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.
The invention relates to a single stage expansion machine.
The invention aims to create a single-stage expansion machine with a high output and a relatively low number of revolutions, which is fed with combustion gases, with complete or almost complete combustion of the fuel taking place.
The single-stage expansion machine according to the invention is characterized in that the housing is provided with an antechamber which is divided by a partition into a first chamber and a second chamber, the first chamber being in open communication with the cylinder, in which first chamber a or a number of burners provided with a supply line for fuel are located, while the second chamber is connected to a container for compressed air via a line with a controlled inlet valve,
which container is connected to the cylinder via a check valve and the two chambers are internally connected to one another by one or a number of pressure equalization lines, each of which is designed as a long tube with a small cross-sectional area at the same time as a heat lock, means are provided to to supply an amount of air to keep the burner burning. Since an excess of air can always be supplied to the or each burner, complete combustion is certain to be achieved.
In order to protect the piston against the influence of the flame of the burner, a shielding plate can be arranged in the open connection of the first chamber with the cylinder, which prevents the flame of the or each burner from coming into contact with the face of the piston. In order to protect against burn-in, the upper surface of the piston according to the invention can also be provided with a protective lining, for example made of refractory ceramic material.
An advantageous embodiment of the expansion machine according to the invention is characterized in that it is designed in such a way that during each complete reciprocating stroke of the piston, the or each burner is continuously supplied with fuel with a different amount of fuel in such a way that the greatest amount of fuel just before or from the The beginning of the working stroke is supplied with a constant or almost constant amount during a predetermined time.
According to an expedient embodiment, the piston of the single-stage expansion machine can be designed as an epicycloidal rotary piston.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, in which, for example, three embodiments of the expansion machine according to the invention are partially shown schematically. Show it:
Fig. 1 in section a part of the first embodiment, which is provided with a separate container for compressed air,
2 shows a section of part of the second embodiment of an expansion machine with a piston moving back and forth, the second chamber being arranged in the container for compressed air,
3 shows a section of part of the third embodiment, in which the expansion machine is designed as a rotary piston machine with an epicycloidal rotary piston.
In Fig. 1, the upper part of a cylinder 1 is an expan.
Sion machine shown, wherein a reciprocating piston 2 is arranged. In the end wall or in the cylinder cover 3 there is provided an opening 5 which is provided with a check valve 4 and which is connected by a pipe 6 to a container 7 for compressed air.
The upper wall or cover 3 of the cylinder 1 is provided with a housing 8 which, in connection with a favorable spatial distribution, forms an angle with the cylinder 1 and which is divided into a first chamber 10 and a second chamber 11 by a partition 9. This housing is preferably provided with a heat-insulating lining 12. The chambers 10 and 11 are connected to one another by channels 13 of small cross-sectional area, which serve to equalize the pressure in these chambers and at the same time serve as a heat lock. A heat lock is a pipe that connects at least two rooms with such a long length and such a small cross-sectional area that any pressure differences in the rooms in the pipe are compensated without medium flowing from one room to the other.
The channels 13 can be designed as grooves in the inner wall of the housing 8 or as tubes located in these chambers.
A burner 16 is provided in the chamber 10, which is in open communication with the cylinder space 15 above the piston 2 through an opening 14. A shielding plate 17 arranged in the opening 14 prevents the flame of the burner 16 from coming into direct contact with the upper surface of the piston 2. This upper surface is also provided with a ceramic lining 18.
The second chamber 11 of the housing 8 is connected to the container 7 by a pipe 19 in which an inlet valve 20 controlled by a cam driven by the expansion machine is provided.
In the lines 6 and 19, closure elements (not shown) can be arranged, which are closed when the expansion machine is not used in order to prevent the compressed air present in the container from leaking away. The container 7 is connected to the chamber 11 via a line 46 provided with a closure element 45.
The expansion machine described above works as follows:
Air flows from the container 7 via the controlled inlet valve 20 into the chamber 11, from where this air flows to the burner 16, to which burner fuel is supplied via a controlled fuel supply (not shown). The combustion gases flow through the opening 14 into the cylinder space 15 and push the piston down until it releases the outlet opening or openings 21. The utilized combustion gases flow out of the cylinder 1 through these outlet openings, the latter being flushed through one or more air inlet openings 22 and filled with air. With the decreasing stroke, the air above the piston 2 is pressed into the container 7 via the check valve 4 and the channel 5 and the line 6.
However, some of the air remains in the cylinder between the piston 2 and the cylinder cover 3 and in the chamber 10, as a result of which the burner 16, to which a small amount of fuel is supplied, can remain burning. With the decreasing stroke of the piston, the amount of fuel that is fed to the burner 16 is increased again.
The embodiment according to FIG. 2 differs from that according to FIG. 1 in that the upper part of the housing is formed by letting the second chamber 11 coincide with a container 23 for the compressed air, of which container 23 the axis with the axis of the cylinder 1 coincides. The chamber 11 of the burner is connected to the container 23 by an inlet valve 24 loaded by a light spring, which container is connected by a line 25 to an opening 28 provided with a check valve 27 and arranged in the cylinder cover 26. The contents of the container 23, the air inlet duct of the burner, the connecting duct 25 and the space in the cylinder above the piston 2, when this is in its highest position, together form the volume of a cylinder compression unit.
The check valve 27 is arranged in this case in order to be able to prevent air from flowing back without having taken part in the combustion process to a sufficient extent.
In the upper surface of the piston 2 opposite the burner 16, a bowl-shaped recess 29 is provided, while between this bowl-shaped recess 29 and the cylinder cover 26 there is a shielding plate 31 provided with openings 30, which prevents the flame of the burner 16 from directly contacting the upper surface of the piston 2 comes into contact.
A fan 32 is provided in the container 23, which ensures that sufficient air is supplied to the burner even with a minimal supply of fuel, which means that the burner can remain burning during the entire cycle. As in the embodiment described above, the chambers 10 and 11 are connected to one another by long thin channels 13.
3 shows a rotary piston machine with a cylinder 33 in which an epicycloidal piston 34 is located. The space 35 in the cylinder 33 is again in communication with a housing 38 provided with two chambers 36, 37, which is connected via an opening with a controlled valve 39 and a line 40 with a container 41 for compressed air, which is connected by a with a Check valve 42 provided line 43 fresh air compressed by the piston 34 is supplied. The device provided with the chambers 36 and 37 and the burner 44 can be designed in the same way as in the embodiments according to FIGS. 1 and 2.
It should be noted that if there was insufficient air flow when the piston 34 passed the opening of the chamber 36 to ensure that the burner continued to burn, a fan could also be used here.