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Fremdgesteuerter Brennkraft-Freikolbenverdichter Vorliegende Erfindung
stellt in ihrem ersten Teil ein für die Ausführung von Brennkraftfreikolbenverdichtern
allgemein anwendbares Prinzip dar und bezweckt durch erhöhte Spielzahl sowie durch
bessere Ausnutzung von Raum und Gewicht eine allgemeine Leistungssteigerung solcher
Verdichter. Bei Freikolbenverdichtern, welche als Druckgaserzeuger arbeiten, läßt
sich außerdem durch Anwendung dieses Prinzips eine außerordentliche Steigerung der
Betriebssicherheit erreichen, so daß ein Außer-Tritt-Fallen derartiger Verdichter
durch das Auftreten nie vermeidbarer Störungen weitgehend vermieden wird. Im zweiten
Teil der Erfindung werden Vorschläge zur Lösung der sich durch den ersten Teil der
Erfindung zusätzlich gegenüber dem Betrieb der bisher bekanntgewordenen Freikolbenverdichter
ergebenden Regelproblems gemacht, um die Betriebssicherheit der dem ersten Teil
der Erfindung entsprechenden Brennkraftfreikolbenverdichter sicherzustellen: Die
Erfindung geht zunächst davon aus, daß es möglich ist, bei einem Freikolbenverdichter,
dessen Gaswechselsteuerorgane, Zündstromunterbrecher sowie Kraftstoffeinspritzpumpe
bzw. Kraftstoffeinspritzventil zunächst kinematisch starr vom Freikolben angetrieben
werden mögen und der sich im idealen Beharrungszustand befinde, Gaswechselsteuerung,
Zündung und Kraftstoffeinspritzung bzw. Kraftstoffeinspritzventil unabhängig v om
Freikolben durch eine besondere Kraftquelle, z. B. durch einen kleinen Elektromotcrr,
anzutreiben. Bedingung ist hierbei naturgemäß, daß der Antrieb nicht nur mit derselben
Frequenz, wie sie der Freikolben besitzt, sondern auch mit demselben zeitlichen
Bewegungsablauf und derselben Bewegungsphase gegenüber der Freikolbenbewegung erfolgt.
Solange .der Freikolbenverdichter im idealen
Beharrungszustand verbleibt,
ist offenbar ein Betrieb desselben mit Fremdantrieb von Gaswechselsteuerung, Zündung
und Xraftstoffeinspritzung möglich: In Wirklichkeit läßt sich ein idealer Beharrungszustand
mit vollkommen gleichmäßig wiederkehrendem Bewegungsablauf natürlich nie erreichen,
und ein praktischer Betrieb eines fremdgesteuerten Freikolbenverdichters ist nur
dann möglich, wenn bei eintretenden Störungen der Verdichter nicht außer Tritt fällt,
also eigenstabil ist. Es läßt sich nun nachweisen, daß eine Eigenstabilität fremdgesteuerter
Freikolbenverdichter vorhanden ist, solange die auftretenden Störungen ein gewisses
Mal' nicht überschreiten.
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In Anwendung obiger Gedankengänge wird ein Brennkraftfreikolbenverdichter
vorgeschlagen, hei welchem die die Bewegungen des oder der Freikolben beeinflussenden,
im Rlivtlimus cler I# reilcolhnfreqtienz zu betätigenden Steuerorgane, die Zündungseinrichtung,
Einspritzvorrichtung und Gaswechselsteuerorgän oder mir ein Teil der angeführten
Organe, von einer von dein Freikolbenverdichter unabhängigen Kraftduelle angetrieben
werden. Abb. i -neigt ein Ausführungsbeispiel einer Gaswechselsteuerung nach dem
Prinzip des Fremdantriebs für einen Freikolbenverdichter ohne Sammlung der Druckgase
in einem Aufnehmer. Der Freikolbenzylinder a, in dem der Freikolben h hin
und her geht, wird von den beiden Rohrschiebern c und d gesteuert, welche bei
e und f
den Einlaß, bei g und lt den Auslaß freigeben. Der Antrieb
der Rohrschieber erfolgt durch die Zahnräder i und j, welche auf der gemeinsamen
Welle k aufgekeilt sind. Die Welle k wird über das Zahnrad L und das Ritzel tn von
dein Elektromotor it angetrieben.
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Abb.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gaswechselsteuerung nach
dem Prinzip des Fremdantriebs für einen Freikolbenverdichter mit Speicherung des
Druckgases in einem Aufnehmer. Der Freikolbenverdichterzylin der a mit dem Freikolben
b ivird von den Rohrschiebern c und d, wie in Abb. i, und den Flachschiebern
o und p gesteuert. Die Rohrschieber c und d geben bei e und
f
den Einlaß und bei g' und lt den Überschub zum Aufnehmer frei, während
die Flachschieber o und p bei g und t- den Auslaß steuern. Der Antrieb der Schieber
erfolgt über die Zahnräder i und j, welche auf der gemeinsamen Welle k sitzen. Die
Welle k wird über das Zahnrad L und das R itzel in von dem Elektromotor rt
angetrieben.
