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Vorrichtung zur stufenlosen Füllungssteuerung von Kolbenkraftmaschinen
Es ist bekannt, die veränderliche Füllung der Arbeitszylinder von Kolbenkraftmaschinen,
welche unter Druck stehende Gase und Dämpfe als Arbeitsmedium verarbeiten, durch
Steuerung der mechanischen Betätigung der Ein- und Auslaßventile vorzunehmen und
diese Ventile dadurch zu beeinflussen, daß sie mittels Steuerkolben durch das Arbeitsmedium
selbst oder durch ein Fremdmedium hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden.
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Bei hohen Drehzahlen stören die relativ großen Massen solcher Steuereinrichtungen,
weiter verbietet der Betrieb solcher Kolbenkraftmaschinen und deren Steuerorgane
mit bestimmten Gasen und Dämpfen, wie z. B. Sauerstoff und Freon, die Verwendung
irgendwelcher Schmiermittel, weil diese z. B. bei Sauerstoff verbrennen oder z.
B. bei Freon gelöst und verdünnt würden.
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Es ist fernerhin eine Einlaßsteuerung für Kolbenkraftmaschinen bekannt,
bei welcher an Stelle von Ventilen einseitig eingespannte Federplatten mit geringer
Masse benutzt und diese Federplatten durch Drosselung des Antriebmediums der Kolbenkraftmaschine
bewegt werden. Bei dieser Ausführung dient die wie eine federnde Zunge wirkende
Federplatte nicht nur dem Abschluß der in den Arbeitszylinder führenden Kanäle,
sondern sie liefert durch ihre verschieden stark einstellbare Deformation auch die
Federkraft, welche durch den Staudruck des Arbeitsmediums überwunden werden muß.
Durch diese Ausführung ist nur eine begrenzte Füllungsregelung möglich.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr eine Ausführung vorgeschlagen, bei der
die Nachbeile der vorbeschriebenen Anordnungen vermieden «-erden durch Verwendung
massearmer, automatisch arbeitender Plattenventile oder konzentrischer Ventilringe
als Ein- und Auslaßorgane, wobei in dem Ventilsitz von Einlaßventilen einerseits
Federn angebracht sind, welche die Ventilplatten entgegen dem Staudruck des einströmenden
Arbeitsmediums offenhalten, andererseits an dem beweglichen Greiferstern Federn
angeordnet sind, die mit veränderlich einstellbarer Federkraft den auf den Schluß
der beweglichen Ventilplatten oder konzentrischen Ventilringe wirkenden Staudruck
des einströmenden Arbeitsmediums unterstützen, während bei Auslaßventilen an dem
beweglichen Greiferstern Federn befestigt sind, die entgegen dem Staudruck des ausströmenden
Arbeitsmediums mit veränderlicher Federkraft die beweglichen Ventilplatten oder
konzentrischen Ventilringe offenzuhalten suchen. Die Aufgaben des Absperrorgans
einerseits und der veränderlich einstellbaren Federkräfte andererseits werden also
völlig voneinander getrennt, und es wird hierdurch eine Füllungsregelung in weitesten
Grenzen ermöglicht. Da die massearmen Steuerorgane reibungslos arbeiten, bedürfen
sie keiner Schmierung. Die Ausführung gemäß der Erfindung arbeitet in folgender
Weise: Nach Schluß des Auslaßventils wird von dem dem Totpunkt zustrebenden. Kolben
das restliche Volumen des Arbeitsmediums verdichtet, wobei der Druck im Arbeitszylinder
die bis dahin vom Einlaßdruck auf ihren Sitz gedrückte Ventilplatte anhebt und damit
die Verbindung zwischen Arbeitszylinder und Einlaßraum herstellt. Es herrscht bei
äußerster Totpunktstellung des Kolbens Druckausgleich zwischen Totraum und Einlaßraum.
Bei Rückgang des Kolbens strömt das Arbeitsmedium nach, wobei die jeweilige kinetische
Energie als Staudruck des durch den oder die Ventilquerschnitte strömenden Arbeitsmediums
maßgebend bestimmt wird durch den sinusförmigen Verlauf der Kolbenbewegung. Die
geöffnete Ventilplatte ist zum Zwecke der Steuerung an ihrem Umfang mit Federn belastet,
deren Spannung veränderlich einstellbar ist. Die Federkraft hält einer bestimmten
Höhe des Staudruckes das Gleichgewicht. Bei Überschreiten der Federkraft wird die
Platte wieder auf ihren Sitz gedrückt, der Einlaß ist geschlossen und die arbeitsleistende
Expansion beginnt. Der Kolben nähert sich dem anderen Totpunkt. Sobald im Arbeitszylinder
der Druck annähernd auf den außerhalb des Zylinders herrschenden Auslaßdruck gesunken
ist, wird die Ventilplatte des Auslaßventils durch Federn von, ihrem Sitz abgehoben,
weiche entgegen dem Staudruck des ausströmenden Arbeitsmediums wirken und wie beim
Einlaßventil am Umfang der Ventilplatte angeordnet sind. Diese Federkraft ist veränderlich
einstellbar und zum Zwecke der Steuerung der Schlußzeiten des Auslaßventils. Wie
bei dem Einlaßventil ist der Staudruck des durch dem Ventilquerschnitt strömenden
Arbeitsmediums stark von der jeweiligen
Stellung des Kolbens im
Zylinder abhängig. Man kann daher den Schluß dies Auslaßventils zeitlich verändern,
indem die Federn für eine ganz bestimmte Staudruckhöhe eingestellt werden. Nach
Überschreiten der Federkraft wird die Ventilplatte auf ihren Sitz geworfen, der
Arbeitszylinder ist abgeschlossen, und der erneut dem Totpunkt zulaufende Kolben
verdichtet das restliche Arbeitsmedium, bis der Druck über dem Einlaßventil erreicht
wird. Das Spiel beginnt von neuem.
