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Regelverfahren für Freiflugkolben-Treibgaserzeuger und Eiurietttung hiezu.
Motorkompressen, bei denen die Kolben von Motor und Verdichter starr miteinander verbunden ein freisehwingendes Massensystem bilden, sind bekannt. Es ist auch bereits bei solchen Freiflugkolben-
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Hub der Flugmasse durch Veränderung der im Verdichter herrschenden Drücke (des Ansaugedruckes oder des Ausschubdruckes oder beider Drücke) zu regeln ; ferner ist es bekannt, Freiflugkolben-Motorverdichter als Treibgaserzeuger zu verwenden, bei denen die vom Verdichter geförderte Druckluft ganz oder zum Teil als unter verhältnismässig hohem Druck stehende Spül-und Ladeluft dem Motor zugeführt wird und die den Motor verlassenden Abgase (Verbrennungsgase und überschüssige Spülluft) einer Sekundärmaschine, z. B. einer Kolbenmaschine oder einer Turbine, als Treibmittel zugeführt werden.
Erfindungsgemäss werden nun auch bei derartigen Freiflugkolben-Treibgaserzeugern, bei welchen die vom Verdichter geförderte Druckluft ganz oder teilweise als Spül-und Ladeluft für den Motor dient, zwecks Regelung des Arbeitsinhaltes des vom Motor gelieferten Treibgases der Saug-und der Förderdruck des Verdichters geändert, u. zw. so, dass das Verhältnis dieser beiden Drücke (nachfolgend "Ver- dichterdruckverhältnis"genannt) wenigstens angenähert konstant bleibt.
Die Anwendung dieses Regelverfahrens hat bei solchen Treibgaserzeugern die Wirkung, dass auch das Druckverhältnis im Motor (Spül-und Ladedruck : Verdichtungsenddruck) wenigstens angenähert konstant bleibt. Wird beispielsweise der Saugdruck des Verdichters bei gleichbleibendem VerdichterDruckverhältnis herabgesetzt, so verringert sieh auch der Förderdruck entsprechend ; infolge der verringerten Drücke wird auch beim Rückhub die durch Expansion der im Verdichter-Totraum verbliebenen Druckluft freiwerdende Rückführarbeit kleiner ; da mit dem Verdichter-Förderdruck aber auch der Spülund Ladedruck (und somit die Menge) der Motorladung (konstantes Ladevolumen mal Dichte der Ladung) herabgesetzt wurde, so genügt doch die verringerte Rüeklaufarbeit, um diese verringerte Motor-Ladungsmenge im etwa gleichen Druckverhältnis, wie es vorher im Motor herrsche, zu verdichten.
Da es bei Motoren mit Verdichtungszündung, wie sie zum Antrieb von Freiflugkolbenverdichtern üblich sind, auf die Erreichung einer bestimmten Endtemperatur der verdichteten Ladeluft ankommt, diese aber im wesentlichen vom Druckverhältnis abhängt, so ist die durch die Erfindung gegebene Möglichkeit, dieses Druckverhältnis im Motor wenigstens angenähert konstant zu halten, für den ungestörten, einwandfreien Betrieb eines in weiten Grenzen regelbaren Freiflugkolben-Treibgaserzeugers von ausschlaggebender Bedeutung.
Die Herabsetzung von Saug-und Förderdruck und damit der Motordrücke bei Teilbelastungen führt gleichzeitig zu einer wesentlichen Verminderung der Zahl der Arbeitsspiele in der Zeiteinheit, also zu einer weiteren Leistungsregelung des Freiflugkolben-Treibgaserzeugers, so dass bereits verhältnismässig kleine Druckänderungen bedeutende Änderungen der gelieferten Treibgasmenge zur Folge haben.
Hat der Verdichterkolben einen grösseren Durchmesser als der Motorkolben, so ist auf der Rückseite des Verdichterkolbens eine Differenzfläche gleich dem Unterschied von Verdichterkolbenfläche und Motorkolbenfläche vorhanden ; der auf dieser Fläche lastende Druck ergibt auf dem Rückhub eine Arbeitsaufnahme, um deren Betrag die für die Verdichtung der Motorladung beim Rückhub verfügbare Arbeit verringert wird. Wenn also durch Regelvorgänge der Betrag der im Verdichter freiwerdenden Rücklaufarbeit sich ändert, so muss auch im gleichen Sinne der von der Verdichterkolbenrückseite auf-
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haltenden Druckverhältnis ermöglicht.
