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Arbeitsverfahren und Einrichtung für ein aus mehrzylindriger Kolbenmaschine
und Abgaskraftmaschine, insbesondere Abgasturbine, zusammengesetztes Aggregat. Gegenstand
der Erfindung ist ein Arbeitsverfahren für- ein aus mehrzylindriger Kolbenmaschine
und Abgaskraftmaschine, insbesondere Abgasturbine, zusammengesetztes Aggregat, welches
sich von den bekannten Konstruktionen dadurch unterscheidet, daß die Explosionsgase
nach kurzer Dehnung in einem Zylinder in den folgenden überströmen, um hier vorzudichten
und zu zünden, wonach sie in den Sammelkanal abfließen. Bei der Auführung der Maschine
zur Durchführung des Verfahrens erfolgt gemäß der Erfindung die Verbindung des soeben
frisch gefüllten Zylinders mit dem vorhergehenden, die explodierten Gase enthaltenden
Zylinders durch eine Durchbrechung des Kolbens, welcher bei bestimmter Lage des
Kolbens eine Öffnung in der Zylinderwand mit der nach dem Deckel des vorhergehenden
Zylinders führenden Ein- und Ausströmöffnung verbindet. Die Zeichnungen zeigen zwei
Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes, und zwar ist Abb. z ein Schnitt durch
die Maschine in Verbindung mit einer Turbine; Abb. a zeigt das Umschaltventil für
die Turbine im Grundriß ; Abb. 3 ist ein Schnitt durch Abb. z ; Abb. q. ist eine
schematische Darstellung der Ein- und Ausströmleitungen; Abb. 5 ist ein Teil von
Abb. 3 bei anderer Stellung der Kolben; Abb. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform
mit vier Zylindern im Schnitt; Abb.7 ist ein schematischer Grundriß von Abb. 6,
der die Leitungen zeigt.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel besitzt die die gespannten Gase
erzeugende Maschine acht Zylinder a1 bis a8, in denen die Kolben bi bis b8 arbeiten.
Alle sind an einem gemeinschaftlichen
Kurbelzapfen angeschlossen
und arbeiten sämtlich auf die Kurbelwelle d. Seitlich an der Maschine sind zwei
ringförmige Kanäle e und f angeordnet. An ersteren ist die Einströmung des Brennstoffluftgemisches
angeschlossen, während letzterer nach dem Auspuff führt. Jeder Zylinder besitzt
zwei Ventile g1 und g2, die in einem gemeinschaftlichen, vom Zylinder ausgehenden
Kanal lz liegen und von denen das eine diesen E anal mit dem Ringkanal e und das
zweite ihn mit dem Ringkanal f verbindet. Die Ventile werden durch eine Nockenscheibe
i, die auf der Welle d sitzt, in der noch anzugebenden Weise gesteuert. Der Kanal
h führt, wie insbesondere aus Abb. 3 zu erkennen ist, nach der Zylinderdeckelseite.
Ferner ist in jedem Zylinder ein Kanal k vorgesehen, der U-förmig ausgebildet ist
und bei bestimmter Stellung des Kolbens den Raum über dem Kolben mit einer Bohrung
m im Kolben verbindet. Diese Bohrung in ist ebenfalls U-förmig und verbindet gleichzeitig
den Kanal k mit einem Kanal n, der nach dem Kanal h des vorangehenden Zylinders
führt. Die Bohrung m ist, wie bereits erwähnt, U-förmig, wobei sich der Querbalken
des U in der Achsrichtung des Zylinders erstreckt. Von dem einen Steg des Kanals
m geht aber auch noch eine in Richtung-einer Sehne. gelegte Bohrung o aus, welche
k. der Läge des Kolbens, in welcher dieser Steg des U-förmigen Kanals m sich mit
dem Kanal n deckt, diesen mit einer. weiteren Bohrung in der Zylinderwand verbindet,
welche nach einem Kanal p führt. Dieser Kanal geht in einen Ringkanal q über, der
zweckmäßig allmählich- weiter werdend. ausgebildet ist, und an den sich eine Leitung
y (Abb. i), anschließt. Diese Leitung y führt @näch der von den erzeugten gespannten
Gasen anzutreibenden Maschine, bei dem Ausführungsbeispiel, also_ zum Antrieb der
Turbine.
