DE3546373A1 - Hydrodynamic drive by means of a two-stroke diesel engine with opposed free pistons and a hydraulic pump - Google Patents

Hydrodynamic drive by means of a two-stroke diesel engine with opposed free pistons and a hydraulic pump

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DE3546373A1 DE19853546373 DE3546373A DE3546373A1 DE 3546373 A1 DE3546373 A1 DE 3546373A1 DE 19853546373 DE19853546373 DE 19853546373 DE 3546373 A DE3546373 A DE 3546373A DE 3546373 A1 DE3546373 A1 DE 3546373A1
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Abstract

In this drive, the reciprocating motion of the free pistons of the diesel engine 1 is converted into rotary motion by means of the pressurised water delivered by the hydraulic pump 3, using a free-jet back-pressure turbine 100. While being of simple design, without a crank mechanism and cylinder head, exhibiting complete balancing of masses in each cylinder, smooth running and low frictional and heat losses, this drive has the advantages over the known four-stroke diesel engines that the power-to-weight ratio and specific fuel consumption are lower because the free-jet back-pressure turbine is lighter - with high delivery pressures and high speeds of rotation - and has a higher efficiency than the crank mechanism. The upstream pressure, required for the hydraulic pump, in the return line 12 is maintained by means of compressed air in the closed housing of the free-jet back-pressure turbine. The simple and robust free-jet back-pressure turbine comprises a housing with two or four nozzles and a rotor with a shaft. With constant nozzles, the turbine speed, which is dependent on the delivery rate and loading, is controlled by controlling the injection quantity of the diesel engine. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft den hydrodynamischen Antrieb durch einen Zweitakt-Dieselmotor mit gegenläufigen Freikolben und Hydropumpe, bei dem nach Patentanmeldung P 35 21 333.7 die Hubbewegung der Freikolben durch das von der Hydropumpe geförderte Druckwasser mit einer Freistrahlturbine in Drehbewegung übertragen wird. Der in der Rücklaufleitung zur Hydropumpe erforderliche Vordruck wird in dem geschlossenen Gehäuse der Freistrahlturbine durch Druckluft gehalten. Diese Gegendruck-Freistrahlturbinde besteht aus einem Gehäuse mit einem oder zwei getrennten Druckwasser- Kanälen für insgesamt zwei oder vier Düsen, den unten liegenden Anschlüssen mit Tauchstücken für die Rücklaufleitung, dem Lagerdeckel und dem Laufrad mit doppelt gelagerter Welle.The invention relates to the hydrodynamic drive by a Two-stroke diesel engine with counter-rotating free piston and hydraulic pump, in which according to patent application P 35 21 333.7 the stroke movement of the Free piston through the pressure water pumped by the hydraulic pump is transmitted with a free jet turbine in rotary motion. The admission pressure required in the return line to the hydraulic pump is in the closed housing of the free jet turbine Compressed air kept. This counter-pressure free jet turbine band exists from a housing with one or two separate pressurized water Channels for a total of two or four nozzles, the one below Connections with immersion pieces for the return line, the bearing cover and the impeller with a double-bearing shaft.

Bei der einfachen, robusten und gedrängten Bauart sind bei hohem Förderdruck und hoher Drehzahl die Abmessungen klein und die Leistungsgewichte niedrig.With the simple, robust and compact design are at high Delivery pressure and high speed the dimensions small and Performance weights low.

Durch die Tauchstücke sind diese Gegendruck-Freistrahlturbinen für Schieflagen bis zu 50° geeignet.Due to the diving pieces, these are counter-pressure free jet turbines suitable for inclinations up to 50 °.

Bei einem Förderdruck von 200 bar können z. B. Gegendruck-Freistrahlturbinen mit einem mittl. Laufraddurchmesser von 106 mm und zwei Düsen bei einer Drehzahl von 17 000 min-1 Leistungen von 80 bis 250 kW übertragen. Mit vier Düsen kann eine Leistung von 500 kW übertragen werden.With a delivery pressure of 200 bar z. B. back pressure free jet turbines with a medium. Impeller diameter of 106 mm and two nozzles transmitted at a speed of 17 000 min -1 services from 80 to 250 kW. With four nozzles, an output of 500 kW can be transmitted.

