DE19625182A1 - Rechnergesteuerter Gasgenerator - Google Patents

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.

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.