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Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Betrieb einer-Krafterzeugungsanlage
Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zum Betrieb
einer Krafterzeugungsanlage nach Patent 768 043 zur Kühlung der Kolben der hochbelasteten
und schnellaufenden Kolbenbrennkraftmaschinen.
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Es ist bei Kolbenbrennkraftmaschinen, die mit den bisher üblichen
niedrigen Drehzahlen betrieben werden und somit nicht hoch belastet sind, bekannt,
den Kolbenboden doppelwandig auszuführen und mit Ein- und Auslaßschlitzen zu versehen,
so daß entweder im unteren oder im oberen Totpunkt verdichtete Luft zur Kühlung
des Kolbenbodens durch diesen hindurchströmen kann. Es erfolgt dabei eine unterbrochene,
d. h. nur vorübergehende Kühlung ausschließlich des Kolbenbodens, und zwar nur während
eines ganz geringen Teiles des Arbeitsspieles. Die zur Kühlung verwendete Luftmenge
wird von einem Gebläse verdichtet, dessen Leistungsbedarf von der Brennkraftmaschine
selbst gedeckt werden muß. Will man daher den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine
hoch halten, so muß man die Menge und den Druck der Kühlluft niedrig halten. Es
ist schon vorgeschlagen worden, die durch den Kolbenboden erwärmte Luft einer der
Brennkraftmaschine
angeschlossenen Abgasturbine zuzuführen. Ein
solches Verfahren kann jedoch lediglich eine Senkung der Temperatur der Beschaufelung
der Turbine bezwecken, da ein Leistungsgewinn zufolge des großen Unterschiedes zwischen
dem Wärmegefälle der Abgase und dem Wärmegefälle der @.'armluit nicht zu erwarten
ist. Außer durch die Ein-und Auslaßschlitze und den Doppelboden unterscheidet sich
ein solcher Kolben in keiner Weise von den Kolben üblicher Bauart. Der ganze Kolbenschaft
gleitet dichtend in dem Arbeitszvlinder, außerdem sind eine Anzahl von Kolbenringen
zur zusätzlichen Dichtung vorgesehen.
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Ein Kolben der bekannten Bauart genügt zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine.
die hoch belastet ist und mit sehr hohen Drehzahlen betrieben wird, nicht. Bei einer
solchen Isolbenbrennlcraftmaschine wird an den Kolben ein erheblicher Teil der Verbrennungswärme
abgegeben, die bei der mangelhaften Kühlung der bisher bekannten Kolben bald zur
Zerstörung des Kolbens führt. Außerdem nehmen bei sehr hohen Drehzahlen die Reibungskräfte
derart zu, daß der Betrieb eines Kolbens bisheriger Bauart für sehr hohe Drehzahlen
unmöglich wird. Aus diesem Grunde sind auch Kolbenringe zur Abdichtung sehr hoch
belasteter Kolben schlecht geeignet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Einrichtungen zur Kühlung der Kolben
von hochbelasteten und schnellaufenden Kolbenbrennkraftmaschinen, insbesondere von
solchen, bei welchen die in der Kolbenbrennkraftmaschine nicht in mechanische Leistung
umgesetzte Verbrennungswärme in einer Entspannungsmaschine (Gasturbine, Rückstoßdüse')
ausgenutzt wird, zu schaffen, welche einen einwandfreien Betrieb des Kolbens unter
allen Umständen gewährleisten. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß durch den Kolben ein gasförmiges Kühlmittel in ständigem Strom hindurchgeführt
wird und dabei ein erheblicher Teil der Verbrennungswärme auf dieses übertragen
wird. Dazu wird im Kolben ein Hohlraum vorgesehen, der mit Zu- und Abströmleitungen
für das gasförmige Kühlmittel ständig in Verbindung steht. Der im Kolben vorgesehene
Hohlraum mündet hierbei in der Kolbenmantelfläche. wobei diese Mündungen mit in
der Lauffläche des Arbeitszylinders mündenden Zu- und Abströmöffnungen für das gasförmige
Kühlmittel in dauernder Verbindung stehen. Der Kolbenhohlraum ist in dem dem Brennraum
zugekehrten Teil des Kolbens vorgesehen und gegen diesen hin durch den Kolbenboden
abgegrenzt. Für eine einfach wirkende Brennkraftmaschine besteht der Kolben aus
dem eigentlichen Kolbenkörper, e:tiem im Abstand von diesem angeordneten und durch
-1,-erbindungsrippen an ihm unnachgiebig festgelegten Boden, welcher zur Führung
im Arbeitszylinder einen in axialer Richtung sich erstreckenden Randfortsatz besitzt.