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Beim Einlaßventil ist die Ventilplatte oder sind die konzentrischen
Ventilringe einerseits durch Federsätze in den Ventilsitzen mit der Kraft des höchsten
zu erwartenden Staudrucks des einströmenden Mediums und gegen diesen gerichtet,
belastet. Andererseits werden die Ventilplatten oder -ringe durch einen an ihrem
Umfang angeordneten Satz Federn belastet, deren Kraft den Staudruck unterstützt.
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Dieser Federsatz stützt sich einerseits ab an der Ventilplatte oder
den konzentrischen Ventilringen, andererseits an einem Greiferstern, der derart
beweglich ist, daß er durch Verstellung des Federhubes die Federkraft in Richtung
des Staudrucks ändert und damit die gewollte Füllung steuert.
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Die Ventilplatte oder die konzentrischen Ventilringe des Auslaßventils
werden durch einen Federsatz, entgegenwirkend dem veränderlichen Staudruck des ausströmenden
Arbeitsmediums, belastet, der sich einerseits an den beweglichen Platten oder konzentrischen
Ringen abstützt, andererseits befestigt ist an einem Greiferstern, der derart beweglich
ist, daß durch seine Verstellung der Federhub und damit die gegen den Staudruck
wirkende Kraft zwecks Steuerung geändert wird.
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Es wäre wohl möglich, statt der bei Einlaßventilen im Ventilsitz untergebrachten
Druckfedern und der am Greiferstern befestigten Druckfedergruppe die veränderliche
Ventilschlußzeit mit nur einer gegen den Staudruck wirkenden, am Greiferstern einerseits
und an der Ventilplatte andererseits befestigten Zugfedergruppe einzustellen. Eine
solche Methode besitzt jedoch trotz ihrer Neuheit und Einfachheit insofern Nachteile,
als die Notwendigkeit der Befestigung der Einzelfedern auf der Platte eine unerwünschte
Vermehrung der Plattenmasse bewirkt. Andererseits wäre die Betriebssicherheit dieser
Anordnung wesentlich geringer.
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Der Greiferstern ist in dem Mittelbolzen des Ventils geführt. Die.
Verstellung der Vorspannung der an ihm formschlüssig und kraftschlüssig mit den
Ventilplatten verbundenen Federn -wird durch eine Hubänderung des Greifersterns
bewirkt. Diese Hubänderung wird in Weiterbildung der Erfindung bewirkt durch einen
senkrecht oder annähernd senkrecht zur Federbewegung verschiebbaren Steuerkolben,
der auf den Greiferstern vermittels einer selbsthemmenden schrägen Ebene einwirkt.
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Die Selbsthemmung der schrägen Ebene verhindert hierbei eine Rückwirkung
von Bewegungskräften, des Greifersterns auf den Steuerkolben. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung kann die schräge Ebene des Gleitsteins durch eine Schraubspindel oder
eine ähnliche Vorrichtung, z. B. Taumelscheibe, ersetzt wer= den, welche die Funktion
der schrägen, selbsthemmenden Ebene übernimmt. Im Falle der Schraubspindel ist diese
dann von einer Mutter umfaßt, welche am äußeren Umfang eine Verzahnung trägt, in
welche eine vom Steuerkolben betätigte Zahnstange eingreift und damit die Drehung
der Mutter bewirkt. Je nach der gewünschten Regelcharakteristik kann die Schraub-Spindel
mit Mutter auch über ein ,Getriebe, z. B. ein Kurbelgetriebe, durch den Steuerkolben
verstellt werden. Diese Steuerelemente verharren während eines Arbeitsspiels in
Ruhe. Ihre Massen beeinflussen daher nicht die empfindlichen Ventilplatten und die
auf ihnen sich abstützenden Federn, w eiche reibungsfrei arbeiten. Irgendwelche
beweglichen gegen den Arbeitsdruck nach außen abzudichtende Steuerelemente sind
nicht vorhanden.
