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Verfahren und Vorrichtung zur wenigstens zeitweiligen Aufrechterhaltung
des phasengleichen Betriebs von zwei Freiflugkolbenmaschinen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren, um zwei Freiflugkolbenmaschinen, insbesondere zwei Freiflugkolbentreibgaserzeuger,
mit pneumatischen Speichern für die Rückführenergie wenigstens zeitweilig in einem
phasengleichen Betriebszustand zu halten.
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Hierzu ist zu bemerken, daß unter Freiflugkolbentreibgaserzeugern
Maschinen zu verstehen sind, bei welchen der Motorteil mit Luft gespült und gespeist
wird, welche in dem Verdichterteil dieser Maschinen verdichtet wird, wobei die von
diesen Maschinen gelieferten Treibgase aus den mit der gemeinsamen Arbeitsmaschine
verbundenen Auslaßöffnungen ihres Motorteils austreten.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Ausübung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Bekanntlich nehmen die Freiflugkolben von zwei Freiflugkolbenmaschinen,
insbesondere zwei Treibgaserzeugern mit Freiflugkolben, beliebige gegenseitige Stellungen
ein, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, wobei sich diese Stellungen
übrigens bei Fehlen derartiger Vorkehrungen ständig ändern.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Aufrechterhaltung einer bestimmten
Phasenverschiebung von 180° zwischen dem Betriebszustand von zwei Freiflugkolhenmaschinen
die pneumatischen Speicher für die: Rückführenergie dieser beiden Maschinen durch
eine Leitung miteinander zu verbinden, welche geschlossen bleibt, solange diese
Maschinen die gewünschte Phasenverschiebung haben, aber eine Überführung von Luft
aus dem einen dieser Speicher in den anderen gestattet, wenn die Phasenverschiebung
von dem Wert 180° abzuweichen sucht.
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Bei einer anderen ebenfalls bekannten Anlage sucht man die Phasenverschiebung
von 180° dadurch aufrechtzuerhalten, daß man die beiden pneumatischen Speicher für
die Rückführungsenergie der beiden Maschinen ständig miteinander in Verbindung setzt
und die den Motorzylindern dieser Maschinen zugeführte Brennstoffmenge in Abhängigkeit
von der Druckschwankung steuert, welche in diesen Speichern auftritt, sobald die
Kolben von der gewünschten gegenseitigen Phasenlage abweichen, wobei diese Steuerung
dann so erfolgt, daß die einem dieser Treibgaserzeuger zugeführte Brennstoffmenge
vergrößert wird, während die dem anderen zugeführte Brennstoffmenge verringert wird.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß es bei gewissen Anwendungen oder wenigstens
bei gewissen Betriebszuständen der betreffenden Anlage zweckmäßig ist, die Kolben
der beiden Treibgaserzeuger in Phase arbeiten zu lassen, d. h. es so einzurichten,
daß sich die Freiflugkolben der beiden Maschinen gleichzeitig an ihrem inneren Totpunkt
und an ihrem äußeren Totpunkt befinden. Das erfindungsgemäße Verfahren, um wenigstens
zeitweilig einen phasengleichen Betrieb von zwei Freiflugkolbenmaschinen mit pneumatischen
Speichern für die Rückführenergie aufrechtzuerhalten, ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Speicher der beiden Maschinen während der ganzen Zeit durch eine Leitung
genügend großen Querschnitts zur Sicherung gleicher Augenblicksdrücke in den beiden
Speichern miteinander in Verbindung gesetzt werden, während welcher sie in Phase
arbeiten sollen, und daß während dieser gleichen Zeit die gleichen Brennstoffmengen
in die Motorzylinder der beiden Maschinen eingeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Anlage für die Ausübung des obigen Verfahrens
mit zwei Freiflugkolbenmaschinen mit pneumatischen Speichern für die Rückführenergie
ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Speicher miteinander durch eine Leitung verbunden
sind, welche während der ganzen Zeit, während welcher die Freiflugkolbenmaschinen
in Phase arbeiten sollen, offenbleiben kann, und daß die Einrichtungen zur Regelung
der dem Motorzylinder der beiden Maschinen zugeführten Brennstoffmengen so ausgebildet
sind, daß diese Mengen während dieser Zeit für die beiden :Maschinen die gleichen
sind.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beispielshalber erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt zwei eine erfindungsgemäße Anlage
bildende Freiflugkolbentreibgaserzeuger; Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Anlage; Fig.3 zeigt eine Ausführungsabwandlung dieser letzteren
Ausführungsform.
