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Anzeigevorrichtung für die Phasenverschiebung parallel .laufender
Freikolbenmaschinen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anzeigen der Phasenverschiebung
zweier parallel laufender Freikolbenmaschinen, welche Steuerorgane (Schieber, Ventile,
Schalter, Kommutatoren usw.) besitzen, die vom Triebwerk der beiden Freikolben aus
betätigt werden, und besteht darin, daß diese Steuerorgane bei einer bestimmten
Phasenverschiebung beider Freikolbenmaschinen je eine bestimmte Verbindung herstellen
bzw. unterbrechen und dadurch einem Steuermittel (Flüssigkeit, Gas, Elektrizität
usw.) den Durchfluß freigeben bzw. abschließen und daß das Steuermittel zur Betätigung
eines Anzeigeorgans herangezogen wird. Zum Anzeigen der Phasenverschiebungen mehrerer
parallel laufender Freikolbenmaschinen kann je eine derselben durch je eine Anzeigevorrichtung
mit den übrigen Freikolbenmaschinen verbunden sein. Vom Anzeigeorgan der Phasenverschiebung
zweier parallel laufender Freikolbenmaschinen aus kann derart auf den Gang der einen
oder der beiden Freikolbenmaschinen eingewirkt werden, daß die Phasenverschiebung
dauernd konstant oder mindestens innerhalb bestimmter Grenzen erhalten bleibt. Bei
Freikolbenmaschinen mit gegenläufigen Kolben und mit Synchronisiervorrichtung dieser
gegenläufigen Kolben kann der Antrieb der Steuerorgane von einem Glied der Synchronisiervorrichtung
abgenommen werden.
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Bei Kurbelwellenmaschinen mit mehreren Zylindern ist die Phasenverschiebung
der Kolben zwangsläufig festgelegt durch die Winkel, um welche die einzelnen Kurbeln
versetzt sind. Bei parallel laufenden Freikolbenmaschinen ergibt sich die Phasenverschiebung
eines Triebwerkes gegenüber dem anderen aus der Zeit, die, vom Beobachtungszeitpunkt
an gemessen, vergeht, bis ein Triebwerk die gleiche Lage und Bewegungsrichtung aufweist,
wie sie das andere im Beobachtungszeitpunkt aufgewiesen hat. Bei Freikolbenmaschinen
sind die Phasenverschiebungen zwischen je zwei Freikolbenmaschinen nicht festgelegt,
wenn sie nicht durch besondere Vorrichtungen eingehalten werden. Wenn
Freikolbenmaschinen
frei parallel laufen, so können sich die Phasenverschiebungen zwischen je zwei Freikolbenmaschinen
im Lauf? der Zeit ändern; es genügt hierzu, daß die Hubfrequenzen der verschiedenen
Freikolbenmaschinen dauernd ungleich groß sind. L: m bei parallel arbeitenden Freikolbenmaschinen
einen günstigen Wirkungsgrad der ganzen Anlage ohne Anwendung großer Leitungen und
Ausgleichsräume zu erreichen, ist es notwendig, daß die Saugstöße und die Druckstöße
in den gemeinsamen Sammelleitungen der parallel geschalteten Freikolbenmaschinen
möglichst gleichmäßig aufeinanderfolgen. Die Druckschwankungen werden dann in diesen
Sammelleitungen ebenfalls gering ausfallen, und die Anlage arbeitet unter günstigen
Verhältnissen. Man wird also danach trachten, eine bestimmte Phasenverschiebung,
z. B. bei zwei parallel laufenden Freikolbenmaschinen '/2 Periode des Arbeitsspieles,
bei drei Freikolbenmaschinen % Periode des Arbeitsspieles usw., einzuhalten. Es
ist jedoch nicht nötig, eine absolut genaue Phasenverschiebung einzuhalten, sondern
es genügt, um die Druckschwankungen niedrig zu halten, wenn die Phasenverschiebungen
innerhalb bestimmter Grenzen bleiben. Je genauer jedoch die Phaseneinhaltung durchgeführt
wird, um so kleirier können die angeschlossenen Sammelleitungen und deren Ausgleichsräume
gehalten werden.
