An ein Verbrauchsnetz angeschlossene Freikolben-Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft eine an ein Ver brauchsnetz angeschlossene Freikolben-Brenn- kraftmaschine, die als Treibgaserzeuger aus gebildet sein kann. Sie besteht darin, dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, die in Ab hängigkeit von der Bewegung eines Frei kolbens arbeitet und beim Stillstand desselben den Schluss eines zwischen Freikolben-Brenn- kraftmaschine und Verbrauchsnetz einge schalteten Abschaltventils selbsttätig herbei führt.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel der Erfindung schematisch darge stellt. Fig. 1 zeigt eine Freikolben-Treibgas erzeugeranlage.
Fig. 2 ist ein Diagramm mit der Kennlinie des Treibgasverbrauchers und dem Verlauf der Schliesskraft des Abblaseventils.
In Fig. 1 hat der Freikolben-Treibgas erzeuger 1 einen Brennkraftzylinder 3, Frei kolben 4 und Verdichterzylinder 5. Die Ver dichterzylinder 5 saugen durch die Leitungen 6 die Luft an und drücken sie in die gemein same Druckleitung 7. Die verdichtete Luft gelangt über die Einlassschlitze 8 in den Brennkraftzylinder 3, in dem sie weiter ver dichtet wird und nach der Brennstoffein spritzung und Zündung als Treibgas durch die Auslass chlitze 9 in die Treibgasleitung 11 gelangt. Aus letzterer tritt das Gas durch das Ventil 12 in die gemeinsame Treibgas leitung 13, die zur Gasturbine 14 führt, die z. B. einen Generator, eine Schiffsschraube oder dergleichen antreibt.
Ausser dem Treibgaserzeuger 1 können weitere Treibgaserzeuger parallel zum erste ren mit der gemeinsamen Treibgasleitung 13 verbunden sein.
Ausser dem Abschaltventil 12 ist an der Leitung 11 ein Abblaseventil 15 vorgesehen, das mindestens beim Schliessen des Abschalt ventils 12 geöffnet wird, um ein unerwünsch tes Abstellen des Treibgaserzeugers 1 zu verhindern.
Das Ventil 12, das den Treibgaserzeuger 1 von der Leitung 13 abschaltet, wird mit tels des Stufenkolbens 16 betätigt, dessen Ringfläche 17 durch einen stets offenen Druckmittelzufluss aus der Leitung 18 dauernd belastet wird, während der Druck des Druckmittels im Raum 19 auf die zweite Fläche 20 des Kolbens 16 willkürlich ein gestellt werden kann.
Zum Schliessen des Ventils 12 ist ein Hahn 21 vorgesehen, der in,der Stellung I die Lei tung 22 mit einem freien Abfluss verbindet, so dass die untere Fläche 23 des. Steuerschie bers 24 unbelastet ist. Die Feder 25 drückt den Schieber 24 in die untere Stellung. In folgedessen ist der Raum 19 über die Lei tungen 26 und 27 mit dem Druckmittel abfluss, 29 verbunden, da der Schieber 30 sich in der untern Stellung befindet.
In folgedessen drückt das Druckmittel aus der Leitung 18 den Kolben 16 nach unten in die untere Stellung und das Abschaltventil 12 ist voll geöffnet. Wird der Hahn 21 in die Stellung 2 gebracht, so fliesst das Druck mittel aus der Zuflussleitung 31 über die Leitungen 32 und 33, die nunmehr mit der Leitung 22 verbunden sind, unter den Kolben 24, der dadurch angehoben wird. Infolge dessen wird der Zufluss von Druckmittel aus der Leitung 31 zum Raum 19 über die Lei tungen 32 und 26 frei. Der Kolben 16 wird angehoben und das Abschaltventil 12 ge schlossen, ohne dass die Stellung des Schie bers 30 sich hat ändern müssen.
Auf diese Weise wird der Treibgaserzeuger 1 von der Turbine 14 abgeschaltet.
Vor allem aber ist eine Vorrichtung vor gesehen, die in Abhängigkeit von der Be wegung des linken Freikolbens 4 arbeitet und beim Stillstand desselben den Schluss des zwischen der Freikolbenmaschine 1 und dem Verbrauchsnetz, die Treibgasleitung 13, ein geschalteten Absehaltventils 12 selbsttätig herbeiführt. Diese Vorrichtung weist die vom Freikolben 4 angetriebene und mit ihm ge- kuppelte Regelpumpe 34 auf, deren Flüssig- keits- oder Gasdruck das Ofenhalten des Ab schaltventils 12 bewirken kann, z. B. wenn die Leitung 36 unmittelbar an die Leitung 18 angeschlossen ist. In diesem Falle würde der Kolben 16 auf der Seite der Kolhenfläche 20, z.
