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Brennkraftverdichter oder Brennkrafttreibgaserzeuger mit frei fliegenden
Kolben Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftverdichter oder Brennkrafttrei.bgaserzeuger
mit frei fliegenden Kolben, dessen Anlassan durch Einblasen hoch verdichteter Anlaßluft
vorzugsweise in die zur Stabilisierung der llaschine.dienenden zusätzlichen Verdichterräume
geschieht, wobei der mittlere Druck in diesen Räumen während der Übergangsperiode
zum normalen Betrieb allmählich auf den normalen Druck gesenkt wird.
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Das allmähliche Absenken des Druckes der Anlaßluft in der Anlaßperiode,
wodurch der Tatsache des allmählichen Druckanstieges in den Druckluftbehältern der
Maschine Rechnung getragen wird, ist an, sich bekannt. Zum Zweck des Druckabsenkens
der Anlaßluft ist es schon vorgeschlagen worden, ein handbetätigtes Auslaßventil
vorzusehen. Mit einem solchen handbetätigten Ventil ist jedoch keine Betriebssicherheit
erzielbar. Denn entweder kann, hierbei die Anlaßluft eine zu rasche Druckerniedrigung
erfahren, was ein Wiederstehenbleiben der Maschine zur Folge haben würde, oder aber
die Druckabsenkung - der Anlaßluft erfolgt zu langsam, .was das Auftreten gefährlicher
Überdrücke im Brennkraftzvlinder verursachen würde.
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Es ist auch schonvorgeschlagen. worden, die Absenkung des Druckes
der Anlaßluft mittels eines. Ventils zu bewirken, das selbsttätig durch den allmählich
steigenden Förderdruck des Verdichters gesteuert wird. Hier kann es aber vor allem
nach längeren Betriebspausen geschehen, daß das durch .den Luftdruck gesteuerte
Ventil auf seinem Sitz festklebt, so daß es erst mit dem Absenken des Druckes der
Anlaßluft ,beginnt, wenn der Betriebsdruck des Verdichters schon wesentlich angestiegen
ist. Auch in diesem Falle treten dann zu starke Verdichtüngsenddrücke im Brennkraftzylinder
auf.
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Die Nachteile der bekannten Vorrichtungen werden erfindungsgemäß dadurch
vermieden, daß die Mittel zur Senkung des Druckes der Anlaßluft mit mindestens einem
der Freiflugkolben mechanisch verbunden sind. Diese Mittel arbeiten daher nicht
nur selbsttätig, sondern auch mit der denkbar größten Betriebssicherheit, denn die
Flugkolbenbewegung ist unter allen. Umständen kräftig genug, um das die Drucksenkung
der Anlaßluft bewirkende Glied in dein gewünschten Sinne und in dem. gewünschten
Augenblick zu betätigen.
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Die Senkung des Druckes der Anlaßluft erfolgt erfindungsgemäß z. B.
dadurch, daß die Flugkolben entweder selbst mindestens einen Teil der Anlaßluft
aus dein Raum, in den sie eingelassen worden ist, heraussaugen_oder eine Hilfspumpe
zum Zweck des Ansaugens der Anlaßluft antreiben, oder auch dadurch, daß
mindestens
einer der Flugkolben bei Überschreitung seiner normalen, inneren, Totpunktlage infolge
einer zu hohen Rückführenergie selbsttätig einen oder mehrere Auslässe, beispielsweise
durch Betätigung von Auslaßventilen, zum Auslaß mindestens eines Teils der Anlaßluft
öffnet.
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Weitere -Merkmale der Erfindung sind an Hand der nachstehenden Beschreibung
der "Zeichnung erläutert, in der die Erfindung beispielsweise dargestellt ist, und
zwar zeigt: Fig. i schematisch einen zweistufigen Druckgaserzeuger mit Freiflugkolben
gemäß der Erfindung, während die Fig. 2 und 3 zwei abgeänderte Ausführungsformen
darstellen.
