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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zum
Betreiben einer Kolbenmaschine zur Expansion eines vorzugsweise
gasförmigen
Arbeitsmediums hohen Druckes und vorzugsweise hoher Temperatur gemäß dem Oberbegriff
des Haupt- und Nebenanspruches.
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Vorbekannt
ist durch die Schrift
DE
30 05 340 A1 eine Kolbenmaschine zur Gewinnung von Energie
aus der Expansion eines hochgespannten Mediums, die zur Steuerung
des Ladungswechsels hydraulisch oder pneumatisch betätigte Schieber
aufweist. Das hydraulisch oder pneumatische Steuermedium wird durch
elektrisch angesteuerte Pilotschaltorgane zum Beaufschlagen und
Entlastung der Ladungswechselschieber gesteuert. Die Ansteuerung
erfolgt über
Impulsgebereinrichtungen an der Kurbelwelle, dabei sind sowohl die Öffnungs-
als auch die Schließzeiten
der Schieber für
den Ladungswechsel verstellbar.
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Diese
Maschine und ihre Ladungswechselsteuerung ist für die Druckentspannung in Gasanlagen
vorgesehen.
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Allgemein
vorbekannt ist es, bei Hubkolben-Kraftmaschinen, z. B. durch die
Schrift
DE 42 32 573
A1 , Ladungswechselventile in Richtung des Arbeitsraumes
im Zylinder mittels einer mit Druckmittel beaufschlagten Kolbenanordnung
zu schließen
und das Öffnen,
z. B. durch eine Feder oder ein Druckmedium, zu bewirken, wenn keine
Druckbeaufschlagung in Richtung des Schließens des Ventiles durch das
Arbeitsmittel selbst erfolgt und eine Entlastung wirksam ist.
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Vorbekannt
ist es durch die Schrift
DE
709 669 A , Kolbendampfmaschinen mittels direkt oder indirekt
elektrisch angesteuerter Ein- und Auslassventile zu betreiben. Die
taktrichtige Steuerung erfolgt mittels einer der Kurbelwelle zugeordneten
elektrischen Verteilereinrichtung mit entsprechenden Kontaktabgriffen
für eine
zur Kurbelwelle synchronen Ansteuerung der Ventile. In
1 dieser Schrift ist eine direkte
Betätigung
der Ventile durch Elektromagneten gezeigt, welche direkt über die
Verteilereinrichtung an- und abgeschaltet werden.
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Weiterhin
ist in 2 dieser Schrift
auch eine mittelbar von der Verteilereinrichtung gesteuerte, aber
indirekte Betätigung
unter Anwendung von Drucköl
dargestellt, das aus einem Druckspeicher bereitgestellt wird. Unter
Zwischenschaltung einer mechanischen Übersetzung betätigt ein
mit Drucköl als
Steuermedium zu beaufschlagender Steuerzylinder, jeweils die Einlassventile.
Das Zuführen
von Drucköl
zum Steuerzylinder und das Entlasten des Steuerzylinders vom Drucköl erfolgt
jeweils über
ein von der Verteilereinrichtung angesteuertes elektromagnetisch
betätigtes
Ventil.
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Letztere
Ausführung
weist den Nachteil auf, dass als Steuermedium Drucköl aus einem
Druckspeicher angewandt wird und der Betätigungsmechanismus für die Ventile
einen wenig kompakten Aufbau aufweist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Steuereinrichtung
zum Betreiben einer Kolbenmaschine zur Expansion eines vorzugsweise
gasförmigen
Arbeitsmediums hohen Druckes und hoher Temperatur mit Verdichtungs-
und Füllungsregelung
zu schaffen, das jedoch auch zu Flüssigkeit kondensieren kann.
Die Bauart von Ein- und Auslaßventil
soll einen Zylinderraum mit geringem Totvolumen ergeben, wobei beide
Ventile durch Überdruck
im Zylinderraum zu öffnen
sein sollen. Die Steuereinrichtung soll dabei die Ein- und Auslaßventile
mittels des Arbeitsmediums betätigen
und nachfolgend das zu entlastende Druckmedium aus der Steuereinrichtung
noch zur Energierückgewinnung genutzt
werden.
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Erfindungsgemäß wird eine
optimale Lastregelung durch Verdichtungs- und Arbeitsmedium-Zufuhrregelung
möglich.
Hierzu ist sowohl ein elektronisch ansteuerbares Auslaßventil,
das auch als Dekompressionsventil genutzt werden kann, als auch ein
unabhängig
angesteuertes Einlaßventil
zum Öffnen
im Bereich vor und nach dem OT vorhanden. Zusätzlich können Auslaßschlitze, die im UT-Bereich geöffnet sind,
vorhanden sein.
