DE4037234C1

DE4037234C1 - Free-piston IC engine - supplies gas to gas turbine for driving locomotive

Info

Publication number: DE4037234C1
Application number: DE19904037234
Authority: DE
Inventors: Eduard 6830 Schwetzingen De Koellner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-11-23
Filing date: 1990-11-23
Publication date: 1992-01-23
Anticipated expiration: 2010-11-24

Abstract

The gas turbine has two free internally cooled pistons guided coaxially one end in a tube and symmetrically controlled and with lubricated sliding surfaces. A cylinder as a carried shaft has an end guide bush formed with the shaft and a bush the far end for the combustion chamber injection pump. A radial gas turbine coaxially seated on the cylinder uses spent combustion gas and forms compressors on both sides for heated cooling air from cylinder and piston to feed to the combustion chamber. Controls regulate piston stroke, compression, injection volume and timing by ring magnets to ignite fuel for constant volume combustion. The two pistons (17,39) should be hollow and each comprises a tube-guided (73,84) coaxial buffer piston (74,82) and an axial working pistons (18,76) at each end face . The tubes converge and diverge symmetrically along their axis (X) in the end bushings (13,43) and with the pistons divide the cylinder into additional combustion spaces (21,37) between main chamber (33) and buffer pistons so the pistons close off transfer flow slots (19,38) as they move to their inner dead centre, thus building up air cushions which brake the first free piston departing from its symmetrical run. Fresh air (5a) enters through slots (2,47) into the bushings and via the guide tubes into the pistons. It is diverted by coaxial guide tubes (77,78) at the work piston ends into the cooling air slots (75,79) and thence via the additional combustion spaces. USE/ADVANTAGE - Locomotive etc free piston engines. Turbine runs at max thermal efficiency and can use different fuels.

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolben-Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches. Aus der Patentanmeldung von Hugo Junkers, aus dem Jahre 1910, ist das Prinzip einer Freikolben-Verbren nungs-Kraftmaschine, ähnlich den Merkmalen des Oberbe griffes des Patentanspruches bekannt.The invention relates to a free-piston gas turbine with the features of the preamble of the claim. From Hugo Junkers' patent application, from Years 1910 is the principle of free piston combustion power engine, similar to the characteristics of the Oberbe handle of the claim known.

Später wurden Freikolben-Verbrennungs-Kraftmaschinen, zum Beispiel in Frankreich bei der SNCF und in den USA, zum Antrieb von Lokomotiven erfolgreich eingesetzt und haben sich auch als Antrieb des Küstenschiffes "Contenac" bewährt.Later, free-piston internal combustion engines, for example in France at the SNCF and in the USA, successfully used to drive locomotives and have also powered the coastal ship "Contenac" proven.

Diese Freikolben-Verbrennungs-Kraftmaschinen bestehen im wesentlichen aus einem Zweitakt-Gegenkolben-Diesel motor als Gaserzeuger. Seine Arbeitskolben sind koaxial mit den Pufferkolben verbunden, wobei beide als Frei kolben eine Einheit bilden.These free piston internal combustion engines exist essentially from a two-stroke counter-piston diesel engine as a gas generator. Its working pistons are coaxial connected to the buffer piston, both as free piston form a unit.

Der Brennraum ist nach dem Prinzip eines Zweitakt-Die selmotors ausgebildet. Der Raum hinter den beiden Puf ferkolben enthält verdichtete Luft, die als Luftpol ster wirkt, welches die im Arbeitstakt nach außen ge schleuderten Freikolben wieder zurückwirft.The combustion chamber is based on the principle of a two-stroke die selmotors trained. The space behind the two pufs Piston contains compressed air, which acts as an air pole ster acts, which the outward in the work cycle hurled free pistons.

Im Verdichtungsraum wird Luft verdichtet, die für die Spülung der Zylinder und zur Bildung des Brennstoff- Luftgemisches verwendet wird. Ein Synchronisierungsge stänge erzwingt den synchronen Gleichlauf der Freikol ben und dient zum Antrieb der Schmier- und Steuerele mente und der Einspritzpumpe.Air is compressed in the compression chamber Flushing the cylinders and forming the fuel Air mixture is used. A synchronization device rod forces the synchronous synchronism of the Freikol ben and serves to drive the lubricating and control elements elements and the injection pump.

Die aus dem Brennraum ausströmenden Gase werden über einen Druckausgleichbehälter einer Gasturbine zugeführt, deren rotierender Abtrieb an deren Kupplung abgenommen wird.The gases flowing out of the combustion chamber are over a pressure expansion tank supplied to a gas turbine, whose rotating output is removed from their clutch becomes.

Diese Erfindung weist folgende Nachteile auf: Der Betriebsablauf findet in zwei voneinander getren nten Anlagen, in einer Freikolben-Verbrennungs-Kraft maschine und in einer separaten Gasturbinenanlage statt. Diese getrennte Anordnung benötigt viel Raum. Der ther mische Wirkungsgrad dieses Dieselverfahrens kann nicht verbessert werden. Außerdem fehlt eine wirksame Kühlung der Freikolben. Der Betrieb mit verschiedenartigen Brennstoffen ist nicht möglich.This invention has the following disadvantages: The operational flow takes place in two separate areas plants in a free-piston combustion force machine and in a separate gas turbine system. This separate arrangement takes up a lot of space. The ther The efficiency of this diesel process cannot be mixed be improved. There is also no effective cooling the free piston. Operation with various Fuels are not possible.

Aus der DE-PS 27 39 129 ist eine weitere Vielstoff-Freikolben-Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches bekannt.From DE-PS 27 39 129 is another Multi-component free-piston gas turbine with the characteristics of The preamble of the claim is known.

