DE2922603C2 - Mehrzylindriger Heißgasmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrzylindrigen Heißgasmotor mit Merkmalen, wie im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben.

Aus der DE-AS 22 09 482 ist eine solche mehrzyüp.-drige Heißgaskolbenmaschine bekannt bei der jedem Erhitzer eine Brennkammer zugeordnet ist in die Brennstoff und Luft über icntsprtchende Zuleitungen mengenmäßig variabel, aber immer in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehend einspeisbar sind. Die Luftversorgung erfolgt von einer gemeinsamen Speiseleitung aus, von der die einzelnen zu den Brennkammern hin führenden Luftzuleitungen abzweigen. In die Speiseleitung ist ein Regelventil eingebaut mit dem die LuftdurchtriUsmenge einstellbar ist Die Brennstoffversorgung erfolgt von einer gemeinsamen Förderleitung aus, in die eine Pumpe Brennstoff mit konstantem Druck fördert Von der Förderleitung zweigen die zu den einzelnen Brennkammern hinführenden Brennstoffzuleitungen ab, in welch jede derselben eine Strömungsdrossel, stromab derselben ein Druckerfassungsorgan und stromab desselben ein Brennstoffdurchflußregelventil eingeschaltet sind. Jedes dieser Brennstoffdurchflußregelventile wird in Abhängigkeit von der in der zugehörigen Brennkammer herrschenden Temperatur eingestellt. Hierdurch ergeben sich zwangsläufig unterschiedliche Drücke in den Brennstoffzuleitungen, von denen wiederum der jeweils niedrigste von einer Auswahleinrichtung ausgewählt wird und als Signal für eine Änderung der den Brennkammern zuzuführenden Verbrennungsluft dient.

Weil aber die Verbrennungsluft immer aus Sicht des niedrigsten Brennstoffdruckes und der zugehörigen Brennstoffmenge nachgeregelt wird, erhalten die anderen Brennkammern weil mit der gleichen nachgeregelten Luftmenge versorgt, eine Luftmenge, die in Verbindung mit dem zugeführten Brennstoff immer unter-

schiedliche Verbrennungsluftverhältnisse und damit in allen Brennkammern unterschiedliche Verbrennungsbedingungen bewirken. Außerdem ist damit auch keine Vergleichmäßigung der Wärmezufuhr zu dem in den Erhitzern eingeschlossenen Arbeitsgas der Heißgasmaschine möglich, was sich generell nachteilig auf deren Betrieb auswirkt

Andererseits ist aus der DE-AS 22 09 778 bereits eine Heißgaskolbenmaschine bekannt, bei der mit einem Thermoelement direkt die Temperatur des in einem Erhitzer eingeschlossenen Arbeitsgases gemessen wird. Das so erfaßte Temperaturmeßsignal dient als Steuergröße für die Einstellung der Drehzahl des Verbrennungsluft fördernden Gebläses und einer mit diesem starr verbundenen Brennstoffpumpe. Letztere ist aber mit einem Druckregelventil ausgestattet, so daß an den Brennraum immer nur Brennstoff konstanten Druckes geliefert werden kann, auch dann, wenn die Menge an gelieferter Luft größer wird. Dies führt zwangsläufig zu unterschiedlichen Verbrennungsluftverhältnissen in einer Brennkammer, was sich von Fall zu Fall insbesosdere aus Sicht der Abgaszusammensetzung negativ bemerkbar macht Im übrigen ist diese bekannte Lösung auf eine unabhängige Luft- Brennstoff- Mengenregelung für jede einzelne Brennkammer abgestellt, so daß hier kaum gleiche Verhältnisse in allen Brennkammern zu erreichen sind, was für einen günstigen Betrieb der Heißgaskolbenmaschine notwendig wäre.

Desweiteren ist aus der CH-PS 3 87 383 eine Sicherheitseinrichtung zur Vermeidung von zu hohen Arbeitsgastemperaturen in einem Heißgasmotor bekannt Dabei ist innerhalb jedes Erhitzers ein Thermoelement vorhanden, das an eine elektrische Sicherheitsschaltung angeschlossen ist, die wiederum auf ein Brennstoffabsperrorgan einzuwirken vermag. Letzteres sperrt dann die zu der betreffenden Brennkammer führende Brennstoff zuleitung ab, sobald vom Thermoelement eine zu hohe Arbeitsgastemperatur festgestellt wird. Über die Regelung von Brennstoff und Luft ist in dieser Schrift jedoch nichts ausgesagt