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Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Fig. i zeigt den Verlauf der Ansaugeluftströmung für drei parallel
laufende Freikolbentreibgaserzeuger bei gleichmäßiger Phasenversetzung um je ein
Drittel des Arbeitsspiels.
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Fig. 2 zeigt den entsprechenden Verlauf der Ausputiströmung.
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Fig.3 -neigt schematisch zwei Freikolbenmaschinen mit gleichliegender
Stellung der li Arbeitskolben.
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Fig. 4. zeigt das Triebwerk rechts der in Fig.3 dargestellten Freikolbenmaschine,
wobei dasselbe nacheilende Phasenverschiebung aufweist.
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Fig. 5 zeigt ebenfalls das Triebwerk rechts der in Fig. 3 dargestellten
Freikolbenmaschine, wobei dasselbe voreilende Phasenverschiebung aufweist.
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Fig.6 zeigt eine weitere Ausführungsart der Anzeigevorrichtung mit
ineinanderlaufenden Schiebern mit hin und her gehender Bewegung.
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Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform mit ineinanderlaufenden
Drehschiebern mit oszillierender Bewegung.
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Fig.8 zeigt die gleiche Vorrichtung wie Fig. 7, jedoch im Schnitt.
In Fig. i stellt die Kurve a den Verlauf der Ansaugluftmenge in m3/Sek. in Abhängigkeit
der Zeit t für drei parallel laufende Freikolbenkompressoren bei gleichmäßiger Phasenverschiebung
um je ein Drittel des Arbeitsspieles dar. Die mittlere Ansaugmenge beträgt VmL.
Man erkennt aus der Kurve a, daß durch die Versetzung um '/g der Periode der Arbeitsspiele
eine weitgehend ausgeglichene Luftansaugmenge erzielt wird. Wenn diese Versetzung
nicht eingehalten würde und beispielsweise das Arbeitsspiel I zur gleichen Zeit
wie das Arbeitsspiel 1I erfolgen würde, so wäre der Höchstwert der Luftansaugmenge
nicht A, sondern 2 A, wie dies aus der Kurve b
hervorgeht, die
die Ansaugluftmenge darstellt, wenn das Arbeitsspiel I zur gleichen Zeit wie das
Arbeitsspiel Il erfolgt.
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In Fig. 2 stellt die Kurve c den Verlauf der .Abgasmenge in m3/Sek.
in Abhängigkeit der Zeit t dar. YnrL gibt den Mittelwert der Abgasmenge an.
Auch hier ergibt sich infolge der Phasenverschiebung eine relativ gleichmäßige Gasmenge.
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In Fig. 3 stellen i und 2 zwei Freikolbenniaschinen mit den Brennkraftzylindern
3 und .4 und den Kompressorzylindern 5, 6 dar. In diesen Zylindern bewegen sich
die Brennkraftkolben 7, 8 und die Kompressorkolben g, io, wobei der Kolben 9 nach
oben, der Kolben io nach unten geht. Der Eintritt der Luft erfolgt durch die Kanäle
i i, 12 über die Ansaugventile 13, 14 in die Zylinder 5, 6. Die verdichtete Luft
gelangt über die Ausstoßventile 15, 16 in den Kanal 17 und von da
zur Turbine 18, um dort Arbeit zu leisten. Der Austritt der entspannten Luft erfolgt
bei i9. Die Arbeitskolben 9, io der beiden Freikolbenmaschinen sind in gleichliegender
Stellung i eingezeichnet. Diese gleichliegende Stellung tritt notwendigerweise bei
jedem Arbeitsspiel, also bei jedem Hinundhergang der Kolben, zweimal auf, und sie
liegt um so näher an den Hubendlagen und um so weiter von der Hubmitte entfernt,
je kleiner die Phasenverschiebung der beiden Freikolbenmaschinen ist. Aus dieser
kinematisch gegebenen Eigenschaft wird erfindungsgemäß die Wirkungsweise der Anzeigevorrichtung
wie folgt abgeleitet: Die Kompressorkolben 9, io stehen über Schubstangen 20, 21
mit Schiebern 22, 23, welche in einem Steuerblock 24 angeordnet sind, in Verbindung.
