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Verfahren und Einrichtung zur Regelung von Motorverdichtern mit frei
fliegenden Kolben Es ist bekannt, bei Freifluglcolben-Motorverdichtern zur Regelung,
d. h. zur selbsttätigen Anpassung der vom Verdichterteil geförderten Preßluftmenge
an den jeweiligen Bedarf, folgende Einrichtung vorzusehen : Ein Kraftglied (Kolben,
Membran, Wellrohr od. dgl.) ist einerseits durch die Kraft einer Feder, andererseits
durch den auf der Verdichterförderseite (z. B. im sogenannten Entnahmebehälter)
herrschenden Druck (Förderdruck) belastet, so da;ß es bei jeder Veränderung dieses
Druckes eine entsprechende Verstellung erfährt; ferner ist dieses Kraftglied mit
einem die Treibstoffzufuhr zum ?Motorteil beeinflussenden Glied (Treibstoffregelglied)
so verbunden, daß diese Zufuhr bei steigendem Förderdruck verringert, bei sinkendem
Förderdruck verstärkt wird.
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Die Wirkung ist folgende: Eine Verringerung der Preßluftentnahme hat,
da der Verdichter zunächst noch die bisherige Preßludtmenge fördern will, ein Ansteigen
des Förderdruckes zur Folge; durch das Kraftglied wird daher die Treibstoffzufuhr
zum Motorteil vermindert; dies bewirkt eine Verkürzung des Flugmassenhubes und somit
eine Verringerung der vom Verdichter ausgeschobenen, also nach außen geförderten
Preßluftmenge. Die Förderdruckzunahme erreicht ihre
obere Grenze,
wenn die Preßluitentnahme bis auf den Wert Null abgesunken ist (Leerlauf) ; hierbei
verringert das Kraftglied die Treibstoffzufuhr bis auf den für die Aufrechterhaltung
des Leerlaufs erforderlichen Betrag. Steigt die Preßluftentnahme hingegen an, so
sinkt dementsprechend der Förderdruck etwas ab, das Kraftglied verstellt also das
Treibstoffregelglied im Sinne erhöhter Treibstoffzufuhr, der Flugmassenhub wird
daher größer, und die Preßluftförderung nimmt zu. Es wird so mit verhältnismäßig
einfachen Mitteln eine völlig stufenlose Regelung über den ganzen Bereich zwischen
Leerlauf und voller Förderung erzielt.
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Diese Regelung ist stabil, weil hier - ebenso wie bei einem üblichen
Drehzahlregler - eine Verstärkung des die Regelung bewirkenden Zustandes (Ansteigen
des Förderdruckes bzw. Erhöhung der Drehzahl) eine Verminderung der zu regelnden
Größe (der Treibstoffzufuhr) herbeiführt.
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Um eine gute Stabilität zu gewährleisten, darf die Spanne zwischen
dem bei voller Förderung und dem bei Leerlauf sich einstellenden Förderdruck nicht
zu gering sein. Bei Verdichtern mit 6 kg/cm2 Förderdruck bei Vollförderung beträgt
sie zweckmäßig etwa r kg/cm2, so daß bei Leerlauf im Entnahmebehälter ein Druck
von etwa 7 kg/ei-n2 herrscht.
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Für manche Preßluftanwendungsgebiete ist es jedoch erwünscht, daß
der Preßluftdruck von der jeweiligen Fördermenge unabhängig ist, also wenigstens
angenähert konstant bleibt.
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In anderen Fällen wiederum ist es von Vorteil, wenn der Förderdruck
bei geringer Entnahme von Preßluft niedriger ist als bei starker Entnahme. Letzteres
ist z. B. dann der Fall, wenn ein Teil der geförderten Preßluft zum Antrieb von
Hilfseinrichtungen, insbesondere von Kühlgebläsen und -pumpen, dient, weil dann
die Stärke der Kühlmittelströme sich völlig selbsttätig dem jeweiligen Belastungszustand
des Motorverdichters anpaßt, derart, daß diese Ströme bei Vollbelastung am stärksten,
bei geringerer Preßluftförderung aber entsprechend der Förderdruckabnahme schwächer
sind.
