DE768085C

DE768085C - Device for carrying out the process for operating a power generation system

Info

Publication number: DE768085C
Application number: DEJ64215D
Authority: DE
Inventors: Waldemar Dipl-Ing Hryniszak; Max Adolf Dipl-Ing Mueller
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1939-03-30
Filing date: 1939-03-30
Publication date: 1955-11-03

Description

Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Betrieb einer-Krafterzeugungsanlage Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zum Betrieb einer Krafterzeugungsanlage nach Patent 768 043 zur Kühlung der Kolben der hochbelasteten und schnellaufenden Kolbenbrennkraftmaschinen.Device for carrying out the method for operating a power generation system The invention relates to devices for carrying out the method of operation a power generation system according to patent 768 043 for cooling the pistons of the highly stressed and high-speed piston internal combustion engines.

Es ist bei Kolbenbrennkraftmaschinen, die mit den bisher üblichen niedrigen Drehzahlen betrieben werden und somit nicht hoch belastet sind, bekannt, den Kolbenboden doppelwandig auszuführen und mit Ein- und Auslaßschlitzen zu versehen, so daß entweder im unteren oder im oberen Totpunkt verdichtete Luft zur Kühlung des Kolbenbodens durch diesen hindurchströmen kann. Es erfolgt dabei eine unterbrochene, d. h. nur vorübergehende Kühlung ausschließlich des Kolbenbodens, und zwar nur während eines ganz geringen Teiles des Arbeitsspieles. Die zur Kühlung verwendete Luftmenge wird von einem Gebläse verdichtet, dessen Leistungsbedarf von der Brennkraftmaschine selbst gedeckt werden muß. Will man daher den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine hoch halten, so muß man die Menge und den Druck der Kühlluft niedrig halten. Es ist schon vorgeschlagen worden, die durch den Kolbenboden erwärmte Luft einer der Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasturbine zuzuführen. Ein solches Verfahren kann jedoch lediglich eine Senkung der Temperatur der Beschaufelung der Turbine bezwecken, da ein Leistungsgewinn zufolge des großen Unterschiedes zwischen dem Wärmegefälle der Abgase und dem Wärmegefälle der @.'armluit nicht zu erwarten ist. Außer durch die Ein-und Auslaßschlitze und den Doppelboden unterscheidet sich ein solcher Kolben in keiner Weise von den Kolben üblicher Bauart. Der ganze Kolbenschaft gleitet dichtend in dem Arbeitszvlinder, außerdem sind eine Anzahl von Kolbenringen zur zusätzlichen Dichtung vorgesehen.It is with piston internal combustion engines that with the previously usual are operated at low speeds and are therefore not heavily loaded, known the piston crown is double-walled and provided with inlet and outlet slots, so that either in the bottom or in the top dead center compressed air for cooling of the piston crown can flow through it. There is an interrupted, d. H. only temporary cooling exclusively of the piston crown, and only during a very small part of the work cycle. The amount of air used for cooling is compressed by a fan, whose power requirement is from the internal combustion engine must be covered by yourself. One therefore wants the efficiency of the internal combustion engine keep high, the amount and pressure of cooling air must be kept low. It It has already been proposed that the air heated by the piston crown be one of the Internal combustion engine feed connected exhaust gas turbine. A however, such a method can only lower the temperature of the blades of the turbine, as a performance gain due to the large difference between the heat gradient of the exhaust gases and the heat gradient of the @. 'armluit not to be expected is. Except for the inlet and outlet slots and the double floor differs such a piston in no way differs from the pistons of conventional design. The whole piston skirt slides sealingly in the working cylinder, there are also a number of piston rings intended for additional sealing.