Bei dieser Erfindung bildet die Freikolben-Brennkraft maschine und die Gasturbine eine maschinelle Einheit. Das Innere des Zylinders wird durch einen doppeltwir kenden, von einem Steuerschieber koaxial durchdrungenen Freikolben in zwei Brennräume, denen ein Brennstoff- Luftgemisch zugeführt wird, unterteilt. Dazu ist der Steuerschieber, der beidseitig des Freikolbens mit Ausströmschlitzen zur Zufuhr des Brennstoff-Luftgemi sches in die Brennräume ausgerüstet ist, in stirnsei tig im Zylinder angeordneten Führungsbüchsen, in Rich tung der Längsachse X verschieblich angeordnet. Der Zy linder ist durch die Führungsbüchsen in stirnseitig an geordneten Gleitlagern in Richtung der Längsachse X verschieblich und um die Längsachse X drehbar gelagert. Die Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches erfolgt nach dem 2-Takt-Verfahren durch eine unmittelbare Selbst zündung. Die aus den Brennräumen ausströmenden Gase werden durch einen mittig auf dem Zylinder aufsitzenden, als Ejektor wirkenden, die Kühlluft beidseits des Zylin ders absaugenden Düsenkranz aufgenommen und an eine Gas turbine, zwecks Erzeugung von rotierenden Abtrieb, wei tergeleitet. Dabei wirken die Leitschaufeln als Glüh körper für die Nachverbrennung der durch das 2-Takt- Verfahren bedingte, aus den Brennräumen ausströmende Rest von nicht verbranntem Brennstoff.In this invention, the free piston internal combustion forms machine and the gas turbine a mechanical unit. The inside of the cylinder is doubled kenden, coaxially penetrated by a control slide Free pistons in two combustion chambers, which have a fuel Air mixture is fed divided. This is the Control spool on both sides of the free piston Outflow slots for feeding the fuel-air mixture in the combustion chambers, in front Guide bushes arranged in the cylinder, in Rich device of the longitudinal axis X slidably arranged. The Zy Linder is on the front through the guide bushes ordered plain bearings in the direction of the longitudinal axis X slidably and rotatably about the longitudinal axis X. The combustion of the fuel-air mixture takes place according to the 2-stroke process by an immediate self ignition. The gases flowing out of the combustion chambers are placed in the middle of the cylinder, acting as an ejector, the cooling air on both sides of the Zylin the suction nozzle ring and attached to a gas turbine, for generating rotating output, white forwarded. The guide vanes act as glow body for the afterburning by the 2-stroke Process-related, flowing out of the combustion chambers Rest of unburned fuel.

Zum Auffangen der um ihren gemeinsamen Massenschwerpunkt in Richtung der Längsachse X frei schwingenden Massen des Zylinders mit der fest aufsitzenden Gasturbine ei nerseits und die Massen des Freikolbens mit dem Steuer schieber und Zubehör andererseits, dient eine auf einer Abtriebswelle aufsitzende elastische Kupplung, welche die Schwingweite der oszillierenden Massen progressiv begrenzt.To catch up around their common center of mass masses freely oscillating in the direction of the longitudinal axis X. of the cylinder with the fixed gas turbine egg on the other hand and the masses of the free piston with the steering wheel on the other hand, slide and accessories serve one on one Output shaft seated elastic coupling, which the amplitude of the oscillating masses progressive limited.

Diese Erfindung weist folgende Nachteile auf: Der einfache mechanische Aufbau wird durch ein unvoll kommen gelöstes Problem der schwingenden Massen erkauft. Der um seine Längsachse X drehbar gelagerte Zylinder schwingt gleichzeitig in Richtung der Längsachse X, hin und her. Deshalb kann er nicht zur direkten Weiter leitung des rotierenden Abtriebes genutzt werden. Er benötigt zusätzlich eine die oszillierenden Massen progressiv begrenzende Kupplung. Trotzdem muß damit ge rechnet werden, daß der gemeinsame Massenschwerpunkt, beispielsweise durch äußere Einflüsse bedingt, nicht in Ruhe bleiben wird und die Schwingungen zu erheblichen Bauteilbelastungen führen werden.This invention has the following disadvantages: The simple mechanical structure is due to an incomplete come solved problem of swinging masses bought. The cylinder rotatably mounted about its longitudinal axis X. swings simultaneously in the direction of the longitudinal axis X, back and forth. Therefore, he cannot go straight on line of the rotating output can be used. He also needs an oscillating mass progressively limiting clutch. Nevertheless ge must be calculated that the common center of mass, for example due to external influences, not in Will remain calm and the vibrations become significant Component loads.

Weiter muß bezweifelt werden, ob durch die Nachverbren nung an den als Glühkörper wirkenden Leitschaufeln, die für den 2-Takt-Motor mit Schlitzsteuerung typischen Ver luste verhindert werden können. Weitere Verluste ent stehen durch den als Ejektor wirkenden, die Kühlluft vom Zylinder absaugenden Düsenkranz.It must also be questioned whether the afterburns on the guide vanes, which act as incandescent bodies typical for the 2-stroke engine with slot control Lusts can be prevented. Further losses ent stand by the cooling air acting as an ejector nozzle ring sucking off the cylinder.

Außerdem ist es fraglich, ob eine nicht steuerbare, un mittelbare Selbstzündung über alle Lastbereiche beherr schbar ist.It is also questionable whether a non-taxable, un indirect ignition over all load ranges is schbar.

Diese negativen Tendenzen werden noch durch das große Oberflächen-Volumen-Verhältnis bei der Verbrennung ver stärkt. Außerdem sind durch die Gemisch-Schmierung der Freikolben Abgasprobleme zu erwarten.These negative tendencies are compounded by the big one Surface-to-volume ratio during combustion ver strengthens. In addition, due to the mixture lubrication Free piston exhaust problems to be expected.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Freikol ben-Gasturbine der vorgehend beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, daß sie bei maximalen thermi schen Wirkungsgraden, wahlweise mit verschiedenen Bren nstoffen betrieben werden kann.The object of the present invention is a free col ben gas turbine of the type described above to develop in such a way that at maximum thermi efficiency, optionally with different burns can be operated.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches angegeben.The solution to this problem is through the characteristic Features of the claim specified.

