DE19625182A1 - Rechnergesteuerter Gasgenerator - Google Patents
Rechnergesteuerter GasgeneratorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Freikolben-Gasgenerator mit zwei
gegeneinander arbeitenden Arbeitskolben und einer dazwischen
angeordneten, von den Arbeitskolben beidseitig beaufschlagten
Brennkammer. Ein derartiger Gasgenerator ist beispielsweise
in der P 44 10 926.1 beschrieben und dient normalerweise der
Bereitstellung von Druckluft für nachgeschaltete Gasturbinen.
Herkömmliche Gasgeneratoren weisen eine mechanische Zwangs
kopplung der beiden gegeneinander oszilierenden Arbeitskolben
auf, um auf diese Weise eine synchrone Beaufschlagung der
Brennkammer durch die beiden Arbeitskolben sicherzustellen.
Hierzu werden vornehmlich Gestänge mit Zahnrädern oder Ketten
bzw. Zahnriemen verwendet. Diese herkömmliche Zwangskopplung
ist baulich aufwendig, gewichtserhöhend und aufgrund der ho
hen dynamischen Belastungen fehleranfällig und unterliegt ho
hem Verschleiß.
Ein weiterer Nachteil der zwangsgeführten Arbeitskolben be
steht darin, daß aufgrund der unterschiedlichen thermischen
Belastung der mit dem einen Kolben näher liegenden Einlaß
schlitze bzw. dem anderen Kolben näherliegenden Auspuff
schlitze der Gasgenerator nicht mit optimalen Wirkungsgrad
betrieben werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
einen gattungsgemäßen Freikolben-Gasgenerator baulich zu ver
einfachen sowie einen Betrieb mit erhöhtem Wirkungsgrad zu
ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die
beiden Arbeitskolben des Gasgenerators nunmehr vollkommen un
abhängig voneinander betrieben werden und die bisher erfor
derliche Zwangskuppelung entfallen kann. Zum einen bewirkt
dies neben einer Gewichtsreduzierung und einer baulichen Ver
einfachung nicht unerheblich verlängerte Wartungsintervalle,
da die verschleißanfällige Zwangskuppelung entfallen kann.
Anstelle dessen wird bei der Erfindung eine Regeleinrichtung
eingesetzt, welche durch entsprechende Arbeitskolben-Positi
onsmeßeinrichtungen die momentane Stellung der Kolben erfaßt,
hieraus die Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit und Beschleu
nigung der Kolben bestimmt und geeignete Stellglieder gezielt
so ansteuert, daß die beiden Arbeitskolben zueinander
synchronisiert oszillieren.
Unter synchronisiert wird nicht die absolut entgegengesetzt
gleiche Bewegung der beiden Kolben verstanden, da durch die
Erfindung auch eine ganz bewußte gezielte geringfügige zeit
liche Verzögerung in der Bewegung der beiden Kolben erzeugt
werden kann, um bestimmte Prozeßbedingungen beim Verbren
nungsvorgang, insbesondere die thermische Belastung bestimm
ter Bauteile, zu berücksichtigen. Hierdurch wird ein Betrieb
des Gasgenerators mit einem erhöhten Wirkungsgrad möglich,
der durch zwangssynchronisierter Arbeitskolben nicht möglich
war.
