Einrichtung zur zwangläufigen, wirtschaftlichen Regelung der Leistung eines aus Brennkraftmascliine und labilem Generator bestehenden lYlaschinensatzes für Fahrzeuge mit elektrischer Kraftübertragung.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur zwanglÏufigen wirtschaftlichen Regelung eines Maschinensatzes für Fahrzeuge.
Unter zwanglaufiger wirtschaftlieher Rege- lung wird dabei verstanden, dass bei jeder Einstellung der Regeleinrichtung zwangläu- fig den Forderungen der Wirtschaftlichkeit Rechnung getragen wird und daher die eingestellte Leistung der Brennkraftmaschine bei geringstem Brennstoffverbrauch un, d gün- stigsten Betriebsbedingungen abgegeben wird.
DerVorteil derZ, wangläufigkeitbesteht ! darin, dass bei der Regelung die Aufmerksamkeit des Fahrzeugführers, nicht in Anspruch genommen wird. Bez glich der Wirtschaftlichkeit der Regelung gilt folgende Überlegung : Bei einem Fahrzeug schwankt der Leistungsbedarf je nach der geforderten Zugkraft und Geschwindigkeit in weiten Grenzen. Die von der Brennkraftmaschine abgegebene Leistung ist durch Drehmoment und Drehzahl bestimmt. Daher bannzum Beispiel für die halbe Leistung entweder das Drehmoment auf die Hälfte vermindert werden bei voller Drehzahl, oder die Drehzahl auf die Hälfte vermindert bei vollem Drehmoment, oder es werden beide Faktoren vermindert, so dass das Produkt derselben den halben Wert erhält.
Durch Versuche kann die GesetzmäBig- keit festgestellt werden, die bei der Einstellung des Drehmomentes und der Dreiizahl eingehalten werden muss, wenn bei jeder Leistung die günstigsten Bedingungen be züglich Brennstoffverbrauch und Betriebs- sicherheit bestehen sollen. Bei der vorliegen- den Einrichtung wird dieser GesetzmäBigkeit bei jeder eingestellten Leistung Rechnung getragen. Sie hat also den Zweck, die wirtschaftliche Regelung zu erreichen, ohne die Aufmerksamkeit des Fahrzeugführers in Anspruch zu nehmen.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur zwangläufigen wirtschaftlichen Lei stungsregelung für Fahrzeuge mit elektrischer Kraftübertragung. Hierbei ist vorausgesetzt, dass der mit der Brennkraftmaschine gekuppelte und die elektrische Energie für die Bahnmotoren liefernde Generator als selbsterregter, spannungslabiler Generator gebaut ist. Als spannungslabil wird ein selbsterregter Generator bezeichnet, wenn er infolge geringer SÏttigung des magnetischen Kreises auf dem geradlinigen Teil der Mag netisierungskurve arbeitet, somit auf ein geringes Absinken der Drehzahl mit einem starken Abfall der Spannung reagiert.
Ein derartiger Generator hält innerhalb der nor- malen Arbeitsgrenzen die Drehzahl der Brennkraftmaschine praktisch konstant und gestattet ausserdem eine sehr einfache Einstellung der Drehzahl.
Als Brennkra. ftmaschine wird vorzugs- weise ein Dieselmotor verwendet, dessen Drehmoment direkt an der Brennstoffpumpe durch Veränderung der pro Hub eingespritz- ten Brennstoffmenge eingestellt werden kann.
Den Gegenstand der Erfindung bildet nun eine Einrichtung zur Regelung der Leistung eines für Fahrzeuge bestimmten Ma- schinensatzes, der aus einer Brennkraft- masehine und einem mit dieser gekuppelten selbsterregten, spannungslabilen Generator besteht, welcher seine Leistung einem oder mehreren Bahnmotoren zuführt. GemäB dieser Einrichtung wird das f r die Einstellung des Drehmomentes bestimmte, die Brenn- stofförderung regelnde Organ so mit dem für die Einstellung der Drehzahl bestimmten. die Erregung des spannungslabilen Genera tors regelnden Organ gekuppelt, dass bei jeder Einstellung möglichst günstige Arbeits- bedingungen für das Fahrzeug erzielt werden.
