DE19625182A1

DE19625182A1 - Computer controlled gas generator for gas turbine

Info

Publication number: DE19625182A1
Application number: DE1996125182
Authority: DE
Inventors: Franz Wierlemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-06-24
Filing date: 1996-06-24
Publication date: 1998-01-08

Abstract

The gas generator includes a pair of independently operating pistons arranged in opposition about a burner chamber through which a compressor may be fed. The operation of the pistons is controlled electronically. The generator is contained in a cylindrical housing (2,4) and comprises a cylinder (6) in which the two axial working pistons (10) move. Compression pistons (12) have limited axial movement around the far ends of the working pistons forming buffer volumes (14) with end caps (4) on one side and compression chambers (18) on the other. The compression chambers are coupled by valves (22) to an air reservoir (24). Compressed air is fed into the burner through inlet valves (26) and slits (28). Outlet slits (30) lead the expanded air to a receiver (34). Piston position sensor units (42) and an electronic control unit (74) control the movements of the valves to optimise the piston movements.

Description

Die Erfindung betrifft einen Freikolben-Gasgenerator mit zwei gegeneinander arbeitenden Arbeitskolben und einer dazwischen angeordneten, von den Arbeitskolben beidseitig beaufschlagten Brennkammer. Ein derartiger Gasgenerator ist beispielsweise in der P 44 10 926.1 beschrieben und dient normalerweise der Bereitstellung von Druckluft für nachgeschaltete Gasturbinen.The invention relates to a free-piston gas generator with two working pistons working against each other and one in between arranged, acted upon on both sides by the working pistons Combustion chamber. Such a gas generator is for example described in P 44 10 926.1 and normally serves Provision of compressed air for downstream gas turbines.

Herkömmliche Gasgeneratoren weisen eine mechanische Zwangs kopplung der beiden gegeneinander oszilierenden Arbeitskolben auf, um auf diese Weise eine synchrone Beaufschlagung der Brennkammer durch die beiden Arbeitskolben sicherzustellen. Hierzu werden vornehmlich Gestänge mit Zahnrädern oder Ketten bzw. Zahnriemen verwendet. Diese herkömmliche Zwangskopplung ist baulich aufwendig, gewichtserhöhend und aufgrund der ho hen dynamischen Belastungen fehleranfällig und unterliegt ho hem Verschleiß.Conventional gas generators have mechanical constraints coupling of the two reciprocating pistons in order to ensure that the Ensure the combustion chamber through the two working pistons. For this purpose, mainly rods with gears or chains are used or timing belt used. This conventional forced coupling is structurally complex, weight-increasing and due to the ho hen dynamic loads prone to errors and subject to high hem wear.

Ein weiterer Nachteil der zwangsgeführten Arbeitskolben be steht darin, daß aufgrund der unterschiedlichen thermischen Belastung der mit dem einen Kolben näher liegenden Einlaß schlitze bzw. dem anderen Kolben näherliegenden Auspuff schlitze der Gasgenerator nicht mit optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann.Another disadvantage of the positively driven working piston is that due to the different thermal Loading the inlet closer to the one piston slots or exhaust closer to the other piston the gas generator does not slit with optimal efficiency can be operated.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Freikolben-Gasgenerator baulich zu ver einfachen sowie einen Betrieb mit erhöhtem Wirkungsgrad zu ermöglichen.The present invention is therefore based on the object to construct a generic free piston gas generator simple as well as an operation with increased efficiency enable.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. According to the invention, this object is achieved by means of of claim 1 specified features solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous developments of the inventive concept result itself from the subclaims.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die beiden Arbeitskolben des Gasgenerators nunmehr vollkommen un abhängig voneinander betrieben werden und die bisher erfor derliche Zwangskuppelung entfallen kann. Zum einen bewirkt dies neben einer Gewichtsreduzierung und einer baulichen Ver einfachung nicht unerheblich verlängerte Wartungsintervalle, da die verschleißanfällige Zwangskuppelung entfallen kann. Anstelle dessen wird bei der Erfindung eine Regeleinrichtung eingesetzt, welche durch entsprechende Arbeitskolben-Positi onsmeßeinrichtungen die momentane Stellung der Kolben erfaßt, hieraus die Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit und Beschleu nigung der Kolben bestimmt und geeignete Stellglieder gezielt so ansteuert, daß die beiden Arbeitskolben zueinander synchronisiert oszillieren.A major advantage of the invention is that the both working pistons of the gas generator are now completely un operated interdependently and the previously required such forced coupling can be omitted. For one, it causes this in addition to a weight reduction and a structural ver simplification not inconsiderably extended maintenance intervals, since the wear-prone forced coupling can be omitted. Instead, a control device is used in the invention used, which by appropriate working piston positi measuring devices detects the current position of the pistons, from this the direction of movement, speed and acceleration inclination of the pistons determined and suitable actuators targeted controlled so that the two working pistons to each other oscillate synchronized.

Unter synchronisiert wird nicht die absolut entgegengesetzt gleiche Bewegung der beiden Kolben verstanden, da durch die Erfindung auch eine ganz bewußte gezielte geringfügige zeit liche Verzögerung in der Bewegung der beiden Kolben erzeugt werden kann, um bestimmte Prozeßbedingungen beim Verbren nungsvorgang, insbesondere die thermische Belastung bestimm ter Bauteile, zu berücksichtigen. Hierdurch wird ein Betrieb des Gasgenerators mit einem erhöhten Wirkungsgrad möglich, der durch zwangssynchronisierter Arbeitskolben nicht möglich war.Under synchronized is not absolutely the opposite understood the same movement of the two pistons, because of the Invention also a deliberately deliberate minor time generated delay in the movement of the two pistons can be to certain process conditions when burning tion process, especially the thermal load components. This becomes an operation of the gas generator possible with increased efficiency, which is not possible due to the synchronized working piston was.

