DE1426739A1

DE1426739A1 - Kolbendampfmotor mit Gleichstromsteuerung

Info

Publication number: DE1426739A1
Application number: DE19651426739
Authority: DE
Inventors: Jacques Duveau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-12-18
Filing date: 1965-12-15
Publication date: 1969-02-06
Also published as: US3357314A; FR1426369A; ES320840A1; NL6516509A; GB1123366A; SE322791B; LU50074A1; BE673605A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

Pr.¥/MS

L3L Sep. 1968"

3 O. Aug. 1968

8 MÜNCHEN 27, DEN

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

P 14 26 739.1 Jaoquee Duveau

Feae Beschreibung

Kolbendampfmotor mit Gleichstromsteuerung.

Die Erfindung betrifft einen Kolbendampfmotor mit Gleichstrometeuerung und Dampfmantel, der den Arbeitszylinder mindestens teilweise umgibt. Derartige Dampfmotoren können bei verhältnismäßig kleinem Zylinderinhalt mit hohem Dampfdruck arbeiten und weisen einen oder mehrere Arbeitszylinder auf.

Ss ist das Ziel der Erfindung, den Aufbau derartiger Motoren derart zu gestalten, daß einerseits der Zusammenbau und die Demontage vereinfacht ist und daß andererseits ihre wesentlichen Teile, besonders der Dampfmantel und der Arbeitszylinder in der Wärmeausdehnung nicht behindert sind, sodaß Spannungen im Material weitgehend vermieden werden.

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. ν 4.'

Bei einem bekannten Dampfmantelmotor sind diese Forderungen nicht erfüllt, da der Dampfmantel am Arbeitszylinder selbst befestigt ist, sodaß bei ungleichmäßiger Ausdehnung dieser Teile Wärmespannungen auftreten müssen. Außerdem wird die freie Ausdehnung der Zylinderwand auch durch Ein- und Auslaßkanäle einer Schiebersteuerung für den Zylinder beeinträchtigt. Bei einem mit Gleichstromsteuerung arbeitenden Dampfmotor entfallen diese Kanäle und werden in ansich bekannter Weise durch ein Einlaßventil im Zylinderdeckel und durch kolbengesteuerte Auslaßschiitsse in der Zylinderwand ersetzt.

Zum Zusammenhalten des Kurbelgehäuses von Dieselmotoren mit den Zylindern ist es ferner bekannt, Zugankerbolzen und -schrauben zu verwenden, welche die Reaktionskräfte zwischen den Zylindern und der im Gehäuse gelagerten Kurbelwelle aufzunehmen haben.

Das eingangs erwähnte Ziel wird bei dem Dampfmotor nach der Erfindung dadurch erreicht, daß sowohl der Arbeitszylinder als auch der Dampfmantel je für sich auf einer gemeinsamen Grundplatte lösbar befestigt sind, derart, daß der die Grundplatte durchdringende Arbeitszylinder mit einer Schulter auf dieser aufliegt und mit Hilfe von im Zylinderdeckel endigenden Zugankerschrauben an der Grundplatte gehalten ist.

Diese Aufbauform erlaubt eine völlig freie Ausdehnung sowohl des Dampfmantels als auch des Arbeitszylinders in Richtung von der

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Grundplatte weg. Auch die Demontage dieser Teile bei ttberholungearbeiten ist wesentlich vereinfacht.

Wir der Dampfmotor nach der Erfindung in ansich bekannter Weise nit einem einfachen, sich in den Dampfmantelraum öffnenden Einlaßventil im Zylinderdeckel versehen, der für einen Kompressionsdruok ausgebildet ist, welcher demjenigen des frischdampfes im Dampfmantel benachbart ist, so kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, das Einlaßventil durch einen einfachen, verschiebbaren Stößel betätigt werden, der die Dampfmantelwand über eine Dichtung durchdringt und einen Yentilansatz aufweist.

Diese einfache Ventilsteuerung ist hierbei möglich, weil das Anheben dee Einlaßventiles am Ende des Kompressionsschubes eine nur geringe Kraft erfordert, die der Druckdifferenz zwischen Frischdampf- und Kompressionsdruck entspricht.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Einzylinderdampfmotors.

Fig. 2 zeigt das Arbeitsdiagramm eines derartigen Motors.

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Fig. 3 bis 5 zeigen in einer der Pig. 1 entsprechenden Schnittansicht bzw. in Schnitten längs der Linie IY-IY und Y-Y der Fig. 3 einen derartigen Motor mit mehr Einzelheiten.

Das nachstehende Ausführungebeispiel eignet sich vorzugsweise zur Herstellung eines Kolbendampfmotors, insbesondere eines Einzylindermotors, im besonderen für hohe Drücke, z.B. in der Größenordnung von 25 bis 100 kg/cm .