Ein Kolben der bekannten Bauart genügt zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine. die hoch belastet ist und mit sehr hohen Drehzahlen betrieben wird, nicht. Bei einer solchen Isolbenbrennlcraftmaschine wird an den Kolben ein erheblicher Teil der Verbrennungswärme abgegeben, die bei der mangelhaften Kühlung der bisher bekannten Kolben bald zur Zerstörung des Kolbens führt. Außerdem nehmen bei sehr hohen Drehzahlen die Reibungskräfte derart zu, daß der Betrieb eines Kolbens bisheriger Bauart für sehr hohe Drehzahlen unmöglich wird. Aus diesem Grunde sind auch Kolbenringe zur Abdichtung sehr hoch belasteter Kolben schlecht geeignet.A piston of the known type is sufficient to operate a piston internal combustion engine. which is heavily loaded and operated at very high speeds, not. At a Such an insulating combustion machine is a considerable part of the heat of combustion on the pistons released, which in the insufficient cooling of the previously known piston soon to Destruction of the piston leads. In addition, the frictional forces decrease at very high speeds so that the operation of a piston of previous design for very high speeds becomes impossible. For this reason, piston rings for sealing are also very high badly loaded piston.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Einrichtungen zur Kühlung der Kolben von hochbelasteten und schnellaufenden Kolbenbrennkraftmaschinen, insbesondere von solchen, bei welchen die in der Kolbenbrennkraftmaschine nicht in mechanische Leistung umgesetzte Verbrennungswärme in einer Entspannungsmaschine (Gasturbine, Rückstoßdüse') ausgenutzt wird, zu schaffen, welche einen einwandfreien Betrieb des Kolbens unter allen Umständen gewährleisten. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch den Kolben ein gasförmiges Kühlmittel in ständigem Strom hindurchgeführt wird und dabei ein erheblicher Teil der Verbrennungswärme auf dieses übertragen wird. Dazu wird im Kolben ein Hohlraum vorgesehen, der mit Zu- und Abströmleitungen für das gasförmige Kühlmittel ständig in Verbindung steht. Der im Kolben vorgesehene Hohlraum mündet hierbei in der Kolbenmantelfläche. wobei diese Mündungen mit in der Lauffläche des Arbeitszylinders mündenden Zu- und Abströmöffnungen für das gasförmige Kühlmittel in dauernder Verbindung stehen. Der Kolbenhohlraum ist in dem dem Brennraum zugekehrten Teil des Kolbens vorgesehen und gegen diesen hin durch den Kolbenboden abgegrenzt. Für eine einfach wirkende Brennkraftmaschine besteht der Kolben aus dem eigentlichen Kolbenkörper, e:tiem im Abstand von diesem angeordneten und durch -1,-erbindungsrippen an ihm unnachgiebig festgelegten Boden, welcher zur Führung im Arbeitszylinder einen in axialer Richtung sich erstreckenden Randfortsatz besitzt. Die Führungsfläche des Kolbenboden: ist hierbei kleiner als die Führungsfläche des Kolbenkörpers, und die -Normalkräfte werden im wesentlichen von dieser aufgenommen. Der Kolben für eine doppelt wirkende Kolbenbrennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus zwei die Brennräume gasdicht abschließenden und je mit einem in axialer Richtung sich erstreckenden Randfortsatz versehenen Kolbenböden. Die beiden Kolbenböden sind durch ein Zwischenstück in festem Abstand unnachgiebig gegeneinander festgelegt. Die Führungsfläche der Kolbenböden besitzt nur eine geringe Erstreckung in axialer Richtung, so daß die Normalkräfte im wesentlichen von der Kolbenstangenführung aufgenommen werden.It is the object of the invention to provide devices for cooling the pistons of highly loaded and high-speed piston internal combustion engines, in particular of those in which the reciprocating internal combustion engine does not deliver mechanical power converted heat of combustion in an expansion machine (gas turbine, thrust nozzle ') is exploited to create, which is a proper operation of the piston under guarantee in all circumstances. The object is achieved according to