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Heißgasmotor mit einer Regelung der indizierten Leistung Die Erfindung
betrifft e.4nen I4eißgasmotor mit einer Regelung der indizierten Leistung.
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Für das Problem der Leistungsregelung eines Heißgasmotors wurden bereits
mehrere Lösungen vorgeschlagen, die im wesentlichen in zwei Gruppen eingeteilt werden
können. Sämtliche Lösungen beziehen sich auf die Vergrößerung und Verkleinerung
der Oberfläche des Indikatordiagramms des Motors. Regelungen der ersten Art bewirken
eine Änderung dieser Oberfläche durch Änderung der Gasfüllung im Zylinder, mit anderen
Worten- eine Änderung des. Druckniveaus des. Kreisprozesses. Es wird dabei dann
vorausgesetzt, daß das Kompressionsverhältnis, d: h: das Verhältnis zwischen dem
höchsten und dem niedrigsten Druck im Zylinder, konstant bleibt. Diese Regelung
läßt sich in baulicher Hinsicht in der Weise durchführen, daß an einem oder mehreren
Punkten des Kreisprozesses in den Zylinder Gas eingelassen oder aus ihm abgeführt
wird. ; Regelungen der zweiten Art werden mit Aufrechterhaltung des Druckniveaus,
jedoch durch Änderung des Kompressionsverhältnisses vorgenommen. Eine solche Regelung--ist
baulich beispielsweise durch Änderung der- Phase zwischen den Bewegungen des Kolbens
und des Verdrängers
durchführbar. Eine weitere Möglichkeit besteht
darin; daß der' Inhalt des Zylinders mit einem gesonderten Raum veränderlicher Größe
oder nach Belieben mit einem oder mehreren Räumen verschiedenen Gesamtinhalts in
Verbindung gebracht wird. Obwohl diese Ausführungsformen praktisch sehr gut verwirklicht
werden können, stößt man bei dieser Verwirklichung dennoch auf einige Schwierigkeiten.
Die Änderung des Phasenwinkels zwischen den Bewegungen des Kolbens und des Verdrängers
erfordert eine Verstellvorrichtung zwischen den beiden Antriebsmitteln. Regelurig
durch Hinzufügen von besonderen Räumen ergibt nur eine stufenweise Änderung der
Leistung. Ununterbrochene Änderung ist möglich, wenn das Volumen dieses hinzugeschalteten
Raumes kontinuierlich veränderlich ist; aber da der Druck in diesem Raum gewöhnlich
von dem atmosphärischen Druck abweicht, ist die Verstellkraft'groß.
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Die Leistungsregelung gemäß der Erfindung gehört zu den Regelungen
der zweiten Art und hat gegenüber den bereits vorgeschlagenen oder bekannten Regelungen
den Vorzug der Einfachheit, verbunden mit einem kontinuierlichen Verlauf find einer
geringen Verstellkraft.
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Es ist schon vorgeschlagen worden. den Inhalt des Motorzylinders
über einen zu regelnden Strömungswiderstand mit einem anderen Raum in Verbindung
zu bringen. Über diesen Strömungswiderstand findet ein regelmäßiger Austausch von
Gas zwischen dem Zylinder und dem anderen Raum statt, und zwar eine Strömung aus
dem Zylinder, falls der Druck dort höher als der Druck im anderen Raum ist, und
eine Strömung in den Zylinder, falls dort der Druck niedriger ist.
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Das Verhältnis zwiwhen dem höchsten und dem niedrigsten Druck im Zylinder
wird dadurch verringert, so daß .die Oberfläche des _ Diagramms alininimt. Die Größe
dieses Verhältnisses ist mittels der Größe des Strömungswiderstandes genau regelbar.
Es ist auf diese Weise also möglich, die Motorleistung, beispielsweise mittels eines
Regulators, an die verlangte äußere Belastung anzupassen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden in dem Verbindungsweg zwischen
dem Motorzylinder und dem `anderen Raum, parallel -zu dem- zu regelnden Strömungswiderstand,
zwei abschließbare, nur in entgegengesetzter Richtung Gas durchlassende Kanäle vorgesehen.
