DE625741C - Verfahren zur Ausnutzung der vom Motorkolben abgefuehrten Waerme an Flugkolben-Motorverdichtern mit einem auf der Rueckseite des Motorkolbens liegenden stabilisierenden zusaetzlichen Verdichtungsraum - Google Patents

Description

• Verfahren zur Ausnutzung der vom Motorkolben abgeführten Wärme an Flugkolben-Motorverdichtern mit einem auf der Rückseite des Motorkolbens liegenden stabilisierenden zusätzlichen Verdichtungsraum Es sind bereits zur Kühlung der Kolben von Brennkraftmaschinen Verfahren bekannt, die darin bestehen, Luft oder Dampf in besondere Verdichterräume, in denen die Motorkolben laufen, einzuspritzen.
• Es ist auch bekannt, die von den Kolben abgeführte Wärme auszunutzen, um die Leistung der Maschine zu vergrößern, indem man die Kolbenwärme ganz oder teilweise in Arbeit umsetzt.
• Die Erhöhung des Wirkungsgrades der bekannten Vorrichtungen ist jedoch im allgemeinen gering. erstens, weil die von den Kolben abgeführte Wärmemenge klein ist und zweitens wegen des niedrigen Wirkungsgrades des Kreislaufes der Nutzbarmachung.
• Flugkolben-Motorverdichter sind gewöhnlich mit den an sich bekannten pneumatischen Ausgleichkissen, d.h. zusätzlichenVerdichterräumen, die zur Regulierung der Ausstoßenergie der Motorkolben benutzt werden, versehen. Diese Räume befinden sich gewöhnlich in den Kolben selber und können zur inneren Kühlung der Kolben und zur Ausnutzung der abgeführten Wärme mit einem hohen Wirkungsgrade entsprechend dem nachstehend beschriebenen Verfahren benutzt werden.
• Die Erfindung bezweckt die Erhöhung des Wirkungsgrades der betreffenden Maschinengattung, stellt ein einfaches Mittel zur Kühlung der Kolbenböden dar und besteht in der Übertragung der von den Kolben aus dem Motorzylinder aufgenommenen Wärme auf den Inhalt des unabhängigen Verdichters und deren Umsetzung in mechanische Arbeit bei möglichst hohem Wirkungsgrad; sie besteht überdies in Mitteln, den Zylinderinhalt fortwährend zu erneuern und schließt in sich auch alle Arten zu deren Ausübung und vor allem diejenigen Maschinen der oben beschriebenen Art, welche mit der genannten Vorrichtung versehen sind, wie auch die hierzu benötigten speziellen Organe. -Auf der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in mehreren beispielsweisen Ausführungsformen dargestellt.
• Abb. i ist ein Längsschnitt durch die eine Hälfte eines Flugkolbenmotorkompressors; Abb. "2 sind-Druckhubdiagramme des Verdichtungszylinders 13 der Abb. i, Abb.3 Druckhubdiagramme des Ansaugraumes 1q. nach Abb: i, Abb. q. Druckhubdiagramme des unabhängigen Verdichterzylinders, während Abb. 5 ein Längsschnitt durch die Hälfte eines Flugkolbenkompressors einer zweiten Ausführungsart und Abb: 6 ein Längsschnitt einer dritten Ausführungsart ist.
• In Abb. i, welche durch Hinzufügung einer Einspritzvorrichtung an dem Stabilisierungsraum, etwa nach Abb. 5, ergänzt zu denken ist, wird die eine Hälfte eines symmetrischen Doppelkolben-@Gegenlaüfkompressors dargestellt, bestehend -aus..--dem Motorzylinder x mit Brennstoffdüse 12, -dem Kompressorzylinder 2, dem Flugkolben 3, den. feststehenden Kolben q., dem Ansaugventil 5 und dem Druckventil 7. Der Flugkolben ist auf der Kompressorseite mit Kanälen 8 versehen; sein Motorkolbenboden trägt auf der inneren Seite Kühlrippen 9 sowie -eineu rohrförmigen Ansatz io, in welchem Öffnungen 1i vorgesehen sind. Der Kompressörzylinder wird durch den Kolben in die beiden Kompressionsräume 13 und 14 unterteilt, welche miteinander durch Öffnungen 18 und Ventile 6 in Verbindung stehen.