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Die auf Fig.l dargestellte Anlage enthält zwei Freiflugkolbentreibgaserzeuger
A und B, welche in Phase arbeiten sollen.
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Jeder dieser beiden Treibgaserzeuger kann z. B. in der schematisch
auf Fig. 1 angegebenen Weise ausgebildet sein. Hierbei weist jeder Treibgaserzeuger
zwei gleichachsige Zylinder auf, von denen der erste, 1, einen Motorzylinder bildet,
während der zweite, 2, in seinem dem Zylinder 1 zugewandten Teil 2a einen Verdichterzylinder
und in seinem Teil 2b einen pneumatischen Speicher für die Rückführenergie bildet.
In diesen beiden Zylindern arbeitet ein Freiflugkolben in Form eines Doppelkolbens,
dessen Teil 3 einen in dem :Motorzylinder 1 arbeitenden Motorkolben bildet, während
der Teil 4 des Kolbens in dem Zylinder 2 arbeitet und einen Verdichterkolben bildet,
dessen dem Kolben 3 zugewandte Ringfläche die Ansaugung und die Verdichtung der
Luft in dem Teil 2a des Zylinders bewirkt, während seine gegenüberliegende Seite
mit dem in dem Teil 2 b des Zylinders 2 eingeschlossenen Luftpolster zusammenwirkt.
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Der Motorzylinder 1 weist einen Injektor 5 sowie Eimaß- und Auslaßöffnungen
6 bzw. 7 auf, welche von dem Kolben 3 gesteuert werden.
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Die Abteilung 2a des Zylinders 2 ist mit einem oder mehreren Luftansaugeventilen
8 und mit einem oder mehreren Druckventilen 9 versehen, durch welche die verdichtete
Luft in einen Luftbehälter 10 übergeführt wird, welcher den Motorzylinder l umgibt
und eine Art Gehäuse für ihn bildet.
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Die Luft wird somit durch das Ventil 8 angesaugt, wenn der Kolben
3-4 unter der Einwirkung der Verbrennung des Brennstoffs in dem Zylinder 1 seinen
nach außen gerichteten Hub ausführt, und wird verdichtet und in den Behälter 10
gefördert, wenn der Kolben 3-4 unter der Einwirkung der während des vorhergehenden
Hubes in dem Energiespeicher 2 b aufgespeicherten Energie seinen entgegengesetzten
Hub ausführt.
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Die Auslaßöffnungen 7 des Motorzylinders 1 eines jeden Treibgaserzeu.gers
A und B sind durch ihre Auslaßleitungen 11 mit einer gemeinsamen Sammelleitung
12 verbunden, welche die von den beiden Treibgaserzeugern gelieferten Gase einer
Arbeitsmaschine zuführt, z. B. einer nicht dargestellten Turbine. Außerdem werden
zweckmäßig noch die Gehäuse 10 der beiden Maschinen A und B mittels einer Verbindungsleitung
13 miteinander verbunden.
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Zur Vereinfachung der Zeichnung weist jeder der in Fig.l dargestellten
Treibgase.rzeuger nur einen einzigen Doppelkolben 3-4 auf, in der Praxis weisen
jedoch die Treibgaserzeuger im allgemeinen zw.°i gegenläufige Doppelkolben auf,
deren Motorteile 3 gegenläufig in demselben Zylinder 1 arbeiten, während ihre Verdichterteile
4 in zwei beiderseits des Motorzylinders 1 angeordneten Zylindern 2 arbeiten, wobei
die beiden gegenläufigen Freiflugkolben miteinander in der üblichen Weise durch
ein Synchronisiersystem verbunden sind.
