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Reglungsvorrichtung für eine Anlage mit mindestens einem Flugkolben-Treibgaserzeuge-r
und mindestens einer durch die Treibgase angetriebenen Turbine Die Erfindung bezieht
sich auf eine Regelungsvorrichtung für die Anlage mit mindestens einem Flugkolben
-Treibgaserzeuger, bei dem die in dem Verdichterteil verdichtete Druckluft als Spül-
und Ladeluft in den Brennkraftzylinder des Treibgaserzeugers eingeführt wird, während
aus den Auslaßöffnungen des Brennkraftzylinders das aus einem Gemisch von Druckluft
und unvollständig entspannten Verbrennungsgasen bestehende Treibgas austritt, wobei
nicht nur der Druck des Treibgases, sondern auch die Menge des Treibgases, letztere
durch Veränderung des Hubes der Freiflugkolben, in weiten Grenzen veränderlich sind.
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Ferner weist die genannte Anlage mindestens eine durch die Treibgase
angetriebene Turbine auf, an deren Kennlinie (Druck-Mengen-Linie) sowohl der Druck
als auch die Menge der Treibgase angepaßt werden müssen.
Es ist
schon eine Anlage mit einem Flugkolben-Treibgaserzeuger und einer durch die Treibgase
angetriebenen Turbine bekannt, bei der die Hublänge der Flugkolben des Treibgaserzeugers
nur in engen Grenzen veränderlich ist oder sogar auf einem bestimmten Wert gehalten
wird. Bei dieser bekannten Anlage muß zwecks Anpassung der Leistung des Treibgaserzeugers
an den Leistungsbedarf der Turbine zu der Regelung der Hubarbeit in dem Brennkraftteil
des Treibgaserzeugers noch eine besondere, unmittelbar auf die Treibgase selbst
wirkende Regelung hinzukommen, welch letztere die Menge, den Druck, die Temperatur
oder die Verteilung der Treibgase beeinflußt. Die hierbei auftretende Drosselung
des Druckes des Treibgases oder der in die Verdichterzylinder eintretenden Luft
oder der Auslaß von Treibgas ins Freie stellt aber stets einen erheblichen Leistungsverlust
dar.
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Es ist ferner auch schon ein Treibgaserzeuger mit in weiten Grenzen
veränderlichem Kolbenhub bekannt, dessen Regelungsvorrichtung nur auf die Brennstoffzufuhr
zum Brennkraftzylinder des Treibgaserzeugers einwirkt und sowohl unter dem Einfluß
des Geschwindigkeitsreglers der von dem Treibgas angetriebenen Maschine als auch
unter dem Einfluß des Treibgasdruckes steht.
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Bei der letztgenannten Einrichtung ist jedoch nicht dem Umstande Rechnung
getragen, daß die je Hub von dem Treibgaserzeuger lieferbare Mindestmenge gewisse
Grenzen, die mit dem Treibgasdruck veränderlich sind, nicht unterschreiten kann,
ebenso wie auch eine gewisse Höchstmenge, deren Größe von dem Druck abhängt, nicht
überschritten werden kann. Bei der bekannten Regelungsvorrichtung kann es vorkommen,
daß der Geschwindigkeitsregler der von dem Treibgas angetriebenen Turbine das Regelglied
der Brennstoffzufuhr zu dem Treibgaserzeuger in so starkem -Maße verstellt, daß
die genannten Grenzen überschritten werden, was entweder zum Stillstand des Treibgaserzeugers,
wenn nicht zu Zerstörungen in demselben führen kann.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind bei der Regelungsvorrichtung
gemäß der Erfindung, die mindestens im Hauptteil des normalen Arbeitsbereiches der
Anlage ebenfalls lediglich auf die Brennstoffzufuhr zum Brennkraftzylinder des Treibgaserzeugers
einwirkt, Anschläge vorgesehen, die von einem unter dem Treibgasdruck oder einem
entsprechenden Druck stehenden Regler gesteuert werden und den Bereich begrenzen,
innerhalb dessen der Geschwindigkeitsregler der von den Treibgasen angetriebenen
Turbine den Brennstoffregelkörper bei jedem Treibgasdruck frei verstellen kann.
Vorzugsweise haben die genannten Anschläge die Form nockenartiger Flächen.