Zu den Stellgliedern zählt insbesondere eine elektronisch ge steuerte Kraftstoffeinspritzpumpe zu gezielten Injektionen von Kraftstoff in die Brennkammer. Sofern es sich nicht um einen Selbstentzündungs-Brennvorgang wie beim Dieselprozeß handelt sondern um einen fremdgezündeten Prozeß, wäre auch eine Zündeinrichtung ein geeignetes Stellglied. Ein weiteres bevorzugtes Stellglied sind Ventileinrichtungen, die den Druck in Pufferräumen regeln, welche von mit den Arbeitskol ben gekoppelten Kompressionskolben beaufschlagt werden. Durch gezieltes Ein- bzw. Ausblasen von Luft aus den Pufferräumen läßt sich eine gewünschte Verzögerung bzw. Beschleunigung des einen oder anderen Kolbens bewirken, so daß ein gewünschter Oszillationsverlauf der Kolben bewirkt werden kann.The actuators include an electronic ge controlled fuel injection pump for targeted injections of fuel into the combustion chamber. Unless it is a self-ignition burning process as in the diesel process but is a spark-ignited process, would also be an ignition device a suitable actuator. Another one preferred actuator are valve devices that Regulate pressure in buffer rooms, which of the with the working col ben coupled compression pistons. By targeted blowing in and blowing out of air from the buffer rooms a desired deceleration or acceleration of the cause one or the other piston, so that a desired Oscillation course of the piston can be effected.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform für ein Stellglied besteht in Halteeinrichtungen, um die Arbeitskolben bzw. die damit verbundenen Kompressionskolben gezielt abzubremsen oder anzuhalten. Dies geschieht vorzugsweise im Bereich der äuße ren Totpunkte bei der Oszillationsbewegung und kann über me chanische, elektrisch gesteuerte Arretierungsvorrichtungen geschehen, oder elektromagnetische Einwirkungen auf die Kol ben, beispielsweise durch Elektromagnete oder Abbremsen auf der Grundlage des Wirbelstromsprinzips.Another preferred embodiment for an actuator consists in holding devices around the working piston or the associated compression piston to brake or to stop. This is preferably done in the area of the exterior dead points in the oscillation movement and can be over me mechanical, electrically controlled locking devices happen, or electromagnetic effects on the col ben, for example by electromagnets or braking the basis of the eddy current principle.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform für ein Stellglied ist eine Betätigungseinrichtung, um eine axiale Relativver schiebung des Kompressionskolbens auf dem Arbeitskolben zu bewirken. Hierdurch ist es möglich, die Kompressionskolben derart axial zu verschieben, daß nicht nur bei Vollast son dern auch im Teillastbereich ein optimaler Liefergrad der Kompressoren sicher gestellt wird. Mit anderen Worten werden die Verdichterkolben so verstellt, daß sie möglichst nahe an die das andere axiale Ende der Kompressionsräume bildenden Ventilplatten heranfahren und so den Liefergrad der Kompres soren optimieren.Another preferred embodiment for an actuator is an actuator to an axial Relativver the compression piston on the working piston cause. This makes it possible to use the compression pistons to move axially so that not only at full load son an optimal degree of delivery also in the partial load range Compressors is ensured. In other words the compressor pistons so that they are as close as possible that form the other axial end of the compression spaces Drive up the valve plates and thus the delivery rate of the compresses optimize sensors.

Um eine möglichst genaue Regelung der einzelnen Stellglieder bzw. des gesamten Prozeßablaufes sicherzustellen, weisen die Arbeitskolben-Positionsmeßeinrichtungen vorzugsweise Mittel zu Nullpunkt- und Richtungserkennung auf. Die Meßeinrichtun gen sind vorzugsweise digital ausgeführt und vorzugsweise mittels Glasfaserkabel mit der zentralen Regeleinrichtung verbunden.To control the individual actuators as precisely as possible or ensure the entire process flow, the Piston position measuring devices preferably means for zero point and direction detection. The measuring device gene are preferably carried out digitally and preferably using a fiber optic cable with the central control unit connected.

Um den Prozeßverlauf weiter zu optimieren, sind ferner gemäß bevorzugten Weiterbildungen des Erfindungsgedankens von der Regeleinrichtung angesteuerte Ventileinrichtungen im Strö mungsweg der ruft vorgesehen, so daß der Prozeßverlauf abhän gig von den gemessenen Parametern noch gezielter beeinflußbar ist. Vorzugsweise ist das zwischen dem vom Kompressionsraum beaufschlagten Ladeluft-Aufnahmeraum und der Brennkammer vor gesehene Ventil als ansteuerbare Ventileinrichtung ausgebil det, so daß die Dimensionierung der Einlaß-Ventilschlitze eher großzügig erfolgen kann und im Betrieb der Druckluft-Zu strömverlauf durch die ansteuerbare Ventileinrichtung gere gelt wird.In order to further optimize the course of the process, according to preferred developments of the inventive concept of the Control device controlled valve devices in the flow path of the calls is provided so that the course of the process depends can be influenced even more specifically by the measured parameters is. This is preferably between that of the compression space charged charge air receiving space and the combustion chamber seen valve trained as a controllable valve device det, so the dimensioning of the inlet valve slots can be done rather generously and in the operation of the compressed air supply flow through the controllable valve device is valid.

Vorzugsweise ist der Ladeluftaufnahmeraum über eine ebenfalls von der Regeleinrichtung angesteuerte Überstrom-Ventilein richtung mit der Auslaßleitung verbunden, und zwar vorzugs weise mit einem ringförmig die Brennkammer bzw. die Zylinder laufbuchse umschließenden Überstrom-Kühlraum, der in die Aus laßleitung mündet und hierdurch eine effiziente Kühlung der Brennkammer bzw. der Auslaßschlitze ermöglicht.Preferably, the charge air intake space is also one overcurrent valves controlled by the control device direction connected to the outlet line, preferably wise with a ring-shaped combustion chamber or cylinders overcurrent cold room enclosing the out lassleitung opens and thereby efficient cooling of the Combustion chamber or the outlet slots allows.

