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Einrichtung zur Regelung des Hubtaktes von Freikolbenmaschinen Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung des Hubtaktes von Freikolbenmaschinen
und besteht darin, daß ein Taktgeber mit mindestens einem den Sollwert des Hubtaktes
bestimmenden, von der Bewegung des Freikolbens unabhängig arbeitenden Steuerorgan
und einem in Abhängigkeit von der Bewegung des Freikolbens arbeitenden Steuerorgan
sowie ein Taktempfänger vorgesehen sind, der in Abhängigkeit des Impulses des Gebers
eine den Hubtakt des Freikolbens beeinflussende Vorrichtung, z. B. die Regelvorrichtung
für die Brennstoffzufuhr, einstellt.
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Wenn es sich um eine oder mehrere Freikolbenmaschinen handelt, wird
durch die Erfindung der Vorteil erreicht, daß sämtliche die Frequenz des Taktgebers
genau annehmen und unter sich stets in bestimmt vorgeschriebener Verschiebung der
Taktphase verbleiben, im Gegensatz zu bekannten Freikolbenmaschinen, deren Hubzahl
zeitweise in Abhängigkeit von der Hubzahl einer anderen Freikolbenmaschine verändert
wird.
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Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt. Fig. i zeigt eine Freikolbenmaschine im Längsschnitt mit einem Taktgeber
und einem Taktempfänger; Fig. a veranschaulicht einen Längsschnitt durch Taktgeber
und -empfänger; Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie III-III und Fig. 4 ein Schnitt
nach der Linie IV-IV der Fig. z ; Fig. 5 stellt im Längsschnitt eine weitere Ausführungsform
dar; Fig. 6 gibt eine -Einzelheit aus Fig. 5 wieder.
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Die Freikolbenmaschine a in Fig. i hat einen Brennkraftzylinder b,
an den sich zwei Kompressorzylinder c anschließen, in denen zwei gegenläufig sich
bewegende Freikolbend arbeiten. Die Kompressoren c saugen die Luft durch den Saugkanal
e an und fördern sie in den Druckbehälter f, von wo sie durch die Schlitze g dem
Brennkraftzylinder b zuströmt. In der Nähe des inneren Totpunktes der Freikolben
d wird durch die Pumpe lt. die-Leitung i und das Einspritzventil k Brennstoff eingespritzt.
Die darauffolgende Verbrennung im Zylinder b treibt die Freikolben d auseinander,
bis die Abgase durch die Auspufschlitze
tu aus dem Brennkraftzylinder
b
austreten und mittel: der Leitung n. z. B. einer Treibgaskraftniaschine
zugeführt werden.
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Die' kolbenartigen Ansätze o an den Freikolben d arbeiten in den die
Rückführung der Freikolben bewirkenden Pufferzylindern Der untere Ansatz o ist mit
einem aus dem Zylinder b herausgeführten Gestänge q versehen, an dessen
Gelenk r der Hebel s angreift. der zum Antrieb des Plungers t der Brennstoffpumpe
1a dient. Der Brennstoffpumpe wird der Brennstoff mittels der Leitung
u zugeführt.
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Für die Freikolbenmaschine (r ist außerdem ein Taktgeber i, der mit
einem den Sollwert des Hubtaktes bestimmenden, von der BewegUng des Freikolbens
d unabhängig arbeitenden Steuerorgan 2 und einem in Abhängigkeit von der Bewegung
des Freikolbens d arbeitenden Steuerorgan 3 versehen ist, sowie ein Taktempfänger
.4 vorgesehen, der in Abhängigkeit des Impulses des Gebers i die den Hubtakt des
Freikolbens d beeinflußende Regelvorrichtung für die Brennstoffzufuhr, z. B. die
Welle 5, einstellt. Die Steuerorgane2 und 3 sind durch die Leitung 6, der Taktgeher
i mit dem Taktempfänger d. durch die Leitung j verbunden. Das Kraftmittel wird dem
Taktgeber i durch die Leitung 8 zugeführt und mittels der Leitung 9 weggeführt.
