DE3621186A1 - Verfahren und vorrichtung zum antrieb eines linear bewegbaren bauelementes, insbesondere des beweglichen schaltkontaktes eines elektrischen hochspannungs-leistungsschalters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 5.

Elektrische Hochspannungsleistungsschalter dienen Zu­ bzw. Ausschalten eines Hochspannungsnetzes, insbesondere im Falle eines Kurzschlusses. Hierzu ist es erforder­ lich, ein inertes Gas, bevorzugt Schwefelhexaflourid, nach Trennung der Schaltkontakte gegen den dazwischen gezogenen Lichtbogen zu blasen, um auf diese Weise ins­ besondere im Nulldurchgang das durch den Lichtbogen ionisierte Gas zu deionisieren und damit den Lichtbogen zu löschen. Neuerdings werden sogenannte Blaskolben­ schalter benutzt, bei denen das bewegliche Schaltkon­ taktstück mit einem Kompressionszylinder verbunden ist, welcher beim Ausschalten über einen feststehenden Kolben gezogen wird, wodurch der Raum zwischen dem Zylinder und dem Kolben verkleinert und damit das darin befindliche Gas komprimiert wird, wodurch ein zur Erzeugung einer ausreichenden Löschgasströmung zum Lichtbogen hin aus­ reichender Druck erzeugt wird.

Zum Antrieb des beweglichen Schaltkontaktstückes und des damit verbundenen Blaskolbens bzw. Blaszylinders werden hydraulische, mechanische oder pneumatische Antriebe verwendet. Bei hydraulischen oder pneumatischen Antrie­ ben wird mittels eines Hydraulikfluids bzw. mittels Druckluft der Kolben einer Kolben-Zylinderanordnung in Bewegung versetzt, welcher Kolben mit dem Blaskolben bzw. Blaszylinder und mit dem Schaltstück verbunden ist. Bei mechanischen Antrieben wird die in einer Feder ge­ speicherte Energie ausgenutzt.

Das Druckfluid, das Hydrauliköl oder Druckluft sein kann, wird von einem Energiespeicher bereitgestellt, der im allgemeinen die Form eines Zylinders aufweist, in dem ein Kolben hin- und herbewegbar angeordnet ist. Auf der einen Seite des Kolbens befindet sich das Druckfluid und auf der anderen Seite eine Gas- oder mechanische Feder. Gasfedern, bei denen die Kompressibilität des Gases zur Speicherung der Antriebsenergie ausgenutzt wird, haben das Problem, daß ein Ausströmen des Gases aus dem Gasfe­ derraum nicht zu vermeiden ist. Mit der Zeit verlieren die Gasfedern in einem Energiespeicher ihre Wirkung, was zur Folge hat, daß das von dem Speicher bereitgestellte Druckfluid keinen ausreichenden Druck mehr aufweist, bzw. daß nicht mehr die notwendige Menge an Druckfluid abgezapft werden kann.

Hochspannungs-Leistungsschalter müssen zum Abschalten eines Kurzschlusses eine bestimmte Schaltfolge schalten können. Der Antrieb für einen solchen Hochspannungs- Leistungsschalter muß so ausgelegt werden, daß er den international anerkannten Vorschriften und Regelwerken genügt. Bei der Dimensionierung der bekannten hydrau­ lischen, pneumatischen bzw. mechanischen Antriebssysteme ist insbesondere der Energiespeicher des Antriebs so auszulegen, daß die benötigte Menge an Druckfluid für mehrere Ein/Aus-Schaltungen bzw. eine Aus/Ein/Aus-Schal­ tung des Leistungsschalters praktisch unmittelbar frei­ gesetzt werden kann, ohne daß eine Aufladung des Ener­ giespeichers mittels im allgemeinen elektrischer Fremd­ energie erforderlich ist, da die Zeitspanne zwischen den einzelnen Schalthandlungen erheblich kleiner sein muß als die für die Aufladung des Energiespeichers erforder­ liche Mindestzeitspanne. Der Energiespeicher, der das Druckfluid bereitstellt, muß eine solche Menge an Druck­ fluid enthalten, daß auch die letzte Ausschaltung sicher bewerkstelligt werden kann. Bei der Schaltfolge O-CO ist der Speicher demgemäß kleiner auszubilden und bei der Schaltfolge 4×CO ist der Speicher natürlich sehr groß zu bauen. Leckageverluste in der Gasfeder (Gasspeicher) sowie deren Federcharakteristik sind zu beachten. Das gleiche gilt natürlich auch bei einer mechanischen Feder anstelle des Gasspeichers.

Bei Hydraulikspeichern wird mit einem Dauerdruck von ca. 300 bar gearbeitet, so daß der Abdichtung aller Hydrau­ likkomponenten besondere Aufmerksamkeit zu widmen ist. Zusätzlich sind Fluidpumpen zum Wiederauffüllen des Speichers, Ventile, und weitere hydraulische Komponenten erforderlich, weswegen ein solcher hydraulischer Antrieb relativ teuer ist.

