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Heissgaskolbenmaschine mit Regelung des Gewichtes des im
Arbeitsraum der Maschine wirksamen Mittels
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Im allgemeinen wird der Kanal mit dem festen Gaswiderstand in Form einer dünnen Leitung ausgebildet, die den Arbeitraum mit dem Hilfsraum verbindet. Falls der Raum zwischen der Aussenseite des Maschinenkolbens und der Innenseite der Zylinderwand einen sehr genau reproduzierbaren Wert hat, was z. B. der Fall sein kann, wenn der Kolben auf der Aussenseite glatt ist und sich ohne Kolbenringe in dem Zylinder bewegt, kann man diesen Raum auch als Kanal mit festem Gaswiderstand zwischen dem Arbeitsraum und dem Raum unterhalb des Kolbens wirken lassen, welcher letztgenannte Raum dabei als Hilfsraum dient.
Bei einer andern Ausführungsform werden die beiden Kanäle in einer einzigen Leitung untergebracht, wobei ein Verschluss vorgesehen wird, der diese Leitung bis zu einem Durchlass verschlie- ssen kann, der dem für den Kanal mit festem Gaswiderstand erforderlichen Durchlass gleich ist.
Wenn die Heissgas-Kolbenmaschine nach der Erfindung als Heissgas-Kolbsnmotor ausgebildet und der betreffende Arbeitsraum über den Kanal mit dem festen Gaswiderstand und durch den Kanal mit dem regelbaren Gaswiderstand an denselben Hilfsraum angeschlossen wird, so erhält man eine äusserst einfache Ausführungsform des Motors nach der Erfindung, die z. B. als Aussenbordmotor vorzüglich geeignet ist. Es ist dabei im allgemeinen ausreichend, lediglich zwei Stellungen für das Verschlussglied in dem Kanal mit regelbarem Gaswiderstand vorzusehen, d. h. eine Stellung, bei der der betreffende Kanal ganz verschlossen ist und der Motor somit die Maximalleistung liefert, und eine andere Stellung, in welcher der Kanal ganz offen ist und der Motor somit gerade die Nulleistung liefert.
Selbstverständlich kann man auch Zwi- schenstellungen für das Verschlussglied vorsehen. Wenn bei dieser Ausführungsform der Motor die Nullast liefert und wenn das Verschlussglied in dem betreffenden Kanal wieder geschlossen wird, so wird der Mo- tor wieder direkt die Maximalleistung liefern.
Bei einer Ausführungsform der Heissgas-Kolbenmaschine nach der Erfindung, die mit zwei oder mehreren Arbeitsräumen versehen ist, befindet sich der Kanal mit dem regelbaren Gaswiderstand zwischen zwei Arbeitsräumen der Maschine, in denen die thermodynamischen Zylden einen gewissen Phasenunter- schied aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Heissgas-Kolbenmaschine, die mit einem ein Arbeitsmedium enthaltenden Behälter, mit einem Kompressor, mit einem Mediumfühmugsglied zwischen dem Behälter und einem Arbeitsraum, mit einem Mediumabfuhrglied zwischen diesem Arbeitsraum und der Saugseite des Kompressors und mit einem Regulator versehen ist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Regulator das Mediumabfuhrglied und das Verschlussglied in dem Kanal mit dem regelbaren Gaswiderstand in einer solchen zeitlichen Reihenfolge betätigt, dass beim Überschreiten des vorgeschriebenen Betriebszustandes der Maschine der Regulator zunächst das Mediumabfuhrglied und erst darauf das Verschlussglied im Kanal mit dem regelbaren Gaswiderstand öffnet, während beim Eintreten des neuen,
vorgeschriebenen Betriebszustandes der Maschine der Regulator zunächst das Verschlussglied in dem Kanal mit dem regelbaren Gaswiderstand und erst darauf das Mediumabfuhrglied schliesst.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine schnelle Regelung in beiden Richtungen ermöglicht wird, während dennoch ein verhältnismässig klein bemessener Regelkompressor benutzt werden kann.
