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Heißgaskolbenmaschine Bekannt ist eine Heißgaskolbenmaschine, bei
der die erzeugte oder im Falle einer Kühlmaschine absorbierte Maschinenenergie durch
Änderung der im Arbeitsraum oder in den Arbeitsräumen vorhandenen Menge des Arbeitsmittels
veränderlich ist. Unter einem Arbeitsraum ist derjenige Teil der Maschine zu verstehen,
in dem sich ein thermodynamischer Kreislauf vollzieht. Bei Heißgaskolbenmaschinen
üblicher Bauart ist ein solcher Arbeitsraum als ein Gebilde gestaltet, das aus den
zueinandergehörigen, im Volumen veränderlichen warmen und kalten Räumen und den
zwischen diesen Räumen vorhandenen Verbindungen besteht, in denen gewöhnlich ein
Erhitzer, ein Regenerator und ein Kühler untergebracht sind. Die Leistungsreglung
eines Heißgasmotors kann z. B. unter Zuliilfenahme eines Zentrifugalreglers durchgeführt
werden, der derart mit dem Motor zusammen arbeitet, daß bei einer Verringerung der
Belastung des Motors der mittlere Druck in den Kreisläufen verringert wird, während
bei einer Verringerung der Umdrehungszahl des Motors infolge einer Zunahme der Belastung
dem MotorArbeitsmittel unter Druck zugeführt wird und somit die erzeugte Leistung
ansteigt.
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Bei Benutzung der bekannten Regelvorrichtungen reicht jedoch der Regelbereich
und/oder die Regelgeschwindigkeit der Maschine nicht immer aus. Zur Vermeidung dieses
Nachteils ist der Regler gemäß der Erfindung derart eingerichtet, daß bei einem
jeden von wenigstens zwei Drehzahlbereichen der Maschinenwelle Verbindungen zwischen
wenigstens einem Arbeitsmittel enthaltenden Behälter und einem jeden der Arbeitsräume
hergestellt werden.
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Wenn in dieser Beziehung von verschiedenen Drehzahlbereichen die Rede
ist, so bedeutet dies, daß diese Bereiche voneinander verschiedene untere sowie
obere Grenzen haben. Manchmal können sich die obere und die untere Grenze eines
Drehzahlbereichs
decken; es ist also in diesem Falle der Drehzahlbereich
auf eine einzige Umdrehungszahl beschränkt.
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Im allgemeinen wird die obere Grenze eines Drehzahlbereichs über die
untere Grenze des anderen Drehzahlbereichs hinausgehen. In anderen Fällen können
sich diese Grenzen decken.
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Weiter besteht die Möglichkeit, daß sich die Art der Verbindung zwischen
dem Arbeitsraum und einem Behälter bei einem Drehzahlbereich der Maschine wesentlich
von derjenigen bei einem anderen Drehzahlbereich unterscheidet.
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Diese Möglichkeiten werden an Hand einiger Beispiele erläutert: a)
Bei einem Drehzahlbereich des Reglers werden die Arbeitsräume infolge des Anhebens
eines Ventils je mittels eines zu diesem Zweck am Regler vorgesehenen Organs während
einer kurzen Zeit eines jeden Kreislaufs, z. B. während der zur Drehung der Maschinenwelle
um einen Winkel von 5 bis io° erforderlichen Zeit, mit einem Behälter in Verbindung
gesetzt, der Arbeitsmittel unter einem bestimmten Druck enthält. Wenn sich die Belastung
der Maschine nicht ändert, wird sich eine Gleichgewichtslage zwischen den Drücken
im Behälter und im Arbeitsraum einstellen. Nimmt die Belastung der Maschine zu oder
ab, so wird dies eine Änderung der Drehzahl der Maschinenwelle mit sich bringen,
was sich bei einer bereits bekannten Regelvorrichtung darin auswirkt, daß sich die
Zeit, in der die Verbindung zwischen dem ( Behälter lie (las Diagramm und dem Arbeitsraum
des sich im besteht, Arbeitsraum über vollziehenden Kreislaufs darstellende Kurve
verschiebt. Nun stellt sich eine neue Gleichgewichtslage -zwischen den Drücken im
Behälter und im .\rbeitsraum ein.