Eine gewisse Vereinfachung bieten sogenannte chemische Antriebe. Dabei geht man von der Überlegung aus, daß alle die obengenannten Probleme vermieden werden können, wenn der Druck, der den Antriebskolben und damit das bewegliche Schaltstück betätigen soll, nur dann erzeugt und bereitgestellt wird, wenn er benötigt wird. Bei chemischen Antrieben, bei denen der Druck durch Initi­ ierung einer explosionsartigen Reaktion erzeugt wird, sind die einzelnen Reaktionskomponenten vor der Zündung und Reaktion im wesentlichen neutral und zunächst insoweit wartungsfrei, als besondere Kontrollen, wie beim dauerhaft auf Druck zu haltenden Druckfluid, je nach Art des chemischen Antriebes nicht erforderlich sind.

Chemische Antriebe für elektrische Hochspannungslei­ stungsschalter sind an sich bekannt. Meistens werden Festtreibstoffe in Form von Sprengkapseln verwendet, die entsprechend dem Schaltstifthub ausgelegt und gezündet werden und deren Reaktionsgase den Kolben des Schalt­ stiftantriebes beaufschlagen. Bei der Verbrennnung sich bildende oxidische oder salzartige Rückstände führen allerdings zu Verschmutzungen und Korrosion im Antriebs­ zylinder, so daß derartige Antriebe häufig revidiert werden müssen und als Antriebe für Hochspannungs- Leistungsschalter nicht geeignet erscheinen. Außerdem waren die Sprengkapseln nach jedem Schaltvorgang zu erneuern. Dies bringt Nachteile insbesondere bei ent­ legenden Schaltanlagen. Druckschriften, die solche chemischen Antriebe beschreiben, in denen Feststoffe verwendet werden, sind bspw. die US-PSen 42 24 491 und 42 50 365.

Es besteht die Möglichkeit, die Sprengkapseln in Form von Patronen unmittelbar im Reaktionsraum vor dem Kolben oder in einer separaten Brennkammer zur Reaktion zu bringen. In allen Fällen besteht aber das Problem fester Reaktionsrückstände.

Ein chemischer Antrieb, bei dem Knallgas verwendet wird, ist aus der DE-PS 12 87 677 bekannt geworden. Mittels einer Elektrolyseanordnung wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgas) zerlegt, welches Gasgemisch der Kolben-Zylinderanordnung zugeführt wird. Mit auf beiden Seiten des Kolbens angebrachten Zündkerzen wird das Knallgas entsprechend dem gewünschten Schalthub ge­ zündet. Nachteilig ist hierbei vor allem die zu langsame Zufuhr der Reaktanden bei der Durchführung der Schalt­ zyklen. Dieser Antrieb ist zwar für sich autark, da Wasser in unbegrenztem Maße zur Verfügung steht, er ist aber wegen der angeführten Probleme nie realisiert worden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bzw. denen Schalt­ zyklen nach vorgegebenen Normen, insbesondere nach der US-Norm mit vier Aus-Einschaltungen und je 15 Sekunden Pause dazwischen ohne großen Aufwand realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Weitere vorteilhafte Verbesserungen des erfindungsge­ mäßen Verfahrens sind den Ansprüchen 2 bis 6 zu ent­ nehmen.

Die Vorrichtung, mit der dieses Verfahren durchgeführt wird, ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspru­ ches 7.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteran­ sprüchen 8 bis 13 zu entnehmen.

Der erfindungsgemäße chemische Antrieb ist einfach und betriebssicher. Das Einfüllen einer bestimmten für die Anzahl der Schaltungen eines Zyklus erforderlichen Sauerstoffmenge in den Brennraum erfolgt bereits vor dem Schaltbefehl, so daß nach Erteilung des Befehls nur der Brennstoff eingeführt bzw. eingespritzt werden muß, was besonders vorteilhaft ist. Als Brennstoff ist Benzin be­ sonders geeignet, das weltweit zur Verfügung steht und problemlos längere Zeit gelagert werden kann. Da die Einspritzpumpe, die mit einem Pumpenhub die ausreichende Menge an Brennstoff in den Brennraum einspritzt, bei Verwendung von Benzin verschleißen kann, wird zweckmäßi­ gerweise eine Menge von 1% eines Polyalkoholes, vorwie­ gend Polyglykol, zugemischt. Diese Beimischung verändert das Reaktionsverhalten des Benzins praktisch nicht, hat aber den Vorteil einer ausreichenden Schmierung für den Kolben der Einspritzpumpe.

Als flüssiger Brennstoff kommt zweckmäßigerweise auch Äthanol in Frage und das Oxidationsmittel ist reiner Sauerstoff.

