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Einrichtung zur Steuerung des Gasauslasses bei Rückstoßantrieben Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung des Gasauslasses bei mit
Kolbenverdichtung von gasförmigen Treibmitteln arbeitenden Rückstoßantriebem Der
Gasauslaß dieser Antriebseinrichtungen wird in einigen Fällen dadurch bewirkt, daß
der Kolben nach der Entzündung und teilweisen Ausdehnung der Gase Auslaßschlitze
freigibt. In anderen Fällen wird ein federbelastetes Ventil durch den bei der Verbrennung
der Treibgase entstehenden: Druck angehoben, durch eine mechanische Steuervorrichtung
in seiner Endlage festgehalten und danach durch die mechanische Steuervorrichtung
wieder in seine Ausgangslage gebracht. Bei der Steuerung von Schlitzen durch den
Kolben tritt bei der Verdichtung der Verbrennungsluft ein: Teil dieser Luft durch
die Schlitze aus, wenn die Schlitze nicht in Nähe des unteren Totpunktes angeordnet
sind. Sind die Schlitze dagegen in Nähe des unteren Totpunktes ' angeordnet, dann
wird bei der Ausdehnung der Verbrennungsgase eine wesentlich größere Energiemenge
auf den Kolben. übertragen, als sie für die Durchführung der Vorverdichtung einer
frischen Ladung erforderlich ist. In beiden Fällen gehen erhebliche Energiemengen
für die Rückstoßerzeugung verloren. Die Regelung des Gasauslasses mit Hilfe eines
federbelasteten,
mechanisch gesteuerten Ventil: erfordert verhältnismäßig
lange Zeiträume fier die Ventileinstellung, weil bei kurzzeitiger Steuerung die
Massenkräfte unzulässig groß werden. Füreine technisch vorteilhafte Rücksto.ßerzetigutig
ist aber eine schnelle Steuerung des Gasauslasses erforderlich, damit die Treibgase
in möglichst kurzer Zeit ausströmen und der Treibgaszvlinder zur Aufnahme einer
neuen Ladung bereit ist. Um einen kurzzeitigen Gasaustritt zu erzielen, ist es zu
dem erwünscht, den Gasatislaßquerschnitt möglichst groß zu machen und demgemäß ein
großes Ventil vorzusehen. Bei mechanischer Steuerung des Gasauslaßventils sind diese
Forderungen nur mit besonderen Triebwerken für die Steuerung und eiitsprech°nd hohem
Aufwand, insbesondere an Baugewicht, zu erreichen, wodurch das Verwendungsgebiet
des Rückstoßantriehs wesentlich eingeschränkt wird. Eine für Explosionsturbinen
vorgeschlagene Ausführung eines federbelasteten Ventils, welches mit einer Flüssigkeitsbremse
versehen ist, um eine Verlängerung der Öffnungszeit zu erzielen, ist für die Steuerung
des Gasauslasses bei Rückstoßantrieben aus den gleichen Gründen nicht gut geeignet.
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Während die Kräfte für die Beschleunigung der Ventilmasse beim Öffnungshub
des Ventils ohne weiteres den Treibgasen entnommen werden können, bestehen große
Schwierigkeiten darin, die bei schneller öifnung eines verhältnismäßig großen Ventilquerschnitts
nach dem Beschleunigen erforderlichen Verzögerungskräfte ohne unvorteilhaft großen
technischen Aufwand bereitzustellen. Die für die Rückführung des Ventils in seinE
Abschlußstellung erforderlichen Kräfte können mit den bqkannten Mitteln ebenfalls
nur durch erheblichen technischen Aufwand so groß erhalten werden, daß sie für eine
genügend schnelle Rückführung ausreichen. Um diese -Nachteile zu vermeiden, wird
nach der Erfindung die Steuerung des Gasauslasses dadurch bewirkt. daß beim Öffnungshub
des Ventils die Beschleunigung und die Verzögerung der bewegten Ventilmasse durch
Flüssigkeits- oder Gasdrucichräfte geregelt wird und die Rückführung des Ventils
in seine Abschlußstellung durch Flüssigkeits-oder Gasdruckkräfte erfolgt.
