Hubregel-Vorrichtung für Brennkraft-Freikolbenkompressoren. Bei Freikolbenkompressoren ändert sich im Gegensatz zu Kurbelmaschinen bei Än derung der Kompressorleistung die Endlage der Freikolben. Die Expansionsendlage be einflusst jedoch die Rückführungsenergie der Freikolben und damit die Sicherung der Ste tigkeit des Freikolbenbetriebes.
Um trotz Schwankungen in Förderdruck und Fördermenge des Kompressors die Stetig keit des Freikolbenbetriebes zu gewährleisten, wird gemäss der Erfindung ein Organ zur Regelung der Leistung des Brennkraftzylin- ders durch eine in Abhängigkeit von der Expansionsendlage eines Freikolbens arbei tende Vorrichtung beeinflusst. Um bei Frei kolbenkompressoren mit mehreren Zylindern eine Überlastung einzelner Zylinder zu ver hindern, sind vorteilhafterweise die einzelnen Zylinder je mit einem Leistungsregelorgan und einer in Abhängigkeit von der Ex- pansionshubendlage eines Freikolbens arbei tenden Vorrichtung zum Beeinflussen des selben versehen.
Auch kann das Leistungs- regelorgan des Brennkraftzylinders ausserdem von einer weiteren Vorrichtung beeinflusst werden, die in Abhängigkeit von einer Be triebsgrösse des der dem Freikolbenkompres- sor nachgeschalteten Kraftmaschine zuge führten Betriebsmittels, zum Beispiel Feder druck oder der Kraftmaschine selbst, zum Beispiel von der Drehzahl verstellt wird.
Fer ner kann die in Abhängigkeit von der Ex- pansionshubendlage eines Freikolbens arbei tende Vorrichtung als hydraulisches oder pneumatisches Übertragungssystem mit einem Druckregelventil, das durch diesen Frei kolben geöffnet wird, ausgebildet sein.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel der Erfindung schematisch darge stellt.
Fig. 1 zeigt einen Freikolbenkompressor mit einer hydraulischen Übertragungsvor richtung zwischen einem Freikolben und dem Regelorgan der Brennstoffpumpe; Fig. 2 zeigt die Stellungen der Über tragungsvorrichtung bei der innern Tot punktlage des Freikolbens: Fig. 3 zeigt die kombinierte Beeinflus sung des Regelorganes der Brennstoffpumpe durch die Endlage des Freikolbens und durch den Förderdruck des Kompressors.
Der Freikolbenkompressor 1 mit dem Brennkraftzylinder 2, den Kompressorzylin dern 3, 4, hat zwei gegenläufige Freikolben 5, 7 und 8, 9, jeder aus einem Brennkraft- kolben 5 bezw. 8 und einem Kompressor kolben 7 bezw. 9 bestehend. Der Brennkraft- zylinder 2 hat Einlassschlitze 10 für die Ver brennungsluft, Auslassschlitze 12 für die Abgase und ein Brennstoffventil 13. Die Kompressorzylinder sind einfachwirkend und mit aussenliegenden Kompressorräumen 14, 15, Einlassventilen 17 und Auslassventilen 18 versehen. Beide Kompressoren saugen aus dem Saugkanal 19.
Der Kompressorzylinder drückt die verdichtete Luft durch die Ein lassschlitze 10 des Brennkraftzylinders 2; der Kompressorzylinder 4 in den Druckaufneh mer 20, an den auch die Auslasssehlitze 12 des Brennkraftzylinders 2 angeschlossen sind. Vom Druckaufnehmer 20 geht das Ge misch zu einer nicht gezeichneten Kraft maschine, zum Beispiel einer Gasturbine.
Zur Regelung der vom Kompressor angesaug ten Luftmenge ist die Druckklappe 22 im Eintrittsstutzen 23 des Saugkanals 19 vorge sehen. Die Stellung der Klappe 22 wird durch den Druckregler 24 geregelt, dessen Kolben 25 unter dem Druck im Aufnehmer 20 und dem Gegendruck der Feder 26 steht. An der Geradführung 27 des Kolbens 5, 7 ist der Hebel 28 angelenkt, der den Kolben 29 der Brennstoffpumpe 30 betätigt. In der Expausionsendlage des Kolbens 5, 7 trifft das Gelenk 32 des Hebels 28 die Rolle 33 des Hebels 34, der das Druckventil 35 der Über tragungsvorrichtung 36 betätigt.