Erfindungsgemäss wird daher weiterhin vorgeschlagen, die Ver- dichterkolben-Rüekseite mit dem zu regelnden Verdichtersaugdruck zu belasten. Dieser Druck kann entweder als konstante Belastung unveränderlich während des ganzen Hubes wirken oder den unteren oder den oberen Enddruck einer Kompressions-Expansionslinie bilden.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung noch näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt als Beispiel einen Freiflugkolben-Treibgaserzeuger gemäss der Erfindung schematisch im Längsschnitt ; die Fig. 2-5 zeigen für je zwei Regelzustände Druck-Volumen-Diagramme der verschiedenen Verdichtungsräume.
Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform eines besonderen Steuergliedes im Schnitt.
Der Freiflugkolben-Treibgaserzeuger gemäss Fig. 1 besitzt einen Motorzylinder 1, in welchem aus Gründen des Massenausgleiches zwei gegenläufige Kolben 2,2 arbeiten ; jeder dieser Motorkolben, von denen der eine die Spülschlitze 3, der andere die Auspuffschlitze 4 steuert, ist mit einem Verdichterkolben 5 starr verbunden. Diese Verdichterkolben arbeiten in gleichachsig zum Motorzylinder 1 angeordneten Verdichterzylindern 6, welche mit Saugventilen 7 und Druckventilen 8 versehen sind.
Wenn die beiden Flugmassen 2, 5 sich einander genähert haben und die zwischen den Motorkolben 2 eingeschlossene Ladeluftmenge verdichtet ist, wird durch eine Brennstoffzufuhr-Einrichtung, z. B. eine Düse 9, Brennstoff in diese Luftladung eingespritzt ; die bei der nun einsetzenden Verbrennung entstehenden Brenngase treiben die Flugmassen auseinander (Arbeitshub). Dabei findet in den Verdichterzylindern zunächst eine Verdichtung des Zylinderinhaltes vom Druck pi auf den Druck P2 gemäss Linie j-i B und dann der Ausschub der verdichteten Luft gemäss Linie B 0 (Fig. 2) statt. Nach Freilegung der Spülund Auspuffschlitze 3, 4 durch die Motorkolben 2 kommen die Flugmassen zum Stillstand.
Die in den Toträumen der Verdichterzylinder 6 verbliebene Druckluft vom Druck P2 treibt nun, gemäss Linie C D (Fig. 2) bis auf den Ansaugedruck pi expandierend, die Flugmassen wieder aufeinander zu (Rückhub), wobei auf dem restlichen Rückhub (Linie D A) neue Luft in die Verdichterzylinder über die Saugventile 7 eingesaugt wird. Die während des Arbeitshubes über die Druckventile 8 ausgeschobene Druckluft strömt
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verdrängt dabei die Motorabgase durch die Auspuffschlitze 4 und füllt den Motorzylinder mit einer Frischluftladung vom Druck p-In der an die Auspuffschlitze 4 des Motors sieh anschliessenden Abgasleitung 11 ist ein Druckregelglied 20 vorgesehen, welches den Spüldruck im Motor und damit den Ausschubdruck pu im Verdichter bestimmt.
Die durch die Auslassschlitze 4 austretenden Treibgase (Abgase und überschüssige Spülluft) werden einer nicht dargestellten Sekundärmaschine, z. B. einer Turbine, zugeleitet, um dort Arbeit zu leisten.
