DE3139357C2

DE3139357C2 - Verfahren für die Stromerzeugung bei einem zyklischen Verbrennungsprozeß

Info

Publication number: DE3139357C2
Application number: DE3139357A
Authority: DE
Inventors: Maxim Dimitrov Dipl.-Ing. Iliev; Stefan Dimitrov Dipl.-Ing. Karamanski; Stoju Stoev Dipl.-Ing. Kervanbaschiev; Frederik Maximov Dipl.-Ing. Sofia Makedonski
Original assignee: ZUV "PROGRESS" SOFIJA BG
Current assignee: ZUV "PROGRESS" SOFIJA BG
Priority date: 1981-10-02
Filing date: 1981-10-02
Publication date: 1984-02-02
Also published as: DE3139357A1; US4532431A

Abstract

Für die Stromerzeugung, basierend auf einem zyklischen Verbrennungsprozeß, bei dem ein Kolbensystem in Form von zwei nicht trennbar gekoppelten Kolben in zwei gegenüberliegenden Brennkammern mechanisch geradlinig hin- und herbewegt werden, wobei in den Brennkammern zeitlich aufeinanderfolgend und sich zyklisch wiederholend ein durch einen elektrischen Funken ausgelöster Verbrennungsprozeß abläuft, und die kinetische Energie der hin- und hergehenden Bewegungen der beweglichen Teile in elektrische Energie umgewandelt wird, sollen hohe Kolbengeschwindigkeiten und hohe Drucke erreicht werden, wobei die beweglichen Teile geringe Massen aufweisen und hohe Schwingungsfrequenzen erreicht werden sollen. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß der Verbrennungsprozeß bei einem niedrigen Kompressionsverhältnis beginnt, der für die Erstzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches durch den elektrischen Funken ausreicht, bei einem sich vermindernden Volumen unter der Einwirkung der Kräfte der gegenüberliegenden Brennkammer verläuft und bei einem sich erweiternden Volumen beim Rückgang des Kolbens abgeschlossen wird, wobei eine elektromotorische Spannung in der an den nicht trennbar gekoppelten Kolben feststehend angebrachten Spule induziert wird, die bei ihrer Bewegung die magnetischen Feldlinien eines unbeweglichen Dauermagnetfelds durchkreuzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Stromerzeugung bei einem zyklischen Verbrennungs- >o prozeß, anwendbar für die Stromversorgung stationärer und mobiler Stromverbraucher sowie bei Transportmitteln, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bekannt sind zyklische Verbrennungsvorgänge ein- « setzende Verfahren, bei welchen mechanische Schwingungen erzeugt werden, die ihrerseits in elektrische Energie umgewandelt werden. In der Praxis werden dabei sogenannte »Gasgeneratoren« eingesetzt, die aus wellenlosen Kolbenbrennkraftmaschinen mit hoher ⁶ⁿ Leistung bestehen, die Verdichter antreiben. Zur Stromerzeugung wird dann vom Verdichter eine schnellaufende, mit einem elektrischen Rotationsgenerator gekoppelte Gasturbine versorgt. Unabhängig vom Prozeß (Diesel oder Otto) arbeiten diese Maschinen mit *>"> einem begrenzten Kompressionsverhältnis, was einen niedrigen Wirkungsgrad zur Folge hat. Solche Maschinen sind nicht mit einem Schwungrad ausgerüstet, sie speichern also die Energie des vorhergehenden Takts nicht für den nachfolgenden und weisen eine niedrige Schwingungsfrequenz in der Größenordnung von 20 Hz auf, wobei die Schwingungsmassen gering sind Das die Energie abführende verdichtete Gas ist praktisch trägheitslos. Die für den Ablauf eines Diesel-Kreisprozesses erforderliche Kompression wird durch zusätzliche Luftpuffer erzeugt Diese Art von Kolben-Brennkraftmaschinen erfordert zusätzliche Synchronisier- und Anfahr-Einrichtungen.

Bekannt sind zwei direkt gekoppelte Kolbensysteme einsetzende Verfahren. Dabei wird die Energie von einem Verdichter an eine Gasturbine abgegeben. Bei diesen Gasgeneratoren wird ein Teil von einer Wankel-Gasturbine und einem elektrischen Generator belastet (GB-PS 14 40 805, 14 44 449, DE-PS 24 56 177, 26 07 111). Sie weisen eine niedrige Schwingungsgeschwindigkeit und eine trotz Vereinfachung der Synchronisierung komplizierte Konstruktion auf, haben einen niedrigen Wirkungsgrad und werden nur begrenzt eingesetzt.

