DE2518554A1 - Continuous combustion type IC engine - has heat exchanger, combustion chamber, reciprocating rotary piston compressor and/or expander - Google Patents
Continuous combustion type IC engine - has heat exchanger, combustion chamber, reciprocating rotary piston compressor and/or expanderInfo
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Abstract
Description
Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.German Aerospace Research and Research Institute
505 Porz-Wahn, Linder Höhe Antriebsmaschira mit innerer kontinuierlicher Verbrennung Die Erfindung betrifft eine Antriebsmaschine mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, mit einen Verdichter, einem Wärmeaustauscher zum Aufheizen des komprimierten Gases, einer Brennkammer und einem der Brennkammer nachgeschalteten Expander, dessen Ausgangsleitung an den Wärmeaustauscher angeschlossen ist.505 Porz-Wahn, Linder Höhe drive machine with internal continuous Combustion The invention relates to a prime mover with internal continuous Combustion, with a compressor, a heat exchanger to heat up the compressed Gas, a combustion chamber and an expander connected downstream of the combustion chamber, its Output line is connected to the heat exchanger.
Maschinen mit innerer kontinuierlicher Verbrennung arbeiten nach einem motorischen Kreisprozeß, in dem das zunächst als Luft vorliegende Arbeitsgas die zugeführte Wärme durch Verbrennung von Kraftstoff mit dem eigenen Sauerstoff in einer stetig durchstromten Brennkammer aufnimmt. Im Gegensatz dazu stehen die intermittierende Verbrennung in Kolbenmotoren und die äußere Verbrennung, wie sie z.B. bei Dampfmaschinen anzutreffen ist. Prozesse mit innerer kontinuierlicher Verbrennung werden auch als IKV-Prozesse bezeichnet.Machines with internal continuous combustion work according to one motor cycle in which the working gas initially present as air the supplied heat by burning fuel with its own oxygen in a combustion chamber with constant flow. In contrast, there are intermittent ones Combustion in piston engines and external combustion, such as in steam engines is to be found. Processes with internal continuous combustion are also known as IKV processes.
IKV-Prozesse werden in der Regel mit Gasturbinen realisiert. Diese arbeiten wirtschaftlich nur bei relativ großen Leistungen, wie « z.B. von Strahlantrieben für Flugzeuge verlangt werden. Bei kleinen Leistungen in der Größenordnung von 100 PS sind Gasturbinenantriebe ungeeignet.IKV processes are usually implemented with gas turbines. These work economically only with relatively high outputs, such as «e.g. from jet propulsion are required for aircraft. With small outputs in the order of 100 PS, gas turbine drives are unsuitable.
Für den Verdichter und den Expander in IKV-Prozessen können grundsätzlich die verschiedensten Motor- bzw.For the compressor and the expander in IKV processes, in principle the most diverse engine resp.
Kompressortypen verwandt werden, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß der Expander, dem die komprimierten Heißgase zugeführt werden, imstande ist, bei relativ hohen Temperaturen zu arbeiten. Dabei muß die Dichtung der Arbeitsräume noch einwandfrei funktionieren. Ferner müssen die in enem IKV-Prozeß einzusetzenden Arbeitsmaschinen eine große Förderleistung aufweisen, d.h. pro Umdrehung der Kurbelwelle ein großes Volumen ansaugen und verdichten können. Weiter sind für den Betrieb der inneren kontinuierlichen Verbrennung in Verbindung mit einer bestimmten Art von Regenerativwärmetauschern Aggregate günstig, die den Gesamtförderstrom in viele parallele Teilströme unterteilt liefern.Compressor types are used, but care must be taken that that the expander to which the compressed hot gases are fed is able, to work at relatively high temperatures. The sealing of the working spaces must be still work properly. Furthermore, they must be used in an IKV process Working machines have a large delivery rate, i.e. per revolution of the crankshaft can suck in and compress a large volume. Next are for the operation of the internal continuous combustion associated with a certain type of Regenerative heat exchangers cheap aggregates, which the total flow in many deliver divided parallel partial flows.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsmaschine der eingangs genannten Art mit innerer kontinuierlicher Verbrennung zu schaffen, die mit Kolben-Arbeitsmaschinen arbeitet und damit auch bei den relativ geringen Leistungen von Kraftfahrzeugmaschinen einen akzeptablen Wirkungsgrad aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Verdichter und/ oder der Expander als Schwingdrehkolbenmaschinen ausgebildet sind.The object of the invention is to provide a drive machine of the type mentioned at the beginning Type with internal continuous combustion to create that with piston working machines works and thus also with the relatively low performance of motor vehicle engines has an acceptable level of efficiency. To solve this problem is according to the invention suggested that the compressor and / or the expander as oscillating rotary piston machines are trained.