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Diese
Art der Ladungswechselsteuerung erlaubt eine Varibilität der Steuerzeiten
mit folgenden Vorteilen:
Über
das Einlaßventil
ist
- – der
Druckaufbau im Bereich des OT vom Betriebszustand abhängig einstellbar,
- – die
Beaufschlagungsmenge drosselfrei regelbar.
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Über das
zusätzliche
Auslaßventil
ist
- – eine
sich über
einen großen
Teil des Hubes erstreckende Expansion realisierbar,
- – eine
Regelung des Kompressionsenddruckes für alle Lastzustände möglich.
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Mit
den vorgenannten technischen Möglichkeiten
läßt sich
der Wirkungsgrad und das Betriebsverhalten hinsichtlich Geräusch in
weiten Grenzen optimieren. Durch die Anwendung von Arbeitsmittel als
Steuermedium für
die Ladungswechselventile und des Zwischenspeichers zur Vorentlastung
und nachfolgenden Expansion im Zylinderraum wird eine Wirkungsgradverbesserung
für die
Ladungswechselsteuerung erzielt.
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Die
erfindungsgemäße Steuereinrichtung wird
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in der nachfolgenden
Beschreibung erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
P-V-Diagramm vom Vollastbetrieb mit den Steuerzeiten von Ein- und
Auslaßventil
einschließlich
Impulsplan der elektrischen Ansteuerung der Steuerventile,
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2 die
erfindungsgemäße Steuervorrichtung
mit Kolben in Bewegung zum OT,
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3 die
erfindungsgemäße Steuervorrichtung
mit Kolben bei seiner Bewegung nahe OT, hin und weg von OT,
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4 die
erfindungsgemäße Steuervorrichtung
mit Kolben bei seiner Bewegung zum UT hin, Einlaß und Auslaß geschlossen,
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5 die
erfindungsgemäße Steuervorrichtung
mit Kolben im UT, Auslaßschlitze
geöffnet,
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6 die
erfindungsgemäße Steuervorrichtung
mit Kolben nach dem Verschließen
der Auslaßschlitze
in Bewegung zum OT.
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In 1 ist
ein Schema zu den Verläufen nachfolgend
genannter Drücke
und Öffnungsbereiche
von Ladungswechselorganen innerhalb eines Arbeitsspieles gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
dargestellt.
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Darin
bedeutet:
Druck im Zylinderraum 1,
Druck im Einlaßkanal 2 =
Arbeitsdruck pa,
Druck im Auslaßkanal 3,
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p4
= Druck im Zwischenspeicher 4.
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Die Öffnungsbereiche
der einzelnen Gaswechselorgane während
einer Kurbelwellenumdrehung sind auf den mit Kreisen gekennzeichneten
Linien durch – Strichverstärkung markiert.
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- 20
- Einlaßventil,
- 12
- Überströmventil,
- 30
- Auslaßventil,
- 11
- Auslaßschlitze.
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Die Öffnungsbereiche
der einzelnen Steuerventile während
einer Kurbelwellenumdrehung zur Betätigung der Gaswechselorgane
sind auf den mit Quadraten gekennzeichneten Linien durch Strichverstärkung markiert.
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- 21
- Schließsteuerventil
für 20,
- 22
- Öffnungssteuerventil
für 20,
- 31
- Schließsteuerventil
für 30,
- 32
- Öffnungssteuerventil
für 30.
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Weiterhin
sind die Bereiche abgegrenzt, in denen die von den 2 bis 6 gezeigten
Steuerstellungen der Gaswechselorgane und Steuerventile zutreffend
sind.
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Vor
einer Erläuterung
des Abstandes eines Arbeitsspieles wird anhand der 2 die
erfindungsgemäße, elektromagnetisch-arbeitsdruckgesteuerte Ladungswechselsteuerung
eines Dampfmotors beschrieben.
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Im
Zylinderraum 1 bewegt sich ein von einem Hubtrieb bewegter
Kolben 5, der im Bereich des unteren Totpunktes Auslaßschlitze 11 freigibt,
siehe 5, wobei das im Zylinderraum 1 beim Weg
des Kolbens 5 von OT nach UT entspannte Druckmedium vollkommen
entlastet wird.
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Das
Einlaß- 20 als
auch das Auslaßventil 30 werden
prinzipiell gegen den Zylinderraum 1 durch Beaufschlagen
mit Arbeitsdruck verschlossen, hierzu sind beide Ventile 20; 30 mit
Differentialkolben 201; 301 ausgestattet, deren
jeweilig kleinere Fläche
vom Zylinderdruck beaufschlagt ist.
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Mittels
der elektromagnetisch betätigten Schließ- 21; 31 und Öffnungssteuerventile 22; 32 wird
das Öffnen
und Schließen
von Einlaß- 20 und Auslaßventil 30 durch
Beaufschlagen deren Steuerflächen
mit dem unter hohem Druck stehenden Arbeitsmedium und durch Entlasten
dieser in Abhängigkeit
von Last- und Drehzahl gesteuert.
