-
Regelverfahren für Freiflugkolbentreibgaserzeuger Brennkraftverdichter,
bei denen die 'Kolben von Brennkraftmaschine und Verdichter starr miteinander verbunden
ein frei schwingendes Massensystem bilden, sind bekannt. Es ist auch bereits bei
solchen Freiflugli:olbenbrennkraftverdichtern vorgeschlagen worden, die Verdichterförderleistung
bei angenähert gleichbleibendem Hub der Flugmasse durch Veränderung der im Verdichter
herrschenden Drücke (des Ansaugedruckes oder des Ausschubdruckes oder beider Drücke)
zu regeln; ferner ist es bekannt, Freiflugkolbenbrennkraftverdichter als Treibgaserzeuger
zu verwenden, bei denen die vom Verdichter geförderte Druckluft ganz oder zum Teil
als unter verhältnismäßig hohefn Druck stehende Spül- und Ladeluft der Brennkraftmäschine
zugeführt -wird und die die Brennkraftmaschine verlassenden Abgase (Verbrennungsgase
und überschüssige Spülluft) einer Sekundärmaschine, z. B. einer Kolbenmaschine oder
einer Turbine, als Treibmittel zugeführt werden.
-
Erfindungsgemäß werden nun auch bei derartigen Freiflugkolbentreibgaserzeugern,
bei welchen die vom Verdichter geförderte Druckluft ganz oder teijweise als Spül-
und Ladeluft für die Brennkraftmaschine dient, zwecks Regelung des Energieinhaltes
des von der Brennkraftmaschine gelieferten Treib.-gases der Saug- und der Förderdruck
im Verdichter geändert, und zwar so, daß das Verhältnis dieser beiden Drücke (nachfolgend
Verdichterdruckverhältnis genannt) wenigstens angenähert gleichbleib.t.
-
Die Anwendung dieses Regelverfahrens hat bei solchen Treibgaserzeugern
die Wirkung, daß auch das Druckverhältnis im Verbrennungsteil (Spül- und Ladedruck:
Verdichtungsenddruck) wenigstens angenähert gleichbleibt. Wird beispielsweise der
Saugdruck des Verdichters bei gleichbleibendem Verdichterdruckverhältnis herabgesetzt,
so verringert sich auch der Förderdruck entsprechend; infolge der verringerten Drücke
wird auch beim Rückhub die durch Entspannung der im Verdichtertotraum verbliebenen
Druckluft frei werdende Rückführarbeit kleiner; da mit dem Verdichterförderdruck
aber auch der Spül- und Ladedruck (und somit die Menge) der Ladung für den Verbrennungsteil
(gleichgehaltenes Ladevolumen mal Dichte der Ladung) herabgesetzt wurde, so genügt
doch die verringerte Rücklaufarbeit, um diese verringerte Ladungsmenge im etwa'
gleichen Druckverhältnis, wie es vorher im `"erbrennungsteil herrschte, zu verdichten.
Da es bei Brennkraftmaschinen mit Verdichtungszündung wie sie zumAntrieb vonFreiflügkolbenverdichtern
üblich sind, auf die Erreichung einer bestimmten Endtemperatur der verdichteten
Ladeluft ankommt, diese aber im wesentlichen vom Druckverhältnis abhängt, so ist
die durch die Erfindung gegebene Möglichkeit, dieses Druckverhältnis in der Brennkraftmaschine
-wenigstens angenähert
gleichzuhalten, für den ungestörten, einwandfreien
Betrieb eines in weiten Grenzen regelbaren Freiflugkollyentreibgaserzeugers von
-ausschlaggebender Bedeutung.
-
Die Herabsetzung von Saug- und Förderdruck und damit der Drücke im
Verbrennungszylinder bei Teilbelastungen führt gleichzeitig zu einer wesentlichen
Verminderung der Zahl der Arbeitsspiele in der Zeiteinheit, also zu einer weiteren
Leistungsregelung des Freiflugkolbentreibgaserzeugers, so daß bereits verhältnismäßig
kleine Druckänderungen bedeutende Änderungen der gelieferten Treibgasmenge zur Folge
haben.