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Der in der Zeichnung dargestellte zweistufige Druckgaserzeuger weist,
wie dies in Fig. i dargestellt ist, zwei Gruppen von Stufenkolben il, 21, 31 und
12, 22, 3= auf. Die Kolbengruppen bewegen sich imgegenläufigen Sinne und arbeiten
hierbei mit drei Gruppen von gleichachsigen Zylindern zusammen. Diese Zylinder bestehen
aus einem einzigen Brennkraftzylinder d.. zwei Verdichterzylindern 51, 52 und zwei
Zylindern zur Energiespeicherung 61, 71 und 62, 72, die beim Auswärtshub der Flugkolben,
unter Verdichtung der in ihnen enthaltenen Luft Energie in sich aufspeichern, um
diese Energie beim Einwärtshub der Flugkolben an letztere wieder abzugeben. Auf
diese Weise wird die Maschine im ununterbrochenen Lauf gehalten (stabilisiert).
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Der in Fig. i dargestellte Verdichter ist senkrecht stehend ausgebildet,
und' zwar ist beispielsweise der Niederdruckzylinder 51 des Verdichters im unteren
Teil der Maschine angeordnet, während der Hochdruclczylin:der 52 des Verdichters
im oberen Teil der Maschine liegt.
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Die Energiespeicher 61, 71 und 62, 72 haben nicht nur die Aufgabe,
den Lauf der 'Maschine im normalen Betrieb zu stabilisieren, sondern sie stellen
gleichzeitig auch diejenigen Räume dar, in welche die das Anlassen der Maschine
bewirkende Druckluft eingelassen wird. Um sie hierzu zu befähigen, bestehen sie
gemäß einer zweckmäßigen. Ausführungsform der Erfindung j e aus zwei Räumen 61,
71 und 6'=, 72, welche durch Ventile 81 und 82 miteinander in Verbindung
gesetzt werden können. Die außen gelegenen Teilräume 71 und 72 jedes Speichers oder
Stabilisierungszylinders stehen durch Leitungen iol und io" mit einem Anlaßluftbehälter
9 in Verbindung; in welchem ein Druck herrscht, der höher ist als der Druck, welcher
in den zusätzlichen Stabilisierungszylindern während des normalen Betriebes herrschen
muß, um die Stabilisierung der Maschine zu bewirken. In der von dein Behälter 9
ausgehenden Leitung io ist mindestens ein Ventil i i angeordnet, dessen Öffnung
die Füllung der Räume 71 und 72 mit Druckluft bewirkt. Die Öffnung der Ventile 81
und 82 und damit der Einlaß der verdichteten Luft in die inneren Teilräume 61 und
62 wird durch Kolben 121 und 1.22 bewirkt, die mit Z"entilen 13 versehen sind, während
die Schließung der Ventile 81 und 82 durch die Kraft von Federn 14 hervorgerufen
wird.
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Nach der Füllung der äußeren Teilräume 71 und 72 mit Anlaßdruckluft
und nach Überführung der Flugkolben in ihre äußere Totpunktstellung wird dann das
eigentliche Anlassen dadurch bewirkt, daß der auf die Außenseite der Kolben 12'
und 12° lastende Druck durch Öffnen eines Ventils 15, das in einer Abzweigung 16
der Leitung io angeordnet ist, verringert wird. Der auf die Innenseite der Kolben
121 und 12= wirkende Druck hebt dann diese Kolben und mit ihnen die Ventile 81 und
82 an, so daß die in den äußeren Teilräumen 71, 72 aufgespeicherte Anlaßdruckluft
in die inneren Teilräume 61, 62 überströmen und dadurch die Einwärtsbewegung der
Flugkolben bewirken kann. Die Kraft der Feder 14 ist zweckmäßigerweise derart bemessen,
daß die Ventile 8' und 8=, wenn sie einmal erst geöffnet sind, beim ganzen folgenden
Betrieb der Maschine geöffnet bleiben, so daß dann die Summe der Teilräume 61 und
71 bzw. 62 und 72 den Inhalt der zusätzlichen Stabilisierungszylinder bildet.
