-
n'Iotorkompressor mit freifliegendem Kolben. Es ist bereits vorgeschlagen
worden, zur Kompression von Gasen einen freifliegenden Kolben zu benutzen. Dieser
von entzündeten Gasen angetriebene Kolben verdichtet Gase, die nach Art eines federnden
Puffers wirken. Außerdem saugt er Gase an. Durch die Entspannung des federnden Puffers
wird die Kompression der angesaugten Gase und ihr _lustritt in einen Behälter bewirkt.
Bei Motorkompressoren dieser Art waren keine Vorkehrungen getroffen, damit der Kolben
am Ende seines durch die Entspannerg des federnden Puffers der komprimierten Gase
bewirkten Rücklaufes mit sehr geringer Geschwindigkeit mit dem Zylinderkopf zur
Berührung gelangt. Hierdurch wurden sehr starke Stöße auf den Zylinderkopf ausgeübt,
welche die Vorrichtungen beschädigten und die Verwendung derartiger Motorkompressoren
verhinderten.
-
Dieser Nachteil ist bei dein gemäß der Erfindung ausgebildeten Motorkompressor
beseitigt, bei welchem der Kolben mit einer Geschwindigkeit null am Zylinderkopf
anlangt, wie ungleich auch immer die Kraft der Explosionen des sich entspannenden
Gemisches sein mag.
-
In der Abbildung ist als beispielsweise Ausführungsform der Erfindung
ein Motorkompressor dargestellt, der besonders zur Kompression der Luft geeignet
ist.
-
Die Vorrichtung besteht hauptsächlich aus drei gleichachsigen Zylindern,
aus dein Arbeitszylinder i, aus dem Kornpressorzylinder 2 und aus dein Gegendruckzylinder
3. In diesen Zylindern verschieben sich ungesteuert die gleichachsigen und starr
miteinander verbundenen Kolben q., 5 und 6. Außerdem ist ein Luftbehälter 7 von
großem Fassungsvermögen vorgesehen, auf welchem die drei "Zylinder und ein Reglergehäuse
8 angebracht sind. Der Gegendruckzylinder 3 ragt in den Behälter 7, mit welchem
er durch weite öffnungen 9 verbunden ist. Der Querschnitt des Zylinders 3 ist etwas
kleiner als der des Zylinders i, und der mitzbare Querschnitt des Zylinders 2 ist
im allg°meinen größer als der des Zylinders 3.
-
eine Größe wird durch die Höhe des Druckes bestimmt, die erreicht
werden soll. Auf dem Zylinderkopf io des Arbeitszyiiriders i sitzt ein gesteuertes
Ventil i i für den Einlaß des komprimierten explosiven (jemischs, ein gesteuertes
Ventil 12 f@r den Auspuff der verbrannten Gase und eine elektrische Zündkerze 13.
In der Wand des Zylinders i sind in geeigneter Höhe eine oder mehrere Öffnungen
14 zum Einspritzen von Wasser vorgesehen.
-
Der Kompressor 2 besitzt mehrere selbsttätig wirkende Saugventile
15 und ferner ein gleichfalls selbsttätig wirkendes Druckventil i o, durch welches
die komprimierte Luft unter Vermittlung des Rohres 17 in den Behälter 7 gedrückt
wird. Der Kompressorzylinder 2 besitzt in seinem unterer Teile weite Öffnungen 18,
die mit der Außenluft in Verbindung stehen. Kaltes Wasser wird von einem Behälter
i9 durch die Mündungen 22 in jedes der Ventile 15 von oben zugeführt, -wobei der
Abfluß des Wassers aus dein Behälter durch Hahn 2o und Klappe 21 geregelt -wird.
Das Wasser, welches sich auf dein Boden des Behälters 7 ansammelt, wird durch ein
Rohr 23 und durch die Öffnungen 14 in den Zylinder i eingespritzt.
