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Verfahren zur Regelung der Leistung eines Heissgasmotors mit geschlossenem Kreislauf
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Leistung eines Heissgasmotors mit geschlossenem Kreisprozess.
Unter einem Heissgasmotor ist eine Wärmekraftmaschine zu verstehen, bei der eine Gasmenge einen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft, welche Menge in einem Raum mit veränderlichem Volumen eingeschlossen ist, in dem oder in Verbindung mit dem ein beheizender Teil (Erhitzer), gegebenenfalls ein Regenerator, und ferner ein kühlender Teil angeordnet ist, der ausserdem in oder in Verbindung mit einem zweiten Raum mit veränderlichem Volumen angeordnet ist. Diese Gasmenge ist oberhalb eines Kolbens in einem Zylinder eingeschlossen. Durch Verstellung eines zweiten Kolbens, der sich entweder im oben genannten Raum oder in einem mit diesem Raum in Verbindung stehenden zweiten Raum befindet, wird dieses Gas einem Erhitzer zugeführt, in dem die Temperatur des Gases steigt, wodurch also der Gasdruck zunimmt.
Dieses Gas von erhöhtem Druck setzt einen oder die beiden miteinander gekuppelten Kolben in Bewegung, dehnt sich aus und leistet dabei Arbeit. Infolge der Ausdehnung kühlt das Gas ab, durch eine weitere Bewegung der Kolben strömt das Gas durch einen Kühler, in dem die noch vorhandene Wärme abgegeben wird. Das abgekühlte Gas wird zusammengepresst und der Kreislauf beginnt wieder aufs neue. Zwischen dem Erhitzer und dem Kühler befindet sich im allgemeinen noch ein Regenerator, in den ein Teil der Wärme des aus dem Ei hitzer strömenden Gases aufgenommen wird ; beim Zurückströmen des Gases wird diese Wärme wieder an das Gas abgegeben und geht also nicht für den Arbeitsprozess verloren.
Gemäss einem bereits vorgeschlagenen Ver- fahren zur Regelung der Motorleistung durch Änderung der Menge des umlaufenden Mittels wird ein getrennter Raum veränderlichen Inhaltes während des Regelvorganges dauernd mit dem Zylmder in Verbindung gesetzt. Eine solche Regelung beeinträchtigt aber die Motorleistung "ihren dieses Regelvorganges, weil das Gas 1m Verbindungskanal zwischen dem Motorzylinder und diesem getrennten Raum hin-und her- fliesst. Hiedurch entstehen Strömungsverluste im umlaufenden Mittel, welche die Motorleistung herabsetzen.
Ausserdem ist während des Regelvorganges das oberhalb des Zylinders abgeschlossene Volumen um den Inhalt des hinzugeschalteten getrennten Raumes vergrössert ; da das Hubvolumen des Kolbens gleichbleibt, nimmt das Kompressionsverhältnis zeitweise ab, wodurch auch der Wirkungsgrad abfällt.
Gemäss der vorliegenden Erfindung erfolgt die Leistungsregelung derart, dass automatisch und periodisch während je eines Teiles der Zeit, in welchem sich ein Kreislauf abspielt, der Motorzylinderraum mit einem Hilfsraum verbunden wird, wobei durch eine Regelvorrichtung der Zeitpunkt der Verbindung während des Kreislaufes geändert wird. Vorzugsweise wird auch der Druck im Hilfsraum automatisch geändert. Wenn ein kurzzeitiger Druckausgleich mit einem höherem als dem in diesem Augenblick im Kreislauf herrschenden Druck stattfindet, so strömt bei jedem vollen Kreislauf eine gewisse Menge des Zirkulationsmittels in den Motorzylinder. Der ganze Druckverlauf kommt dabei auf ein höheres Niveau und die indizierte Motorleistung nimmt zu.
Umgekehrt würde das Verbinden des Zylinderinhaltes mit einem Raum von niedrigerem Druck als jenem, der in diesem Augenblicke im Zylinder herrscht, den ganzen Druckverlauf und infolgedessen die Motorleistung herabsetzen.
