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Verfahren zur Regelung der Arbeitsaufnahme und -abgabe von Verdichterförderräumen
bzw. von Nebenräumen bei Freiflugkolbenverdichtern Bei Freiflugkolbenverdichtern
mit einem Motorarbeitsraum und einem oder mehreren Verdichterräumen und mit einem
oder mehreren frei hin und her schwingenden, die Flugmasse bildenden Kolben ist
es bekannt, zwecks Änderung der Förderleistung des Verdichters die Länge des Flugmassenhubes
zu verändern. Eine solche Veränderung der Hublänge bringt gewisse Nachteile mit
sich, da dadurch auch die von der Bewegung der Flugmasse abgeleitete Steuerung des
den Motor bildenden Teils der gesamten Maschine (Motorteil) unerwünschten Änderungen
unterworfen ist.
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Die Erfindung bezweckt, eine Änderung der Förderleistung des Verdichters
in weiten Grenzen bei angenähert gleichbleibendem Hub zu ermöglichen.
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Erreicht wird dies erfindungsgemäß, indem die Verdichterförderleistung
durch Änderung von Drücken geregelt und gleichzeitig die Treibstoffzufuhr zum Motorarbeitsraum
so beeinflußt wird, daß der Flugmassenhub, angenähert konstant bleibt. ` Es können
dabei folgende Drücke geändert werden: a) der Ausschub- oder Förderdruck; die Fördermenge
sinkt, wenn dieser Druck erhöht wird, und umgekehrt; b) der Ansaugedruck; die Fördermenge
sinkt, wenn dieser Druck gesenkt wird, und umgekehrt; c) Ansaug- und Förderdruck
gleichzeitig: hierbei können beide Drücke in entgegengesetztem Sinn geändert werden,
wobei sich die Einflüsse dieser Druckänderungen auf die Fördermenge addieren, oder
auch im gleichen Sinne, wobei sich die Fördermenge entsprechend der Differenz der
Einflüsse der Druckänderungen ändert. Im letzteren Fall kann das Verhältnis der
beiden Drücke konstant bleiben, es bleibt dann bei konstanter Anfangstemperatur
auch die Endtemperatur des verdichteten Gases immer dieselbe.
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In manchen Fällen liegt. auch die Aufgabe vor, die Größe der Arbeitsaufnahme
oder der Arbeitsabgabe von Nebenräumen zu ändern, z. B. von pneumatischen Puffern,
die beim einen Hub Verdichtungsarbeit aufspeichern und dieselbe beim nächstfolgenden
Hub wieder abgeben, wobei diese wieder abgegebene Arbeit zusammen mit der- im eigentlichen
Verdichter beim Rückhub frei werdenden Arbeit die Verdichtung der Ladung des Motorarbeitsraumes
bewirkt. Auch bei solchen Nebenräumen kann die gleiche Maßnahme wie bei den eigentlichen
Verdichterräumen, nämlich Änderung von Drücken, z. B. des Anfangsdruckes der Verdichtung,
bei angenähert konstant bleibendem Flugmassenhub Anwendung finden.
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Die erfindungsgemäß vorzusehenden Regelungen, nämlich die Veränderung
von Drükken und die Änderung der dem Motorteil j e Arbeitshub zuzuführenden Treibstoffmenge,
können entweder beide von Hand oder beide
selbsttätig oder auch
die eine von Hand, die andere selbsttätig erfolgen.
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Die Regelung von Hand kommt beispiels-,veise dann in Frage, wenn mit
verhältnismäßig wenigen oder langsam erfolgenden Änderungen des Druckgasbedarfs
zu rechnen ist oder wenn an die Genauigkeit der Regelung keine hohen Anforderungen
gestellt werden. Bei einer solchen Regelung können sowohl die Druckveränderungen
als auch die Änderung der Brennstoffzufuhr vom gleichen Verstellglied (Handrad,
Stellhebel o. dgl.) abgeleitet werden, so, daß jeder Regelvorgang nur die Verstellung
dieses einen Gliedes erfordert.