-
Auf dem Boden des Zylinders 3 ist eine Puffervorrichtung 24 mit Ventil
25 vorgesehen. Eine enge Bohrung 26 im Boden des Zylinders 3 verbindet diesen mit
dem Behälter 7. Der Regler 8 besteht Hauptsächlich aus einem auf der ganzen Länge
mit zylindrischer Bohrung versehenen Gehäuse, in welchem ein Kolbenschieber 27 eingestellt
wird, der mit vier Ringnuten 28, 29, 30, 31 versehen ist und dessen Stange 32 durch
Vermittlung eines Schwinghehels 33 die Einstellung der Drosselklappe 21 regelt.
Eine
regelbare Feder 34 umgibt die Schieberstange 32 und drückt
ständig auf den Schieber 27. Dieser Regler besteht außerdem aus folgenden verschiedenen
Teilen: Aus einem unten geschlossenen Zylinder 35, der durch Rohr 36 mit dem Behälter
7 in Verbindung steht, aus zwei Ventilkammern 37, 38 und aus einem oberen Zylinder
39, der oben offen ist und mit der Außenluft verbunden ist.
-
Ein Rohr 40 verbindet den oberen Teil des Behälters 7 mit den Kammern
37 und 38. Die zur Verwendung außerhalb der Maschine bestimmte komprimierte Luft
gelangt durch den Rohransatz 41 in die Kammer 37 und fließt von dort durch den Rohransatz
4a aus. Die für die Speisung des Motors bestimmte komprimierte Luft fließt durch
Rohransatz 43 in die Kammer 38 und durch ein Rohr 44 zu einem Schlangenrohr 45 und
zu einem Vergaser 46, die beide in einem Erhitzungsbeiiälter 47 angeordnet sind.
Der Brennstoff wird durch eine nicht dargestellte Pumpe in den Vergaser 46 geleitet,
in welchen er durch das Rohr 48 eintritt. Eine Leitung 49 führt das explosive Gemisch
zum Einlaßventil i i.
-
Durch Leitung So werden die verbrannten Gase und das durch das Einlaßventil
12 ausgestoßene Spritzwasser abgeführt und in den Erhitzungsbehälter 47 geleitet,
der mit einer Auslaßöffnung 51 ausgestattet ist.
-
Die Kolben 4, 5, 6 haben keinerlei federnde Ringe.
-
Die- durch den Fortfall der Ringe nötig werdende sehr genaue Einstellung
der Kolben, die Starrheit und die große Länge des durch die drei Kolben gebildeten
Einzelstückes verlangen, da.C die drei Zylinder genau in der gleichen Achse stehen.
Zu dieseln Zweck sind die Flanschen dieser Zylinder sehr breit, und ihre ganze Fläche
ist glatt. Die Berührungsflächen der beiden zu verbindenden Flanschen sind je auf
einem größtmöglichsten Durchinesser mit einer Ringnut 54 versehen. Ein Ring 55,
dessen innere und äußere Flächen sorgfältig abgedreht sind, greift in diese beiden
gegenüberstehenden Nuten ein, ohne auf dem Grunde der Nuten zu liegen. Cberall,
wo diese Flanschen eine Fuge bilden, ist die Abdichtung dieser Fuge durch das Abrichten
der Oberflächen gesichert, die erforderlichenfalls mit einer klebrigen Flüssigkeit
bestrichen werden können, ohne daß indessen irgendein auftragender Stoff zwischengelegt
wäre.
-
Wenn der Ring 55 dazu verwendet werden soll, die Dichtung der Fuge
zu vervollständigen, wird er innerhalb der Bolzen angeordnet und aus einem Metall
hergestellt, dessen .-@usdelinungskoeffizient größer als derjenige rler Flanschen
ist.
-
Die Arbeitsweise dieses Motorkompressors ist folgende: Angenommen,
der Behälter 7 sei auf irgendeine Weise mit Luft von geeignetem Druck gefüllt, die
Kolben 4 und 5 seien in ihrer oberen Lage in Berührung mit den Zylinderköpfen und
alle Ventile seien geschlossen. Die komprimierte Luft fließt vom Behälter 7 zum
Regler B. Die Feder 34 des Reglers ist so eingestellt, daß sie bei einem etwas geringeren
Druck, als der Arbeitsdruck des Kompressors beträgt, nachgibt, wenn der Reglerkolben
27 sich in der unteren Stellung befindet. Die Druckluft vermischt sich mit dem Brennstoff
und fließt zum Ventil ii. Dieses öffnet sich unter dem Druck der Luft, und das unter
dem Druck des Behälters 7 stehende Gemisch dringt in den Zylinder i ein. Da der
Querschnitt dieses Zylinders etwas größer als der-' jenige des Zylinders 3 ist,
werden die drei Kolben 4, 5 und 6 verhältnismäßig langsam nach abwärts geschoben.
