DE663873C

DE663873C - Internal combustion turbine with a piston compressor rotating independently of the turbine impeller

Info

Publication number: DE663873C
Application number: DEG89600D
Authority: DE
Original assignee: ELSE GOCKERELL
Current assignee: ELSE GOCKERELL
Priority date: 1935-01-20
Filing date: 1935-01-20
Publication date: 1938-08-15

Description

Brennkraftturbine mit vom Turbinenlaufrade unabhängig umlaufendem Kolbenverdichter Das Hauptpatent betrifft eine Brennkraftturbine, bei der die Welle des Kolbenverdichters von der Welle der Turbine vollständig getrennt ist und bei der die in Sternform angeordneten' Zylinder des Kolbenverdichters mit ihren Brennkammern einzeln und unmittelbar an die Leitdüsen der Turbine angeschlossen sind. Dadurch wird eine so schnelle und vollständige Entleerung der Brennkammern erzielt, daß der. Kolbenverdichter mit Ansaugung durch Unterdruck arbeiten kann und die Verwendung eines besonderen Vorverdichters zum Spülen der Zylinder des Kolbenverdichters in Fortfall kommt. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung dieser Turbine ist bereits vorgeschlagen worden, einige der Zylinder des Kolbenverdichters in der an sich bekannten Weise mit einer von den Zylinderräumen abgeteilten, mit ihnen durch einen gesteuerten Durchlaß in Verbindung stehenden Brennkammer auszurüsten, so daß die so ausgebildeten Zylinder lediglich Verdichtungsarbeit leisten, während der oder die übrigen Zylinder nach ihren Brennkammern hin offen sind und die Antriebsarbeit für den Betrieb des Verdichters übernehmen. Durch diese Anordnung wird für diejenigen Zylinder, die nur Verdichtungsarbeit leisten, ein längeres Offenhalten der Überströmventile ohne Verminderung des Saugwirkungsgrades der zugeordneten Zylinder erzielt, woraus sich eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und die Möglichkeit einer umfassenderen Regelung der Turbine durch Einwirkung auf die Öffnungszeiten der Überströniventile ergibt.Internal combustion turbine with rotating independently of the turbine impeller Piston Compressor The main patent relates to an internal combustion turbine in which the shaft of the reciprocating compressor is completely separated from the shaft of the turbine and at the star-shaped cylinders of the reciprocating compressor with their combustion chambers are individually and directly connected to the guide nozzles of the turbine. Through this so quick and complete emptying of the combustion chambers is achieved that the. Reciprocating compressor with suction by negative pressure can work and use a special pre-compressor for flushing the cylinders of the reciprocating compressor in Failure comes. As part of a further embodiment of this turbine is already has been proposed some of the cylinders of the reciprocating compressor in the known per se Way with one separated from the cylinder chambers, with them controlled by one Equip passage communicating combustion chamber, so that the so-formed Cylinder only perform compression work, while the other cylinder or cylinders after their combustion chambers are open and the drive work for the operation of the Take over the compressor. This arrangement is for those cylinders that only do compression work, keeping the overflow valves open for a long time without Reduction of the suction efficiency of the associated cylinder achieved, from which an improvement in profitability and the possibility of a more comprehensive Regulation of the turbine by influencing the opening times of the overflow valves results.

Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, alle Zylinder des Kolbenverdichters mit einer gleichmäßigen Verdichtungsleistung zu betreiben und aus allen Brennkammern eine gleichmäßige Antriebsleistung an die Turbinen abzugeben und den Kolbenverdichter so einzurichten, daß sämtliche Zylinder ohne Ausnahme und unabhän-gig von der Öffnungszeit der Überströmventile mit gleichbleibendem Saugwirkungsgrad arbeiten. Das wird dadurch erreicht, daß die von den Zylindern des Kolbenverdichters in an sich bekannter Weise abgeteilten', mit ihnen durch einen gesteuerten Durchlaß mir zeitweise in Verbindung stehenden Brennkammern erfindungsgemäß zugleich mit Zylindern kleineren Durchmessers in offener Verbindung stehen, deren Kolben den Antrieb des Kolbenverdichters vermitteln. Trotz unmittelbaren Antriebes des Kolbenverdichters aus der Energie der von ihm verdichteten und in den Brennkammern verbrannten Gase wird durch diese Trennung der Verdichterkolben von den Antriebskolben erreicht, daß in jeder Brennkaminer nur ein geringer Tei.1 der gespeicherten Energie für die Entspannung zum Antriebe des Verdichters verz6]ilitwird, da die von den Verdichterkolben ge-, trennten Arbeitskolben so klein bemessen. werden können, daß sie zur Leistung der Antriebsarbeit gerade ausreichen. Andererseits können die Verdichterkolben beliebig groß bemessen werden, ohne die Entspannungsverluste der in den Brennkammern gespeicherten Gase zu erhöhen, so daß also für den All- trieb der Turbine ein hohes Druckgefälle zur Verfügung steht, Man hat bereits vorgeschlagen, bei Brennkraftturbinen mit unabhängig von der Turbinenwelle umlaufendem Kolbenverdichter den Verdichterkolben als Stufenkolben auszubilden und ihn mit der einen Stufe als Verdichter, mit der anderen Stufe als Brennkraftinaschine zum Antrieb des Verdichters arbeiten zu lassen, hat dabei aber nicht die verdichtete Luft in besondere Brennkammern übergeschoben, aus denen der als Brennkraftmaschine arbeitende Teil des Stufenkolbens beaufschlagt wird, sondern man hat die verdichtete Luft zunächst in einen Aufnehmer geleitet und nach dem 2,#bwärtsgange des Stufenkolbens zum Spülen des Brennkraftzylinders benutzt. Die Brennkraftmaschine muß dabei die Verdichtung einer Teilluftmenge selbst übernehmen, und nicht die gesamte, von der Verdichterstufe verdichtete Luftmenge, sondern nur der geringe, nach der Spülung im Zylinder der Brennkraftmaschine verbliebene Teil der verdichteten Luft nimmt an der Verbrennung des eingespritzten Treibstoffes teil. Im Gegensatz dazu gestattet es die vorliegende Erfindung durch Anschluß beider Kolben an eine gemeinsame, vom Verdichterkolben abgeteilte Brennkammer, die gesamte, im Verdichter verarbeitete Luftmenge an der Brenngemischbildung zu beteiligen und die für den Antrieb der Turbine aus den einzelnen Brennkammern zur Verfügung stehende Eilergiemenge entsprechend zu steigern.The present invention has set itself the task of operating all the cylinders of the reciprocating compressor with a uniform compression power and dispense from all combustion chambers of a uniform driving power to the turbine and to set the reciprocating compressor such that all the cylinders without exception, regardless of the opening time Overflow valves work with constant suction efficiency. This is achieved in that the combustion chambers, which are separated from the cylinders of the reciprocating compressor in a manner known per se and which are temporarily connected to them through a controlled passage, are in open communication with cylinders of smaller diameter, the pistons of which drive the reciprocating compressor . Despite the direct drive of the piston compressor from the energy of the gases compressed by it and burned in the combustion chambers, this separation of the compressor piston from the drive piston means that in each combustion chamber only a small part of the stored energy is used for the expansion to drive the compressor ] ilit is dimensioned so small because the working pistons separated from the compressor pistons. can be that they are just sufficient to perform the drive work. On the other hand, the compressor pistons can be of any size without increasing the expansion losses of the gases stored in the combustion chambers, so that a high pressure gradient is available for the all drive of the turbine rotating piston compressor to design the compressor piston as a stepped piston and to let it work with one stage as a compressor, with the other stage as an internal combustion engine to drive the compressor, but has not pushed the compressed air into special combustion chambers, from which the part of the working as an internal combustion engine Stepped piston is acted upon, but the compressed air has first been passed into a sensor and, after the 2, # upward movement of the stepped piston, used to flush the internal combustion cylinder. The internal combustion engine must take over the compression of a partial amount of air itself, and not the entire amount of air compressed by the compressor stage, but only the small part of the compressed air remaining in the cylinder of the internal combustion engine after purging takes part in the combustion of the injected fuel. In contrast to this, by connecting both pistons to a common combustion chamber separated from the compressor piston, the present invention allows the entire amount of air processed in the compressor to be involved in the formation of the combustion mixture and to appropriately adjust the amount of energy available for driving the turbine from the individual combustion chambers increase.