Der Schieber 22 verbindet in einer ganz bestimmten Lage seines zugeordneten Triebwerks,
bestehend aus den Kolben 7, 9, die Kanäle 25 und 26 miteinander. Der Schieber 23
schließt bei der entsprechenden Lage seines zugeordneten Triebwerks, bestehend aus
den Kolben 8, io, sowohl den Kanal 26 vom Zulauf 27 als auch vom Ablauf 28 ab. Wenn
also die beiden Triebwerke
in der vorgeschriebenen, in Fig.3 eingezeichneten
Phasenverschiebung von % Periode sich befinden, so wird der Kanal 26 weder mit dem
Zulauf 27 noch mit dem Ablauf 28 verbunden. Der Kanal 25 wird durch eine
Leitung 29 über eine Drosselstelle 30 und überein Rückschlagventil 3 i gespeist.
In Verbindung mit dem Kanal 25 steht ein Zylinder 32, in dem sich der Anzeigekolben
33 bewegt, welcher durch eine Feder34 belastet ist. In Verbindung mit diesem Anzeigekolben
33 steht eine Skala 35, welche sich bei der Bewegung des Kolbens 33 längs einer
Marke 36 verschiebt, welche am Steuerblock 24befestigt ist. Unter der Wirkung des
Ölzulaufes aus der Leitung 29 und des durch Undichtheit und eventuelle Abflußöffnungen
bewirkten (.)lablaufes stellt sich im Kanal 25 ein ganz bestimmter Druck
ein, der den Anzeigekolben in seine Mittelstellung, welche auf der Skala 35 mit
Null bezeichnet ist, führt.
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Die Wirkungsweise der Anzeigevorrichtung bei von % Periode abweichender
Phasenverschiebung wird nachstehend an Hand der Fig. 4 und 5 erläutert.
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In Fig. 4 ist das Triebwerk, bestehend aus den Kolben 8, 1o; in einer
Lage gezeichnet, welche um die Strecke d gegenüber der normalen Stellung zurückgeblieben
ist. Während also das Triebwerk, bestehend aus den Kolben 7, g, bzw. der Schieber
22 die Verbindung zwischen den Kanälen 25 und 26 öffnet, steht der Schieber 23 so
hoch, daß die Verbindung zwischen dem Kanal 26 und dem Ablauf 28 ebenfalls geöffnet
ist. Dadurch wird der Druck in der Leitung 25 sinken; und es sinkt auch der Anzeigekolben
33 entsprechend, was die --Seite der Skala 35 mit dem Zeiger 36 in Verbindung bringt.
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In Fig. 5 ,ist umgekehrt eine Lage des Triebwerks, bestehend aus den
Kolben 8, io, dargestellt, welche um die Strecke e voreilt. In dieser Lage verbindet
der Schieber 23 den Kanal 26 mit dem Zufluß 27 in dem Augenblick, in welchem der
Schieber 22 die Verbindung zwischen den Kanälen 25 und 26 offenhält. Der Druck in
der Leitung 25 wird also steigen, und die ---Seite an der Skala 35 des Anzeigekolbens
33 wird dem Zeiger 36 gegenüber zu liegen kommen. Man kann also an der Skala 35
des Anzeigekolbens 33 den Grad der Voreilung bzw. Nacheilung des Triebwerks, bestehend
aus den Kolben 8, io, gegenüber dem Triebwerk, bestehend aus den Kolben 7, 9, ablesen.
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In Fig. 6 sind die beiden Schieber, welche mit den Triebwerken der
parallel geschalteten F reikolbenmaschinen verbunden sind, ineinandergesteckt. Sie
arbeiten wie eine Doppelschiebersteuerung. Der innere Schieber 37 ist durch das
Gelenk 38 mit dem Triebwerk einer nicht gezeichneten Freikolbenmaschine verbunden,
während der äußere Schieber 39 durch das Gelenk 40 mit dem Triebwerk einer anderen,
ebenfalls nicht gezeichneten Freikolbenmaschine verbunden ist. Wenn die Nute 41
im inneren Schieber 37 auf gleicher Höhe steht wie die beiden Löcher 42 im äußeren
Schieber 39., so ist die Ouerverbindung durchgehend geöffnet. Tritt nun diese durchgehende
öffnung der Ouerverbindung gegenüber der mittleren Bohrung 43 auf, so bedeutet dies,
daß die beiden Freikolbenmaschinen in richtiger Phasenverschiebung von z. B. % Periode
laufen. Bei Voreilen bzw. Nacheilen des einen Freikolbens verschiebt sich die Kreuzungsstelle
der Durchgangsöffnungen- in beiden Schiebern nach oben bzw. nach unten und kommt
gegenüber den Leitungen 44 bzw. 45 zu liegen.