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In Fig. 2 sind der Taktgeber i und der Taktempfänger .f. im Schnitt,
und zwar in größeren Maßstab dargestellt. Das Steuerorgan 2 bestellt aus einem Drehschieber,
der voll einem nicht gezeichneten Antriebsmotor. zweckmäßig mit konstanter, auf
den gewollteil Wert einstellbarer Drehzahl angetrieben wird. In dein Drehschieber
2 sind Nutsegmente io und i i eingefräßt, die mit einer Längsm&t 12 im Gehäuse
13 und finit der Kraftmittelzufuhr 8 (Fig. 3) und -abfuhr 9 (Fig. d.) zusammenarbeiten.
Von der Längsnut 12 führt die Leitung 6 zum Gehäuse 14 (Fig. 2) des Steuerorgans
3, das mit dein Gelenk r fest verbunden ist und von . dem unteren Freikolben d (Fig.
i) angetrieben wird. Das Steuerorgan 3 ist mit einer Ringnut 15 versehen, die mit
den Einmündungen der Leitungen 6 und 7 in das Gehäuse 14 zusammenarbeitet. Der Taktempfänger
.l hat einen Drehkolben 16, der durch die Feder 17 eiltgegen dem Druck des durch
die Leitung i zugeführten Kraftmittel: belastet wird. Der Kolben 16 ist finit dem
Hebel 18, der auf die Welle 5 aufgekeilt ist, verbunden.
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Die Regelwelle 5 kann sowohl mit Organen, welche die Brennstoffüllung
als auch finit Organen, die den Brennstoffeinspritzzeitpunkt beherrschen, verbunden
sein. An ihr kann außerdem in weiter nicht- dargestellter Weise eine Handregelung
angreifen, die zum Anlassen der Freikolbenmaschine a benutzt wird, während des Betriebes
aber von der Welle 5 in irgendeiner bekannten Weise abgeschaltet werden kann.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Die
Freikolbenmaschine a möge im richtigen Takt im Vergleich zum sich drehenden Schieber
2 umlaufen, wobei unter Takt nicht nur die Hubzahl, sondern auch die Hubphase zu
verstehen ist. Letztere ist beispielsweise durch den Ort bzw. den "Leitpunkt der
Kolbenumkehr ini inneren und im äußeren Totpunkt gegeben, am besten in einem Wegzeitdiagranini,
wobei z. B. von dem Zeitpunkt des Beginnes des Überschleifens der Nut 12 durch die
Kante 19 des Nutseginentes 1o ausgegangen wird. Lieben die richtigen Taktverhältnisse
vor, so ist in dem Augenblick, in welchem der Steuerschieber 2 die Druckölzufuhr
8 bzw. die Druckölabfuhr 9 mit der Längsnut 12 verbindet und Drucköl in die Leitung
6 ein- bzw. aus dieser austritt, das Steuerorgan 3 geschlossen. so daß kein Kraftmittel
in den Hubraum des Kolbens 16 eintreten oder daraus austreten kann. Bei der Drehung
des Schiebers 2 in dem durch den Pfeil angedeuteten Sinn bleibt jedoch während eines
kurzen Zeitabschnittes die Leitung 6 sowohl gegen den Zulauf 8 als auch gegen den
Ablauf 9 gesperrt, wenn die Ringnut 1 5 die Verbindung zwischen den Leitungen 6
und 7 herstellen würde.
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Die gezeichnete Stellung des Steuerorgans 3, in der sich das Gelenk
rin der Stellung .1I (Fig. 2) befindet, entspricht zweckmäßig der 1l.ittellage der
Freikolben d, obwohl (lies nicht unbedingt erforderlich ist. Im inneren Totpunkt
der Freikolben d befindet sich dann der Gelenkpunkt r bei !, im äußeren Totpunkt
der Freikolben bei A. Die Strecke I-IIT-A entspricht somit dem vollen Arbeitshub
der Freikolben d. . .