Das Hin-und Herströmen des Mittels im Verbindungskanal und die dadurch verursachte Ver- änderung des Kompressionsverhältnisses im Zylinder sowie die dadurch verursachten Strömungsverluste sind vermieden, da die Verbindung nur so kurzzeitig besteht, dass während dieser kurzen Regelzeit der Druck im Zylinder keine Änderung durch die Kolbenbewegung erfährt. Um trotzdem die erforderliche Leistung- änderung zu erzielen, wird die Regelung peri- odisch, d. h. bei jedem nachfolgenden Kreislauf wiederholt, bis das gewünschte Ziel erreicht ist.
Die erfindungsgemässe Regelung bewirkt eine gleichmässig verlaufende Steuerung der Leistung, da die Änderung des Druckverlaufes im Zylinder je Kreislauf, d. h. pro vollständiger Umdrehung der Kurbelwelle, nur gering zu sein braucht und, solange die Regelung dauert, bei jedem nach-
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folgenden Kreisprozess sich nur wenig von der Veränderung im vorangehenden unterscheidet. Eine schnelle Regelung ist dabei dennoch möglich, wenn für die Herstellung der Verbindung ein Augenblick gewählt wird, in dem ein grosser Druckunterschied zwischen dem Zylinderdruck und dem zur Verfügung stehenden Regeldruck herrscht.
Während einer vollständigen Kurbelwellenumdrehung steigt der Druck im Zylinder von einem Mindestwert zu einem Höchstwert und fällt wieder vom Höchstwert auf den Mindestwert. Wenn im Augenblick, in dem der Ausgleich erfolgen kann, der zur Verfügung stehende Regeldruck vom Zylinderdruck verschieden ist, so findet Leistungsregelung statt. Falls beide Drücke einander in diesem Augenblick genau gleich sind, so erfolgt trotz des Vorhandenseins einer Verbindung des Zylinders mit einem anderen Raum keine Gasströmung, Strömungsverluste sind also bei Nichtregelung ausgeschlossen.
Es ist bekannt, die Regelung in einem in bezug auf den Druckverlauf im Zylinder fest bleibenden Augenblick, aber mittels eines regelbaren Druckes stattfinden zu lassen.
Nach der Erfindung ist es nun möglich, die beiden erwähnten Regelverfahren gemeinsam vorzunehmen, indem sowohl der Regeldruck als auch der Augenblick der Regelung in bezug auf den Druckverlauf im Zylinder geändert werden.
Hiedurch wird ein grösserer Regelbereich erzielt.
Der Heissgasmotor, bei dem die erfindungs- gemässe Regelung angewendet werden kann, umfasst ausser dem (den) üblichen Zylinder (n) noch einen anderen Raum, der über einen Kanal mit dem (den) Zylinder (n) in Verbindung steht ; dieser Kanal ist mit periodisch wirkenden, diesen Kanal nur kurzzeitig offnenden Abschlussmittel versehen.
Die Erfindung wird an Hand einiger Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert.
In pig. 1 ist ein Diagramm des Druckverlaufes im Zylinder bei einer vollständigen Kurbelwellenumdrehung für verschiedene Leistungen dargestellt.
Die Fig. 2 stellt einen Heissgasmotor mit einer erfindungsgemässen Regelvorrichtung dar.
In Fig. 1 sind die Diagramme des Druckver- laufes im Zylinder entsprechend der Kolben- stellung, u. zw. für verschiedene indizierte
Leistungen, dargestellt. Die ausgezogene Linie 10 zeigt das Diagramm bei mittlerer Leistung. Der mittlere Druck im Zylinder ist hier Pmio. Dieser nuttlere Druck bestimmt zusammen mit der Um- drehungsgeschwindigkeit des Motors die indi- zierte Leistung. Für eine grössere Leistung hat das Diagramm z. B. die Gestalt gemäss der ge- stnchelten Linie 11, woraus ein mittlerer Druck PtH folgt. Bei einer kleinereren Leistung ver- läuft das Diagramm z. B. gemäss der strich- punktierten Linie 12, die einen mittleren Druck Pu, 2 ergibt.