Die besonderen thermischen Anforderungen, die innerhalb eines IKV-Prozesses von den Arbeitsmaschinen verlangt werden und die in erster Linie die auftretenden Dichtungsprobleme betreffen, können überraschenderwäse am besten mit Schwingdrehkolbenmaschinen gelöst werden.The special thermal requirements that occur within an IKV process are required by the working machines and primarily those that occur Sealing problems can surprisingly best with oscillating rotary piston machines be solved.
Schwingdrehkolbenmaschinen, die auch als Katz- und Mausmaschinen bezeichnet werden, sind an sich bekannt, haben aber in der Praxis bisher keine Bedeutung erlangt.Oscillating rotary piston machines, also known as cat and mouse machines are known per se, but have so far not gained any importance in practice.
Bei ihnen rotieren zwei Kolben mit ungleichförmigen Geschwindigkeiten um eine Achse herum. Drr Abstand zwischen beiden Kolben verändert sich ständig, wodurch die zwischen den Kolben gebildeten Arbeitsräume periodEch vergrößert bzw. verkleinert werden.They have two pistons rotating at irregular speeds around an axis. The distance between the two pistons is constantly changing, whereby the working spaces formed between the pistons are periodEch enlarged or can be reduced in size.
Die besondere Eignung einer Schwingdrehkolbenmaschine als Verdichter in einem IKV-System beruht auf der hohen Förderleistung bei einer Umdrehung, bezogen auf die Kolben- bzw. Zylindergröße. Die baulichen Abmessungen lassen sich daher überraschend gering halten. Daneben liefert sie z parallele Teilströme.The particular suitability of an oscillating rotary piston machine as a compressor in an IKV system is based on the high delivery rate with one revolution, referred to on the piston or cylinder size. The structural dimensions can therefore keep it surprisingly low. In addition, it supplies z parallel partial flows.
Die größte thermische Belastung tritt bei einem IKV-System am Expander auf. Wenn dieser erfindungsgemäß als Schwingdrehkolbenmaschine ausgebildet ist, hat er eine verhältnismäßig geringe Heißteilmasse und kleine Wärmeverluste. Ventile werden nicht benötigt, da die Steuerung verlustarm über Schlitze erfolgt. Die Abdichtung kann entweder mit Dichtleisten erfolgen, bei denen eine Linienberührung zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Teilen erfolgt, oder durch enge Dichtspalte mit ausreichender Tiefe, die entlang der abzudichtenden Linien angeordnet sind. Die Schwingdrehkolben maschine hat einen relativ geringen Verschleiß, da reibendes Berühren von gegeneinander bewegten Teilen weitgehend reduziert oder ganz ausgeschaltet werden kann.In an IKV system, the greatest thermal load occurs on the expander on. If this is designed according to the invention as an oscillating rotary piston machine, it has a relatively low hot part mass and low heat losses. Valves are not required, as the control is carried out with low loss via slots. The waterproofing can either be done with sealing strips where there is a line contact between two relative to each other rotating parts takes place, or through tight Sealing gaps with sufficient depth, which are arranged along the lines to be sealed are. The oscillating rotary piston machine has a relatively low level of wear and tear, because it is frictional Touching of parts moving against each other is largely reduced or completely switched off can be.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Arbeitsräume der Maschine gegen öl abgedichtet werden können, da eine Kühlung und Schmierung lediglich im Bereich des Steuer- und Kraftgetriebes für die Schwingdrehkolben benötigt wird, nicht aber im eigentlichen Kolben- bzw.Another advantage is that the working areas of the machine can be sealed against oil, since cooling and lubrication only in the The area of the control and power transmission is required for the oscillating rotary lobes, but not in the actual piston or
Zylinderbereich.Cylinder area.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebsmaschine besteht darin, daß sie ein schadstoffarmes Abgas erzeugt, da die Verbrennung in einer stetig durchströmen Brennkammer erfolgt.There is a particular advantage of the drive machine according to the invention in that it produces a low-pollutant exhaust gas, since the combustion in a steady state flow through the combustion chamber.
Vorteilhafterweise sind den z einzelnen Arbeitskammern des Verdichters Pufferräume nachgeschaltet, deren Gesamtvolumen einem Vielfachen des Kompressionsvolumens bei einer Umdrehung des Verdichters entspricht. Der Pufferraum schützt zusammen mit dem dämpfenden Strömungswiderstand des Wärmeaustauschers die Brennkammer vor zu stark pulsierender Zuströmung. Bei Verwendung eines Regenerativwärmeaustauschers, der aus zwei z Zweigen besteht, die nacheinander paarweise zyklisch umgesteuert werden, ist durch das Puffervolumen sichergestellt, daß die Umstellungen des Wärmeaustauschers und die Aufladung des jeweiligen Zweiges auf den Brennkammerdruck hinreichend schnell durchgeführt werden kann.Advantageously, the z individual working chambers of the compressor Downstream buffer spaces, the total volume of which is a multiple of the compression volume corresponds to one revolution of the compressor. The buffer space protects together with the damping flow resistance of the heat exchanger in front of the combustion chamber Too strong pulsating flow. When using a regenerative heat exchanger, which consists of two z branches that are cyclically reversed one after the other in pairs is ensured by the buffer volume that the changes of the heat exchanger and the charging of the respective branch to the combustion chamber pressure sufficiently quickly can be carried out.
