DE1021205B - Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger fuer eine Luftturbine - Google Patents

Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger fuer eine Luftturbine

Info

Publication number
DE1021205B
DE1021205B DESCH12451A DESC012451A DE1021205B DE 1021205 B DE1021205 B DE 1021205B DE SCH12451 A DESCH12451 A DE SCH12451A DE SC012451 A DESC012451 A DE SC012451A DE 1021205 B DE1021205 B DE 1021205B
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
cylinder
piston
air
free
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DESCH12451A
Other languages
English (en)
Inventor
Dipl-Ing Paul Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DESCH12451A priority Critical patent/DE1021205B/de
Publication of DE1021205B publication Critical patent/DE1021205B/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • F02B71/06Free-piston combustion gas generators per se

Description

  • Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger für eine Luftturbine Die Erfindung bezieht sich auf einen Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger für eine Luftturbine, der aus einem einheitlichen Verdichter- und Verbrennungszylinder und einem frei fliegenden Kolben besteht, wobei Luft aus dem Verdichterzylin.der bei einem bestimmten Druck durch Ventile der Turbine zugeleitet wird.
  • Bei Maschinen dieser Art ist einerseits bereits vorgeschlagen worden, einen leichten Kolben zu verwenden, und mit hohen Kolbengeschwind igkeiten zu arbeiten; in der zugehörigen Einrichtung ist jedoch keine Kolbendichtung und keine Steuerung für den Auslaß der verdichteten Luft vorgesehen, so daß sich damit kein hoher Wirkungsgrad erzielen läßt. Ferner ist ein Vorschlag für die konstruktive Ausbildung eines leichten, gegen die Zylinderwandüng gedichteten liolbens bekanntgeworden, mit dem Geschwindig= keiten bis zu 60 m/s erzielt werden sollen; jedoch ist dabei über die weitere Konstruktion des Freiflugkolbenverdichters, insbesondere über die Zylinderlänge nichts ausgesagt.
  • Andererseits ist es bereits bekannt, bei Freiflugkolbenverdichtern einen langen Zylinderraum anzuordnen, jedoch nur in Verbindung mit einem schweren, langsam laufenden Kolben. Die langen Laufzeiten des Kolbens und seine lange Verweilzeit im oberen Totpunkt bedingen jedoch hohe thermische Verluste; infelge der Wärmeahleitung aus dem Gemisch.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Freiflugkolb.enverdichte,r der eingangs beschriebenen Bauart zu schaffen, der neben einem hohen thermischen Wirkungsgrad einen hohen Gütegrad aufweist. Hierzu ist eine hohe I,#'-o,lbengeschwindigkeit erforderlich, und es ist notwendig, d@aß der Kolben gegen die Zylinderwand abgedichtet und daß ein für die Entspannung der Brenngase ausreichend langer Zylinderraum. angeordnet ist.
  • Demnach enthält der Freiflugkolbenverdichter, der aus einem einheitlichen Vordichter- und Verbrennungszylin,der mit einem frei fliegenden Kolben besteht, wobei Luft aus dem Verdichterzylinder bei einem bestimmten Druck durch Ventile einer Turbine zugeleitet wird, erfindungsgemäß als wesentliche Merkma?-e, daß dem Kolben, der mit gegen den Zylinder dichtenden Bauteilen (Kolbenringen) versehen ist, durch den Druck der gasförmigen Mittel eine Geschwi:ndigkeit von mindestens 30 m/s, vorzugsweise von 50 m/s, erteilt wird und daß die Länge des Zylinders größer ist, als der Dehnung der Verbrennum,gsgase auf den Gaswechseld,ruck entspricht.
  • Die Kombination der beiden für sich bekannten Merkmale ergibt überraschend vorteilhafte Wirkungen.. Die Vereinigung einer hohen Kolbengeschwindigkeit mit hohen, Verbrennungsdrücken und weitgehender Ausnutzung der Expansionsenergie der Verbrennungsgase in einem langen Zylinderraum ergibt einerseits einen hohen thermischen Wirkungsgrad und vermeidet andererseits bedeutende thermische Verluste durch Wärmeableitung aus dem Gemisch., so da.ß auch der Gütegrad der Einrichtung überraschen hoch ist. Die, nur kurze Zeit dauernde Einwirkung der hocherhitzten Verbrennungsgase auf die Bauteile und die lange Zeit, die zur Spülung des Zylinders zur Verfügung steht, bedingt nur mäßige Erwärmungen des Zylinderkopfes und des Kolbens. Der Kolben kann deshalb, mit einem geringen Gewicht ausgeführt «erden. Dadurch wird die Ver?inigung hoher Verbrennungsdrücke und großer Kolbengeschwindigkeiten praktisch anwendbar. Die Dehnung der Verbrennungsgase auf einen unter dem Gaswe@chseldruck liegenden Druck gestattet auch eine vorteilhafte Ausnutzung der entstehenden Druckdifferenz zur Steuerung der Gasgin- und -auslaßventile. Als Folge der Verdichtung großer Luftmengen auf mäßige Druck- und Temperaturwerte und des Auftretens hoher Drücke bei der Verbrennung ergibt sich eine; günstige Ausnutzung der Abgaswärme der Verbrennungsgase. Dadurch sind thermische Wirkungsgrade in Höhe von z. B. 75 % erreichbar, die unter Berücksichtigung der unvermeidlichen, im einzelnen auftretenden Verluste überraschend holie Gesamtwirkungsgrade der Energieerzeugung ergeben. Dabei liegen die mittlerenTemperatu.ren in einem für Kolbenmaschinen und Gasturbinen mäßigen Bereich, also in einem Gebiet thermischer und mechanischer Beanspruchungen, wie es für Maschinen mit sicheren Betriebsverhältnissen und langen Betriebszeiten gefordert wird.