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Die Vorrichtung arbeitet nun wie folgt: In die Leitung 29 wird beispielsweise
Drucköl eingeführt und verzweigt sich dort in der angegebenen Weise. Es tritt je
nach der Pha,-senverschiebung der Freikolbenmaschine entweder in die mittlere Bohrung
43 oder in die äußeren Bohrungen 44, 45 über, verschiebt dort den entsprechenden
Steuerkolben 46, 47 oder 48, welche durch Federn 49; 50 und 51 belastet sind.
Die Maximalhübe dieser Kolben sind verschieden. Die Schubstangen 58, welche mit
den Steuerkolben 46, 47 und 48 verbunden sind, treten, sobald sie beaufschlagt werden,
verschieden weit aus dem Gehäuse 52 hervor und verdrehen durch Anschlag an den Hebeln
53, 54 und 55 die Anzeigewelle 56 in verschieden starkem Maße. Durch die Feder 59
wird dafür gesorgt, daß einer der Hebel 53 bis 55 stets mit einer der mit den Kolben
46 bis 48 verbundenen Schubstangen 58 in Berührung bleibt. Durch den Anschlag 6o
wird vermieden, daß die Anzeigewelle durch die Feder 59 derart verdreht wird, daß
ein Eingriff der Schubstangen 58 mit den Hebeln 53, 54 und 55 nicht mehr stattfinden
kann. Der mit der Anzeigewelle 56 verbundene Zeiger 57 wird in seiner mittleren
Lage o stehen, wenn der mittlere Steuerkolben 47 beaufschlagt wird. Er wird auf
den Strich zeigen, wenn der Steuerkolben 46 beaufschlagt wird, und auf den Strich
- zeigen, wenn der Steuerkolben 48 beaufschlagt wird. Beispielsweise bedeutet das
+-Zeichen Voreilen und das --Zeichen Nacheilen der einen Freikolbenmaschine gegenüber
der anderen.
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In Fig.7 ist ein Steuerorgan dargestellt, welches an zwei Freikolbenmaschinen
mit gegenläufigen Kolben und mit an sich bekannter Synchronisiervorrichtung angebracht
ist. Die zwei-Freikolbenpaare 8, io sind je über einen Zapfen 61 mit_ der Schubstange
62 in Verbindung, welche ber je einen Zapfen 63
rnit einer Pendelscheibe
64 verbunden ist. Diese Pendelscheibe weist eine Verstärkung 65 zur Befestigung
des Zapfens 63 auf. Die Pendelscheibe 6d. ist um die Welle 66 unter Zwischenschaltung
eines Lagerfutters 67 drehbar angeordnet. 1k. und Ak zeigen die äußersten Totpunktlagen
der Freikolben, während In und An die äußersten Lagen der Pendelscheiben7apfen
63 im normalen Betrieb angeben. Die Wirkungsweise des Steuerorgans geht aus Fig.
8 hervor.
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Fig. 8 zeigt die Anordnung gemäß Fig. ? im Schnitt. Die zwei Freikolbenpaare
einer zweiten nichtgezeichneten Freikolbenmaschine sind in gleicher Weise über die
Schubstangen 68 und die Zapfen 69 mit einer Pendelscheibe o in Verbindung, welche
ebenfalls eine Verstärkung ; i zur Befestigung des Zapfens 69 aufweist. Durch den
Betrieb der beiden Freikolbenmaschinen werden die beiden Pendelscheiben in schwingenden
Antrieb versetzt, welche außen verzahnt sind und je einen zylindrischen Schieber
7-2, 73 antreiben. Diese Schieber 72, 73 besitzen je eine Steueröffnung
7-l, 75. Die beiden Steueröffnungen 74., 75 verbinden den druckölführenden Ringkanal
76 mit den einzelnen Steuerzylindern 77. Es sind sieben Steuerzylinder im inneren
Teil 78 angeordnet. Diese Teile sind im Gehäuse 79 untergebracht, welches durch
den Deckel 8o und den Bolzen 81 nach außen verschlossen wird. jeder Steuerzylinder
entspricht einer bestimmten Phasenverschiebung zwischen Gleichlauf und Gegenlauf.