Für die Antriebsenergie eines Schalters von 1 kWs/Schaltung ist 1 cm³ Benzin und die äquivalente Menge Sauerstoff erforderlich. Bei einem CO-CO-CO-CO-Schaltzyklus ist soviel Sauerstoff benötigt, daß alle vier Ausschal­ tungen zuverlässig gezündet werden. Beispielsweise reicht eine Menge von 7 l Sauerstoff mit 25 bar Füll­ druck für ca. vier Ausschaltungen.

Die bei der ersten Schaltung verbrannten Reaktionspro­ dukte stören bei den nächsten Schaltungen nicht, und können demgemäß im Reaktionsraum verbleiben, insbeson­ dere im Falle der Schaltfolge O-CO.

Wenn aufgrund bestimmter Vorschriften drei Minuten nach der O-CO Schaltung eine weitere O-CO Schaltung vorzu­ nehmen ist, dann genügt die Zeit dazwischen den Brenn­ raum zu entlüften und neuen Sauerstoff einzufüllen. Bei der Schaltfolge gemäß den US-Vorschriften CO-CO-CO-CO würden auch die 15 Sekungen zwischen den jeweiligen Schaltzyklen ausreichen, um den Brennraum problemlos zu entlüften und neuen Sauerstoff einzufüllen. Dies ist aber nicht erforderlich ist, weil die von vornherein eingeführte Menge Sauerstoff für alle vier Zyklen aus­ reicht.

Es besteht die Möglichkeit, bei Bedarf sowohl zur Vorre­ aktion für die Beschleunigungsphase als auch zu einer Nachreaktion für die Kompressionsphase Brennstoff einzu­ spritzen. Auf diese Weise wird zunächst durch eine erste Einspritzung der Kolben auf eine bestimmte Geschwindig­ keit gebracht, und um zu vermeiden, daß sich während der SF₆-Kompression die Ausschaltgeschwindigkeit am Ende des Schalthubes zu schnell verringert, kann nach einem bestimmten Hub des Antriebskolbens eine neue Benzin­ ladung eingespritzt werden. Dadurch kann das frühzeitige Abbremsen des Kolbens aufgrund des SF₆-Gegendruckes ver­ mieden werden.

Zur Zündung des Reaktionsgemisches wird zweckmäßiger­ weise eine sogenannte Hochenergiezündeinrichtung verwen­ det, bei der etwa das zehnfache der bei einer normalen, im Kraftfahrzeugbau verwendeten Transistorzündeinrich­ tung freiwerdenden Energie umgesetzt wird.

Von besonderer Bedeutung ist die Oberfläche des Brenn­ raumes. Sie muß korrosionsfest sein, da eine bestimmte Menge an Wasser erzeugt wird. Zweckmäßigerweise kann der Kolben bzw. die Kolbenzylinderanordnung aus rostfreiem Stahl aus Stahl mit geeigneter korrosionsfester metal­ lischer oder keramischer Schutzschicht bestehen.

Von besonderer Bedeutung ist die Gemischbildung im Brennraum. Sie beeinflußt sowohl bei flüssigen als auch bei gasförmigen Brennstoffen die Zündung und den Reak­ tionsverlauf. Durch geeignete Druck- und Strömungskanäle bzw. Einströmungsmündungen können Verwirbelungen zur Bildung eines ausreichenden Gemisches erzeugt und die Zündung entsprechend optimiert werden kann. Bei Flüssig­ brennstoffen kann durch Einspritzen ein gebündelter oder ein kegelförmiger Strahl mittels einer Drosselzapfendüse bzw. ein Dreifachstrahl mittels einer Dreilochdüse erzeugt werden. Letzterer erweist sich als die bisher günstigste Lösung. Das brennbare Gemisch bzw. der Brenn­ stoff soll möglichst nahe an die Zündkerze herangeführt werden. Zweckmäßigerweise wird der Brennstoff tangential an der Zündkerze vorbeigespritzt. Ein unmittelbares Auf­ spritzen des Brennstoffes auf die Zündkerze könnte zu Zündversagen führen, da die Funkenbildung behindert wird. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, bei der soge­ nannten Dreilochdüse den einen der drei Strahle tangen­ tial an der Zündkerze vorbeizuleiten, wobei die Ein­ spritzstelle am Boden des Brennraumes, und die Zündkerze seitlich in einem Winkel von 90° hierzu angeordnet sind.

Die Einspritzzeit des Brennstoffes beträgt bis zu drei Millisekunden; die zur Verwendung gelangende Einspritz­ pumpe ist eine Pumpe, die mit einem Pumpenstoß eine de­ finierte Menge Brennstoff aus- und in den Brennraum ein­ spritzt. In jedem Fall ist die Einspritzzeit so zu wählen, daß Zündverzögerungen möglichst gering und die Anforderung hinsichtlich der Ausschalteigenzeiten des Schalters erfüllt sind.

