DE1426740C3

DE1426740C3 - Hubkolbenkraftmaschine

Info

Publication number: DE1426740C3
Application number: DE1426740A
Authority: DE
Inventors: Robert Sudbury Harvey; Leo Dracut Lomaglio
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1964-02-10
Filing date: 1965-02-10
Publication date: 1974-01-31
Also published as: FR1424295A; US3361036A; DE1426740A1; GB1092305A; US3279326A; DE1426740B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenkraftmaschine für Druckgas mit einem den Einlaßkanal aufweisenden Zylinderkopf, welcher ein in Schließstellung vorgespanntes Einlaßventil aufnimmt, das durch Anschlug des Kolbens in eine Öflnungsstellung auslcnkbar ist. und zumindest einem den Kolben axial durchsetzenden fedcrbelasteten Auslaßventil, welches sich bei jedem Arbeitsspiel des Kolbens in der Nähe eines von dem Zylinderkopf entfernten Totpunktcs öffnet.

Es ist bereits eine Hubkolbenkraftmaschine der er- \\ ahnten Art bekannt (USA.-Patentschrift 2 53V) 2V>2). bei welcher die Fedcrbelastung des Auslaßventils im Schließungssinn von dem Zylinderkopf weg gerichtet ist, wobei das Auslaßventil bei Erreichen des von dem Zylinderkopf entfernten Totpunktes des Kolbens durch Aufstoßen gegen einen Anschlag geöffnet wird. Bewegt sich der Kolben danach wieder zum Zylinderkopf hin, so schließt das Auslaßvenlil nach dem Abheben von dem Anschlag vermöge seiner Fedcrbelastung vollständig, und der Kolben leistet bis zum Erreichen seines dem Zylinderkopf nahem Totpunktes eine Verdichtungsarbeit, wie· sie dem idealen Carnot'schen Kreisprozeß angeniihert isl. Eine derartige Hubkolbenkraftmaschine erfordert ähnlich den üblichen Dampfmaschinen eine verhältnismäßig große Schwungmasse, um einen ruhigen und gleichmäßigen Lauf zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Hubkolbenkraftmaschine, welche auch bei einer verhältnismäßig geringen oder fehlenden Schwungmasse einen weichen Lauf erzielt, dem zufolge geringes Gewicht aufweist und insbesondere in Verbindung mit kleineren elektrischen Dynamomaschinen verwendbar ist. Erreicht wird dies gemäß der Erfindung dadurch, daß in an sich bekannter Weise die Fcderbelaslung des Auslaßventils im Öffnungssinn zu dem Zylinderkopf hin gerichtet isl und daß die Fedt-rbeiastunc einem vorgegebenen Auslaßdruck des Druckgases an dem von dem Zylinderkopf entfernten Toi punkt des Kolbens entspricht.

Im Gegensatz zu einer üblichen Dampfmaschine und zu der vorgenannten Hubkolbenkraftmaschine bleibt das Auslaßventil während der Rückbewegung des Kolbens zu dem Zylinderkopf offen, so daß dir gemäß dem idealen Carnot'schen Kreisprozeß vor der Wiederöffnung des Einlaßventils zu leistende Verdichtungsarbeit i'' Fortfall kommt und dahes nicht in einem Schwungrad od. dgl. gespeichert weiden muß. Es ergibt sich daher trotz des Fehlens einer größeren Schwungmasse ein sehr weiches Arbeiten. so daß die erfindungsgemäße Hubkolbenkraftmaschine insbesondere als Bestandteil kleiner Stromerzeugunsisanlagen von geringem Gewicht in Verbindung mit einer Dynamomaschine eingesetzt werikr kann.

