DE1601538A1 - Free piston gas generator - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
- F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
- F02B71/06—Free-piston combustion gas generators per se
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Description
25. Januar 1968January 25, 1968
Braun-Gampbell Engineering Limited
P.O. Box 1268
Kingston/ Ontario
KMTADABraun-Gampbell Engineering Limited PO Box 1268
Kingston, Ontario
KMTADA
Ifreikolben-ü-aserzeugerIfreikobben-ü-asgenerator
Die Erfindung besieht si cn auf Brennkraftmas chinea und betrifft insbesondere einen IFreikolben-GaserzeT.iger.The invention relates to Brennkraftmas chinea and more particularly relates to an I free-piston gas generator.
Ein verhältnismäßig hoher Anteil der Verluste bei einer Kolbenmaschine kann dem Wärmestrom aus dem Brennraum durch die Zylinderwandungen und den Kolben zugeschrieben werden. Bei einem Freikolben-Gaserzeuger, bei dem die heißen Abgase zum Antrieb einer turbine benutzt werden, sind die Wärmeverluste des Brennraums von noch größerer bedcutun^', da hierdurch ein Energie verlust dargestellt yr±-^r[, dor, iverin exv im Abgas verbliebe, au einem Häupteln ; ' in -J.or Jurb-L-ie ausgenuasi; vje^i^i·. könnte = A relatively high proportion of the losses in a piston engine can be attributed to the heat flow from the combustion chamber through the cylinder walls and the piston. In the case of a free-piston gas generator, in which the hot exhaust gases are used to drive a turbine, the heat losses in the combustion chamber are even greater, since this represents an energy loss yr ± - ^ r [ , dor, iverin ex v in the exhaust gas remain on a chief; ' in -J.or Jurb-L-ie ausgenuasi; vje ^ i ^ i ·. could =
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
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Ziel der Erfindung ist ein Gaserzeuger, bei den nur wenig Wärme aus dem Brennraum verloren geht.The aim of the invention is a gas generator in which only little heat is lost from the combustion chamber.
Gemäß der Erfindung ist ein JTreikolben-Gaserzeuger nit einem Ilotorzylinder, der eine an den Enden offene, zylindrische Wandung besitzt, die den Brennraum umschließt, und mit zwei einander gegenüberliegenden Kolben versehen, cKe im Zylinder hin- und herbewegbar sind und je eine Stirnwand besitzen, die einander gegenüberliegende Kolbenboden bilden, wobei wenigstens eines dieser Teile mit einer in der ftähe der Wandung liegenden Vakuumkammer versehen ist, die den Brennraum thermisch isoliert.According to the invention, a three-piston gas generator is nit an Ilotor cylinder, which has a cylindrical wall open at the ends, which encloses the combustion chamber, and provided with two opposing pistons, cKe reciprocable in the cylinder are and each have an end wall that is opposite to each other Form piston crown, with at least one of these parts with one lying in the vicinity of the wall Vacuum chamber is provided, which thermally insulates the combustion chamber.
Bei einer vorzugsweisen Äusführungsform der Erfindung wird jeder Kolben durch ein hohles, zylindrisches Teil gebildet, das durch den Kolbenboden und eine weitere, vom Kolbenboden entfernt liegende Wandung verschlossen ist, so daß dazwischen die Vakuumkammer gebildet wird.In a preferred embodiment of the invention, each piston is defined by a hollow, cylindrical member formed, which is closed by the piston head and another wall remote from the piston head so that the vacuum chamber is formed therebetween.
Vorzugsweise weist der Ilotorzylinder eine Zylinderbücnse auf, die die Zylinderwandung bildet;, wobei die Vfdcuuaikammer zwischen, zwei radial im Abs band voneinander liegenden Wandungen gebildet wird, die die ZylinderbuchseThe motor cylinder preferably has a cylinder liner which forms the cylinder wall; the Vfdcuuaikammer between, two walls lying radially in the Abs band from each other is formed, which the cylinder liner
; ί Ο 9 8 β 2 ·■ ; ί Ο 9 8 β 2 · ■
Ei'flnduns ist in der beiliegenden Zeichnung beispielsweise dargestellt und wird im folgenden im einzelnen erläutert:Ei'flnduns is for example in the accompanying drawing and is explained in detail below:
Mg» 1 ist ein Längsquerschnitt durch eine Ausführungsfora eines Gaserzeugers gemäß der Erfindung, wobei der rechte Teil des Gaserzeugers zur besuex*en Übersichtlichkeit weggelassen ist.Mg »1 is a longitudinal cross-section through an embodiment of a gas generator according to the invention, the right part of the gas generator to be visited Clarity is omitted.
FIr. 2 ist ein Diagramm, das gerechnete Wirkungsgrade eines Gaserzeugers gemäß der Erfindung im Vergleich zu anderen Maschinen zeigt. FIr. 2 is a diagram showing calculated efficiencies of a gas generator according to the invention in comparison with other machines.