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Es kann vorkommen, daß diese Regelmöglichkeit bei plötzlicher völliger
Entlastung der Maschine nicht ausreicht, um zu verhüten, daß die Maschinenwelle
durchgeht. Bei Anwendung der 1Zegelvorrichtung gemäß der Erfindung wird die Regelmöglichkeit
beim anderen Drehzahlbereich des Reglers eingerückt, und es werden infolgedessen
z. B. alle Kreisläufe während wesentlich längerer Zeit als bei der ersten Regelmöglichkeit
mit einem Behälter in Verbindung gebracht. Dies hat zur Folge, daß die Oberfläche
des Indikatordiagramms und somit die Leistung der Maschine kleiner wird. Es wird
erreicht, daß die Umdrehungszahl der -Maschine innerhalb zulässiger Grenzen bleibt.
Bei beiden Drehzahlbereichen werden also derselbe Arbeitsraum und derselbe Behälter
und auch dieselbe Verbindung zwischen beiden benutzt. Nur werden im ersteren Fall,
also beim ersten Drehzahlbereich, die Arbeitsräume aufeinanderfolgend während kurzer
Zeit je Kreislauf mit dem Behälter iii Verbindung gebracht, während im zweiten Drehzahlbereich
alle Arbeitsräume gleichzeitig während bedeutend längerer Zeit mit dem Behälter
in Verbindung stehen.
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Bei dieserRegelmöglichkeit kann selbstverständlich der Auslaß von
Arbeitsmittel aus den Arbeitsräumen auch in die freie Luft vorgenommen werden, wodurch
sich eine noch schnellere Reglung ergeben wird. In diesem Fall ist die freie Luft
als zweiter Behälter wirksam.
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b) Bei einem Drehzahlbereich des Regler werden, wie das auch bei dem
unter a) angegebenen Beispiel stattfand, die Arbeitsräume je durch das Anheben eines
Ventils mittels eines zu diesem Zweck am Regler vorhandenen Organs während einer
kurzen Zeit je Kreislauf, z. B. während der Zeit, welche die Maschinenwelle zur
Drehung um einen Winkel von 5 bis io° benötigt, mit einem Behälter verbunden, der
Arbeitsmittel unter einem bestimmten Druck enthält. Auch jetzt wird sich eine Gleichgewichtslage
zwischen dem Arbeitsraum und dem Behälter und bei einer Zu- oder Abnahme der Maschinenbelastung
eine neue Gleichgewichtslage einstellen.
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Reicht nun diese Möglichkeit nicht aus, um zu verhüten, daß die Maschinenwelle
bei Entlastung der Maschine durchgeht, so tritt die Regelmöglichkeit des Reglers
beim zweiten Umdrehungszahlbereich in Wirksamkeit, und es werden die Arbeitsräume
im Gegensatz zu dem, was beim zweiten Regelbereich in dem unter a) angegebenen Beispiel
geschah, aufeinanderfolgend während einer kurzen Zeit je Kreislauf mit der freien
Luft oder mit einem Behälter verbunden, in dem Arbeitsmittel unter einem Druck vorhanden
ist, der niedriger ist als der Druck des `'Merkmittels im ersten Behälter.
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Es ist ersichtlich, daß mittels der Erfindung je nach Bedarf bei verschiedenen
Drehzahlbereichen der Maschinenwelle verschiedene Regelmöglichkeiten erzielbar sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Betätigungsorgane
zweier Ventile, die je eine der zwei Verbindungen eines einzigen Arbeitsraums steuern,
in verschiedenen Abständen von der Mittellinie der Welle, um die sich der Reglerkörper
dreht, der das an ihm schNvingbar befestigte Reglergewicht trägt. Dabei kann, gemäß
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, das Gewicht des Reglers nur ein Steuerorgan
für die Betätigungsorgane der beiden Ventile enthalten, z. B. derart, daß bei einem
Drehzahlbereich dieses Steuerorgan in einem anderen Abstand von der Umdrehungswelle
des Reglerkörpers eines dieser Ventile steuert als bei einem anderen Drehzahlbereich.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Regelvorrichtung nach der Erfindung
werden zwei Verbindungen zwischen einem Arbeitsraum und einem Behälter von einem
einzigen Ventil gesteuert, wobei an dem am Regler vorhandenen Gewicht zwei Steuerorgane
für dieses Ventil vorhanden sind.