Der Expander kann von einer Wärmeisolierung umgeben sein und besteht aus einem gegen hohe Temperaturen widerstandsfähigen Material. Hierfür eignen sich insbesondere nicht oxidische Siliciumkeramik-Materialien, die sich, ähnlich wie Metalle, spanabhebend bearbeiten lassen und ausreichende Festigkeit besitzen. Insbesondere hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die thermisch hochbelasteten Teile aus Si3N4 herzustellen.The expander can be surrounded by thermal insulation and consists of a material that is resistant to high temperatures. Suitable for this in particular, non-oxidic silicon-ceramic materials that are similar like metals, can be machined and have sufficient strength. In particular, it has proven to be expedient to remove the thermally highly stressed parts made from Si3N4.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.In the following, an embodiment of the invention is referred to explained in more detail on the figures.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erSindungsgemäßen IKV-Maschine, Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 3, Fig. 3 zeigt schematisch nen Querschnitt durch eine der verwendeten Schwingdrehkolbenmaschinen, Fig. 4 zeigt die Abwicklung des Kolbenweges nach einem Schnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 3 a) bei dem Expander und b) bei dem Kompressor.Fig. 1 shows a schematic representation of the inventive IKV machine, Fig. 2 shows a section along the line II-II of Fig. 3, Fig. 3 shows schematically NEN cross section through one of the oscillating rotary piston machines used, Fig. 4 shows the development of the piston path after a section along the line IV-IV of FIG. 3 a) for the expander and b) for the compressor.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des Kurbelgetriebes, mit dem die Kolbentragscheiben der Schwigdrehkolbenmaschinen gesteuert und in Schwingung versetzt werden, Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch die gesamte Antriebsmaschine, und Fig. 7 zeigtein Diagramm des Kreisprozesses.Fig. 5 shows a schematic representation of the crank mechanism, with which the piston support disks of the Schwig-piston machines controlled and vibrated 6 shows a longitudinal section through the entire drive machine, and Fig. 7 shows a diagram of the cycle.
Gemäß Fig. 1 saugt'der Kompressor 10, der als Schwingdrehkolbenmaschine ausgebildet ist und nachfolgend noch im einzelnen erläutert wird, über die Leitung 11 Verbrennungsluft an, die in z separaten Arbeitskammern komprimiert und einem der z Teilpufferräume 12 zugeführt wird. Von dort gelangt die komprimierte Luft durch den unterteilten Wärmeaustauscher 13 hindurch zur Brennkammer 14. In der Brennkammer 14 findet eine kontinuierliche innere Verbrennung mit einem geeigneten Brennmaterial, das in Gas- oder flüssiger Form in die Brennkammer injiziert werden kann, statt. Die komprimierten und stark aufgeheizten Gase werden über Leitung 15 dem Expander 16 zugeführt, der ebenfalls als Schwingdrehkolbenmaschine ausgebildet ist. Im Expander entspannen sich die Gase und geben den größten Teil ihrer Energie an die umlaufenden Kolben ab, die die Welle 17 antreiben. Die Welle 17 bildet einerseits die Ausgangswelle der Maschine und treibt andererseits den Kompressor 10 an.According to FIG. 1, the compressor 10, which acts as an oscillating rotary piston machine is formed and will be explained in detail below, on the line 11 combustion air, which is compressed in z separate working chambers and one the z partial buffer spaces 12 is supplied. From there the compressed air arrives through the subdivided heat exchanger 13 to the combustion chamber 14. In the combustion chamber 14 takes place continuous internal combustion with a suitable fuel, which can be injected into the combustion chamber in gas or liquid form instead. The compressed and strongly heated gases are fed to the expander via line 15 16 supplied, which is also designed as an oscillating rotary piston machine. In the expander the gases relax and give most of their energy to the circulating ones Pistons that drive the shaft 17. On the one hand, the shaft 17 forms the output shaft of the engine and, on the other hand, drives the compressor 10.
Die expandierten Verbrennungsgase verlassen die z Arbeitsräume des Expanders 16 getrennt durch die zu den Wärmeaustauschersegmenten 13 führende Leitungen 17 und werden schließlich ins Freie abgeleitet.The expanded combustion gases leave the z working spaces of the Expander 16 separated by the lines leading to the heat exchanger segments 13 17 and are finally diverted to the open air.
Der Wärmeaustauscher 13 ist ein Regenerativwärmeausrauscher, bei dem in jedem der z Segmente jeweils gleichzeitig aber periodisch abwechselnd sowohl dn Zweig durch die gemäß Fig. 1 von links nach rechts strömenden Heißgase aufgeheizt wird, als auch ein zweiter Zweig seine Wärmeenergie an die von rechts nach links fließende komprimierte Kaltluft abgibt.The heat exchanger 13 is a regenerative heat exchanger in which in each of the z segments simultaneously but periodically alternating both The branch is heated by the hot gases flowing from left to right according to FIG. 1 is, as well as a second branch its thermal energy to that of right to left gives off flowing compressed cold air.
Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen schematisch die Ausbildung der Kolben bei einer Schwingdrehkolbenmaschine, wie sie vom Prinzip her sowohl für den Kompressor als auch für den Expander verwendet werden kann.2, 3 and 4 show schematically the design of the pistons an oscillating rotary piston machine, as it is in principle for the compressor as well as for the expander can be used.
Die Schwingdrehkolbenmaschine weist zwei Kolbentragscheiben 18, 19 auf, von denen die eine Tragscheibe 18 radial abstehende Kolben 20 und die andere Kolbentragscheibe 19 radial abstehende Kolben 21 aufweist. Während die Kolbentragscheiben 18 und 19 mit geringem Abstand aneinanderliegen und axial sehr präzise gelagert sind, so daß sie gegeneinander verdreht werden können, ragen die Kolben 20 und 21 jeweils in axialer Richtung in den Bereich der gegenüberliegenden Kolbentragscheibe hinein, so daß sie den um die beiden Kolbentragscheiben 18 und 19 herum gebildeten Ringraum 22, der von der feststehenden Gehäusewand 23 begrenzt ist, abdichtend unterteilen.The oscillating rotary piston machine has two piston support disks 18, 19 on, of which a support disk 18 radially protruding piston 20 and the other Piston support disk 19 has radially projecting pistons 21. While the piston washers 18 and 19 lie against one another at a small distance and are axially very precisely supported are so that they can be rotated against each other, the pistons 20 and 21 protrude each in the axial direction in the area of the opposite piston support disk into it, so that they are formed around the two piston support disks 18 and 19 Annular space 22, which is delimited by the stationary housing wall 23, subdivide in a sealing manner.
Die Kolbenscheibe 19 ist in demjenigen Bereich, der von dem Kolben 20 der gegenüberliegenden Kolbentragscheibe 18 überstrichen wird, mit einer radial abstehenden Seitenwand 24 versehen, die eine mitrotierende Arbeitsraumwand bildet, um die Abdichtung des jeweiligen Arbeitsraumes zu erleichtern. Die Arbeitsraumwand 24 ist entlang ihrer äußeren Kante nach Art eines'Flansches 25 nach außen abgebogen. Der Flansch 25 ragt in einen Ringspalt 26 des Gehäuses hinein und bildet zusammen mit dem Ringspalt 26 eine berührungsfreie Labyrinthdichtung.The piston disk 19 is in that area which is from the piston 20 of the opposite piston support disk 18 is swept over with a radial protruding side wall 24, which forms a co-rotating work space wall, to facilitate the sealing of the respective work area. The workspace wall 24 is bent outwards along its outer edge in the manner of a flange 25. The flange 25 protrudes into an annular gap 26 of the housing and forms together with the annular gap 26 a non-contact labyrinth seal.
Der Flansch 25 ist ringförmig entlang des gesamten Umfanges der Kolbentragscheibe 19 vorgesehen und erstreckt sich demnach auch entlang der Kolben 21.The flange 25 is annular along the entire circumference of the piston support disk 19 and accordingly also extends along the piston 21.
Die Abdichtung der Kolbentragscheiben 18 und 19 gegeneinander erfolgt ebenfalls durch eine Labyrinth- oder Spaltdchtung 27, die aus mehreren ineinandergreifenden Ringen bestehen kann, die axial von den Kolbenscheiben 18 und 19 abstehen.The piston support disks 18 and 19 are sealed against one another also by a labyrinth or gap seal 27, which consists of several interlocking Rings may exist, which protrude axially from the piston disks 18 and 19.
Jede der Kolbentragscheiben 18 und 19 ist mit z, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit insgesamt vier, Kolben 20 bzw. 21 versehen. Die Kolben 20 und 21 wechseln einander ab. Die Kolbentragscheiben 18 und 19 sind so gesteuert, daß in der einen Phase die Kolben 20 ein großes Stück voreilen, während die Kolben 21 sich nur um eine kurze Strecke weiterbewegen. Dadurch wird der zwischen den Kolben befindliche Arbeitsraum 28 vergrößert.Each of the piston support disks 18 and 19 is marked with z in the illustrated Embodiment provided with a total of four, pistons 20 and 21, respectively. The pistons 20 and 21 take turns. The piston support disks 18 and 19 are controlled so that in one phase the piston 20 advance a large distance, while the piston 21 move only a short distance. This gets the between the pistons located working space 28 enlarged.
In der nachfolgenden Phase holt der Kolben 21 den vorausgeeilten Kolben 20 nahezu wieder ein, wobei der Arbeitsraum 28 verkleinert wird.In the subsequent phase, the piston 21 fetches the piston that has advanced 20 almost again, the working space 28 being reduced in size.