In uer folgenden Beschreibung werden durchgehend für gleiche ieile gleiche Bezugszeiciien verwendet. Mit 1 ist in der Zeichnung ein Preikolben-Gaserzeuger gemäß der Erfindung bezeichnet. Dieser Gaserzeuger weist einen ilotorzylinder 2 auf, der mit einer zylindrischen Wandung 3 versehen ist, die eine Brennkammer oder einen Brennraum 4- umschließt. Innerhalb der zylindrischen Wandung J ist hin- und herbewegbar ein Paar von einander gegenüberliegenden Kolben, 5» 5 angeordnet, die je mit Stirnwandungen 6,6 versehen sind, die die Kolbenboden 7*7 der Kolben bilden. Der Hotorzylinder 2 und die Kolben 5,5 sind im Inneren je mit abgedichteten TakuumkammernThroughout the following description, the same reference numbers are used. With 1 is in the drawing a Preikolben gas generator according to FIG Invention referred to. This gas generator has a rotor cylinder 2, which has a cylindrical wall 3 is provided, which encloses a combustion chamber or a combustion chamber 4-. Inside the cylindrical wall J is reciprocable a pair of opposing pistons, 5 »5 arranged, each with end walls 6.6 are provided, which the piston crown 7 * 7 the piston form. The rotor cylinder 2 and the pistons 5.5 are inside each with sealed vacuum chambers
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öc und 8p versehen, die der zylindrischen Wandung 3 bzw. den Stirnwandungen 6,6 gegenüberliegen und den Brennraum thermisch isolieren.öc and 8p, which the cylindrical wall 3 and face the end walls 6,6 and thermally insulate the combustion chamber.
Der lio tor zylinder weist eine Büchse 10 auf, die selbstverständlich aus einer Hochtemperaturlegierung bestehenmuß. Biese Büchse 10 ist in der Mitte zwischen ihren Enden mit einer kleinen öffnung 11 versehen, die die Düse 12 einer Brennstoffeinspritzeinrichtun^ 13 bekannter Bauart aufniiamt. Die Einspritzeinrichtung 15 ist so angeordnet, daß sie Brennstoff in den Brennraum 4 im wesentlichen rlt-im einspritzt, wenn die beiden Kolben sich dem inneren Enä<; ihrer Hübe nähern, wie es bei Zweitaktmaschine!! üblich ist. In der.Höhe eines der äußeren Enden der Zylinderbuchse 10 ist ein Ring von öffnungen oder iufteinlaßkanälen vorgesehen, von denen einer bei 14- zu erkennen ist, und die zum Brennraum führen. Die öffnungen sind so angeordnet, daß sie freigelegt v/erden, wenn der Kolben 5 auf der linken Seite der Zeichnung das äußerste Ende des Hubes erreicht hat. Dann kann Druckluft aus einer Sarnme] leitung 15 in den Brennraum eintreten. Auf der anderen Seite der Öffnung 11 als die Öffnungen 14 ist eine weitere Reihe von nicht dargestellten Auslaßö'ffnungen oder -kanälen vorgesehen, die von dem auf der rechton Seite gelegenen Kolben 5 freigelegt werden, wenn sich dieser zum äußeren Ende seines Hubes bewegt. Die Auslaßksnäle stehen in Ver-The lio gate cylinder has a sleeve 10, which of course must consist of a high temperature alloy. This sleeve 10 is in the middle between its ends provided with a small opening 11, which the nozzle 12 of a fuel injection device ^ 13 of known design records. The injection device 15 is arranged so that that they fuel in the combustion chamber 4 essentially rlt-im injected when the two pistons meet the inner Enä <; approach their strokes, as it does with a two-stroke machine !! common is. At the height of one of the outer ends of the cylinder liner 10 is a ring of openings or air inlet ducts provided, one of which can be seen at 14-, and that lead to the combustion chamber. The openings are arranged in such a way that they are exposed when the piston 5 on the left of the drawing is the very end of the Has reached Hubes. Compressed air can then be supplied from a pipe 15 enter the combustion chamber. On the other side of the opening 11 than the openings 14 is another one Row of outlet openings or channels, not shown provided by the one on the right side Piston 5 will be exposed as it moves to the outer end of its stroke. The outlet channels are in
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bindung mit einer nicht dargestellten Gasturbine, wobei die Turbine durch die aus dem Brennraum 4 austretenden heißen Abgase angetrieben wird.binding with a gas turbine, not shown, the turbine being driven by the hot exhaust gases emerging from the combustion chamber 4.