Zweckmässigerweise wird die Einrichtung so getroffen, dass mit den vorerwähnten Orga. nen auch noch ein Einstellorgan für den Drehzahlregler der Brennkraftmaschine verbunden ist, so dass jeder Einstellung der beiden andern Organe ein bestimmter Arbeits- bereich des Drehzahlreglers entspricht. Dies hat den Zweck, bei schwach belasteten oder ganz abgeschalteten Bahnmotoren zu verhindern, dass die im Bereich von Jmin und Jmam durch die Erregung des spannungslabilen Generators bestimmte Drehzahl we- sentlich überschritten und damit die Span- nung und der Erregerstrom des Generators zu hoch werden. Die Erregerwicklung wird damit vor Hberbeanspruchung geschützt.
Ausserdem wird durch das Einstellorgan des Drehzahlreglers für das unbelastet langsamlaufende Aggregat die geringste zulässige Drehzahl eingestellt.
Die Zeichnung zeigt eine beispiels- weise Ausführungsform der Einrichtung im Schema und stellt durch Diagramme das cha- rakteristische Verhalten der verwendeten Maschinen dar.
Fig. 1 zeigt das Verhalten des Generators, wenn er mit einem konstanten Drehmoment angetrieben wird ;
Fig. 2 die charakteristischen Brennstoffverbrauchskurven des damit gekuppelten Dieselmotors,
Fig. & eineschematisoheGesamtanord- nung der Einrichtung und die grundsätz- liche Schaltung der elektrischen Kraftüber- tragung.
Der in Fig. 3 dargestellte Generator ist einNebenschlussgenerator,dessenmagneti- scher Ereis bei der betriebsmässigen Hochet- erregung noch keine wesentliche Sättigung des Eisens aufweist. Er besitzt im Erregerkreis einen Vorschalfwiderstand Wv mit Schaltstufen. Fig. 1 gibt f r diesen Generator den Zusammenhang zwischen Drehzahl und Strom bei vollem Drehmoment der Brennkraftmaschine, das heisst, wenn dem Dieselmotor die volle Brennstoffmenge pro Hub zugeführt wird. Werden dem Dieselmotor nur zwei Drittel dieser Brennstoffmenge zugeführt, so liegen die Kurven um wenige Prozente tiefer.
Die Drehzahl ist angenähert gegeben durch die Formel n=K.We
Es bedeutet : n die Drehzahl, welche der Generator bei einem gegebenen Drehmoment automatisch konstanthält, I'V,) den Widerstand des Erregerstromkreises,
Wf den Widerstand der Erregerwick- I ung,
Wv die Widerstände, welche der Erreger- wicklung vorgeschaltet sind.
Dabei ist
We=Wf+Wv
Da die n-Kurven zwischen Jmin und Jmax einen sehr flachen Verlauf zeigen, bleibt in diesem Bereich auch die Leistung praktisch konstant. Sind Jmin und Jmax die Grenzen der bei den Fahrwiderstanden auftretenden Str¯me, so ist also die Leistung von den Fahrwiderständen praktisch unabhÏngig. Wird aber der Fahrbereich berschritten, so kann an den Punkten a-b, c-d, e-f und g-h die Abschlussbewegung des Drehzahlreglers der Brennkraftmaschine einsetzen und ein Ansteigen der Drehzahl verhindern. Wird der Widerstand Wf gleich
Wv ge gemacht, so kann durch ganzes oder teilweisess Kurzschliessen von Wv die Drehzahl im vorliegenden Falle ungefähr zwischen n1300 und n = 650 geändert werden.
Diese Werte von n werden nur bei den Strumen Jmin und Jmax praktisch eingegehalten, während sich bei allen Zwischen- werten von J Drehzahlen einstellen, die um einen geringen Betrag tiefer liegen. Man ist t daher in der Lage, für Teilbelastungen durch Verkleinerung von We eine geringere Drehzahl einzustellen als jene, welche zur Erreichung der Volleistung notwendig ist.
