-
Regelanlage zur Steuerung der Sauerstoffzufuhr bei unter Luftabschluß
betriebenen Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf unter Luftabschluß
betriebene Brennkraftmaschinen beliebiger Bauart, die an Stelle von Luft mit einem
Sauerstoff-Abgas-Gemisch betrieben werden. Bei dieser Betriebsweise müssen dem im
Kreislauf der Maschine wieder zugeführten Abgas je nach der Belastung und der Drehzahl
verschieden große Mengen je Zeiteinheit an Sauerstoff zugeführt werden. Angestrebt
wird im allgemeinen, den Sauerstoffgehalt im Sauerstoff-Abgas-Gemisch bei gleicher
Belastung über den ganzen Drehzahlbereich gleichzuhalten, ihn aber mit der Belastung
zu ändern.
-
Es sind schon einige selbsttätige Regler, die diese Bedingungen erfüllen
sollen, bekanntgeworden. Die Anpassung der Sauerstoffzufuhr an die verschiedenen
Drehzahlen wird durchweg dadurch bewirkt, daß die Regler von der umlaufenden Abgasmenge
beeinflußt werden. Bei Maschinen mit Kraftstoffeinspritzung sind sie im allgemeinen
außerdem an die Pumpen gekoppelt, damit sie die
Sauerstoffzufuhr
den verschiedenen Belastungen angleichen können. Wenn auch auf den bisher beschrittenen
Wegen brauchbare Regler entwickelt werden konnten, so weisen diese doch einige erhebliche
Nachteile auf. Beispielsweise verlangen sie Impulse von zwei verschiedenen Seiten
und daß ihnen der Sauerstoff unabhängig vom Durchsatz und vom Druck des Vorrats
stets bei gleichbleibendem niedrigem Druck zugeführt wird, was nur mit Hilfe besonders
hochwertiger Druckminderer möglich ist. Außerdem ist jeder Regler immer nur für
eine ganz bestimmte Maschinenbauart und -größe geeignet.
-
Diese Mängel werden vermieden, wenn die Sauerstoffzufuhr erfindungsgemäß
von der Kraftstoffmenge geregelt wird, die der Maschine jeweils zugeführt wird.
Da Sauerstoff- und Kraftstoffdurchsatz grundsätzlich in einem festen Verhältnis
zueinander stehen, und zwar unabhängig von Belastung und Drehzahl, genügt der eine
Impuls vom Kraftstoffdurchsatz her, um den Sauerstoffdurchsatz für alle Betriebszustände
der Maschine zu steuern. Außerdem ergibt sich gegenüber den bekannten Einrichtungen
der Vorteil, daß eine gefährliche Sauerstoffanreicherung auch dann vermieden wird,
wenn aus irgendeinem Grunde die Kraftstoffzufuhr hinter dem Sollwert zurückbleibt.
-
Es gibt viele Möglichkeiten zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens.
Eine besonders einfache Lösung ergibt sich, -wenn man den Kraftstoffdurchsatz dazu
benutzt, um die den Sauerstoffdurchsatz bewirkende Vorrichtung mittelbar oder unmittelbar
zu steuern. Wird der Druck des Sauerstoffes durch einen vorgeschalteten Druckminderer
auf den Druck in der Abgasleitung gebracht, so kann man z. B. Kraftstoff und Sauerstoff
durch je ein volumetrisch förderndes Meßgerät leiten, die beide unmittelbar oder
über ein Vorgelege miteinander gekoppelt sind und wobei der Sauerstoffmesser als
Pumpe dient, die von dem durch den Kraftstoff in Drehung versetzten Kraftstoffmesser
angetrieben wird. Bei einer Änderung des Kraftstoffdurchsatzes ändert sich die Drehzahl
der beiden Messer in demselben Verhältnis, und damit ändert sich auch der Sauerstoffdurchsatz
in demselben Verhältnis wie der Kraftstoffdurchsatz.
-
In vielen Fällen ist es zweckmäßiger, wenn man den Kraftstoffdurchsatz
nicht unmittelbar auf den Sauerstoffdurchsatz einwirken läßt, sondern entsprechend
der Erfindung ein durch den strömenden Kraftstoff verursachtes Druckgefälle dazu
benutzt. Wie das Druckgefälle erzielt wird, ist unwesentlich. Die Ausnutzung des
Leitungswiderstandes oder der Einbau von Drosseln oder Kapillaren sind gleich geeignet.
Das Druckgefälle kann beispielsweise verwendet werden, um die Drehzahl des obenerwähnten
Sauerstoffmessers zu steuern. Es kann auch die lichte Weite einer Austrittsöffnung
steuern, die vor dem Eintritt des Sauerstoffs in die Abgasleitung angeordnet ist,
wobei ein Druckminderer den Druck vor der Öffnung fest auf einer über dem Druck
in der Abgasleitung liegenden Höhe hält. Die Anforderungen an den Druckminderer
sind in diesem Falle allerdings groß, da der Druck vor der Öffnung bei kleinen und
großen Durchsätzen stets gleich sein muß.
