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Regelung von Kolben-Motor-Verdichtern Bei Kolben-Motor-Verdichtern,
die .ständig mit wenigstens angenähert gleichbleibender Hubzahl je Zeiteinheit arbeiten,
wie id.ies beispielsweise bei Freiflugkolben-Motar-Verdich-_ tern in der Regel der
F.11 ist,. erfolgt die Regelung,der Förderleistung des Verdichterteils dadurch,
tlaß man sowohl die dem Verdichterteil je Saughub zuzuführende als auch die dem
i1lotorteil je Arbeitshub zuzuführende Treibstoffmenge dem jeweiligen Bedä.rf entsprechend
einstellt. Es ist bekannt, eine dieser beiden veränderlichen Größen selbsttätig
in Abhängigkeit von dein in der Verdichterförderleitung herrschenden Druck (Leittingsdrttck)
zu verändern und die andere Größe ebenfalls selbsttätig in Ab-
hängigkeit
von Änderungen des Betriebszustandes der Maschine zu verändern; welche sich durch
die Änderung .der ersten Größe einstellen. Solche Änderungen des Betriebszustandes
sind bei Freiflugkolben-Motor-Verdichtern beispielsweise Änderungen der Länge des
Flugmassenhubes oder Änderungen der Verdichtung der Motorladung oder Änderungen
des Verdichter-Ansaugedruckes und somit auch des Verdichter-Druckverhältnisses u.
dgl. Es ist ferner bekannt, beide Größen selbsttätig in Abhängigkeit von den Änderungen
des Leitungsdruckes zu verändern.
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Bisher hat man zur Beeinflussung der Treibstoffmenge oder der Verdichterfördermenge
durch den Leitungsdruck Kraftglieder (z. B. in Zylindern verschiebliche Kolben)
vorgesehen, auf welche einerseits der Leitungsdruck, andererseits eine veränderliche
Gegenkraft, z. B. eine Feder, einwirkt und welche ihre bei schwankendem Leitungsdruck
sich ergebende Verstellung auf Regelglieder übertragen, welche idurdh ihre Einstellung
die Treibstoffmenge hzw. die Verdichterfördermen:ge bestimmen.
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Dieses Vorgehen ',hat den Nachteil, daß -die Änderungen des Leitungsdruckes
im normalen Betrieb in der Regel klein sind, daß deshalb auch die am Kraftglied
wirksame Kraft über den gesamten Regelhereich (von Leerlauf his
Vollast
und -umgekehrt) nur eine kleine Änderung erfährt. Diese geringe Kraftänderung erschwert
die Erzielung einer genauen und empfindlichen Regelung, da die am Kraftglied angreifende
Feder den vollen Leitungsdruck aufnahmen, also sehr stark sein muh. aber nur kleine
Kraftänderungen, also auch nur geringe Formänderungen erfährt. Erwünscht ist ini
Gegensatz dazu eine weitgahende Änderung der am Kraftglied angreifenden Kraft und
eine entsprechend große Formänderung der dieser Kraft widerstehenden Feder.
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Regelung von Kolben-Motor-Verdichtern,
insbesondere von solchen mit freifliegenden Kolben, bei welcher Treibstoffmenge
und Verrlichterfördermenge selbsttätig in Abhängigkeit vom Leitungs.#_Iruck verändert
werden, bei der aber die vom Leitungsdruck abhängige, am Kraftglied angreifende
Kraft, über den ganzen Regelbereich betrachtet, eine weitgehende Änderung erfährt,
der eine entsprechend große Formänderung der diese Kraft aufnehmenden Feder entspricht.
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Erfindung sgemäß erfolgt sowohl die Ä.nderu@ng der Treibstoffinen.ge
als auch die Änderung der Verdichterfördermenge in -,%,lbhängi.gkeit von dem Druck
(in folgendem Steuerdruck genannt), der in einem Druc.kmittelstrom (in folgendem
Steuerstrom genannt) herrscht, welcher von einem Raum hohen Druckes zu einem Raum
niederen Druckes strömt, wobei die Höhe dieses Steuerdruckes so in Abhängigkeit
vom Leitungsdruck verändert wird, daß den kleinen Änderungen des letzteren große,
gleichsinnige Änderungen .des Steuerdruckes entsprechen. Der Steueratrorn kann von
einem beliebigen flüssigen oder gasförmigen Druckmittel gebildet werden, das mittels
einer Pumpe o. dgl. auf einen bestimmten hohen Druck gebracht wird und. nach einem
Rauin niederen Druckes, z. B. in die Atmosphäre, abströmen kann. Besonders vorteilhaft
ist es, als Steuerstrom. einen geringen Teil des vom Verdichter geförderten Gases
zu benutzen, den man aus der Verdichterförderleitung in die Atmosphäre oder in lie
Saugleitung abströmen läßt.
