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Freiflugkolbentreibgaserzeuger Die Erfindung betrifft einen Freiflugkolbentreibgaserzeuger,
und zwar insbesondere die Einrichtungen für seine Selbstregelung.
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Unter einem Freiflugkolbentreibgaserzeuger wird eine Maschine verstanden,
welche einen im allgemeinen im Zweitakt und mit Selbstzündung des Brennstoffs (Diesel-Prozeß)
arbeitenden Motorteil und einen Verdichterteil enthält, welcher von dem Motorteil
angetrieben wird und Luft verdichtet, wobei die Gesamtheit oder der größte Teil
der verdichteten Luft zur Speisung und zur Spülung des Motorteils dient, welcher
durch seine Auslaßöffnungen heiße Gase unter Druck liefert, welche die zum Antrieb
einer Arbeitsmaschine, insbesondere einer Turbine, bestimmten Treibgase bilden.
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Die in dem Motorteil entwickelte Energie dient zur Erzeugung des »Hingangs«
wenigstens einer durch einen Motorkolben und einen Verdichterkolben gebildeten Kolbenanordnung,
während der Hub in der entgegengesetzten Richtung durch einen pnenmatischen Rückführenergiespeicher
erzeugt wird, welcher wenigstens einen Teil der durch die Verbrennung des Brennstoffs
beim )J-Iingang« entwickelten Energie aufspeichert.
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Zur Regelung einer derartigen Maschine werden im allgemeinen von der
durch die Treibgase angetriebenen Arbeitsmaschine kommende Impulse sowie von dem
Treibgaserzeuger selbst kommende Impulse benutzt. Diese letzteren Impulse werden
»innere Impulse« genannt. Die Impulse dieser letzteren Art dienen im allgemeinen
zur Steuerung des sogenannten »Stabilisators», welcher die in dem pneumatischen
Rückführenergiespeicher enthaltene Luftmasse regelt.
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Es ist insbesondere bekannt, diesen Stabilisator einerseits in Abhängigkeit
von dem Betriebsdruck des Treibgaserzeugers, d. h. in Abhängigkeit von dem
Druck der von dem Verdichterteil verdichteten Luft oder der aus dem Motorteil des
Treibgaserzeugers austretenden Treibgase, und andererseits in Abhängigl,eit von
einem charakteristischen Druck des pneumatischen Rückführenergiespeichers zu steuern.
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Es ist ferner bekannt, die Luftmasse des pneurnatischen Rückführenergiespeichers
so zu verändern, daß das Verhältnis zwischen dem Endwert der Verdichtung in dem
Motorteil und der Ansaugedruck in dem Verdichterteil wenigstens während der normalen
Betriebszustände des Treibgaserzeugers zunehmen, wenn der Betriebsdruck zunimmt.
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Die Erfindung bezweckt insbesondere, die Einrichtungen zur Selbstregelung
eines Freiflugkolbentreibgaserzeugers so auszubilden, daß sie besser als bisher
den verschiedenen Erfordernissen der Praxis entsprechen und insbesondere eine große
Veränderung des Endwertes der Verdichtung in dem Motorteil nicht nur in Abhängigkeit
von dem Betriebsdruck, sondern auch in Abhängigkeit von der Hublänge ermö-lichen.
