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Regelung der Brennstoff- und Verbrennungsluftzuführung bei Heissgaskolbenmaschinen und Vorrichtung hiezu
Es ist eine Heissgaskolbenmaschine bekannt, bei der die Wärmezuführung zum Erhitzer mittels eines Thermostaten geregelt wird. Bei einer Heissgaskolbenmaschine ist die Temperatur des Erhitzers ein Mass für die der Maschine entnommene Leistung. Nimmt die Leistung zu, so sinkt die Temperatur des Erhitzers herab ; nimmt dagegen die entnommene Leistung ab, so erhöht sich die Erhitzertemperatur. Ein Thermostat ist somit ein geeignetes Mittel zur Regelung der Wärmezuführung zum Erhitzer nach Massgabe der der Maschine entnommenen Leistung.
Bei der bekannten Vorrichtung wirkt dieser Thermostat auf eine Regelvorrichtung, die in der Zuführungsleitung der primären Verbrennungsluftfür die Brennervorrichtungliegt ; hinter dieser Regelvorrichtung befindet sich eine Ansaugvorrichtung für flüssigen Brennstoff. In der betreffenden Zuführungsleitung liegtweiterhinnoch einEjektor, mit dessen Hilfe das durchströmende Brennstoff-Luftgemisch sekundäre Verbrennungsluft aus der Atmosphäre ansaugt. Des weiteren ist eine Regelvorrichtung bekannt, bei der die Wärmezufuhr an die Brennervorrichtung mit Hilfe eines am Erhitzer vorgesehenen Thermostats, der mit einem von dem Arbeitsmitteldruck gesteuerten Druckmesser und mit einem Regelorgan in der Brennstoffzuführungsleitung zusammenarbeitet, stattfindet.
Des weiteren ist es bei einer Wärmezufuhr- regelung bekannt, einen Thermostat für die Regelung der Wärmezufuhr zu verwenden. In der Praxis ergibt sich, dass bei dieser bekannten Vorrichtung keine hinreichende Sicherheit besteht, dass bei auftretenden Belastungsänderungen der Maschine, die also eine Regelung der Wärmezuführung zum Erhitzer notwendig machen, das Verhält'lis zwischen den der Brennervorrichtung zugeführten Mengen an Brennstoff und Verbrennungsluft konstant bleibt. Ausserdem macht die in dieser Vorrichtung verwendete Brennstoff-Ansaugvorrichtung dieses System nur für eine beschränkte Kategorie flüssiger Brennstoffe brauchbar.
Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteilen zu begegnen.
Die Regelung nach der Erfindung, die sowohl die Zufuhr flüssigen Brennstoffes als die Zufuhr der Verbrennungsluft bei Heissgaskolbenmaschinen regelt, ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung der Drosselklappe in der Zuführungsleitung für die Verbrennungsluft ein hydraulischer Servomotor vorgesehen ist, dessen Steuerventil einerseits durch die Druckschwankungen (bzw. Schwankungen der Durchflussmenge) in der Brennstoffzuführungsleitung und anderseits durch die Druckschwankungen (bzw.
Schwankungen der Durchflussmenge) in der Verbrennungsluftzuführungsleitung betätigt wird, wobei eine Änderung des Brennstoffdruckes (bzw. der Brennstoffmenge) ein Öffnen des Steuerventiles und damit ein Öffnen oder Schlie- ssen der Drosselklappe bewirkt, wogegen die durch dieses Öffnen oder Schliessen bedingte Änderung des Druckes (bzw. der Luftmenge) in der Luftzuführungsleitung ein Schliessen des Steuerventiles und damit ein Wiederherstellen des Ausgangszustandes der Regelvorrichtung bedingt.