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Die Herbeiführung der weitgehenden Änderung des Steuerdruckes in Abhängigkeit
von den .geringen Änderungen des Leitungsdruckes erfolgt zweckmäßig in folgender
Weise: Der Steuerstrom wird über zwei in der Stromrichtung hintereinanderliegende
Drosselstellen gefülirt, von denen wenigstens eine in Abhängigkeit von den Leitungsdruckänderungen
geändert wird; diese Drosselstellenänderung erfolgt so, daß bei ahn eehmendern Leitungsdruck
die Drosselwirkung der vom Steuerstrom zuerst durchflossenen Drosselstelle die Drosselwirkurig
der zweiten Drosselstelle mehr und mehr überwiegt und daß bei zunehmendem Leitungsdruck
die umgekehrte Wirkung eintritt; der sich so im Steuerstrom zwischen clen Drosselstellen
ergebende Druck stellt den Steuerdruck dar und wird zur Einwirkung au:f Kraftglieder
gebracht, die sich in Abhängigkeit von den Veränderungen dieses Druckes verstellen;
die Verstellungen dieser Kraftglieder werden so auf Regelglieder zur Beeinflussung
der Treibstoffmenge und der Verdichterfördermenge übertragen, daß beide Mengen mit
zunehmendem Steuerdruck vermindert, mit abnehmendem Steuerdruck vermehrt werden.
Vorteilhaft werden beide im Steuerstrom liegende Drosselstellen veränderlich gestaltet,
dergestalt, daß sie sieh gegensätzlich verändern.
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Die Zeichnung zeigt in Abb. i ein Beispiel eines erfindungsgemäß geregelten
Ereiflugkolben-Motor-Verdichters, Abb. :2 zeigt die Einzelteile der Regelungseinrichtung,
Die Abb. 2a und 2b zeigen je eine Sonderausgestaltung eines Teils dieser Regeleinri.chtung,
Abb.3 zeigt eine zur Treibstoffzufuhr dienende Pumpe im Schnitt nach Linie III-111
.ler Abb.2, Abb. 4 zeigt Diagramme der in der Regeleinrichtung wirksamen Drücke.
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Die Abb. 5 bis 7 zeigen Sonderausgestaltungen einzelner Teile der
Regeleinrichtungen. Bei dein Freiflugkolben-Motor-Verdichter nach Abb. i bewegen
sich in einem Motorzylinder i d.ie Motorkolben 2, 3 gegenläufig zueinander und schließen
zwischen ihren einander zugekehrten Stirnflächen 5, 6 den Brennraum 7 ein. 'Mit
jedem 1-fotorkolben ist je ein Verdichterkolben 9, io verbunden; diese arbeiten
je in einem Verdichterzylinder 11, 12. Zur Erzielung des Gleichlaufs der Flugmassen
2, 9 -und 3, io ist an jede derselben eine Zahnstange 13 bzw. 14 angeschlossen und
diese Zahnstangen greifen in ein unverschieblich gelagertes Zahnrad 15 an sich diametral
gegenüberliegenden Stellen ein.
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Die Brennstoffzufuhr zum Brennraum 7 des Motorteils erfolgt mittels
einer Einspritzpumpe 20, deren Kolben von einem auf gier Zahnstange 1:I angeordneten
Nocken 16 angetrieben wird.
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Die Verdichterräume ii. und 12 sind an eine gemeinsame Saugleitung
30 angeschlossen, deren Ansaurestutzen 31 ein Drosselventil 32 enthält. «-elches
je nach seiner Belastung den vorn Verdichterteil anzusaugenden Gasstrom mehr oder
weniger stark drosselt und so die Förclermen,ge des Verdichters bestimmt. Das in
den N-erdichterräumen 11, 12 verdichtete Gas strömt durch die Leitung 40 über ein
Druckhalteventil
41 in einen Behälter 42, von welchem die Leitung 43 zur Druckgasverbrauchsstelle
führt.
