Schiebersteuerung für Kolbenmaschinen, insbesondere Kaltgasmaschinen
Es sind Kolbenmaschinen mit Schiebersteuerung bekannt, bei denen der Schieber als
Flach- oder Kolbenschieber neben dem Arbeitszylinder angeordnet ist. Bei diesen
Steuerungen ist der Weg von den Steuerschlitzen bis in den Arbeitszylinder verhältnismäßig
lang, wodurch sich große schädliche Räume ergeben. Demgegenüber ist durch eine an
sich bekannte, vorzugsweise achsparallele oder koaxiale Anordnung einer Steuerbüchse
im Zylinderdeckel, die mittels eines Bodens gegen den Hubraum abgeschlossen ist,
die Möglichkeit gegeben, vorstehende Nachteile zu beseitigen. Ferner ist es bekannt,
Kolbenmaschinen mittels Ventilen zu steuern, wobei für das Ein- und das Ausströmen
des Arbeitsmittels mindestens je ein Ventil angeordnet sein muß. Ventilsteuerungen
von Kolbenmaschinen, in denen ein gasförmiges Medium von höherem Druck arbeitsleistend
entspannt wird, haben den Nachteil, daß vor allem beim Einlaß-Ventil hohe Spindelkräfte
auftreten, die nur durch einen verhältnismäßig robust ausgebildeten Antriebsmechanismus
zu bewältigen sind. Je nach Anordnung der Ventile entstehen entweder große schädliche
Räume oder hohe Strömungsverluste. Beide Fälle wirken dem Ziele der Erreichung eines
hohen Gesamtwirkungsgrades entgegen. Vor allem bei zur Erzeugung von Kälte dienenden
Entspannungsmaschinen, sogenannten Kaltgasmaschinen, die in vielen Fällen schmierungsfrei
arbeiten müssen, ist das Auftreten innerer Reibung tunlichst zu vermeiden, um die
Abnützung klein zu halten, ein störungsfreies Arbeiten der Maschine zu ermöglichen
und die Wirkungsweise durch die auftretende Reibungswärme nicht zu verschlechtern.
Insbesondere für derartige Maschinen ist es daher nachteilig, wenn durch die Lage
und die Richtung der Ein- und Auslaßkanäle bedingt die ein-oder ausströmenden Gase
auf den Arbeitskolben radial gerichtete Kräfte hervorrufen. Zur Vermeidung von gegen
die Zylinderlaufbahn gerichteten Kolbenkräften werden bereits die Einlaßkanäle in
einer Richtung senkrecht oder annähernd senkrecht zum Kolbenboden verlegt, wodurch
sich aber wiederum eine beachtliche Vergrößerung des schädlichen Raumes ergibt.Slide control for piston machines, in particular cold gas machines
There are known piston machines with slide control, in which the slide as
Flat or piston slide is arranged next to the working cylinder. With these
Controls, the way from the control slots to the working cylinder is proportionate
long, resulting in large noxious spaces. On the other hand, is through a
known, preferably axially parallel or coaxial arrangement of a control sleeve
in the cylinder cover, which is closed off from the cubic capacity by means of a base,
given the opportunity to eliminate the above disadvantages. It is also known
To control piston engines by means of valves, whereby for the inflow and the outflow
of the working fluid must be arranged at least one valve. Valve controls
of piston engines in which a gaseous medium of higher pressure is performing work
is relaxed have the disadvantage that high spindle forces, especially in the inlet valve
occur only through a relatively robust drive mechanism
are to be dealt with. Depending on the arrangement of the valves, either large harmful ones arise
Rooms or high flow losses. Both cases work towards the goal of achieving one
high overall efficiency. Especially for those used to generate cold
Expansion machines, so-called cold gas machines, which in many cases are lubrication-free
have to work, internal friction must be avoided as much as possible in order to prevent the
To keep wear and tear to a minimum, to enable trouble-free operation of the machine
and not to worsen the effectiveness by the frictional heat that occurs.
