DE4141577A1 - Reciprocating piston engine shaft drive for current generation - having piston rod on eccentric mainshaft giving extended dead centre dwell, with water injected into compressed air converted to steam - Google Patents

Reciprocating piston engine shaft drive for current generation - having piston rod on eccentric mainshaft giving extended dead centre dwell, with water injected into compressed air converted to steam

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DE4141577A1 DE19914141577 DE4141577A DE4141577A1 DE 4141577 A1 DE4141577 A1 DE 4141577A1 DE 19914141577 DE19914141577 DE 19914141577 DE 4141577 A DE4141577 A DE 4141577A DE 4141577 A1 DE4141577 A1 DE 4141577A1
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    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
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    • F01B29/08—Reciprocating-piston machines or engines not otherwise provided for
    • F01B29/10—Engines
    • F01B29/12—Steam engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/36—Modified dwell of piston in TDC

Abstract

The piston engine used to drive a generator shaft (10) has the piston rod (13) connected to an eccentric (11) mainshaft. The design is such that in the vicinity of top and bottom dead centre, the piston (18) remains in that position for roughly a quarter of a mainshaft revolution. During the compression stroke, fresh air is compressed and thereby heated. During the extended duration of the piston at top dead centre, softened water is injected (19) into the reduced cylinder space (17). The resultant vaporisation gives the power stroke, driving the piston down. At bottom dead centre, scavenging air exhausts the cylinder of steam/air mixture ready for the next compression stroke. USE/ADVANTAGE - For generation of electrical energy, esp. in power station. Inexpensive design and operation with no toxic emissions, yet with reasonable efficiency. Cooling system is unnecessary.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antreiben einer Welle, beispielsweise die Abtriebswelle von einem Stromerzeuger-Generator, durch einen im Zylinder auf- und abwärtsbewegbaren Kolben, dessen Bewegung auf die Exzenter-Welle übertragen wird, wobei der Kolben im Zylinder einerseits sich verkleinernden bzw. andererseits sich vergrößernden Zylinderraum bildet, sowie eine Vorrichtung hierzu.The invention relates to a method for driving a shaft, for example the output shaft of a generator-generator, by one in the cylinder piston movable up and down, its movement up the eccentric shaft is transmitted, the piston in the cylinder on the one hand on the other hand forms an enlarging cylinder space, and a device for this.

Die heute bekannten konventionellen Dampfmaschinen mit doppelwirkenden Kolben, Kreuzkopf, Kurbelwelle und Dampfkessel mit Kesselfeuerung ist kompliziert, kostenintensiv in Herstellung und Betrieb, weist einen schlechten Wirkungsgrad auf und ist enorm umweltbelastend.The conventional steam engines known today with double-acting pistons, crosshead, crankshaft and Steam boilers with boiler firing are complicated, costly in production and operation, has a poor efficiency and is extremely polluting.

Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung der obengenannten Art zu entwickeln, die kostengünstig gebaut, mit einem sehr billigen Medium arbeitet und eine Umweltbelastung ausschließt. The inventor has set himself the task of a device of the above kind to develop the built inexpensively, with a very cheap medium works and eliminates environmental pollution.  

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß mittels Kompressor in den Zylinderraum Frischluft eingepumpt wird, diese Luft wird durch den Kolben komprimiert und dadurch erhitzt, in diese erhitzte Luft wird sodann enthärtetes Wasser feinvernebelt eingespritzt und nach dessen Verdampfung der Kolben angetrieben.To solve this problem, that leads to a compressor fresh air is pumped into the cylinder chamber, this Air is compressed by the piston and thereby heated softened air is then poured into this heated air Water sprayed into a fine mist and after its evaporation the piston is driven.

Luft und Wasser sind beides Medien, die billig und in fast unbegrenztem Maße erhältlich sind. Bei der Überführung von Wasser in Dampf entstehen keine umweltbelastenden Schadstoffe.Air and water are both media that are cheap and in almost unlimited sizes are available. At the flyover Water in steam does not cause any pollution Pollutants.

