DE2165332A1

DE2165332A1 - Doppeltwirkende heissgaskolbenmaschine mit mehreren zylindern

Info

Publication number: DE2165332A1
Application number: DE2165332A
Authority: DE
Inventors: Joachim Grossmann; Guenter Reuchlein; Eckhard Tusche; Friedemann Dr Zacharias
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG; Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1971-12-29
Publication date: 1973-07-12
Also published as: US3802198A; DE2165332B2; DE2165332C3; SE383380B

Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft 89 Augsburg, Stadtbachstraße 1

Motoren-Werke Mannheim AG, vorm. Benz, Abt. stat. Motorenbau, 68 Mannheim 1, Carl-Benz-Straße 5

P. B. 2658/1080 Augsburg, den 23. Dezember I97I

Doppeltwirkende Heißgaskolbenmaschine mit mehreren Zylindern

Die Erfindung betrifft eine doppeltwirkende Heißgaskolbenmaschine mit mehreren Zylindern, bei der ein erster Arbeitsraum jedes Zylinders jeweils unter Zwischenschaltung eines Erhitzers, eines Regenerators und eines Kühlers mit einem zweiten Arbeitsraum eines anderen Zylinders in Verbindung steht.

Bei einer aus der deutschen Patentschrift 8θ2 486 bekannten Maschine dieser Gattung sind die Zylinder in Reihe angeordnet. Ihre ersten Arbeitsräume stehen hierbei■über unterschiedlich lange Leitungen mit den zweiten Arbeitsräumen anderer Zylinder in Verbindung. Insbesondere die mittleren Zylinder der Reihe sind dabei mit- ihrem ersten Arbeitsraum nicht an den zweiten Arbeitsraum eines benachbarten Zylinders, sondern des darauf folgenden oder eines noch weiter entfernten Zylinders angeschlossen. Obwohl der bekannten Anordnung bereits die Aufgabe zugrunde liegt, lange Verbindungsleitungen, die wegen des großen schädlichen Raumes, der großen Strömungsverluste und der großen Wärmeverluste ungünstig sind, möglichst zu vermeiden, wird dieses Ziel noch nicht voll befriedigend erreicht. Ein weiterer Nachteil der bekannten An-

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Ordnung ist darin zu sehen, daß bei Verwendung von mehr als vier Zylindern die Maschine eine relativ große Baulänge bekommt.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mehrzylinderheißgaskolbenmasehine zu schaffen, die eine einfache raumsparende Bauweise und kurze Verbindungsleitungen aufweist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zwei V-förmig gegeneinander geneigte, abwechselnd je einen Zylinder und einen Regenerator aufweisende Reihen vorgesehen sind, an deren Enden jeweils ein Zylinder einer Reihe einem Regenerator der anderen Reihe gegenübersteht, daß der erste Arbeitsraum des am Ende je einer Reihe befindlichen Zylinders mit dem zweiten Arbeitsraum des nächstliegenden Zylinders der anderen Reihe sowie der erste Arbeitsraum dieses und jedes weiteren Zylinders mit dem zweiten Arbeitsraum des jeweils in der gleichen Reihe befindlichen benachbarten Zylinders verbunden ist und daß eine gemeinsame Kurbelwelle mit einer der Zahl der Zylinder entsprechenden Anzahl von Abkröpfungen zum Anschluß je einer Kolbenstange vorhanden ist. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Maßnahmen liegt darin, daß nur ein sehr einfach ausgebildetes Triebwerk erforderlich ist.

Vorteilhaft ist der erste Arbeitsraum als kalter Raum und der zweite Arbeitsraum als heißer Raum ausgebildet, wobei der Verbindungsweg vom ersten Raum über einen kalten Verbindungskanal, den Kühler, den Regenerator und den Erhitzer zum zweiten Raum verläuft. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß sowohl die Sammelkanäle einerseits aller Zylinder und andererseits aller Regeneratoren als auch alle Erhitzer rohr bündel für jeden Zylinder gleich ausgebildet werden können.