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Sofern beide Regelungen selbsttätig erfolgen, können sie von den Änderungen
der'-selben Kraftquelle beeinflußt sein, z. B. vom Druck in einem dem Verdichter
nachgeschalteten Vorratsbehälter. Die beiden Regelungen sind hierbei, unter entsprechender
Abstimmung aufeinander, parallel geschaltet.
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Man kann aber auch den einen Regelvorgang vom anderen abhängig machen,
indem z. -B. der Drück im Verdichter wieder in Abhängigkeit vom Druck in einem Vorratsbehälter,
dagegen die Treibstoffzufuhr in Abhängigkeit vom Druck im Verdichter geregelt wird.
Hierbei sind also die beiden. Regelungen hintereinandergeschaltet.
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Ferner ist es möglich, die beiden Regelungen von verschiedenen Kraftquellen,
die keinen unmittelbaren Zusammenhang untereinander haben, abhängig,zu machen, z.
B. den Druck -im Verdichter wieder in Abhängigkeit vom Druck im Vorratsbehälter
zu verändern, die Treibstoffzufuhr zum Motorteil aber derart in Abhängigkeit vom
Hub zu regeln, daß dieser Hub stets angenähert konstant bleibt.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung, die mehrere Ausführungsbeispiele
veranschaulicht, näher erläutert werden.
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Die Abb. i, 2, 6 und B. zeigen Freiflugkolbenverdichter mit gegenläufigen
Flugmassen im. Längsschnitt, und zwar die beiden letzten Abbildungen j e eine Hälfte.
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Die Abb. 3, ¢ und 5 zeigen Druckvolumendiagramme von Verdichtern gemäß
Abb. i oder 2.
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Abb.7 zeigt das Druckvolumendiagramm des in Abb.6 ersichtlichen pneumatischen
Puffers. _ Bei den Freiflugkolbenverdichtern nach Abb. i, 2"- 6 und 8 enthält das
Maschinengehäuse i in der Mitte einen Motorarbeitsraum 2 und an den Enden j e einen
Verdichterraum 3. Die Flugmassen bestehen im wesentlichen j e aus einem Motorkolben
q. und einem Verdichterkolben 5, die unmittelbar miteinander verbunden sind. Um
die genaue Gegenläufigkeit dieser Flugmassen zu sichern, sind diese durch ein geeignetes
Getriebe miteinander verbunden; beispielsweise ist an jede Flugmasse j e eine Zahnstange
15 angeschlossen, und beide Zahnstangen stehen mit einem am Maschinengehäuse i unverschieblich
gelagerten Zahnrad 16, an einander diametral gegenüberliegenden Stellen in Eingriff.
Der linke Motorkolben steuert bei seinem Hinundhergang die Spülschlitze 6, der rechte
die Auspuffschlitze 7, die in der Wand des Motorzylinders vorgesehen sind. Das am
Ende eines Arbeitshubes in den Verdichtertoträumen zurückbleibende verdichtete Gas
treibt, während es sich ausdehnt, die Flugmassen q., 5 aufeinander zu; wenn dabei
der Druck in den Verdichterzylindern auf die Höhe des Ansaugedruckes abgesunken
ist, wird frisches Gas durch die Saugventile 8 angesaugt; gleichzeitig wird der
Inhalt des Motorarbeitsraumes 2 verdichtet. Gegen Ende des Rückhubes wird mittels
einer Brennstoffpumpe, bestehend aus dem Kolben 2o und dem Zylinder 21, flüssiger
Brennstoff durch Rohr 22 und Einspritzvorrichtung 23 in den Motorarbeitsraum 2 eingespritzt
und zur Entzündung gebracht. Den Antrieb dieser Pumpe bewirkt ein an der Zahnstange
15 sitzender Nocken 2q., welcher nahe der inneren Motortotlage der Flugmassen einen
, Schwinghebel-:25 verschwenkt, der dabei den Pumpenkolben 2o entgegen der Feder
26 verschiebt. Die im Motorarbeitsraum entstehenden Verbrennungsgase treiben die
Flugmassen auseinander, wobei das vorher in die VerdicYiterzylinder eingesaugte
Gas verdichtet und über die Druckventile g durch die Druckleitungen in und die Sammelleitung
i i zu einem Vorratsbehälter 13 gefördert wird, von i wo es durch Leitung 14 den
Verbrauchs-. stellen zufließt. In der Sammelleitung i i ist ein federbelastetes
Rückschlagventil i2 vorgesehen, um den Verdichtungsenddruck in den Verdichterräumen
3 auf einer bestimmten Mindesthöhe zu halten, auch dann, wenn der Druck im Behälter
13, z. B. infolge starker Entnahme von Druckgas oder bei der Inbetriebsetzung,
niedriger ist als diese Mindesthöhe.