F r Teilbelastungen wird nun die Drehzahl so reguliert, dass für die Brennkraft maschine die günstigsten Betriebsverhalt- nisse bestehen. Hierfür ist vor allem die wirt schaftliche Forderung nach geringstem Brennstoffverbrauch massgebend, doch kommen auch andere Momente, wie die Vermeidung kritischer Drehzahlen, die Einhaltung einer bestimmten Mindestdrehzahl oder die Forde- rung nach geringstem Verschleiss der Trieb werksteile in Betracht. F r die Einstellung der Drehzahl auf die gewünschte Grosse ist, wie vorstehend auseinandergesetzt wurde, nur die entsprechende ¯nderung von We, bezw. Wv am Generator erforderlich, ohne dass an der Brennkraftmaschine irgend eine Verstellung vorgenommen werden muss.
In Fig. 2 ist nun, der Verlauf der Brenn stoffverbrauchskurven eines 150 PSe Dieselmotors ber der abgegebenen Leistung bei verschiedenen Drehzahlen aufgetragen. Man ersieht beispielsweise aus der Kurve für n =1300, da¯ bei der Volleistung von 150 PS der spezifische Brennstoffverbrauch 230 g/PSeh beträgt, während da. s Minimum des Verbrauches von 200 g/PSeh bei 122 PS liegt. Bei Vollast ist der Gesamtverbrauch 34, 5 kg/h und am wirtschaftlichsten Punkte 24,4 kg/h. Diese wirtschaftliche F'ordermenge entspricht einer Einspritzmenge der Brenn stoffpumpe, die nur etwa 70% der Einspritzmenge bei Vollast beträgt.
Der Betrieb eines Dieselmotors mit höchstem mittleren Kolbendruck entspricht nicht dem g nstigsten Verbrauch pro PSh, da bei der Höchstleistung im allgemeinen schon die unvollkommene Verbrennung beginnt. Der wirtschaftlichste Betrieb, das heisst jener, bei dem der geringste Brennstoffverbrauch pro PSh eintritt, liegt vielmehr bei einer etwas geringeren Belastung und entspricht jenem Verhältnis zwischen angesaugtem Luftgewicht und eingespritzter Brennstoffmenge pro Hub, bei dem der für den thermischen Wirkungsgrad günstigste LuftüberschuB besteht.
Man wird also mit einem Fahrzeug, wel- ches mit wechselnder Belastung betrieben wird, dann am sparsamsten fahren, wenn man bei allen vorkommenden Belastungen eine solche Drehzahl und solche Brennstoffeinspritzmenge wÏhlt, daB die Betriebspunkte auf der Einhüllenden c der Brennstoffverbrauchskurven der Fig. 2 liegen.
Dies kann dadurch verwirklicht werden, da¯ der Füllungsregulierhebel der Brenn stoffpumpe mit der Drehzahlregelung des Generators in geeigneter Weise gekuppelt wird. Entsprechend dem Verlaufe der Ein hüllenden c in der Fig. 2 wÏre also, ausgehend bei der Vollaststellung bei n = 1300, bei fallender Belastung vorerst der Füllungsregulierhebel auf geringere F¯rderung der Brennstoffpumpe zu stellen, wodurch bei ab nehmender Leistung zunächst der spezifische Brennstoffverbrauch günstiger wird.
Ist ! die g nsti Stellung des Füllungshebels erreicht, dann wird zur weiteren Verringerung der Leistung die Drehzahl erniedrigt, indem der Widerstand im Nebenschlusskreis'schritt- weise kurzgeschlossen wird. Jedem eingeschal- teten Widerstande im Nebenschlusskreis entsprich nach Fig. 1 eine bestimmte Drehzahl, die über den ga-nzen Fahrbereich annähernd konstant bleibt. Da gleichzeitig am Füllungs- hebel der Brennstoffpumpe die dem günstig- sten Verbrauche entsprechende Einspritzmenge eingestellt ist, müssen die Teilbelastungen mit grösster Wirtschaftlichkeit erfolgen.
