-
Flugkolben-Brennkraftverdichter Die Erfindung bezieht sich auf einen
Flugkolben-Brennkraftverdichter mit mindestens einem kolbenbedienten Verdichtungshauptraum
zur Lieferung verdichteter Nutzluft nach außen und mit mindestens einem ebenfalls
kolbenbedienten Verdichtungsnebenraum zur Vorverdichtung der Verbrennungsluft des
Brennkraftzylinders auf den Speisedruck des letzteren sowie schließlich mit Abgasturbovorverdichter.
-
Derartige Maschinen sind an sich bekannt. Bei den bekannten Maschinen
dient entweder der kolbenbediente Verdichtungsnebenraum oder der Abgasturboverdichter
zur Speisung des Brennkraftzylinders des Flugkolbenverdichters mit vorverdichteter
Speiseluft. Wenn jedoch nur der kolbenbediente Verdichtungsnebenraum die Speisung
des Brennkraftzylinders mit vorverdichteter Speiseluft besorgt, kann man -,weder
verhältnismäßig hohe Werte für die Vorverdichtung erzielen, noch weitgehende Veränderungen
des Vorverdichtungsdruckes herbeiführen. Andererseits sind aber solche weitgehenden
Veränderungen notwendig, wenn die Leistung des Flugkolbenverdichters in sehr weiten
Grenzen veränderlich sein soll.
-
Die @°orverdichtung der Speiseluft des Brennkraftzylinders nur mittels
eines Abgasturbogebläses ermöglicht zwar weitgehende Änderungen des Speisedruckes,
jedoch ist die in den Abgasen vor allem im Falle eines nach dem Zweitaktverfahren
arbeitenden Brennkraftzylinders enthaltene Energie zur Erzielung ausreichender Vorverdichtungsdrücke
ungenügend.
Die Nachteile der bekannten Vorverdichtungseinrichtungen,
bei denen die Speiseluft des Brennkraftverdichters entweder nur in einem kolbenbedienten
Verdichtungsnebenraum oder nur mittels eines Abgasturbogebläses verdichtet wird,
werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß das Abgasturbogebläse und der kolbenbediente
Verdichtungsnebenraum hintereinandergeschaltet werden. Es ergibt sich somit eine
zweistufige Vorverdichtung der Speiseluft des Brennkraftzylinders, die stets zu
ausreichenden Vorverdichtungsdrücken führt und die andererseits wegen der Regelungsmöglichkeit
des Abgasturbogebläses Veränderungen des Speisedruckes in weiten Grenzen gestattet.
-
Es sei noch darauf hingewiesen, daß es schon bekannt ist, den Verdichtungshauptraum
eines Flugkolben-Brennkraftverdichters mit Luft zu speisen, die durch einen Abgasturbovorverdichter
verdichtet ist. Bei dieser bekannten Einrichtung liegt jedoch die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe gar nicht vor, da es in einem kolbenbedienten Hauptverdichtungsraum,
dem ja bestimmungsgemäß fast die ganze im Brennkraftzylinder entwickelte Wärmeenergie
zugeführt werden muß, immer möglich ist, die notwendigen Drücke zu erzielen. Wesentlich
anders liegen jedoch die Verhältnisse bei einem Verdichtungsnebenraum, der zur Erzielung
eines guten Wirkungsgrades der Maschine nur einen geringen Bruchteil der im Brennkraftzylinder
entwickelten Energie verzehren darf.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar stellt Fig. i schematisch eine erste Ausführungsform eines Brennkraftverdichters
gemäß der Erfindung dar; Fig.2 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Wesens der Erfindung;
Fig.3 schließlich veranschaulicht eine zweite Ausführungsform eines Flugkolben-Brennkraftverdichters
gemäß der Erfindung.
-
Die nachstehenden Ausführungen beziehen s?ch auf einen Flugkolben-Brennkraftverdichter,
dessen Brennkraftteil nach dem Zweitaktverfahren arbeitet.
-
Was zuerst die großen Linien der Konstruktion des Brennkraftverdichters
anbelangt, so sind sie die üblichen. Bei den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
der Erfindung arbeiten in einem Brennkraftzylinder i zwei gegenläufige Kolben 21,
22, die in der Nähe ihrer äußeren Totpunktstellung Einlaßöffnungen 3 und Auslaßöffnungen
4 freilegen.
