Freikolben-Treibgaserzeugeranlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Frei kolben-Treibgaserzeugeranlage mit Brenn- kraftantrieb, bei welcher die Luft dem Treibgaserzeuger mindestens teilweise vor verdichtet zugeführt werden kann.
Die Erfindung besteht darin, dass das Gebläse zur Vorverdichtung der Luft als Kreiselmaschine ausgebildet ist und durch eine Turbine angetrieben wird, welche mit einem regelbaren Teil der Treibgase beauf schlagt wird.
Zur Erzeugung von Treibgasen mittels Kolbenbrennkraftmaschinen wurde schon vor geschlagen, der Kolbenmaschine die Luft vorverdichtet zuzuführen. Das Gebläse zur Vorverdichtung wurde entweder von einer durch die Gesamtmenge der Treibgase beaufschlagten Treibgasverbrauchsmaschine oder von einer der Treibgasverbrauchs maschine in der Treibgasleitung vorgeschal teten Hilfsmaschine getrieben. In beiden Fällen entstand der Nachteil, dass die Grösse der für die Vorverdiehtung zur Verfügung stehenden Leistung vom Gang der Treibgegs- verbrauphsmaschiiie abhängig war und die Vorverdichtung nur mit Verlusten den ge gebenen Betriebsbedingungen angepasst wer den konnte.
Im einen Fall musste das Vor- verdichtungsgebläse mit einer der Drehzahl der Treibgasverbrauehsmasc'hine entsprechen-- den Drehzahl laufen, während im andern Fall die gesamte Treibgasmenge aufgenom men werden musste.
Wird nun zum Antrieb des Gebläses für die Vorverdichtung eine Teilmenge der Treibgase verwendet, so lässt sieh die Teil menge unabhängig vom Betrieb der Frei- kolben-Treibgaserzeugeranlage im Hinblick auf gegebene Verhältnisse ohne Verluste än dern, weil alle nicht zur Vorverdiebtung be nutzten Gase im Treibgasverbraucher ausge nutzt werden können.
Eine Möglichkeit der Regelung der Teil menge besteht darin, dass die den Verdichter antreibende Turbine in Abhängigkeit von der Belastung der Anlage so geregelt wird, dass bei grosser Belastung eine höhere und bei kleiner Belastung jedoch eine geringere Vorverdielltung entsteht. Im Grenzfall kann bei geringer Belastung die Luft nicht vorverdichtet der Maschinenanlage zugeführt werden, sie kann dann unmittelbar der Atmosphäre entnommen werden.
Der Erfindungsgegenstaud ist anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausfüh rungsbeispiels nachstehend näher erläutert. Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Freikolben-Treibgaserzeugeranlage nach der Erfindung; Fig. 2 und 3 veranschau lichen eine Einzelheit der Fig. 1 in zwei verschiedenen Stellungen; r' ig. 4 und 5 stel len die Diagramme der Treibgasleistung und der Drehzahlen während des Betriebes bei verschiedenen Aufladegraden dar. Schliess lich zeigen die Fig. 6 und 7, in ein verein fachtes Schema eingetragen, die Leistungs verteilung beim Betrieb ohne bezw. mit Vor verdichtung.
Der Zylinder 1 enthält zwei Freikolben 2 und 3, deren Bewegung durch ein Ge stänge 4,<B>5</B> und einen Hebel<B>6</B> synchronisiert ist. Im innern Zylinderraum 7 vollzieht sich die zur Arbeitsleistung notwendige Verbren nung, in den äussern Zylinderräumen<B>8</B> und<B>9</B> die Verdichtung der Luft.
Durch die Leitung 10 wird Luft dem Freikolben-Treibgaserzeuger zugeführt, die über die Einlassventile 11 und 12 in die Zylinderräume 8 bezw. 9 des Verdiehters gelangt. Nach Verdichtung strömt die Luft über die Auslassventile 13 und 14 und durch die Leitung 15 und den Kanal 16 zu den Spülschlitzen 17.
Der Brennstoff wird durch die Leitung 18 der Einspritzvorrichtung 19 zugeführt und dann in den Zyliuderraum 7 einge spritzt.
Die durch die Verbrennung entstehenden Gase und überschüssige, verdichtete Luft strömen als Treibgase durch die Auslass schlitze 20 in den Auslasskanal 21 und aus diesem durch die Leitung 22 zu den Ver brauchsstellen.