Schließlich ist durch die DE-OS 26 45 376 ein mit Außenverbrennung arbeitender Verbrennungsmotor bekannt, dessen Brennraum Kraftstoff und Luft in Mengen zugeführt werden, deren Verhältnis durch eine Regeleinrichtung in Abhängigkeit von bei Belastungsänderungen des Motors auftretenden Temperaturänderungen steuerbar ist Als Regelparameter dient dabei die außen an Erhitzerrohren gemessene Temperatur, die einer Steuereinrichtung zuführbar ist, welche die Zuführung von Verbrennungsluft proportional der Differenz zwischen dem Ist- und Sol'wert der gemessenen Temperatur und proportional der zugeführten Verbrennungsluftmenge die Zuführung einer bestimmten Kraftstoffmenge zum Brennraum des Motors steuert Dabei wirkt der durch ein Gebläse erzeugte, durch eine bestimmte Drosselklappenstellung in der Förderleitung eingestellte Luftstrom über eine Düse aui ein Membranventil, dessen Membran ein Schließteil trägt, das den Durchflußquerschnitt der Kraftstofförderleitung und damit die durchtretende Kxaftstoffmenge beeinflußt.

Dieser Regelkreis weist jedoch gewisse bauteilbedingte Nachteile auf. Es wird beispielsweise die Temperatur durch außen an Erhitzerrohren angebrachten Thermoelementen und nicht die tatsächliche Arbeitsgastemperatur gemessen, die eine exakte Basis für die effektiv erforderliche Luft-Brennstoff-Nachregelung darstellt. Ferner ist durch die Verwendung einer stellungsvariablen Drossel in der Verbrennungsluftförderleitung ein Gebläse erforderlich, daß in unrentabler Weise immer die maximale Luftmenge fördern muß, von der jedoch nur ein Teil dem Brennraum zugeführt wird. Außerdem erscheint die luftstromabhängige Steuerung des Brennstoffzuflußquerschnittes mittels des Membranventils relativ anfällig gegen mechanische Einflüsse, wie Erschütterungen, Druckschwankungen, Verunreinigungen oder Ablagerungen am Ventildurchtritt Außerdem ist das bekannte Regelsystem nur für

ίο die Luft-Brennstoff-Zufuhrsteuerung für einen Brennraum ausgelegt

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, einem mehrzylindrigen Heißgasmotor eine Regeleinrichtung für dessen Arbeitsgastemperatur zuzuordnen, mit der die Luft- und Brennstoffzuteilung für alle Brennräume mit einem minimalen Bauteileaufwand und mit größtmöglicher Funktionssicherheit in eine möglichst gute Verbrennung sichernden Mengen gewährleistet sind.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Einrichtung gemäß den kennzeichnen^.-n Merkmalen des Anspruches 1 gelöst Vorteilhafte Weite rbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Durch die Verwendung einer elektronischen Auswahllogik, die auf die niedrigste gemessene Arbeitsgastemperatur anspricht und diesen Temperaturpegel als Regelparameter an eine allen Brennräumen gemeinsame Luftmengensteuerung weiterleitet, ist eine optimale Luftmengenförderung gewährleistet Da außerdem auch die Brennstoffzufuhr zu allen Bi ennräumen proportional der allen Brennräumen gemeinsamen Luftmengenzufuhr gesteuert wird, und diese Brennstoffzufuhr außerdem durch eine integrierte Überwachungseinrichtung bei Bedarf reduzierbar ist, ist eine Regelungseinrichtung geschaffen, die vollautomatisch den Luft-Brennstoff-Bedarf jedes einzelnen Brennraumes mit einem minimalen Aufwand an Bauteilen optimiert

Nachstehend ist die erfindungsgemäße Einrichtung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Aasführungsbeispieles näher beschrieben.

In der Zeichnung ist schematisch der Aufbau eines mehrzylindrigen Heißgasmotors dargestellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung jener den internen Arbeitskreisen des Heißgasmotors zuzurechnenden Teilen weitestgehend verzichtet wurde.

Außerdem sind von den sechs in der Zeichnung nebeneinander dargestellten Baugruppen wegen Identität ihrer Bauteile nur zwei vollständig mit Bezugszeichen versehen; für die identischen Teile der anderen Baugruppen gelten die gleichen Bezugszeichen.