Besonders vorteilhaft ist die Kopplung des erfindungsgemäßen Freikolben-Gasgenerators mit weiteren Turboelementen zur Bil dung einer Gasgeneratoranlage. Gemäß einer bevorzugten Aus führungsform dieses Gedankens ist dem Freikolben-Gasgenerator ein Turboverdichter mit Luftstrommassenregelung vorge schaltet, d. h. der vorgeschaltete Turboverdichter beauf schlagt die Kompressionsräume des Freikolben-Gasgenerators. Besonders geeignet hierzu ist ein Axialverdichter mit ver stellbarem Leitschaufelwinkel. Der vorgeschaltete Turbover dichter mildert das unangenehme Anlauggeräusch der Kompresso ren. Angetrieben wird der Turboverdichter bevorzugt durch die vom Freikolben-Gasgenerator beaufschlagte Abgasturbine, wobei die Verdichterleistung des Turboverdichters so zu bemessen ist, daß der Leistungsüberschuß der Kompressionskolben des Freikolben-Gasgenerators bei Vollast mit Hubzahlmaximum in Druckluft umgesetzt wird.The coupling of the invention is particularly advantageous Free piston gas generator with additional turbo elements for bil a gas generator system. According to a preferred Aus The free-piston gas generator is the form of this idea a turbocompressor with air flow mass control is featured switches, d. H. the upstream turbocompressor strikes the compression spaces of the free-piston gas generator. An axial compressor with ver adjustable guide vane angle. The upstream turbover the uncomfortable leaching noise of the compressor softens ren. The turbocompressor is preferably driven by the Exhaust gas turbine acted upon by the free-piston gas generator, where to measure the compressor capacity of the turbocompressor in this way is that the excess power of the compression piston of the Free piston gas generator at full load with maximum stroke rate in Compressed air is implemented.

Eine alternative Ausführung sieht vor, daß ein Turboverdich ter mit Luftstrommassenregelung eingesetzt wird, dessen kom primierte Abluft zum Teil einem Freikolben-Gasgenerator zuge führt wird, während der Rest der Druckluft eine Brennkammer der Art einer Raketenbrennkammer beaufschlagt. Durch diese Bausatzkombination ist es möglich, einen Kraftstoff mit hoher Verbrennungstemperatur, insbesondere Wasserstoff zu verwenden und somit ein mit Wasserstoff betriebenes Flugtriebwerk hoher Leistung bereitzustellen.An alternative embodiment provides that a turbo compression ter with air flow mass control is used, whose com primed exhaust air partly supplied to a free-piston gas generator leads to a combustion chamber while the rest of the compressed air like a rocket combustion chamber. Through this Kit combination, it is possible to use a fuel with high Use combustion temperature, especially hydrogen and thus a hydrogen-powered aircraft engine high To provide performance.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeich nungen weiter erläutert. Dabei zeigt:The invention is described below with reference to the accompanying drawing further explained. It shows:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch einen erfin dungsgemäßen Freikolben-Gasgenerator, Fig. 1 is a schematic axial section through a free piston to the invention OF INVENTION gas generator,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit der Darstellung ei ner Arretierungseinrichtung, FIG. 2 a section of FIG. 1 showing ei ner locking device,

Fig. 3 einen schematischen Axialschnitt einer Gasgenera tor-Anlage, und Fig. 3 is a schematic axial section of a gas generator gate system, and

Fig. 4 einen schematischen Axialschnitt einer weiteren Gasgenerator-Anlage. Fig. 4 shows a schematic axial section of a further gas generator system.

In Fig. 1 ist schematisch ein Freikolben-Gasgenerator 1 darge stellt, der im wesentlichen ein zylindrisches Mantelgehäuse 2 umfaßt, das beidendig mit Verschlußkappen 4a und 4b ver schlossen ist. Im Inneren des Mantelgehäuses 2 ist eine kon zentrische Zylinderwandung 6 vorgesehen, die in ihrem Mit telbereich die Wandung für eine Brennkammer 8 bildet und in ihren äußeren Endbereichen als Laufbuchse für zwei Arbeits kolben 10a, 10b ausgebildet ist. Auf den Arbeitskolben 10a, b sind in einem begrenzten Bereich axial verschieblich zwei Kompressionskolben 12a, 12b angeordnet, wobei zwischen je ei nem der Kompressionskolben 12a, 12b und der zugeordneten Ver schlußkappe 4a, 4b jeweils ein Pufferraum 14a, 14b ausgebil det ist. Auf der anderen axialen Seite jedes Kompressions kolbens 12a, 12b ist beabstandet eine Ventilplatte 16a, 16b angebracht, wobei zwischen Kompressionskolben 12a, 12b und Ventilplatte 16a, 16b zwei Kompressionsräume 18a, 18b ausge bildet sind. Die Kompressionsräume 18a und 18b wiederum ste hen über mit Rückschlagventilen versehene Eintrittsöffnungen 20a, 20b mit der Umgebung in Verbindung. Ferner sind die Kom pressionsräume 18a und 18b über mit Rückschlagventilen verse hene Zutrittsöffnungen 22a und 22b mit einem ringförmigen Ladeluft-Aufnahmeraum 24 verbunden, der zwischen dem Mantel gehäuse 2 und der Zylinderwandung 6, sowie axial begrenzt von den Ventilplatten 16a und 16b, ausgebildet ist.Is shown in Fig. 1 shows schematically a free-piston gas generator 1 is Darge, which essentially comprises a cylindrical casing housing 2, which both ends with caps 4 a and 4 b joined ver. Inside the casing 2 , a con-centric cylinder wall 6 is provided, which forms the wall for a combustion chamber 8 in its central region and, in its outer end regions, is designed as a liner for two working pistons 10 a, 10 b. On the working piston 10 a, b, two compression pistons 12 a, 12 b are arranged axially displaceably in a limited area, each with a buffer space 14 a between each of the compression pistons 12 a, 12 b and the associated sealing cap 4 a, 4 b , 14 b is trained. On the other axial side of each compression piston 12 a, 12 b, a valve plate 16 a, 16 b is spaced apart, two compression spaces 18 a, 18 b being formed between compression piston 12 a, 12 b and valve plate 16 a, 16 b. The compression spaces 18 a and 18 b are in turn connected to the environment via inlet openings 20 a, 20 b provided with check valves. Furthermore, the compression rooms 18 a and 18 b are connected via check valves provided with access openings 22 a and 22 b with an annular charge air receiving space 24 which is between the casing 2 and the cylinder wall 6 , and axially limited by the valve plates 16 a and 16 b, is formed.

