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Treibgaserzeuger Der Erzeugung hoher Leistungen mit Hilfe von Kolbenmotoren
stellen sich verschiedene schwierige technische Probleme entgegen. Es ist auch versucht
worden, die von Kolbenmotoren gelieferte Leistung nicht in Form von mechanischer
Energie, sondern in Form von pneumatischer Energie zu sammeln, die dann in einem
geeigneten Verbraucher, beispielsweise einer Gasturbine, ausgenutzt wird. Auf diese
Weise sind die Pescara-Generatoren, die mit freien Kolben ohne Kurbelwelle oder
Kurbel arbeiten, entstanden.
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Es kann dagegen von Interesse sein, eine solche Arbeitsweise mit Hilfe
von mit Kurbel oder Kurbelwelle versehenen Kolbenmotoren zu verwirklichen. Da solche
Motoren dabei in der üblichen Weise benutzt werden können, eignet sich somit die
gleiche Motorart für beide Bedarfsarten, wodurch die Herstellungskosten herabgesetzt
werden, indem zwei ganz verschiedene Fabrikationen vermieden werden.
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Es sind Zweitaktmotoren bekannt, deren Leistung vollständig von einem
Luftverdichter aufgenommen wird, welcher einerseits komprimierte Luft für das Spülen
und das Aufladen des Motors und andererseits Verdünnungsluft itn wesentlichen von
dem Druck der Auspuffgase liefert, wobei der so gebildete Strom heißer Gase nach
Erhitzung in einer Brennkammer eine Turbine beaufschlagt, «-elche 1 utzenergie liefert.
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Es ist ferner bei einer aus einem Kolbenmotor, einem Luftverdichter
und einer Gasturbine bestehenden Anlage vorgeschlagen worden, die Einlaßschlitze
und die Auslaßschlitze des Motors sich sowohl gleichzeitig öffnen als auch sich
gleichzeitig schließen zu lassen, was in derTurbine einen nKreislauf von niedrigem
Druck und merklichem Wirkungsgrad zu erzielen gestattet.
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Bei diesen vorgenannten Zweitaktmotoren ist es auch bekanntgeworden,
die Steuer- oder Verteilereinrichtung in dem Sinne zu regeln, daß, je nachdem ob
die Ladung des Motors zunimmt oder abnimmt, die wirksamen Ouerschnittsflächen der
Einlaß- und Anslaßöffnungengleichzeitig vergrößert oder verkleinert werden.
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Zweck der Erfindung ist, die bekannten Vorrichtungen in solcher Weise
miteinander zu kombinieren, daß unerwartete Vorteile erzielt werden.
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Die Erfindung betrifft einen Treibgaserzeuger mit einem mit Kurbel
versehenen überladenen Kolbenmotor, dessen Leistung, von Hilfsantrieben abgesehen,
ausschließlich dazu verwendet wird, einen Luftverdichter anzutreiben, welcher außer
der Lade- und Spülluft für den Kolbenmotor eine Luftmenge liefert, die mit den Auspuffgasen
des Motors gemischt nach Erhitzung des Gemisches in einer Brennkammer eine Turbine
beaufschlagt. welche vom dem Motor mechanisch getrennt ist und die Nutzleistung
liefert.
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Gemäß der Erfindung ist ein solcher Treibgaserzeuger dadurch gekennzeichnet,
daß der überladene Kolbemnotor von derjenigen an sich bekannten Bauart ist, bei
welcher die Einlaßschlitze und die Auslaßschlitze sich sowohl gleichzeitig öffnen
als sich auch gleichzeitig schließen, der Förderdruck des Verdichters etwas höher
als der in den Zylindern zu Beginn des Auspuffes herrschende Druck ist, d. h. eine
solche Druckdifferenz besitzt, die den Druckverlust in der Ladeleitung übersteigt,
und der zum Steuern der freien Schlitzquerschnitte dienende, als Zylinderring ausgebildete
Schieber mit einer Vorrichtung versehen ist, welche den freien Querschnitt der Einlaß-
und Auslaßschlitze in Abhängigkeit von der Belastung zu ändern gestattet.