Jedem nicht dargestellten Zylinder ist ein Brennraum 1 zugeordnet, dem wiederum ein Arbeitsgas beinhaltender Erhitzer 2 zugeordnet ist Mit 3 sind Zerstäuberdüsen Lezsichnet denen Brennstoff über Brennstoffzuleitungen 4 und Zerstäuberluft über Förderleitungen 5 zuführbar ist Letztete sind an eine allen gemeinsame Zuleitung 6 angeschlossen, an deren Eingang ein von einem Elektromotor 7 angetriebenes Zerstäuberluftgebläse 8 mit Luftfilter 9 als Fördereinrichtung angeordnet ist Die Brennstoffzuleitungen 4 sind ebenfalls an eine allen gemeinsame Förderleitung 10 angeschlossen, in die eine Brennstoffhauptzufuhrleitung 11 mündet. Letztere ist eingangsseitig mit einem Brenstofftank 12 verbunden, von dem Brennstoff mittels einer ein Überdruckventil 13 aufweisenden Brennstoffpumpe 14 über einen Brennstoff-Filter 15 und ein im Normalfall offenes Brennstoffabsperrventil 16 zu den einzelnen Brennstellen förderbar ist. Das Brennstoffabsperrventil 16 ist als Magnetventil ausgebildet und dient als Sicherheitsventil

für einen etwaigen Störfall, der eine vollkommene Brennstoffzufuhrunterbindung erfordert. Das Brennstoffabsperrventil 16 ist über Leitungen 17 mit mehreren Kontrollelementen an verschiedenen Funktionselementen des Heißgasmotors verbunden; eine dieser Lei- tungen führt beispielsweise als Sammelleitung zu erhitzerinteni angeordneten Thermoelementen 18, die auf einen Temperaturhöchstwert eingestellt sind und bei Überschreiten dieser Temperatur ein Signal zum Brenstoffabsperrventil 16 mit der Folge einer Brennstoffzu- fuhrsperrung weiterleiten.

Bei der nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Temperatur-Regelungseinrichtung ist innerhalb jedes Erhitzers 2 ein Thermoelement 19 angeordnet; die Thermoelemente 19 sind über je eine Verbindungsleitung 20 mit je einem Eingang einer elektronischen Auswahllogik 21 verbunden. Diese Auswahllogik 21 wertet die fortlaufend in sie eingespeisten, jeweils erhitzerintern gemessenen Arbeitsgastemperaturen aus und leitet das der niedrigsten Arbeitstemperatur entsprechende Signal als Istwert über einen Kanal an einen temperaturabhängig arbeitenden Temperaturregler 22 weiter, der auf einen bestimmten Sollwert eingestellt is». Ausgangsseitig ist der Temperaturregler 22 mit jiner Antriebseinrichtung 23 für ein Gebläse 24 verbunden, das Luft über eine gemeinsame Förderhauptleitung 25 und jeweils von dieser wegführerde Abzweigungen 26 zu den einzelnen Brennräumen fördert Die Antriebseinrichtung 23 ist dabei so ausgelegt, daß die'Drehzahl des Gehäuses 24 in einem relativ weiten Bereich stufenlos einstellbar ist Hierzu wird als Antriebseinrichtung ein Elektromotor und ein diesem zugeordneter Bürstenverstellmotor oder alternativ hierzu ein Motor mit verstellbarem Riemenantrieb verwendet Die Drehzahleinstellung des Gebläses 24 erfolgt durch entsprechende Si- gnale, die der Temperaturregler 22 in Abhängigkeit von dem ihm zugeführten Istwertsignal erzeugt und an die Antriebseinrichtung 23 weiterleitet

Die über die Förderhauptleitung 25 und die davon wegführenden Abzweigungen 26 gleichzeitig zu allen Brennräumen 1 geförderte Luftmenge ist daher abhängig von der eingestellten Drehzahl des Gebläses 24. Entsprechend der geförderten Luftmenge wird die den einzelnen Brennräumen gleichzeitig zugeführte Brennstoffmenge eingestellt

Zur Messung der vom Gebläse 24 geförderten Luftmenge ist in der Förderhauptleitung 25 vor, gegebenenfalls auch nach dem Gebläse 24, eine auf Strömungsdruck ansprechende Meßeinrichtung 27 angeordnet; letztere ist an e^;nem Druckmeßumformer 28 angekoppelt der den gemessenen Strömungsdruck in ein diesem proportionales elektrisches Signal, vornehmlich eine elektrische Spannung, umwandelt An den Druckmeßumformer 28 sind ausgangsseitig über eine gemeinsame Steuerleitung 29 Brennstoffmengensteuereinrichtungen 30 angeschlossen, von denen je eine einem Brennraum 1 zugeordnet und in dessen Brennstoffzuleitung 4 eingeschaltet ist