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Bei Steuerung des Stabilisators durch einen Differential
- kolben, dessen Stufen unter der Einwirkung des Betriebsdrucks bzw. eines
charakteristischen Drucks des pneumatischen Rückführenergiespeichers stehen, wobei
der Differentialkolben so ausgebildet ist, daß das Verhältnis zwischen dem Endwert
der Verdichtung in dem Motorteil und dem Ansaugedruck in dem Verdichterteil des
Treibgaserzeugers zunimmt, wenn der Betriebsdruck zunimmt, und umgekehrt, wird zur
Erreichung des vorgenannten Zieles erfindungsgemäß als charakteristischer Druck
des pneumatischen Rückführenergiespeichers ein Augenblicksdruck benutzt, welcher
an diesem für eine bestimmte Stellung des in dem Speicher arbeitenden Kolbens abgenommen
wird.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird ein Auslaß an
dem Raum vorgesehen, in welchem ein das Steuerorgan des Stabilisators betätigender
charakteristischer Druck des pneumatischen Rückführenergiespeichers herrscht, wobei
dieser Auslaß so gesteuert wird, daß er sich öffnet, bevor der Freiflugkolben die
seinem maximalen äußeren Totpunkt entsprechende Stellung erreicht, und zwar in dem
Augenblick, in welchem sich der Kolben in der Nähe seines minimalen äußeren Totpunktes
befindet, wobei außerdem der Auslaß so lange offen bleibt, wie der Kolben sich jenseits
der Stellung befindet, für welche die Öff-
nung des Auslasses erfolgt, so
daß die durch diesen Auslaß strömende Luftmenge um so größer ist, je
mehr
der Hub des Kolbens diese Öffnungsstellung überschreitet.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung werden durch- den gleichen
äri -den! pneumatischen-Rückführenergiespeicher abgenommenen Augenblicksdruck gleichzeitig
der Stabilisator, die Voreilung der Brennstoffeinspritzung in den Motorteil des
Treibgaserzeugers und/oder die Vorrichtung gesteuert, welche die untere und/oder
die obere Grenze der Zone be-
stimmt, innerhalb welcher der Regler der von
den von dem Treibgaserzeuger gelieferten Treibgasen angetriebenen Maschine das Org'an
zur Regelung des in den Motorteil des Treibgaserzeugers eingeführten Brennstoffs
verstellen kann.
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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert, deren einzige Abbildung in einem schematischen Axialschnitt einen erfindungsgemäßen
Freiflugkolbentreibgaserzeuger zeigt.
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Der Treibgaserzeuger selbst ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die
Ansaugung in seinen Verdichterteil während des «Hingangs« erfolgt, d. h.
während des durch die Verbrennung des Brennstoffs in dem Motorteil erzeugten Hubes,
während die Verdichtung der Luft in dem Verdichterteil sowie die Verdichtung der
Verbrennungsluft in dem Motorteil während des Rückgangs erfolgen, welcher durch
die in dem pnenmatischen Rückführenergiespeicher aufgespeicherte Energie erzeugt
wird, welche den größten Teil der während des »Hingangs« erzeugten Verbrennungsenergie
bildet.
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Der schematisch dargestellte Treibgaserzeuger weist daher wenigstens
einen Verdichterzylinder 1 und einen Motorzylinder 2 auf. In diesen beiden
Zylindern arbeitet eine durch einen Verdichterkolben 3 und einen Motorkolben
4 gebildete bewegliche Anordnung.
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An dem dem Motorzylinder 2 benachbarten Teil des Zylinders
1 sind Saugventile 5 und Druckventile 6
vorgesehen. Diese letzteren
sind in einer Wand 7 angebracht, welche den inneren Boden des Verdichterzylinders
1 bildet und diesen Zylinder von einem ein den Motorzylinder 2 umgebendes
Gehäuse bildenden Luftbehälter 8 trennt. Der innerhalb des Verdichterzylinders
zwischen dem Kolben 3 und der Wand 7
liegende Raum a bildet so den
eigentlichen Verdichterzylinder. Der zwischen dem äußeren Boden 9
des Verdichterzylinders
und dem Kolben 3 liegende Raum b bildet dagegen den pneumatischen
Rückführenergiespeicher.
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In der Wand des Motorzylinders 2 sind Einlaßöffnungen 10 und
Auslaßöffnungen 11 vorgesehen, welche von dem Motorkolben 4 gesteuert werden.
An die Auslaßöffnungen 11 ist eine Auslaßleitung 12 angeschlossen, durch
welche das durch den Spülluftüberschuß und die Verbrennungsgase des Motorzylinders
gebildete Treibgas austritt, um zu einer Arbeitsmaschine, z.B. einer (nicht dargestellten)
Turbine, geleitet zu werden.
