-
Mehrzylindriger, mit einer Drehzahl gleich der von schnellaufenden
Brennkraftmaschinen umlaufender Kolbenkompressor Die Erfindung hat sich die Aufgabe
gestellt, aus einer vorhandenen Brennkraftmaschinenkonstruktion auf möglichst einfache
Art und Weise, d. h. unter Belassung möglichst vieler Teile, einen Kolbenkompressor
herzustellen. Hierbei soll als Ausgangsmaschine eine schnellaufende Brennkraftmaschine
dienen, die mit einer Drehzahl von über 1500 U/min betrieben wird. Damit soll auch
die Drehzahl des hieraus entwickelten Kolbenkompressors entsprechend hoch sein,
um die Maschine weitgehend auszunutzen.
-
Aus dieser Aufgabenstellung erwachsen verschiedene Probleme, von denen
das der Steuerung das wesentlichste ist. Im Laufe der jahrzehntelangen Entwicklung
von Kolbenkompressoren wurden verschiedene Steuerungssysteme entwickelt und ausgeführt.
Der Kolbenverdichter ist eine Art Umkehrung der Kolbendampfmaschine und ursprünglich
von dieser aus abgeleitet worden. Mit der Einführung der automatischen Kompressorventile
zu Beginn dieses Jahrhunderts sind alle anderen Steuerungsarten verdrängt worden,
und seither werden praktisch ausschließlich selbsttätige Plattenventile im Kompressorenbau
verwendet.
-
Auch bei Umbauten von Brennkraftmaschinen in Motorkompressoren hat
man meistens die vorhandenen, nockengesteuerten Tellerventile durch Plattenventile
ersetzt. Hierzu sind Vorschläge bekanntgeworden, nach denen entweder alle Tellerventile
durch Plattenventile ersetzt oder nur die Druckventile ausgewechselt werden. Bei
diesen Vorschlägen, die sich zum Teil auch auf schnellaufende Maschinen richten,
werden zwar wesentliche Teile von der Brennkraftmaschine übernommen, jedoch muß
bei allen, da die Steuerung geändert wird, ein neuer Zylinderkopf mit Ventilen usw.
aufgesetzt werden.
-
Mit der Steigerung der Maschinendrehzahlen ist man heute nun an einen
Punkt gekommen, wo die Lebensdauer der Ventile einen entscheidenden Faktor bildet.
So ist es bei den heute üblichen Plattenventilen schwierig, die Drehzahl wesentlich
über 1500 U/min hinaus zu steigern. Um diese Schwierigkeiten zu meistern und um
möglichst viele Teile der vorhandenen ßrennkraftmaschine verwenden zu können, wird
geinäß der Erfindung bei einem mehrzylindrigen, mit einer Drehzahl gleich der von
schnellaufenden Brennkraftmaschinen umlaufenden Kolbenkompressor, der unter möglichst
weitgehender Verwendung von Bauteilen der Brennkraftmaschine mit von der Nockenwelle
gesteuertem Tellerventil hergestellt ist, vorgeschlagen, auch dieVentilanordnung
und -steuerung von der Brennkraftmaschine zu übernehmen. Dieser Vorschlag ermöglicht,
von einer gegebenen, schnellaufenden Brennkraftmaschine auszugehen und dabei die
meistens in größeren Stückzahlen und damit verhälteismäßig billig hergestellten
Einzelteile dieser Brennkraftmaschine auch bei einem Umbau einer solchen Maschine
in einen Kolbenkompressor verwenden zu können. Die durch die Beibehaltung der vorhandenen
Ventile mögliche Drehzahl von mehr als 1500 U/min erlaubt es ferner, den Kolbenkompressor
durch eine ihm in nahezu allen Teilen gleiche und ihm als Ausgangspunkt dienende
Brennkraftmaschine anzutreiben, und zwar direkt, so daß die gesamte Anlage praktisch
aus zwei gleichen, unmittelbar verbundenen Maschinen besteht. Die Stückzahlen der
Einzelteile können damit bei in Serien gebauten Maschinen wesentlich größer gewählt
werden, was sich nicht unerheblich auf die Verbilligung der Gesamtanlage auswirkt.