In Fig. 3 ist eine Anordnung dargestellt, bei der ein Dieselmotor Verwendung findet, welcher die in Fig. 2 dargestellten Brennstoffverbrauchswerte aufweist und einen Genera-tor antreibt, dessen charakteristisches Verhalten durch Fig. 1 dargestellt ist. Vom Dieselmotor wird die Brennstoffpumpe 3 und der Drehzahlregler 4 angetrieben. Zur Regelung der Drehzahl des Generators 2 dient der Widerstand Wv, zur Regelung der Fordermenge der Brennstoffpumpe das Füllungs- regelorgan 5, welches bei Bewegung in der Richtung z die Fordermenge verkleinert und bei Bewegung in der Richtung o dieselbe vergrössert. Der Drehzahlregler besitzt eine Feder 6, deren Spannung geändert werden kann, um den Arbeitsbereich desselben zu verstellen.
Erfindungsgemäss sind bei der Einrich- tung die Organe für die Einstellung der Drehzahl am Generator und f r die Einstellung des Drehmomentes an der Brenn stoffpumpe miteinander gekuppelt. Zweek mässigerweise wird mit diesel Organen auch die Einstellung des Arbeitsbereiches des Drehzahlreglers des Dieselmotors verbunden.
In Fig. 3 ist dies in der Weise durehgeführt, dass auf einer Welle 7, welche in Lagern 8 durch den Bedienungshebel 9 gedreht werden kann, die Kurvenscheiben 10, 11 und 12 fest aufgesetzt sind. Diese Kurvenscheiben enthalten die Nuten 1'3,14 und 15, deren Form und gegenseitige Lage dem für die Erreichung höchster Wirtschaftlichkeit geltenden Gesetz entsprechend (bezüglich 13 und 14) und je nach dem gewünsch- ten Arbeitsbereich des Drehzahlreglers (bezüglich 15), gewählt sind.
In Nut 13 greift der Winkelhebel 16 mit dem einen Ende ein, während das zweite Ende durch die Stange 17 mit dem Schiebe- kontakt 18 verbunden ist, welcher über die Kontaktschienen 19 und 20, sowie die Ein zelkontakte 21 bis 28 gleiten kann. Mit den Kontakten 25, 26,27 und 28 sind die Abzweigungen des Vorschaltwiderstandes Wv verbunden.
Die Kontakte 22 bis 24 und die damit verbundenen Widerstände gehören nur für den Ubergang von Leerlauf auf die erste Laststellung und sind fürdieEinrichtung nicht wesentlich. Desgleiehen ist der Kon- takt 21, über welchen der Strom durch die Gegenverbundwicklung 29 geschlossen wird nicht zum Wesen der Erfindung gehörig, da dadurch nur eine bekannte Anordnung dargestellt ist, die zur Unterdrückung des Stromes in der Leerlaufstellung dient. Der Nebenschlusskreis wird von der Generatorklemme 30 über dieNebenschlusswicklung 31, die VorschaltwiderstÏnde, die Kontakte 22 bis 28, den Kontaktschieber 18 und die Schiene 20 zur zweiten Genera. torklemme 32 geschlossen.
Der Hauptstrom des Generators führt von der Ankerklemme 301 zum Anker des Bahnmotors 33, über den Stromwender 34, die Feldwicklung 35, zur Kontaktschiene 19, von wo er durch den Kontaktschieber 18 entweder über die Kontaktschiene 20 oder über den Kontakt 21 und die Gegenverbund- wicklung 29 zur zweiten Generatorklemme 32 zurückkehrt.
In Nut 14 greift der Winkelhebel 36 mit dem einen Ende ein, während sich dessen zweites Ende im Schlitz 37 des Füllungs- regelorganes 5 befindet. Letzteres steht unter Wirkung der Zugfeder 38, welche dasselbe in der Richtung des Pfeils o zu bewegen trachtet.