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Durch diese Kräfte sind in technisch einfachster Weise große Kraftwirkungen
auf Bauglieder geringen Gewichts, z. B. Ventilteller oder Schieber, auszuüben, so
daß diese mit großer Geschwindigkeit in kürzesten Zeiträumen zur vollen Öffnung
und wieder zum Abschluß gebracht werden können.
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In der Abb. i ist beispielsweise eine Ausführung der erfindungsmäßigen
Steuerung wiedergegeben, bei der die Verzögerung der bewegten Ventilmasse durch
den Druck von Flüssigkeit bewirkt wird. In dieser Abbildung bezeichnet io den Zvlinder
der Rückstoßeinrichtung, von dem der in der -Nähe des Gasauslasses befindliche Teil
dargestellt ist. Mit i i ist eine Führungsstange bezeichnet, auf welcher der (nicht
dargestellte) Kolb:ti geführt ist. der die V erdichtung des gasförmigen Treibmittels
bewirkt. Die Führungsstange i i endet in einen Teller 12, welcher einen Teil des
Zylinderbodens bildet. Gegen den Teller 12 wird in der gezeichii; ten Stellung des
Auslaßventils 13 dieses Ventil angedrückt durch den hohen Flüssigkeitsdruck, der
in dem Ringraum 14 des Ventils herrscht. Dieser hohe Flüssigkeitsdruck wird aufrechterhalten
durch den Zutritt von Flüssigkeit entsprechenden Drucks durch das Rohr 15 und Ventil
it>. Das Ventil 13 wird durch die entgegen der Öffnungsrichtung wirk--ende Flüssigkeitsdruckkraft
im Raum td. bis zu einer bestimmten Höhe des Treibgasdrucks geschlossen gehalten.
Der entgegen der Öffnungsrichtung des Ventils wirkende Flüssigkeitsdruck wird durch
die Einstellung des von dem Druck der Treibgase beeinflußten Hilfsventils 17 vermindert,
wodurch die Öffnungsbewegung des Ventils eingeleitet wird. Wird das Hilfsventil
1; beispielsweise derart ausgebildet. daß es bei dem Verdichtungsenddruck der Treibgase
angehoben wird, dann strömt bei Öffnung des einen großen Querschnitt freigebenden
Hilfsventils 17 die im Raum 14 befindliche Flüssigkeit durch das Rohr iS. ab. Das
nur verhältnismäßig geringe Flüssigkeitsmengen durchlassende Ventil 16, welches
durch seinen Schaft von der -Nase i9 des Vet?tilkörl>ers offen, gehalten wurde,
schließt sich nach kurzem Ventilweg. Die Ausströmung der Flüssigkeit durch das Rohr
18 vollzieht sich gegen einen mittleren Druck, so daß nach Teilentspannung der Treibgase
eine `'erzögerung der bewegten Ventilmasse infolge des Flüssigkeitsdrucks im Ringraum
tq. erfolgt. Dabei ist der Druck, gegen den die Flüssigkeit ausströmt, so geregelt.
daß der Ventilkörper 13 kurz vor dem Erreichen seiner Hubbegrenzung und dein Abschiuß
des Hilfsventils 1; zum Stillstand kommt. Wenn der Druck der Treibgase in dem Zylinder
io und damit der Druck auf den Boden des Ventils 13 auf einen geringen Wert gefallen
ist, setzt die Zusträmung von Flüssigkeit durch das Rohr 2o und Ventil 21 in den
Raum i.i ein. Dabei ist der Zuströmdruck dieser Flüssigkeit so niedrig gewählt,
daß nur eine verliältnismäßig langsame Schließbewegung erreicht wird. Gegen Ende
d°r Schließbewegung wird durch die -Nase i9 da: N"entil i6 geöffnet, so daß in dem
Ringraum i.i eine
wesentliche Erhöhung des Drucks unter Abschluß
des Auslaßventils und zugleich des Ventils 21 erfolgt.
