DE2334543A1 - Kurbeltriebloser kolbenverdichter - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL-INQ. JOACHiM STRASSE

MS HANAU ■ itöMERSTlt. W · POSTFACH 7» · TELlM(B- TELEQRAMME: HANAUPATENT · TELEX: 4U47Upat

Auguste MOIROUX, Ecully, Frankreich H. Juli 1973

Francois BERNARD, Lyon, Frankreich Str/Sk -10

Kurbeltriebloser Kolbenverdichter

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kurbeltrieblosen, direkt wirkenden Kolbenverdichter mit zumindest einer Verdichterstufe und zumindest einem Arbeitskolbenteil. Dieser Arbeitskolbenteil arbeitet vorzugsweise nach dem Zweitakt-Diesel-Prinzip.

Es sind Freikolbenkompressoren mit zwei frei beweglichen und identischen Kolben bekannt. Die wesentlichen Nachteile dieser bekannten Kompressoren liegen in dem hohen Gewicht, in dem komplizierten Aufbau und in dem großen Raumbedarf. Daneben sind Vorrichtungen bekannt, die mit einem Satz aus mehreren Kolben arbeiten, aber diese bekannten Vorrichtungen sind bisher noch nicht für die Verwendung von Dieselöl ausgelegt worden, und die Kühlung dieser bekannten Vorrichtungen 13t problematisch. Deshalb treten diese Vorrichtungen

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in der Praxis auch selten auf.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die erwähnten Nachteile zu vermeiden und eine kompakte Maschine verfügbar zu machen, die aus einem einheitlichen Stück besteht und hierin alle Teile enthält, dabei leicht bleibt und vom Prinzip her nicht auf eine bestimmte Anwendung festgelegt wird.

In diesem Sinne bezieht sich die Erfindung auf einen eingangs bezeichneten kurbeltrieblosen Kolbenverdichter,der sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, daß nur ein einziges bewegtes Teil als ganzer verbindungsloser Block vorhanden ist, wobei dieser einzige Teil zugleich Motorkolben, Verdichterkolben und Pufferkolben ist.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der Zylinder aus drei Gruppen besteht, die sich auf ein und derselben Längsachse aufreihen. Es ist ein einziges bewegliches Teil vorhanden. Dieses Teil besteht aus einem Stück und vereinigt ohne mechanische Verbindungen vier Punktionen in sich. Die Verschiebung im Zylinder erfolgt gleichzeitig und dadurch wird das Funktionieren des Hilfsteile, des Antriebsteils und des Kompressorteils sichergestellt.

Das einzige bewegliche Teil ist ein Kolben, dessen eines Ende sich im Motor-Zylinder hin- und herbewegt.Das andere Ende bewegt sich in einem Steuerzylinder, um Hilf3funktionen auszulösen. Dieser Zylinder wird Pufferzylinder genannt. Der im Durchmesser größere Mittelteil kann sich im Innern des Kompressorteils mit doppelter Wirkung, das heißt beidseitig beaufschlagt, bewegen. Vom Kolben her gesehen, stellt die eine äußere Stirnseite des Kolbens den Kraftkolben dar. Die gegenüberliegende Stirnseite des Kolbens - auch Pufferkolben genannt - sorgt für eine Vorverdichtunc von Luft in einem

Vorrat. Die Wirkfläche, die zur Motorseite im Zentralteil angeordnet ist, wirkt als Verdichterkolben für die Verdichtung der Motorluft und schließlich wirkt die gegenüberliegende Ringkolbenseite im Mittelteil für die Verdichtung der Arbeitsluft, das heißt, dieser Kolbenteil ist der eigentliche Arbeitsteil der Maschine.

Der Kolben ist für eine Drehung um die eigene Achse frei. Dies erleichtert die Kühlung. Die im Motorteil vorgesehenen Steuerschlitze für den Ein- und Auslaß sind zur radialen Ebene etwas geneigt, um die Durchströmung zu verbessern.

