DE19622488A1

DE19622488A1 - Verfahren und Steuereinrichtung zum Betreiben einer Kolbenmaschine zur Expansion eines vorzugsweise gasförmigen Arbeitsmediums

Info

Publication number: DE19622488A1
Application number: DE1996122488
Authority: DE
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: Tea Technologiezentrum Emissionsfreie Antrieb GmbH
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: DE19622488B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zum Betreiben einer Kolbenmaschine zur Expansion eines vorzugsweise gasförmigen Arbeitsmediums hohen Druckes und vorzugsweise hoher Temperatur gemäß dem Oberbegriff des Haupt- und Nebenanspruches.

Vorbekannt ist durch die Schrift DE-OS 30 05 340 eine Kolbenmaschine zur Gewin nung von Energie aus der Expansion eines hochgespannten Mediums, die zur Steue rung des Ladungswechsels hydraulisch oder pneumatisch betätigte Schieber aufweist. Das hydraulisch oder pneumatische Steuermedium wird durch elektrisch angesteuerte Pilotschaltorgane zum Beaufschlagen und Entlastung der Ladungswechselschieber gesteuert. Die Ansteuerung erfolgt über Impulsgebereinrichtungen an der Kurbelwelle, dabei sind sowohl die Öffnungs- als auch die Schließzeiten der Schieber für den Ladungswechsel verstellbar.

Diese Maschine und ihre Ladungswechselsteuerung ist für die Druckentspannung in Gasanlagen vorgesehen.

Allgemein vorbekannt ist es, bei Hubkolben-Kraftmaschinen, z. B. durch die Schrift DE 42 32 573 A1, Ladungswechselventile in Richtung des Arbeitsraumes im Zylinder mittels einer mit Druckmittel beaufschlagten Kolbenanordnung zu schließen und das Öffnen, z. B. durch eine Feder oder ein Druckmedium, zu bewirken, wenn keine Druckbeaufschlagung in Richtung des Schließens des Ventiles durch das Arbeits mittel selbst erfolgt und eine Entlastung wirksam ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zum Betreiben einer Kolbenmaschine zur Expansion eines vorzugsweise gasförmigen Arbeitsmediums hohen Druckes und hoher Temperatur mit Verdichtungs- und Fül lungsregelung zu schaffen, das jedoch auch zu Flüssigkeit kondensieren kann. Die Bauart von Ein- und Auslaßventil soll einen Zylinderraum mit geringem Totvolumen ergeben, wobei beide Ventile durch Überdruck im Zylinderraum zu öffnen sein sollen. Die Steuereinrichtung soll dabei die Ein- und Auslaßventile mittels des Arbeitsmediums betätigen und nachfolgend das zu entlastende Druckmedium aus der Steuereinrich tung noch zur Energierückgewinnung genutzt werden.

Erfindungsgemäß wird eine optimale Lastregelung durch Verdichtungs- und Arbeits medium-Zufuhrregelung möglich. Hierzu ist sowohl ein elektronisch ansteuerbares Auslaßventil, das auch als Dekompressionsventil genutzt werden kann, als auch ein unabhängig angesteuertes Einlaßventil zum Öffnen im Bereich vor und nach dem OT vorhanden. Zusätzlich können Auslaßschlitze, die im UT-Bereich geöffnet sind, vor handen sein.

Diese Art der Ladungswechselsteuerung erlaubt eine Varibilität der Steuerzeiten mit folgenden Vorteilen:

Über das Einlaßventil ist

- der Druckaufbau im Bereich des OT vom Betriebszustand abhängig einstellbar,
- die Beaufschlagungsmenge drosselfrei regelbar.

Über das zusätzliche Auslaßventil ist

- eine sich über einen großen Teil des Hubes erstreckende Expansion realisierbar,
- eine Regelung des Kompressionsenddruckes für alle Lastzustände möglich.