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In '\A7eiterbildung der Erfindung "werden: besondere Vorteile erreicht,
wenn der Abschlu:ß des Ventils durch den Druck verdichteten Gases erfolgt, das beim.
Öffnen des Ventils durch den Treibgasdruck weiter verdichtet und ganz, oder teilweise
in einen Nebenraum verdrängt wird. In der Abb. 2 ist eine entsprechende Ausführungsform
einer Steuerung des Gasauslasses beispielsweise wiedergegeben. In dieser Abbildung
ist der Zylinder der Rückstoßeinrichtung mit 22 und der Kolben, welcher als Freiflugkolben
ausgebildet ist, mit 23 bezeichnet. Der Kolben wird geführt durch die Führungsstange
2q.. Er verdichtet bei seinem von links nach rechts gerichteten Hub ein gasförmiges
Treibmittel, welches nach der Vorverdichtung durch (nicht dargestellte) Zündmittel
entzündet wird und durch den Auslaß 25 nach rechts ins Freie strömt. Bei seinem
von rechts nach links gerichteten Hub verdichtet der Kolben Luft, durch deren Spannung
er aufgefangen und zurückgeworfen, wird. Bei diesem Hub gegen den Luftpuffer wird
in dem auf der Arbeitsseite des Kolbens gelegenen Zylinderraum der Gaswechs..-,1
durchgeführt, indem durch Öffnen des Gasauslaßschiebears 26- das verbrannte Treibgas
ins Freie entlassen und nach dem Abfall des Treibgasdrucks beim Kolbenrücklauf ein
in der Zylinderwand liegendes Gas-oder Lufteinlaßventil (nicht dargestellt) geöffnet
wird. Im allgemeinen vollzieht sich der Abfall der Treibgase so schnell, daß der
Kolben 23 nur wenig entfernt von seiner oberen To:tpunktlage steht, wenn der Druck
der Restgase auf den Atmosphärendruck abgesunken ist, so daß das Einlaßventil in
der Nähe des oberen. Kolbentotpunktes angeordnet sein kann. Kurze Zeit nach dem
Überlaufen des Einlaßventils durch den Kolben kann dann das Auslaßventil geschlossen
sein, so daß der Kolben seine frische Ladung durch das Einlaßventil bei seinem weiteren
Rücklauf selbsttätig einsaugt.
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Die Steuerung des Gasauslasses wird bei der Einrichtung nach Abb.
2 durch den. Schieber 26 unter der Wirkung des Drucks der Treibgase und verdichteter
Luft erzielt. In dem Raum. 2;7 befindet sich verdichtete Luft von einer Spannung,
die ungefähr derjenigen der Vorve.rdichtung der Treibgase entspricht. Nach der Vorverdichtung
der Treibgasse durch den Kolben 23 und der Drucksteigerung infolge der Entzündung
tritt demnach eine Öffnungsbewegung des Auslaßschiebers 26 ein, durch die die Luft
in dein: Raum 27 weiter verdichtet und die Ventil 28 und 29 angehoben werden. Die
in dem Raum 27 befindliche Luft wird dadurch teilweise in den Raum- 30 verdrängt.
Zu. Beginn der Bewegung des Ausla.ßschiebers wird dieser durch den Überdruck der
Treibgase stark beschleunigt, so daß seine Masse eine große kinetische Energie erhält.
Je mehr dann der Schieber den Auslaß 25 öffnet, fällt der Druck der Treibgase im
Zylinder 22, und es tritt verhältnismäßig schnell der Zeitpunkt ein, in welchem
der Druck der Treibgase gleich dem Druck hinter dem Schieberboden im Raum 27 ist.
