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.
Method of Operating a Propellant Generator for Engine The present invention relates. See a method for operating a propellant # genera.tors for engines, which generator is a four-stroke internal combustion engine that is coupled with two air compressors, one of which is charge air from a pressure higher than atmospheric pressure and the other from additional air supplies even higher pressure for cooling the exhaust gases of the engine and for flushing the engine cylinders, and consists in
that the additional air is only introduced into a cylinder in the end phase of the exhaust stroke, but before the residual gases are blown out, and is partially discharged again during the same exhaust period. The method according to the invention enables the production of propellant gases for power machines, such as turbines, with such a high degree of efficiency that could not be achieved with the means available to date with the generation of such propellant gases.
Part of the additional air introduced into the fuel cylinder can then be expanded to the charging pressure during the first part of the suction stroke of the subsequent work cycle of the four-stroke internal combustion engine after the flushing period, with the intake of charging air only afterwards so that the expanding additional air is particularly effective Cooling the internal combustion zyiincler and its charge before the loading and compression process in the cylinder he testifies.
The additional air is advantageously supplied to the extent that the mean temperature of the propellant is reduced to the maximum permissible value caused by the stress on the material.
The method according to the invention is explained in more detail in the accompanying drawing with reference to an exemplary embodiment and exemplary pressure and temperature diagrams which show their courses in the piston internal combustion engine, the supercharging and auxiliary air pumps.
1 shows a vertical section through a cylinder of an in-line internal combustion engine, which is built to carry out the method according to the invention.
FIGS. 2, 3 and 4 represent, in functions of the crank angle of a piston of an internal combustion engine and the pistons of the charging and auxiliary air pump, the control sequences and the unhindered pressure and temperature profiles in an internal combustion cylinder and the associated pressure conditions in the pumps.
In Fig. 1, 1 'is a cylinder of a four-stroke internal combustion engine acting as a gas generator, 2' is its simple-acting working piston and 3 'is its piston rod. Such an internal combustion engine works with crossheads 4 ', which are also designed as pistons 5' of the loading pump.
The piston 5 'could also be formed as a double-acting stepped piston. 6 is the crankshaft of the machine and 7 is the push rod to the crosshead 4 ', designed as a piston 5', through which the forces from the pistons 1 'and 5' are transmitted to the crankshaft 6. 8 is the upper crankcase part of the machine and 9 is its base plate. In the cylinders of the internal combustion engine there is at least one inlet element 10 and at least one outlet element 11, which are actuated from the control shaft 12 by means of cams 13, 13 'and the control rods 1-1, 14'.
The charge air is sucked into the charge air pump cylinder 15 'through the opening 16' and the suction flaps 17 'by means of the piston 5' and pressed through the flaps 18 'into a collecting space 19 common to at least part of the internal combustion engine. Both the internal combustion cylinders 1 'and their cylinder covers 20' as well as the charge pump cylinders 15 'can, as shown, be provided with a finite water cooling device.
But you could also work with air, cooling.
At least one piston valve 21 is now installed in the collecting chamber 19 in front of the inlet element 10 for each internal combustion cylinder, which controls both the passage of the supercharging air from the chamber 19 to the inlet valve 10 and that of the additional cage from the upper chamber 22 to the same inlet valve 10. The additional lift is generated by at least one piston pump. The piston pump is driven from the crankshaft 6 via special drive cranks, which are set ver against the working cranks by the gear difference in the delivery periods between loading air pump 5 ', 15' and additional air pump.
The piston valve 21 is formed in such a way that it has an inner cylindrical guide piece 23, the inner diameter of which is selected and sealed against the space 22 so that, despite the higher additional air pressure in space 22, it is approximately the same compared to the lower call boost pressure in space 19 Forces from above and below on the piston slide 21, 23 are exerted. To this purpose, a fixed guide engages piece 21, the interior z. B. with. is connected to the atmosphere, from above into the piston valve 21, 23. On the outer Sehiebeil 21 and on the inside fixed guide piece 21 can benringe as drawn Kol 25 and 26 be installed.
The piston valve 21 is controlled by means of cam disks, as shown. You can z. B. be done from the Noekenwelle 12 of the internal combustion engine. For this, a cam and a hastily speaking control linkage 27, 28 can be arranged there in a known manner in order to open or close the access of the additional air from your container 22 or the charging air from the container 19, according to the operating conditions. 32 is the exhaust pipe to the gas turbine.
In FIG. 2, p represents the dimensional curve in a cylinder of an internal combustion engine. T shows the corresponding air or gas temperature curve. The upper dead center positions of the corresponding internal combustion piston are designated with TTDC and the lower ones with LDC.