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Die erfindungsgemäß geschaffene Kombination führt unter anderem zu
den folgenden Vorteilen: a) Da die Spülung der Zylinder des Motors durch die vom
Verdichter gelieferte Frischluft bis zum gleichzeitigen Schließen der Einlaß- und
Auslaßschlitze stattfindet, fördert der Verdichter während einer ziemlich langen
Zeit Frischluft durch die Zylinder, so daß die in die Brennkammer eintretenden Gase
einen hohen Sauerstoffgehalt haben, was für das Arbeiten der Brennkammer besonders
günstig ist.
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b) Der Wirkungsgrad wird in den Zwischenbetriebszuständen verbessert,
bei denen die in den Auspuffgasen enthaltene Sauerstoffmenge zunimmt, weil für eine
gegebene Leistung die Mengen an Brennstoff und verbrauchtem Sauerstoff geringer
sind.
c) Der Druck der Auspuffgase des Motors bleibt zwischen dem
öffnen und dem Schließen der Einlaß-und Auslaßventile im wesentlichen konstant (und
gleich dem Druck des Verdichters, vermindert um die Druckverluste in den Leitungen
und Zylindern), was zu einer besseren Anpassung der Brennkammer und der Turbine
trotz einer Änderung der Betriebszustände führt.
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d) Die regelbare Verteilervorrichtung, welche die freie Querschnittsfläche
der Einlaß- und Auslaßschlitze in Abhängigkeit von der Last der Anlage ändert, gestattet,
die Belastung der Turbine zu verändern, ohne daß der Motor den Betriebszustand maximalen
Wirkungsgrades. für welchen er eingeregelt ist, verläßt.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung; Fig.2 ist ein Diagramm, welches den Verlauf der Drücke im Verdichter
und in einem Zylinder des lIotors wiedergibt; Fig.3 ist ein Schnitt durch einen
Zylinder des .Motors; Fig.4 erläutert die Arbeitsweise der Verteilereinrichtung
des Motors; Fig.5 zeigt eine Einzelheit einer abgeänderten Ausführungsform des Motors;
Fig.6 zeigt die Gesamtheit einer Antriebseinrichtung mit mehreren aus Motor und
Verdichter bestehenden Gruppen.
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Bei der in Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsform ist mit 1 ein Kolbenmotor
bezeichnet, von dem angenommen ist, daß er ein Zweitaktmotor ist. Die Kurbelwelle
2 dieses Motors treibt einen Verdichter 5 an, von dem in diesem Beispiel angenommen
ist, daß er ein zweistufiger Zentrifugalverdichter ist, wobei der Antrieb durch
die Zwischenschaltung eines Getriebes 6 erfolgt, das im allgemeinen ein Übersetzungsgetriebe
ist und das dazu bestimmt ist, dem Verdichter 5 die gewünschte Drehzahl zu erteilen.
Der Verdichter 5 saugt Atmosphärenluft bei 7 an. Seine Endstufe fördert einen Teil
der angesaugten Luft in die Einlaßleitung 8 für die Zylinder des Motors 1 mit einem
für den Einlaß bestimmten Druck P". Die erste Stufe des Verdichters 5 fördert den
größten Teil der angesaugten Luft in eine Sammelleitung 9, welche außerdem die von
denn Auspuffrohr 10 des Motors mit dem Druck P, abgegebenen Gase aufnimmt, wobei
der Förderdruck der ersten Stufe des Verdichters gleich dem Druck P, ist.