Damit das Ein- und Ausschieben des Gases in die Arbeitsräume hinein bzw. aus den Arbeitsräumen heraus verlustarm geschieht, müssen die Schlitze möglichst schnell und weit öffnen. Besonders kritisch sind beim Kompressor das Ausschieben nach der Kompressionsphase bzw. beim Expander das Einschieben vor der Expansionsphase. Beim Expander befinden sich die Steuerschlitze 29 für den Einlaß des Druckgases hinter jedem Kolben 20, 21 seitlich an der mitrotierenden Arbeitsraumwand 24 und gleiten an den Seitenwänden des stationären Gehäuses 23 entlang.So that the gas is pushed in and out of the work area or happens with little loss out of the work rooms, the slots must if possible open quickly and wide. Pushing out the compressor is particularly critical after the compression phase or, in the case of the expander, the insertion before the expansion phase. The expander has the control slots 29 for the inlet of the compressed gas behind each piston 20, 21 on the side of the co-rotating work space wall 24 and slide along the side walls of the stationary housing 23.
In den Seitenwänden befinden sich die Mündungen 30 der Einlaßkanäle, sofern es sich um einen Expander handelt.In the side walls are the mouths 30 of the inlet channels, if it is an expander.
Beim Kompressor (Fig. 4b) sind in den seitlichen Gehäusewänden die Mündungen 31 der Auslaßkanäle angeordnet. Ferner liegen die Steuerschlitze, diein den mitlaufenden Arbeitsraumwänden 24 vorgesehen sind, beim Kompressor gemäß Fig. 4b jeweils vor dem zugehörigen Kolben 20, 21.When the compressor (Fig. 4b) are in the side walls of the housing Arranged mouths 31 of the outlet channels. Furthermore, the control slots are which are provided in the working chamber walls 24 moving along with the compressor according to FIG 4b in front of the associated piston 20, 21 in each case.
Beim Expander erfolgt das Ausschieben und beim Kompressor das Ansaugen der Gase aus den bzw. in die Arbeitsräume durch Schlitze 33 bzw. 34 hindurch, die im feststehenden Außengehäuse angeordnet sind und einen radialen Gasdurchgang ermöglichen. Diese Schlitze sind während des gesamten Hubes geöffnet.The expander is pushed out and the compressor is sucked in of the gases from or into the working spaces through slots 33 and 34, respectively are arranged in the fixed outer housing and allow a radial gas passage. These slots are open during the entire stroke.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch das Steuergetriebe der Schwingdrehkolbenmaschine, Man erkennt die Innenzahnkränze 35, 36, die in dem feststehenden Gehäuse vorgesehen sind und an denen die Ritzel 37,38 abrollen. Die Wellen der Ritzel 37, 38 sind in einem Grundläuf er 39 gelagert, der fest mit der Welle 17 verbunden ist, und bilden außerdem die Enden einer zweifach gekröpften Kurbelwelle 40. Die Kröpfungen 41, 42 der Kurbelwelle 40 sind um ca. 900 gegeneinander versetzt. An ihnen sind Kurbelarme 43, 44 gelagert, deren anderes Ende jeweils gelenkig an einem Zapfen 45, 46 der Kurbeltragscheibe 18 bzw. 19 angebracht ist. Die Kurbeltragscheiben 18, 19 führen auf diese Weise, bezogen auf den Grundläufer 39, Drehschwingungen aus, die phasenverschoben sind. Die Kurbelwelle 40 ragt durch bogenförmige Schlitze 46 der Kolbentragscheiben 18, 19 hindurch. Ebenso ragen die Verbindungsanker des Grundläufers 39 durch bogenförmige Schlitze der Kolbentragscheiben 18, 19 hindurch.Fig. 5 shows schematically a longitudinal section through the control gear the oscillating rotary piston machine, you can see the internal gear rims 35, 36, which are in the fixed housing are provided and on which the pinion 37,38 roll. the Waves of the pinion 37, 38 are mounted in a basic run he 39, which is fixed to the Shaft 17 is connected, and also form the ends of a double cranked Crankshaft 40. The cranks 41, 42 of the crankshaft 40 are about 900 against each other offset. Crank arms 43, 44 are mounted on them, the other ends of which are each articulated is attached to a pin 45, 46 of the crank support disk 18 and 19, respectively. The crank support disks 18, 19 lead in this way, based on the base rotor 39, torsional vibrations that are out of phase. The crankshaft 40 protrudes through arcuate slots 46 of the piston support disks 18, 19 through. The connecting anchors of the Base rotor 39 through arcuate slots in the piston support disks 18, 19.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch den Gesamtmotor mit den beiden Schwingdrehkolbenmaschinen, von denen die eine als Kompressor 10 und die andere als Expander 16 arbeitet.6 shows a longitudinal section through the entire engine with the two oscillating rotary piston machines, one of which is a compressor 10 and the other works as an expander 16.