Wird der Abschluß eines dieser Kanäle aufgehoben, so kann das Gas aus dem Motorzylinder,
so lange der Druck im 'lletzteren höher als der Druck im' anderen Raum ist, in diesen
anderen Raum abfließen, wobei eine Klappe in diesem Kanal den Rückfluß des Gases
verhindert. Wird der Abschluß des anderen Kanals aufgehoben, so kann das Gas nur
in 'entgegengesetzt er Richtung fließen. Es wird dadurch erreicht, daß der Gasinhalt
des Motorzylinders schnell auf ein Minimum herabgesetzt oder zu einem Maximum gesteigert
werden kann, so daß die indizierte Motorleistung schnell zwischen Maximum und Minimum
wechseln kann. Die dabei aufrechterhaltene Regelung des Gasstromes zwischen -dem
Motorzylinder und_dem anderen Raum über den zu regelnden -Stfömüngswiderständ dient
-zur, tängsamen Regelung der verlangten Leistung.
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Der Abschluß der genannten, nur in untereinander entgegengesetzter
Richtung Gas durchlassenden Kanäle kann gleichfalls unter dem Einfluß des Regulators
stehen; dieser Abschluß kann nach der vorliegenden Erfindung mit dem zu regelnden
Strömungswiderstand mechanisch vereinigt werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in denen
ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
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Fig. i zeigt das Indikatordiagramm eines Heißgasmotors mit einer Änderung,
die erfindungsgemäß erhalten werden kann; in Fig.2 ist eine Regelvorrichtung nach
der Erfindung dargestellt, mit deren Hilfe eine schnelle Regelung möglich ist.
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In Fig. i bezeichnet io das Indikatordiagranim eines Heißgasmotors.
Die Abszisse stellt die Kolbenbewegung dar, während auf der Ordinate .der Druckverlauf
im Zylinder bei den verschiedenen Lägen des- Kolbens aufgetragen ist. Das durch
eine ausgezogene Linie dargestellte Diagramm io stellt das Indikatordiagramm bei
voller Motorleistung dar. Der Druck im Zylinder schwankt dabei zwischen -dem Maximaldruck
i i und dem Minimaldruck i2. Das mittlere Niveau des Druckes ist 13;
die indizierte
Motorleistung wird durch die durch dieses Diagramm umschlossene Oberfläche bestimmt.
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Wenn die Leistungsregelung in Tätigkeit tritt, d. h. wenn der Inhalt
des Arbeitszylinders über einen zu regelnden Strömungswiderstand mit einem Hilfsraum
in Verbindung gebracht wird, so nimmt durch diesen Strömungswiderstand hindurch
der Druck, der höher als der Druck in diesem Hilfsraum ist, ab, während der Druck
im Zylinder, solange. er niedriger a1; im genannten Raum ist. ansteigt. Das Diagramm
erhält also den in der Figur gestrichelt dargestellten Verlauf 16, bei dem
der höchste Druck -auf einen Wert 1q. herabsinkt und der niedrigste - Druck zu einem
Wert 15
ansteigt. Bei der Annahme, daß im genannten Hilfsraum ein Druclc herrscht,
der dem mittleren Druckniveau 13 entspricht, bleibt das mittlere Druckniveau -im
Arbeitszyl'irid°et;--hüch nachdem diese Regelung in Tätigkeit tritt, unverändert.
Der Druck in diesem Hilfsraum stellt sich zwangsläufig annähernd auf das genannte
mittlere Druckniveau 13 ein, wenn die Verbindung zwischen dem Arbeitszylinder und
diesem Hilfsraum bereits einige Zeit bestanden hat. Als Hilfsraum kann nicht nur
ein gesondertes geschlossenes 'Gefäß dienen, sondern jeder im Motor vorhandene Raum
ist zu diesem Zweck verwendbar. Heißgasmotoren sind häufig mit einem Kurbelwellenkasten
ausgerüstet, der gasdicht von der Umgebung abgeschlossen ist; um die Leckverluste
aus dem Zylinder längs des Kolbens herabsetzen zu können. Dieser geschlossene Kurbelwellenkästen
kann in diesem Fall ohne Bedenkeh als Hilfsraum für die - öbenerwährite Regelurig
dienen. Es ist- nur dafür Sorge 'zu tragen, däß der als Hilfsraurii benutzte Ratim
in- bezog auf' das
Hubvolumen nicht zu klein wird. In einem kleinen
Hilfsraum entsteht nämlich bald ein derart großer Gegendruck, daß der Regelbereich
nur klein wird. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, bei denen also für das Hinundherströmen
des Mittels durch den Strömungswiderstand ziemlich viel Zeit verfügbar ist, wirkt
ein in bezug auf das Hubvolumen kleiner Hilfsraum bereits bei einem weniger großen
Strömungswiderstand als zusätzlicher schädlicher Raum. Der geschlossene Hilfsraum
für die Regelung bietet den Vorteil, daß stets dasselbe Gas im Motor in Umlauf bleibt,
so daß dieses Regelungsverfahren auch bei Motoren mit besonderer Gasfüllung, z.