-
Einer dieser Brennkraftkolben, z. B. der Kolben 21, ist mit einem
Verdichterkolben 5 fest verbunden, der in einem Zylinder 6 gleitet. Dieser Kolben
bewirkt mit seiner Außenseite in dem Abteil 61 des Zylinders 6 die Verdichtung der
von dem Brennkraftverdichter nach außen zu liefernden Druckluft. Die Innenseite
des Kolbens 5 bewirkt in dem Abteil 62 des gleichen Zylinders 6 die Verdichtung
der Luft, die in einen nach außen geschlossenen Behälter 7, welcher den Brennkraftzylinder
i umgibt, hineingefördert wird. Der zweite Brennkraftkolben 2-' ist mit einem Kolben
8 fest verbunden, der in einem Zylinder g arbeitet. Der letztgenannte Kolben schließt
in diesem Zylinder ein Luftpolster ein, welches während des nach außen gerichteten
Hubes der Brennkraftkolben eine gewisse Energiemenge in sich aufspeichert und diese
Energiemenge an die Kolben während ihres einwärts gerichteten Hubes wieder abgibt.
um so den letztgenannten Hub zu ermöglichen.
-
Die so gebildeten Kolbenaggregate 21, 5 und 22, 8 sind durch eine
Synchronisierungsvorrichtung untereinander verbunden. Diese Vorrichtung besteht
z. B. aus einem Hebel io, der um eine feste Achse i i hin und her schwingt und dessen
Enden durch Schubstangen 12 an die Kolbenaggregate angeschlossen sind.
-
Zur Versorgung des Brennkraftzylinders i mit Brennstoff ist eine Einspritzpumpe
13 od. dgl. vorgesehen. Diese Pumpe wird mittels eines Gestänges 14 von einem der
Kolbenaggregate aus angetrieben. Das die Fördermenge der Pumpe regelnde Steuerglied
15 steht beispielsweise unter dem Druck der in dem Abteil 61 des Verdichterzylinders
6 verdichteten Druckluft, welche sich in dem Druckluftbehälter 16 befindet. Die
Pumpe 13 ist durch eine Leitung 17 an die Einspritzdüse 18 des Brennkraftzylinders
i angeschlossen.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Abteil 62, in welchem
die Innenseite des Verdichterkolbens 5 die Speise- und Spülluft des Brennkraftzylinders
verdichtet, durch ein Gebläse icg mit vorverdichteter Luft gespeist. Dieses Gebläse
kann gleichzeitig auch zur Vorverdichtung der dem Hauptraum 61 .des Verdichterzylinders
zugeführten Luft dienen (s. Fig. i). Das Gebläse ig wird von einer Gasturbine 2o
angetrieben, die ihrerseits durch die Auspuffgase gespeist wird, die durch die Auspufföffnungen
4 des Brennkraftzylinders i hindurch in die Auspuffleitung 41 übertreten.
-
Der Förderdruck des Gebläses ig wird durch die Änderung der Leistung
der Turbine 20 geregelt. Letztere ist derart ausgebildet, daß ihre Leistung um so
mehr abnimmt, je größer ihr Einlaßquerschnitt ist.
-
Gemäß Fig. i ist die Turbine 2o mit drei Einlaßleitungen 211, 212
und 213 versehen, deren Einlaßöffnungen durch einen Schieber 22 gesteuert werden,
der mit einem Kolben 23 fest verbunden ist, welcher in einem Zylinder 24 arbeitet.
Der Kolben 23 steht mit einer seiner Seiten unter der Wirkung einer Feder 25, die
unter einer geeigneten Vorspannung steht und die bestrebt ist, den Kolben 23 gegen
einen Anschlag 26 zu legen. Die Stellung des Anschlages 26 ist derart gewählt, daß
der Einlaßquerschnitt der Turbine 2o seinen Geringstwert hat, wenn sich der Kolben
23 gegen den genannten Anschlag legt, so daß sich der Schieber 22 in der in Fig.
i dargestellten Stellung befindet. Auf seiner anderen Seite steht der Kolben 23
unter dem Druck, der in dem Druckluftbehälter 16 herrscht.
-
Wenn der Druck in dem Druckluftbehälter über einen bestimmten Wert
ansteigt, wird der Kolben 23 nach rechts verschoben, was zu einer Erhöhung
des
Einlaßquerschnittes der Turbine 20 führt. Die Leistung der letzteren wird also vermindert.