The main points of the pressure curve are with ca, b, c, <I> d, e, f, g, </I> h ,, <I> i, </I> those of the temperature curve with a'-i ' designated. Lines train a-b or a'-b 'corresponds. sucking in the charge air into the cylinders. b-c or
b'-c 'represents the pressures or the temperatures during the compression and then cde or c'-d'-e' during the combustion and the expansion. e or e 'corresponds to the pressure and temperature state at the start of the exhaust. From e or e '- f or f', that is, at the end of the expansion stroke in LDC, takes place. the exhaust of the combustion gases according to the. Pressure drop e-f and the temperature drop e'-f 'instead.
The exhaust gases are then pushed out of the cylinder by the piston during the LDC-ITDC exhaust stroke and enter the exhaust gas turbine. According to the experience, only exhaust gases initially pass from fg or f'-g 'into the gas turbine, and only at point g or g' is so much additional lift introduced into the relevant cylinder that it cools the cylinder contents. .
The resulting gas-air mixture then also passes into the gas turbine, but with it. a decreasing, i.e. lower, temperature than the previously emitted or emitted exhaust gases. For this reason, less energy is transferred into the turbine for each unit of weight of gas flowing in the section fl-h than in the section f-cg- From point h or
h ', so much additional air is now introduced up to the ram point i that the combustion cylinder chamber, which is small in the top dead center UDC, is at least approximately flushed by the exhaust gases contained therein.
The cylinder flushing chamber is advantageously flushed out several times so that the cylinder and piston wings and the valves are also cooled. The method can also be carried out in such a way that, as shown in FIG. 2, relatively cold additional air which is at a higher pressure than the charge pressure remains, and there are no more exhaust gases.
If this additional air is cooled before it enters the cylinder, a relatively low temperature of the cylinder contents can be reached at point i '. After completion of the flushing process, an expansion of the already relatively cold cylinder contents to the lower charge pressure is carried out according to the line i-a-, and the temperature is reduced according to the line i'-a '. This results in a further strong temperature decrease,
so that the supercharging air entering after a is not at all or not at all due to the additional air already in the cylinder. heated flushing lift. becomes. Such a heating would otherwise reduce the supercharging air weight taken up in the cylinder, and it would. At the same maximum process temperature, even before the gas turbine, only a lower output could be achieved with the internal combustion engine and the gas turbine.
In the pressure diagram Fig. 3 of the additional air pump you can see the pressure curve p2 in one of its cylinders. So that the combustion cylinders are really cooled and flushed as shown in FIG. 2 and described above, the cooling and flushing air from the auxiliary air pump must also pass from g through h to i with the necessary pressure into the combustion cylinder. Your inlet and outlet valves must also be open at the same time until the flush is complete.
To ensure that the additional air pressure required for cooling and purging is reliably available at the right time, the crank or cranks of the corresponding additional air pump piston are set against the crank or the cranks of the corresponding internal combustion piston in such a way that the promotion of the Additional air takes place in the combustion engine during the cooling and flushing period.
This is due to the different positions of the dead points UDC and LDC in relation to the DC in FIG. for the additional air pump. Seen in Fig. 4. the pressure curve pt in a cylinder of the supercharging pump, the piston of which is offset from the relevant internal combustion piston tim 180.
The additional air pump piston advantageously rush after the internal combustion piston (FIG. 3). The charging pumps should advantageously only begin their promotion when the additional air in the internal combustion cylinder is again at least approximately panded to the boost pressure. In any case, the charge air pump should be in full delivery when the internal combustion piston approaches the middle of its stroke and therefore sucks in a maximum of charge.
A mode of operation according to the diagram figures 2 to 4 can of course also be used with an internal combustion engine other than that shown in FIG. The method according to the invention has the great advantage that the majority of the exhaust gases pass into the gas turbine at a high temperature and greater energy is generated there than if the temperature of these exhaust gases were lower. The times during which the exhaust gases in the cylinders are initially cooled by the additional air and then relatively cold additional air passes into the gas turbine as scavenging air is relatively short.
It is selected in such a way that it is sufficient for both good cooling and purging of the internal combustion cylinders and for cooling the (gases as a gas turbine can withstand the intake period of the supercharging air, the lowest possible temperature of the cylinder contents can be achieved.
This low tempera ture is intended to achieve further cooling of the walls of the cylinders of the internal combustion engine and to fill these cylinders with a large amount of charge air in the subsequent Sanghub.