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Die Sammelleitung 9 steht mit dem Einlaß einer Gasturbine 11 in Verbindung,
welche auf diese Weise durch das aus dieser Sammelleitung kommende Gas-Luft-Getnisch
von dem Druck P, und hoher Temperatur angetrieben wird. An der Welle dieser Turbine
kann eine Leistung erhalten werden, die größer ist als diejenige des Kolbenmotors,
und diese kann als Nutzleistung zum Antrieb irgendeiner Arbeitsmaschine ausgenützt
werden.
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Die vom Verdichter 5 in die Sammelleitung 9 geförderte Luftmenge kann
natürlich derart dosiert werden, daß die Temperatur des in einer Brennkammer unter
Zufuhr geeigneten Brennstoffes weiter erhitzten Luft-Gas-Gemisches, welches in die
Turbine 11 eingelassen wird, gleich dem zulässigen Maximum ist, welches von der
thermischen Widerstandsfähigkeit der Beschaufelung der Turbine abhängig ist. Bei
Teillastbetrieb kann die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer abgeschaltet und damit
von einer weiter:n Nacherhitzung des Abgas-Luft-Gemisches abgesehen werden. Gegebenenfalls
können mehrere Turbinen in Reihen- oder Parallelschaltung mit zwischengefügten Erhitzern
in bekannter Weise vorgesehen werden.
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Das in Fig.2 wiedergegebene Diagramm ist dadurch erhalten worden,
daß auf den Abszissen die Zeiten T und auf den Ordinaten die Drücke P aufgetragen
sind. Die Ordinaten der waagerechten Linien 12, 13, 14 entsprechen dem Atmosphärendruck
P", dem Druck P, auf der Förderseite der ersten Stufe des Verdichters bzw. dem Einlaßdruck
P" des Motors. Die Kurve 15 stellt die Druckänderung dar, welche sich zwischen den
Zeiten t1 und t2 in einem Zylinder des Motors auf Grund der vom Kolben bewirkten
Kompression von dem Druck P" aus, der Verbrennung und der Entspannung bis auf den
Wert P, ergibt. Die Spülung des Motors erfolgt unter der Druckdifferenz J p zwischen
den Drücken P" und Pe. Dieser Wert Ap hängt vom Druckverlust im Verteiler und den
Zylindern für den Spülluftstrom ab. Der Wert kann klein sein, wenn die Rohre und
die Öffnungen für den Einlaß- und den Spülstrom so ausgebildet sind, daß die Strömungswiderstände
vermindert werden. Im Fall eines Viertaktmotors ohne Spülung kann P, gleich P, sein,
wobei dann die beiden Luftmengen, die zum Einlaßrohr 8 des Motors bzw. zu der Sammelleitung
9 strömen, der gleichen Stufe des Verdichters entnommen werden. Die Verbindungen
des Rohres 8 und der Sammelleitung 9 mit den Stufen des Verdichters können auch
gegenüber den in Fig. 1 dargestellten vertauscht werden.
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Die Wahl der Höhe des Druckes Pe, d. h. des Druckes am Einlaß in die
Verbraucherturbine, in bezug auf den Atmosphärendruck, hängt in der Praxis von den
Eigenschaften des Kolbenmotors, des Verbrauchers, den in der Turbine zulässigen
Endtemperaturen usw. ab. Im allgemeinen gilt
jedoch ist diese Doppelbedingung nicht bindend.
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Es ist insbesondere zweckmäßig, daß der Auspuffdruck des :Motors wenig
veränderlich ist, und aus diesem Grund kann man den Kolbenmotor gemäß dem besonderen
Kreislauf arbeiten lassen, welcher in der obengenannten französischen Patentschrift
942514 und der französischen Zusatzpatentschrift 59 509 beschrieben ist.
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Dieser Arbeitskreislauf zeichnet sich durch folgendes aus a) Für jeden
Zylinder des Motors werden die Einlaß- und Auslaßschlitze vor dem unteren Totpunkt
des Kolbens gleichzeitig geöffnet, und diese Schlitze werden auch vor dem oberen
Totpunkt gleichzeitig geschlossen.