In particular for machines of this type, it is therefore disadvantageous if the location
and the direction of the inlet and outlet channels determines the gases flowing in or out
cause radially directed forces on the working piston. To avoid against
Piston forces directed towards the cylinder liner are already in the intake ports
laid in a direction perpendicular or approximately perpendicular to the piston crown, whereby
but this again results in a considerable increase in the harmful space.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen,
bei der die Strömungsquerschnitte in den Steuerorganen und in den Steuerkanälen
möglichst groß sind, dabei aber der schädliche Raum auf ein Minimum herabgesetzt
ist, keinesfalls eine Belastung des Kolbens in Richtung der Zylinderlauffläche durch
das strömende Medium stattfindet, nur geringe Steuerkräfte auftreten, damit ein
schmierungsfreies Arbeiten der Steuerorgane auch bei großen Temperaturschwankungen
und tiefer Temperatur gewährleistet ist und der schädliche Einfluß der Reibung auf
den Wirkungsgrad möglichst klein bleibt. Ferner soll der Gasweg zwischen einem Gasbehälter,
der als Puffer wirkt, und dem Steuerorgan möglichst kurz und so gestaltet sein,
daß nur ein möglichst kleiner Druckverlust entsteht.The invention is based on the object of creating an arrangement
in which the flow cross-sections in the control organs and in the control channels
are as large as possible, but the harmful space is reduced to a minimum
is under no circumstances a load on the piston in the direction of the cylinder surface
the flowing medium takes place, only small control forces occur so that a
Lubrication-free operation of the control organs even with large temperature fluctuations
and low temperature is guaranteed and the harmful influence of friction on
the efficiency remains as low as possible. Furthermore, the gas path between a gas container,
which acts as a buffer, and the control organ as short as possible and designed in such a way,
that only the smallest possible pressure loss occurs.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Schiebersteuerung für
Kolbenmaschinen, insbesondere Kaltgasmaschinen, mit einer im Zylinderdeckel, vorzugsweise
koaxial oder achsparallel zu diesem angeordneten, mittels eines Bodens gegen den
Hubraum abgeschlossenen und mit zwei Reihen von Steuerschlitzen und mit einem axial
beweglichen, hohl ausgebildeten Kolbenschieber versehenen Steuer-Büchse dadurch
gelöst, daß die Steuerbüchse in den Hubraum hineinragt, die eine Reihe der Steuerschlitze
direkt in den Hubraum des Zylindersund die andere Reihe in einen ersten, vorzugsweise
ringförmigen Gasraum im Zylinderdeckel unmittelbar mündet, der Hohlraum des Steuerschiebers
mit einer zweiten Gaskammer in Verbindung steht, wobei in der einen Endstellung
des Kolbenschiebers eine Verbindung des Hubraumes über die eine Reihe der Steuerschlitze
mit dem Hohlraum und damit mit der zweiten Gaskammer hergestellt und die andere
Reihe der Steuerschlitze abgedeckt ist, während in der anderen Endstellung eine
Verbindung vom ersten Gasraum über die zweite Reihe der Steuerschlitze zu einem
am Umfang des Kolbenschiebers ausgebildeten Ringraum und über die erste Reihe der
Steuerschlitze zum Hubraum im Zylinder hergestellt ist. Dabei ist zur Verringerung
des toten Raumes dem Arbeitskolben eine der Form des Zylinderdeckels mit seiner
in den Hubraum hineinragenden Steuerbüchse angepaßte Form gegeben. Zur Betätigung
des Kolbenschiebers ist eine
an diesem angebrachte, durch die zweite
Gaskammer nach außen geführte Betätigungsstange vorgesehen.According to the invention, this object is achieved for a slide control for
Piston machines, in particular cold gas machines, with one in the cylinder cover, preferably
arranged coaxially or axially parallel to this, by means of a bottom against the
Displacement closed and with two rows of control slots and one axial
movable, hollow piston valve provided control sleeve thereby
solved that the control sleeve protrudes into the displacement, which is a series of control slots
directly into the displacement of the cylinder and the other bank into a first, preferably
annular gas space in the cylinder cover opens directly, the cavity of the control slide
is in communication with a second gas chamber, in one end position
of the piston valve a connection of the displacement via a row of the control slots
made with the cavity and thus with the second gas chamber and the other
Row of control slots is covered, while in the other end position one
Connection from the first gas space to one via the second row of control slots
formed on the circumference of the piston valve annulus and over the first row of
Control slots for displacement in the cylinder is made. This is to reduce
of the dead space to the working piston one of the shape of the cylinder cover with its
Given the shape projecting into the control sleeve protruding into the cubic capacity. For actuation
of the piston valve is one
attached to this, by the second
Gas chamber provided outwardly guided actuating rod.
Um im Arbeitszylinder gegebenenfalls eine Expansion oder eine Kompression
des Gases oder der Luft durchführen zu können, sind in einer Mittelstellung des
Kolbenschiebers die Gaswege durch beide Reihen der Steuerschlitze verschlossen.
