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Luftgekühlter Freiflugkalbenverdichter in. Zwillingsanordnung Die
Erfindung betrifft einen luftgekühlten. Freiflugkolbenverdichter in Zwillingsanordnung..
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Die Luftkühlung der Freiflugkolbenmaschinen bereitet gewisse Schwierigkeiten.
Diese haben ihre Ursache einerseits darin, daß bei den bisher bekannter Bauarten
die Brennkraft- und Verdichterzylinder in einer Achse, in symmetrischer oder auch
in unsymmetrischer Aufgliederung, hintereinanderliegend angeordnet sind, wodurch
infolge der sehr langgestreckten Lauformen mit mehrfach abgestuften Kolben und Zyrindern
die Anordnung einer wirksamen Luftkühlung der Zylinder und insbesondere der Kolben
außerordentlich erschwert i.st.
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Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten sieht die Erfindung eine Zwillingsanordnung
des FreifIugkolbenverdichters wie nachfolgend beschrieben- vor.. Die eine der achsparallelen
Zylindergruppen. wird durch einen luftgekühlten Brennkraftzylinder mit beiderseitig
sich symmetrisch an diesen anschließenden Spüls-und Ladeluftpumpen, die gleichzeitig
erste Verdichterstufen sind,, und die andere durch einen luftgekühlten Verdichterzylinder
mit der zweiten Verdi.chterstufe sowie den ebenfalls symmetrisch liegenden. Pufferliubrättmen
bzw. pneumatischen Energiespeichern für den: Rücklauf der Flugkolben gebildet. Die
in der ersten Verdichterstufe geförderte Luft tritt in einen zwischen. den beiden
Zylindergruppen gelegenen, als LadQluftaufnehmer dienenden rnnenraum- der Maschine
ein,. wo sie die Brennkraft- und die Verdichterkolben.kühlt und von wo sie einerseits
über Spülschlitze in den: Brennkraftzylinder und andererseits über eine Zuführungsleitung
in den Verdichterzylinder der zweiten Verdichterstufe gelangt, Die Abgase der Brennkra,ftmaschine
werden einer ein Kühlluftgebläse antreibenden Abgasturbine zugeleitet. Die vom Kühlluftgebläse
geförderte Kühlluft wird den mit Bezug auf die Kühlstromrichtung hinter- bzw. nebeneinandergeschalteten
Brennkraft- und Verdichterzylindern zugeführt, wobei diese. in einem in der Mitte
des Maschinengehäuses liegenden Kühlluftkanal angeordnet sind.
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Durch diese erfindungsgemäß vorgeschlagene Bausveise wird eine kompakte
und- leicht- zugängliche Bauform mit einfach ausgebildeten Stufenkolben. und -zylindern
erzielt, die Aufheizung der Verdichterkolben durch die heißen Brennkraftkolben vermieden.
und eine sehr wirksame innere und. äußere Kühlung des Freiflugkolbenverdichters
ermöglicht Sie. beseitigt auch eine weitere Schwierigkeit, die bei- der Ausbil:
Jung luftgekühlter Freiflugkolbenmaschinen auftritt und die darin besteht, daß ein.
mechanischer Antrieb des Kühllitftgebläses, infolge des veränderlichen Flugkolbenhubes,.
unmöglich ist.
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Bei wassergekühlten Freiflügkolbenmaschinen. ist es zwar bekannt,
die kinetische Energie der Abgase des B.rennkraftzylinders zum- Antrieb, einer Turbine
zu verwenden, die ihrerseits die. Einrichtungen für die Förderung von Kühlmitteln
über Keilriemen antreibt.
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Zur Erzielung kleiner Turbinen mixt günstigen Wirkungsgraden mus-sen
diese sehr hochtourig laufen, d. h. initDrehzahl.en: von mindestens- 15000-18"OOOU7min.
