Freikolben-Gasgenerator für Gasturbinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Es ist hier nicht beabsichtigt, den völligen Massenausgleich zu erreichen wie beim
Freikolbenmotor Junkers oder Pescara, vielmehr wird hier die Leichtbauweise und
billige Herstellung angestrebt, um den technisch vollkommenen Antrieb eines Autoniobils
zu verwirklichen. Die Erfindung bezieht sich auf eine bauliche, zum Teil mehrfach
bekannte Anordnung von Freiflug-kolbenmaschinen, bei denen ein in der Mitte befindlicher,
doppelt wirkender Kompressorkolben von zwei durchgehenden Motorkolben
- je Seite einer --
angetrieben wird. Unter den vielen bekannten Vorschlägen
wird bei einem sowohl der Kolben als auch der Zylinder frei fliegend bewegt. Bei
einer anderen Ausführung dient der Kompressorkolben zur Förderung von Wasser, bei
einer weiter bekannten wird Öl
komprimiert. All diesen bekannten Ausführungen
gegenüber unterscheidet sich die Erfindung wesentlich, trotz der ähnlichen Bauweise.
Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht es, einen in den Ab-
messungen
kleinen und daher auch leichten Treibgaserzeuger mit nachgeschalteter Gasturbine
zu baum welcher vorwiegend dein direkten Antrieb von Kraftfahrzeugen dienen soll.
Auf Grund praktisch durchgeführter Versuche mit solchen Kolbentreibgaserzeugern
liegen Erkenntnisse vor, welche die an sich bekannte Boxeranordnung mit einer Reihe
von neuen Gedanken erst verwendungsfähig gestalten. Es ist ferner auf einen weiteren
Vorschlag hinzuweisen, bei welchem ebenfalls eine Art von Freikolben mit einem Zylinder
und zwei gegenläufigen Kolben so arbeitet, daß die Rückführung der Kolben in die
Zündstellung mittels zweier Kurbeltriebe erfolgt, wovon jedes Triebwerk zwei um
180' versetzte Kurbelzapfen erfordert. Für kleine Leistungen hat diese Anordnung
lediglich den Nachteil, daß infolge der nur einmal je
Hub erfolgenden Zündung
der bei Treibgasgeneratoren unerläßlicheAusgleichsbehälter verhältnismäßig ein großes
Volumen haben muß. Dies ist gerade für Personenautos ungünstig. In diesem Falle
sind zwei Zylinder mit also 180' Zündabstand weit günstiger, denn das Volumen
für den Ausgleichsbehälter wird nur halb so groß. Dadurch, daß das Betriebsverfahren
der Treibgaserzeugung mit Kolbenmaschine ausschließlich nur mit Kraftstoffeinspritzung
arbeitet und die Belastungsreglung durch veränderlichen Ladedruck erfolgt, wobei
der Regler die dabei nötige Kraftstoffmenge dosiert, kann die Rückführung der Kolben
in die Zündstellung durch den 180gradigen Zündabstand erfolgen. Bei allen in Betrieb
befindlichen Freikolbenmaschinen sind zwecks Gleichlauf Schwingen und Gestänge bzw.
Zahnstangen erforderlich, die hier nicht erforderlich sind. Übrigens dürfte der
Antrieb der Nebenapparate mit oszillierenden Wellen für Fahrzeuge nicht geeignet
erscheinen und wird hier ähnlich einer bekannten Ausführung der umlaufende Antrieb
gewählt, welche zugleich im Falle eines Aussetzers als Sicherung dient. Die LösiLing
der Aufgabe besteht darin, daß eine an sich bekannte, am Kompressorkolben seitlich
befestigteHubstange durch den Zylinderdeckel hindurchgeführt wird, uni dann außerhalb
mittels eines Verbindungsstückes mit Bolzenlager eine leichte Pleuelstange mit dem
Kurbelzapfen einer Welle zu verbinden., von der aus über Kegelräder eine oder mehrere
Nebenwellen für den Antrieb der Nebenapparate dienen,. Eine ähnliche Ausführung
ist bekannt, doch erfordert diese zwei je um 180' versetzte Kurbeln
und hat die Aufgabe, die Kolben in die Zündstellung zurückzuführen, ist also zur
Übertragung größerer K räfte bestimmt. Eine Schwierigkeit, welche bei den großen
Luftdurchsätzen von Gasgeneratoren auftritt, sind die in großer Anzahl erforderlichen
Saug- und Druckventile. Trotz der Vielzahl wird der Füllungsgrad mangels ungenügenden
Ventilquerschnitts nieder. Hier sieht die Erfindung ein Mittel vor, welches zwar
bei Luftkornpressoren normaler Länge bekannt ist, sich aber n#icht in derselben
Weise bei dem als Scheibenkolben ausgebildeten Konipressorkolben anwenden läßt.