B. von einer Feder, belastet sein, die eine dauernd auf das Ventil 12 lastende Schliess kraft erzeugt. Dadurch würde beim Still stehen der Freikolben 4 infolge des Wegfalls des von der Regelpumpe 34 geförderten Druckmittels das Ventil 12 schliessen. Um das Ventil 12 von Hand zu schliessen, wenn der Treibgaserzeuger 1 in Betrieb isst, wäre zwischen der Leitung 36 und der Leitung 18 ein Hahn, ähnlich wie der Hahn 21, vorzu sehen, der sowohl den Ringraum des Kolbens 16 von der Leitung 36 absperrt, als auch ihn mit einem Druckmittelabfluss verbindet.
In Fig. 1 ist jedoch ausser der Regel pumpe 34 an die Druckleitung 36 der durch die Feder 37 belastete Kolben 38 angeschlos sen, der den Druekmittelabfluss 39 steuert. Solange der Treibgaserzeuger 1 in Betrieb ist, fördert das Kölbchen 35 Druckmittel in die Leitung 36, wo auch der Kolben 38 so weit nach unten verdrängt wird, dass das geförderte Druckmittel grösstenteils durch die Öffnung 39 abfliesst. Die Belastung des Kolbens 38 bestimmt den höchsten Druck des Druckmittels in der Leitung 36. Durch diesen Druck wird der Schieber 30, entgegen der Kraft der Feder 40, in seiner untern Stellung festgehalten.
Ausser der Öffnung 39 ist noch eine Blende 41 vorgesehen, durch die dauernd Druckmittel abfliesst, in der Zeiteinheit je doch nur so viel, dass während des Bewe gungswechsels des Kölbchens 35 der Druck in der Leitung 36 infolge des Entspannens der Feder 37 nicht wesentlich absinkt.
Bleibt hingegen das Freikolbenpaar 4 ste hen, so hört die Förderung des Kölbchens 35 auf. Der Kolben 38 geht nach oben, weil das Druckmittel durch die Blende 41 abfliesst. Sobald der Kolben 38 am Anschlag 42 auf liegt, verschwindet der Druck in der Leitung 36, und die Feder 40 schiebt den Schieber 30 in die obere Endlage.
Nunmehr wird, auch wenn der Hahn 21 in der Stellung 1 steht, die Druckmittel- zufuhr 31 über die Leitungen 27 und 26 mit dem Raum 19 verbunden, und das Absehalt- ventil 12 wird rasch geschlossen. Eine Blende 43 in der Leitung 27 dient zum Einstellen der Schliesszeit.
Das Abblaseventil 15 wird ebenfalls mit Druckmittel betätigt und ist mit einem Kol ben 44 gekuppelt, der wie der Kolben 16 als Stufenkolben ausgebildet ist. Auf der einen Seite der Ringfläche wird er von einer die Öffnung des Ventils 15 dauernd anstre benden Kraft durch Druckmittel aus der Leitung 46 belastet, auf der andern Seite 47 wird das Druckmittel im Raum 48 von dem Steuerorgan 49 selbsttätig in der Weise auf einen Sollwert eingestellt, dass.
das rechte Ende des Steuerorgans 49, das in freier Ver bindung mit dem Raum 48 steht, vom Soll wert des Druckmittels belastet wird. Das andere Ende des Steuerorgans 49 wird von der Feder 50 belastet, deren Spannung zur Änderung des Solldruckes in Abhängigkeit von der Drehzahl der Treibgasturbine 14 eingestellt wird, indem der Regler 51 über den Hebel 52 und die Stange 53 den Nocken 54 verschiebt.
Der Druck des Druckmittels im Raum 48 auf die untere Fläche 47 des Kolbens 45 wird durch die Spannung der Feder 50 be stimmt. Diese Spannung hält dem Druck des Druckmittels auf das rechte Ende des Steuer schiebers 49 die Waage. Beim Entspannen der Feder 50 durch Verschieben des Nockens 54 nach unten verschiebt sich das Organ 49 nach links, und es kann Druckmittel aus dem Raum 48 durch den Abfluss 55 austreten. Wird die Feder 50 hingegen gespannt, wenn der Nocken 54 nach oben geschoben wird. so stellt das Organ 49 die Verbindung zwi schen der Leitung 56 und dem Raum 48 her. Der Druck in der Leitung 56 wird durch die Spannung der Feder 57 bestimmt, die den Schieber 58 belastet und mittels der Spindel 59 auf eine bestimmte Federkraft eingestellt werden kann.