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Der
Zylinderraum 1 ist im Bereich seines Verdichtungsraumes
mit einem Überströmventil 12 sowie Überströmkanal 13 versehen,
das bei einem Überdruck
im Zwischenspeicher 4 gegenüber dem Zylinderraum 1 automatisch öffnet. Bei Überdruck
im Zylinderraum 1 ist es geschlossen. Der Zwischenspeicher 4 bildet
ein Expansionsvolumen für
das Entlasten der jeweiligen Druckkammern von Einlaß- 20 und
Auslaßventil 30 zum Öffnen derselben.
Gleichzeitig kann das nur teilweise expandierte Arbeitsmedium aus
dem Zwischenspeicher 4 bei Überdruck gegenüber dem
Zylinderraum 1 in diesen über das Überströmventil 12 und den Überströmkanal 13 gelangen
und dabei im Zylinderraum 1 weiter expandiert werden.
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Mit
diesem Vorgang wird Druckenergie aus dem zur Ventilbetätigung genützten Druckmedium noch
zurückgewonnen.
Die Dämpfungsdrosseln 23; 24; 33 verhindern
prinzipiell ein hartes Aufsetzen von Ein- 20 und Auslaßventil 30 auf
ihre Sitze bzw. ihre Endlagenanschläge. Die zugehörigen Kanalanordnungen
und Wirkung werden gesondert erläutert.
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In
den Funktionsschemen ist der Druckzustand in den maßgeblichen
Räumen
markiert und zwar:
- – Arbeitsdruck durch Streifen
- – entlastet
zum Auslaß durch
markierte Quadrate
- – Zwischenspeicherdruck,
geringer als Arbeitsdruck durch schraffierte Halbkreise.
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Gezeigt
ist in 2
- – Kolbenbewegung zum OT, Ausschieben
von Restladung aus dem Zylinderraum 1,
- – Auslaßventil 30 offen,
allseitig druckentlastet,
- – Zwischenspeicher 4 über Überströmventil 12 in Überströmkanal 13 zum
Zylinderraum 1 hin druckentlastet,
- – Einlaßventil 20 an
seinem Differentialkolben 201 mit Arbeitsdruck beaufschlagt
und geschlossen gegen den im Zylinderraum 1 sich aufbauenden Verdichtungsdruck.
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3
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- – Kolbenbewegung
zum OT, Verdichten bis zum Arbeitsdruck im Zylinder,
- – Auslaßventil 30 gegen
den Dichtsitz 130 geschlossen durch am Differentialkolben 301 anliegenden
Arbeitsdruck,
- – Einlaßventil 20 öffnet zur
Zuführung
vom Arbeitsdruck, einerseits vom Arbeitsdruck beaufschlagt wird
andererseits gegen den Zwischenspeicher 4 druckentlastet, Überströmventil 12 zum
Zylinderraum 1 hin geschlossen.
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Diese
Steuerstellung setzt sich auch nach OT beim Weg des Kolbens nach
UT noch fort. Es erfolgt weiterhin die Zufuhr von Arbeitsmedium
unter Arbeitsdruck.
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4
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- – Kolbenbewegung
zum UT, Expandieren des Arbeitsmediums im Zylinderraum 1 unter
die Druckhöhe
des vorentlasteten Arbeitsmediums im Zwischenspeicher 4 aus
dem Steuersystem von Ein- 20 und Auslaßventil 30,
- – Auslaßventil 30 über seinen
Differentialkolben 301 durch vorentlastetes Arbeitsmedium
geschlossen,
- – Einlaßventil 20 geschlossen,
vom Zylinderraum 1 mit stark expandiertem, druckgesenktem
Arbeitsmedium und seinem Differentialkolben 201 allseitig
mit Arbeitsdruck beaufschlagt,
- – Überströmventil 12 zum
Zylinderraum 1 hin geöffnet,
wenn die Druckhöhe
des vorentlasteten Arbeitsmediums im Zwischenspeicher 4 aus
dem Steuersystem größer ist
als das expandierte Arbeitsmedium im Zylinderraum 1.
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5
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- – Kolben 5 überläuft vor
und nach UT Auslaßschlitze 11,
völlige
Entlastung des Arbeitsmediums über
die Auslaßschlitze 11,
- – Einlaßventil 20 geschlossen,
Differentialkolben 201 allseitig mit Arbeitsdruck beaufschlagt,
- – Auslaßventil 30,
indifferent geschlossen durch allseitige Beaufschlagung mit völlig entlastetem Arbeitsmedium,
- – Überströmventil 12 zum
Zylinderraum 1 hin geöffnet,
wenn die Druckhöhe
höher ist
als im expandierten Arbeitsmedium des Zylinderraumes 1.