• Der zusätzliche Verdichtungsräum ist in der gezeichneten KolbenstelIung, welche der innern Tötpunktlage entspricht, durch die Kanäle 8 mit dem Verdichtungsraum 13 verbunden.
• In Abb. 2, 3 und q. sind über dem Hub als Abszisse die Prücke als Ordinaten aufgetragen; die Lage des Punktes 16 entspricht der inneren Tötpuriktlage des Kolbens 3, diejenige des Punkes 17 der äußeren Totpunktlage; die Linienzüge 28 der Fig. 2 bis q. sind die Druckhubkurven während des Hinganges der Kolben, die Linien 29 diejenigen während des- Rückwärtshubes.
• er Flugkolben-3 des Ausführungsbeispieles nach Abb.. ü trägt auf der Motorseite den aufgesetzten Kolbenboden i9, welcher mit vorzugsweise gerippten Löchern versehen ist. In- diese Löcher ragen in der- äußeren Totpunktlage des - Kolbens zapfenförmige hohle Ansätze 21 'des feststehenden Kolbens welche an ihren Enden mit düsenartigen Bohrungen 22 versehen sind; in die Ansätze münden eine oder mehrere Druckwasserleitungen 23. Der Kolbenboden ig .trägt, wie in Abb. i, -ein Rohr io, welches in einem bestimmten Abstand vom ° Kolbenboden mit öffnungen ai versehen ist; Abb.6 veranschaulicht: ein-Ausführungsbeispiel, bei welchem der: Ansatz 27 in der äußeren Totpunktlage der Flugkolben 3 in einen Hals 24 des Kolbenbodens hineinreicht, welcher eine Kammer 25 mit :dem Raume 15 verbindet. Von der Kammer 25 aus -verzweigen sich Kanäle 26 durch den ganzen. Kolbenböden und münden in den Rat= i5 ein. Das Kühlwasser wird durch -die Leitung 23 und die@üsenöffnungen in die Kammer 25 gesprizt. In der inneren Totpunktiage des Kolbens steht der Raum 15. vermittels der Kanäle 8 "mit dein Raume 13 in Verbindung.
• Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Abb. i ist die folgende: Die Kolben 3 werden- aus der gezeichneten -inneren Totpunktlage durch die Motorenenergie nach. außen geschleudert, dabei schließt sich das Ventil 6, und der Druck steigt im Raume 13 entsprechend der Druckhubkurve 28 (Abb.2) an. Der Unterdruck, welcher sich im Raume 14 am Anfang der Bewegung einstellt, bewirkt da.s ' Öffnen des Ventils 5, und der Raum füllt sich mit Luft, wobei der Druck ein wenig unter den Außendruck sinkt. Die Öffnungen 8 und ii des Raumes 15 schließen sich am Anfang der Kolbenbewegung, indem sie über den feststehenden Kolben q. hinweggleiten, der Zylinderinhalt 15 wird daraufhin entsprechend der Kurve 28 (Abb. 4.) verdichtet; die Verdichtungslinie steigt jedoch nicht adiabatisch an, denn die heißen Rippen 9 des Kolbenbodens geben fortwährend Wärme an die Gase im Zylinder 15 ab. Diese Wärmeübertragung ist zwischen den Rippen und dem verdichteten Zylinderinhalt besonders stark und kann durch Vergrößerung der Kolbenfläche und durch Erzeugung von Wirbeln innerhalb weiter Grenzen verändert werden, so daß die Kolbenböden eine gewünschte Temperatur nicht überschreiten. Die Gase haben also bei ihrer Entspannung eine höhere Temperatur, und denmach verläuft die Entspannungslinie 29 in Abb. q. über der Verdichtungslinie, und die eingeschlossene Fläche stellt die gewonnene Arbeit dar. Die Löcher i i öffnen am Ende des Rückwärtshubes die Verbindung mit der Umgebung durch das Rohr io, so :daß die unter Druck stehende heiße Luft abströmen kann, Das Verdichten und Ausstoßen der Luft im Zylinder z3 erfolgt auf bekannte Weise; die Entspannungskurve des verbleibenden Luftkissens sinkt jedoch nicht bis auf Umgebungsdruck; denn bei Beginn des Rückwärtshubes hat sich das Ventil 5 geschlossen, und der Druck im Raurn 14 steigt so lange an, bis zwischen den Räumen a3 und 14. Druckgleichheit besteht; alsdann öffnet sich das Ventil 6, und die Luft strömt vom Raum 14 in den Raum 13 über. Kurz vor'Ende des Rückwärtshubes öffnen die Kanäle 8 die -Verbindung