-
Bei Kolbenkompressoren ist es an sich bekannt, Tellerventile mit einer
Nockensteuerung zur Steuerung des Lufteintritts und des Luftaustritts zu verwenden,
jedoch erfolgt hierbei die Steuerung der Ventile nicht, wie bei den Brennkraftmaschinen,
in allen Lagen zwangläufig, sondern nur teilweise. Beim Druckluftaustritt wird das
entsprechende Ventil beim Erreichen eines bestimmten Druckes im Zylinder von der
verdichteten Luft aufgedrückt, so daß zu diesem Zeitpunkt das Tellerventil auch
nur wie ein Plattenventil wirkt.
Nachteilig ist hierbei, daß Ventilfedern
und Druck genau aufeinander abgestimmt sein müssen. Außerdem können hierbei nur
Ventile verwendet werden, die sich bei Druck im Zylinder selbsttätig öffnen. Diese
sind aber bei Brennkraftmaschinen wenig üblich.
-
Die Belassung zwangläufig gesteuerter Ventile bei einem Kolbenkompressor
höherer Drehzahl ist insofern mit Schwierigkeiten verbunden, als die Steuerzeiten
der Ventile, insbesondere der Druckventile, gegenüber denen bei der Verbrennungskraftmaschine
erheblich kürzer sein müssen. Bei einer Viertaktverbrennungsmaschine bleiben die
Ventile ungefähr auf eine ganze Hublänge geöffnet, während besonders das Druckventil
eines Kolbenverdichters, abhängig vom jeweiligen Verdichtungsverhältnis, nur über
den Bruchteil einer Hubperiode geöffnet werden darf. Zunächst erscheinen also Maßnahmen
erforderlich, die beispielsweise in der Abänderung der Nocken an der Nockenwelle
liegen. Dieser Weg ist aber nicht gangbar, da die Ventile mit Rücksicht auf die
hohe Drehzahl unzulässig hohenBeschleunigungen unterworfenwürden. Diese Schwierigkeit
wird gemäß der Erfindung durch die Anwendung sogenannter Überdeckungen, wie sie
schon vom Dampfmaschinenbau her bekannt sind, behoben. Der zylindrische Teil der
Ventilteller wird dabei unter Abdichtung in einer Ausbohrung gleichen Durchmessers
anschließend an den Ventilsitz geführt, so daß unter Beibehaltung normaler Ventilbeschleunigungen,
d. h. Nockenformen, die Ventilöffnungszeiten verringert werden. Diese Maßnahme ist
für die Druckventile erforderlich. Während der kurzen effektiven Öffnungszeit der
Druckventile wird noch genügendDurchgangsquerschnitt freigegeben.
-
Geht man von einer vorhandenen Bauart einer Brennkraftmaschine mit
hängenden Ventilen aus, die zum Zylinder hin öffnen, so besteht beim Kolbenkompressor
gegenüber der Brennkraftmaschine der grundsätzliche Unterschied, daß die Ventile
bei der Brennkraftmaschine durch den im Zylinder herrschenden Überdruck auf ihre
Sitzflächen gedrückt und damit dicht gehalten werden. Ein solches Ventil als Saugventil
eines Kolbenkompressors ist im öffnungs- und Schließpunkt praktisch entlastet. Bei
einem solchen Druckventil dagegen wird der Ventilteller durch den in der Druckleitung
herrschenden Druck während der Saugperiode gegen den Zylinder aufgedrückt. Es würde
also während der Saugperiode vom Druckraum her das verdichtete Medium wieder in
den Zylinder zurückströmen. Um dies zu verhindern, müssen die Ventilfedern so stark
ausgebildet werden, daß das Druckventil auch während der Saugperiode geschlossen
bleibt. In manchen Fällen wird die notwendige Federkraft für den vorhandenen Steuermechanismus
zu groß. In diesen Fällen muß gemäß der weiteren Erfindung eine Entlastung des Druckes
durch einen auf der Ventilspindel angebrachten Entlastungskolben vorgenommen werden.