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An dem Motorzylinder 2 ist noch ein Brennstoffeinspritzer
13 angebracht, welcher durch eine Leitung 15 von einer Einspritzpumpe
14 gespeist wird. Die Verdichtung in dem Motorzylinder 2 ist am Ende des nach innen
(auf der Zeichnung nach rechts) gerichteten Hubes der beweglichen Anordnung 3-4
so groß, daß der von dem Einspritzer 13 eingespritzte Brennstoff durch die
Verdichtungswärme ohne besondere Zündvorrichtung entzündet wird. Der Motorteil arbeitet
nach dem Zweitakt-Diesel-Prozeß, Bei dem dargestellten Treibgaserzeuger erfolgt
der Antrieb der Einspritzpumpe 14 durch einen Schwinghebel 16, welcher von
der beweglichen Anordnung 3-4 mittels einer Stange 17 und eines Lenkers
18 angetrieben wird.
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Es ist zu bemerken, daß der Einfachheit halber ein Treibgaserzetiger
mit nur einer einzigen beweglichen Anordnung 3-4 beschrieben und dargestellt ist.
In der Praxis enthält jedoch der Treibgaserzeuger gewöhnlich zwei derartige Anordnungen,
welche gegenläufig in dem gleichen Motorzylinder arbeiten und deren Verdichterkolben
in beiderseits des Motorzylinders angeordneten Verdichterzylindern arbeiten.
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Die Erfindung ist natürlich ebenfalls, und zwar ganz besonders auf
diese letztere Art von Treibgaserzeugern anwendbar.
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Zur Regelung des Treibgaserzeugers sind zunächst Einrichtungen zur
Regelung der in den Motorzylinder 2 eingeführten Brennstoffmenge vorgesehen. Diese
Einrichtungen weisen z. B. ein Regelglied 19
auf, welches die je Arbeitsspiel
von der Pumpe 14 geförderte und von dem Einspritzer 13 eingespritzte Brennstoffmenge
beeinflußt.
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Dieses Glied 19 kann in an sich bekannter Weise die Form einer
Zahnstange haben, welche den nicht dargestellten Kolben der Einspritzpumpe verdreht.
Dieses Regelglied 19 wird, wie dies ebenfalls an sich bekannt ist, in der
Richtung » + « oder » - « durch einen nicht dargestellten, von der
Arbeitsmaschine (Turbine) angetriebenen Regler gesteuert, welcher je
nach
der Drehzahl dieser Maschine das Glied 19 durch ein Gestänge, hydraulisch,
elektrisch oder auf andere Weise betätigt. Diese Regelung in Abhängigkeit von der
Drehzahl der Arbeitsmaschine muß jedoch zwischen Grenzen bleiben, deren Unterschied
von dem Betriebsdruck oder einem entsprechenden Betriebsfaktor des Treibgaserzeugers
abhängt. Diese Grenzen werden durch einen Hebel 20 verwirklicht, welcher um eine
Achse 21 schwenkbar ist und dessen eines Ende an das Gestänge zur Steuerung des
Gliedes 19
angelenkt ist, während sein anderes Ende zwei Nockenflächen 22,
23 aufweist, zwischen welchen sich ein Anschlag 24 befindet, dessen Stellung
auf die weiter unten beschriebene Weise gesteuert wird.
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Zur Regelung der Luftmasse des pneumatischen Rückführenergiespeichers
b wird ein sogenannter »Stabilisator« benutzt, welcher durch einen Hohlschieber
25 gebildet wird, welcher in einem innerhalb des Gehäuses 8 untergebrachten
Zylinder 26 verstellbar ist. Der Schieber 25 wird durch eine Wand
in zwei Abteilungen unterteilt, von denen die eine Rückschlagventile 28 enthält,
welche sich nur in einer Richtung öffnen, welche den Eintritt von Druckluft aus
dem Gehäuse 8 in den Schieber gestattet, während die Rückschlagventile
29 der anderen Abteilung sich nur in der entgegengesetzten Richtung öffnen,
um Luft aus dem Schieber in das Innere des Gehäuses 8 übertreten zu lassen.
