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Gasmaschine mit einer Regelung, welche in Abhängigkeit vom Maschinenregler
Menge und Zusammensetzung des Füllungsgemisches ändert Die Erfindung betrifft Gasmaschinen
mit einer Regelung, welche in Abhängigkeit von einem Maschinenregler die Menge und
Zusammensetzung des Gemisches über den ganzen Belastungsbereich der Maschine selbsttätig
ändert. Man regelte hierbei so, daß in die Gas- und Luftleitungen eingebaute Drosseln
oder Schieber je nach der Reglerstellung mehr oder weniger an Durchströmquerschnitt
in den einzelnen Leitungen freigaben oder daß der Hub des Einlaßventils in Abhängigkeit
vom Regler geändert wurde, wobei von der höchsten Reglerstellung (Leerlaufstellung)
ausgehend zu den dort vorgesehenen Gas- und Luftmengen zu verhältnisgleichen Teilen
Gas und Luft zugesetzt wurde. Diese Zusätze änderten sowohl die Menge des Gemisches
als auch seine Zusammensetzung, jedoch nur im Sinne einer Verkleinerung des Luftüberschusses
in dem vom Leerlauf bis zur Vollast reichenden Belastungsbereich, so daß bei Leerlauf
und den kleineren sowie den mittleren Belastungen mit einem großen Luftüberschuß
gearbeitet werden mußte, der zu unsicherer Zündung und damit zu hohem Wärmeverbrauch
führte. Der ganze Lauf des Verbrennungsvorgangs wurde also dort von einer Grundstellung
der Regelvorrichtung beherrscht, welche für Vollast eingerichtet war und für diesen
Betrieb die Voraussetzung zu einer günstigen und die Abgase von brennbaren Bestandteilen
weitgehend freimachenden Verbrennung schuf, die bei kleineren Belastungen und bei
Leerlauf
naturgemäß nicht mehr vorhanden war, so daß man sich dort
mit einem verhältnismäßig schlechten thermischen Wirkungsgrad begnügen mußte.
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Daneben sind auch Regelungsverfahren für Explosionskraftmaschinen
bekanntgeworden, gemäß denen bei abnehmender Belastung zunächst unter Beibehaltung
der Zylinderfüllung, d. h. also der Gemischmenge, der Gasgehalt des Gemisches vermindert
wird, worauf dann über eine bestimmte Strecke das Mischungsverhältnis unter Verminderung
der Füllung konstant gehalten und erst im letzten Teil der niedersten Last ein geringes
Ansteigen des Gasgehalts bei weiterer Verminderung der Zylinderfüllung stattfindet.
Bei einem anderen Regelungsverfahren derselben Art von Maschinen soll mit abnehmender
Leistung zunächst im Bereich der hohen Belastungen der Gasgehalt der Mischung unter
Beibehaltung der Füllungsmenge bis auf das niedrigste noch eine sichere Zündung
verbürgende Maß herabgesetzt werden, um dann bei konstant gehaltenem Mischungsverhältnis
die Menge zu vermindern. Hierbei berücksichtigte man bei der Festlegung des Mischungsverhältnisses
ebenfalls die noch im Zylinder verbleibenden Rückstände.
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Bei a11 diesen bekannten Regelungsverfahren konnten aber nicht sämtliche
an eine einwandfreie Regelung zu stellenden Anforderungen erfüllt werden, welche
dahin gehen, einen stetigen Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit von der Stellung
des Reglers zu erzielen, und zwar nicht nur zwischen Höchstlast und Leerlauf, sondern
sogar über die Leerlaufgrenze hinaus, bei nahezu gleicherEmpfindlichkeit derRegelung
in allen Belastungsstufen und bei geringstem Wärmeverbrauch bei den verschiedensten
Belastungen.
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Durch die vorliegende Erfindung soll nun eine Regelung verwirklicht
werden, welche all diese Forderungen in vollem Umfange mit vereinfachten Mitteln
erreichen läßt. Die Erfindung besteht darin, daß die Abhängigkeit der Leistung vom
Reglerhub einerseits und die des Reglerhubs von der Drehzahl andererseits durch
Bemessung der jeweils wirksamen Querschnitte der Gas- und Luftdurchgänge so aufeinander
abgestimmt werden, daß die Leistung sich mit der Drehzahl angenähert linear ändert.