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Um dio beiden Treibgaserzeuger der in Fig. 1 dargestellten Anlage
in Phase arbeiten zu lassen, setzt man die beiden pneumatischen Speicher 2 b für
die Rückführenergie der beiden Maschinen A und B mittels einer Leitung 14 miteinander
in Verbindung, welohe gemäß F ig. 1 beständig offen ist. Außerdem werden die in
die Treibgaserzeuger A bzw. B gespritzten Brennstoffmengen so geregelt, daß sie
stets bei beiden Treibgaserzeugern die gleichen sind. Die Erfahrung hat gezeigt,
daß man so einen phasengleichen Betrieb der Freiflugkolben der beiden Maschinen
A und B erhält. Selbst wenn beim Anlassen die Freiflugkolben der beiden
Maschinen eine Phasenverschiebung aufweisen, stellt sich der phasengleiche Betrieb
nach einigen Schwingungen der Kolben von selbst ein.
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Die in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung zur Regelung der
in jeden Treibgaserzeuger eingespritzten Brennstoffmenge ist an sich bekannt und
wird z. B. durch Zahnstangen gebildet, welche die Kolben der den Brennstoff zu den
Injektoren 5 fördernden Einspritzpumpen um ihre Achse verdrehen. Wenn jeder Treibgaserzeuger
eine eigene Einspritzpumpe hat, werden die Regelzahnstangen dieser Pumpen zweckmäßig
miteinander verbunden. Gegebenenfalls braucht auch nur eine einzige Einspritzpumpe
für die beiden Injektoren vorgesehen zu werden.
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Infolge der Verbindung 14 zwischen den beiden Akkumulatoren 2 b braucht
nur eine einzige Stabilisierungsvorrichtung zur Herstellung des stabilen Betriebes
der beiden Maschinen A und B vorgesehen zu werden.
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Gemäß Fig. 1 weist die Stabilisierungsvorrichtung einen Schieber 15
auf. Dieser steht unter der Einwirkung des in dem Gehäuse 10 herrschenden Drucks,
welcher durch eine Leitung 16 in einen Zylinder 17 geleitet wird, in welchem ein
Kolben 18 verschieblich ist, welcher mit dem Schieber 15 starr verbunden ist und
außerdem unter der Einwirkung einer.Feder 19 steht. Ferner steht der Schieber 15
unter der Einwirkung eines charakteristischen Drucks der Speicher 2b, welcher z.
B. der in diesen herrschende mittlere Druck sein kann und durch eine kalibrierte
Leitung 20 in einen Zylinder 21 geleitet wird, in welchem ein ebenfalls mit dem
Schieber 15 fest verbundener Kolben 22 verschieblich ist. Bei einer Zunahme des
Drucks in dem Gehäuse gegenüber dem Druck in den Speichern wird der Schieber nach
unten verstellt, wodurch ein Teil der in dem Gehäuse 10 enthaltenen Luft über ein
Rückschlagventil 23 und eine Leitung 24 in den Speicher 2 b der Maschine A und von
diesem über die Leitung 14 in den Speicher 2 b der Maschine B übergeführt
wird. Wenn dagegen der Druck in dem Behälter 10 gegenüber dem Druck in den Speichern
abnimmt, verstellt sich der Schieber 15 nach oben und setzt die Leitung 24 mit einer
Auslaßöffnung 25 in Verbindung.