  • Aus der Anwendung hoher Kolbengeschwindigkeiten in einem langen Zylinderraum ergeben sich verhältnismäßig große Hubstrecken des frei fliegenden Kolbens. Dabei können vorteilhaft verhältnismäßig große Luftmengen, zweckmäßig vcn mehr als dem doppelten Gewicht der Verhren.nungsluftmenge, der Turbine zugeführt werden.
  • Infolge der Anordnung einer großen Länge des Verdichterzylinders kann ferner der Höchstdruck der geförderten Verdichterluft kleiner sein als ein Drittel, vorzugsweise kleiner als ein Fünftel, des Höchstdrucks der Verbrennungsgase. Während beispielsweise die höchsten Verbrennungsdrücke 100 bis, 200 ata betragen, sind bei der Luftverdichtung Druckwerte von z. B. 30 oder 20 ata und weniger vorteilhaft. Dabei tritt eine Temperatur der Verdichterluft in der Größenordnung von: 400' C und weniger auf, die einen geringen Bauaufwand für die, Luftturbine gestattet.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispiolen an Hand der Fig. 1 bis 4.
  • Fig. 1 zeigt einen Verdichter- .und. Verbrennungszylinder im Längsschnitt und. dazu die Luftturbine, die mit einem elektrischen Stromerzeuger gekuppelt ist.
  • Fig. 2 veranschaulicht in Diagrammform den Verlauf der im Zylinder auftretenden Drücke, gezeichnet über der Strecke des Kolbenweges. Ferner ist in Fig.2 auch. der Verlauf der Kolbengeschwindigkeiten beim Lauf des Kolbens zum oberen Totpunkt und zum unteren Totpunkt angegeben. Sodann gilt die Fig. 2 den Verlauf der Zeit an, die der Kolben für seine Bewegungen benötigt.
  • Fig. 3 gibt das Diagramm der Bewegung eines der verwendeten Gas- und Luftventile wieder, wobei die Kurve des Ventilhubs und die Kurve der das Ventil steuernden Gasdruckkraft über der Zeit aufgetragen sind.
  • Fig. 4 kennzeichnet eine besonders vorteilhafte Ausnutzung der Abgase der Verbrennung durch Überführung von Wärme der Abgase in die Luft der Turbine.
  • In der Fig. 1 ist der einheitliche Verdichter- und Verlrennungszylinder mit 1 bezeichnet und der frei fliegende Kolben mit 2. Der in Fig. 1 rechts liegende Zylinderteil dient im wesentlichen zur Aufnahme der Verbrennungsluft, ihrer Vorverdiclrtung durch den Kolben 2 und der Entspannung derVerbrennungsgase. Der irr Fi;g. 1 links liegende Zylinderteil dient im wesentlichen zur Aufnahme der für den Betrieb der Luftturbine 3 zu verdichtenden Luft. Der elektrische Stromerzeuger 4 ist mit der Luftturbine 3 unmittelbar gekuppelt.
  • Der Kolben 2 ist mit einer auf einer Führungsstange 6 gleitenden Führungshülse 5 versehen, an deren Enden verhältnismäßig kurze Gleitstrecken 7 und 8 geringeren Spiels gegen die Führungsstange 6 als im übrigen Teil der Hülsenbohrung angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird eine gurte Kolbenführung und eine geringe Gleitkraft bei hohen Kolbengeschwindigkeiten, erreicht.
  • An seinem Außenmantel 9 trägt der Kolben einige Kolbenringe. Die Führungsstange 6 ist in dem Zylinder 1 um, einen ,geringen Betrag axial verschieblich gelagert, Die beiden Stangenenden 10 und 11 haben gegen, die die axiale Verschiebung begrenzenden Widerlager in den, Zylinderböden 12 und 13, deren Anlageflächen. in Richtung zur Zylindermitte hin liegen., ein ausreichendes Spiel, so daß auch bei den größten Wärmedehnungen, des Zylinders 1 gegen die Stange 6 noch keine Anlage der Stangenköpfe an die Widerlager eintritt. Durch die dargestellte Lagerung der Stange 6 wird erreicht, daß die Stange 6 ausschließlich Zugspannungen erfährt, so daß sie nicht durch ungünstige Knickkräfte beansprucht wird. Es ist auch vorteilhaft, die Stange 6 mit einem Trägheitsmonrent und einem Materialquerschnitt auszuführen, die eine transversale Schwingung mit einer Eigenschwingungszeit ergeben, welche außerhalb der Zeit eine. Kolbenhubs und deren ganzzahligen Vielfachen und deren umgekehrten ganzzahligen Vielfachen liegt. Dadurch wird das Entstehen von transversalen Stangenschwingungen vermieden-Da der Zylinder l durch die Federung 14 in seiner Achsenrichtung elastisch gehalten ist, so führt er eine schwingende Bewegurig im Gegenlauf zu dein Kolben 2 aus. Der Hub dieser schwingenden Bewegung ist im Verhältnis der Massen von ILolben2 und Zylinder 1 kleiner als die Laufstrecke des Kolbens. Der Kolben 2 ist während seiner Bewegung nach links, also in Richtung zum Verdichterende des Zylinders gezeichnet. Diese Kolbenbewegung veranschaulicht der Pfeil 15. `Fenn im weiteren. Verlauf der Kolbenbewegung die Luftverdichtung einen bestimmten Druckwert erreicht hat, werdcii die Luftventile 16 durch. einen geringen Überdruck geöffnet. und es wird ein Teil der verdichteten Luft in die Sammelleitung 17 und die Rohre 18 gedrückt. Gleichzeitig wird während. dieser Bewegung des Kolbens zu seinem Umkehrpunkt am Verdichterende, dem sogenan.nten unteren Totpunkt (UT), hin die Entspannung des Verbrennungsgases erreicht, und zwar tritt bereits vor Erreichung des. UT eine Dehnung der Verbrennungsgase unter den mittleren Druck beim Gaswechselvorgang, z. B. den Druck der Atmosphäre, ein. Auf Grund dieses Unterdrucks öffnen sich die Auslaßven.tile für die Verbrennungsgase 19 und die Lufteinlaßventile 20 selbsttätig. Den Ventilen 20 wird Luft durch die Leitung 21, und zwar in der Regel mit geringem Überdruck, zugeführt. Während die Lufteinlaßventile 20 einfache Rückschlagventile sind, besitzen die Gasauslaßventile 19 eine zusätzliche Einrichtung, die sie ihren besonderen Betriebsbedingungen anpaßt.
