Heissgasmotor mit Einrichtung zur Regelung der indizierten Leistung. Die Erfindung betrifft einen Heissgas motor mit Einrichtung zur Regelung der in dizierten Leistung.
Für das Problem der Leistungsregelung eines Heissgasmotors wurden bereits mehrere Lösungen vorgeschlagen, die im wesentlichen in zwei Gruppen eingeteilt werden können. Sämtliche Lösungen beziehen sich auf die Vergrösserung und Verkleinerung der Fläche des Indikatordiagramms des Motors. Rege lungen der ersten Art bewirken eine Ände rung dieser Fläche durch Änderung der Gas füllung im Zylinder, mit andern Worten eine Änderung des Druckniveaus des Kreispro zesses. Es wird dabei dann vorausgesetzt, dass das Kompressionsverhältnis, d. h. das Ver hältnis zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Druck im Zylinder, konstant bleibt.
Diese Regelung lässt sich in baulicher Hinsicht in der Weise durchführen, dass an einem oder mehreren Punkten des Kreispro zesses in den Zylinder Gas eingelassen oder aus ihm abgeführt wird.
Regelungen der zweiten Art werden mit Aufrechterhaltung des Druckniveaus, jedoch durch Änderung des Kompressionsverhältnis ses vorgenommen. Eine solche Regelung ist baulich beispielsweise durch Änderung der Phase zwischen den Bewegungen des Kol bens und des Verdrängers durchführbar. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der Inhalt des Zylinders mit einem gesonderten Raum veränderlicher Grösse oder mit einem oder mehreren Räumen verschiedenen Ge samtinhalts in Verbindung gebracht wird.
Obwohl diese Ausführungsformen praktisch sehr gut verwirklicht werden können, stösst man bei ihrer Verwirklichung dennoch auf einige Schwierigkeiten. Die Änderung des Phasenwinkels zwischen den Bewegungen des Kolbens und des Verdrängers erfordert eine Verstellvorrichtung zwischen ihren Ab- und Antriebsmitteln. Regelung durch Hinzu fügen von besonderen Räumen ergibt nur eine stufenweise Änderung der Leistung.
Ununter brochene Änderung ist möglich, wenn das Volumen dieses hinzugeschalteten Raumes kontinuierlich veränderlich ist, aber da der Druck in diesem Raum gewöhnlich von dem atmosphärischen Druck abweicht, ist die Ver- stellkraft relativ gross.
Die Leistungsregelung gemäss der Erfin dung gehört zu den Regelungen der zweiten Art und hat bei entsprechender Konstruktion gegenüber den bereits vorgeschlagenen oder bekannten Regelungen den Vorzug der Ein fachheit verbunden mit einem kontinuier lichen Verlauf und einer geringen Verstell- kraft.
Es ist schon vorgeschlagen worden, den Motorzylinderraum über einen zu regelnden Strömungswiderstand mit einem Hilfsraum in Verbindung zu bringen. Über diesen Strö mungswiderstand findet ein regelmässiger Austausch von Gas zwischen dem Zylinder und dem Hilfsraum statt, und zwar eine Strömung aus dem Zylinder, falls der Druck dort höher als der Druck im Hilfsraum ist, und eine Strömung in den Zylinder, falls dort der Druck niedriger ist als im Hilfsraum.
Das Verhältnis zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Druck im Zylinder wird dadurch verringert, so dass die Fläche des er wähnten Diagramms abnimmt. Die Grösse dieses Verhältnisses ist mittels. der Grösse des Strömungswiderstandes genau regelbar. Es, ist auf diese Weise also möglich, die Motor leistung, beispielsweise mittels eines Regula tors, an die verlangte äussere Belastung an zupassen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wer den in dem Verbindungsweg zwischen dem Motorzylinder und dem Hilfsraum, zu dem zu regelnden Strömungswiderstand parallel geschaltet, zwei abschliessbare, nur in ent gegengesetzter Richtung Gas durchlassende Kanäle vorgesehen. Wird der Abschluss eines dieser Kanäle aufgehoben, so kann das Gas aus dem Motorzylinder, solange der Druck im letzteren höher als der Druck im Hilfs raum ist, in diesen Raum abfliessen, wobei z. B. ein Kugelrückschlagventil in diesem Kanal den Rückfluss des Gases verhindert.