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Es wird auf diese Weise erreicht, daß normalerweise jede Veränderung
der Geschwindigkeit der von den Treibgasen gespeisten Turbine unmittelbar und auf
schnellstem Wege einen Steuereinfluß auf die in den Treibgaserzeugereingeführte
B rennstofimenge hat. Jedoch kann diese Steuerung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
der Turbine nicht zur Überschreitung der durch die Betriebsbedingungen des Treibgaserzeugers
gesetzten und mit dem Treibgasdruck veränderlichen Grenzen führen, da die genannten
Anschläge wirksam werden, sobald diese Grenzen erreicht werden.
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In vielen Fällen reicht allein die Regelung der Brennstoffzufuhr zum
Brennkraftzylinder des Treibgaserzeugers für alle Betriebszustände der Anlage zwischen
Leerlauf und Vollast und selbst beim Anlassen der Anlage, d. h. bei dem Ingangsetzen,
bis zur Erreichung des Leerlaufzustandes aus. In anderen Fällen ist es jedoch zweckmäßig,
für das Anlassen oder für die dem Leerlauf benachbarten Betriebszustände der Maschine
noch eine zweite Regelung vorzusehen, die in dem Auslaß von Treibgas aus der Treibgasleitung
oder in dem Auslaß von Luft aus den Verdichterzylindern oder dem Zwischenbehälter
des Treibgaserzeugers besteht.
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Da die genannten Betriebszustände in der Regel nur kurze Zeit andauern,
ist der mit dem Auslaß von Treibgas verbundene Leistungsverlust praktisch ohne jede
Bedeutung.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar zeigt Fig. r schematisch und teilweise im Längsschnitt eine Anlage, welche
einen Treibgaserzeuger mit fliegenden Kolben zur Erzeugung von Treibgasen veränderlichen
Druckes sowie eine durch die Treibgase angetriebene Maschine aufweist; Fig. a und
3 stellen zwei Schaubilder zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung dar;
Fig..I veranschaulicht, in vergrößertem Maßstabe herausgezeichnet. eine erfindungsgemäß
ausgebildete Regelungsvorrichtung für die Brennstoffzufuhr zum Treibgaserzeuger
der Anlage nach Fig.r; Fig. 5 schließlich stellt einen schematischen Teilschnitt
durch einen Treibgaserzeuger mit einer Zusatzregelvorrichtung dar, die nur beim
Anlassen oder bei dem Leerlauf benachbarten Betriebszuständen wirksam wird.
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Die in Fig. z dargestellte Anlage weist einen Treibgaserzeuger mit
fliegenden Kolben auf, der ein Treibgas erzeugt, dessen Druck und Menge veränderlich
sind. Dieses Treibgas
dient zum Antrieb einer Turbine. Der Treibgaserzeuger
weist einen im Zweitakt und mit Spülung arbeitenden Brennkraftteil auf, mit dem
beispielsweise zwei einfach wirkende Kolben il und 12 zusammenarbeiten. Die beiden
Kolben bewegen sich in entgegengesetztem Sinn im Innern eines Brennkraftzylinders
2. Die Brennkraftkolben il und 12 sind an zwei Verdichterkolben 31 und 32 angeschlossen,
die in voneinander getrennten Verdichterzylindern q.1 und 42 arbeiten, welch letztere
die in ihnen verdichtete Luft in einen Behälter 5 liefern.
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Der Druckluftbehälter 5 ist an die anzutreibende Maschine, nämlich
an die Turbine 6, nicht unmittelbar angeschlossen, sondern der Behälter 5 steht
mit den Spül- und Einlaßöffnungen des Brennkraftzylinders 2 durch eine Leitung 7
in Verbindung, so daß die Gesamtheit der verdichteten Luft durch den Treibgaserzeuger
hindurchströmt, um dort die Spülung zu bewirken. Ein Teil dieser Luft dient lediglich
für die Verbrennung, während der Luftüberschuß, nachdem er die Spülung bewirkt hat,
zusammen mit den verbrannten Gasen über eine Leitung 8 in die Turbine 6 geleitet
wird.
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Ein Treibgaserzeuger mit den vorstehend genannten Merkmalen ist an
sich bekannt. Er ist im vorstehenden nur in einer sehr einfachen Ausführungsform
beschrieben, jedoch kann selbstverständlich der Treibgaserzeuger in vielfacher Weise
abgeändert und ergänzt werden, ohne daß hierdurch die Erfindung berührt wird.