Sobald die geeignete Menge Gemisch in den Zylinder i eingeflossen ist, schließt
sich das Ventil i i. Die Wirkungsweise eines derartigen Ventils und des Ventils
12- ist in der Patentschrift 396477 Klasse 46b beschrieben. Ein Funken wird bei
13 gebildet, und die Kolben werden durch den Explosionsdruck nach abwärts
getrieben. Bei dieser Abwärtsbewegung saugt der Kolben 5 Luft durch Ventil 15 in
den Zylinder 2, und der Kolben 6 verdrängt durch die Öffnungen 9 die komprimierte
Luft aus dein Zylinder 3 in den Behälter 7.
-
Gegen das Ende des Abwärtshubes öffnet sich das Ventil 12, - und die
verbrannten Gase beginnen auszuströmen. Ungefähr zur gleichen Zeit legt der obere
Kolben 4 die oftnungen 1d. frei, und das unter dem Druck des Behälters 7 stehende
Wasser wird in den Zylinder eingespritzt und kühlt die Restgase und die Zylinderwände
bis zu dem Augenblick ab, wo der Koll;en beim Aufwärtshub die Öffnungen 1d. abschließt.
-
Während des Abwärtshubes nimmt die Geschwindigkeit der Kolben bis
zu dem Augenblick zu, wo der Druck der verbrannten Gase auf den Druck des Behälters
sinkt; von diesem Augeni)lick an wird die Geschwindigkeit der Kolben gering, und
die Kolben werden nur noch durch die lebendige Kraft bewegt.
-
Sobald die Kolben in der unteren Lage zum Stillstand gekommen ,sind,
werden die Kolben 6, 5, d. durch den Druck der Luft im Behälter 7 nach aufwärts
gedrückt. Der obere Kolben 4 verdrängt durch das Ventil 12 die verbrannten Gase
und das Einspritzwasser in den Behälter 47. Der Kolben 5 komprimiert die im Zylinder
2 enthaltene Luft, um sie dann durch das Ventil 16 und Rohr 17 in de i Behälter
7 zu fördern. Während dieser Aufwärtsbewegung wirkt auf den Kolben einerseits eine
Triebkraft. Diese Triebkraft
entsteht durch die Wirkung der Luft
des Behälters 7, welche wie ein federnder Puffer gespannt ist, auf die untere Fläche
des Kolbens 6. Andererseits wirkt auf den Kolben eine Widerstandskraft, da er die
Luft in der Pumpe 2 komprimiert und sie durch das Rohr 17 ausstößt. Diese
Kraft wirkt auf die obere Fläche des Kolcens 5. Im Anfang ist die Widerstandskraft
schwächer als rlie Triebkraft, und die Geschwindigkeit der Kolben nimmt bis zu dein
Augenblick zu, in welchem in den Zylindern 2 und 3 die beiden Produkte aus Querschnitt
mal augenblicklichem Druck gleich werden. Von diesem Zeitpunkt an ist der Widerstand
der komprimierten Luft in der Pumpe a größer als die Triebkraft der Luft des Behälters,
so daß die Geschwindigkeit abnimmt und der Hub nur durch die lebendige Kraft der
Kolben vollendet wird. Diese lebendige Kraft muß vollständig erschöpft sein, wenn
die Kolben 4 und 5 in Berührung mit ihren Zylinderköpfen gelangen, vorausgesetzt,
daß die 1laschine genau geregelt ist.