Dieser Entlastungskolben wird in Schließrichtung des Ventils vom Druck in der Druckleitung
beaufschlagt, wobei die wirksame Kolbenfläche etwa der der Ventiltellerrückseite
entspricht.
-
Ein wesentliche Verbilligung des Kompressors kann erzielt werden,
wenn der Zylinderkopf oder gemeinsame Zylinderköpfe für mehrere Zvlinder, auch wenn
sie eingegossene gemeinsame Saug- oder Druckleitungen haben, belassen werden können.
Bei nebeneinanderliegenden Zylindern verschiedener Druckstufen (ND und HD) wird
daher gemäß der Erfindung eine zum Hochdruckzylinder führende Zweigleitung im Zylinderkopf
verschlossen und der diesem Zylinder die Ventilsitze des hängenden Saug- und Druckventils
durch ein Einsatzstück in den Kompressionsraum hineinverlegt, wobei das Einsatzstück
derart ausgebildet ist, daß von dem Ventilsitz des Druckventils aus ein Rohrstück
zum Anschluß an die nicht abgesperrte Druckleitung führt, während der Ventilsitz
des Saugventils bzw. dessen öffnung in einen durch die Verlegung der Ventilsitze
geschaffenen, abgeteilten Saugraum des Kompressionsraumes übergeht, in den .eine
zusätzliche Bohrung, zweckmäßig die Zündkerzenbohrung der Grundmaschine, einmündet
durch die der Saugraum mit dem Auslaufkanal der vorhergehenden Stufe (ND-Stufe)
verbunden ist. Man kann z. B. bei .einem Zylinder einer Hochdruckstufe, die neben
einer Niederdruckstufe liegt, die eingegossene verzweigte Saugleitung zur Hochdruckstufe
absperren und auf die beschriebene Weise denZwischendruck über dieZündkerzenbohrung
der Hochdruckstufe zuführen. Während man bisher bei Kolbenkompressoren, die aus
vorhandenen Brennkraftmaschinenkonstruktionen entwickelt sind, besondere Zylinderköpfe
mit Plattenventilen und erhöhtem Verdichtungsverhältnis vorsah, kann man nunmehr
den Zylinderkopf bzw. die Zylinderköpfe der Grundmaschine belassen, wobei eine Anpassung
des Verdichtungsverhältnisses durch höhere Kolben oder Aufsätze auf den Kolbenflächen
erzielt werden kann.
-
Der Verschluß der Saug- oder Druckleitung wird erfindungsgemäß durch
eine den Ventilschaft umgebende Ventilführung gebildet, die mit ihrem tellerventilartigen
Ende an Stelle des Ventilsitzringes in dessen Ausfräsung eingesetzt ist.
-
Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß bei Kolbenkompressoren
mit mehreren gegenüberliegenden Zylindern die Ventile von in einer Querebene liegenden
Zylindern von gemeinsamen Nockenpaaren einer einzigen Steuerwelle betätigt werden.
Dies bedeutet, daß auch bei diesen Sonderbauarten der Steuermechanismus der zwangläufigen
Tellerventile grundsätzlich belassen werden kann. Dies ist möglich, nachdem erkannt
wurde, daß die damit verbundenen gleichen Steuerzeiten, insbesondere für die Druckventile
von Zylindern verschiedener Stufen, kein Hindernis zu bedeuten brauchen, wenn man
das Druckverhältnis zwischen diesen Stufen so wählt, -daß einerseits der vorgegebene
Enddruck erreicht, andererseits aber die Aüsschubwege gleich sind. Es muß also hier
ein bestimmter Zwischendruck mit Rücksicht auf die gleichen Steuerzeiten ermittelt
werden.
-
Man kann selbst den Antrieb der Nockenwelle im Verhältnis 2:1, wie
er bei der Brennkraftmaschine vorhanden ist, belassen, wenn man eine Nockenwelle
mit paarweise gegenüberliegenden, gleichgeformten Kokken verwendet.