Zwecks Regelung der vom Treibgaserzeuger gelieferten Treibgasmenge und ihres Arbeitsinhaltes werden Ansaugdruck pi und Förderdruck P2 im Verdichter verändert. Zur Veränderung des Ansaugdruckes ist beispielsweise an jedem Verdichter-Ansaugstutzen. M je ein Drosselschieber 12 vorgesehen, der von Hand oder selbsttätig, etwa in Abhängigkeit von der Belastung der Sekundärmaschine, verstellbar ist. Bei gedrosseltem Einlass, d. h. bei kleinem Ansaugedruck p'i, ergibt sich das in Fig. 2 mit gestrichelten Linien gezeichnete Verdichterdiagramm A : B'0'D'A : mit dem Förderdruck p'z.
Die Veränderung des Förderdruckes derart, dass das Verdichter-Druckverhältnis angenähert konstant bleibt, erfolgt mittels des in der Leitung 11 vorgesehenen Druckregelgliedes 20, welches in Fig. 6 im Schnitt dargestellt ist.
Die Abgasleitung 11 wird durch einen mit einer Durchtrittsöffnung 21 versehenen Schieber 22 verschlossen, der durch einen Steuerkolben 23 betätigt wird. Die Gase in Leitung 11 treten durch eine Bohrung 24 unter die untere ringförmige Steuerkolbenfläche 25, so dass diese also mit dem Druck der aus dem Motorzylinder austretenden Verbrennungsgase und der überschüssigen Spülluft (d. h. mit dem Druck P2 bzw. P'2) belastet ist, während die obere Steuerfläche 26 des Kolbens 23 unter dem Saugdruck pi bzw. p'l steht, da der Raum über dem Steuerkolben 23 mittels Leitung 27, 17 mit dem Saugraum 18 verbunden ist.
Der auf der Schieberfläche 28 S lastende Atmosphärendruck wird durch die den Kolben 23 von oben belastende Feder 29 aufgehoben, wobei die Feder so bemessen ist, dass ein geringer Kraftüber- schuss bestrebt ist, das Druckregelglied 22,23 nach unten in die Abschlussstellung zu schieben. Das Flächenverhältnis der beiden Steuerflächen 25 und 26 ist nun so gewählt, dass bei Erreichung des Druckes P2 das Druckregelglied gegen den Druck pi auf der Kolbenoberseite angehoben wird.
Ist aber der Saugdruck beispielsweise auf p'i abgedrosselt, so genügt schon der entsprechend geringere Förderdruck P'2, um das Druckregelglied zu öffnen, so dass also das Verhältnis der Drücke pi : p2 immer angenähert konstant bleibt, da das Flächenverhältnis ungefähr im umgekehrten Verhältnis dieser Drücke steht.
Abgase und überschüssige Spülluft gelangen über die Rohrleitung 30 zu der nicht dargestellten Sekundärmaschine, z. B. einer Turbine.
Im Diagramm nach Fig. 2 ist die den Rückhub bewirkende, im Verdichterzylinder freiwerdende
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und im Falle der herabgesetzten Drücke p'1, p'2 durch die bedeutend kleinere Fläche C', D', A', F, E, 0' dargestellt. Gemäss Fig. 3 beginnt im ersten Fall (hohe Verdichterdrücke) die Verdichtung im Motor
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zylinder beim Druck Pa und endet beim Druck P3, die Verdichtungsarbeit ist durch die Fläche G, H, J, K, G dargestellt ; im zweiten Falle beginnt die Verdichtung im Motorzylinder bei dem niedrigeren Druck p' ; ; und endet beim Druck P'3 ; dementsprechend ist auch eine kleinere Verdichtungsarbeit, entsprechend der Fläche G', H', J, K, G'aufzuwenden.
Das Verdichtungsverhältnis im Motor (im ersten Falle p3 : pa und im zweiten Falle P/3 : p'a) ist demzufolge in beiden Fällen wenigstens angenähert gleich gross, d. h. es bleibt bei Änderungen des Verdichter-Anfangsdruekes praktisch konstant.
Wenn der Verdichterkolben 5 einen grösseren Durchmesser als der Motorkolben 2 hat, so dass an der Rückseite 13 des Verdichterkolbens 5 eine wirksame Kolbenfläche gleich der Differenz von Verdichterund Motorkolbenfläche verbleibt, so muss diese Differenzfläche beim Rückhub eine Verdrängungsarbeit leisten, welche von der im Verdichterzylinder freiwerdenden Eücklaufarbeit C, D, 1, F, E, C abzuziehen ist, um die für die Kompression der Motorladung verfügbar verbleibende Arbeit zu erhalten.