Dieses macht einerseits die Untersetzung der Drehzahlen der Kühlmittelfördereinxichtungen,
beispielsweise der Kühlwasserpumpe, erforderlich und. gestattet andererseits nicht
die Verwendung von Keilriemen zur Kräfteübertragung, Zur Umgehung dieser Schwierigkeit
wird gemäß der Erfindung= ein zu einem Aggregat vereinigtes Abgas-Turbinengebläse
verwendet, d. h., die Abgase der Brennkraftmaschin.ewerden einer. ein Kühlluftgebläse
unmittelbar antreibenden Abgasturbine zugeleitet. Die. Kühlluft wird den in Kühlstromrichtung
hinter- bzw.-nebeneinandergeschalteten Brennkraft- und Verdichterzylindern zugeführt,
wobei diese Zylinder in einem gemeinsamen, in der Mitte des Maschinengehäuses liegenden
Kühlluftkanal angeordnet sind.
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Die Leistungskennlinie- der Turbine muß: dabei so gestaltet sein,
daß die für eine ausreichende Kühlung des Brennkraft- und- Verdichtermaschinenteils
benötigte Kühlluftmenge im gesamten. Belastungsbereich der Maschine erzielt wird.
Dieses ist aber im allgemeinen nicht der Fall.
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Bei: einer bekannten Maschine wassergekühlter Bauart wird eine Regelung
der Turbinenleistung in der Weise vorgenommen, daß entsprechend dem Kühlbedürfnis
der Maschine eine mehr oder weniger große Abgasmenge der- Turbine zugeleitet und
der nicht. erforderliche Abgasteil ins Freie abgeführt wird.
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Der Nachteil einer derartigen Leistungsregelung der. Turbaze:besteht
darin, daß ein in. die Abgasleitung
eingebautes Regelglied von Hand
aus betätigt werden muß bzw. bei selbsttätiger Regelung ein zusätzlicher Thermostat
erforderlich ist, der das Regelglied in Abhängigkeit von der thermischen Belastung
der Maschine betätigt.
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Durch die Erfindung wird demgegenüber eine völlig selbsttätige Anpassung
der Abgasturbinenleistung an den Kühlluftbedarf der Maschine erreicht. Wird, wie
das erfindungsgemäß vorgesehen ist, zur Regelung der Verdichterleistung lediglich
die in den Brennkraftzylinder eingespritzte Brennstoffmenge geregelt, so wird völlig
selbsttätig die durch die ringförmigen Hubräume der als erste Verdichterstufen wirkenden
Spül- und Ladeluftpumpen geförderte Luft bis zur Erreichung der Vollastleistung
der zweiten Verdichterstufe im umgekehrt proportionalen Verhältnis zur Förderleistung
der zweiten Verdichterstufe in Verbindung mit dem anfallenden Abgas zur Beaufschlagung
der Abgasturbine mit herangezogen.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele eines Freiflugkolbenverdichters
mit den Merkmalen gemäß der Erfindung, und zwar Fig. 1 einen luftgekühlten Freiflugkolbenverdichter
im Längsschnitt, mit einem Abgasturbogebläse, bestehend aus einer Axialturbine und
einem Radialgebläse, und Fig.2 den gleichen Freiflugkolbenverdichter im Ouerschnitt,
mit einem Abgas-Turbinengebläse, bestehend aus einer kadialturbine und einem Axialgebläse.
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In der Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau des Freiflugkolbenverdichters
dargestellt. In den beiden achsparallelen Zylindergruppen bilden die Stufenkolben
1 und 2 mit dem luftgekühlten Brennkraftzylinder 5 den Brennkraftmaschinenteil und
die Stufenkolben 3 und 4 mit dem luftgekühlten Verdichterzylinder 6 den Verdichtermaschinenteil.
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Die Stufenkolben 1 und 3 sowie 2 und 4 sind durch Pleuelstangen 7
und Schwinghebel 8 bzw. 9 miteinander verbunden. Letztere sind auf Achsen 10 und
11 im Maschinengehäuse 12 beweglich gelagert. Sie sind ferner mit Exzentern 13 bzw.
14 versehen und mittels einer Svnchronisierungsstange 15 kraftschlüssig miteinander
verbunden.
