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Verfahren und Einrichtung zur Leistungsregelung von Freiflugkolhenverdichtern
Freiflugkolbenmaschinen bestehen in der Regel aus einem Energieerzeuger, z. B. einer
Zweitaktbrennkraftmaschine, und einem Energieabnehmer, beispielsweise einem Verdichter,
deren Kolben fest miteinander verbunden sind und ein frei hin und her schwingendes
Massensystem bilden. Das Arbeitsverfahren spielt sich in folgender Weise ab: während
des Motorarbeitsh.ubes wird die Energie der expandierenden Motorgase auf die Energieabnehmerseite
übertragen, bei einem Verdichter also zum Verdichten und zum Ausschieben einer Gasmenge
benutzt. Ein Teil der Motorenergie wird dabei auf der Energieabnehmerseite in geeigneter
Weise, bei einem Verdichter beispielsweise als in dessen Totraum zurückbleibende
Druckgasmenge, aufgespeichert. Dieser Energiebetrag bewirkt nach. Beendigung des
Arbeitshubes des Flugkolbens dessen Rückführung indieAusgangslage unter gleichzeitiger
Verdichtung der für den neuen Arbeitshub bestimmten Motorladung.
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Während nun die beim Arbeitshub von der Motorseite auf die Energieabnehmerseite
zu übertragende Energie dem jeweiligen Bedarf entsprechend veränderlich sein muß,
ist es erwünscht, daß der den Rückhub bewirkende Energiebetrag, Rücklaufenergie,
immer annähernd gleichbleibt, damit die Motorladung einerseits die für die sichere
Durchführung des Motorarbeitsprozesses erforderliche Verdichtung erfährt, andererseits
aber auch nicht zu hoch verdichtet wird, da sonst der Motor gefährdet würde. Falls
der Energieabnehmer ein Verdichter ist, so läßt sich dessen Förderleistung» am einfachsten
durch Veränderung der Größe des Flugmassenhubes ändern; denn bei einem größeren
Hub wird vom Verdichter mehr Gas angesaugt und gefördert als bei einem kleineren
Hub. Eine solche Veränderung des Flugmassenhubes hat aber im allgemeinen gleichzeitig
eine unerwünschte Änderung der Rücklaufenergie zur Folge, und zwar wird diese Energie,
wie sich nachweisen läßt, bei einem großen Druckverhältnis, Ausschubdruck: Ansaugedruck,
mit abnehmendem Hub immer größer, dagegen bei kleinem Druckverhältnis mit abnehmendem
Hub inuner kleiner. Unter einem großen Druckverhältnis ist ein Verhältnis
zu verstehen, das größer ist als der Wert
während ein kleines Druckverhältnis dann vorliegt, wenn das Verhältnis
kleiner ist als der Wert
wobei rn der Exponent der Polytrope ist. Die Erfindung bezweckt die Behebung dieses
Nachteils, also die Erzielung einer bei Veränderungen des Flugmassenhubes wenigstens
angenähert konstant bleibenden Rücklaufenergie.
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Im Verfolg dieses Zieles ist es bereits bekanntgeworden, einen geschlossenen
Verdichtungsraum, pneumatischen Puffer, vorzusehen,
der während des Motorarbeitshubes Verdichtungsarbeit aufnimmt und
diese auf dem Kolbenrückhub als Expansionsarbeit wieder abgibt und der so bemessen
ist, daß die Deli-.-nungsarbeit seines Inhaltes zusammen mit a## @@ , Dehnungsarbeit
des Verdichtertotraumkiss#h's wenigstens innerhalb eines engeren Bereicle#s .` der
Hubschwankungen nahezu die gleiche rückwärts treibende Energie abgibt. Hierbei wird
von der Voraussetzung ausgegangen, daß im Verdichterzylinder ein großes Druckverhältnis
herrscht, wobei mit abnehmendem Kolbenhub, d. h. wenn aus dem Verdich.terzylinder
weniger Druckgas ausgescboben wird, die im Verdichterzylinder aufgespeicherte Rückführenergie
zunimmt, und umgekehrt. Diese Voraussetzung ist jedoch nicht in allen Fällen gegeben,
und zwar dann nicht, wenn im Verdichterzylinder ein kleineres Druckverhältnis herrscht,
wobei mit abnehmendem Hub die Rückführenergie kleiner wird. Andererseits ist ein
solcher Puffer, Kompens,ationspolster, im Grunde genommen eine nicht sehr erwünschte
Zugabe, die man nur im Notfalle anwenden wird, weil dadurch die Maschine vielteiliger
gemacht und ihr Ge-, wicht vergrößert wird, und weil außerdem auch die Möglichkeiten
zu Betriebsstörungen vermehrt werden.