the invention by that a gaseous coolant passed through the piston in a constant flow and a considerable part of the heat of combustion is transferred to it will. For this purpose, a cavity is provided in the piston with inflow and outflow lines for the gaseous coolant is constantly in communication. The one provided in the piston The cavity opens into the piston jacket surface. these mouths with in The inlet and outlet openings for the gaseous stream opening onto the running surface of the working cylinder Coolant are in constant contact. The piston cavity is in the combustion chamber facing part of the piston provided and against this through the piston head delimited. For a single-acting internal combustion engine, the piston consists of the actual piston body, e: tiem arranged at a distance from this and through -1, -binding ribs on it unyieldingly fixed floor, which for guidance in the working cylinder has a peripheral extension extending in the axial direction. The guide surface of the piston crown: is smaller than the guide surface of the Piston body, and the normal forces are essentially absorbed by this. The piston for a double-acting piston internal combustion engine consists essentially from two gas-tight sealing of the combustion chambers and one each in the axial direction extending edge extension provided piston heads. The two piston heads are fixed rigidly against each other by an intermediate piece at a fixed distance. The guide surface of the piston heads has only a small extent in the axial direction Direction, so that the normal forces are essentially absorbed by the piston rod guide will.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Kolbenboden als Körper gleicher Festigkeit ausgebildet und vorteilhaft nach dem Brennraum hin gewölbt. Am Umfang des Kolbenbodenrandes wird eine Ringnut vorgesehen, welche von der Zylinderfläche nach außen abgeschlossen wird, die jedoch nach der Eintrittsseite der Kühlluft hin offen ist, so daß die gegen diese Öffnung anströmende Luft in dem Ringraum eine Druckerhöhung erzeugt, die dem Durchtreten von Brenngasen durch den Spalt zwischen Zvlinderwand und Kolbenboden entgegenlvirkt. Der Kolbenbodenrand ist von zusätzlichen Teilen. die zur Abdichtung dienen (Kolbenringe, frei. Zwecks einwandfreier Dichtung besteht der Kolbenboden aus einem Werkstoff, der im wesentlichen die gleiche Wärmedehnung erfährt wie der Arbeitszylinder, so daß allein durch die Passung eine hinreichende Abdichtung bei allen Betriebszuständen erzielt wird. Der Kolbenboden ist hierbei aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Es ist auch möglich, den Kolbenbodenrand als Labyrinthdichtung auszubilden, die sich dann vorteilhaft in axialer Richtung nur so weit erstreckt, daß eine hinreichende Abdichtung gewährleistet ist.In a further embodiment of the invention, the piston head is used as a body the same strength and advantageously arched towards the combustion chamber. An annular groove is provided on the circumference of the edge of the piston crown, which extends from the cylinder surface is closed to the outside, but towards the inlet side of the cooling air is open, so that the air flowing against this opening in the annular space a Pressure increase generated, the passage of fuel gases through the gap between Counteracts cylinder wall and piston crown. The edge of the piston crown is of additional Share. which serve for sealing (piston rings, free. For a perfect seal the piston crown consists of a material that has essentially the same thermal expansion experiences how the working cylinder, so that a sufficient one through the fit alone Sealing is achieved in all operating conditions. The piston crown is here made of a material with high thermal conductivity. It is also possible to use the Train the piston crown edge as a labyrinth seal, which is then advantageous in extends in the axial direction only so far that an adequate seal is ensured is.