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Vom Behälter 42 zweigt eine Leitung 44 ab, durch welche ein kleiner
Teil des vom Verdichter .geförderten Gases (z. B. Luft) über eine im Gehäuse 45
.angeordnete Drosseleinrichtung und :durch einen Auslaß 46 der letzteren ins Freie
abströmt. Der in diesem Gasstrom beim Durchströmen der Drosseleinrichtung sich einstellende
Druck wird durch eine Leitung 5o weiter übertragen, und zwar über deren Abzweig
5 1 zu einem Gehäuse 55. enthaltend eine Einrichtung zur Veränderung der
von der Pumpe 2o je iDruckhu!b geförderten Brennstoffmenge, und durch einen AbzWeig
52 zu einem Gehäuse 65, enthaltend eine Einrichtung zur Veränderung -der vom Verdichter
anzusaugenden Gasmenge.
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Die Einzelheiten der in den Gehäusen .45, 55 und 65 befindlichen Einrichtungen
und der Fumpe 2o sin-d aus Abb. 2 und 3- ersichtlich. In dem an die Leitung
44 angeschlossenen Gehäuse 45 ist ein @Kollbenschieber 47 verschi:ebl.ich,
auf dessen eines einen Arbeitsraum 57 abgrenzendes Stirnende der im Behälter 42
herrschende Druck (Leitungsdruck) übertragen wird, während auf das andere Stirnende
die Kraft einer Feder 48 einwirkt, deren Spannung mittels einer Schraube 49- eingestellt
werden kann. Der dem Arbeitsraum 57 zugekehrte Schi.eberendteil 53 ist durch eine
Eindrehung 54, mit welcher der Auslaß 46 in ständig offener Verbindung steht, vom
übrigen Teil des Schiebers 47 getrennt und überdeckt die Mündung 56 der Leitung
50 so, daß er mit ihr zwei Drosselstellen 33, 34 bildet, von denen die eine,
33, mit dem Arbeitsraum 57, :die andere, 34, mit der Eindrahung 54 (und demzufolge
mit dem Auslaß 46) in Verbindung steht. Diese Drosselstellen, deren D:urchflußquerschnitte
bei einer Sch.ieberverstellung sieh gegensätzlich verändern, werden von dem durch
die Leitung 44 zuströmenden und durd-i den Auslaß 46 ins Freie austretenden Gasstrom
(,Steuerstrom) nacheinander durchströmt. Der im Steuerstrom zwischen diesen Drosselstellen
33, 34 herrschende Druck wird durch die Leitung 50 weiter übertragen. .
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende: Die Feder 48 .ist
so bemessen, daß die Durchflußquersahnitte der beiden Drosselstellen 33, 34 etwa
gleich groß sind; wenn der Druck p1 im Behälter 4z seinen normalen Wert hat. Steigt
:dieser Druck etwas an, so wird der Schieber 47 nach links- verschoben und die Feder
48 mehr zusammengedrückt. Bei dieser Sahiaberverstellu:ng wird die an den Schieberarbeitsraum
57 angrenzende Drosselstelle 33 erweitert, die an die Eindrehung 54 angrenzende,
34, verengt. Dies hat zur Folge, daß der Druck in -der Mündung 56 zunimmt. Sinkt
:der Druck im Behälter 42, so :dehnt sich die Feder 48 etwas aus und verstellt den
Schieber 47 nach rechts, wobei sich die Qu:er->chnitte der Drosselstellen im umgekehrten
Sinn wie vorher verändern. Demzufolge wird der Druck in der Mündung 56 geringer.
