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Verfahren zur Erzeugung von Treibgas für Kraftmaschinen mittels aufgeladener
Viertakt-Kolbenbrennkraft-Gasgeneratoren Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zur Erzeugung von Treibgas für Kraftmaschinen, wie Turbinen, mittels
aufgeladener Viertakt-Kolbenbrennkraft-Gas,eneratoren und insbesondere auf die Entleerung,
Kühlung und Spülung von Brennkraftzylindern und besteht erfindungsgemäß darin, daß
nach dem Verbrennungs- und Ausdehnungsvorgang und dem hauptsächlichsten Ausstoßen
der Verbrennungsgase höher als die Aufladeluft gespannte Zusatzluft zur Kühlung
und Spülung in die Gasgenerator- oder Brennkraftzylinder eingeführt und während
des gleichen Arbeitszyklus teilweise entleert wird. :Mindestens ein Teil der im
Brennkraftzylinder eingeführten Zusatzluft kann anschließend an die Spülung und
die Entleerung des andern Zusatzluftteils während des ersten Teils des Saughubes
des nachfolgenden Arbeitszyklus der Viertakt-Brennkraftmaschine auf den Aufladedruck
expandiert werden und erst dann die Aufnahme von Aufladeluft erfolgen, wobei durch
die expandierende Zusatzluft eine besonders wirksame Kühlung der Brennkraftzylinder
und ihrer Ladung vor dem Verbrennungsvorgang im Zylinder erzeugt wird. Der Kraftmaschine,
wie Turbine, können dabei von der Viertakt-Brennkraftmaschine zuerst nur heiße Verbrennungsgase
und erst nachfolgend der zur
Kühlung und Spülung des Zylinderinhaltes
verwendete Teil der Zusatzluft in dem Maße zugeführt werden, daß die mittlere Temperatur
des Betriebsmittels auf den höchst zulässigen Wert herabgesetzt wird. Die Förderperiode
für die Zusatzluftzufuhr in die Zylinder der Brennkraftmaschine kann mit gegen die
Kurbeln der letzteren entsprechend versetzten Antriebskurbeln einer Kolbenpumpe
mit mindestens einer solchen Pumpe erreicht werden. Während der Öffnungsdauer des
Einlaßventils im Brennkraftzylinder kann ein gleicher Kolbenschieber zugleich den
Eintritt der Aufladeluft und dann den Eintritt der Zusatzluft zu diesem Einlaßventil
bestimmen, wie ein solcher von mir bereits beschrieben wurde und ebenfalls zum Patent
angemeldet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels
und von beispielsweisen Druck- und Temperaturdiagrammen, welche deren Verläufe in
der Kolbenbrennkraftmaschine, den Auflade- und Zusatzluftpumpen darstellen, in den
Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. i zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Zylinder einer Reihenbrennkraftmaschine,
welche zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens gebaut ist; Fig. 2, 3 und 4
stellen, in Funktion des Kurbelwinkels eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, die
Steuerfolgen und die ungefähren Druck- und Temperaturverläufe in den Brennkraftzylindern,
den Zusatz-und den Aufladepumpenzylindern dar und wie. dieselben zur Ausübung des
neuen Verfahrens gewählt werden können.
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In Fig. i ist i' ein Zylinder einer als Gasgenerator wirkenden Viertakt-Brennkraftmaschine,
2' sein einfach wirkender Arbeitskolben und 3' seine Kolbenstange. Eine solche Brennkraftmaschine
arbeitet mit Kreuzköpfen 4', welche gleichzeitig als Kolben 5' der Ladepumpe ausgebildet
sind. Der. Kolben 5' könnte auch als doppelt wirkender Stufenkolben ausgebildet
sein. 6 ist die Kurbelwelle der Maschine und 7 die Schubstange zum als Kolben 5'
ausgebildeten Kreuzkopf 4', durch welche die Kräfte von den Kolben i' bzw. 5' auf
die Kurbelwelle 6 übertragen werden. 8 ist der obere Kurbelgehäuseteil der Maschine
und 9 ihre Grundplatte: In den Zylindern. der Brennkraftmaschine ist mindestens
ein Einlaßorgan io und mindestens ein Auslaßorgan ii angeordnet, welche von der
Steuerwelle 12 aus mittels Nocken 13, 13' und dem Steuergestänge 14, 14' betätigt
werden.