Die Führungsfläche des Kolbenboden: ist hierbei kleiner als die Führungsfläche des
Kolbenkörpers, und die -Normalkräfte werden im wesentlichen von dieser aufgenommen.
Der Kolben für eine doppelt wirkende Kolbenbrennkraftmaschine besteht im wesentlichen
aus zwei die Brennräume gasdicht abschließenden und je mit einem in axialer Richtung
sich erstreckenden Randfortsatz versehenen Kolbenböden. Die beiden Kolbenböden sind
durch ein Zwischenstück in festem Abstand unnachgiebig gegeneinander festgelegt.
Die Führungsfläche der Kolbenböden besitzt nur eine geringe Erstreckung in axialer
Richtung, so daß die Normalkräfte im wesentlichen von der Kolbenstangenführung aufgenommen
werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Kolbenboden als Körper
gleicher Festigkeit ausgebildet und vorteilhaft nach dem Brennraum hin gewölbt.
Am Umfang des Kolbenbodenrandes wird eine Ringnut vorgesehen, welche von der Zylinderfläche
nach außen abgeschlossen wird, die jedoch nach der Eintrittsseite der Kühlluft hin
offen ist, so daß die gegen diese Öffnung anströmende Luft in dem Ringraum eine
Druckerhöhung erzeugt, die dem Durchtreten von Brenngasen durch den Spalt zwischen
Zvlinderwand und Kolbenboden entgegenlvirkt. Der Kolbenbodenrand ist von zusätzlichen
Teilen. die zur Abdichtung dienen (Kolbenringe, frei. Zwecks einwandfreier Dichtung
besteht der Kolbenboden aus einem Werkstoff, der im wesentlichen die gleiche Wärmedehnung
erfährt wie der Arbeitszylinder, so daß allein durch die Passung eine hinreichende
Abdichtung bei allen Betriebszuständen erzielt wird. Der Kolbenboden ist hierbei
aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Es ist auch möglich, den
Kolbenbodenrand als Labyrinthdichtung auszubilden, die sich dann vorteilhaft in
axialer Richtung nur so weit erstreckt, daß eine hinreichende Abdichtung gewährleistet
ist.
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In der Zeichnung sind einige Ausiührungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Abb. i den ständig durchströmten Arbeitskolben einer einfach wirkenden
Breiinkraftmaschine, Abb. a einen Kolben ähnlich demjenigen nach Abb. i, Abb. 3
den ständig durchströmten Arbeitskolben einer doppelt wirkenden Brennkraftmaschine,
Abb.
4 einen Kolben ähnlich demjenigen nach Abb. 3.
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Gemäß Abb. i besteht der in dem Arbeitszylinder i gleitende Kolben
aus dem eigentlichen Kolbenkörper 2 und einem im Abstand von diesem angeordneten
und durch Verbindungsrippen 3 an ihm unnachgiebig festgelegten Kolbenboden 4. Der
Kolbenboden 4 besitzt zur Führung im Arbeitszylinder i einen in axialer Richtung
sich erstreckenden Randfortsatz 5. Der zwischen dem Kolbenboden 4 und dem eigentlichen
Kolbenkörper 2 gebildete Hohlraum 6 steht in dauernder leitender Verbindung mit
den in der Lauffläche des Arbeitszylinders i mündenden Zu-und Abströmöffnungen 7
und 8 für das gasförmige Kühlmittel, vorzugsweise Luft. Der Kolbenkörper 2 ist kegelförmig
gestaltet, so daß das gasförmige Kühlmittel staufrei in den Kolbenhohlraum 6 ein-
und aus diesem austreten kann. Der Kolbenhohlraum 6 ist in dem dem Brennraum 9 des
Arbeitszylinders i zugekehrten Teil des Kolbens vorgesehen und wird nach dem Brennraum
hin durch den Kolbenboden 4 abgegrenzt. Die Führungsfläche io des Kolbenbodens ist
kleiner als die Führungsfläche i i des Kolbenkörpers 2. Da die kraftübertragenden
Teile (Kolben, Bolzen, Pleuelstange) im Bereiche der Führungsfläche i i im Kolbenkörper
:z angeordnet sind, werden die Normalkräfte im wesentlichen auf die Führungsfläche
i i des Kolbenkörpers 2 übertragen. Durch diese Anordnung wird die Führungsfläche
io des Kolbenbodens 4 weitestgehend von Normalkräften entlastet.