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An Hand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert:
Fig. i zeigt im Schnitt die Regeleinrichtung bei einer Ausführungsform der -Maschine
nach der Erfindung; Fig. a ist eine Draufsicht auf das Gewicht des Reglers mit den
auf ihm vorhandenen Steuerorganen;
Fig.3 stellt eine andere Ausführungsform
der Regeleinrichtung nach der Erfindung dar, und Fig..l ist eine Draufsicht auf
das Gewicht des 1Zeglers mit dem auf ihm vorhandenen Steuerorgan.
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In Fig. i bezeichnet io einen Behälter, der Arbeitsmittel, in diesem
Fall Luft, unter konstantem über Atmosphärendruck liegenden Druck enthält; i r ist
die Regeleinrichtung, die vom Regler 12 bet;itigt wird. Vom Behiilter io aus wird
Luft durch eine gemeinsame Leitung 13 durch mehrere (hier vier) mittels Ventile
16 zu öffnende und zu schließende Öffnungen i t und durch Leitungen 15 den v ier
:\rl>eitsriiuinen Die dargestellte Regeleinrichtung dient zur Reglung einer Maschine
mit vier @rlieitsriiuiiieti. Die Zahl der Arbeitsräume spielt nur eine ganz unwesentliche
Rolle.
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1)ie Ventile 16 bestehen je aus einem Ventilteller und einer Ventilspindel,
wobei letztere durch eine eloppelt ausgebildete Membran 17 hindurchragt, an der
sie gasdicht befestigt ist. Die V entile 16 werden mittels nicht dargestellter Federn
gegen die Sitze in den Öffnungen 14 gedrückt. Die Ventile 16 k("@iinen durch Federhebel
18 geöffnet werden, die auf ihrer Unterseite einen Ansatz i9 aufweisen und im Gehäuse
der Regeleinrichtung i i befestigt sind.
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Die Federliebel 18 werden zu verschiedenen Zeiten bei dem einen Drehzahlbereich
der Maschinenwelle von nockenförmigen, am Gewicht 29 des Reglers 12 befestigten
Steuerorgan 20 und bei dem an(leren Prehzahlhereich dieser Welle gleichzeitig von
dem Teller 22 eines pilzförmigen Körpers 21 angehoben. Dieser Körper 21 kann von
einem gleichfalls am Reglergewicht 29 vorgesehenen Steueransatz 34 angehoben werden.
Der Teller 22 liegt in seiner Ruhelage unterhalb der Federhel)e#1 18. Weini cler
Körper 21 jedoch durch Zusammenwirken des Ansatzes 34 mit einem auf der Viiterseite
des Tellers 22 sitzenden Ansatz 22a aufwärts bewegt wird, kommt die im Sinne der
Zeichnung ollere Seite des Tellers 22 mit den unteren Flächen der Federhebel i8
in Berührung, lieht diese an und liebt infolgedessen die Ventilteller 16 alle zugleich
aus den Öffnungen 1:I. Der Teller 22 des Körpers 21 ist an einem Schaft 23 befestigt.
der in einer Buchse 24 geradgeführt wird. Eine Feder 25 hält den Körperei in seiner
unteren Lage, wobei ein am Schaft 23 befestigter Stift 26 die Bewegung des Körpers
21 in senkrechter Richtung durch Zusammenwirken dieses Stiftes mit den Enden von
Schlitzen 27 in der Wand der Buchse 2.1 begrenzt.
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1 )er Regler 12 enthält einen mittels eines Keils 33 ,in der Welle
32 befestigten Körper 28 und ein ReglergewiCht 29, das gegenüber dem Körper 28 entgegen
der Kraft einer Feder 31 um die Achse 30 drehbar ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. i fällt die Mittellinie der Reglerwelle
32 mit der Mittellinie des pilzförmigen Organs 21 zusammen.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende: Wenn bei einer
Umdrehung der Maschinenwelle, mit welcher die Reglerwelle 32 gekuppelt ist, das
Reglergewicht 29 die in der Zeichnung dargestellte, durch das Gleichgewicht zwischen
der infolge der Umdrehung der Welle 32 auf dieses Gewicht ausgeübten Zentrifugalkraft
und der Spannung der Feder 31 bestimmte Lage einnimmt, so kommt der nockenförmige
Ansatz 2o nacheinander mit den an den Federhebeln 18 befindlichen Ansätzen i9 in
Berührung. Dies wirkt sich dahin aus, daß diese Hebel und somit die Ventile 16 nacheinander
kurz angehoben werden. Hat sich der nockenförmige Ansatz 20 über einen der Ansätze
i9 hinaus weitergedreht, so schließt sich das. betreffende Ventil sofort wieder
unter der Wirkung einer nicht dargestellten, diesem Ventil zugeordneten Feder.