  • Der Teller de-" Ventils 19 ist durch einen Ventilschaft mit dein Zusatzkolben 22 verbunden, der in einem Zylinder 23 geführt wird. Der Zusa.tzkolben.22 hat einen etwas größeren Querschnitt als der Teller des Ventils. An dein Kolben 22 greift außerdem eine Sch;rauben.feder an, die andererseits an dem Boden des Zylinders 23 beies:tigt ist. Ferner ist zwischen dem Verbrennungszylinder 1 und dem Zylinder 23 des Zusatzkolbens eine Verbindungsleitung 24 angeordnet. Die -.NTünd,ungsstelle der Leitung 24 am Zylinder 23 ist so gelegt, däß die Mündung beim Anheben des Ventiltellers nach kurzem Ventilhub überlaufen wird. Dieses Anheben tritt bei Unterdruck im Zylinder 1 ein.. Es gelangt dabei der Unterdruck dhtrch die Leitung 24 in den Zylinder 23, und infolge des größeren Querschnitts des Kolbens 22 gegenüber dem des Ventiltellers ergibt sich eine in Öffnungsrichtung weisende Gaskraft. Somit geht das Ventil in Öffnungsbewegung auf Grund einer über nur verhältnismäßig kurze Zeit hin wirkenden Druckdifferenz, d.li. einem geringeren Druck innerhalb als außerhalb des Zvlinders 1. Nachdem der Kolben 22 des Gasauslaßventils 19 die Mündung der Leitung 24 in dem Zylinder 23 überlaufen hat, wird die weitere Öffnungsbewegung des Ventils 19 durch einen sich allmählich bildenden geringen Überdruck der Gase im Zylinder 1 bewirkt. Dieser Ül>erdruck ergibt sich nach Umkehr des Kolbens 2 aus seinem UT, d.li. hei seinem nunmehr einsetzenden Lauf nach rechts heim. Dabei drückt der Kolben 2 das Restgas der Verbrennung, welches sich in diem von ihm bestrichenen Zylinderraum befindet, durch die Auslaßveti@tile 19 aus dem Zylinder. Zugleich tritt frische Verbrennungsluft weiterhin unter geringem Überdruck durch die Ventile 20 in den Zylinderraum ein und verdrängt das Restgas der Verbrennung aus dem Teil des Zylinders, der zwischen den. Ventilen 20 und 19 liegt.
  • Wenn der Kolben 2 bei seinem Lauf vom UT nach rechts hin bis zu den VentiLen 19 gelangt ist, ist alles Restgas verdrängt und der vor dem Kolben befindliche Teil des Zylinderraumes mit frischer Verbrennungsluft gefüllt.
  • Die Gasauslaßven.tile können auch in Richtung zum Zylinderinnern hin öffnend ausgeführt sein. Sie benötigen dann in der Regel keine Zusatzkolben; ihre Federung ist dann mit der bewegten Ventilmasse derart abzustimmen, da.ß die infolge der Gasdruckdifferenz eintretende Öffnungs- und Schließbewegung abgeschlossen ist, wenn der Kolben den Gasauslaß bei seiner Rückkehr überläuft.
  • Die Anordnung selbsttätig wirkender, durch Druckunterschiede gesteuerter Ventile! ist in der Regel besonders vorteilhaft, weil sich diese leicht auf die verschiedenen Betriebsverhältnisse abstimmen lassen. Doch soll die dargestellte Anordnung keine allgemein anzuwendende Regel wiedergeben, vielmehr kann, es auch vorteilhaft sein, die Ventile oder sonstige zusätzliche, bewegliche Bauelemente beispielsweise vom den schwingenden Zylinderteilen oder von, gesondert angecrdnete.n beweglichen Bauteilen zu steuern.
  • Auf der Verdichterseite des Zylinders war der Kolben 2 im U T zur Ruhe gekommen, als die dem Kolben vorher erteilte kinetische Energie durch Luftverdichtung und Luftverdrängung aufgezehrt war. Die in dem Verdichterzylinder verbliebene Druckluft hat dann noch einen Energieinhalt, der ausreicht., um dem Kolben 2 die zur Verdichtung einer neuen Ladung Verbrennungsluft erforderliche kinetische Energie. zu erteilen. Die Auslaßventile 16 schließen sich im UT bei geringem Druckabfall im Verdichterzylinder. Nach Entspannung des Restes der Verdichterluft im linken Zylinderteil öffnen sich die Lufteinlaßventile 25, die als Rückschlagventile ausgebildet sind'. Diesen wird frischte Luft durch die Leitung 26 zugeführt.
  • Wenn der Kolben 2 die Ventile 19 überlaufen hat, sind die Ventile 20 geschlossen, und, es schließen sich sodann auch die Ventile 19. Ihr völliger Abschluß ist erreicht, bevor sich der, Kolben 2 in seiner äußersten Lage im rechten. Zylinderteil (0T) befindet. Im 0T des Kolbens ist der übrige gesamte Zylinderinhalt, vom linken Zylinderende bis zum Kolben hin, mit Luft gefüllt, und die Lufteinlaßven.tile 25 sind geschlossen.