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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung, die zu einer besonders gedrängten Bauweise führt, weisen die Erhitzer der Zylinder beider Reihen einander zugewandte, den freien Raum zwischen den Reihen abdeckende, flache Erhitzerrohrbündel auf. Vorteilhaft erstreckt sich das Erhitzerrohrbündel jedes Zylinders in Maschinenlängsrichtung über die Breite des Zylinders und des benachbarten Regenerators. Zweckmäßig liegen die Erhitzerrohrbündel der Zylinder beider Reihen in einer Ebene. Diese Maßnahme schafft eine gute Voraussetzung für die gleichmäßige Beaufschlagung der Erhitzerrohre mit den Verbrennungsgasen eines oder mehrerer Brenner.

Infolge der gedrängten Anordnung der Erhitzerrohrbündel besteht nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit, daß ein Brenner zur Wärmebeaufschlagung der Erhitzerrohrbündel mindestens zweier einander gegenüberliegender Zylinder verschiedener Reihen vorgesehen ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Zahl der Brenner zu vermindern.

Eine weitere Raumersparnis ergibt sich dadurch, daß mindestens ein Brenner in dem V-förmigen Raum zwischen der Kurbelwelle und den beiden Reihen angeordnet sein kann. Sollte dieser Raum beispielsweise wegen zu geringer Höhe des Raumes zwischen den beiden V-förmigen Reihen zur Unterbringung des Brenners nicht ausreichen, so ist nach einer Weiterbildung der Erfindung mindestens ein Brenner oberhalb der Erhitzerrohrbündel angeordnet. Vorteilhaft ist in.diesem Falle oberhalb jeder Reihe von Zylindern und Regeneratoren ein mit Brennerabgasen beaufschlagter Luftvorwärmer vorgesehen. Der oder die Brenner sind dann mit einem nachgeschalteten Flammenkanal zwischen den Luftvorwärmern angeordnet. Vorzugsweise finden Gegenstromluftvorwärmer Anwendung, deren Luftaustritt in einen zur

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Lufteintrittsoffnung des oder der Brenner führenden, einseitig durch den Flammenkanal begrenzten Luftkanal mündet. Hierdurch wird erreicht, daß auf engstem Raum die zur Verbrennung vorgesehene Luft vorgewärmt und gleichzeitig der Flammenkanal und der oder die Brenner durch die zur Verbrennung bestimmte Luft gekühlt werden können.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend an- J). hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Figur 1 eine perspektivische schematische Ansicht des Grundaufbaus einer Sechszylinder-Heißgaskolbenmaschine,

Figur 2 eine schematische Darstellung der gegenseitigen Verbindungen der Arbeitsräume der Zylinder der Maschine nach Figur 1,

Figur J5 einen Querschnitt durch die Maschine nach Figur 1 und

Figur 4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform.

Die Maschine nach Figur 1 und 2 umfaßt sechs Zylinder 1 bis sowie sechs Regeneratoren 7 bis 12. Jeder der Regeneratoren 7 bis 12 ist zusammen mit einem Kühler IJ in einem zylindrischen Gehäuse, dessen Größe etwa einem der Zylinder 1 bis entspricht, untergebracht. Die Zylinder 1 bis J und die Regeneratoren 7 bis 9 bilden eine mit 14 bezeichnete Reihe, in der abwechselnd je ein Zylinder und ein Regenerator vorgesehen ist. V-förmig zur Reihe 14 geneigt ist eine weitere Reihe 15 vorgesehen, die die drei Zylinder 4, 5 und 6 sowie

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die drei Regeneratoren 10, 11 und 12 mit nachgeschalteten Kühlern enthält. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß dem am Ende der einen Reihe stehenden Zylinder 3 bzw. 6 ein Regenerator 10 bzw. 7 der anderen Reihe gegenübersteht.