Der Motor arbeitet in ansich bekannter Weise mit Gleichstrom-Steuerung, d.h. mit Dampfeinlaß durch ein Yentil 1 (Fig. 1) in dem Zylinderkopf 2 des Zylinders 3 und Auslaßschlitzen 4 in dem Zylinder, welche durch den Kolben 5 am Hubende freigelegt werden, wobei der Arbeitsprozess ein einfachwirkender Zweitaktprozess ist, wie in Fig. 2 dargestellt, d.h. mit einem Einlaß- und Entspannungshub und einem Hub zur Verdichtung des Restdampfes. Der Zylinder 5 ist in ansich bekannter Weise von einem Dampfmantel 6 umgeben, in welchem der dem Yentil zugeführte Dampf strömt.

Diese Anordnung ermöglicht bei dem betrachteten Motor mit hohem Einlaßdruck, ideale Schmierbedingungen zu erhalten und die Wandeffekte trotz der Wasserkondensationsneigung am Ende der Entspannung zu verhindern.

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Bekanntlich beträgt s.B. bei eine« Druck τοη 50 kg/ce die Siedeteaperatur 267°« Durch ein· hohe Überhitzung von z.B. gröfienordnungeaäBig 550° kann die Kondensation aa Ende der Xntepannang veraJslen werden. Serartige Uberhitzungsteaperaturen erschweren jedooh bei Kolbenmotoren die SobJiierbedingangen erheblich. Man BÜß «ich daher alt mäßigen Oberhitiungen begnügen, welche s.B.bls zu fenperaturen τοη gröBenordnungsaäfiig 300° bis 350° gehen. Bei diesen feaperaturen tritt nun eine Kondensation aa Inde der Entspannung auf, welohe für den Wirkungsgrad des Motors äußeret schädlich ist. Die bekannte Verwendung einer Daapfkaaaer 7, welohe den Zylinder 3 uagibt und die Wände desselben erwirat, eraöglicht es, diese Wände trocken zu halten und den Wandeffekt zu verringern, d.h. den Wirkungsgrad su vergrößern, wobei bei den gewählten aäßigen feaperaturen eine ausgezeichnete Schaierung aöglich ist.

Wie soheaatisoh in Tig. 1 dargestellt, wird für den Aufbau des Motors eine Grundplatte 8 verwendet, welohe gegen eine Schulter 9 des Zylinders durch Bolsen 10 gedrüokt wird, welohe diese Platte alt einea Flansch 11 verbinden, weloher zur Befestigung des Zylinderkopfs 2 an dea Boden des Zylinders 3 beiträgt, wobei jedoch auoh andere gleichwertige Mittel verwendet werden können. An dieser Grundplatte 8 ist bei 12 der Daapfaantel 6 befestigt, welcher aus einea oder aehreren Seilen besteht und den Einlafidaapf bei 13 eapfängt.

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Eine derartige Anordnung ist leicht auseinanderzunehmen und ermöglicht freie Wärmedehnungen der Bestandteile.

Das Ventil 1 hat zweckmäßig die Form eines Oberrentils mit einfachem Sitz, welches sich in die Dampfkammer 7 öffnet und auf die weiter unten erläuterte Weise gesteuert wird, welche besondere Abdichtungseinrichtungen für die Führung des Ventilschafts 14 in Fortfall bringt, so daß dieser mit seiner Feder frei in der Dampfkammer angeordnet werden kann.

Der Arbeitsprozess des Motors ist so beschaffen, daß im oberen toten Raum am Ende der Verdichtung ein Druck erzeugt wird, weloher etwa gleich dem Einlaßdruck oder größer als dieser ist, so daß die Öffnung des Ventils unterstützt wird.

Wenn man z.B. den Arbeitsprozess A-B-C-D-E-A* betrachtet, in welchem der Abschnitt A-A'-B dem Einlass (von der öffnung das littlaÄrentilB bis au seiner Schließung), der Abschnitt B-C der Entspannung (bis eu der öffnung der Auslässe 4)» der Abschnitt C-D-S dem Auslaß und der Abschnitt S-A' der Verdichtung entspricht, sieht man, daß gemäß der obigen Maßnahme bei A* der Sinlaßdruck für eine Stellung a¹ erreicht wird, welche etwas vor der Stellung α des oberen Totpunktes liegt und z.B. einem toten Raum von 1jt des JSylinderinhalts !■ entspricht. Diese Stellung £'würde z.B. 3£ des Zylinderinhalts entsprechen.

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Un dies· geringen Werte des toten Raune zu erhalten, kann ■an auf verschiedene Weise vorgehen, z.B. indem man den Kolben · nit einen Ansatz 16 versieht, welcher an Hubende in eine in dem Zylinderkopf 2 an der Stelle des Ventils 1 ausgebildete öffnung 17 eintritt.