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Nachdem die Maschine in Gang gesetzt worden ist, wird die gesamte
Rückführenergie der Kolben während der ersten Hübe durch die Entspannung der Luft
geliefert, die in den zusätzlichen Energiespeichern 61, 71 und 62, 72 enthalten
ist. Der Druck dieser Luft und die Abmessungen- der Speicher 61, 71 und G, 72 sind
mit Hinblick hierauf zweckentsprechend gewählt, und zwar ist der Druck, wie gesagt,
höher als derjenige Druck, der in den genannten Speichern zur Sicherung des stabilen
Laufs der Maschine während des normalen Betriebes herrschen muß. Je mehr sich der
Zwischenbehälter 17, der zwischen den @Terdichterzylindern 51 und 52 vorgesehen
ist, füllt, um so mehr nimmt die Entspannungsenergie der in den toten Räumen der
Verdichterzylinder am Ende jedes Arbeitshubes zurückbleibenden Luftpolster zu. Infolgedessen
muß die von den zusätzlichen Energiespeichern 61, 7' und 62, 72 gelieferte Energie
allmählich abnehmen, damit die Summe der Rückführenergien innerhalb gewisser Grenzen
bleibt, von denen das befriedigende Arbeiten der Maschine abhängt.
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Die Absenkung des Druckes in den Speichern 61, 71 und 62, 7= zur allmählichen
Senkung der Rückführenergie geschieht nach Fig. i dadurch, daß die Speicher durch
Leitungen
181, 18' und ig mit der An.saugung eines Hilfsverdichters
2o verbunden sind, welch letzterer Luft verdichtet, die zum Zwecke des Anlassens
in dem Behälter 9 aufgespeichert wird, und zwar ist die Druckleitung 2o1 dieses
Verdichters an den genannten Behälter angeschlossen.
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Der Hilfsverdichter 2o wird erfindungsgemäß unmittelbar von den Flugkolben
mechanisch angetrieben, und zwar geschieht dies beispielsweise mittels des Getriebes
3o1, das gleichzeitig -auch zum Antrieb von weiteren Hilfseinrichtungen, beispielsweise
zum Antrieb einer Brennstoffpumpe 31, mittels eines Stößels 32 .dienen kann. Die
Abmessungen des Hilfsverdichters müssen den Abmessungen der zusätzlichen Verdichterräume
61, 71 und 62, 72 angepaßt sein, damit die je Hub aus den -#I-er dichterräumen abgesaugte
Anlaßluftmengegerade ausreichend ist, um die gewünschte Druckabsenkung zu erzielen.
'Nach Beendigung der Anlaßperiode kann der Hilfsverdichter 2o für die zusätzlichen
Verdichterzylinder unwirksam gemacht werden, indem beispielsweise die Saugleitung
dieses-Verdichters in nicht näher dargestellter Weise von den zusätzlichen Verdichterzylindern
abgeschaltet oder die Saugventile blockiert werden.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird der Druck in
.den Stabilisierungszylindern 61 und 62 durch ein Ventil 48 abgesenkt, das in die
Leitung i9 eingeschaltet ist und von einem Gestänge 30 geöffnet wird, das
von einer der Freiflugkolbengruppen angetrieben wird. Der Antrieb ist derart ,ausgebildet,
daß das Ventil 48 geöffnet wird, wenn sich die Brennkraftkolben unter der Wirkung
einer zu großen Rückführenergie zu weit einander nähern. Die Öffnung des Ventils
48 hat zur Folge, daß der Druck in den Zylindern 61, 71 und 62, 72 abnimmt,
womit auch ein Abnehmen der beim nächsten Rückkehrhub wirksam werdenden Rückführenergie
verbunden ist.
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Eine weitere, besonders platzsparende Ausführungsform der zum Anlassen
dienenden Speicherzylinder ist in Fig. 3 veranschaulicht.