-
Vorzugsweise ist an die Auspuffleitung .41 eine Abzweigung 27 angeschlossen,
die durch eine Klappe 28 gesteuert wird. Diese Abzweigleitung dient dazu, gegebenenfalls
einen mehr oder weniger großen Teil der Auspuffgase unmittelbar in die Atmosphäre
auszulassen, ohne daß diese Gase durch die Turbine 20 strömen.
-
Es ergibt sich aus dem Vorstehenden, daß der Druck in dem Druckluftbehälter
16 bei der größten Leistung der Turbine 20 und infolgedessen bei der größten Leistung
des Brennkraftverdichters geringer ist als der Druck, der in dem genannten Druckluftbehälter
beim Leerlauf oder bei schwachen Lieferleistungen des Verdichters herrscht. Der
Unterschied der Drücke bei Größtleistung und bei Leerlauf bestimmt den Regelbereich
der in Rede stehenden Maschine.
-
In dem Diagramm der Fig.2 sind mit ausgezogenen und gestrichelten
Linien zwei verschiedene Arbeitsweisen des Brennkraftverdichters dargestellt. Der
Unterschied der Arbeitsweise ist eine Folge der verschiedenen Einregelung der Steuervorrichtung
der Turbine 20.
-
In Fig.2 stellen die Abszissen die Förderdrücke p dar, die in dem
Behälter 16 herrschen, während die Ordinaten einerseits die Liefermengen Q des Hauptverdichterraumes
61 des Verdichterzylinders und andererseits die Lieferdrücke p1 des Gebläses i9
veranschaulichen. Der Regelbereich liegt zwischen dem Förderdruck p4, der dem größten
Belastungszustand entspricht, und dem Lieferdruck pb, der dem Leerlauf entspricht.
-
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, hat die Liefermenge Q des Verdichterzylinders
ihren größten Wert bei der größten Belastung und ihren geringsten Wert, der gleich
Null sein kann, beim Leerlauf.
-
Gemäß der ersten der genannten Regelungsarten nimmt die Leistung der
Turbine 20 und infolgedessen die Vorverdichtung durch das Gebläse i9 allmählich
von der größten Belastung (Förderdruck pa) bis zum Leerlauf (Lieferdruck pb) ab.
Beim Leerlauf (größter Lieferdruck p6 im Behälter 16) liefert also das aus der Turbine
20 und dem Gebläse i9 bestehende Maschinenaggregat nur eine geringe Arbeit, und
der Einlaßdruck in den Hauptverdichterraum 61 und in die Spülpumpe 62 bleibt nahe
dem Atmosphärendruck. Sobald die aus dem Behälter 16 entnommene Luftmenge eine gewisse
Grenze überschreitet, ruft eine Verringerung des Druckes in dem genannten Behälter
eine Verringerung des Einlaßquerschnittes der Turbine 2o mittels des Schiebers 22
hervor. Die Folge davon ist eine Erhöhung des Druckes in der Auslaßleitung 41, woraus
sich wiederum eine Erhöhung der Leistung des aus Hilfsturbine und Gebläse bestehenden
Maschinenaggregats und des Einlaßdruckes der Verdichterräume 61 und 62 ergibt.
-
Wenn man die in Fig. 2 mit gestrichelten Linien dargestellte Regelungsart
wählt, erhält man eine stetige Veränderung des Lieferdruckes p1 des Gebläses zwischen
der Höchstleistung des Verdichters und einer mittleren Leistung desselben, zu welch
letzterer beispielsweise der Druck pc in dem Behälter 16 gehört. Dagegen bleibt
der Lieferdruck des Gebläses zwischen der genannten mittleren Leistung und dem Leerlauf
im wesentlichen unverändert und nahe dem Atmosphärendruck.
-
Wenn der Förderdruck des Gebläses i9 nahe dem Atmosphärendruck ist,
ist der Leistungsverlust des Brennkraftv erdichters, der auf dem Leistungsverbrauch
des aus der Hilfsturbine und dem Gebläse bestehenden Maschinenaggregats beruht,
praktisch Null und kann vernachlässigt werden.