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Auf .der einen Seite des die Hubänderung des Greifersterns bewirkenden
Steuerkolbens wirkt der volle Einlaßdruck, auf der anderen Seite ein Barunterliegender
Druck, in dem Grenzfall der Auslaßdruck oder die freie Atmosphäre. Außerdem wirkt
dem jeweils höheren Druck entgegen eine Feder, deren, entsprechend bemessene Kraft
die Wirkung des verminderten Gegendrucks unterstützt. Diese Differenz der auf beiden
Seiten des Steuerkolbens wirkenden Kräfte, welche von Hand oder durch einen Regler
eingestellt werden kann, regelt die zweckentsprechende Füllung. Die automatische
Regelung geschieht auch durch einen Druckregler, welcher von einer den Betriebsablauf
bestimmenden Größe, z. B. Druck, Temperatur, Drehzahl bzw. elektrischen Größe von
mit der Kolbenkraftmaschine verbundenen elektrischen Vorrichtungen beeinflußt wird.
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Bekanntlich stehen die oben beschriebenen, während eines Kolbenspiels
mit der Kolbenstellung veränderlichen, staudruckgesteuerten Ventilschlußbewegungen
auch noch unter den Einflüssen einer dem Einfluß der veränderlichen Kolbengeschwindigkeit
nacheilenden Druckwelle des steuernden Arbeitsmediums im Arbeitszylinder und der
Trägheiten der bewegten Platten und der diese angreifenden Federn. Durch die Kolbenbewegung
wird eine Druckwelle im Arbeitszylinder hervorgerufen, die dem Einfluß der annähernd
sinusförmigen Geschwindigkeitsänderung des Kolbens auf die Ventile nacheilt. Das
führt zu einer Verlegung des durch den höchsten Staudruck bewirkten Schlusses der
Ein- und Auslaßventile über die Hubmitte hinaus. In dem gleichen Sinne wirken die
Trägheiten der bewegten Platten und Federn, so daß eine Füllungsänderung nicht nur
auf 50°/o, sondern auf 40 und 3004 erzielt werden kann. Diese Teilfüllungen
genügen jedoch oft noch nicht den Anforderungen des Betriebes. Eine weitere Verlegung
des Ventilschlusses kann in Richtung Hubende des Arbeitskolbens dadurch, bewirkt
werden, daß die Federkraft gestaffelt wird, z. B. in der Weise, daß innerhalb eines
einzelnen Einlaß- oder Auslaßventils konzentrische Ventilringe mit Federn mit von
Ventilring zu Ventilring unterschiedlicher Charakteristik belastet werden oder daß
bei Vorhandensein mehrerer Ein- und Auslaßventile auf jeder Zylinderseite die Federn
innerhalb des einzelnen Ventils zwar gleichartig, jedoch von Ventil zu Ventil verschieden
sind. Hierdurch wird erreicht, daß der volle Ventilquerschnitt bei höchstem Staudruck
zunächst nur um einen Teil vermindert wird:. In: dem Rest des oder der Ventilquerschnitte
steigt trotz Abnehmens der Kolbengeschwindigkeit der Staudruck an, der nun wiederum
zur Schließung zweckentsprechend belasteter Ventilringe oder Ventile ausgenutzt
wird.
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In der Abbildung ist in vereinfachter Form ein Einlaßventil reit konzentrischen
durch unterschiedlich starke Federgruppen 1 und 2 in: Richtung der Strömung des
Arbeitsmediums und- durch Federn 3 gegen die Strömung belasteten Ventilringen dargestellt.
Bei Hubende und: geschlossenen Auslaßvenüilen werden,
unterstützt
durch die gegen den Staudruck wirkenden Federn 3, die Ventilringe 4 und 5 angehoben
und so der Voreinlaß des Arbeitsmediums in dem Zylinder hergestellt. 'Mit Umkehr
der Kolbenbewegung setzt Einströmen des Arbeitsmediums ein. Der Staudruck des strömenden
Mediums schließt zunächst den Ventilring 5, weil der Staudruck durch die stärkere
Feder 1 unterstützt wird. Bei weiterer Bewegung des Arbeitskolbens steigt infolge
verringerter Querschnitte der Staudruck und es schließt auch der Ring 4. Es beginnt
die Expansion des Arbeitsmediums.
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Für die Füllungssteuerung wird der durch eine Drossel oder einen Regler
beeinflußte Druckunterschied zwischen den Steuerkolbenseiten 7 und 6 in Anspruch
genommen. Kolbenseite 7 steht unter dem hohen Einlaßdruck, Kolbenseite 6 dagegen
unter einem Druck, der durch Drosselung des Einlaßdrucks hergestellt wird. Zur Unterstützung
des auf Kolbenseite 6 herrschenden niedrigeren Drucks dient die Feder 11. Die Steuerkolben-Schubbewegung
wird über eine selbsthemmend schräg ausgebildete Ebene 8 im lotrechten Winkel umgesetzt
derart, daß durch die Bewegung des geführten Greifersterns 9 die Federn 1 und 2
mehr oder weniger gespannt werden. Die Feder 10 unter dem Greiferstern sorgt für
die stets formschlüssige Verbindung mit der schrägen Ebene 8 des Steuerkolbens.