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Beim Brennkraftmaschinenteil stellt der durch die gegenläufigen Stufenkolben
1 und 2 gebildete Hubraum 16 den Arbeitsraum der Brennkraftmaschine dar, wohingegen
die Ringräume 17 und 18 als Spül- und Ladeluftpumpen und als erste Verdichterstufenwirken.
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Im Verdichtermaschinenteil stellt der durch die gegenläufigen Stufenkolben
3 und 4 gebildete Hubraum 19 die zweite Verdichterstufe dar. Die Ringräume 20 und
21 dienen als Puffer bzw. als pneumatische Energiespeicher für den Rücklauf der
Flugkolbenpaare 1 und 2 bzw. 3 und 4.
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Der Brennkraftzvlinder 5 ist mit Einlaßschlitzen 23, den Auslaßschlitzen
22 und einer Einspritzdüse 26 ausgerüstet.
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Die Spül- und Ladepumpen bzw. die ersten Verdichterstufen 17 und 18
sind mit Saugventilen 24 und 25 sowie Druckventilen 27 und 28 versehen. Das Innere
der vom Brennkraftmaschinen- und Verdichterniaschinenteil gebildeten Maschine dient
als Ladeluftaufnehmer 29 und ist nach außen durch die Gehäusedeckel 30 und 31 luftdicht
abgeschlossen.
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Der Verdichterzylinder 6 ist mit einem Saugventil 32 und einem Druckventil
33 ausgerüstet. Der Ladeluftaufnehmer 29 wird durch die Leitung 34 saugseitig mit
dem Verdichterzylinder 6 verbunden. Die Druckleitung 35 führt die aus dem Verdichterzylinder
6 austretende Druckluft zu einem nicht dargestellten Druckluftbehälter.
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Der Brennkraftzylinder 5 ist mit Kühlrippen 36 und der Verdichterzylinder
6 mit Kühlrippen 37 versehen. Auf dem Auspuffstutzen 38 des Brennkraftzylinders
5 ist das Abgas-Turbinengebläse 39 befestigt. Sein Turbinenteil besteht aus dem
Turbinenrad 40, der Turbinenwelle 41 und den Düsen 42. Der Gebläseteil umfaßt das
auf der Turbinenwelle 41 befestigte Gebläserad 43, den Lufteintrittsstutzen 44 und
den Austrittsstutzen 45. Das Abgas-Turbinengebläse 39 ist durch Leitbleche 46 mit
dem Maschinengehäuse 12 fest verbunden. Der Kühlluftkanal 47 führt die Kühlluft
vom Brennkraftzylinder 5 zum Verdichterzylinder 6.
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Der Kühl- und Regelvorgang spielt sich etwa folgendermaßen ab: Bei
Freigabe der Einfaßschlitze 23 des Brennkraftinaschinenzylinders 5 durch den Flugkolben
2 sowie der Auslaßschlitze 22 durch den Flugkolben 1 tritt vorverdichtete Luft aus
dem Spülluftaufnehmer 29 über die Einlaßschlitze 23 in den Hubraum 16 des Brennkraftzylinders
5 ein und schiebt die Abgase über die Auslaßschlitze 22 in den Auspuffkanal 38,
von wo sie über die Düsen 42 zu den Schaufeln des Turbineniades 40 geleitet werden.