In der Zeichnung sind einige Ausiührungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt Abb. i den ständig durchströmten Arbeitskolben einer einfach wirkenden Breiinkraftmaschine, Abb. a einen Kolben ähnlich demjenigen nach Abb. i, Abb. 3 den ständig durchströmten Arbeitskolben einer doppelt wirkenden Brennkraftmaschine, Abb. 4 einen Kolben ähnlich demjenigen nach Abb. 3.Some Ausiührungsbeispiele the invention are shown in the drawing. Fig. I shows the working piston of a single-acting piston through which there is constant flow Pulp engine, Fig. A a piston similar to that of Fig. I, Fig. 3 the constantly flowing working piston of a double-acting internal combustion engine, Fig. 4 a piston similar to that of Fig. 3.

Gemäß Abb. i besteht der in dem Arbeitszylinder i gleitende Kolben aus dem eigentlichen Kolbenkörper 2 und einem im Abstand von diesem angeordneten und durch Verbindungsrippen 3 an ihm unnachgiebig festgelegten Kolbenboden 4. Der Kolbenboden 4 besitzt zur Führung im Arbeitszylinder i einen in axialer Richtung sich erstreckenden Randfortsatz 5. Der zwischen dem Kolbenboden 4 und dem eigentlichen Kolbenkörper 2 gebildete Hohlraum 6 steht in dauernder leitender Verbindung mit den in der Lauffläche des Arbeitszylinders i mündenden Zu-und Abströmöffnungen 7 und 8 für das gasförmige Kühlmittel, vorzugsweise Luft. Der Kolbenkörper 2 ist kegelförmig gestaltet, so daß das gasförmige Kühlmittel staufrei in den Kolbenhohlraum 6 ein- und aus diesem austreten kann. Der Kolbenhohlraum 6 ist in dem dem Brennraum 9 des Arbeitszylinders i zugekehrten Teil des Kolbens vorgesehen und wird nach dem Brennraum hin durch den Kolbenboden 4 abgegrenzt. Die Führungsfläche io des Kolbenbodens ist kleiner als die Führungsfläche i i des Kolbenkörpers 2. Da die kraftübertragenden Teile (Kolben, Bolzen, Pleuelstange) im Bereiche der Führungsfläche i i im Kolbenkörper :z angeordnet sind, werden die Normalkräfte im wesentlichen auf die Führungsfläche i i des Kolbenkörpers 2 übertragen. Durch diese Anordnung wird die Führungsfläche io des Kolbenbodens 4 weitestgehend von Normalkräften entlastet.According to Fig. I, there is the piston sliding in the working cylinder i from the actual piston body 2 and one arranged at a distance from it and by connecting ribs 3 on it rigidly fixed piston head 4. The The piston head 4 has an axial direction for guidance in the working cylinder i extending edge extension 5. The between the piston head 4 and the actual Piston body 2 formed cavity 6 is in permanent conductive connection with the inflow and outflow openings 7 opening into the running surface of the working cylinder i and 8 for the gaseous coolant, preferably air. The piston body 2 is conical designed so that the gaseous coolant enters the piston cavity 6 without congestion and can exit from it. The piston cavity 6 is in the combustion chamber 9 of the Working cylinder i facing part of the piston is provided and is after the combustion chamber delimited by the piston head 4. The guide surface io of the piston crown is smaller than the guide surface i i of the piston body 2. Since the force-transmitting Parts (pistons, bolts, connecting rods) in the area of the guide surface i i in the piston body : z are arranged, the normal forces are essentially on the guide surface i i of the piston body 2 transferred. This arrangement becomes the guide surface io of the piston head 4 largely relieved of normal forces.

Gemäß Abb. 2 gleitet der Kolben einer einfach wirkenden Brennkraftmaschine in dem Arbeitszylinder 28. Der Kolben hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der in Abb. i dargestellte Arbeitskolben. Das gasförmige Kühlmittel wird durch die Einlaßöffnung 29 im Arbeitszylinder 28 schräg gegen den Kolbenbodenrand 30 geführt. Dieser Kolbenbodenrand besitzt eine Ringnut 31, welche von der Lauffläche des Arbeitszylinders 28 nach außen begrenzt wird. Lediglich gegen die Eintrittsseite der Kühlluft hin ist eine Öffnung 32 vorgesehen, so daß die durch die Einlaßöffnung 29 eintretende und gegen die Öffnung 32 anströmende Luft im Ringraum 31 eine Druckerhöhung erzeugt, die dem Durchtreten von Brenngasen durch den Spalt zwischen Zylinderwand 28 und Kolbenboden 33 entgegenwirkt. Der Kolbenbodenrand 30 ist ferner als Labyrinthdichtung 34 ausgebildet. Von zusätzlichen Teilen, wie z. B. Kolbenringen, die zur Abdichtung dienen, ist der Kolbenrand vollkommen frei. Der Kolbenboden 33 und sein Rand 3o bestehen aus einem Werkstoff, der im wesentlichen die gleiche Wärmedehnung erfährt wie der. Arbeitszylinder 28, so daß allein durch die Passung eine hinreichende Abdichtung bei allen Betriebszuständen erzielt wird. Vorteilhaft ist es hierbei, den Kolbenboden aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit herzustellen. Der Führungsteil 35 des Kolbenkörpers 36 wird zweckmäßig aus einem besonders verschleißfesten Material hergestellt, da dieser Teil ja durch die Normalkräfte hoch belastet ist.According to Fig. 2, the piston of a single-acting internal combustion engine slides in the working cylinder 28. The piston has essentially the same structure as the working piston shown in Fig. I. The gaseous coolant is guided through the inlet opening 29 in the working cylinder 28 at an angle against the piston crown 30 . This edge of the piston crown has an annular groove 31 which is delimited to the outside by the running surface of the working cylinder 28. An opening 32 is provided only towards the inlet side of the cooling air, so that the air entering through the inlet opening 29 and flowing against the opening 32 generates a pressure increase in the annular space 31, which counteracts the passage of fuel gases through the gap between the cylinder wall 28 and the piston head 33 . The piston crown 30 is also designed as a labyrinth seal 34. Of additional parts, such as B. piston rings, which are used for sealing, the piston edge is completely free. The piston head 33 and its edge 3o consist of a material which experiences essentially the same thermal expansion as the. Working cylinder 28, so that a sufficient seal is achieved in all operating conditions through the fit alone. It is advantageous here to manufacture the piston crown from a material of high thermal conductivity. The guide part 35 of the piston body 36 is expediently made of a particularly wear-resistant material, since this part is highly stressed by normal forces.