Es handelt sich dabei um einen Schlitz im Kon-ipressorzylii-ider, der in Nähe der
unteren Totlage- vom Konipressorkolben aufgesteuert wird, um den noch herrschenden
Unterdruck zur besseren Füllung des Kompressorzylinders zu benutzen. Dies scheidet
bei der scheibenartigen Ausbildung des Kompressorkolbens von Treibgaserzeugern gänzlich
aus. Die Aufgabe wird damit gelöst, daß jeder der Motorkolben eine eingegossene
oder eingefräste Nut von bestimmter Größe erhält, welche sich gegen. Hubende mit
einem im Motorzylinder vorhandenen Schlitz und einen ebensolchen im Zylinderdeckel
des Kompressors überschneidet
und damit eine Verbindung vom Saugkanal
zum Hubraum des Kompressors herbeiführt, um den Unterdruck auszugleichen und die
Füllung wesentlich zu verbessern. Für die bauliche Ausführung ist noch hervorzuheben,
daß der Kompressorzylinder an einer oder auch beiden Seiten parallel zur Zylinderachse
einen flanschartigen Anschluß besitzt, um das Kurbeltriebwerk mit einem weiteren
Deckel abzuschliießen.Free piston gas generator for gas turbines, especially for motor vehicles It is not intended here to achieve complete mass balance as with the Junkers or Pescara free piston engine, but rather the lightweight construction and cheap production are sought here in order to realize the technically perfect drive of an automobile. The invention relates to a structural, multiple known to the sub-array of free-flight piston engines, in which an in-the middle, double-acting piston compressor of two continuous motor piston - is driven - the side of a. Among the many known proposals, one has both the piston and the cylinder free-floating. In another embodiment, the compressor piston is used to convey water; in a further known embodiment, oil is compressed. The invention differs significantly from all these known designs, despite the similar construction. The inventive design allows a measurements in the waste small and therefore easy propellant gas generator with a downstream gas turbine to which tree your direct drive is mainly used in motor vehicles. On the basis of tests carried out in practice with such piston propellant gas generators, there are findings that make the boxer arrangement known per se usable with a number of new ideas. A further suggestion should also be made, in which a type of free piston with one cylinder and two opposing pistons works so that the return of the pistons to the ignition position takes place by means of two crank mechanisms, each of which requires two crank pins offset by 180 '. For small capacities, this arrangement only has the disadvantage that, due to the ignition taking place only once per stroke, the expansion tank, which is essential for propellant gas generators, must have a relatively large volume. This is particularly unfavorable for passenger cars. In this case, two cylinders with an ignition interval of 180 'are far cheaper, because the volume for the expansion tank is only half as large. The fact that the operating method of propellant gas generation with a piston engine works exclusively with fuel injection and the load is regulated by variable boost pressure, whereby the controller doses the required amount of fuel, the return of the pistons to the ignition position can be done by the 180 degree ignition interval. With all free-piston machines in operation, swing arms and rods or racks are required for the purpose of synchronism, which are not required here. Incidentally, the drive of the auxiliary equipment with oscillating shafts should not appear suitable for vehicles and, similar to a known design, the revolving drive is selected here, which also serves as a safety device in the event of a misfire. The solution to the problem is that a lifting rod, known per se and attached to the side of the compressor piston, is passed through the cylinder cover, and then outside by means of a connecting piece with a pin bearing to connect a light connecting rod to the crank pin of a shaft several auxiliary shafts are used to drive the auxiliary devices. A similar design is known, but this requires two each 180 'offset cranks and has the task to return the piston to the ignition position, thus larger K is determined rafts for transmission. One difficulty that occurs with the large air throughputs of gas generators is the large number of suction and pressure valves required. Despite the large number, the degree of filling is low due to the lack of an inadequate valve cross-section. Here the invention provides a means which, although known for air compressors of normal length, cannot be used in the same way for the conical compressor piston designed as a disc piston. It is a slot in the Kon-ipressorzylii-ider, which is controlled near the bottom dead center by the Konipressorkolben, in order to use the still prevailing negative pressure for better filling of the compressor cylinder. With the disk-like design of the compressor piston of propellant gas generators, this is entirely ruled out. The object is achieved in that each of the engine pistons receives a cast or milled groove of a certain size, which is opposite. Stroke end intersects with a slot in the engine cylinder and a slot in the cylinder cover of the compressor and thus creates a connection from the suction channel to the displacement of the compressor in order to compensate for the negative pressure and to improve the filling significantly. For the structural design it should also be emphasized that the compressor cylinder has a flange-like connection on one or both sides parallel to the cylinder axis in order to close the crank mechanism with a further cover.