-
Dies wird eintreten, wenn dafür gesorgt ist, daß bei jedem Rücklauf
Gleichheit der Triebkraft, welche durch die Entspannung der komprimierten Luft entsteht,
und der t` iderstandskraft besteht, welche durch die Kornpression der Luft und ihr
Austreiben in den Behälter gebildet wird. Da es schwierig ist, Explosionen von vollkommen
gleiclim<il;iiger Kraft und folglich Kolbenhübe von gleichbleibender Länge zu
erhalten, ist es nötig, daß der Punkt, an welchem die Kolben am Ende ihres Aufwärtshubes
zum Stillstand gelangen, unabhängig von der Länge dieses Hul:es ist.
-
Angenommen, die Aufgabe sei gelöst und die Maschine sei gut geregelt,
so werden die Kolben jedesmal annähernd in Berührung mit denZylinderköpfen kommen,
und der Rückhub wird stets gleich dein Vorhub sein. Im gleichen Falle ist die Gesamtarbeit
von Kompression und Förderung der Luftmenge durch die Pumpe 2 annähernd proportional
zum Volumen der angesaugten Luft, und folglich ist diese Arbeit auch proportional
zur Länge des Saughubes (oder Vorwärtshubes). Schließlich ist, da das Fassungsvermögen
des Behälters 7 im Verhältnis zum Volumen des Zylinders 3 als sehr groß angenommen
ist, die durch den Kolhen 6 entwickelte Triebkraft annähernd gleichbleibend während
seines ganzen Rückhubes oder finit anderen Worten: die Arbeit des Kolbens 6 ist
seinem Hube proportional.
-
Hieraus folgt, daß, sobald die Gleichheit der Widerstandsarbeit des
Kompressionskolbens 5 und der Triebarbeit des Kolbens 6 für einen Rückhub von bestimmter
Länge geregelt ist, diese Gleichheit auch für Hübe beliebiger Länge bestehen bleibt.
Es ist daher nur noch nötig, die Mittel zu bestimmen, welche diese Gleichheit für
eine beliebige Hublänge gewährleisten können.
-
Wenn man die Gesamtarbeit betrachtet, die erforderlich ist, um eine
Volumeneinheit von Gas isothermisch zu komprimieren und den ständigen Druck in einen
Behälter überzudrücken, so verhalten sich bekanntlich die entsprechenden Arbeiten
für verschiedene Drucke im Behälter zueinander wie die Logarithmen dieser Drucke.
Hieraus ergibt .sich, daß die Kompressionsarbeit weniger schnell als der Druck im
Behälter wächst. Da andererseits die Triebarbeit des Kolbens 6 ebenso schnell wie
der Druck im Behälter wächst, muß zur Ausführung der Gesamtarbeit die Pumpe 2 einen
größeren Querschnitt im Vergleich zu dem des Zylinders 3 haben, wenn der Druck im
Behälter 7 erhöht werden soll, als wenn dieser Druck nur gering sein soll. Praktisch
wird das Verhältnis der Querschnitte der beiden Zylinder, welche annähernd gleich
ist in der Einheit der Drucke, die wenig höher sind als der Atmosphärendruck, ungefähr
zwei sein für einen Betriebsdruck von drei Atmosphären und drei für einen Betriebsdruck
von sieben Atmosphären, vier für einen Betriebsdruck von zwölf Atmosphären usw.
Andererseits wird bei einem Motorkompressor mit zwei Zylindern 2 und 3 von gegebenen
Querschnitten die Gleichheit der Triebarbeit und des Kompressionswiderstandes sich
erst bei einem ganz bestimmten Druck im Behälter einstellen, den man als Betriebsdruck
bezeichnen kann. Ein höherer Druck würde Schläge der Kolben gegen die Zylinderköpfe
verursachen. Bei einem niedrigen Druck würden die Kolben zu früh zum Stillstand
kommen, und die Kompressionsleistung würde sich verringern.
-
Damit ein nach diesen Grundsätzen ausgeführter Motorkompressor einen
vollkorninenen stabilen Gang und die beste Leistung ergibt, sind folgende Bedingungen
zu beachten: z. Jeder Apparat muß mit Rücksicht auf den verlangten Maximaldruck
für äußere Förderung gebaut werden, d. h. mit dem geeigneten Verhältnis der Querschnitte
der Zylinder 2 und 3-
2. Beim Anlassen muß der genaue Wert des Druckes, der
diesem Verhältnis entspricht, durch Versuche ermittelt werden.