Hierdurch wird die Turbinenwelle 41 und damit auch das daran befestigte Gebläserad
43 in Drehbewegung versetzt. Das Gebläserad 43 saugt Kühlluft für die Brennkraft-
und die Verdichterzylinder über den Eintrittsstutzen 44 aus der Atmosphäre an. Die
Kühlluft tritt aus dem Austrittsstutzen 45 unter Führung durch die Leitbleche 46
zwischen die Kühlrippen 36 des Brennkraftzylinders 5 und von hier über den Kühlluftkanal
47 zwischen die Kühlrippen 37 des Verdichterzylinders 6. Nach Kühlung des Verdichterzylinders
entweicht die Kühlluft in die Atmosphäre. Die Leistungs- und Kühlluftmengenregelung
erfolgt allein durch Veränderung der Menge des in den Brennkraftzylinder 5 eingespritzten
Kraftstoffs. In den verschiedenen Leistungsbereichen arbeitet die Anlage wie nachfolgend
beschrieben: Bei Leerlaufleistung des Brennkraft-Luftverdichters führen die Flugkolben
1 und 2 bzw. 3 und 4 einen kleinen Hub aus, wobei die beim Einwärtsgang der Flugkolben
3 und 4 in dem Hubraum 19 des Verdichterzylinders 6 befindliche Luft nur auf Betriebsdruck
verdichtet wird und beim Auswärtsgang der Flugkolben 3 und 4 wieder expandiert,
so daß in der zweiten Verdichterstufe keine Druckluft gefördert wird. Dadurch steht
bei Leerlauf die gesamte durch die Spül- und Ladeluftpumpen, das sind gleichzeitig
die ersten Verdichterstufen, geförderte Luft für die turbinenseitige Beaufschlagung
des Abgas-Turbinengebläses 39 zur Verfügung.
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Bei einer Vergrößerung der Kraftstoffeinspritzmenge in den Brennkraftzylinder
5 führen die Flugkolben 1 und 2 bzw. 3 und 4 einen größeren Hub aus, wobei die letzteren
Druckluft fördern. In dem Maße, wie sich die Förderung der Luft im Zylinder 6 der
zweiten Verdichterstufe vergrößert, verringert sich die Zusatzluft, die über den
Brennkraftzylinder 5 der Turbine 40 zugeführt wird, wobei im Vollastpunkt eine zusätzliche
Beaufschlagung der Turbine mittels der aus dem Verdichterteil entnommenen Druckluft
beendet ist. Trotz der mit steigender Belastung der Maschine eintretenden Verringerung
der Zusatzluft, die dem Brennkraftzylinder 5. zugeführt wird, wächst jedoch der
Gasdurchsatz infolge des zunehmenden Flugkolbenhubes, und infolge der gleichzeitig
mit steigender Leistung höher werdenden Temperaturen der der Turbine 40 zugeleiteten
Abgase erhöht sich entsprechend
die Kühlluftleistung des Abgas-Turbinengebläses
39.
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Die Fig.2 der Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch den in Fig.
1 dargestellten Freiflugkolbenverdichter. Der Unterschied gegenüber der in Fig.
1 dargestellten Anlage besteht lediglich darin, daß eine andere Anordnung und Ausbildung
der Kühleinrichtung gewählt wurde. Diese besteht aus einer Radialturbine 48 und
einem Axialgebläse 52, die auf einer gemeinsamen Welle 51 angeordnet sind. Dieses
Abgas-Turbinengebläse ist in der Mitte des Maschinengehäuses angeordnet, wobei die
Turbine 48 durch eine Abgasleitung 49 mit dem Auspuffstutzen 38 des Brennkraftzylinders
5 verbunden ist. Zur Ableitung der Abgase aus der Turbine 48 dient die Rohrleitung
50. Der Kühllufteintrittsstutzen 53 des Gebläses 52 ist an das 1Taschinengehäuse
12 angeflanscht und verbindet dieses mit einem zweiarmigen Kühlluftkanal54, der
in der Mitte des Maschinengehäuses angeordnet ist. Für die Führung der Kühlluft
sind an dem Brennkraftzylinder 5 Leitbleche 55 und an dem Verdichterzylinder 6 Leitbleche
56 angebracht.
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Bei Betrieb der Maschine treten die Abgase über den Abgasstutzen 38
und die Abgasleitung 49 in die Turbine 48 und aus dieser über die Rohrleitung 50
ins Freie. Durch die Turbine wird das Gebläse 52 in Drehbewegung versetzt und die
Kühlluft über den Eintrittsstutzen 53 in den Kühlluftkanal 54 gedrückt, von wo aus
die Kühlluft einerseits über die Kühlrippen 36 des Brennkraftzylinders 5 und die
Leitbleche 55 und andererseits über die Kühlrippen 37 des Verdichterzylinders 6
und die Leitbleche 56 ins Freie geleitet wird.