DE2355734A1 - Antriebsanlage, insbesondere fuer lokomotiven - Google Patents

Description

• Antriebsanlage, insbesondere flir Lokomotiven Die Erfindung betrifft eine Antriebsanlage, insbesondere für Lokomotiven.
• Als Kraftmaschinen für autonome Schienentri-ebfahrzeuge werden meist Dieselmotoren und für einige spezielle Anwendungsgebiete, wie z. B. Schnelltriebwagen, Gasturbinen verwendet. Dieselmotoren weisen einen hohen Wirkungsgrad und ein gutes Teillastverhalten auf, während Gasturbinen im Vergleich zu Dieselmotoren ein geringes Lsse-Leistungs-Verhältnis, aber auch einen-geringeren Wirkungsgrad bei Vollast und besonders bei Teillast aufweisen. Letzteres ist der-Hauptgrund dafür, daß trotz der Möglichkeit, hohe Bei-stungen zu installieren, die Gasturbine als alleinige Antriebsmaschine für Lokomotiven bisher keine Verbreitung gefunden hat, Der weiteren Leistungssteigerung der Dieselmotoren sind bei den beschränkten Einbauverhältnissen und der zulässigen Masse in Schienentriebfahrzeugen Grenzen gesetzt. Bekanntlich ist eine Senkung des Masse-Leistungs-Verhältnisses durch eine Steigerung des effektiven Mitteldruckes undjoder Steigerung der Drehzahl möglich.
• Letzteres ist - unveränderte mittlere Kolbengeschwindigkeiten vorausgesetzt - gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Zylinderzahl. Sowohl die Erhöhung des effektiven Mitteldruckes als auch der Zylinderanzahl ist durch konstruktive Bedingungen, wie Beanspruchung der Kurbelwelle, Pleuel, Lager usw., sowie durch die Wartungs- und Kontrollmöglichkeiten begrenzt.
• Hochleistungsmotoren für Lokomotiven haben höchstens 18 Zylinder. Zweimaschinenanlagen sind meist mit 2 x 12 = 24 Zylindern ausgerüstet.
• Gaeturbinenanlagen mit Wirkungsgraden, die denen der Kolbenmotoren nahekommen, sind mit voluminösen Wärmetauschern oder langsamlaufenden Freikolben-Gaserzeugern ausgestattet. Durch diese Aggregate wird der Hauptvorteil der Gasturbine, nämlich die geringe Masse, wieder aufgehoben. Die verwendeten Freikolben-Gaserzeuger enthalten als komplisierte Bauteile Synchronisiereinrichtungen sowie Stufenkolben, deren äußerer Kolbenteil als Bauteil eines Niederdruck-Kolbenverdichters bzw. Niederdruckpuffers ausgebildet ist.
• Der Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung eines wirtschaftlich herstellbaren Antriebsaggregates hoher Leistung, dessen Wirkungsgrad und Betriebszuverlässigkeit dem des Dieselmotors nahekommt oder gleich ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanlage, insbesondere für Schienenfahrzeuge zu schaffen, die unter Ilutzung der Vorteile von Freikolbengaserzeugern, nämlich eines hohen mechanischen Wirkungsgrades sowie der Vorteile der Gasturbinen in Poru einer geringen Masse ein geringes MasseleistunSsverhb'ltflis garantiert.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch im Zweitaktverfahren arbeitende Freikolbengaserzeuger, einen Turboverdichter mit Turbine und eine Expansionsmaschine zur Abgabe der Nutzleistung sowie entsprechende Regel- und Steuereinrichtungen, wobei die Vorverdichtung der fUr die Verbrennung im Freikolbengaserzeuger erforderliche Luft auf den zur Zylinderspülung erforderlidien Druck außerhalb der Preikolbengaserzeuger in einem für mehrere Preikolbengaserzeuger gemeinsamen Turboverdichter erfolgt und die Kompressor- und Pufferräume mit Einrichtungen zur Druckluftentnahme versehen sind.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß die Turbine mit den Kompressor- und Pufferäumen der Freikolbengaserzeuger und die Nutzleistung abgebende Expansionsmaschine mit den Verbrennungsräumen der Preikolbengaserzeuger verbunden.
• In weiterer -Ausgestaltung der Erfindung kann auch die Turbine mit den Verbrennungsräumen der Freikolbengaserzeuger und die Nutzleistung abgebende Expansionsmaschine mit den Kompressor- und Pufferräumen der Freikolbengaserzeuger verbunden sein.
• Jeder Freikolbengaserzeuger besteht erfindungsgemäß aus einem nicht abgestuften Zylinder und gleichermaßen nicht abgestuften Kolben, welcher eine' beweg-licÄe Trennwand zwischen dem Verbrennungsraum und dem Kompressor- und Pufferraum bildet.
• Erfindungsgemäß enthält jeder Freikolbengaserzeuger je einen Kolben.
• Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß jeder Freikolbenga,serzeuger zwei gegenläufig arbeitende Kolben mit entsprechender Synchronisiereinrichtung enthält In Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, die Turbine und Expansionsmaschine mechanisch miteinander zu verbinden.