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Bei dieser Ausführungsform sind die Räume 61 und 62 der zusätzlichen
Verdichter im Innern der Brennkraftkolben il und i2 angeordnet. Die Räume 61 und
62 sind durch feste .hohle Kolben 5 i abgeschlossen, die den Deckel .dieser Räume
bilden. Die im Innern der Kolben 51 liegenden Kammern 7'. und 72 werden als
Anlaßräume benutzt, wie dies schon oben dargelegt worden ist, und ihr Inhalt kommt
zu dem der Räume 61 und 6' hinzu, sobald sich die Ventile 81 und 8°-, die während
des ganzen Laufs der Maschine offen bleiben, geöffnet haben. - Die Stabilisierungsverdichter
werden also wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform durch die Gesamtheit
der Räume 71, 72 und 61, G= gebildet. Die Leitungen 18 können in dein Fall der Fig.
3 unmittelbar in den Kammern 71 und 72 münden.
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Sobald .die Maschine ihren normalen Betriebszustand erreicht bat,
muß der Druckverlauf in :den Stabilisierungszylindern 61, 71 und 62, 7' konstant
bleiben. Dies läßt sich am einfachsten dadurch erreichen, daß der Anfangsdruck in
den genannten Zylindern konstant .gehalten wird. Zu dem Zweck ist eine Verbindung
zwischen den Stabilisierungszylindern und der Druckleitung, beispielsweise der Hochdruckstufe,
vorgesehen. Diese Verbindung wird gemäß Fig. i durch die Leitungen 181, 182 und
21 dargestellt; in welche Leitungen ein Ventil 23 eingeschaltet ist, das im normalen
Betriebe geöffnet wird. Ferner ist mindestens ein Rückschlagventil 2a in den genanntenLeitungszug
eingeschaltet. Dies Rückschlagventil schließt die Zylinder 61, 71 und 6', 72 so
lange von der Leitung 21 ab,. als in ihnen ein Druck herrscht, der höher ist als
der Ausstoßdruck. Selbstverständlich können die Stabilisierungszylinder in geeigneten
Fällen auch an eine Stufe niedrigeren Druckes angeschlossen werden.
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Durch Anwendung der vorstehend beschriebenen Maßnahmen wird im normalen
Betriebe die Aufrechterhaltung eines unveränderlichen Verhältnisses zwischen dem
Speisedruck der zusätzlichen Verdichterzylinder und dem Ausstoßdruck der 1Iaschine
bewirkt. Das Anhalten der Maschine und .die dem erneuten Anlassen vorangehende Überführung
,der Kolben in ihre äußere Totpunktstellun.g geschehen zweckmäßigerweise gleichzeitig
auf pneumatischem Wege. Zum Anhalten der Maschine wird .die Brennstoffeinspritzung
dadurch unterbrochen, daß Druckluft, beispielsweise Anlaßluft, die durch eine Leitung
34 und durch Öffnung eines Ventils 35 zugeführt wird, auf einen Kolben 33 wirkt,
der mit dem Stößel 32 der Brennstoffpump;. 31 verbunden ist.
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Die Überführung .der gegenläufigen Flugkolben, die untereinander durch
ein. nicht dargestelltes Synchroni.sierun gsgestänge verbunden sind, in die äußere
Totp:unktstellung geschieht gemäß Fig. i mittels einer Stange 4o, die mit einem
Kolben 41 verbunden ist und unter der Wirkung einer Feder 42 steht. Die Feder 42
hat das Bestreben, die Stange 4o in die in Fig. i dargestellte Stellung zu überführen
bzw. in dieser Stellung zu halten, während der Druck der aus dein Behälter g stammenden
Anlaßluft auf den Kolben 41 bewirkt, daß die Stange 4o die Kolben in ihre äußere
Totpunktstellung bewegt. Die Zuleitung der den Kolben 41 betätigenden Druckluft
geschieht zweckmäßig durch dieselben
Leitungen, die auch die auf
den Kolben 33 der Einspritzpumpe wirkende Luft der Leitung 34 zuführen. Zum Auslassen
des Druckes aus dein genannten Leitungszug dient die Öffnung eines Ventils 28. Sobald
die verdichtete Luft auf den Kolben 41 wirkt, legt sich die Stange 4o gegen den
Kolben 2-# der N iederdruckstufe, um auf diese Weise die beiden Kolbengruppen in
ihre äußere Totpunktlage zu überführen. Hiernach wird das Ventil 28
geöffnet,
und die Stange 40 kehrt unter der Wirkung .der sich entspannenden Feder 42 in ihre
Ausgangsstellung zurück.