-
Es ist daher vorzuziehen, die lichte Weite einer Austrittsöffnung
unverändert zu lassen und das Druckgefälle einen vor der Öffnung angeordneten Sauerstoffregler
derart beeinflussen zu lassen, daß beiderseits der Öffnung ebenfalls ein Druckgefälle
entsteht, dessen Höhe von der Größe des Druckgefälles in der Kraftstoffleitung abhängig
ist. Als Sauerstoffregler kann dabei ein Nadelventil od. dgl., wenn nötig, in Verbindung
mit einem Druckminderer, dienen. Einfacher und betriebssicherer ist es aber, wenn
ein Regler verwendet wird, der einem Druckminderer üblicher Bauart ähnelt, bei dem
aber die sonst von der Stellfeder ausgeübte Kraft von dem Druckgefälle in der Kraftstoffleitung
bewirkt wird.
-
Sorgt man erfindungsgemäß ferner dafür, daß der Zusammenhang zwischen
Durchsatz und Druckgefälle bei Kraftstoff und Sauerstoff derselben Gesetzmäßigkeit
unterliegt, so erübrigen sich umständliche Übersetzungseinrichtungen, und es ist
ein besonders einfacher Aufbau möglich, weil die Regelanlage nur die Forderung zu
erfüllen braucht, beide Druckgefälle stets im selben festen Verhältnis zueinander
zu halten, damit auch die Durchsätze stets in einem festen Verhältnis zueinander
stehen. Dabei ist es selbstverständlich einerlei, ob die Beziehungen zwischen Durchsatz
und Druckgefälle beide einem linearen oder quadratischen Gesetz folgen.
-
Man kann das in der Kraftstoffleitung entstehende Druckgefälle über
Membranen oder Kolben unmittelbar zur Steuerung des Sauerstoffreglers benutzen.
Doch sind dann wegen der vom Regler ausgehenden Gegenkräfte Abweichungen vom Sollwert
oder außergewöhnliche Baumaße unvermeidlich. Besser ist es, wenn erfindungsgemäß
der vom Druckgefälle ausgehende Impuls zunächst auf eine Hilfskraft übertragen wird,
die ihrerseits den Regler beeinflußt. Als Hilfskraft kann elektrische Kraft, vor
allem aber eine Druckflüssigkeit oder ein Druckgas dienen. Für den vorliegenden
Zweck sind Drucköl und Drucksauerstoff besonders geeignet, da sie ohnehin vorhanden
sind. Als Drucköl kann sowohl Kraft- als auch Schmierstoff verwendet werden. Bei
Einschaltung einer Hilfskraft können die den Regler beeinflussenden Impulse beliebig
vergrößert werden. Außerdem bleibt die Stellung des Reglers ohne Einfluß auf den
Impulswandler. Ferner ergibt sich die sehr erwünschte Möglichkeit, die von der Hilfskraft
auf den Regler ausgeübte Kraft gleich der ihr entgegenwirkenden, vom Sauerstoff
ausgehenden Kraft zu machen. Bei Verwendung einer Flüssigkeit oder eines Gases als
Hilfskraft kann dann der spezifische Druck des Hilfsmediums gleich dem des Sauerstoffes-
vor der Austrittsöffnung gemacht werden, wenn ein Regler nach Art eines. Druckminderers
gewählt wird. Je nach der Größe des Impulses brauchen lediglich die Größen `der
Kolben und Membranen aufeinander abgestimmt zu werden. Diese Möglichkeit
ist
besonders erwünscht, weil sich dann der Sauerstoffregler einfacher und dabei mit
größerer Betriebssicherheit gestalten läßt als sonst.
-
Um sie zu verwirklichen, ist es aber erforderlich, die Einwirkung
aller der Kräfte, die eine einwandfreie Regelung stören können, tunlichst auszuschalten.
Ein Einfluß des veränderlichen Sauerstoffvordruckes auf den Regler kann bei großen
Druckunterschieden am besten durch einen dem Regler vorgeschalteten Druckminderer
üblicher Bauart verhindert werden, der bewirkt, daß dem Regler der Sauerstoff stets
unter angenähert gleichbleibendem Druck zugeführt wird.