In der Seitenwand einer jeden der beiden Abteilungen sind Öffnungen 30 und
31 vorgesehen, welche je nach der axialen Stellung des Schiebers die
eine oder die andere Abteilung mit einer Leitung 32 in Verbindung setzen,
welche den Zylinder 26
mit dem pneumatischen Rückführenergiespeicher
b
verbindet. In seiner mittleren (in der Figur dargestellten) Stellung unterbricht
der Schieber 25 jede Verbindung zwischen seinen beiden Abteilungen und der
Leitung 32. Je nach seiner axialen Stellung gestattet somit der Schieber
entweder einen Austritt von Luft aus dem Speicher b in das Gehäuse
8 über die Rückschlagventile 29 oder einen Lufteintritt aus dem Gehäuse
in den Speicher über die Rückschlagventile 28 oder die Aufrechterhaltung
der in dem Speicher befindlichen Luftmenge.
Die selbsttätige Steuerung
des obigen Stabilisators erfolgt durch innere Impulse, d. h. von dem Treibgaserzeuger
selbst kommende Impulse. Diese Impulse sind der in dem Gehäuse 8 herrschende
Druck und ein gliaral,r-teristischer Druck des Speichers b. Diese Drücke
werden auf einen Differentialstufenkolben 33 zur Einwirkung gebracht, welcher
mit dem Schieber 25 starr verbunden ist und auf dessen eine Seite si der
charakteristische Druck des Speichers b wirkt, während auf die andere Seites,
(s,<sl) der in dem Gehäuse8 wirkende Druck zur Einwirkung gebracht wird. Der
Kolben33 befindet sich in einem Zylinder34, in welchen eine den oberen Teil des
Zylinders mit dem Gehäuse 8 verbindende Leitung 35 sowie eine Leitung
36 münden, welche den charakteristischen Druck des Speichers b in
den unteren Teil des Zylinders führt.
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Das Verhältnis zwischen den Flächen s. und s. ist
so gewählt, daß der Stabilisator die Luftmenge in dem Speicher so regelt,
daß der endliche Verdichtungsdruck in dem Motorzylinder zunimmt, wenn der Betriebsdruck,
d. h. der Druck in dem Gehäuse 8, zunimmt, und umgekehrt abnimmt,
wenn dieser Druck ZD abnimmt, wobei der Druck der Ansaugung in den Verdichterzylinder
durch die Ventile 5 als konstant angesehen werden kann. Infolgedessen hat
die Zunahme oder die Abnahme des Wertes der schließlichen Verdichtung in dem Motorzylinder
eine entsprechende Veränderung des Verhältnisses zwischen dem schließlichen Wert
der Verdichtung in diesem Zylinder und dem Ansaugedruck in dem Verdichterzylinder
zur Folge. Diese Veränderung des Verhältnisses hat unter anderem eine Verringerung
der Zahl der Doppelhübe der beweglichen Anordnung zur Folge, wenn der Betriebsdruck
abnimmt, und eine Vergrößerung der Zahl der Doppelhübe der beweglichen Anordnung,
wenn der Betriebsdruck zunimmt. Da die die Arbeitsmaschine des Treibgaserzeugers
bildende Turbine bei hohen Belastungen nicht nur große Drücke, sondern auch große
Gasmengen und für geringere Belastungen geringere Drücke und geringere Gasmengen
erforldert, entspricht diese Veränderung der Zahl der Doppelhübe der beweglichen
Anordnung in Abhängigkeit von dem Betriebsdruck genau den Erfordernissen der Turbine
und gestattet die Verringerung der Unterschiede zwischen dem Minimal-und Maximalhub
der beweglichen Anordnung.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Herstellung dieser Veränderung
des schließlichen Verdichtungsdrucks in dem Motorzylinder als charakteristischen
Druck des pneumatischen Rückführenergiespeichers den in diesem Speicher herrschenden
mittleren Druck zu benutzen. Bei Benutzung des mittleren Drucks des Speichers hängen
jedoch die Unterschiede zwischen den schließlichen Verdichtungsdrücken in dem Motorzylinder,
welche bei einer Veränderung des Betriebsdrucks zwischen bestimmten Grenzen erzielbar
sind, praktisch nur von dieser Druckschwankung ab, während die Hubänderungen praktisch
ohne Einfluß auf die schließlichen Verdichtungsdrücke bleiben.