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Außerdem begünstigt ein bei Verringerung der Preßluftentnahme abnehmender
Förderdruck das erwünschte Gleichbleiben der sogenannten Rückführarbeit, das ist
die Arbeit, die von der nach Vollendung des Verdichtungs- und Ausschubhwbes in den
Verdichtertoträumen zurückbleibenden Preßluft auf die Flugmassen übertragen wird
und diese in ihre Ausgangslage (bei Beginn der Verdichtung in den Verdichterzylindern)
zurückführt. Bei diesem Rückhub findet die Verdichtung der Ladung des Motorzylinders
statt. Diese Verdichtung soll möglichst immer in gleicher Stärke erfolgen, und dies
wird durch Gleichbleiben der Rückführarbeit erreicht.
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Regelung für Freiflugkolben-Motorverdichter,
deren Stabilität nicht an eine Steigerung des Förderdruckes bei zunehmender Preßluftentnahme
gebunden, sondern auch dann vorhanden ist, wenn der Förderdruck bei abnehmender
Entnahme gleichbleibt oder sogar sinkt.
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Die Erfindung.umfaßt ferner Maßnahmen, um die Gesetzmäßigkeit, nach
welcher sich der Förderdruck in Abhängigkeit von der Stärke der Preßluftentnahme
ändert, zu beeinflussen.
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Nach der Erfindung wird in dem Strom der vom Verdichter zu fördernden
Luft durch eine Strömungsbeeinflussung am Ort dieser Beeinflussung eine Absenkung
des statischen Druckes hervorgerufen und dieser verringerte Druck zur Einwirkung
auf ein federbelastetes Kraftglied (Kolben, Membran, Wellrohr od. dgl.) gebracht,
welches so auf die Treibstoffzufuhr zum Motorteil des Verdichters einwirkt, daß
es diese (wie bei der bekannten Regelung) bei steigendem Druck verringert, bei abnehmendem
Druck vergrößert.
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Die Strömungsbeeinflussung kann erfolgen, indem der Luftstrom durch
eine Leitungsverengung geführt wird, die z. B. nach Art einer Venturidüse gestaltet
ist; in dieser Verengung erfährt der gesamte Luftstrom eine Geschwindigkeitssteigerung,
und diese bewirkt eine Absenkung des statischen Druckes an dieser Stelle.
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Es ist eine Regelungseinrichtung für Freiflugkolben-Motorverdichter
bekannt, bei welcher die Verdichterförderleitung eine düsenartige Einschnürung aufweist.
Diese bildet jedoch eine mittels eines verschiebbaren Dorns in ihrem Querschnitt
veränderliche Drosselstelle; der Dorn ist selbst ein Teil der Regeleinrichtung und
wird bei jeder Änderung der Preßluftentnahme mittels eines druckbelasteten Kolbens
verstellt. Den Regelgliedern wird der vor der Drosselstelle herrschende Druck zugeleitet.
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Bei der erfindungsgemäßen Regelung ist keine Drosselstelle vorgesehen,
deren DuTchflußquerschnitt im Betrieb fortwährend verändert wird, sondern eine reine
Durchflußdüse; außerdem wird zur Regelung nicht der vor einer Drosselstelle herrschende,
sondern der in der Leitungsverengung sich einstellende Druck benutzt.
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Eine andere Möglichkeit der Beeinflussung des gesamten Preßluftstromes
besteht darin, diesen Strom in einem sogenannten Rohrknie scharf umzulenken. Hierbei
stellt sich an der Innenseite des Rohrknies eine Druckabsenkung ein.