Von diesem Zeitpunkt ab wirkt der Druck der im Raüm 27 befindlichen Luft verzögernd
auf die Bewegung der Schiebermasse, und zwar steigend in dem Maße, in welchem der
Druck der ausströmenden Treibgase fällt. Durch die Anordnung geeigneter Strömungsquersc'hnitte
dier Ventile 28 sowie durch dien im Raum 3o herrschenden Luftdruck. kann die Höhle
der verzögernden Druckkräfte geregelt werden. Die Verdrängung der Luft aus lern
Raum 27 in den Raum 30 ergibt eine günstige; nahezu gleichmäßig verzögernde
Druckkraft unter Vermeidung großen Druckanstiegs, wodurch neben anderen Vorteilen
eine technisch vorteilhafte Ausnutzung der Bauteile erreicht wird. Durch die verzögernden
Kräfte beeinflußt, kommt der Auslaßschieber in einer Stellung, bei der der Schieberboden
nahe, der Wand zwischen den Räumen 27 und 30 liegt, zum Stillstand. Der Druck in
den Räumen z7 und 30 ;-leicht sich dann aus, und die Ventile 28 und 29 schließen
sich. Wenn sich bei der Öffnungsbewegung des Schiebers Luft größeren Drucks in dem
Raum zwischen den Ventilen 31 und dem Ringkolben 32 befand, dann ist diese bis zur
Umkehr des Schiebers durch Anheben der Ventile 3 r nahezu. vollständig in den Raum
30 verdrängt worden.
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Die Rückführung des Schiebers in seine Abschlußstellung erfolgt durch
die im Raum 27 verbliebene, nicht verdrängte Luft, deren Druck anfänglich noch verhältnismäßig
hoch ist. Der Schieber erfährt dadurch eine hohe Rückwärtsbeschleunigung, die aber
nur über eine kurze Strecke der Schieberbewegung anhält, weil sich in dem Raum 27
infolge der vorhergegangenen Verdrängung von Luft nur noch geringe Luftmengen befinden:.
Die Beschleunigung führt deshalb nur zu geringerer Schiebergeschwindigkeit, so daß
der Rücklauf wesentlich langsamer erfolgt als die Öffnungsbewegung und der nahezu
volle Auslaßquaerschnitt verhältnismäßig lange geöffnet bleibt. Die Ausdehnung der
in. den Raum 27 verbliebenen Luft bedingt einen schnellen Abfall des Drucks in diesem.
Raum und, damit einen starken Abfall der auf dein, Boden des Schiebears 26 wirkenden
Kraft, deren Mittelwert wesentlich kleiner ist als der dieÖffnu-ngsbewegung bewirkenden,
Druckkraft. In einem
bestimmten Punkt de@chiebertw_°ges beim Rückgang
ist die Druckkraft im Raum 2; von gleicher Größe geworden wie die verzögernd wirkend;
Druckkraft in dem Raum, der zwis"2li,-n d--n Ventilei- z9 und dem RingIcolben 32
liegt. Bei dem Öffnungshub des Schiebers war verdichtete Luft in diesem Raum gedrückt
-vcrdcn. sip -wird beim Schieberrücklauf nunmehr na-li Abschluß der Ventile 29 durch
d:n Drosselspalt 33 in den Raum 2; zurückgedrängt. Hierdurch wird der Schieber gegen
End° seines Rücklaufs verzögert, so daß er sich mit der erforderlichen klein°n G°scli-vindigkeit
an die Begrenzung seiner Ausgaiigslag2 anlegt. Im letzten Teil s°_in-s Rückganges
in die Ausgangslage öffnet der Schieber durch Schlitze 34. in seiner Hülse 35 einen
Eimaß für verdichtete Luft, die durch das Rohr 36 in ZWeigrohre 37 , einen Ringkanal
3# und Zuführungsschlitze 39 in die Schlitze 34 gelangt. Dadurch füllt sich der
Raum 2; erneut mit Luft hohen Drucks. Das Auslaßventil ist damit -wieder zur Durchführung
einer Steuerung des Gasauslasses bereit.