Die Steuerzylinder arbeiten folgendermaßen: Dringt das Drucköl durch die Steuerlöcher
7-1, 75 ein, so wird der Kolben 82 entgegen der Wirkung der Feder 83 zurückgestoßen,
und die Feder 84 wird entlastet. Der Kolben 85 verschiebt sich nach hinten. Die
den Federn gegenüberliegenden Seiten der Kolben 85 sind in unmittelbarer Verbindung
mit der Leitung 86, welche an der Stelle 87 mit Drucköl über eine Drosselstelle
88 gespeist wird. Dieses eingespeiste Drucköl stößt die Kolben 85 so weit zurück,
bis mindestens einer der Kanäle 89 öffnet. Die Kanäle 89 münden in den Ringraum
9o, welcher an die Ablaufleitung 9i anschließt. Es bestehen sieben solcher Kolben
85 und sieben entsprechende Federn 84. Diese Federn sind in ihrer Spannung abgestuft.
Der Druck, welcher sich in der Leitung 86 einstellt, wird sich demnach ändern, sobald
durch Verschiebung der Steuerlage der Löcher 74, 7 5 der Druckölzutritt von einem
der sieben Steuerkolben zum nächsten verschoben wird. Ein geeichter Druckanzeiger
92 gestattet abzulesen, welcher der sieben Kolben zur Wirkung gekommen ist, und
somit, welche Phasenverschiebung zwischen den beiden parallel laufenden Freikolbenmaschinen
augenblicklich besteht. Das in Funktion der Phasenverschiebung regulierte Drucköl
in der Leitung 86 kann dazu verwendet werden, um die Brennstoffüllung des einen
Freikolbenkompressors zu ändern, und zwar in bekannter Weise derart, daß bei Zurückbleiben
des Triebwerks dieses Freikolbenkompressors die Brennstoffüllung vergrößert wird,
bis der betreffende Freikolben seine Nacheilung wieder aufgeholt hat, und umgekehrt
bei Vorauseilen die Brennstoffüllung verkleinert wird, bis sich dieser Freikolben
wieder auf die richtige Phasenverschiebung zurückverzögert hat. 93 stellt die Leitung
dar, welche in Verbindung mit einer nicht gezeichneten Brennstoffregelungsvorrichtung
bekannter Art in Verbindung steht.
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Der Gang der Freikolbenmaschine kann nicht nur durch Eingriff an der
Brennstoffpumpe beschleunigt bzw. verzögert werden, sondern es kann auch am Kompressor,
z. B. durch Drosseln und Steuern der Ventile, oder am Luftpuffer, z. B. durch Ändern
des Maximaldruckes und des toten Raumes, die Gangart der Freikolbenmaschine beeinflußt
werden. Diese Ausführungsvarianten sind nicht näher gezeigt. Bei der Beschreibung
der Vorrichtungen entsprechend den Fig.3 bis 7 wurde als Steuermittel stets Drucköl
erwähnt. Selbstverständlich kann auch ein anderes Arbeitsmittel, beispielsweise
Druckgas oder Vakuum, als Steuermittel verwendet werden.
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Eine weitere Ausführungsart ergibt sich, wenn an Stelle der Steueröffnungen
für die Druckflüssigkeit oder das Druckgas Steuerkontakte für einen elektrischen
Strom angewendet werden. Die ganze Anzeigeapparatur arbeitet dann auf elektrischem
Wege, ohne sich im Prinzip des Aufbaues und der Wirkungsweise von den hydraulischen
und pneumatischen Vorrichtungen zu unterscheiden.
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Es ist wichtig, parallel laufende Freikolbenmaschinen mit einer Anzeigevorrichtung
auszurüsten, die jederzeit über die vorhandene Phasenverschiebung Auskunft gibt.
Durch die Erfindung wird ein einfaches und zuverlässig wirkendes Anzeigeorgan geschaffen.