichterkolben 11, 12, 13 bezw. 14 ver bunden. Den Brennkraftzylindern 5 und 6 wird durch die Leitungen 15 bezw. 16 die Spül- und Verbrennungsluft zugeführt und durch die Vorrichtungen 17 bezw. 18 der Brennstoff eingespritzt. Die bei der Verbren nung entstehenden Abgase strömen durch,
die Auslassleitungen 19 bezw 20 fort. Das zu verdichtende -Gas, beispielsweise Luft, wird durch die Anschlüsse 21 angesaugt und nach der Verdichtung :durch die Leitungen 22 fort geführt.
Das zu verdichtende Gas kann beispiels weise in Form von Luft aus der Atmosphäre angesaugt werden und in verdichtetem Zustand zum Teil zur Spülung und zur Verbrennung herausgezogen und zum Teil zum Betrieb von Kraftmaschinen, beispielsweise Luftturbinen, oder Druckluft-Werkzeugen usw. verwendet werden.
Die Abgase strömen zu einer Kraft maschine, beispielsweise einer Abgasturbine. in welcher ihre Energie noch vollständig aus genützt wird. Die Abgase können - bei spielsweise um ihre Temperatur zur Scho- nungder Turbine zu erniedrigen - mit der vom Verdichter geförderten Luft vermengt werden. Es wird dann,die Lufttemperatur er höht und die Abgastemperatur erniedrigt.
Durch die Erhöhung der Lufttemperatur wird einerseits eine Verbesserung des Wir kungsgrades erzielt und anderseits ,durch Er uiedrigung der Abgastemperatur die Abgas turbine geschont.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel sind die Verdichterkolben 11-14 je mit einem der Führungskörper 23-26 verbunden, an denen dann je eine der Schubstangen 27-30 angelenkt ist. Die Schubstangen 27 und 29 arbeiten auf die Kurbelwelle 31 und: die Schubstangen; 28 und 30 auf die Kurbelwelle 32. Beide Kur- belwellen führen keine vollständige Drehung aus, sondern nur eine Schwingbewegung, bei der die eigentlichen Kurbeltotpunktstellun- sen nie erreicht werden.
Die beiden Kurbeln einer Welle sind um 180 gegeneinander ver setzt, so dass die mit ihnen in Verbindung stehenden Kolben einander entgegengesetzte Bewegungen ausführen.
Die Länge der Schubstangen im Vergleich zum Kurbelradius ist möglichst klein ge wählt, um, wie in Fig. 2 gezeigt, die Hub- endlage auf der Verdichterseite in anderer Weise zu regeln als wie die Hubendlage auf der Brennkraftzylinderseite. Bei einer Ver kleinerung des Winkelausschlages vom Wert a auf den Wert ss, welche einer Verkürzung des Hubes vom Wert a auf den Wert b ent spricht,
wird .die Hubendlage auf der Seite des Brennkraftzylinders um den Betrag d verschoben, während auf der Seite des Ver- dichterzylinders die Hubendlage um den Betrag c verändert wird. Infolge der en:d- liehen Sehubstangenlänge ist die Verschie bung c kleiner als -die Verschiebung d. Die Ungleichheit dieser Verschiebung ist umso grösser, je kürzer die Schubstange ist.
Es wird dadurch der Vorteil erzielt, dass der Betrieb des Verdichters bedeutend we niger verändert wird als der Betrieb der Brennkraftmaschine, so dass wohl die Lei stung, welche die Brennkraftmaschine aufzu bringen hat, verändert, der Druck des ver dichteten Mittels aber nicht stark geändert wird. Die beiden Kurbelwellen 31 und 32 können zur Synchronisierung der beiden ge genläufigen Kolben 23 und 24 bezw. 25 und 26 miteinander ebenfalls durch Kurbeln und Schubstangen verbunden sein.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel erfolgt die Synchronisierung der Flugkol ben durch hydraulische Gestänge. Es sind die beiden Flugkolben 1 und 3 über ein hydraulisches Gestänge 33 und die beiden Flugkolben 2 und 4 durch ein hydraulisches Crestänge 34 miteinander verbunden. Zu diesem Zweck sind die Verdichterzylinder 11, 12, 13 und 14 über Schubstangen 35 mit je einem der Kolben 36-39 verbunden, welche das hydraulische Gestänge verschie ben.