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6
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- – Kolben 5 schließt Auslaßschlitze 11 durch Überdecken
Verdichten von verbliebenem Arbeitsmedium
- – Einlaßventil 20 geschlossen,
Differentialkolben 201 allseitig mit Arbeitsdruck beaufschlagt,
- – Auslaßventil 30,
geschlossen durch Beaufschlagen seines Differentialkolbens 301 mit
Arbeitsmedium in Schließrichtung,
- – Überströmventil 12 zum
Zylinderraum 1 hin geschlossen, weil Druckhöhe im Zylinderraum 1 größer ist
als die im Zwischenspeicher 4.
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Dem
Einlaßventil 20 sind
das Schließsteuerventil 21 und
das Öffnungssteuerventil 22 zugeordnet. Über das
Schließsteuerventil 21 wird
der Differentialkolben 201 an seiner großen Fläche in Schließrichtung
direkt mit dem Arbeitsmedium beaufschlagt. Die gegen Schließrichtung
wirksame kleinere Fläche des
Differentialkolbens 201 wird gleichzeitig über eine
Dämpfungsdrossel 24 beaufschlagt.
Dies führt zu
einem verzögerten
Druckaufbau, der jedoch letztlich ein hartes Aufsetzen des Einlaßventils 20 auf
seinen Dichtsitz 120 vermeidet. Über das Öffnungssteuerventil 22 erfolgt über die
erste Wegstrecke des Öffnens
eine direkte Entlastung der großen
Fläche
des Differentialkolbens 201, wobei gleichzeitig über die Dämpfungsdrossel 24 eine
Entlastung der kleinen Fläche
des Differentialkolbens 201 erfolgt. Auf der weiteren Wegstrecke
des Öffnens
erfolgt eine gedrosselte, und damit verzögerte Entlastung der großen Fläche des
Differentialkolbens 201 über die Dämpfungsdrossel 23.
Alle vorbeschriebenen Entlastungsvorgänge erfolgen zum Zwischenspeicher 4 hin,
dessen Volumen für
eine genügende
Druckabsenkung durch Teilexpansion bemessen sein muß.
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Dem
Auslaßventil 30 sind
das Schließsteuerventil 31 und
das Öffnungssteuerventil 32 zugeordnet. Über das
Schließsteuerventil 31 wird
der Differentialkolben 301 an seiner großen Fläche in Schließrichtung
direkt mit dem Arbeitsmedium beaufschlagt. Die gegen Schließrichtung
wirksame kleinere Fläche des
Differentialkolbens 301 ist ständig über eine Dämpfungsdrossel 33 mit
dem Zwischenspeicher 4 verbunden, wobei ein gedämpfter aber
stetiger Ladungsaustausch bei einer Verlagerung des Kolbens erfolgt. Über das Öffnungssteuerventil 32 wird
der Differentialkolben 301 an seiner großen Fläche direkt zum
Zwischenspeicher 4 hin entlastet. Aus dem Zwischenspeicher 4 gelangt
das vorentspannte Arbeitsmedium über
das Überströmventil 12,
welches ein Einwegventil ist, dann in den Zylinderraum 1,
wenn der Arbeitsdruck in diesem durch Expansion unter den Druck
im Zwischenspeicher 4 abgesunken ist.
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- 1
- Zylinderraum
- 11
- Auslaßschlitze,
verbunden mit 3
- 12
- Überströmventil
zwischen 4 und 1, Einwegventil von 4 nach 1
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- durchlässig
- 13
- Überströmkanal
- 120
- Dichtsitz
für 20
- 130
- Dichtsitz
für 30
- 2
- Einlaßkanal
- 20
- Einlaßventil
- 201
- Differentialkolben
an 20
- 21
- Schließsteuerventil
für 20
- 22
- Öffnungssteuerventil
für 20
- 23
- Dämpfungsdrossel öffnen
- 24
- Dämpfungsdrossel
schließen
- 3
- Auslaßkanal
- 30
- Auslaßventil
- 301
- Differentialkolben
an 30
- 31
- Schließsteuerventil
für 30
- 32
- Öffnungssteuerventil
für 30
- 33
- Dämpfungsdrossel
schließen
- 4
- Zwischenspeicher
- 5
- Kolben
- 2H
- Hochdruckkanal
- 20S
- Druckkanal
- 20Ö
- Entlastungskanal
- 20d
- Dämpfungskanal
- 30S
- Schließkanal
- 30Ö
- Entlastungskanal
- 30d
- Dämpfungskanal
- 40z
- Kanal
in 4 mündend
- UT
- unterer
Totpunkt
- OT
- oberer
Totpunkt