Das Motorgehäuse wedst über seinen ganzen Umfang Kühlrippen auf. Die Kühlrippen befinden sich mithin am Errde des Zylinders und dort, wo die Brennung stattfindet. Ein ähnliches System ist im Bereich der gegenüberliegenden Stirnseite des Kolbens im Monoblockgehluse vorgesehen. An dieser Stelle befinden sich die Hilfsmittel zum Anlassen des Motors und ferner befindet sich dort ein Reservoir für vorkomprimierte Luft. Dieser Teil des Motors kann luftgekühlt ausgebildet sein oder es kann eine Kombination einer Flüssigkeits- mit einer Luftkühlung vorgesehen werden. Für diesen Zweck zirkuliert unmittelbar um den entsprechenden Zylindermantel in einer Ringkammer eine Kühlflüssigkeit.

Es ist zur Ausnutzung der kinetischen Energie der Auspuffgase ein Turboverdichter vorgesehen, mit dessen Hilfe die erforderliche Menge an Kühlluft beschleunigt werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorzugsweise ein dynamisches Ausgleichssystem zwischen dem Kraft- und Arbeitsteil im Bereich der entsprechenden ftehäuse vorgesehen. Für diesen Zweck ist das Gehäuse, das sich um den Kraftteil befindet, über zumindest eine Schub-/Zugstange und ein dynamisches Ausgleichssystem mit dem Gehäuse des Arbeitsteils

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verbunden.

Vorteilhafterweise enthält die Maschine innerhalb des Gehäuses im Bereich der Hilfseinrichtungen ein axial bewegliches Ventil, das sich überdies in der Achse des Kolbens befindet. Ferner sind in diesem Gehäuseteil die Hilfseinrichtungen für die Zuführung von Schmierung und auch die Pumpe für die Einspritzung vorgesehen.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung befinden sich im Hilfsteil der Maschine, das heißt im Bereich des Pufferkolbens, der Starter und ein entsprechender Luftvorrat zum Betreiben des Starters. Außerdem ist ein weiterer Luftvorrat vorgesehen, der die vom Pufferzylinder vorverdichtete Luft auffängt. Alle diese Räume sind zylindrisch oder ringförmig ausgebildet und liegen koaxial zur Hauptachse der Maschine.

Alle Hilfsaggregate, wie diejenigen für das Starten, für eine Druckschmierung und für das Einspritzen von Brennstoff, werden druckluftbetrieben, und zwar vorzugsweise von der vom Hilfszylinder erzeugten Druckluft.

Alle Teile der gesamten Maschinejeinschließlich aller Hilfsaggregate und selbstverständlich einschließlich des Motors und des Kompressors, bilden eine komplette integrierte Einheit, wodurch der Raumbedarf verringert wird. Ferner kommt die Maschine mit einem Minimum an mechanischem Aufbau aus. Zusätzlich ergibt sich eine erhebliche Gewichtsersparnis.

Als weitere vorteilhafte Folge der kompakten und leichten sowie integrierten Baueinheit ergibt sich ein glattes Gehäuse, das sich mit einfachen Mitteln wirksam akustisch isolieren läßt. Beispielsweise kann das Gehäuse aus nur zwei äußeren Teilen bestehen, die sich leicht vereinigen lassen, wobei an der Verbindungsstelle der Lufteinlaß mit einem Filter vorgesehen v/erden kann.

Der Kraftteil der Maschine läßt sich so auslegen, cuß mit einem erheblichen Luftüberschuß gearbeitet wird, wodurch die Maschine in den Abgasen keine VerbrennungsrückstJinde oder unverbrannte Teile an die Umluft abgibt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schernatischen Längsschnitt durch einen anlaufenden Verdichter,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Turbogebläses,

Fig, 3 einen Schnitt durch eine zu Fig. 1 gleiche Anordnung in der "Verdichtungs-Verbrennungs-" Phase und

Fig. 4 einen Schnitt durch die gleiche Anordnung in der "Entspannung-Auslaß"-Phase.

Die Maschine besteht aus einem einzigen beweglichen Teil, nämlich dem Kolben 1, dessen eines Ende 2 sich im Motorzylinder 5, dessen Mittelteil 3 sich doppelt wirkend im Verdichter-Zylinder 6 und dessen anderes Ende 4 sich im Puffer-Zylinder 7 hin- und herbewegt.

Der Motorzylinder 5 weist insbesondere einen Zylinderkopf auf, in welchem sich ein Einspritzorgan 9 befindet. Der Kolben 2 wird in einer Zylinderbüchse 10 geführt. Die Laufbüchse 10 oder der innere Zylindermantel ist von Ein- und Auslaßschlitzen 12 und 11 durchsetzt. Außen ist der Zylinder mit Kühlrippen 13 für eine Luftkühlung versehen. Der Zylinder 5 befindet sich vorspringend an einem Gehäuse I¹I.

