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Flugkolbenbrennkraftverdichter Die Erfindung bezieht sich auf einen
Motorverdichter, insbesondere Treibgaserzeuger, mit Freiflugkolben.
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Damit eine solche Maschine ordnungsgemäß arbeitet, muß stets dafür
gesorgt werden, daß die im Motorzylinder beim Rückhub der Kolben verdichtete Verbrennungsluft
eine solche Temperatur erreicht, bei der der in denMotorzylinder eingespritzteBrennstoff
rasch und vollständig verbrennt.
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Die Verhältnisse, von denen die im Motorzylinder am Ende des Kompressionshubes
der Motorkolben erreichte Temperatur abhängt, sind beim Anlassen der Maschine und
in der Übergangsperiode zum normalen Betriebszustand wesentlich verschieden von
dem normalen Betriebszustande. Dieser Unterschied der Verhältnisse beruht vor allem
auf dem Unterschied in ,dem Wärmezustand der Maschine. Beim Anlassen ist die Maschine
kalt, so daß ein erheblicher Teil der in der verdichteten Verbrennungsluft erzeugten
Kompressionswärme auf die kalten Zylinderwandungen übergeht und infolgedessen die
Temperatur der Verbrennungsluft am Ende der Motorkompression wesentlich niedriger
ist als beim gleichen Kompressionsverhältnis, aber warmer Maschine. Es sind also
beim Anlassen besondere Maßnahmen zu treffen, um trotz des kalten Zustandes der
Maschine eine genügend hohe Endtemperatur der Verbrennungsluft zu erreichen, bei
der die Zündung des eingespritzten Brennstoffes mit Sicherheit erfolgt.
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Es ist schon bekannt, die Rückführenergie, welche die Freiflugkolben
in die Motorkompressionsendstellung überführt, in der Anlaßperiode zu verstärken.
Hierbei hat man vor allem danach getrachtet, einen Ausgleich dafür zu schaffen,
daß der Verdichter der Flugkolbenmaschine beim Anlassen noch gegen keinen wesentlichen
Gegendruck zu fördern hat und daher, falls nicht besondere Hilfsmaßnahmen, wie Blockierung
der Druckventile
des Verdichters, angewendet werden, in diesem
beimAnlassen keine wesentlichenTotraumpolster auftreten. Die Steuerung der Rückführenergie
beim Anlassen erfolgt daher bei den bekannten Einrichtungen in der Hauptsache in
Abhängigkeit von dem wachsenden Druck in dem von dem Verdichter gespeisten Druckluftbehälter.
Es fehlt hier also eine unmittelbareBeziehung zu der Temperatur der Maschine.
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Demgegenüber besteht der Zweck der vorliegenden Erfindung in erster
Linie darin, deti Einfluß zu berücksichtigen, den die Temperatur der 'Maschine auf
die Temperatur der im'Iotor-r_ylinler verdichteten Verbrennungsluft hat.
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Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Speiseluft des Motorzylinders
beim Anlassen und in der Übergangsperiode zum normalen Betriebszustand zu erwärmen,
so daß durch äußere Wärmezufuhr der Wärmeverlust, der sonst beim Anlassen durch
die niedrige Temperatur der Maschine herbeigeführt wird, ausgeglichen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Energieinhalt
eines oder mehrerer an sich bekannter Energiespeicherzylinder, die beim Arbeitshub
der Freifiugkolben Energie in sich aufspeichern, um diese beim Rückhub an die Freiflugkolben
wieder abzugeben, in Abhängigkeit vom Wärmezustand der Maschine gesteuert, und zwar
derart, daß der Energieinhalt der genannten Energiespeicher abnimmt, wenn der Wärmezustand
der Maschine zunimmt.