Um nun bei Regelvorgängen, d. h. bei Veränderung der im Verdichter auftretenden Drücke und der vom Verdichter zu leistenden Rückführarbeit dennoch das erstrebte Ziel, ein konstant bleibendes Druckverhältnis im Motor zu erreichen, wird weiterhin erfindungsgemäss vorgeschlagen, die Differenzfläche ebenfalls mit einem regelbaren Druck, z. B. dem Ansaugdruck dcs Verdichters, zu belasten. In den beiden betrachteten Regelfällen ergeben sich dann gemäss Fig. 4 verschieden grosse Beträge für die von der Differenzfläche zu leistende Verdrängungsarbeit, u. zw. im ersten Fall (Belastung mit dem Verdiehteransaugdruckpj)
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Motor : P3) wenigstens angenähert konstant.
Zur Verwirklichung dieser Betriebsweise braucht man beim Gegenstand nach Fig. 1 nur den von der Differenzfläche 13 bestrichenen Raum 14 durch eine Leitung in ständige Verbindung mit dem zwischen dem Drosselschieber 12 und den Saugventilen 7 liegenden Raum 18 zu bringen.
An Stelle einer über den ganzen Hub gleichbleibenden Belastung der Differenzfläehe 1, 3 gemäss Linie L ill bzw. L'M'kann auch eine in ihrer Stärke nach bestimmten Gesetzen sich ändernde Belastung, z. B. eine abwechselnde Kompression und Expansion des Gasinhalts von Raum-M, etwa gemäss Fig. 5 nach Linie L, Q für den ersten und nach Linie L'Q'für den zweiten der oben genannten Regelfälle vorgesehen werden.
Zu diesem Zweck wird mit dem Verdichterkolben 5 ein Steuerschieber 19 verbunden, der eine in der Zylinderwand vorgesehene und durch Leitung 17 mit dem Saugraum 18 verbundene Öffnung 16 freilegt, wenn die Flugmasse ihre äussere Hubendstellung (Ende Arbeitshub bis Beginn Rückhub) erreicht hat ; es wird so erreicht, dass bei dieser Endstellung im Raum 14 derselbe Druck herrscht wie im Raum 18 ; nach Abschluss der Öffnungen 16 bei Beginn des Rüekhubes findet dann gemäss Linie L Q bzw. L'Q'eine
Verdichtung im Raum 14 statt, während auf dem folgenden Arbeitshub jeweils eine Expansion nach der gleichen Linie vor sich geht.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel bildet also der Verdichter-Saugdruck p1 den unteren Enddruck
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Raum 18 nicht, wie oben, während der äusseren Kolbentotlage (Ende Arbeitshub, Anfang Rückhub), sondern während der inneren Totlage (Ende Rückhub, Anfang Arbeitshub) in Verbindung steht ; wenn aber der Förderdruck Pa als Enddruck gewählt wird, so ist während der inneren Totlage der Raum 14 mit der Verdichterförderleitung 10 in Verbindung zu bringen.
Die durch die Düse 9 dem Motorzylinder je Arbeitsspiel zuzuführende Brennstoffmenge ist ent- sprechend der erfindungsgemäss regelbaren Luftmenge im Motorzylinder zu bemessen. Die Regelung der Brennstoffmenge kann in bekannter Weise ebenfalls in Abhängigkeit von den Regeldrücken (Ansaugdruck pi oder Förderdruck p) beeinflusst werden.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Regelverfahren für Freiflugkolben-Treibgaserzeuger, bei welchen die im Verdichter erzeugte Druckluft als Spül-und Ladeluft für den Motor dient, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Regelung des Arbeitsinhaltes des vom Motor gelieferten Treibgases Saug-und Förderdruck im Verdichter bei angenähert konstant bleibendem Verhältnis beider Drucke geändert werden, so dass auch das Druekverhältnis im Motor angenähert konstant bleibt.