Ist der Druck in der Leitung 56 höher, so bewirkt die Verbindung derselben mit dem Raum 48 eine Druckabsenkung in der Leitung 56 und ein Anheben des Steuer organs 58. Dadurch strömt Druckmittel aus der Zuflussleitung 60 in den Raum 48. Sofern nun das Ventil 15 geöffnet ist, wird der Kolben 44 nach oben bewegt, und ein geringe rer Durchflussquerschnitt bezw. ein gänz liches Schliessen des Abblaseventils 15 wird bewirkt. Ist hingegen das Abblaseventil 15 geschlossen, so wird durch die Druck erhöhung im Raum 48 die Schliesskraft um soviel erhöht, dass sie ein wenig über dem ebenfalls erhöhten Treibgasdruck in den Lei tungen 11 und 13 gelegen ist.
Im Diagramm, Fig. 2, ist diese Abhängig keit der Schliesskraft von einem Betriebswert des Verbrauchers dargestellt. Über der Treib gasmenge sind als Basis die Kurven x und y aufgetragen, deren Ordinate den Druck p dar stellt. Die Kennlinie x gibt den Verlauf des spezifischen Druckes in kg/cm2 eines Treib gasverbrauchers, z. B. einer Gasturbine, wäh rend die punktierte Kurve y die spezifische Belastung des Abblaseventils eines Treibgas- erzeugers darstellt, der sein Treibgas der Gas turbine zuführt. Diese spezifische Belastung ist die Schliesskraft in kg der das Abblase ventil belastenden Feder oder dergleichen, dividiert durch die vom Treibgasdruck be lastete Fläche in cm2.
Die Menge G1 ist die kleinstzulässige Treibgasmenge, bei der der Freikolben-Treib gaserzeuger im Leerlauf betrieben werden kann. Daher ist das Abblaseventil biss zur Menge G1 unbelastet, und das Treibgas wird durch das Abblaseventil ins Freie abgelassen. Zwischen G1 und G2 nimmt die Belastung des Abblaseventils zu. Die ,abzublasende Treibgasmenge beim Druck p1 wird durch den Abstand Z1-Z dargestellt. Da nun bei zunehmender Belastung der Gasturbine der Treibgasverbrauch zunimmt, wird dieser Ab stand, d. h. die sekundliche Menge, die abge lassen wird, immer kleiner. Deshalb wird das Abblaseventil mehr und mehr geschlossen, und der Treibgasdruck p erhöht sich. Im Punkt G2 ist das Abblaseventil geschlossen und wird nun im weiteren Arbeitsbereich von G2 bis G3 mit einem veränderlichen Schliessdruck be lastet.
Dieser Schliessdruck wird zwischen G2 und G3 in Abhängigkeit von einem Be triebsfaktor der Anlage so eingestellt, dass er mindestens in diesem Arbeitsbereich des Treibgasverbrauchers um den einstellbaren Betrag 4p über dem jeweiligen Treibgasdruck liegt, :der durch den Verbraucher entsprechend der Kennlinie x bestimmt wird. Dabei kann dp sowohl konstant als auch mit zunehmen der Menge zu- oder :abnehmend, oder sonst variabel sein.
Daidurah wird der Vorteil erreicht, einmal dass :das Abblaseventil geschlossen bleibt, anderseits dass trotz des von p2 bis p3 wech selnden Treibgasdruckes der Schluss des Ab- blaseventilss in dein ganzen Bereich von G2 bis:
G3 nur um einen kleinen, einstellbaren Druckunterschied, der zu einem sichern Schliessen dieses Ventils erforderlich ist, den Treibgasdruck übersteigt. Infolgedessen kann bei einem plötzlichen Abstellen des Treibgas- verIrauehers dem Treibgasdruck im Treibgas- erzeuger bis zum Öffnen des Abblaseventilss nur geringfügig ansteigen.
Infolgedessen wer den die Druckverhältnisse im Brennkraft- und Verdichterteil des Treibgaserzeugers trotz Änderung im Treibgasverbrauch nicht erheblich verändert, und ein unbeabsichtigtes Albstellen des Treibgaserzeugers ist ver mieden.
Ohne diese Regelung müsste die Belastung des Abblaseventils zwischeu G2 und G3 dem Druck p3a = p3 + #p entsprechen, denn nur so bliebe das Abblaseventil auch im Punkt G3 geschlossen. Hingegen würde beim Ausfall des Treibgasverbrauches das Abblaseventil in Punkt G2 erst öffnen, wenn der Treibgas druck von p2 auf p3a, d. h. ein Mehrfaches von p2 gestiegen wäre, was unweigerlich ein Abstellen des Treibgaserzeugers mit sich brin gen würde.