In Nut 15 greift in ähnlieher Weise der Winkelhebel 39 mit dem einen Ende ein, während dessen zweites Ende die Stellung der Muffe 40 und damit die Spannung der Reglerfeder 6 bestimmt. Der Regler 4 ist imstand, bei einer der Federspannung entsprechenden Drehzahl infolge der Fliehkraft der Gewichte 41, über die Muffe 43, die Hohlwelle 43,dieMuffe44,den doppel ajmigen Hebel 45 und einen in Schlitz 46 ein greifenden Zapfen das Füllungsregelorgan 5 im Sinne des Pfeils z zu bewegen. Die Schlitze 37 und 46 ermöglichen somit, dass sowohl die Kurvenscheibe 11, als auch der Regler 4 voneinander unabhängig die Linksbewegung des Füllungsregelorganes 5 bewirken können.
Mit der Welle 7 konnten bei andern Aus führungsvarianten weitere Regelorgane, zum Beispiel für die Einstellung des Einspritzzeitpunktes bei Dieselmaschinen, für die Einstellung des Ziindzeitpunktes und der Brenn stoffdüse bei Vergasermaschinen, für die Einschaltung von Anzeigevorrichtungen, für die Regelung des Bremsvorganges usw. gekuppelt werden.
Die Einrichtung Fig. 3 arbeitet in folgender Weise : Die Brennkraftmaschine wird zum Beispiel durch Druokluft angeworfen, wobei sich der Bedienungshebel 9 in der Nullstellung befindet. Da die Reglerfeder 6 den Mindestdruck für Leerlauf hat, kann die Brennkraftmaschine die Leerlaufdrehzahl nicht übersteigen, weil die Muffe 44 bei höheren Geschwindigkeiten unter der Wirkung der ausschwingenden Gewichte 41 nach rechts versehoben wird und dadurch das Fül lungsregelorgan 5 die Brennstofforderung verringert. In der Nullstellung kann sich der Generator nicht erregen, weil die Gegenverbundwicklung dem Remanenzstrom ent gegenwirkt.
Um das Fahrzeug in Bewegung zu setzen, wird der Bedienungshebel von der Nullstellung nach links bewegt. Der Erfolg dieser Verstellung ist, daB die Gegenverbundwick- lung am Generator abgeschaltet wird und der Nebenschlu¯widerstand zunächst verrin- gert wird. Gleichzeitig wird die Reglerfeder 6 zusammengepresst und die Drehzahl steigt.
Die Kontakte 22,23 und 24 sind tlbergangs- stufen zur ersten Betriebsstellung am Kon- takt 25, bei welchem der Vorschaltwiderstand Wv im Nebenschlussstromkreis kurzgeschlossen ist. In dieser Stellung hält der Generator ungefähr die Hälfte der Hoohst- drehzahl der Brennkraftmaschine ein, vor- ausgesetzt, dass der Wert des genannten Widerstandes Wv gleich dem Feldwider- stand Wf ist. In der Stellung auf Kontakt 25 mussl natürlich die Reglerfeder 6 so stark zusammengepresst sein, dass die Regler- gewichte bei 650 n noch nicht ausschwingen und die Brennstoffzufuhr verringern.
Bei einer höheren Drehzahl hingegen, etwa in den Punkten g und h soll die Brennstoff- forderung durch den Regler verkleinert werden.
Die Kontakte 26,27 und 28 entsprechen in diesem Beispiel den Kurven der Fig. l, bei welchen der Wert des Vorschaltwiderstandes im Nebenschlusskreis 0,5 Wv, 0,8 Wv und v ist. Der Schiebekontakt 18 erreicht den Kontakt 28 zur selben Zeit wie der Bedienungshebel 9 die Stellung 70. Dieser Stellung entspricht beispielsweise nach der Form der Kurve 14 eine Begrenzung der Einspritzmenge auf 70% jener Menge, welehe zum Betriebe der Brennkraftmaschine mit h¯chstem Drehmoment notwendig ist. Nach dem früher Gesagten wird damit gerade der wirtschaftlichste Betrieb des Dieselmotors erreicht.
Bei einer weiteren Verdrehung des Bedienungshebels 9 wird die Leistung des Dieselmotors allmählich erhöht bis in Stellung 100 die Höchstleistung eingestellt ist. Es ist klar, dass durch die Form, und gegenseitige Lage der Kurven 13,14 und 15 jedes beliebige Gesetz verwirklicht werden kann.