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Bei Übereinstimmung des Taktes zwischen dem vom Steuerorgan bestimmten
Sollwert und dem Hubtakt der Freikolbenmaschine kann somit kein Kraftmittel in den
Hubraum des Kolbens i6 eintreten und keines austreten, weil, wenn der Drehschieber
2 den Zu- und Abfluß freigibt, der Schieber 3 geschlossen ist und, wenn der Schieber
3 die Verbindung zwischen den Leitungen 6 und lier:tellt, der Drehschieber 2 sowohl
die Kraftniittelzufulir 8 als auch die Kraftmittelabfuhr 9 von der Nut 12 absperrt.
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Bleibt nun aber die Bewegung der Freikolben d etwas gegenüber der
Drehung des Steuerorgans 2 zurück, d. 1i. nimmt die Hubzahl ab oder vergrößert sich
die Phasenverschiebung, so wird, wenn der Steuerschieber 3 die Verbindung zwischen
den Leitungen 6
und 7 öffnet, der Drehschieber 2 bereits etwas über
seine neutrale Mittelstellung hinausgekommen sein, z. B, in die in Fig. 2 oder 3
dargestellte Lage. Dadurch ist für kurze Zeit die Verbindung zwischen der Druckölzufuhr
bei 8 und dem Hubraum des Kolbens 16 geöffnet. Der Kolben 16 wird angehoben und
die Brennstoffüllung vergrößert. Dadurch wird die Freikolbenmaschine beschleunigt,
.sie holt also die Verspätung wieder ein. Dieser Regelvorgang dauert so lange, bis
der nicht beabsichtigte Unterschied in der Taktphase zwischen den Freikolben d und
dem Taktgeber r wieder aufgehoben ist. Bei einem Voreilen der Freikolben d und des
Steuerorgans 3 arbeitet die Vorrichtung in der Weise, daß kurzzeitig Drucköl aus
dem Hubraum des Kolbens 16 über die Leitungen.7 und 6 durch den Auslaß 9 abgelassen
und durch Senken des Kolbens 9 die Brennstoffüllung vermindert wird.
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Mit der beschriebenen Vorrichtung kann nicht nur die Übereinstimmung
der Phase zwischen der Freikolbenmaschine a und dem Taktgeber z .in der beschriebenen
Weise eingeholten, sondern auch in einfacher Weise die Hubzahl der Freikolbenmaschine
und damit seine Förderleistung durch Beschleunigung oder Verzögerung der Drehzahl
des Taktgebers. bzw. des Drehschiebers 2 vermehrt oder vermindert werden.
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Sind mehrere Freikolbenmasch.inen z. B. an eine gemeinsame Treibgasleitung
angeschlossen, dann werden die Unterschiede in den Phasen der einzelnen Freikolbenmaschinen
und gegenüber dem gemeinsamen Taktgeber so gewählt und eingestellt, daß möglichst
gleichförmige Strömungen in den Treibgasleitungen und in den Kompressoransaugleitungen
entstehen. Die Gleichförmigkeit der Luft- und Gasströmung erlaubt die Anwendung
kleiner Leitungsquerschnitte -und vermindert Leistungsverluste infolge von Druckschwankungen.
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Wenn mehrere Freikolbenmaschinen an einen gemeinsamen Taktgeber angeschlossen
werden, entsteht gegenüber dem einfachen Fall kein neues Regelproblem. Der Taktgeber
kann in diesem Fall als umlaufende Steuerwelle längs der Freikolbenmaschinenreihe
entlang gezogen und neben seiner Aufgabe der Phasenhaltung auch noch zum Antrieb
von Steuerungsteilen, Preßschmierpumpen usw. in baulich -zweckmäßiger Weise verwendet
werden. Der Taktgerber erhält den Impuls zur Frequenzhältung bzw. zur Frequenzverstellung
entweder von Hand oder selbsttätig in Abhängigkeit von der Belastung der Anlage.
Beispielsweise wird dort, wo die Freikolbenmaschinen als Treibgaserzeüger auf eine
gemeinsame Gasturbine arbeiten, die Regelung so getroffen. daß vom Drehzahlregler
der Gasturbine aus die Frequenz des Taktgebers verstellt wird. Je langsamer die
Gasturbine läuft, um so rascher muß der Taktgeber laufen, die größere Frequenz des
Taktgebers zwingt dann die einzelnen Frei kolbenmaschinen zur Verstärkung ihrer
Brennstoffüllungen. Deshalb werden Druck und Temperatur des Treibgases steigen.