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Um die Arbeit, die mit dein das Anlassen vorbereitenden Überführen
der Kolben in ihre äußere Totpunktstellung verbunden ist, möglichst gering zu halten,
wirkt, wie aus den Fig. i und 3 ersichtlich ist, der Ansaugdruck der Hochdruckstufe
auf die Rückseite des Kolbens 2=. Ferner sind die zu beiden Seiten des Hochdruckkolbens
2= gelegenen Räume durch Leitungen 37 und 38 und durch Öffnung eines Ventils 24
miteinander in Verbindung setzbar, während die Kolben in ihre äußere Totpunktstellung
überführt werden. Zur gleichen Zeit werden die Räume der Niederdruckstufe des Verdichters
durch Öffnung eines Ventils 26, das mit der N iederdruckstufe durch eine Leitung
21' verbunden ist, entleert, und in ähnlicher Weise wird auch der Druck aus den
inneren Teilräumen 6' und 6= der zusätzlichen Verdichterzylinder, z. B. durch Öffnen
eines Ventils 25, ausgelassen. Wenn die zusätzlichen Verdichterzylinder in der aus
Fig. 3 ersichtlichen Weise irn Innern der Brennkraftkolben angeordnet sind, werden
die Durchmesser D',' der ortsfesten Kolben 51 zweckmäßig nur wenig verschieden von
den Durchmessern Dn der Brennkraftkolben gewählt.
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In Fig. i ist noch die Brennstoffregelungsvorrichtung dargestellt,
die aus einer üblichen, axial gleitbaren Stange 52 besteht. Die Stange 52 wird durch
einen Nocken verstellt, der seinerseits an einen Kolben 53 angeschlossen ist, auf
den der Druck im Zwischenbehälter 17 des Verdichters wirkt. Der Nocken ist derart
geformt, daß die Brennstoffmenge bis zu dem Augenblick, in dem die verdichtete Luft
ihren normalen Betriebsdruck erreicht hat, mit steigendem Druck zunimmt, während
jedoch nach Überschreiten des genannten Druckes ein weiterer Druckanstieg eine Verringerung
der eingespritzten Brennstoffmenge bewirkt.
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Die vorstehend genannten Ventile, die zum Anlassen, zum Übergang zum
normalen Betrieb und zum Anhalten der Maschine dienen, werden zweckmäßigerweise
durch ein einziges Steuerglied gesteuert, das je nach seiner Stellung das Anlassen
der :Maschine, den allmählichen Übergang zum normalen Bett iel)s7ustand, den normalen
Betriebszustand oder das Anhalten der Maschine bewirkt. Gemäß Fig. i werden die
Ventile 23, 24, 25 und 26 durch zweckentsprechend gestaffelte, auf ein und derselben
Welle 45 angeordnete Nocken gesteuert. Die Drehung der Welle 45 geschieht mit Hilfe
eines Betätigungshebels 46. Die Ventile 15 und 28 können einander gegenüber angeordnet
«-erden, und ihre Stangen 15' und 28' werden durch eine untere Verlängerung des
Hebels .I6 betätigt, und -zwar ist das Venti128 geöffnet, wenn sich der Hebel 46
in seiner rechten Endstellung I befindet, während das Ventil 15 geöffnet ist, wenn
sich der Hebel 46 in seiner linken Endstellung III befindet. Die Ventile i i und
35 werden durch die genannte untere Verlängerung des Hebels .I6 geöffnet und geschlossen,
und zwar geschieht die Öffnung und Schließung des Ventils 35, wenn sich der Hebel
.16 von seiner linken Endstellung III in die rechte Endstellung I bewegt, während
das Ventil i i geöffnet und geschlossen wird, wenn sich der Hebel 46 von der rechten
Endstellung I in die linke Endstellung III bewegt. Der Hebel 46 wirkt auf die Ventile
i i und 35 in dem genannten Sinne unter Zwischenschaltung eines Schwinghebels .17
ein.