Die Kammern oder taschen 8c im Motorzylinder sind Vorzugsweise in einem Gehäuse oder Außenteil 16 ausgebildet, das aus einer Anzahl von Teilen zusammengesetzt ist, so daß zwei ringförmig im Abstand voneinander liegende v/andungen gebildet werden, die zwischen sich die Kammern 8c festlegen und die Zylinderbüchse 11 umschließen. In der Praxis wird das Außenteil vor dem Einsetzen der Büchse 11 zusammengesetzt. Das Außenteil 16 weist zunächst zwei konzentrisch angeordnete zylindrische Teile 17 und 18 auf, die beide mit einer öffnung versehen sind, in die ein Einsatz 20 für die Einspritzeinrichtung 13 eingeschweißt isb. Wenn der Einsatz 20 in den öffnungen der zylindrischen Teile 17 und 18 durch Schweißungen 23 und 24· angebracht ist, ist der Raum zwischen den Teilen 17 und 18, d.h. die Kammer 8c, nicht mehr über die öffnungen mit der Atmosphäre verbunden. Wie in Fig· 1 dargestellt, sind die linken Enden der zylindrischen Teile 17 und 18 durch Schweißungen 25 und 26 mit axial sich erstreckenden Eingflanschen 21 und 22 der Sammelleitung 15 verbunden, die entsprechende Durchmesser besitzen. Die entgegengesetzten Enden der zylindrischen Teile 17 und 18 sind in entsprechender Weise an die Auslaßsammelleityng 19 ange-The chambers or pockets 8c in the engine cylinder are preferably formed in a housing or outer part 16, which is composed of a number of parts, so that two annularly spaced apart v / andungen are formed, which between them the chambers 8c and enclose the cylinder liner 11. In In practice, the outer part is assembled before the sleeve 11 is inserted. The outer part 16 initially has two concentrically arranged cylindrical parts 17 and 18, both of which are provided with an opening into which a Insert 20 for the injection device 13 is welded in. When the insert 20 is in the openings of the cylindrical Parts 17 and 18 are attached by welds 23 and 24, the space between parts 17 and 18, i.e. the chamber 8c, no longer connected to the atmosphere via the openings. As shown in Fig. 1, the left ends of the cylindrical parts 17 and 18 by welds 25 and 26 with axially extending flanges 21 and 22 of the manifold 15 connected, which have corresponding diameters. The opposite Ends of the cylindrical parts 17 and 18 are attached to the outlet manifold 19 in a corresponding manner.
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schlossen. Wenn die Schweißungen 23, 2A und 25» 26 sowie die entsprechenden Schweißungen am entgegengesetzten Ende oder wenigstens die letzten Schweißungen unter Vakuum mit Hilfe des jetzt häufig benutzten Elektronenstrahlschweißverfahrens ausgeführt werden, ist es möglich, die Kammer tic im evakuierten Zustand zu verschließen. Da nun die Vakuumkammer öc durch die Schweißungen hermetisch abgeschlossen bleibt, wird ein Uärmefluß vom zylindrischen Teil 17 zum zylindx\Lschen Jeil 18 erschwert. Da also die Wärme im wesentlichen daran gehindert wird, die Zylinderbüchse 10 durch den Motorzylinder 2 zu verlassen, bleibt die Temperatur innerhalb des Brennraums 4 auf einem höheren Wert, der zu einer höheren Abgastemperatür führt.closed. If the welds 23, 2A and 25 »26 and the corresponding welds at the opposite end or at least the last welds are carried out under vacuum with the aid of the electron beam welding process which is now frequently used, it is possible to close the chamber tic in the evacuated state. Since the vacuum chamber remains hermetically sealed by the welds, a heat flow from the cylindrical part 17 to the cylindrical part 18 is made more difficult. Since the heat is therefore essentially prevented from leaving the cylinder liner 10 through the engine cylinder 2, the temperature within the combustion chamber 4 remains at a higher value, which leads to a higher exhaust gas temperature.
Der Gaserzeuger ist an jedem seiner Enden mit einem Luftverdichter 30 und einem Rückwurf zylinder 31 versehen, wobei diese Einrichtungen an den beiden Enden des Gaserzeugers identisch ausgebildet sind, so da߀ allein der linke Teil in der Zeichnung dargestellt ist. Der Rückwurfzylinder 31 weist eine Büchse 32 auf, die in axialer Richtung mit der Büchse 10 des Brennraums 4-fluchtet. Die Büchse 32 liegt innerhalb einer Verlängerung 33 eines Teiles 34-» äas gleichzeitig den Zylinderkopf des Verdichters 30 darstellt. Der Rückwurfzylinder 31 ist an seinem äußeren Ende durch einen Kopf 35 abgeschlossen, der mit der Verlängerung durch SchraubenThe gas generator is provided at each of its ends with an air compressor 30 and a discard cylinder 31, these means being designed identically at the two ends of the gas generator so that € only the left part is shown in the drawing. The discard cylinder 31 has a sleeve 32 which is in the axial direction with the sleeve 10 of the combustion chamber 4-aligned. The bushing 32 lies within an extension 33 of a part 34 which at the same time represents the cylinder head of the compressor 30. The discard cylinder 31 is closed at its outer end by a head 35, which is extended with screws
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verbunden ist, von denen in der Zeichnung nur eine dai'-qoiiueilt ist. Der Kopf 35 v/eist eine Gewindebohrung 37 auf, an die bekannte Einrichtungen zur Kontrolle des Drucken in Hückwurfzylinder angeschlossen werden können. «vi:-'c:ien der Wüchse 32 unü der Verlängerung 33 können Kanäle 3ß zur Kühlung vorgesehen sein, so daß die !Temperatur i α "üückwu rf zylinder gesteuert v/erden kann.is connected, of which only one dai'-qoiiueilt in the drawing is. The head 35 has a threaded hole 37 to which known devices for controlling the Printing in throwback cylinders can be connected. «Vi: - 'c: ien the growths 32 and the extension 33 can Channels 3ß be provided for cooling, so that the! Temperature i can be controlled by a cylinder.