zwischen den Räumen i3 und 15, und da im Raure 13 gegenüber der Umgebung Oberdruck herrscht, strömt die Luft durch die Kanäle 8 und spült die heißen Gase des Raumes 15 aus und ladet denselben mit kalter Frischluft,- vorauf sich der Vorgang wiederholt. ' Der Wirkungsgrad, bei welchem die vom Kolben abgegebene Wärme in Arbeit umgesetzt wird, ist abhängig. vom Zeitpunkt der Wärmeübeftragung; es muß angestrebt werden, möglichst alle Wärme in der äußeren Totpunktlage vom Kolbenboden -auf den Inhalt des -Zylinderraumes z 5 zu ilbertragen. Um den Wärmeübergang zeitlich zu bestimmen und zu erhöhen; kann -die in Abb, 5 dargestellte Anordnung getroffen werden. - Irr der äußeren Totpunktlage der Flugkolben wird aus zylindrischen Ansätzen 21 des feststehenden Kolbens 4 .eine bestimmte, je nach der Leistung des Motorkompressors veränderliche Menge einer Flüssigkeit, vorzugsweise ausgekochtes und vorerhitztes Wasser, unter Druck in die Bohrung 2o .des Kolbenhodens gespritzt; derselbe kann beispielsweise aus feuerbeständigem Stahl oder aus einem guten Wärmeleiter auf den Flugkolben aufgesetzt sein. Das Wasser verdampft bei der Berührung mit dem heißen Kolben, und es tritt eine Drucksteigerung im Verdichtungsraume 15 auf. Die Löcher, in welche die Kühlflüssigkeit eingepreßt wird, sind vorzugsweise mit Rippen zu versehen, um den Wärmeübergang zu erhöhen. Das Ausspülen des Raumes 15 kann auf schon erwähnte Art erfolgen; die öffnungen 8 können aber auch weggelassen werden, so daß am inneren Hubende der Dampf im Zylinder 15 sich jedesmal auf Umgebungsdruck entspannt.
• Die Ausführungsart nach Abb.6 weicht von derjenigen nach Abb. 5 in der Form des Kolbenbodens ig ab. Der Ansatz 27 des Kolbens 4 ragt in der äußeren Endlage durch einen Hals 24 in die Kammer 25 und schließt die direkte- Verbindung zwischen dem Raum 15. Die Druckflüssigkeit, welche in dieser Stellung in die Kammer 2,5 eingespritzt wird, verdampft darin und bedingt einen Druckanstieg. Der feuchte Dampf entweicht durch die Bohrungen 26 und kühlt dadurch deren Wände ab, wobei er sich erhitzt und in überhitztem Zustand in den Verdichtungsraum 15 eintritt. Bei entsprechender Wahl der Abmessungen kann erreicht werden, daß am Ende der Entspannung des Dampfes derselbe wieder feucht ist; eine Dampfmenge, welche der eingespritzten Wassermenge entspricht, tritt also in ungesättigtem Zustand durch die Kanäle 8 in den Kompressorzylinder 13 und bedingt durch seine Verdampfungswärme eine Erniedrigung der Verdichtungstemperatur im Kompressor; es wird dadurch dieselbe Wirkung erreicht, wie wenn auf bekannte Weise Wasser unter hohem Druck in die Kompressorzylinder eingespritzt würde. Die Regulierung der Kühlung ist dabei selbsttätig, denn bei größerer Motorleistung muß der Kolben stärker gekühlt, somit mehr Flüssigkeit -eingespritzt werden; es tritt also auch mehr feuchter Dampf vom Raumei 5 in den Raum 13 über und bedingt somit eine - stärkere Kühlung dessen Inhaltes.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Ausnutzung der vom Motorkolben abgeführten Wärme anFlugkolben-Motormrdichtern mit einem auf der Rückseite des Motorkolbens liegenden stabilisierenden zusätzlichen Verdichtungsraum, dadurch gekennzeichnet, daß nahe oder in der äußeren Iiubendlage eine veränderliche Menge vorzugsweise erhitzter Druckflüssigkeit innerhalb des zusätzlichen Verdichtungsraumes gegen die Rückseite des Kolbenbodens gespritzt wird und daran verdampft, so daß die Kolbenwärme mittels des Dampfes auf den Inhalt des zusätzlichen Verdichtungsraumes übertragen und dessen Energieinhalt durch Zufügung der Dampfenergie unmittelbar erhöht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungsraum nach jedem Ausdehnungsbube ausgespült wird.