Wie Figur 3 zeigt, ist im Zylinder 6 ein langgestreckter Kolben 18 vorgesehen. Der Kolben l8 ist über eine Kolbenstange 20 fest mit einem Kreuzkopfgleitschuh 21 verbunden. Der Kreuzkopfgleitschuh 21 ist entlang der Laufflächen 22 geradlinig verschiebbar gelagert. Die Laufflächen 22 sind fest an einem Gestell 23 angeschlossen. Das Gestell 23 erstreckt sich über die ganze Länge des Motors und trägt die Zylinder 1 bis 6 sowie die Regeneratoren 7 bis 12 einschließlich der zugehörigen Kühler. An einem Zapfen 24 des Kreuzkopf gleitschuhs 21 ist eine Pleuelstange 25 angelenkt, deren anderes Ende an einer gekröpften Kurbelwelle 26 gelagert ist. Alle übrigen Zylinder sind in der gleichen Weise ausgeführt und stehen ebenfalls mit der Kurbelwelle 26 in Verbindung*

Oberhalb des im oberen Totpunkt gezeichneten Kolbens l8 befindet sich im Zylinder 6 ein heißer Arbeitsraum 27 und unterhalb dieses Kolbens ein kalter Arbeitsraum 28. Dementsprechend weisen, wie Figur 2 zeigt, die weiteren Zylinder 1 bis 3 sowie 5 und 6 jeweils ebenfalls je einen heißen Arbeitsraum bis 33 und einen kalten Arbeitsraum 34 bis 38 auf. Der heiße Arbeitsraum 27 des am Ende der Reihe I5 befindlichen Zylinders 6 steht über einen Sammelkanal 39 mit einem aus einer Vielzahl von U-förmig gebogenen Rohren bestehenden flachen Erhitzerrohrbündel 4o in Verbindung. Die heißen Räume 29 bis 33 der weiteren Zylinder sind in gleicher Weise an je ein weiteres Erhitzerrohrbündel 41 bis 45 angeschlossen. Das dem Sammelkanal 39 abgewandte Ende jedes einzelnen Rohres des

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Erhitzerrohrbündels 4o mündet in einen weiteren Samme!kanal 46, der die Verbindung zum benachbarten Regenerator 12 herstellt. Wie insbesondere die Figuren 1 und 3 erkennen lassen, liegt jeweils der einem Regenerator, z. B. 7 zugeordnete Samme1-kanal 47 in einer anderen Ebene als der dem benachbarten Zylinder, z. B. 1, zugeordnete Sammelkanal 48. Die Sammelkanäle, ζ. B. 39ί 48, aller Zylinder sind untereinander ebenso wie die Sammelkanäle z. B. 46, 47, aller Regeneratoren gleich ausgebildet. Dies erleichtert nicht nur die Fertigung einer bestimmten Maschine, sondern bietet auch die Möglichkeit, mit gleichen austauschbaren Teilen Maschinen verschiedener ZyIInderzahlen in einfacher Weise herstellen zu können. Der kalte Arbeitsraum 28 bzw. 36 der beiden am Ende je einer Reihe befindlichen Zylinder 6 bzw. 3 steht über je eine Leitung 49 bzw. 50 und einen Kühler, z. B. 13, mit dem Regenerator 7 bzw. 10 am Ende der gegenüberliegenden Reihe in Verbindung. Die kalten Arbeitsräume J>K bis 38 der weiteren Zylinder 1, 2, 4 und 5 sind dagegen über Leitungen 51 bis 54 jeweils an den Kühler des unmittelbar benachbarten Regenerators 8, 9j 11* 12 angeschlossen. Somit steht der heiße Arbeitsraum jedes Zylinders über einen unmittelbar benachbarten Regenerator und den zugehörigen Kühler mit dem kalten Arbeitsraum des benachbarten Zylinders in Verbindung. Durch diese Ausgestaltung ergeben sich sehr kurze Leitungen zwischen den Arbeitsräumen der Zylinder.

Aus Figur 1 geht weiterhin hervor, daß sich die Erhitzerrohrbündel, z. B. 41, 42, 43, einer Reihe, z. B. 14, einerseits bis zu einer durch die Kurbelwelle 26 gelegten senkrechten Ebene erstrecken und andererseits so breit ausgebildet sind, daß sie die volle Breite eines Zylinders, z. B. 1, und des benachbarten Regenerators, z. B. ¹J₃ ausfüllen. Die Erhitzerrohrbündel 4o bis 45 decken somit den freien Raum zwischen

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den beiden Reihen 14 und 15 an der Oberseite ab.

