Verfahren zum Betrieb eines Treibmittelgenerators für Kraftmaschinen Die vorliegende Erfindung bezieht. sieh auf ein Verfahren zum Betrieb eines Treibmittel- #genera.tors für Kraftmaschinen, welcher Gene rator einen Viertakt-Verbrennungsmotor be sitzt, der mit zwei Luftverdichtern zusammen gekuppelt ist, von denen der eine Ladeluft von einem höheren Druck als Atmosphärendruck und der andere Zusatzluft von noch höherem Druek zur Kühlung der Abgase des Motors und zur Spülung der Motorzylinder liefert, und besteht darin,
dass die Zusatzluft erst in der Endphase des Auspuffhubes, aber vor dem Ausblasen der Restgase in einen Zylinder ein geführt und während der gleichen Auspuff periode teilweise wieder abgeführt wird. Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht die Herstellung von Treibgasen für Kraftmaschi nen, wie Turbinen, mit einem so hohen Wir- kungsgrad, der mit den bis anhin zur Ver stehenden Mitteln mir Erzeugung sol cher Treibgase nicht erreicht werden konnte.
Ein Teil der in den Breniikraftzylinder eingeführten Zusatzluft kann anschliessend an die Spülperiode während des ersten Teils des Saughubes des nachfolgenden Arbeitszyklus eles Viertakt-Verbrennungsmotors auf den Aufladedruek expandiert werden, wobei erst. nachher die Aufnahme von Aufladeluft er folgt, damit die expandierende Zusatzluft eine besonders wirksame Kühlung der Brennkraft zyiincler und ihrer Ladung vor dem Lade und Verdiehtungsvorgang im Zylinder er zeugt.
Die Zusatzluft wird vorteilhaft in dem Masse zugeführt, dass die mittlere Temperatur des Treibmittels auf den durch die Material beanspruchung bedingten, höchst zulässigen Wert herabgesetzt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbei spiels und von beispielsweisen Druck- und Temperaturdiagrammen, welche deren Ver- läufe in der Kolbenbrennkraftmaschine, den Auflade- und Zusatzluftpumpen darstellen, in der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
Fig.1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Zylinder einer Reihenbrennkraft- maschine, welche zur Ausübung des erfin dungsgemässen Verfahrens gebaut ist.
Die Fig. <B>2,3</B> und 4 stellen, in Funktionen der Kurbelwinkel eines Kolbens einer Brennkraft- maschiile und der Kolben der Lade- und Zu satzluftpumpe, die Steuerfolgen und die un gefähren Druck- und Temperaturverläufe in einem Brennkraftzylinder und die zugehörigen Druckverhältnisse in den Pumpen dar.
In Fig. 1 ist 1' ein Zylinder einer als Gas generator wirkenden Viertakt-Brennkraft- ma.schine, 2' sein einfa'ch-v#rirkender Arbeits kolben und 3' seine Kolbenstange. Eine solche Brennkraftmasehine arbeitet mit Kreuzköpfen 4', welche gleichzeitig als Kolben 5' der Lade pumpe ausgebildet sind.
Der Kolben 5' könnte auch als doppeltwirkender Stufenkolben aus gebildet sein. 6 ist die Kurbelwelle der Ma schine und 7 die Schubstange zum als Kolben 5' ausgebildeten Kreuzkopf 4', durch welche die Kräfte von den Kolben 1' bzw. 5' auf die Kurbelwelle 6 übertragen werden. 8 ist der obere Kurbelgehäuseteil der Maschine und 9 ihre Grundplatte. In den Zylindern der Brennkraftmaschine ist mindestens ein Ein lassorgan 10 und mindestens ein Auslassorgan 11 angeordnet, welche von der Steuerwelle 12 aus mittels Nocken 13, 13' und dem Steuer gestänge 1-1, 14' betätigt werden.
In den Ladeluftpumpenzylinder 15' wird die Aufladeluft durch die Öffnung 16' und die Saugklappen 17' mittels des Kolbens 5' ein gesaugt und durch die Klappen 18' in einen für mindestens einen Teil der Brennkraft- maschine gemeinsamen Sammelraum 19 hinein gedrückt. Sowohl die Brennkraftzylinder 1' als auch ihre Zylinderdeckel 20' sowie die Ladepumpenzylindei@ 15' können, wie gezeieh- net., finit einer Wasserkühlvorrichtung ver sehen sein.
Sie könnten aber auch mit Luft, Kühlung arbeiten.