Es ist bereits eine Hubkolbenkraftmaschine (USA.-Patentschrift 1 112 489), bei welcher ein der: Kolben axial durchsetzendes federbelastetes AuslalS-ventil, welches sich bei jedem Arbeitsspiel des Kolbens in der Nähe eines von dem Zylinderkopf entferntes Totpunktes öffnet, im Öffnungssinn zu den: Zylinderkopf hin mittels Federbeiastung vorgespannt ist. Die Federbelastung reicht jedoch bei dieser bekannten Maschin«; zur Öffnung des Ventils nicht aus. sondern es ist vielmehr dem als Tellerventil mit einem Ventilschaft ausgebildeten Auslaßventil ein Stellkolben zugeordnet, welcher innerhalb eines in dem Kolben ausgebildeten Zylinders geführt ist. Dieser Stcilkolbcn wird im Sinne einer Öffnung des Auslaßventils betätigt, wenn der Kolben der Hubkolbenkraftmaschine einen in deren Zylinder vorgesehenen Aiislaßstcuerschlitz erreicht. Die Wirkungsweise dieser bekannten Hubkolbenmaschine ist demgemäß ähnlich wie bei der erfindungsgemäßen Hubkolbenkraftmaschine, wobei jedoch ein erheblicher Bauaufwand für die zusätzliche Steuerkolbenbetätigung des Auslaßventils getrieben werden muß.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F" i g. I ein Ausführungsbeispiel im Axialschub einer erfindungsgemäßen Hubkolbenkraftmaschine in einer Totpunktstellung, bei welcher der Kolben dem Zylinderkopf benachbart ist:

F i g. 2 die Hubkolbenkraftmaschine nach F i ü. 1 nahe einer Totpunktstellung ebenfalls im Axialschnitt, bei welcher der Kolben von dem Zylinderkopf entfernt ist.

F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgcmüßcn Hubkolbenkraftmaschine im Axialschnitt.

F i g, 4 ein in der Hubkolbenkraftmaschine gemäß F i g. 3 verwendetes Auslaßventil in Draufsicht etwa entsprechend einer Schnittlinie IV-IV nach F i g. 3.

Die Hubkolbenkraftmaschine gemäß F i g. I und 2 umfaßt einen in einem Zylinder 12 nebst einer Graphitlaufbüchse 14 geführten Kolben 16, wobei djr Zylinder 12 durch einen Zylinderkopf 36 abgeschlossen ist. der ein in eine Schließstellung mittels einer Feder 64 vorgespanntes Einlaßventil 60 aufnimmt. Über einen Einlaßkanal 70 wird Druckgas, im vorliegenden Fall Dampf, zugeführt. Um ein Anlaufen der Maschine auch bei ungünstiger Anfangskolbenstellung zu gewährleisten, kann dem Zylinder 12 über

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einen von dem Einlaßknnai 70 abgezweigten Nebenschlulikanal 72, ein mittels einer Handhabe 76 zu betätigendes Einlaßventil 74 und einen in dem Zylinderkopf M-. verlaufenden Kanal 77 kurzzeitig Dampf zugeführt werden. ;

Der Kolben 16 ist mit einer in einem Stück dr.mit ausgebildeten hohlen Kolbenstange 26 versehen, die von einer Schraubendruckfeder 34 umgeben ist. Die Schrauhendruckfeder 34 stützt sich gegen einen von dem Zylinderkopf 36 entfernten Innenflansch 20 des Zylinders 12 ab und spannt in dieser vom Zylinderkopf 36 entfernter. FotpunktMellung den Kolben 16 gegen den Zylinderkopf 36 vor. wobei jeduch in der dem Zylinderkopf 36 benachbarten Totpunkisiellung ties Kolbens 16 gemäß F i g. I die Schraubendruckfedei 34 von dem Innenflansch 20 abgehoben ist.