Der Ladeluft-Aufnahmeraum 24 steht über Brennkammer-Ein trittsventile 26 mit der Brennkammer 8 in Verbindung, wobei die Zylinderwandung 6 am Umfang verteilte Einlaßschlitze 28 aufweist. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß stets mehrere über den Umfang verteilte Ventile zweckmäßig sind, wie diese beispielhaft für die Brennkammer-Eintrittsventile 26 dargestellt ist. In gleicher Weise sind auch die anderen Öffnungen, insbesondere die mit Ventilen versehenen Ein trittsöffnungen 20a und 20b in die Kompressionsräume 18 sowie die Zutrittsöffnungen 22 in den Ladeluft-Aufnahmeraum 24 vorzugsweise mehrere über dem Umfang verteilte Öffnungen.The charge air receiving space 24 is connected via combustion chamber entry valves 26 to the combustion chamber 8 , the cylinder wall 6 having inlet slots 28 distributed around the circumference. In this context, it should be noted that a plurality of valves distributed over the circumference are always expedient, as is shown by way of example for the combustion chamber inlet valves 26 . In the same way, the other openings, in particular the valve-provided inlet openings 20 a and 20 b in the compression spaces 18 and the access openings 22 in the charge air receiving space 24 are preferably a plurality of openings distributed over the circumference.

Die Brennkammer 8 steht über Auslaßschlitze 30 in der Zylin derwandung 6 mit einer Auslaßleitung 32 in Verbindung, die wiederum in einen nicht näher dargestellten Gassammelraum 34 mündet. Ferner ist die Zylinderwandung 6 im Bereich der Aus laßschlitze 30 von einem ringförmigen Überstrom-Kühlraum 36 umgeben, der über Überstrom-Ventileinrichtungen 38 mit dem Ladeluft-Aufnahmeraum 24 in Verbindung steht. The combustion chamber 8 is via outlet slots 30 in the cylinder wall 6 with an outlet line 32 in connection, which in turn opens into a gas collection chamber 34 , not shown. Furthermore, the cylinder wall 6 in the region of the outlet slots 30 is surrounded by an annular overcurrent cooling space 36 which is connected to the charge air receiving space 24 via overcurrent valve devices 38 .

Die beiden Pufferräume 14a und 14b sind über Pufferraumven tile 40a und 40b mit nicht näher dargestellten Einrichtungen verbunden, um Überdruck aus den Pufferräumen 14 abzulassen und/oder den Druck zu erhöhen. Zu diesem Zweck können auch anstelle des jeweils einen dargestellten Pufferraumventils 40a, 40b separate Ventile für die Zu- bzw. Abfuhr von Gas vorgesehen werden.The two buffer spaces 14 a and 14 b are connected via Pufferraumven tiles 40 a and 40 b with devices, not shown, to release excess pressure from the buffer spaces 14 and / or to increase the pressure. For this purpose, separate valves for the supply and removal of gas can also be provided instead of the buffer chamber valve 40 a, 40 b shown in each case.

Der Freikolben-Gasgenerator 1 umfaßt erfindungsgemäß Arbeits kolben-Positionsmeßeinrichtungen 42a und 42b, um die jewei lige Positionen der Arbeitskolben 10a und 10b, sowie vorzugs weise deren Meßnullpunkte sowie die Bewegungsrichtungen zu erkennen. Die Positionsmeßeinrichtungen 42a, 42b können als elektronische Abtaster von Zahnungsreihen 44 ausgebildet sein, die in der Mantelfläche der Arbeitskolben 10a und 10b oder im Gehäuse eingelassen sind.The free-piston gas generator 1 comprises working piston position measuring devices 42 a and 42 b according to the invention, in order to recognize the respective positions of the working pistons 10 a and 10 b, and preferably their measuring zero points and the directions of movement. The position measuring devices 42 a, 42 b can be designed as electronic scanners of rows of teeth 44 , which are embedded in the outer surface of the working pistons 10 a and 10 b or in the housing.

Im Bereich der Brennkammer 8 ist in der Zylinderwandung 6 mindestens eine Einspritzeinrichtung 46 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer 8 vorgesehen. Alternativ können auch mehrere Einspritzeinrichtungen 46 über den Umfang der Zylinderwandung 6 verteilt sein.In the area of the combustion chamber 8 , at least one injection device 46 is provided in the cylinder wall 6 for injecting fuel into the combustion chamber 8 . Alternatively, a plurality of injection devices 46 can also be distributed over the circumference of the cylinder wall 6 .

