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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Kombination aus einer gasverdichtenden
Kolbenarbeitsmaschine mit Kolben und Kurbeltrieb und einer den Kurbeltrieb
beaufschlagenden externen Kraftmaschine nach Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Derartige Kombinationen
sind bekannt.
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Als
gasverdichtende Kolbenarbeitsmaschine dient beispielsweise ein Kompressor
zur Erzeugung von Druckluft, dessen Kurbeltrieb über einen zugeordneten Elektromotor
als Kraftmaschine im Sinne einer Drehbewegung beaufschlagt wird.
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In
der vorliegenden Anmeldung werden Maschinen als Kolbenarbeitsmaschinen
bezeichnet, wenn diese mit Hilfe eines in einem Zylinder unter sich
wechselnden Volumina geführten
Kolben etwa nach Art einer Pumpe Verdichtungsarbeit an einem eingeschlossenen
Gas leistet.
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Dabei
kommt es keinesfalls auf geradlinig hin und her oszillierende Kolben,
wie etwa bei der Hubkolbenmaschine, an, sondern ohne Einschränkung der
Erfindung können
auch Rotati onskolbenmaschinen oder ähnliches von der Erfindung
mit umfaßt sein.
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Wesentlich
ist in jedem Falle jedoch, daß sich
das zwischen dem Kolben und dem Zylinder befindliche gasgefüllte Arbeitsvolumen
während
der Relativbewegung zwischen Kolben und Zylinder ständig verkleinert
und vergrößert.
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Unter
einer Kraftmaschine wird in der folgenden Anmeldung eine Maschine
verstanden, welche eine verfügbare
und von außen
eingetragene Energie in eine mechanische Energie so umsetzt, daß eine antreibende
Kraft entsteht, welche entweder direkt die Kolbenarbeitsmaschine
in eine drehende Bewegung versetzt oder über eine von einem hin und her
bewegten Kolben drehend angetriebene Kurbelwelle.
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Derartige
Kombinationen von Kolbenarbeitsmaschinen mit externen Kraftmaschinen
dienen nach Stand der Technik einem bestimmten Nutzen, z.B. der
Erzeugung von Druckluft.
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Für andere
sozusagen „nutzlose" Einsatzzwecke sind
derartige Kombinationen weder vorgesehen noch gedacht.
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Insbesondere
im Hinblick auf eine verbesserte Forschung an den Verschleißteilen
von gasverdichtenden Kolbenkraftmaschinen erscheinen die bekannten
Kombinationen aus Kolbenarbeitsmaschinen und externen Kraftmaschinen
deshalb auch nicht geeignet.
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Gleichwohl
ist es aber Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit welcher an einer gasverdichtenden Kolbenmaschine eine verbesserte
Erforschung von sich periodisch wiederkehrenden Kräften und
Momenten und darüber
hinaus des naturbedingten Verschleisses an den relativ zueinander
bewegten Teilen möglich
ist.
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Diese
Aufgabe löst
die Erfindung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist also eine Kolbenarbeitsmaschine, die weder einen Ansaug-
noch einen Ausschiebetakt aufweist, sondern ein im Arbeitsvolumen
eingeschlossenes Gas ständig
nur verdichtet und sich anschließend wieder expandieren läßt usw..
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Obwohl
der Arbeitsprozess natürlich
nicht identisch dem Arbeitsprozess einer Kolbenkraftmaschine, wie
z.B. eines Verbrennungsmotors, entspricht, lassen sich durch die
so gewonnenen Erkenntnisse ohne weiteres Rückschlüsse auf z.B. das Verschleißverhalten
an den relativ zueinander bewegten Teilen von Kolbenkraftmaschinen
ziehen.
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Die
sich ständig
wechselnden Belastungen der Kolbenarbeitsmaschine nach dieser Erfindung können z.B. über die
Grundgesetze der Ähnlichkeitstheorie
umgesetzt werden auf das entsprechende Verhalten dieser Bauteile
an herkömmlichen
Verbrennungskraftmaschinen.
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Von
wesentlicher Bedeutung für
die Erfindung ist daher auch die Eignung dieser Kombination, Meßergebnisse
zu ermöglichen,
die anstelle an Kolbenarbeitsmaschinen zur Weiterentwicklung von
Kolbenkraftmaschinen geeignet sind.