Mit den vorgenannten technischen Möglichkeiten läßt sich der Wirkungsgrad und das Betriebsverhalten hinsichtlich Geräusch in weiten Grenzen optimieren.

Durch die Anwendung von Arbeitsmittel als Steuermedium für die Ladungswechsel ventile und des Zwischenspeichers zur Vorentlastung und nachfolgenden Expansion im Zylinderraum wird eine Wirkungsgradverbesserung für die Ladungswechselsteuerung erzielt.

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung wird im Zusammenhang mit dem erfindungs gemäßen Verfahren in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein P-V-Diagramm vom Vollastbetrieb mit den Steuerzeiten von Ein- und Auslaßventil einschließlich Impulsplan der elektrischen Ansteuerung der Steuerventile,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Steuervorrichtung mit Kolben in Bewegung zum OT,

Fig. 3 die erfindungsgemäße Steuervorrichtung mit Kolben bei seiner Bewegung nahe OT, hin und weg von OT,

Fig. 4 die erfindungsgemäße Steuervorrichtung mit Kolben bei seiner Bewegung zum UT hin, Einlaß und Auslaß geschlossen,

Fig. 5 die erfindungsgemäße Steuervorrichtung mit Kolben im UT, Auslaß schlitze geöffnet,

Fig. 6 die erfindungsgemäße Steuervorrichtung mit Kolben nach dem Ver schließen der Auslaßschlitze in Bewegung zum OT.

In Fig. 1 ist ein Schema zu den Verläufen nachfolgend genannter Drücke und Öff nungsbereiche von Ladungswechselorganen innerhalb eines Arbeitsspieles gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.

Darin bedeutet:
p1 = Druck im Zylinderraum 1,
p2 = Druck im Einlaßkanal 2 = Arbeitsdruck pa,
p3 = Druck im Auslaßkanal 3,
p4 = Druck im Zwischenspeicher 4.

Die Öffnungsbereiche der einzelnen Gaswechselorgane während einer Kurbelwellen umdrehung sind auf den mit Kreisen gekennzeichneten Linien durch Strichverstärkung markiert.

20 Einlaßventil,
12 Überströmventil,
30 Auslaßventil,
11 Auslaßschlitze.

Die Öffnungsbereiche der einzelnen Steuerventile während einer Kurbelwellenum drehung zur Betätigung der Gaswechselorgane sind auf den mit Quadraten gekenn zeichneten Linien durch Strichverstärkung markiert.

21 Schließsteuerventil für 20,
22 Öffnungssteuerventil für 20,
31 Schließsteuerventil für 30,
32 Öffnungssteuerventil für 30.

Weiterhin sind die Bereiche abgegrenzt, in denen die von den Fig. 2 bis 6 gezeigten Steuerstellungen der Gaswechselorgane und Steuerventile zutreffend sind.

Vor einer Erläuterung des Abstandes eines Arbeitsspieles wird anhand der Fig. 2 die erfindungsgemäße, elektromagnetisch-arbeitsdruckgesteuerte Ladungswechselsteue rung eines Dampfmotors beschrieben.

Im Zylinderraum 1 bewegt sich ein von einem Hubtrieb bewegter Kolben 5, der im Bereich des unteren Totpunktes Auslaß 11 freigibt, siehe Fig. 5, wobei das im Zylinderraum 1 beim Weg des Kolbens 5 von OT nach UT entspannte Druckmedium vollkommen entlastet wird.

Das Einlaß- 20 als auch das Auslaßventil 30 werden prinzipiell gegen den Zylinder raum 1 durch Beaufschlagen mit Arbeitsdruck verschlossen, hierzu sind beide Ventile 20; 30 mit Differentialkolben 201; 301 ausgestattet, deren jeweilig kleinere Fläche vom Zylinderdruck beaufschlagt ist.