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Die rechte Endstellung I ist diejenige Endstellung, die der Hebel
46 einnimmt, wenn die Maschine angehalten ist. Wenn der Hebel 46 von der Stellung
l in eine Mittelstellung I1 überführt wird, so werden hierdurch nacheinander die
folgenden Teile betätigt: i. der Schwinghebel 47, der das Ventil i i öffnet, um
Anlaßluft in die Räume;' und ;= einzulassen, 2. das Ventil 151 welches dadurch,
daß es geöffnet wird, die Außenseiten der Kolben 1a' und 122 entlastet, was .das
Öffnen der Ventile 8' und 8= und somit das Anlassen der Maschine zur Folge hat.
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Wenn der Hebel 46 die Stellung II erreicht hat, ist das Ventil 23
noch geschlossen. Bei dem Übergang von der Stellung Il nach der Stellung III, welch
letztere die Stellung des normalen Betriebes ist, wird das Ventil 23 geöffnet und
verbindet dadurch die Druckleitung der Hochdruckstufe des Verdichters mit den zusätzlichen
Verdichterräumen 6', 7' und 6°-, 7°. Dieses Ventil bleibt während des normalen Betriebes
offen. Während dieser Vorgänge sind die Ventile 24, 25, 26 durch die Drehung
der Welle 45 geschlossen. Während des ganzen Betriebes nimmt der Hebel 46 die Stellung
III ein. Um jedoch die Maschine anzuhalten, wird der Hebel 46 in die Stellung I
zurückgebracht. Dies hat zur Folge:
a) Durch Anschlag geigen den
Schwinghebel47 wird das Ventil35 geöffnet, was einerseits bewirkt, daß der Druck
der Anlaßluft den Kolben 33 betätigt und den Brennstoffinjektor anhält, und wodurch
andererseits die Stange.4o wegen des auf dem Kolben 41 lastenden Druckes veranlaßt
wird, die Kolbengruppen in ihre äußere Totpunktlage zu überführen.
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b) Das Ventil 24 wird geöffnet, so daß die Hochdruckseite des Hochdruckkolbens
2= entlastet und ein Druckausgleich zwischen der Vorder- und Rückseite dieses Kolbens
herbeigeführt wird. Ferner wird das Ventil 25
geöffnet, was eine Entlastung
der Teilräume 61 und 62 der zusätzlichen Verdichterzylinder zur Folge hat. Schließlich
wird das Ventil 26 geöffnet, so däß der Druck aus der Nieder-. druckstufe des Verdichters
ausgelassen wird. c) Das Ventil 23 wird geschlossen, so daß die Verbindung
zwischen der Druckleitung der Hochdruckstufe des Verdichters und :den zusätzlichen
V erdichterräumen 61 und 62 unterbrochen wird.
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d) Am Ende der Rückkehrbewegung .des Hebels 46. in die Stellung I
wird das Ventil 28 durch den, genannten Hebel geöffnet. Infolgedessen wird
der Kolben 41 der Stange 4o .entlastet und die Stange durch die Feder 42 in ihre
Ausgangsstellung zurückgebracht. Ferner wird auch der Stößel 32 "der Einspritzpumpe
31 entlastet, und die Maschine ist bereit, erneut angelassen zu werden.
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Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß im vorstehenden nur Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben sind, auf welche diese keineswegs beschränkt ist. So kann
beispielsweise das Rückschlagventil22 der Wirkung einer in ihrer Spannung regelbaren
Feder ausgesetzt werden, so daß durch Einstellung der Federspannung der Mindestdruck
im Innern der zusätzlichen Verdichterräume 61 und 62 verändert werden kann.