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Der
wesentliche Vorteil der Erfindung liegt daher in dem ständig eingeschlossenen
Luftvolumen, so daß Vergleichsversuche
auch bei hohen und sehr hohen Drehzahlen, z.B. über 10.000 Umdrehungen pro
Minute, gefahren werden können,
ohne den für
Verbrennungskraftmaschinen insoweit notwendigen Luftbedarf zu erfüllen.
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Der
Luftbedarf der vorliegenden Erfindung beschränkt sich auf die Leckageverluste,
die an den Grenzen des Arbeits raums der Kolbenarbeitsmaschine auftreten
und insoweit unvermeidlich sind.
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Dabei
sorgt die ständige
Volumenänderungsarbeit
insbesondere bei hohen Drehzahlen für eine starke Erwärmung des
Arbeitsgases, so daß die Kolbenarbeitsmaschine
mit flüssigem
Kühlmittel
gekühlt
werden sollte.
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Eine
einfache Bauweise sieht vor, die Kolbenarbeitsmaschine als Hubkolbenmaschine
auszuführen
und das Kurbelgehäuse
an einen vom Zylinderkopf unabhängigen
Kreislauf anzuschließen.
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Die
weite Verbreitung von Hubkolbenmotoren, z.B. im Fahrzeugbau, verlangt
nach einer Intensivierung der Verschleißforschung.
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Hier
schafft die Erfindung mit einer Hubkolbenarbeitsmaschine Abhilfe,
deren Kurbeltrieb aus Kurbelwelle mit Hubzapfen und zugehörigem Pleuel besteht,
wobei der Pleuel einen Kolben beaufschlagt, der in einem Zylinder
oszillierend geführt
ist.
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Mit
einer derartigen Kolbenarbeitsmaschine lassen sich sehr gut Verschleißmessungen
entsprechender Kolbenkraftmaschinen simulieren, wobei insbesondere
auch sehr hohe Drehzahlen möglich werden,
weil der Kolbenarbeitsmaschine nach vorliegender Erfindung der Ventiltrieb
fehlt.
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Die
Kolbenarbeitsmaschine nach vorliegender Erfindung wird nämlich ohne
Ventiltrieb betrieben, so daß mit
jeder Kurbelwellenumdrehung ein Verdichtungshub stattfindet.
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Das
Arbeitsverfahren ist daher vergleichbar dem Zwei-Takt-Verfahren.
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Im
Hinblick auf die angestrebten Verschleißmessungen lassen sich daher
im Vergleich zu einer Verschleißmessung
an einer Kolbenkraftmaschine praktisch dieselben Ergebnisse nach
lediglich der halben Versuchszeit erzielen.
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Für Vermeidung
von Leckageverlusten während
notwendiger Dauerversuche wird vorgeschlagen, den Arbeitsraum der
Kolbenarbeitsmaschine während
vorbestimmter Steuerzeiten über
ein dann geöffnetes
Ventil kommunizierend mit einer Druckgasquelle zu verbinden, wobei
der Gasdruck der Druckgasquelle wenigstens während dieser Steuerzeiten den
Druck des Arbeitsraums übersteigen
soll.
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Insbesondere
dann, wenn sich im Arbeitsraum der niedrigste Druck einstellt, sollten
Arbeitsraum und Druckgasquelle kommunizierend miteinander verbunden
sein.
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Dann
wird nämlich
Druckgas aus der Druckgasquelle in den Arbeitsraum strömen und
die vorher vorhandenen Leckageverluste werden somit kompensiert.
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Dies
wird sich zweckmäßigerweise
stets zu den Steuerzeiten wiederholen, wenn die Arbeitsraumvolumina
maximal werden, also im Falle von Hubkolbenmaschinen im unteren
Totpunkt des Kolbens.
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Die
sich wiederholt öffnende
kommunizierende Verbindung kann über
ein getaktetes Ventil erzielt werden.
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Hierzu
läßt sich
beispielsweise über
einen elektronischen Taktgeber an der Kurbelwelle eine entsprechende
Beaufschlagung eines elektrisch ansteuerbaren Ventils herbeiführen.