• Erfindungsgemä.ß sind zur Druckluftentnahme jeweils in äen Freikolbengaserzeugern pufferraumseitig Druc- und Saugventile angeordnet.
• In den Kompressor- und Pufferräumen der Preikolbengaserzeuger können auch Druckventile und Steuerschlitze angeordnet werden.
• Erfindungsgemäß sind bei Teillast einzelne oder in Gruppen zusammengefaßte Zylinder der PreiLolbengaserzeuger 1 abschaltbar.
• Schließlich ist es erfindungsgemä"ß möglich, bei Teillast einen Teil der Leistung vom Turboverdichter der Turbine direkt zuzuführen.
• In der erfindungsgemäßen Anlage kommen die Vorteile des Preikolbengaserzeugers gegenüber dem Dieselmotor zur Geltung. Der höhere mechanische Wirkungsgrad und der geringere Verschleiß von Kolben und Zylinder wird wegen fehlender auf den Kolben wirkender Seitenkräfte sowie höherer zulässiger Verbrennungsdriicke erreicht.
• Außerdem sind in dieser Anlage die Vorteile des Dieselmotors und der Gasturbine gemeinsam vorhanden. Die Solbenmaschine arbeitet im Bereich hoher Drücke und Temperaturen. In dieser als Freikolbengaserzeuger aurgebildeten Kolbenmaschine- ist die der dem Kolben gegenüber liegende Seite des Verbrennungsraumes als feste Begrenzung ausgebildet, während die Kolbenunterseite mit dem Hochdruckpuffer- und Hochdruckkompressorenraum verbunden ist.
• Für den Bereich niederer DrUcke und Temperaturen enthält die Anlage Turbomaschinen, und zwar als Turboverdichter fUr die den Freikolbengaserzeugern zuzuführende Niederdruck-Verbrennungsluft und zweckmäßigerweise auch als Nutzturbine. Das Medium fUr die den Verdichter antreibende Turbine wird dem Hochdruck-Kompressorraum des Freikolbengaserzeugers entnommen.
• Infolge unabgestufter zylindrischer Bauteile sInd dieselben im Vergleich zu Freikolbengaserzeugern mit Stufenkolben wesentlich günstiger.
• Durch die Anordnung der Ventile bzw. Steuerschlitze im Hochdruckteil der Freikolbengaserzeugeihaben dieselben bei gleicher Leistung der Anlage nur etwa 15 % des Luftvolumens zu steuern, wodurch eine entsprechend kompakte Bauweise ermöglicht wird.
• So kann eine hohe Anzahl von Zyklen pro Zeiteinheit realisiert werden. Zwecks Leistungsveränderung der Anlage können außer der variablen Einspritzmenge pro Zyklus für alle Zylinder bei Teillast einzelne Zylinder abgeschaltet werden. Wegen fehlender mechanischer Verbindung der Zylinder untereinander werden keine Verluste verursacht. Die weiter arbeitenden Zylinder verbleiben bei Teillast der Gesamtaulage in ihrem optimalen Betriebszustand, so daß sich hohe Wirkungsgrade der Anlage bei Teillast ergeben.
• Durch die Zusammenfassung mehrerer mit einer hohen Zykluszahl pro Zeiteinheit arbeitender Gaserzeuger ergibt sich ein minimales Volumen von zwischen Turbinen, Verdichter und Gaserzeuger geschalteten Druckbehältern.
• Die erfindungsgemäße Anlage kann als Zwei-lJellen-Gasturbinenanl age mit zyklisch wirkenden Brennkammern betrachtet werden, in welcher auf Grund der entsprechend gewähiten Anzahl an Brennkammern relativ geringfugig pulsierende Gasströme erzeugt werden.
• Während bei der üblichen Zwei-VJellen-Gasturbine die Leistung des Turbokompressors etwa 200 % im Vergleich zur an der Nutzturbine abgenommenen Leistung betrugt, so ist bei der erfindungsgemäßen Anlage der Leistungsbedarf fUr den Turbokompressor höchstens 50 % der Nutzleistung.
• Die Erfindung soll nachstehend an einem Äusfiihrungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: ein Schema der Antriebsanlage, in welcher die Nutzturbine durch die Verbrennungsgase 4 der Freikolbengaserzeuger und die den Verdichter-antreibende Turbine durch Druckluft aus dem Pufferraum beaufschlagt wird, Fig. 2: ein Schema der Antriebsanlage, in welcher die Nitzturbine durch Druckluft aus dem Pufferraum beaufschlagt wird, während die den Verdichter antreibende Turbine durch die Verbrennungsgase der Freikolbengaserzeuger beaufschlagt wird, Fig. 3: ein Schema der Antriebsanlage mit Saugventil und Steuerschlitz im Kompressor- und Pufferraum.
• Die in Fig. 1 dargestellte Anlage besteht im wesentlichen aus mehreren, zweckmäßigerweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten, untereinander gleichen Gaserzeugern 1 (in der Zeichnung ist nur ein Gaserzeuger dargestellt), der Nutzturbine 2, der. Turbine 3, dem Turboverdichter 4, den Sammelbehältern 5, 6, 7, 8 sowie einem nicht dargestellten Kraftstoff-Einspritzsystem und einem ebenfalls nicht dargestellten Druckluft-Anlaßsystem. Die Turbine 2, die Nutzturbine 3 sowie der Turboverdichter 4 sind in üblicher Bauart ausgeführt. Der Zylinderraum des Gaserzeugers 1 ist durch den Kolben 9 in den Hochdruckverdichtungs- und Verbrennungsraum 10 und den Kompressor- und Pufferraum 11 geteilt. Der Zylinder des Gaserzeugers ist mit Einlaßsclilitzen 12 für die Spülluft und Auslaßschlitzen 13 für die Verbrennungsgase sowie Einlaß-und Auslaßventilen 14 und 15 im Kompressorteil versehen. In der stirnseitigen Wand-des Verbrennungsraumes 10 befinden sich Bohrungen 16, 17 zur Aufnahme der nicht dargestellten Einspritzdüse und des nicht dargestellten Anlaß-Drucklaftventiles.