Wird der Abschluss des andern Kanals auf gehoben, so kann das Gas nur in entgegen gesetzter-Richtung fliessen. Es kann dadurch erreicht werden, dass der Gasinhalt des Motorzylinders schnell auf ein Minimum her abgesetzt oder zu einem Maximum gesteigert werden kann, so dass die indizierte Motor leistung schnell zwischen Maximum und Mi nimum wechseln kann. Die dabei aufrecht erhaltene Regelung des Gasstromes zwischen dem Motorzylinder und dem Hilfsraum über den zu regelnden Strömungswiderstand dient gegebenenfalls zur langsamen Regelung der verlangten Leistung.
Die Abschlussmittel der genannten, nur in untereinander entgegengesetzter Richtung Gas durchlassenden Kanäle können gleich falls unter dem Einfluss des Regulators ste hen; diese Abschlussmittel können gegebenen falls mit dem Organ zur Regelung des Strömungswiderstandes mechanisch vereinigt werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher er läutert.
Fig. 1 zeigt das Indikatordiagramm eines Heissgasmotors mit einer Änderung, die er findungsgemäss erhalten werden kann.
In Fig. 2 ist eine Regelvorrichtung nach der Erfindung dargestellt, mit deren Hilfe eine schnelle Regelung möglich ist.
In Fig. 1 bezeichnet 10 das Indikator diagramm eines Heissgasmotors. Die Abszisse stellt den Kolbenweg Z dar, während auf der Ordinate de: Druckverlauf im Zylinder bei den verschiedenen Lagen des Kolbens aufge tragen ist. Das durch eine ausgezogene Linie dargestellte Diagramm 10 stellt das Indika- tordiagramm bei voller Motorleistung dar. Der Druck P<U>im</U> Zylinder schwankt dabei zwischen dem Maximaldruck 11 und dem Minimaldruck 12. Das mittlere Niveau des Druckes ist 13; die indizierte Motorleistung wird durch die durch dieses Diagramm um schlossene Fläche bestimmt.
Wenn die Leistungsregelung in Tätig keit tritt, d. h. wenn der Inhalt des Arbeits zylinders über einen zu regelnden Strömungs widerstand mit einem Hilfsraum in Verbin dung gebracht wird, so nimmt durch diesen Strömungswiderstand hindurch der im Zylin der herrschende Druck, solange er höher als der Druck in diesem Hilfsraum ist, ab, wäh rend der Druck im Zylinder, solange er nied riger als im genannten Raum ist, ansteigt. Das Diagramm erhält also den in der Figur gestrichelt dargestellten Verlauf 16, bei dem der höchste Druck auf einen Wert 14 herab sinkt und der niedrigste Druck zu einem Wert 15 ansteigt.
Bei der Annahme, dass im gee,nnten Hilfsraum ein Druck herrscht, der dem mittleren Druckniveau 1ä entspricht, bleibt das mittlere Druckniveau im Arbeits- zylinder, auch nachdem diese Regelung in Tätigkeit tritt, das gleiche. Der Druck in diesem Hilfsraum stellt sich zwangsläufig an- nähernd auf das genannte mittlere Druck niveau 13 ein, wenn die Verbindung zwischen dem Arbeitszylinder und diesem Hilfsraum bereits einige Zeit bestanden hat.
Als Hilfs raum kann nicht nur ein gesondertes geschlos senes Gefäss dienen, sondern jeder im Motor vorhandene Raum ist zu diesem Zweck an wendbar. Heissgasmotoren sind häufig mit einem Kurbelwellenkasten ausgerüstet, der gasdicht von der Umgebung abgeschlossen ist, um die Leckverluste aus dem Zylinder längs des Kolbens herabsetzen zu können. Der Innenraum dieses geschlossenen Kurbel- -wellenkastens kann in diesem Fall ohne Be denken als Hilfsraum für die obenerwähnte Regelung dienen. Es ist zwar dafür Sorge zu tragen, dass der als Hilfsraum benutzte Raum in bezug auf das Hubvolumen nicht zu klein wird.