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Weiterhin ist es bereits vorgeschlagen worden, den Ausschubdruck des
Verdichters und die Motorleistung in Abhängigkeit dieses Ausschubdruckes durch Vergrößern
oder Verkleinern der Brennstoffmenge zu verändern. Hiernach wird bei Erhöhung des
Ausschubdruckes die Brennstoffzufuhr zum Motorteil und damit der Hub der Flugkolben
vergrößert, während bei einer Verringerung des Ausschubdruckes eine Verkleinerung
der Brennstoffmenge erforderlich ist. Ein solches Regelverfahren führt jedoch nur
dann zum Ziel, wenn im Verdichter ein großes Druckverhältnis herrscht, denn bei
einem Verdichter mit großem Druckverhältnis nimmt, wenn man den Ausschubdruck zunächst
als konstant annimmt, bei kleiner werdendem -Hub die Rückführarbeit zu. Diese unerwünschte
Zu- . nahme wird nun gemäß dem bekannten Vorschlage dadurch vermieden, daß mit der
Verkleinerung des Kolbenhubes der Ausschubdruck verringert wird, wobei der Grad
dieser Verringerung so gewählt wird, daß die Rückführenergie bei verschieden großen
Hüben annähernd konstant bleibt. Herrscht dagegen im Verdichter ein kleines Druckverhältnis,
so wird mit abnehmendem Hub die in den Druckgaskissen des Verdichtertotraumes aufgespeicherte
Rückführenergie ebenfalls kleiner, so daß in diesen Fällen durch eine Verringerung
des Ausschubdruckes die Rückführenergie nur noch mehr verkleinert würde. Demzufolge
könnte also das angestrebte Ziel in den letzteren Fällen nicht erreicht werden.
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Gemäß der Erfindung wird nun demgegenüber gleichzeitig mit der Hublänge
selbsttätig oder von Hand der im Verdichter herr-;schende Ansaugedruck geändert.
Die Veri nd erun g wird in der Weise vorgenommen, daß mit kleiner werdendem. Hub
bei einem Verdichter mit großem Druckverhältnis der Ansaugedruck herabgesetzt, bei
einem Verdichter mit kleinem Druckverhältnis: dagegen erhöht wird. Diese Druckveränderung
beeinflußt die Größe der Rückführenergie in entgegengesetzter Weise wie die Hubänderung.
Die Folge ist, daß beide Einflüsse sich gegenseitig ausgleichen, so daß also die
während des Rückhubes der Flugkolben zugeführte Energie unabhängig von der veränderlichen
Ausschublänge nahezu konstant bleibt. Die Änderung des Ansaugdruckes läßt sich beispielsweise
im Falle einer Herabsetzung desselben leicht durch Ansaugdrosselung erreichen, eine
Erhöhung etwa dadurch., daß man für den Normalbetrieb eine Drosselung vorsieht,
die man bei der Regelung nach Bedarf abschwächt, bei den Oberstufen mehrstufiger
Verdichter auch durch Erhöhung des Förderdruckes in den vorhergehenden Verdichterstufen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Änderung
des Ansaugedruckes auch in Verbindung mit einer Änderung des Ausschubdruckes selbsttätig
oder von Hand erfolgen. Die zusätzliche Änderung des Ausschubdruckes wird ebenfalls
so vorgenommen, daß mit kleiner werdendem Hub bei einem Verdichter mit großem Druckverhältnis
der Ansaugdruck herabgesetzt, bei einem Verdichter mit kleinem Druckverhältnis dagegen
erhöht wird. Eine Senkung oder Erhöhung des Ausschubdruckes kann in bekannter Weise
bei Verdichtern mit gesteuertem Auslaß durch Verstellen der Steuerung auf früheres
oder späteres Offnen herbeigeführt werden. Bei selbsttätigen Auslaßgliedern, federbelasteten
Ventilen, kann die Ventilbelastung veränderbar sein. Es kann auch in der Förderleitung
hinter den Druckventilen des Verdichters in bekannter Weise eine besondere selbsttätige
Druckregelvorrichtung eingebaut sein.