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Die vorstehend genannten Maßnahmen sind besonders wertvoll bei Treibgagerzeugern
mit veränderlichem Lieferdruck, aber konstantem Kompressionsverhältnis, wobei die
Konstanz des Kompressionsverhältnisses trotz der Veränderlichkeit des Lieferdruckes
des Treibgaserzeugers immer die Erreichung der gleichen Verdichtungstemperatur der
Verbrennungs-Itift im -Motorzylinder sichern soll. Bei diesen Treibgaserzeugern
wird die Luft dein Verdichterzylinder je nach dein Lieferdruck mit einem mehr oder
weniger großen Unterdruck zugeführt, wobei gleichzeitig dafür zu sorgen ist, daß
die Einlaßtemperatur der Luft in dem Verdichterzylinder trotz der Verschiedenheit
des Druckes annähernd konstant bleibt. Die Unveränderlichkeit des Kompressionsverhältnisses
sichert die zur Verbrennung notwendige Lufttemperatur im Motorzylinder mir beim
normalen Betriebszustand der Maschine, nicht aber, wenn die Maschine kalt ist. Durch
die obengenannten gemäß der Erfindung wird jedoch dieser 'Mangel behoben.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar stellt Fig. i eine erste Ausführungsform eines Treibgaserzeugers gemäß
der Erfindung schematisch im Schnitt dar.
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Fig.2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Treibgaserzeugers im
schematischen Schnitt.
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Der in den Fig. i und 2 schematisch veranschaulichte Treibgaserzeuger
umfaßt eine Freiflugkolbengruppe, die aus einem Motorkolben i und einem Verdichterkolben
2 besteht. Der Motorkolben i arbeitet in einem Motorzylinder 3, während der Verdichterkolben
2 in einem Verdichterzylinder 4 arbeitet. Zur Spülung und Speisung des Motorzylinders
3 dient zum mindesten ein Teil der in dem Verdichterzylinder durch den Kolben 2
verdichteten Luft. Zu diesem Zweck ist das Druckventil 9 des Verdichterzylinders
über einen Zwischenbehälter 3 mit den Einlaßöffnungen 6 des 'Motorzylinders 3 verbunden.
Mit 7 ist eine Auslaßöffnung des Motorzylinders bezeichnet, aus welcher ein unter
Druck stehendes heißes Gasgemisch austritt, das aus dem Überschuß der Spül-und Ladeluft
und den unvollständig entspannten Verbrennungsgasen des Motorzylinders besteht und
einer Verbrauchsmaschine, z. B. einer Turbine, zugeführt wird.
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Das Einlaßventil des Verdichterzylinders 3 ist mit 8 bezeichnet. Bei
den Treibgaserzeugern, auf die sich die Erfindung in erster Linie bezieht, strömt
die Einlaßluft dem Einlaßventil 8 mit einem veränderlichen Druck zu, der in der
Regel unterhalb des äußeren Atmosphärendruckes liegt. Von der Höhe des Druckes der
in den VerdichterzyIinder 4 einströmenden Luft hängt der Verdichtungsdruck im Verdichterzylinder
4 und somit auch der Druck des aus der Auslaßöffnung 7 austretenden Treibgases ab,
während andererseits das Verhältnis des Verdichtungsdruckes im Verdichterzylinder
trotz veränderlichen Ausstoßdruckes wenigstens annähernd konstant bleibt. Infolgedessen
bleibt die im Verdichterzylinder zu leistende Verdichtungsarbeit bei konstantem
Hub des Freiflugkolbenaggregates i, 2 auch dann im wesentlichen unverändert, wenn
der Ausstoßdruck variiert.
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Ferner hat die Konstanz des Verdichtungsverhältnisses im Verdichterzylinder
auch ein Gleichbleiben der Temperatur der verdichteten Luft zur Folge, vorausgesetzt
daß die Temperatur der angesaugten Luft konstant bleibt.
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Zwischen dem Einlaßventil 8 und demjenigen Organ, welches den Unterdruck
der dem Einlaßventil 8 zuströmenden Luft hervorruft, ist ein Zwischenbehälter io
vorgesehen. Das den Unterdruck hervorrufende Organ kann aus einer einfachen Drosselklappe
i i bestehen
(s. Fig. 2), von deren mehr oder weniger weiten Öffnung
die Höhe des Unterdrukkes in dem Behälter io abhängt. Zweckmäßiger ist es aber noch,
an Stelle der Drosselklappe ii eine Hilfsturbine 12 in die zu dem Einlaßventil8
führende Einlaßleitung des Kompressorzylinders einzuschalten (s. Fig. i). Bei Einschaltung
der Turbine 12 kann der Unterdruck in der Kammer io durch 'Regelung der Turbine
geregelt werden, und zwar kann beispielsweise auf die Tourenzahl der Turbine oder
auch auf den Einlaß: der Turbine mittels einer Klappe 1a' eingewirkt «erden.