Der Erfinder macht sich mit seiner Erfindung die Tatsache zunutze, daß Luft bei Kompression erhitzt wird. Benutzt man bei der vorliegenden Erfindung ein Kompressionsverhältnis von 16 : 1 im vorgegebenen Zylinderraum, dann wird eine Temperaturerhöhung der Luft auf etwa 450°C erreicht. Die Wassereinspritzung erfolgt durch mehrere Mehrlochdüsen als Direkteinspritzung, daß sich das enthärtete und feinvernebelte Wasser im Zylinderkopfraum gleichmäßig verteilen und sofort den Dampfentwicklungsprozeß einleitet. Diese Dampfentwicklung wird während der verlängerten Kolbenverweildauer im oberen Totpunkt beziehungsweise in Totpunktnähe zur unbedingt notwendigen Dampfhochspannung. Nach Beendigung der verlängerten Kolbenverweildauer ist der Dampfentwicklungsprozeß abgeschlossen und der Kolben wird durch das hochgespannte, etwa 400°C heiße Dampf/ Luftgemisch durch explosionsartigen Druck angetrieben. Die Bewegungsenergie des Kolbens versetzt über die Pleuelstange den Exzenter mit Welle und Schwungrad in Drehung.The inventor makes the fact with his invention take advantage of the fact that air is heated when compressed. A compression ratio is used in the present invention of 16: 1 in the specified cylinder space, then an increase in air temperature to about 450 ° C reached. The water injection takes place through several multi-hole nozzles as direct injection that itself the softened and finely atomized water in the cylinder head space distribute evenly and immediately the steam development process initiates. This steam development during the extended piston dwell time in top dead center or near dead center to the absolutely necessary high-voltage steam. To The end of the extended piston dwell time is Steam development process completed and the piston is caused by the high-tension, about 400 ° C hot steam / Air mixture driven by explosive pressure. The kinetic energy of the piston is offset by the Connecting rod the eccentric with shaft and flywheel in rotation.

Während der verlängerten Kolbenverweildauer im unteren Totpunkt bzw. in Totpunktnähe, kann das Befüllen des Zylinderraumes mit Frischluft bzw. das gleichzeitige Ausstoßen des entspannten Dampf/Luftgemisches stattfinden.During the extended piston dwell time in the lower one  Dead center or near dead center, the filling can the cylinder space with fresh air or the simultaneous Expelling the relaxed steam / air mixture occur.

Besondere Bedeutung kommt hier dem auf der Welle gelagerten Exzenter zu, der, bedingt durch die Exzentrik, den Kolben über die Pleuelstange so steuert, daß derselbe im jeweiligen Totpunkt bzw. in Totpunktnähe eine verlängerte Verweildauer aufweist, die nach etwa einer Viertelumdrehung der Welle mit Exzenter endet.Of particular importance here is that on the wave stored eccentric, which, due to the eccentricity, controls the piston via the connecting rod that the same in the respective dead center or near dead center has an extended stay, the after about a quarter turn of the shaft Eccentric ends.

Aufgrund dieser Technik wird eine einwandfreie Wassereinspritzung, Dampfentwicklung bzw. eine einwandfreie Befüllung des Zylinderraumes mit Frischluft und das gleichzeitige Ausstoßen des entspannten Dampf/Luftgemisches erreicht.Because of this technology, perfect water injection, Steam development or a flawless Filling the cylinder space with fresh air and that simultaneous ejection of the relaxed steam / air mixture reached.

Die Wassereinspritzung soll bei Beginn der verlängerten Kolbenverweildauer gestartet und kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens beendet sein.The water injection is said to be prolonged at the start Piston dwell time started and shortly before piston top dead center.

Weiter ist vorgesehen, daß bei Beginn der verlängerten Kolbenverweildauer im unteren Totpunkt bzw. in Totpunktnähe vom Kolben Auslaßkanal und Einlaßkanal freigegeben werden.It is also provided that at the beginning of the extended Piston dwell time at bottom dead center or near dead center from the piston outlet channel and inlet channel be released.

Die vorliegende Erfindung kann als Mehrzylinder- Dampfmaschinen z. B. in Reihe, V-Ausführung oder Boxer- Anordnung gebaut werden. Hier sind Versetzungen der auf der Welle gelagerten Exzenter vorgesehen.The present invention can be used as a multi-cylinder Steam engines e.g. B. in series, V-version or boxer Arrangement to be built. Here are transfers of the eccentric mounted on the shaft.