  • Im Laufe der Verdichtung der Verbrennungsluft, d. h. während der Kolben 2 von dein Ventilen 19 zum 0T hin liäurft, bewegt sich der Zylinder 1 nach links hin. Er kommt im 0T des Kolbens kurze Zeit zur Ruhe und sodann zur Diese Zyl_inderbewegung wird zur Einspritzung des Brennstoffs benutzt.
  • Die Brennstoffpumpe 27 besteht aus einem im Normalfall feststehenden: Kalben 28, der eine Bohrung als Brennstoffleitung enthält. Dieser Bohrung wird der Brennstoff durch. das Rohr 29 zugeführt. Der Kolben ist durch drei Arme mit dem Ring 30 verbunden, der mit einem Außengewinde in den. mit entsprechendem Innengewinde versehenen Ring 31 greift. Der Ring 30 ist am Verdrehen gehindert durch die Rippen 32, welche den Pumpenzylinder 33 mit dem Zylinderboden 12 verbinden. Der Ring 31 hat an seinem äußeren. Durchmesser eine Verzahnung, in die das Regelrad 34 eingreift. Das Rad 34 ist durch das Handrad 35 zu drehen. Der Ring 31 ist in einem ruhenden Ringkörper 36 drehbar, aber seitlich gehalten. gelagert. Durch die Anordnung wird erreicht, daß sich bei Drehung des Handrades 35 der Kolben, 28 in axialer Richtung verstellt.
  • Am Ende dies Kolbens 28 ist ein Kugelventil angeordnet, welches die Brennstoffleitung bei Förderhub abschließt. Das Kolbenende ist durch zwei Führungsrippen verlängert, die in den Zylinder 33 hineinragen. Der Zylinder 33 hat an seinem offenen Ende, in welches der Kolben 28 nur zeitweise hineinragt, eine Ausdrehung auf einen größeren Durchmesser, und in diesen. Raum mündet eine Bohrung als Verbindung zur Brennstoffleitung. Tritt der Kolben 28 von der- Kante der Ausdrehung in den Zylinder 33 ein, dann verdrängt er bei seinem Hub, eine entsprechende Brennstoffmenge. Diese strömt durch die Leitungen 37 zu den Düsen 38 in dem Boden 12 des Zylinders 1. Die Düsen 38 ergeben einen Kranz von Brennstoffstrahlen, der die Verbrennungsluft im Zylinder 1 durchsetzt.
  • Bei der Bewegung des Zylinders 1 nach rechts saugt sich Brennstoff in den Zylinder 33 durch das Kugelventil ein. Die axia.l@e Stellung des Kolbens 28, die durch das Handrad 35 regelbar ist, ergibt einen größeren oder kleineren Förderhub@ und damit eine Regelung der eingespritzten Brennstoffmenge, und. der Leistung d!er -Maschine.
  • Die Einrichtung zur Brennstofförderung ist in Fig. 1 in einem größeren Maßstab wiedergegeben, um die Einzelheiten anschaulich zu machen.
  • Die Einspritzung des Brennstoffs vollzieht sich. bei der dargestellten Einrichtung in so hoch verdichtete Verbrennungsluft, daß sich. der Brennstoff darin entzündet. Dabei kann die Einführung des Brennstoffs erfahrungsgemäß auch schon vor dem Erreichen der durch Luftverdichtung erzielten Entzündungstemperatur erfolgen. Es wird sodann, eine besonders günstige Durch,mischwng vom Brennstoff und Luft und, ein vorteilhaft hoher Verbrennungsdruck erreicht.
  • Die Einleitung einer Zündung kann auch unter anderen -\Terdichtungsverb.ältnissen und durch besond.ere Zündmittel., wie Funken- oder Glühzünder, Vorkammern ui. dgl., erfolgen.
  • Beim Rücklauf des Kolbens 2 vorm 0T nach links verdichtet der Kalben die zwischen ihm und dem linken Zylinderende eingeschlossene Luft. Der entsprechende Überdruck hält das Venti 19 infolge der getroffenen Anordnung des Zusatzkolbens 22 geschlossen.
  • Im mittleren Teil der Zylinderlänge sind in axialem Abstand voneinander Öffnungen 39 und 41 in der Zylinderwand angeordnet, die durch die Leitungen 40 miteinander in Verbindung stehen. Wenn. der Kolben 2 die Mündungen 39 überlaufen. hat, tritt durch, die Mündungen 41 kurzzeitig verdichtete Luft aus dem Verdichterteil des Zylinders in den Verbrennungsteil über. An der Stelle, der Mündungen 39 und, 41 besitzt die Verdichterluft einen etwas höh°ren. Druck als das Verbrennungsgas, doch ist die Temperatur, der Luft wesentlich niedriger als die des Gases. Somit lagert sich infolge der getroffenen Anordnung eine kühlere Luftschicht vor den Kolbenboden an der Seite des Verbrennungszylinders. Da das Verbrennungsgas in diesem Z,ustan.d seiner Ausdehnung keine nennenswerte Strahlungswärme auszusenden vermag, so ergibt sich mit der Vorlagerung kühleirer Luft eine- wirksame Kühlung des Kolbens, und zwar ohne wesentlichen Energieaufwand. Die Mündungen 39 und 40 können anstatt an der Zylinderwand auch in entsprechendem Abstand an der Führungsstange 6 angeordnet sein. Bei Erreichen der in Fig. 1 dargestellten Lage des Kolbens 2 läuft der im einzelnen beschriebene Prozeß erneut ab.