Nach dem Stand der Technik erreichen Kolben-Brennkraft maschinen, die mit dem Diesel-Verfahren betrieben werden, den höchsten thermischen Wirkungsgrad. Dieser kommt jedoch nur durch das größere Verdichtungsverhältnis, das beim Diesel-Verfahren erreicht wird, zustande. Wie das Temperatur-Entropie-Diagramm zeigt, könnte der thermische Wirkungsgrad noch größer sein, wenn die Ver brennung wie beim Otto-Verfahren, bei konstantem Volu men in einem Gleichraum stattfinden würde.According to the prior art achieve piston internal combustion machines that are operated with the diesel process, the highest thermal efficiency. This is coming but only because of the larger compression ratio, that is achieved with the diesel process. As the temperature-entropy diagram shows, the thermal efficiency may be even greater if the ver Burning like with the Otto process, with constant volu would take place in a common room.

Deshalb muß die erfindungsgemäße Freikolben-Gasturbine so ausgebildet werden, daß der Betriebsablauf durch eine automatische Steuerung der Hübe der Freikolben, der Verdichtungsverhältnisse und der Zuteilung an Brenn stoff, die Verbrennung in einem Gleichraum gewährlei stet.Therefore, the free-piston gas turbine according to the invention be designed so that the operational sequence by automatic control of the free piston strokes, the compression ratios and the allocation to Brenn substance that guarantees combustion in a common room continuous

Nachstehend wird der Aufbau und die Wirkungsweise eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung Nr.: 1, welche eine geschnittene Längsansicht der erfindungs gemäßen Freikolben-Gasturbine zeigt, beschrieben. Below is the structure and operation of one Exemplary embodiment with reference to drawing no .: 1, which is a longitudinal sectional view of the Invention shows free piston gas turbine described.

Zeichnung Nr.:1 zeigt einen Zylinder 16, der um seine Längsachse X drehbar angeordnet ist. Er verjüngt sich an seinen beiden Stirnseiten zu je einer Führungsbüchse 13, 43, die von je einem Lager 12, 42 getragen wird. Letztere sind in einem die ganze Anlage umhüllenden Gehäuse 72, das über Puffer 70 auf einem Fundament 71 gelagert ist, fixiert. Das Gehäuse 72 wird an seinen beiden Stirnsei ten von je einer Frischluftöffnung 4, 49 für frischluft 5a, deren Öffnungs größe durch einen Drosselring 6, 48 mit Hilfe eines Ver stellmotors 69, 91 regulierbar ist, durchbrochen. Jede Führungsbüchse 13, 43 nimmt endseitig je eine Reihe von Kühlluftschlitzen 2, 47 auf. Das Ende der Führungs büchse 13 ist als Abtriebswelle 1 ausgebildet, auf dem Ende der Führungsbüchse 43 ist eine Einspritzpumpe 67 befe stigt. Diese ist einerseits durch Druckleitungen 35 mit zwei, in einem Brennraum 33 um 180 Grad zueinander ver setzt angeordnete Einspritzdüsen 31 verbunden und ande rerseits über einen Zulaufstutzen 65 an eine stirnseitig im Gehäuse 72 angeordnete Dichtungsbüchse 62 angeschlos sen. Auf ihr ist eine Keilnut 61 und eine koaxial belast bare Feder 63 angeordnet. Die Dichtungsbüchse 62 hat die weitere Aufgabe, den Übergang zum rotierenden Zulaufstu tzen 65 abzudichten. Sie ist außerdem über eine Brenn stoff-Zulaufleitung 57 mit Pumpe 51 und Bypass 52 und eine Brennstoff-Rücklaufleitung 54, an einen Brennstoff- Behälter 50 angeschlossen.Drawing No.:1 shows a cylinder 16 which is arranged rotatably about its longitudinal axis X. It tapers on its two end faces to a guide bushing 13 , 43 which is supported by a bearing 12 , 42 each. The latter are fixed in a housing 72 enveloping the entire system, which is mounted on a foundation 71 via buffers 70 . The housing 72 is th on its two front sides of a fresh air opening 4 , 49 for fresh air 5a, the opening size of which is adjustable by means of a throttle ring 6 , 48 with the aid of an adjusting motor 69 , 91 . Each guide bushing 13 , 43 receives a row of cooling air slots 2 , 47 at each end. The end of the guide bush 13 is formed as an output shaft 1 , on the end of the guide bush 43 an injection pump 67 BEFE Stigt. This is on the one hand by pressure lines 35 with two, in a combustion chamber 33 to each other by 180 degrees ver is disposed injector 31 is connected and at the other hand, sen be Schlos via an inlet nozzle 65 to an end face disposed in the housing 72. A grommet 62nd On it a keyway 61 and a coaxially bare spring 63 is arranged. The sealing sleeve 62 has the further task of sealing the transition to the rotating inlet support 65 . It is also connected to a fuel tank 50 via a fuel supply line 57 with pump 51 and bypass 52 and a fuel return line 54 .

Außerdem nimmt die Dichtungsbüchse 62 eine von einem Ringmagneten 58 umhüllte, in Richtung der Längsachse X verschiebbare Steuerscheibe 60 auf, deren konische Lauf fläche 64 eine auf einem einarmigen Hebel 55 endseitig drehbar gelagerte Laufrolle 59 aufnimmt. Der einarmige Hebel 55 ist mit einem Ende in einem Gelenk 53 auf der Führungsbüchse 43 gelagert und steht mit einer mittig angeordneten Kolbenrolle 56 mit der Einspritzpumpe 67 in kraftschlüssiger Verbindung.In addition, the sealing sleeve 62 receives a sheathed by a ring magnet 58 , displaceable in the direction of the longitudinal axis X on the control disc 60 , the conical surface 64 receives a roller 59 on a one-armed lever 55 rotatably mounted at the end. The one-armed lever 55 is supported at one end in a joint 53 on the guide bush 43 and is in a non-positive connection with the injection pump 67 by means of a centrally arranged piston roller 56 .