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In den Ladeluftpumpenzylinder 15' wird die Aufladeluft durch die Öffnung
16' und die Saugklappen 17' mittels des Kolbens 5' eingesaugt und durch die Klappen
18' in einen für mindestens einen Teil der Brennkraftmaschine gemeinsamen Sammelraum
i9 hineingedrückt. Sowohl die Brennkraftzylinder i' als auch ihre Zylinderdeckel
2o' sowie die Ladepumpenzylinder 15' können, wie gezeichnet, mit einer Wasserkühlvorrichtung
versehen sein. Sie könnten aber auch mit Luftkühlung arbeiten.
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Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nun in den Sammelraum
i9 vor dem Einlaßorgan io für jeden Brennkraftzylinder mindestens ein Kolbenschieber
21 eingebaut, der sowohl den Übertritt- der Aufladeluft aus dem Raum i9 zum Einlaßventil
io als auch denjenigen der Zusatzluft aus dem oben liegenden Raum 22 zum gleichen
Einlaßventil io steuert. Die Zusatzluft wird von mindestens einer Kolbenpumpe erzeugt.
Die Kolbenpumpe wird von der Kurbelwelle 6 aus über besondere Antriebskurbeln angetrieben,
welche gegen die Arbeitskurbeln um den Gangunterschied in den Förderperioden zwischen
Ladeluft-pumpe 5', 15' und Zusatzluftpumpe versetzt sind. Der Kolbenschieber
21 ist so ausgebildet, daß er ein inneres zylindrisches Führungsstück 23 aufweist,
dessen innerer Durchmesser so gewählt und gegen den Raum 22 so abgedichtet ist,
daß trotz höheren Zusatzluftdruckes im Raum 22 gegenüber dem tieferen Aufladedruck
im Raum i9 annähernd gleiche Kräfte von oben und von unten auf den Kolbenschieber
21, 23 ausgeübt werden. Zu diesem Zweck greift ein feststehendes Führungsstück.24,
dessen Innenraum z. B. mit der Atmosphäre verbunden ist, von oben in den Kolbenschieber
21, 23 hinein. Am äußeren Schieberteil2i und am inneren feststehenden Führungsstück
24 können, wie gezeichnet, Kolbenringe 25 bzw. 26 eingebaut sein. Die Steuerung
des Kolbenschiebers 21 wird mittels Nockenscheiben, wie dargestellt, vorgenommen.
Sie kann z. B. von der Nockenwelle 12 der Brennkraftmaschine aus erfolgen.` Dafür
können in bekannter Art dort ein Nocken und ein entsprechendes Steuergestänge 27,
28 angeordnet sein, um, den Betriebsbedingungen entsprechend, den Zugang der Zusatzluft
aus dem Behälter 22 oder der Aufladeluft aus dem Behälter i9 zu öffnen oder zu schließen.
32 ist die Abgasleitung zur Gasturbine.
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In Fig. 2 stellt p den Druckverlauf in einem Zvlinder einer Brennkraftmaschine
'zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. t zeigt den korrespondierenden
Luft- bzw. Gastemperaturverlauf. Die oberen Totpunktstellungen des entsprechenden
Brennkraftkolbens sind mit UDC und die unteren mit LDC bezeichnet.
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Die Hauptpunkte des Druckverlaufes sind mit a, b,
c, d, e,
f, g, h, i, diejenigen des Temperaturverlaufes mit a' bis i' bezeichnet.