Um eine vollkommenere Abdichtung zu erreichen, ist zweckmäßigerweise der Kolbenschieber
an seiner Mantelfläche mit je einem Satz Dichtungselementen, wie Kolbenringe, Manschetten
od. dgl. beiderseits seines Ringraumes und mit einem weiteren Satz an seinem hubraumseitigen
Ende versehen, so daß zwischen dem hubraumseitigen und dem mittleren Satz ein mindestens
der Höhe der in den Hubraum führenden Steuerschlitze entsprechender Abstand vorhanden
ist. Eine vorteilhafte Gesamtanordnung mit kurzen Gaswegen und guter Pufferwirkung
ergibt sich, wenn der erste Gasraum über im Zylinderdeckel angeordnete Kanäle mit
einem um den Arbeitszylinder liegenden, etwa mantelförmigen Gasbehälter verbunden
ist.To allow expansion or compression in the working cylinder, if necessary
of the gas or air are in a middle position of the
Piston slide closed the gas paths through both rows of control slots.
In order to achieve a more complete seal, the piston valve is expedient
on its outer surface with a set of sealing elements, such as piston rings, sleeves
od. Like. On both sides of its annulus and with a further set on its displacement side
Provided end, so that between the displacement-side and the middle set at least one
The distance corresponding to the height of the control slots leading into the cubic capacity is available
is. An advantageous overall arrangement with short gas paths and a good buffer effect
arises when the first gas space via channels arranged in the cylinder cover with
connected to an approximately jacket-shaped gas container lying around the working cylinder
is.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schiebersteuerung für
Kolbenmaschinen ist in der Figur dargestellt.An embodiment of the slide control according to the invention for
Piston engine is shown in the figure.
Ein teilweise gezeichneter Arbeitszylinder 1, in dem ein teilweise
gezeichneter Kolben 2 auf und ab beweglich ist, ist mittels eines Zylinderdeckels
3 verschlossen, so daß sich ein Hubraum 4 ergibt. Das Triebwerk für den Kolben
2 ist nicht eingezeichnet. In den Zylinderdeckel 3 ist koaxial zum Zylinder
1 eine Steuerbüchse 5 eingesetzt, die mittels eines Bodens 6 gegen den Hubraum 4
abgeschlossen ist. In der Steuerbüchse 5 befindet sich ein hohl ausgebildeter Kolbenschieber
7, an dessen äußerem Mantel ein Ringraum 8 vorgesehen ist. Eine Spindel 9, die am
Kolbenschieber 7 angebracht ist, dient zu dessen Betätigung. In der Steuerbüchse
5 befinden sich eine Reihe um den Umfang verteilt angeordneter Steuerschlitze 10
zum Hubraum 4 und eine weitere Reihe von Steuerschlitzen 11, die in einen Gasraum
12, der im Zylinderdeckel 3 die Steuerbüchse 5 ringförmig umgibt, münden. Von diesem
Gasraum 12 führen Kanäle 13 und 14 zu einem mantelförmigen Gasbehälter
15, der um den Arbeitszylinder 1 gelegt ist und als Pufferbehälter für das
durch eine Leitung 16 zuführbare Hochdruckgas dient. Der Hohlraum des Kolbenschiebers
7 steht mit einer Gaskammer 17 in Verbindung, die ebenfalls im Zylinderdeckel 3
angeordnet und durch einen Deckel 18 verschlossen ist. Die Spindel 9 ist durch den
Deckel 18 geführt und mittels einer Dichtung 19 abgedichtet. Eine
Leitung 20 ist für die entspannten aus der Gaskammer 17 abgeführten Gase
vorgesehen. Der Kolbenschieber 7 ist an seiner äußeren Mantelfläche mit drei Sätzen
21, 22, 23 von Dichtelementen, wie z. B. Kolbenringen oder Manschetten ausgerüstet.