Die Über tragungsvorrichtung 36 weist ausser dem An schlag, dem Hebel 34 mit der Rolle 33, das Gehäuse 37, das Druckregelventil 35 mit dem Zufluss 38 und dem Abfluss 39 der Druck flüssigkeit auf und hat ferner einen Zylinder 40 mit dem Kolben 41, der durch den Druch der Druckflüssigkeit und den Gegendruck der Feder 42 belastet ist. In der Verbindunk zwischen dem Gehäuse 3 7 und dem Zylinder 40 ist eine Beruhigungsdrossel 43 vorgesehen, und die Kolbenstange 44 des Kolbens 41 be einflusst über den Hebel 45 und die Stange 46 das Regelorgan für die Brennstoffzufuhr der Brennstoffpumpe<B>30,</B> das zum Beispiel ein Überströmventil oder Saugventil sein kann.
Die Wirkungsweise ist die folgende: Befindet sich die an .den Druckaufnehmer 20 angeschlossene Gasturbine im Leerlauf, so wird wenig Gas-Luft=Gemisch verbraucht und der Druck im Aufnehmer 20 ist hoch, so dass die Klappe 22 durch .den Kolben 25 nahezu geschlossen wird. Es ist daher die Leistung des Freikolbenkompressors ebenfalls gering. Die Expansionsendlage des Freikol bens 5, 7 liegt bei I, so dass die Rolle 33 und somit der Hebel 34 tief herunter gedrückt werden und das Druckregelventil ebenfalls bis zur Stellung I, das heisst weit und ver hältnismässig lange geöffnet wird.
Die Druckflüssigkeitszufuhr durch die Zufluss- leitung 38 des Gehäuses 37 ist konstant, so dass bei der Öffnung des Druckregelventils bis in die Expansionshubendlage I reichlich Druckflüssigkeit aus .dem Gehäuse 3 7 durch den Abfluss 39 austritt. Die zeitliche Öff nung des Druckregelventils ist in bezug auf die Hubzeit des Freikolbens zwar klein, da der Freikolben das Druckregelventil nur in der äussersten Lage aufstösst, jedoch ergibt sich bei einer grossen Hubzahl ein konstanter Austritt von Druckflüssigkeit.
Die Menge ist abhängig von dem jeweils geöffneten Ven tilquerschnitt und der Druck im Gehäuse 37 ändert sich mit der austretenden Flüssigkeits menge. Je grösser der Hub des Druckregel ventils 35, bezw. die Grösse der austretenden Flüssigkeitsmenge ist, umso niedriger ist der Druck im Gehäuse 37 und dementsprechend im Zylinder 40, so dass bei der Expansions- hubendlage I die Oberkante des Kolbens 41 in der Stellung I sieh befindet und das Re gelorgan für die Brennstoffzufuhr in der Stellung für Leerlauf steht.
Wird nun die an den Aufnehmer 20 an geschlossene Gasturbine belastet, so sinkt der Druck im Aufnehmer 20. Der Kolben 25 steigt und öffnet die Klappe 22. Die ange saugte Luftmenge und damit-auch die Ver- dichtungsarbeit nimmt zu. Der Freikolben. erreicht nicht mehr die Expansionshubend- lage I, so dass auch das Ventil 35 einen klei neren Hub macht. Der Abfluss ist, wenn das Ventil 35 zunächst nicht mehr geöffnet wird. gesperrt. Infolgedessen steigt der Druck im Gehäuse 37 und im Zylinder 40, der Kolben 41 wird nach unten gedrückt. Dadurch wird das Regelorgan für die Brennstoffzufuhr auf eine grössere Füllung eingestellt.