Linienzug a-b bzw. a'-b' entspricht dem Ansaugen der Aufladeluft in die Zylinder.
b-c bzw. b'-c' stellt die Drücke bzw. die Temperaturen während der Verdichtung und.anschließend
c-d-e bzw. c'-d'-e' während der Verbrennung und der Expansion dar. e bzw. e' entspricht
dem Druck- und Temperaturzustand beim Auspuffbeginn. Von e bzw. e' bis
f bzw. f', d. h. am Ende des Expansionshubes in LDC findet das Auspuffen
der Verbrennungsgase entsprechend dem Druckabfall e-1 und dem Temperaturabfall e'-f'
statt. Anschließend werden die Abgase während des Ausstoßhubes LDC-UDC durch den
Kolben aus dem Zylinder herausgedrückt und gelangen in die Abgasturbine. Verfährungsgemäß
treten nun vorerst von 1-g bzw. f'-g' allein Abgase in die Gasturbine über, und
erst im Punkt g bzw. g' wird so viel Zusatzluft in den betreffenden Zylinder eingeführt,
daß diese den Zylinderinhalt kühlt. Das entstehende Gas-Luft-Gemisch tritt dann
ebenfalls in die Gasturbine über, aber mit einer abnehmenden, d. h. tieferen Temperatur
als die vorher allein ausgetretenen bzw. ausgestoßenen Abgase. Es wird deshalb pro
ausströmender Gewichtseinheit Gase im Abschnitt g-lt weniger
Energie
als im Abschnitt 1-g an die Turbine übertragen. Ab Punkt h bzw.
h' wird nun soviel Zusatzluft bis zum Diagrammpunkt i eingeführt, daß der
im oberen Totpunkt UDC kleine Brennkraftzylinderraum mindestens annähernd von den
darin befindlichen Abgasen gespült wird. Vorteilhafterweise geschieht die Ausspülung
des Zylinderraumes dabei mehrere Male, so daß auch eine Kühlung der Zylinder-und
Kolbenwandungen sowie der Ventile stattfindet. Nach beendeter Spülung befindet sich
deshalb im Zylinderraum der Brennkraftmaschine nur noch relativ kalte, unter höherem
Druck als die Aufladeluft stehende Zusatzluft, dagegen keine Abgase mehr. Wird die
Zusatzluft vor ihrem Eintritt in den Zylinder gekühlt, so kann im Punkt i' eine
relativ niedrige Temperatur des Zylinderinhaltes erreicht werden. Nach Beendigung
des Spülvorganges wird nun nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend dem
Linienzug i-a eine Expansion des schon relativ kalten Zylinderinhaltes auf den tieferen
Aufladeluftdruck durchgeführt und erfolgt eine Temperatursenkung entsprechend dem
Linienzug i'-a'. Es findet dadurch eine weitere starke Temperaturerniedrigung statt,
so daß die nach a eintretende Aufladeluft höchstens gar nicht oder nicht mehr stark
durch die bereits im Zylinder befindliche, aus der Zusatzluft herrührende Spülluft
geheizt wird. Durch eine solche Erwärmung würde sonst das im Zylinder aufgenommene
Aufladeluftgewicht verringert, und es könnte bei gleichen Prozeßhöchsttemperaturen,
auch vor der Gasturbine, nur noch eine kleinere Leistung mit der Brennkraftmaschine
und der Gasturbine erzielt werden.
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Im Druckdiagramm Fig. 3 der Zusatzluftpumpe ersieht man nun den Druckverlauf
p2 in einem ihrer Zylinder. Damit die Brennkraftzylinder wirklich so gekühlt und
gespült werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt und oben beschrieben ist, muß auch
die Kühl-und Spülluft aus der Zusatzluftpumpe von g über h
nach i mit
dem notwendigen Druck. in die Brennkraftzylinder übertieten. Seine Einlaß- und Abgasventile
müssen auch bis zur Beendigung der Spülung gleichzeitig geöffnet sein. Damit der
für die Kühlung und Spülung notwendige Zusatzluftdruck im richtigen Zeitpunkt sicher
vorhanden ist, wird die Kurbel bzw. werden die Kurbeln der entsprechenden Zusatzluftpumpenkolben
gegenüber der Kurbel bzw. den Kurbeln der entsprechenden Brennkraftkolben zur Ausübung
des erfindungsgemäßen Verfahrens derart versetzt, daß die Förderung der Zusatzluft
während der Kühl- und Spülperiode im Brennkraftzylinder stattfindet. Dies kommt
in Fig. 3 durch die verschiedene Lage der Totpunkte UDC bzw. LDC gegenüber dem DC2
bei der Zusatzluftpumpe zum Ausdruck.