• Die Wirkungsweise der Anlage ist folgende: Das Anlassen der Gaserzeuger erfolgt pneumatisch in der bei Preikolbengaserzeugern üblicher Bauart und auch bei großen Dieselmotoren bekannten Art. Die Freikolbengaserzeuger arbeiten im Zwei-Takt-Verfahren.
• Die Vorverichtung der Verbrennungsluft erfolgt im Turboverdichter 4* von wo aus die Luft über den Sammelbehälter 8 durch die Einlaßschlitze 12 in den Verbrennungsraum 10 strömt. Der unter dem Druck des Sammelbehälters 6 stehende Kolben 9 bewegt sich aus dem unteren Totpunkt nach ien, wobei er die Schlitze 12 und 13 verschließt und die vorverdichtete Luft im Raum 10 weiter verdichtet. Vor Erreichen des oberen Totpunktes wird mittels eines am Kolben 9 befestigten Dornes 18 oder über andere die Kolben stellung erfassende Mittel die in der Bohrung 16 angebrachte, auf der Zeichnung nicht dargestellte, Einspritzdüse betätigt. Der infolge der Verbrennung des Kraftstoffes im Verbrennungsraum 10 ansteigende Druck treibt den Kolben 9 nach unten, wobei das Einlaßventil-14 schließt und nach weiterer Verdichtung der im Kompressor und Puffe-rraum 11 eingeschlossenen Luft diese über das Auslaßventil 15 in den Sammelbehälter 5 stimmt. Sobald der Kolben 9 die Auslaßschlitze 13 erreicht und diese öffnet, strömen die teilweise entspannten Verbrennungsgase in den Sammelbehälter 7 und von dort aus in die Nutzturbine 2.
• Der Druck im Verbrennungsraum 10 verringert sich.
• Der Kolben 9 setzt infolge der in ihm gespeicherten kinetischen Energie seine Bewegung fort und öffnet die Einlaßsc,hlitze 12. Durch den Gegendruck im Kompressor- und Pufferraum 11 kommt der Kolben 9 zum Stillstand und anschließender Aufwärtsbewegung, wobei im Wendepunkt das Auslaßventil 1 5 schließt und anschließend das Einlaßventil 14 öffnet. Die Druckluft aus dem Sammelbehälter 5 wird der Turbine 3 zugeleitet, welche den Turboverdichter 4 antreibt. Die Turbine 3 arbeitet als Gegendruckturbine und die sie verlassende, teilweise eppandierto Druckluft verd über den Sammelbehälter 6 und das Einlaßven til 14 wieder dem Kompressor- und Pufferraum 11 zugeführt. Kit der Kolbenbewegung in Richtung oberer Totpunkt wiederholt sich der Zyklus.
• Die in Fig. 2 dargestellte Anlage -besteht im wesentlichen aus den bereits beschriebenen Aggregaten.
• Unterschiede bestehen lediglich in der Verbindung der Turbine 3 und der Nutzturbine 2 mit den Freikolbengaserzeugern 1. Die Wirkungsweise der Anlage gemäß Fig. 2 ist analog der geschilderten Wirkungsweise der Anlage gemäß Fig. 1. Der Unterschied besteht darin, daß den Verbrennungsgasen mit geringerer Energie als in der Anlage gemäß Fig. 1 in der Turbine 3 ihre Energie entzogen wird und die Turbine 3 den Turboverdichter 4 antreibt. Von der rait Druckluft arbeitenden Nutzturbine 2 wird die Leistung abgenommen. Natürlich sind auch weitere den Wirkungsgrad der Anlage steigernde Verfeinerungen des Schemas möglich, wie etwa Zwischenkühlung der Spülluft, Nachverbrennung der Abgase usw..
• In Fig. 3 ist eine Aiilage'dargestellt, die im wesentlichen den gleichen Aufbau besitzt, wie die Anlage gemäß Fig. 1. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß anstelle der Saugventile 14 Steuerschlitze 19 angeordnet sind. Die Arbeitsweise dieser Anlage verläuft in der bereits-beschriebenen Art.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Antriebsanlage, insbesondere für Lokomotiven, gekennzeichnet durch im Zweitaktverfahren arbeit ende Freikolbengaserzeuger (1), einen' Turboverdichter (4) mit Turbine (3) und eine Expansionsmaschine (2) zur Abgabe der Nutzleistung sowie entsprechende Regel-und Steuereinrichtungen, wobei die Vorverdichtung der für die Verbrennung im Freikolbengaserzeuger (1) erforderlichen Luft auf den zur Zylinderspülung erforderlichen Druck außerhalb der Freikolbengaserzeuger (1) in einem für mehrere Freikolbengaserzeuger (1) gemeinsamen Turboverdichter (4) erfolgt und die Kompressor und Pufferräume (113 mit Einrichtungen zur Druckluftentnahme versehen sind.

2. Antriebsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (3) mit den Kompressor und Pufferräumen (11) der Preikolbengaserzeuger (1) und die Nutzleistung abgebende Expansionsmaschine (2) mit den Verbrennungsräumen (10) der Freikolbengaserzeuger (1-) verbunden ist.

3. -Antriebsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (3) mit den Verbrennungsräumen (10) der Freikolbengaserzeuger (1) und die Nutzleistung abgebende Expansionsmaschine (2) mit den Kompressor und Pufferräumen (11) der Freikolbengaserzeuger (1) verbunden ist.

4. Antriebsanlage nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Freikolbengaserzeuger (1) aus einem nicht abgestuften Zylinder und gleichermaßen nicht abgestuften Kolben (9) besteht, welcher eine bewegliche Trennwand zwischen dem Verbrennungsraum (10) und dem Kompressor- und Pufferraum bildet,

5. Antriebsanlage nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Preikolbengaserzeuger (1) je einen Kolben (9) enthält.

6. Antriebsanlage nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Freikolbengaserzeuger zwei gegenläufig arbeitende Kolben mit entsprechender Synchronisiereinrichtung enthält.

7. Äntriebsanlage nach Anspruch 1, dadurch gelcennzeichnet, daß die Turbine (3) und die Expansionsmaschine mechanisch miteinander verbunden sind.

8. Antriebsanlage nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckluftentnahme jeweils in den Freikolbengaserzeugern (1) pufferraumseitig Druck-und Saugventile (15; 14) angeordnet sind.

9. Antriebsanlage nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kompressor- und Pufferräumen (11) der Freikolbengaserzeuger (1) Druckventile (15) und Steuerschlitze (19) angeordnet sind.

10. Antriebsanlage nach Anspruch 1 - 9 dadurch gekennzeichnet, daß bei Teillast ein Teil der Leistung vom Turboverdichter (4) der Turbine (3) direkt zuführbar ist.

11. Antriebsanlage nach Anspruch 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teillast einzelne oder in Gruppen zusammengefaßte Zylinder der Preikolbengaserzeuger (1) abschaltbar sind.