DE19910092A1

DE19910092A1 - Kombination für Kolben-plus Turbinen-Energie bei Gegenkolbenmotoren mit duothermischem Brennverfahren

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Publication number: DE19910092A1
Application number: DE1999110092
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2000-09-14

Abstract

Es geht um die Weiterentwicklung des Gegenkolbenprinzips dahingehend, daß die Stege der Luftöffnungen für die Kolbenringführung, durch die Einführung von Dichtmanschetten, entfallen. Damit steigert sich der Zeitquerschnitt für Ein- und Auslaß so sehr, daß ein Überschuß von Frischluft im Auslaß entsteht, der, im Zusammenhang mit dem im Duothermverfahren nicht verbrannten Luftanteil, eine Anhebung der aus T¶1¶ - T¶2¶ erzielten Wärme-Energienutzung, durch eine nachgeschaltete T¶2¶ + x - T¶3¶ Energiesteigerung, mittels einer Nachverbrennung der Frischluft im Abgas vor der Abgasturbine, erreicht.

Description

Die Kombination von Kolbenenergie und Turbinenenergie ist für viele Bereiche erwünscht, wo es auf besondere Spitzenleistung an kommt. Dies gilt nicht nur für die Startleistung von Schienenfahr zeugen und Flugzeugen. Selbst die Stromerzeugung muß für Spitzen leistung an bestimmten Tageszeiten eingerichtet sein. Auch die Bereitstellung von Dampf steht für Turbinenenergie nicht momentan zur Verfügung. Das ist, außer mit dem Kolbenmotor, nur mit der Gasturbine möglich.

Die Kombination von Kolbenmotor und Gasturbine bietet sich logischer Weise erst mit dem Gegenkolbenprinzip an, bei dem die Zylinder spülung mit Frischluft erst mit dem Wegfall der Kolbenabdichtung über Kolbenringe, durch eine Manschettenabdichtung ohne Stege in den Gasschlitzen, ausreichend vergrößert wurde.

In der gezeigten Kombination von duothermisch isochoren Brennver fahren, bei dem im Brennraum nur die zentrale Luftmasse verbrannt wird, und mit der äußeren Luftschicht die Aufheizung des Zylinders und des Kolbendichtmantels vermieden ist, können die Stege in den Spülschlitzen entfallen. Es genügen Dichtmanschetten, oder überhaupt nur der Kolbenmantel, zur Gasabdichtung. Damit wird der Luftdurch satz etwa verdoppelt. Im Verbund mit der im Brennraum nicht ver brannten Frischluft entsteht eine ausreichend große, unverbrannte Luftmasse, vor einer nachgeschalteten Turbine, um eine sinnvolle Kombination von Kolbenenergie für Normalleistung, sowie Kolben- plus Turbinenenergie für Spitzenbedarf, zu erhalten.

Durch das Gegenkolbenprinzip hat man nicht mehr die Energieverluste von überflüssigen Kolben und Zylinderköpfen. Zusätzlich ist jetzt auch noch die Einsparung eines überflüssig gewordenen Verdichters für die Turbine.

Im Bild 1 ist gezeigt, wie bei einem Gegenkolbenmotor mit duo thermischen Brennverfahren im Gleichraumzustand, durch den Vorlauf des Auslaßkolbens (1) um den Winkelgrad der Einspritz-Zeit von zwei Düsen (12°∡ bis 15°∡) ein isochor-duothermisches Mischverfahren dadurch erreicht wird, daß im nachlaufenden Einlaßkolben (2) ein Schußkanal (3) vorgesehen ist, in dem der Einspritzstrahl (4) auf seinem Weg zum zentralen Brennraum keine Wärme und Luftzufuhr er hält und dadurch flüssig bleibt. Im Dampfbereich (5) dehnt sich der Strahl durch Volumenvergrößerung aus, um im Brennraum (6) mit der dort rotierenden Luftmasse (7) isochor gemischt zu werden. Rechtzeitig mit dem schnellen Auseinandergehen der beiden Kolben (1) und (2) verbrennt das Gas.