Im einzelnen besteht jede Brennstoffmengensteuereinrichtung 30 aus einem Drosselventil 31 und einem elektrischen Verstellmechanismus; letzterer setzt sich aus einem mit dem den Durchflußquerschnitt für den Brennstoff verändernden Teil des Drosselventils 31 gekoppelten Schrittmotor 32 und einer diesem vorgeschalteten elektrischen Motorsteuereinrichtung 33 mit zwei alternativ ansteuerbaren Eingängen 34 bzw. 35 zusammen. Die Motorsteuereinrichtung 33 ist im gezeigten Ausführungsbeispie! als elektronischer Analog-Di gital-Wandler ausgebildet, der den vom Druckmeßumformer 28 übermittelten elektrischen Analogwert in elektrische Schrittimpulse für den Schrittmotor 32 umwandelt.

Die ersten Eingänge 34 aller Brennstoffmengensteuereinrichtungen 30 sind jeweils über eine erste Schaltstrecke eines an diese angeschlossenen elektrischen Umschalters 36 mit der vom Druckmeßumformer 28 kommenden Steuerleitung 29 verbunden.

Die erste Schaltstrecke des Umschalters 36 ist in der Regel geschlossen, so daß durch ein einziges Steuersignal vom Druckmeßumformer 28 gleichzeitig alle Brennstoffmengensteuereinrichtungen 30 auf eine bestimmte Brennstoffzuführmenge einstellbar sind.

Die elektrischen Umschalter 36 sind jedoch bei Bedarf durch einen elektrischen Umschaltbefehl, abgegeben von einer jeweils einem Brennraum zugeordneten Überwachungseinrichtung 37 über eine Leitung 38 von der ersten Schaltstrecke auf eine zweite Schaiisireckc umschaltbar, so daß dann von der Überwachungseinrichtung 37 über eine Leitung 39 und den zweiten Eingang 35 Steuersignale in die Motorsteuereinrichtung 33 einspeisbar sind.

Die Überwachungseinrichtungen 37 dienen als Maximumwächter und bestehen jeweils aus einem Regler 40, do^r auf einen Temperaturgrenzwert eingestellt ist, der geringfügig über dem am Temperaturregler 22 vorgegebenen Temperatursollwert liegt. Jedem Regler 40 werden über eine Zuleitung 41 fortlaufend die durch das erhitzerintern angeordnete Thermoelement 19 ermittelten Arbeitsgastemperaturistwerte des zugehörigen Erhitzers 2 zugeführt Diese Istwerte werden in den einzelnen Überwachungseinrichtungen 37 mit den eingestellten Sollwerten verglichen. Bei Überschreiten des Sollwertes durch den gemessenen Arbeitsgastemperaturistwert gibt die betreffende Überwachungseinrichtung 37 über die Leitung 38 einen LJmSchakbeieh! 2R den zugeordneten Umschalter 36, wodurch die zugehörige Brennstoffmengensteuereinrichtung 3C von der allen Brennräumen gemeinsamen Brennstoffmengenregelung abgeschaltet wird und vom Regler 40 Steuersignale über die Leitung 39 und den zweiten Eingang 35 in die Motorsteuereinrichtung 33 des Drosselventilverstellmechanismus mit dem Zweck einer Brennstoffdurchflußmengenreduzierung eingespeist werden. Diese Regelstrecke bleibt so lange durchgeschaltet, bis der in der Überwachungseinrichtung 37 eingestellte Sollwert wieder vom gemessenen Arbeitsgastemperaturistwert unterschritten ist Sobald dieser Fall eingetreten ist, gibt die Überwachungseinrichtung 37 einen entsprechenden Umschaitbefehl über die Leitung 38 an den Umschalter 36, der daraufhin wieder in seine erste Schaltstrecke zurückkippt und die betreffende Brennstoffmengensteuereinrichtung 30 wieder an die allen Brennräumen 1 gemeinsame Steuerleitung 29 angeschlossen ist