In den Sammelraum 19 ist nun vor dem Einlassorgan 10 für jeden Brennkraftzylinder mindestens ein Kolbenschieber 21 eingebaut, der sowohl den Übertritt der Aufladeluft aus dem Raum 19 zum Einlassventil 10 als auch denjenigen der Zusatzhaft aus dem oben liegenden Raum 22 zum gleichen Einlassventil 10 steuert. Die Zusatzlift wird von minde stens einer Kolbenpumpe erzeugt. Die Kolben pumpe wird von der Kurbelwelle 6 aus über besondere Antriebskurbeln angetrieben, welche gegen die Arbeitskurbeln um den Gangunter schied in den Förderperioden zwischen Lade luftpumpe 5', 15' und Zusatzluftpumpe ver setzt sind.
Der Kolbensehieber 21 ist so ausge bildet, dass er ein inneres zylindrisches Füh rungsstück 23 aufweist, dessen innerer Durch messer so gewählt und gegen den Raum 22 so abgedichtet ist, dass trotz höheren Zusatzluft druckes im Raum 22 gegenüber dem tieferen Rufladedruck im Raum 19 annähernd gleiche Kräfte von oben und von unten auf den Kol benschieber 21, 23 ausgeübt werden. Zu die sem Zweck greift ein feststehendes Führungs stück 21, dessen Innenraum z. B. mit. der Atmosphäre verbunden ist, von oben in den Kolbenschieber 21, 23 hinein. Am äussern Sehieberteil 21 und am innern feststehenden Führungsstück 21 können wie gezeichnet Kol benringe 25 bzw. 26 eingebaut sein.
Die Steue rung des Kolbensehiebers 21 wird mittels Nok- kenscheiben, wie dargestellt, vorgenommen. Sie kann z. B. von der Noekenwelle 12 der Brenn kraftmaschine aus erfolgen. Dafür können in bekannter Art dort ein Nocken und ein eilt sprechendes Steuergestänge 27, 28 angeordnet sein, um, den Betriebsbedingungen entspre chend, den Zugang der Zusatzluft aus dein Behälter 22 oder der Aufladeluft aus dem Behälter 19 zu öffnen oder zu schliessen. 32 ist die Abgasleitung zur Gasturbine.
In Fig.2 stellt p den Dimckverlauf in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine dar. t zeigt den korrespondierenden Luft- bzw. Gas- temperaturverla.uf. Die obern Totpunktstel- lungen des entsprechenden Brennkraftkolbens sind mit TTDC und die untern mit LDC be zeichnet.
Die Hauptpunkte des Druekverlaufes sind mit ca, b, c,<I>d, e, f, g,</I> h,, <I>i,</I> diejenigen des Tem- peraturverlaufes mit a'-i' bezeiehnet. Linien zug a-b bzw. a'-b' entspricht. dem Ansaugen der Aufladeluft in die Zylinder. b-c bzw.
b'-c' stellt die Drücke bzw. die Tempera turen während der Verdiehtung und anschlie ssend c-d-e bzw. c'-d'-e' während der Verbrennung und der Expansion dar. e bzw. e' entspricht dem Druck- und Temperatur zustand beim Auspuffbeginn. Von e bzw. e'--f bzw. f', das heisst am Ende des Expan sionshubes in LDC, findet. das Auspuffen der Verbrennungsgase entsprechend dem. Druck abfall e-f und dem Temperaturabfall e'-f' statt.
Anschliessend weiden die Abgase wäh rend des Ausstosshubes LDC-ITDC durch den Kolben aus dem Zylinder herausgedrückt und gelangen in die Abgasturbine. V erfahrungs gemäss treten nun vorerst von f-g bzw. f'-g' allein Abgase in die Gasturbine über, und erst im Punkt g bzw. g' wird so viel Zusatzlift in den betreffenden Zylinder eingeführt., da.ss diese den Zylinderinhalt kühlt..
Das entste hende Gasluftgemisch tritt dann ebenfalls in die Gasturbine über, aber mit. einer abneh menden, das heisst tieferen Temperatur als die vorher allein ausgetretenen bzw. ausge stossenen Abgase. Es wird deshalb pro aus strömender Gewichtseinheit Gase im Abschnitt fl-h, weniger Energie als im Abschnitt f-cg -in die Turbine übertragen. Ab Punkt h bzw.
h' wird nun so viel Zusatzluft bis zum Dia- nrammpunkt i eingeführt, dass der im obern Totpunkt UDC kleine Brennkra.ftzylinder- raum mindestens annähernd von den darin be findlichen Abgasen gespült wird.
Vorteil- haftercveise geschieht die Ausspülung des Zy- linflerraunies dabei mehrere Male, so dass auch eine Kühlung der Zylinder- und Kolbenwan- chingen sowie der Ventile stattfindet. Das Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, class, wie das in Fig.2 dargestellt ist, noch relativ kalte, unter höherem Druck als der Attfladedruck stehende Zusatzluft verbleibt, ilageg,en keine Abgase mehr.