In die hydraulischen Gestänge 33 und 34 sind die beiden Steuervorrichtungen 40 und 41 eingeschaltet, welche die Zu- bezw. die Abführung von Flüssigkeit steuern. Die beiden Kolben 36 und 38 sind durch einen Kipphebel 42 und die beiden Kolben 37 und 39 über einen Kipphebel 43 miteinan der in Verbindung. Die Drehpunkte 44 bezw. 45 sind an einem Schieber 46 bezw. 47 angelenkt. Der Schieber 46 wird in einem. mit Steueröffnungen 48, 49 und 50 versehenen Zylinder 51 bewegt.
Der Zy- linder 51 ist auf der einen Seite durch die Feder 52 und auf der andern Seite durch eine Steuerflüssigkeit, welche durch die Leitung 53 zugeführt wird, belastet.
Steigt der Drehpunkt 44 des Kipphebels 42, so wird der durch die Leitung 54 zu strömenden Druckflüsigkeit der Weg durch die Steueröffnung 48 frei gegeben, so dass der Inhalt des Flüssigkeitsgestänges 33 ver grössert wird. Fällt aber der Drehpunkt 44, so wird die Steueröffnung 48 geschlossen und dafür die Steueröffnung 50 geöffnet, so dass durch die Öffnungen 49 und 50 Flüssigkeit in die Ablaufleitung 55 ausströ men kann. Der Inhalt des hydraulischen Ge stänges wird dann vermindert, der Kolben angehoben und damit auch der Drehpunkt 44, bis die beiden Öffnungen 48 und 50 wieder verschlossen sind.
Ein entsprechen der Regelvorgang stellt sich auch heraus für das hydraulische Gestänge 34 unter der Beeinflussung der Steuereinrichtung 41.
Beim Betrieb der Flugkolben-Kraftan- lage werden unter der Einwirkung der in den Arbeitszylindern 5 und 6 eintretenden Verbrennungen je zwei gegenläufige Kol ben auseinander getrieben, so dass die in den Kompressorzylindern 7 und 8 bezw. 9 und 10 enthaltenden Gase verdichtet und durch die Förderleitungen 22 zu ihren Ver brauchsstellen gepresst werden. In den äussersten Hubendlagen ergibt sich ein Luft poster, welches die Weiterbewegung der Flugkolben verhindert.
Im darauffolgenden Hub werden die Kolben durch,die hydrau,- lischen Gestänge mittelst der Kolben 36 -und 37_. bezw. 38 und 39 wieder in die innere Hubendlage gedrängt, wobei durch die Ver- dichterzylinder 11 und 12 bezw. 13 und 14 frische Gase durch die Leitung 21 wieder angesaugt werden.
Gleichzeitig wird durch die Brenukraftkolben 1 und 2 bezw. 3 und 4 die durch die Spülleitungen 15 bezw. 16 zugeführte Spül- und Verbrennungsluft ver dichtet. hi der innern Hubendlage wird in die verdichtete Verbrennungsluft durch die Einspritzvorrichtungen 17 bezw. 18 Brenn stoff in die Verbrennungsluft eingespritzt, so dass durch die Verbrennung die beiden Kolben 1 und 2 bezw. 3 und 4 wieder aus einander getrieben werden.
Während das Kolbenpaar 1 und 2 in der einen Richtung sich bewegt, bewegt sich das andere Kolbenpaar 3 und 4 unter dem Ein fluss des hydraulischen Gestänges in der an dern Richtung. In der äussern Hubendlage sind die Kolben durch das zwischen den Verdichterkolben 11 und 12 bezw. 13 und 14 und den Deckeln der Zylinder 7 und 8 bezw. 9 und 10 eingeschlossene Luftpolster abgebremst. Je nachdem durch die Ver schiebung des Zylinders 51 der Inhalt der Flüssigkeitsgestänge auf einen grösseren oder kleineren Inhalt eingestellt wird, ergibt sich,
dass die Kolben auch einen grösseren oder einen kleineren Hub ausführen. Wird ein grösserer Hub ausgeführt, so entspannen sich die Verbrennungsgase in dem dabei zu rückbleibenden kleinen Verbrennungsraum der Brennkraftzylinder 5 bezw. 6 auf einen niedrigeren Druck, a16 wenn die Kolben einen kleineren Hub ausführen, wobei die Verbrennungsgase beim Arbeitshub sich we niger ausdehnen und damit der Enddruck. grösser ist.