Die erfmdungsgemäße Art der Temperatur-Regelung erfordert, wie aus der Zeichnung und der Beschreibung ersichtlich ist nur einen geringen Aufwand an Bauteilen zum Erhalt eines optimalen und konstanten Verbrennungsluftgemisches in jedem Brennraum-, außerdem ist hierdurch wegen der konstant hochgehaltenen Arbeitsgastemperatur unabhängig von dem momentanen Leistungsbedarf auch ein fortlaufend optimierter Wirkungsgrad des Heißgasmotors erzielbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Mehrzylindriger Heißgasmotor, der je Zylinder einen Brennraum und einen Erhitzer besitzt, welchen Brennräumen Brennstoff und Luft zur Erwärmung des im jeweiligen Erhitzer befindlichen Arbeitsgases in Mengen zuführbar sind, die durch eine Rageleinrichtung in Abhängigkeit von bei Belastungsänderungen des Motors auftretenden Tempe- to raturänderungen des Arbeitsgases steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsgastemperatur in allen Erhitzern (2) durch Meßelemente (19) überwacht und von der jeweils niedrigsten Arbeitsgastemperatur ein Steuersignal für die Nachregelung der Luftzufuhr zu allen Brennräumen (1) abgeleitet ist, daß in die Brennstoffzuleitung (4) zu jedem Brennraum (1) eine Brennstoffmengensteuereinrichtung (30) mit Drosselventil (31) sowie elektrisckeai Verstellmechanismus (32, 33) eingeschaltet ist und allen Brennstoffmengensteuereinrichiungen (30) gleichzeitig ein der zu den Brennräumen geförderten Luftmenge proportionales Brennstoffmengensteuersignal zuführbar ist, und daß jedem Brennraum (1) eine Überwachungseinrichtung (37, 40) zugeordnet ist, die bai Überschreiten eines Arbeitsgastemperaturgrenzwertes im Erhitzer (2) durch die nachgeordnete Brennstoffmengensteuereinrichtung (30) eine Brennstoffdurchflußmengenreduzierung bewirkt

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß din Arbei^gastemperatur in den einzelnen Erhitzern (2> durch Thermoelemente (19) überwacht und die ermittelter Meßsignale über Zuleitungen (20) in eine elektronische Auswahllogik (21) eingespeist werden, die das der niedrigsten Arbeitsgastemperatur entsprechende Meßsignal als Istwert einem auf einen Sollwert eingestellten Temperaturregler (22) zuführt, der Istwert und Sollwert vergleicht und einen Steuerbefehl an ein Gebläse (24) zur entsprechenden Nachstellung der über eine gemeinsame Förderhauptleitung (25) zu allon Brennräumen (1) geförderten gesamten Luftmenge weiterleitet

3. Heißgasmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (24) drehzahlvariabel durch eine elektrische Antriebseinrichtung (23) angetrieben und die zu den Brennräumen (1) geförderte Luftmenge proportional der durch den Temperaturregler (22) gesteuerten Gebläsedrehzahl ist

4. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilverstellmechanismus jeder Brennstoffmengensteuereinrichtung (30) aus einem mit dem den Durchflußquerschnitt für den Brennstoff verändernden Teil des Drosselventils (31) gekoppelten Schrittmotor (32) und einer diesem vorgeschalteten elektrischen Motorsteuereinrichtung (33) besteht.

5. Heißgasmotor nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß erste Eingänge (34) al- μ ler Brennstoffmengensteuereinrichtungen (30) jeweils über eine erste Schaltstrecke eines elektrischen Umschalters (36) an eine gemeinsame Steuerleitung (29) angeschlossen sind, die über einen Druckmeßumformer (28) mit einer in der Förderhauptleitung (25) vor oder nach dem Gebläse (24) angeordneten Meßeinrichtung (27) verbunden ist, während zweite Eingänge (35) der Brennstoffmengensteuereinrichtungen (30) über eine zweite Schaltstrecke der Umschalter (36) bei Bedarf mit der jeweiis zugeordneten Überwachungseinrichtung (37) verbindbar sind.

6. Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Überwachungseinrichtung (37) aus einem Regler (40) besteht der auf einen 'Temperaturgrenzwert eingestellt ist der geringfügig über dem am Temperaturregler (22) vorgegebenen Sollwert für die Arbeitsgastemperatur liegt, dem fortlaufend die durch das erhitzerintern angeordnete Thermoelement (19) ermittelten Temperaturistwerte zugeführt werden und der bei Überschreiten des eingestellten Arbeitsgastemperaturgrenzwertes einen Umschaltbefehl an den zugeordneten Umschalter (36) gibt wodurch die nachgeschaltete Brennstoffmengensteuereinrichtung (30) von der gemeinsamen Steuerleitung (29) abgeschaltet und zum Zweck einer Brennstoffdurchflußmengenreduzierung mit entsprechenden Steuersignalen des Reglers (40) beaufschlagt wird.

7. Heißgasmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß der Druckmeßumformer (28) als Druckspannungswandler und die Motorsteuereinrichtungen (33) der Brennstoffmengensteuereinrichtungen (30) als elektrische Analog-Digital-Wandler ausgebildet sind.