-
Eine noch bessere Wirkung der Regelanlage wird erreicht, wenn man
die Einwirkung auch dieses gleichbleibenden Druckes auf den Regler zum Verschwinden
bringt, indem man beispielsweise eine diesem Einfluß entgegenwirkende Feder am Regler
vorsieht. Die von ihr ausgeübte Kraft ist allerdings nur in einer ganz bestimmten
Stellung des Reglers gleich der vom Sauerstoffvordruck ausgeübten Kraft. In allen
anderen Stellungen ist sie entweder etwas größer oder etwas kleiner. Man kann den
Regler daher besser so bauen, daß durch seine Formgebung eine Einwirkung des Vordruckes
ganz ausgeschlossen ist.
-
Derartige Regler sind aber, wenn nicht besondere Schließfedern od.
dgl. vorgesehen werden, die ein genaues Arbeiten des Reglers beeinträchtigen, in
ihrer Ruhestellung oft nicht vollkommen dicht. Bei Stillstand darf andererseits
auf keinen Fall Sauerstoff in die Maschine gelangen, damit keine gefährliche Konzentration
entstehen kann. Erfindungsgemäß kann der Wunsch nach einem hochwertigen Regler zusammen
mit der Forderung unbedingter Dichtigkeit bei Ruhestellung dadurch erfüllt werden,
daß dem Regler ein besonderes Sauerstoffabsperrventil zugeschaltet wird, das selbsttätig
nur geöffnet ist, wenn die Maschine eine Mindestdrehzahl überschritten hat. Auf
Undichtigkeiten des Reglers in der Ruhestellung braucht dann keine Rücksicht genommen
zu werden. Man kann sogar zur Verminderung der Reibung bewußt auf Dichtigkeit verzichten,
wenn nur dafür gesorgt wird, daß die Undichtigkeit des Reglers geringer ist, als
dem Mindestbedarf der Maschine bei kleinster Last und kleinster Drehzahl entspricht.
-
Bei Reglern mit vollkommenem Ausgleich des Vordruckes brauchen nur
geringe Anforderungen an den vor dem Regler angeordneten Druckminderer gestellt
zu werden, da diese Regler ja gegen Schwankungen ihres Vordruckes unempfindlich
sind. Bei nicht zu großen Drücken des Sauerstoffvorrates kann auf den Druckminderer
sogar ganz verzichtet werden, ohne dadurch einen Nachteil in Kauf zu nehmen. Bei
größeren Drücken ist allerdings ein Druckminderer empfehlenswert, da es sonst kaum
möglich ist, die Zufuhr kleiner Sauerstoffmengen zur Maschine sicher zu beherrschen.
-
Das Absperrventil braucht nicht unmittelbar von der Drehzahl beeinflußt
zu werden. Es kann besonders zweckmäßig sein, wenn das Ventil von dem Druck in der
Schmierstoff- oder Kraftstoffleitung in der Weise betätigt wird, daß es nur so lange
geöffnet ist, wie ein bestimmter, einer Mindestdrehzahl entsprechender Mindestdruck
erreicht oder überschritten ist. Bei Verwendung des Schmierstoffdruckes ergibt sich
der zusätzliche Vorteil, daß die weitere Sauerstoffzufuhr sofort aufhört und die
Maschine zum Stillstand gebracht wird, wenn der Druck plötzlich ausfällt. Sowohl
Schäden an der Maschine als auch gefährliche Sauerstoffanreicherungen werden so
mit Sicherheit vermieden.
-
Sehr wesentlich für das einwandfreie Arbeiten der Regelanlage ist
es, daß ebenso wie auf die übrigen Steuermembranen und -kolben auch auf die Membran
des Sauerstoffreglers die steuernden und gesteuerten Kräfte und Drücke auf beiden
Seiten möglichst voll, zum mindesten aber in gleichen Bruchteilen zum Eingriff kommen
und nicht teilweise durch entgegengesetzt gerichtete Kräfte gleichen Ursprungs wieder
aufgehoben werden. Es ist daher vorteilhaft, die Formgebung so zu wählen, daß der
Druck des Sauerstoffs im Regler auf den Eintrittsquerschnitt weder im öffnenden
noch im schließenden Sinne, sondern voll auf die Membran wirken kann. Wenn das nicht
angängig ist, sorgt man zweckmäßig für eine entsprechende Wirkungsänderung auf Seiten
des Impulses bzw. der Hilfskraft, bei flüssiger oder gasförmiger Hilfskraft beispielsweise
durch Anordnung eines Ausgleichskolbens oder einer Ausgleichsmembran im vom Hilfsmedium
erfüllten Raum des Reglers mit derselben wirksamen Fläche wie die der Sauerstoffeintrittsöffnung.