3. 3. Flugkolben-Motorverdichter zur Ausführung der Verfahren nach Anspruch i und 2 mit einem becherförmigen Flugkolben, der mit der Innenfläche auf einem feststehenden Kolben gleitet und mit diesem den stabilisierenden V erdichterraum bildet, der ferner am offenen Ende einen Flanschansatz trägt, welcher als Verdichterkolben für die Nutzluft in einem ringförmig den festen Kolben umgebenden Verdichterraum arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (i4) hinter dem Flansch des Flugkolbens (3) über ein oder mehrere Rückschlagventile (5) mit der Außenluft verbunden und die Innenfläche des Kolbens (3) am Außenende mit Schlitzen (8) versehen ist, die in der inneren Hubendlage den Boden des festen Kolbens überlaufen und die im Ringraum (i4) hinter dem Flansch verdichtete Luft über den Hauptverdichterraum (i3) in den Stabilisierungsraum (i5) als Spülmittel überströmen lassen (Abb. i).
4. 4. Motorverdichter zur Durchführung des. Verfahrens nach Anspruch i, 2 oder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der, vorzugsweise eingesetzte und aus hitzebeständigem, gutleitendem Metall bestehende, Flugkolbenboden (i9, Abb. 5) innen Vertiefungen (2o) aufweist, in welche die Druckflüssigkeit eingespritzt wird.
5. 5. Motorverdichter zur Durchfühnuig des Verfahrens nach Anspruch i oder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich-, net, daß die Einspritzleitung (23) durch den festen Kolben (4) hindurchgeführt ist und in einem oder mehreren Düsenrohren (z7, Abb.6) mündet, die in der äußeren Hubendzone in entsprechende Vertiefungen (24) an der Innenseite des Flugkolbenbodens eindringen und die Flüssigkeit in einen Hohlraum (25) einspritzen, ' per" durch' radial' 'abgehende :. Kanäle '(26) mit-dem Stabilisierungsraum '(15) verbunden ist. .
6. 6. Motorverdichter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch z, 2 oder nach Anspruch 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugkolbenboden'innen ein Rohr (io) trägt, das den festen Kolben (¢) gleitend durchdringt und Seitenöffnungen (i i, Abb. x und 5) .aufweist, -die in der inneren Hubendzone den Boden des festen Kolbens überlaufen und den Inhalt des Stabilisierungsraumes (15) sich .zur Atmosphäre- entspannen lassen, sowie bei 'Anwendung von Spülung als Spülaüslaß 'dienen (Abb. i). Motorverdichter zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch i oder nach Anspruch 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Flugkolbens am Außenende. mit Schlitzen (8; Abb. 6) versehen ist, die in der inneren Hubendzone den festen Kolbenboden überlaufen und den .entspannten Naßdampf aus dem Stabilisierungsraum (r5) in den Verdichterraum (i3) überstiömen lassen, so daß der Därizpfgehält die Verdichtungsendtemperatur in diesem Raume erniedrigt.