Für die kleineren Leistungen besonders bei Fahrzeugen verlangte Luftkühlung
sind besondere Maßnahmen erforderlich. Dadurch, daß der Gasgenerator mit künstanter
Drehzahl läuft, würde ein mit ebenfalls konstanter Drehzahl laufendes Kühlgebläse
bei Teillast den Motor unterkühlen, und vor allem würde dabei die volle Leistung
des Kühlgebläses unwirtschaftlich auf Kraftstoffverbrauch wirken. Man könnte durch
Verstellen der Schaufeln den Mangel eventuell beheben, doch wäre ein diesbezüglich
notwendiger Mechanismus zu komplizierÜ Nun sieht die Erfindung eine Lösung vor,
die zwar in anderer Wirkung bekannt ist, und zwar den Antrieb des Kühlgebläses mittels
einer kleinen Turbine. Wie bei Dieselaufladernaschinen bewirkt - nachdem
hier mit Lade druckveränderung gearbeitetwird - dieVeränderung des Treibgasdruckes
eine der Belastung sich selbst anpassende verändernde Drehzahl des Kühlgebläses.
Die kleine Turbine erhält ihr Treibgas aus dem Ausgleichsbehälter der Anlage.Special measures are required for the lower outputs, which are particularly required for vehicles. Because the gas generator runs at an artificial speed, a cooling fan also running at a constant speed would undercool the engine at partial load, and above all the full power of the cooling fan would have an uneconomical effect on fuel consumption. The deficiency could possibly be corrected by adjusting the blades, but a necessary mechanism in this regard would be too complicated. As with diesel supercharger machines - after working with a change in the charging pressure - the change in the propellant gas pressure causes the cooling fan speed to change which is self-adapting to the load. The small turbine gets its propellant gas from the system's expansion tank.
Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 einen Horizontalabschnitt des
Gasgenerators, in Fig. 2 ein.eAnsicht des Kompressorzylinders und in Fig.
3 einen Schnitt des Motorzylinders in Höhe der Steuerschlitze mit Lage der
Brennkammer.The drawing shows in Fig. 1 a horizontal section of the gas generator, in Fig. 2 a view of the compressor cylinder and in Fig. 3 a section of the engine cylinder at the level of the control slots with the position of the combustion chamber.
Fig. 1 zeigt mit 1 den Motorzylinder mit seinem Kolben2
in Stellung oberer Totpunktlage. In fester Verbindung ist damit der Kompressorkolben
3, welcher in dem Zylinder 4 großen Durchmessers läuft. Ebenfalls in fester
Verbindung steht der zweite Motorkolben5, dessen Zylinder mit 6 bezeichnet
ist. Die Zvlinderdeckel des Kompressors, rechter Seite mit 7
u#d links mit
8 bezeichnet, schließen den Zylinder ab. Letzterer ist in Fig. 2 in Ansicht
dargestellt, um die angegossenen Anschlußflansche 4 sichtbar zu machen. In den Böden
der beiden Zylinderdeckel 7 und 8 des Ko,iilpresso,rs sind die Saug-
und Druckventile untergebracht, und zwar befinden sich dieselben in den mit
9 und 10 bezeichneten Erhöhungen. jeder dieser Deckel ist durch eine
hier nicht sichtbare Zwischen--,vand in zwei Räume aufgeteilt, und zwar in einen
Saug- und einen Druckraum. Uni Saug- und Druckraum erkenntlich zu machen, ist rechter
Seite mit 12 der Lufteinlaßstutzen und links der Druckluftauslaßstutzen
11 gekennzeichnet. Der Darstellung wegen ist der linke Zylinder etwas versetzt
gezeichnet. Die Deckel 7 und 8 haben ihren Abschluß nach außen durch
die scheibenartige Vergrößerung der Motorenzylinder 1 und 6, in denen
sich auch die ringförinligen Spülluftkanäle 13 und Auslaß 14 befinden. Vom
Spül-Inftbehälter her wird die Luft mittels Rohrleitungen zu den Spülkanälen
13 geführt. Die Einrichtung für die Steuerung des zusätzlichen Lufteinlasses
besteht aus dein Kanal 16 und den am Zylinderende sowie Kompressordeckel
7 befindlichen Schlitzen 15. Dieselbe Anordnung besitzt auch der Zylinder
6, bei welchem sie infolge versetzter Darstellung nicht zu sehen ist. Die
Lage und Form des Brennraumes 17 fußt auf besondere Erfahrungen. Die Einspritzdüse-
für 60'-Winkel reicht aus, nachdem die Verbrennung bei Vollast ohnehin mit reichlichem
Luftüberschuß erfolgt. Um eine Durchflammung in der Brennkammer noch vor der über