-
Weicht der Druck in der Sauerstoffleitung hinter der Austrittsöffnung
vom Atmosphärendruck ab, so bleibt das ohne Einfluß auf die einwandfreie Arbeitsweise
der Regelanlage, wenn auch der Druck hinter der Austrittsöffnung außer dem Druckgefälle
in der Kraftstoffleitung auf den Impulswandler einwirken kann, indem beispielsweise
eine sonst dem Atmosphärendruck ausgesetzte Seite einer Membran oder eines Kolbens
vom Druck hinter der Austrittsöffnung beaufschlagt wird bzw. wenn die Sauerstoffdruckstufe
so groß gewählt wird, daß der Sauerstoff von der Mindestmenge bei geringster Drehzahl
und kleinster Belastung an stets bei überkritischem Druckverhältnis durch die Austrittsöffnung
fließt. Bei der ersten Möglichkeit ist das den Sauerstoffdurchsatz bestimmende Druckgefälle
in der Sauerstoffleitung unabhängig vom Druck hinter der Austrittsöffnung, bei der
zweiten ist das Druckgefälle überhaupt ohne Einfluß auf den Durchsatz, da dieser
nur vom Druck vor der Austrittsöffnung abhängt.
-
Unter Umständen kann es nützlich sein, das feste Verhältnis Sauerstoffdurchsatz
zu Kraftstoffdurchsatz nicht über den ganzen Drehzahl- und Lastbereich innezuhalten
oder vorübergehend zur Erzielung größerer Leistungen zu ändern. Derartige Abweichungen
lassen sich bei einer Regelanlage entsprechend der Erfindung leicht selbsttätig
oder von Hand verwirklichen. Soll z. B. die
Sauerstoffzufuhr bei
geringen Durchsätzen oder bei geringer Drehzahl oder geringer Belastung verhältnismäßig
größer sein, so kann man für die Dauer der größeren Sauerstoffzufuhr die Austrittsöffnung
vergrößern oder eine zweite Austrittsöffnung offenhalten. Ebenso läßt sich der vom
Kraftstoffgefälle ausgehende Impuls zeitweise verstärken oder abschwächen. Die beste
Lösung ergibt sich, wenn dafür gesorgt wird, daß der Sauerstoffdruck im Regler so
lange entsprechend höher gehalten wird, als eine größere Sauerstoffzufuhr erwünscht
ist. Das kann z. B. durch eine zusätzliche Feder geschehen, die im öffnenden Sinne
auf den Regler wirkt.
-
Wie oben bereits erwähnt, ist es für das Wesen der Erfindung unwesentlich,
wie die Druckgefälle entstehen und welchen Gesetzen sie gehorchen. Unter den verschiedenen
Möglichkeiten zeichnen sich jedoch zwei durch ihre besondere Eignung aus: Sind in
der Kraftstoffleitung Kapillaren, in denen laminare Strömung herrscht, eingebaut,
so ist der Durchsatz bei fester Temperatur dem durch die Kapillaren bewirkten Druckgefälle
verhältig. Sorgt man ferner dafür, daß Sauerstoff aus dem Regler von der Mindestmenge
an stets im überkritischen Druckverhältnis austritt, so ist bei festgehaltener Temperatur
auch der Sauerstoffdurchsatz seinem Druckgefälle verhältig. Solange nennenswerte
Temperaturschwankungen verhindert werden, ist die so bewirkte Regelung besonders
unempfindlich, da bei den in Frage kommenden Drücken mit großen Kräften gearbeitet
werden kann. Wird dagegen der Hauptwert auf eine restlose Ausnutzung des Sauerstoffvorrates
gelegt, so ist die andere Möglichkeit vorzuziehen, bei der die quadratische Beziehung
für die Durchsätze und die Druckgefälle gilt. Dies trifft für turbulent strömenden
Kraftstoff stets zu, wenn das Druckgefälle durch eine Drossel oder den Widerstand
einer Leitung mit turbulenter Strömung bewirkt wird, und für den Sauerstoff unter
denselben Voraussetzungen, solange die Druckstufe nur gering ist (bis zu rund ioo/o
des absoluten Druckes) und solange Temperatur und Druck vor der Austrittsöffnung
fest bleiben. Im allgemeinen wird allerdings der Druck hinter der Öffnung fest sein
und der Druck vor der Öffnung mit wachsendem Durchsatz steigen. Die sich dann ergebende,
mit dem Durchsatz steigende Abweichung vom Sollwert des Sauerstoffdurchsatzes nach
oben ist aber 'so geringfügig, daß sie vernachlässigt werden kann, zumal ein gewisser
Ausgleich dadurch erfolgt, daß die Temperatur mit wachsendem Durchsatz zu fallen
pflegt. Die Vergrößerung kann auch- ganz vermieden werden, wenn dafür gesorgt wird,
daß der Druck des Sauerstoffes vor der Austrittsöffnung etwas kleiner ist als der
des Hilfsmediums und daß dieser Unterschied mit wachsendem Durchsatz zunimmt. Beispielsweise
kann der Regler eine zusätzliche, dem Öffnen entgegenwirkende Feder erhalten, die
bei kleinem Durchsatz überhaupt nicht zur Wirkung kommt, aber eine um so größere
Kraft ausübt, je weiter der Regler sich öffnet. Oder der Regler wird so geformt,
daß der Sauerstoffdruck im Regler nicht nur auf die Membran, sondern auch auf eine
mit dieser kraftschlüssig verbundene kleine Fläche in entgegengesetzter Richtung
wirken kann, beispielsweise auf den Kegel des Sauerstoffeintrittsventils, wenn dieser
in der Strömungsrichtung des Sauerstoffes geöffnet wird. Ebenso kann auch im Raum
des Hilfsmediums eine mit der Membran kraftschlüssig verbundene kleine zusätzliche
Membran oder ein Kolben so angeordnet werden, daß der darauf lastende Druck schließend
wirkt. Oder es kann eine im Raum des Hilfsmediums ohnehin vorhandene Membran oder
ein Kolben entsprechend vergrößert oder verkleinert werden.