Schwingdrehkolbenmaschinen sind von maßgeblichen Fachleuten als nicht abdichtbar und damit unbrauchbar eingestuft worden. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung derartiger Maschinen innerhalb endes Niederdruck-Kreisprozesses ist dagegen eine hinreIchende Abdichtung möglich, wobei hinzu kommt, daß derartige Maschinen ene hohe spezifische Durchsatzleistung haben und sich aus diesem Grunde für die Verwendung in dem genannten Kreisprozeß vorzüglich eignen. Motoren der beschriebenen Art sind insbesondere für den Bereich bis zu 500 PS Wellenleistung geeignet. In diesem Bereich ist die Realisierung von Kreisprozessen mit Kleingasturbinen unwirtschaftlich.Oscillating rotary piston machines are considered by authoritative professionals as not sealable and therefore classified as unusable. When used according to the invention such machines within the end of the low-pressure cycle, however, is one Adequate sealing possible, with the fact that such machines ene have a high specific throughput and are therefore suitable for use excellently suited to the above-mentioned cycle. Motors of the type described are particularly suitable for the range up to 500 HP shaft power. In this area the implementation of cycle processes with small gas turbines is uneconomical.
Bei der abgebildeten Maschine sind von dem Kompressor 10 die in dem Maschinengehäuse vorgesehenen Innenzahnkränze 35 und 36 sichtbar. Die in Fig. 5 schematisch abgebildeten Getriebeteile sind aus Gründen der Uberschtlichkeit fortgelassen. Sie treiben die Kolbentragscheiben 18 und 19 an. Aus der Zeichnung geht auch die Lagerung der Kolbentragscheiben 18 und 19 auf dem Hauptläufer 39 sowie die gegenseitige axiale Abstützung der Kolbentragscheiben hervor.In the machine shown are of the compressor 10 in the Internal gear rims 35 and 36 provided for the machine housing are visible. The in Fig. 5 The transmission parts shown schematically have been omitted for the sake of simplicity. They drive the piston support disks 18 and 19. That goes from the drawing too Storage of the piston support disks 18 and 19 on the main rotor 39 as well as the mutual axial support of the piston washers.
Aus Fig. 6 sieht man, daß die durch die Leitung 11 angesaugte Luft in die Arbeitsräume 28 des Kompressors 10 einströmt und nach vollzogener Kompression in die Kammer des Pufferraumes 12 hereingedrückt wird. Die Einlaßleitung 11 ist an einen Ringraum 45 angeschlossen, der den Kompressor 10 radial umgibt, um sämtliche Arbeitsräume 28 gleichmäßig mit Frischluft zu versorgen. Der Ringraum 45 bildet jedoch keine Barriere, sondern er ist von Querleitungen 46 durchzogen, die die beiden Teile einer jeden Pufferraumkammer 12 miteinander verbinden.From Fig. 6 it can be seen that the air sucked in through the line 11 flows into the working spaces 28 of the compressor 10 and after compression has been completed is pressed into the chamber of the buffer space 12. The inlet line 11 is connected to an annular space 45 which radially surrounds the compressor 10 to all Workspaces 28 to be evenly supplied with fresh air. The annulus However, 45 does not form a barrier, rather it is traversed by transverse lines 46, which connect the two parts of each buffer space chamber 12 to one another.
Die einzelnen Kammern des Pufferraumes 12 haben gemeinsam etwa das 30-fache Kompressionsendvolumen des Kompressors 10, wozu noch der Rauminhalt eines Zweiges des jeweiligen Wärmeaustauschers 13 hinzukommt. Das Puffervolumen schützt die Brennkammer vor pulsierender Zuströmung. Ferner garantiert es, daß beim Umschalten des Wärmeaustauschers auf den anderen Zweig dieser rasch auf den Brennkammerdruck aufgeladen und die Frischluftförderung aus diesem Segment des Kompressors nur kurz unterbrochen wird.The individual chambers of the buffer space 12 have about this in common 30 times the final compression volume of the compressor 10, plus the volume of one Branch of the respective heat exchanger 13 is added. The buffer volume protects the combustion chamber from pulsating inflow. It also guarantees that when switching of the heat exchanger to the other branch, this quickly to the combustion chamber pressure charged and the supply of fresh air from this segment of the compressor only briefly is interrupted.