Ein erster Verbraucher, die Hauptturbine 24, entspaunt die Abgase unter Arbeitsent zug und lässt sie durch die Leitung 25 entweder ins Freie oder zu weiteren, nicht gezeichneten Verbrauchsstellen, beispielsweise in Wärmeaustauscher, abströmen. Die me- ehanische Leistung der Hauptturbine 24 wird zum Antrieb des Stromerzeugers<B>26</B> herangezogen, der durch die Leitung<B>27</B> mit einem nichtgezeichneten Verbranchsnetz ver bunden ist. Die Welleder Turbine 24 treibt ferner eine Erregermaschine 28 an, welche zur Erregung des Stromerzeugers 26 dient. Ausserdem wird aneh ein Regler<B>29</B> durch die Turbine angetrieben.
Eine Hilfsturbine 30 wird von einem Teil der Treibgase beaufschlagt, welcher der Treibgasleitung 2,2 vor der Turbine 24 ent nommen wird und nach der Entspannung durch die Leitung 31 entweder ins Freie oder zu weitern, nichtgezeichneten Ver brauchsstellen strömt, er könnte beispiels weise einer Zwischenstufe der Hauptturbine 24 zugeleitet werden. Die Hilfsturbine 30 treibt den Verdichter 32, der durch die Lei tung 33 aus der Atmosphäre Luft ansaugt und diese dann durch die Leitung 10 vorver dichtet dem Freikolben-Treibgaserzeuger zu leitet.
Wenn der Verdiehter <B>32</B> ausser Betrieb ist, kann die für den Betrieb des Freikolben- Treibgaserzeugers notwendige Luft durch die Leitung<B>-35</B> über das Rückschlagorgan <B>36</B> unmittelbar aus der Atmosphäre angesaugt wer-den. In der Zufuhrleitung <B>23</B> für die Treibgase ist ein Regelorgan 34 angebracht.
Der Regler<B>29</B> (Fig. <B>1,</B> 2) ist mittels der Welle<B>37</B> (Fig. 2) der Hauptturbine an getrieben. Der Reglermuff <B>38</B> steigt bei einer Erhöhung der Drehzahl infolge einer Entlastung der Turbine 24 an und sinkt um gekehrt bei einem Abfall der Drehzahl in folge einer Belastung der Maschine. Die Muffbewegung wird durch den Hebel<B>39</B> und das Gestänge 40 auf das Regelorgan 34 (Fig. <B>1,</B> '2) in der Treibgaszuleitung <B>23</B> der Turbine<B>30</B> übertragen.
Das Ventil 41 wird beim Ans teigen der Belastung geöffnet und bei Entlastung der Maschine geschlossen.
Im Gestänge 40 ist ein Zylinder 42 vor gesehen, der eine, Feder 43 enthält, welche bei geöffneter Stellung des Ventils 41 den Kolben 44 gegen die Anschlagmutter 45 presst. Nach Schluss des Ventils 41 (Fig. 3) wird die Feder 43 bei weiterer Entlastung der Hauptturbine und weiterem Ansteigen der Muffe 38 gespannt. Zur Regelung der Freikolben-Treibgaserzeugeranlage wird noch die Brennstoffzufuhr beispielsweise durch Beeinflussung der niehtgezeichneten Brenn stoffpumpe verändert, was aber auf der Zeichnung nieht angegeben ist.
Bei kleiner Belastung der Freikolben- Treibgaserzeugeranlage ist das Regelorgan 34 (Fig. 1) geschlossen, die zu verdichtende Luft wird über das Rückschlagorgan 36 unmittelbar aus der Atmosphäre angesaugt und in den Verdichterzylinderäumen 8 und 9 auf beispielsweise 4 Atm. verdichtet. Die verdichtete Luft strömt durch die Ein lassschlitze 17 in den Zylinderraum 7 und gelangt dann, die Abgase vor sich hertrei bend, durch die Auslassschlitze 21 in die Leitung 22. Beim Durchspülen des Zylinder raumes 7 findet eine Kühlung, statt. Bei ver schlossenen Schlitzen sammelt sich die Luft in der Leitung 15, um dann beim darrauffol genden Freilegen von neuem die Abgase aus zutreiben und zur Kühlung den Arbeits zylinder zu durchströmen.