Wie sich aus Figur 3 ergibt, ist in dem V-förmigen Raum zwischen den beiden Reihen 14 und 15 mindestens ein Brenner 55 angeordnet. Dem Brenner 55 ist eine innere Brennkammer 56 und ein Flammenkanal 57 zugeordnet. Der Flammenkanal 57 erweitert sich an seinem dem Brenner 55 abgewandten Ende so, daß die Brennerabgase die Rohre der Erhitzerrohrbündel, z. B. 4o, 41, in ihrer vollen Länge umstreichen können. Die Brennerabgase treten nach Durchlauf durch die Erhitzerrohrbündel 4o, 41 in Richtung der Pfeile a in Vorerhitzer .58* 59 und nach deren Durchlauf in Abgassammeikanäle 60, 6l ein. Die Vorerhitzer 58, 59 werden im Gegenstrom zu den Brennerabgasen von Verbrennungsluft durchstrichen, die über die Luftkanäle 62, zugeführt und einen Luftsammelkanal 64 abgeführt werden. Der Luftsammeikanal 64 ist am Ende der Maschine nach abwärts geführt und mit zwei LuftVerteilkanälen 65, 66 verbunden. Jeder LuftVerteilkanal weist öffnungen 67, 68 auf, durch die die Luft zur Außenseite des Flammenkanals 57 treten kann. Die Luft strömt dann weiter entlang der Außenwand des Flammenkanals 57 und tritt entweder durch öffnungen 69 als Primärluft in die Brennkammer 56 oder durch öffnungen 70 als Sekundärluft in den Flammenkanal 57 ein.

Eine derartige Ausgestaltung gestattet trotz sehr kurzer Wege zwischen den Arbeitsräumen der Zylinder eine vorteilhafte Raumausnutzung des von den Zylindern und den Regeneratoren samt Kühlern umgrenzten Raumes, die zu einer sehr kompakten Bauweise führt. Es besteht die Möglichkeit, die heißen und die kalten Räume gegeneinander zu vertauschen. In diesem Falle müssen jedoch für die am Ende je einer Reihe befindlichen Zylinder und Regeneratoren Sammelkanäle verwendet werden, deren Form von den Sammelkanälen der übrigen Zylinder und Regeneratoren abweicht.

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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 sind wiederum zwei · V-förmig gegeneinander geneigte, abwechselnd einen Zylinder und einen Regenerator 8l mit nachgeschaltetem Kühler 82 aufweisende Reihen vorgesehen, die V-förmig gegeneinander geneigt sind. Dabei weist der Zylinder 8o einen Sammelkanal auf, der die Verbindung zu dem einen Ende der Rohre eines Erhitzerrohrbündels 84 herstellt. In gleicher Weise steht . der Regenerator 8l über einen Sammelkanal 85 mit dem anderen Ende der Rohre eines Erhitzerrohrbündels 86 in Verbindung. Die beiden Erhitzerrohrbündel 84, 86 liegen in einer Ebene. Oberhalb der Erhitzerrohrbündel 84, 86 ist ein Flammenkanal 87 vorgesehen, der in eine Brennkammer 88 übergeht. Am obersten Ende der Brennkammer 88 ist ein Brenner 89 vorgesehen. Durch die Anordnung der beiden Erhitzerrohrbündel 84, 86 in einer Ebene kann in einfacher Weise eine gleichmäßige Wärmebeaufschlagung aller Erhitzerrohre mit den Brennerabgasen erreicht werden. Oberhalb des Zylinders 80 und des Regenerators 8l sind je ein sich über die ganze Länge der Maschine erstreckender Luftvorwärmer 90, 91 vorgesehen. Die zur Verbrennung vorgesehene Luft tritt durch die Luftkanäle 92, 95 in die beiden Luftvorwärmer 90, 91 ein und durchströmt diese von oben nach unten. Hinter Luftauslaßoffnungen 94, der beiden Luftvorwärmer 90, 91 schließen, in Durchströmung der Luft gesehen, Kanäle 96, 97 an, die einerseits durch feste mit den Luftvorwärmern 90, 91 verbundene Bauteile und andererseits durch den Flammenkanal 87 und die Brennkammer 88 begrenzt sind. Durch diese Kanäle 96, 97 strömt die Luft durch Eintrittsöffnungen 98 in die Brennkammer 88. Die Brennerabgase treffen nach Durchtritt durch die Erhitzerrohrbündel 84, 86 auf eine Umlenkplatte 99 auf und treten nach der Umlenkung durch nicht dargestellte Spalte zwischen jedem Zylinder und den daneben angeordneten Gehäusen mit Regenerator und Kühler in Sammelräume 100, 101 ein. Von hier aus durchlaufen

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die Brennerabgase Im Gegenstrom die Luftvorwärmer 90, 91 von unten nach oben und gelangen anschließend in Abgassammeikanäle 102, 103.