Auf den beiden Arbeitskolben 10a und 10b sind die′ beiden Kom pressionskolben 12a und 12b axial verschiebbar angeordnet und werden durch nicht näher dargestellte Schubeinrichtungen 39 verschoben. Die momentane Lage der Kompressionskolben 12a und 12b (Δ X) bezüglich der Arbeitskolben 10a und 10b wird mit tels Kompressionskolben-Positionsmeßeinrichtungen 48 erfaßt.On the two working pistons 10 a and 10 b, the 'two compression pistons 12 a and 12 b are arranged axially displaceably and are displaced by thrust devices 39 , not shown. The current position of the compression pistons 12 a and 12 b (Δ X) with respect to the working pistons 10 a and 10 b is detected by means of compression piston position measuring devices 48 .

Die Kompressionskolben 12a und 12b werden gemäß einer bevor zugten Ausführungsform der Erfindung mittels einer vergrößert in Fig. 2 dargestellten Arretierungseinrichtung 50 im Bereich ihrer äußeren Totpunkte festgehalten bzw. Arretiert. The compression pistons 12 a and 12 b are held or locked in the region of their outer dead centers according to a preferred embodiment of the invention by means of a locking device 50 shown enlarged in FIG. 2.

Jede Arretierungseinrichtung 50 umfaßt einen ortsfest im Man telgehäuse 2 bzw. an den Verschlußkappen 4a, 4b angebrachten Elektromagneten 52. Der Elektromagnet 52 zieht einen axial verschiebbar angeordneten Anker 54 an, dessen Schaft 56 über ein Gelenk 58 mit einem Kipphebel 60 gekoppelt ist. Der Kipphebel 60 ist um eine Achse 62 kippbar und umfaßt einen zweiten Hebelarm 64, an dessen freiem Ende ein Arretierungse lement 66 angebracht ist. Dieses vorzugsweise sphärisch, ku gelig o. ä. ausgebildete Arretierungselement 66 ist über die dargestellte Kinematik in radialer Richtung verschiebbar und kann in einer angepaßt ausgebildete Vertiefung 68 in der In nenwandung eines Kompressionskolbens 12 eingreifen. Die Ver tiefung 68 verweist vorzugsweise eine konisch verlaufende er ste Fläche 70 sowie eine Anschlagsfläche 72 auf.Each locking device 50 comprises a stationary in the man telgehäuse 2 or on the caps 4 a, 4 b attached electromagnet 52nd The electromagnet 52 attracts an axially displaceably arranged armature 54 , the shaft 56 of which is coupled to a rocker arm 60 via a joint 58 . The rocker arm 60 is tiltable about an axis 62 and comprises a second lever arm 64 , at the free end of an Arretierungse element 66 is attached. This preferably spherical, spherical or similar locking element 66 is displaceable in the radial direction via the kinematics shown and can engage in an adapted recess 68 in the inner wall of a compression piston 12 . The recess 68 preferably has a conical surface 70 and a stop surface 72 .

Sobald der Elektromagnet 52 den Anker 54 anzieht, wird das Arretierungselement 66 jeder Arretierungseinrichtung 50 nach radial außen verfahren und gelangt bei der Vorwärtsbewegung des Kompressionskolbens 12 von seinem äußeren Totpunkt in der mit A bezeichneten Richtung über die konische Fläche 70 gegen die Anschlagsfläche 72, so daß die weitere Bewegung des Kom pressionskolbens 12 angehalten wird. Erst durch geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise eine Umpolung des Elektroma gneten 52 oder nicht dargestellte Federeinrichtungen und gleichzeitiges Stromlossetzen des Elektromagneten 52 wird die Bewegung des Arretierungselements 50 umgekehrt, und das Arre tierungselement 50 wird radial nach innen aus der Anschlags fläche 72 verfahren und gibt hierdurch den Kompressionskolben 12 zur weiteren Bewegung nach radial innen frei. Der Kompres sionskolben 12 wird anschließend durch den Druck im Inneren des dahinter befindlichen Pufferraum 14 beschleunigt.As soon as the electromagnet 52 pulls the armature 54 , the locking element 66 of each locking device 50 is moved radially outward and, when the compression piston 12 moves forward, reaches the stop surface 72 against the stop surface 72 in the direction indicated by A via the conical surface 70 , so that the further movement of the compression piston 12 is stopped. Only by suitable measures, such as a reversal of the electromag spring devices, or not shown 52 and simultaneously Stromlossetzen gnets of the electromagnet 52, the movement of the locking member 50 is reversed, and the Arre tierungselement 50 is moved 72 radially face inwardly from the stop and is thereby the Compression piston 12 free for further movement radially inwards. The compression piston 12 is then accelerated by the pressure inside the buffer space 14 located behind it.

Der erfindungsgemäße Freikolben-Gasgenerator 1 erfaßt eine zentrale Regeleinrichtung 74, die über Eingangsleitungen 76 mit verschiedenen Sensoren und insbesondere den beiden Ar beitskolben-Positionsmeßeinrichtungen 42 verbunden ist. Zu den weiteren Sensoren zählen die Kompressionskolben-Positi onsmeßeinrichtungen 48, Drucksensoren 78a, 78b zur Erfassung der Drücke in den Pufferräumen 14a und 14b, nicht näher dar gestellte Sensoren für die Drücke in den Kompressionsräumen 18a, 18b, dem Ladeluft-Aufnahmeraum 24 etc. Ferner können Temperatur- und sonstige Sensoren zur Erfassung von Tempera turen, insbesondere in der Brennkammer 8 oder in der Auslaß leitung 32 vorgesehen sein. Alle diese Sensoren sind über die Eingangsleitungen 76 mit der Regeleinrichtung 74 verbunden. Die Regeleinrichtung 74 ist ferner über Ausgangsleitungen 80 mit verschiedenen Stellgliedern verbunden, wie insbesondere den Arretierungseinrichtungen 50, den Pufferraum-Ventilen 40a, 40b, den Betätigungseinrichtungen 82a, 82b, für die Brennkammer-Eintrittsventile 26, den Überstrom-Ventilein richtungen 38 und sonstigen zu betätigende Ventile.The free-piston gas generator 1 according to the invention detects a central control device 74 which is connected via input lines 76 to various sensors and, in particular, to the two working piston position measuring devices 42 . Other sensors include the compression piston position measuring devices 48 , pressure sensors 78 a, 78 b for detecting the pressures in the buffer spaces 14 a and 14 b, not shown sensors for the pressures in the compression spaces 18 a, 18 b, the charge air -Receiving space 24, etc. Furthermore, temperature and other sensors for detecting temperatures, in particular in the combustion chamber 8 or in the outlet line 32, can be provided. All of these sensors are connected to the control device 74 via the input lines 76 . The control device 74 is also connected via output lines 80 to various actuators, such as in particular the locking devices 50 , the buffer space valves 40 a, 40 b, the actuating devices 82 a, 82 b, for the combustion chamber inlet valves 26 , the overflow valve devices 38 and other valves to be operated.