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Die Arbeitsweise der Maschine ist folgende Das Brennstoffgemisch strömt
durch die Leitung e zu; sobald der Kolben seine Endstellung erreicht .hat und die
Füllperiode. beginnen soll öffnet sich das Einlaßventil g2 durch die Nockenscheibe
i. Das frische Gemisch strömt infolgedessen von dem Ringkanal e,= durch den Kanal
h des betreffenden Zylinders über den Kolben ein.bzw.: wird von dem Kolben eingesaugt.
Zur Erhöhung der Spannung kann man natürlich auch ein verdichtetes Gasluftgemisch
eindrücken., - Die Füllung dauert- fort, bis die Oberkante des Kolbens etwa den
Kanal k erreicht. In diesem Augenblick schließt sich das Ventil-g2. Der Kolben setzt
jetzt seine Bewegung fort und verbindet den Kanal k mit dem. .Raum oberhalb des
Kolbens, in. dem,- sich das frische Gasge@nise_z@__befix@detr._: Infolgede5sen--
besteht eine Verbindung zwischen diesem Raum oberhalb des Kolbens durch den Kanal
k, ferner durch den U-förmigen Kanal in und über dem Kanal n nach dem Kanal
h des vorhergehenden Zylinders. Dieser vorhergehende Zylinder, dessen Kolben
bereits ein Stück weitergegangen ist,' ist kurz hinter der Explosionsperiode, es
befinden sich in ihm noch die brennenden explodierten Gase und diese dringen jetzt
durch den erwähnten Weg m, n, k in den mit frischem Gasgemisch - gefüllten
Zylinder und bringen dieses zur. Explosion. Solange der Kanal k offen ist, wirkt
die durch die Explosion erzeugte Druckerhöhung sowohl auf den Kolben in diesem Zylinder
ein, in dem sie ihn vorwärts drück; als auch auf den Kolben in dem vorhergehenden
Zylinder, weil ja doch eine Verbindung der Zylinder vorhanden ist. Diese Periode
dauert nur kurze Zeit an, nämlich bis der Kolben den nach der Mitte der Maschine
zu gelegenen Steg des Kanals k wieder abgesperrt hat, also etwa bis zu der Stellung,
in der der Kolben a3 gezeichnet ist. Von diesem Augenblick an findet eine reine
Expansion in dem arbeitenden Zylinder, also beispielsweise im Zylinder a3, statt,
die fortdauert, bis in dem nächstfolgenden Zylinder die Querbohrung m, o des Kolbens
den Kanal n deckt.
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Geht man von dem Zylinder a1 als dem Zylinder aus, - in dem jetzt
die EXpansion stattfindet, so würde bei dem nächsten Zylinder a2 bereits die volle
Deckung der Kanäle in bzw. n vorhanden sein. Die noch hochgespannten. Gase
über dem -Kolben, des Zylinders a1 knnen jetzt durch den Kanal la des Zylinders
a1; dann dürch den Kanal n, o und p des Zylinders a2 in den ringförmigen Kanal
q entweichen - Da die Welle d der Maschine unbelastet ist und die
Öffnung des Auspuffs bereits vor Beendigung des Kolbenhubes stattfindet,- handelt
es ,sich: bei derr in dem Kanal q austretenden : Gasen, um- -sehr hochgespannte
Gase, die jetzt zur Arbeitsleistung 'herangezogen werden können. Der Explosionsdruck
steigert, sich vom Anlasseil der Maschine an in den Zylindern allmählich, bis ein-
der Füllung und der Kraftentnahme entsprechender Maximaldruck erreicht. ist. Denn-
die Füllung eines jeden Zylinders, die konstant ist, soweit nicht eine Anreicherung
oder Verschlechterung des Gasgemisches durch besondere Regelungsvorrichtungen stattfindet,
wird jedesmal verstärkt durch die expandierenden Gase des vorhergehenden Zylinders.