In diesen verschiedenen Fällen ist angenommen, dass das Druckverhältnis des Dia- gramms, d. h. das Verhältnis zwischen dem in einem Diagramm auftretenden niedrigsten und höchsten Druck, für sämtliche drei Fälle gleich gross bleibt.
Die Regelung der indizierten Leistung erfolgt dadurch, dass gleichmässig von einem auf das andere Diagramm übergegangen wird, u. zw. auf die folgende Weise :
In einem bestimmten Augenblick des Druckverlaufes im Zylinder, der mit dem Punkt 13 auf der Abzisse angedeutet ist, wird die Verbindung zwischen dem Zylinder und einen anderen Raum (Hilfsraum), in dem ein für die Füllung des Motors geeignetes Mittel unter einem 1 : -- stimmten Druck vorhanden ist, hergestellt. Wenn z. B. dieser Druck dem im Punkt 51 entspricht und der Motor während dieser Kurbelwellenumdrehung gemäss dem Diagramm 10 arbeitet, so würde bei jeder Kurbelwellenumdrehung, wenn der Kolben zum Punkt 13 gelangt ist, der Druck im Punkt 52 fallen, bis er allmählich den im Punkt 51 erreicht hat.
Die Geschwindigkeit, mit der dies erfolgt, ist ausser vom herrschenden Druckunterschied zwischen dem Zylinder, wenn sich der Kolben im Punkt 13 befindet, und dem Hilfsraum auch von der Grösse der Öffnung abhängig, die im Punkt 13 zwischen dem Zylinder und diesem anderen Raum hergestellt wird.
Wenn im Moment 13 anstatt eines herabgesetzten Druckes 51 hingegen ein erhöhter Druck 53 im Zylinder herrscht, so wird das ganze Diagramm allmählich bis zum Diagramm 11 gehoben werden. Diese Regelung erfolgt mit Hilfe eines verfügbaren veränderlichen Druckes, der in einem festen Punkt 13 des Druckverlaufes im Zylinder angeschlossen wird.
Die Leistungsregelung nach der Erfindung mit Hilfe eines gleichbleibenden Druckes dagegen ist so durchführbar, dass der Augenblick der Herstellung der Verbindung in bezug auf den Druckverlauf in dem Zylinder verschoben wird.
Wenn der gleichbleibende Druck 14 verfügbar ist, kann hiermit die Leistung geregelt werden, wenn nämlich der Augenblick, in dem die Verbindung zwischen dem Zylinder und dem anderen Raum hergestellt wird, vom Punkt 54 im Diagramm nach dem Punkt 53 im Diagramm 11 oder nach dem Punkt 55 im Diagramm 12 verlegt wird. Dann tritt dieser konstante Druck in den verschiedenen Diagrammen an einer anderen
Stelle auf, so dass Diagramme mit einem anderen mittleren Druck entstehen.
Schliesslich ist es möglich, die beiden geschilderten Regelverfahren zu kombinieren, indem sowohl der verfügbare Druck als auch der Regelpunkt verändert werden, wodurch ein grösserer Regelbereich erzielbar ist. Selbstverständlich erfolgt nur dann eine Änderung der indizierten Leistung, wenn der verfügbare Regeldruck nicht dem im Regelpunkt herrschenden Druck im
Kreisprozess entspricht.
In Fig. 2 ist eine bauliche Ausbildung eines
Heissgasmotors dargestellt, bei dem die geschilderte Regelung Anwendung findet. Im
Zylinder 15 bewegen sich sowohl der Verdränger
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16 als auch der Kolben 17. Beide werden von einer gemeinsamen Kurbelwelle 18 aus angetrieben, u. zw. der Kolben mittels der Kurbel 20 und der Verdränger mittels des Exzenters 21. Als gesonderter Raum, in dem eine für die Regelung verfügbare Menge des Zirkulationsmittels unter einem bestimmten Druck vorhanden ist, dient in diesem Falle das Kurbelgehäuse 19, das zu diesem Zwecke gasdicht ausgebildet ist. Die Regelung erfolgt im vorliegenden Falle bei konstantem Druck, der in einem in bezug auf den Druckverlauf im Zylinder veränderlichen Punkt im Zylinder 15 angeschlossen wird.