Steigt die Belastung, so wird durch den Regler 29 das Regelorgan 34 geöffnet, so dass die Turbine 30 den Verdiehter 32 an treibt. Die verdichtete Luft strömt durch die Leitung 10 zum Freikolben-Treibgaserzeuger und schliesst gleichzeitig das Rückschlag organ 36 in der Leitung 35. Durch die Vor- verdichtung wird nicht nur mehr Luft der Freikolben-Treibgaserzeugeranlage zugeführt, sondern auch ihr Druck in der Leitung 15, beispielsweise von 4 Atm.
auf 6 Atm., ge- steiggert, so dass einerseits mehr verdichtete Luft durch den Arbeitsraum 7 indie Treib gasleitung 22 strömt und anderseits durch Verbrennen einer grössern Brennstoffmenge eine erhöhte Leistung zur Verdichtung der Luft in den Arbeitsfäumen <B>8</B> und<B>9</B> erzeugt wird.
Als Abszisse ist in Fig. 4 und 5 der Auf ladedruck in der Leitung 10, als Ordinate in Fig. 4 die Leistung KW der zu der Haupt turbine 25 geleiteten Treibgasmenge (TG) und der zu der Hilfsturbine 30 geleiteten Treibgasmenge (TC) und schliesslich in Fig. 5 die Drehzahl (T/min.) gewählt.
Es ergibt sich, dass bei Normalbetrieb ohne Aufladung für den Vorverdiehter keine Leistung verbraucht wird, und dass die Leistung TC des Verdichters erst bei darüber hinaus steigender Belastung der Haupt- Maschine (TG) einsetzt und ständig zunimmt.
Um die in Fig. 4 aufgetragene Vorver dichtungsleistung To zu erhalten, muss sieh die Drehzahl des Vorverdichters die Kurve nC gemäss Fig. 5 einstellen, dieser kann dem nach nicht von der eine unveränderliche Drehzahl nG einhaltenden Hauptturbine 24 angetrieben werden. Das Verhältnis zwi schen dem Verlauf der Vorverdichtungs leistung TC nach Fig. 4 und der Drehzahl des Vorverdichters ist bei der Regelvorrich tung 29, 34 (Fig. 1, bis 3) berücksichtigt.
Die Fig. 6 zeigt die Energieverteilung bei voller Leistung ohne Vorverdielltung. Die Leistung des aus der Hauptturbine Tg und dem Generator G bestehenden Aggregats ist mit Lg = 100% bezeichnet. Von dem aus der Hilfsturbine TC und dem Vorverdiehter <B>C</B> bestehenden Hilfsaggregat wird eine Leistung Lc = 0% entwickelt. Die Luft strömt dem Freikolben-Treibgaserzeuger F mit einem Druck von<B>p.,<I>=</I></B> l,O: ata zu.
Bei Betrieb mit Aufladu%g, (Fign <B>7)</B> mit einem Vor-verdichtungsdruck von<B>p.,</B> =: 1,2 ata steigt die Leistung L, des aus der Hauptturbine<B>TG</B> und dem Stromerzeuger<B>G</B> bestehenden Aggregats auf 120<B>%</B> und die vom Freikolben-Treibgaserzeuger F exzeugte Treibgasmenge auf<B>115 %</B> gegenüber dem Betrieb nach Fig. #6,
von welcher Ga3menge ein Teil der Hilfsturbine To zugeleitet wird. Die Hilfsturbine entwickelt eine Leistung L, von<B>16 %,</B> die in Form von vorverdichteter Luft dem Freikolben-Treibgaserzeuger <I>F</I> wieder zugeführt wird.
Gegenüber dem Betrieb ohne Aufladung steigt somit beim Betrieb mit Aufladung bei einer Vorver-dichtung <B>p.,</B> == 1,2 ata die Treibgasmenge von 100 auf ll5 % und die Leistung der Hauptmaschine von 100 auf 120 %. Die Erfindung ermöglicht, dass durch dauernde Anpassung des Auflaclebetriebes an die Belastungsverhältnisse Verluste ver mieden werden. Die Luft kann dem Frei kolben-Treibgaserzeuger auch nur zum Teil vorverdielltet zugeführt werden und zwar so, dass der Verdieliter des Freikolben-Treibgas erzeugers zunächst Luft amsaugt, und dass erst im letzten Teil des Hubes noch vor verdichtete Luft in den Verdichterzylinder eingeführt wird.