Der Antrieb der Spindel 9 ist nicht eingezeichnet, er kann zweckmäßig in bekannter
Weise mechanisch oder hydraulisch erfolgen. Der Kolben 2 ist topfförmig ausgebildet,
so daß er in seiner oberen Totpunktlage den in den Zylinderraum hineinragenden Teil
der Steuerbüchse 5 umgibt, wodurch der tote Raum auf ein Minimum herabgesetzt ist.A partially drawn working cylinder 1, in which a partially drawn piston 2 is movable up and down, is closed by means of a cylinder cover 3, so that a displacement 4 results. The engine for the piston 2 is not shown. A control sleeve 5 is inserted into the cylinder cover 3 coaxially to the cylinder 1 and is closed off from the displacement 4 by means of a base 6. In the control sleeve 5 there is a hollow piston valve 7, on the outer jacket of which an annular space 8 is provided. A spindle 9, which is attached to the piston valve 7, is used to actuate it. In the control sleeve 5 there is a row of control slots 10 distributed around the circumference for the displacement 4 and a further row of control slots 11 which open into a gas chamber 12, which in the cylinder cover 3 surrounds the control sleeve 5 in an annular manner. From this gas space 12, channels 13 and 14 lead to a jacket-shaped gas container 15 which is placed around the working cylinder 1 and serves as a buffer container for the high-pressure gas that can be supplied through a line 16. The cavity of the piston valve 7 is connected to a gas chamber 17, which is also arranged in the cylinder cover 3 and closed by a cover 18. The spindle 9 is guided through the cover 18 and sealed by means of a seal 19. A line 20 is provided for the expanded gases discharged from the gas chamber 17. The piston valve 7 is on its outer surface with three sets 21, 22, 23 of sealing elements, such as. B. equipped piston rings or sleeves. The drive of the spindle 9 is not shown; it can expediently take place mechanically or hydraulically in a known manner. The piston 2 is cup-shaped so that in its top dead center position it surrounds the part of the control sleeve 5 protruding into the cylinder space, whereby the dead space is reduced to a minimum.
In der gezeichneten Stellung des Kolbenschiebers 7, die einer Endlage
entspricht, sind die Steuerschlitze 10 freigelegt, so daß der Hubraum 4 mit dem
Hohlraum der Steuerbüchse und des Kolbenschiebers und damit mit der Gaskammer 17
in Verbindung steht, damit bei Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 das verdrängte Arbeitsmittel
aus dem Hubraum 4 in die Leitung 20 entweichen kann. Gleichzeitig
sind in dieser Stellung durch den Kolbenschieber 7 mit seinen Kolbenringsätzen 21
und 22 die Steuerschlitze 11 abgeschlossen, so daß kein im Gasbehälter
15 befindliches Druckgas in den Zylinder einströmen kann. In der anderen
Endlage des Kolbenschiebers 7 ist von den Steuerschlitzen 11 über den Ringraum 8
zu den Steuerschlitzen 10 eine Verbindung hergestellt, so daß das Druckgas aus dem
Pufferbehälter 15 durch die Kanäle 14 und 13 und den Gasraum 12 in den Hub-
rauen 4 einströmen kann. Die Kolbenringsätze 22 und
23 dienen in dieser Stellung zur Abdichtung Ring-
raumes 8 gegen die Gaskammer 17. Nach Füllurig
Hubraumes 4 mit der erforderlichen Gasmenge findet
der Expansionshub statt, während dem der Hubraum 4 sowohl für das Druckgas als auch
gegen die Gaskammer 17 abgesperrt sein muß. Zu diesem Zwecke ist der Kolbenschieber
7 in eine Stellung zu bringen, in der der Ringsatz 22 zwischen den Steuerschlitzen
10 und 11 liegt und somit diese gegeneinander abdichtet, während die Abdichtung
mit dem Ringsatz 21 zwischen den Steuerschlitzen 10 und dem Hohlraum
von Steuerbüchse 5 und Kolbenschieber 7 und die zwischen den Steuerschlitzen 1.1
bzw. dem Ringraum 8 und der Gaskammer 17 mit dem Ringsatz 23 hergestellt werden.In the drawn position of the piston valve 7, which corresponds to an end position, the control slots 10 are exposed, so that the displacement 4 is in communication with the cavity of the control sleeve and the piston valve and thus with the gas chamber 17, so that when the piston 2 moves upward, the displaced Working fluid can escape from the cubic capacity 4 into the line 20. At the same time, the control slots 11 are closed in this position by the piston valve 7 with its piston ring sets 21 and 22, so that no compressed gas in the gas container 15 can flow into the cylinder. In the other end position of the piston valve 7, a connection is established from the control slots 11 via the annular space 8 to the control slots 10, so that the compressed gas from the buffer container 15 through the channels 14 and 13 and the gas space 12 into the stroke rough 4 can flow in. The piston ring sets 22 and
23 in this position for sealing ring
room 8 against the gas chamber 17. After Füllurig
Cubic capacity 4 takes place with the required amount of gas
the expansion stroke takes place, during which the displacement 4 must be shut off both for the compressed gas and against the gas chamber 17. For this purpose, the piston slide 7 is to be brought into a position in which the ring set 22 lies between the control slots 10 and 11 and thus seals them against each other, while the seal with the ring set 21 between the control slots 10 and the cavity of the control sleeve 5 and piston slide 7 and which are produced between the control slots 1.1 or the annular space 8 and the gas chamber 17 with the ring set 23.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel hat u. a. als Expansionsmaschine
für Gas oder Luft unter hohem Druck, wie sie in der Kältetechnik verwendet werden,
eine Reihe beachtlicher Vorteile.The embodiment shown has inter alia. as an expansion machine
for gas or air under high pressure, as used in refrigeration technology,
a number of notable advantages.