-
In der Zeichnung sind einige Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar die Absperrung einer verzweigten Saugleitung mit der Anordnung
einer Ventilführung in einem Zylinderkopf, Maßnahmen zur Ventilüberdeckung sowie
die Entlastung des Druckventils durch einen Entlastungskolben.
-
Von dem Zylinderkopf 1 mit der gemeinsamen Saugleitung 2 für zwei
nebeneinanderliegende Zylinder verschiedener Druckstufen ist etwas über die Hälfte
dargestellt. Der linke, nicht dargestellte Teil des Zylinderkopfes liegt über einer
ND-Stufe, während der dargestellte Teil einer HD-Stufe zugeordnet ist. Da der für
eine Brennkraftmaschine konstruierte Zylinderkopf eine gemeinsame Saugleitung2 besitzt,
muß im vorliegenden Falle die Zweigleitung2a zur HD-Stufe abgesperrt werden. Hierzu
dient eine zu einem tellerventilartigen Ende 3 a ausgebildete Ventilführung 3, deren
Teller
in die Ausfräsung für den entfernten Ventilsitzring 4 eingesetzt ist.
-
In den Zylinderkopf ist weiterhin ein Einsatzstück 5 .eingebaut, daß
die Ventilsitze sowohl für das Saugventil 6 als auch für das Druckventil 7 trägt.
Das Einsatzstück 5 ist so ausgebildet und angeordnet, daß vom Ventilsitz für das
Druckventil ? der Anschluß zur Druckleitung 8 aufrechterhalten bleibt, obwohl die
Ventilsitze aus ihrer bisherigen Ebene in den Kompressionsraum hineinverlegt sind.
Auf der Rückseite des Saugventils 6 hingegen ist ein Saugraum 9 entstanden, in den
die nicht dargestellte Zündkerzenbohrung einmündet. Durch diese Zündkerzenöffnung
wird nunmehr die aus den Niederdruckzylindern kommende Luft angesaugt.
-
Der Teller des Druckventils 7 ist weggeschnitten, um die Ausbildung
des Ventilsitzes für dieses Druckventil sichtbar zu machen. Anschließend an den
konischen Ventilsitz 10 ist eine zylindrische Ausbohrung 11,
vorgesehen,
in der der zylindrische Teil des Ventiltellers geführt wird. Wenn sich das Druckventil
von dem Ventilsitz 10 abhebt, so ist es noch keineswegs geöffnet, da der zylindrische
Teil des Ventils noch gegen die zylindrischeAusbohrung 11 abdichtet. Erst bei weiterem
Ventilhub wird ein Querschnitt freigegeben. Durch diese sogenannte Ventilüberdeckung
kann man beliebig kurze Offnungszeiten erzielen, ohne kinematisch ungünstige Nockenformen
in Kauf nehmen zu müssen.
-
Bei dem verwendeten Zylinderkopf mit hängenden Ventilen besteht -die
Gefahr, daß während des Saughubes des Kolbens das Druckventil aufgerissen wird,
da der in der Druckleitung vorhandene Druck auf den Ventilteller in Offnungsrichtung
wirkt. Hierzu wird neben oder an Stelle einer Verstärkung der Ventilfeder 12 eine
Ventilentlastung vorgesehen in der Weise, daß der Ventilschaft mit einem Entlastungskolben
13 versehen ist, der in einem oben offenen Zylinder 14 gleitet. Der Zylinderraum
15 steht über Bohrungen 16 mit der Druckleitung 8 in Verbindung. Die Bohrungen 16
sind strichpunktiert gezeichnet, da sie in Wirklichkeit in einer Ebene senkrecht
zur Schnittebene angeordnet sind. Die wirksame Fläche des Entlastungskolbens 13
ist etwa genauso groß wie die Rückseite des Ventiltellers, so daß der Gaskraft,
die,das Ventil zu öffnen bestrebt ist, eine gleich große und entgegengesetzt gerichtete
Kraft entgegenwirkt. Das Ventil ist hierdurch entlastet.