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Die beim Rücklauf des Kolbens 23 der Einrichtung nach Abb. 2 verdichtete
Luft -wird zweckmäßig dazu benutzt, die Einstellung des Auslaßventils durchzuführen.
Besonders vorteilhaft ist es, diese verdichtete Luft ganz oder teil-v-eise zur Steuerung
der Ventilbewegung zu v °nrenden und sie danach, vorzugsweise -während der Vorverdichtung
des Treibmittels. in den Zylinder der Rückstoßeinrichtung zu entlassen. Während
es an sich möglich ist, die zur Steuerung des Gasauslasses benötigte verdichtete
Luft im Kreislauf -wiederholt zu vertvenden, ist ihre Erneuerung und ständige Abführung
in den Arbeitszylinder des Rückstoßantriebes vorteilhaft, weil dadurch unzulässige
Erwärmungen vermieden und zugleich die Vorteile einer -Nachladung des Arbeitszylinders
Erreicht werden. Zur Durchführung dieses Verfahrens sind in der Abb. 2 beispielsweise
die erforderlichen Regelglieder Die Führungsstange 24. ist an ihrem an der Luftpufferseite
liegendein Ende mit Rückschlags entilen d.o versehen.. durch die verdichtete Luft
dem Innenria:m der Stangc 24. zugeführt -wird, -wenn der Kolben 23 die Luft auf
höhere Werte verdichtet hat. Zur Einführung entsprechender Frischlufti-iangen in
den ZVIiiider 22 bedarf es noch zusätzlicher Einlaßventile, deren Anordnung keine
Schwilnrigkeiten bietet. Diese Ventil; sind nicht dargestellt. Aus dem Innenraum
der Führungstange gelangt die verdichtete Luft durch die Hülse des Ventils .I1 in
das Rohr 35, von wo sie- in den Raum . einströmt. Um die aus dein Raum 27
in deii Raum 30 verdrängte Luft bei der Vorverdichtung des Treibmittels in
den Verbrennungszylinder einzuführen, ist das Ventil 41 angeordnet. Bei der Verdichtung
des Treibmittels wird eine Kraft auf den Kolben dieses Ventils ausgeübt, da die
verdichtete Luft durch die öffnungen -3 in den Zylinderraum .1q. gelangt. Infolge
der Spannung der Feder .I5 wird der Ventilkörper. i erst nach dem Erreichen eines
bestimmten Drucks der Vorverdichtung nach rechts hin bewegt. Der Ventilkörper .4i
erhält dann bald eine hohe Geschwindigkeit und legt den bis dahin durch den -Mantel
4.6 verschlossenen Schlitz .4; frei. Durch diesen Schlitz strömt sodann ein Teil
der in dem Raum 30 gespeicherten und durch das Rohr 48 in den Ringraum des
Ventils 41 gelangenden Luft in den Zylinder 22 aus. Zwecks Verzögerung und Rückführung
des Ventilkörpers .I1 ist eine Strecke der Ventilhülse, die mit .49 bezeichnet ist,
mit kleinerem Außendurchmesser ausgeführt. so daß an dieser Stelle bei entsprechender
Größe des Ventilhubes verdichtete Luft des Raumes 48 in den Raum 5o des Ventils
tritt. Dadurch -wird eine schnelle Verzögerung und Rückführung des -' entilkörpers
erzielt, da der Druck der verdichteten Luft im Raum .48 höher ist als der Druck
der Treibgase während der @'orverdichtung. Die Anordnung ist zudem so getroffen,
daß der Kolben 23 den Schlitz .I7 im letzten Teil seines Arbeitshubes überläuft
und durch die Kolbenhülse geschlossen hält, damit das Ventil nicht dem Höchstdruck
der Verbrennungsgase ausgesetzt ist. Gibt der Kolben bei seinem Rücklauf den Schlitz
. -wieder frei, dann ist der Ventilkörper im -wesentlichen in seine Ausgangslage
zurückgekehrt, und er erreicht sie vollends mit dem Abfall des Drucks im Raum -i-l..