Die Spannung wird demnach in den folgenden Zylindern : stets.. eine, höhere sein
als in den vorhergehenden, so wird eine Spannüngszunahme stattfinden, bis- sich,
die Maschine auf einen konstantea-Druck einstellt. -Der Auspuff aus dexn-:7ylinder
ai _ n__d_e_n
Kanal q dauert an, bis beim Rückgang des Kolbens des
dahinterliegenden Zylinders a dieser den Kanal n wieder abschließt. Nun findet eine
geringe Verdichtung der in dem Zylinder noch vorhandenen Gase statt; sobald aber
der Kolben von a2 wieder den Kanal k mit n verbindet, werden die verdichteten Gase
von a' in den folgenden Zylinder a2 hineingedrückt. Die in ihnen aufgespeicherte
Kraft bleibt also der Maschine erhalten. Sobald der Kanal k wieder geschlossen ist
(Zylinder a6) findet innerhalb des Raumes, in dem vorher die reine Füllung vor sich
geht, eine abermalige Verdichtung statt, und um diesen Kraftverlust zu vermeiden
und um die Zylinder vollständig frei von Rückständen zu haben, öffnet sich, nachdem
der Kanal k geschlossen ist, das Auspuffventil g1 des betreffenden Zylinders und
es steht nun der Kanal k dieses Zylinders unmittelbar mit der Ringleitung f, die
nach dem Auspuff führt, in Verbindung.
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In Abb. 5 ist eine Stellung der Kolben gezeigt, welche deutlich die
verschiedenen Leitungen erkennen läßt. In dieser Stellung findet in dem Zylinder
a3 die Expansion statt. In dem Zylinder a4 ist die Füllung mit frischem Gasgemisch
beendet und es beginnt gerade die Öffnung des Kanals k, so daß der Raum über dem
Kolben durch k, m, zz, h mit dem Zylinder a3 in Verbindung steht.
Die brennenden Gase strömen infolgedessen in den Zylinder a4 aus und erzeugen dort
die Explosion. Der Zylinder a5 ist gerade in der Füllperiode, d. h. das frische
Gasgemisch strömt durch das EinIaßventil g2 in den Kanal k über den Kolben.
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In Abb. 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform der Maschine dargestellt,
und zwar handelt es sich hier um eine Vierzylindermaschine mit je zwei V-förmig
angeordneten Zylindern, deren Kurbeln um go° versetzt sind. Die Arbeitsweise dieser
Maschine ist genau die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
_1n Stelle der Ringkanäle e und f sind hier flache sich über die Maschine
erstreckende Kanäle e1, f 1 vorgesehen, deren Lage insbesondere aus Abb. 7 zu erkennen
ist. Die Steuerung des Einlasses erfolgt auch hier durch Ventile g1, g2 und durch
eine Nockenscheibe i. Der Auspuff erfolgt in dem Kanal q. Abb. 7 läßt schematisch
die Leitungsführungen erkennen.
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Natürlich kann man die Zylinder auch sämtlich nebeneinander anordnen
und die Kanäle an der Maschine entlang führen. In diesem Falle müssen natürlich
die Kurbelwellen gekröpft sein, damit die Stellung der Kolben in den Zylindern die
richtige ist und etwa der bei der sternförmigen Anordnung entspricht. Überhaupt
ist die Anordnung der Zylinder unabhängig von dem Erfindungsgedanken.
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Die in den Kanal q hineingedrückten hochgespannten Gase gehen nun
über die Leitung y nach der durch die Gase anzutreibenden Kraftmaschine. Bei dem
Ausführungsbeispiel ist dies eine Gasturbine, die für Vorwärts- und Rüchwärtslauf
eingerichtet ist.
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Man kann die Maschine auch unmittelbar als Kraftmaschine verwenden,
indem man von der Welle d die Kraft abnimmt. Die Maschine arbeitet dann in der angegebenen
Weise als Explosionskraftmaschine. Der Drehschieber v wird in diesem Fall so eingestellt,
daß die Leitung r durch den Schlitz v1 mit der ins Freie führenden Auspuffleitung
w verbunden ist, so daß die Turbine vollständig ausschaltet.