-
Ob zur Übertragung der Impulse und Regelkräfte Kolben oder Membranen
verwendet werden, ist grundsätzlich einerlei. Durchweg kann das eine Mittel gegen
das andere ausgetauscht werden. Was vorzuziehen ist, richtet sich nach den jeweils
vorliegenden Bedingungen. Kleiner Querschnitt, große Drücke sprechen für Kolben,
die Notwendigkeit, Reibungen und Undichtigkeiten zu vermeiden, für Membranen. Wegen
der kaum zu vermeidenden Leckverluste sollte ein Kolben nicht auf der einen Seite
von Sauerstoff; auf der anderen von Kraft-oder Schmierstoff beaufschlagt werden.
In solchen Fällen sind auch einfache Membranen nicht zu empfehlen, wenn deren Zerstörung
zu befürchten ist. Eine gute Lösung ergibt sich dagegen, wenn statt eines Kolbens
oder einer Membran zwei Kolben 'oder zwei Membranen oder ein Kolben und eine Membran
verwendet werden, die kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Steht der Raum
zwischen beiden mit der Atmosphäre in Verbindung, so kann unter keinen Umständen
ein explosionsgefährliches Öl-Sauerstoff-Gemisch entstehen. In vielen Fällen braucht
der zweite Kolben oder die zweite Membran gar kein zusätzlicher Bauteil zu sein,
vielmehr kann durch ihn die Wirkung einer sonst notwendigen Ausgleichsmembran oder
eines Ausgleichskolbens @ mit übernommen werden.
-
In der Zeichnung sind vier-Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt, bei denen Druckgefälle in der Kraftstoffleitung über verschiedene Hilfskräfte
Druckgefälle in der Sauerstoffleitung steuern und wobei der Zusammenhang zwischen
Durchsätzen und Druckgefällen jeweils der gleichen Gesetzmäßigkeit unterliegt.
-
Abb. i zeigt die Gesamtanordnung in einer Ausführungsform im Mittelschnitt
durch die Rohrleitungen und Kanäle, teilweise in Ansicht; Abb. i a ist ein Schaubild,
das erkennen läßt, wie sich Sauerstoffdurchsatz und Kraftstoffdurchsatz bei Anwendung
der Erfindung verhalten; Abb. z zeigt in ähnlicher Darstellungsweise wie Abb. i
ein zweites Ausführungsbeispiel; Abb. 3 zeigt ebenso wie Abb. q. Abänderungen von
Einzelheiten aus Abb. i. . Es bezeichnet in allen Bildern gemeinsam i die Kraftstoffzuleitung,
die in Pfeilrichtung durchflossen wird, 2 und 3 die Leitungen zur übertragung des
Regelimpulses, 4 den Impulswandler, der
Kolben oder Membranen enthält,
5 die Leitung zur Übertragung der Hilfskraft, 6 den Sauerstoffregler, 7 die Sauerstoffzuleitung,
8 das selbsttätige Absperrventil, 9 den vorgeschalteten Druckminderer und io die
Sauerstoffleitung zur Maschine.