Um besondere Überströmventile, deren-Dichthaltung und Kühlung bei den hohen Brennkammertemperaturen Schwierigkeiten bereitet, zu 'vermeiden-, werden zweckmäßig die von den Brennkammern beaufschlagten Kolben räumlich neben oder zwischen der Turbine einerseits und den Zylindern des Kolbenverdichters andererseits angeordnet, und zwar so, daß sie bei ihrer Bewegung zugleich auch die Düsenöffnungen der Turbine steuern. - Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung in Abb. i einen Längsschnitt durch eine Brennkraftturbine, in Abb. --, den Teil eines Querschnittes durch die Verdichterzylinder.In order to avoid special overflow valves, the sealing and cooling of which causes difficulties at the high combustion chamber temperatures, the pistons acted upon by the combustion chambers are expediently arranged next to or between the turbine on the one hand and the cylinders of the piston compressor on the other hand, in such a way that they control the nozzle openings of the turbine as they move. - The drawing shows as an embodiment of the invention in Fig. I a longitudinal section through an internal combustion turbine, in Fig. -, the part of a cross section through the compressor cylinder.

Die dargestellte Brennkraftturbine besteht « a , us vier Hauptteilen, nämlich der Turbine I, Antriebsbrennkraftmaschine II für den .Verdichter, dem lediglich als Pumpe- arbeitenden Verdichter III und der Anlaß- oder Lichtmaschine IV mit Zündanlage.The internal combustion turbine shown is "A, US four main parts, namely the turbine I, II driving internal combustion engine for the .Verdichter, the working only as a pump-compressor III and tempering or alternator IV with the ignition system.

In dem Turbinengehäuse i ist das Turbinenlaufrad:2 gelagert, welches zwei Düsenkränze4 und 5 trägt. Die Welle 6 des Turbinenrades ist auf der einen Seite in einem Gehäusedeckel 7 und auf der anderen Seite in einem Deckel 8 gelagert.The turbine runner: 2, which carries two nozzle rings 4 and 5, is mounted in the turbine housing i. The shaft 6 of the turbine wheel is mounted on one side in a housing cover 7 and on the other side in a cover 8 .

Das Turbinengehäuse i ist nach der rechten Seite hin erweitert und enthält zugleich die sternförmig angeordneten Zylinder der Brennkraftmaschine II- und des Verdichters III, von denen bei der Brennkraftmaschine die Zylinder 9 und io, bei dem Verdichter die Zylinder i i und 12 sichtbar sind. Die Zylinder 9 und i o der Brennkraftmaschine undihre Kolben 13 und 14 sind dem Durchmesser nach erheblich kleiner als die Zylinder i i und 12 des Verdichters und ihrer Kolben 15 und 16. Sämtliche Kolben des Verdichters sind an einem gemeinsamen Kurbelzapfen 17 einer Welle 18 gelagert, die von der Turbinenwelle 6 getrennt ist. Die Welle 18 trägt an einem Ende eine Exzenterscheibe ig, an der die Kolben der Brennkraftmaschine II gelagert sind, und an dem anderen Ende den Läufer der Anlaß- oder Lichtmaschine IV, von der nur das Gehäuse 2o dargestellt ist.The turbine housing i is widened to the right and at the same time contains the star-shaped cylinders of the internal combustion engine II and the compressor III, of which cylinders 9 and io in the internal combustion engine and cylinders ii and 12 in the compressor are visible. The cylinder 9 and io the internal combustion engine undihre pistons 13 and 14 are ii diameter to considerably smaller than the cylinder 12 of the compressor and their pistons 15 and 16. All the pistons of the compressor are mounted on a common crank pin 17 of a shaft 1 8 is separated from the turbine shaft 6 . The shaft 18 carries at one end an eccentric disk ig on which the pistons of the internal combustion engine II are mounted, and at the other end the rotor of the starter or alternator IV, of which only the housing 2o is shown.

Die Zylinder der Brennkraftmaschine und des Verdichters sind nach außen hin durch Zylinderköpfe-,>i,:22 abgedeckt, weiche die Brennkammern 23, 24 enthalten. Diese Brennkammern sind nach den Zylindern 9 und io der Brennkraftmaschine offen, mit den Zylindern i i und 12 des Verdichters jedoch durch Leitungen:25, 26 verbunden, in denen je ein nach den Brennkammern sich öffnendes Rückschlagventil 27, 28 angeordnet ist.The cylinders of the internal combustion engine and the compressor are covered on the outside by cylinder heads -,> i,: 22, which contain the combustion chambers 23, 24. These combustion chambers are open after cylinders 9 and io of the internal combustion engine, but are connected to cylinders ii and 12 of the compressor by lines 25, 26 in each of which a check valve 27, 28 opening after the combustion chambers is arranged.