  • Es ist vorteilhaft, die Steuerorgane, für dein Gaswechsel im Zylinder 1, insbescnd.ere die Gasauslaßven:tile 19 mit verhältnismäßig kleinen Ventiltellern, in, großer Zahl am Zylinderumfang anzuordnen. In der Regel ist auch mehr als eine Ventilreihe auf dem Zylinderumfang vorzusehen. Dadurch wird der Lauf der Kolbenringe oder der sonstigen Dichtungselemente begünstigt und eine gleichmäßige Wärmebeanspruchung des Zylinders bei guter Gasführung erreicht.
  • Vorteilhaft ist es auch, die Gasauslaßventile 19 zu kühlen. Zu diesem Zweck wird nach Fig. 1 Kühlluft durch ein Rohr 50 zugeleitet, durch ein Ringrohr auf die Ventile verteilt und um die Zylinder 23 geführt. Die Kühlluft gelangt in konische Stutzern 51 und sodann, in. offenem Strom auf die Teller der Ventil-; 19. Von dort strömt sie nach seitlicher Ablenkung in eine Auffangrinne 52 ab. In dieser sammelt sich die Luft und wird durch das Rohr 53 abgeleitet. Bei der Ausströmung d--,-r Restgase der Verbrennung aus dem Ventil 19 wird die Kühlung des an. sich schwachen Kühlluftstromes zwar u.nterb,rochen, doch ergibt die zwischenzieitliche Kühlung eine wesentliche Ernied;rigung der mittleren Temperatur der Bauteile der Ventile 19 und eine Steigerung- der Betriebssicherheit der Ventile.
  • In der Fig. ? ist zur Veranschaulichung der Vorgänge in dem Verdichter- und Verbrennungszylinder der Verlauf der Drücke, mit p bezeichnet, wiedergegeben. Für den Koilbenlauf vom UT zum 07' sind die Linien ausgezogen, für den Lauf vom 0T zum UT unterbrochen gezeichnet. Die Zylinderlänge gibt die mit N bezeichnete Linie wieder.
  • Auf der Seite des Verbrennungszylinders geht der Gasdruck von. einem geringen Druckwert, dem Punkt 56, im UT leicht ansteigend und sodann wieder fallend, zum Punkt 57. Bei Punkt 57 beginnt die Vorverdichtung der Verbrennungsluft, die im Punkt 58, im 0T, beendet ist. Unter Gleichraumverbrennung führt dort der Druck auf den Punkt 59.
  • Auf der Seite des Verdichterzylind'ers geht der Druck im (`T van dein Wert des Punkte: 60 unter Dehnung der Luft ungcfähi auf Atmosphärendruck bei Punkt 61. Von. da. ab bleibt der Druck nahezu konstant bis zum Punkt 62 im 0T.
  • Im Bereich kleiner Druckwerte ist der Druckverlauf zwecks besseres Veranschaulichung in vergrößertem Druckmaßstab wiedergegeben.
  • Die Geschwindigkeit z, des Kolbens verläuft vom L'T bis zum 0T nach der mit 63 bezeichneten Linie. Der zeitliche Verlauf' t der Kolbenbewegung vom UT zum 0T ist durch die Kurve 64 wiedergegeben. Von dem Höchstdruck der Verbrennung, dem Punkt 59, fällt der Druck der Gase nach der vom Punkt 59 zum Punkt 65 führenden Expansionskurve. Der Druck fällt sodann weiterhin etwas ab und führt zum Punkt 56.
  • An der Verdichterseite des Kolbens steigt der Luftdruck gleichzeitig vom Punkt 62 aus zum Punkt 66, an welchem der Ausschub der verdichteten Luft beginnt. Dieser Ausschub ist bei Punkt 60 beendet.
  • Der entsprechende Verlauf der Kolbengeschwindigkeit vollzieht sich nach der Kurve; 67.
  • Der zeitliche Verlauf der Kolbenbewegung ist durch die Kurve 68 veranschaulicht.
  • Bei Regelung der Turbine auf Teillast wird durch kleinere Brennstoffgabe in, den Verbrennungszylinder eine geringere Kelbengeschwindigkeit erreicht, als sie durch die Kurve 67 wiedergegeben ist. Der Endpunkt der Expansion der Verbrennungsgase geht vom Punkt 65 mehr zum 0T hin. Es ist dabei zweckmäßig, die Verdichterluft mit geringerem Druck als bei Normallast (Punkt 66) auf die Turbine zu entlassen. Der Kolbenhub verkleinert sich etwas, jethoch ändert sich die Laufzeit des Kolbens nicht erheblich, weil zugleich eine kleinere Kolbengeschwindigkeit auftritt. Bei einer Regelung auf `Peillast, und zwar bis zum Leerlauf, bleibt der Druckverlauf zu einem geringen Unterdruck hin, wie er in Fi.g. 2 durch die Linie vom Punkt 65 zum Punkt 56 dargestellt ist, im wesentlichen bestehen. Damit besteht auch bei Regelung der Maschine die gekennzeicli:nete Funktion des in Fig. 1 flargestellten Gasauslaßveritils 19.