Free piston propellant gas generator system. The invention relates to a free-piston propellant gas generator system with an internal combustion engine, in which the air can be supplied to the propellant gas generator at least partially before being compressed.
The invention consists in that the fan for pre-compressing the air is designed as a centrifugal machine and is driven by a turbine to which a controllable part of the propellant gases is acted upon.
To generate propellant gases by means of piston internal combustion engines, it has already been proposed to feed the air into the piston engine in precompressed form. The blower for pre-compression was driven either by a propellant gas consumption machine acted upon by the total amount of propellant gases or by an auxiliary machine upstream of the propellant gas consumption machine in the propellant gas line. In both cases the disadvantage arose that the amount of power available for pre-compaction was dependent on the rate of the propellant consumption machine and the pre-compaction could only be adapted to the given operating conditions with losses.
In one case the pre-compression fan had to run at a speed corresponding to the speed of the propellant gas consumption machine, while in the other case the entire amount of propellant gas had to be consumed.
If a partial amount of the propellant gases is now used to drive the blower for the pre-compression, the partial amount can be changed regardless of the operation of the free-piston propellant gas generator system with regard to the given conditions without losses, because all the gases not used for pre-compression are in the propellant gas consumer can be used.
One possibility of regulating the partial quantity is that the turbine driving the compressor is regulated as a function of the load on the system in such a way that with a high load a higher and with a low load a lower pre-denting occurs. In the borderline case, the air cannot be pre-compressed and fed to the machine system with low pollution; it can then be taken directly from the atmosphere.
The subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing. 1 shows a simplified representation of a free-piston propellant gas generator system according to the invention; Figures 2 and 3 illustrate a detail of Figure 1 in two different positions; r 'ig. 4 and 5 stel len the diagrams of the propellant gas power and the speeds during operation at different degrees of charging. Finally, FIGS. 6 and 7, entered in a simplified scheme, show the power distribution during operation without respectively. with pre-compression.
The cylinder 1 contains two free pistons 2 and 3, the movement of which is synchronized by a linkage 4, <B> 5 </B> and a lever <B> 6 </B>. The combustion necessary for work takes place in the inner cylinder chamber 7, and the air is compressed in the outer cylinder chambers <B> 8 </B> and <B> 9 </B>.
Air is supplied to the free-piston propellant gas generator through line 10, which air enters cylinder chambers 8 and 8 respectively via inlet valves 11 and 12. 9 of the culprit arrives. After compression, the air flows via the outlet valves 13 and 14 and through the line 15 and the channel 16 to the scavenging slots 17.
The fuel is fed through line 18 to the injection device 19 and then injected into the cylinder chamber 7.
The gases resulting from the combustion and excess, compressed air flow as propellant gases through the outlet slots 20 into the outlet channel 21 and from there through the line 22 to the consumption points.
A first consumer, the main turbine 24, releases the exhaust gases while withdrawing work and allows them to flow off through line 25 either into the open air or to other consumption points not shown, for example in heat exchangers. The mechanical power of the main turbine 24 is used to drive the power generator <B> 26 </B>, which is connected by line <B> 27 </B> to a non-illustrated utility network. The shaft of the turbine 24 also drives an exciter 28 which is used to excite the power generator 26. In addition, a regulator <B> 29 </B> is driven by the turbine.
An auxiliary turbine 30 is acted upon by a portion of the propellant gases, which is taken from the propellant gas line 2.2 before the turbine 24 and after the expansion through the line 31 either into the open air or to further, not shown Ver consumption points, it could example, an intermediate stage the main turbine 24 are supplied. The auxiliary turbine 30 drives the compressor 32, which sucks in air through the device 33 from the atmosphere and then condenses it through the line 10 to the free-piston propellant gas generator.
When the entangled <B> 32 </B> is out of operation, the air necessary for the operation of the free piston propellant gas generator can be supplied directly through the line <B> -35 </B> via the non-return element <B> 36 </B> be sucked in from the atmosphere. A regulating element 34 is attached in the supply line 23 for the propellant gases.
The controller <B> 29 </B> (Fig. <B> 1, </B> 2) is driven by means of the shaft <B> 37 </B> (Fig. 2) of the main turbine. The governor sleeve <B> 38 </B> increases when the speed increases as a result of the load on the turbine 24 and, conversely, decreases when the speed drops due to a load on the machine. The sleeve movement is controlled by the lever 39 and the linkage 40 on the regulating element 34 (Fig. 1, 2) in the propellant gas supply line 23 of the turbine <B> 30 </B> transferred.