Erfindungsgemäß besteht weiterhin die Möglichkeit, zur Beeinflussung des Druck-Zeitverlaufes im Inneren des Brennraumes Inertgase wie Stickstoff (N ₂) einzuführen. Durch das Inertgas wird die Zündzeit und insbesondere die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflußt. Außerdem wird durch das Inertgas das Vordruckniveau erhöht, so daß der maximale Druck aufgrund der erhöhten Gasmenge größer wird. Der erhöhte Druck jedenfalls vergrößert auch die kinetische Energie des Kolbens. Damit kann durch die Beimischung des N₂-Gases die Kolbengeschwindigkeit er­ höht werden, was sich bei Versuchen bestätigt hat. Wegen der in dem Inertgas gespeicherten Wärmeenergie verläuft nach der Reaktion der Abfall des Druckes lang­ samer, weswegen die Schaltstiftbewegung günstig beein­ flußt wird. Man kann natürlich anstatt Stickstoff auch eine ausreichend große Menge Sauerstoff einfüllen; die Wirkung dieser überschüssigen Menge Sauerstoff ist die gleiche wie die bei Inertgas.

Die Bereitstellung des Sauerstoffs erfolgt beispielswei­ se durch eine Sauerstoffflasche oder elektrochemisch beispielsweise mittels einer Wasserelektrolyse oder mit­ tels Luftzerlegung mit geeigneten, hier nicht näher zu erläuternden Verfahren. Letztere hätten den Vorteil, daß sich die Bereitstellung des Sauerstoffes unabhängiger gestalten würde, was besonders bei abgelegen aufgestell­ ten Schaltern vorteilhaft ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung besteht im wesentlichen darin, daß durch eine einmalige Füllung des Brennraumes mit für die erforderliche Anzahl von Zündungen ausreichender Menge an Sauerstoff und ent­ sprechende Einspritzung von Brennstoff eine ausreichende Anzahl von Schalthandlungen eines Schaltzyklus durchge­ führt werden kann, ohne daß die Nachteile der mechanisch-hydraulischen Speicher und Antriebe noch mit vorhanden sind.

Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines chemischen Antrie­ bes für einen Hochspannungs-Leistungsschalter,

Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung eines chemischen Antriebes,

Fig. 3 eine dritte Ausgestaltung eines chemischen Antriebes und

Fig. 4 ein Druck-Zeit- bzw. Weg-Zeitdiagramm eines Antriebes gemäß der Fig. 2.

In der Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild eines chemi­ schen Antriebes für Hochspannungsleistungsschalter dar­ gestellt. Letzterer ist ebenfalls schematisch gezeichnet und trägt die Bezugsziffer 10. Der bewegliche Schalt­ stift des Hochspannungs-Leistungsschalters 10 wird von einer Kolben-Zylinderanordnung 11 angetrieben, die einen Zylinder 12 und einen innerhalb des Zylinders hin- und herbewegbaren Kolben 13 umfaßt, dessen Kolbenstange 14 mit dem Schaltstift des Hochspannungs-Leistungsschalters 10 gekuppelt ist. Der Kolben 13 teilt den Innenraum des Zylinders 12 in einen Raum 15 oberhalb des Kolbens und in einen Raum 16 unterhalb des Kolbens ein, wobei die Bezeichnung dieser beiden Räume 15 und 16 rein will­ kürlich gewählt ist. Aufgrund des Anschlusses der Kol­ benstange 14 an den Kolben 13 ist die Druckfläche am Kolben im Raum 16 unterhalb des Kolbens kleiner als diejenige im Raum 15; dies ist allgemein eine übliche Konstruktion und auch notwendig.

Dem Raum 15 ist eine erste Brennkammer 17 zugeordnet, die über ein Rückschlagventil 18 mit dem Raum 15 verbun­ den ist. In die Brennkammer 17 greift eine Zündkerze 19 ein, die mittels einer Zündschaltung 20 betätigt bzw. gezündet wird. Die Brennkammer 17 ist über ein steuer­ bares Ventil 21 mit einem Sauerstoffbehälter 22 verbun­ den; in die Brennkammer 17 mündet ferner eine Leitung 23 ein, die eine Einspritzdüse 24 enthält und die mit einer Einspritzpumpe 25 verbunden ist. Diese Einspritzpumpe 25 besitzt einen Kolben 26, mit dem sie flüssigen Brenn­ stoff 27 aus einem Brennstoffbehälter 28 ansaugt und mit einem Stoß in die Brennkammer 17 fördert. Der Kolben 26 der Einspritzpumpe 25 ist mit einer Kolben- Zylinder­ anordnung 29 verbunden, die über eine Leitung 30 und ein in dieser Leitung 30 befindliches Elektromagnetventil 31 ebenfalls mit dem Sauerstoffbehälter 22 verbunden ist.