Zwischen dem Zylinder 15 und dem Kurbelkasten 19 ist ein Verbindungskanal 26 und 27 vorgesehen. Dieser Kanal wird mit Hilfe eines sich periodisch bewegenden Kolbens 25 abgeschlossen, der mittels des Exzenters 24 von der Kurbelwelle 18 angetrieben wird. Die Bewegung des Kolbens 25 in bezug auf den Kanal 27 ist derart, dass nur in der äussersten oberen Lage des Kolbens 25 der Kanal 27 während sehr kurzer Zeit mit dem Kanal 26 in Verbindung steht. Während der weiteren Teile der Bewegung des Kolbens 25 ist die Verbindung zwischen den Kanälen 26 und 27 stets unterbrochen. Im Augenblick, in dem sich der Kolben 25 in der äussersten oberen Stellung befindet, kann ein etwaiger Druckunterschied zwischen dem Inhalt des Zylinders 15 und dem des Kurbelkastens 19 durch die Kanäle 26 und 27 ausgeglichen werden.
Dieser Augenblick ist aber verstellbar in bezug auf den Druckverlauf im Zylinder 15, d. h. in bezug auf die Bewegungen des Kolbens 17 durch Veränderung der Lage des Exzenters 24 in bezug auf die Kurbelwelle 18. Dieser Exzenter 24 ist auf einer Schiebebuchse 23 angeordnet, welche mit einer Spiralnut versehen ist. Die Schiebebuchse 23 steht unter Einfluss eines Regulators 22, wodurch ein Verstellen der Schiebebuchse möglich ist. Der Regulator 22 kann also den Winkel zwischen der Kurbel 20 und dem Exzenter 24 verändern, so dass der Punkt, in dem die Regelung der Motorleistung erfolgt, in bezug auf die Kolbenbewegung veränderlich ist.
Wenn die indizierte Leistung mit der verlangten abgegebenen Leistung des Motors im Gleichgewicht ist, so ist der Regulator 22 in Ruhe, d. h. bei jedem Kreislauf erfolgt stets in demselben Augenblick die kurzseitige Verbindung zwischen dem Kurbelkasten 19 und dem Zylinder 15. Da jedoch die Drücke in diesem Augenblick gleich sind, findet in den Kanälen 26 und 27 keine Strömung des gasförmigen Mittels statt, so dass die indizierte Motorleistung auch nicht verändert wird. Eine Störung dieses Gleichgewichtes durch Veränderung der äusseren Belastung bedingt eine Veränderung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Kurbelwelle, wodurch der Regulator 22 betätigt wird und sich der Augenblick, in dem die Verbindung zwisch\.. à dem Zylinder 15 und dem Kurbelkasten 19 hergestellt wird, gleichfalls ändert.
In diesem Falle kann im Zylinder eine Zu-oder Abfuhr des Zirkulationsmittels erfolgen, so dass die indizierte Leistung der verlangten äusseren Be- lastung angepasst wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regelung der indizierten Leistung eines
Heissgasmotors mit geschlossenem Kreislauf durch
Regelung des mittleren Druckes im Motorzylinder durch Änderung der Gasmenge, welche am Kreis- lauf teilnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Vorrichtung automatisch und peri- odisch während je eines Teiles der Zeit, in welchem sich ein Kreislauf abspielt, der Motor- zylinderraum mit einem Hilfsraum verbunden wird und dass eine Regelvorrichtung bei einer
Leistungsänderung derart wirkt, dass der Zeit- punkt der Verbindung während des Kreislaufes automatisch geändert wird.