Um den Expander 16 herum sind sieben einzelne Regenerativwärmeaustauscher verteilt angeordnet. Jeder Wärmeaustauscher weist zwei gleiche Zweige und zwei an den Enden angeordnete Drehschieber auf. Die beiden mit wärmespeicherndem Metalldraht gefüllten Regeneratorrohre verlaufen zwischen den Schiebern parallel. Der Kaltdrehschieber besteht aus Metall und der Heißdrehschieber aus Siliciumnitrid. Beide Schieber 48 und 49 schalten gleichzeitig um, wobei sie jeweils über den einen oder den anderen Kanal die Pufferräume 12 mit der Brennkammer 14 und die Expanderaustritte 17' mit dem Auslaßrohr 50 verbinden. Die verdichtete Luftzutritt mit ca. 1720 C in den Wärmeaustauscher 13 ein und verläßt diesen mit ca. 8600 C. Das expandierte Abgas strömt mit ca. 9360 C in den Wärmeaustauscher ein und verläßt ihn mit 2450 C.Around the expander 16 are seven individual regenerative heat exchangers arranged distributed. Each heat exchanger has two equal branches and two the ends arranged rotary valve. The two with heat-storing metal wire filled regenerator tubes run parallel between the slides. The cold rotary valve is made of metal and the hot rotary valve is made of silicon nitride. Both slides 48 and 49 switch over at the same time, each over one or the other Channel the buffer spaces 12 with the combustion chamber 14 and the expander outlets 17 'with the outlet pipe 50. The compressed air enters the heat exchanger with approx. 1720 C 13 and leaves it at approx. 8600 C. The expanded exhaust gas flows at approx. 9360 C enters the heat exchanger and leaves it at 2450 C.
Die sieben Wärmeaustauscher werden nicht gleichzeitig, sondern zyklisch nacheinander umgeschaltet. Hierdurch wird erreicht, daß an der Brennkammer nur ganz schwache Durchsatzeinbrüche entstehen.The seven heat exchangers do not work at the same time, but switched cyclically one after the other. This ensures that on the combustion chamber only very weak drops in throughput occur.
Die Brennkammer 14 erfüllt alle Voraussetzungen für einen guten Ausbrenngrad und einen geringen Schadstoffausstoß. Der Betriebsbereich ist kleiner als bei Luftfahrtbrennkammern; so daß das Verlösch- und Wiederzündverhalten nicht kritisch ist. Da ein beliebig hoher Luftüberschuß zur Verfügung steht und die LuSteintrittstemperatur ziemlich hoch ist, kann man mit einem armen Gemisch arbeiten und damit die Stickoxydproduktion gering halten. Der relativ niedrige Druck wirkt sich günstig auf die Rußbildung und auf die Co und NOx -Bildung aus.The combustion chamber 14 meets all the requirements for a good degree of burnout and low pollutant emissions. The operating range is smaller than that of aviation combustors; so that the extinguishing and re-ignition behavior is not critical. As any high excess air is available and the air inlet temperature is quite is high, you can work with a poor mixture and thus the nitrogen oxide production keep it low. The relatively low pressure has a beneficial effect on soot formation and on Co and NOx formation.
Die Brennkammer liefert das Heißgas in die ringförmigen Sammelräume 52 und 53 links und rechts der Kolbentragscheiben 18, 19 des Expanders. Die Sammelräume sind nicht, wie dies beim Kompressor 10 der Fall ist, in Segmente unterteilt, sondern bedienen alle Einschiebeschlitze 30 gleichzeitig.The combustion chamber delivers the hot gas into the annular collecting spaces 52 and 53 left and right of the piston support disks 18, 19 of the expander. The collection rooms are not, as is the case with the compressor 10, divided into segments, but operate all insertion slots 30 at the same time.
Die Heiß-Gehäuseteile sind leicht und dünnwandig ausgebildet und bestehen aus reaktionsgesintertem Siliciumnitrid. Sie sind von einer dicken Isolierwatte 55 oder -zements¢hicht umgeben und in das Maschinengehäuse eingebettet. Reaktionsgesinterte Siliciumnitridteile können in komplizierten Bauformen preisgünstig und sehr exakt gefertigt werden. Selbst für die hin- und herschwingenden Arbeitsräume mit den eingesetzten Kolben auf den Kolbentragscheiben kann man gegebenenfalls reaktionsgesintertes Siliciumnitrid verwenden.The hot housing parts are light and thin-walled and are made made of reaction-sintered silicon nitride. They are made of thick insulating wadding 55 or cement ¢ not surrounded and embedded in the machine housing. Reaction sintered Silicon nitride parts can be made inexpensively and very precisely in complex designs are manufactured. Even for the workspaces that swing back and forth with the ones used Pistons on the piston support disks can optionally be reaction sintered Silicon nitride use.
Die in Fig. 6 schematisch dargestellten Schwingdrehkolbenmaschinen sind mit Dichtringen ausgestattet. Die Abdichtung könnte ebensogut durch berührungslose Dichtungen mit Dichtspalten erfolgen. Eine absolute Lecksicherheit wird von den beiden Schwingdrehkolbenmaschinen nicht erwartet. Wichtig ist nur, daß über einen hinreichend großen Temperaturbereich eine akzeptable Abdichtung erreicht wird.The oscillating rotary piston machines shown schematically in FIG. 6 are equipped with sealing rings. The seal could just as easily be by non-contact Seals are made with sealing gaps. The both oscillating rotary piston machines not expected. The only important thing is that you have one sufficiently large temperature range an acceptable seal is achieved.