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Abb.4 veranschaulicht diese Druckänderungen. Steigt der Druck im Behälter
42 infolge verringerter Entnähme über den Normaldruck an, so wird bei einem bestimmten
Wert p1 dieses Druckes die mit der Eindrehun:g 54 zusammenhängende Drosselstelle
34 durch den Schiebertei153 gerade abgeschlossen. In der Mündung 56 und in der Leitung
5o herrscht dann der volle Behälterdruck p,'. Sinkt der Behälterdruck infolge steigender
Entnahme unter den Normalwert, so wird bei Erreichung ges kleineren Druckes p1'
die andere Drosselstelle 33 durch den Schiebertei.153 abgesperrt: .dann herrscht
in der. Mündung 56 und in der Leitung 5o der atmosphärische Druck p3. Der Schiaber
hat von .der Absperrung der einen Abis zur Absperrung der anderen Drosselstelle
den kurzen Weg s zurückgelegt. Jeder zwischen den Werten pl und pi' liegenden Höhe
des Behälterdruckes entspricht ein bestimmter Punkt .der Strecke s und sonach je
eine ganz bestimmte Größe der Durahflußquerschnitte der beiden 'Drosselstellen 33,
34. Je nachdem, welcher dieser Onerschnitte überwiegt, nähert sieh der in der Mündung
56 und im Rohr 5o herrschende Druck p.2 entweder mehr dem Behälterdruck p, oder
mehr dem atmosphärischen Druck p3. Den kleinen Änderungen des Behälterdruckes p1
zwischen den Grenzen und p1' entsprechen sonach große Änderungen des Steuerdruckes
p2, die sich zwischen den Grenzen p1 und ps bewegen.
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Bei :der Einrichtung nach Abb. 2 a ist nur die vom Steuerstrom zuerst
durchflossene Drosselstelle 33 veränderlich und wird wie im Beispiel nach Abb. 2
von :der Stirnkante des Schiebers 47 gesteuert. Die andere Drosselstelle 3q.' ist
unveränderlich und liegt zwischen der Mündung 56 der Leitung 50 und dem A:u.slaß
46.
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Abb. 2,b zeigt eine Einrichtung, bei welcher die vom Steuerstrom
zuerst durchflossene Drosselstelle 33' unveränderlich :ist. Sie ist zwischen dem
Schieberarbaitsrau:m 57 und der Mündung 56 der Leitung 5o angeordnet. Die zweite
Drosselstelle 34 ist veränderlich und wird wie im Beispiel nach Abb. 2 von der der
Aussparung 54 z'u'gekehrten Kante des Sahieberteil.s 53 gesteuert.
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Diese Drosseleinrichtungen haben grundsätzlich die gleiche Wirkung
wie :die in
Ahb. 2 dargestellte; nur ist die letztgenannte infolge
der gegensätzlichen Änderung der Drosselstellen besonders empfindlich, d. h. es
wird bei ihr unter sonst gleichen Umständen eine bestimmte Steuerdruckänderung schon
mit einer kleineren Sdhieberverstellung erreicht, als bei den Einrichtungen nach
den Abb.2a und 26.
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Die Beeinflussung der Treibstoffzufuhr zurr :Motorteil der :Maschine
erfolgt in an sich bekannter Weise durch Hinundherdrehen des Kolbens 6o der Brennstoffpumpe
2o, der eine seitliche Eintiefung mit einer schraubenförinigen Steuerkante 58 aufweist,
die mit einem Ansauge- und Rückströmkan.al 59 im Pumpenzylinder 61 zusammenwirkt.
In dem mit der Pumpe 2o verbundenen Gehäuse 55 ist ein Kolben 6= verschieblirh,
der einerseits von dem durch die Leitung 5o, 51 übertragenen Steuerdruck, andererseits
durch die Kraft einer Feder 63 belastet wird. Mit dem Kolben 62 ist eine Zahnstange
35 verbunden, die in ein im Pumpengehäuse 2o gelagertes Zahnrad 36 eingreift, mit
dem der Pumpenkolben 6o axial v erschieblich, aber drehfest verbunden -ist. Die
Zahnstange 35 ist dein Kolben 62 gegenüber in dessen Ac:hsridhtun.g verschieblich
angeordnet, um die einer bestimmten Stellung des Kolbens 62 entsprechende Förderleistung
der Puinpe 2o auf einen bestimmten Wert einstellen zu können. Zu diesem Zwecke wird
die in einer Ausnehmung 6d. des Kolbens 62 längsverschieblich aber undrehbar geführte,
eine Gewindebohrung aufweisende Zahnstange 35 von einer Schraubenspindel 66 durchsetzt,
welche aus dein Gehäuse 55 nach außen geführt'ist. Zur Sicherung der Einstellung
ist eine diese Spindel 66 rohrförmig umgebende Sicherungsschraube 67 vorgesehen.