Die Schmierung der Dampfmaschine erfolgt durch ein Ölbad. Eine Kühlung ist nicht erforderlich.The steam engine is lubricated by a Oil bath. Cooling is not necessary.

Diese "Rationelle Dampfmaschine mit verlängerter Verweildauer des Kolbens im jeweiligen Totpunkt bzw. in Totpunktnähe zeichnet sich aus durch eine einfache Bauweise", ist kostengünstig herzustellen, und kann insbesondere in Kraftwerken zur Erzeugung von elektrischer Energie, Anwendung finden.This "rational steam engine with extended Dwell time of the piston at the respective dead center or near dead center  from a simple design "is inexpensive manufacture, and can be particularly in Power plants for the generation of electrical energy, Find application.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten sowie den Aufbau der Dampfmaschine ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; diese zeigt inOther advantages, features and details as well the structure of the steam engine results from the following description in connection with the Drawing; this shows in

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Dampfmaschine. Fig. 1 shows a cross section through a steam engine according to the invention.

Die erfindungsgemäße "Rationelle Dampfmaschine" weist gemäß Fig. 1 einen senkrecht stehenden Zylinder 16 mit Exzenterkasten 12 auf. Im Zylinder 16 ist der Kolben 18 angeordnet. Auf dem Kolbenbolzen 20 ist die Pleuelstange 13 gelagert, die die im Exzenterkasten 12 gelagerte Welle 10 mit Exzenter 11 umschließt.According to FIG. 1, the "rational steam engine" according to the invention has a vertically standing cylinder 16 with an eccentric box 12 . The piston 18 is arranged in the cylinder 16 . The connecting rod 13 is mounted on the piston pin 20 and surrounds the shaft 10 , which is mounted in the eccentric box 12 , with the eccentric 11 .

Der Zylinderkopf 21 ist mit einer Vielzahl Mehrloch-Einspritzdüsen 19 ausgerüstet, welche in den Zylinderraum 17 einragen.The cylinder head 21 is equipped with a plurality of multi-hole injection nozzles 19 which protrude into the cylinder space 17 .

Am Zylinder 16 sind der Lufteinlaßkanal 14 sowie der Dampf/Luftgemischauslaßkanal 15 vorgesehen.The air inlet duct 14 and the steam / air mixture outlet duct 15 are provided on the cylinder 16 .

Die erfindungsgemäße Dampfmaschine mit verlängerter Verweildauer des Kolbens 18 im jeweiligen Totpunkt beziehungsweise in Totpunktnähe, arbeitet nach folgendem Prinzip:The steam engine according to the invention with an extended dwell time of the piston 18 in the respective dead center or near the dead center works according to the following principle:

Mittels eines nicht näher dargestellten Kompressors wird durch den Einlaßkanal 14 Frischluft in den Zylinderraum 17 eingepumpt. Danach wird die Dampfmaschine durch einen ebenfalls nicht näher dargestellten Anlasser angelassen, d. h. die Welle 10 mit Exzenter 11 wird in Drehbewegung versetzt. Dadurch wird der Kolben 18, geführt über die Pleuelstange 13, in Bewegung gesetzt. Dabei komprimiert der Kolben 18 die eingepumpte Luft auf ein Kompressionsverhältnis, das bei etwa 16 : 1 liegt. Dabei erhitzt sich die Luft auf etwa 450°C.Fresh air is pumped into the cylinder space 17 through the inlet channel 14 by means of a compressor, not shown in detail. Then the steam engine is started by a starter, also not shown in detail, ie the shaft 10 with the eccentric 11 is rotated. As a result, the piston 18 , guided over the connecting rod 13 , is set in motion. The piston 18 compresses the pumped-in air to a compression ratio which is approximately 16: 1. The air heats up to about 450 ° C.