-
3. Während die Maschine arbeitet, muß der so bestimmte Betriebsdruck
vollkommen konstant erhalten werden. Diese letztere Aufgabe fällt dem bereits beschriebenen
Regler 8 zu, der wie folgt arbeitet:
Wenn der Schieier 27 des Reglers
8 am unteren Ende seines Hubes angelangt ist, schließt er die Durchgänge der Kammer
37 ab, so daß die Luftabgate nach außen aufhört. Andererseits lassen die Ringkanäle
28 und 29 die Kanäle in den Zwischenwänden der Kammer 38 vollständig offen, so daß
der Zutritt von komprimierter Luft zum Motor frei ist. Wenn der Schieber 27 sich
infolge einer auf seine untere Fläche wirkenden Druckerhöhung hebt und seine in
der Abbildung dargestellte mittlere Stellung erreicht, so ist der Luftaustritt durch
den Kanal 37 schon weit geöffnet, während der Zutritt der Luft zum Vergaser schon
ein wenig vermindert ist und die Bewegung der Kolben schon verlangsamt ist. Die
komprimierte Luft kann von der Kammer 43 zur Kammer 38 nur durch den Spalt gelangen,
der durch- den unteren Rand des Ringkanals -29 des Schiebers 27 und den unteren
Rand des rechten Seitenverschlusses 56 des Schiebers 27 gebildet wird. Es genügt
daher ein leichter Überdruck vom Behälter, der den Schieber 27 noch steigen läßt,
um diese enge Durchtrittsstelle zu verschließen und die Kolben anzuhalten, bis der
Druck wieder durch äußeres Abfließen der Druckluft normal geworden ist.
-
Schließlich sind bei der höchsten Stellung des lZeglerschiebers -27
die Kanäle der Kammer 37 weit offen, aber diejenigen der Kammer 38 vollkommen verschlossen.
-
Hieraus ergibt sich folgendes: Die äußere Entnahme von komprimierter
Luft kann erst beginnen, wenn im Behälter der Betriebsdruck erreicht ist.
-
Diese Abgabe ist auf die Maximalleistung beschränkt, welche der Kompressor
liefern kann.
-
Wenn der Verbrauch unter dieser Maximalleistung bleibt, drosselt der
Regler die Speiseleitung des Motors, wodurch die Geschwindigkeit des Kolbens 4 während
der Einströrnperiode nachläßt, so daß diese Periode länger dauert und somit die
Anzahl der Explosionen in der Zeiteinheit vermindert wird.
-
Wenn die Entnahme von komprimierter Luft von außen gleich Null wird,
kommt der Motor zum Stillstand, um aber selbsttätig sofort wieder anzulaufen, wenn
der Verbrauch wieder beginnt.
-
Ferner wirkt der Reglerschieber 27 während ungefähr der oberen Hälfte
seines Hubes auf den Hebel 33, weicher die Klappe 2 1 schließt, die den -Zutritt
des kalten Wassers zum Kompressor in dein Verhältnis vermehrt oder verringert, in
welchem der Regler die Anzahl der Explosionen vermehrt oder verringert.
-
Zur gleichen Zeit sichert dieses Mittel die Beständigkeit von Temperatur
und Gewicht der Gemischladungen, die in die Explosionskammer eingeführt werden.
Das in die Pumpe eingesaugte Wasser wird, wie oben erwähnt ist, in den Motorzylinder
eingespritzt, fließt von dort in den femperaturaustauscher 46, 47 und bestimmt die
Temperatur der Wände und folglich diejenige des Geinisches.
-
Zwecks größerer Sicherheit ist im unteren Teile des Zylinders bei
24 ein Luftpuffer vorgesehen, der in Tätigkeit tritt, wenn der Kolben 6 sich weit
genug abwärts bewegt hat, um die Öffnungen 9 zu verdecken und im Falle allzu kräftiger
Explosionen jeglichen Schlag zu verhindern. Damit die Proportionalität der Arbeit
des Kolbens 6 zu seinem Hub nicht in dem Falle in Frage gestellt werde, wo der Luftpuffer
in Wirksamkeit tritt, ist am Boden des Zylinders 3 eine Bohrung 26 angeordnet, deren
Querschnitt so gewählt ist, daß der durchschnittliche Entspannungsdruck der Luft,
die unter dein Kolben 6 im Raum 24 eingeschlossen ist, geringer ist als der durchschnittliche
Kompressionsdruck und ungefähr gleich dem Druck im Behälter ist.