Die Steuerung des Ventils kann auf beliebige geeignete Weise erfolgen, wobei die Ausbildung der Steuereinrichtungen dadurch erleichtert wird, daß keine Kraft für die öffnung außer den Trägheitskräften und der Wirkung der Rückholfeder 15 vorzusehen ist.

Die Steuereinrichtungen enthalten zweckmäßig einen Stößel 18 (welcher seinerseits in Funktion des Arbeitsprozesses z.B. in der weiter unten angegebenen Weise gesteuert wird), welcher einen Zwiechenhebel 19 entgegen der Wirkung der Feder 15 betätigt und die Wand des Mantels 6 in einer hierfür vorgesehenen Vorrichtung 20 di-cht durchdringt.

Es ist zu bemerken, daß der eigentliche Ventilschaft 14 seine Führung 21 nicht dicht zu durchdringen braucht (da er sich in dem unter Druck stehenden Raum 7 des Mantels 6 bewegt), und daß die Abdichtung nur an dem Stab 18 vorgesehen zu werden braucht, was dadurch erleichtert wird, daß dieser nur eine geringe Kraft auszuhalten hat und daher einen geringen Querschnitt haben kann.

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Ir kann zweckmäßig durch ein Ventil 22 vervollständigt werden, welches die vollständige Abdichtung während der ganzen Schließungszeit bewirkt, d.h. während des größten Teils des Arbeitsspiels (da die öffnung nur dem Abschnitt A-B entspricht).

Zur Betätigung des obigen Stößels kann eine beliebige bekannte Ventilsteuerung benutzt werden, welche mit Einrichtungen zur Ermöglichung der Regelung der Öffnungszeit versehen ist.

Sie Ventilsteuerung wird zweckmäßig durch ein selbstregelndes hydraulisches System der an den Brennstoffeinspritzpumpen für Verbrennungsmotoren benutzten Art gebildet*

In Fig. 1 ist schematisch ein derartiges System dargestellt. Der Stößel 18 erhält seine Bewegung von einem Kolben 23, welcher hydraulisch durch einen Differentialkolben 24» 25 gesteuert wird, welcher durch einen Nocken 26 von der Kurbelwelle des Motors aus betätigt wird. Der Abschnitt 25 des Kolbens wirkt durch Kanäle 27, 28 mit einem Schieber 34 zusammen, welcher unter der Einwirkung einer Rückholfeder 35 steht, und dessen entgegengesetzte Ränder mit öffnungen 29, 30, 31 zusammenwirken.

Die öffnung des Ventils 1 durch den Stößelstab 18 und den Kolben 23 erfolgt, wenn der Kolben 24 eine von einer Flüssigkeitsreserve 33 kommende Speiseöffnung 32 verschließt. Der Beginn der Öffnung ist daher in dieser nur beispielehalber angegebenen lösung fest und tritt z.B. etwas vor dem Durchgang des Motors durch seinen oberen !Totpunkt auf.

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Sobald der Schieber 34» welcher sich gleichzeitig mit dem Abschnitt 25 des Differentialkolbens 24, 25 bewegt, wenn dieser die Speiseöffnung 36 verschlossen hat, die öffnung 30 freilegt, verbindet er hierdurch die öffnungen 29 und 30, so daß die unter Druok des Abschnitts 24 des Kolbens stehende Flüssigkeit frei austreten und in den Vorratsbehälter zurückkehren kann.

Die Schließung des Ventils wird also durch den Schieber 34 gesteuert.

Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht die Regelung des Schließungspunkts (d.h. die Verschiebung des PunktsB auf dem Arbeitsdiagramm) und somit der durch die sohraffierte Zone der Fig. 2 ausgedrückten Arbeit des Motors, und zwar durch die Wirkung einer Körnerschraube 56 auf den Kanal 27 und eines federbelasteten Ventils 37 auf den Kanal 28. Bei der dargestellten Ausführung strömt die sich zum Anheben des Schiebers bewegende Flüssigkeit über das Ventil 37 und die Körnerschraube Beim Rückgang des Schiebers schließt sich das Ventil, so daß die Flüssigkeit durch die Körnersohraube gebremst wird. Diese erzeugt einen solchen Druckabfall, daß von einer gewissen Geschwindigkeit an der Schieber 34 nicht mehr an seinen unteren Totpunkt zurückkehrt. Die Freileg-ung der öffnung 30 erfolgt daher früher sowie auch die Schließung des Ventils 1.

Natürlich können auch andere Regeleinrichtungen vorgesehen werden. Es ist ferner wohlverstanden, daß die Einstellung des öffnungs-

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und Schließungshubes A-B bzw. A*-A auch auf beliebige andere Weise erfolgen kann, insbesondere durch mechanische« automatisch oder von der Bedienungsperson von Hand oder mit dem Fuß betätigte Einrichtungen.