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Das Gehäuse 14 begrenzt einen Lufteinlaßraum 15, aus welchen die Verbrennungsluft durch den Einlaßschlitz 12 in den Zylinder eintritt. Der Auslaßschlitz 11 ist über einen nicht näher eingezeichneten Kanal IC mit einer Auspuffleitung 17 (Fig. 2) verbunden.

Der Kompressorzylinder 6 besteht aus einem motorseitig vorgesehenen Ringflansch 18, der nit öffnungen versehen ist, welche von Ventilklappen 19 bzw. 20 verschließbar sind. Die Ventilklappen 19 stellen Einlaßklappen dar, und die Ventilklappen 20 Auslaßklappen.

Auf der gegenüberliegenden Seite des ringförmigen Kolbens 3, befindet sich der Arbeitsteil des Kompressors. In ähnlicher Weise ist ein Ringflansch 21 vorgesehen, in welchem sich öffnungen mit Ventilklappen 22 und 23 befinden. Die Ventile sind leicht demontierbar, und die Ventilklappe 22 befindet sich saugseitig und die Ventilklappe 23 druckseitig. Zwischen den beiden Ringflanschen 18 und 21 befindet sich ein Kompressor-Gehäuse 2¹J. Der Ringflansch 18 stützt sich auf dem Gehäuse und dem Zylinderkopf 8 ab, während der Ringflansch 21 mit dem integrierten Monoblockgehäuse 25 verbunden ist.

Der Pufferzylinder 7 befindet sich im axial außenliegenden Teil des Gehäuses 25· Er weist eine Laufbüchse 26 auf und stirnseitig geht er in einen Hohlraum 27 über, der als Startervorratsraum bezeichnet werden kann. In diesem Vorratsraum 27 befindet sich in derselben Achse ein Ventil 28, das als Starterventil bezeichnet werden kann. Radial außen befindet sich um den Zylinder 27 ein Reservoir 32 mit vorkomprimierter Luft, während sich eine weitere Kammer 29 als zusätzliches Reservoir für die Starterfunktion außen an dem Vorrat 27 anschließt. Alle diese Kanmern befinden sich im Gehäuse 25, in welchem außerdem noch das Ventil 28, ein Elock 30 für Hilfsaggregate (wie Einspritzung, Schmierung usw.)

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und die Kühlanordnung 31 für Rückstauluft vorgesehen sind. Zwischen dem Zylinder 7 und dem Vorrat 32 wird eine Ringkühlkammer 60 angeordnet.

Die frei liegende Einheit 1 besteht aus einem Endteil 2, das den Motorkolben darstellt und ist mit Kolbenringen 33 und Steuerschlitzen J>¹\ für eine zusätzliche Kühlung" ausgestattet. Der .Mittelteil 3 stellt den Kompressorkolben dar. Es" handelt sich um einen Ringkolben, der pufferseitig den Arbeitsteil und rcotorseitig die Vorverdichterpumpe für die Füllung und Spülung des Motors bildet. Er trägt nichtdargestellt Dichtringe. Das Ende 4 bildet den Pufferkolben.

Der Auslaß 17 führt zu einer Oasturbine 40, auf' deren Achse ein Lüfterrad 41 angeordnet ist, das für frische Luftzufuhr in das Innere der isolierten Umhüllung sorgt, die aus den beiden Elementen 35 und % gebildet wird, die ihrerseits durch einen Ringluftfilter 37 miteinander verbunden sind.

Die Gehäuse 14 und 25 sind durch Flug- und Druckstangen 38 miteinander verbunden. Diese Stangen sorgen für eine Führung und übertragung im dynamischen Ausgleichssystem 39, das dafür vorgesehen ist, die vom Flugkolben ausgehenden Gehäuseschwingungen zu dämpfen.

Zum Ventil 28 sei noch anzumerken, daß die zum Pufferkolben hin gerichtete innere Seite dieses Ventils ein Ansatzstück aufweist, das für in den Zylinderraum hineinragende öffnungen eine Schließfunktion ausüben kann, wenn das Ventil eine entsprechende Stellung einnimmt.