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Während der kurzen Zeit, in der ein Ventil 16 geöffnet ist, steht
der das Arbeitsmittel unter konstantem Druck enthaltende Behälter io mit dem Maschinenzylinder
in Verbindung, zu dem dieses Ventil 16 Zugang schafft. Besteht in dem Augenblick,
in dem das Ventil 16 geöffnet ist, kein Unterschied zwischen dem Druck des Behälters
io und dem im Arbeitsraum, so findet kein Fließen von Arbeitsmittel in der einen
oder anderen Richtung statt. Liegt aber ein Druckunterschied vor, so wird während
der kurzen Zeit, in der das Ventil 16 geöffnet ist, der dann im Maschinenzylinder
herrschende höhere Druck sich weitgehend auf den Wert des konstanten Drucks im Behälter
io einstellen, und es fließt Arbeitsmittel vom Zylinder zum Behälter io hinüber.
Häufig wird die Zeit, während welcher der Behälter io je mit den einzelnen Zylindern
infolge der Öffnung der Ventile 16 in Verbindung steht, zu kurz sein, um jeweils
den Ausgleich zwischen dem Druck im Behälter io und dem betreffenden Zylinder während
einer einzigen Öffnungsperiode des zugehörigen Ventils 16 zu bewirken. Dies ist
an sich kein Nachteil, da nach kurzer Zeit, und zwar nach Ablauf der für eine Umdrehung
der Maschinenwelle erforderlichen Zeit, dieses Ventil 16 erneut kurz geöffnet wird
und wieder Arbeitsmittel aus dem Behälter io in den betreffenden Maschinenzylinder
hineinströmt oder umgekehrt. Dieses Hinüberfließen setzt sich fort, bis der erwünschte
Ausgleich erreicht ist.
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Ändert sich die Belastung der -Maschine, so wirkt sich dies zunächst
in einer Änderung der Umdrehungszahl der Maschinenwelle aus, wodurch das Reglergewicht
29 um die Achse 30 schwingt und eine andere Lage gegenüber dem Körper 28
einnehmen wird. Das nockenförmige Steuerorgan 20 ist nun derart gestaltet, daß in
der neuen Lage des Reglergewichts die Zeit, in der durch Zusammenwirken des Steuerorgans
20 und einem jeden der Hebel 18 eine Verbindung zwischen dem Behälter io und den
einzelnen Maschinenzylindern hergestellt wird, gegen den sich im betreffenden Maschinenzylinder
vollziehenden Kreislauf versetzt ist; mit anderen Worten, gegenüber der Lage vor
der Belastungsänderung herrscht während der Zeit, während welcher eine Verbindung
zwischen dem Behälter io und einem Arbeitsraum besteht, im Arbeitsraum ein anderer
Druck vor als vor der
Belastungsänderung. Dieser andere Druck wird
sich nun dem konstanten Druck im Behälter 20 anpassen, was eine Anpassung des Druckpegels
in den Arbeitsräumen an die geänderte Belastungslage zur Folge hat. Der pockenförmige
Ansatz 20 wird derart gestaltet, daß die Möglichkeit besteht, sowohl den tiefsten
als auch den höchsten Druck des sich in einem Zylinder vollziehenden Kreislaufs
dem Druck im Behälter io anzugleichen.