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Wird
das Ventil als Drehschieberventil ausgeführt, braucht lediglich noch
dessen Drehbewegung schlupffrei an die Drehbewegung der Kurbelwelle
angekoppelt werden und die vorgegebenen Taktzeiten werden stets
eingehalten.
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Ergänzend hierzu
kann vorgesehen sein, das Drehschieberventil geringfügig relativ
zur getaktet angetriebenen Drehschieberwelle verdrehbar zu befestigen,
etwa nach Art einer Nockenwelle mit variablen Steuerzeiten, so daß die Einlaßzeiten
des Drehschieberventils an den gewünschten Druckverlauf innerhalb
des Arbeitsvolumens angepaßt
werden können.
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Zweckmäßigerweise
wird die Eingangsleitung des Ventils mit einem auf vorbestimmten
Druck ausgeregelten Druck beaufschlagt.
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Da
in jedem Fall der Arbeitsraum auch im unteren Totpunkt der Kolbenarbeitsmaschine
mit einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks von 1 bar gefüllt sein
soll, z.B. mit einem Druck von 3 bar, empfiehlt es sich, das Ventil
mit einem vorbestimmt ausgeregelten Druck zu beaufschlagen.
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Die
Höhe des
vorbestimmten Drucks bemisst sich dabei im wesentlichen nach dem
jeweiligen Soll-Wert des gewünschten
Verdichtungsenddrucks.
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Zur
Ausregelung des vorbestimmten Drucks kann ein sogenannter Spitzenwertregler
Verwendung finden, der lediglich die gemessenen Maximaldrücke im Arbeitsvolumen
der Kolbenarbeitsmaschine misst.
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Zur
Verwendung der Vorrichtung zwecks Verschleißmessung an einem Gleitlager
der Kurbelwelle wird vorgeschlagen, ein geschlossenes Kurbelwellengehäuse mit
einem in sich geschlossenen Ölkreislauf
zu verwenden, an welchem zumindest dasjenige Lager anzuschließen ist,
an welchem die Verschleißmessung
erfolgen soll.
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Dabei
kann der Datentransport von den innerhalb des Kurbelgehäuses liegenden
Meßstellen über sogenannte Telemetrieanlagen nach außen erfolgen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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1 zeigt
die Kombination aus einer gasverdichtenden Kolbenarbeitsmaschine 1.
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Im
vorliegenden Fall handelt es sich – ohne Einschränkung der
Erfindung hierauf – um
eine Hubkolbenmaschine.
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In
einem Kurbelgehäuse 2 ist
eine Kurbelwelle 4 drehbar gelagert.
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Die
Kurbelwelle 4 weist einen Hubzapfen 5 auf, auf
welchem ein Pleuel 6 gelagert ist.
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Anderenends
ist das Pleuel 6 mit einem Kolben 7 verbunden,
der in einem Zylinder 8 hin und her oszillierend geführt ist.
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Der
Zylinder 8 wird nach oben hin von einem Zylinderkopf 3 abgeschlossen.
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Auf
diese Weise entsteht innerhalb des von dem Kolben 7 überfahrenen
Weges im Zylinder 8 ein Arbeitsraum 9, dessen
Volumen sich abhängig
von der Stellung des Kolben zwischen einem Minimalvolumen und einem
Maximalvolumen ständig ändert.
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Das
Minimalvolumen liegt vor, wenn sich der Kolben 7 im oberen
Totpunkt 10 befindet. Das Maximalvolumen liegt vor, wenn
sich der Kolben 7 im unteren Totpunkt 11 befindet.
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Der
Kurbeltrieb wird hier beaufschlagt von einer externen Kraftmaschine 12.
Es handelt sich hier um einen Elektromotor, mit dessen Hilfe die
Kurbelwelle 4 ununterbrochen in eine der möglichen
beiden Drehrichtungen gedreht wird.
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Wesentlich
ist, daß die
Kolbenarbeitsmaschine 1 weder über Einlaßventile noch über Auslaßventile
verfügt
und auch nicht, etwa vergleichsweise zu Zwei-Takt-Arbeitsmaschinen über Überströmkanäle oder ähnliches.