Nun wird in den verkleinerten Zylinderraum 17 mittels einer nicht dargestellten Wassereinspritzpumpe durch eine Vielzahl Mehrloch-Einspritzdüsen 19 (Direktein­ spritzung) enthärtetes Wasser feinvernebelt eingespritzt, im Zylinderraum 17 gleichmäßig verteilt und sofort der Dampfentwicklungsprozeß eingeleitet.Now, softened water is injected into the reduced cylinder space 17 by means of a water injection pump, not shown, through a plurality of multi-hole injection nozzles 19 (direct injection), evenly distributed in the cylinder space 17 , and the steam development process is initiated immediately.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Wasserein­ spritzung bei Beginn der verlängerten Verweildauer des Kolbens 18 startet und kurz vor dem oberen Totpunkt endet. Die nun folgende verlängerte Verweildauer des Kolbens 18 im oberen Totpunkt beziehungsweise in Totpunktnähe, die, wie schon angedeutet, etwa eine Viertelumdrehung des Exzenters 11 mit Welle 10 beträgt, dient dazu, dem feinvernebelt eingespritzten Wasser die für den Dampfentwicklungsprozeß unbedingt notwendige Zeitspanne zu geben.According to the invention it is provided that the Wasserein injection starts at the beginning of the extended residence time of the piston 18 and ends shortly before top dead center. The subsequent extended dwell time of the piston 18 in the top dead center or in the vicinity of the dead center, which, as already indicated, is about a quarter turn of the eccentric 11 with the shaft 10, is used to give the finely atomized water that is absolutely necessary for the steam development process.

Nach Beendigung der verlängerten Verweildauer des Kolbens 18 im oberen Totpunkt beziehungsweise in Totpunktnähe ist der Dampfentwicklungsprozeß ab­ geschlossen, und der Kolben 18 wird durch das hoch­ gespannte, etwa 400°C heiße Dampf/Luft-Gemisch mit explosionsartigem Druck angetrieben.After the prolonged residence time of the piston 18 in top dead center or near dead center, the steam development process is complete, and the piston 18 is driven by the high-tension, approximately 400 ° C hot steam / air mixture with explosive pressure.

Die Bewegungsenergie des Kolbens 18 versetzt über die Pleuelstange 13 den Exzenter 11 mit Welle 10 und ein nicht dargestelltes Schwungrad in Drehung. The kinetic energy of the piston 18 sets the eccentric 11 with shaft 10 and a flywheel, not shown, in rotation via the connecting rod 13 .

Sobald der Zylinderraum 17 sein größtes Volumen aufweist, wird der Auslaßkanal 15 beziehungsweise gleichzeitig der Einlaßkanal 14 freigegeben, wobei das Befüllen des Zylinderraumes 17 mit Frischluft bzw., das gleichzeitige Ausstoßen des entspannten Dampf/Luft- Gemisches stattfindet. Damit läuft die Dampfmaschine unabhängig von dem oben erwähnten Anlasser, wobei die Drehbewegung der Welle 10 mit Exzenter 11 noch von einem nicht eingezeichneten Schwungrad für runden und gleichmäßigen Lauf unterstützt wird.As soon as the cylinder chamber 17 has its largest volume, the outlet channel 15 or simultaneously the inlet channel 14 is opened , the filling of the cylinder chamber 17 with fresh air or the simultaneous expulsion of the relaxed steam / air mixture taking place. The steam engine thus runs independently of the starter mentioned above, the rotary movement of the shaft 10 with the eccentric 11 being supported by a flywheel (not shown) for round and smooth running.

Claims (7)