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b) Der Einlaßdruck P" ist mindestens gleich dem Druck, der in jedem
Zylinder in dem Augenblick herrscht, in welchem der Auspuff beginnt.
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Auf diese Weise bleibt der Druck P, im Auspuffrohr 10 während der
gesamten Auspuff- und Spülphase eines Zylinders konstant.
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Dadurch, daß der Druck Pu der in das Einlaßrohr 8 geförderten Luft
genügend hoch gewählt wird, kann bewirkt werden, daß der Verdichter den größeren
Teil der Arbeit zum Komprimieren der Luft vor der Zündung in jedem Zylinder liefert
und daß der Zeitraum verlängert wird, währenddessen der Auspuff und die Spülung
erfolgen, wodurch in maximaler Weise die Kühlung der Zylinder des Motors durch die
Spülluft und der Wärmetransport zur Verbrauoherturbine begünstigt werden.
In
Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Zylinders wiedergegeben, welcher diesen
Arbeitskreislauf herbeizuführen gestattet. Der Zylinder weist Auslaßschlitze 16
in seinem oberen Teil und Einlaßschlitze 17 von einer gewissen Höhe auf, die sich
von einer Zwischenstelle des Zylinders bis zu einer Stelle erstrecken, die von dem
oberen Rand des Kolbens 4 im unteren Totpunkt erreicht wird. Diese Schlitze werden
durch einen Mantel 18 gesteuert, welcher sich in dein Zylinder verschiebt. Der Mantel
bewirkt mit seinem oberen Rand 19 Abdeckung und Freilegung der Auslaßschlitze 16.
Der Mantel 18 ist außerdem niit Schlitzen 20 versehen, welche die Einlaßschlitze
17 freilegen können. Vorzugsweise führt der Mantel gleichzeitig eine wechselnde
Verschiebungsbewegung längs der Achse des Zylinders und eine wechselnde Drehbewegung
um diese Achse aus, und er wird durch eitle Kurbe121 gesteuert, die in eine Kugel22
beweglich eingreift, welche in einem Ansatz des @Iantels angeordnet ist. Die Welle
23 der Kurbel 21 läuft in Lagern 24 eines Trägers 25 um. Die Welle 23 ist durch
Kegelräder 26.27 drehbar finit der Kurbelwelle des Motors verbunden.
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Es ist ersichtlich, daß, wenn der Mantel 18 abgewickelt wird
(Fig.4) und wenn R der Radius der Kurbel 21 ist, jeder Punkt des Mantels im Verlauf
einer Umdrehung der Kurbel einen Kreis vom Radius R beschreibt. Bei dieser kreisförmigen
Bewegung legen die Schlitze 20 und der obere Rand 19 des Mantels 18 die entsprechenden
Schlitze 17 und 16 frei. In Fig.4 ist das Öffnen des Einlasses mit 0, das Schließen
des Einlasses mit Fa, das Öffnen des Auslasses mit 0e und das Schließen des Auslasses
mit Fe bezeichnet. Durch eine zweckentsprechende Anordnung der Schlitze kann man
sowohl die Zeiten 0" und 0e als auch die Zeiten F" und FE zu-
sammenfallen
lassen. Der Winkel a kann überdies sehr groß sein und sich über einen großen Teil
des Arbeitskreislaufes jedes Zylinders erstrecken. Schließlich können durch eine
geeignete Einstellung der Kurbelwelle 23 in Bezug auf die Kurbel des Motors die
Zeiten 0" und 0e in Bezug auf den unteren Totpunkt des Kolbens und die Zeiten F"
und Fe in Bezug auf den oberen Totpunkt in zweckentsprechender Weise angeordnet
werden, wobei die letztgenannten Zeiten näher an dem oberen Totpunkt als am unteren
Totpunkt liegen, wie dies in dem Diagramm der Drücke wiedergegeben ist, welches
mit Bezug auf den in Fig.3 im Schnitt wiedergegebenen Zylinder aufgezeichnet ist.