-
Der Regelanlage nach Abb. i ist die lineare Gesetzmäßigkeit zwischen
den Durchsätzen und den Druckgefällen zugrunde gelegt. Als Hilfskraft dient am besten
Kraft- oder Schmierstoff. Die Kapillaren i i bewirken bei Durchfluß von Kraftstoff
ein Druckgefälle, das über die Leitungen 2 und 3 und die Membran 12 im Impulswandler
4 auf den mit ihr kraftschlüssig verbundenen Kolben 13 übertragen wird. Der ebenfalls
mit der Membran 12 kraftschlüssig verbundeneAusgleichskolben 14 verhindert jede
Auswirkung des absoluten Druckes der Kraftstoffleitung auf die Regelung. Bei einer
Zunahme des Durchsatzes bewegt sich der Kolben 13 nach rechts und gibt der Druckflüssigkeit
in der Leitung 15 den Weg in die Leitung 5 und die Kammer 16 frei. Umgekehrt kann
bei einem Nachlassen des Durchsatzes und einer dadurch bedingten Linksbewegung des
Kolbens 13 Flüssigkeit aus der Leitung 5 und der Kammer 16 in die Rücklaufleitung
17 gelangen. Der Kolben bleibt so lange außerhalb seiner Ruhelage, bei der die Leitungen
15 und 17 beide abgesperrt oder beide geringfügig und so geöffnet sind, daß aus
der Leitung 15 ebensoviel zuströmt wie in Leitung 17 abströmt, bis in der Kammer
16 ein Druck herrscht, der den auf derMembran 12 wirkendenKräften das Gleichgewicht
hält. Je nach der Bemessung von Membran 12 und Kolben 13 kann die Größe dieses Druckes
gewählt werden. Er ist stets ein festes Vielfaches der auf die Membran 12 wirkenden
Druckdifferenz, wenn der Kolbenquerschnitt kleiner ist als die Differenz von wirksamer
Membran und Kolbenfläche. Derselbe Druck wirkt auch auf die Membran 18 im Regler
6, die kraftschlüssig mit dem Ventil 1g verbunden ist. Steigt der auf die Membran
18 wirkende Flüssigkeitsdruck, so hebt j sich der Kegel i9 weiter von seinem Ventilsitz
ab und läßt mehr Sauerstoff aus der Leitung 7 in den Regler 6 eintreten, und umgekehrt.
Der Sauerstoff kann aber nur in den Regler gelangen, wenn das in der Leitung 7 angeordnete
selbsttätige Absperrventil 8, das durch eine Zweigleitung an die Druckflüssigkeitsleitung
15 angeschlossen ist, infolge genügend hohen Flüssigkeitsdruckes geöffnet ist.
-
Der Druckminderer 9 bewirkt, daß der Sauerstoffdruck in der Leitung
7 unabhängig vom Druck des Sauerstoffvorrats stets angenähert gleichbleibt. Der
Einfluß des Druckes in der Leitung 7 auf dem Regler wird durch die ihm entgegen
wirkende Feder 2o ausgeglichen. Der Ausgleich ist zwar nicht vollkommen, bei den
großen außerdem auf den Regler ausgeübten Kräften aber mehr als ausreichend.
-
Damit der Druck des Sauerstoffes im Regler auf den Ventilkegel 1g
ohne Einwirkung auf den Regler bleibt, ist der kraftschlüssig mit der Membran 18
verbundene Ausgleichskolben 21 vorgesehen. Ist dessen Querschnitt gleich dem des
Sauerstoffeintritts in den Regler, so stellt sich die Membran 18 stets so ein, daß
der Sauerstoffdruck im Regler gleich dem der Hilfskraft wird. Da aber, wie oben
ausgeführt, letztere stets gleich einem festen Vielfachen der auf die Membran 12
wirkenden Druckdifferenz ist, muß auch der Sauerstoffdruck im Regler der durch den
Kraftstoff bewirkten Druckdifferenz immer verhältig sein.
-
Wird nun durch die Abstimmung der Querschnitte von Kapillaren i i,
Membran 12 und Kolben 13 dafür gesorgt, daß bereits beim kleinsten vorkommenden
Kraftstoffdurchsatz der Austritt des Sauerstoffes aus der Düse oder Blende 22 im
überkritischen Verhältnis erfolgen kann, so ist der Sauerstoffdurchsatz dem Druck
im Regler verhältig. Da auch der Kraftstoffdurchsatz der von ihm erzeugten Druckdifferenz
verhältig ist, muß schließlich der Sauerstoffdurchsatz dem Kraftstoffdurchsatz verhältig
sein. Jedes gewünschte Verhältnis läßt sich durch Wahl des erforderlichen lichten
Blendenquerschnitts -erreichen.