Der Sauerstoffbehälter 22 ist mit einer weiteren Leitung 32 und einem darin befindlichen ansteuerbaren Elektroma­ gnetventil 33 mit einer zweiten Kolben-Zylinderanord­ nung 34 verbunden, die einen Kolben 35 einer zweiten Einspritzpumpe 36 betätigt, welche zweite Einspritzpumpe 36 von dem Brennstoffbehälter 27 über eine Leitung 37 Brennstoff ansaugt und über eine der Leitung 23 entspre­ chende Leitung 38 und einem Rückschlagventil 39 in eine zweite Brennkammer 40 einspritzt, in der ebenfalls eine von der Zündschaltung 20 angesteuerte Zündkerze 41 ange­ ordnet ist. Über ein steuerbares Ventil 42 ist die zweite Brennkammer 40 mit dem Sauerstoffbehälter 22 verbunden. Von der Brennkammer 40 aus verläuft eine Leitung 43 hin zu der Kolben-Zylinderanordnung 11; die Leitung 43 mündet in den Raum 16 unterhalb des Kolbens und zwar unter Zwischenfügung eines Rückschlagventiles 44.

Der Schalter 10 befindet sich nun in der Ausschaltstel­ lung. Wenn der Schalter eingeschaltet werden soll, dann ist der Kolben in Pfeilrichtung P _a zu betätigen. Dies erfolgt dadurch, daß in die Brennkammer 17 eine ausrei­ chende Menge Sauerstoff und über die Einspritzpumpe 25 eine ausreichende Menge Brennstoff eingespritzt wird. Mittels der Zündkerze 19 wird das Brennstoff-Luft- bzw. Sauerstoffgemisch gezündet und über das Rückschlagventil 18 dem Raum 15 links des Kolbens 13 zugeführt; aufgrund des dabei entstehenden Druckes innerhalb der Kolben-Zy­ linderanordnung wird der Kolben in Pfeilrichtung P _a getrieben, so daß der Schalter 10 eingeschaltet wird. Wenn die Ausschaltung erfolgen soll, wird in gleicher Weise in die Brennkammer 40 mittels der zweiten Ein­ spritzpumpe 36 Brennstoff eingespritzt; mit dem über das Ventil 42 in die Brennkammer 40 eingeführten Sauerstoff wird ein brennbares Gemisch gebildet, das mittels der von der Steuereinrichtung 20 bzw. Zündschaltung 20 gezündeten Zündkerze 41 gezündet wird. Über die Leitung 43 und das Rückschlagventil 44 gelangt das in der Brenn­ kammer 40 entstandene Reaktionsgas, das einen ausrei­ chend hohen Druck und eine ausreichende Temperatur auf­ weist, in den Raum 16 unterhalb des Kolbens, wodurch der Kolben 13 in die Ausschaltstellung gelangt. Gegebenen­ falls müssen über Ventile 45, 46 und 47 die beiden Räume 15 und 16 nach einigen Schaltungen entlüftet werden, damit sich nicht zuviel Reaktionsgase im Inneren der Kolbenzylinderanordnung ansammeln.

Eine Vereinfachung der Ausgestaltung ist aus der Fig. 2 zu entnehmen. Dort sind die beiden Brennkammern 17 und 40 der Anordnung nach Fig. 1 zusammengefaßt worden zu einer einzigen Brennkammer, was zur Folge hat, daß nur noch eine Brennstoffeinspritzpumpe erforderlich wird. Damit die Gleichartigkeit zwischen den Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2 dokumentiert ist, behalten die gleichar­ tigen Komponenten bzw. Bauteile der beiden Figuren die gleiche Bezugsziffer, ggfls. mit Indices.