Wie Figur 4 erkennen läßt, bietet auch diese Anordnung trotz der Anordnung des oder der Brenner oberhalb der Erhitzerrohrbündel die Möglichkeit, die Maschine sehr kompakt zu bauen und damit wenig umbauten Raum in Anspruch zu nehmen.

Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.

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Claims

Ansprüche

Doppeltwirkende Heißgaskolbenmaschine mit mehreren Zylindern, bei der ein erster Arbeitsraum jedes Zylinders jeweils unter Zwischenschaltung eines Erhitzers, eines Regenerators und" eines Kühlers mit einem zweiten Arbeitsraum eines anderen Zylinders in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß zwei V-förmig gegeneinander geneigte, abwechselnd je einen • Zylinder (1 bis 6) und einen Regenerator (7 bis 12) aufweisende Reihen (14, I5) vorgesehen sind, an deren Enden jeweils ein Zylinder (^, 6) einer Reihe einem Regenerator (10, 7) der anderen Reihe gegenübersteht, daß der erste Arbeitsraum (28, -36) des am Ende je einer Reihe befindlichen Zylinders (6, j5) mit dem zweiten Arbeitsraum (29, ^2) des nächstliegenden Zylinders (1, 4) der anderen Reihe sowie der erste Arbeitsraum (34, 37» 35$ 38) dieses und jedes weiteren Zylinders (1, 4, 2, 5) mit dem zweiten Arbeitsraum (30, 33, 31* 27) des jeweils in der gleichen Reihe befindlichen benachbarten Zylinders (2, 5* 3* 6) verbunden ist und daß eine gemeinsame Kurbelwelle (26) mit einer der Zahl der Zylinder entsprechenden Anzahl von Abkröpfungen zum Anschluß je einer Kolbenstange (20) vorhanden ist.
2. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Arbeitsraum (z. B. 28) als kalter Raum und der zweite Arbeitsraum (z. B. 27) als heißer Raum ausgebildet ist.
3. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzer der Zylinder beider Reihen einander zugewandte, den freien Raum zwischen den Reihen u*o cltch endi {iCich<L Erhitzerrohrbündel aufweisen.

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4. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch J5, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzerrohrbündel (z. B. 4o) jedes Zylinders (z. B. 6) sich in Maschinenlängsrichtung über die Breite des Zylinders und des benachbarten Regenerators (z.B. 12) erstreckt.
5· Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 5 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzerrohrbündel (z. B. 84, 86) der Zylinder beider Reihen in einer Ebene liegen.
6. Heißgaskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenner (55* 89) zur Wärmebeaufschlagung der Erhitzerrohrbündel (z. B. 4o, 41, 84, 86) mindestens zweier einander gegenüberliegender Zylinder (z.B. 1, 6) verschiedener Reihen (14, 15) vorgesehen ist.
7· Heißgaskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Brenner (55) in dem V-förmigen Raum zwischen der Kurbelwelle (26) und den beiden Reihen (14, 15) angeordnet ist.
8. Heißgaskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Brenner (89) oberhalb der Erhitzerrohrbündel (84, 86) angeordnet ist.
9. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb jeder Reihe von Zylindern (z.B.80) und Regeneratoren (z.B. 8l) ein mit Brennerabgasen beaufschlagter Luftvorwärmer (90, 91) vorgesehen ist und der oder die Brenner (89) mit einem nachgeschalteten Flammerikanal (87) zwischen den Luftvorwärmern angeordnet sind.

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10. Heißgaskolbenraaschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Gegenstromluftvorwärmer (90, 91)» deren Luftaustritt in einen zur Lufteintrittsoffnung des oder der Brenner (89) führenden, einseitig durch den Plammenkanal (87) begrenzten Luftkanal (96₃ 97) mündet.

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