Mittels der elektromagnetisch betätigten Schließ- 21; 31 und Öffnungssteuerventile 22; 32 wird das Öffnen und Schließen von Einlaß- 20 und Auslaßventil 30 durch Beauf schlagen deren Steuerflächen mit dem unter hohem Druck stehenden Arbeitsmedium und durch Entlasten dieser in Abhängigkeit von Last- und Drehzahl gesteuert.

Der Zylinderraum 1 ist im Bereich seines Verdichtungsraumes mit einem Überström ventil 12 sowie Überströmkanal 13 versehen, das bei einem Überdruck im Zwischen speicher 4 gegenüber dem Zylinderraum 1 automatisch öffnet. Bei Überdruck im Zylinderraum 1 ist es geschlossen. Der Zwischenspeicher 4 bildet ein Expansions volumen für das Entlasten der jeweiligen Druckkammern von Einlaß- 20 und Auslaß ventil 30 zum Öffnen derselben. Gleichzeitig kann das nur teilweise expandierte Arbeitsmedium aus dem Zwischenspeicher 4 bei Überdruck gegenüber dem Zylinder raum 1 in diesen über das Überströmventil 12 und den Überströmkanal 13 gelangen und dabei im Zylinderraum 1 weiter expandiert werden.

Mit diesem Vorgang wird Druckenergie aus dem zur Ventilbetätigung genützten Druck medium noch zurückgewonnen.

Die Dämpfungsdrosseln 23; 24; 33 verhindern prinzipiell ein hartes Aufsetzen von Ein- 20 und Auslaßventil 30 auf ihre Sitze bzw. ihre Endlagenanschläge. Die zugehörigen Kanalanordnungen und Wirkung werden gesondert erläutert.

Funktion

In den Funktionsschemen ist der Druckzustand in den maßgeblichen Räumen markiert und zwar:

- Arbeitsdruck durch Streifen
- entlastet zum Auslaß durch markierte Quadrate
- Zwischenspeicherdruck, geringer als Arbeitsdruck durch schraffierte Halbkreise.

Gezeigt ist in Fig. 2

- Kolbenbewegung zum OT, Ausschieben von Restladung aus dem Zylinderraum 1,
- Auslaßventil 30 offen, allseitig druckentlastet,
- Zwischenspeicher 4 über Überströmventil 12 in Überströmkanal 13 zum Zylinderraum 1 hin druckentlastet,
- Einlaßventil 20 an seinem Differentialkolben 201 mit Arbeitsdruck beaufschlagt und geschlossen gegen den im Zylinderraum 1 sich aufbauenden Verdichtungsdruck.

Fig. 3

- Kolbenbewegung zum OT, Verdichten bis zum Arbeitsdruck im Zylinder,
- Auslaßventil 30 gegen den Dichtsitz 130 geschlossen durch am Differentialkolben 301 anliegenden Arbeitsdruck,
- Einlaßventil 20 öffnet zur Zuführung vom Arbeitsdruck, einerseits vom Arbeitsdruck beaufschlagt wird andererseits gegen den Zwischenspeicher 4 druckentlastet, Überströmventil 12 zum Zylinderraum 1 hin geschlossen.

Diese Steuerstellung setzt sich auch nach OT beim Weg des Kolbens nach UT noch fort. Es erfolgt weiterhin die Zufuhr von Arbeitsmedium unter Arbeitsdruck.

Fig. 4

- Kolbenbewegung zum UT, Expandieren des Arbeitsmediums im Zylinderraum 1 unter die Druckhöhe des vorentlasteten Arbeits mediums im Zwischenspeicher 4 aus dem Steuersystem von Ein- 20 und Auslaßventil 30,
- Auslaßventil 30 über seinen Differentialkolben 301 durch vorent lastetes Arbeitsmedium geschlossen,
- Einlaßventil 20 geschlossen, vom Zylinderraum 1 mit stark expandiertem, druckgesenktem Arbeitsmedium und seinem Differentialkolben 201 allseitig mit Arbeitsdruck beaufschlagt,
- Überströmventil 12 zum Zylinderraum 1 hin geöffnet, wenn die Druckhöhe des vorentlasteten Arbeitsmediums im Zwischen speicher 4 aus dem Steuersystem größer ist als das expandierte Arbeitsmedium im Zylinderraum 1.