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Was die Versorgung des Treibgaserzeugers mit Brennstoff anbelangt,
so. ist im folgenden angenommen, daß der Brennstoff eine Flüssigkeit ist und mittels
einer Pumpe 9 (Fig. q.) in den Zylinder 2 durch eine nicht dargestellte Einspritzdüse
hineingespritzt wird.
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Die Pumpe 9 ist mit einem Steuerkörper 1q. versehen, mit dessen Hilfe
die Menge des Brennstoffs, welche die Pumpe fördert und dem Brennkraftteil zuführt,
bemessen wird. Der Steuerkörper kann in bekannter Weise aus einem Gleitschieber
bestehen.
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Bevor näher auf die Regelvorrichtung eingegangen wird, mit der der
beschriebene Treibgaserzeuger versehen ist, seien die wichtigsten Arbeitsbedingungen
des Treibgaserzeugers näher erläutert.
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Der Treibgaserzeuger kann zwischen zwei Grenzhüben arbeiten, und zwar
ist der Mindesthub Lm durch den Geringstbetrag bestimmt, um den die Steueröffnungen
des Brennkraftzylinders 2 freigegeben werden müssen, während der größte Hub
Im durch die Sicherheitsbedingungen des Treibgaserzeugers bestimmt wird.
Die zur Spülung des Brennkraftzylinders notwendige Druckluftmenge braucht nicht
unter allen Umständen von den Verdichterzylindern geliefert zu werden, sie kann
mindestens zeitweilig auch aus dem Druckluftvorrat entnommen werden, der sich in
dem Zwischenbehälter zwischen den Verdichterzylindern und dem Brennkraftzylindereinlaß
befindet.
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In Fig. 2 ist ein Druckhubschaubild dargestellt, das sich auf den
Verdichterteil des Treibgaserzeugers bezieht. In diesem Druckhubschaubild sind die
Werte für die Hubgrenzen lm und LM ebenso wie verschiedene charakteristische
Betriebskurven A-B2, Dl-Cl und D2-C2, die zu dem betreffenden Verdichterteil gehören,
beispielshalber eingezeichnet. Diejenige Luftmenge, die zur Sicherung der Brennkraftzylinderspülung
als unerläßlich zu betrachten ist, ist durch die Strecke Bl-C1, B2-C2 usw. dargestellt.
Zwischen den Drücken p0 und p1 müssen sich die Kolben des Treibgaserzeugers mindestens
um die Strecke lm bewegen, und die Liefermenge B3-C3 verringert sich um so
stärker, je mehr der Druck zunimmt. Bei dem Druck p1 entspricht die Liefermenge
B'-Cl der für die Spülung des Zylinders notwendigen Mindestliefermenge. Bei den
Drücken oberhalb p1 muß die geringste Luftmenge B2-C2 ständig aufrechterhalten werden,
damit die Spülung des Brennkraftteils sichergestellt ist. Infolgedessen wird der
Hub A-C2 größer als der Mindesthub lm.
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In dem Druckhubschaubild nach Fig. 3 stellt die Schaukurve Im die
Veränderung der Menge des von dem Treibgaserzeuger 2 erzeugten Treibgases in Abhängigkeit
vom Druck dar, wenn die eingespritzte Brennstoffmenge bei den verschiedenen Druckwerten
des Treibgases immer die zu jedem Einzeldruck gehörende Mindestmenge ist.
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Die größte Menge des bei jedem Druck eingespritzten Brennstoffs, d.
h.. also die Brennstoffmenge, die zu dem größten Hub Im
gehört, ergibt sich
aus der Schaukurve IM, die die Mengenänderung des von dem Treibgaserzeuger erzeugten,
unter Druck stehenden Treibgases darstellt. Zwischen beiden Kurven wird für jeden
Druck: diejenige Brennstoffmenge eingespritzt, damit die Leistung des Treibgaserzeugers
gleich der Treibgasmenge ist, die von dem Aufnehmer bei dem gleichen Druck verbraucht
wird. Die charakteristische Kurve des Aufnehmers ist in Fig. 3 mit II bezeichnet.
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Aus dem Schaubild der Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Liefermenge
des Treibgaserzeugers nur zwischen den Punkten N und M
der Kurve II
an den Bedarf des Aufnehmers angepaßt werden kann. Die Punkte N und M sind diejenigen
Punkte, in denen die charakteristische Kurve II des Aufnehmers die
äußersten
charakteristischen Kurven des Gaserzeugers, welche dein größten und dem kleinsten
Hub entsprechen, schneidet.