Für eine kurze Bauart des hydrodyn. Antriebes ist die Querlage des Dieselmotors günstiger als die Längsachse. Der hydrodyn. Antrieb für ein Kraftfahrzeug besteht aus einem querliegenden Zweitakt- Dieselmotor mit gegenläufigen Freikolben und Hydropumpe je zwei Druck- und Rücklaufleitungen und einer Gegendruck-Freistrahlturbine, die über ein Wechselgetriebe mit dem Ausgleichgetriebe verbunden ist. Für das Bremsen wird ein mit dem Wechselgetriebe verbundener Stromerzeuger vorgeschlagen.For a short design of the hydrodyne. Drive is the transverse position of the Diesel engine cheaper than the longitudinal axis. The hydrodyne. drive for a motor vehicle consists of a transverse two-stroke Diesel engine with counter-rotating free pistons and two hydraulic pumps Pressure and return lines and a counter-pressure free jet turbine, which is connected to the differential gear via a change gear is. A brake is connected to the change gearbox Electricity generator proposed.

Erfindungsgemäß erfolgt die Regelung der von der Fördermenge und der Belastung abhängigen Turbinen-Drehzahl bei konst. Düsen durch Regelung der Einspritzmenge des Dieselmotors.According to the control of the flow rate and the load-dependent turbine speed with constant nozzles Regulation of the injection quantity of the diesel engine.

Diese Regelung hat gegenüber der bekannten Drehzahlregelung bei Freistrahlturbinen durch Verstellung der Düsennadeln die Vorteile, daß eine Verstelleinrichtung mit Düsennadeln nicht erforderlich ist, und daß die Druckverluste in den freien Düsen niedriger sind als in Düsenspalten. Mit niedrigeren Druckverlusten in kleinen freien Düsen ist die Gegendruck-Freistrahlturbine auch für kleinere Leistungen geeignet.This regulation has compared to the known speed regulation Free jet turbines by adjusting the nozzle needles the advantages  that an adjustment device with nozzle needles is not required and that the pressure losses in the free nozzles are lower than in nozzle columns. With lower pressure drops in small The back-pressure free jet turbine is also available for free nozzles smaller services suitable.

Erfindungsgemäß erfolgt der Leerlauf bei geöffnetem Leerlaufventil, das an einer Druckleitung angeordnet ist, weil bei konst. Düsen für die kleinste Fördermenge der Förderdruck noch zu hoch ist.According to the invention, the idling takes place with the idling valve open, which is arranged on a pressure line, because at const. Nozzles for the smallest delivery rate the delivery pressure is still too high is.

Erfindungsgemäß hat die Gegendruck-Freistrahlturbine zwei getrennte Druckkanäle mit einer Querverbindung und einem dahinter liegenden Absperrventil, das bei Teilbetrieb geschlossen ist, damit der Antrieb durch die Teil-Fördermenge in einem Druckkanal auch mit hohem Förderdruck erfolgen kann.According to the counter-pressure free jet turbine has two separate ones Pressure channels with a cross connection and one behind Shut-off valve that is closed during partial operation so that the Also driven by the partial delivery in a pressure channel high delivery pressure can take place.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt:The invention is shown in the drawing, for example, and shows:

Blatt 1 Anordnung einer Gegndruck-Freistrahlturbine und eines Dieselmotors in Längsstellung Sheet 1 Arrangement of a counter-pressure free jet turbine and a diesel engine in the longitudinal position

Blatt 2 Anordnung einer Gegendruck-Freistrahlturbine und eines Dieselmotors in Querstellung Sheet 2 Arrangement of a counter-pressure free jet turbine and a diesel engine in the transverse position