In ähnlicher Weise wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1, ist den Räumen 15 und 16 eine Brennkammer 17 a zugeord­ net, die über Ventile 18 a und 18 b mit den Räumen 15 und 16 verbunden ist. In die Brennkammer 17 ist eine Zünd­ kerze 19 eingebaut, die mittels der Zündschaltung 20 betätigt bzw. gezündet wird. Die Brennkammer 17 a ist über ein steuerbares Ventil 21 a und ein Reduzierventil 32 a mit dem Sauerstoffbehälter 22 verbunden. In die Brennkammer 17 a mündet ferner die Leitung 23 ein, die die Einspritzdüse 24 enthält und die mit der Einspritz­ pumpe 25 verbunden ist. Zwischen dem Sauerstoffbehälter und der Pumpe 29 befindet sich ein Pufferbehälter 33 a. Zur Betätigung des Schalters ist in die Brennkammer 17 a eine für mehrere Zündungen ausreichende Menge Sauerstoff eingefüllt und über die Einspritzpumpe 25 wird eine aus­ reichende Menge Brennstoff eingespritzt. Mittels der Zündkerze 19 wird das Brennstoff/Luft- bzw. Sauerstoff­ gemisch gezündet und über das Ventil 18 a dem Raum 15 oberhalb des Kolbens zugeführt. Die Ventile 18 a und 18 b werden abhängig vom Kolbenstangenhub gesteuert. Im ersten Augenblick der Zündung ist das Ventil 18 a geöff­ net und das Ventil 18 b geschlossen. Aufgrund des dabei entstehenden Druckes innerhalb der Kolben-Zylinderanord­ nung wird der Kolben in Pfeilrichtung PA getrieben. Auf halbem Weg des Kolbens schließt das Ventil 18 a und das Ventil 18 b wird geöffnet. Wenn der Schalter in umgekehr­ ter Richtung betätigt werden soll, wird in die Brenn­ kammer 17 a mittels der Einspritzpumpe 29 weiterer Brenn­ stoff eingespritzt. Mit dem noch in der Brennkammer 17 a befindlichen Rest-Sauerstoff wird ein brennbares Gemisch gebildet, das mittels der von der Steuereinrichtung 20 bzw. Zündschaltung 20 betätigten Zündkerze 19 gezündet wird. Über das Ventil 18 b, welches jetzt geöffnet ist, gelangt das in der Brennkammer 17 a entstandene Reak­ tionsgas, das einen ausreichend hohen Druck und eine ausreichende Temperatur aufweist, in den Raum 16, wodurch der Kolben betätigt wird. Auf halbem Kolbenweg schließt jetzt das Ventil 18 b und das Ventil 18 a ist geöffnet. Für eine zweite Schalthandlung wird der bereits beschriebene Ausschaltvorgang wiederholt, wobei die eingespritzte Brennstoffmenge mit dem in der Brenn­ kammer 17 a noch verbliebenen Rest Sauerstoff reagiert.

Nach einem Aus-Ein-Aus(O-CO)-Schaltzyklus werden die Räume 16 und 17 a über das Ventil 34 entleert.

Erfindungsgemäß wird in die Brennkammer 17 a so viel Sauerstoff eingeführt, daß der Sauerstoff zur Verbren­ nung mehrerer Portionen Brennstoff bzw. für die Durch­ führung mehrerer Schalthandlungen ausreicht.

Zur Vereinfachung besteht die Möglichkeit, die Brennkam­ mern 17 und 40 in die Kolben-Zylinderanordnung zu inte­ grieren. Zu diesem Zwecke wird eine Kolben-Zylinderan­ ordnung 50 gemäß Fig. 3 vorgeschlagen, in der ein Kol­ ben 51 hin- und herbewegbar ist, der mit einer Kolben­ stange 52 mit dem beweglichen Schaltstift des Hochspan­ nungs-Leistungsschalters 10 verbunden ist. Der Kolben 51 teilt den Zylinderinnenraum in einen Raum 53 oberhalb des Kolbens und in einen Raum 54 unterhalb des Kolbens; "oberhalb" und "unterhalb" sind an die Bezeichnungen bei der Beschreibung der Ausführungen nach Fig. 1 und 2 angepaßt und sollen nichts über die Lage der Räume 53 und 54 bezogen auf "ground" (N-N) aussagen. Damit die Bewegung des Kolbens 51 begrenzt ist, sind in seiner Ausschaltstellung und in seiner Einschaltstellung je­ weils Anschläge 55 bzw. 56 im Zylinder 57 vorhanden. Unterhalb des Anschlages 56 befindet sich im Boden 58 des Zylinders 57 eine Dreiloch-Einspritzdüse 59, an der eine Einspritzpumpe 60 angeschlossen ist, die über eine Leitung 61 mit einem Brennstoffbehälter 62 verbunden ist. Die Leitung 61 entspricht der Leitung von dem Brennstoffbehälter 28 zu der Einspritzpumpe 25.

In der Seitenwand 63 des Zylinders 57 ist eine Zündkerze 64 eingebaut, deren inneres Ende 65 zur Erzeugung des Zündfunkens ausgebildet ist, wobei die Zündkerze 64 druckfest in der Zylinderseitenwand eingebracht sein muß. Mittels einer elektronischen Steuerung 66 wird die Zündkerze 65 gezündet.

In den Raum 54 oberhalb des Kolbens 51 mündet eine der Düse 59 entsprechende weitere Düse 67, die mit einer der Einspritzpumpe 60 entsprechenden Einspritzpumpe 68 in Verbindung steht; die Einspritzdüse 67 befindet sich dabei in der Seitenwand 63 des Zylinders 57. Angenähert diametral gegenüber ist eine zweite Zündkerze 69 vorge­ sehen, an deren innerem Ende 70 der Zündfunke entsteht und die mittels einer Zündschaltung 71 gezündet wird.