In einem kleinen Hilfsraum entsteht nämlich bald ein derart grosser Gegendruck, dass der Regelbereich nur klein wird. Insbe sondere bei niedrigen Drehzahlen, bei denen also für das Hin- und Herströmen des Ar beitsmittels durch den Strömungswiderstand ziemlich viel Zeit verfügbar ist, wirkt ein in bezug auf das Hubvolumen kleiner Hilfs raum bereits bei einem weniger grossen Strö mungswiderstand als zusätzlicher schädlicher Raum. Der geschlossene Hilfsraum für die Regelung bietet den Vorteil, dass stets das selbe Gas im Motor in Umlauf bleibt, so dass dieses Regelverfahren auch bei Motoren mit besonderer Gasfüllung, z. B. Wasserstoff oder Helium, anwendbar ist.
Die in Fig. 2 dargestellte Regelvorrich tung besitzt ein Gehäuse 35, in dem mehrere Kanäle ausgespart sind. In der Mitte des Ge häuses befindet sich eine Bohrung, in der ein Tauchkolben 39 auf- und abwärts bewegbar ist. Dieser Tauchkolben ist mittels eines He bels 32 mit einem nicht dargestellten Lei stungsregler verbunden, so da.ss die Lage die ses Tauchkolbens von der gewünschten Motorleistung abhängig gemacht ist.
Im Ge häuse 35 befinden sich drei parallel geschal tete Bohrungen 36, 37 und 38, die alle die mittlere Bohrung für den Tauchkolben 39 kreuzen. Letzterer kann gleichzeitig höch- stens eine Bohrung freigeben. Diese Bohrun gen münden ferner in einen gemeinsamen Kanal 27, der mit einem gesonderten Raum 26 in Verbindung steht. Auf der andern Seite sind die drei genannten Bohrungen ebenfalls mittels eines gemeinsamen Kanals 29 verbunden, der mit dem Motorzylinder in dauernd offener Verbindung steht.
Die untere Bohrung 38 dieser drei Boh rungen enthält ein Rückschlagventil 40, das sich nur für einen Gasstrom öffnet, der sich aus dem Raum 26 durch den Kanal 27, die Bohrung 38 und den Kanal 29 zum Motor- zylinderbewegt. Die Bohrung 36 besitzt ein Rückschlagventil 41 gleicher Bauart, das sich für eine Strömung in entgegengesetztem Sinne öffnet. Die Bohrung 37 ist örtlich ver engt und bildet einen Strömungswiderstand im Weg zwischen dem Motorzylinder und dem Raum 26.
Dieser Strömungswiderstand ist regelbar, da im Tauchkolben 39 eine Ring nut 43 vorhanden ist, die durch die Auf- und Abwärtsbewegung des Tauchkolbens 39 mehr oder weniger mit der Bohrung 37 in Verbindung stehen kann.
Der Tauchkolben 39 ist ferner derart aus gebildet, dass beim normalen Betrieb des Mo tors die Bohrungen 36 und 38 völlig abge schlossen werden. Wird die äussere Belastung des Motors plötzlich stark vergrössert, so hat dies unmittelbar eine Abnahme der Ge schwindigkeit zur Folge. Der Leistungs regler fängt zu arbeiten an und schiebt den Tauchkolben 39 so weit nach unten, dass eine Durchströmungsnut 42 in diesem Kolben die Bohrung 38 öffnet. Solange der Gasdruck im Motorzylinder niedriger ist als der im Gefäss 26 verfügbare Gasdruck, fliesst ein Gasstrom zu dem Motorzylinder.
Ein Zu rückfliessen des Gases ist ausgeschlossen, da dies durch das Rückschlagventil 40 verhin dert wird und die beiden andern Bohrungen 36 und 37 durch den Tauchkolben abgeschlos sen sind. Es strömt also in einer kurzen Zeit eine relativ grosse Gasmenge in den Zylinder, so da.ss die indizierte Leistung stark zunimmt. Umgekehrt hat das Ausfallen der äussern Be- lastung zur Folge, dass der Regler durch Ver schiebung des Tauchkolbens<B>59,</B> die Nut 44 vor die Bohrung 36 bringt und auf diese Weise ausschliesslich eine Verbindung vom Motorzylinder zum Gefäss 26 freigibt.