Durch die erfindungsgemäße rechnergestützte Steuerung des Freikolben-Gasgenerators 1 ist es möglich, auf die bisher er forderliche zwangsweise mechanische Gleichlauferzwingung der Arbeitskolben 10a, 10b zu verzichten und trotzdem sowohl eine ausreichende synchronisierte Bewegung der beiden Arbeitskol ben 10a und 10b zu erzielen, als auch durch die gezielte Be tätigung einzelner Stellglieder eine noch effizientere Steue rung des gesamten Prozeßablaufes zu ermöglichen. Beispiels weise können durch gezielte unterschiedliche Freigabe der Ar retierungseinrichtungen 50 der beiden Kolbenpaare auf unter schiedliche thermische Belastungen im Bereich der Einlaß schlitze 28 bzw. der Auslaßschlitze 30 reagiert werden.By the computer-aided control of the free-piston gas generator 1 according to the invention, it is possible to dispense with the compulsory mechanical synchronism forcing of the working pistons 10 a, 10 b, which was previously required, and nevertheless to achieve both a sufficient synchronized movement of the two working pistons 10 a and 10 b, and to enable even more efficient control of the entire process flow through the targeted actuation of individual actuators. For example, through different release of the Ar locking devices 50 of the two pairs of pistons can respond to different thermal loads in the area of the inlet slots 28 and the outlet slots 30 .

Ferner wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt nicht durch her kömmliche verstellbare Schaltnocken ausgelöst, sondern durch die von den Arbeitskolben-Positionsmeßeinrichtungen 42 er faßte Stellung der Arbeitskolben 10. Gleichzeitig wird über die Kompresskolben-Positionsmeßeinrichtungen 48 die Stellung der Kompressionskolben 12 im Bereich ihrer inneren Totpunkte erfaßt und in Reaktion darauf die Schubeinrichtungen 39 so betätigt, daß beim jeweiligen Betriebspunkt ein optimaler Liefergrad der Kompressoren sichergestellt ist, also die Kom pressionskolben 12 möglichst nahe an die zugeordneten Ven tilplatten 16 heranfahren.Furthermore, the fuel injection point in time is not triggered by conventional adjustable switching cams, but by the position of the working piston 10 that he detects from the working piston position measuring device 42 . At the same time, the position of the compression pistons 12 in the region of their inner dead centers is detected via the compression piston position measuring devices 48 and, in response, the thrust devices 39 are actuated in such a way that an optimum delivery rate of the compressors is ensured at the respective operating point, that is to say the compression pistons 12 are as close as possible to the assigned Ven tilplatten 16 approach.

Die Auswärtshubbegrenzungen der Kompressionskolben 12 wird durch den über die Regeleinrichtung 74 gesteuerten pneumati schen Momentandruck in den Pufferräumen 14a und 14b bestimmt.The outward stroke limits of the compression pistons 12 are determined by the instantaneous pressure in the buffer spaces 14 a and 14 b controlled by the control device 74 .

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Freikolben-Gasgenera tors ist wie folgt:
Der Verbrennungsdruck der in der Brennkammer 8 ablaufenden Verbrennung treibt die beiden Arbeitskolben 10a und 10b nach axial außen. Hierbei überfahren die an den Arbeitskolben 10a, 10b angebrachten Kompressionskolben 12a, 12b die Vertiefungen 68. Die von den Kompressionskolben 12a, 12b überfahrenen Weg strecken Z (Fig. 1) werden von den Positionsmeßeinrichtungen 48 erfaßt und der Regeleinrichtung 74 ausgewertet. Nach Er reichen der äußeren Totpunkte gleiten die Kompressionskolben 12a, 12b aufgrund des pneumatischen Drucks in den Pufferräu men 14a, 14b wieder einwärts, wobei die Positionsmeßeinrich tungen 42 die Richtungsumkehr erkennen. Die Elektromagnete 52 in den Pufferräumen 14a, 14b werden so rechtzeitig mit Strom beaufschlagt, daß die Arretierungselemente 66 rechtzeitig in die Vertiefungen 68 einrasten können. Gestartet zum Einwärts hub werden die Kolbenpaare 10a-12a und 10b-12b dadurch, daß die Elektromagnete 52 von der Regeleinrichtung 74 stromlos gesetzt werden.The operation of the free piston gas generator according to the invention is as follows:
The combustion pressure of the combustion occurring in the combustion chamber 8 drives the two working pistons 10 a and 10 b axially outwards. The compression pistons 12 a, 12 b attached to the working pistons 10 a, 10 b pass over the depressions 68 . The distance Z traveled by the compression pistons 12 a, 12 b ( FIG. 1) are detected by the position measuring devices 48 and evaluated by the control device 74 . After reaching the outer dead centers, the compression pistons 12 a, 12 b slide inwards again due to the pneumatic pressure in the buffer spaces 14 a, 14 b, the position measuring devices 42 recognizing the reversal of direction. The electromagnets 52 in the buffer spaces 14 a, 14 b are supplied with current in time so that the locking elements 66 can snap into the recesses 68 in good time. The piston pairs 10 a- 12 a and 10 b- 12 b are started for the inward stroke in that the electromagnets 52 are de-energized by the control device 74 .