Die beiden Einspritzpumen 60 sind so ausgebildet, daß ein einziger Pumpenstoß die für eine Schaltung ausrei­ chende Menge an Treibstoff in die beiden Räume 53 und 54 einspritzt. Die Zündkerzen 64 und 69 sind sogenannte Hochenergiezündkerzen, die mindestens 1 mJ an Zündener­ gie im Zündfunken liefern, um auf diese Weise eine ausreichende Zündung zu gewährleisten. Zweckmäßigerweise - wie oben erwähnt - wird als Einspritzdüse jeweils eine Dreilochdüse 59 und 67 benutzt, die drei Brennstoff­ strahlen 72, 73 und 74 erzeugt, von denen einer, hier der Brennstoffstrahl 72, unmittelbar an dem vorderen Ende 65 der Zündkerze, an dem der Zündfunke gebildet wird, vorbeigespritzt wird. Wenn anstatt einer Dreiloch­ düse eine einen Kegelstrahl ausspritzende Düse verwendet wird, dann muß die äußere Kegelhüllfläche in gleicher Weise möglichst nahe an der Zündstelle der Zündkerze vorbei gespritzt werden. Der Brennstoff darf die Zünd­ stelle selbst nicht treffen, da dadurch eine Zündung gehemmt wird. In gleicher Weise ist auch die Düse 67 so ausgebildet, daß sie drei Strahle 75, 76 und 77 erzeugt, von denen in der Ausbildung gemäß Fig. 3 der mittlere Strahl 76 in unmittelbarer Nähe des vorderen Endes der Zündkerze, also der Zündstelle vorbeigeführt wird. Ein direktes Auftreffen des Strahles 76 auf das vordere, die Zündung erzeugende Ende 70 der Zündkerze 69 würde die Zündung zumindest behindern, weil aufgrund des Brenn­ stoffes die Zündkerze naß würde.

Die Menge an Brennstoff, vorzugsweise Benzin, die in die Räume 54 und 53 eingespritzt werden muß, ist abhängig von der Schaltleistung des Schalters 10 und dabei ins­ besondere von dessen bewegbaren Massen. Bei einer mech­ anischen Antriebsenergie von 1kWs/Schaltung werden weniger als 1 Kubikzentimeter Benzin und die äquivalente Menge Sauerstoff benötigt. Im Hinblick darauf, daß mög­ lichst mehrere Aus- und Einschaltungen zu erfolgen haben, muß auch die Menge des eingefüllten Sauerstoffes daran angepaßt werden. Für die in der Bundesrepublik übliche O-CO-Schaltfolge ist in den Raum 53 unterhalb des Kolbens - gleiches gilt natürlich auf für die Aus­ gestaltung gemäß Fig. 1 - mindestens für eine zweima­ lige Schaltung und damit eine zweimalige Verbrennung von Benzin ausreichender Sauerstoff einzufüllen. Bei einer Einspritzung von 1 Kubikzentimeter Benzin in einen Reaktionsraum von 0,3 Liter würde eine Sauerstoffüllung mit einem Druck von 20 bar für drei Ausschaltungen und drei Einschaltungen ausreichen.

Es hat sich dabei herausgestellt, daß die Reaktionspro­ dukte nach einer Zündung im Benzin-Sauerstoff-Gemisch verbleiben können, ohne die nächsfolgende Zündung bzw. Schaltung zu stören.

In der Fig. 1 ist dargestellt, daß die Betätigung der beiden Einspritzpumpen 25 und 36 bzw. dann auch der bei­ den Einspritzpumpen 60 und 68 mittels des unter hohem Druck stehenden Sauerstoffes erfolgen kann. Zu diesem Zwecke sind natürlich sehr schnelle Elektromagnetventile 31 und 33 erforderlich, um die notwendige Geschwindig­ keit der Bewegung des Antriebskolbens der Kolben-Zylin­ deranordnungen 39 und 34 zur Bewegung bzw. Betätigung der beiden Kolben 26 und 35 in den Einspritzpumpen 25 und 36 bzw. 60 und 68 zu erzeugen. Gegebenenfalls können Pumpen 60 bzw. 68 verwendet werden, deren Kolben elek­ tromagnetisch angetrieben werden. Die beiden Ventile 31 und 33 müssen in der Lage sein, im Millisekundenbereich Sauerstoffmengen von bis zu 0,5 Liter bei einem Druck von 20 bar passieren zu lassen, damit genügend Kraft zur Verfügung steht, um den Kolben 26 der Einspritzpumpe 25 (bzw. 60 und 68 der Fig. 3) zu bewegen und Einspritz­ mengen von 1cm³ in einer Zeit von ca. 3 msc zu ermög­ lichen. Der Antrieb der Einspritzpumpe kann auch auf anderem Wege erfolgen. Es ist z.B. möglich, den Antriebszylinder 29 eine kleine Brennkammer vorzu­ schalten, die mit Sauerstoff gefüllt ist und in die über elektromagnetische betriebene Einspritzventile aus der Kraftfahrzeugindustrie die notwendige kleine Menge Brennstoff eingespritzt und in dessen Gemisch von einer Transistorzündanlage mit Zündkerze in dieser Brennkammer gezündet wird. Der entstehende Druck treibt dann den Kolben der Einspritzpumpe 26 an.