Zu den Stellgliedern zählt insbesondere eine elektronisch ge
steuerte Kraftstoffeinspritzpumpe zu gezielten Injektionen
von Kraftstoff in die Brennkammer. Sofern es sich nicht um
einen Selbstentzündungs-Brennvorgang wie beim Dieselprozeß
handelt sondern um einen fremdgezündeten Prozeß, wäre auch
eine Zündeinrichtung ein geeignetes Stellglied. Ein weiteres
bevorzugtes Stellglied sind Ventileinrichtungen, die den
Druck in Pufferräumen regeln, welche von mit den Arbeitskol
ben gekoppelten Kompressionskolben beaufschlagt werden. Durch
gezieltes Ein- bzw. Ausblasen von Luft aus den Pufferräumen
läßt sich eine gewünschte Verzögerung bzw. Beschleunigung des
einen oder anderen Kolbens bewirken, so daß ein gewünschter
Oszillationsverlauf der Kolben bewirkt werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform für ein Stellglied
besteht in Halteeinrichtungen, um die Arbeitskolben bzw. die
damit verbundenen Kompressionskolben gezielt abzubremsen oder
anzuhalten. Dies geschieht vorzugsweise im Bereich der äuße
ren Totpunkte bei der Oszillationsbewegung und kann über me
chanische, elektrisch gesteuerte Arretierungsvorrichtungen
geschehen, oder elektromagnetische Einwirkungen auf die Kol
ben, beispielsweise durch Elektromagnete oder Abbremsen auf
der Grundlage des Wirbelstromsprinzips.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform für ein Stellglied
ist eine Betätigungseinrichtung, um eine axiale Relativver
schiebung des Kompressionskolbens auf dem Arbeitskolben zu
bewirken. Hierdurch ist es möglich, die Kompressionskolben
derart axial zu verschieben, daß nicht nur bei Vollast son
dern auch im Teillastbereich ein optimaler Liefergrad der
Kompressoren sicher gestellt wird. Mit anderen Worten werden
die Verdichterkolben so verstellt, daß sie möglichst nahe an
die das andere axiale Ende der Kompressionsräume bildenden
Ventilplatten heranfahren und so den Liefergrad der Kompres
soren optimieren.
Um eine möglichst genaue Regelung der einzelnen Stellglieder
bzw. des gesamten Prozeßablaufes sicherzustellen, weisen die
Arbeitskolben-Positionsmeßeinrichtungen vorzugsweise Mittel
zu Nullpunkt- und Richtungserkennung auf. Die Meßeinrichtun
gen sind vorzugsweise digital ausgeführt und vorzugsweise
mittels Glasfaserkabel mit der zentralen Regeleinrichtung
verbunden.
Um den Prozeßverlauf weiter zu optimieren, sind ferner gemäß
bevorzugten Weiterbildungen des Erfindungsgedankens von der
Regeleinrichtung angesteuerte Ventileinrichtungen im Strö
mungsweg der ruft vorgesehen, so daß der Prozeßverlauf abhän
gig von den gemessenen Parametern noch gezielter beeinflußbar
ist. Vorzugsweise ist das zwischen dem vom Kompressionsraum
beaufschlagten Ladeluft-Aufnahmeraum und der Brennkammer vor
gesehene Ventil als ansteuerbare Ventileinrichtung ausgebil
det, so daß die Dimensionierung der Einlaß-Ventilschlitze
eher großzügig erfolgen kann und im Betrieb der Druckluft-Zu
strömverlauf durch die ansteuerbare Ventileinrichtung gere
gelt wird.
Vorzugsweise ist der Ladeluftaufnahmeraum über eine ebenfalls
von der Regeleinrichtung angesteuerte Überstrom-Ventilein
richtung mit der Auslaßleitung verbunden, und zwar vorzugs
weise mit einem ringförmig die Brennkammer bzw. die Zylinder
laufbuchse umschließenden Überstrom-Kühlraum, der in die Aus
laßleitung mündet und hierdurch eine effiziente Kühlung der
Brennkammer bzw. der Auslaßschlitze ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist die Kopplung des erfindungsgemäßen
Freikolben-Gasgenerators mit weiteren Turboelementen zur Bil
dung einer Gasgeneratoranlage. Gemäß einer bevorzugten Aus
führungsform dieses Gedankens ist dem Freikolben-Gasgenerator
ein Turboverdichter mit Luftstrommassenregelung vorge
schaltet, d. h. der vorgeschaltete Turboverdichter beauf
schlagt die Kompressionsräume des Freikolben-Gasgenerators.
Besonders geeignet hierzu ist ein Axialverdichter mit ver
stellbarem Leitschaufelwinkel. Der vorgeschaltete Turbover
dichter mildert das unangenehme Anlauggeräusch der Kompresso
ren. Angetrieben wird der Turboverdichter bevorzugt durch die
vom Freikolben-Gasgenerator beaufschlagte Abgasturbine, wobei
die Verdichterleistung des Turboverdichters so zu bemessen
ist, daß der Leistungsüberschuß der Kompressionskolben des
Freikolben-Gasgenerators bei Vollast mit Hubzahlmaximum in
Druckluft umgesetzt wird.