  • Die Bewegungskurve eines Ventils ist in Fig. 3 des nähren dargestellt. Dabei ist der Hut> h eines Ventiltellers über der Zeit t aufgetragen. Mit unterbrochener Linie ist der Verlauf der auf das Ventil wirkenden Druckdifferenz p der Gase aufgetragen. Die -fasse und die Federung des -,#"entils sind dabei derart auf die Zeit der Druckwirkung abgestellt, daß die Eigenschwingungszahl des Ventils dreimal größer ist als die Schwingungszahl der erregenden Kraft, die aus der Änderung des Gasdrucks folgt. Dadurch wird erreicht, sofern eine harmonische Änderung des Gasdrucks vorliegt, daß die bewegte Ventilmasse mit der Geschwindigkeit Null in dem Zeitpunkt in ihre Ausgangslage zurückkehrt, bei welchem der Gasdruck seinen Anfangswert wieder erreicht. Das gleiche ist der 1#a11, wenn die, Eigenschwingungszahl ein größeres ungerades Vielfaches beträgt als Drei, also Fünf, Sieben usw.. doch ist das Dreifache besonders günstig. Bei den praktisch vorliegenden Abweichungen des Verlaufs der Gasdruckkraft von einem harmonischen Verlauf ändert sich die Z7entilkun-e etwas, jedoch ist der technisch wesentliche Teil der Kurve, die Annäherung an die Ausgangslage bei Rücklauf, erfahrungsgemäß durch dieWalil einergeringenAbweichung der Eigenschwingungszahl des Ventilb vom ungeraden Vielfachen der Schwingungszahl der erregenden Gasdruckkraft zu erreichen. Deshalb ist es technisch vorteilhaft, die Ventile mit einer Eigenschwingungszahl im Bereich des ungeraden Vielfachen der Sclin#iiigungszahd der das Ventil steuernden Gasdruekkraft auszuführen.
  • Zur Inbetriebsetzung der Einrichtung nach Fig. 1 wird der Kolben 2 in seins ('T-Lage gebracht, das Rohrsystem vor der Luftturbine bis zum Absperrventil 69 mit Druckluft gefüllt und der Kolben durch Druckluft vorgeschleudert. Dazu ist der Zylinder 1 zweckmäßig in die Lage zu bringen, die der Stellung des Kolbens 2 in seiner UT-Lage bei Normalbetrieb entspricht. Die technischen -Mittel für diese Inbetriebsetzung sind in der Fig. 1 nicht dargestellt, da sie an sich bekannt oder nach dein Stande der Technik ohne weiteres anzuordnen sind. Vor einer Inbetriebsetzung ist die Einrichtung zweckmäßig in bekannter Weise vorzuwärmen., insbesondere. um eine normale Gleitreibung des Kolbens zu erhalten.
  • Um die Wärme der Abgase aus dem Verbrennungszylinder wirkungsvoll auszunutzen, ist es vorteilh:_ft, den Gaswechsel im Zylinder 1, d. h. den Wechsel der Verbrennungsluft und den Ersatz der geförderten Verdichterluft, bei einem höheren mittleren Druck als dem Druck der Atmosphäre vorzunehmen. Dabei sind zweckmäßig die gesamten Abgase der Verbrennung mit der Luft, welche die Turbine durchströmt, in ':-Mischung zu bringen, um die Wärme der Abgase auf die Verdichterluf't zu übertragen. Diese Mischung ist zwischen zwei Druckstufen der Turbine, vorzunehmen, zwischen denen praktisch der gleiche Druck wie beim Gaswechselvo,rgang besteht. Die Verdichterluft wird vor ihrem Eintritt in die Luftturbine durch einen an sich bekannten Wärmeaustauscher geführt, der nicht zum Gegenstand der Erfindung gehören soll.
  • Gemäß Fig. 1 umfaßt er das Abgas-Ringrohr 42, innerhalb dessen die Rohre 18 und das Sammelrohr 43 verlegt sind. Die Abgase werden durch die- Leitung 44 fortgeführt, während die Luft vom Sammelrohr 43 in die Leitung 45 gelangt. Die Leitung 45 hat an ihrem Ende die Rohrstutzen 46, die sich, dichtend in der Kammer 47 mit der Zylindürsch,wingung bewegen können. Aus der Kammer 47 gelangt die verdichtete Luft durch. das Rohr 48 in die Turbine 3 und strömt von dort durch den Stutzen 49 ab.. Da das aus diesem Wärmeaustausch-er kommendeAbgas derVerbrennung noch eine verhältnismäßig hohe Temperatur hat, führt die Mischung des Abgases mit der Turbinenluft eine: Steigerung dies Gesamtwirkungsgrades herbei.
  • In Fig. 4 ist mit 70 ein in Fi,g. 1 näher dargestellter Verdichter- und Verbrennungszylinder bezeichnet. Dieser ist mit dem Wärmeaustauscher 71 umgeben, wie er ebenfalls in, Fi,g. 1 im einzelnen dargestellt ist. Ein rotierender Kompressor 72 saugt durch den Stutzen 73 Luft an und fördert diese mit einem verhältnismäßig geringen Druck, z. B. mit 2 oder 4 ata., durch die Leitung 74 in den Druckausgleichraum 75. Von dem Raum 75 gelangt die Luft einerseits durch die Leitung 76 in den Verbrennungszylinder und andererseits durch die Leitung 77 in dien Verdichterzylinder. Die von dem Zylinder gef'ärderteVerdichte.rluft durchströmt den Wärmeaustauscher 71 und wird durch die Leitung 78 in den Druckausgleichraum 79 geführt. Von dem Raurn79 tritt die Luft in den mit 80 bezeichneten. "Teil der Luftturbine. In diesem findet eine Entspannung der Luft auf dien Gaswechseldruck statt, welcher angenähert gleich dem Druck ist, den der Kompressor 72 erzeugt.
  • Aus dem Teil 80 der Luftturbine strömt die Luft durch die Leitung 81 in den Teil 82 der Luftturbine. Dabei wird: der Luft das gesamte Abgas aus der- Verbrennung zugeführt, welches durch die Leitung 83 aus dem Wärmeaustauscher 71 in denDruckausgleichrau.m 84 und von dort in die Leitung 85 strömt. Aus dem Teil 82 der Luftturbine wird das gesamte gasförmige Mittel durch den Stutzen 86 abgeleitet.
  • Die Luftturbine, aus den Teilen 80 und 82 bestehend, gibt ihre Energie einerseits an den Kompressor 72 und andererseits an den Stromerzeuger 87 ab. Zu diesem Zweck sind die einzelnen 1@laschinen miteinander gekuppelt.