Die Betriebsweise läßt sich folgendermaßen erläutern:

Wenn die freiliegende Einheit 1 die Luft irr. Motorzylinder verdichtet hat, wird der Brennstoff durch die öffnung der

Einspritzeinrichtung 9 eingeführt (Fig. 3). Die Verbrennung stößt den Kolben 1 gemäß Fig. 4 in Richtung des Pfeils 46 zurück. Hierbei vergrößert sich das Volumen in der Spülkammer, wodurch Luft über die Klappen 19 angesaugt wird. Gleichzeitig wird im Arbeitsteil die zuvor eingesaugte Luft komprimiert und über die Ventile 23 in Richtung der Pfeile ausgetrieben. Diese komprimierte Luft gelangt in das Reservoir 32. Ferner wird gleichzeitig die im Pufferzylinder eingeschlossene Luft komprimiert. Dadurch wird einerseits der Hifsvorrichtungsteil 30 betätigt, während andererseits ein Teil der komprimierten Luft über nicht dargestellte Ventile in die Kammer 29 gelangt (Fig. 4). Am Ende dieses Hubes werden im Motorzylinder die Schlitze 12 und 11 von der Stirnseite des Motorkolbens freigegeben. Dadurch tritt im Sinne des Pfeils 53 Frischgas aus der Kammer 15 ein, während die verbrannten Gase im Sinne des Pfeils 5*4 austreten können. Es ist anzumerken, daß ein Teil der Frischluft im Sinne des in Fig. 1 eingezeichneten Teils 52 zum Spülen der Brennkammer benutzt wird. Im übrigen deutet der Pfeil 52 gemäß Fig. 1 an, daß eine Spülung auch während der in Fig. 1 eingezeichneten Kolbenstellung möglich ist. Im übrigen nimmt der Innenteil des Kraftkolbens in der Stellung gemäß Fig. 1 im Sinne des Teils 52 über den Einlaß 12 und den Steuerschlitz 34 genügend Luft zur Innenraumkühlung des Kolbens auf. Diese Kühlgase entweichen, wenn der Kolben beim nächsten Hub wiederum die Stellung von Fig. 1 erreicht hat und der in Fig. 1 unten eingezeichnete Steuerschlitz 34 im Kolben mit der Auslaßöffnung 11 fluchtet.

Der Kolben 1 kehrt unter der Wirkung der im Pufferzylinder komprimierten Luft seine Bewegungsrichtung um, und zwar entsprechend des Teils 45 in Fig. 3.

Die Bewegung des Kolbens in Richtung des Pfeils 45 (Fig. 3) geht einher mit einer Expansion der im Puffer vorhandenen zuvor komprimierten Luft. Weiterhin wird der Kompressorraum 6a

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(Fie. 3) entspannt, wodurch Frischluft durch die geöffneten Ventile 22 in Richtunc der Teile 56 eindringt. Bei diesem Vorgang sind die Ventilklappen 23 geschlossen. Zugleich wird der Raum in der Xompressorkammer 6b verkleinert. Hierbei entweicht Luft durch die Klappen 20 in Richtung der Pfeile 55 in die Vorkammer 15. Es erfolgt eine LuftStauung im'Raum 15, da die Steuerschlitze für den Kraftkolben geschlossen sind. Die Ventile 19 im Ringflansch 18 sind bei diesem Vorgang gleichfalls geschlossen. Wenn die in dem Motorzylinder komprimierte Luft genügend hoch verdichtet ist, beginnt der Zyklus von vorn.

Während des Arbeitsverlaufes ist das Ventil 28 am Ende des Pufferzylinders geschlossen. Für das Starten der Maschine wird der Freiflugkolben 1 von der Pufferseite her beaufschlagt und das Ventil 28 ist für das Starten geöffnet. Es wird eine bestimmte Menge Luft unter hohem Druck eingeführt. Diese komprimierte Luft, die in der Kammer 29 gespeichert worden ist, wird über ein nicht dargestelltes Ventil in den Startvorrat 27 (Fig. 1) eingeleitet. Dieser Zeitpunkt des Startens ist aus Fig. 1 (rechts) ersichtlich.

Die in Fig. 4 mit Pfeil 54 eingezeichneten Auspuffgase, die Spülluft (Pfeil 52 in Fig. 1) erreichen die Auspuffleitung Ihre kinetische Energie wird auf die Gasturbine 40 übertragen, die ein Lüfterrad 41 antreibt. Dieses Lüfterrad gibt die beschleunigte Luft an das Kühlsystem 13 und 31 ab und sorgt für einen erheblichen Kühlluftvorr _at, der gereinigt über Filter eingetreten ist. Die Wirksamkeit der Kühlung wird durch die Ringkammer 60 noch erheblich verbessert, die den Pufferzylinder umgibt.