Gemäß Abb.3 besteht der im Arbeitszylinder 12 einer doppelt wirkenden Brennkraftmaschine gleitende Arbeitskolben im wesentlichen aus zwei die Brennräume 13, 14 gasdicht abschließenden Kolbenböden 15, 16, die durch ein Zwischenstück ig in einem Abstand unnachgiebig gegeneinander festgelegt sind. Die Kolbenböden haben je einen in axialer Richtung sich erstreckenden Randfortsatz 17, 18. Das Zwischenstück ig besteht aus Verbindungsrippen 2o und einem Führungskörper 21. Zwischen dem Führungskörper 21 und den Kolbenböden 15 und 16 werden die Hohlräume 22 und 23 gebildet. Das gasförmige Kühlmittel strömt durch die Einlaßöffnung 24 des Arbeitszylinders 12 in die beiden Hohlräume 22 und 23 ein und verläßt sie durch die Auslaßöffnung 25. Die Führungsflächen der Kolbenböden 15 und 16 besitzen eine geringe Erstreckung in axialer Richtung, so daß die Normalkräfte im wesentlichen von der Führung 26 der Kolbenstange 27 aufgenommen werden.According to Fig.3 there is a double-acting in the working cylinder 12 Internal combustion engine sliding working piston essentially from two the combustion chambers 13, 14 gas-tight sealing piston heads 15, 16, which by an intermediate piece ig are rigidly set against each other at a distance. The piston crowns have one edge extension 17, 18 each extending in the axial direction. The intermediate piece ig consists of connecting ribs 2o and a guide body 21. Between the guide body 21 and the piston heads 15 and 16, the cavities 22 and 23 are formed. The gaseous one Coolant flows into the two through inlet port 24 of working cylinder 12 Cavities 22 and 23 and leaves them through the outlet port 25. The guide surfaces the piston heads 15 and 16 have a small extension in the axial direction, so that the normal forces are essentially absorbed by the guide 26 of the piston rod 27 will.

Gemäß Abb.4 besteht der im Arbeitszylinder 37 einer doppelt wirkenden Brennkraftmaschine gleitende Kolben aus den beiden die Brennräume 38, 39 gasdicht abschließenden Kolbenböden 40, 41 mit ihren Randteilen 42, 43 und einem Zwischenstück 47. Die Führungsflächen der Kolbenböden 40 und 41 besitzen nur eine geringe Erstreckung in axialer Richtung. Die Normalkräfte werden im wesentlichen von den Führungen 44,45 der doppelt geführten Kolbenstange 46 aufgenommen. Die Kolbenstange 46 ist an dem die beiden Kolbenböden 4o, 41 in festem Abstand unnachgiebig verbindenden Zwischenstück 47 festgelegt.According to Fig. 4, there is a double-acting in the working cylinder 37 Internal combustion engine sliding pistons from the two combustion chambers 38, 39 gas-tight final piston heads 40, 41 with their edge parts 42, 43 and an intermediate piece 47. The guide surfaces of the piston heads 40 and 41 have only a small extension in the axial direction. The normal forces are essentially provided by the guides 44, 45 the double guided piston rod 46 was added. The piston rod 46 is on the the two piston heads 4o, 41 rigidly connecting an intermediate piece at a fixed distance 47 set.