Blatt 3 Querschnitt einer Gegendruck-Freistrahlturbine mit einem Druckkanal Sheet 3 Cross-section of a counter-pressure free jet turbine with a pressure channel

Blatt 4 Längsschnitt einer Gegendruck-Freistrahlturbine mit einem Druckkanal Sheet 4 longitudinal section of a counter-pressure free jet turbine with a pressure channel

Blatt 5 Querschnitt einer Gegendruck-Freistrahlturbine mit zwei Druckkanälen Sheet 5 Cross section of a back pressure free jet turbine with two pressure channels

Blatt 6 Längsschnitt einer Gegendruck-Freistrahlturbine mit zwei Druckkanälen Sheet 6 Longitudinal section of a counter-pressure free jet turbine with two pressure channels

Nach Blatt 1 ist die Hydropumpe 3 des in Längsstellung angeordneten Zweitakt-Dieselmotors 1 mit gegenläufigen Freikolben durch die Druckleitungen 11 und die Rücklaufleitung 12 mit der Gegendruck- Freistrahlturbine 100 verbunden.According to sheet 1, the hydraulic pump 3 of the two-stroke diesel engine 1 arranged in the longitudinal position is connected with counter-rotating free pistons through the pressure lines 11 and the return line 12 to the counter-pressure free jet turbine 100 .

Nach Blatt 2 ist die Hydropumpe 3 des querliegenden Dieselmotors 1 durch zwei Druckleitungen 11 und zwei Rücklaufleitungen 12 mit der Gegendruck-Freistrahlturbine 100 verbunden.According to sheet 2, the hydraulic pump 3 of the transverse diesel engine 1 is connected to the counter-pressure free-jet turbine 100 by two pressure lines 11 and two return lines 12 .

Bei Kraftfahrzeugen kann bei dieser kurzen Bauart die mit dem Wechselgetriebe W verbundene Gegendruck-Freistrahlturbine 100 über dem Ausgleichsgetriebe A angeordnet sein.In motor vehicles with this short design, the counter-pressure free jet turbine 100 connected to the change gear W can be arranged above the differential gear A.

Außerdem kann die Kraftübertragung zwischen dem Wechselgetriebe und dem Ausgleichsgetriebe durch eine Gelenkwelle erfolgen. In addition, the power transmission between the change gear and the differential gear through a cardan shaft.  

Nach Blatt 3 bis 6 besteht die Gegendruck-Freistrahlturbine 100 aus dem Gehäuse 101 mit einem oder zwei Druckkanälen K mit insgesamt zwei oder vier Düsen D, dem Lagerdeckel 102, dem Laufrad 103 mit der kurzen, doppelt gelagerten Welle 104.According to sheets 3 to 6, the counter-pressure free jet turbine 100 consists of the housing 101 with one or two pressure channels K with a total of two or four nozzles D , the bearing cover 102 , the impeller 103 with the short, double-bearing shaft 104 .

Da bei der paarweisen Anordnung der Düsen das Laufrad nur Drehmomente überträgt, sind die Reibungsverluste in den Lagern sehr klein.Since the impeller is only torque when the nozzles are arranged in pairs transfers, the friction losses in the bearings are very high small.

Bei der axialwirkenden Gleitringdichtung läuft der sich mit der Welle drehende Gleitring 110 gegen den im Gehäuse elastisch gelagerten, ruhenden Drichtring 111 an.In the case of the axially acting mechanical seal, the sliding ring 110 rotating with the shaft runs against the stationary sealing ring 111 which is elastically mounted in the housing.

Die Düsen haben eingeschraubte verschleißfeste Einsätze 108. Die unten an dem Gehäuse angeordneten Rücklaufanschlüsse haben Tauchstücke T, die nach innen verlängert sind, damit bei Schieflagen bis zu 50° die Öffnungen im Wasser bleiben.The nozzles have screwed-in wear-resistant inserts 108 . The return connections arranged at the bottom of the housing have immersion pieces T which are extended inwards so that the openings remain in the water in the event of inclinations of up to 50 °.