Bekannt sind ebenfalls Verfahren für die direkte Stromerzeugung bei Brennkraftmaschinen mit einer linearen Schwingbewegung der Kolben. Die Schwinganker der elektrischen Generatoren haben große Massen, was eine Verminderung der Schwingungsgeschwindigkeit zur Folge hat und zu einer weiteren Erhöhung der Ankermassen führt. Diese Rückkoppelung ist sehr tiefgreifend.

Bekannt sind auch Lösungen mit zwei gekoppelten und nicht gekoppelten Kolben, die gleichzeitig auch Anker eines linearen elektrischen Generators sind, d. h. Dauermagnete oder Elektromagnete mit Erregerwicklungen (DE-PS 24 59 203, 2 05 996, US-PS 3 23 44 395). Diese Lösungen sind nur bei geringen Leistungen einsetzbar, da sie recht langsamlaufend sind und aus konstruktiven Gründen ihr Einsatz in dieser Hinsicht begrenzt ist. Außerdem treten bei den nicht gekoppelten Kolben Probleme hinsichtlich der Bewegungssynchronisicrung und bei den gekoppelten Probleme hinsichtlich der Auswuchtung der Eigenmasse und der Masse der damit verbundenen Anker auf. Bei den grundsätzlich langsamlaufenden Vorrichtungen mit gekoppelten Kolben werden komplizierte und schwere Auswuchtvorrichtungen benötigt, die ihrerseits die Schwinggeschwindigkeit weiter senken und nicht vertretbare Reibungsverluste verursachen, wodurch die ursprünglichen Vorteile dieser Lösungen ebenfalls reduziert werden. In den meisten Fällen ist man gezwungen, wieder ein Schwungrad zu verwenden, wenn auch ohne eine vollständige Leistungsableitung von demselben, für das Anfahren, den kontinuierlichen Betrieb, das Auswuchten, die Synchronisierung und die genaue Kontrolle der Totpunkte der Brennkraftmaschine. Auch hier wird ein großer Teil der Energie über den Verdichter und die Gasturbine (DE-PS 26 00 054) geleitet.

Bekannt ist ein Verfahren für die Stromerzeugung bei einem zyklischen Verbrennungsprozeß (US-PS 37 66 399), bei dem mechanische geradlinige hin- und hergehende Bewegungen des Kolbensystems vorgesehen sind, das zwei gegenüber gelegene Brennkammern aufweist, in denen ein zeitlich aufeinanderfolgender, durch einen elektrischen Funken hervorgerufener, sich zyklisch wiederholender Verbrennungsprozeß abläuft. Die kinetische Energie der hin- und hergehenden Bewegungen der beweglichen Teile wird in elektrische Energie umgewandelt. Der Verbrennungsprozeß ent-

spricht dem Otto- oder Diesel-Prozeß und folgt einem vorgegebenen Kreisprozeß, wobei bei jedem Verbrennungszyklus eine entsprechende lineare P^ewegung der beweglichen Massen verursacht wird. Ein Teil der Energie der linearen Bewegung -.yird durch einen Lineargenerator in elektrische Energie umgewandelt, dessen Anker am Kolbensystem starr befestigt sind und sich mit demselben bewegen. Die am Ende eines jeden Hubs nicht ausgenützte kinetische Energie wird über durch die Bewegung der Kolben zusammengedrückten ι ο Federn als potentielle Energie gespeichert Die auf diese Weise in den Federn gespeicherte Energie ergibt so lange, wie kein neuer entgegengesetzter Verbrennungsprozeß eintritt, eine abklingende hin- und hergehende Bewegung. Im günstigsten Fall verläuft der Verbren- i-j nungsprozeß in jeder Kammer in vier Takten. Das bedeutet, daß auf jeden Arbeitstakt mindestens drei Leertakte folgen. Das Abklingen wächst mit der Erhöhung der Belastung des Lineargenerators an. Die Schwingungsfrequenz wird durch die mechanische -¹' Resonanz zwischen den aufeinanderfolgenden Arbeitshüben des Kolbensystems und die Eigenfrequenz der Federn bestimmt.