-
Hat der Verdichterkolben einen größeren Durchmesser als der Kolben
des Verbrennungsteils, so ist auf der Rückseite des Verdichterkolbens eine Differenzfläche
gleich dem Unterschied von Verdichterkolbenfläche und Fläche des Kolbens des Verbrennungsteils
vorhanden; der auf dieser Fläche lastende` Druck ergibt auf dem Rückhub eine Arbeitsaufnahme,
um deren Betrag die für die Verdichtung der Brennladung beim Rückhub verfügbare
Arbeit verringert wird. Wenn also durch Regelvorgänge der Betrag der im Verdichter
frei werdenden Rücklaufarheit sich ändert,.so muß auch im gleichen Sinne der von
der Verdichterkolbenrückseite aufgenommene Arbeitsbetrag verändert werden, damit
der für die Verdichtung der Brennladung verfügbare Arbeitsbetrag die Durchführung
dieser Verdichtung mit dem gewünschten, angenähert gleichbleibend zu haltenden Druckverhältnis
ermöglicht. Erfindungsgemäß wird daher weiterhin vorgeschlagen, die Verdichterkolbenrückseite
mit dem zu regelnden Verdichtersaugdruck zu belasten. Dieser Druck kann entweder
als gleichbleibende Belastung unveränderlich während des ganzen Hubes wirken oder
den unteren oder den oberen Enddruck. einer Verdichtungsentspannungslinie bilden.
-
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung noch näher erläutert werden.
Abb. i zeigt als Beispiel einen Freiflugkolbentreibgaserzeuger gemäß der Erfindung
schematisch im Längsschnitt; die Abb.2 bis 5 zeigen für je zwei Regelzustände Druckvolumendiagramme
der verschiedenen Verdichtungsräume: Abb.6 veranschaulicht eine Ausführungsform
eines besonderen Steuergliedes im Schnitt.
-
Der Freiflugkolbentreibgaserzeuger gemäß Abb. i besitzt einen Verbrennungszylinder
i, in welchem aus Gründen des. Massenausgleiches zwei gegenläufige Kolben 2, 2 arbeiten;
jeder dieser Kolben, von denen der eine die Spülschlitze 3, der andere die Auspuffschlitze
4 steuert, ist mit einem Verdichterkolben 5 starr verbunden. Diese Verdichterkolben
arbeiten in gleichachsig zum Verbrennungszylinder i angeordneten Verdichterzylindern
6, welche mit Saugventilen 7 und Druckventilen 8 versehen sind.
-
Wenn die beiden Flugmassen 2, 5 sich einander genähert haben und die
zwischen den Kolben 2 des Verbrennungsteils eingeschlossene Ladeluftmenge verdichtet
ist, wird durch eine Brennstoffzufuhreinrichtung, z. B. eine Düse 9, Brennstoff
in diese Luftladung eingespritzt; die bei der nun einsetzenden Verbrennung entstehenden
Brenngase treiben die Flugmassen- auseinander (Arbeitshub). Dabei findet in den
Verdiehterzylindern zunächst eine Verdichtung des Zylinderinhaltes vom Druck p,
auf den Druck p2 gemäß Linie A-B und dann der Ausschub der verdichteten Luft gemäß
Linie B-C (Abb. 2) statt. Nach Freilegung der Spül- und Auspuffschlitze 3, 4 durch
die Kolben 2 des Verbrennungsteils kommen die Flugmassen zum Stillstand. Die in
den Toträumen der Verdichterzylinder 6 verbliebene Druckluft vom Druck p2 treibt
nun, gemäß Linie C-D (Abb. 2) sich bis auf deal Ansawgedruckpi entspannend; die
Flugmassen wieder aufeinander zu (Rückhub), wobei auf dem restlichen Rückhub (Linie
D-A) neue Luft in. die Verdichterzylinder über die Saugventile 7 eingesaugt wird.
Die während des Arbeitshubes über die Druckventile 8 ausgeschobene Druckluft strömt
durch die Leitung io nach Freigabe der Spülschlitze 3 durch den einen Kolben 2 des
Verbrennungsteils in den Verbrennungszylinder i, verdrängt dabei die Verbrennungsrestgase
durch die Auspuffschlitze 4 und füllt den Verbrennungszylinder mit einer Frischluftladung
vom Druckp, In der an die Auspuffschlitze 4 des Verbrennungszylinders sich anschließenden
Abgasleitung i r ist ein Druckregelglied 2o vorgesehen, welches den Spüldruck im
Verbrennungsteil und damit den Ausschubdruck p2 im Verdichter bestimmt. Die durch-
die Auslaßschlitze q. austretenden Treibgase (Abgase und überschüssige Spülluft)
werden einer nicht dargestellten Sekundärmaschine, z. B. einer Turbine, zugeleitet,
um dort Arbeit zu leisten.