Wird diese Zu satzluft vor ihrem Eintritt in den Zylinder gekühlt, so kann im Punkt i' eine relativ niedrige Temperatur des Zylinderinhaltes er reicht werden. Nach Beendigung des Spül vorganges wird dann entsprechend dem Linienzug i-a- eine Expansion des schon rela- ih- kalten Zylinderinhaltes auf den tieferen Aufladedruek durchgeführt, und es erfolgt eine Temperatursenkung entsprechend dem Linienzug i'-a'. Es findet dadurch eine wei tere starke Temperaturerniedrigung statt,
so dass die nach a eintretende Aufladeluft höch stens gar nicht oder nicht mehr stark durch die bereits im Zylinder befindliche aus der Zu satzluft. herrührende Spüllift geheizt. wird. Durch eine solche Erwärmung würde sonst das im Zylinder auf genommene Aufladeluftgewicht verringert, Lind es. könnte bei gleichen Prozess- liöchsttempei@attiren, auch vor der Gasturbine, nur noch eine kleinere Leistung mit der Brenn kraftmaschine und der Gasturbine erzielt wer den.
Im Druckdiagramm Fig. 3 der Zusatzluft pumpe ersieht man nun den Drtiekverlauf p2 in einem ihrer Zylinder. Damit die Brenn- kraftzylinder wirklich so gekühlt und gespült werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt und oben beschrieben ist, muss auch die Kühl- und Spülluft aus der Zusatzluftpumpe von g über h nach i mit dem notwendigen Druck in die Brennkraftzylinder übertreten. Ihre Einlass- und Auslassventile müssen auch bis zur Be endigung der Spülung gleichzeitig geöffnet sein.
Damit der für die Kühlung und Spü lung notwendige Zusatzluftdruck im rich tigen Zeitpunkt sicher vorhanden ist, wird die Kurbel bzw. werden die Kurbeln der ent sprechenden Zusatzluftptmlpenkolben gegen über der Kurbel bzw. den Kurbeln der ent sprechenden Brennkraftkolben derart ver setzt, dass die Förderung der Zusatzluft wäh rend der Kühl- und Spülperiode im Brenn- kraftzt>linder stattfindet.
Dies kommt in Fig.3 durch die verschiedene Lage der Tot punkte UDC bzw. LDC gegenüber dem DC. bei der Zusatzluftpumpe zum Ausdruck. In Fig. 4 ersieht. man den Druckverlauf pt in einem Zylinder der Aufladepumpe, deren Kolben gegenüber dem betreffenden Brenn- kraftkolben tim 180 versetzt ist.
Die Zusatz luftpumpenkolben eilen den Brennkraftkolben vorteilhafterweise nach (Fig.3). Die Auf ladepumpen sollen vorteilhafterweise erst dann mit ihrer Förderung beginnen, wenn die Zu satzluft im Brennkraftzylinder wieder min destens annähernd auf den Aufladedruck ex pandiert ist. Auf alle Fälle sollte sich die Aufladeluftpumpe in voller Förderung befin den, wenn der Brennkraftkolben der Mitte seines Hubes sich nähert und deshalb ein Maximum an Aufladelttft ansaugt.
Eine Arbeitsweise nach den Diagramm- figuren 2 bis 4 kann natürlich auch mit einer andern als der in Fig.1 dargestellten Bau art einer Brennkraftmaschine Verwendung finden. Das erfindungsgemässe Verfahren ergibt den grossen Vorteil, dass der grösste Teil der Abgase mit hoher Temperatur in die Gas turbine übertritt und dort eine grössere Ener gie erzeugt wird, als wenn die Temperatur dieser Abgase eine tiefere wäre. Die Zeiten, während welcher die Abgase in den Zylindern vorerst durch die Zusatzluft gekühlt werden und anschliessend daran relativ kalte Zusatz luft in die Gasturbine als Spülluft übertritt, ist relativ kurz.
Sie wird so gewählt, dass sie sowohl zur guten Kühlung und Spülung der Brennkraftzylinder und zur Kühlung der (Gase, wie sie eine Gasturbine verträgt, aus reicht. Mit der sich an die Spülperiode an schliessenden Expansion der im Zylinder sich dann befindenden Spülluft soll bei Beginn der Ansaugperiode der Aufladeluft eine mög lichst tiefe Temperatur des Zylinderinhaltes erreieht werden.
Durch diese tiefe Tempera tur soll eine weitere Kühlung der Wände der Zylinder der Brennkraftmaschine erzielt und eine grosse Füllung dieser Zylinder an Auf ladeluft im anschliessenden Sanghub erfolgen.