dem Kolbenboden befindlichen Luft zu vermeiden, hat der Kolbenboden eine Erhöhung
29,
welche zugleich auch einer Luftbewegung dient. Um eine gute Geinischbildung
zu erzielen, ist der Brennraum offen ausgeführt, doch darf die Form der Brennkammer
die Spülung nicht zu sehr beeinträchtigen. Fig. 3 zeigt die Lage des Brennraumes,
der an dex Auspuffseite liegt. Bei der hier angewendeten Umkehrspülung treten bekanntlich
die Spülströme bei den Spülschlitzen 19 und 20 ein und werden an die gegenüberliegende
Zylinderwand geführt und steigen dort hoch, um dann umzukehren zum Auslaß. Um den
Spülvorgang nicht zu sehr zu stören, ist die Brennkammer in Verlängerung der Auslaßschlitze
über denselben angeordnet. In der Fig. 1 ist weiter die Einrichtung für den
Antrieb der umlaufenden Wellen deutlich erkennbar. Es ist nochmals darauf hinzuweisen,
daß eine nur geringe Leistung bei einer Umdrehungszahl von nur 1400 Umdr./min zu
übertragen ist. An dem Kompressorkolben 3 ist eine HubstaAge 21 befestigt.
Um die Hubbewegung nach außen zu übertragen, durchdringt sie den Deckel
8 des Kompre,ssors, in welchem die Stange geführt wird. Am oberen. Ende dieser
Kolbenstange 21 ist ein Zwischenglied 22 verschraubt und mit einem Zapfen versehen,
auf welchem das obere Auge der Pleuelstange 30 gelagert ist. Der Pleuelkopf
läuft in dem frei fliegenden Kurbelzapfen 24 der zweimal gelagerten Welle 25. Von
dieser Welle aus treiben die Kegelräder 26 die beiden Wellen 27 und
28 an, um von dort alle Nebenapparate zu kuppeln. Der Generator arbeitet
mit Druckluftanlassung. Bei kleineren Leistungen kann auf der dem Kegelrädertrieb
gegenüberliegenden Seite ein weiterer Kurbeltrieb zur Aufnahme eines Anlaßzahnkranzes
vorgesehen werden.Fig. 1 shows with 1 the engine cylinder with its piston 2 in the top dead center position. The compressor piston 3, which runs in the cylinder 4 of large diameter, is thus firmly connected. The second engine piston 5, the cylinder of which is denoted by 6, is also firmly connected. The cylinder cover of the compressor, labeled 7 on the right and 8 on the left, close the cylinder. The latter is shown in a view in FIG. 2 in order to make the cast-on connecting flanges 4 visible. In the bottoms of the two cylinder covers 7 and 8 of Ko, iilpresso, rs, the suction and discharge valves are accommodated, and that are the same in the designated 9 and 10 increases. Each of these covers is divided into two spaces by an intermediate wall, which is not visible here, namely into a suction and a pressure space. To make the uni suction and pressure chamber recognizable, the air inlet nozzle is marked with 12 on the right and the compressed air outlet nozzle 11 on the left. For the sake of illustration, the left cylinder is drawn slightly offset. The covers 7 and 8 are closed to the outside by the disk-like enlargement of the engine cylinders 1 and 6, in which the annular scavenging air ducts 13 and outlet 14 are also located. From the rinsing inft container, the air is guided to the rinsing channels 13 by means of pipes. The device for controlling the additional air inlet consists of the duct 16 and the slots 15 located at the end of the cylinder and the compressor cover 7. The cylinder 6 also has the same arrangement, in which it cannot be seen due to the offset representation. The position and shape of the combustion chamber 17 is based on special experiences. The injection nozzle for a 60 'angle is sufficient, since the combustion at full load takes place with an abundant excess of air anyway. In order to avoid flaming through in the combustion chamber before the air located above the piston head, the piston head has an elevation 29, which at the same time also serves to move the air. In order to achieve a good mixture, the combustion chamber is designed to be open, but the shape of the combustion chamber must not impair the purging too much. Fig. 3 shows the position of the combustion chamber, which is located on the exhaust side. In the case of the reverse flushing used here, as is known, the flushing