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Ferner kann auch gemäß der Erfindung bei einer Veränderung des Ansaug=
und Ausschubdruckes diese Änderung so erfolgen, daß das Verhältnis beider Drücke
zueinander angenähert konstant bleibt.
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Zur selbsttätig enAnpassung der Druckhöhe an .die jeweilige Hublänge
kann folgender Weg beschritten werden: die Brennstoffzufuhr zum Motor wird, wie
an sich bekannt, in Abhängigkeit vom Druck in einem Vorratsbehälter,
der
zwischen Verdichter und Verbrauchsleitung liegt, oder vom Druck in der Verbrauchsleitung
derart geregelt, daß mit steigendem Druck die Brennstoffzufuhr vermindert und demzufolge
der Hub der Flugkolben verkleinert wird, und umgekehrt. Die Vorrichtung zur Regelung
des Ansaugdruckes oder des Ansaug- und Förderdruckes des Verdichters wird nun ebenfalls
in Abhängigkeit von dem Druck im obengenannten Behälter oder in der Verbrauchsleitung
gebracht, ihre Wirkung steht demnach zugleich in Beziehung zur Größe des Flugkolbenhubes.
Eine solche Druckregelvorrichtung enthält vom Behälterdruck und vom Verdichterdruck
belastete Kraftglieder, Kolben, Membranen o. dgl., die gegenüber einer Federkraft
verschiebbar sind und bei ihrer Verschiebung eine Drosseleinrichtung verstellen,
die von dem Gas durchflossen wird, dessen Druck verändert werden soll.
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In der Zeichnung zeigt Abb. i den allgemeinen Aufbau eines Freiflugko:lbenverdichters
in schematischer Darstellung.
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Das in Abb. 2 dargestellte Diagramm dient zur Veranschaulichung der
bei einem großen Druckverhältnis und bei Veränderung des Ansauge- und Ausschubdruckes
verfügbaren Rückführenergien, während das Diagramm nach Abb. 3 die verfügbare Rückführenergie
bei Änderung beider Drücke aber bei kleinerenDruckverhältnis veranschaulicht.
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Die Abb.4 zeigt ein Regeldiagramm von einem Verdichter mit großem
Druckverhältnis, bei dem der Ansaugdruck .entsprechend der Erfindung in Abhängigkeit
vbn der Hublänge verändert wird, während Abb. 5 ein Regeldiagramm für ein kleines
Druckverhältnis im Verdichter darstellt.
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Die Abb. 6 und 8 zeigen Einrichtungen zur selbsttätigen Beeinflussung
des Verdichterförderdruckes in Abhängigkeit vom Druck in einem dein Verdichter nachgeschalteten
Vorratsbehälter oder vom Druck in der Druckgasverbrauchsleitung.
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Die Ab-h- 7 und 9 sind Diagramme, welche die Wirkung der Einrichtungen
nach Abb.6 und 8 veranschaulichen.