-
Was nun die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung anbelangt,
so unterscheidet sie sich bezüglich der mit Vorverdichtung erfolgenden Speisung
der Räume 61 und 62 des Verdichterzylinders 6 von der in Fig. i dargestellten Ausführungsform
vor allem dadurch, daß gemäß Fig. 3 der Strömungskreis der in dem Hauptraum 61 des
Verdichters verdichteten Luft völlig getrennt ist von dem durch den Raum 62 des
Verdichterzylinders hindurchgehenden Strömungskreis der Spül- und Speiseluft des
Brennkraftzylinders.
-
Gemäß Fig. 3 dient das Gebläse i9 nur zur Vorverdichtung der Speiseluft
der Pumpe 62 für die Spül- und Speiseluft des Brennkraftzylinders, während der Einlaß
des Hauptraumes 61 des Verdichters an den Auslaß der Turbine 29 angeschlossen ist,
die zwecks Abgabe mechanischer Leistung durch die in dem genannten Hauptraum verdichtete
Luft angetrieben wird. Der letztgenannte Luftkreis ist also ein völlig geschlossener
Kreis. Der mittlere Druck in ihm wird durch einen Steuerschieber 30 geregelt, der
die Leitung 31, welche den Auslaß der Turbine 29 mit dem Einlaß des Verdichterhauptraumes
61 verbindet, entweder an eine Druckluftquelle, beispielshalber einen Druckluftbehälter
32, oder an die Atmosphäre anschließt. Je nach der Stellung des Steuerschiebers
30 wird also das in dem genannten Strömungskreis befindliche Luftgewicht
verringert oder erhöht.
-
Um gleichzeitig die Leistung des aus der Hilfsturbine 2o und dem Gebläse
i9 bestehenden Maschinenaggregats zu regeln, wird auf die rechte Seite des Kolbens
23 entweder der in der Leitung 31 herrschende Druck oder der in der Speiseleitung
33 der Turbine 29 herrschende Druck zur Wirkung gebracht.
-
Der genannte Steuerschieber 30 kann entweder von Hand oder
selbsttätig, z. B. durch den Geschwindigkeitsregler der Turbine 29, betätigt werden.
-
Die Veränderung des Einlaßdruckes oder des Förderdruckes der Luft,
die in den Verdichterräumen 61, 62 verdichtet wird, macht eine geeignete Regelung
der Rückführenergie der Freiflugkolbenaggregate notwendig. Denn diese Rückführenergie,
deren Hauptteil durch die pneumatischen Energiespeicher 9 geliefert wird, muß die
Verdichtungsarbeit nicht nur in dem Motorzylinder, sondern auch in dem Verdichterraum
62 leisten.
-
Bei der Einrichtung nach Fig. i, bei der die Speisedrücke für die
beiden Verdichterräume 61
und 62 gleich sind, genügt es, die Steuervorrichtung
34 des pneumatischen Energiespeichers 9 entweder in Abhängigkeit von dem Einlaßdruck
in die genannten Verdichterräume oder in Abhängigkeit von dem Förderdruck eines
dieser Räume zu betätigen.
-
Bei der in Fig. 3 dargestellten Einrichtung muß dagegen die Steuervorrichtung
in Abhängigkeit von dem Einlaß- oder Förderdruck sowohl des Hauptverdichterraumes
61 als auch- des Hilfsverdichterraumes 62 betätigt werden.
-
In beiden Fällen steht die Steuervorrichtung außerdem unter dem Einfluß
des mittleren Druckes p2, der in dem Energiespeicher 9 selbst herrscht.
-
Die Rückführenergie des pneumatischen Energiespeichers 9 wird durch
eine Erhöhung oder Verminderung des Gewichts der in diesem Speicher eingeschlossenen
Luft verändert. Um das Luftgewicht zu erhöhen, wird der Energiespeicher g mittels
der genannten Steuervorrichtung an eine Druckluftquelle angeschlossen, welche z.
B. durch den Behälter 16 der in dem Hauptverdichterraum 61 verdichteten Druckluft
gebildet wird. Wenn es sich dagegen um eine Verminderung des Gewichts des Luftpolsters
handelt, das in dem Energiespeicher 9 eingeschlossen ist, so schließt man den Speicher
mittels der genannten Steuervorrichtung z. B. an die Atmosphäre an.