Fig. 5

- Kolben 5 überläuft vor und nach UT Auslaßschlitze 11, völlige Entlastung des Arbeitsmediums über die Auslaßschlitze 11,
- Einlaßventil 20 geschlossen, Differentialkolben 201 allseitig mit Arbeitsdruck beaufschlagt,
- Auslaßventil 30, indifferent geschlossen durch allseitige Beauf schlagung mit völlig entlastetem Arbeitsmedium,
- Überströmventil 12 zum Zylinderraum 1 hin geöffnet, wenn die Druckhöhe höher ist als im expandierten Arbeitsmedium des Zylinderraumes 1.

Fig. 6

- Kolben 5 schließt Auslaßschlitze 11 durch Überdecken Verdichten von verbliebenem Arbeitsmedium
- Einlaßventil 20 geschlossen, Differentialkolben 201 allseitig mit Arbeitsdruck beaufschlagt,
- Auslaßventil 30, geschlossen durch Beaufschlagen seines Differentialkolbens 301 mit Arbeitsmedium in Schließrichtung,
- Überströmventil 12 zum Zylinderraum 1 hin geschlossen, weil Druckhöhe im Zylinderraum 1 größer ist als die im Zwischenspeicher 4.

Dem Einlaßventil 20 sind das Schließsteuerventil 21 und das Öffnungssteuerventil 22 zugeordnet.

Über das Schließsteuerventil 21 wird der Differentialkolben 201 an seiner großen Fläche in Schließrichtung direkt mit dem Arbeitsmedium beaufschlagt. Die gegen Schließrichtung wirksame kleinere Fläche des Differentialkolbens 201 wird gleich zeitig über eine Dämpfungsdrossel 24 beaufschlagt. Dies führt zu einem verzögerten Druckaufbau, der jedoch letztlich ein hartes Aufsetzen des Einlaßventils 20 auf seinen Dichtsitz 120 vermeidet.

Über das Öffnungssteuerventil 22 erfolgt über die erste Wegstrecke des Öffnens eine direkte Entlastung der großen Fläche des Differentialkolbens 201, wobei gleichzeitig über die Dämpfungsdrossel 24 eine Entlastung der kleinen Fläche des Differential kolbens 201 erfolgt. Auf der weiteren Wegstrecke des Öffnens erfolgt eine gedrosselte, und damit verzögerte Entlastung der großen Fläche des Differentialkolbens 201 über die Dämpfungsdrossel 23. Alle vorbeschriebenen Entlastungsvorgänge erfolgen zum Zwischenspeicher 4 hin, dessen Volumen für eine genügende Druckabsenkung durch Teilexpansion bemessen sein muß.

Dem Auslaßventil 30 sind das Schließsteuerventil 31 und das Öffnungssteuerventil 32 zugeordnet.

Über das Schließsteuerventil 31 wird der Differentialkolben 301 an seiner großen Fläche in Schließrichtung direkt mit dem Arbeitsmedium beaufschlagt.

Die gegen Schließrichtung wirksame kleinere Fläche des Differentialkolbens 301 ist ständig über eine Dämpfungsdrossel 33 mit dem Zwischenspeicher 4 verbunden, wo bei ein gedämpfter aber stetiger Ladungsaustausch bei einer Verlagerung des Kolbens erfolgt.

Über das Öffnungssteuerventil 32 wird der Differentialkolben 301 an seiner großen Fläche direkt zum Zwischenspeicher 4 hin entlastet.

Aus dem Zwischenspeicher 4 gelangt das vorentspannte Arbeitsmedium über das Überströmventil 12, welches ein Einwegventil ist, dann in den Zylinderraum 1, wenn der Arbeitsdruck in diesem durch Expansion unter den Druck im Zwischenspeicher 4 abgesunken ist.