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Die Strömungsbeeinflussung kann auch so erfolgen, daß sie praktisch
nur einen Teil des Gesamtluftstromes erfaßt, z. B. kann in die Luftleitung ein deren
Onerschnitt nur unbeträchtlich verengender Körper eingebaut sein, der eine örtliche
Einschnürung des Luftstromes bewirkt oder der eine nach außen gewölbte (konvexe)
Oberfläche aufweist. In beiden Fällen ruft der Einbaukörper eine örtliche Geschwindigkeitssteigerung
und somit eine Druckabsenkung hervor. Ein solcher Einbaukörper kann ferner so gestaltet
sein, daß an ihm ein Abreißen der Strömung stattfindet; auf der im Strömungsschatten
liegenden Seite eines derartigen Körpers stellt sich ebenfalls eine Druckabsenkung
ein.
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Im allgemeinen wird man die Stelle der Strömungsbeeinflussung in der
die Preßluft vom Verdichter
fortführenden Leitung vorsehen. Sie
kann aber auch - bei Mehrstufenverdichtern - in einer zwei aufeinanderfolgende Stufen
verbindenden Leitung liegen, und zwar vorteilhaft zwischen zwei Behältern, welche
die Strömungsschwankungen ausgleichen. Die letztgenannte Möglichkeit kommt z. B.
bei Hochdruckverdichtern in Frage, wenn man den hohen Enddruck von der Regeleinrichtung
fernhalten will.
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Die Gesetzmäßigkeit, nach welcher sich der Förderdruck in Abhängigkeit
von der Stärke der Preßluftentnahme ändert, kann dadurch beeinflußt werden, daß
die Größe der bei Vollförderung erzielten Druckabsenkung verändert wird.
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Die Erfindung sei nun an Hand der Zeichnung noch näher erläutert.
Es zeigt Bild i schematisch einen Freiflugkolben-Motorverdichter mit der erfindungsgemäßen
Regelung, Bild 2 die Regeleinrichtung in größerem Maßstabe, Bild 3 ein Regeldiagramm,
Bild 4 ein Verdichterdiagramm, Bild 5 eine Sonderbauart der Durchflußdüse, Bild
6 eine weitere Ausgestaltung dieser Düse, Bild 7 Einbaukörper mit örtlicher Stromeinschnürung,
Bild 8 Einbaukörper mit konvexer Umströmungsfläche, Bild 9 Einbaukörper, die ein
Abreißen der Strömung bewirken.
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In Bild i bedeutet i den Motorzylinder, 2 und 3 die Motorkolben, 4.
und 5 die Verdichterzylinder, 6 und 7 die Verdichterkolben, 8 und 9 die Verdichter
arbeitsräume, i o und i i die Spülpumpenarbeitsräume, 12 die Saugventile, 13 die
Druckventile des Verdichters, 14 die Saugventile, 15 die Druckventile der Spülpumpen,
16 den Spülluftaufnehmer, 17 die Einlaßschlitze, i8 die Auslaßschlitze des Motorzylinders
i, i9 die Treibstoffeinspritzdüse, 2o die Treibstoffpumpe, 21 die TreibstoffdruckleitUng,
22 den das Kraftglied enthaltenden Teil der Regeleinrichtung, 23, 24 die Verdichterförderleitung,
25 den Nachkühler, 26 das Druckhalteventil, 27 die Durchflußdüse, 28 die Verbindungsleitung
zwischen Durchflußdüse und Kraftgliedgehäuse, 29 den Entnahmebehälter, 3o die Preßlufteiitnahmehähne.