  • Eine weitere Ausnutzung der Wärme der Gase kann durch eine Kühlung dies Verdichter- und Verbrennungszylinders mit Hilfe der Verd,ichterluft bewirkt werden. Zu diesem Zweck ist die Luft entweder vor ihrer Verdichtung in dem Verd'ichiterzylinder, gegebenenfalls nach Vorverdichtung durch einen Kom: pressor 72, oder nach teilweiser Expansion in der Turbine als Kühlluft um den Zylinder oder um Teile des Zylinders zu führen, Die dadurch, bewirkte Erwärmung der Verdichterluft ist deshalb ohne Erreichung ungünstig hoher Temperaturen der Verdichterluft möglich, weil diese Luftmengen verhältnismäßig groß sind und in dem Verdich,terzylinder auf nur verhältnismäßig geringe Drucke verdichtet und adiabatisch erwärmt werden. Die von dem Verdichter- und Verbrennungszylinder, der in bekannter Weise mit Kühlrippen versehen sein kann. abgegebene Wärme trägt dann zu einer Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades der Einrichtung bei.

Claims (14)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger für eine Luftturbine, bestehend aus einem einheitlichen Verdichter- und Verbrennungszylinder .und einem frei fliegenden Kolben, wobei Luft aus dem Verdlchterzylinder bei einem bestimmten Druck durch Ventile der Turbine zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2), der mit gegen den Zylinder (1) dichtenden. Bauteilen (Kolbenringen) vorsehen ist, durch den Druck der gasförmigen: i\-Iittel eine- Geschwindigkeit von mindestens 30 m/s, vorzugsweise 50 m/s, erreicht und daß die Länge des Zylindiers (1) größer ist, als der Dehnung der Verbrennungsgase auf den Gaswechseldruck entspricht.
  2. 2. Freifluglcolbenverdichter nasch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Turbine. (3) zugeführte Druckluft mehr als das doppelte Gewicht der Verbrennungsluftmenge hat.
  3. 3. Freiflugkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch, gekennzeichnet, daß infolge Anordnung einer großen Länge des Verdichterzylinders der Höchstdruck der geförderten Verdichterluft kleiner ist als ein Drittel, vorzugsweise kleiner als ein Fünftel des Höchstdrucks der Verbrennungsgase.
  4. 4. Freiflugkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder folgenden, dadlurch gekennzeichnet, daß der Kolben. (2) mit einer auf einer Führungsstange (6) gleitenden Führungshülse (5) versehen ist, an deren Enden verhältnismäßig kurze Strecken (7, 8) geringeren Spiels gegen die Führungsstange (6) als im übrigen Teil der Hülsenbohrung (5) angeordnet sind.
  5. 5. Freiflugkolb.enverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstange (6) für den Kolben (2) in dem Zylinder (1) axial verschieblich und an ihren Enden (10, 11) mit die axiale Verschiebung begrenzenden Wid'erl.agern versehen ist, deren Anlageflächen in Richtung zur Zylindermitte hin angeordnet sind-.
  6. 6. Freifl-ugkolbenv erdachter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Führungsstange (6) mit einem Trägheitsmoment und mit einer Fläche ausgeführt ist, die eine Zeit für die transversale Eigenschwingung der Stange ergeben:, die außerhalb der Zeit eines Kolbenhubs und deren ganzzahligen Vielfachen und deren umgekehrten ganzzahlige.n Vielfachem liegt.
  7. 7. Freiflugkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß für die Verbrennungsgase durch Ventile (19) steuerbar ist, die infolge einer bestimmten, auf die Ventile einwirkenden Druckdifferenz den Gasauslaß selbsttätig öffnen.
  8. 8. Freiflugkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasauslaßventil (19) mit in einem Zylinder (23) geführten Zusatzkolben (22) und daß eine Verbindungsleitung (24) zwischen dem Ve:rbrennungszylinder (1) und dem Zylinder des Zusatzkolbens (23) angeordnet ist.
  9. 9. Freiflugkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet. d-aß die Einführung des Kraftstoffs in die Verbrennungsluft, vorzugsweise bei einer Verdichtung der Verbrennungsluft bis zur Entzündungstemperatur des Kraftstoffs, im wesentlichen während der Vorverdichtun g der Luft durch den Kolben (2) erfolgt.
  10. 10. Freiflugkolbenve@rd;ichter nach Anspruch, 1 oder folgenden, daJ'urch gekennzeichnet, daß im mittleren Teil der Zyl-inderlänge in axialem Abstand voneinander Öffnungen (39, 41) zu dem Zylinderraum (1) hin angeordnet sind, die durch eine Leitung (40) miteinander in Verbindung stehen:.
  11. 11. Freiflugkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder folgenden" dadurch gekennzeichnet, daß für die! Steuerung des Gaswechsels im Zylinder (1), wenigstens für einen Teil der Steuermittel, eine große Zahl verhältnismäßig kleiner Ventile (16,19, 20, 25) jeweils auf einem Querschnitt des Zylinr ders, vorzugsweise auf mehreren nebeneinanderliegenden Querschnitten, angeordnet ist.
  12. 12. Freiflugkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder folgenden., dadurch gekennzeichnet, dali von den wechselnden Druckkräften der Mittel selbsttätig gesteuerte, von Federungskräften beeinflußte Ventile (16,19, 20, 25) mit einer Eigenschwingungszahl angeordnet sind, die um ein ungeradIes Vielfaches, vorzugsweise um das Dreifache, größer ist als die Schwingungszahl der auf sie wirkenden Druckwechsel.