-
Um den Motor mit geringwertigem Gas zu speisen, wird man einen Teil
der kompriinierten Luft, die zur Bildung des Gemisches 1:estimmt ist, umleiten und
durch einen geschlossenen Generator führen, in welchem die Kohle unter Druck unvollständig
verbrannt wird.
-
Uin höhe Drucke zu erzielen, wird man die stufenweise Kompression
verwenden. Zu diesem Zwecke genügt es, den ganzen Zylinder 2 mit einer dichten Hülle
zu umgeben, einschließlich der Saugventile 15 der Pumpe und der Öffnungen 18 am
unteren Ende derselben und den so gebildeten Raum mit dem Luftbehälter eines mit
niedrigem Druck arbeitenden Motorkompressors zu verbinden. Der Kolben der Pumpe
wird nun auf seinen beiden Flächen dem Druck dieses Raumes ausgesetzt sein und eine
Ladung Luft einsaugen, die bereits in der gleichen Weise wie eine atmosphärische
Ladung komprimiert ist, und er wird dann diese Ladung in seinem eigenen Behälter
auf einen höheren Druck komprimieren.
-
In einer Gruppe von so gestuften Kompressoren kann die durch einen
der Kompressoren komprimierte Luft dazu dienen, die Motoren der oberhalb oder unterhalb
in der Gruppe angeordneten Kompressoren zu speisen, indem man den Explosionszylindern
niit Bezug auf die Gegendruckzylinder geeignete Querschnitte gibt. Man wird so die
Vorteile der besten Explosionsdrucke erhal- j ten. Man könnte auch die Förderung
des Kompressors in einen Behälter, der getrennt
von demjenigen des
Motors ist und der durch rinen besonderen Regler auf einem höheren oder niederen
Druck als der Betriebsdruck gehalten wird, leiten und dem Kompressionszylinder den
geeigneten relativen Querschnitt geien, wobei der Motor von einem Hilfsniotorkornpressor
gespeist wird usw.
-
Um ein beliebiges Gas zu komprimieren, wird man den Motor der Gaspumpe
mit komprimierter Luft mittels eines Hilfsmotorkompressors speisen. Umgekehrt wird
man zwecks Ausnutzung von bereits vorhandenen brennbaren Gasen (Hochofen gase z.
B.) zur Speisung eines 1lotorlcompressors für Luft zur Kompression des Gases einen
Hilfsmotorkornpressor verwenden, dessen Motor vom Motorkompressor mit komprimierter
Luft gespeist wird.
-
Der Triebkolben kann nach Belieben auch durch eine andere Kraft als
diejenige einer Explosion, z. B. durch Auspuffgase einer Verbrennungskraftmaschine
oder einer Dampfmaschine o. dgl. angetrieten werden.- Es genügt in diesem Falle,
(las Auspuffventil dieser Maschine mit dem Arbeitszylinder r durch einen Kanal zu
verbinden, der so breit wie möglich ist.
-
Ohne das Prinzip des Apparates zu ändern, kann man alle beliebigen
Werte für die verschiedenen Drücke des explodierenden Geinisches des durch die Pumpe
ausgestoßenen Gases und des Gases des Behälters verwenden.
-
Diese verschiedenen Drücke seien mit P1, 1'2 und P*» bezeichnet. Dann
können in der im folgenden 1"eschriel:enen Weise die Querschnitte S', SZ und .S'
der Explosionszylinder, der Pumpe und des Gegendrucks für diese Drücke
PI, P=, P' bestimmt werden.
-
Die erhaltenen Querschnitte seien S@, Sli, 5p, wenn der Druck t',
wie erwähnt, dem explodierenden Gemisch, dein Auspuff und nem Behälter gemeinsam
war.
-
Damit Gleichheit der Triebkraft und der Widerstandskraft erzielt wird,
muß sein