Die beiden je von einem Motorkolben und einem Verdichterkolben gebildeten Flugmassen
2, 6 und 3, 7 sind durch ein - nicht dargestelltes - Getriebe so verbunden, daß
sie sich stets im Gleichtakt gegenläufig bewegen. Dieses Getriebe dient auch zum
Antrieb der Treibstoffpumpe 20. Das Druckhalteventil 26 hat die Aufgabe, den Verdichterauslaß
während des Anlassens so lange abzusperren, bis der für die Aufrechterhaltung der
Flugmassenbewegung erforderliche Druck im Verdichterauslaß erreicht ist, und ferner,
diesen Druck auch bei übermäßiger Druckluftentnahme aufrechtzuerhalten, z. B. beim
Platzen eines die geförderte Druckluft fortleitenden Schlauches. Während des normalen
Betriebes (auch bei Leerlauf) bleibt dieses Ventil ständig offen. Auf die Regelung
hat es daher keinen Einfluß. Es ist daher auch gleichgültig, ob die Durchflußdüse
27 vor oder hinter dem Druckhalteventil 26 eingebaut wird. Jedoch soll zwischen
dem Verdichterauslaß und der Durchflußdüse 27 ein größerer Raum (z. B. der Nachkühler
25) liegen, der die absatzweise erfolgende Förderung des Verdichters vergleichmäßigt.
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Gemäß Bild 2 ist die Durchflußdüse 27 nach Art einer Venturidüse gestaltet,
d. h. mit einem kurzen, gut gerundeten Zulauf zur Verengung 33 und einem langen,
sich allmählich erweiternden Auslauf, so daß der beim Durchströmen auftretende Druckverlust
sehr gering bleibt. Von der engsten Stelle 33 führt eine Leitung 28 zum Arbeitsraum
34 des als Kolben 35 ausgebildeten Kraftgliedes, das in einem- am Reglergehäuse
22 festsitzenden Zylinder 32 entgegen der Kraft einer Feder 36 verschieblich ist.
Das Kraftglied 35 ist mittels einer Stange 37 mit dem Kolben 38 der Treibstoffpumpe
2o so verbunden, daß eine Kraftgliedverschiebung eine Verschwenkung des Pumpenkolbens
38 bewirkt. Durch diese Verschwenkung wird in bekannter Weise die von der Pumpe
je Hub zur Einspritzdüse ig geförderte Treibstoffmenge verändert. Die Vorspannung
der Feder 36 kann mittels einer Einstellschraube 39 verändert werden. Eine andere
Einstellschraube 40 dient als Anschlag für das Kraftglied 35; sie legt die maximale
Treibstoffförderung der Pumpe fest. Eine Verschiebung des Kolbens 35 von diesem
Anschlag weg bewirkt eine Verminderung dieser Förderung.
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Die Wirkungsweise sei nun an Hand vön Bild 3 näher erläutert. In Bild
3 ist nach rechts der Hub des Kraftgliedes 35 (h), nach oben der Druck (p)
aufgetragen. Punkt A entspricht der Anschlagstellung, bei ihr ist die Treibstoffförderung
und somit auch die Preßluftförderung am größten; Punkt C entspricht der Leerlaufstellung
(kleinste Treibstoffförderung, keine Preßluftförderung), Punkt B einer Mittelstellung.
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Bei ruhendem Motorverdichter herrscht überall der Druck der Atmosphäre,
das Kraftglied 35 liegt daher unter der Kraft der Feder 36 am Anschlag 4o an, die
Einspritzpumpe 2o ist auf maximale Förderung eingestellt.
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Bei voll arbeitendem Motorverdichter tritt an der engsten Stelle 33
der Durchflußdüse 27 eine Geschwindigkeitserhöhung und demzufolge eine Druckabsenkung
gegenüber dem Förderdruck des Verdichters ein.
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Ist demnach A-D der Förderdruck des Verdichters bei größter Förderung,
D-E die durch die Düsenverengung bewirkte Druckabsenkung, so stellt A-E den auf
das Kraftglied 35 einwirkenden Druck (Wirkdruck) dar, dem die Feder 36 gerade das
Gleichgewicht hält.