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Bei dem in Abb. i dargestellten Freiflugkolbenverdichter bewegen sich
in dem Motorzylinder i die beiden Motorkolben 2 gegenläufig zueinander. Diese Kolben
steuern den Auspuff- und Ladevorgang, indem sie bei ihrem Hinundhergang die Auspuffschlitze
4 bzw. die Ladeschlitze 3 eröffnen und wieder abdecken. Gleichachsig zum Motorzylinder
sind an dessen Enden die Verdichterzylinder 5, 6 angeordnet, in welchen die Verdichterkolben
io arbeiten, deren jeder mit einem Motorkolben :2 fest verbunden ist. Die Verdichter
haben selbsttätige Saugventile 7 und ebenfalls selbsttätige Druckventile B. Das
verdichtete Gas wird durch Leitungen i 1, 12, 13 zu einem Behälter 14 und von dort
durch Leitung 15 zu den Verbrauchsstellen geführt. Die baiden Flugmassen 2, io sind
durch ein Getriebe, bestehend aus den je an einer der Flugmassen angreifenden Zahnstangen
21, 22 und einem in die Zahnstangen eingreifenden und unverschiebbar gelagerten
Zahnrad 23, so miteinander gekuppelt, daß sie stets genau gegenläufige Bewegungen
ausführen müssen. Die Brennstoffzufuhr zum Mo:to.rzylinder i erfolgt mittels einer
Pumpe, bestehend aus dem Zylinder 25 und dem Kolben 24. Den Antrieb der Pumpe bewirkt
ein an der Zahnstange 21 sitzender Nocken 26, der nahe der Motortotlage der Flugmassen
2, io einen Schwinghebel 27 versc.hwenkt, der seinerseits den Pumpenkolben 24 verschiebt.
Von der Pumpe wird der Brennstoff durch, die Leitung 28 zu der Einspritzstelle 29
im Motorzylinder gefördert. Die Regelung der je Hub einzuspritzenden Brennstoffmenge
erfolgt in an sich bekannter Weise durch Verdrehen des Pumpenkolbens, der zu dem
Zweck mit einem Zahnrad 30 versehen ist, in welches eine Zahnstange 31 eingreift.
Letztere trägt den im Zylinder 33 verschiebbaren Kolben 32, der auf der einen Seite
durch eine Druckfeder 34, auf der anderen Seite durch den im Behälter 14 herrschenden
Druck belastet ist, der durch Leitung 35 übertragen wird. Die Menge des je Hub dem
Motorzylinder i zuzuführenden Brennstoffes ist also abhängig vom Druck im Behälter
14. Von dieser Brennstoffmenge wiederum ist die Länge des Hubes der Flugmassen 2,
io abhängig. In die von den Verdichtern zu dem Behälter 14 führende Leitung 1ß ist
eine Druckregelvorrichtung 9 eingeschaltet, die den Verdichterausschubdruck in Abhängigkeit
von den Druckschwankungen im Behälter regelt. Da diese Druckschwankungen auch die
Hublänge beeinflussen, so steht die Ausschubdruckregelung zugleich in Abhängigkeit
von der Hublänge.
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Beispiele für die besondere Ausgestaltung der Druckregelvorrichtung
9 sind in den Abb. 6 und 8 dargestellt.
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Abb. z zeigt Diagramme eines mit großetn Druckverhältnis A arbeitenden
Verdichters. Das dem normalen Betrieb entsprechende Diagramm ist durch den Linienzug
A, B, C, D, A
veranschaulicht. Die für den Rücklauf der Flugmassen verfügbare
Energie wird durch die unter der Diagrammfläche liegende Fläche C, D, A, G, F,
C dargestellt. Wird der Hub der Flugmasse kleiner, so entsteht das neue Diagramm
A, B, Cl, Dl, A. Die Rücklaufenergie entspricht jetzt der Fläche Cl,
Dl, A, G, F1, Cl. Diese Fläche ist erheblich größer
als im ersten
Fall, d. h. die Motorladung würde zu stark verdichtet. Erfindungsgemäß läßt sich
nun durch Herabsetzung des Druckes im Verdichterzylinder, sei es der Ansaugedruck
oder der Ansauge- und der Ausschuhdruck, erreichen, daß die Rücklaufenergie wieder
annähernd denselben Betrag wie beim Normalbetrieb besitzt. Im dargestellten Beispiel
ist sowohl der Ansaugedruck vom ursprünglichen Wert p1 auf den neuen Wert p11 als
auch der Ausschubdruck vom ursprünglichen Wert p2 auf den neuen Wert p21 vermindert,
so daß sich das neue Verdichtungsdiagramm A2, B2, C2, D2, A2 ergibt. Die Rücklaufenergie
vermindert sich jetzt um die Fläche Cl, D1, A, A2, D2, C2,
C1, und durch passende Wahl der Druckverminderung läßt sich erreichen, daß die verbleibende
Rücklaufenergie C2, D2, A2, G, F1, C2 angenähert gleich der beim Normalbetrieb verfügbaren
Rücklaufenergie C, D, A, G, F, C wird.