Nachteile des Verfahrens sind: niedrige Geschwindigkeiten und Drücke, unter denen der Verbrennungspro- ^ zeß verläuft, Einsatz beweglicher Teile, wie Induktor, Kolben, Federn u. a., die eine große Masse aufweisen, was eine niedrige Schwingungsfrequenz zur Folge hat; komplizierte Steuerung des Verbrennungsprozesses; nicht durchführbare genaue Kontrolle der Totpunkte; w schwieriges Anfahren der Brennkraftmaschine und begrenzter Einsatz der Maschine. Ein Nachteil aller bekannter Verfahren besteht darin, daß hochwertige klopffeste Brennstoffe erforderlich sind.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe J'' besteht darin, das Verfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß der Verbrennungsprozeß bei wesentlich höheren Kolbengeschwindigkeiten und unter höherem Druck verläuft, wobei bewegliche Teile mit geringen Massen und bei wesentlich höherer Schwin- ⁴⁽⁾ gungsfrequenz zum Einsatz kommen, der Einsatz verschiedener Brennstoffe einschließlich heizwertarmer und niedrigoktaniger möglich ist und bei vereinfachter Steuerung des Verbrennungsprozesses und bei problemlosem Anfahren ein stabiler Betrieb und eine ⁴> verbesserte Einsatzfähigkeit des gesamten Systems Motor-Generator gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Verbrennungsprozeß in jeder Brennkammer >" bei niedrigem Kompressionsverhältnis beginnt, das für die Erstzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches durch den elektrischen Funken ausreicht, bei einen, durch die Einwirkung der in der gegenüberliegenden Kammer erzeugten Kräfte sich verminderndem Volumen ver- ^r> läuft, und bei einem sich beim Rückgang der Kolben erweiternden Volumen abgeschlossen wird, wobei eine elektromotorische Spannung in einer am Kolbensystem feststehend angebrachten Spule induziert wird, die bei ihrer Bewegung die magnetischen Feldlinien eines ^b0 unbeweglichen Dauermagnetfeldes durchkreuzt. Außerdem ist durch den Einsatz der Spule als Antrieb die Möglichkeit gegeben, das Kolbensystem beim Anfahren in Schwingungsbewegungen zu versetzen. Bei einer Verminderung der Schwingungsgeschwindigkeit des ^b5 Kolbensystems wird die Spule automatisch von Generator- auf Motor-Betrieb, und bei einer Wiederherstellung der normalen Betriebsbedingungen von Motor- auf Generator-Betrieb umgeschaltet.

Die Schwingungsgeschwindigkeit des Kolbensystems wird durch ein Ausgleichen der ein- und abgeführten Leistung vorgegeben und konstant gehalten.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind: es gewährt einen Betrieb mit hoher Frequenz des Kolbensystems — auch über 125 Hz, wobei das Erreichen von Frequenzen in der Größenordnung von 300 Hz bei normalem Kolbenhub möglich ist, und zwar mit hoher linearer Geschwindigkeit von ca. 20 m/s, die der Geschwindigkeit der Flammenausbreitung in den Brennkammern entspricht. Außerdem werden am Ende des Kolbenhubs hohe Drücke erzielt, die einem Verdichtungsgrad entsprechen, der höher als der des Diesel-Prozesses ist (in der Größenordnung über 25). Das führt zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad. Durch die hohe lineare Geschwindigkeit der Schwingungen werden die Verluste infolge Abkühlung durch die Zylinderwände gesenkt. Das Zünden bei niedrigem Kompressionsverhältnis und das Verbrennen bei sich verminderndem Volumen verlängern die Brennzeit und gewähren ein vollständigeres Verbrennen des Brennstoffes. Aus diesem Grund kann der Verbrennungsprozeß auch mit minderwertigem, nicht klopffesten und hochexplosivem Brennstoff ohne die Gefahr einer klopfenden Verbrennung durchgeführt werden. Der am Ende des Kolbenhubs erreichte hohe Druck, wo der größte Teil des Brennstoffes schon verbrannt ist, führt zu einer Minderung des Anteils an schädlichen und giftigen Komponenten in den Abgasen. Die erzeugte elektrische Energie hat eine verhältnismäßig hohe Spannung. Die hohe lineare Bewegungsgeschwindigkeit führt zu einem hohen Wirkungsgrad bei der Erzeugung der elektrischen Energie, wobei das System Motor-Generator eine geringe spezifische Masse aufweist.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 — schematisch im Schnitt eine Vorrichtung zur Stromerzeugung, ausgehend von einem zyklischen Verbrennungsprozeß und

Fig. 2 — eine Amplituden-Frequenz-Kennlinie der Vorrichtung in Betrieb.