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Die Regelung der dem Motorteil j e Arbeitshub zuzuführenden Brennstoffmenge
erfolgt beim vorliegenden Beispiel selbsttätig in Abhängigkeit vom Druck im Vorratsbehälter
13,
und zwar in an sich bekannter Weise durch i Verdrehen des Pumpenkolbens.
Zu diesem Zweck ist mit dem Pumpenkolben 2o ein Zahnrad 30 fest verbunden,
in welches eine Zahnstange 3 i eingreift, die einen im Zylinder 33 verschiebbaren
Kolben 32 trägt, der auf i der einen Seite durch eine Druckfeder 34., auf der anderen
Seite durch den im Vorratsbehälter
13 herrschenden Druck
belastet ist. Die jeweilige Lage dieses Kolbens 32 ist also durch den Druck im Behälter
13 bestimmt, und demzufolge ist auch die bei jedem Pumpendruckhub geförderte Brennstoffmenge
von diesem Druck abhängig.
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Die Abb. i und 2 veranschaulichen weiterhin Beispiele für die Regelung
der Fördermenge des Verdichters durch Veränderung von Drücken.
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Gemäß Abb. i ist in die zum Vorratsbehälter 13 führende Druckleitüng
i i ein durch die Feder 4o belastetes, zum Vorratsbehälter hin öffnendes Ventil
eingebaut, dessen Spindel 41 kolbenartig verdickt ist, derart, daß der Ventilteller
42 vom Behälterdruck entlastet ist, daß also der Verdichterausschubdruck lediglich
durch die Spannkraft- der Feder 4o bestimmt ist. Diese Federspannung wird im dargestellten
Beispiel selbsttätig in Abhängigkeit vom Behälterdruck geregelt. Zu dem Zweck ist
zwischen die Ventilgehäusestirnwand 43 und das kolbenartig ausgebildete Federwiderlager
44 ein Keil 45 eingesetzt, der mit dem im Zylinder 46 verschieblichen, einerseits
durch die Spannung einer Druckfeder 47, andererseits über Leitung 48 vom Druck im
Behälter 13 belasteten Kolben 49 verbunden ist. Steigt der Druck im Behälter 13
über seinen normalen Wert an, so verschieben sich Kolben 49 und Keil 45 nach links,
die Ventilbelastungsfeder 4o wird stärker gespannt, -der Verdichterausschubdruck
steigt dementsprechend an, und die Förderleistung verringert sich. Die Drucksteigerung
im Verdichter kann hierbei viel stärker sein als die Druckzunahme im Behälter 13;
dies ergibt eine schnell und kräftig einsetzende Regelung.
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Zur Regelung des Ausschubdruckes von Hand genügt es, den Keil 45 und
seine Verstellvorrichtung durch eine in der Ventilgehäusestirnwand 43 verschraubbare,
gegen das Federwiderlager 44 drückende Druckschraube zu ersetzen.