flows enter at the flushing slots 19 and 20 and are guided to the opposite cylinder wall and rise there, in order to then reverse to the outlet. In order not to disturb the flushing process too much, the combustion chamber is arranged over the same as an extension of the outlet slots. In FIG. 1 , the device for driving the rotating shafts can also be clearly seen. It should be pointed out again that only a small amount of power can be transmitted at a speed of only 1400 rev / min. A lifting rod 21 is attached to the compressor piston 3. In order to transmit the lifting movement to the outside, it penetrates the cover 8 of the compressor in which the rod is guided. At the top. At the end of this piston rod 21, an intermediate member 22 is screwed and provided with a pin on which the upper eye of the connecting rod 30 is mounted. The connecting rod end runs in the free-flying crank pin 24 of the shaft 25, which is supported twice. From this shaft, the bevel gears 26 drive the two shafts 27 and 28 in order to couple all the ancillary devices from there. The generator works with compressed air starting. In the case of smaller powers, a further crank drive for receiving a starter ring gear can be provided on the side opposite the bevel gear drive.
Der Gasgenerator wird vorwiegend quer zur Fahrtrichtung im Fahrzeug
eingebaut. An dem Rundflansch des Kompressorzylinders wird das etwas verlängerte
Hinteerachsgehäuse mit Untersetzungsgetriebe und Turbine angeflanscht. Das Wesentliche
in der Wirkungsweise der ganzen Anlage beruht hauptsächlich in der mit Fliehkraftregler
konstant ge:-haltenen Drehzahl des Gasgenerators, welcher z. B#.#, mit 1400Umdr./min
läuft. Dabei wird derLuftdurthsatz nicht verändert, dagegen wird der Ladedruck je
nach Belastung durch den Regler geändert. Dies geschieht durch Veränderung des freien
Durchgangsquerschnittes in der Gasleitung hinter dem Ausgleichsbehälter. Im Fahrzeug
angewendet, wird auch eine Leerlaufdrehzahl erforderlich, etwa 40GUindr./m#in. Der
übergang von dieser Leerlaufdrehzahl auf die Betriebsdrehzahl (1400) hat zur Folge,
daß im Brennraurn des Motorenzylinders kurzfristig kräftigere Impulse auftreten,
die jedoch nicht von der Kompressionsarbeft aufgenommen werden. Um diese zwar nur
kurz auftretenden höheren Drücke hinsichtlich des Kolbenhubes zu be-
herrschen,
dient zur Sicherung das Kurbeltriebwerk. Sobald der Generator aber seine Betriebsdrehzahl
eireicht hat, wird das Triebwerk nicht belastet, denn jede Belastungsänderung
wirkt schfort auf den Kompressorkolben, dessen Leistungsaufnahme gleich der Impulskraft
des Brenngases ist, zuzüglich derjenigen Leistung, welche für die Verdichtungsarbeit
im Motorenzylinder erforderlich ist.The gas generator is mainly installed in the vehicle across the direction of travel. The slightly elongated rear axle housing with reduction gear and turbine is flanged onto the round flange of the compressor cylinder. The essence of the operation of the whole system is mainly based on the constant ge with the centrifugal governor: - maintained speed of the gas generator, which z. B #. #, Runs at 1400 rev / min. The air flow rate is not changed, but the boost pressure is changed depending on the load by the controller. This is done by changing the free passage cross-section in the gas line behind the expansion tank. Used in the vehicle, an idle speed is also required, around 40GUindr./m#in. The transition from this idling speed to the operating speed (1400) has the consequence that briefly stronger impulses occur in the combustion chamber of the engine cylinder, but these are not absorbed by the compression work. To rule this though only briefly occurring higher pressures with respect to the piston stroke loading, serves to secure the crankshaft assembly. As soon as the generator has reached its operating speed, however, the engine is not loaded, because any change in load immediately affects the compressor piston, whose power consumption is equal to the pulse force of the fuel gas, plus the power required for the compression work in the engine cylinder.