Beim Auswärtshub der Kompressionskolben 12a wird über die Eintrittsöffnungen 20 Luft in die Kompressionsräume 18 einge saugt und nach der Richtungsumkehr der Kompressionskolben 12 nach Erreichen des äußeren Totpunktes verdichtet. Die ver dichtete Luft gelangt über die Zutrittsöffnungen 22 in den Ladeluft-Aufnahmeraum 24 und von dort nach Öffnung der Brenn kammer-Eintrittsventile 26 durch die Regeleinrichtung 74 über die Betätigungseinrichtungen 82 in die Brennkammer 8.During the outward stroke of the compression piston 12 a, air is sucked into the compression spaces 18 via the inlet openings 20 and compressed after the reversal of direction of the compression piston 12 after reaching the outer dead center. The ver compressed air passes through the access openings 22 in the charge air receiving space 24 and from there after opening the combustion chamber inlet valves 26 through the control device 74 via the actuating devices 82 in the combustion chamber 8th

Die aus den Kompressionsräumen 18 in den Ladeluft-Aufnahme raum 24 geförderte Druckluft, welche nicht der Brennkammer zugeführt wird, gelangt über die rechnergesteuerte Überstrom-Ventileinrichtung 38 in den Überstrom-Kühlraum 36, von wo diese unter Kühlung der Zylinderwandung 6 und der Auslaß schlitze 30 in die Auslaßleitung 32 strömt. Hier erfolgt dann auch eine Nachverbrennung der unverbrannten Auspuffgase.The compressed air conveyed from the compression spaces 18 into the charge air receiving space 24 , which is not supplied to the combustion chamber, passes via the computer-controlled overflow valve device 38 into the overflow cooling space 36 , from where it slits the cylinder wall 6 and the outlet slots 30 flows into the outlet line 32 . The unburned exhaust gases are then afterburned here.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung in Form einer Gasgenerator-Anlage dargestellt, die neben dem Freikolben-Gasgenerator 1 gemäß der Erfindung ein Turbo-Rake tentriebwerk 84 umfaßt. Dieses Turbo-Raketentriebwerk 84 ent hält einen Axialverdichter 86, auf dessen Welle 88 eine Gas turbine 90 angeordnet ist. Von der in den Axialverdichter 86 einströmenden Luft wird ein Teil bei 92 abgezweigt und den beiden Einlaßöffnungen 20a, 20b des Freikolbengenerators 1 zugeführt. Der Gassammelraum 34 des Freikolben-Gasgenerators 34 ist über eine Leitung 94 mit einer Gasturbinen 90 verbun den. Vom Auslaß 96 der Gasturbine 90 strömt diese Luft ins Freie. Die nicht an der Abzweigung 92 abgezweigte Luft strömt vom Axialverdichter 96 in eine Raketenbrennkammer 98, wo ein Verbrennungsvorgang unter Zumengung von Wasserstoff oder an dere Brennstoffe stattfindet.In Fig. 3, a preferred development of the invention is shown in the form of a gas generator system, which includes a turbo rake engine 84 in addition to the free piston gas generator 1 according to the invention. This turbo rocket engine 84 ent contains an axial compressor 86 , on the shaft 88 of which a gas turbine 90 is arranged. Part of the air flowing into the axial compressor 86 is branched off at 92 and fed to the two inlet openings 20 a, 20 b of the free-piston generator 1 . The gas plenum 34 of the free-piston gas generator 34 is connected via a line 94 to a gas turbine 90 . This air flows out of the outlet 96 of the gas turbine 90 . The air not branched off at the branch 92 flows from the axial compressor 96 into a rocket combustion chamber 98 , where a combustion process takes place with the addition of hydrogen or other fuels.

Nochmals bezugnehmend auf den Freikolben-Gasgenerator 1 ist in Fig. 3 schematisch eine Kühleinrichtung 100 dargestellt, über die die Luft im Ladeluft-Aufnahmeraum 24 abgekühlt wird. Eine derartige Kühleinrichtung 100 ist selbstverständlich auch für einen isolierten Freikolben-Gasgenerator 1 zweckmä ßig.Referring again to the free-piston gas generator 1 , a cooling device 100 is shown schematically in FIG. 3, via which the air in the charge air receiving space 24 is cooled. Such a cooling device 100 is of course also expedient for an insulated free-piston gas generator 1 .

Fig. 4 zeigt noch eine Ausführungsform einer Gasgeneratoran lage 102, die im wesentlichen wie die in Fig. 3 dargestellte Anlage ausgebildet ist, also einen vorzugsweise als Axialver dichter ausgebildeten Verdichter 104 und einen über eine ge meinsame Welle 106 gekoppelte Turbine 108 umfaßt. Im Unter schied zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird bei der Gasgenerator-Anlage 102 der gesamte verdichtete Luft strom aus dem Verdichter 104 dem Freikolben-Gasgenerator 1 zugeführt. Hierzu ist der Verdichterauslaß 110 mit Zufuhr leitungen 112 verbunden, welche die Luft den Eintrittsöffnun gen 20a und 20b des Freikolben-Gasgenerators 1 zuführen. Selbstverständlich können über den Umfang des Mantelgehäuses 2 gleichmäßig verteilt eine Vielzahl von Eintrittsöffnungen 20 vorgesehen sein. Fig. 4 shows an embodiment of a Gasgeneratoran location 102 , which is essentially designed as the system shown in Fig. 3, that is, preferably a compressor designed as an Axialver compressor 104 and a coupled via a common shaft 106 turbine 108 comprises. In contrast to the embodiment shown in FIG. 3, the entire compressed air stream from the compressor 104 is supplied to the free-piston gas generator 1 in the gas generator system 102 . For this purpose, the compressor outlet 110 is connected to supply lines 112 which supply the air to the inlet openings 20 a and 20 b of the free-piston gas generator 1 . Of course, a large number of inlet openings 20 can be provided uniformly distributed over the circumference of the casing 2 .