Bei der Kolben-Zylinderanordnung gemäß Fig. 3 sind in den Zylindern 57 im unteren bzw. oberen Bereich der Kol­ benstellung Einführungsleitung 78 und 79 angeschlossen, über die einerseits der Sauerstoff zugeführt und ande­ rerseits nach der erzielten Schaltfolge auch die ent­ standenen Verbrennungsgase abgeführt werden können. Eine entsprechende Leitungsanordnung ist hier nicht näher dargestellt, sondern lediglich durch eine Kreuzleitung 78 bzw. 79 angedeutet.

Die Fig. 4 zeigt schematisch das Druck-/Weg-Zeit­ diagramm. Die Kurve b zeigt die Druckkurve bei der Reaktion. Zu Beginn der Schalthandlung steigt der Druck rasch auf den Wert p _max an und fällt entsprechend der Vergrößerung des Volumens bei der Kolbenbewegung langsam ab. Nach Erreichen eines Wertes p _s, der unterhalb des Maximalwertes p _max liegt, beginnt sich der Kolben ent­ sprechend der Kurve s zu bewegen und erreicht die End­ stellung S _e , die der Einschalt- bzw. Ausschaltstellung des beweglichen Schaltstiftes entspricht.

Die obige Erfindung ist anhand eines elektrischen Hoch­ spannungs-Leistungsschalters beschrieben. Es besteht natürlich die Möglichkeit, mittels der Erfindung jedes Bauelement, das linear bewegbar ist und angetrieben werden muß, anzutreiben bzw. zu betätigen.

Claims (13)

1. Verfahren zum Antrieb eines linear bewegbaren Bauelementes, insbesondere des beweglichen Schaltstiftes eines elektrischen Hochspannungs-Leistungsschalters, mit einer Kolben-Zylinderanordnung, der ein Druckfluid zum Antrieb des Kolbens und des damit verbundenen linear bewegbaren Bauelementes zugeführt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erzeugung des Druckfluids für jeden Bewegungshub ein bestimmtes, dafür ausreichendes Volumen Brennstoff in einen Brennraum eingeführt wird, in den vor Beginn des Bewegungshubes ein zum Verbrennen des Brennstoffes ausreichendes Volumen Sauerstoff eingefüllt wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Volumen Sauerstoff einem Mehrfachen der für einen Bewegungshub ausreichenden Sauerstoffmenge ent­ spricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zusätzlich Inertgas, z.B. N₂, eingefüllt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff Benzin ver­ wendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Benzin eine geringe Menge, ca. 1 bis 2 Vo­ lumenprozent eines Polyalkohols zugemischt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff Äthanol verwendet wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Brennraum beidseitig zu dem Kolben vorge­ sehen ist, daß in jeden Brennraum wenigstens eine Hoch­ energiezündkerze hineinragt und daß die wenigstens eine Öffnung zum Einspritzen des Brennstoffes so angeordnet ist, daß zumindest ein Teil des Brennstoffes unmittelbar neben der Zündkerze vorbeigespritzt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zündkerzen im Bereich der Zylinderwan­ dung und die in den Raum mit größerer Kolbenfläche ragende Einspritzdüse in der quer zur Kolbenbewegung liegenden, der Zündkerze benachbarten Zylinderabschluß­ wand angeordnet sind.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Kolben- Zylinderanordnung mindestens ein Brennraum vorgesehen ist, in dem die Verbrennungsreak­ tion durchgeführt und aus dem das Druckfluid in die Räume beidseitig des Kolbens gefördert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß lediglich ein Brennraum vorgesehen ist, der über jeweils eine Leitung mit einem Steuerventil mit dem Raum oberhalb bzw. unterhalb des Kolbens verbunden ist, wobei die Ventile derart gesteuert sind, daß der Brennstoff zunächst in dem einen und dann in den anderen Raum oberhalb bzw. unterhalb des Kolbens eingeführt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Brennräume vorgesehen sind, von denen jeweils einer mit dem Raum oberhalb und der andere mit dem Raum unterhalb des Kolbens über ein Steuerventil verbunden ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse einen kegelförmigen Brennstoffstrahl bildet, der in den Brennraum einge­ spritzt wird, wobei die Kegelfläche des Brennstoff­ strahles unmittelbar neben der Zündkerze bzw. der Zünd­ stelle der Zündkerze liegt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff durch eine Mehrfachdüse, vorzugsweise Dreifachdüse eingespritzt wird, wobei ein Strahl unmittelbar neben der Zündkerze vorbeigeführt ist.