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Zur Herstellung des phasengleichen Betriebes der Kolben der beiden
liaschinen A und B der Fig. 1 von Beginn des Anlassens an kann die ebenfalls in
Fig. 1 dargestellte Vorrichtung benutzt werden, welche zwei drehbare Anschläge 26
enthält, «-elche in der in Fig. 1 dargestellten Stellung die Freiflugkolben 3-4
der beiden Maschinen A und B in ihrer Anlaßstellung festhalten. In dieser Stellung
können die pneumatischen Speicher 2 b der beiden Maschinen mit einer gewissen Luftmenge
zum Anlassen gefüllt werden, welche durch eine Leitung 27 ankommt und in der Stellung
des Anlaßventils 28 durch eine Leitung 29 in die Leitung 14 geführt wird, aus welcher
sie sich auf die beiden pneumatischen Energiespeicher 2 b verteilt. \N-ein die die
beiden Maschinen A und B enthaltende Anlage angelassen
werden soll,
wird der Hebel 30 des Ventils 28 aus der voll ausgezogenen Stellung in die gestrichelt
dargestellte Stellung gebracht, wodurch die Leitung 29 von der Luftzufuhrleitung
27 abgetrennt und an einen Zylinder 31 angeschaltet wird, in welchem ein Kolben
32 arbeitet, dessen Stange 33 mit einem Kniegelenksvstem 34 verbunden ist, welches
mit auf der Achse der drehbaren Anschläge 26 befestigten Hebeln 35 verbunden ist.
Wenn infolge der Zufuhr von unter Druck stehender Luft unter den Kolben 32 dieser
sich in seinem Zylinder 31 entgegen der Wirkung einer Feder 36 verstellt, wird das
Kniegelenksystem 34 durchgedrückt, und die beiden Anschläge 26 drehen sich in entgpgengesetzter
Richtung, wodurch sie die Kolben 3-4 der beiden Maschinen A und B freigeben. Die
Kolben werden daher gleichzeitig freigegeben und durch die vorher in die Speicher
2 b eingeführte Anlaßluft in Richtung auf ihren inneren Totpunkt vorwärts getrieben.
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Bei der Anlage der Fig. 1 arbeiten die Kolben der beiden Maschinen
A und B beständig in Phase. In gewissen Fällen kann es jedoch zweckmäßig sein, den
phasengleichen Betrieb der Kolben auf gewisse Betriebszustände zu I>zschränken,
z. B. auf das Anlassen und gegebenenfalls auf die diesem unmittelbar folgenden Betriebszustände,
während für die anderen Betriebszustände der Betrieb in Gegenphase herzustellen
ist. Eine Ausführungsform einer Anlage, welche gemäß diesen letzteren Angaben betrieben
werden kann, ist schematisch in Fig.2 dargestellt, während Fig.3 noch eine andere
Ausführung derselben zeigt.
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In Fig. 2 sind nur die Enden der beiden Treibgaserzeuger A und B dargestellt,
an welchen sich die beiden pneumatischen Speicher 2 b befinden. Gemäß dieser Figur
sind die beiden Speicher miteinander durch eine Leitung 14 verbunden, in welche
ein Hahn, Ventil oder Schieber 37 eingeschaltet ist, welcher durch ein Handrad 38
betätigt wird und die Öffnung oder Schließung der Leitung 14 gestattet. Außerdem
sind diese beiden Speicher miteinander durch eine zweite normalerweise durch einen
Schieber 40 geschlossene Leitung 39 verbunden. Dieser Schieber ist mit einem Stufenkolben
41 verbunden, auf dessen eine Stufe (Stufe 41 a) über eine Leitung 42 die Augenblicksdrücke
des einen der beiden Speicher wirken, während auf seine andere Stufe (Stufe 41 b)
über eine Leitung 43 die Augenblicksdrücke des anderen Speichers wirken. Die durch
die Leitungen 42 und 43 zugeführten Augenblicksdrücke der Speicher suchen den Kolben
41 in eine Stellung zu bringen, in welcher der Schieber 40 die Leitung 39 öffnet.
Der Teil 411 des Stufenkolbens teilt das Innere des Zvlinders 44 in zwei Kammern,
in deren eine die obige Leitung 42 mündet, während in der anderen ein Druck wirkt,
welcher gleich dem Mittelwert der in den Speichern 2 b herrschenden Drücke ist.
Dieser Druck wird der anderen Kammer durch eine kalibrierte Leitung 45 zugeführt
und wirkt auf den Kolben 41 in dem Sinn der Schließung des Schiebers 40.