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Nimmt nun die Preßluftentnahme ab, so verringert sich die Luftgeschwindigkeit
in der Durchflußdüse 27 und sonach auch die Druckabsenkung; dies bedeutet aber eine
Zunahme des Wirkdruckes. Das Kraftglied 35 verschiebt sich also vom Anschlag 40
(Punkt A) weg bis zum Punkt B, in dem wieder Gleichgewicht zwischen
dem neuen Wirkdruck B-F und der entsprechend erhöhten Kraft der Feder 36
herrscht.
Bei dieser Verschiebung wird der Pumpenkolben 38 im Sinne einer Verringerung der
Treibstoffförderung verschwenkt.
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Wird die Preßluftentnahme weiter bis zum Wert Null (Leerlauf) -verringert,
so findet schließlich in der Durchflußdüse 27 gar keine Strömung und folglich auch
keine Druckabsenkung mehr statt; auf das Kraftglied 35 wirkt dann der volle, beim
Leerlauf im Entnahmebehälter 29 herrschende Druck (Strecke C-G), der das Kraftglied
weiter bis zur Lage C verstellt, bei welcher die Treibstoffpumpe gerade noch so
viel Treibstoff fördert, .als zur Aufrechterhaltung des Leerlaufs bei dem der Strecke
C-G entsprechenden Preßluftdruck nötig i,st. Die Höhe dieses Druckes ist durch -
die im Punkt C wirksame Kraft der Feder 36 bestimmt. Der Unterschied der Strecken
C-G und A-E, dargestellt durch die Strecke G-H, stellt also die Wirkdruckzunahme
dar, die für die. Regelung über den ganzen Belastungsbereich, d. h. von Vollförderung
bis Leerlauf, erforderlich ist.
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Auch diese Regelung ist stabil, weil der die Regelung betwirkende
Zustand, nämlich der im Arbeitsraum 34 des Kraftgliedes 35 herrschende Druck, eine
Verstärkung erfahren muß, um eine Verminderung der zu regelnden Größe (der Treibstoffzufuhr)
herbeizuführen. Während aber bei der bekannten Regelung der Preßluftdruck bei Leerlauf
(Punkt C) zur Erzielung dieser Stabilität stets höher sein muß als bei voller Förderung
(Punkt A), besteht jetzt dieser Zwang nicht mehr. Vielmehr ist jetzt die Höhe des
Leerlaufdruckes (Strecke C-G) ,weitgehend unabhängig von der Höhe des Druckes bei
voller Förderung (Strecke A-D). Der Leerlaufdruck kann beispielsweise dem Vollförderungsdruck
gleich sein; der Verdichter arbeitet dann mit einem über den ganzen Belastungsbereich
praktisch gleichbleibenden Förderdruck. Der Leerlaufdruck kann aber auch - wie in
Bild 3 -.tiefer als der Vollförderungsdruck liegen; dies bietet den großen Vorteil,
daß es hiermit mÖglich ist, das Ansteigen der Rückführarbeit bei Verringerung der
Preßluftförderung ohne Zuhilfenahme besonderer Mittel (z. B. von Puffern) zu mildern
oder sogar ganz zu beseitigen, also die Rückführarbeit über den ganzen Belastungsbereich
wenigstens angenähert gleichzuhalten. Hierfür zeigt Bild 4 ein Beispiel.
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Der Linienzug L-M-N-Q-L ist das Druck-VOlür men-Diagramm 'eines einstufigen
Verdichters * bei voller Förderung. Die Fläche N=Q-S-N zwischen der Expansionslinie
N-S und der atmosphärischen Linie Q-L stellt die Rückführarbeit dar. Der Förderdruck
entspricht der Strecke Q-N. Die Regeleinrichtung sei so eingestellt, daß bei Leerlauf
des Verdichters ein Enddruck R-P erreicht wird, der kleiner ist als der Förderdruck
Q-N. Hierbei stellt die Fläche P-R-L-P die beim Leerlauf frei werdende Rückführarbeit
dar. Durch passende Wahl der Lage des Punktes P kann die letztgenannte Fläche der
Fläche N-Q-S N gleichgemacht werden.