-
Genau genommen gelten die letzten Ausführungen nur für den luftleeren
Raum, wo Überdruck gleich absolutem Druck ist. Denn der Sauerstoffdurchsatz ist
dem absoluten Druck im Regler verhältig, während der Kraftstoffdurchsatz dem Überdruck
im Regler verhältig ist. Wird die Regelanlage bei Atmosphärendruck benutzt, so geht
gemäß Abb. i a die Linie, welche die Abhängigkeit des Sauerstoffdurchsatzes vom
Kraftstoffdurchsatz zeigt, daher nicht durch den Nullpunkt, sondern verläuft entsprechend
Linie 23. Gegenüber der Linie 24, die gilt, wenn beide Durchsätze im festen Verhältnis
zueinander stehen, ist der Sauerstoffdurchsatz bei geringem Kraftstoffdurchsatz
etwas höher. Das kann durchaus erwünscht sein. Es ist aber auch ohne weiteres möglich,
das feste Verhältnis zu verwirklichen: Man braucht im Raum 16 (Abb. i) nur die Feder
25 anzuordnen, die auf den Kolben 13 so stark drückt, wie dem Druck einer Atmosphäre
im Raum 16 entspricht, dann verläuft die Kurve des Sauerstoffdurchsatzes über dem
Kraftstoffdurchsatz nach Linie 26 (Abb. i a). Um Linie 24 zu erreichen, braucht
lediglich die Blende 22 (Abb. i) etwas vergrößert werden. Es sei besonders betont,
daß der Sauerstoffdurchsatz unabhängig vom Druck in der Leitung 1o ist, denn der
Durchsatz durch die Blende 22 ist bei überkritischem Druckverhälnis unabhängig von
dem Druck hinter der Blende.
-
Bei der Regelanlage nach Abb.2 ist in der Kraftstoffleitung i die
Blende 27 eingebaut. Die Beziehung zwischen dem Kraftstoffdurchsatz und der durch
ihn bewirkten Druckdifferenz, die durch die Leitungen 2 und 3 auf die kraftschlüssig
miteinander verbundenen Membranen 12, 28 und 29 im Impulswandler 4 übertragen wird,
unterliegt daher der quadratischen Gesetzmäßigkeit. Die Membranen 28 und 29 sind
gleich groß, damit nur das Druckgefälle, nicht aber auch der absolute Druck in der
Leitung i zur Auswirkung kommt. Als Hilfskraft wird Drucksauerstoff benutzt, der
durch eine Zweigleitung 3o der Leitung 7 entnommen
wird. Solange
die Membranen und der mit ihnen kraftschlüssig verbundene Kolbenschieber
31 sich in ihrer Ruhelage befinden, kann, abgesehen von geringen Mengen Leckgas,
kein Sauerstoff in den Raum 32 und die an ihm angeschlossene Leitung 5 eintreten.
Der Weg wird erst freigegeben, wenn der Kolbenschieber 31 infolge eines Druckgefälles
in der Kraftstoffleitung nach rechts bewegt wird. - Durch die Öffnung 33 kann stets
etwas Sauerstoff abfließen, daher spielt sich immer sehr schnell eine Gleichgewichtsstellung
ein, einerlei, ob der Kraftstoffdurchsatz sich vergrößert oder verkleinert. Dabei
ist der Druck des Sauerstoffes als Hilfsgas wegen des Verhältnisses der Membranfläche
28 zu der Differenz der Flächen 28 und 12 ein stets gleicher Bruchteil der vom Kraftstoff
bewirkten Druckdifferenz; denn der Vordruck in der Leitung 30 kann sich wegen
der Kolbenschieberbauart des Sauerstoffeintrittsventils nicht auf die Stellung des
Kolbenschiebers 31 und damit auf den Druck im Raum 32 auswirken, und aus
demselben Grund wirkt der Druck im Raum 32 ohne Abzug auf die Membran 28. Je nach
der Größe des Druckgefälles in der Kraftstoffleitung i ergibt sich eine andere Gleichgewichtsstellung
und ein anderer Hilfsdruck.
-
Die erforderlichen Wege des Kolbenschiebers 3i sind wegen des nur
geringen Bedarfes an Hilfsgas außerordentlich klein. Störende Eigenspannungen der
Membranen 28, 12 und 29 können daher nicht auftreten. Der im Raum 32 herrschende
Druck wirkt über die Leitung 5 auf die Membran 34 im Sauerstoffregler 6, die kraftschlüssig
mit dem den Sauerstoffeintritt aus der Leitung 7 in den Reglerinnenraum -steuernden
Kolbenschieber 35 verbunden ist. Sowie die Membran 34 durch das Hilfsgas belastet
wird, gibt der Schieber 35 dem Sauerstoff den Weg frei. Und da ähnlich wie beim
Hilfsgaseintrittsventil in den Raum 32 keine zusätzlichen Kräfte wirksam werden
können, stellt sich auch beim Sauerstoffregler ein Gleichgewichtszustand ein, der
dann erreicht ist, wenn der Sauerstoffdruck rechts der Membran 34 gleich dem Hilfsgasdruck
links der Membran ist. Damit ist auch der Sauerstoffdruck im Regler stets gleich
einem festen Bruchteil der in der Kraftstoffleitung entstehenden Druckdifferenz.