B. Wasserstoff oder Helium, anwendbar ist.
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Der in Fig.2 dargestellte Regelmechanismus besteht aus einem Gehäuse
35, in dem mehrere Kanäle ausgespart sind. In der Mitte des Gehäuses befindet sich
eine Bohrung, in der ein Tauchkolben 39 auf- und abwärts bewegbar ist. Dieser Tauchkolben
ist mittels eines Hebels 32 mit einem nicht dargestellten Leistungsregler verbunden,
so daß die Lage dieses Tauchkolbens von der gewünschten Motorleistung abhängig gemacht
werden kann. Im Gehäuse 35 befinden sich drei parallele Bohrungen 36, 37 und 38,
die alle die mittlere Bohrung mit dem Tauchkolben 39 kreuzen, der somit höchstens
eine Bohrung freigeben kann. Diese Bohrungen münden ferner in einen gemeinsamen
Kanal 27, der mit einem gesonderten Raum 26 in Verbindung steht. Auf der anderen
Seite sind die drei genannten Bohrungen ebenfalls mittels eines gemeinsamen Kanals
29 verbunden, der mit dem Motorzylinder in offener Verbindung steht.
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Die untere Bohrung 38 dieser drei Bohrungen enthält eine Rückschlagklappe
4o, die sich nur für einen Gasstrom öffnet, der sich aus dem Raum 26 durch den Kanal
27, die Bohrung 38 und den Kanal 29 zum Motorzylinder bewegt. Die Bohrung 37 besitzt
eine Klappe 41 ähnlicher Bauart, die sich gerade in entgegengesetztem Sinne öffnet.
Die Bohrung 36 ist örtlich verengt und bildet somit den Strömungswiderstand zwischen
dem Motorzylinder und dem anderen Raum 26. Der letztgenannte Strömungswiderstand
ist regelbar, da im Tauchkolben 39 eine ähnliche enge Öffnung 43 vorhanden ist,
die durch die Auf- und Abwärtsbewegung des Tauchkolbens 39 mehr oder weniger mit
der Bohrung 37 in Verbindung stehen kann.
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Der Tauchkolben 39 ist ferner derart ausgebildet, daß beim normalen
Betrieb des Motors die Bohrungen 37 und 38 völlig abgeschlossen werden. Wird die
äußere Belastung des Motors plötzlich stark vergrößert, so hat dies unmittelbar
eine Abnahme der Geschwindigkeit zur Folge. Der Leistungsregler fängt zu arbeiten
an und schiebt den Tauchkolben 39 so weit nach unten, daß eine Durchströmungsöffnung
42 in diesem Kolben die Bohrung 38 öffnet. Solange der Gasdruck im Motorzylinder
niedriger ist als der im Gefäß 26 verfügbare Gasdruck, fließt ein Gasstrom zu dem
Motorzylinder. Ein Zurückfließen des Gases ist ausgeschlossen, da dies durch die
Rückschlagklappe 4o verhindert wird und die beiden anderen Bohrungen 36 und 37 durch
den Tauchkolben abgeschlossen sind. Es strömt also in einer kurzen Zeit eine maxim,äle
Gasmenge in den Zylinder, so,daß die in@d.izierte Leistung stark zunimmt. Umgekehrt
hat das Ausfallen der äußeren Belastung zur Folge, daß der Regler durch Verschiebung
des Tauchkolbens 39 die Öffnung 44 vor die Bohrung 36 bringt und auf diese weise
ausschließlich eine Verbindung vom Motorzylinder zum Gefäß 26 freigibt.
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Während des normalen Betriebes des Motors, wenn keine schnelle Regelung
nötig ist, sind die Bohrungen 37 und 38. abgeschlossen. Zum langsamen Regeln der
Leistung innerhalb der engen Grenzen während des normalen Betriebes schiebt sich
die Öffnung 43 vor die Bohrung 37.
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An Stelle der beiden Rückschlagklappen 40 und 41 können auch zwei
Reduzierventile benutzt werden, deren druckherabsetzende Wirkung von einem Regulator
geregelt wird. Der zu regelnde Strömungswiderstand kann in diesem Fall auf ähnliche
Weise wie beim bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel parallel zu diesen Ventilen
geschaltet werden.