Trotz des kleineren Hubes wird zufolge der bei viel höheren Drücken ver laufenden Ausdehnung der Gase eine grö ssere Arbeit geleistet als bei grösserem Hub und niedrigeren Entspannungssdrücken.
Um auch den Gang der beiden gegenläu figen Kolben miteinander zu synchronisie rend, kann, wie in Fig. 4 gezeigt, durch die Flüssigkeitssäulen je ein Kolben 56 bezw. 57 beeinflusst werden, welche über ein Gestänge 58 bezw. 59 weitere Kolben 60 bezw. 61 verschieben.
Zwischen den Kolben 60 und 61 pendelt in einer Leitung 62 ein hydraulisches Gestänge 63, welches den einen der beiden Kolben 60 und 61 in. der entgegengesetzten Richtung verschiebt, als wie den andern. Zur Regulierung ist ein Sicherheitsorgan 64 vorgesehen, welches bei zu hohem Druck in der Flüssigkeitssäule Flüssigkeit entströmen lässt. Ferner kann durch die Leitung 65 über ein Rückschlag- organ 66 Ersatzflüssigkeit zugeführt wer den.
Sollte diese formschlüssige Gestänge bewegung zur Synchronisierung nicht aus reichen, so könnte durch eine entsprechende Flüssigkeitssäule, welche die noch freien Seiten der beiden Kolben 60 und 61 mitein- ander verbindet, eine kraftschlüssige Syn- chronisierung erreicht werden.
Genügt das Gaspolster in den Verdich- terzylindern zur Hubbegrenzung der Kolben noch nicht. so kann beispielsweise mit dem Kolben 36 (37, 38, 39, Fig. 3), wie in Fig. 5 gezeigt, eine hydraulische Bremse verbunden werden, die einen Kolben 67 besitzt, der in der Hubendlage in eine Bremspfanne 68 hineingleitet, in welcher die Kolbenbewe gung abgebremst wird.
Im Raum 69 ent steht dann je nach der Bremsungsintensität ein bestimmter Druck, der durch die Boh rung 70 allfällig auf Steuerelemente geführt werden kann, welche zum Beispiel die Ein spritzung des Brennstoffes oder die Vergrö sserung bezw. Verkleinerung von Flüssig keitssäulen beeinflussen.
Wenn in den Brennkraftzylindern 5 bezw. 6 durch Vergrössern der Brennräume eine Vergrösserung der Arbeitsleistung er zeugt wird, ist es unter Umständen - ins besondere dann, wenn der Druck der ver dichteten Gase unveränderlich bleiben soll - notwendig, dass der schädliche Raum des Verdichters abnimmt, so dass seine För- derleistung grösser wird.
Aus diesem Grunde kann, wie in Fig. 6 gezeigt, die Bremsvorrichtung des Flüssig keitskolbens 36 (bezw. 37, 38, 39, Fig. 3) in der Längsachse verschiebbar angeordnet werden. Der Bremskolben 71 schliesst mit dem Bremskäfig 72 einen Bremsraum 73 ein. Der Kolben -wird also seine äussere Hubend- tage immer an einer der Lage des Brems häfigs 72 entsprechenden Stelle erreichen. Der Bremskäfig 72 kann nun mit Hilfe des in seinem Halse angeordneten Gewindes 74 in der Längsachse verschoben werden, so dass auch die Hubendlage in entsprechender Weise in der Längsachse verschoben wird.