Es wird eine vorteilhafte Ausführungsform erhalten, wenn das Mediumabfuhrglied und das Verschlussglied in dem Kanal mit regelbarem Gaswiderstand starr miteinander gekuppelt sind. Eine geeignete Ausführungsform des Einzelteile, der die Verbindung zwischen dem Mediumabfuhrglied und dem Verschlussglied in dem Kanal mit regelbarem Gaswiderstand bildet, kann auf einfache Weise die vorgeschriebene zeitliche Reihenfolge der Betätigung dieser Verschlussglieder sichern.
Bei der Heissgas-Kolbenmaschine nach der Erfindung ist es weiter empfehlenswert, das Mediumzufuhr-und das Mediumabfuhrglied hydraulisch durch den Regulator betätigen zu lassen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei wird schematisch eine Ausführungsform des Regelsystems eines. Heissgas-Kolbenmotors mit einem einzigen Kreislauf veranschaulicht.
Mit 1 ist der Arbeitsraum des Motors bezeichnet. Darin bewegen sich auf die bei Heissgasmotoren übliche Weise der Kolben und der Verdränger, die hier einfachheitshalber weggelassen sind. 2 bezeichnet einen Behälter mit einem Arbeitsmedium, z. B. Wasserstoff. Durch die Leitung 3 steht der Behälter 2 mit einem Raum 4a eines zylindrischen Körpers 4 in Verbindung. Es ist eine Trennwand 5 angeordnet, die eine zentrale Bohrung 6 hat. Diese Trennwand trennt die Räume 4a und 4b in dem zylindrischen Körper 4.
An den Raum 4b schliesst sich eine Leitung 7 an, die durch die RNckschlagblappeSmit dem Arbeitsraum l in Verbindung steht.
Durch eine Leitung 9 mit einer Rückschlagklappe 10 steht der Arbsitsraam l mit dem Raum 11a des zylindrischen Körpers 11 in Verbindung. In dem Raum und in dem zylindrischen Körper 11 ist eine Trennwand 12 vorgesehen, die eine zentrale Bohrung 12a besitzt. Auf der andern Seite dieser Trennwand be-
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findet sich in dem zylindrischen Körper 11 ein Raum llb, der mit einer Leitung 13 in Verbindung steht.
An diese schliesst sich die Saugklappe 14 des Regelkompressors 15 an. Dieser Regelkompressor hat weiter eine Druckklappe 16, die zu einem Kanal 17 führt, der in den Behälter 2 mündet.
In der Verlängerung des zylindrischen Körpers 4 ist ein kolbenartiger Körper 18 beweglich, der mit einem stiftartigen Ansatz 19 versehen ist. Das konische Ende 20 desselben ruht in der zentralen Aussparung 6 der Trennwand 5 und bildet an dieser Stelle, in dem festgedrückten Zustand, einen gasdichten Verschluss. Das konische Ende 20 ist das Mediumzufuhrglied. Auf ähnliche Weise ist in der Verlängerung des zylindrischen Körpers 11 ein kolbenartiger Körper 21 beweglich, der einen stiftförmigen Ansatz 22 besitzt, dessen konisches Ende 23 in der zentralen Aussparung 12a der Trennwand 12 ruht. Das konische Ende 23 des Stiftes 22 bildet das Mediumabfuhrglied.
Der Arbeitsraum 1 ist durch einen Kanal 24 dauernd in offener Verbindung mit einem Hilfsraum 25, der ein Arbeitsmedium enthält. Der Gaswiderstand in dem Kanal 24 ist absichtlich hoch gewählt ; durch diesen Widerstand wird die Leistung des Motors bei einer mittleren Belastung nicht mehr als um 10 %, vorzugsweise nicht mehr als um 5 % beeinflusst. Der Raum 25 hat infolge des Verbindungskanals 24 einen Druck des Arbeitsmediums, der stets praktisch gleich dem vorherrschenden mittleren Druck im Arbeitsraum 1 ist. Der Druck im Hilfsraum folgt somit nicht den Druckänderungen, die sich im Arbeitsraum 1 in jedem Zyklus vollziehen. Wenn jedoch bei einer Erhöhung oder einer Erniedrigung der Motorleistung der mittlere Druck im Arbeitsraum 1 zu-oder abnimmt, so stellt sich diese Druckänderung infolge des Kanals 24 nach kurzer Zeit auch in dem Hilfsraum 25 ein.