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Die
Kolbenarbeitsmaschine ist nämlich
erfindungsgemäß vorgesehen
für den
dauerhaften nicht ansaugenden Betrieb und darüber hinaus für den dauerhaften
Betrieb ohne entsprechende Druckauslaßvorrichtung.
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Auf
diese Weise wird der Arbeitsraum 9, der mit einem Gas,
z.B. Luft, gefüllt
ist, ständig
verkleinert und vergrößert und
die darin befindliche Luft ständig
komprimiert und expandiert.
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Abhängig von
den zwangsläufigen
und praktisch unvermeidbaren Leckageverlusten im Zwischenraum zwischen
Kolbenhemd und Zylinderwandung wird daher weder auf dem Weg des
Kolbens 7 zum unteren Totpunkt ein Arbeitsgas weder angesaugt
noch auf dem Weg des Kolbens zum oberen Totpunkt das komprimierte
Arbeitsgas in die Umgebung entlassen.
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Insbesondere
bei den hier möglichen
hohen Drehzahlen von bis zu 12.000 Umdrehungen pro Minute bedarf
es daher einer effektiven Kühlung
der Kolbenarbeitsmaschine.
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Bei
einem Verdichtungsverhältnis
von etwa 1:18 bis 1:20 kann nämlich
bei einem Minimaldruck im unteren Totpunkt von etwa 3 bar ein Verdichtungsenddruck
von 115 bar erzeugt werden.
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Die
bei dieser Volumenänderungsarbeit zwangsläufig entstehende
erheblich Erwärmung
des Arbeitsmediums muß über geeignete
Kühlmittel
abgeführt
werden.
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Hierfür wird vorgeschlagen,
daß die
Kolbenarbeitsmaschine 1 mit flüssigem Kühlmittel gekühlt wird.
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Zweckmäßigerweise
weist dabei das Kurbelgehäuse 2 der
gezeigten Hubkolbenmaschine einen vom Zylinderkopf 3 getrennten
Kühlmittelkreislauf auf.
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Die
Kühlmittelkreisläufe 13, 14 verfügen über voneinander
unabhängig
betriebene Pumpen und Kühler,
so daß die
Kühlmittelkanäle im Zylinderkopf Bestandteil
des Kühlmittelkreislaufs 13 und
die Kühlmittelkanäle des Zylinders 8 Bestandteil
des Kühlmittelkreislaufs 14 sind.
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Diese
Maßnahme
bietet den Vorteil einer einfachen Dichtung zwischen Zylinderkopf
und Zylinder.
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Das
notwendige Kühlwasser
kann ohne weiteres dem Leitungsnetz entnommen werden.
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Das
gezeigte Ausführungsbeispiel
zeigt über den
allgemeinen Erfindungsgedanken hinaus eine Kolbenarbeitsmaschine 1,
die als Hubkolbenmaschine ausgelegt ist.
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Der
Kurbeltrieb besteht aus Kurbelwelle 4 mit zugehörigem Hubzapfen 5.
Auf dem Hubzapfen 5 ist in an sich bekannter Weise ein
Pleuel 6 gelagert, welches an seinem anderen Ende einen
Kolbenbolzen beaufschlagt, der in dem Kolben 7 sitzt.
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Auf
diese Weise wird die Bewegung des Hubzapfens 5 in eine
hin und her gehende oszillierende Bewegung des Kolbens 7 transponiert.
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Diese
Ausführungsform
bietet den Vorteil einer vergleichsweise einfachen Simulation der
Druckverhältnisse
wie bei einer Hubkolbenkraftmaschine, z.B. einem Verbrennungsmotor,
ohne daß die
für Verbrennungsmotoren
insbesondere bei hohen Drehzahlen enormen Luftdurchsätze realisiert
werden müssen.
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Das
in sich geschlossene System des Arbeitsraums 9 bedarf nämlich lediglich
der Leckageüberwachung,
so daß – abhängig vom
jeweils gewünschten
maximalen Verdichtungsenddruck – lediglich
die notwendige Luftmenge im Bereich des unteren Totpunkts 11 vorgelegt
werden muß.