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Die Erfindung bezweckt nun insbesondere, die Enddrücke in dem Motorzylinder
auch von den Hublängenschwankungen abhängig zu machen. Hierfür wird erfindungsgemäß
als charakteristischer Druck des pneumatischen Rückführenergiespeichers ein Augenblicksdruck
benutzt, welcher an dem Speicher für eine bestimmte Stellung des in diesem Speicher
arbeitenden Kolbens 3 abgenommen wird. Da bei Anlagen, in welchen die von
dem Treibgaserzeuger oder den Treibgaserzeugern gelieferten Treibgase zur Speisung
einer Turbine dienen, eine Erhöhung des Betriebsdrucks im allgemeinen auch eine
Vergrößerung der Hublänge zur Folge hat, und umgekehrt, wird mittels dieser Maßnahme
eine erheblich größere Änderung des schließlichen Verdichtungsdrucks in dem Motorzylinder
für eine gegebene Betriebsdruckänderung erzielt. So können z. B. bei Benutzung des
Drucks, welcher dem Speicher jedesmal dann entnommen wird ' wenn der Kolben
3 durch eine bestimmte Stellung geht, Schwankungen des Verdichtungsenddrucks
in dem Motorzylinder erzielt werden, welche für eine Änderung des Betriebsdrucks
zwischen 1 und 3'/2 Atmosphären zwischen 30 und 80 Atmosphären
liegen, bei gleichzeitiger Änderung der Hublänge entsprechend dem Bedarf der Turbine.
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Um auf die Fläche si des Differentialkolbens 33
einen in dem
Speicher b abgenommenen Druck zur Einwirkung zu bringen, wird die den Speicher
b mit dem unteren Teil des Zylinders 34 verbindende Leitung36 durch einen
mit der beweglichen Anordnung 3-4 fest verbundenen Teil gesteuert, z. B. eine an
dieser Anordnung befestigte Stange, welche in einer an dem äußeren Boden
9 des Zylinders 1 angebrachten rohrförmigen Führung 38 -leitet.
Diese rohrförmige Führung ist gleichzeitig in die Leitung 36 eingeschaltet.
Ferner ist in der Stange 38 ein Kanal 39 vorgesehen, welcher in einer
bestimmten Stellung der be,-weglichen Anordnung 3-4 die vor und hinter der rohrförmigen
Führung 38 liegenden Abschnitte des Kanals 36 miteinander in Verbindung
setzt. Der in dem Speicher b herrschende Druck- wird daher durch die Leitung
36 nur dann unter den Differentialkolben 33 geleitet, wenn sich die
bewegliche Anordnung 3-4 in dieser Stellung befindet, während für alle anderen Stellungen
der beweglichen Anordnung die Leitung 36 unterbrochen ist.
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Zur noch weiteren Vergrößerung des Unterschieds zwischen dem Minimal-
und Maximalwert des Verdichtungsenddrucks in dem Motorzylinder für einen gegebenen
Bereich der Betriebsdrücke kann ein weiteres Kennzeichen der Erfindung benutzt werden,
gemäß welchem an dem unteren Teil des Zylinders 34 oder besser an der Leitung
36 hinter dem Steuerglied 38-39 derselben ein Auslaß vorgesehen wird,
welcher sich öffnet, bevor der Freiflugkolben die seinem maximalen äußeren Totpunkt
entsprechende Stellung erreicht hat, und zwar vorzugsweise in dem Augenblick, in
welchem sich dieser Kolben in der Nähe seines minimalen äußeren Totpunkts befindet,
wobei dieser Auslaß so lange offen bleibt, wie der Kolben sich jenseits der Stellung
befindet, in welcher die Öffnung des Auslasses stattgefunden hat, so daß die durch
diesen Auslaß strömende Luftmenge um so größer ist, je weiter der Hub des
Kolben über diese Offnungsstellung hinaus verlängert ist. Es ist zu bemerken, daß
dieser Hub von einem Betriebszustand mit niedriger Belastung, während welchem
er beständig auf seinem Mindestwert gehalten wird, um so mehr über diesen Wert hinaus
zunimmt, je höher der Betriebsdruck steigt. Infolgedessen wird- der Einfluß
des Auslasses um so größer, je mehr der Betriebsdruck zunimmt, so daß er
dann ein zunehmendes Überwiegen des in dem Gehäuse herrschenden Betriebsdrucks gegenüber
dem durch diesen Auslaß geschwächten, einem charakteristischen Druck des Speichers
entsprechenden Druck, bewirkt.