Der Arbeitsraum 1 ist nicht nur durch den Kanal 24 mit festem Gaswiderstand, sondern auch durch den Kanal 26 mit regelbarem Gaswiderstand mit dem Hilfsraum 25 verbunden. Die Teile des Kanals. 26a und 26b haben Mündungsöffnungen in einer Buchse 27, die ein zylindrisches Verschlussglied 28 umgibt.
Dieses Verschlussglied 28 wird von dem stiftförmigen Ansatz 22 abgestützt und ist somit steif mit dem Mediumabfuhrglied 23 verbunden.
Infolge der Bemessung des Mediumabfuhrgliedes 23 und des zylindrischen Verschlussgliedes 28 und infolge der Lage dieser Teile in ihrer Bewegungsrichtung gegenüber der Bohrung 12a in der Trennwand 12 sowie infolge der Lage des zylindrischen Körpers 28 gegenüber den Öffnungen in der Buchse 27 besteht die Gewähr, dass, wenn auf weiter unten zu beschreibende Weise der kolbenförmige Körper 21 sich nach rechts bewegt, zunächst das Mediumabfuhrglied 23 von der zentralen Bohrung 12a der Trennwand 12 frei wird, so dass das Mediumabfuhrglied geöffnet wird, worauf bei einer Weiterbewegung das zylindrische Verschlussglied 28 die Öffnungen in der Buchse 27 teilweise frei lässt, so dass eine offene Verbindung, anfangs mit einem beschränkten Durchlass, zwischen dem Arbeitsraum 1 und dem Hilfsraum 25 durch den Kanal 26 zustande gebracht wird.
Mit 29 ist ein mit einem mit der Motorwelle gekuppelten Zentrifugalregler verbundener Öldruckregulator bezeichnet. Dieser Regulator ist so ausgebildet, dass bei Verringerung der Motordrehzahl ein höherer Öldruck von dem Regulator 29 angezeigt wird. Der Regulator 29 ist durch eine Leitung 30 mit einem verschlossenen Teil 4c des Zylinders 4 und durch eine Leitung 31 mit einem verschlossenen Teil 11c des zylindrischen Körpers 11 verbunden. Auf der von dem Raum 4c abgewendeten Seite des Kolbens 18 ist eine Druckfeder 32 wirksam und eine Druckfeder 33 ist auf der von dem Raum 11c abgewendeten Seite des zylindrischen Körpers 21 wirksam.
In jedem Augenblick wird die Stellung des zylindrischen Körpers 18 und des zylindrischen Körpers 21 durch das augenblickliche Gleichgewicht zwischen dem Öldruck in der Leitung 30 und der Kraft, welche die Feder 32 auf den Kolben 18 ausübt bzw. durch das Gleichgewicht des Öldruckes in der Leitung 31 und der Kraft bedingt, welche die Feder 33 auf den Kolben 21 ausübt.
Die Maschine arbeitet wie folgt : Wenn der Motor bei einer die Maximalbelastung unterschreitenden Belastung sich mit der vorgeschriebenen Drehzahl dreht, ist das Mediumzufuhrglied 20, das Mediumabfuhrglied 23 und das Verschlussglied 28 in der Leitung 26 verschlossen. Bei dieser Lage hält die Feder 32 das Mediumzufuhrglied 20 gegen den Öldruck 30 geschlossen, und dieser Öldruck hält das Mediumabfuhrglied 23 und das Verschlussglied 28 gegen die-Wirkung der Feder 33 in der geschlossenen Lage. In diesem Zustand herrscht in dem Arbeitsraum 1 ein Druck von PI (Durchschnittswert) vor. Infolge des Kanals 24 mit festem Gaswiderstand herrscht in dem Hilfsraum 25 praktisch auch dieser mittlere Druck von PI vor. Weiter bewegt sich der Kolben des Regelkompressors 15 unbelastet mit der Motorwelle.