Der Kolben 16 ist am Kolbenboden von zwei /u dem Zylinderkopf 36 mittels Druckfedern 50 l'cderhebsteten Auslaßventilen 40 durchset ··, deren Tellerflächen mii elastischen Aufprallkii.en 46 versehen sind. Die Kolbenstange 26 bzw. die Schraubendruckfetler 34 ist von einer an dem Innenflansch 20 angebrachten Anschlagbüchse 32 umgehen, deren Radius dem radialen Abstand der Schälle der Auslaßventile 40 von der Kolbenachse entspricht, so daß bei F.rreichen des von dem Zylinderkopf 36 entfernten Totpunktes des Kolbens 16 die Schäfte der Auslaßventile 40 gegen die Stirnfläche der Anschlagbüchse 32 anschlagen und dabei zwangsläufig geöffnet werden, sofern eine Öffnung nicht schon vorher erfolgt ist, wie dies nachfolgend noch näher erläutert wird (vlg. hierzu insbesondere Fig. 2). In der Nahe des Innenflansches 20 ist ein Auslaßkanal 24 vorgesehen, durch welchen bei geöffneten Auslaßventilen 40 Dampf abströmen kann.

Wesentlich ist bei den Auslaßventilen 40. daß die Federbelastung, welche durch die Federn 50 hervorgerufen wird, einem vorgegebenen Auslaßdruck des Druckgases bzw. Dampfes an dem von dem Zylinderkopf 36 entfernten Totpunkt des Kolbens 16 entspricht (vgl. insbesondere Fig. 2). und zwar derart, daß die Auslaßventile 40 bereits vor dem Anschlag von deren Ventilschäften gegen die Stirnfläche der Anschlagbüchse 32 öffnen. Dies gewährleistet bereits vor dem Erreichen des vom Zylinderkopf 36 entfernten Totpunktes des Kolbens 16 einen weitgehenden Druckabbau in dem Zylinderraum sowie eine Rückbewegungsmöglichkeit des Kolbens 16 zu dem Zylinderkopf 36 hin aus der Stellung von F i g. 2 ohne Leistung von Verdichtungsarhcit. Auf diese y> Weise erzielt man ein weiches Arbeiten der Maschine bei sehr kleinen Schwungmassen.

Befindet sich der Kolben 16 an dem Totpunkt benachbart dem Zylinderkopf 36. wie dies in F i g. 1 veranschaulicht ist. so schlagen die Auslaßventile 40 Über die Aiifprallkisscn 46 gegen den Zylinderkopf 36 an und werden in die Schließstellung gedruckt. Gleichzeitig wird durch eine an dem Kolbenboden des Kolbens 16 angebrachte Vorsprungf'.dcr 69 das Einlaßventil 60 in die Öffnungsstellung gedrückt. In dieser Grundstellung, weiche F i g. 1 entspricht, strömt durch den Einlaßkana! 70 sowie das Einlaßventil 60 Dampi in den Zyiinderraum und drückt den Kolben 16 in Blickrichtung von F i g. 1 nach rechts.

Bereits nach emer sehr kurzen Kolbenbewegung in Blickrichtung von Fig. 1 nach rechts schließt das Einlaßventil 60. wenn die Vorsprungsfeder 69 von abnimmt. Vor dem Anschlagen der Schaue uer -\u* iaßventile 40 genen die Anschlagbüchr-e 32, wie die in Fi u. 2 veranschaulicht ist. fällt der Dampfdruck in dem Zylinderraum mi stark ah. daß die Federn 50 der Auslaßventile 40 sich entgegen dem in dem Zv linderraum herrschenden Druck zu öffnen vermögen Danach strömt der noch einen gewissen Residrud. aufweisende Dampf durch den Ausiaßkaual 24 al· entweder in die Umgebung oder in einen Kondensator. Bei weiterer Bewegung des Kolbens 16 in Blick richtung von Fig. !. 2 nach rechts erfolgt dann der Anschlag der Schälle der Auslaßventile 40 gegen die Anschlagbüchse 32. so ü>J die Auslaßventile 40 m jedem Fall zwangsläufig ^,jöffnei werden. -elhM wenn zufälliu einmal ein Aus!jßventil 40 ·hänncn

bleibt..