Ist so die Leistung des Freikolbenkompressors ver grössert, so muss, um eine stabile Regelung zu bekommen, die Expansionshubendlage inner halb der Lage I liegen und ist zum Beispiel für Vollast die Lage II. Durch das jeweilige Öffnen und Schliessen des Druckregelventils 35 ergeben sich Druckschwankungen im Ge häuse 37, die durch Anordnung einer Dros selscheibe 4 3 sich im Zylinder 40 mindestens in verringertem Masse bemerkbar machen, so dass der Kolben 41 eine Lage einnimmt, die dem Mittel dieser momentanen Druckschwan kungen entspricht, und den raschen Druck schwankungen nicht folgt.
Fig. 2 zeigt den Freikolben 5, 7 beim Einwärtshub. Das Gelenk 32 hat sich von der Rolle 33 entfernt und der Hebel 34 nimmt die höchste Lage ein, bei welcher das Druckregelventil 35 geschlossen ist.
Bei Freikolbenkompressoren mit mehreren ans Brennkraft- und Kompressorzylindern kombinierten Zylindern hat bei luftloser Ein spritzung jeder einzelne Zylinder eine Brenn stoffpumpe. Fig. 3 zeigt die Brennstoff pumpen 30, 30a, von zwei verschiedenen Brennkraftzylindern, deren Freikolbenstel lungen verschieden sind, wie dies aus den Stellungen der Hebel 28, 28a hervorgeht. Der Druckregler 50, der mittelst der Leitung 51 an den Druckaufnehmer 20 in Fig. 1 ange schlossen ist, hat einen Kolben 52, der auf der einen Seite vom Förderdruck im Auf nehmer 20 und auf der andern Seite durch die Feder 53 belastet wird. Die Kolbenstange 54 verdreht somit mittelst des Hebels 55 die Regelwelle 56 in Abhängigkeit vom Druck im Aufnehmer 20.
Auf der Welle 56 sind für die Pumpen 30, 30a die Hebel 57, 57a befestigt, die mittelst der Lenker 58, 58a das linke Ende der doppelarmigen Hebel 60, 60a verstellen. Am rechten Ende der Hebel 60, 60a greifen die Stangen 46, 46a von der Übertragungsvorrichtung 36 (Fig. 1) an, während von der Mitte die Stangen 61, 61a zu dem Brennstoffregelorgan der Pumpen 30, 30a führen. Bei kleinen Leistungen ist der Förderdruck hoch und der Kolben 52 senkt sich und damit auch die Hebel 57, 57a und das rechte Ende der Hebel 60, 60a.
In folgedessen verringern sich die Brennstoff- füllungen in sämtlichen Zylindern und die gemeinsame Regulierung mittelst des Druck reglers 50 übernimmt die langsame Grund laständerung der gesamten Anlage.
Daneben aber ergibt sich infolge der verringerten Brennstoffüllungen, dass die Expansionshub- endlage der Freikolben sich nach innen ver schiebt und das Druckregelventil 35 (Fig. 1) jedes Freikolbenzylinders weniger weit ge öffnet wird, so dass eine Nachregulierung der Brennstoffüllung der Pumpe 30 über die, Stange 46 erfolgt, indem sich, wegen des grö sseren Druckes im Zylinder 40, die Stange 46 hebt.
Dabei erreicht der Freikolben 5 im Leerlauf nicht mehr die Expansionshubend- lage I, sondern nur noch die Expansionshub- endlage 1I und der Regelbereich des Hub regulators wird zwischen den Endlagen 1I und III liegen.
Die Übertragungsvorrichtun g en 36 übernehmen die vorübergehende rasche Nachstellung bei scharfen Belastungs schwankungen und den Ausgleich von Brenn- kraftzylinder zu Brennkraftzylinder des mehrzylindrigen Freikolbenkompressor. Die ser Ausgleich ist bedingt durch unvermeid liche Verängerungen im Zustand der einzel nen Brennstoffpumpe, der Freikolbenreibun- gen, des Arbeitens der Kompressorventile usw.