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Bei dem in der Abbildung dargestellten Treibgaserzeuger wird dieser
Auslaß durch eine kalibrierte Öffnung 40 in einem Rohrstück 41 gebildet, welches
mit einem Ende in die Leitung 36 hinter der Stelle, an welcher die Leitung
durch die den Kanal 39 aufweisende
Stange 37 gesteuert
wird, und mit seinem anderen Ende in die rohrförmige Führung 38 gegenüber
einem in dieser angebrachten Schlitz 42 mündet. Ferner mündet ein Ende des Kanals
39 in eine in der Stange 37 angebrachte Längsnut 43, wobei der Schlitz
42 und die Nut 43 so angeordnet und bemessen sind, daß das Rohrstück 41 anfängt,
mit der Außenluft über die Nut 43, den Kanal 39 und den Schlitz 42 in Verbindung
gesetzt zu werden, wenn die bewegliche Anordnung 3-4 ihren ihrem Minimalhub entsprechenden
äußeren Totpunkt erreicht, und daß diese Verbindung aufrechterhalten bleibt, solange
sich die bewegliche Anordnung jenseits dieses ihrem Minimalhub entsprechenden
äußeren Totpunktes befindet.
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Unabhängig von der Art der Einrichtungen zur Steuerung des Differentialkolbens
33 in Abhängigkeit von dem Betriebsdruck und von einem charakteristischen
Druck des Speichers ist es stets zweckmäßig, auf den Kolben noch eine Feder wirken
zu lassen, deren auf den Stufenkolben wirkende Kraft vorzugsweise mittels eines
Handrades od. dgl. regelbar ist, welches von der Bedienungsperson betätigt werden
kann. Die Kraft der Feder 44 wird während der Anlaßperiode durch Zusammendrücken
der Feder vergrößert, um während dieser Periode Verdichtungsenddrücke zu erhalten,
welche größer als die normalerweise bei niedrigen Drücken erhaltenen sind, um die
Selbstzündung des Brennstoffs während dieser Periode, während welcher die Maschine
verhältnismäßig kalt ist, sicherzustellen.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird durch den in dem
pneumatischen Rückführenergiespeicher für eine bestimmte Stellung der beweglichen
Anordnung 3-4 entnommenen Augenblicksdruck nicht nur der Stabilisator gesteuert,
sondern auch die Voreilung der Brennstoffeinspritzung in den Motorteil des Treibgaserzeugers
und/oder die Vorrichtung, welche die untere und/oder die obere Grenze der Zone bestimmt,
in welcher der Regler der Arbeitsmaschine (Turbine) den Teil zur Regelung der Einspritzpumpe
des Treibgaserzeugers verstellen kann.
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So wird bei dem auf der Zeichnung dargestellten Treibgaserzeuger der
in dem Speicher b für eine bestimmte Stellung der beweglichen Anordnung entnommene
Druck nicht nur auf den unteren Teil des Zylinders 34 übertragen, wo er zur Steuerung
des Stabilisators dient, sondern auch durch die Leitung 46 auf den Zylinder 47,
in welchem er entgegen der Rückholfeder 48 einen Kolben 49 betätigt, dessen Stange
50 den Anschlag 24 trägt, welcher die Grenzen der Zonen bestimmt, in welchen
der von der Arbeitsmaschine kommende Impuls das Steuerglied 19 der Einspritzpumpe
14 verstellen kann. Die gleiche Stange trägt noch einen Ansatz 51, welcher
mittels einer Gabel 52 einen Exzenter 53 steuert, um welchen der den
Kolben der Einspritzpumpe 14 antreibende Hebel 16 schwenkbar ist. Die Stange
50 verändert durch die Drehung des Exzenters 53 die Voreilung, mit
welcher der Brennstoff durch den Einspritzer 13
in den Motorzylinder 2 eingespritzt
wird.