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Abb. 3 zeigt die entsprechenden Diagramme für einen mit kleinem Druckverhältnis
arbeitenden Verdichter. Die Fläche A, B,
(,, D, A
stellt wieder das Verdichterdiagramm für Normalbetrieb, die
Fläche C, D, A, G, F, C
die hierbei verfügbare Rückführenergie dar. Bei kleinerem
Hub, Diagrammfläche A, B; Cl, Di1, A, wird jetzt bei unveränderten
Drükken p1, p2 die, durch Fläche Cl, D1, A, G, F1, C1 dargestellte Rücklaufenergie
kleiner als beim Normalbetrieb. Manlcanndemerfindungsgemäß begegnen, indem man die
Drücke erhöht auf p12 bzw. p22, wodurch sich das neue Verdichterdiagramm A3, Bg,
Cs, A3 ergibt, dem nunmehr die Rücklaufenergie-Cs, D3, A3, G, F1, C3 entspricht.
Diese Rücklaufenergie ist um die Fläche C3, D3, A3, A, Dl, Cl, C3
größer als bei unveränderten Drücken p1 und p2, so daß wiederum gleiche Rückführenergie
wie beim Normalbetrieb erreichbar ist.
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Abb. 4 zeigt zwei übereinander gezeichnete Diagramme eines mit großem
Druckverhältnis arbeitenden Verdichters, und Abb.5 zeigt
solche Diagramme eines mit kleinerem Druckverhältnis
arbeitenden Verdichters, wobei in beiden Fällen der Ansaugdruck mit kleiner werdendem
Hub lt, bzw. h2 vermindert wird.
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Abb.6 zeigt eine Vorrichtung, welche selbsttätig eine Erhöhung des
Verdichterausschubdruckes ergibt, wenn der Druck im Vorratsbehälter bzw. in der
Verbrauchsleitung sinkt und umgekehrt. Das Gehäuse 40, das mit dem Stutzen 41 an
den Verdichter und mit dem Stutzen 42 an den Vorratsbehälter angeschlossen ist,
enthält ein Regelglied, bestehend beispielsweise aus einem Ventil 43 und dem damit
verbundenen Kolben q4.. Der Verdichterdruck wirkt auf die Differenzfläche 45 zwischen
Ventil 43 und Kolben 44 im Sinne des Öffnens des Ventils 43, der Behälterdruck wirkt
auf die untere Ventiltellerfläche 43' ebenfalls im Sinne des ö -ftnens. Eine Feder
46 sucht das Ventil 43 zu schließen. Bei steigendem Druck im Vorratsbehälter genügt
ein kleiner Druck an der Kolbenfläche 45, um das Ventil 43 entgegen der Spannung
der Feder 46 zu öffnen; dies bedeutet aber, daß mit steigendem Behälterdruck der
Ausschubdruck im Verdichterzylinder sinkt.