Eine alternative Ausführung sieht vor, daß ein Turboverdich
ter mit Luftstrommassenregelung eingesetzt wird, dessen kom
primierte Abluft zum Teil einem Freikolben-Gasgenerator zuge
führt wird, während der Rest der Druckluft eine Brennkammer
der Art einer Raketenbrennkammer beaufschlagt. Durch diese
Bausatzkombination ist es möglich, einen Kraftstoff mit hoher
Verbrennungstemperatur, insbesondere Wasserstoff zu verwenden
und somit ein mit Wasserstoff betriebenes Flugtriebwerk hoher
Leistung bereitzustellen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeich
nungen weiter erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch einen erfin
dungsgemäßen Freikolben-Gasgenerator,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit der Darstellung ei
ner Arretierungseinrichtung,
Fig. 3 einen schematischen Axialschnitt einer Gasgenera
tor-Anlage, und
Fig. 4 einen schematischen Axialschnitt einer weiteren
Gasgenerator-Anlage.
In Fig. 1 ist schematisch ein Freikolben-Gasgenerator 1 darge
stellt, der im wesentlichen ein zylindrisches Mantelgehäuse 2
umfaßt, das beidendig mit Verschlußkappen 4a und 4b ver
schlossen ist. Im Inneren des Mantelgehäuses 2 ist eine kon
zentrische Zylinderwandung 6 vorgesehen, die in ihrem Mit
telbereich die Wandung für eine Brennkammer 8 bildet und in
ihren äußeren Endbereichen als Laufbuchse für zwei Arbeits
kolben 10a, 10b ausgebildet ist. Auf den Arbeitskolben 10a, b
sind in einem begrenzten Bereich axial verschieblich zwei
Kompressionskolben 12a, 12b angeordnet, wobei zwischen je ei
nem der Kompressionskolben 12a, 12b und der zugeordneten Ver
schlußkappe 4a, 4b jeweils ein Pufferraum 14a, 14b ausgebil
det ist. Auf der anderen axialen Seite jedes Kompressions
kolbens 12a, 12b ist beabstandet eine Ventilplatte 16a, 16b
angebracht, wobei zwischen Kompressionskolben 12a, 12b und
Ventilplatte 16a, 16b zwei Kompressionsräume 18a, 18b ausge
bildet sind. Die Kompressionsräume 18a und 18b wiederum ste
hen über mit Rückschlagventilen versehene Eintrittsöffnungen
20a, 20b mit der Umgebung in Verbindung. Ferner sind die Kom
pressionsräume 18a und 18b über mit Rückschlagventilen verse
hene Zutrittsöffnungen 22a und 22b mit einem ringförmigen
Ladeluft-Aufnahmeraum 24 verbunden, der zwischen dem Mantel
gehäuse 2 und der Zylinderwandung 6, sowie axial begrenzt von
den Ventilplatten 16a und 16b, ausgebildet ist.
Der Ladeluft-Aufnahmeraum 24 steht über Brennkammer-Ein
trittsventile 26 mit der Brennkammer 8 in Verbindung, wobei
die Zylinderwandung 6 am Umfang verteilte Einlaßschlitze 28
aufweist. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß stets
mehrere über den Umfang verteilte Ventile zweckmäßig sind,
wie diese beispielhaft für die Brennkammer-Eintrittsventile
26 dargestellt ist. In gleicher Weise sind auch die anderen
Öffnungen, insbesondere die mit Ventilen versehenen Ein
trittsöffnungen 20a und 20b in die Kompressionsräume 18 sowie
die Zutrittsöffnungen 22 in den Ladeluft-Aufnahmeraum 24
vorzugsweise mehrere über dem Umfang verteilte Öffnungen.