Eine mittig auf dem Zylinder 16 koaxial befestigte Ra dialgasturbine 23 weist in ihrem Inneren Laufschaufel kränze 25 auf, die von einem Leitschaufelkranz 28 unter brochen werden. Dieser wird von einer Ringscheibe 27 ge tragen, die mittig in einer vom Gehäuse 72 gebildeten, spiralförmigen Abgasleitung 26 fixiert ist.A centrally on the cylinder 16 coaxially attached Ra dialgasturbine 23 has in its interior blade rings 25 , which are broken by a vane ring 28 under. This is carried by an annular disk 27 ge, which is fixed centrally in a spiral exhaust pipe 26 formed by the housing 72 .

Die Radialgasturbine 23 ist mit Ausströmdüsen 22 und Ausströmöffnungen 30 an den Brennraum 33 angeschlossen. Sie ist beidseitig als Radialverdichter 24 geformt, die über einen Speicherraum 29, der den Brennraum 33 mit seinen Einströmöffnungen 34 ringförmig umhüllt, ver bunden sind.The radial gas turbine 23 is connected to the combustion chamber 33 with outflow nozzles 22 and outflow openings 30 . It is formed on both sides as a radial compressor 24 , which are connected via a storage space 29 , which surrounds the combustion chamber 33 with its inflow openings 34 in an annular manner.

Die beiden Freikolben 17, 39 sind hohl ausgebildet und setzen sich aus je einem Arbeitskolben 18, 76 und je einem Pufferkolben 74, 82, dessen äußere Stirnseite von je einem Führungsrohr 73, 84 koaxial durchdrungen wird, zusammen.The two free pistons 17 , 39 are hollow and each consist of a working piston 18 , 76 and a buffer piston 74 , 82 , the outer end face of which is coaxially penetrated by a guide tube 73 , 84 .

Die Freikolben 17, 39 sind mit ihren Führungsrohren 73, 84 in den Führungsbüchsen 13, 43 in Richtung der Längs achse X symmmetrisch zueinander verschiebbar gelagert. Dabei teilen sie das Innere des Zylinders 16 mit ihren Arbeitskolben 18, 76, in den mittigen Brennraum 33 und mit ihren Pufferkolben 74, 82, in je einen sich an den Stirnseiten des Brennraumes 33 anschließenden Bremsraum 21, 37 und in je einen sich endseitig einordnenden Puf ferraum 15, 40, ein.The free pistons 17 , 39 are mounted with their guide tubes 73 , 84 in the guide bushes 13 , 43 in the direction of the longitudinal axis X symmetrically relative to each other. They divide the inside of the cylinder 16 with their working pistons 18 , 76 , into the central combustion chamber 33 and with their buffer pistons 74 , 82 , into a brake chamber 21 , 37, which adjoins the end faces of the combustion chamber 33 , and one into each end Buffer room 15 , 40 , a.

Die Arbeitskolben 18, 76 werden von je einer Reihe von Kühlluftschlitzen 75, 79 durchbrochen und nehmen in ihrem Inneren je ein koaxial angeordnetes Leitrohr 77, 78 auf. In jedem Pufferkolben 74, 82 ist ein den Luftdruck in den Pufferräumen 15, 40 konstant haltendes Ausgleichven til 83 fixiert.The working pistons 18 , 76 are each pierced by a series of cooling air slots 75 , 79 and each hold a coaxially arranged guide tube 77 , 78 in their interior. In each buffer piston 74 , 82 , the air pressure in the buffer spaces 15 , 40 is kept constant compensation valve 83 .

Zwischen den Pufferräumen 15, 40 und den Bremsräumen 21, 37, weist der Zylinder 16 je eine Reihe von Überström schlitzen 19, 38 auf, an die sich je ein zu den Saugsei ten der Radialverdichter 24 führender Überströmraum 20, 36 anschließt.Between the buffer spaces 15 , 40 and the brake spaces 21 , 37 , the cylinder 16 each has a series of overflow slots 19 , 38 , to each of which a leading to the suction side of the radial compressor 24 leading overflow space 20 , 36 .

Jede Führungsbüchse 13, 43 ist mit je einem Ölzuführungs lager 11, 44 ausgerüstet. Dieses ist über je eine Schmier öl-Zulaufleitung 87 mit Pumpe 89 und Bypass 88 und je einer Schmieröl-Rücklaufleitung 85, mit einem Schmier ölbehälter 90 verbunden. Die Schmieröl-Zulaufleitung 87 führt über radiale Bohrungen 92 in den Ölzuführungsla gern 11, 44 und ihren Innenringnuten 93, zu weiteren ra dialen Bohrungen 94 in den Führungsbüchsen 13, 43 und zu deren Innenringnuten 95. Diese kommen im Bereich der inneren Totpunktlage der Freikolben 17, 39, mit auf den Führungsrohren 73, 84 angeordneten Längsnuten 7 in Ver bindung. Diese sind durch Schmierölleitungen 10 mit Schmieröldüsen 80, 81 über den Gleitflächen der Arbeits kolben 18, 76 und der Pufferkolben 74, 82 verbunden.Each guide sleeve 13 , 43 is equipped with an oil supply bearing 11 , 44 , respectively. This is connected via a lubricating oil supply line 87 with pump 89 and bypass 88 and one lubricating oil return line 85 to a lubricating oil container 90 . The lubricating oil supply line 87 leads via radial bores 92 in the Ölzuführungsla like 11 , 44 and their inner ring grooves 93 , to further ra dialen bores 94 in the guide bushes 13 , 43 and to the inner ring grooves 95th These come in the area of the dead center position of the free pistons 17 , 39 , with longitudinal grooves 7 arranged on the guide tubes 73 , 84 in connection. These are connected by lubricating oil lines 10 with lubricating oil nozzles 80 , 81 over the sliding surfaces of the working pistons 18 , 76 and the buffer pistons 74 , 82 .