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In gewissen Fällen wird nun jedoch diese an einen bestimmten Drehzahlbereich
gebundene Regelmöglichkeit nicht hinreichend schnell sein oder nicht ausreichen,
so daß es erwünscht ist, außerdem eine Regelmöglichkeit bei einem anderen Drehzahlbereich
zur Verfügung zu haben. Daher ist bei der Ausführungsform nach den Fig. i und 2
das Reglergewicht 29 mit einem zweiten Steuerorgan 34 versehen. Wenn bei der dargestellten
Ausbildung der Regeleinrichtung i i der in Fig. 2 ganz links liegende Teil des pockenförmigen
Steuerorgans 2o die Ventile 16 betätigt hat, wobei der maximale Druck in allen Maschinenzylindern
gleich dem Druck im Behälter io ist, kommt der Ansatz 34 am Reglergewicht 29 mit
dem Ansatz 22° auf der Unterseite des Tellers 22 des pilzförmigen Körpers 21 in
Berührung und hebt alle Ventile 16 gleichzeitig an. Hierdurch wird die Gefahr abgewendet,
daß der Druck in den Arbeitsräumen unzulässig hoch wird. Der Zustand, daß alle Ventile
16 gleichzeitig geöffnet sind, bleibt so lange bestehen, bis dieUmdrehungszahl derMaschinenwelle
und somit der Reglerwelle 32 derart gesunken ist, daß die Feder 31 fähig ist, das
Reglergewicht 29 zurückzuziehen und infolgedessen den Ansatz 34 von dem Ansatz 22°
des Tellers 22 zu entfernen.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 ist der Regler mit 38,
die Regeleinrichtung mit 37 bezeichnet. Es ist auch ein Behälter io vorhanden, der
Arbeitsmittel unter konstantem Druck enthält und der in offener Verbindung mit einer
Kammer 50 steht, die durch die Ventile 16 mit Räumen 51 in Verbindung gebracht
werden kann, die je mittels eines Kanals 52 mit dem zugehörigen Arbeitsraum der
Maschine in Verbindung stehen. Die Schäfte der Ventile 16 sind auch hier mittels
doppelt ausgebildeter Membranen 17 gasdicht durch die untere Wand der Kammer 5o
hindurchgeführt und werden von Federhebeln 18A betätigt, die hier nur teilweise
dargestellt sind.
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In jede der Kammern 51 mündet außerdem über ein Ventil 39 ein Kanal
53, der mit der freien Luft in Verbindung steht. Die Spindel jedes Ventils 39 ist
in, einer Buchse 40 geführt. Die Ventile 39 werden von einem in der Zeichnung nur
teilweise dargestellten Federhebel 188 betätigt.
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In der Mitte unter der Kammer 5o ist die mit der Maschinenwelle gekuppelte
Reglerwelle 32 angeordnet, an der ein Körper 6o mittels eines Keils 33 befestigt
ist. Um die an diesem Körper befestigte Achse 42 schwingt das Reglergewicht 41 gegen
die Zugkraft einer Feder 31. Auf dem Reglergewicht41 befindet sich der pockenförmige
Ansatz 2o, der in Fig. 4 in Draufsicht dargestellt ist. Auch diese Vorrichtung soll
bei zwei Drehzahlbereichen wirksam sein, und zwar einem Drehzahlbereich, bei dem
die Ventile 16 voll einem der zwischen A-A und D-1) liegenden Teile (Fig. 4) des
Ansatzes 2o betätigt werden, und einem anderen Drehzahlbereich, bei dem dieselben
zwischen A-A und D-D liegenden Teile des Ansatzes 20 die Ventile 3q betätigen.
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\\"eim die Ventile 16 wirksam sind, wird in Abhängigkeit von der L-indrehungszahl
im ersten Drehzahlbereich Arbeitsmittel aus dem Behälter to aufeinanderfolgend in
einen jeden der Arbeitsräume gelassen, während beim anderen Drehzahlbereich :arbeitsmittel
aufeinanderfolgend aus einem jeden der Arbeitsräume in die freie Luft etit\\ eichen
kann. Infolge der Gestalt des Ansatzes 2o wird die Zu-bzw. Ableitung von Arbeitsmittel
zii bzw. aus den Arbeitsräumen in Abhängigkeit voii der momentanen Umdrehungszahl
der Maschine bei verschiedenen Drücken erfolgen können.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 ist also die freie Luft
als einer der Arbeitsmittel enthaltenden Behälter wirksam. Es ist selbstverständlich
auch möglich. die Kanäle 53 mit einem ein Arbeitsmittel enthaltenden Behälter unter
einem den Atmosphärendruck übersteigenden, konstanten Druck mit einem vom Druck
im Behälter io verschiedenen Wert zu verbinden.