»;(Hie!· Kolbvn ; ist mit einem länglichen, hohlen Abschnitt»; (Hie! · Kolbvn; is with an elongated, hollow section
40 vorsehen, aeeaen eines Ende aus einem Stück mit der S-uiiiiwan-A ■ besteht. Ein innenliegender Teil 4-1 des Kol..;.:is \ , der in der Zylinderbuchse 10 des Breimraums hin- und horbevegbar ist, besitzt einen anderen Durchinec-ex· a.l π ein außenliegtitdi ε '£eil 42 in dem Eückvnu'fzyliii-ier, so daß zwiscLen den Enden des Kolbens 5 e-ine U3ifangsscnultejr 44 gebildet viird. I^as innenliegende Znüe40 provide aeeaen one end of one piece with the S-uiiiiwan-A ■ consists. An inner part 4-1 of the piston, which can be moved back and forth in the cylinder liner 10 of the purging space, has a different diameter-ex al π an outer part 42 in the eückvnu'fzyliii -ier, so that between the ends of the piston 5 a catch lug j r 44 is formed. I ^ as the inner tongue
41 3itr,t mit einem engen Sits innerhalb der Büchse 10 und ist statt niit den üblichen Kolbenringen mit einer ilehr^ahl von eng benachbarten Uiafangsnuten 4-5 versehen, die eine Labyrinthdichtung darstellen. In dem Rückwurfzylinder viird die Dichtung zwischen dem außenliegend en Ende 42 des Kolbens 4- und der Büchse 32 in gleicher wüise durch Nuten 46 bewirkt.41 3itr, t with a tight fit inside the can 10 and instead of the usual piston rings it is provided with a number of closely spaced Uia retaining grooves 4-5, which represent a labyrinth seal. In the discard cylinder viird the seal between the outside End 42 of the piston 4 and the sleeve 32 in the same way caused by grooves 46.
Das außenliegende Ende 42 des Kolbens 5 innerhalb des . Rückwurf Zylinders 31 ist; durch eine Endplatte- 50 ver-The outer end 42 of the piston 5 within the. Discard cylinder 31 is; by an end plate 50
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schlossen, die mit dem länglichen hohlen Abschnitt 40 des Kolbens in der Weise verbunden ist, daß ein vollständig abgeschlossenes Teil gebildet wird. Die.Endplatte 50 ist durch eine Schweißung 51 derart mit dem Kolben verbunden, daß die Kammer innerhalb des Kolbens 5 hermetisch abgeschlossen ist. Beim Schweißen wird wieder wie oben bereits erläutert - ein Elektronenstrahlßcnweißverfehren benutzt, so daß innerhalb jedes Kolbens 5 das Vakuum aufrechterhalten wird und praktisch keine Wärmo vom Brennraum 4· durch die Kolbenböden 7» 7 entweichen kann.closed with the elongated hollow section 40 of the piston is connected in such a way that a completely completed part is formed. The.endplate 50 is in this way connected to the piston by a weld 51 connected that the chamber within the piston 5 is hermetically sealed. When welding is again like already explained above - an electron beam welding process used, so that the vacuum is maintained within each piston 5 and practically no heat can escape from the combustion chamber 4 · through the piston crowns 7 »7.
Im Ilotoraylinder 2 ist an jedem Ende der Zylinderbuchse 10 ein ringförmiges Lager 55 vorgesehen, das das innere Ende 41 des Kolbens 5 hin- und herbewegbar aufnimmt. Uiese Kolbenlager werden durch je einen Ring r yL· in ihrer Lage gehalten. Bas außenliegende Ende 4-2 des Kolbens 5 ist in ähnlicher V/eise in einem ringförmigen Lager 57 ^fcführt, das in der Nähe des innenliegenden Endes der Rückwurfsylinderbüchse 32 durch einen Hing 5ß festgehalten wird.In the Ilotoraylinder 2, an annular bearing 55 is provided at each end of the cylinder liner 10 which receives the inner end 41 of the piston 5 such that it can move back and forth. These piston bearings are each held in their position by a ring r y L ·. The outer end 4-2 of the piston 5 is similarly guided in an annular bearing 57 which is held in place in the vicinity of the inner end of the discard cylinder liner 32 by a Hing 5ß.
Wie in 3?ig. 1 dargestellt, besteht das außenliegencH. Ende des Hotorzylinders 2 in Wirklichkeit aus einem Stück mit einem Endteil 60 des Verdichters 30. Dieses Endteil 60 ist mit einer Bohrung versehen, die das außenliegende Ende der Zylinderbüchse 10 aufnimmt, und v/eist im Abstand voneinander liegende ringförmige Flansche 61 und 62 auf,As in 3? Ig. 1, there is the outer layer. End of the Hotorzylinders 2 in reality from one piece with an end part 60 of the compressor 30. This end part 60 is provided with a bore that the outer The end of the cylinder liner 10 receives, and v / eist at a distance mutually lying annular flanges 61 and 62 on,
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die sich, mib ringförmigen Flanschen 63 und 64 treffen, welciie auf der anderen Seite der Sammelleitung 15 als die Flansche 21 und 22 liegen. Die Flansche 61 und 63 sowie 62 und 64 werden durch Schweißungen 65 bzw. 66 miteinander verbunden, die ähnlich wie oben im Elektronenstrahlschweißverfahren hergestellt werden, so daß eine zusätzliche Vakuumkammer de außerhalb der Sammelleitung 15 hergestellt wird, die den Brennraum 4· noch weitergehend thermisch gegen die Umgebung isoliert.which meet with annular flanges 63 and 64, welciie on the other side of the manifold 15 than the Flanges 21 and 22 are located. The flanges 61 and 63 as well 62 and 64 are joined by welds 65 and 66, respectively connected, similar to the above in the electron beam welding process are produced so that an additional vacuum chamber de outside the manifold 15 is produced, which extends the combustion chamber 4 · even further thermally insulated from the environment.