Die Zentrifugalkraft der rotierenden Luftmasse ordnet die heißen Brenngase (7) in das Zentrum (8) und die nicht brennende Überschußluft im Außenbereich (9) ein, wodurch Wärmeverluste ver mieden werden. Dieser nicht brennende Luftüberschuß reduziert sich mit zunehmender Leistung bis auf 25% bei Vollast.

Das über das Pleuel (10) zugeführte Öl (11) tangiert den Kolbenbolzen (12) und kühlt den Außenbereich des Brennträgers (13) dort wo der Kraftstoffstrahl (4) flüssig ist. Im vom Brenn träger (13) und dem Laufmantel (14) gebildeten Raum (15) trifft das Kühlöl durch die Öffnung (16) ein und trifft auf die Kolben unterseite (17). Beim Schwenken des Pleuels (10) wird auch ein Teil des Kühlöls der Kolbenbodenunterseite (18), also dem Bereich des zentralen Brennraumes, zugeführt.

Der Rücklauf des Kühlöls (19) an der Innenseite des Laufmantels (14) und dem Brennraumträger (13) stellt eine möglichst gleiche Temperatur zwischen Laufmantel (14) und Zylinder (20) her, wie sie auch für die Dichtmanschette (21) und der Ölabstreif-Man schette (22) wichtig ist. Die Verbindung von Brennraumträger (13) und dem Laufmantel (14) ist durch die Verschraubung (23) und der Brennträgerstütze (24) gegeben. Die Manschette (22) überdeckt den Auslaßschlitz (25) ausreichend, um auch geschlitzt und federnd ausgeführt zu sein und wie ein Kolbenring in den Laufmantel mon tiert zu werden.

Bild 2 zeigt den Weg der Abgase vom Auslaßschlitz (25) in das Abgasrohr (27) zur Abgasturbine (28). Bei der stegfreien Ausführung von Auslaßschlitz (25) und Einlaß (26) überschreitet der Luftdurch satz das Hubvolumen, sodaß auch Frischluft in das Abgasrohr (27) übertritt, die durch die Düse (29) vor der Turbine verbrannt wer den kann, wenn zusätzliche Spitzenleistung gefordert wird. Diese Turbinenleistung kann sowohl für eine höhere Zylinderfüllung, wie auch für die Abgabe von direkter mechanischer Leistung genutzt werden.

Claims

1. Kombination für Kolben- plus Turbinen-Energie bei Gegenkolbenmotoren mit duothermischen Brennverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht verbrannte Luft im Abgas durch vergrößerte Zeitquerschnitte in den Spülschlitzen vermehrt wird, und die damit erzielte Frischluft vor einer nachgeschalteten Abgas-Turbine verbrannt wird, also eine Wirkungsgradsteigerung durch
entsteht.

2. Dadurch gekennzeichnet, daß die Frischluftsteigerung durch einen Kolben erreicht wird, der Dichtmanschetten an Stelle der Kolbenringe hat, wodurch die Stege in den Gaswechselöffnungen entfallen. Dadurch vergrößert sich der Zeitquerschnitt für den Übertritt von über schüssiger Frischluft in das Abgas auf etwa das Dop pelte.

3. Dadurch gekennzeichnet, daß die Frischluft im Abgas vor einer nachgeschalteten Turbine konstant, oder pulsierend, mit der Masse x für Leistungssteigerung T₂ + x - T₃ vor der Abgasturbine verbrannt wird.

4. Dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffstrahl auf seinem Weg zum zentralen Brennraum dadurch unverbrannt bleibt, daß er einen Schusskanal durchläuft, in dem ihm weder Luft noch Wärme zugeführt werden.

5. Nach 1) und 2) dadurch gekennzeichnet, daß die Tempe peratur im Bereich des Schlußkanals durch die Zufuhr von Kühlöl an der Kolbenunterseite reduziert wird.

6. Dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlöl im Kolben den Kolbenmantel im Bereich der Dichtmanschette kühlt.

7. Dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette für die Ölabdichtung geschlitzt ist und federnd abdichtet.

8. Dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenvorlauf der Einspritz-Zeit von zwei Einspritzdüsen entspricht.

9. Nach 1) bis 7) dadurch gekennzeichnet, daß diese Kombination bei maximal Vierzylinder-Gegenkolben- Motoren pro Turbine mit duotherm, isochoren Brenn verfahren angewendet wird.