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Die Regelvorrichtung gemäß der Erfindung dient dazu, die in den Brennkraftzylinder
2 einzuspritzende Brennstoffmenge derart zu regeln, daß der Treibgaserzeuger immer
diejenige Menge von Druckgas mit demjenigen Druck erzeugt, der bei den einzelnen
Betriebszuständen der von dem Druckgas angetriebenen Turbine der charakteristischen
Kurve II entspricht, wobei gleichzeitig darauf zu achten ist, daß in den Regelperioden
die durch die Kurven Im und Pf festgelegten Grenzen nicht überschritten werden.
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Bei der genannten Regelvorrichtung steht der Regelkörper 14 der Pumpe
9 unter dem direkten Regeleinfluß eines von der Turbine 6 angetriebenen Geschwindigkeitsreglers
28 und außerdem unter dem Regeleinfluß des Druckes des Treibgases oder eines entsprechenden
Druckes, insbesondere des Förderdruckes der Verdichterzylinder 4f, 4=, wobei jedoch
dieser Druck nur einen Berichtigungseffekt hat.
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Der Fliehlzraftregler 28 wird durch die Welle 3o der anzutreibenden
Turbine 6 mitgenommen. Der Regler wirkt auf den Steuerschieber 3 i eines pneumatischen
Relais 37 (Fig.4) ein. Das genannte Relais ist an den Brennstoffregelkörper i4 angeschlossen,
wobei in die Verbindung ein schwenkbarer Hebel 38 eingeschaltet ist.
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Um den obengenannten Kurven Im und 131
Rechnung zu tragen, werden
die Schwenkbewegungen des Hebels 38 durch Anschläge begrenzt, deren Stellung durch
den Regler 13 veränderlich ist, welcher unter dem Einfluß des Treibgasdruckes oder
eines entsprechenden Druckes steht. Dieser Regler hat gemäß Fig.4 die Form einer
manometrischen Kapsel, auf die der Treibgasdruck od. dgl. wirkt. Die genannten Anschläge
werden durch die Ränder einer Öffnung 4o gebildet, in welche ein mit dem Hebel 38
verbundener Zapfen 39 hineinragt. Die Öffnung 4o befindet sich in einem hin und
her schwenkbaren Teil 41, welch letzterer von dem druckempfindlichen Regler 13 gesteuert
wird. Die Ränder der Öffnung 4o haben vorzugsweise eine nockenartige Form. Man kann
die Öffnung 4o des schwenkbaren Teils 41 auch durch eine Art von Gabel ersetzen,
zwischen deren Zähnen der Zapfen 39 liegt.
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Bei schwachen oder langsam vor sich gehenden Änderungen der Belastung
wird die Menge des in den Treibgaserzeuger eingespritzten Brennstoffs nur durch
den Geschwindigkeitsregler 28 gesteuert. Bei raschen starken Änderungen der Belastung
dagegen kommen die Ränder der Öffnung 4o mit dem Zapfen 39 in Berührung und hatten
die Brennstoffregelung innerhalb des durch die Kurven Im und IM begrenzten Bereiches.
Sobald der Betrieb der Anlage sich auf einen neuen Gleichgewichtszustand eingespielt
hat, wird der Zapfen 39 wieder von den Rändern der Öffnung 4o frei, so daß allein
der Geschwindigkeitsregler28 die Brennstoffregelung besorgt.
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Gleichzeitig mit der Regelung der eingespritzten Brennstoffmenge können
auch der Zeitpunkt der Einspritzung und die Stellung der Einspritzdüsen in der -\'
erbrennungskammer selbsttätig in Abhängigkeit von dem Treibgasdruck oder einem entsprechenden
Druck geregelt werden. Zur Veränderung des Einspritzzeitpunktes wirkt der druckempfindliche
Regler z. B. in bekannter Weise auf das Antriebsglied des Kolbens der Brennsto -fteinspritzpumpe
ein, während zur Regelung der Stellung der Einspritzdüse diese um ihre Achse unter
dem Einfluß des genannten Reglers drehbar sein kann.