Die Führungsbüchsen 13, 43 nehmen endseitig je einen Ringmagneten 9, 45 und je zwei Kollektoren 3, 46 auf. The guide bushes 13 , 43 each hold a ring magnet 9 , 45 and two collectors 3 , 46 at the ends.

Letztere sind durch Steuerleitungen 8 mit Druck- und Temperatursensoren 14, 32, 41 in den Pufferräumen 15, 40 und im Brennraum 33 verbunden. Weitere Steuerleitungen 68, 86 verbinden die Kollektoren 3, 46, die Ringmagnete 9, 45, 58 und die Verstellmotore 69, 91 mit einer Steuer anlage 66.The latter are connected by control lines 8 to pressure and temperature sensors 14, 32, 41 in the buffer rooms 15 , 40 and in the combustion chamber 33 . Additional control lines 68 , 86 connect the collectors 3 , 46 , the ring magnets 9 , 45 , 58 and the actuators 69 , 91 to a control system 66 .

Die mit Computerprogrammen arbeitende Steueranlage 66 ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Deshalb wird ihr Aufbau nicht näher beschrieben. The control system 66 working with computer programs is not the subject of the present invention. Therefore, their structure is not described in detail.

Mode of operation of the free-piston gas turbine The starting process

Zuerst wird die gewünschte Abtriebsleistung N in die Steueranlage 66 eingegeben, die dann das für die Art des jeweils verwendeten Brennstoffes zuständige Computerpro gramm aktiviert. Dieses beschickt die Ringmagneten 9, 45 derart mit elektrischen Strom, daß die sich dadurch bil denden Magnetfelder über die Führungsrohre 73, 84, die Freikolben 17, 39 resonanzartig und symmetrisch gegen- und voneinander beschleunigen. Dabei treibt der Verdichtungs druck im Brennraum 33 die Arbeitskolben 18, 76 auseinan der, wodurch die Freikolben 17, 39 mit ihren Pufferkol ben 74, 82 in den Pufferräumen 15, 40 Luftpolster mit steigenden Druck aufbauen, welcher die Freikolben 17, 39 zum Stillstand bringen und dann in Richtung zum Bren nraum 33 zurückschleudern. Gleichzeitig reguliert das Computerprogramm durch Verschieben der Drosselringe 6, 48 mit Hilfe von Verstellmotoren 69, 91, die Größe der Frischluftöffnungen 4, 49 auf die zum Erreichen der er forderlichen Verdichtungsverhältnisse notwendige Menge der in den Brennraum 33 einströmenden Frischluft 5a ein. Das resonanzartige Aufschaukeln wird so lange fortge setzt, bis die Druck- und Temperatursensoren 32 im Brenn raum 33 das Erreichen von Druck- und Temperaturwerten anzeigen, die eine unmittelbare Selbstzündung gewähr leisten.First, the desired output power N is entered into the control system 66 , which then activates the computer program responsible for the type of fuel used. This feeds the ring magnets 9 , 45 with electrical current such that the magnetic fields thereby formed via the guide tubes 73 , 84 , the free pistons 17 , 39 accelerate in a resonant and symmetrical manner against and from one another. The compression pressure in the combustion chamber 33 drives the working pistons 18 , 76 apart, whereby the free pistons 17 , 39 with their buffer piston 74 , 82 in the buffer spaces 15 , 40 build up air cushions with increasing pressure, which bring the free pistons 17 , 39 to a standstill and then hurl back towards the combustion chamber 33 . At the same time, the computer program regulates the size of the fresh air openings 4 , 49 by moving the throttle rings 6 , 48 with the aid of adjusting motors 69 , 91 to the amount of fresh air 5 a flowing into the combustion chamber 33 that is necessary to achieve the compression ratios required. The resonance-like rocking continues until the pressure and temperature sensors 32 in the combustion chamber 33 indicate that pressure and temperature values have been reached which guarantee immediate auto-ignition.

Dann werden die Ringmagnete 9, 45 abgeschaltet und der Ringmagnet 58 der Einspritzpumpe 67 durch einen Strom stoß aktiviert. Then the ring magnets 9 , 45 are switched off and the ring magnet 58 of the injection pump 67 is activated by a current surge.

Dieser Stromstoß, dessen Stärke sich proportional zur Menge des dem Brennraum 33 zuzuteilenden Brennstoffes steigert, wird erst nach Erreichen der äußeren Totpunkt lage der Freikolben 17, 39 ausgelöst.This surge, the strength of which increases in proportion to the amount of fuel to be allocated to the combustion chamber 33 , is only triggered after the outer dead center position of the free pistons 17 , 39 has been reached.

Dem entsprechend führt die durch das Magnetfeld des Ringmagneten 58 angezogene Steuerscheibe 60, entgegen dem Druck der Feder 63 und durch die Keilnut 61 gegen ein Verdrehen gesichert, einen Hub in Richtung der Längsachse X aus.Accordingly, the control disk 60 attracted by the magnetic field of the ring magnet 58 performs a stroke in the direction of the longitudinal axis X, counter to the pressure of the spring 63 and secured against rotation by the keyway 61 .

Dieser wird von der auf der konischen Lauffläche 64 der Steuerscheibe 60 rollenden Laufrolle 59 aufgenommen und über den einarmigen Hebel 55 und über seine Kolbenrolle 56 an die Einspritzpumpe 67 weitergegeben.This is taken up by the roller 59 rolling on the conical running surface 64 of the control disk 60 and passed on to the injection pump 67 via the one-armed lever 55 and its piston roller 56 .