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Zu
diesem Zweck ist der Arbeitsraum 9 mittels eines Ventils 15 mit
einer Druckgasquelle 16 kommunizierend verbunden.
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Das
Ventil 15 ist während
vorbestimmter Steuerzeiten geöffnet,
so daß der
Gasdruck der Druckgasquelle 16 wenigstens während der
Steuerzeiten in den Arbeitsraum 9 entlastet werden kann.
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Zu
diesem Zweck muß der
Gasdruck zumindest während
der Steuerzeiten dem Druck des Arbeitsraums 9 übersteigen,
so daß ein
Einströmen
des Arbeitsgases in den Arbeitsraum 9 ermöglicht wird.
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Da
während
des oszillierenden Betriebs der Hubkolbenmaschine auch ständig mit
einer gewissen Leckage gerechnet werden muß, wird vorgeschlagen, daß sich die
kommunizierende Verbindung zu den Steuerzeiten stets dann wiederholt,
wenn das Arbeitraumvolumen maximal ist, d.h. wenn der Kolben 7 sich
im Bereich des unteren Totpunkts 11 bewegt.
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Hierzu
wird vorgeschlagen, ein getaktetes Ventil zu verwenden, welches
immer dann die kommunizierende Leitung zwischen Druckgasquelle 16 und
Arbeitsraum 9 öffnet,
wenn sich der Kolben 7 im Bereich des unteren Totpunkts 11 befindet.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
wird hierfür
ein Drehschieberventil verwendet, welches über ein schlupffreies Antriebsmittel
an die Drehbewegung der Kurbelwelle 4 gekoppelt ist.
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Mangels
der nicht notwendigen Ein- und Auslaßventile an der erfindungsgemäßen Kolbenarbeitsmaschine
ist von einem quasi Zwei-Takt-Betrieb auszugehen, d.h., mit jeder
Kurbelwellenumdrehung erfolgt ein Verdichtungs- und ein Entlastungshub.
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Das
gezeigte Ventil 15 in Drehschieberbauart ist durchlässig jeweils
nach einem Drehwinkel von 180°.
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Aus
diesem Grunde ist das Übersetzungsverhältnis zwischen
Kurbelwelle und Antriebswelle für
das Drehschieberventil 2:1.
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Macht
also die Kurbelwelle zwei Umdrehungen und vollzieht daher der Kolben 7 zwei
Kompressionshübe,
dreht sich das Drehschieberventil 15 nur einmal vollständig um
seine eigene Achse.
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Ergänzend wird
vorgeschlagen, daß die Steuerzeiten
des Ventils 15 veränderbar
sind.
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Am
Beispiel des gezeigten Drehschieberventils wird dies dadurch erreicht,
daß ein
Relativverstellrohr 18 über
einen Relativverstellantrieb 19 in seiner Relativposition
zum Drehschieberantrieb verstellbar ist.
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Dabei
ist der Drehschieberantrieb schlupffrei über das Antriebsmittel 17 an
die Drehbewegung der Kurbelwelle 4 gekoppelt.
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Es
handelt sich daher bei der gezeigten Vorrichtung zur Veränderung
der Steuerzeiten um die Möglichkeit,
den Drehschieber relativ zur jeweiligen Drehstellung, die dem Drehschieberventil über das Antriebsmittel 17 aufgeprägt wird,
geringfügig
nach rechts und/oder links zu verdrehen, um auf diese Weise den
Zutritt von Druckluft in den Arbeitsraum 9 der Hubkolbenmaschine
zeitlich zu verändern.
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Diese
Maßnahme
kann insbesondere zur Anpassung des Druckverlaufs im Arbeitsraum
an einen vorgegebenen Druckverlauf dienen.
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Ergänzend soll
erwähnt
werden, daß das Ventil 15 in
Drehschieberbauart unmittelbar im Zylinderkopf 3 sitzt
und von dem Antriebsmittel 17 praktisch verkantungsfrei
beaufschlagt wird, so daß bei den
geforderten Dichtigkeiten eine Verkantung des Drehschiebers im Drehschiebergehäuse ausgeschlossen
ist.