1. Verfahren zum Antreiben einer Welle, beispielsweise die Abtriebswelle von einem Stromerzeuger- Generator, durch einen im Zylinderraum auf- und abwärts bewegbaren Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß durch den auf der Welle (10) gelagerten Exzenter (11) über die Pleuelstange (13) der Kolben (18) so gesteuert wird, daß der Kolben (18) im oberen Totpunkt und im unteren Totpunkt be­ ziehungsweise in der jeweiligen Totpunktnähe eine verlängerte Verweildauer aufweist, die nach etwa einer Viertelumdrehung der Welle (10) mit Exzenter (11) endet.1. A method for driving a shaft, for example the output shaft of a power generator-generator, by a piston which can be moved up and down in the cylinder space, characterized in that the eccentric ( 11 ) mounted on the shaft ( 10 ) via the connecting rod ( 13 ) the piston ( 18 ) is controlled so that the piston ( 18 ) in top dead center and bottom dead center be or in the respective dead center has an extended residence time, which ends after about a quarter turn of the shaft ( 10 ) with eccentric ( 11 ) . 2. Verfahren bei dem die in den Zylinderraum ein­ gefüllte Frischluft durch den Kolben komprimiert und damit erhitzt wird, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den verkleinerten Zylinderraum (17) durch eine Vielzahl Mehrloch-Einspritzdüsen (19) eine Wassereinspritzung stattfindet, die bei Beginn der verlängerten Verweildauer des Kolbens (18) in der oberen Totpunktnähe startet und kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens (18) beendet wird. Während der verlängerten Verweildauer des Kolbens (18) im oberen Totpunkt bzw. in Totpunktnähe entwickelt sich im verkleinerten Zylinderraum (17) eine Dampfhochspannung, die nach Beendigung der verlängerten Verweildauer den Kolben (18) explosionsartig antreibt und über die Pleuelstange (13) den Exzenter (11) mit Welle (10) in Drehbewegung versetzt.2. The method in which a filled in the cylinder fresh air is compressed by the piston and thus heated, according to claim 1, characterized in that in the reduced cylinder space ( 17 ) through a plurality of multi-hole injection nozzles ( 19 ), a water injection takes place, the starts at the beginning of the extended residence time of the piston ( 18 ) in the top dead center and ends shortly before the top dead center of the piston ( 18 ). During the prolonged dwell time of the piston ( 18 ) in top dead center or in the vicinity of the dead center, high-voltage steam develops in the reduced cylinder space ( 17 ), which drives the piston ( 18 ) explosively after the extended dwell time has ended, and via the connecting rod ( 13 ) the eccentric ( 11 ) rotated with shaft ( 10 ). 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Befüllung des Zylinderraumes (17) mit Frischluft und das gleichzeitige Ausstoßen des entspannten Dampf/Luftgemisches bei Beginn der verlängerten Verweildauer des Kolbens (18) in der unteren Totpunktnähe startet und nach Beendigung der verlängerten Verweildauer des Kolbens (18) abgeschlossen ist.3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the filling of the cylinder space ( 17 ) with fresh air and the simultaneous ejection of the relaxed steam / air mixture at the beginning of the extended residence time of the piston ( 18 ) starts in the bottom dead center and after completion the extended residence time of the piston ( 18 ) is complete. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (16) senkrecht auf den Exzenterkasten (12) aufgesetzt ist. Im Zylinder (16) lagert der Kolben (18), der vom Kolbenbolzen (20) durchsetzt und einerseits von der Pleuelstange (13) umschlossen wird. Im Exzenterkasten (12) lagert die Welle (10) mit Exzenter (11), den andererseits die Pleuelstange (13) umschließt.4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that the cylinder ( 16 ) is placed vertically on the eccentric box ( 12 ). The piston ( 18 ), which is penetrated by the piston pin ( 20 ) and on the one hand is surrounded by the connecting rod ( 13 ), is supported in the cylinder ( 16 ). In the eccentric box ( 12 ), the shaft ( 10 ) with eccentric ( 11 ), which on the other hand surrounds the connecting rod ( 13 ). 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Vielzahl Mehrloch-Einspritzdüsen (19) den Zylinderkopf (21) durchsetzt und in den Zylinderraum (17) einragen.5. The device according to claim 4, characterized in that a plurality of multi-hole injection nozzles ( 19 ) passes through the cylinder head ( 21 ) and protrude into the cylinder space ( 17 ). 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (16) je einen Lufteinlaßkanal (14) und je einen Dampf/Luftgemisch-Auslaßkanal (15) aufweist.6. Device according to claims 4 and 5, characterized in that the cylinder ( 16 ) each has an air inlet channel ( 14 ) and a steam / air mixture outlet channel ( 15 ). 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mehrzylinder-Anordnung vorgesehen und Versetzungen der auf der Welle (10) gelagerten Exzenter (11) beinhalten.7. Device according to claims 4 to 6, characterized in that multi-cylinder arrangement is provided and displacements of the eccentric ( 11 ) mounted on the shaft ( 10 ) are included.
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