Anstatt des Gewindes '94 können auch Kol ben vorhanden sein, mit deren Hilfe die Ver schiebung des Bremskäfigs stattfindet. Ge gebenenfalls können durch den Bremsdruck, der durch die Bohrung 75 im Bremskäfig -weiter geleitet werden kann, bestimmte Steuervorrichtungen der Kraftanlage beein flusst werden.
Durch die Leitungen 53 können irgend welche Steuervorrichtungen angeschlossen werden, so zum Beispiel Steuervorrichtun gen, welche Impulse in Abhängigkeit vom Spül- bezw. Aufladedruck in der Leitung 15 bezw. 16 oder in Abhängigkeit vom Ver brennungsgasdruck in den Leitungen 19 und 20 oder in Abhängigkeit von den durch die verdichteten Gase oder die Verbrennungsgase betriebenen Kraftmaschinen oder in Abhän gigkeit von durch die Hand gesteuerter Ein stellvorrichtungen, erteilen.
In der Fig. 7 sind zwei Druckvolumen diagramme der Vorgänge im Brennkraft- zylinder (5 bezw. 6) aufgetragen. Das eine zeigt die Verhältnisse bei kleinerem Ruf ladedruck (Anfangsdruck der Verdichtung Po = 1,2 ata, Verdichtungsenddruck 32 ata, Verbrennungsraum 6 % des Hubraumes), während das andere für höhere Rufladung gezeichnet ist (Anfangsdruck der Verdich tung p. = 4 ata, Verdichtungsenddruck 50 ata,
Verbrennungsraum I'x = 13 % des Hubraumes).
Auf der Seite des Kompressorrs soll ein möglichst kleiner Zylinderraum angestrebt werden, um damit die Wirkungsgrade auch bei hohen Förderdrücken noch günstig zu erhalten. In der Fig. 8 sind zwei Volumendia gramme des Verdichters aufgetragen, das eine ist für einen Betrieb mit niedrigem Verdichtungsdruck (p = 1,2 ata) und das andere für einen höheren Verdichtungs- drurck (p = 4 ata) aufgetragen. In beiden Fällen ist der Kompressionsraum V, unge fähr gleich grog.
Zweckmässig sind die Verschiebungen der Hubendlagen auf der Seite des Verdich- terzylinders. Das wird insbesondere dann der Fall sein, wenn der Verdichtungsdruck nicht gleich gehalten wird, sondern in klei neren oder grösseren Grenzen sich verändern kann oder muss.
Es kann aber auch die Ver schiebung der Hubendlagen auf der Seite des Brennkraftzylinders kleiner sein als auf der Seite des Verdichterzylinders, insbeson dere dann, wenn durch die Veränderungen des schädlichen Raumes des Verdichters seine Fördermenge verändert werden muss. Diese Veränderungen der Hubendlage kön nen entweder im gleichen Sinn oder in ent gegengesetztem Sinn je nach dem Verwen dungsbereich der Flugkolben-Kraftanlage erfolgen.
Ein Grenzfall ergibt sich, insbe sondere, wenn die Konstruktion vereinfacht werden muss, dadurch, dass der schädliche Raum des Verdichters überhaupt unverän derlich gehalten wird.
Zur Regelung der Hubendlagen können irgendwelche Betriebsgrössen herangezogen werden, so zum Beispiel die Belastung, die die Drehzahl oder andere Grössen der Ma schinen, welche entweder durch die Ver brennungsgase des Brennkraftzylinders oder die verdichteten Gase des Verdichter zylinders betrieben werden. Es können aber auch Impulse in Abhängigkeit von der Be wegung einzelner Elemente der Flugkolben maschinen entnommen werden.
Gegebenen falls können auch die Brennstoff-Einspritz- vorgänge zeitlich und hinsichtlich der Brennstoffmenge in Abhängigkeit von Be triebsgrössen der Flugkolben-Kraftmaschine geregelt werden.
So können beispielsweise in Abhängigkeit von den Endlagen die Ein- spritzvorgänge eingeleitet oder in Abhängig- keit von bestimmten Kolbenstellungen oder von Belastungen eine Voreinspritzung be- stimmt werden, welche dann eine Brem sung der Kolben vor dem Erreichen der Hubendlage noch bewerkstelligen.