Die Erfindung bezieht sich auf eine Einstufenexpansionsmaschine.
Die Erfindung bezweckt eine Einstufenexpansionsmaschine mit einer grossen Leistung und einer verhältnismässig niedrigen Tourenzahl zu schaffen, die mit Verbrennungsgasen gespeist wird, wobei eine vollständige oder nahezu vollständige Verbrennung des Brennstoffes erfolgen soll.
Die erfindungsgemässe Einstufenexpansionsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit einer Vorkammer versehen ist, die durch eine Zwischenwand in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt ist, wobei die erste Kammer in offener Verbindung mit dem Zylinder steht, in welcher ersten Kammer sich ein oder eine Anzahl mit einer Zufuhrleitung für Brennstoff versehene Brenner befindet, während die zweite Kammer über eine Leitung mit einem gestcuerten Einlassventil mit einem Behälter für Druckluft in Verbindung steht,
welcher Behälter über ein Rückschlagventil flit dem Zylinder verbunden ist und wobei die beiden Kam intern durch eine oder eine Anzahl Druckausgleichleitungen, die je als ein langes Rohr mit einer kleinen Querschnittsfläche zugleich als Wärmeschloss ausgebildet sind, miteinander in Verbindung stehen, wobei Mittel vorgesehen sind, um eine Luftmenge zum ununterbrochenen Brennenlassen des Brenners zuzuführen. Da dem oder jedem Brenner immer ein Überschuss an Luft zugeführt werden kann, wird mit Gewissheit eine vollständige Verbrennung erzielt.
Um den Kolben gegen die Beeinflussung der Flamme des Brenners zu schützen, kann in der offenen Verbindung der ersten Kammer mit dem Zylinder eine Abschirmplatte angeordnet sein, wodurch vermieden wird, dass die Flamme des oder jedes Brenners mit der Stirnfäche des Kolbens in Berührung kommt. Auch kann zum Schutz gegen Einbrennung die obere Fläche des Kolbens gemäss der Erfindung mit einer schützenden Verkleidung, zum Beispiel aus feuerfestem keramischem Material, versehen sein.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Expansionsmaschine wird dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass während jedes vollständigen hinund hergehenden Hubes des Kolbens dem oder jedem Brenner ununterbrochen Brennstoff mit einer verschieden grossen Menge derart zugeführt wird, dass die grösste Menge Brennstoff kurz vor oder von dem Anfang des Arbeitshubes an während einer im voraus bestimmten Zeit mit konstanter oder nahezu konstanter Menge zugeführt wird.
Gemäss einer zweckmässigen Ausführungsform kann der Kolben der Einstufenexpansionsmaschine als epizykloidaler Drehkolben ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher auseinandergesetzt, in der beispielsweise drei Ausführungsformen der erfindungsgemässen Expansionsmaschine schematisch teilweise dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 im Schnitt einen Teil der ersten Ausführungsform, die mit einem separaten Behälter für Pressluft versehen ist,
Fig. 2 im Schnitt einen Teil der zweiten Ausführungsform einer Expansionsmaschine mit sich hin- und herbewegendem Kolben, wobei die zweite Kammer im Behälter für Pressluft angeordnet ist,
Fig. 3 im Schnitt einen Teil der dritten Ausführungsform, bei der die Expansionsmaschine als Drehkolbenmaschine mit einem epizykloidalen Drehkolben ausgebildet ist.
In Fig. 1 ist der obere Teil eines Zylinders 1 einer Expan.
sionsmaschine dargestellt, worin ein sich hin- und herbewegender Kolben 2 angeordnet ist. In der Stirnwand oder im Zylinderdeckel 3 ist eine mit einem Rückschlagventil 4 versehene Öffnung 5 vorgesehen, die durch ein Rohr 6 mit einem Behälter 7 für Druckluft verbunden ist.
Die obere Wand oder der Deckel 3 des Zylinders 1 ist mit einem Gehäuse 8 versehen, das im Zusammenhang mit einer günstigen Ortsverteilung einen Winkel mit dem Zylinder 1 bildet und das durch eine Zwischenwand 9 in einer ersten Kammer 10 und einer zweiten Kammer 11 unterteilt ist. Vorzugsweise ist dieses Gehäuse mit einem wärmeisolierenden Futter 12 versehen. Die Kammern 10 und 11 stehen miteinander in Verbindung durch Kanäle 13 von kleiner Querschnittsfläche, die zum Ausgleichen des Druckes in diesen Kammern und zugleich als Wärmeschloss dienen. Ein Wärmeschloss ist ein mindestens zwei Räume verbindendes Rohr mit einer derart grossen Länge und einer derart kleinen Querschnittsfläche, dass eventuelle Druckunterschiede in den Räumen im Rohr ausgeglichen werden, ohne dass Medium von einem Raum in den anderen strömt.
Die Kanäle 13 können als Rillen in der Innenwand des Gehäuses 8 oder als in diesen Kammern befindliche Rohre ausgebildet sein.
In der Kammer 10, die durch eine Öffnung 14 in offener Verbindung mit dem Zylinderraum 15 über dem Kolben 2 steht, ist ein Brenner 16 vorgesehen. Eine in der Öffnung 14 angeordnete Abschirmplatte 17 verhindert, dass die Flamme des Brenners 16 direkt mit der oberen Fläche des Kolbens 2 in Berührung kommt. Diese obere Fläche ist ausserdem mit einer keramischen Verkleidung 18 versehen.