Das Endteil 60 des Luftverdichters 30> das im Gaserzeuger zwischen dem Brennraum 4 und dem Rückwurfzylinder 31 liegt, ist mit dem Zylinderkopf 34- des Luftverdichters durch eine Mehrzahl von Bolzen und Muttern vex'bunden, von denen bei 70 eine Gruppe dargestellt ist. Zwischen dem Zylinderkopf '34· und dem Endteil 60 sitzt eine Büchse Vl, die den Verdichterzylinder 72 festlegt, der den Kolben 5 konzentrisch umschließt. In gleicher Weise wird zwischen den Teilen 34 und 60 ein Kühlmantel 73 gehalten, der an der Außenfläche der -Büchse 71 anliegt. Innerhalb des Verdichterzylinders 72 sitzt auf dem Kolben 5 ein mit Kolbenringen versehener Verdichterkolben 74·, der wie dargestellt - auf dem Kolben 5 derart befestigt ist, daß er sich mit diesem hin- und herbewegt. Die Befestigung ist dadurch vorgenommen, daß der Verdiohterkolben zwischen der Schulter 44- und einer Mutter 75 festgeklemmt ist, dieThe end part 60 of the air compressor 30> that in the gas generator between the combustion chamber 4 and the discard cylinder 31 is with the cylinder head 34- of the air compressor vex'bunden by a plurality of bolts and nuts, one group of which is shown at 70. Between the '34 cylinder head and end portion 60 is seated with a liner Vl, which defines the compressor cylinder 72, which surrounds the piston 5 concentrically. In the same way will a cooling jacket 73 is held between the parts 34 and 60, which rests on the outer surface of the sleeve 71. Within of the compressor cylinder 72 is seated on the piston 5 piston-ringed compressor piston 74 · like shown - is mounted on the piston 5 in such a way that it moves back and forth with this. The attachment is made in that the Verdiohterkolben between the shoulder 44 and a nut 75 is clamped, the
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auf einen Gewindeteil 76 des Kolbens 5 in der liähe der Schulter 44 aufgeschraubt ist.on a threaded part 76 of the piston 5 in the line of the Shoulder 44 is screwed on.
Der Zylinderkopf 34 ist an der Seite des Zylinders 72 mit einem Einlaßventil 77 versehen, durch das Luft av.3 der Atmosphäre in den Zylinder 72 eingesaugt wird, wenn der Kolben 'j> seine Rückkehrbewegung durch die Pufferwirkung ausführt. Das Ventil 77 ist ein Einwegventil, das sich schließt, sobald der Arbeitshub d-,s Kolbens beginnt, ao daß die im Verdichterzylinder 72 eingeschlossene Luft durch den Kolben 74 verdichtet wii'd. Der Zylinderkopf 34 ist weiterhin mit einer Mehrzahl von Einweg-Auslaßventilen 78 a;n Ende des Zylinders 72 versehen, die um den Kolben 5 herum angeordnet sind. Diese Auslaßventile '/L ermöglichen ein Ausströmen der im Zylinder 72 beim Arbeitshub vex-dichteten Luft in eine ringförmige Kammer 81. Aus der Kammer 81 strömt die Luft durch einen mit der Kammer 81 in Verbindung stehenden Kanal 82 zur Sammelleitung und von dort durch die öffnungen 14 in den Brennraum, wenn sich der Kolben 5 dem außenliegenden Ende des Arbeitshubes nähert, wie es in Ifig. 1 durch die Pfeile 90 angedeutet ist. Die Sammelleitung 15 nimmt auch die Luft auf, die von dem Verdichter verdichtet wurde, der auf der anderen Seite des Gaserzeugers liegt. Dieser Verdichter, der die Luft über einen zweiten Kanal 83 in die Sammel-The cylinder head 34 is provided on the side of the cylinder 72 with an inlet valve 77, the atmosphere is sucked into the cylinder 72 through the air av.3 when the piston 'j> performs its return movement by the buffer effect. The valve 77 is a one-way valve which closes as soon as the working stroke of d-, s piston begins, ao that the trapped in the compression cylinder 72 through the air piston 74 compresses wii'd. The cylinder head 34 is further provided with a plurality of one-way exhaust valves 78 a; n the end of the cylinder 72, which are arranged around the piston 5. These outlet valves ' / L allow the air sealed in cylinder 72 on the working stroke to flow out into an annular chamber 81. From chamber 81, the air flows through a channel 82 connected to chamber 81 to the collecting line and from there through the openings 14 into the combustion chamber when the piston 5 approaches the outer end of the working stroke, as shown in Ifig. 1 is indicated by the arrows 90. The manifold 15 also receives the air that has been compressed by the compressor that is on the other side of the gas generator. This compressor, which brings the air through a second duct 83 into the collecting
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leitung leitot, ist dem oben erläuterten Verdichter λοminen gleich.line leitot, is the compressor explained above λοminen the same.