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Eine solche Herabsetzung des Leerlaufdruckes (Strecke R-P) unter den
Förderdruck bei voller' Förderung (Strecke Q-N) erfordert eine besonders große Drwckabsenkung
in der Durchflußdüse bei Vollförderung. Falls eine einfache'Venturidüse zur Erzielung
einer solchen Druckabsenkung nicht ausreicht, so kann man gemäß Bild 5 in an sich
bekannter Weise in ,die Venturidüse 45 eine zweite kleinere Venturidüse 46 so einbauen,
daß die Luftgeschwindigkeit in der letzteren eine weitere Steigerung erfährt. Der
Wirkdruck wird hierbei an der engsten Stelle der kleineren Venturidüse 46 entnommen.
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Bild 6 zeigt eine Ventueidüse 48, bei welcher die Entnahme des Wirkdruckes
mittels eines Rohres 49 erfolgt, das in Achsrichtung der Düse verschiebbar ist.
Je nachdem, ob die druckentnehmende Mündung So dieses Rohres 49 an eine engere oder
an eine weitere Stelle des Düsenkanals, also an eine Stelle stärkerer oder geringerer
Geschwindigkeitszunahme, verschoben wird, ergibt sich an der Rohrmündung ein stärkerer
oder schwächerer Druckabfall, also ein geringerer oder höherer Wirkdruck. Man kann
so die Druckabsenkung. in einfacher Weise (ohne Auswechslung der Düse gegen eine
solche mit anderem Oüerschnittsverhältnis) verändern und den jeweils vorliegenden
Verhältnissen anpassen.
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Eine gleichartige, jedoch nuT stufenweise durchführbare Beeinflussung
der Druckabsenkung wird erreicht, indem man die Wand des sich allmählich erweiternden
Düsenkanals mit in dessen Achsrichtung aufeinanderfolgenden Anbohrungen versieht
und wahlweise eine dieser Bohrungen mit dem Kraftgliedarbeitsraum 34 verbindet,
die anderen dagegen nach außen abschließt.
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Die Bilder 7 bis 9 zeigen Beispiele für Einbaukörper, die in einer
Preßluftleitumg 52 angeordnet sind, die jedoch den Querschnitt dieser Leitung nur
wenig verengen und die im Preßluftstrom eine örtliche Druckabsenkung hervorrufen.
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Bild 7 zeigt zwei Einbaukörper, die aus dem Preßluftstrom .einen Teilstrom
abzweigen und letzteren einschnüren, also seine Geschwindigkeit steigern.
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Der eine Körper ist eine kleine, allseitig umströmte Ventuiridüse
53; der andere Körper ist eine nahe der Rohrwand angeordnete Leitfläche 5q., die
mit der Wand einen Durchflußkanal ähnlich einer VentuTidüse bildet.
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Bild 8 zeigt Einbaukörper mit konvex gestalteten Umströmungsflächen,
und zwar eine an der Rohrwand festliegende Halbkugel 55, einen quer zum Leitungsrohr
sich erstreckenden Zylinder 56, einen tragflächenähnlichen Körper 57.
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Bild 9 zeigt Einbaukörper, die ein Abreißen der Strömung bewirken,
nämlich eine Stauwand 58 sowie einen auf der Abstromseite ebenflächig begrenzten
Staukörper 59.
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In allen Fällen ist -die zum Arbeitsraum 34 des Kraftgliedes 35 (s.
Bild 2) führende Druckübertragungsleitung 28 an eine solche Stelle angeschlossen,
an der eine beträchtliche Druckabsenkung stattfindet, Die Erfindung umschließt ein-
und mehrstufige Verdichter und gilt auch für solche Fälle, in denen
der
Verdichter nicht Luft, sondern irgendein anderes Gas fördert.