Die zweite Kammer 11 des Gehäuses 8 ist durch ein Rohr 19, in dem ein mit einem durch die Expansionsmaschine angetriebenen Nocken gesteuertes Einlassventil 20 vorgesehen ist, mit dem Behälter 7 verbunden.
In den Leitungen 6 und 19 können nicht dargestellte Verschlussorgane angeordnet sein, die geschlossen werden, wenn die Expansionsmaschine nicht benutzt wird, um das Weglecken der im Behälter vorhandenen Pressluft zu verhindern. Der Behälter 7 ist über eine mit einem Verschlussorgan 45 versehene Leitung 46 mit der Kammer 11 verbunden.
Die oben beschriebene Expansionsmaschine wirkt wie folgt:
Aus dem Behälter 7 strömt über das gesteuerte Einlassventil 20 Luft in die Kammer 11, von wo diese Luft zu dem Brenner 16 strömt, welchem Brenner Brennstoff über eine nicht dargestellte gesteuerte Brennstoffzufuhr zugeführt wird. Die Verbrennungsgase strömen durch die Öffnung 14 in den Zylinder raum 15 und drücken den Kolben nach unten, bis dieser die Auslassöffnung oder -öffnungen 21 freigibt. Die ausgenutzten Verbrennungsgase strömen durch diese Auslassöffnungen aus dem Zylinder 1, wobei dieser über ein oder mehrere Lufteinlassöffnungen 22 gespült und mit Luft gefüllt wird. Bei dem zurückgehenden Hub wird die Luft über dem Kolben 2 über das Rückschlagventil 4 und den Kanal 5 und die Leitung 6 in den Behälter 7 gepresst.
Ein Teil der Luft bleibt jedoch im Zylinder zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinderdeckel 3 sowie in der Kammer 10 zurück, wodurch der Brenner 16, dem eine kleine Menge Brennstoff zugeführt wird, brennen bleiben kann. Bei dem zurückgehenden Hub des Kolbens wird die Brennstoffmenge, die dem Brenner 16 zugeführt wird, wieder vergrössert.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäss Fig. 1 dadurch, dass der obere Teil des Gehäuses gebildet ist, indem man die zweite Kammer 11 mit einem Behälter 23 für die Pressluft zusammenfallen lässt, von welchem Behälter 23 die Achse mit der Achse des Zylinders 1 zusammenfällt. Die Kammer 11 des Brenners steht durch ein durch eine leichte Feder belastetes Einlassventil 24 mit dem Behälter 23 in Verbindung, welcher Behälter durch eine Leitung 25 mit einer im Zylinderdeckel 26 angeordneten, mit einem Rückschlagventil 27 versehenen Öffnung 28 verbunden ist. Der Inhalt des Behälters 23, des Lufteinlasskanals des Brenners, des Verbindungskanals 25 und des Raumes im Zylinder über dem Kolben 2, wenn sich dieser in seiner höchsten Stellung befindet, bilden zusammen das Volumen einer Zylinderkompressionseinheit.
Das Rückschlagventil 27 ist in diesem Fall angeordnet um verhindern zu können, dass Luft zurückströmen kann, ohne in genügendem Masse an dem Verbrennungsprozess teilgenommen zu haben.
In der oberen Fläche des Kolbens 2 ist gegenüber dem Brenner 16 eine schalenförmige Aussparung 29 vorgesehen, während sich zwischen dieser schalenförmigen Aussparung 29 und dem Zylinderdeckel 26 eine mit Öffnungen 30 versehene Abschirmplatte 31 befindet, die verhindert, dass die Flamme des Brenners 16 direkt mit der oberen Fläche des Kolbens 2 in Berührung kommt.
Im Behälter 23 ist ein Ventilator 32 vorgesehen, der dafür Sorge trägt, dass auch bei minimaler Brennstoffzufuhr dem Brenner genügend Luft zugeführt wird, wodurch erreicht wird, dass der Brenner während des ganzen Kreislaufes brennen bleiben kann. Die Kammern 10 und 11 stehen ebenso wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform durch lange dünne Kanäle 13 miteinander in Verbindung.
Fig. 3 zeigt eine Drehkolbenmaschine mit einem Zylinder 33, in den sich ein epizykloidaler Kolben 34 befindet. Der Raum 35 in dem Zylinder 33 steht wieder mit einem mit zwei Kammern 36, 37 versehenen Gehäuse 38 in Verbindung, das über eine Öffnung mit einem gesteuerten Ventil 39 und eine Leitung 40 mit einem Behälter 41 für Pressluft verbunden ist, dem durch eine mit einem Rückschlagventil 42 versehene Leitung 43 frische durch den Kolben 34 komprimierte Luft zugeführt wird. Die mit den Kammern 36 und 37 und dem Brenner 44 versehene Vorrichtung kann auf dieselbe Weise wie bei den Ausführungsformen gemäss den Fig. 1 und 2 ausgebildet sein.
Bemerkt wird, dass, wenn keine genügende Luftströmung vorhanden sein würde, wenn der Kolben 34 die Öffnung der Kammer 36 passiert, um dafür Sorge zu tragen, dass der Brenner zu brennen fortfährt, auch hier ein Ventilator benutzt werden kann.