Wenn auch die; Art und Weise, in der die Kolben 5 im Gaserzeuger 1 gehalten werden, zweitrangig ist, so ist alt ν*jch liicht ohne Bedeutung. Beispielsweise ermöglicht die bescbriebene Ausbildung eine Wahl der gewünschten Fläche deo Hückwurfkolbens, die vollkommen unabhängig vo:.· lolüe -,'lurcuuetiser im Brennrauu ist. Die Auslegung UGa iiückwurf'/.vlin-ierE r.usaiaiuen mit der Art und Weise, in cUr die La.tur yj und 5? <ien Kolben l;- füiiren, ist ebenfalls viichtig insofern, als kleine Sj)IeIe zv/ischen den Kolben und den Büchsen ermöglicht werden, die wirksam durch die erläuterten Labyrinthdichtungen abgedichtet werden können.Even if the; The way in which the pistons 5 are held in the gas generator 1 is of secondary importance, old ν * jch is irrelevant. For example, the described design enables the desired surface of the throwback piston to be selected, which is completely independent of: lolüe -, lurcuuetiser in the furnace. The interpretation UGa iiückwurf '/. Vlin-ierE r.usaiaiuen with the way in cUr the La.tur yj and 5? <ien piston l; - füiiren is also viichtig insofar as small Sj) IEIE zv / een the piston and the bushings are made possible, which can be effectively sealed by the labyrinth seals described.
Offensichtlich ist es auch möglich, die Vakuumkammerii nur in den Kolben 5> 5 oder im I-Io tor zylinder 2 vorzusehen und trotzdem noch die Vorteile erhöhten Wirkungsgrades su erzielen. Jedoch wird der Wirkungsgrad der Maschine umso besser, je perfekter die durch die Vakuuiakammern bewirkte Isolierung ist. Wenn auch die Erfindung in Verbindung mit einem !Freikolbengaserzeuger erläutert wurde, so können die Merkmale der vorliegenden Erfindung doch auch bei einer mit Kurbelwelle arbeitenden Kolbenmaschine angewendet werden. Bei solchen Maschinen ü Jedoch die Verbesserung des Wirkungsgrades nicht so be-Obviously it is also possible to provide the vacuum chamberii only in the piston 5> 5 or in the I - Io gate cylinder 2 and still achieve the advantages of increased efficiency. However, the more perfect the insulation brought about by the vacuum chambers, the better the efficiency of the machine. Even if the invention has been explained in connection with a free piston gas generator, the features of the present invention can also be used in a piston engine operating with a crankshaft. In such machines ü However, the improvement in efficiency is not so important
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trächtlich wie im Falle eines mit einer Turbine zusammenarbeitenden Gaserzeugers, da im letzteren Falle der gesteigerte Wirkungsgrad auf einem verbesserten Diesel-Wirkungsgrade, der zu einer Vergrößerung der Verdichterarbeit, d.hi zu einem höheren Massendurchsatz bei gegebener Eingangsleistung und zu einer erhöhten Abgastemperatur führt, die auf der Verringerung der VJärmeverluste aus dem Zylinder beruht. Bei einer mit Kurbelwelle arbeitenden Maschine wird thermodynamisch kein Vorteil aus der höheren Temperatur der Abgase gezogen, wenn nicht die Maschine mit einem Abgas-Turbolader zusammenwirkt. Eine weitere Tatsache, die die vorliegende Erfindung für Freikolbengaserzeuger, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, mehr geeignet erscheinen lassen als für Maschinen mit Kurbelwelle ist die, daß bei der Freikolbenmaschine· die Kolben im wesentlichen frei von Seitenkräften sind, so daß - weil an die Kolben 5» 5 keine äußeren Gestänge angeschlossen sind - die Kolben ringlos mit den beschriebenen Labyrinthdichtungen ausgeführt werden können. Das ist von besonderer Bedeutung bei heißen Maschinen.substantial as in the case of one working with a turbine Gas generator, since in the latter case the increased efficiency is based on an improved diesel efficiency, which leads to an increase in the compression work, i.e. to a higher mass throughput for a given Input power and leads to an increased exhaust gas temperature, which leads to a reduction in heat losses from the cylinder is based. With a machine working with a crankshaft, there is no thermodynamic advantage drawn from the higher temperature of the exhaust gases when the engine is not interacting with an exhaust gas turbocharger. Another fact that the present invention applies to free piston gas generators as illustrated in FIG are shown, make appear more suitable than for machines with a crankshaft is that in the Free piston machine · the pistons are essentially free of Lateral forces are so that - because on the pistons 5 »5 no external rods are connected - the pistons are ringless with the labyrinth seals described can be. This is particularly important with hot machines.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausbildung des Kolbens kann für andere Arten von Brennkraftmaschinen oder auch für Gaserzeuger selbstverständlich abgewandelt werden. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, daß sich dieThe design of the piston shown in Fig. 1 can be used for other types of internal combustion engines or for Gas generators can of course be modified. For example, it is not necessary that the
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Vakuumkammer über die gesamte Länge des Kolbens erstreckt. Es kann eine oder es können mehrere Querwände näher an der Stirnwand 6 vorgesehen werden, so daß eine kürzere oder eine Anzahl vo'n kürzeren Vakuumkammern innerhalb des Kolbens in der ITähe des Kolbenbodens gebildet werden.Vacuum chamber extends over the entire length of the piston. It can be one or it can be several transverse walls closer to the end wall 6 are provided so that a shorter or a number of shorter vacuum chambers within the Pistons are formed in the vicinity of the piston crown.