Es tritt zugleich auch ein Abfall des Drucks in dem Raum 5o des Ventils ein, da
nach dem Abschluß der Luftzufuhr aus dem Raum .f8 mit der Rückkehr des Ventils in
seine Ausgangslage ein Abströmen der Luft aus dem Raum go durch eine vorgegeb°ne
LTndichtheit eintritt. Diese tndichtheit ist b,ispielstv-eise durch das Spiel des
Kolbens .I2 in seinem Zylinder leicht einzustellen. Da für das Abströmen der Luft
verhältnismäßig lange Zeiten zur Verfügung stehen, braucht sie nur gering zu sein,
so daß sie den schnell verlaufenden Steuervorgang nicht stört. Nach dem Abfall des
Drucks im Zylinderraum 5o ist das Ventil zur Durchführung eines neuen Steuervorganges
bereit.
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Zur Vermeidung von Drosselverlusten bei der Ausströmung des Treibgases
ist es vorteilhaft, den Ausla.ßquerschnitt mit großer Ventilgeschwindigkeit zu öffnen.
Im Anfang der Ventilbewegung ist die Ventilgeschwindigkeit auch bei hohen Werten
der Beschleunigung nur gering. Ebenso gering sind die von dem
Ventil
dabei zurückgelegten Wege, während die Ventilgeschwindigkeit bereits nach verhältnismäßig
kurzen Wegen bei Anwendung von Flüssigkeits- oder Gasdruckkräften groß erhalten
wird. Damit ergibt sich, daß in vorteilhafter Weise große Ventilgeschwindigkeiten
bei Öffnungsbeginn erreicht -,verden, wenn im Anfang der Öffnungsbewegung der Ventilquerschnitt
abgeschlossen bleibt.
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Bei Rückstoßantrieben mit der erfindungsmäßigen Steuerung ist :es
im allgemeinem voirteilhaft, wenn das Auslaßventil so lange geöffnet ist, daß nach
dem: Ausströmen der verbrannten Treibgase Teile frischer Ladung der Rückstoßeinrichtung
den Auslaßkanal in Nähe des Auslaßventils erfüllen.. Außer der erwünschten Kühlung
des Auslaßkanals und der benachbarten, Flüssigkeit oder Gas enthaltenden Bauteile,
wird der Vorteil einer erhöhten Leistung des Antriebes erreicht, da entzündliche
Treibgase sowohl wie auch nicht mit Brennstoff angereicherte Luft (bei Brennstoffeinspritzung
im Arbeitszylinder) eine Erhöhung der beschleunigten. Massen ergeben. Bei Erfüllung
des Ausla,ßkanalS mit entzündlichem Treibgas tritt zudem bei der hohen Ausströmgeschwindigkeit
der heißen Verbrennungsgase aus dem Zylinder eine schnelle Durchzündung des entzündlichen
Gases und damit eine zusätzliche Steigerung der Rückstoßkraft ein.
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Bei der Steuerung des Auslaßventils durch Flüssigkeits- oder Gasdruckkräfte
ist es, in vielen Fällen besonders vorteilhaft, wenn die von Flüssigkeits- oder
Gasdruckkräften beeinflwßte Ventilfläche in der Abschlußstellung des Ventils einen
Teil des Zylinderbodens bildet. Die Anordnung dieser Fläche innerhalb des gesamten
Zylinderbodens ergibt erwünscht kleine Dichtungsdurchmesser zur Absperrung der unter
Druck stehenden Flüssigkeit oder des Gases.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die bei der Regelung der bewegten
Ventilmasse in einen Nebenraum verdrängte Flüssigkeit oder das verdrängte Gas zu
anderer Verwendung gespeichert oder unmittelbar als Energiequelle verwendet wird: