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Regelverfahren ffir Kraftmaschinenanlagen.
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kraftmaschine, insbesondere mit demjenigen, bei welchem ein dampf-oder gasförmiges Treibmittel in geschlossenem Kreislaufe verwendet wird, verlangt im Hinblick auf die Verschiedenartigkeit der Charakteristik der Fahrzeugantriebsmaschine und der Verbrennungskraftmaschine besondere Massnahmen. Wenn ausserdem noch Behälter oder Speicher in den Kreislauf eingeschaltet sind, so muss auch deren Betrieb (Auf-und Entladung) mit der Regelung des ganzen Systems in möglichst zweckmässiger Weise verbunden werden.
Eine weitere wesentliche Forderung bei derartigen Regelverfahren ist, dass die Tätigkeit des Führers auf die Handhabung möglichst weniger Organe konzentriert wird und die übrigen Organe teilweise damit mechanisch oder automatisch verbunden werden müssen oder nur sekundären Charakter haben sollen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein derartiges Regelverfahren, das den oben ange-
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die Füllungssteuerung bzw. Umsteuerung der Fahrzeugantriebsmaschine in der bisherigen, im Lokomotivbetriebe allgemein üblichen Weise benutzt wird. Je nach dem Leistungsbedarf wird dieselbe mehr oder
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anderseits, ist die Menge des im Kreislauf umlaufenden Treibmittels bedingt. Es liegt im Wesen des Fahrbetriebes, dass die Änderungen dieses Verbrauches häufig, rasch wechselnd und in weiten Grenzen auftreten und es ist, um den Ausgleich zwischen der elastischen Fahrzeugmaschine und der weniger elastischen Verbrennungskraftmaschine herzustellen, eine gewisse Kapazität in die Verbindung beider Teile zu verlegen. Bei dampf-oder gasförmigem Treibmittel kann das in der Gestalt der obenerwähnten
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aufzunehmen bzw. in denselben abzugeben.
Es ist nun einerseits möglich, diese Kapazitäten in eine Abzweigung des Kreislaufes zu schalten und die Verbindung durch zweckmässige Überströmungs-bzw. Drosselorgane herzustellen oder anderseits dieselben in den Kreislauf direkt oder in ständiger Verbindung mit demselben zu verlegen. Bei einer derartigen Verbindung werden die Druckgrenze des Kreisprozesses bis auf das Leitungsgefälle mit denjenigen der Speicher übereinstimmen.
Es ist nun möglich, durch Druckänderung dieser Sammler neben der obenerwähnten ausgleichende Elastizität noch die weitere Aufgabe zu lösen, in sinngemässer Weise auf die Drehzahl-, Leistungs-und Fordermengeregelung der Verbrennungskraftmaschine mit dem gekuppelten Verdichter einzuwirken und derart die durch das Primärorgan (die Fahrzeugmaschine oder deren Steuerung) eingeleitete Änderung gedämpft auf das
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auf dem Wege der direkten Einwirkung des Druckes auf die betreffenden Regelorgane erfolgen oder indirekt durch die damit verbundene Veränderung des Widerstandsmomentes.
In der Zeichnung sind in den Fig. 1 und 2 zwei verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindung gegenstandes bei Verwendung von Dampf als Treibmittel schematisch dargestellt. Die Fig. 3 und 4 zeigen Einzelheiten in grösserem Massstab, Fig. 5 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise.
An Stelle des Dampfes kann aber auch ein gasförmiges Treibmittel treten, ebenso behält das Regelverfahren seine Anwendbarkeit, wenn der geschlossene Kreislauf geöffnet wird, wie etwa bei Druckluftbetrieb mit der freien Atmosphäre als unterem Speicher, oder bei Dampfmaschinen mit Auspuffbetrieb, wobei der Niederdruckspeicher lediglich nur als Dampferzeuger für den Verdichter dient. Die Anwendung ist nicht nur auf Fahrzeuge oder Lokomotiven beschränkt, wie hier beispielsweise herangezogen, sondern ist auch bei allen anderen beweglichen oder ortsfesten Anlagen möglich (z. B. Schiffs- antriebe, Förderanlagen, Walzwerkantriebe usw. ), bei welchen zur Energieübertragung in offenem oder geschlossenem Kreislaufe ein durch Verdichtung auf höheren Druck gebrachtes gas-oder dampfförmiges Treibmittel verwendet wird.
In Fig. 1 bedeutet 1 die Verbrennungskraftmaschine, 2 den damit direkt gekuppelten Verdichter.
Das durch die Leitung 3 angesogene und in 2 verdichtete Treibmittel gelangt durch die Leitung 4 in den Hochdruckbehälter 5, welcher z. B. durch die Leitungen 6,7 und 8 mit dem Hochdruckspeicher 9 in Verbindung steht. 10 ist ein Absperrventil, das den Hochdruckspeicher abzuschalten gestattet, H ein ähnliches, gegebenenfalls selbsttätig wirkendes Organ, das bei zu tiefer Absenkung des Druckes (etwa als Folge einer dauernden Überlastung der Maschine) den Hochdruckspeicher von der Förderung ausschaltet und dessen zuweitgehende Entladung, also auch die zu tiefe Einstellung des Druckes in der Oberstufe des Kreises verhindert.
Allenfalls können die beiden Organe 10 und 11 vereinigt werden. 12 und13 sind zwei Rückschlagventile, welche je nach der Richtung des Dampfstroms (in der Verbindung zwischen Kreislauf und Speicher) in Funktion treten und beim Laden den Dampf in den Wasserraum führen bzw. beim Entladen aus dem Dampfraum abströmen lassen. Die zwei Behälter 5 und 9 können auch vereinigt und entweder durch die Abgase des Motors, oder durch eine besondere Feuerung geheizt werden. 14 und 15 sind zwei Überhitzer zur Überhitzung des vom Verdichter gelieferten bzw. aus dem
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Speicher entnommenen Treibmittels. Die Überhitzer können in gleicher Weise wie die Speicher beheizt werden bzw. kann 15 in bekannter Weise auch als Überhitzungsspeicher ausgebildet sein.
Aus dem Behälter 5 gelangt der Dampf durch die Leitung 16 zur Fahrzeugmaschine 17, welche hier beispielsweise als umsteuerbare Dampfmaschine angenommen ist. In dieser Leitung kann noch ein dem Regler der Dampflokomotive analoges Absperr-und Drosselorgan 18 angebracht sein. Der Abdampf der Maschine wird durch die Leitung 19 und durch den Ölabscheider 20 dem Niederdmckbehä1ter 25 zugeführt. Ventil 21
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(in ähnlicher Weise wie Hochdruckbehälter und Hochdruekspeicher) verbunden oder mit demselben vereinigt sein. Diese Gruppe kann ebenfalls durch eine besondere Wärmequelle oder durch die Motorabgase beheizt werden.
Der Führer bedient während der Fahrt nur die Steuerung der Fahrzeugmaschine 17 und ändert dadurch in gleichzeitiger Abhängigkeit mit der Geschwindigkeit die aufgenommene Treibmittelmenge.
Der Verdichter fördert, der früheren Belastung entsprechend, weiter, die Gleichheit zwischen geförderten und aufgenommener Menge des Treibmittels ist gestört und der Druck wird auf der Ober-und Unterstufe bzw. in den Speichern entsprechend dem Mehr-oder Minderverbrauch steigen oder sinken. Bei steigendem Druck in der Oberstufe fliesst ein Teil des geförderten Treibmittels durch 10, 6,7, 12 in den Hochdruckspeicher ab und erhöht allmählich dessen Druck, bei sinkendem Druck wird umgekehrt auf dem Wege 1. 11, 11, 8, 6, 10 Dampf aus dem Hochdruckspeicher in den Kreislauf treten und der Speicherdruck sinken.
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druekstufe, da die vom Verdichter abgesogene und die durch die Maschine rückkehrende Menge verschieden sind.
Der im Behälter 5 oder Hochdruckspeicher 9 geänderte Druck wird nunmehr auf die Regelung der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Verdichters durch die Leitungen 23 und 24 übertragen, u. zw. wird der steigende Druck, als Zeichen einer überschüssigen Förderung, eine Drehzahlverminderung des Aggregates bzw. Fördermengenverminderung des Verdichters (in an sich bekannter Weise durch Abschaltung von Verdichterseiten, Aussetzer, Zuschalten von schädlichen Räumen, Drosselung in der Saugleitung, Veränderung des Kompressionsbeginnes durch Rückströmen in die Saugleitung usw. ) bewirken. Umgekehrt wird der sinkende Druck im Hochdruckbehälter oder Speicher als Zeichen einer ungenügenden Förderung eine Drehzahlerhöhung bzw. Steigerung der Verdichterförderung hervorrufen.
In zweckmässiger Weise wird man die beiden Einwirkungen miteinander verbinden bzw. nacheinanderschalten können, etwa in folgender Weise :
Die Verminderung der Verdichterförderung durch Beeinflussung der Verdichterzylinder ist mit einer Verminderung des widerstehenden Drehmomentes, also auch der Kraftmaschinenbelastung, verbunden. Bekanntlich arbeitet aber die Verbrennungskraftmasehine bei Teillast weniger wirtschaftlich.
Die Wirtschaftlichkeit bleibt dagegen unverändert günstig, wenn man die Leistungs-und Fördermengen- änderung bei unverändertem grössten Drehmoment durch Drehzahlverminderung erzeugt. In erster Linie wird man also die Druckänderung der Behälter durch die Leitung 23 auf die Drehzahländerung der Verbrennungskraftmaschine einwirken lassen. Dem niedrigsten Betriebsdruck im Hochdruckspeicher (Speicher ganz entladen) wird also die höchste Drehzahlstel'ung des Reglers entsprechen und mit steigendem Druck des Speichers die Drehzahl stetig vermindert werden. Bei einem beliebig einstellbaren erhöhten Oberdruek, z.
B. drei Viertel der Aufladung des Hoehdruckspeichers entsprechend, wird die niedrigste Drehzahl eingestellt und bei weiterer Drucksteigerung des Hochdruckspeichers, also noch bestehendem Überschuss an Förderung, wird die Einwirkung des Druckes bei unveränderter Drehzahl durch die
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abgeschaltet. Der festgesetzte Höchstdruck im Speicher bzw. Kreislauf würde dieserart die Nullförderung einstellen und bei niedrigster Betriebsdrehzahl den Leerlauf herbeiführen.
Die Anpassung der Verbrennungskraftmaschine an die durch die Druckänderung der Ober-und Unterstufe bzw. durch die Änderung der Verdichterförderung hervorgerufenen Schwankungen des Drehmomentes erfolgt in bekannter Weise durch den Geschwindigkeitsregler (Fig. 3). Derselbe oder ein getrennter Sicherheitsregler verhindert auch das Überschreiten der Höchstdrehzahl.
Nachdem Druckänderungen im Hochdruckbehälter oder Hochdruckspeicher in umgekehrter und sinngemässer Weise mit Änderungen des Druckes im Niederdruekbehälter 25 bzw. Niederspeicher 26 verbunden sind, können in gleichartiger Weise auch diese Änderungen zur Regelung in obengeschilderter Art herangezogen werden.
Gemäss Fig. 2, in welcher die Hauptteile des Kreislaufes gleich mit jenen in Fig. 1 bezeichnet sind, erfolgt die Drehzahländerung der Verbrennungskraftmaschine durch die mit dem veränderlichen Druck im Kreislauf verbundene Änderung des Widerstandsmomente3. Der Geschwindigkeitsregler (Fig. 4) der Verbrennungskraftmaschine ist seiner üblichen Funktion, der Regelung der Zufuhr des Brennstoffes in den Zylinder enthoben. Die Gasmenge oder Einspritzung wird von Hand aus fest eingestellt (Hebel 26) und dadurch ein bestimmtes Antriebsmoment und bei dem gegebenen Ansaugedruck (Druck im Niederdruckbehälter) ein eindeutig zugeordneter Verdichtungsenddruck für den Beharrungszustand festgelegt.
Solange dieser Druck auf der Oberstufe (zwischen 2 und 17) nicht vorhanden ist, beschleunigt sich die
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Abfliessen des verdichteten Treibmittels ist durch die Füllung der Fahrzeugmasehine 17-und deren
Geschwindigkeit bedingt, die Förderung durch die Drehzahl der Verdichtergruppe. Es wird sich also innerhalb weiter Grenzen die Drehzahlanpassung an den Bedarf durch selbsttätige Regelung abspielen können. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit bzw. der Füllung der Fahrzeugmaschine bedeutet eine vergrösserte Schltekfähigkeit, also ein Sinken des Oberdruckes unter entsprechender Verminderung des Widerstandsmomentes.
Durch das überschüssige, festgelegte Antriebsmoment beschleunigt sich das Aggregat, bis die Förderung unter Wiederherstellung des Oberdruckes dem erhöhten Bedarf angepasst ist.
Verminderte Füllung oder Geschwindigkeit erzeugt eine Stauung auf der Oberstufe, Druckerhöhung, erhöhtesWiderstandsmomentuhd dieAntriebsmaschine wird verzögert, bis durch die verminderte Förderung die Stauung zurückgeht und unter Wiederherstellung des Oberdruckes ein Beharrungszustand bei einer entsprechend erniedrigten Drehzahl erreicht wird.
Wird bei der niedrigsten zugelassenen Betriebsdrehzähl die Förderung noch immer zu hoch, dann werden durch den Handhebel 26 die Verdichterseiten sukzessive abgeschaltet und gleichzeitig wird die
Brennstoffzufuhr zur Verbrennungskráftmaschine verstellt. Der Verminderung der Anzahl der wirk- samen Zylinder des Verdichters (oder einer sonstwie geänderten Förderung desselben) entspricht auch ein vermindertes mittleres Widerstandsmoment.
Durch Hebel 26 kann willkürlit h die Brennstoffzufuhr in der Weise verändert werden, dass durch die jeweilige veränderte Förderung des Verdichters das Antriebsmoment so mitverähdert wird, dass dabei der Verdichtungsdruck unverändert erhalten bleibt, oder es kann eine verminderte oder vermehrte Brennstoffzufuhr eingestellt werden, wodurch je nach Wunsch, bei verminderter Belastung der Oberdruck allmählich erniedrigt oder erhöht wird. Der einen Endstellung des Verstellhebels 26 wird die vollständige Ausschaltung des Verdichters, also die Leerbelastung, unter gleichzeitiget Verringerung des Brennstoffes entsprechen. Die Brennstoffzufuhr kann dabei so abgestimmt sein, dass der Leerlauf bei beliebig eingestellter Drehzahl, also etwa bei niedrigster Betriebsdrehzahl, stattfindet.
Der anderen Endstellung entspricht die grösste der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Brennstoffmenge.
Die Mitwirkung des Hoehdruckspeichers soll dann herangezogen werden, wenn die Leistung der Verdichtergruppe auch bei Höchstdrehzahl nicht mehr ausreicht.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass die Zuschaltung des Speichers erst bei oder in der Nähe der Höchstdrehzahl erfolgt. Der Regler 29, welcher im Bereiche der oben ausgeführten automatischen Regelung zwar mitgeht, aber nicht einwirkt, öffnet allmählich und nach einem bestimmten Gesetz das Verbindungsventil , vermittels der Leitung 28 (mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben). Ist der Druck im Hoehdruckspeieher genügend hoch, so wird durch das Rückschlagventil. M Dampf in den Kreislauf treten, andernfalls bliebe 13 geschlossen. Eine zuweitgehende Entleerung des Hochdruckspeichers, unter dem Oberdruck des Kreislaufes, ist also unmöglich.