lieben der Verbesserung des WLrkungsgrades können die Vakuumkammern in den Kolben auch in der Hinsicht von Vorteil für den Motor sein, daß sie die Spannungen im Kolbenboden verringern. Beispielsweise liegen die mittleren IColbentemperaturen bei einem hoch aufgeladenen Dieselmotor von 250 p.s.i.B.M.E.P. (17,6 kp/cm2 mittl. effektiver Druck beim Abbremsen) mit einem Ladedruckverhältnis von 4- und mit Kolbenkühlung in der Größenordnung von 4-50 bis 500° 0. Dementsprechend sind die sich einstellenden Spannungen, die durch Druck- und Wärmespannungen dargestellt werden, sehr hoch. Wenn der Wärmestrom durch den Kolben durch die Vakuumkammern verhindert wird, liegt das allgemeine Temperaturniveau des Kolbenbodens in der liähe der mittlex'en G-astemperatur, die bei einer maximalen Gastemperatur von etwa 2^00° 0 etwa 800 bis 1000° 0 betragen würde. Da der Wärmetransport durch den Kolbenboden im wesentlichen verhindert wird, werden die Wärmespannungen stark vermindert. Jedoch muß offensichtlich das Material für die Kolben eine Hochtemperaturlegierung sein, die die Spannungen bei den erhöhten Arbeitstemperaturen aushalten * Ican-n»In order to improve efficiency, the vacuum chambers in the pistons can also be advantageous for the engine in that they reduce the stresses in the piston crown. For example, the mean piston temperatures in a highly charged diesel engine are 250 psiBMEP (17.6 kp / cm 2 mean effective pressure when braking) with a boost pressure ratio of 4 and with piston cooling in the range of 4 - 50 to 500 ° 0 the resulting stresses, which are represented by pressure and thermal stresses, are very high. If the flow of heat through the piston through the vacuum chambers is prevented, the general temperature level of the piston crown is close to the mean G-a temperature, which would be about 800 to 1000 ° 0 at a maximum gas temperature of about 2000 ° 0. Since the heat transport through the piston crown is essentially prevented, the thermal stresses are greatly reduced. However, the material for the pistons must obviously be a high-temperature alloy that can withstand the stresses at the increased working temperatures * Ican-n »
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Der thermische Wirkungsgrad ng einer Gaserz eugeranordiiurig wird mit geschätzten Komponentenwirkungsgraden, Yen ti 1- und üffnungsdruckverlusten und dem prozentualen Zylindorwärmeverlust aus der folgenden Gleichung besticnit:The thermal efficiency of a gas generator is arranged is used with estimated component efficiencies, Yen ti 1- and opening pressure losses and the percentage cylinder heat loss from the following equation:
'.A\ ύ-1/ύ'.A \ ύ-1 / ύ
( *turbJ __,(* turb J __,
(1-Hi) +(1-Hi) +
Ύ-1/ΎΎ-1 / Ύ
Dabei bedeutenMean
H, =» prozentualer Gesamtwärmeverlust x = indizierter Diesel-Wirkungsgrad - liiechanischer Gesamtwirkungsgrad = IsentiOpischer Verdichterv/irkungsgradH, = »percentage of total heat loss x = indexed diesel efficiency - Romanian overall efficiency = isentiOpic compressor efficiency
if = Druckverlu3 tfaktor ρ = AtmoSphärendruck pturbif = pressure loss factor ρ = atmospheric pressure p turb
TurbineneintrittsdruckTurbine inlet pressure
Die möglichen Gewinne können auf diese Weise berechnet und mit den üblichen Gaserzeugeranordnungen verglichen werden. Sie sind als Vergleich in 3?ig. 2 auf ge tx*agen. In dieyem Diagramm ist als ein Grenzfall H, gleich Hull gesetzt, und es ist eine korrigierte Kurve angegeben, die durch eine schrittweise Berechnung der Leckverluste an der Labyrinthdichtung vorbei und der anderen thermodynamisehen Korrekturen bestimmt wurde.The possible winnings can be calculated this way and compared to the usual gas generator arrangements. As a comparison, they are in thirty-three. 2 on ge tx * agen. In The diagram is, as a borderline case, H, equal to Hull is set, and a corrected curve is given, which is generated by a step-by-step calculation of the leakage losses past the labyrinth seal and see the other thermodynamic Corrections was determined.