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Abb.2 zeigt eine Einrichtung zur Regelung der Förderleistung des Verdichters
durch Veränderung des Ansaugedruckes. Hierbei sind alle Saugventile 8 an eine gemeinsame,
einen Drosselschieber 50 enthaltende Ansaugleitung 5i angeschlossen. Dieser
Schieber ist mit einem Kolben 53 verbunden, der über Leitung 54 durch den Druck
im Behälter 13 derart belastet wird, daß dieser Druck den Schieber zu schließen
sucht, während eine Feder 55 der Kolbenkraft entgegenwirkt. Die Feder ist so bemessen,
daß der Drosselschieber immer mehr geschlossen wird, wenn der Druck im Behälter
13 über seinen Normalwert ansteigt, so daß dann der Ansaugedruck immer mehr verringert
wird. Die Regelung der Treibstoffzufuhr zum Motorteil kann in derselben Weise,,
wie in Abb. i gezeigt, ebenfalls in Abhängigkeit vom Behälterdruck erfolgen.
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Die Treibstoffzufuhr kann aber auch gemäß dem in Abb. 2 gezeigten
Beispiel in Abhängigkeit vom Ansaugdruck geregelt werden. Zu dem Zweck ist die zum
Zylinder 33 der Treibstoffregelvorrichtung führende Rohrleitung 35 nicht an den
Behälter 13, sondern an den Verdichterraum 3 angeschlossen, und zwar an einer
Stelle 59, die nahe an der Stirnkante des Verdichterkolbens 5 liegt, wenn dieser
soeben den Verdichtungshub beginnt. In die Leitung 35 ist ein Abschlußglied in Gestalt
eines Schiebers 6o mit einem Durchtrittskanal 61 eingebaut. Dieser Schieber ist
an den kurzen Arm eines Schwinghebels 62 angeschlossen, dessen langer Arm von einem
an der Zahnstange 15 fest sitzenden Zapfen 63 erfaßt wird, so daß er die
-Hinundherbew egung der Flugmasse auf den Schieber 6o überträgt. . Die Anordnung
ist so getroffen, daß der Kanal 61 nur dann den Verdichterrraum 3 mit dem Zylinder
33 verbindet, wenn an der Mündungsstelle 59 der Ansaugedruck herrscht, daß diese
Verbindung aber unterbrochen wird, wenn der Verdichterkolben 5 beim Verdichtungshub
auf die andere Seite der Mündung 59 tritt, wenn also diese'Mündungsstelle dem auf
der Rückseite des Verdichterkolbens 5 herrschenden Druck ausgesetzt ist. Die Wirkung
der Treibstoffregelvorrichtung 3o bis 34 kann so durch diesenletztgenannten
Druck nicht gestört werden.
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Abb, 3 veranschaulicht die Wirkungsweise der V erdichterregelung durch
Erhöhung des Ausschubdruckes. Das dem Normalbetrieb entsprechende Verdichterdiagramm
ist durch den Linienzug ABCDA gegeben. Dabei erfolgt die Verdichtung vom Ansaugedruck
p1 auf den Ausschubdruck p'2. Wird nun der Ausschubdruck erhöht auf den Wert p21,
so entsteht das neue Verdichterdiagramm AB, C2 D1A. Die Ansaugestrecke
DIA dieses neuen Diagramms ist kleiner als die Ansaugestrecke D A des Normaldiagramms.
Im gleichen Verhältnis wie diese Strecken ändern sich auch die angesaugten und demzufolge
auch die geförderten Gasmengen.
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Abh.4 veranschaulicht im Diagramm die Regelung der Förderleistung
.durch. Verringerung des Ansaugedruckes. Der Linien-zug ABCDA veranschaulicht
wieder das Diagramm des Normalbetriebes. Wird der Ansaugedruck vom Wert p1 auf den
Wert pll verringert, so ergibt sich das neue Diagramm A2B1CD2A2. Die Förderleistungen
stehen hierbei im gleichen Verhältnis wie die Strecke B C (bei Normalleistung)
zur Strecke B, C
(bei verringertem Ansaugedruck).