Auf diese Weise bekommt man eine kombinierte Regelung der Brennstoff-und Verbrennungsluftzu- führung. Diese Regelung kann in günstiger Weise mit der erfindungsgemässen Vorrichtung realisiert werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein am Erhitzer vorgesehener Thermostat mit einem in der Brennstoffzuführungsleitung vorgesehenen Regelorgan zusammenarbeitet, wogegen in den Zuführungsleitungen für den flüssigen Brennstoff und die Verbrennungsluft Druckdifferenzmesser mit gleichförmigen Kennlinien vorgesehen sind, wobei der in der Brennstoffzuführungsleitung vorgesehene Druckdifferenzmesser auf die zwei Oberflächen eines starr mit dem Steuerventil eines hydraulischen Servomotors gekuppelten Kolbens angreift,
während der in der Zuführungsleitung für die Verbrennungsluft vorgesehene zweite
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Druckdifferenzmesser auf die zwei Oberflächen einer ebenfalls starr mit dem Steuerventil des Servomotors gekuppelten Membran angreift, derart, dass bei einer Druckzunahme in der Brennstoffzufithrungslei- tung bzw. einer Druckabnahme in der Verbrennungsluftzuführungsleitung das Steuerventil in einer Richtung und bei einer Druckabnahme in der Brennstoffzuführungsleitung bzw. einer Druckzunahme in der Verbrennungsluftzuführungsleitung das Steuerventil in der entgegengesetzten Richtung bewegt wird.
In dieser Vorrichtung betätigt der Servomotor eine Drosselklappe in der Verbrennungsluftzuführungsleitung. Die für den Servomotor benötigte Flüssigkeit und Flüssigkeitsdruck wird durch den, in der Brennstoffzuführungsleitung vor dem Druckdifferenzmesser unter konstant gehaltenen Druck sich befindenden, flüssigen Brennstoff geliefert.
Infolge der gleichförmigen Kennlinien der beiden Druckdifferenzmesser weist diese Vorrichtung die Eigenschaft auf, dass zwischen den der Brennervorrichtung zugeführten Mengen an flüssigem Brennstoff und Verbrennungsluft über einen grossen Regelbereich stets nahezu das gleiche und vorgeschriebene Mischverhältnis besteht. Namentlich liegt einer der Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung darin, dass die durch eine Änderung der je Zeiteinheit durch die Brennstoffleitung strömenden Brennstoffmenge herbeigeführte, der neuen Sachlage angepasste, durch die Luftleitung strömende geänderte Luftmenge ihrerseits wieder bewirkt, dass das Regelorgan im hydraulischen System, das als Betätigungsorgan für die Regelmittel in der Luftzuführungsleitung dient, wieder zurückbewegt wird.
Die'Vorrichtung nach der Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass unabhängig von einer etwa auftretenden Zunahme von Leitungswiderständen (z. B. durch Verschmutzung) das vorgeschriebene Mischverhältnis trotzdem aufrechterhalten wird.
Nach dieser Ausführungsform der Erfindung besteht das Arbeitsmittel des in der Vorrichtung vorhandenen Servomotors somit aus dem flüssigen Brennstoff selbst, wobei in der Brennstoffzuführungsleitung Mittel zur Aufrechterhaltung eines konstanten Flüssigkeitsdruckes vorgesehen sind.
Nach einer günstigen Ausführungsform der Maschine nach der Erfindung besitzt der Druckdifferenzmesser in der Leitung für den flüssigen Brennstoff ein oder mehrere mit einer kleinen Öffnung versehene, miteinander in Reihe in der Flüssigkeitsströmung liegende dünne plattenförmige Elemente.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Maschine nach der Erfindung besteht der Druckdifferenzmesser in der Luftleitung aus einem Venturirohr.
Infolge der Anwendung von einem an sich bekannten Venturirohr für diesen Druckdifferenzmesser ist es einfach, denbeidenDruckdifferenzmessern gleichförmige Kennlinien zu geben, was für das angestrebte Ziel, d. h. das Konstanthalten des Verhältnisses flüssiger Brennstoff-Luft innerhalb weiter Grenzen, von Wichtigkeit ist.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
In Fig. 1 ist eine Ausuhrungsform des Brennstoff-Regelsystems nach der Erfindung und in Fig. 2 sind die gleichförmigen Kennlinien der beiden Druckdifferenzmesser schematisch dargestellt.
In Fig. 1 bezeichnet 1 den Kopf einer Heissgaskolbenmaschine, der mit einem Röhrenerhitzer 2 versehen ist. Letzterer ist derart ausgebildet, dass mehrere U-förmig gebogene Rohre einen Verbrennungsraum 3 umgeben. In der Mitte dieses Raumes ist ein Brenner 4 angeordnet, der ein Brennstoffausströmungsstück 5 und ein Luftausströmungsstück 6 enthält, wobei letzteres ersteres bei der Ausströmungsöffnung mantelförmig umgibt. Einfachheitshalber sind bei diesem Brenner nicht die Vorkehrungen dargestellt, die für die Zuführung von Sekundärluft an den Brenner notwendig sind. Weiterhin ist auf einem der Erhitzerrohre der Geber 7 eines Thermostaten angebracht, wobei der Geber 7 und der Regelmechanismus 8 dieses Thermostaten mittels einer Leitung 9 miteinander verbunden sind.
Das Brennstoffausströmungsstück 5 bildet das Ende einer Brennstoffzuführungsleitung 10, in der die durchströmende Brennstoffmenge je Zeiteinheit durch den erwähnten Regelmechanismus 8 des Thermostaten geregelt wird. Das Luftausströmungsstück 6 ist am Ende einer Luftzuführungsleitung 11 angebracht, in der die je Zeiteinheit durchströmende Luftmenge mittels eines als Ventil ausgebildeten Regelorgans 12 geregelt wird, das auf einer festen Welle 13 drehbar ist.
Der flüssige Brennstoff, d. h. Öl, wird aus dem Behälter 20 durch die Leitung 21 hindurch mittels einer Zahnradpumpe 22 herangeführt und durch die Leitung 23 hindurch über den Druckdifferenzmesser 24 und von dort über den Regelteil 8 des Thermostaten der bereits erwähnten Brennstoffleitung 10 zugeführt.
Im Druckdifferenzmesser 24 liegen ein oder mehrere dünne Metallplättchen 25 mit einer Stärke von etwa 0,05 mm, die je eine enge Öffnung 26 mit einem Durchmesser von etwa 1 mm aufweisen.-Infolge des dadurch in der Brennstoffzuführungsleitung 23 entstandenen Widerstandes tritt zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite des Druckdifferenzmessers 24 ein Druckunterschied auf. Die Drücke, zwischen denen diese Differenz besteht, werden über die Leitungen 27 und 28 einem Zylinder 29 zugeführt, in dem ein Kolben 30 mit geringer Reibung und flüssigkeitsdicht hin und her beweglich ist. Der Kolben 30 ist über
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eine Stange 31 mit einem Regelorgan 32 verbunden, das einen Teil eines hydraulischen Systems bildet. Das Regelorgan 32 ist mit zwei umlaufenden schmalen Nuten 33 und 34 und mit einer mittleren breiteren umlaufenden Nut 35 versehen.
An den Zylinder 36, in dem das Regelorgan 32 beweglich ist, schliessen eine Flüssigkeitszuführungsleitung 37 und zwei Flüssigkeitsabführungsleitungen 38a und 38b an, wobeiletztere in die gemeinsame Abführungsleitung 39 münden. Weiterhin schliessen an den Zylinder 36 zwei weitere Flüssigkeitsleitungen 40 und 41 an, die je an einem Ende eines verschlossenen Zylinders 42 ausmünden, in dem ein Kolben 43 flüssigkeitsdicht und mit geringer Reibung beweglich ist. Auf einer an diesem Kolben befestigten Kolbenstange 44 sitzt eine Zahnstange 45, die mit einem Treibrad 46 zusammenwirkt, das mit dem Ventil 12 fest verbunden und somit um die Welle 13 drehbar ist.
In der Luftzuführungsleitung 11 liegt ein Druckdifferenzmesser 47, der als Venturirohr ausgebildet ist.
Vor dem Venturirohr schliesst an die Luftleitung 11 eine Anzapfung 48 an, die an einer Seite einer am Umfang eines Gehäuses 49 gasdicht befestigten Membran 50 in dieses Gehäuse mündet. Beim engsten Durchschnitt des Venturirohres47 ist eine weitere Messstelle 51 vorgesehen, die über eine Leitung 52 an der andem Seite der Membran 50 in das Gehäuse 49 mündet. Die Membran 50 steht über eine starre Verbindung 53 mit dem Regelorgan 32 des hydraulischen Systems in Verbindung.
Das hydraulische System wird bei dieser Ausführungsform über die Leitung 37 aus der Brennstoffzu- führungsleitung 23 gespeist. Die Abführung von Flüssigkeit aus dem hydraulischen System erfolgt über die Leitung 39 in den Behälter 20, aus dem der Brennstoff über die Leitung 21 mittels der Zahnradpumpe 22 an die Brennstoffzuführungsleitung 23 geliefert wird. Um in der Brennstoffzuführungsleitung unabhängig von der Drehzahl der Zahnradpumpe und von der Lage des Regelteiles 8 des Thermostaten einen konstan- tenDruck aufrechterhalten zu können, ist die Leitung 23 mit einem Entlastungsventil 56 versehen, das den hiedurch entweichenden Brennstoff über eine Leitung 57 in den Behälter 20 zurückführt.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt : Wenn die Heissgaskolbenmaschinein einem bestimmten stationären Zustand arbeitet und in einem gegebenen Augenblick die Belastung der Maschine zunimmt, so wird die Wandtemperatur der Rohre des Erhitzers 2 niedriger. Dies hat wieder zur Folge, dass der Geber 7des Thermostaten derart auf dessen Regelorgan 8 einwirkt, dass die Brennstoffzuführung durch diese Regelvorrichtung vergrössert wird, und somit mehr flüssiger Brennstoff durch die Leitung 10 hindurch zum Brennstoffausströmstück 5 des Brenners 4 geführt wird. Folglich zeigt der Druckdifferenzmesser 24 in der Brennstoffzuführungsleitung einen grösseren Druckunterschied zwischen der Eintritts-und Austrittsseite des Brennstoffes an, was wieder zur Folge hat, dass der Kolben 30 im Zylinder 29 sich-über einen bestimmten Abstand nach rechts verschiebt.
Hiedurch wird auch das Regelorgan 32 des. nydraulischen Systems nach rechts verschoben, so dass über die breite umlaufende Nut 35 im Regelorgan eine freie Verbindung zwischen der Zuführungsleitung 37 des Arbeitsmittels dieses hydraulischen Systems und der in die untere Seite des Zylinders 42 mündenden Leitung 41 entsteht. Durch die Zuführung von Arbeitsmittel in die untere Hälfte dieses Zylinders wird der Kolben 43 etwas heraufbewegt ; die sich über diesem Kolben befindliche Flüssigkeit kann über die Leitung 40, die schmale umlaufende Nut 33 im Regelorgan 32 und die Abfährungsleitung 38a durch die Leitung 39 hindurch abgeführt werden.
Infolge der Bewegung des Kolbens 43 ist unter Vermittlung der Stange 44 die Zahnstange 45 heraufbewegt und das Triebrad 46 und somit das Ventil 12 in der Pfeilrichtung, etwas gedreht worden. Hiedurch ist der Widerstand in der Luftleitung 11 kleiner geworden und somit wird durch die Leitung 11 mehr Luft dem Luftausströmungsstück 6 des Brenners zugeführt. Da die Kennlinien der Druckdifferenzmesser 24 und 47 gleichförmig sind, kann erreicht werden, dass in einem weiten Regelbereich das Mischverhältnis Brennstoff- Luft stets praktisch gleich bleibt. Dies sei an Hand der in Fig. 2 dargestellten Kurve näher verdeutlicht. Darin sind als Abszissen die Mengen an Brennstoff und Luft (Ql und Q2) in Volumseinheiten je Zeiteinheit dargestellt, die durch die Brennstoff- und Luftzuführungsleitungen strömen.
Als Ordinaten sind die von den Druckdifferenzmessern gemessenen Druckunterschiedebei verschiedenen durchströmenden Mengen an Brennstoff (AP1) und Luft (AP2) abgetragen. Die mit 61 und 62 bezeichneten Kurven zeigen die Kennlinien dieser Druckdifferenzmesser. Diese Kennlinien, die beide parabolisch sind und ihre Spitzen im Ursprung des Achsensystems haben, sind somit gleichförmig. Folglich bleibt, wie bereits erwähnt, das Verhältnis der je Zeiteinheit durchströmenden Mengen an Brennstoff und Luft stets praktisch gleich.
Der Druckdifferenzmesser 47 hat noch die Aufgabe, das Regelorgan 32 wieder in seine ursprüngliche Lage zurückzuführen. Dies vollzieht sich wie folgt : Infolge der Zunahme der dem Brenner 4 je Zeitein- heit zugeführten Luftmenge hat der Differenzdruck über dem Venturirohr zugenommen. Dieser Differenzdruck wird über die Leitungen 48 und 52 dem Gehäuse 49 zugeführt und bewirkt, dass der Mittelteil der Membran 50 sich nach links verschiebt. Diese Bewegung wird von der Stange 53 auf das Regelorgan 32
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übertragen, so dass auch dieses Organ sich nach links bewegt und die Verbindungen zwischen der Mittelzuführungsleitung 37und der Leitung 41 einerseits und der Leitung 40 und der Mittelabführungsleitung 38a anderseits abgeschlossen wird.