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Vv υ it; urn in sind Kurven eingetx'agen, die die Wirkungsgrade voji ;;wei andex'en iiaschiiienax'ten zeigen, nämlich von einem au:".;cladeiien ibtor und einem /orbundriotor, wobei "bei dem letzterer, ein Teil der Kui^belwellt-iileistuiig aur Untex*- «t;iüi:unc den Antriebs einer Abgasturbine dient, die einen Verdichter für die eintretende Duftmenge treibt. Aus dem Dia^aia:! £OLZ deutlich hervor, daß bei einer Anordnung gemäß GUI* L. iiiitiiLiß dex* Wirkungsgrad des Gaserzeugers er-Lot-lieh besonüur:·; dann angehoben wird, wenn höhere Lade-" dxnicke (boo;». px'ossures) benutzt werden. In diesem Fall ■„xj'v.'ii V/ii-Inaigsgrade erreicht, die wesentlich über den V/irkuK^sgx-a·:« η der aiideron Ilaschineii der gloicuen Klasse liegen.Vv υ it; Curves are shown around in which show the efficiencies voji ;; white andex'en iiaschiiienax'ten, namely of an au: ". cladeiien ibtor and an orbundriotor, where" in the latter, part of the corrugation -iileistuiig aur Untex * - «t; iüi: unc serves to drive an exhaust gas turbine that drives a compressor for the incoming fragrance. From the slide ^ aia :! £ OLZ clearly shows that with an arrangement according to GUI * L. iiiitiiLiß dex * efficiency of the gas generator he-Lot-lent special: ·; is then raised when higher loading "dxnicke (boo;». px'ossures) are used. a ·: «η of the aiideron Ilaschineii of the gloicuen class.
Line noch weitex* gehende lüolierung des Bronnraums 4 kann erreicht v/erüen, wenn man die Iläohen der im den Brennraum hexmmliegenden Teile poliert odex> anderweitig plattiert oder behandelt, so z.B. die Innenflächen dei" V/andungen, die die Vakuumkammern 8c und 8p festlegen, öo daß die Strahlungswärme zum Brennraum zurück£eflektiert viird. Beispielsweise können die Innenfläche Wa des Teils 40 und die Innenfläche 50 a äer Endplatte 50 ö^des Kolbens 5 hochglanzpoliert sein, so daß die vom Kolbenboden 7 abgestx\ohlte Wärme zurück reflektiert wird und die Wärme nicht aus der Umgebung des Brennraums entweichen kann. In gleicher Weise können die Innenflächen 18a des zylindrischenLine still extensive lüolierung the Bronnraums 4 can be achieved, if one polishes the length of the hexagon lying parts in the combustion chamber or otherwise plated or treated, for example the inner surfaces of the connections that define the vacuum chambers 8c and 8p , OEO that the radiant heat from the combustion chamber back £ eflektiert viird. for example, the inner surface Wa can be polished of the member 40 and the inner surface 50 a OCE end plate 50 ö ^ of the piston 5, so that the \ ohlte heat is reflected back abgestx from the piston head 7 and the heat cannot escape from the surroundings of the combustion chamber In the same way, the inner surfaces 18a of the cylindrical
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Teiles 18 ebenfalls reflektierend ausgebildet werden, so daß die Strahlungswärme zum Brennraum 4- zurückgeleitet wird. Schließlich können noch die Innenfläche 6a in der Kammer 8p jedes Kolbens 5 und die Außenfläche 17a des zylindrischen Teils 17 in der Kammer 8c matt und dunkel ausgeführt sein, so daß wärmeabsorbierende Flächen gebildet v/erden. Auf diese Weise wird die von den Flächen 40a, i?0a und 18a reflektierte Wärme leichter aus den Kammern 8p und 8c in den Brennraum 4 zurückgeführt.Part 18 are also made reflective, so that the radiant heat is returned to the combustion chamber 4- will. Finally, the inner surface 6a in the chamber 8p of each piston 5 and the outer surface 17a of the cylindrical part 17 in the chamber 8c matt and dark be designed so that heat-absorbing surfaces are formed v / ground. In this way, that of the faces 40a, i? 0a and 18a reflected heat more easily from the Chambers 8p and 8c returned to combustion chamber 4.
Die dargestellte und· erläuterte Ausführung stellt selbstverständlich nur ein Beispiel dar und kann in vielfältiger Weise abgewandelt und geändert werden, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.The embodiment shown and explained is self-evident is only an example and can be modified and changed in many ways without the Is left within the scope of the invention.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6167342A (en) * | 1996-06-03 | 2000-12-26 | Nissan Motor Co., Ltd. | Control apparatus for internal combustion engine and estimation apparatus for estimating pressure in intake and discharge system of internal combustion engine |
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1968
- 1968-01-25 DE DE19681601538 patent/DE1601538A1/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6167342A (en) * | 1996-06-03 | 2000-12-26 | Nissan Motor Co., Ltd. | Control apparatus for internal combustion engine and estimation apparatus for estimating pressure in intake and discharge system of internal combustion engine |
US6298299B1 (en) | 1996-06-03 | 2001-10-02 | Nissan Motor Co., Ltd. | Control apparatus for internal combustion engine and estimation apparatus for estimating pressure in intake and discharge system of internal combustion engine |
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