Ein Fortsatz 68 des Gehäuses 5 5 trägt einen einstellbaren Anschlag 69 für .die
Spindel 66, welcher den Hub des Kolbens 62 in der eine Verringerung der Treibstoffmenge
ergebenden Richtung begrenzt, also eine Mindesttreibstoffmenge festlegt, und der
so eingestellt ist, daß diese Mindestmenge dem Leerlauftreibstoffbedarf der Maschine
entspricht.
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DieAnordming ist so getroffen, daß bei anwachsendem DrucI: in der
Leitung 5o (also bei steigendem Druck im Behälter 42) .die Treibstoffmenge vermindert,
,bei sinkendem Druck dagegen vermehrt wird.
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Der durch die Zweigleitung 52 der Leitung 5o zum Gehäuse 65 übertragene
Druck wirkt dort auf einen Kolben 70, der unmittelbar mit dem im Verdicbtereinlaß
31 angeordneten Drosselventilteller 32 verbunden ist. Der am Kolben 70 angreifende
Gasdruck wirkt also genau wie eine Ventilbelastungsfeder; das anzusaugende Gas erfährt
demnach eine um so stärkere Drosselung, die angesaugte Menge wird also uni so geringer,
je höher dieser Gasdruck ist, also auch um so geringer, je höher der Druck im Behälter
422 ist.
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Damit der Verdichter auch bei stärkster Drosselung immer noch eine
gewisse Mindesttnenge ansaugt, was bei Freiflugkolbenmaschinen aus Sicherheitsgründen
erwünscht ist, ist der Ventilteller 32 mit einer kleinen Öffnung ,-1 versehen.
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Jeder Veränderung der Treibstoffmenge soll eine bestimmte Veränderung
der Verdichterfördermenge entsprechen. Da es nicht immer möglich sein wird, das
gewünschte Verhältnis der beiderseitigen Veränderungen von vornherein richtig zu
treffen, ist es zweckmäßig, eines der beiden, diese Veränderungen bewirkenden Kraftglieder
(Kolben 62 hzw. 70) mit einer Einrichtung zu versehen, welche es ermöglicht, .die
von diesem Kraftglied bei einem bestimmten Steuerdruck auf (las Regelglied (Drosselventil
32) ausgeübte Kraft bzw. den einer bestimmten Steuer-.jruckänderung entsprechenden
Verstellweg des Regelgliedes (z. B. Winkeldrehung des Pumpenkolbens 6o) verschieden
groß einstellen zu können.
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Die Abb. 5 und 6 zeigen Beispiele zur Änderung der Krafteinwirkung
des Steuerdrucks auf das Drosselventil 32 in der Verdichtera.nsaugeleitung 31. Der
im Zylinder 65 verschiebliche, vom Steuerdruck belastete Kolben 7o ist an das eine
Ende eines Waagebalkens 72. angeschlossen, dessen anderes Ende Tiber ein Kraftiibertragungsglied
73 auf den Drosselventilteller 32 einwirkt. Der Waagebalken 72 stützt sich in seinem
mittleren Teil gegen eine Rolle 74 ab, die in einem längs einer festliegenden Führung
76 verschieblichen Schlitten 75 gelagert ist. Der Schlitten ist an eine Verschiebestange
77 angeschlossen, die mit Hilfe von Schraubenmuttern 78, 7 9 gegeniiber einem festliegenden
Halteglied 8o verschöben und festgestellt werden kann. Je nach der Einstellung des
Schlittens 7-3 und der Rolle 74. ändert sich das durch den Waagebalken bestimmte
l`Ibersetzu.ngsverhältnns zwischen der am Kolben 70 wirkenden und der auf
den Ventilteller 32 übertragenen Kraft; aeinzufolge ist es hiermit möglich, eine
bestimmte Größe dieser Kraft einzustellen. Am Kolben 70 greift noch eine
leichte Feder g1 an, welche lediglich den Zweck hat, auch bei fehlendem Steuerdruck
das Anliegen des Waagebalkens an der Rolle 74. sicherzustellen und dadurch schlagartige
Verstellungen ,der beweglichen Teile bei plötzlichem Auftreten des Steuerdrucks
zu vermeiden.