-
Bei der in Fig. i dargestellten Einrichtung ist die Steuervorrichtung
34 mit einem Kolbenschieber 35 versehen, der je nach seiner Stellung entweder das
Innere des Energiespeichers 9 völlig abschließt (s. die in den Fig. i und 3 dargestellte
Stellung des Kolbenschiebers), oder der den Energiespeicher 9 durch die Leitungen
36 und 37 mit dem Druckluftbehälter 16 verbindet, oder der schließlich den Energiespeicher
durch die Leitung 36 und 38 an die Atmosphäre anschließt.
-
Der Kolbenschieber 35 ist bei der Ausführungsform nach Fig. i mit
zwei Kolben 39 und 4o fest verbunden, die in Zylindern 41 und 42 beweglich sind.
Der Kolben 39 steht unter der Einwirkung einer Feder 43 und des mittleren in dem
Energiespeicher 9 herrschenden Druckes, welch letzterer durch eine kalibrierte Leitung
44 in das Innere des Zylinders 4i geleitet wird, und zwar verbindet die genannte
Leitung das Zylinderinnere mit dem Innern der Leitung 36. Auf den Kolben 4o wirkt
durch eine kalibrierte Öffnung 45 hindurch der mittlere Druck, der in dem Gehäuse
7 herrscht, und zwar ist dieser Druck im wesentlichen gleich dem Förderdruck des
Verdichterraumes 62. Schließlich ist in der Leitung 37 eine Rückscblagklappe 46
vorgesehen, die eine Strömung von Luft aus dem Energiespeicher 9 nach dem Druckluftbehälter
16 zu hindert, wenn der Druck in dem Energiespeicher bei bestimmten Stellungen des
Kolbens 8 höher ist als der Druck, der in dem Druckluftbehälter 16 herrscht.
-
Auf diese Weise wird die von dem Energiespeicher g gelieferte Rückführenergie
derart geregelt, daß sie selbsttätig in Abhängigkeit von dem Druck in dem Gehäuse
7 und von dem mittleren Druck in dem Energiespeicher g veränderlich ist.
-
Bei der Vorrichtung, die in Fig. 3 dargestellt ist, ist die Steuerung
des Kolbenschiebers 35 nicht nur von dem Druck in dem Gehäuse 7 und von dem mittleren
Druck in dem Energiespeicher 9 abhängig, sondern gleichzeitig auch noch von dem
Einlaß-oder Förderdruck des Hauptverdichterraumes 61. Zu diesem Zweck wird der Kolbenschieber
35 einerseits durch einen Kolben 391 betätigt, auf den der mittlere Druck in dem
Energiespeicher 9 durch eine kalibrierte Leitung 44 hindurch einwirkt; andererseits
steht es unter dem Einfluß einer Feder 47, deren eines Ende sich gegen den Kolbenschieber
35 und deren anderes Ende sich gegen einen Halter 48 stützt. Dabei ist die Spannung
der Feder 47 sowohl durch den Druck in dem Gehäuse 7 als auch durch den Druck indem
Druckluftbehälter 16 veränderlich.
-
Zur Herbeiführung der Änderung der Federspannung wirkt auf den Halter
48, gegen den sich das eine Ende der Feder 47 abstützt, ein Nocken 49 ein, der auf
einer Stange So sitzt, an deren beiden Enden Kolben 51 und 52 vorgesehen sind. Der
Kolben 51 ist in einem Zylinder 53 unter der Wirkung des in dem Druckluftbehälter
16 herrschenden Druckes verstellbar, während der Kolben 52 in einem Zylinder 54
beweglich ist, und zwar einerseits unter dem Einfluß des mittleren Druckes, der
in dem Gehäuse 7 herrscht und der in den Zylinder 54 durch eine kalibrierte Leitung
55 hindurch eingelassen wird, und andererseits unter der Wirkung einer Gegenfeder
56.
-
Wie auch die jeweilige Ausführungsform der Erfindung sei, man erhält
stets einen Brennkraftverdichter mit einer, bezogen auf sein Gewicht, sehr hohen
Leistung. Ferner sei auf die erhebliche Leistungssteigerung eines schon bestehendenBrennkraftv
erdichters hingewiesen, welche dadurch erzielt wird, wenn man einen solchen Verdichter
in der für die Erfindung kennzeichnenden Weise mit einer Vorverdichtungseinrichtung
versieht, die eine Abgasturbine und ein Gebläse umfaßt.
-
Schließlich sei nochmals betont, daß im vorstehenden nur Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben sind, auf welche diese nicht beschränkt ist.