Die Wirkungsweise der Vorrichtungen ist folgende. Bei einer Anlage mit mehreren, parallel auf ein Verbrauchsnetz geschalteten Treibgaserzeugern, bezw. wenn es sich um eine Anlage für Druckluft handelt, mit meh reren Druckluftkompressoren, die an das Druckluftnetz angeschlossen sind, wird an genommen, dass die Anlage voll belastet ist.
Das Abschaltventil 12 vor dem Treibgas erzeuger 1 sowie alle andern Abschaltventile vor den andern Treibgaserzeugern sind ge öffnet. Die Treibgaserzeuger sind in Betrieb und voll belastet und liefern Treibgas in die Sammelleitung 13 zur Turbine 14, die eben falls voll belastet ist. Das Abblaseventil 15 und alle andern Abblaseventile sind geschlos sen und die ganze Anlage arbeitet im Arbeits bereich von G2 bis G3 in Fig. 2.
Je höher die Drehzahl der Turbine 14, um so mehr wird der Nocken 54, und die der andern Treibgaserzeuger, vom Regler 51 nach oben verschoben und die Feder 50 stärker ge spannt.
Infolgedessen wird bei grösserer Treibgas menge, trotz höherem Treibgasdruck, das Ab blaseventil 15 gesehlossen bleiben. Die Rege lung für die Leistungserhöhung des Treib- gaserzeugere 1 ist der Einfawhheit halber weggelassen. Sie kann beispielsweise vom Drehzahlregler 51 der Turbine abgeleitet wer den. Es versteht sich von selbst, dass zur Ver grösserung der Treibgasmenge und zur Er höhung des Treibgasdruckes die einzu spritzende Brennstoffmenge vergrössert wer den muss und umgekehrt. Dazu kann irgend ein Regelverfahren benutzt werden.
Sinkt nun beispielsweise die Belastung der Turbine 14 so weit, dass zur Erzeugung der erforderlichen Glasleistung nicht mehr alle Treibgaserzeuger im Betriebe gehalten wer den müssen, so kann nun durch langsames Schliessen des Abschaltventils 12 der Treib gaserzeuger 1 von der Turbine 14 abgeschal tet werden, ohne dass diese eine Lastschwan kung erfährt. Denn gleichzeitig greift der Reglern 51 ein und vergrössert, neben der Ver stellung des Nockens 54 nach oben, in irgend einer bekannten Weise die Brennstoffzufuhr, so dass die Leistung der Treibgaserzeuger er höht wird.
Durch die beschriebene Regelung der spezifischen Belastung des Abblaseventils 15 wird nun ein uribeabsichtigtes plötzliches Abstellen des Treibgaserzeugers 1 vermieden, indem bereits bei der kleinen Erhöhung des Treibgasdruckes in der Leitung 10 um den Betrag #p über den Druck in der Leitung 13 bezw. dem Raum 11 das Abblaseventil 15 geöffnet und die vom Treibgaserzeuger 1 erzeugte Treibgasmenge abgeblasen wird. Diese kann entweder ins Freie ausströmen, oder für Wärmeaustausch, Heiz- oder andere Zwecke benutzt werden.
Der Treibgasdruck im Raum 11 bleibt nun zunächst erhalten, da der Nocken 54 und somit die Spannung der Feder 50 entsprechend der neuen Be- laetung der Turbine 14 eingeste'l'lt sind, so dass der Druck im Raum 4,8 dementsprechend eingestellt ist.
Um den Treibgaserzeuger 1 auf Leerlauf zu sehalten, wird der .Sollwert des Druckes in der Leitung 56, und damit im Raum 48 durch Entspannen der Feder 57 mittels der Spindel 59 verringert. Das. Abblaseventil 15 öffnet sieh- Mehr, der Druck im Raum<B>1</B>1 sinkt auf den Leerlaufdruck, und durch Ab- schalten der Brennstoffzufuhr kann der Treibgaserzeuger 1 stillgesetzt werden.
Bei geschlossenem Abschaltventil 12 kann somit durch Spannen oder Entspannen der Feder 57 bezw. durch Einstellung eines be stimmten Druckes in der Leitung 56 der Treibgaserzeuger 1 mit einer beliebigen Be lastung betrieben werden. Dies ist für das Zu- sehailten eines Treibgaserzeugers, während die Turbine 14 arbeitet, notwendig, damit letztere beim Zuschalten keine Lastschwankung er fährt.