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat ein Kolbensystem, bestehend aus zwei nicht trennbar gekoppelten Kolben 1 und 2, die sich in zwei gegenüberliegenden Brennkammern 3 und 4 bewegen, und eine Spule 5, die am Kolbensystem 1, 2 feststehend angebracht ist. Die Spule 5 liegt im Feld eines Dauermagneten 6. Die Vorrichtung wird durch eine Steuereinheit 7 gesteuert.

Die Vorrichtung hat folgende Wirkungsweise:

Das Anfahren erfolgt durch einen bei der Betätigung eines Startdruckknopfes (in Fig. 1 nicht dargestellt) in der Steuereinheit 7 erzeugten und über flexible Anschlußleitungen der Spule 5 zugeführten Stromimpuls. Die Stromstärke wird so gewählt, daß beim Zusammenwirken des Magnetfeldes der Dauermagneten 6 mit dem durch diesen Strom in den Leitern der Spule 5 erzeugten Feld, sich elektromagnetische Kräfte entwickeln, die die Bewegung des Kolbensystems 1, 2 nach rechts oder links in Abhängigkeit von der Polarität des Auslöseimpulses bewirken. Die Bewegung ruft eine Verdichtung der sich in der Brennkammer 3 oder 4 befindlichen Luft und eine entsprechende Verdünnung in der gegenüberliegenden Kammer 4 bzw. 3 hervor, wobei der erste Hub, in F i g. 2 mit »a« bezeichnet, eine Länge aufweist, die für ein Ansprechen der Geber 9 für die Bewegung nach links oder rechts ausreicht. Es folgen

noch mehrere Auslöseimpulse und denselben entsprechende, in F i g. 2 mit »b« bezeichnete Hübe, wobei der Energie der verdichteten Luft von den vorhergehenden Hüben die Energie der Stromimpulse hinzugefügt wird. Das führt zu einer schnellen Druckerhöhung, womit sich auch die Schwingungsamplituden erhöhen. Wenn beim Hub der Kolben 1 und 2 die Ein- und Auslaß-Öffnungen 10 betätigt werden, erfolgt in der entsprechenden Kammer 3 bzw. 4 ein Ansaugen eines Breniistoff-Luft-Gemisches. Die Zündung erfolgt durch einen elektrisehen Funken bei dem niedrigstmöglichen, für eine Erstzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches ausreichenden Kompressionsverhältnis, in der Größenordnung von 3 bis 9, abhängig von der Brennstoffart und -Qualität. Die Verbrennung in jeder der Brennkammern 3 oder 4 verläuft bei sich verminderndem Volumen unter der Einwirkung der in der gegenüberliegenden Brennkammer 3 bzw. 4 erzeugten Kräfte und der elektromotorischen Kraft der Spule 5. Am Ende des Hubs der Kolben 1 und 2 ergeben sich hohe Drücke, in der Größenordnung von über 100 bar, und hohe Kompressionsverhältnisse in der Größenordnung von über 25, die jedoch aufgrund der großen Vorzündung keine klopfende Verbrennung zur Folge haben. Am Hubende verändert das Kolbensystem \, 2 seine Bewegungsrichtung und der Verbrennungsprozeß wird endgültig bei sich erweiterndem Volumen abgeschlossen.

Nach der Erstzündung wächst die Geschwindigkeit des Kolbensystems 1, 2 nicht nur als Mittelwert schnell an. Sie bleibt während des gesamten Hubs der Kolben 1 und 2 bis zu den Endpunkten und zurück (Fig. 2) konstant oder nahezu konstant. Die Erhöhung der Schwingungsgeschwindigkeit führt zu einem entsprechenden Anwachsen der elektromotorischen Gegenkraft in der Spule 5 und zu einer allmählichen Verminderung der Stromstärke. Nachdem die Stromstärke den Nullwert erreicht, ändert der Strom seine Richtung und die Spule 5 wird von der Steuereinheit 7 auf Generator-Betrieb umgeschaltet.