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Abb. 8 zeigt eine Einrichtung zur Erhöhung des Verdichterausschubdruckes
bei steigendem Behälterdruck. In dem Gehäuse So, dessen einer Stutzen 5 i an den
Verdichter und dessen anderer Stutzen 52 an den Vorratsbehälter angeschlossen ist,
befindet sich ein Doppelsitzventil mit gleich großen Ventiltellern 53, 54. Die Ventilspindel
55 trägt einen im Zylinder 58 verschiebdichen Kolben 57, dessen dem Ventil zugekehrte
Fläche 57' vom Verdichterdruck belastet wird, so daß er das Ventil 53, 54
zu öffnen sucht. Dem wirkt eine Feder 59 entgegen. Die Spannung dieser Feder,
welche also die Höhe des Verdichterausschubdruclces bestimmt, wird nun vom Behälterdruck
abhängig gemacht, indem als Federwiderlagen ein im Zylinder 62 verschieb,-licher
Kolben 61 benutzt wird, auf dessen von der Feder abliegende Fläche 61' der durch
die Leitung 6o dorthin übertragene Behälterdruck einwirkt. Solange der Behälterdruck
eine bestimmte Höhe nicht übersteigt, legt sich der Kolben 61 infolge des Druckes
der vorgespannten Feder gegen den festen Anschlag 63 an. Steigt der Behälterdruck
höher an, als dieser Federvorspannung entspricht, so wird der Kalben 61 vom Anschlag
63 abgehoben und die Feder 59 stärker gespannt. Es muß also jetzt auf . den
Kolben 57 ein höherer Druck wirken, um diese erhöhte Federvorspannung zu überwinden,
d. h. bei steigendem Behälterdruck muß auch der Ausschubdruck des Verdichters ansteigen,
und zwar kann dieses Ansteigen des Verdichterausschubdruckes in stärkerem Maße vor
sich gehen als das Ansteigen des Behälterdruckes.
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Die Abb.7 und g zeigen den bei diesen Regelvorrichtungen sich ergebenden
Druckverlauf in Abhängigkeit von der Zeit t. In beiden Fällen ist angenommen, daß
zunächst der leere Behälter aufgefüllt wird und dann der Normalbetrieb einsetzt.
Der in seinem Verlauf durch Linie c dargestellte Behälterdruck Pb ist anfangs Null
(Punkt 0), steigt dann bis zu dem durch die waagerechte gestrichelte Linie c dargestellten
Normalwert p" (Punkt P), und, da . der Druckgasverbrauch noch gering sein möge,
noch weiter bis Q.
Hierbei setzt die Motorregelung ein, die Gaszufuhr
zum Behälter verringert sich und der Druck sinkt infolge des Verbrauches, unterschreitet
im Punkt R den Normalwert und sinkt weiter bis Punkt S, inzwischen wird der Motor
auf höhere Leistung geregelt, der Druck steigt also wieder usw.
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Abb.7 zeigt das Verhalten der Regelvorrichtung nach Abb.6. Der Verdichterausschubdruck
p., (Linie b) hat zunächst (Punkt Cl) seinen Höchstwert, da bei leerem Behälter
der Ausschubdruck allein der Spannung der Feder 46 entgegensteht; mit steigendem
Behälterdruck verringert er sich immer mehr bis zum Punkt Q:, (über O) und ändert
sich von da ab umgekehrt wie der Behälterdruck, steigt also wieder an bis S1, fällt
dann wieder usw.
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Abb. g zeigt das Verhalten der Regelvorrichtung nach Abb.8. Der Verdichterausschubdruck
p, (Linie b") liegt zunächst (Punkt 02) wenig über dem Normalwert des Behälterdruckes
oder fällt mit diesem zusammen und bleibt, solange die Feder 59 sich gegen
den festen Anschlag 63 abstützt, auf dieser Höhe: Im Punkt P2 (über P) beginnt die
stärkere Anspannung dieser Feder durch den steigenden Behälterdruck; es steigt also
jetzt der Ausschubdruck bis Punkt 02, sinkt dann mit sinkendem Behälterdruck so
lange (bis Punkt R2) ab, bis letzterer (in Punkt R) den Normalwert p, erreicht,
bleibt von da an konstant, bis der zunächst weiter (bis Punkt S) sinkende und dann
wieder steigende Behälterdruck wieder die Noi`malhöhe p" erreicht hat, steigt dann
mit dem Behälterdruck wieder an USW.
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Dem außerhalb der Regelstrecke P2, 02, R2 liegenden Teil der Linie
b, kann man einen von der Waagerechten abweichenden, entweder abfallenden oder -ansteigenden
Verlauf geben, wenn man die Ventilteller 53, 54 nicht gleich groß ausführt, so daß
Behälterdruck und Ausschubdruck an der Differenzfläche der beiden Ventilteller zusätzliche
Druckkräfte erzeugen, die sich je nach Lage der Differenzfläche zu der auf den Kolben
57 wirkenden Druckkraft addieren oder von ihr subtrahieren.