So steht mit dem Hubraum nur eine Reihe Steuerschlitze direkt in Verbindung,
die sowohl für den Einals auch für den Auslaß dient, so daß der durch die Steuerung
bedingte schädliche Raum auf ein Minimum herabgesetzt ist und außerdem genügend
Platz zur Verfügung steht, um die Strömungsquerschnitte in den Steuerorganen und
den Gaswegen möglichst groß, d. h. widerstandsfrei zu halten. Durch die koaxiale
Anordnung heben sich radial gerichtete Komponenten von Strömungskräften gegenseitig
auf, so daß auf die bewegten Teile, das sind insbesondere der Kolben und der Steuerschieber,
keine einseitigen Kräfte einwirken, die diese Teile an ihre Führungen andrücken
und damit Reibung und Reibungswärme verursachen. Durch den Umstand, daß der Kolbenschieber
entlastet ist, sind die Steuerkräfte zur Betätigung an der Spindel klein, so daß
die Steuerungsteile leicht gebaut sein können und wenig Steuerungsenergie erfordern,
so daß auch an dieser Stelle keine schädliche Erwärmung durch umgesetzte Verlustarbeit
auftreten kann. Da die Expansionsmaschine bei Temperaturen, die zwischen normaler
Raumtemperatur und etwa mindestens der Verflüssigungstemperatur von Luft liegen
können, arbeiten muß, ist die zentrisch-symmetrische Anordnung sämtlicher Teile
günstig, weil dadurch die unvermeidlichen Wärmespannungen und Dehnungserscheinungen
am leichtesten beherrschbar sind. Obwohl der gesamte Steuerungsmechanismus und die
Gaskanäle im Zylinderdeckel untergebracht sind, ist dieser als Gußteil verhältnismäßig
einfach gestaltet und die Gaswege haben eine günstige Form und sind kurz. Insbesondere
durch die Anordnung des Pufferbehälters um den Arbeitszylinder ergibt sich eine
vorteilhafte Gesamtanordnung bei guter, verlustfreier Wirkungsweise. Durch die kurzen,
weiten Gaswege ist ein volles Indikatordiagramm und damit ein hoher indizierter
Wirkungsgrad
erhältlich. Auch sind die auf den Erfindungsgedanken
zurückgehenden konstruktiven Ausgestaltungsmöglichkeiten zur Erreichung eines hohen
thermischen Wirkungsgrades vorteilhaft. Gegenüber den Ventilmaschinen ergibt sich
der Vorteil, daß der Steuermechanismus wesentlich einfacher ausfällt und geräuscharm
arbeitet.Only one row of control slots is directly connected to the displacement,
which is used for both the inlet and the outlet, so that the controller
conditional harmful space is minimized and also sufficient
Space is available to the flow cross-sections in the controls and
the gas paths as large as possible, d. H. to keep resistance free. Due to the coaxial
Arrangement, radially directed components of flow forces cancel each other out
so that the moving parts, in particular the piston and the control slide,
no unilateral forces act that press these parts against their guides
and thus cause friction and frictional heat. By the fact that the piston valve
is relieved, the control forces for actuation on the spindle are small, so that
the control parts can be built easily and require little control energy,
so that at this point, too, there is no harmful heating due to lost work
can occur. As the expansion machine operates at temperatures between normal
Room temperature and about at least the liquefaction temperature of air
must be able to work, is the centric-symmetrical arrangement of all parts
favorable because it eliminates the inevitable thermal stresses and expansion phenomena
are easiest to control. Although the entire control mechanism and the
Gas channels are housed in the cylinder cover, this is proportionate as a cast part
simply designed and the gas paths have a convenient shape and are short. In particular
the arrangement of the buffer container around the working cylinder results in a
advantageous overall arrangement with good, loss-free mode of operation. Due to the short,
wide gas paths is a full indicator diagram and thus a high indexed one
Efficiency
available. Also those are on the inventive idea
declining design options to achieve a high
thermal efficiency advantageous. Compared to the valve machines results
the advantage that the control mechanism is much simpler and quiet
is working.