-
Zwecks Regelung der vom Treibgaserzeuger gelieferten Treibgasmenge
und ihres Energieinhaltes werden Ansaugdruck p1 und Förderdruck p2 im Verdichter
verändert. Zur Veränderung des Ansaugdruckes ist beispielsweise an jedem Verdichteransaugstutzen
18 je ein Drosselschieber 12 vorgesehen, der von Hand oder selbsttätig, etwa in
Abhängigkeit von der Belastung der Sekundärmaschine, verstellbar ist. Bei gedrosseltem
Einlaß, d. h. bei kleinem Ansaugedruck pi,ergibt sich das in Abb.2 mit gestrichelten
Linien gezeichnete Verdichterdiagramm A' B' C' D' A'
mit dem Förderdruck p.
. Die Veränderung
des Förderdruckes derart, daß das Verdichterdruckverhältnis
angenähert gleichbleibt, erfolgt mittels des in der Leitung i z vorgesehenen Druckregelgliedes
2o, welches in Abb. 6 im Schnitt dargestellt ist.
-
Die Abgasleitung ii wird durch einen mit einer Durchtrittsöffnung
2i versehenen Schieber 22 verschlossen, der durch einen Steuerkolben 23 betätigt
wird. Die Gase in Leitung i i treten durch eine Bohrung 24 unter die untere ringförmige
Steuerkolbenfläche 25, so daß diese also mit dein Druck der aus dem Verbrennungszylinder
austretenden Verbrennungsgase und der überschüssigen Spülluft (d. h. mit dem Druck
p2 bzw. p2') belastet ist, während die obere Steuerfläche 26 des Kolbens 23 unter
dem Saugdruck p1 bzw. p1' steht, da der Raum über dem Steuerkolben 23 mittels Leitung
27, 17 mit dem Saugraum 18 verbunden ist. Der auf der Schieberfläche 28 lastende
Atmosphärendruck wird die den Kolben 23 von oben belastende Feder 29 aufgehoben,
wobei die Feder so bemessen ist, daß ein geringer Kraftüberschuß bestrebt ist, das
Druckregelglied 22, 23 nach unten in die Abschlußstellung zu schieben. Das Flächenverhältnis
der beiden Steuerflächen 2q. und 26 ist nun so gewählt, daß bei Erreichung des Druckes
p2 das Druckregelglied gegen den Druck p1 auf der Kolbenoberseite angehoben wird.
Ist aber der Saugdruck p, beispielsweise auf A abgedrosselt, so genügt schon
der entsprechende geringere Förderdruck p2 , um das Druckregelglied zu öffnen, so
daß also das Verhältnis der Drücke p1 : p, immer angenähert- gleichbleibt, da das
Flächenverhältnis ungefähr im umgekehrten Verhältnis dieser Drücke steht.
-
Verbrennungsgase und überschüssige Spülluft gelangen über die Rohrleitung
30 zu der nicht dargestellten Sekundärmaschine, z. B. einer Turbine.
-
Im Diagramm nach Abb.2 ist die den Rüolchub bewirkende, im Verdichterzylinder
frei werdende Rückführarbeit bei hohem Saug- und Förderdruck des Verdichters durch
die Fläche C D A F E C und im Falle der herabgesetzten Drücke pi, p2 durch
die bedeutend kleinere Fläche C' L?' A' F E C
dargestellt. Gemäß
Abb. 3 beginnt im ersten Fall (hohe Verdichterdrücke) die Verdichtung im Verbrennungszylinder
beim Druck p2 und endet beim Druck p3, die Verdichtungsarbeit ist durch die Fläche
G H T K G dargestellt; im zweiten Falle beginnt die Verdichtung im Verbrennungszylinder
bei dem niedrigeren Druck p,' und endet beim Druck p3'; dementsprechend ist auch
eine kleinere Verdichtungsarbeit, entsprechend der Fläche G' H' T K G' aufzuwenden.
Das Verdichtungsverhältnis im Verbrennungsteil (im ersten Falle p3 : P2 und
im zweiten Falle p3 : p2) ist demzufolge in beiden Fällen wenigstens angenähert
gleich groß, d. h. es bleibt bei Änderungen des-Verdichteranfangsdruckes nahezu
unverändert.