The valve 41 is opened when the load rises and closed when the machine is relieved.
In the linkage 40, a cylinder 42 is seen, which contains a spring 43, which presses the piston 44 against the stop nut 45 when the valve 41 is in the open position. After the valve 41 is closed (FIG. 3), the spring 43 is tensioned when the main turbine is further relieved of pressure and the sleeve 38 continues to rise. To regulate the free-piston propellant gas generator system, the fuel supply is changed, for example by influencing the fuel pump not shown, but this is not specified in the drawing.
When the free-piston propellant gas generator system is under low load, the control element 34 (FIG. 1) is closed, the air to be compressed is sucked in directly from the atmosphere via the non-return element 36 and in the compressor cylinder chambers 8 and 9 to 4 atm, for example. condensed. The compressed air flows through the inlet slots 17 into the cylinder space 7 and then passes through the outlet slots 21 into the line 22, with the exhaust gases hertaining in front of you. When the cylinder space 7 is flushed through, cooling takes place. When the slots are closed, the air collects in the line 15, then when darrauffol lowing exposure again to drive the exhaust gases out and to flow through the working cylinder for cooling.
If the load increases, the control element 34 is opened by the controller 29, so that the turbine 30 drives the twisted 32 on. The compressed air flows through the line 10 to the free piston propellant gas generator and at the same time closes the non-return member 36 in the line 35. The pre-compression not only feeds more air to the free piston propellant gas generator system, but also its pressure in the line 15, for example of 4 atm.
to 6 atm., so that, on the one hand, more compressed air flows through the working space 7 into the propellant gas line 22 and, on the other hand, by burning a larger amount of fuel, increased power for compressing the air in the working spaces <B> 8 </B> and <B> 9 </B> is generated.
The abscissa in Fig. 4 and 5 is the boost pressure in the line 10, the ordinate in Fig. 4 is the power KW of the propellant gas amount (TG) directed to the main turbine 25 and the propellant gas amount (TC) directed to the auxiliary turbine 30 and finally in Fig. 5, the speed (T / min.) is selected.
The result is that in normal operation without charging, no power is consumed for the predecessor, and that the power TC of the compressor only starts when the load on the main machine (TG) increases and increases constantly.
In order to obtain the pre-compression power To plotted in FIG. 4, the speed of the pre-compressor must set the curve nC according to FIG. 5; this cannot be driven by the main turbine 24, which maintains a constant speed nG. The ratio between tween the course of the pre-compression power TC according to FIG. 4 and the speed of the pre-compressor is taken into account in the Regelvorrich device 29, 34 (Fig. 1 to 3).
Fig. 6 shows the energy distribution at full power without Vorverdielltung. The power of the unit consisting of the main turbine Tg and the generator G is denoted by Lg = 100%. A power Lc = 0% is developed from the auxiliary unit, which consists of the auxiliary turbine TC and the pre-divider <B> C </B>. The air flows to the free-piston propellant gas generator F at a pressure of <B> p., <I> = </I> </B> l, O: ata.
When operating with supercharging, (FIG. 7) </B> with a pre-compression pressure of <B> p., </B> =: 1.2 ata, the power L, der from the main turbine < B> TG </B> and the power generator <B> G </B> to 120 <B>% </B> and the amount of propellant gas generated by the free-piston propellant gas generator F ex to <B> 115% </B> the operation according to Fig. # 6,
of which amount of Ga3 a part of the auxiliary turbine To is fed to. The auxiliary turbine develops an output L of <B> 16%, </B> which is fed back to the free-piston propellant gas generator <I> F </I> in the form of pre-compressed air.
Compared to operation without charging, the amount of propellant gas increases from 100 to 115% and the output of the main engine from 100 to 120% when operated with a pre-compression <B> p., </B> == 1.2 ata. The invention enables losses to be avoided by continuously adapting the Auflaclebetriebes to the load conditions. The air can also be supplied to the free-piston propellant gas generator only partially in a predefined manner, in such a way that the condenser of the free-piston propellant gas generator first sucks in air and that only in the last part of the stroke is compressed air introduced into the compressor cylinder.