Die erfindungsgenäße Maschine nimmt wenig Platz ein. Das Verhältnis von Gewicht zu Leistung ist erheblich besser als bei

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vergleichbaren bekannten Maschinen. Die bessere Kühlung, der ausgeglichene Lauf und die Besonderheiten des Aufbaus, verbessern in erheblichem Maße die Abcasseite, so daß weniger Luftverschmutzung auftritt. Außerdem ist der Lärm geringer. Die Einfachheit der benutzten Elemente ermöglicht eine erweiterte Anwendung und vermeidet alle bisher bekannten Nachteile.

Ansprüche :

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Claims (1)

1. - 11 Ansprüche

   1. ' Kurbeltriebloser, direkt wirkender Kolben-Verdichter ^/ mit zumindest einer Verdichterstufe und zumindest einem Arbeitskolbenteil, dadurch gekennzeichnet , daß nur ein einziges bewegtes Teil (1) als panzer verbindungsloser Block vorhanden ist, wobei dieser einzige Teil (1) zugleich Motorkolben (2), Verdichterkolben (3) und Pufferkolben (*!) ist.

   2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch* ge k_en η zeichnet , daß der Motorteil (2) vorzugsweise an einen Ende des Zylinderteils (8., 10) mit dem Brennkraftteil innerhalb einer Luftkühlung angeordnet ist, während ein ähnliches System {**, 7) am anderen Motorende ohne Brennkraftteil für das Anlassen und zum Vorverdichten vorgesehen ist.

   3. Verdichter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Pufferkolben (¹O von einer Ringkamr.er (6) ungeben ist, in welcher eine Kühlflüssigkeit zirkuliert, wobei der Kolben (1) die Freiheit für eine Drehung um die eigene Achse behält.

   ¹J. Verdichter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Turboverdichter (40), der arn Auspuff (17) des Brennkraftteils (2, 5) angeschlossen ist, die kinetische Energie der Brenngase zurückgewinnt, ur. mittels eines gekoppelten Laufrades (¹H) die notwendige Kühlluftmenpe zu beschleunigen.

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   5. Verdichter nach Ansprüchen 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet , daß ein Motorgehäuse (14) eine Kammer (15) für das Spülgas und für den Motoreinlaß bildet, die über ein Verbindungselement (38) rait dem Gehäuse (2Ό für die Konpressionskammer verbunden ist, welche als einfaches axiales dynamisches Ausgleichssystem für die Motorschwingungen wirken.

   6. Verdichter nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Vorverdichterteil (32) von der Luftverdichtung im Pufferkolbenteil (4, 26) gesteuert wird, wobei der Pufferkolben (¹O als pneumatischer Heber wirkt.

   7. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet , daß die Schmierung und Hilfsraittelzuführung vorzugsweise im Vorverdichterteil erfolgt.

   8. Verdichter nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch ■gekennzeichnet ,' daß das aus einem Stück bestehende Gehäuse zumindest eine Kammer für einen Vorrat an verdichteter Luft enthält und daß ein Hohlraum von einem axial verschiebbaren Ventil (28) verschließbar ist und daß die Einheit aus Vorrat, Hohlraum und Ventil einen pneumatischen Anlasser bildet, der mit der Stirnseite des Pufferzylinders (7) zusammenwirkt.

   9. Verdichter nach einem oder mehreren der voraufgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß alle Elenente der Maschine einschließlich der Hilfsvorrichtungen eine kompakte Einheit bilden, sowie daß das Ganze einen Aufbau hat, der sich von einer akustisch wirksamen, aber in der Form einfachen Diimmwandung umhüllen läßt.

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   10. Verdichter nach einem oder mehreren der voraufgehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet j daß der Kraftteil nach dem Zweitakt-Diesel-Prinzip unter hohem Luftüberschuß zur Verminderung der Luftverschmutzung arbeitet.

   11. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß für die Kühlung vorzugsweise profilierte Kühlrippen (13, 3D rings um die Gehäuse für zirkulierende Frischluft vorgesehen sind.

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