Ein besonderes Charakteristikum der verwendeten Schwingdrehkolbenmaschine besteht in der Verwendung flach ausgebildeter Ko'Den, deren Form aus Fig. 6 deutlich hervorgeht. Je kleiner der Kolbendurchmesser gehalten werden kann, umso enger sind die Fertigungstoleranzen.A special characteristic of the oscillating rotary piston machine used consists in the use of flat shaped Ko'Den, the shape of which is clear from FIG. 6 emerges. The smaller the piston diameter can be kept, the narrower they are the manufacturing tolerances.
Damit werden auch die Dichtspalte enger und die Leckverluste kleiner. Durch die flache Kolbenform wird das umlaufende Gehäuse kleiner und sehr viel formsteifer, so daß die erforderlichen Spiele besser eingehalten und die Leckverluste geringgehalten werden können.This also makes the sealing gaps narrower and the leakage losses smaller. The flat piston shape makes the circumferential housing smaller and much more rigid, so that the necessary clearances are better observed and the leakage losses are kept to a minimum can be.
Schließlich wird der relative Leckverlust umso kleiner, Je schneller die Maschine laufen darf, da die Fördermenge bei schnellem Lauf größer ist. Und je geringer die radiale Erstreckung der Rotoren ist, umso schneller dürfen sie rotieren. Die Steuerschlitze 29> 32 erstrecken sich bei dieser Konfiguration natürlich auch auf die axialen Partien der mitrotierenden Arbeitsraumwand.Finally, the faster the relative leakage loss, the smaller it is the machine is allowed to run because the delivery rate is greater when it is running at high speed. and the smaller the radial extension of the rotors, the faster they are allowed to rotate. The control slots 29> 32 naturally extend in this configuration also on the axial parts of the rotating workspace wall.
Der Kreisprozeß des Heißgasmotors ist in Fig. 7 abgebildet. Bei 1 wird die Luft angesaugt. Es folgt eine polytrope Verdichtung 1-2, Erhitzung durch aus dem Abgas zurückgefuhrte Wärme 2-3, innere Wärmezufuhr in der Brennkammer 3-4, polytrope Entspannung 4-5, Abkühlung in Wärmeaustauscher 5-6 und Auspuff 6. Aus Fig. 6 geht hervor, daß die Volumenvergrößerung des Arbeitsgases zwischen Kompression und Expansion durch das Größenverhältnis von Kompressor zu Expander berücksichtigt werden kann, was nicht möglich ist, wenn beide Arbeitsvorgänge im selben Aggregat durchgeführt werden.The cycle of the hot gas engine is shown in FIG. At 1 the air is sucked in. There follows one polytropic compression 1-2, Heating through heat 2-3 returned from the exhaust gas, internal heat supply in the Combustion chamber 3-4, polytropic relaxation 4-5, cooling in heat exchanger 5-6 and Exhaust 6. From Fig. 6 it can be seen that the increase in volume of the working gas between compression and expansion due to the size ratio of the compressor too Expander can be taken into account, which is not possible when doing both operations be carried out in the same unit.
Wie bereits erwähnt, zielt die Gesamtkonzeption der Maschine auf möglichst enge und tiefe DichSpalte zwischen den bewegten Arbeitsraumteilen ab. Dieses Ziel wird durch spielfreie Lagerung der einzelnen Bauteile gegeneinander, durch Vermeidung stark unterschiedlicher Temperaturen innerhalb von Bauteilen und zwischen benachbarten Bauteilen sowie durch niedrige mechanische Belastungen erreicht. Bei sehr engen Spalten bildet sich eine laminare Leckgasströmung aus, bei der glatte Spaltwände am besten abdichten, so daß auf jede labyrinthartige Strukturierung der Wandung verzichtet werden kann.As already mentioned, the overall concept of the machine aims to achieve the best possible narrow and deep gaps between the moving workspace parts. This goal is achieved through backlash-free mounting of the individual components against each other, through avoidance very different temperatures within components and between adjacent ones Components as well as through low mechanical loads. With very tight A laminar leakage gas flow forms with smooth gap walls best to seal, so that on every labyrinth-like structure of the wall can be dispensed with.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19752518554 DE2518554A1 (en) | 1975-04-25 | 1975-04-25 | Continuous combustion type IC engine - has heat exchanger, combustion chamber, reciprocating rotary piston compressor and/or expander |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19752518554 DE2518554A1 (en) | 1975-04-25 | 1975-04-25 | Continuous combustion type IC engine - has heat exchanger, combustion chamber, reciprocating rotary piston compressor and/or expander |
Publications (1)
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| DE2518554A1 true DE2518554A1 (en) | 1976-11-11 |
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ID=5945040
Family Applications (1)
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| DE19752518554 Pending DE2518554A1 (en) | 1975-04-25 | 1975-04-25 | Continuous combustion type IC engine - has heat exchanger, combustion chamber, reciprocating rotary piston compressor and/or expander |
Country Status (1)
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