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Das Anlassen der beschriebenen Treibgaserzeuger erfolgt mit Hilfe
einer äußeren Energie, die die Flugkolben i, 2 in diejenige Stellung schleudert,
bei der im Motorzylinder 3 ein genügend hoher Kompressionsdruck herrscht, um die
Zündung des mittels der Brennstoffdüse 14 eingespritzten Brennstoffes zu bewirken.
Eine gewisse Schwierigkeit ergibt sich jedoch daraus, daß die Maschine beim Anlassen
kalt ist und daher ein erheblicher Teil der Kompressionswärme in die kalten Wandungen
des Motorzylinders 3 übergeht. Ganz besonders störend ist diese Erscheinung in der
Übergangsperiode zwischen dem ersten Anlassen und dem normalen Betrieb, da schon
in dieser Übergangsperiode das Verdichtungsverhältnis in dem Verdichterzylinder
gleich dem im normalen Betrieb sein soll.
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Gemäß einer ersten Ausfühungsform der Erfindung wird dieVerbrennungsluft
während des Anlassens der Maschine und während des genannten Übergangszustandes
zum Ausgleich des durch die kalten Maschinenwandungen verursachten Wärmeverlustes
angewärmt. Die Erwärmung der Luft kann in dem Verdichterzylinder 4 und bzw. oder
dem Motorzylinder 3 dadurch erzielt werden, daß man in den Wandungen dieser Zylinder
während des Anlassens und während des Überganges zu dem normalen Betriebzustand
ein heißes, flüssiges oder gasförmiges Mittel zirkulieren läßt. Es ist auch möglich,
die Speiseluft vor dem Eintritt in den Verdich= terzylinder im Innern des dem Einlaßventil
8 vorgeschalteten Behälters io anzuwärmen. Auch hier kann die Erwärmung mit Hilfe
eines heißen Mittels geschehen, das in der Wandung des Behälters io umläuft.
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Das Heizmittel zur Erwärmung der Wandungen der Zylinder 3, 4 oder
des Behälters io kann. bei einer Anlage, welche mehrere Treibgaserzeuger umfaßt,
aus den heißen Verbrennungsgasen oder dein heißen Treibgas eines derjenigen Treibgaserzeuger
bestehen, die im Augenblick des Anlassens des betrachteten Treibgaserzeugers schon
im Betrieb sind. Eine weitere zweckmäßige Maßnahme zur Erwärmung der Speiseluft
des Zylinders 3 besteht in der Anordnung von einem oder mehreren Brennern 15 vor
oder hinter dem Verdichterzylinder .4. Besonders zweckmäßig ist es, diese Brenner,
mit deren Hilfe eine geringe Menge Brennstoff in der Spül- und Speiseluft des Motorzylinders
verbrannt wird, an dem Zwischenbehälter 5 anzuordnen.
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Auf die genannte Weise wird mit Sicherheit erreicht, daß die Speiseluft
des Motorzylinders 3 am Ende des Kompressionshubes in dem Motorzylinder diejenige
Temperatur hat, bei der der durch die Düse 14 eingespritzte Brennstoff rasch und
vollständig verbrennt.
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Ein anderes Mittel, um den Wärmeverlust der Verbrennungsluft auszugleichen,
der beim Anlassen auftritt, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Einrichtung nach Fig.2
beruht auf der an sich bekannten Maßnahme, die von pneumatischen Energiespeichern
13 gelieferte Rückführenergie während des Anlassens zu verstärken, damit
auf diese Weise im Motorzylinder 3 eine höhere Kompressionsarbeit geleistet wird,
die zu einer entsprechenden Erhöhung der Temperatur im Motorzylinder führt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.2 ist der pneumatische Energiespeicher
13 ein Speicher, in dem der Arbeitshub des Kolbenaggregates i, 2 einen Unterdruck
erzeugt, der auf die Rückseite des Verdichterkolbens 2 wirkt und bestrebt ist, den
Kolben i, 2 in die Motorkompressionsendstellung zu überführen.