Diese spritzt dann den von der Dichtungsbüchse 62 durch den Zulaufstutzen 65 kommenden Brennstoff, über Druck leitungen 35 und durch zwei um 180 Grad zueinander ver setzt angeordnete Einspritzdüsen 31 verwirbelt in den Brennraum 33 ein.This then injects the fuel coming from the seal bushing 62 through the inlet connection 65 , via pressure lines 35 and through two injection nozzles 31 arranged by 180 degrees to one another and swirled into the combustion chamber 33 .

Dazu hat das Computerprogramm die Größe der Hübe der Freikolben 17, 39 und die Größe des Verdichtungsverhält nisses so festgelegt, daß die Verbrennung des Brennstoff- Luft-Gemisches bei Erreichen der inneren Totpunktlage der Freikolben 17, 39, durch eine unmittelbare Selbst zündung in einem vollkommenen Gleichraum stattfindet.For this purpose, the computer program has determined the size of the strokes of the free pistons 17 , 39 and the size of the compression ratio so that the combustion of the fuel-air mixture when the internal dead center position of the free pistons 17 , 39 is reached , by immediate self-ignition in a perfect manner Equal space takes place.

The operation

Der Druck der Verbrennung treibt die beiden Freikolben 17, 39 auseinander. Auf dem Weg zur äußeren Totpunkt lage gibt der Arbeitskolben 18 zuerst die Ausströmöffnun gen 30 frei. Die verbrannten Gase 5c strömen durch Ausströmdüsen 22 in das Innere der Radialgasturbine 23 ein und versetzen sie durch Beaufschlagung ihrer Lauf- und Leitschaufelkränze 25, 28 in Rotation und strömen dann durch eine, vom Gehäuse 72 spiralförmig gebildete Abgasleitung 26, ins Freie aus.The pressure of the combustion drives the two free pistons 17 , 39 apart. On the way to the outer dead center position, the working piston 18 first releases the outflow openings 30 . The burned gases 5 c flow through outflow nozzles 22 into the interior of the radial gas turbine 23 and set them in rotation by acting on their rotor and guide vane rings 25 , 28 and then flow out through an exhaust gas line 26 formed spirally by the housing 72 .

Die Radialgasturbine 23 gibt diese Rotation über den um seine Längsachse X drehbar angeordneten Zylinder 16 und seine Führungsbüchse 13, an die Abtriebswelle 1 als ro tierenden Abtrieb R weiter.The radial gas turbine 23 transmits this rotation via the cylinder 16 rotatably arranged about its longitudinal axis X and its guide bush 13 to the output shaft 1 as a ro ting output R.

Zwischenzeitlich hat der Arbeitskolben 76 auf seinem Weg zur äußeren Totpunktlage die Einströmöffnungen 34 freigegeben. Die im Speicherraum 29 verdichtete Kühl luft 5b strömt in den Brennraum 33 ein und spült ihn von Resten der verbrannten Gase 5c frei. Dann wird der Brenn raum 33 mit verdichteter Kühlluft 5b gefüllt.In the meantime, the working piston 76 has opened the inflow openings 34 on its way to the outer dead center position. The compressed in the storage space 29 cooling air 5 b flows into the combustion chamber 33 and flushes it free of residues of the burned gases 5 c. Then the combustion chamber 33 is filled with compressed cooling air 5 b.

Die Pufferkolben 74, 82 bilden auf ihrem Weg zur äußeren Totpunktlage in den Pufferräumen 15, 40 Luftpolster mit steigenden Drücken, welche die Freikolben 17, 39 bis zum Stillstand abbremsen und dann wieder in Richtung der inneren Totpunktlage zurückschleudern.On their way to the outer dead center position in the buffer spaces 15 , 40, the buffer pistons 74 , 82 form air cushions with increasing pressures, which brake the free pistons 17 , 39 to a standstill and then throw them back in the direction of the inner dead center position.

Der Arbeitskolben 76 schließt dann zuerst die Einström öffnungen 34 und dann verschließt der Arbeitskolben 18 die Ausströmöffnungen 30.The working piston 76 then closes the inflow openings 34 first and then the working piston 18 closes the outflow openings 30 .

Die Verdichtung der Kühlluft 5b im Brennraum 33 beginnt. Dann wird der Ringmagnet 58 der Einspritzpumpe 67 durch einen Stromstoß aktiviert.The compression of the cooling air 5 b in the combustion chamber 33 begins. Then the ring magnet 58 of the injection pump 67 is activated by a current surge.

Der Betriebsablauf wiederholt sich wie bereits vorge hend beschrieben.The operational sequence repeats itself as previously described below.

Further advantageous developments of the invention

Zur Innenkühlung der Freikolben 17, 39 strömt ein Teil der von den Frischluftöffnungen 4, 49 kommenden Frischluft 5a, durch in den Führungsbüchsen 13, 43 angeordnete Kühl luftschlitze 2, 47 und durch die Führungsrohre 73, 84, bis zu den Stirnwänden der Arbeitskolben 18, 76 ein.For internal cooling of the free pistons 17 , 39 , part of the fresh air 5 a coming from the fresh air openings 4 , 49 flows through cooling air slots 2 , 47 arranged in the guide bushes 13 , 43 and through the guide tubes 73 , 84 to the end walls of the working pistons 18 , 76 a.