Während des normalen Betriebes des Mo tors, wenn keine schnelle Regelung möglich ist, sind die Bohrungen 36 und 38 abgeschlos sen. Zum Regeln. der Leistung auf einen niedrigeren Wert, als auf die obenerwähnte Weise erreiöhbar ist, schiebt sich die Nut 43 vor die Bohrung 37.
Hot gas motor with device for regulating the indicated power. The invention relates to a hot gas motor with a device for controlling the in dosed power.
Several solutions have already been proposed for the problem of regulating the output of a hot gas engine, which can essentially be divided into two groups. All solutions relate to the enlargement and reduction of the area of the indicator diagram of the motor. Regulations of the first type cause a change in this area by changing the gas filling in the cylinder, in other words a change in the pressure level of the circular process. It is then assumed that the compression ratio, i. H. the ratio between the highest and the lowest pressure in the cylinder remains constant.
From a structural point of view, this regulation can be carried out in such a way that gas is admitted into the cylinder or discharged from it at one or more points in the circular process.
Controls of the second type are made by maintaining the pressure level, but by changing the compression ratio. Such a control is structurally feasible, for example, by changing the phase between the movements of the piston and the displacer. Another possibility is that the content of the cylinder is associated with a separate room of variable size or with one or more rooms with different overall contents.
Although these embodiments can be implemented very well in practice, some difficulties are encountered in their implementation. The change in the phase angle between the movements of the piston and the displacer requires an adjustment device between its output and drive means. Regulation by adding special rooms only results in a gradual change in performance.
Uninterrupted change is possible if the volume of this additional space is continuously variable, but since the pressure in this space usually deviates from the atmospheric pressure, the adjustment force is relatively large.
The power regulation according to the invention is one of the regulations of the second type and, with a corresponding construction, has the advantage of simplicity over the already proposed or known regulations combined with a continuous process and a low adjustment force.
It has already been proposed to connect the engine cylinder space to an auxiliary space via a flow resistance to be regulated. Via this flow resistance there is a regular exchange of gas between the cylinder and the auxiliary chamber, namely a flow out of the cylinder if the pressure there is higher than the pressure in the auxiliary chamber, and a flow into the cylinder if the pressure there is lower is than in the auxiliary room.
The ratio between the highest and the lowest pressure in the cylinder is thereby reduced, so that the area of the diagram mentioned decreases. The size of this ratio is medium. the size of the flow resistance can be precisely regulated. It is thus possible in this way to adjust the engine power, for example by means of a Regula sector, to the required external load.
According to the present invention, in the connecting path between the motor cylinder and the auxiliary space, connected in parallel to the flow resistance to be regulated, two lockable channels that only allow gas to pass in the opposite direction are provided. If the closure of one of these channels is canceled, the gas can flow out of the engine cylinder, as long as the pressure in the latter is higher than the pressure in the auxiliary space, into this space. B. a ball check valve in this channel prevents the backflow of the gas.
If the closure of the other channel is removed, the gas can only flow in the opposite direction. It can be achieved that the gas content of the engine cylinder can be quickly reduced to a minimum or increased to a maximum, so that the indicated engine power can quickly switch between maximum and minimum. The regulation of the gas flow maintained between the engine cylinder and the auxiliary chamber via the flow resistance to be regulated may serve to slowly regulate the required power.
The closing means of the said channels, which only pass gas in mutually opposite directions, can also stand under the influence of the regulator; these closing means can, if necessary, be mechanically combined with the organ for regulating the flow resistance.
The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the accompanying drawings.
Fig. 1 shows the indicator diagram of a hot gas engine with a change that it can be obtained according to the invention.
In Fig. 2, a control device according to the invention is shown, with the help of which rapid control is possible.
In Fig. 1, 10 denotes the indicator diagram of a hot gas engine. The abscissa represents the piston travel Z, while on the ordinate de: pressure curve in the cylinder is carried up in the various positions of the piston. The diagram 10 represented by a solid line represents the indicator diagram with full engine power. The pressure P <U> in the </U> cylinder fluctuates between the maximum pressure 11 and the minimum pressure 12. The mean level of the pressure is 13; the indicated engine power is determined by the area enclosed by this diagram.