Seine Größe richtet sich nach der Bemessung der Blende 27 und der- Membran 28, 12
und 29. Der Bruchteil kann auch größer als i sein.
-
Man wird trachten, das Druckgefälle in der Kraftstoffleitung nicht
zu klein zu machen und für den Sauerstoffdruck im Regler den günstigsten Bereich
zu wählen. Solange der Druck niedrig bleibt, folgt der Austritt des Sauerstoffes
durch die Blende 36, deren Größe sich nach dem gewünschten Durchsatz richtet, dem
quadratischen Gesetz. Und dann stehen auch Kraftstoffdurchsatz und Sauerstoffdurchsatz
mit hinreichender Genauigkeit stets im gleichen Verhältnis zueinander, erst recht,
wenn eine Feder 37 im Regler vorgesehen wird, die dem Öffnen entgegenwirkt. Je nach
ihrer Charakteristik kann eine derartige Feder auch bewirken, daß der Sauerstoffdurchsatz
bei kleinen Kraftstoffdurchsätzen verhältnismäßig größer ist.
-
Eine ähnliche Wirkung läßt sich beispielsweise durch eine Feder 38
auf der anderen Seite der Membran erzielen, die nur auf die Membran drückt, solange
der Durchsatz klein ist und Membran 34 und Kolbenschieber 35 noch nicht weit von
der Ruhelage entfernt sind, und die bei größeren Durchsätzen außer Eingriff kommt.
In der Ruhelage sind die Kolbenschieber 31 und 35 nur schwierig dichtzubekommen,
wenn - Reibung vermieden werden soll. Das ist aber unbeachtlich, solange die Leckverluste
geringer sind als der Sauerstoffbedarf in dem Augenblick, in dem das Absperrventil
8 sich öffnet bzw. sich schließt. Bisher war stillschweigend angenommen worden,
daß in der Leitung io atmosphärischer Druck herrscht. Die Regelanlage arbeitet aber
in gleicher Weise bei jedem anderen festen Druck in der Leitung io, wenn der Raum
39 links von der Membran 29, der sonst offenbleibt, durch die Leitung 40 mit der
Leitung io verbunden wird. Lediglich für die Blende 36 muß eine andere lichte Weite
gewählt werden. Je höher der Druck in der Leitung io liegt, desto genauer arbeitet
die Anlage ohne Zusatzfedern od. dgl., da die Differenz der an der Blende vorkommenden
Drücke dieselbe bleibt, ihr Verhältnis zum absoluten Druck aber immer kleiner wird.
Geringe Druckschwankungen in der Leitung io sind unbeachtlich. Bei größeren Druckschwankungen
empfiehlt es sich, die lichte Weite der Blende 36 möglichst selbsttätig auf den
jeweiligen Druck in der Leitung io abzustimmen. Wenn Schwingungen der Membran 34
zu befürchten sind, kann ein Dämpfungskolben4i vorgesehen werden.
-
Abb. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Impulswandlers 4 nach
Abb. 2. Am grundsätzlichen Aufbau ist nichts geändert. Lediglich die Membranen 28
und 29 in Abb. z sind durch die Paare 42 und 43 sowie 44 und 45 ersetzt,
wobei 42 und 44 Kolben und 43 -und 45 Membranen sind.
-
Hinzugekommen ist die Ablaufleitung 46 für den Leckkraftstoff. Wenn
der Kolbenquerschnitt gleich den wirksamen Membranflächen gewählt wird, ändert sich
an den Kraftverhältnissen nichts. Aber bei Undichtigkeiten kann keine gefährliche
Öl-Sauerstoff-Mischung entstehen. Selbstverständlich können statt der Kolben 42
und 44 auch Membranen mit gleich großer wirksamer Fläche vorgesehen werden.
-
Abb. 4 stellt den Sauerstoffregler 6 nach Abb. i mit den gleichen
Bezeichnungen dar, wobei der von der Leitung 5 kommende Druck der Hilfskraft aber
nicht mehr auf die Membran 18 wirkt, sondern auf den mit ihr kraftschlüssig verbundenen
Kolben 47. Der Querschnitt des Kolbens 47 ist gleich der wirksamen Fläche der Membran
18, vermindert um den Querschnitt des Kolbens 2,1. Unter dieser Voraussetzung kann
der Ausgleichskolben 2 1 ganz fortfallen. So ist bei unveränderten Kräfteverhältnissen
auch hier die Möglichkeit einer innigen Berührung von Öl und Sauerstoff vermieden.
Dabei ist aber kein zusätzlicher Kolben erforderlich.
Die Ausführungsbeispiele
zeigen die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung selbstverständlich nicht erschöpfend
auf. Sie sind ausgewählt worden, weil sich an ihnen der Erfindungsgegenstand in
besonders einfacher Form zeigen läßt.