Claims

1. Free-piston gas generator with two working against each other, the working piston ( 10 ), an interposed combustion chamber ( 8 ) acted upon on both sides by the working piston ( 10 ), characterized in that the two working pistons ( 10 ) each have a working piston position measuring device ( 42 ) are provided, which are connected to a control device ( 74 ) which, by actuating actuators ( 26 , 38 , 40 , 46 , 50 ), brings about a synchronized movement of the working pistons ( 10 ).

2. Free-piston gas generator according to claim 1, characterized in that the working piston-Positionmeßeinrichtun gene ( 42 ) have means for zero point and direction detection.

3. Free-piston gas generator according to claim 1 or 2, characterized in that the working piston-Positionsmeßein directions ( 42 ) are carried out digitally and preferably via glass fiber cables with the cone device ( 74 ) are connected ver.

4. Free piston gas generator according to claim 1, characterized by a by the control device ( 74 ) on the basis of at least the measured piston positions ge controlled fuel injection device ( 46 ).

5. Free-piston gas generator according to claim 1, characterized in that on the working piston ( 10 ) axially adjustable compression pistons ( 12 ) are attached for compression of intake air in two compression spaces ( 18 ) before being fed into the combustion chamber ( 8 ), wherein compression piston position measuring devices ( 48 ) for determining the positions of the compression pistons ( 12 ) relative to the respective working piston ( 10 ) are provided, and thrust devices ( 39 ) for axially displacing the compression piston ( 12 ) on the working piston ( 10 ).

6. Free-piston gas generator according to claim 5, characterized in that on the respective compression space ( 18 ) opposite axial side of each compression on piston ( 12 ) an acted upon by this closed buffer space ( 14 ) is arranged, and the Pufferräu me ( 14th ) are provided with electrical pressure sensors ( 78 ) connected to the control device ( 74 ).

7. Free piston gas generator according to claim 6, characterized in that the pressure in the buffer spaces ( 14 ) via controllable, from the control device ( 74 ) actuated Ven tileinrichtung ( 40 ) is variable.

8. Free piston gas generator according to claim 1, characterized in that actuatable holding devices ( 50 ) are easily seen to stop or brake the working piston ( 10 ) or compression piston ( 12 ) in the region of their outer dead center for a defined time.

9. Free-piston gas generator according to claim 8, characterized in that the holding devices ( 50 ) are actuated electrically or hydraulically and are controlled by the control device ( 74 ).

10. Free-piston gas generator according to claim 8, characterized in that the holding devices ( 50 ) as mechanical cal ( 66 ) and / or electro-magnetic ( 52 ) Bremseinrich lines or locking devices are formed.

11. Free piston gas generator according to claim 10, characterized in that the painting devices ( 50 ) are designed as electromagnets, which stood in the excited state to attract the compression pistons in the area of the outer dead point.

12. Free-piston gas generator according to claim 10, characterized in that the holding devices ( 50 ) in the liners or the compression pistons Ar arranged locking recesses ( 68 ) engage in the electromotive locking elements ( 66 ).

13. Free piston gas generator according to claim 1, characterized in that between each compression space ( 18 ) and the combustion chamber ( 8 ), a charge air receiving space ( 24 ) is seen before, via a check valve ( 22 ) with the compression space ( 18 ) and is connected to the combustion chamber ( 8 ) via a valve device ( 26 ) which can be controlled by the control device ( 74 ).

14. Free-piston gas generator according to claim 13, characterized in that the combustion chamber ( 8 ) via at least one outlet opening ( 30 ) with an in a gas plenum ( 34 ) opening outlet line ( 32 ) is connected and one of the control device ( 74 ) controllable Overflow valve device ( 38 ) connects the charge air receiving space ( 24 ) with the outlet line ( 32 ).

15. Free-piston gas generator according to claim 13 or 14, characterized in that a combustion chamber ( 8 ) is provided conically enclosing annular overflow cooling chamber ( 36 ), at the upstream end of which the overflow valve device ( 38 ) is arranged and the sen downstream end into the outlet line ( 32 ) mün det.

16. Free-piston gas generator according to claim 13, characterized in that the charge air receiving space ( 24 ) with egg nem heat exchanger ( 100 ) for intercooling of the contained air is coupled.

17. Gas generator system with a free-piston gas generator according to one of the preceding claims, characterized in that the free-piston gas generator ( 1 ) is preceded by a turbo compressor ( 86 , 104 ), the air compressed by the turbocompressor ( 86 , 104 ) the free piston gas generator ( 1 ) is at least partially supplied and an exhaust gas turbine ( 90 , 108 ) is connected downstream, the turbocompressor ( 86 , 104 ) being driven by the exhaust gas turbine ( 90 , 108 ).

18. Gas generator according to claim 17, characterized in that the turbocompressor ( 86 ) comprises an air flow regulation and is preferably an axial compressor with adjustable guide vanes ( 114 ).

19. Gas generator according to claim 17, characterized in that it comprises a rocket combustion chamber ( 98 ), the Tur boverdichter ( 86 ) comprises an air flow mass control and part of the compressed air generated by the turbocompressor ( 86 ) the free-piston gas generator ( 1 ) and the rest of the Missile combustion chamber ( 98 ) is supplied.

20. Gas generator according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel is hydrogen is.