Dort wird sie von den koaxial fixierten Leitrohren 77, 78 umgelenkt und durch die Kühlluftschlitze 75, 79 in den Arbeitskolben 18, 76 in die Bremsräume 21, 37 gelenkt. Aus diesen strömt sie als erwärmte Kühlluft 5b, durch die Überströmschlitze 19, 38 im Zylinder 16 und durch die Überströmräume 20, 36, zur Saugseite der Radialverdich ter 24. Diese verdichten sie und führen sie über den Speicherraum 29 dem Verbrennungsprozeß im Brennraum 33 zu.There it is deflected by the coaxially fixed guide tubes 77 , 78 and directed through the cooling air slots 75 , 79 in the working pistons 18 , 76 into the brake chambers 21 , 37 . From these it flows as heated cooling air 5 b, through the overflow slots 19 , 38 in the cylinder 16 and through the overflow spaces 20 , 36 to the suction side of the radial compressor 24th They compress them and guide them to the combustion process in the combustion chamber 33 via the storage chamber 29 .

Zum Ausgleich der durch Dichtungsverluste in den Puffer räumen 15, 40 entstehenden Druckverluste, ist in jedem Pufferkolben 74, 82 ein Ausgleichventil 83 angeordnet. Dieses ist auf einen bestimmten Öffnungsdruck einge stellt und gleicht einen Druckabfall in den Pufferräu men 15, 40 durch den Überdruck in den Bremsräumen 21, 37 wieder aus.To compensate for the pressure losses caused by sealing losses in the buffer spaces 15 , 40 , a compensation valve 83 is arranged in each buffer piston 74 , 82 . This is set to a certain opening pressure and compensates for a pressure drop in the Pufferräu men 15 , 40 by the excess pressure in the brake chambers 21 , 37 again.

Zur Schmierung der Freikolben 17, 39, nimmt je ein auf jeder Führungsbüchse 13, 43 angeordnetes Ölzuführungs lager 11, 44, das über die Schmieröl-Zulaufleitung 87 von der Pumpe 89 geförderte Schmieröl auf und leitet es über radiale Bohrungen 92 und Innenringnuten 93, an weitere radiale Bohrungen 94 und Innenringnuten 95 in den Führungsbüchsen 13, 43. Auf jedem Führungsrohr 73, 84 sind Längsnuten 7 so angeordnet, daß sie nur im Be reich der inneren Totpunktlage der Freikolben 17, 39 von den Innenringnuten 95 mit Schmieröl beschickt werden können. Dieses wird dort von den Längsnuten aufgenom men und durch Schmierölleitungen 10 zu Schmieröldüsen 80, 81 auf die Gleitflächen der Freikolben 17, 39 weiterge leitet.To lubricate the free pistons 17 , 39 , one arranged on each guide bush 13 , 43 arranged oil supply bearing 11 , 44 , the lubrication oil supplied by the pump 89 via the lubricating oil supply line 87 and passes it through radial bores 92 and inner ring grooves 93 , to further radial bores 94 and inner ring grooves 95 in the guide bushes 13 , 43 . On each guide tube 73 , 84 , longitudinal grooves 7 are arranged so that they can only be loaded with lubricating oil from the inner ring grooves 95 in the inner dead center position of the free pistons 17 , 39 . This is taken up there by the longitudinal grooves and passes through lubricating oil lines 10 to lubricating oil nozzles 80 , 81 on the sliding surfaces of the free pistons 17 , 39 .

Zur Einhaltung des symmetrischen Gleichlaufes der Freikol ben 17, 39 in Bezug der Mitte des Brennraumes 33 zur Mit te der stattfindenden Verbrennung des Brennstoff-Luft- Gemisches, dienen die beidseitig zwischen dem Brennraum 33 und den Pufferkolben 74, 82 angeordneten Bremsräume 21, 37, durch folgende Funktion: Auf ihrem Weg zur inne ren Totpunktlage verschließen zuerst die Arbeitskolben 18, 76 die Kühlluftschlitze 75, 79 und dann die Pufferkol ben 74, 82 die Überströmschlitze 19, 38. Die sich dadurch in den Bremsräumen 21, 37 bildenden Luftpolstern bremsen zusammen mit dem sich im Brennraum 33 steigernden Ver dichtungsdruck die Freikolben 17, 39 bis zum Stillstand ab. Dabei verschließt zum Beispiel der schnellere zu erst aus dem symmetrischen Gleichlauf ausbrechende Frei kolben 17 früher den Bremsraum 21, wodurch er auch frü her und stärker abgebremst wird als der langsamere Frei kolben 39. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis der symmetrische Gleichlauf der Freikolben 17, 39 wieder hergestellt ist.To maintain the symmetrical synchronism of the free pistons ben 17 , 39 in relation to the center of the combustion chamber 33 for the combustion of the fuel-air mixture taking place, the brake chambers 21 , 37 arranged on both sides between the combustion chamber 33 and the buffer pistons 74 , 82 are used. by the following function: on their way to the inner dead center position, first the working pistons 18 , 76 close the cooling air slots 75 , 79 and then the buffer piston 74 , 82 the overflow slots 19 , 38 . The air cushions thus formed in the brake chambers 21 , 37 brake the free pistons 17 , 39 together with the compression pressure increasing in the combustion chamber 33 from standstill. For example, the faster free piston 17 , which first breaks out of symmetrical synchronism, closes the brake chamber 21 earlier, as a result of which it is braked earlier and more strongly than the slower free piston 39 . This process is repeated until the symmetrical synchronism of the free pistons 17 , 39 is restored.

Die Einhaltung des symmetrischen Gleichlaufes der beiden Freikolben 17, 39 wird zusätzlich von der Steueranlage 66 überwacht und korrigiert. Dazu wertet sie die Angaben der Druck- und Temperatursensoren 14, 41 in den Pufferräumen 15, 40 aus und aktiviert sinngemäß die Ringmagnete 9, 45, die dann beschleunigend oder verzögernd auf die Freikol ben 17, 39 einwirken.Compliance with the symmetrical synchronism of the two free pistons 17 , 39 is additionally monitored and corrected by the control system 66 . For this purpose, it evaluates the information from the pressure and temperature sensors 14, 41 in the buffer spaces 15 , 40 and accordingly activates the ring magnets 9 , 45 , which then act on the free piston ben 17 , 39 to accelerate or decelerate.