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Abb.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gaswechselsteuerung, bei
der nur eine Funktion der Gaswechselsteuerung durch ein fremdangetriebenes Steuerorgan
erfüllt wird. Im Freikolbenzylinder i steuert der Freikolben 2 bei 3 den Einlaß.
Die Steuerung des Oberschubes in den Aufnehmern erfolgt bei :l und 5 durch die Rohrschieber
6 und ; , die über die Zahnräder S und g auf der gemeinsamen Welle r o und über
das Zahnradpaar i i und 12 vom Elektromotor 13 angetrieben «-erden. Der Auslaß erfolgt
bei _i4 und 15 durch die frei schwingenden Kolbenventile 1 0 und i;.
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Um die Betriebssicherheit eines Freikolbenverdichters nach dem Prinzip
des Fremdantriebs der Steuerung zu erhöhen und um die Zusammmenarbeit der Gaswechselsteuerung,
der Zündung sowie der Kraftstoffeinspritzung mit dem Freikolben sicherzustellen,
ist nach der Erfindung eine indirekte, steuernde Beeinflussung der Gastvechselstetierung,
der Zündung sowie der Kraftstoffeinspritzung durch die Vorgänge im Freikolbenverdichter
vorgesehen. Als Steuerinipulsgeber kann hierbei jede Größe dienen, welche vom Betriebszustand
des Verdichters abhängig oder für denselben mitbestimmend ist. Vornehmlich kommen
hierbei Druck- und Tr-i.heitskräfte in Betracht. Im einzelnen erfolgt die Beeinflussung
der Gaswechselsteuerung, der Zündung sowie der Kraftstoffeinspritzung in der Weise,
da.ß bei einem Voreilen der Steuerung gegenüber dem Freikolben dieselbe im Sinne
niedriger Frequenzen geändert wird, während gleichzeitig die Eigenfrequenz des Freikolbens
erhöht wird, so daß Steuer- und Freikolbeneigenfrequenz in möglichst kurzer Zeit
wieder übereinstimmen. Analog wird bei Nacheilen der Steuerung gegenüber dem Freikolben
dieselbe im Sinne höherer Frequenzen beeinfl.ußt, während die Eigenfrequenz des
Freikolbens erniedrigt wird, so daß auch in diesem Fall in möglichst kurzer Zeit
Steuer- und Freikolbeneigenfrequenz einander gleich werden. Werden mehrere Freikolbenverdichter
von einer gemeinsamen Steuerwelle gesteuert, so wird man die Angleichung von Steuer-
und Freikolbeneigenfrequenz vornehmlich durch die Veränderung der Freikolbeneigenfrequenz
vornehmen, um Störungen durch Veränderung der Steuerfrequenz, welche mit Rücksicht
nur auf einen Verdichterzylinder vorgenommen würde, bei den übrigen Verdichterzylindern
zu vermeiden.
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Bei einer Freikolbenverdichteranlage,welche aus mehreren Verdichterzylindern
mit jeweils einem Freikolben besteht, führen zweckmäßig jeweils zwei Freikolben
gegenläufige Bewegungen aus, so daß ein weitgehender Ausgleich der auftretenden
Massenkräfte eintritt. Abb.4 zeigt dementsprechend eine Freikolbenverdichteranlage,
bestehend aus den Verdichterzylindern a1 und a"> mit den Freikolben
bi
und b2. Die Gaswechsel§teuerung erfolgt durch die Rohrschieber ei, c2 und d1, d2,
die bei ei, e2 und f1, f2 den Einlaß bei g1, ä und h1, 112 den Auslaß freigeben.
Der Antrieb der Schieber erfolgt über die Zahnräder i1, 12 und il, j2 auf der gemeinsamen
Welle k1 .sowie über das Kegelradpaar 1i und m1, durch den Elektromotor n1. Die
Bewegung der beiden Kolben ist gegenläufig und erfolgt z. B. in dem in der Abbildung
dargestellten Augenblick von außen nach innen.
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Bei Freikolbenverdichtern mit einem frei schwingenden Kolbenventil
lassen sich die erreichbaren Zeitquerschnitte, insbesondere zu Beginn und gegen
Ende des Gaswechselsteuervorganges, vergrößern, wenn man mit dem Kolbenventil einen
Rohrschieber elastisch koppelt. Bei richtiger Bemessung der rückführenden Kräfte
läßt es sich für eine gegebene Frequenz und Größe der erregenden Gaskräfte im Freikolbenverdichterzylinder
erreichen, daß Kolbenvdntil und Schieber gegenläufige Bewegungen ausführen, so daß
die Freigabe der Strömungsquerschnitte mit erhöhter Geschwindigkeit erfolgt. Abb.5
zeigt ein Beispiel für diese Art der Gaswechsel-Steuerung. Im Verdichter 18 bewegt
sich das Kolbenventil r 9 gegenläufig zum Rohrschieber 2o und steuert mit diesem
gemeinsam den Strömungsquerschnitt 2 r. Als Elastizität dient die zwischen Kolbenventil
und Rohrschieber im Raum 22 eingeschlossene Luft. Die eingeschlossene Luft im Raum
23 zwischen Rohrschieber 2o und Zylindermantel 24. bewirkt die Rückführung des Rohrschiebers.