Der Zuschaltvorgang ist folgender: Der Treibgaserzeuger 1 wird bei teilweise ent lasteter Feder 57 und durch Erhöhung der Brennstoffzufuhr auf eine solche Belastung gebraeht, dass der Druck im Raum 11 dem momentanen Druck in der Leitung 13 ent spricht. Darnach wird das Ventil 12 durch Umlegen des Hahnes 21 von der Stellung II in die Stellung I geöffnet. Trotzdem ent weicht das vom Treibgaserzeuger 1 erzeugte Treibgas noch immer durch das geöffnete Ab blaseventil 15.
Zum Parallelschalten des Treibgaserzeu gers 1 mit den andern Treibgaserzeugern muss mit Hilfe der Spindel 59 die Spannung der Feder 57 auf den Betriebswert gebracht wer den. Dadurch wird nämlich der Druck in der Leitung 56 so weit erhöht, dass die spezifische Belastung des Abblaseventils 15 dem Druck im Raum 48 entspricht, der durch das Steuer organ 49 eingestellt wird, das in gleicher Weise wie die entsprechenden Steuerorgane der in Betrieb befindlichen Treibgaserzeuger, von einer bestimmten Kraft der Feder 50 belastet wird. Dadurch erhöht sich der Druck im Raum 48 derart, dass die spezifische Be lastung des Abblaseventils 15 nunmehr auch grösser ist als der Treibgasdruck in der Lei tung 13 und das Abblaseventil 15 schliesst.
Die gleiche Wirkungsweise ergibt sich dann, wenn die Freikolbenmaschine 1 nicht als Treibgaserzeuger, sondern als Kompressor arbeitet, wobei die Leitung 7 mit einem Ab blaseventil 15 versehen und über ein Ab sehaltventil 12 an das Druckluftnetz ange schlossen ist. Durch den Brennkraftzylinder 3 entweicht dann beispielsweise nur die Luft menge, die für Spül- und Verbrennungs zwecke erforderlich ist.
Die Kompressorzylinder 5 sowohl eines Treibgaserzeugers als auch eines Freikolben- Brennkraftkompres ors können anstatt aus dem Freien anzusaugen, die Luft in vorver dichtetem Zustand zugeführt erhalten, indem die Saugleitungen 6 an den Druckstutzen eines Vorverdichters angeschlossen sind. Die ser ist vorteilhafterweise als Rotationsver dichter mit Antrieb durch Gasturbine aus gebildet, damit der Vorverdichter mit Treib gas angetrieben werden kann. Im Falle eines Freikolben-Luftkompressors würde zweck mässig die den Vorverdichter antreibende Gasturbine an die Auslassschlitze 9 des Brennkraftzylinders 3 angeschlossen sein.
Die unter Druck stehenden Lufträume der Luftleitung 7 in Fig. 1 und der Kom pressorzylinder 5 sind durch die Verbindungs leitung 61 mit dem Raum 11 vor dem Ab blaseventil 15 verbunden. Die Leitung 61 ist durch ein Rückschlagventil 62 so abge schlossen, dass bei einem bestimmten Über druck auf der Luftseite gegenüber der Treib gasseite sich das Rückschlagventil 62 nach unten öffnet und dadurch einen Druckaus gleich herbeiführt.
Die Feder 63 ist so be messen, dass auch bei dem grössten, wegen des Spülwiderstandes im Brennkraftzylinder erforderlichen Überdruck in der Leitung 7 das Rücksehlagventil 62 noch genügend be lastet ist und dicht bleibt. Die Öffnung er folgt erst, wenn die Druckdifferenz den für das Durchspülen des Bremskraftzylinders <B>3</B> erforderlichen Überdruck um einiges über schreitet.
Diese Verbindung dient dazu, beim Abstellen des Treibgaserzeugers 1, wenn das Ventil 12 geschlossen und das Ventil 15 ge öffnet ist, unmittelbar beim Stillstand der Freikolben 4 sämtliche unter Druck stehen den Lufträume zu entlasten.
Einerseits geschieht dies, um zu verhin dern, dass die Freikolben 4 in eine unbe- absichtigte, für das Anlassen nicht ge wünschte Stellung gelangen würden und um ein leichtes Anlassen des Treibgaserzeugers zu ermöglichen. Zu den unter Druck stehen den Lufträumen können ausser der Spülluft leitung 7 auch allfällige in der Figur nicht dargestellte Sperrlufträume zählen, die bei spielsweise Treibgasbehälter und Treibgas leitungen umgeben und mittels einer Lei tung mit der Spülluftleitung 7 verbunden sind.