Bezugszeichenliste

1 Zylinderraum
11 Auslaßschlitze, verbunden mit 3
12 Überströmventil zwischen 4 und 1, Einwegventil von 4 nach 1 durchlässig
13 Überströmkanal
120 Dichtsitz für 20
130 Dichtsitz für 30
2 Einlaßkanal
20 Einlaßventil
201 Differentialkolben an 20
21 Schließsteuerventil für 20
22 Öffnungssteuerventil für 20
23 Dämpfungsdrossel öffnen
24 Dämpfungsdrossel schließen
3 Auslaßkanal
30 Auslaßventil
301 Differentialkolben an 30
31 Schließsteuerventil für 30
32 Öffnungssteuerventil für 30
33 Dämpfungsdrossel schließen
4 Zwischenspeicher
5 Kolben
2H Hochdruckkanal
20S Druckkanal
20Ö Entlastungskanal
20d Dämpfungskanal
30S Schließkanal
30Ö Entlastungskanal
30d Dämpfungskanal
40z Kanal in 4 mündend
UT unterer Totpunkt
OT oberer Totpunkt

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Kolbenmaschine zur Expansion eines vorzugs weise gasförmigen Arbeitsmediums hohen Druckes und vorzugsweise hoher Temperatur folgender Bauart:

- mindestens ein Einlaßventil ist mit unterschiedlichen Einlaßsteuerzeiten für das Arbeitsmedium betreibbar,
- eine im Bereich des unteren Totpunktes des Zylinders wirksame Auslaß anordnung ist für das expandierte Arbeitsmedium wirksam,

dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines, in seiner Öffnungscharakteristik steuerbaren Auslaßventils (30) der Zylinderraum (1) bei der Bewegung des Kolbens (5) zum oberen Totpunkt hin entlastbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des unteren Totpunktes (UT) konstant geöffnete vom Kolben (5) freigebbare Auslaßschlitze (11) angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 1 und 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- das Arbeitsmedium ist gleichzeitig Steuermedium für die Betätigung von Ein- (20) und Auslaßventil (30),
- die Entlastung von den Beaufschlagungsräumen an Ein- (20) und Auslaßventil (30) erfolgt in einem Zwischenspeicher (4) größeren Volumens zur Druckminderung des Steuermediums,
- der Zwischenspeicher (4) weist ein im Kompressionsbereich zum Zylinderrand (1) öffnendes Überströmventil (13) auf.

4. Ladungswechselsteuerung für eine Kolbenmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 3 oder 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- Einlaßventil (20) und Auslaßventil (30) sind durch ein Druckmedium wechselseitig beaufschlag- und entlastbar,
- zur Steuerung der Betätigung von Ein- (20) und Auslaßventil (30) zu Kurbelwellenstellungen ist das Druckmedium mittels elektromagnetisch durch mit der Kurbelwellendrehung synchrone Impulse angesteuerte Ventile (21; 22; 31; 32) für die einzelnen Beaufschlagungsräume an Ein- (20) und Auslaßventil (30) zu- und abführbar,
- die von den elektromagnetisch geschalteten Ventilen (21; 22; 31; 32) gesteuerten Entlastungsleitungen von den Beaufschlagungsräumen am Ein- (20) und Auslaßventil (30) münden in einem Zwischenspeicher (4) größeren Volumens zur Druckminderung,
- der Zwischenspeicher (4) weist ein zum Zylinderraum (1) öffnendes Überströmventil (12) auf.

5. Ladungswechselsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- (20) und Auslaßventil (30) in Richtung gegen den Arbeitsdruck im Zylinderraum (1) durch das Arbeitsmedium kraftschlüssig auf am Zylinderraum (1) mündenden Dichtsitzen (102; 103) gehalten sind.