Die Belastung des Generators 5, 6 wächst allmählich und erreicht ihren Nennwert bei einer vorgewählten, einer bestimmten erzeugten Spannung entsprechenden Schwingungsgeschwindigkeit. Beim Erreichen des Nennwerts der Generatorleistung ist die Beschleunigung des Kolbensystems vorwiegend das Ergebnis des Anwachsens der reaktiven Verdichtungsleistung. Konstante Betriebsbedingungen treten ein, wenn die abgeleitete elektrische Energie den Wert der beim ί Verbrennungsprozeß erzeugten kinetischen Energie und die Schwingungsgeschwindigkeit den vorgewählten Wert erreicht. Die erzeugte elektrische Spannung weist eine Frequenz auf, die der Schwingungsfrequenz der Spule 5 gleich ist. Durch die hohe Schwingungsfrequenz

in der Spule 5, die eine geringe Eigenmasse aufweist, wird eine Erhöhung der elektrischen Verluste beim Auftreten harmonischer Frequenzen vermieden. Sollte aus irgendeinem Grund, z. B. bei Störungen im Verbrennungsprozeß oder Überlastungen die Schwingungsgeschwindig-

',=, keit unter einer bestimmten Grenze fallen, werden von der Steuereinheit 7 erneut Impulse erzeugt. Die Spule 5 schaltet dann zeitweilig auf Motorbetrieb um. Das Umschalten der Spule 5 von Motor- auf Generator-Betrieb und umgekehrt sowie das Speichern von Energie

:<> aus den vorhergehenden Takten für die nachfolgenden stabilisiert die Frequenz und spielt die Rolle eines Schwungrades ohne Masse.

Das Abschalten der Vorrichtung erfolgt am sichersten durch ein Unterbrechen der Brennstoffzufuhr.

2") Die Amplituden-Frequenz-Kennlinie S = ψ fr,) eines nach dem Verfahren arbeitenden Wandlers ist in F i g. 2 dargestellt. Mit »a« sind das erste Viertel der Schwingungswelle beim Anfahren, mit »b« das weitere Versetzen in Schwingungsbewegungen bis zum Zeiten punkt des Beginns der Verbrennung, mit »c« die konstanten Betriebsbedingungen und mit »d« das Abschalten mit abklingenden Schwingungen, verursacht durch die gespeicherte Verdichtungsenergie, bezeichnet. Deutlich bemerkbar ist der konstante absolute Wert

i· der Geschwindigkeit mit der schroffen Richtungbänderungin den Endpunkten.

Der beim Versuch verwendete Wandler ist so gebaut, daß die Enddrücke die Grenzmöglichkeiten des Verfahrens nicht erreichen. Trotzdem ist vom Oszillo-

Hi gramm (F i g. 2) ein Verbrennen abzulesen, bei dem eine Frequenz f= 230 Hz, eine Amplitude 45 mm und ein Verdichtungsgrad ε = 16,2 erreicht werden. Verglichen mit einem konventionellen Kurbelgetrieberotationswandler ergibt sich für diese Werte eine Drehzahl von

is 13 800 U/min.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Stromerzeugung, ausgehend von einem zyklischen Verbrennungsprozeß, bei dem ein Kolbensystem in Form von zwei nicht trennbar ί gekoppelten Kolben in zwei gegenüberliegenden Brennkammern mechanisch geradlinig hin- und herbewegt werden, wobei in den Brennkammern zeitlich aufeinanderfolgend und sich zyklisch wiederholend ein durch einen elektrischen Funken ausgelöster Verbrennungsprozeß abläuft, und die kinetische Energie der hin- und hergehenden Bewegungen der beweglichen Teile in elektrische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsprozeß bei einein niedrigen Kompressionsverhältnis beginnt, der für die Erstzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches durch den elektrischen Funken ausreicht, bei einem sich vermindernden Volumen unter der Einwirkung der Kräfte der gegenüberliegenden Brennkammer verläuft und bei einem sich erweiternden Volumen beim Rückgang des Kolbens abgeschlossen wird, wobei eine elektromotorische Spannung in der an den nicht trennbar gekoppelten Kolben feststehend angebrachten Spule induziert wird, die bei ihrer Bewegung die magnetischen Feldlinien eines unbeweglichen Dauermagnetfelds durchkreuzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Versetzen des Kolbensystems w in Schwingungsbewegungen beim Anfahren die Spule auf Motorbetrieb geschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule bei einer Verminderung der Schwingungsgeschwindigkeit des Kolbensystems '> von Generator- auf Motor-Betrieb, und bei dem Wiedererreichen der Betriebsbedingungen von Motor- auf Generator-Betrieb automatisch umgeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ·"» zeichnet, daß die Schwingungsgeschwindigkeit des Kolbensystems durch Ausgleichen der ein- und abgeleiteten Leistung konstant vorgegeben und aufrechterhalten wird.

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