Fig. 3 bis 5 zeigen einen dem Schema der Fig. 1 entsprechenden Motor, jedoch mit einigen Ausführungseinzelheiteu, wobei die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Man sieht in Fig. 3 bei 38 die Kurbelwelle, an welcher der Exzenter 26 angebracht ist. Der Block 21 zur Führung des Schäfte des Ventils 1 ist in Fig. 5 dargestellt. Er ist ein zylindrischer Block, welcher bei 39 für den Durchtritt der Betätigung 19 des Ventile geschlitzt ist und durch Bolzen bei 40 an einem einem Zylinderkopf ähnlichen Teil 41 befestigt ist, welcher den Mantel 6 verschließt und eine Ausnehmung 42 für die Feder 15 aufweist.

Die Betätigung des Kolbens 23 und des Schiebers 34 durch den Differentialkolben 24, 25 1st von der in Fig. 1 dargestellten etwas verschieden, sie ist jedoch ebenfalls mit des Ventil 37 und der Körnerschraube 56 kombiniert und hat die gleiche Arbeitsweise. Der Kolben 23 wir-d bei dieser Ausführung durch den Abschnitt 25 des Differentialkolbens 24, 25 und der Schieber 34 durch den Abschnitt 24 betätigt, um die in Fig. 3 dargestellte Ausführung zu vereinfachen.

Die gesamte selbstregelnde Betätigungsvorrichtung befindet sich in einem Gestell 43, welches von dem Gestell des eigentlichen Motors getrennt sein kann.

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Die Arbeitsweise des obigen mit einer hin und her gehenden Bewegung arbeitenden Dampfmotors geht klar aus dem Diagramm der Pig. 2 hervor.

Der Dampf, welcher aus der Dampf kammer 7 an dem oberen !Totpunkt zugeführt wird, wobei das Ventil durch die beschriebene Betätigungsvorrichtung geöffnet ist, strömt in den Zylinder bis zur Schließung des Ventils, d.h. bis der Kolben bei seinem Arbeitshub den Punkt B erreicht hat. Es erfolgt dann die Entspannung gemäß der Kurve B-C, bis der Kolben die Freilegung der Anlässe

4 begonnen hat (Punkt C), wobei dann der Druck z.B. 4kg/cm beträgt, um anschließend bis zu dem dem unteren Totpunkt entsprechenden Punkt D abzufallen.

Bei der Umkehr des Kolbenhubes erfolgt eine Verdichtung nach der Schließung der Auslässe 4 (Punkt E) bis zu dem Punkt A*, an welchem der Druck den Wert des Einlaßdrucks erreicht, so daß sich das Ventil öffnet.

Ein derartiger Arbeitsprozess besitzt einen hohen Wirkungsgrad und ermöglicht eine ausgezeichnete Schmierung.

Außer diesen durch den verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad und die Schmierung erhaltenen Vorteilen ermöglicht die Erfindung noch die Herstellung von einfachen, billigen,leicht einzustellenden Motoren.

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Die Aufgabe der Abdichtung dee Ventils ist unter den besten Bedingungen gelöst, ohne merklichen Dampfverlust zu ergeben.

Die Erfindung ist auf zahlreiche Gebiete anwendbar. Insbesondere kann es interessant sein, derartige Motoren mit Dampf zu speisen, welcher mittels der Restfealorien erzeugt ist, welche aus den Auspuffgasen von Gasturbinen gewonnen werden. Die Temperatur dieser Gase beträgt im allgemeinen größenordnungsmäßig 600°, so daß es durchaus möglich ist, aus ihnen unter den günstigsten Bedingungen die Kalorien zur Erzeugung von Dampf mit 300° oder 350° unter den gewünschten hohen Drücken zu entnehmen.

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Claims

J3 U26739 Patentansprüche

1. Iolbendampfmotor ait Gleichetromsteuerung und Dampfmantel um den Arbeitssylinder, für relativ hohen Druck, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Arbeitezylinder (3) als auch dor Dampfmantel (6) je für sich auf einer gemeinsamen Grundplatte (8) lösbar befestigt sind, derart, daß der die Grundplatte durchdringende Arbeitezylinder «it einer Schulter (9) auf dieser aufliegt und mit Hilfe von im Zylinderdeckel endigenden Zugankersohrauben (10) an der Grundplatte (8) gehalten ist.

2. Dampfmotor nach Anspruch 1 mit einem einfachen, eich nach außen öffnenden Einlaßventil auf dem Zylinderdeckel, der für einen Kompressionsdruok bemessen ist, der demjenigen dee Frischdampfdruckes im Dampfmantel benachbart ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (1) durch einen verschiebbaren Stößel (18) betätigt wird, der die Wand des Dampfmantels über eine Dichtung (20) durchdringt und einen Yentilanaat« (22) aufweist.

BAD ORfGiNAL

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