Bei der beschriebenen Ausgestaltung eines Brennkraftmaschinenkolbens wird ein weiterer wesentlicher Vorteil dadurch erreicht, daß das ständig die heißen Kolbenteile bespülende Kühlmittel auch wesentliche Teile der Lauffläche des Arbeitszylinders umströmt und dabei unmittelbar kühlt.In the described embodiment of an internal combustion engine piston Another significant advantage is achieved by the fact that they are always hot Piston parts flushing coolant also essential parts of the running surface of the working cylinder flows around it and cools it immediately.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device for carrying out the method for operating a power generation system, in particular for vehicles, which comprises a high-pressure part designed as a piston internal combustion engine and a low-pressure part designed as an additional expansion machine (e.g. gas turbine, recoil nozzle) as well as an air compressor, which includes a portion of the compressed air for purging and Gives charging of the internal combustion engine, according to patent 768 0.13, characterized in that the cavity provided in the piston for passing the air flow through has inflow and outflow openings designed in such a way that they are in permanent connection with the supply and discharge line for the constant flowing air. Device according to claim i. characterized in that the air flow delivered by the air compressor at the end of the working stroke of the piston both through the piston cavity as a cooling air flow and as a flushing and charge air flow into the working chamber of the cylinder through the cooperation of narrow piston circumference guide surfaces with the inlet and outlet slots in the cylinder liner, which, measured in the direction of the cylinder axis, are wider than the piston circumference guide surface, can flow in. 3. Device according to claim i and 2 for single-acting internal combustion engines, characterized in that the piston consists of a piston body (2) and a spaced apart therefrom and by connecting ribs (3) on it rigidly fixed base (. @), Which has a peripheral extension (5) extending in the axial direction for guidance in the working cylinder (i). d .. internal combustion engine piston according to claim 3, characterized in that the guide surface of the piston head (.1.) is smaller than the guide surface of the piston body (2) so that the normal forces are essentially absorbed by this. 5. Device according to claim i and 2 for double-acting internal combustion engines, characterized in that the piston consists of two the combustion chambers (i3. I4) sealing off gas-tight and each with an axially extending edge extension (17, 18) provided piston head (i5, 16) and an intermediate piece (i9) that rigidly connects these two floors at a fixed distance. 6. Internal combustion engine piston according to claim 5, characterized in that the guide surfaces of the piston heads (i5, 16) have only a small extension in the axial direction and that the normal forces are essentially absorbed by the piston rod guide (26). ;. Internal combustion engine piston according to one of Claims 3 to 6, characterized in that the piston head is designed as a body of the same strength. B. internal combustion engine piston according to one of claims 3 to 7, characterized in that an annular groove (3r) is provided on the circumference of the piston Z, (30), which is closed off from the cylinder running surface to the outside. towards the inlet side (29) of the cooling air, however, is open, so that the air flowing against this opening (32) generates a pressure increase in the annular space (3i), which prevents the passage of combustion gases through the gap between the cylinder wall (28) and the piston head ( 33) counteracts. G. Internal combustion engine piston according to one of Claims 3 to 8, characterized in that the edge of the piston crown is free of additional parts which serve for sealing. ok Internal combustion engine piston according to one of claims 3 to 9, characterized in that the piston head consists of a material which essentially undergoes the same thermal expansion as the working cylinder. so that a sufficient seal is achieved in all operating conditions through the fit alone. i i. Internal combustion engine piston according to one of Claims 3 to 10, characterized in that the piston head edge (30 ) is designed as a labyrinth seal (34) and extends only so far in the axial direction. that a sufficient seal is guaranteed. To delimit the subject matter of the invention: from the state of the art, the following publications have been taken into account in the granting procedure: German patent specifications no. 564 170, 572678, British patents \ r. 141 1 from -drive igi5, r78 59o.