When the power regulation takes effect, d. H. if the contents of the working cylinder is brought into connection with an auxiliary chamber via a flow resistance to be controlled, the pressure in the cylinder decreases through this flow resistance, as long as it is higher than the pressure in this auxiliary chamber, while the Pressure in the cylinder, as long as it is lower than in the space mentioned, increases. The diagram thus has the curve 16 shown in dashed lines in the figure, in which the highest pressure drops to a value 14 and the lowest pressure rises to a value 15.
Assuming that there is a pressure in the appropriate auxiliary space which corresponds to the mean pressure level 1a, the mean pressure level in the working cylinder remains the same, even after this regulation is activated. The pressure in this auxiliary space inevitably comes close to the aforementioned mean pressure level 13 when the connection between the working cylinder and this auxiliary space has already existed for some time.
Not only a separate closed vessel can serve as auxiliary space, but any space in the engine can be used for this purpose. Hot gas engines are often equipped with a crankshaft case which is sealed gas-tight from the environment in order to be able to reduce leakage losses from the cylinder along the piston. The interior of this closed crankshaft box can in this case serve as an auxiliary space for the above-mentioned scheme without Be thinking. Care must be taken that the space used as an auxiliary space does not become too small in relation to the displacement.
In a small auxiliary space, a counterpressure soon arises that is so great that the control range is only small. In particular, at low speeds, at which a fair amount of time is available for the back and forth flow of the work medium due to the flow resistance, a small auxiliary space with respect to the displacement acts as an additional harmful space with a less large flow resistance. The closed auxiliary space for the control offers the advantage that the same gas always remains in circulation in the engine, so that this control method can also be used for engines with a special gas charge, e.g. B. hydrogen or helium, is applicable.
The device shown in Fig. 2 Regelvorrich has a housing 35 in which several channels are recessed. In the middle of the Ge housing there is a bore in which a plunger 39 can be moved up and down. This plunger is connected by means of a lever 32 to a power regulator, not shown, so that the position of this plunger is made dependent on the desired engine power.
In the Ge housing 35 there are three parallel scarf ended bores 36, 37 and 38, all of which cross the center hole for the plunger 39. The latter can open at most one hole at the same time. These bores also open into a common channel 27 which is in communication with a separate space 26. On the other hand, the three named bores are also connected by means of a common channel 29 which is in permanent open connection with the engine cylinder.
The lower bore 38 of these three bores contains a check valve 40 which opens only for a gas flow that moves from the space 26 through the channel 27, the bore 38 and the channel 29 to the engine cylinder. The bore 36 has a check valve 41 of the same type, which opens for a flow in the opposite direction. The bore 37 is locally narrowed and forms a flow resistance in the path between the engine cylinder and the space 26.
This flow resistance can be regulated, since an annular groove 43 is present in the plunger 39, which can be more or less connected to the bore 37 by the upward and downward movement of the plunger 39.
The plunger 39 is also formed in such a way that the bores 36 and 38 are completely closed during normal operation of the Mo sector. If the external load on the motor is suddenly greatly increased, this immediately results in a decrease in speed. The power regulator begins to work and pushes the plunger 39 down so far that a flow groove 42 in this piston opens the bore 38. As long as the gas pressure in the motor cylinder is lower than the gas pressure available in the vessel 26, a gas stream flows to the motor cylinder.
A backflow of the gas is excluded because this is prevented by the check valve 40 and the other two bores 36 and 37 are completed by the plunger. A relatively large amount of gas flows into the cylinder in a short period of time, so that the indicated power increases significantly. Conversely, the failure of the external load has the consequence that the regulator moves the groove 44 in front of the bore 36 by shifting the plunger 59 and in this way only releases a connection from the motor cylinder to the vessel 26 .
During normal operation of the Mo sector, when fast control is not possible, the bores 36 and 38 are completed. To regulate. the power to a lower value than can be achieved in the above-mentioned manner, the groove 43 is pushed in front of the bore 37.