Die Brennkammer 8 steht über Auslaßschlitze 30 in der Zylin
derwandung 6 mit einer Auslaßleitung 32 in Verbindung, die
wiederum in einen nicht näher dargestellten Gassammelraum 34
mündet. Ferner ist die Zylinderwandung 6 im Bereich der Aus
laßschlitze 30 von einem ringförmigen Überstrom-Kühlraum 36
umgeben, der über Überstrom-Ventileinrichtungen 38 mit dem
Ladeluft-Aufnahmeraum 24 in Verbindung steht.
Die beiden Pufferräume 14a und 14b sind über Pufferraumven
tile 40a und 40b mit nicht näher dargestellten Einrichtungen
verbunden, um Überdruck aus den Pufferräumen 14 abzulassen
und/oder den Druck zu erhöhen. Zu diesem Zweck können auch
anstelle des jeweils einen dargestellten Pufferraumventils
40a, 40b separate Ventile für die Zu- bzw. Abfuhr von Gas
vorgesehen werden.
Der Freikolben-Gasgenerator 1 umfaßt erfindungsgemäß Arbeits
kolben-Positionsmeßeinrichtungen 42a und 42b, um die jewei
lige Positionen der Arbeitskolben 10a und 10b, sowie vorzugs
weise deren Meßnullpunkte sowie die Bewegungsrichtungen zu
erkennen. Die Positionsmeßeinrichtungen 42a, 42b können als
elektronische Abtaster von Zahnungsreihen 44 ausgebildet
sein, die in der Mantelfläche der Arbeitskolben 10a und 10b
oder im Gehäuse eingelassen sind.
Im Bereich der Brennkammer 8 ist in der Zylinderwandung 6
mindestens eine Einspritzeinrichtung 46 zum Einspritzen von
Kraftstoff in die Brennkammer 8 vorgesehen. Alternativ können
auch mehrere Einspritzeinrichtungen 46 über den Umfang der
Zylinderwandung 6 verteilt sein.
Auf den beiden Arbeitskolben 10a und 10b sind die′ beiden Kom
pressionskolben 12a und 12b axial verschiebbar angeordnet und
werden durch nicht näher dargestellte Schubeinrichtungen 39
verschoben. Die momentane Lage der Kompressionskolben 12a und
12b (Δ X) bezüglich der Arbeitskolben 10a und 10b wird mit
tels Kompressionskolben-Positionsmeßeinrichtungen 48 erfaßt.
Die Kompressionskolben 12a und 12b werden gemäß einer bevor
zugten Ausführungsform der Erfindung mittels einer vergrößert
in Fig. 2 dargestellten Arretierungseinrichtung 50 im Bereich
ihrer äußeren Totpunkte festgehalten bzw. Arretiert.
Jede Arretierungseinrichtung 50 umfaßt einen ortsfest im Man
telgehäuse 2 bzw. an den Verschlußkappen 4a, 4b angebrachten
Elektromagneten 52. Der Elektromagnet 52 zieht einen axial
verschiebbar angeordneten Anker 54 an, dessen Schaft 56 über
ein Gelenk 58 mit einem Kipphebel 60 gekoppelt ist. Der
Kipphebel 60 ist um eine Achse 62 kippbar und umfaßt einen
zweiten Hebelarm 64, an dessen freiem Ende ein Arretierungse
lement 66 angebracht ist. Dieses vorzugsweise sphärisch, ku
gelig o. ä. ausgebildete Arretierungselement 66 ist über die
dargestellte Kinematik in radialer Richtung verschiebbar und
kann in einer angepaßt ausgebildete Vertiefung 68 in der In
nenwandung eines Kompressionskolbens 12 eingreifen. Die Ver
tiefung 68 verweist vorzugsweise eine konisch verlaufende er
ste Fläche 70 sowie eine Anschlagsfläche 72 auf.
Sobald der Elektromagnet 52 den Anker 54 anzieht, wird das
Arretierungselement 66 jeder Arretierungseinrichtung 50 nach
radial außen verfahren und gelangt bei der Vorwärtsbewegung
des Kompressionskolbens 12 von seinem äußeren Totpunkt in der
mit A bezeichneten Richtung über die konische Fläche 70 gegen
die Anschlagsfläche 72, so daß die weitere Bewegung des Kom
pressionskolbens 12 angehalten wird. Erst durch geeignete
Maßnahmen, wie beispielsweise eine Umpolung des Elektroma
gneten 52 oder nicht dargestellte Federeinrichtungen und
gleichzeitiges Stromlossetzen des Elektromagneten 52 wird die
Bewegung des Arretierungselements 50 umgekehrt, und das Arre
tierungselement 50 wird radial nach innen aus der Anschlags
fläche 72 verfahren und gibt hierdurch den Kompressionskolben
12 zur weiteren Bewegung nach radial innen frei. Der Kompres
sionskolben 12 wird anschließend durch den Druck im Inneren
des dahinter befindlichen Pufferraum 14 beschleunigt.
Der erfindungsgemäße Freikolben-Gasgenerator 1 erfaßt eine
zentrale Regeleinrichtung 74, die über Eingangsleitungen 76
mit verschiedenen Sensoren und insbesondere den beiden Ar
beitskolben-Positionsmeßeinrichtungen 42 verbunden ist. Zu
den weiteren Sensoren zählen die Kompressionskolben-Positi
onsmeßeinrichtungen 48, Drucksensoren 78a, 78b zur Erfassung
der Drücke in den Pufferräumen 14a und 14b, nicht näher dar
gestellte Sensoren für die Drücke in den Kompressionsräumen
18a, 18b, dem Ladeluft-Aufnahmeraum 24 etc. Ferner können
Temperatur- und sonstige Sensoren zur Erfassung von Tempera
turen, insbesondere in der Brennkammer 8 oder in der Auslaß
leitung 32 vorgesehen sein. Alle diese Sensoren sind über die
Eingangsleitungen 76 mit der Regeleinrichtung 74 verbunden.
Die Regeleinrichtung 74 ist ferner über Ausgangsleitungen 80
mit verschiedenen Stellgliedern verbunden, wie insbesondere
den Arretierungseinrichtungen 50, den Pufferraum-Ventilen
40a, 40b, den Betätigungseinrichtungen 82a, 82b, für die
Brennkammer-Eintrittsventile 26, den Überstrom-Ventilein
richtungen 38 und sonstigen zu betätigende Ventile.
Durch die erfindungsgemäße rechnergestützte Steuerung des
Freikolben-Gasgenerators 1 ist es möglich, auf die bisher er
forderliche zwangsweise mechanische Gleichlauferzwingung der
Arbeitskolben 10a, 10b zu verzichten und trotzdem sowohl eine
ausreichende synchronisierte Bewegung der beiden Arbeitskol
ben 10a und 10b zu erzielen, als auch durch die gezielte Be
tätigung einzelner Stellglieder eine noch effizientere Steue
rung des gesamten Prozeßablaufes zu ermöglichen. Beispiels
weise können durch gezielte unterschiedliche Freigabe der Ar
retierungseinrichtungen 50 der beiden Kolbenpaare auf unter
schiedliche thermische Belastungen im Bereich der Einlaß
schlitze 28 bzw. der Auslaßschlitze 30 reagiert werden.
Ferner wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt nicht durch her
kömmliche verstellbare Schaltnocken ausgelöst, sondern durch
die von den Arbeitskolben-Positionsmeßeinrichtungen 42 er
faßte Stellung der Arbeitskolben 10. Gleichzeitig wird über
die Kompresskolben-Positionsmeßeinrichtungen 48 die Stellung
der Kompressionskolben 12 im Bereich ihrer inneren Totpunkte
erfaßt und in Reaktion darauf die Schubeinrichtungen 39 so
betätigt, daß beim jeweiligen Betriebspunkt ein optimaler
Liefergrad der Kompressoren sichergestellt ist, also die Kom
pressionskolben 12 möglichst nahe an die zugeordneten Ven
tilplatten 16 heranfahren.
Die Auswärtshubbegrenzungen der Kompressionskolben 12 wird
durch den über die Regeleinrichtung 74 gesteuerten pneumati
schen Momentandruck in den Pufferräumen 14a und 14b bestimmt.
Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Freikolben-Gasgenera
tors ist wie folgt:
Der Verbrennungsdruck der in der Brennkammer 8 ablaufenden Verbrennung treibt die beiden Arbeitskolben 10a und 10b nach axial außen. Hierbei überfahren die an den Arbeitskolben 10a, 10b angebrachten Kompressionskolben 12a, 12b die Vertiefungen 68. Die von den Kompressionskolben 12a, 12b überfahrenen Weg strecken Z (Fig. 1) werden von den Positionsmeßeinrichtungen 48 erfaßt und der Regeleinrichtung 74 ausgewertet. Nach Er reichen der äußeren Totpunkte gleiten die Kompressionskolben 12a, 12b aufgrund des pneumatischen Drucks in den Pufferräu men 14a, 14b wieder einwärts, wobei die Positionsmeßeinrich tungen 42 die Richtungsumkehr erkennen. Die Elektromagnete 52 in den Pufferräumen 14a, 14b werden so rechtzeitig mit Strom beaufschlagt, daß die Arretierungselemente 66 rechtzeitig in die Vertiefungen 68 einrasten können. Gestartet zum Einwärts hub werden die Kolbenpaare 10a-12a und 10b-12b dadurch, daß die Elektromagnete 52 von der Regeleinrichtung 74 stromlos gesetzt werden.
Der Verbrennungsdruck der in der Brennkammer 8 ablaufenden Verbrennung treibt die beiden Arbeitskolben 10a und 10b nach axial außen. Hierbei überfahren die an den Arbeitskolben 10a, 10b angebrachten Kompressionskolben 12a, 12b die Vertiefungen 68. Die von den Kompressionskolben 12a, 12b überfahrenen Weg strecken Z (Fig. 1) werden von den Positionsmeßeinrichtungen 48 erfaßt und der Regeleinrichtung 74 ausgewertet. Nach Er reichen der äußeren Totpunkte gleiten die Kompressionskolben 12a, 12b aufgrund des pneumatischen Drucks in den Pufferräu men 14a, 14b wieder einwärts, wobei die Positionsmeßeinrich tungen 42 die Richtungsumkehr erkennen. Die Elektromagnete 52 in den Pufferräumen 14a, 14b werden so rechtzeitig mit Strom beaufschlagt, daß die Arretierungselemente 66 rechtzeitig in die Vertiefungen 68 einrasten können. Gestartet zum Einwärts hub werden die Kolbenpaare 10a-12a und 10b-12b dadurch, daß die Elektromagnete 52 von der Regeleinrichtung 74 stromlos gesetzt werden.
Beim Auswärtshub der Kompressionskolben 12a wird über die
Eintrittsöffnungen 20 Luft in die Kompressionsräume 18 einge
saugt und nach der Richtungsumkehr der Kompressionskolben 12
nach Erreichen des äußeren Totpunktes verdichtet. Die ver
dichtete Luft gelangt über die Zutrittsöffnungen 22 in den
Ladeluft-Aufnahmeraum 24 und von dort nach Öffnung der Brenn
kammer-Eintrittsventile 26 durch die Regeleinrichtung 74 über
die Betätigungseinrichtungen 82 in die Brennkammer 8.
Die aus den Kompressionsräumen 18 in den Ladeluft-Aufnahme
raum 24 geförderte Druckluft, welche nicht der Brennkammer
zugeführt wird, gelangt über die rechnergesteuerte Überstrom-Ventileinrichtung
38 in den Überstrom-Kühlraum 36, von wo
diese unter Kühlung der Zylinderwandung 6 und der Auslaß
schlitze 30 in die Auslaßleitung 32 strömt. Hier erfolgt dann
auch eine Nachverbrennung der unverbrannten Auspuffgase.
In Fig. 3 ist eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung in
Form einer Gasgenerator-Anlage dargestellt, die neben dem
Freikolben-Gasgenerator 1 gemäß der Erfindung ein Turbo-Rake
tentriebwerk 84 umfaßt. Dieses Turbo-Raketentriebwerk 84 ent
hält einen Axialverdichter 86, auf dessen Welle 88 eine Gas
turbine 90 angeordnet ist. Von der in den Axialverdichter 86
einströmenden Luft wird ein Teil bei 92 abgezweigt und den
beiden Einlaßöffnungen 20a, 20b des Freikolbengenerators 1
zugeführt. Der Gassammelraum 34 des Freikolben-Gasgenerators
34 ist über eine Leitung 94 mit einer Gasturbinen 90 verbun
den. Vom Auslaß 96 der Gasturbine 90 strömt diese Luft ins
Freie. Die nicht an der Abzweigung 92 abgezweigte Luft strömt
vom Axialverdichter 96 in eine Raketenbrennkammer 98, wo ein
Verbrennungsvorgang unter Zumengung von Wasserstoff oder an
dere Brennstoffe stattfindet.