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Aus der oben behandelten Fig. 3 hat sich ergeben, daß es unterhalb
des Punktes 11 nicht möglich ist, die Regelung der Anlage allein durch Regelung
der Brennstoffeinspritzung zu bewirken. Bei zahlreichen Treibgaserzeugern ist jedoch
die Unterschreitung dieses Punktes beim Anlassen und bei dem Leerlauf benachbarten
Betriebszuständen notwendig. Um dies zu ermöglichen, wird der unter dem Einfluß
des Treibgasdruckes oder eines entsprechenden Druckes stehende Regler
13 bzw. ein hierzu besonders vorgesehener, durch den Treibgasdruck od. dgl.
betätigter Steuerkörper 23 (Fig. i ) dazu benutzt, bei den genannten Betriebszuständen
einen Überschuß an erzeugtem Treibgas auszulassen. Wenn beispielsweise bei einem
niedrigen Treibgasdruck, wie er während des Anlassens oder im Leerlauf auftritt,
diejenige Treibgasmenge. die dem Betrieb des Treibgaserzeugers mit der geringstmöglichen
Brennstoffeinspritzung bei dem betreffenden Druck entspricht, gleich der Linie R-r
(Fig. 3) ist, so ist der ausgelassene Überschuß gleich R-S. Die L'berschußmenge
wird durch die veränderliche Öffnung eines Ventils geregelt, das Treibgas aus der
Leitung 8 oder Luft aus dem Zwischenbehälter 5 ausläßt. Die Öffnung des Ventils
beginnt bei sinkendem Druck nach Unterschreiten des Druckes in, der dem Punkt 11
des Schaubildes der Fig. 3 entspricht.
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Mittels eines Steuerkörpers, der von dem Treibgasdruck od. dgl. beeinflußt
wird. läßt sich auch eine selbsttätige Regelung der von den Verdichterzylindern
ausgegebenen Druckluftmenge herbeiführen, so daß der Brennkraftzylinder 2 bei seinem
Mindesthub lm
(Fig. 2) eine Luftmenge erhält, die genau für
die Spülung ausreicht (Kurve AI-S-Bl der Fig. 3). Zu diesem Zweck wird beispielsweise
der Ansaughub oder der Verdichtungshub des Verdichters begrenzt. Die Begrenzung
der Erzeugung verdichteter Luft kann, 'wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, dadurch
geschehen, daß ' die Stange 17 des durch den Treibgasdruck gesteuerten Kolbens 13
über einen Schwinghebel 18 auf einen Schieber 2o .einwirkt. Mittels des Schiebers
wird mindestens eine Öffnung 21 freigegeben, die in der Wand eines jeden der beiden
Verdichterzylinder 41 und 42 angeordnet ist, so daß sich der Beginn des Verdichtungshubes
mehr oder weniger verzögert und so die Menge der verdichteten Luft bemessen läßt.
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Bei der schon behandelten Ausführungsform nach Fig. i, bei der ebenfalls
ein Teil der von dem Treibgaserzeuger erzeugten Gase unterhalb eines bestimmten
Betriebsdruckes in die Außenluft ausgelassen wird, wird der Überschuß der Spülluft
zweckmäßigerweise von den heißen Gasen getrennt, und es werden nur die heißen Gase
in die Turbine 6 geleitet. Der Überschuß der Spülluft wird durch eine Leitung i9,
22 abgezweigt. In diese ist eine selbsttätige Steuervorrichtung eingeschaltet, die
beispielsweise aus einem Gleitschieber 23 besteht. Dieser steht unter dem Druck
in der Leitung i9, die an den Spülluftbehälter 5 angeschlossen ist. Je nach der
Stellung, die der Steuerschieber 23 unter dem Druck in dem Behälter 5 und in der
Leitung i9 einnimmt, wird entweder der Überschuß an Spülluft durch die zentrale
Leitung 25 des Steuerschiebers 23, die Öffnung 24, die Nut 26 und die Leitung 22
der Turbine 6 zugeführt, ohne durch den Brennkraftzylinder 2 hindurchgegangen zu
sein, oder aber der ÜberSChuß geht durch die zentrale Leitung 25 und die Auslaßöffnung
27 in die Außenluft. Sobald der Druck in dem Behälter 6 genügend hoch geworden ist,
verschließt der Schieber 23 die Leitung 22 und die Öffnung 27 völlig, und die ganze
verdichtete Luft geht durch den Brennkraftzylinder.
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Da das im vorstehenden beschriebene Auslassen von Treibgas oder von
verdichteter Luft nur beim Anlassen oder bei dem Leerlauf benachbarten Betriebszuständen
stattfindet, hat der dadurch .bewirkte Verlust praktisch keinen Einfluß auf den
Wirkungsgrad der Anlage und kann vernachlässigt werden.