In dem Behälter 2 herrscht stets ein Druck vor, der höher ist als der Minimaldruck in dem Zyklus bei der Maximalleistung des Motors.
Wird die Belastung des Motors erhöht, so dass die Drehzahl des Motors sinkt, so steigt der Öldruck im Regulator 29. Infolgedessen bewegt dieser das Mediumzufuhrglied 20 gegen die Wirkung der Feder 32, so
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dass dieses Glied sich öffnet und durch die Leitung 3, durch das geöffnete Zufuhrglied 20 und durch die Leitung 7 wird dem Arbeitsraum 1 Medium zugeführt. Der mittlere Druck im Zyklus steigt dann auf einen Mittelwert von pu'der sich nach kurzer Zeit auch in dem Hilfsraum 25 einstellt. Infolgedessen erreicht die Drehzahl der Maschine, die infolge der Belastungserhöhung verringert war, wieder den ursprünglichen Wert, wodurch der Öldruck im Regulator 29 etwas sinkt und die Feder 32 imstande ist, das Mediumzufuhrglied 20 wieder zu schliessen.
Durch das zeitweise Auftreten der Öldruckerhchung im Regulator 29 wurde bei dieser Regelung das Mediumabfuhrglied 23 fester auf seinen Sitz gedrückt.
Im umgekehrten Fall wird eine Belastungsverringerung des Motors eine Zunahme der Motordrehzahl mit sich bringen und eine Abnahme des Öldrucks im Regulator 29 und somit auch in den Leitungen 30 und 31. Dies hat zur Folge, dass das Mediumzufuhrglied 20 fester auf seinen Sitz gedruckt wild. Die Feder 33 ist dann jedoch imstande, sich zu entspannen, wodurch das Mediumabfuhrglied 23 sich öffnet. Infolgedessen strömt Medium aus demArbeitsraum durch die Leitung 9, das Mediumabfuhrglied 23 und die Leitung 13 nach dem Kompressor 15. Der Kompressor wird dieses Medium, solange der Druck im Behälter 2 niedriger ist als der Druck des ausströmenden Mediums, praktisch ohne Pumpen in den Behälter 2 überführen.
Wenn jedoch die ganze Belastung des Motors wegfallen wurde, so dass die Drehzahl sich unzulässig steigern wür- de, so müsste der Kompressor ohne besondere Vorkehrungen so gross bemessen werden, dass er in kürzester Zeit das aus dem Arbeitsraum strömende Medium in den Behälter2 überführen könnte. Solche grosse Kompressoren bedeuten jedoch eine unnötig schwere Belastung des Motors, wenn dieser ausser Betrieb ist.
Ausserdem beanspruchen sie viel Raum.
Um diesen Nachteil zu beheben, ist der Kanal 26 mit dem zylindrischen Verschlussglied 28 angebracht. Wenn der Maximaldruck im Zyklus durch Öffnen des Verschlussgliedes 83 annähernd gleich dem Druck im Behälter 2 geworden ist, so leistet der Kompressor 15 eine Pumparbei1 : und pumpt Medium durch die Druckklappe 16 in die Leitung 17 und den Behälter 2. Sollte die infolgedessen auftretende Druckemiedrigung des Mediums im Zyklus noch nicht hinreichen, um die Drehzahl der Maschine auf den vorgeschriebenen Wert zu bringen, so kann die Feder 33 sich noch weiter entspannen, bedingt durch die weitere Erniedrigung des Öldrucks im Regulator29 infolge der noch zu hohenDrehzahl der Motorwelle. Infolgedes- sen gibt der zylindrische Schieber 28 die Löcher in der Buchse 27 mehr oder weniger frei.