Die Rückführungsenergie dient bei ein fachwirkenden Kompressorzylindern mit aussenliegenden Kompressorräumen zur Rück führung der Freikolben und zur Leistung der Verdichtungsarbeit im Brennkraftzylinder. Für die Stetigkeit des Freikolbenbetriebes von Freikolbenkompressoren, die nach dem Dieselverfahren arbeiten, ist es notwendig, dass der Kompressionsdruck im Brennkraft- zylinder erreicht wird, damit die nächste Zündung sicher stattfindet. Die Rückfüh rungsenergie kann zum Beispiel durch die verdichtete Luftmenge geliefert werden, die in den schädlichen Räumen der Kompressor zylinder 3, 4 verbleibt.
Falls diese Luft menge nicht genügend Energie liefern kann, können weitere Luftkissen in besonderen Zy lindern vorgesehen sein. Der Inhalt der schädlichen Räume 14, 15 (Fig. 1) und daher die Menge der darin verbleibenden verdich teten Luft, bezw. die Grösse der Rückfüh rungsenergie hängt von der Endlage des Ex pansionshubes ab. Die verschiedenen Expan- sionshubendlagen für Leerlauf und Vollast I und II entsprechen dem Ungleichförmigkeits grad der Drehzahlregler.
Es kann jedoch er forderlich sein, bei allen Belastungen die gleiche Expansionshubendlage zu erhalten, so dass zur Erzielung einer Leistungsregelung bei gleichbleibender Expansionshubendlage, in Parallele zu der Rückführung bei iso- dromen Drehzahlreglern, zwischen dem Ver stellkolben und dem Leistungsregelorgan eine Rückführung einzuschalten ist.
Durch die beschriebenen Massnahmen wird der Vorteil erreicht, dass der Flug kolbenkompressor sich selbsttätig der Be lastung der ihm nachgeschalteten Kraft maschine anpassen kann und durch eine ein fache und billige Regelvorrichtung die Ste tigkeit des Freikolbenbetriebes mit Sicher heit gewährleistet ist.
Ausserdem wird die Bedienung des Freikolbenkompressors da durch vereinfacht und im wesentlichen auf das Anlassen des Kompressors beschränkt. Anstatt dass die in Abhängigkeit von der Expansionsendlage des Freikolbens arbei tende Vorrichtung das Regelorgan für die Brennstoffzufuhr zum Brennkraftzylinder beeinflusst, kann sie auch das Organ zum Regeln der Luftzufuhr zum Brennkraft- zylinder, das Organ zum Regeln des Druckes der Nachladeluft für den Brennkraftzylinder oder das Regelorgan im Auslass der Abgase beeinflussen.
Sie kann diese Organe entweder einzeln oder mehrere gleichzeitig oder hinter- einander beeinflussen, und zwar findet die Beeinflussung in dem Sinne statt, dass bei einer Änderung der Expansionshubendlage nach aussen zu, diese Organe so verstellt wer den, dass die im Brennkraftzylinder erzeugte Leistung verringert wird, während eine Än derung der Expansionshubendlage nach innen zum zwischen den Freikolben gelegenen Brenuraum hin einen leistungssteigernden Einfluss auf diese Organe ausübt.
Das hy draulische oder pneumatische Übertragungs system kann so ausgebildet sein, dass bei einer Störung im Zufluss von Druckmittel durch die Leitung 38, bezw. bei ausfallendem Drubk, die Brennstoffzufuhr auf Nullfül lung, bezw. die der geringsten Leistung ent sprechende Stellung anderer Organe zur Re gelung der Leistung eingestellt wird.
Wird eines oder mehrere der Leistungs- regelungsorgane des Freikolbenkompressors zum Beispiel mit der Hand geregelt, so kann beispielsweise die in Abhängigkeit von der Expansionshubendlage eines Freikolbens arbeitende Vorrichtung lediglich zum Beein flussen des Leistungsregelorganes in abschal tendem Sinne beim Überschreiten einer maximalen Egpansionshubendlage, das heisst als Sicherheitsvorrichtung .dienen.