Der in den Rücklaufleitungen 12 erforderliche Vordruck wird durch Druckluft in dem geschlossenen Gehäuse 101 der Gegendruck- Freistrahlturbine gehalten.The admission pressure required in the return lines 12 is held by compressed air in the closed housing 101 of the counter-pressure free jet turbine.

Bei schwacher Belastung wird bei Vierzylinder-Dieselmotoren durch Teilbetrieb des Dieselmotors und der Turbine Kraftstoff gespart. Die Schaltung des Teilbetriebes erfolgt bei Fahrzeugen von Hand und bei Stromerzeugung autom. durch den Förderdruck der Hydropumpe.At low loads, four-cylinder diesel engines are used Partial operation of the diesel engine and the turbine saved fuel. The partial operation of vehicles is carried out by hand and autom. by the delivery pressure of the hydraulic pump.

Bei Fahrzeugen wird der mit dem Wechselgetriebe W verbundene Stromerzeuger S mit dem Bremspedal für eine elektr. Bremsung eingeschaltet.In vehicles, the power generator S connected to the change gear W is connected to the brake pedal for an electr. Braking switched on.

Leerlauf und Schalten des Wechselgetriebes erfolgen bei geöffnetem Leerlauf-Ventil.Idling and shifting of the change gear take place when the gearbox is open Idle valve.

Das Anfahren erfolgt ohne Getriebeschaltung durch Einspritzregelung mit dem Fahrpedal.Starting takes place without gear shifting by means of injection control with the accelerator pedal.

Die von dem Förderdruck abhängige Beschleunigung verläuft weich, weil das Laufrad der Gegendruck-Freistrahlturbine hierbei Schlupf hat. Nach der Beschleunigung sind die Schlupfverluste sehr klein. Das Leerlaufventil 13 ist an einer Druckleitung 11 angeordnet und wird durch das Fahrpedal geschaltet.The acceleration, which is dependent on the delivery pressure, runs smoothly because the impeller of the counter-pressure free jet turbine slips. After acceleration, the slip losses are very small. The idle valve 13 is arranged on a pressure line 11 and is switched by the accelerator pedal.

Für den Teilbetrieb bei Vierzylinder-Dieselmotoren hat die Gegendruck- Freistrahlturbine zwei getrennte Druckkanäle K und die beiden Druckleitungen 11 haben eine Querverbindung L, hinter der ein Absperrventil 14 angeordnet ist, damit der Antrieb nur durch einen Druckkanal auch mit hohem Förderdruck erfolgen kann. For partial operation in four-cylinder diesel engines, the counter-pressure free jet turbine has two separate pressure channels K and the two pressure lines 11 have a cross connection L , behind which a shut-off valve 14 is arranged, so that the drive can only take place through a pressure channel with a high delivery pressure.

Die Regelung der von der Fördermenge und der Belastung abhängigen Turbinen-Drehzahl erfolgt bei konst. Düsen durch Regelung der Einspritzmenge des Dieselmotors.The regulation of the dependent on the flow rate and the load Turbine speed occurs with constant nozzles by regulating the Injection quantity of the diesel engine.

Bei konst. Düsen sind Kolbengeschw. des Dieselmotors, Fördermenge und Förderdruck der Hydropumpe, und Düsengeschw. und Drehzahl der Gegendruck-Freistrahlturbine von der Einspritzmenge des Dieselmotors abhängig. Außerdem ist die Turbinen-Drehzahl von der Belastung abhängig. Bei der gleichen Düsengeschw. steigt die Turbinen-Drehzahl somit bei fallender Belastung an und das Drehmoment wird kleiner.With constant nozzles, piston speeds are of the diesel engine, delivery rate and delivery pressure of the hydraulic pump, and nozzle speed. and speed the back pressure free jet turbine from the injection quantity of the Diesel engine dependent. In addition, the turbine speed is from depending on the load. At the same nozzle speed. the rises Turbine speed thus with falling load and the torque gets smaller.