  13. 13. Freiflugkolbenverd'ichter nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaswechsel im Zylinder (1) bei einem höheren Druck als dem Atmosphärendruck durchgeführt wird und daß die Abgase des Verbrennungszylinders, vorzugsweise in ihrer Gesamtheit, in einer dem Gaswechseldruck gleichen Turbinenstufe mit der die Turbine durchströmenden Luft gemischt werden.
  14. 14. Freiflugkolbenverdich@ter nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterluft zu einem Wärmeaustausch mit der Wandung wärmerer Teile des Verdichter- und Verbrennungszylind;ers (1) verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 886 827, 767 465, 718 374, 617 737, 576 512; schweizerische Patentschrift Nr. 132 114; USA.-Patentschrift Nr. 2 560 449; »Automobi@ltechn. Zeitschrift«, 1953, Heft 10. S. 265, 266; »Auto und 2lo,torrad«, 1952, Heft 5, S. 135 ff.
DESCH12451A 1953-04-30 1953-04-30 Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger fuer eine Luftturbine Pending DE1021205B (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DESCH12451A DE1021205B (de) 1953-04-30 1953-04-30 Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger fuer eine Luftturbine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DESCH12451A DE1021205B (de) 1953-04-30 1953-04-30 Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger fuer eine Luftturbine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE1021205B true DE1021205B (de) 1957-12-19

Family

ID=7426773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DESCH12451A Pending DE1021205B (de) 1953-04-30 1953-04-30 Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger fuer eine Luftturbine

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE1021205B (de)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH132114A (de) * 1926-06-29 1929-03-31 Pescara Raoul Pateras Wärmekraftanlage mit einem Kompressor und einer durch komprimierte Luft betriebenen Kraftmaschine.
DE576512C (de) * 1927-06-16 1933-05-11 Bbc Brown Boveri & Cie Brennkraftanlage
DE617737C (de) * 1930-05-27 1935-10-29 M Siekierski Dipl Ing Freiflugkolbenmaschine mit Kraftzylinder, insbesondere Verbrennungskraftmaschinenzylinder, und Verdichtungszylinder
DE718374C (de) * 1940-03-30 1942-03-10 Karlstad Mekaniska Ab Brennkraftmaschine mit Freiflugkolben
US2560449A (en) * 1947-01-02 1951-07-10 Filer & Stowell Co Free piston engine
DE767465C (de) * 1940-04-17 1952-12-18 Paul Dipl-Ing Schmidt Freiflugkolben fuer absatzweise arbeitende Strahlantriebe
DE886827C (de) * 1951-03-31 1953-08-17 Willi Kastert Freikolben-Brennkraftmaschine

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH132114A (de) * 1926-06-29 1929-03-31 Pescara Raoul Pateras Wärmekraftanlage mit einem Kompressor und einer durch komprimierte Luft betriebenen Kraftmaschine.
DE576512C (de) * 1927-06-16 1933-05-11 Bbc Brown Boveri & Cie Brennkraftanlage
DE617737C (de) * 1930-05-27 1935-10-29 M Siekierski Dipl Ing Freiflugkolbenmaschine mit Kraftzylinder, insbesondere Verbrennungskraftmaschinenzylinder, und Verdichtungszylinder
DE718374C (de) * 1940-03-30 1942-03-10 Karlstad Mekaniska Ab Brennkraftmaschine mit Freiflugkolben
DE767465C (de) * 1940-04-17 1952-12-18 Paul Dipl-Ing Schmidt Freiflugkolben fuer absatzweise arbeitende Strahlantriebe
US2560449A (en) * 1947-01-02 1951-07-10 Filer & Stowell Co Free piston engine
DE886827C (de) * 1951-03-31 1953-08-17 Willi Kastert Freikolben-Brennkraftmaschine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0328602B1 (de) Einrichtung zur einbringung des kraftstoffes in den brennraum einer brennkraftmaschine
DE3318136A1 (de) Ladevorrichtung zum aufladen von verbrennungsmotoren
DE2942212A1 (de) Thermodynamische maschine
EP1113158A2 (de) Verbrennungsmotor
DE2244145C3 (de) Brennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung
DE102016100439A1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors sowie Axialkolbenmotor
DE2250589A1 (de) Rotationskolbenmaschine
DE1021205B (de) Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger fuer eine Luftturbine
DE931807C (de) Kraftanlage mit mindestens einem Freiflugkolben-Treibgaserzeuger, einer durch die Treibgase angetriebenen Kraftmaschine und einer Brennkammer zwischen Freiflugkolben- und Kraftmaschine
DE2314164A1 (de) Kreishubmotor mit kreishubkompressor
DE886827C (de) Freikolben-Brennkraftmaschine
DE582620C (de) Druckluftmotor, bei dem der Auslass durch vom Kolben kurz vor Ende des Ausdehnungshubes ueberlaufene Schlitze der Zylinderwand gesteuert wird
DE540175C (de) Brennkraftturbine mit frei fliegendem, konzentrisch zum Laufrad angeordnetem Kolben
EP1092851A2 (de) Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine
AT26883B (de) Verbrennungskraftmaschine.
DE694451C (de) Antriebsvorrichtung eines Luftfahrzeuges
DE695180C (de) Gasturbine
EP3452704B1 (de) Zweitakt-brennkraftmaschine
DE718374C (de) Brennkraftmaschine mit Freiflugkolben
DE578688C (de) Einrichtung zur Drehzahl- und Leistungsregelung von Gasturbinen
AT154845B (de) Verfahren zum Betrieb von Höhenmotoren und darnach arbeitender Motor.
DE674779C (de) Drehkolbenbrennkraftmaschine
DE1073799B (de) Gemischverdichtendc, selbstzündende Brennkraftmaschine und Verfahren zu ihrem Betriebe
DE725680C (de) Treibgaserzeuger
DE615968C (de) Nasse Verbrennungsturbine