Bei Frei kolbenkompressoren mit mehreren aus Brenn kraft- und Kompressorzy lindern kombinier ten Zylindern arbeiten wegen des Fehlens der Kurbelwelle die Freikolben in jedem Zylin der ganz unabhängig von denen in einem an dern Zylinder. Bei gemeinsamer Regelung der Brennstoffzufuhr können die einzelnen Zylinder ganz verschiedene Leistung auf nehmen und einige Zylinder überlastet wer den, während andere wenig oder nichts lei sten.
Dadurch, dass die einzelnen kombinier ten Zylinder mit. einem Leistungsregelorgan und einer in Abhängigkeit von der Expan- sionshubendlage je eines Freikolbens der kombinierten Zylinder arbeitenden Vorrich tung zum Beeinflussen eines Regelorganes versehen sind, ergibt sich der Vorteil, dass die Leistung gleichmässig auf alle Zylinder verteilt wird und eine gleichmässigere Lie ferung von verdichteter Luft mit oder ohne Abgasbeimischung gewährleistet ist.
Sind jedoch die Freikolben eines Zylinders mit den Freikolben eines oder mehrerer anderer Zy linder zwang läufig verbunden, so können die Leistungsregelorgane dieser kombinierten Zy linder von einer gemeinsamen, in Abhängig keit von der Expansionsendlage eines Frei kolbens eines kombinierten Zylinders arbei tenden Vorrichtung beeinflusst werden, wo durch die Regelung vereinfacht und verbil ligt wird.
Die eventuell vorgesehene zusätz liche Vorrichtung für die Grundlastregelung, die neben der von der Expansionshubendlage abhängigen Übertragungsvorrichtung ein Leistungsregelorgan des Brennkraftzylin- ders beeinflusst, kann anstatt von dem För derdruck auch von der Temperatur, von der Menge usw. des der dem Freikolben nach geschalteten Kraftmaschine zugeführten Be triebsmittels oder einer Betriebsgrösse der Kraftmaschine selbst, zum Beispiel von der Drehzahl, vom Druck, von der Temperatur usw. des Betriebsmittels vor oder nach der Maschine abhängig sein.
Anstatt für Anlagen, bei denen die Luft mit den Abgasen gemischt einer Gasturbine zugeführt wird, kann die Hubregelvorrich- tung zum Beispiel auch für solche Freikolben kompressoren angewendet werden, die ledig lich Luft verdichten, wobei sich der Vorteil eines einfachen Parallelarbeitens verschie dener Freikolbenkompressoren auf eine ge meinsame Druckleitung ergibt.
An Stelle der Regelung der Luftmenge durch Drosselung mittelst der Klappe 22 kann auch eine Drosselung in der Druck leitung nach den Kompressorzylindern vor gesehen sein. Während diese Regelungs arten besonders für Zwillings-Freikolben kompressoren, bei denen der Regulierbereich des schädlichen Raumes aus konstruktiven Gründen enger begrenzt ist, vorteilhaft ange wendet werden, kann die Luftförderung auch durch Veränderung des schädlichen Raumes im Kompressor beeinflusst werden. Bei Frei kolbenkompressoren mit aussen liegenden Kompressionsräumen ergibt sich dies da durch, dass der Hubausschlag mit zunehmen- der Brennstoffüllung zunimmt und mit ab nehmender abnimmt.
Ein Beispiel hierfür ist die zusätzliche Regelung nach Fig. 3, gemäss welcher der Regelbereich zwischen den Lagen I und II aus Fig. 1 beim Verdrehen der Regelwelle 56 sich allmählich nach innen verschiebt, um zum Beispiel in der Endstellung den Regel bereich zwischen den Lagen II und III ein nehmen. Die Hubzahl und die Brennstoffül lung sind beim Freikolbenkompressor vonein ander abhängig. Es könnte aber zur Regelung der Luftförderung die Hubzahl durch Ände rung der Freikolbenmasse geändert werden.
An Stelle des hydraulischen Übertra gungssystems kann auch eine mechanische oder elektrische oder eine kombinierte Vor richtung angeordnet sein und gegebenenfalls das Leistungsregelorgan unmittelbar durch den Freikolben bei jedem Hub aufgestossen werden.