Hierbei ergibt sich eine nahezu gleiche Empfindlichkeit der Regelung in allen Belastungsstufen.
Zur Erreichung dieser Forderung wurde von folgenden Überlegungen ausgegangen Bei
den mit Drosselregelungen arbeitenden Gasmaschinen ist der Teilungleichförmigkeitsgrad,
bezogen auf gleichmäßige Belastungsänderungen, im Bereich geringer Belastungen kleiner
als in der Nähe der vollen Last. Eine derartige Maschine neigt daher im Bereich
der geringen Belastungen zu Pendelungen, und man versuchte bisher, diesen Nachteil
durch Vergrößerung des Gesamtgleichförmigkeitsgrads zu beheben. Die Drehzahlkennlinie
wird maßgebend beeinflußt von den Eigenschaften des Reglers und von dem Verlauf
der Leistung in bezug auf die Muffenstellungen. Es muß daher selbst dann, wenn die
Durchgangsquerschnitte für Gas und Luft mit zunehmendem Reglerhub proportional abnehmen,
die Leistung gegen die Vollast langsamer steigen, als der Reglerhub fällt, da bei
wachsender Leistung die Untersaugung abnimmt und daher die Strömungsgeschwindigkeit
kleiner wird. Es ergibt sich daher für die Leistungscharakteristik eine gekrümmte
Linie.
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Durch besondere Bemessung der Gas- und Lufteintrittsquerschnitte in
der aus einem Drehschieber bestehenden Zumeßeinrichtung gemäß der Erfindung ist
es nun gelungen, die Drehzahlcharakteristik so weit-,gehend zu beeinflussen, daß
sich eine ziemlich geradlinige Kurve von geringem Abfall ergibt. Maßgebend für diese
Beeinflussung ist die Ausführung der Luft-und Gasfenster auf veränderliche Breite,
wobei eine einseitige Abschrägung des Luftfensters an der Leerlaufseite und eine
entsprechende leicht kurvenförmige Kante sich am Gasfenster als besonders vorteilhaft
herausstellten.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
bei welchem zwischen dem das Einlaß- oder Mischventil tragenden Zylinderkopf i und
den Gas- und Luftleitungsrohren 2 und 3 (Abb. i) eine Drehschiebersteuerung eingebaut
ist. Das Gehäuse 4 dieser Steuerung enthält zwei gegeneinander abgesperrte Räume
5 und 6, welche die Gas- bzw. Luftkammer des Zylinderkopfes i mit den entsprechenden
Zuführungsleitungen 2 und 3 verbinden und durch Drehschieber 7 und 8 (vgl. auch
Abb. 2) nach der Zylinderseite hin geschlossen werden können. Die Drehschieber 7
und 8 werden durch eine Welle 9 gemeinsam betätigt, welche über den Arm io mit dem
nicht dargestellten Gestänge des Maschinenreglers in Verbindung steht. Dieser ist
im vorliegenden Falle ein Fliehkraftregler, der zufolge seiner durch die Pendel
gegebenen ungleichförmigen Reglercharakteristik bei gleichen Drehzahländerungen
verschiedene Ausschläge ergibt; und zwar je nach der Stellung des Reglers, von welcher
der Regelvorgang ausgeht. Diese Ungleichmäßigkeiten, welche sich auch auf die Welle
9 übertragen, werden durch Zusammenwirken entsprechender Änderungen an den Eröffnungsquerschnitten
des Gas- und Lufteinlaßschiebers aufgehoben, dem bei Drehschiebern durch entsprechende
Gestaltung der die jeweiligen Eröffnungsquerschnitte bestimmenden Eröffnungskante
leicht Rechnung getragen werden kann.