-
Wenn der Verdichterkolben 5 einen größeren Durchmesser als der Kolben
2 des Verbrennungsteils hat, so daß an der Rückseite 13 des Verdichterkolbens 5
eine wirksame Kolbenfläche gleich der Differenz von der Verdichterkolbenfläche und
der Fläche des Kolbens des Verbrennungsteils verbleibt, so muß diese Differenzfläche
beim Rückhub eine Verdrängungsarbeit leisten, welche von der im Verdichterzylinder
frei werdenden Rücklaufarbeit C D A F E C abzuziehen ist, um die für die
Verdichtung der Brennladung verfügbar verbleibende Arbeit zu erhalten. Um nun bei
Regelvorgängen, d. h. bei Veränderung der im Verdichter auftretenden Drücke und
der vom Verdichter zu leistenden Rückführarbeit dennoch das erstrebte Ziel, ein
gleichbleibendes Druckverhältnis im Verbrennungsteil.@ zu erreichen, wird weiterUn
erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Differenzfläche ebenfalls mit einem regelbaren
Druck, z. B. dem Ansaugdruck des Verdichters, zu belasten. In den beiden betrachteten
Regelfällen ergeben sich dann gemäß Abb. q. verschieden große Beträge für die von
der Differenzfläche zu leistende Verdrängungsarbeit, und zwar im ersten Fall (Belastung
mit dem V erdichteransaugedruck p1) der durch die Fläche L 11I N O L dargestellte
Betrag, im zweiten Fall (Belastung durch den V erdichterdruck p,') der der Fläche
L' M N O L' entsprechende Betrag. Als Rückführarbeiten sind demnach
verfügbar: im ersten Fall: Fläche C D A F E C - Fläche L tll
N O L
- Fläche G H .T K G und im zweiten Fall Fläche C'D'A'FEC'-Fläche
L'iN'NOL' - Fläche G' H' T K G'. Da die abzuziehenden Arbeitsbeträge
(L 111 N O L und L' 11I' N O L')
sich im gleichen Verhältnis
ändern, wie die im Verdichter frei werdenden Arbeitsbeträge, so bleibt das Druckverhältnis
im Verbrennungsteil (p2 : p,) wenigstens angenähert gleich.
-
Zur Verwirklichung dieser Betriebsweise braucht man beim Gegenstand
nach Abb. i nur den von der Differenzfläche 13 bestrichenen Raum 14 durch eine Leitung
in ständige Verbindung mit dem zwischen dem Drosselschieber 12 und den Saugventilen
7 liegenden Raum 18 zu bringen.
-
An Stelle einer über den ganzen Hub gleichbleibenden Belastung der
Differenzfläche 13 gemäß Linie L-M bzw. L'-M' kann auch eine in ihrer Stärke nach
bestimmten Gesetzen sich ändernde Belastung, z. B. eine abwechselnde Verdichtung
und Entspannung
des Gasinhalts von Raum 14, etwa - gemäß Abb. 5
nagh,, Litlit Z=Q_ tfür den ersten und nach Linie L'-Q' für den zweiten der obengenannten
Regelfälle vorgesehen werden. - Zu diesem Zweck wird mit dem Verdichterkolben 5
ein Steuerschieber- rq verbunden, der eine in der Zylinderwand vorgesehene und durch
Leitung 17 mit dem Saugraum 18 verbundene Öffnung 16 freilegt, -wenn die Flugmasse
ihre äußere Hubendstellung (Ende Arbeitshub bis Beginn Rückhub) erreicht hat; es
wird so erreicht, daß bei dieser Endstellung im Raum 14 derselbe Drück herrscht
wie im Raum 18; nach Abschluß der OfF-nungen 16-bei Beginn des Rückhubes-findetdann
gemäß Linie L-0 bzw. L'-0' eine Verdichtung im Raum 14 statt, während auf
dem folgenden Arbeitshub jeweils eine Entspannung nach der gleichen Linie vor sich
geht.
-
Bei dem eben beschriebenen Beispiel bildet also der Verdichtersaugdruck
p1 den unteren Enddruck (Punkt L bzw. L') der Verdichtungsentspannungslinie
für den Raum 14; sfatt dessdn kann- einer Jer Regeldrücke -(entweder» Saugdruck
pi oder Förderdruck p,) auch den oberen Enddruck einer Verdichtungsentspannungslinie'bilden;
die. Öffnung 16 wäre dann so zu steuern, daß der Raum 14 über Leitung 17 mit dem
Raum 18' nicht, wie oben, während - der äußeren Kolbentotlage (Ende Arbeitshub,
Anfang Rückhub), sondern während der inneren Totlage (Ende Rückhub, Anfang Arbeitshub)
in Verbindung steht; wenn aber der Förderdruck p2 als Enddruck gewählt wird, so
ist während der inneren Totlage der Raum 14 mit der Verdichterförderleitung io in
Verbindung zu bringen.
-
Die durch die Düse 9 dem Verbrennungs-,zylinder je Arbeitspiel zuzuführende
Brennstoffmenge ist entsprechend der erfindungsgemäß regelbaren Luftmenge im Verbrennungszylinder
zu bemessen. Die Regelung der Brennstoffmenge kann in bekannter Weise ebenfalls
in Abhängigkeit von den Regeldrücken (Ansaugdruck p1 oder - Förderdrucli# p2) beeinflußt
werden.