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In Fig. 4 ersieht man den Druckverlauf p1 der Aufladeluftquelle, z.
B. Aufladepumpen, deren Kolben mit den Brennkraftkolben synchron laufen, d. h. gleiche
Totpunkte aufweisen, wenn die Aufladepumpenkolben als Kreuzkopfführungen dienen,
wie dies in Fig. i dargestellt ist. Die Zusatzluftpumpenkolben eilen den Brennkraftkolben
vorteilhafterweise nach (Fig. 3). Die Aufladepumpen sollen vorteilhafterweise erst
dann mit ihrer Förderung beginnen, wenn die Zusatzluft im Brennkraftzylinder wieder
mindestens annähernd auf den Aufladedruck expandiert ist. Auf alle Fälle sollte
sich die Aufladeluftquelle in voller Förderung befinden, wenn der Brennkraftkolben
der Mitte seines Hubes sich nähert und deshalb ein Maximum an Aufladeluft ansaugt.
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Eine Arbeitsweise nach den Diagrammen Fig. 2 bis 4 kann natürlich
auch mit einer anderen als der in Fig. i dargestellten Bauart einer Brennkraftmaschine
Verwendung finden.
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Zum zeitlich richtigen Steuern des Zutrittes der Zusatz- und der Aufladeluft
entsprechend den Diagrammen Fig. 2 bis 4 können vor den eigentlichen Einlaßventilen
in den Brennkraftzylindern Schieber angeordnet werden, welche beide Luftarten entsprechend
den Diagrammen Fig. 2 bis 4 den Brennkraftzylindern jeweils zuführen und wie ein
solcher in Fig. i dargestellt ist. Diese Schieber können so ausgebildet sein, daß
sie trotz des gegenüber dem Aufladeluftdruck höheren Zusatzluftdruckes annähernd
im Druckgleichgewicht gehalten werden. Die Steuerbewegungen dieses Schiebers können
von der gleichen Steuerwelle aus erfolgen, von welcher aus die übrigen Ventile der
Brennkraftmaschine betätigt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt den großen Vorteil, daß der
größte Teil der Abgase mit hoher Temperatur in die Gasturbine übertritt und dort
eine größere Energie erzeugt wird, als wenn die Temperatur dieser Abgase eine tiefere
wäre. Die Zeiten, während welcher die Abgase in den Zylindern vorerst durch die
Zusatzluft gekühlt werden und anschließend daran relativ kalte Zusatzluft in die
Gasturbine als Spülluft übertritt, ist relativ kurz. Sie wird so gewählt, daß sie
sowohl zur guten Kühlung und Spülung der Brennkraftzylinder und zur Kühlung der
Gase, wie sie eine Gasturbine verträgt, ausreicht. Mit der sich an die Spülperiode
anschließenden Expansion der im Zylinder sich dann befindenden Spülluft, soll bei
Beginn der Ansaugperiode der Aufladeluft eine möglichst tiefe Temperatur des Zylinderinhaltes
erreicht werden. Durch diese tiefe Temperatur soll eine weitere Kühlung der Wände
der Zylinder der Brennkraftmaschine erzielt und eine große Füllung dieser Zylinder
an Aufladeluft im anschließenden Saughub erfolgen.
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Die Abgasleitungen der verschiedenen Brennkraftzylinder können derart
gruppenweise zusammengefaßt und getrennt bis auf mindestens einen Turbineneintritt
bzw. einen Turbineneintrittssektor geführt werden, daß durch das Auspuffen einzelner
Zylinder keine Störung der Spülung in andern Zylindern stattfinden kann.