Unmittelbar inden Wandungen der Brenn-1,iaftmaschinenzylinder 9, io sind die Leitdüsen :29, 3o angeordnet, deren Einlässe von den Kolben 13, 14 der Brentikraftinaschine gesteuert werden. Die Brenngase strömen aus den Leitdüsen:29, 30 zunächst durch den Schauf elkranz 4 des Turbinenlaufrades, dann ,durch ortsf este Umkehrkanäle 3 1, die am Umfange des Turbinengehäuses angeordnet sind, um dann durch die zweite Schaufelstufe 5 in die Austrittsleitung 32 zu gelangen. Die Zylinderköpfe 2,1, 2,-, sind mit Öffnungen zum Durchlaß der Zündkerzen 33 versehen, die über Leitungen 34 mit den Zündspulen 35 in Verbindung stehen, welche an den am Ende der Verdichterwelle 18 angeordneten Unterbrecher 36 der Zündvorrichtung angeschlossen sind. Die Licht- und Zündmaschine ist nach außen hin durch Gehäuse 37, 38 abgedeckt.Directly in the walls of the internal combustion engine 1, iaft machine cylinders 9, io are the guide nozzles 29, 3o, the inlets of which are controlled by the pistons 13, 14 of the Brentikraftin machine. The combustion gases flow out of the guide nozzles: 29, 30 first through the blade ring 4 of the turbine runner, then through stationary reversing ducts 3 1, which are arranged on the circumference of the turbine housing, in order to then pass through the second blade stage 5 into the outlet line 32 . The cylinder heads 2, 1, 2, - are provided with openings for the passage of the spark plugs 33 , which are connected via lines 34 to the ignition coils 35 , which are connected to the interrupter 36 of the ignition device arranged at the end of the compressor shaft 18. The alternator and ignition machine is covered on the outside by housings 37, 38 .

Die Hubräume der Zylinder i i und 12 des Verdichters stehen durch Einlaßschlitze 39 mit dem Innenraum4o des Verdichterkurbelgehäuses in Verbindung, welches seinerseits durch einen Saugkana141 an den nicht dargeste ' llten Vergaser der Maschine angeschlossen ist.The displacements of the cylinders ii and 12 of the compressor are provided through inlet slots 39 to the compressor crankcase in the Innenraum4o compound, which is in turn connected by a Saugkana141 to the non Pictured 'llten carburetor of the engine.

Wird die Verdichterwelle iS mittels des Anlassers IV in Drehung versetzt, so saugen die Kolben des Verdichters III bei ihrer Bewegung nach innen die zu verdichtende Ladung aus dem Kurbelgehäuse an. Bei ihrer Bewegung nach außen drücken diese Kolben dann die Ladung unter Öffnun- der Rückschlagventile 27, 28 in die zugehörigen Brennkammern 23, 24. Das Fassungsvermögen der Brennkammern ist gegenüber dem Hubraum der zugehörigen Verdichterzylinder entsprechend kleiner, so daß das übliche Verdichtungsverhältnis erreicht wird. Die Kolben der Brennkraftmaschine II sind gegenüber den Kolben des Verdichters III so angeordnet, daß diese Kolben nach der Füllung der Brennkammern etwa gleichzeitig in die äußere Totpunktlage kommen, wie es in Abb. i für die unten befindlichen Kolben 14 und 16 dargestellt ist. Die nach erfolgter Zündung in der Brennkammer 9-4 eintretende Druckerhöhung schließt einerseits das Rückschlagventil :28 und treibt andererseits den Kolben 14 arbeitverrichtend abwärts. Der Arbeitsllub ist relativ klein und so bemessen, daß nur die für den Antrieb des Verdichters III und der Hilfsmaschine IV erforderliche Leistung an die Brennkraftmaschine abgegeben wird. Ist diese Leistung abgegeben, so deckt der Kolben 14 mit seiner Bodenkante die Öffnung der Düsen 3o auf, so daß die Druckgase nach der Turbine überströmen und die potentielle Energie der Gase in kinetische Energie umgewandelt wird, die in dem zwei- oder mehrstufigen Turbinenrad bis auf Atmosphärenspannung ausgenutzt wi'rd.If the compressor shaft iS is set in rotation by means of the starter IV, the pistons of the compressor III suck in the charge to be compressed from the crankcase as they move inward. When they move outward, these pistons then push the charge, opening the check valves 27, 28, into the associated combustion chambers 23, 24. The capacity of the combustion chambers is correspondingly smaller than the displacement of the associated compressor cylinder, so that the usual compression ratio is achieved. The pistons of the internal combustion engine II are arranged opposite the pistons of the compressor III so that these pistons come into the outer dead center position approximately simultaneously after the combustion chambers have been filled, as shown in Fig. I for the pistons 14 and 16 located below. The pressure increase occurring in the combustion chamber 9-4 after ignition has taken place closes the check valve on the one hand: 28 and on the other hand drives the piston 14 down to perform work. The Arbeitsllub is relatively small and dimensioned so that only the power required to drive the compressor III and the auxiliary machine IV is delivered to the internal combustion engine. If this power is delivered, the piston 14 covers the opening of the nozzles 3o with its bottom edge, so that the compressed gases flow over to the turbine and the potential energy of the gases is converted into kinetic energy, which in the two-stage or multi-stage turbine wheel up to Atmospheric voltage is exploited.