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Schließlich erteilen in dein Zylinder 44 beiderseits des breiten Teils
411 des Stufenkolbens 41 angeordnete Federn 46-47 diesem Kolben die Eigenschaft
eines losen Kolbens.
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Die durch die Teile 41, 40, 46 und 47 gebildete Anordnung bildet ein
schwingendes System an sich bekannter Art. Diese Anordnung hält die Leitung 39 geschlossen,
solange die Kolben der beiden Maschinen A und B mit einer Phasenverschiebung von
180° arbeiten, und stellt diese Phasenverschiehung durch Uberführung einer gewissen
Luftmenge von einem pneumatischen Speicher in den anderen wieder her, sobald die
Kolben von dieser Phasenverschiebung von 180° abzuweichen suchen. Wenn jedoch die
Leitung 14 offen ist, ist die durch die Teile 39 bis 47 gebildete Vorrichtung zur
Aufrechterhaltung einer Phasenverschiebung von 180° zwischen den Kolben der beiden
Treibgaserzeuger A und B unwirksam, und die Kolben arbeiten in Phase.
Bei Schließung des Ventils oder Hahns 37 wird die Vorrichtung 39 bis 47 wirksam
und bewirkt zunächst eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den Kolben der beiden
Treibgaserzeuger und hält diese anschließend aufrecht, solange die Leitung 14 geschlossen
bleibt.
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Bei einer Ausführungsabwandlung der obigen Anordnung wird die Leitung
14 mit dem Ventil oder Hahn 37 fortgelassen, und der Schieber 40 wird in einer Stellung
festgehalten, in welcher er die Leitung 39 öffnet. Solange der Schieber 40 in dieser
Stellung festgehalten wird, spielt die Leitung 39 die Rolle der Leitung zur Herstellung
der Verbindung zwischen den beiden Speichern 2 b der Treibgaserzeuger A und B. Eine
Ausführungsform dieser Abwandlung ist in Fig. 3 dargestellt. Gemäß dieser Figur
wird der Schieber 40 in seiner Öffnungsstellung dadurch festgehalten, daß in die
Leitung 45 zur Zufuhr des mittleren Drucks zu dem Zylinder 44 ein Dreiwegehahn 48
eingeschaltet wird, welcher in seiner normalen Stellung die Leitung 42 über die
Leitung 45 mit dem Zylinder 44 verbindet und in seiner dem Festhalten des Schiebers
40 in seiner Öffnungsstellung entsprechenden Stellung die Kammer des Zylinders 44,
in welche die Leitung 45 mündet, mit der Atmosphäre verbindet und gleichzeitig den
an die Leitung 42 angeschlossenen Schenkel der Leitung 45 schließt.
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Durch Betätigung des Hahns 48 zur Blockierung des Schiebers 40 in
seiner Öffnungsstellung erhält man den phasengleichen Betrieb der Kolben der Treibgaserzeuger
A und B, während man durch Überführung des Hahns 48 in die Stellung, in welcher
der mittlere Druck der Speicher in dem Zylinder 44 wirken kann, den Betrieb der
Treib:gaserzeuger A und B
mit einer Phasenverschiebung der Kolben von
180° erhält.
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Es ist noch zu bemerken, daß der Betrieb der Treibgaserzeuger mit
phasengleichen Kolben insbesondere für das Anlassen benutzt wird. Nach dem Anlassen
betätigt man entweder das Ventil 37 oder den Hahn 48 zur Herstellung einer
Phasenverschiebung der Kolben von 180°.
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Die Erfindung kann natürlich abgewandelt werden. So kann die Zahl
der Freiflugkolbenmaschinen, welche in Phase arbeiten sollen, größer als zwei sein,
und die Freiflugkolbenma.5chinen können Motorverdichter sein, d. h. Maschinen, deren
Verdichterteil nicht dem Motorteil Druckluft liefert, sondern die Druckluft unmittelbar
einem Aufnahmebehälter zuführt.