Hiedurch ist die Lage des Kolbens43 fixiert und das Ventil 12 behält damit die neue, weiter geöffnete Lage.
Wird die Belastung der Maschine geringer und nimmt die Temperatur des Erhitzers und somit auch die des Gebers 7 des Thermostaten zu, so vollzieht sich eine ähnliche Aufeinanderfolge von Bewegungen der Hilfsorgane, vorausgesetzt, dass dann das Regelorgan 32 sich zunächst nach links und nachher, wenn die endgültige Lage des Ventils 12 erreicht ist, sich nach rechts bewegt. Würde in dieser Sachlage der Druck in der Brennstoffzuführungsleitung 23infolge des in dieser Leitung eintretenden höheren Widerstandes durch das engere Schliessen der Brennstoffzuführungsleitung 10 mittels des Regelorgans 8 übermässig steigen, so öffnet sich das Regelventil 56 weiter und es fliesst somit mehr Brennstoff über die Leitung 57 nach dem Brennstoffbehälter 20 zurück.
Naturgemäss kann als Arbeitsmittelim hydraulischen System auch ein anderes Mittel als der Brennstoff verwendet werden. Der Vorteil der Verwendung des Brennstoffes zu diesem Zweck liegt aber darin, dass dann in einfacher Weise die für den Brennstoff bereits vorhandenen Zu- und Abführungsmittel und der Brennstoffdruck benutzt werden können, die man für das gute Funktionieren der Maschine sowieso braucht.
Beides ist der Einfachheit der Vorrichtung zuträglich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regelung der Brennstoff- und Verbrennungsluftzuführungbei Heissgaskolbenmaschinen, dadurchgekennzeichnet, dass zur Betätigung der Drosselklappe in der Zuführungsleitung für die Verbrennungsluft ein hydraulischer Servomotor vorgesehen ist, dessen Steuerventil einerseits durch die Druckschwankungen (bzw. Schwankungen der Durchflussmenge) in der Brennstoffzuleitung und anderseits durch die Druckschwankungen (bzw.
Schwankungen der Durchflussmenge) in der Verbrennungsluftzuleitul1g betätigt wird, wobei eine Änderung des Brennstoffdruckes (bzw. der Brennstoffmenge) ein Öffnen des Steuerventils und damit ein Öffnen oder Schliessen der Drosselklappe bewirkt, wogegen die durch dieses Öffnen oder Schliessen der Drosselklappe bedingte Änderung des Druckes (bzw. der Luftmenge) in der Luftzuführungsleitung ein Schlie- ssen des Steuerventiles und damit ein Wiederherstellen des Ausgangszustandesder Regelvorrichtung bedingt.
EMI4.1
in der Brennstoffzuführungsleitung vorgesehenen Regelorgan zusammenarbeitet, während in den Zuführungsleitungen für den flüssigen Brennstoff und die Verbrennungsluft Druckdifferenzmesser mit gleichför- migen Kennlinien vorgesehen sind, wobei der in der Brennstoffzuführungsleitung vorgesehene Druckdifferenzmesser auf die zwei Oberflächen eines starr mit dem Steuerventil eines hydraulischen Servomotors ge- kuppelten Kolbens angreift, während der in der Zuführungsleitung für die Verbrennungsluft vorgesehene zweite Druckdifferenzmesser auf die zwei Oberflächen einer ebenfalls starr mit dem Steuerventil des Servomotors gekuppelten Membran angreift, derart, dass bei einer Druckzunahme in der Brennstoffzuführungsleitung bzw.
einer Druckabnahme in der Verbrennungsluftzuführungsleitungdas Steuerventil in einer Richtung und bei einer Druckabnahme in der Brennstoffzuführungsleitung bzw. einer Druckzunahme in der Verbrennungsluftzuführungsleitung das Steuerventil in der entgegengesetzten Richtung bewegt wird, in welcher Vorrichtung der Servomotor eine Drosselklappe in der Verbrennungsluftzuführungsleitung betätigt. während die für den Servomotor benötigte Flüssigkeit und Flüssigkeitsdruck durch den, in der Brennstoffzuführungsleitung vor dem Druckdifferenzmesser unter konstant gehaltenemDruck sich befindenden, flüssigen Brennstoff geliefert wird.