Nochmals bezugnehmend auf den Freikolben-Gasgenerator 1 ist
in Fig. 3 schematisch eine Kühleinrichtung 100 dargestellt,
über die die Luft im Ladeluft-Aufnahmeraum 24 abgekühlt wird.
Eine derartige Kühleinrichtung 100 ist selbstverständlich
auch für einen isolierten Freikolben-Gasgenerator 1 zweckmä
ßig.
Fig. 4 zeigt noch eine Ausführungsform einer Gasgeneratoran
lage 102, die im wesentlichen wie die in Fig. 3 dargestellte
Anlage ausgebildet ist, also einen vorzugsweise als Axialver
dichter ausgebildeten Verdichter 104 und einen über eine ge
meinsame Welle 106 gekoppelte Turbine 108 umfaßt. Im Unter
schied zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird
bei der Gasgenerator-Anlage 102 der gesamte verdichtete Luft
strom aus dem Verdichter 104 dem Freikolben-Gasgenerator 1
zugeführt. Hierzu ist der Verdichterauslaß 110 mit Zufuhr
leitungen 112 verbunden, welche die Luft den Eintrittsöffnun
gen 20a und 20b des Freikolben-Gasgenerators 1 zuführen.
Selbstverständlich können über den Umfang des Mantelgehäuses
2 gleichmäßig verteilt eine Vielzahl von Eintrittsöffnungen
20 vorgesehen sein.
Claims (20)
1. Freikolben-Gasgenerator mit zwei gegeneinander arbeiten
den Arbeitskolben (10), einer dazwischen angeordneten,
von den Arbeitskolben (10) beidseitig beaufschlagten
Brennkammer (8), dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
Arbeitskolben (10) jeweils mit einer Arbeitskolben-Po
sitionsmeßeinrichtung (42) versehen sind, die mit einer
Regeleinrichtung (74) verbunden sind, welche durch
Ansteuerung von Stellgliedern (26, 38, 40, 46, 50) eine
synchronisierte Bewegung der Arbeitskolben (10) bewirkt.
2. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Arbeitskolben-Positionsmeßeinrichtun
gen (42) Mittel zur Nullpunkt und Richtungserkennung
aufweisen.
3. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Arbeitskolben-Positionsmeßein
richtungen (42) digital ausgeführt sind und vorzugsweise
über Glasfaserkabel mit der Kegeleinrichtung (74) ver
bunden sind.
4. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch eine von der Regeleinrichtung (74) auf der Grund
lage mindestens der gemessenen Hubkolbenstellungen ge
steuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung (46).
5. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf den Arbeitskolben (10) axial verstell
bare Kompressionskolben (12) angebracht sind zur Kom
pression von Ansaugluft in zwei Kompressionsräumen (18)
vor der Zufuhr in die Brennkammer (8), wobei Kompressi
onskolben-Positionsmeßeinrichtungen (48) zur Bestimmung
der Positionen der Kompressionskolben (12) relativ zum
jeweiligen Arbeitskolben (10) vorgesehen sind sowie
Schubeinrichtungen (39) zum axialen Verschieben der Kom
pressionskolben (12) auf den Arbeitskolben (10).
6. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf der dem jeweiligen Kompressionsraum
(18) gegenüberliegenden axialen Seite jedes Kompressi
onskolbens (12) ein von diesem beaufschlagter geschlos
sener Pufferraum (14) angeordnet ist, und die Pufferräu
me (14) mit elektrischen, mit der Regeleinrichtung (74)
verbundenen Drucksensoren (78) versehen sind.
7. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Druck in den Pufferräumen (14) über
steuerbare, von der Regeleinrichtung (74) betätigte Ven
tileinrichtungen (40) veränderbar ist.
8. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß betätigbare Halteeinrichtungen (50) vorge
sehen sind, um die Arbeitskolben (10) bzw. Kompressions
kolben (12) im Bereich ihrer äußeren Totpunkte für eine
definierte Zeit anzuhalten oder abzubremsen.
9. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Halteeinrichtungen (50) elektrisch
oder hydraulisch betätigt und von der Regeleinrichtung
(74) angesteuert werden.
10. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Halteeinrichtungen (50) als mechani
sche (66) und/oder elekromagnetische (52) Bremseinrich
tungen oder Arretierungseinrichtungen ausgebildet sind.
11. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Malteeinrichtungen (50) als Elek
tromagnete ausgebildet sind, welche im angeregten Zu
stand die Kompressionskolben im Bereich des äußeren Tot
punkt anziehen.
12. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen (50) in den
Laufbüchsen oder den Kompressionskolben angeordnete Ar
retierungsaussparungen (68) umfassen, in die elektromo
torisch bewegte Verriegelungselemente (66) eingreifen.
13. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen jedem Kompressionsraum (18) und
der Brennkammer (8) ein Ladeluft-Aufnahmeraum (24) vor
gesehen ist, der über ein Rückschlagventil (22) mit dem
Kompressionsraum (18) und über eine von der Regelein
richtung (74) ansteuerbare Ventileinrichtung (26) mit
der Brennkammer (8) verbunden ist.
14. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Brennkammer (8) über mindestens
eine Auslaßöffnung (30) mit einer in einen Gassammelraum
(34) mündende Auslaßleitung (32) verbunden ist und eine
von der Regeleinrichtung (74) ansteuerbare Überstrom-Ventil
einrichtung (38) den Ladeluft-Aufnahmeraum (24)
mit der Auslaßleitung (32) verbindet.
15. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 13 oder 14, da
durch gekennzeichnet, daß ein die Brennkammer (8) kon
zentrisch umschließender ringförmiger Überstrom-Kühlraum
(36) vorgesehen ist, an dessen stromaufwärtigem Ende die
Überstrom-Ventileinrichtung (38) angeordnet ist und des
sen stromabwärtiges Ende in die Auslaßleitung (32) mün
det.
16. Freikolben-Gasgenerator nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Ladeluft-Aufnahmeraum (24) mit ei
nem Wärmetauscher (100) zur Zwischenkühlung der enthal
tenen Luft gekoppelt ist.
17. Gasgenerator-Anlage mit einem Freikolben-Gasgenerator
nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß dem Freikolben-Gasgenerator (1) ein Turbo
verdichter (86, 104) vorgeschaltet ist, wobei die vom
Turboverdichter (86, 104) vorverdichtete Luft dem Frei
kolben-Gasgenerator (1) zumindest teilweise zugeführt
wird und eine Abgasturbine (90, 108) nachgeschaltet ist,
wobei der Turboverdichter (86, 104) von der Abgasturbine
(90, 108) angetrieben ist.
18. Gasgenerator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß der Turboverdichter (86) eine Luftstrommassenrege
lung umfaßt und vorzugsweise ein Axialverdichter mit
verstellbaren Leitschaufeln (114) ist.
19. Gasgenerator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß dieser eine Raketenbrennkammer (98) umfaßt, der Tur
boverdichter (86) eine Luftstrommassenregelung umfaßt
und ein Teil der vom Turboverdichter (86) erzeugten
Druckluft dem Freikolben-Gasgenerator (1) und der Rest
der Raketenbrennkammer (98) zugeführt wird.
20. Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff Wasserstoff
ist.
Priority Applications (1)
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DE1996125182 DE19625182A1 (de) | 1996-06-24 | 1996-06-24 | Rechnergesteuerter Gasgenerator |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1996125182 DE19625182A1 (de) | 1996-06-24 | 1996-06-24 | Rechnergesteuerter Gasgenerator |
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Publication Number | Publication Date |
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DE19625182A1 true DE19625182A1 (de) | 1998-01-08 |
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