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Genau so wie bei der allgemein bekannten Drehzahlregelung mit Hilfe
von Fliehkraftreglern der Regelimpuls für die Maschine eine Funktion der Abweichung
zwischen der tatsächlichen Drehzahl und der Soll-Drehzahl ist, wird im vorliegenden
Fall erfindungsgemäß der Regelimpuls als Funktion zwischen der tatsächlichen Phasenverschiebung
und der Soll-Phasenverschiebung von Freikolbenmaschine und Taktgeber ausgebildet.
Mit anderen Worten, sobald die Freikolbenmaschine infolge steigenden Gegendruckes
gegenüber dem mit unveränderter Frequenz weiterlaufenden Taktgeber etwas zurückbleibt,
wird durch geeignete Regelvorrichtungen die Brennstoffmenge vergrößert, und zwar
so lange, bis die Freikolbenmaschine wieder genau in Phase mit dem Taktgeber steht.
Im umgekehrten Sinn wird durch die Regelvorrichtungen die Brennstoffmenge verringert,
sobald die Freikolbenmaschine infolge Senkung des Treibgasdruckes gegenüber dem
Taktgeber, der mit unveränderter Frequenz weiterläuft, vorzueilen beginnt.
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Fig. 5 stellt eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens
dar, bei welcher die Regelwelle 5 über den Hebel 21 und den Schwinghebel 22 vom
Kolben 2q. aus beeinflußt wird. Der Rauin 25 über dem Kolben 24 wird mittels der
Leitung-26 durch den Förderdruck der Freikolbenmaschine a beaufschlagt, dem die
Feder 27 entgegenwirkt. Die Einrichtung ist so getroffen, daß bei steigendem Förderdruck
der Antriebskolben 24 sinkt, der Regelhebel 21 steigt und die Brennstoffüllung vergrößert
wird. Die aus Geber und Empfänger bestehende Phasenregeleinrichtung greift in diesem
Beispiel durch Verstellung des Sch#,vinghebeldrehpunktes 23 am Regelgestänge in
dem Sinne an, daß bei einem Zurückbleiben der Freikolbenbewegung der Schwinghebeldrehpunkt
23 höher gelegt wird, was eine Vergrößerung der Brennstoffüllung zur Folge hat.
Umgekehrt wird bei einem Voreilen der Bewegung der Freikolbenmaschine die Brennstoffüllung
vermindert. Durch diesen Eingriff wird erreicht, daß die Phasenverschiebung nicht
über einen bestimmten Betrag hinaus von ihrem Sollwert abweichen kann.
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Die Phasenregeleinrichtung besteht aus dem Taktgeber 28, der eine
mit geregelter Drehzahl
umlaufende Welle 29 aufweist, welche beispielsweise
durch das Zahnrad 3o angetrieben wird. Die Welle 29 treibt über die beiden Kurbelzapfen
31, 32 und die Schubstangen 33, 34 die beiden Schieber 35, 36 unabhängig
voll der Bewegung der Freikolben d all.
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Fig.6 zeigt die Vorderansicht der Welle 29. Die kleine Kurbel32 läuft
der Kurbel 31 am 9o@ voraus und bewirkt, daß dieDruckölzufulir voll der Leitung
37 zur Leitung 38 nur so lange geöffnet bleibt, als der Steuerschieber
3,5 sich voll rechts nach links bewegt. Während der rückläufigen Bewegung
des Steuerschiebers 3; voll links nach rechts ist die Druckölzufuhr abgesperrt und
damit die Regelwirkung ausgeschaltet.