Claims

Free piston gas turbine with:
two triple-acting free pistons, each of which is guided on one end by a coaxial guide tube, the symmetrical synchronism of which is controlled by brake chambers, the interior of which is air-cooled and the sliding surfaces of which are oil-lubricated from the inside;
a cylinder rotatably mounted as a shaft in bearings, one end face of which is shaped as a guide bushing with an output shaft and the other end face of which is a guide bushing which receives an injection pump with accessories at the end which allocates fuel to the combustion chamber through injection nozzles;
a coaxial on the cylinder, which uses the burned gas flowing from the combustion chamber to produce rotating output radial gas turbine, which is formed on each side into a radial compressor, which che compresses the heated cooling air flowing in from the cylinder outside and from the hollow free pistons and supply it to the combustion chamber for combustion through a storage space;
a control system for controlling the size of the strokes of the free pistons, the compression ratios and the amount and time of the fuel allocation, by activating ring magnets, for generating an immediate self-ignition of the fuel and its combustion in a perfect constant space, characterized by the following features :

1) the two free pistons 17, 39 are hollow and each consist of a buffer piston 74, 82 connected coaxially on one end face to a guide tube 73, 84 and one each, on the opposite end face coaxially fixed working pistons 18, 76 ;
2) the guide tubes 73, 84 are in the guide bushes 13, 43 formed at the end of the cylinder 16, in the direction of its longitudinal axis X, symmetrically displaceable and displaceable relative to each other and divide with the free pistons 17, 39 its interior space on both sides between the center Combustion chamber 33 and the Pufferkol ben 74, 82 additionally arranged brake chambers 21, 37 , the overflow slots 19, 38 of which are closed by the buffer pistons 74, 82 on their way to the dead center, whereby air cushions are built up, which spread out from the symmetrical synchronism first free pistons 17, 39 act earlier and therefore more braking;
3) the fresh air 5 a flowing in through the cooling air slots 2, 47 in the guide bushes 13, 43 and through the guide tubes 73, 84 into the free pistons 17, 39 , is arranged by coaxially arranged guide tubes 77, 78 on the end walls of the working piston 18, 76 to their Kühlluftschlit zen 75, 79 deflected and then pass through the brake spaces 21, 37 and through the overflow slots 19, 38 into the overflow spaces 20, 36 , where they are sucked in by the Radialver 24 ;
4) in each buffer piston 74, 82 a compensation valve 83 is set to a certain opening pressure, which compensates the pressure differences in the buffer spaces 15, 40 caused by sealing losses, by the excess pressure of the air cushions in the brake spaces 21, 37 ;
5) each guide sleeve 13, 43 is surrounded by an oil supply bearing 11, 44 , this takes lubricating oil via radial holes 92 in its inner ring groove 93 , from where it flows through further radial holes 94 in the guide sleeve 13 in the inner ring groove 95 and then , in the area of the dead center position of the free piston 17 , through a longitudinal groove 7 arranged on the guide tube 84 and through a lubricating oil line 10 , to lubricating oil nozzles 80, 81 on the sliding surfaces of the free piston 17 ;
6) the cylinder 16 arranged as a shaft rotatable about its longitudinal axis X is supported by its end guide bushings 13, 43 by a respective bearing 12, 42 , which are fixed in a housing 72 enclosing the entire system;
7) one guide bushing 13 is formed at the end as an output shaft 1 , the other guide bushing 43 carries at the end an injection pump 67 which receives the fuel coming from an inlet connector 65 and via pressure lines 35 and two injection nozzles 31 arranged offset by 180 degrees to one another, allocated to the combustion chamber 33 ;
8) the sealing sleeve 62 is attached to the end face of the Ge housing 72 and takes a against the pressure of the spring 63 , on a keyway 61 in the direction of the longitudinal axis X displaceably mounted control disc 60 on the activation of the ring magnet 58 fixed in the housing 72 , is attracted by the latter by a stroke proportional to the amount of fuel to be allocated and thereby acts on a roller 59 with its conical tread 64 with a one-armed lever 55 which transmits this impulse via the piston roller 56 to the injection pump 67 ;
9) on the cylinder 16 coaxially seated radial gas turbine 23 is formed on both ends to Radialverdich tern 24 and takes up inside the rotor and guide vane rings 25, 28 , the burnt gases flowing in through the outflow nozzles 22 from the combustion chamber 33 5 c are acted upon and thereby generate rotating output R with an output power N;
10) the two radial compressors 24 suck through fresh air openings 4, 49 arranged on the front sides of the housing 72 , the size of which is adjustable by means of throttle rings 6, 48 by adjusting motors 69, 91 , fresh air 5 a, which they then after cooling the cylinder outside and Compress the cooling of the interior of the free pistons 17, 39 and store them in a storage space 29 which surrounds the combustion chamber 33 in an annular manner, from which they flow into the combustion chamber 33 through inflow openings 34 which are opened and closed by the working piston 76 ;
11) the control system 66 monitors pressure and temperature sensors 14, 32, 41 in the buffer rooms 15, 40 and in the combustion chamber 33 the course of operation and controls it with a ring magnet 9, 45 seated on each guide sleeve 13, 43 such that the generated magnetic fields ensure a symmetrical synchronism of the free pistons 17, 39 and by a resonant rocking of the strokes of the free pistons 17, 39 , in cooperation with the regulation of the size of the fresh air openings 4, 49 by means of the adjusting motors 69, 91 , the temperatures and compression ratios are generated by the fuel in the outer dead center position by activating the ring magnet 58 from the injection pump 67 to the combustion chamber 33 , when the inner dead center position is reached, after immediate self-ignition, burns in a perfect constant space.