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Es kann eine Vorrichtung vorgesehen sein, welche, je nachdem ob sich
die Last des Motors erhöht oder vermindert, die Nutzflächen der Einlaß- und Auslaßschlitze
gleichzeitig zu vergrößern oder zu verkleinern gestattet, wie dies in der deutschen
Patentschrift 913598 beschrieben ist.
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So kann der Träger 25 derart angeordnet sein, daß er um die Achse
28 des Zahnrades 27 verschwenkbar ist, so daß es möglich ist, den Träger 25 sich
um die Achse 28 drehen zu lassen, wodurch die Lage der durch jeden Punkt des Mantels
18 beschriebenen Bahn geändert werden kann. Die Verschwenkung des Trägers 25 kann
durch einen Ö1-Servomotor 29 gesteuert werden, der entgegen einer Feder 30 auf einen
mit dem Träger 25 verbundenen Lenker 31 einwirkt.
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Die beschriebenen Ausführungsformen sind natürlich nur Beispiele und
können in beliebiger Weise geändert werden. So können beispielsweise an Stelle des
beweglichen Mantels Ventile verwendet werden, uni die Einlaß- und Auslaßsch.litze
zu steuern, oder es kann auch eine gemischte Kombination benutzt werden, um finit
Hilfe voll Ventilen die Schlitze 16 in der Nähe des Zylinderkopfes und mit Hilfe
des Mantels oder durch den Kolben selbst die Schlitze 17 zu steuern, welche am Unterteil
des Zylinders vorgesellen sind.
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Bei der in Fig.5 wiedergegebenen Abwandlung der Erfindung sind zwei
Zylinder 32, 33, die je in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet sein können,
gegenüberliegend angeordnet, so daß die Lenker beider Zylinder auf einen gleichen
Kurbelzapfen 34 der Kurbelwelle 35 einwirken können. Diese Welle trägt ein Zahnrad
36, welches mit einem Zahnrad 37 kämmt, das auf einer Kraftsainmelwelle 38 angeordnet
ist, die mit dem Luftverdichter verbunden ist. Es können mehrere Elemente mit zwei
entgegengesetzten Zvlindern miteinander so verbunden werden, daß die Zahnräder 36
dieser Elemente mit demselben Zahnrad 37 oder finit mehreren solchen auf der Welle
38 angeordneten Rädern kämmen können.
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Bei der Anwendung dieser Anordnung auf die Erfindung ergibt sich lieben
anderen Vorteilen der Vorteil, daß das Getriebe 6 zwischen dein -Alotor und dem
Verdichter in Fortfall kommt; die Zahnräder 36 und 37 können dabei so ausgebildet
sein, daß das gewünschte Drehzahlverhältnis erhalten wird. so daß die Welle 38 unmittelbar
mit dem Verdichter verbunden werden kann.
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Die gewünschte Leistung kann natürlich auch dadurch erhalten werden,
daß der Motor mit einer Anzahl geeigneter Zylinder ausgeführt wird, jedoch ist es
vorteilhafter, einen Motor von kleiner Leistung vorzusehen, dessen Ausbildung normal
wird, und dann derartige Motoren in verschiedener Anzahl gemäß der verlangten Gesamtleistung
zu gruppieren.
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Fig.6 zeigt ein Beispiel dieser Art, bei welchem die Sammelleitungen
9 von zehn IN1otoren al, a2. a3 . . . alo in eine gemeinsame Sammelleitung
9a münden, welche die Turbine 11 oder mehrere Turbinen speist. Fig. 6 zeigt außerdem
eine Brennkammer 40, die vor der Turbine angeordnet ist, um eine Erhitzung des dieser
Turbine zugeführten Gemisches herbeizuführen, wobei diese Erhitzung gemäß der von
dieser Turbine verlangten Last geregelt werden kann.