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Ergänzend wird
vorgeschlagen, die Eingangsleitung 20 des Ventils 15 mit
einem auf vorbestimmten Druck 21 ausgeregelten Druck zu
beaufschlagen.
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Dabei
handelt es sich bei dem vorbestimmten Druck 21 um einen
Soll-Wert, der einem im geschlossenen Regelkreis befindlichen Druckregler 23 zugeführt wird.
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Der
Soll-Wert kann dem gewünschten
Verdichtungsenddruck entsprechen, der vorliegt, wenn der Kolben 7 sich
im oberen Totpunkt 10 befindet.
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Da
sich dieser Druck lediglich dann abgreifen läßt, wenn sich der Kolben 7 tatsächlich im
oberen Totpunkt 10 befindet, wird vorgeschlagen, den Druckregler 23 als
Spitzenwertregler auszuführen,
so daß ausschließlich die
jeweils auftretenden Spitzenwerte des Verdichtungsenddrucks zur
Ausregelung herangezogen werden.
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Will
man die erfindungsgemäße Kombination zur
Verschleißmessung
an sogenannten Gleitlagern verwenden, bei denen im konvergenten
Schmierspalt sich ein tragender Ölfilm
einstellt, muß die
Kolbenarbeitsmaschine ein geschlossenes Kurbelgehäuse mit einem
separaten in sich geschlossenen Ölkreislauf des
zu überprüfenden Kurbelwellenlagers
bzw. Pleuellagers aufweisen.
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Die
Erfindung ermöglicht
es insbesondere, unter verringertem Zeitaufwand vorbestimmte Meßdaten wie
z.B. Temperaturen, Kräfte,
Verschleiß über enstprechende
Sensoren 27a, b, c zu erfassen und über eine Telemetrieanlage auf
Stationärgeräte 28 zu übertragen,
die außerhalb
des Kurbelgehäuses 2 sitzen.
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Insbesondere
in Verbindung mit einem geschlossenen Ölkreislauf zur Versorgung eines
Pleuellagers mit Schmieröl,
kommt ein Sensor in Betracht, der auf einer Widerstandsmessung beruht.
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Sollte
es zwischen den Pleuellagerschalen und dem Hubzapfen 5 der
Kurbelwelle zu einem Kontakt kommen, würde der Widerstand entsprechend absinken
und die entsprechenden Daten würden dann
auf das außenliegende
Stationärgerät 28 übertragen
werden.
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Dabei
weist der geschlossene Ölkreislauf
einen im Kurbelgehäuse 2 befindlichen Ölsumpf 26 auf,
der über
eine separate Ölpumpe 25 ständig Öl liefert,
welches dann letztlich dem Pleuellager zugeführt wird.
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Insoweit
wird auf den Stand der Technik verwiesen.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß der Kolben 7 ständig und
in jedem Hub gegen steigenden Druck arbeitet, so daß die Gefahr
von Kolbenabriss deutlich vermindert wird.
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Dieser
Vorteil geht einher mit fehlenden Ventiltrieben, so daß die Erfindung
ohne weiteres Drehzahlen von 13.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr
ermöglicht.
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Derartige
Prüfstände können unter
erheblicher Zeitersparnis Verschleißmessungen ermöglichen.
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- 1
- Kolbenarbeitsmaschine
- 2
- Kurbelgehäuse
- 3
- Zylinderkopf
- 4
- Kurbelwelle
- 5
- Zapfen
- 6
- Pleuel
- 7
- Kolben
- 8
- Zylinder
- 9
- Arbeitsraum
- 10
- oberer
Totpunkt
- 11
- unterer
Totpunkt
- 12
- externe
Kraftmaschine
- 13
- Kühlmittelkreislauf
für 3
- 14
- Kühlmittelkreislauf
für 2
- 15
- Ventil
- 16
- Druckgasquelle
- 17
- Antriebsmittel
- 18
- Relativverstellrohr
- 19
- Relativverstellantrieb
- 20
- Eingangsleitung
für 15
- 21
- Soll-Wert
- 22
- Ist-Wert
- 23
- Druckregler
- 24
- Druckgasquelle
- 25
- Ölpumpe
- 26
- Ölsumpf
- 27a-c
- Sensoren
- 28
- außenliegendes
Stationärgerät