So entsteht gleichsam eine Undichte in dem sich im Arbeitsraum vollziehenden thermodynamischen Vorgang, wodurch die im Motor erzeugte Leistung sehr stark herabsinkt und die Drehzahl somit auch stark verringert wird.
Wenn die Drehzahl wieder herabsinkt und der Druck im Regulator 29 also wieder zunimmt, schliesst sich zunächst das zylindrische Verschlussglied 28 und darauf das Mediumabfuhrglied 23. Beim Schliessen des zylindrischen Verschlussgliedes 28 folgt der Druck im. Hilfsraum 25 wieder dem mittleren Druck des Zyklus, der sich im Arbeitsraum 1 vollzieht. Dies ist auf die vorliegende offene Verbindung zwischen dem Arbeitsraum l und dem Hilfsraum 25 durch den Kanal 24 mit festem Gaswiderstaad zurSckzufNhren.
Bei einem sogenannten Verdrängermotor kann die sich nicht an dem. Heissgasmotorvorgang beteiligen- de Seite des Kolbens eine Begrenzung des Hilfsraumes 25 bilden, wodurch eine erhebliche Verringerung der Lageidrucke des Motors erzielt wird.
Es ist bei dem dargestellten Beispiel die Rede von der Drehzahl des Motors, die als der gewünschte
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wird.len ; es ist z. B. denkbar, dass bei bestimmten Ausführungsformen eines mit dem Heissgasmotor gekuppelten elektrischen Dynamos dessen Klemmenspannung als Oldruckregulator benutzt msd.
Bei einem Mehrzylindermotor, wobei sich somit in verschiedenen Zylindern verschiedene phasenverschobene Zyklen vollziehen, kann man den Verbindungskanal 26 mit veränderlichem Gaswiderstand vorteilhaft zwischen zwei Arbeitsraumen anbringen, in denen sich gegenseitig phasenveschobene Heissgas- motorvorgänge vollziehen.
Selbstverständlich kann die Erfindung auch vorteilhaft bei Kühlmaschmea. benutzt werden.
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Vollast und Nullast regeln kann, genügen im Prinzip der Arbeitsraum 1, der Elfirallm 25, der Verbindungskanal 24 mit dem festen Gaswiderstand zwischen dem Arbeitsraum 1 und dem Hilfsraum 25, und der Verbindungskanal 26 zwischen dem Arbeitsraum und dem Hilfsraum, in welchem Kanal ein Verschlussglied angeordnet ist, das lediglich eine offene und eine geschlossene Stellung emnehmen. kann. Es kön- nen selbstverständlich auch Zwischenstellungen des Verschlussgliedes vorgesehen werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist noch eine Verbindungsleitung 34 vorgesehen zwischen dem Hilfsraum 25 und der Mediumzufuhrleitung 7. Wenn in einem bestimmten Augenblick der mittlere
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strömt aus dem Behälter 2 durch die Leitung 3, das Mediumzufuhrglied 20 und die Leitung 7 auch eine Menge Medium durch die Leitung 34 durch die Rückschlagklappe 35 nach dem Hilfsraum 25. Dies ergibt die Möglichkeit einer schnellen Hochregelung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Heissgaskolbenmaschine mit Regelung des Gewichtes des im Arbeitsraum der Maschine wirksamen Mediums, bei welcher Maschine der betreffende Arbeitsraum dauernd durch einen Kanal mit festem Gaswiderstand mit einem Hilfsraum in Verbindung steht, in dem sich dasselbe Arbeitsmedium befindet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Arbeitsraum (1) und dem Hilfsraum (25) zusätzlich noch ein Kanal (26) mit regelbarem Gaswiderstand vorgesehen ist, welcher Kanal, wie an sich bekannt, mit einem Verschlussglied (28) versehen ist, das ausser einer Schliessstellung und gegebenenfalls einer Anzahl von Zwischenstellungen auch noch eine ganz offene Stellung ermöglicht, in welcher Stellung der Widerstand im betreffenden Kanal (26)
mindestens 5 mal kleiner ist als der Gaswiderstand in dem dauernd offenen Kanal (24) mit festem Gaswiderstand.