Bei der einfachen, robusten und gedrängten Bauart ist die Gegendruck- Freistrahlturbine auch für kleine Leistungen und für Fahrzeuge geeignet, und hat bei hohem Förderdruck und hoher Drehzahl kleine Abmessungen und ein niedriges Leistungsgewicht.With the simple, robust and compact design, the counter pressure Open jet turbine also for small outputs and for vehicles suitable, and has at high delivery pressure and high speed small dimensions and a low power-to-weight ratio.

Für einen Förderdruck von 200 bar sind die Drehzahlen des Laufrades mit einem mittl. Durchmesser von 600 mm etwa 3000 U/min und bei 106 mm etwa 17 000 U/min.The speeds of the impeller are for a delivery pressure of 200 bar with an average Diameter of 600 mm about 3000 rpm and at 106 mm, about 17,000 rpm.

Mit vier Düsen können hierbei durch das große Laufrad bis zu 16 000 kW und durch das kleine Laufrad bis zu 500 kW übertragen werden.With four nozzles, the large impeller allows up to 16,000 kW and up to 500 kW transmitted through the small impeller will.

Claims (3)

1. Hydrodynamischer Antrieb durch einen Zweitakt-Dieselmotor (1) mit gegenläufigen Freikolben und Hydropumpe (3), bei dem die Hubbewegung der Freikolben durch das von der Hydropumpe geförderte Druckwasser mit einer Gegendruck-Freistrahlturbine (100) in Drehbewegung übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Freistrahl-Turbine zwei oder vier paarweise angeordnete konstante Düsen hat, damit die Regelung der von der Fördermenge und der Belastung abhängigen Turbinen-Drehzahl durch Regelung der Einspritzmenge des Dieselmotors erfolgt.1. Hydrodynamic drive by a two-stroke diesel engine ( 1 ) with counter-rotating free pistons and hydraulic pump ( 3 ), in which the lifting movement of the free pistons is transmitted in rotary motion by the pressurized water conveyed by the hydraulic pump with a counter-pressure free jet turbine ( 100 ), characterized in that that the free jet turbine has two or four constant nozzles arranged in pairs, so that the regulation of the turbine speed, which is dependent on the delivery quantity and the load, takes place by regulating the injection quantity of the diesel engine. 2. Hydrodynamischer Antrieb durch einen Zweitakt-Dieselmotor mit gegenläufigen Freikolben und Hydropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Druckleitung (11) ein Leerlaufventil (13) angeordnet ist, das bei Leerlauf geöffnet wird, weil bei konst. Düsen für die kleinste Fördermenge der Förderdruck noch zu hoch ist.2. Hydrodynamic drive by a two-stroke diesel engine with counter-rotating free piston and hydraulic pump according to claim 1, characterized in that an idle valve ( 13 ) is arranged on the pressure line ( 11 ), which is opened at idle because at constant nozzles for the smallest Delivery rate the delivery pressure is still too high. 3. Hydrodynamischer Antrieb durch einen Zweitakt-Dieselmotor mit gegenläufigen Freikolben und Hydropumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegendruck-Freistrahlturbine für den Teilbetrieb eines Vierzylinder-Dieselmotors zwei getrennte Druckkanäle (D), und die Druckleitungen (11) eine Querverbindung (L) mit einem dahinter liegenden Absperrventil (14) haben, damit bei Teilbetrieb bei geschlossenem Absperrventil mit einem Druckkanal die halbe Leistung erreicht wird.3. Hydrodynamic drive by a two-stroke diesel engine with counter-rotating free piston and hydraulic pump according to claims 1 and 2, characterized in that the counter-pressure free jet turbine for the partial operation of a four-cylinder diesel engine two separate pressure channels ( D ), and the pressure lines ( 11 ) one Have a cross-connection ( L ) with a shut-off valve ( 14 ) behind it, so that half the capacity is achieved with a pressure channel in partial operation with the shut-off valve closed.
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