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Zur Regelung des Energieinhaltes des Unterdruckenerg iespeichers 13
wird das Innere dieses Speichers bei der inneren Totpunktstellung des Kolbens mit
dem Inneren des Verdichterzylinders 4 in Verbindung gesetzt. Im Innern des Verdichterzylinders
4 herrscht bei der inneren Totpunktstellung des Kolbens i der Ansaugdruck des Verdichterzylinders.
Dieser Ansaugdruck wird in der inneren Totpunktstellung des Kolbens 1,:2 durch öffnung
des im -Kolben 2 angebrachten Ventils 16 auf denEnergiespeicher i3 übertragen, so
daß der zu Beginn des Arbeitshubes des Kolbens i, 2 in dem Energiespeicher 13 herrschende
Druck gleich dem Ansaugdruck des Verdichterzylinders 4 ist. Je geringer der Ansaugdruck
des Verdichterzylinders 4 ist, um so geringer ist somit auch der Druck im Energiespeicher
13, und um so größer ist die von dem Energiespeicher gelieferte Rückführleistung.
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Zur Öffnung des Ventils 16 während der inneren Totpunktstellung des
Kolbens i, 2 dient ein Anschlag 17. Die Stellung dieses Anschlages ist jedoch
nicht fest, sondern in Abhängigkeit von der Temperatur der in dem
Behälter
5 befindlichen verdichteten Luft veränderlich. Zur Veränderung der Stellung des
Anschlages 17 dient ein Nocken 18, der von einem im Innern des Behälters 5 liegenden
Thermostaten ig verstellt wird.
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Wenn die Temperatur der verdichteten Luft beim Anlassen steigt, dehnt
sich der Thermostat ig aus und verschiebt dadurch den Anschlag 17 in einem solchen
Sinne, daß das Ventil 16 früher geöffnet und später geschlossen wird. Je früher
sich jedoch das Ventil 16 öffnet und je später es sich schließt, um so geringer
ist die in dem Speicher 13 aufgespeicherteRückführleistung. Man erhält somit in
unmittelbarer Abhängigkeit von der Temperatur der verdichteten Luft eine Vergrößerung
der Rückführleistung bei geringer Temperatur der verdichteten Luft und eine verringerte
Rückführleistung bei hoher Temperatur der verdichteten Luft.
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Es ist schon oben darauf hingewiesen worden, daß das Konstantbleiben
des Verdichtungsverhältnisses in dem Verdichterzylinder 4 nur dann ein Konstantbleiben
der Temperatur der verdichteten Luft zur Folge hat, wenn die Temperatur der in den
Verdichterzylinder eingesaugten Luft konstant bleibt. Um dies bei der Ausführungsform
nach Fig. i trotz der Veränderlichkeit der Druckentspannung in der Turbine 12 zu
erreichen, muß bei adiabatischer Entspannung der Luft in der Turbine 12 für eine
Erwärmung der Luft vor oder hinter der Turbine gesorgt werden, oder es muß durch
Erwärmung der Luft in der Turbine selbst für eine annähernd isothermische Entspannung
gesorgt werden. Auch die Anordnung des Behälters io vor dem Einlaßventil 8 wirkt
in dem Sinne einer möglichsten Konstanthaltung der in den Zylinder .1 eintretenden
Luft.
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Es sei nochmals betont, daß im varst^lienden nur Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben sind, auf welche diese weder hinsichtlich ihrer Ausführungsformen
noch hinsichtlich ihrer Anwenduligsarten beschränkt ist. So kann beispielsweise
zur Veränderung der Riickführenergie in den Energiespeichern 13 eine veränderliche
Menge von Brennstoff in diesen Energiespeichern verbrannt werden. Die Dosierung
dieses Brennstoffes geschieht dann in Abhängigkeit von mindestens einer der Temperaturen
der Maschine.