Die Rückwärtsbewegung des Kolbens 16 etwa au*· ('er Stellung gemäß F ι μ. 2 wiederum in diejenige gemäß F i si. 1 erfolgt untei der Wirkung der Schrauhendruckfeder 34 sowie im wesentlichen ohne Verdichtungsarbeit, da während des Rück\värtshube\ des Kolbens 16 in Blickrichtung von F i g. 2 nach links die Auslaßventile 40 geöffnet bleiben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 und 4 weist ein Kolben 16« im Kolbenboden 3 über den Umfang gleichmäßig verteilte nierenförniige Segmentschlitze 36« auf, zwischen denen — ebenfalls in gleichmäßiger Umfangsverteilung — Druckstifte 38 <; achsparallcl geführt sind, weiche unter der Vorspannung je einer Schraubendruckfeder 46 « in Richtung gegen das Einlaßventil 60« vorgespannt sind.

Ein Auslaßventil in Form einer ringförmigen Ventilscheibe 48« überdeckt die gesamte Stirnfläche des Kolbcnbodens des Kolbens 16« und insbesondere die Segmentschlitze 36«. Die Ventilscheibe· 48« steht sowohl untci der Federvorspannung der Druckstifte 38« bzw. deren Schraubendruckledern 46« al-, auch unter der Einwirkuni; einer zusätzlichen zentralen Schraubendruckfeder 33.

F i g. 3 zeigt eine Stellung des Kolbens 16 α während des Rückwärtshubes zu dem Zylindcrkopl hin. wobei das Auslaßventil geöffnet ist. d.h. die Venlilscheibe 48« von den Seumentschlitzen 36« abgehoben in. so daß Dampf durch die Segmentschlitze 36« zu dem Auslaßkanal 24« gelangen kann. Beim Auftreffen eines Vorsprunges 30«. welcher der Vorsprungfeder 69 des Ausführungsbeispiels von F i g. 1. entspricht, kann das Einlaßventil 60« geölfnet werden, wobei gleichzeitig die Ventilscheibe 48« gedrückt WTd.

Die Wirkungsweise der Ventilscheibc 48« entspricht den Auslaßventilen 40 des Ausführiingsbcispiels von Fig. I, 2. was bedeutet, daß bereits vor Erreichen des dem Zylinderkcpf abgewandten Totpunktes des Kolbens 16m (rechte Stellung in Fig. 3) die VcntiiScheibe4H« von dem Kolbenboden vermöge der Einwirkung der Schraubendruckfcdcrn 46« abhebt und die Scgmentschlitze 36« freigibt. Die Druckstifte 38« schlagen beim Erreichen des vom Zylinderkopf abgevvandtcn Totpunktes des Kolbens 16« gegen eine Anschlagbüchse 32« an. welche wirkungsmäßig der Anschlagbüchse 32 des Ausfiihrungsbeispiels von F i g. 1 und 2 entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

i 426

Patentansprüche:

!. Hubkolbenkraftmaschine fiii Druckgas mit einem den Einlaßkanal aufweisenden Zylinderkopf, welcher ein in Schließstellung vorgespanntes Einlaßventil aufnimmt, das durch Anschlag des Kolbens in eine öffnungssiellung auslenkbar ist, und zumindest einem den Kolben axial durchsetzenden federbelasteten Auslaßventil, welches sich bei jedem Arbeitsspiel des Kolbens in der Nähe eines von dem Zylinderkopf entfernten Totpunktes öffnet, dadurch gekennzeich net, daß in an sich bekannter Weise die Fedcrbclastung des Auslaßventils (40) im Öffnungssinn zu dem Zylinderkopf (36) hin gerichtet ist und daß die Federbelastung einem vorgegebenen Auslaüdruck des Druckgases an dem von dem Zylinderkopf (36) entfernten Totpunkt des Kolbens (16) entspricht.
2. Hubkolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, bei welcher das Auslaßventil als Tellerventil mit einem Ventilschaft ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in an sich bekannter Weise an einer von dem Zylinderkopf (36) entfernten Stelle, welche einer Maximalverschiebung des Kolbens (16) von dem Zylinderkopf (36) weg entspricht, zur Zwangsöffnung des Auslaßventils (40) ein Get. nanschlag (Anschlagbüchse 32) für den Ventilschaft vorgesehen ist.

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