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Beim Beispiel nach Abb. 6 ist der Kolben 7o ebenso wie iin Beispiel
nach Abb.2 unmittelbar finit dem Drosselventilteller 32 verbunden. Die Druckzuleitung
52 mündet in
den Arbeitsraum 85 des Kolbens 70 über einen
engen Durchlaß 86; außerdem ist an diesen Arbeitsraum eine ins Freie mündende Auslaßleitung
87 mit einer fein einstellbaren Drossel 88 angeschlossen. Wird die Drossel 88 ganz
geschlossen, so wirk t ,die Einrichtung genau so wie die in Abb. 2 dargestellte.
Wird die Drossel 88 dagegen etwas geöffnet, so wird sich im Arbeitsraum 85 ides
Kolbens 70 ein Druck einstellen, der zwischen dem in der .Leitung 52 herrschenden
Steuerdruck und .dem Atmosphärendruck liegt, und zwar um so mehr beim Steuerdruck,
je weniger die Drossel 88 geöffnet ist und um so mehr beim Atmosphärendruck, je
mehr diese Drossel 88 geöffnet ist.' Es läßt sich sonach mittels dieser Einrichtung
eine Druckwirkung .auf den Kolben 70 einstellen, die in einem bestimmten
Verhältnis (dessen Höchstwert = i ist) zu ,der Kraft steht,. die der volle Steuerdrutk
ausüben würde.
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Eine solche Anordnung könnte ebensogut am Arbeitsraum des Kolbens
32 der Abb. 3 vorgesehen sein.
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Abb. 7 zeigt :die Anordnung einer veränderlichen Übersetzung zwischen
dem die Veränderung der Treibstoffmenge bewirkenden Kraftglied 6a und dem durch
seine Einstellung die Treibstoffmenge bestimmenden Regelglied 36. Die Veränderung
-der Verstellwegübersetzung erfolgt ebenso wie die Änderung der Kraftübersetzung
im Beispiel nach Abb. 5 mittels eines gegen eine verschiebliche Rolle 74 sich abstützenden
Waagebalkens 9o. Auf den einen Arm dieses Waagebalkens wirkt von der .einen Seite
die vom Steuerdruck auf das Kraftglied 62 ausgeübte Kraft und ferner die Kraft einer
leichten Feder 9i, von der anderen Seite und in größerer Entfernung von der Stützrolle
74 die Kraft einer starken Feder g2, welche -der Steuerdruckkraft das Gleichgewicht
hält und mittels einer Stellschraube 93 einstellbar ist. An den anderen Hebelarm
ist eine Stange 94 angeschlossen, welche eine Zahnstange 95 durchdringt, die in
das reit dem Brennstoffpumpenkolben 6o drehfest verbundene Zahnrad 36 eingreift.
Die Teile 94 und 95 sind durch eine Schraubenverbindung 96 gegenseitig verstellbar
aneinandergeschlossen, so d.aß wiederum bei einer bestimmten Stellung der Zahnstange
94 die Pumpenförderung auf einen bestimmten Wert eingestellt werden kann. An dem
die Zahnstange 95 führenden Gehäuse 97 ist ferner ein einstellbarer Anschlag g8
angeordnet, welcher die Verstellung der Zahnstange 94 im Sinne einer Verkleinerung
der Treibstoffmengebegrenzt, also zur Sicherstellung der für den Leerlauf der Maschine
erforderlichen Treibstoffmindestmenge -dient. Die den W aagebalikenschwingpunkt
darstellende Rolle 74 ist in gleicher Weise wie beim Beispiel nach Abb. 5 verschiebbar.
- Durch die Verschiebung dieser Rolle 74 wird das Wegübersetzungsverhältn.is zwischen
dem Kolben 62 und -der Zahnstange 95 verändert und kann sonach auf einen
gewünschten Wert eingestellt werden. Die Anordnung der Federn 9i und 92 derart,
daß sie am Waagebalken im Abstand voneinander angreifen, hat den Zweck, auf den
Waagebalken ständig ein Drehmoment einwirken zu lassen, welches ein dauerndes Anliegen
des Waagebalkens an der Rolle 7 4 sicherstellt.