Abb. 5 zeigt
das Diagramm eines Verdichters, bei dem zum Zwecke der Regelung der Förderleistung
Ausschubdruck -und Ansaugedruck gleichzeitig verändert * werden, und zwar im entgegengesetzten
Sinne. Soll die Förderleistung des Verdichters (dessen Normaldiagramm wieder durch
den Linienzug AB C DA gegeben ist) verringert werden, so wird der Ansaugedruck
vom Wert p1 auf den Wert p, herabgesetzt und der Ausschubdruck vom Wert p2 auf den
Wert p21 erhöht, so daß das neue Diagramm A2 B2 C2 D2 A2 entsteht. Die Förderleistung
verringert sich hierbei im Verhältnis der Produkte aus Ansaugestrecke und Ansaugedruck.
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Abb. 6 zeigt einen Freiflugkolbenverdichter mit einem pneumatischen
Puffer, bestehend aus dem Zylinder 65 und dem Kolben 66, der während des Arbeitshubes
der Flugmassen Arbeit aufnimmt, diese Arbeit in seinem Totraum in Form verdichteten
Gases aufspeichert und dieselbe. während des Rückhubes der Flugmassen an diese wieder
abgibt. Die Größe der von diesem Puffer aufgenommenen und wieder abgegebenen Arbeit
wird erfindungsgemäß durch Veränderung des zu Beginn der Verdichtung im Pufferarbeitsraum
herrschenden Druckes geregelt. Zu dem Zweck ist der Arbeitsraum 67 über eine bei
68, d. h. nahe der Stelle, die die Pufferkolbenstirnkante bei Beginn des Arbeitshubes
einnimmt, -in den Arbeitsraum mündende Leitung _69 mit dem Vorratsbehälter
13 verbunden.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ergibt sich aus Abb. 7, die das
Diagramm eines solchen Puffers zeigt. Hat der Druck im Behälter 13 seinen normalen
Wert p;", so erfolgt die Verdichtung im Puffer von diesem Druck p. aus gemäß der
Linie ST. Steigt der Druck im Behälter 13 auf den höheren Wert p", so ergibt sich
die neue Verdichtungslinie U V; die vom Puffer aufgenommene und wieder abgegebene
Arbeit wird dabei um den der Fläche ST Y US entsprechenden Betrag größer.
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Der Puffer oder auch ein zusätzlicher Verdichter .u. dgl. kann auch
so vorgesehen sein, daß et beim Rückhub der Flugmasse Arbeit aufnimmt und beim Arbeitshub
derselben diese Arbeit wieder abgibt. Falls der Verdichterkolben größer ist als
der Motorkolben, kann die Differenzkolbenfläche zwischen beiden und der Raum 70
(Abb. i), in welchem diese Differenzkolbenfläche arbeitet, diesen Puffer bzw. zusätzlichen
Verdichter bilden. Auch die Größe der, während des Rückhubes der Flugmasse von "solchen
Puffern oder Verdichtungsräumen aufgenommenen Arbeit kann durch Druckänderung verändert
werden.
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Ein Beispiel hierfür zeigt Abb. B. Der an die linke Seite des Verdichterkolbens
5 angrenzend,: Raum 70 ist beispielsweise als Spülpumpe ausgebildet und mit
Saugventilen 71 und Druckventilen 72 ausgestattet. Von den Druckventilen 72 führt
eine Leitung 73 zum Spülluftaufnehmer 7L1.. (Abb. 6). In diese Leitung ist eine
Drosselvorrichtung 75 eingebaut, die in ähnlicher Weise wie die Drosselvorrichtung
nach Abb. 2 vom Druck im Behälter derart beeinflußt wird, daß sie stärker drosselt,
wenn dieser Druck steigt, und umgekehrt. °