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Mit dem Steuerschieber 35 arbeitet der Steuerkolben 39 zusammen, der
analog zum Steuerschieber 8 der Fig. i durch die Freikolben d bewegt wird. Die Bewegung
des Steuerkolbens 39 verläuft stets gegenläufig zu derjenigen des Steuerschiebers
35. Die Ringnut -.o im Steuerkolben 39 tritt mit den beiden Bohrungen .41, .I2 im
Steuerschieber 35 in Verbindung. Nur wenn sich die Ringnut ..1o und die Bohrungen4,.I2
überdecken, wird die Verbindung zwischen der Längsnut .I3 und den Längsnuten 44
bzw. 45 hergestellt. Dadurch kann Drucköl aus der Leitung 38 über die Leitungen
.16 bzw. .17 in die linke oder rechte Seite des Taktempfängers .I8 eindringen und
den darin beweglichen Kolbenq.9 nach links bzw. nach rechts um den Betrag 1a in
die jeweilige Endlage schieben. Zwei gleich starke Federn 5o, 51 wirken dauernd
auf Rückführung des Kolbens .1cg in seine neutrale Mittellage.
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Mit dem Kolben .I9 ist über die Stange 52 der Hebel 53 verbunden,
welcher den Schwingliebeldrehpunkt bzw. das Etzenterherz 23 des Schwinghebels 22
einstellt.
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Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Sobald die Freikolben d voreilen
und die Phasenverschiebung gegenüber dem Taktgeber 28 sich ändert, so wird sieh
die Kreuzungsstelle der Ringnut d.o und der Durchgangslöcher 41, 4.2 nach rechts
bewegen und von einem bestimmten Augenblick all Drucköl aus der Leitung 37 über
die Leitungen 38, 4.7 in die rechte Seite des Empfängerzylinders 48 eindringen lassen.
Dadurch wird der Kolben 49 nach links und der Drehpunkt des Scllwingliebels 22 nach
unten verschoben, mithin wird auch der Regelhebel 2 1 nach unten gedreht und die
Brennstoffüllung vermindert. Dies .bewirkt ein Zurücksinken der Hubfrequenz der
Freikolbenmaschine, welches so lange dauert, bis die Kreuzungsstelle der Nut .4o
mit den Löchern 41, 42 voll der Auslenkung nach rechts wieder in die neutrale Mittellage
zurückkehrt. Ist dies erreicht, so wird auch der Oldruck aus der rechten Seite des
Empfängerzylinders 48 wieder entweichen, sei es durch die natürlichen Undichtheiten
des Kolbens :I9 und des Schiebers 35 bzw. 36 oder durch besonders angebrachte Auslaßöffnungen.
Der Steuerkolben .19 wird in seine Mitlellage zurückgeführt und die Brennstofffüllung
nach der vorübergehenden Abweichung auf den vorherigen normalen Wert zurückgebracht.
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Ein Zurückbleiben der Freikolben d bewirkt in entsprechender Weise
eine Druckölzufuhr aus der Leitung 37 über die Leitung 46 in die linke Hälfte des
Zylinders 48, mithin ein Anheben des Drehpunktes des Schwinghebels 23 und eine Vermehrung
der Brennstoffüllung. Diese dauert wiederum nur so lange, bis die Phasenverspätung
gegenüber dem Taktgeber 28 wieder eingeholt ist.
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Die Erfindung kann für eine oder mehrere Freikolbenmaschinen mit oder
ohne Kompressorzylinder angewendet werden, die sowohl als Treibgaserzeuger arbeiten
als auch nur zur Lieferung von Druckluft dienen können. Wenn der Hubtakt voll mehreren
Freikolbenmaschinen geregelt wird, ist für jede Maschine ein Taktgeber und ein Taktempfänger
vorhanden. Dabei können dann die Steuerorgane des Taktgebers, die unabhängig von
der Bewegung der Freikolben arbeiten, auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein.
Das Kraftmittel für den bzw. die Taktempfänger kann sowohl ein Druckgas als auch
eine Druckflüssigkeit oder auch elektrischer Strom sein. Im letzteren Fall schließen
oder unterbrechen die Steuerorgane 2 und 3 den Strom bzw. sie ändern die Polarität
des Stroines für die Taktempfänger, die als Stromspule, Motor o. dgl. ausgebildet
werden können.