Mit sinkender Drehzahl, d. h. Rückgang des Bedarfes, schliesst das Speicherentladeventil 11 selbsttätig durch den fallenden Regler. Ein Wiederaufladen kann selbsttätig eingeleitet werden, sobald die Drehzahl genügend tief gesunken ist, d. h. ein entsprechender Leistungsüberschuss zur Verfügung steht. Der fallende Regler wirkt bei einer beliebig einstellbaren Drehzahl durch die Verbindung 30 auf das in der Ansaugleitung des Verdichters befindliche Ventil 29 ein. Durch Drosselung des Ansaugedampfes von pi auf p/wird-unverändertes Antriebsmoment und gleiches Ansaugvolumen vorausgesetztder durch den Verdichter erzeugte Enddruck erhöht, wie aus der Flächengleichheit des Diagrammes (Fig. 5) ersichtlich ist, der erhöhte Enddruck pus'fahrt zur Aufladung des Hochdruckspeichers auf dem Wege 10, 6, 7, 12.
Sobald der Hochdruckspeicher den höchsten vorgesehenen Druck erreicht hat, wird die Drosselung der Unterstufe von Hand aus oder durch die Verbindung 30 unter Einfluss des Druckes selbsttätig unterbrochen.
Es ist auch zweckmässigerweise eine Hahdverstellung der Ventile und 29 vorgesehen, um das Ent-bzw. Aufladen des Speichers willkürlich auch bei anderer als der durch die oben erklärt Reglerverbindung festgelegten Drehzahl einleiten zu können.
Der Fliehkraftregler, der vorläufig nur zur Ent-und Aufladung des Speichers herangezogen wurde, kann auch als Sicherheitsregler ausgebildet werden, um bei einer Drehzahlsteigerung über den zugelassenen
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und kann schliesslich auch so ausgebildet werden, dass ein Steckenbleiben der Verbrennungskraftmaschine infolge Unterschreitung der niedrigsten Betriebsdrehzahl unmöglich wird. Der Fall könnte eintreten, wenn die Energieaufnahme der Fahrzeugmasehine bei gleichzeitig schon vollgeladenem Hochdruck-
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die anhaltende Stauung auf der Hoehdruekstufe sinkt die Drehzahl unter den zulässigen Kleinstwert, worauf der Regler durch die Verbindung 31 die Brennstoffzufuhr der Verbrennungsw ! tftmaschine erhöht.
Diese Erhöhung ist so zu bemessen, dass bei dem dadurch gesteigerten Antriebsmoment der Ver- diehtungsdruek mögliehst genau den Wert erreicht, bei welchem die Sicherheitsventile auf der Hochdruekstufe abblasen. Die abblasenden Ventile können selbsttätig auf die Verdichtersteuerung einwirken und die Förderung entsprechend mindern oder dem Führer ein Zeichen sein, dass er diese Verstellung vornehme.
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Die zwei Anordnungen geben zwei Beispiele, gemäss welchen der Druck bzw. die Druckänderung in der Ober-oder Unterstufe des Kreislaufes zur Regelung der Motorkompressorgruppe herangezogen wird. Es können natürlich auch sinngemässe Kombinationen der beiden Verfahren ausgeführt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Regelverfahren für Kraftmasehinenanlagen, bei welchen ein gas-oder dampfförmiges Treib- mittel durch eine weniger elastische und weniger leicht umsteuerbare, aber wirtschaftlich arbeitende Kraftmaschine (Brennkraftmaschine) verdichtet und in einer elastischen und leicht umsteuerbaren Kraftmaschine (Dampfmaschine) zur Arbeitsleistung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Verstellung und Regelung in an sich bekannter Weise an der Arbeit nach aussen abgebenden Maschine erfolgt und die Mitregelung der Verdichtergruppe durch die Druckänderung in der Oberstufe oder in der Unterstufe, insbesondere durch die Druckänderung in den in den Kreif\lauf eingeschal1ptpn Behältern bzw. Speichern erfolgt.