Um günstige Wirkungsgrade für die Turbine zu erzielen, müssen die Düsen einen möglichst engen Querschnitt haben. Kleine Düsenquerschnitte verlängsamen aber die Entleerungsdauer der Brennkammern und machen es daher erforderlich, daß die Düseneinlässe verhältnismäßig lange geöffnet bleiben. Da nun die Kolbenmaschine nach einem Kreisverfahren arbeitet und der Saugwirkungsgrad des Verdichters von der Brenn-ZD kammerentleerung völlig unabhängig ist, können günstige Öffnungszeiten für die Düsenauslässe vorgesehen werden.In order to achieve favorable efficiencies for the turbine, the Nozzles have the narrowest possible cross-section. Extend small nozzle cross-sections but the emptying time of the combustion chambers and therefore make it necessary that the nozzle inlets remain open for a relatively long time. Now there is the piston engine works according to a circular process and the suction efficiency of the compressor of the combustion ZD chamber emptying is completely independent, favorable opening times can be for the nozzle outlets.

Entsprechend der gleichmäßigen Verteilung der wärmeabführenden Antriebsarbeit für den Verdichter und die Hilfsmaschinen auf alle Brennkammern werden die Brennkarnmertemperaturen ohne künstliche innere Kühlung so weit herabgesetzt, wie es für eine gute Schaufelung zulässig ist. Trotz der durch die Verminderung der Entspannungsarbeit bedingten Temperaturerhöhung kann daher bei dieser Maschine eine Einspritzwasserkühlung unterbleiben.Corresponding to the even distribution of the heat dissipating drive work for the compressor and the auxiliary machines on all combustion chambers are the combustion chamber temperatures reduced as much as it is for good shoveling without artificial internal cooling is permissible. In spite of those caused by the reduction in relaxation work Injection water cooling can therefore be omitted in this machine if the temperature increases.

Der einheitliche, gedrängte Zusammenbau der Maschine, die Erhöhung der Turbinenleistung und die Begrenzung der Ternperaturen ohne Wassereinspritzung ermöglichen eine weitgehende Anwendung der Brennkraftturbine nach der Erfindung, insbesondere auch ihre Anwendung für den Antrieb von Kraftfahrzeugen.The uniform, compact assembly of the machine, the elevation the turbine power and the limitation of the temperature without water injection enable extensive use of the internal combustion turbine according to the invention, in particular also their application for the propulsion of motor vehicles.

Claims

PATENT CLAIM: i . Internal combustion turbine according to patent 661 89-, with a piston compressor rotating independently of the turbine impeller, the cylinders of which, arranged in a star shape, with their combustion chambers are individually and directly connected to the guide nozzles of the turbine, characterized in that the cylinders of the piston compressor are divided off in a manner known per se, with them through a controlled passage only temporarily in connection, dun-g standing combustion chambers (23, 24) at the same time with cylinders (9, io) of smaller diameter are in open connection, the pistons of which act as the drive of the piston compressor.

2. Internal combustion turbine according to claim i, characterized in that the of the combustion chambers (: 23, 24) acted on the piston next to or between the turbine (I) on the one hand and the cylinders of the K-piston compressor (III) are arranged on the other hand and at the same time control the nozzle openings (29, 3o) of the turbine.