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Gemäß Abb. 2 gleitet der Kolben einer einfach wirkenden Brennkraftmaschine
in dem Arbeitszylinder 28. Der Kolben hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie
der in Abb. i dargestellte Arbeitskolben. Das gasförmige Kühlmittel wird durch die
Einlaßöffnung 29 im Arbeitszylinder 28 schräg gegen den Kolbenbodenrand
30 geführt. Dieser Kolbenbodenrand besitzt eine Ringnut 31, welche von der
Lauffläche des Arbeitszylinders 28 nach außen begrenzt wird. Lediglich gegen die
Eintrittsseite der Kühlluft hin ist eine Öffnung 32 vorgesehen, so daß die durch
die Einlaßöffnung 29 eintretende und gegen die Öffnung 32 anströmende Luft im Ringraum
31 eine Druckerhöhung erzeugt, die dem Durchtreten von Brenngasen durch den Spalt
zwischen Zylinderwand 28 und Kolbenboden 33 entgegenwirkt. Der Kolbenbodenrand
30 ist ferner als Labyrinthdichtung 34 ausgebildet. Von zusätzlichen Teilen,
wie z. B. Kolbenringen, die zur Abdichtung dienen, ist der Kolbenrand vollkommen
frei. Der Kolbenboden 33 und sein Rand 3o bestehen aus einem Werkstoff, der im wesentlichen
die gleiche Wärmedehnung erfährt wie der. Arbeitszylinder 28, so daß allein durch
die Passung eine hinreichende Abdichtung bei allen Betriebszuständen erzielt wird.
Vorteilhaft ist es hierbei, den Kolbenboden aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit
herzustellen. Der Führungsteil 35 des Kolbenkörpers 36 wird zweckmäßig aus
einem besonders verschleißfesten Material hergestellt, da dieser Teil ja durch die
Normalkräfte hoch belastet ist.
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Gemäß Abb.3 besteht der im Arbeitszylinder 12 einer doppelt wirkenden
Brennkraftmaschine gleitende Arbeitskolben im wesentlichen aus zwei die Brennräume
13, 14 gasdicht abschließenden Kolbenböden 15, 16, die durch ein Zwischenstück ig
in einem Abstand unnachgiebig gegeneinander festgelegt sind. Die Kolbenböden haben
je einen in axialer Richtung sich erstreckenden Randfortsatz 17, 18. Das Zwischenstück
ig besteht aus Verbindungsrippen 2o und einem Führungskörper 21. Zwischen dem Führungskörper
21 und den Kolbenböden 15 und 16 werden die Hohlräume 22 und 23 gebildet. Das gasförmige
Kühlmittel strömt durch die Einlaßöffnung 24 des Arbeitszylinders 12 in die beiden
Hohlräume 22 und 23 ein und verläßt sie durch die Auslaßöffnung 25. Die Führungsflächen
der Kolbenböden 15 und 16 besitzen eine geringe Erstreckung in axialer Richtung,
so daß die Normalkräfte im wesentlichen von der Führung 26 der Kolbenstange 27 aufgenommen
werden.
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Gemäß Abb.4 besteht der im Arbeitszylinder 37 einer doppelt wirkenden
Brennkraftmaschine gleitende Kolben aus den beiden die Brennräume 38, 39 gasdicht
abschließenden Kolbenböden 40, 41 mit ihren Randteilen 42, 43 und einem Zwischenstück
47. Die Führungsflächen der Kolbenböden 40 und 41 besitzen nur eine geringe Erstreckung
in axialer Richtung. Die Normalkräfte werden im wesentlichen von den Führungen 44,45
der doppelt geführten Kolbenstange 46 aufgenommen. Die Kolbenstange 46 ist an dem
die beiden Kolbenböden 4o, 41 in festem Abstand unnachgiebig verbindenden Zwischenstück
47 festgelegt.
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Bei der beschriebenen Ausgestaltung eines Brennkraftmaschinenkolbens
wird ein weiterer wesentlicher Vorteil dadurch erreicht, daß das ständig die heißen
Kolbenteile bespülende Kühlmittel auch wesentliche Teile der Lauffläche des Arbeitszylinders
umströmt und dabei unmittelbar kühlt.