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Die Eröffnungsquerschnitte werden durch die in den Schiebern 7 und
8 angebrachten Fenster ii und 12 bestimmt, welche in Abb. 3 in ihrer Abwicklung
größer herausgezeichnet sind. Die strichpunktierten Linien a und b bezeichnen
dort die Eröffnung bei Leerlauf, a,
und die Querschnittsfreigabe bei Vollast,
b. Die Höhen beider Fenster ii und 12 sind entsprechend dem bei Vollast für eine
einwandfreie Verbrennung nötigen Luftüberschuß angepaßt. Bei Leerlauf ist der Eröffnungsquerschnitt
im Gasfenster ii bedeutend niedriger, steht aber mit dem durch die Undichtigkeiten
in der Schieberpassung (Ringspalt) von vornherein frei liegenden Gasquerschnitt
in einem solchen Verhältnis zum gleichzeitig frei gegebenen Luftquerschnitt, daß
sich, wie die Kurve in Abb. 4 für Leuchtgas zeigt, ein dem Vollastwert a ungefähr
gleicher Luftüberschuß a o ergibt. Dieser sichert die Zündfähigkeit des in diesem
Bereiche armen Gemisches und gewährleistet ein gutes Durchbrennen dieses Gemisches.
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Die Anfangswerte und die Zunahmen der durch die mehr oder weniger
schrägen Steuerkanten 13 und 14 der beiden Fenster ii und 12 bestimmten öffnungsquerschnitte
sind
so gewählt, daß mit zunehmender Belastung sich größere Luftüberschüsse einstellen,
welche den Wärmeverbrauch der Maschine auf günstiger Höhe halten. Von etwa '/2 bis
3/4 Last an nimmt, wie Abb. 4 es zeigt, der Luftüberschuß zur Sicherstellung der
in diesem Bereich erforderlichen Leistung wieder ab und sinkt allmählich bis auf
den Vollastwert. Der Abfall der Luftüberschußkurve bis Höchstlast läßt sich wie
folgt erklären: Der Ringspalt macht sich bei Leerlauf und kleinen Belastungen stärker
bemerkbar und bedingt trotz des ebenfalls abgeschrägten Lufteintrittsquerschnitts
ein Absinken des Luftüberschusses gegen den Leerlauf zu. Das Absinken des Luftüberschusses
gemäß der Zeichnung von etwa 3; 4 Last an bis zur Vollast wird trotz gleichbleibender
Begrenzung der Luft- und Gasfenster nicht durch den Ringspalt bedingt, sondern geschieht
dadurch, daß bei Änderung der Gas- und Luftfensterquerschnitte linear zur Schieberdrehung
der neu geöffnete Gasdurchgang prozentual zu der vorher geöffneten Gasfensterfläche
größer ist, als dies beim Luftfenster der Fall ist. Außerdem beeinflussen die durch
verschiedene Strömungswiderstände und sonstige Umstände bedingten Drucke von Gas
und Luft die Geschwindigkeitsverhältnisse und somit die Durchgänge von Gas und Luft.
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Die Neigung, Größe und auch die Form der Abschrägungen 13 und 14 der
beiden Einlaßfenster ii und 12, bei deren Bemessung auch die das Verhältnis der
Einströmquerschnitte ändernden unterschiedlichen spezifischen Gewichte und Durchflußkoeffizienten
der beiden Medien berücksichtigt werden müssen, sind ferner den einzelnen zur Verwendung
kommenden Gasen anzupassen. Dabei ergibt sich bei hochwertigen Gasen am Gasfenster
ii eine flachere Neigung als am Luftfenster 12. Für reiche Gase hat sich z. B. bei
einer bestimmten Reglercharakteristik eine flache S-Form am Gasfenster ii als zweckmäßig
erwiesen (vgl. Abb. 3). Selbstverständlich könnte man ein Fenster, und zwar das
Luftfenster 12, ohne Abschrägung ausführen und dafür dem Gasfenster ii eine entsprechende
Kurvenform geben. Dies wird man aber, wenn überhaupt, nur dort tun, wo eine Berücksichtigung
der Reglercharakteristik für die Steuerkantenform nicht erforderlich ist, also bei
Reglern mit geradliniger Charakteristik.
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Die Drehschieber 7 und 8 sind leicht auswechselbar und in Gehäuseräumen
5 und 6 von solcher Größe eingebaut, daß die Maschine auf eine ganze Reihe von Gasarten
mit ihren verschiedenen Fenstergrößen und -formen umstellbar ist. Gegebenenfalls
wird man den Gasdrehschieber 7 im Durchmesser kleiner machen als den Luftschieber
B.