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Ventilsteuerung für Gaspumpen mit hin und her gehendem Kolben Die
Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung für Gaspumpen, insbesondere für Gasverdichter
mit hin und her gehendem Kolben und hoher Umlaufzahl der Kurbelwelle. Es sind Gaspumpen
mit gesteuertem Saug- und Druckventil bekannt, bei denen ein besonderes, von der
Kurbelwelle bewegtes Steuergestänge, in welches elastisch wirkende Mittel, wie Federn,
Luftpuffer o. dgl., eingeschaltet sind, die Ventile beeinflußt, die ihrerseits,
wieder unter dem Druck besonderer Federn stehen. Derartige Steuerungen sind sehr
verwickelt und teuer, und sie sind nur für große, mit geringer Umlaufzahl arbeitende
Maschinen brauchbar. Die bei höherer Drehzahl im schwingenden Steuergestänge auftretenden
Massenwirkungen setzen der Wahl der Umlaufzahl sehr enge Grenzen. Außerdem wird
durch die Verwendung der elastisch wirkenden Mittel, insbesondere bei eintretender
Schwergängigkeit der Ventile, ein rechtzeitiger Ventilschluß trotz des Steuergestänges
unmöglich. Ferner öffnen sich unter Federdruck stehende Druckventile stets verspätet,
weil dieser zusätzlich wirkende Federdruck von dem im Arbeitszylinder gepreßten
Gas überwunden werden muß.
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Die im Brennstoffmotorenbau bekannte Ausbildung des durch eine Nockenwelle
zwangsläufig betätigten, stehend neben dem Arbeitszylinder angeordneten Einlaßventils
bietet eine Möglichkeit, die Saugperiode bei Verdichtern auch für sehr hohe Umlaufzahlen
einwandfrei zu beherrschen.
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Die Aufgabe, einen einwandfrei arbeitenden Kolbenverdichter mit sehr
hoher Umlaufzahl zu schaffen, ist damit jedoch nicht gelöst, weil nach dem heutigen
Stande der Technik die Auslaßventile (Druckventile) in ihrer Wirkungsweise versagen.
Da der Zeitpunkt der Eröffnung des Druckventils von der jeweils herrschenden Spannung
im Sammelbehälter abhängig sein muß, so hat man bisher allgemein freigängig arbeitende,
unter Federbelastung stehende Ventile mit möglichst leicht gehaltenem Abschlußkörper
verwendet. Man kann ein solches Ventil wohl derart ausbilden, daß es auch bei hoher
Kolbenhubzahl einigermaßen rechtzeitig öffnet, jedoch erfolgt der Ventilschluß stets
verspätet. Wird die Umlaufzahl der Kurbelwelle beispielsweise erheblich über iooo/Min.
erhöht, so -flattert der Abschlußkörper regellos hin und her, die Förderleistung
des Verdichters sinkt sehr stark ab. Ein weiterer Nachteil liegt in der Federbelastung
selbst, die bei wachsender Hubzahl eine steigende Vergrößerung erfordert und damit
dem durchströmenden Gas einen sehr erheblichen Widerstand entgegensetzt. Schließlich
bewirkt das schnelle Ventilspiel
und das ruckartige Aufschlagen
des Abschlußkörpers auf dem Ventilsitz eine schnelle Zerstörung des Ventils.
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Die beschriebenen Mängel werden durch die Erfindung beseitigt. Sie
besteht im wesentlichen darin, daß nicht nur ein stehend neben dem Arbeitszylinder
angeordnetes Saugventil durch eine Nockenwelle zwangsläufig beherrscht wird, sondern
daß außerdem noch ein über dem Saugventil angeordnetes, freigängig durch die im
Zylinder erzeugte Druckspannung sich öffnendes Druckventil durch eine unmittelbar
einwirkende, starr verlagerte Nockenwelle in der Ventilschlußbewegung zwangsläufig
beeinflußt wird. Das Druckventil wird hierbei weder durch eine abbremsende Federung
noch durch Luftpuffer o. dgl. in seiner völlig freierfolgenden Öffnungsbewegung
beeinträchtigt. Da mangels jeglicher mechanischen Behinderung die rechtzeitige Eröffnung
des völlig freigängigen Ventils auch bei höchster Kolbenhubzahl durch das vom Arbeitskolben
geförderte Gas erzwungen wird, die genaue und rechtzeitige Schlußbewegung aber starr
und zwangsläufig durch eine von der Kurbelwelle abhängige Nockenwelle herbeigeführt
wird, so wird durch die gemeinsame Anwendung der geschilderten Saug- und Druckventilsteuerung
eine nach dem heutigen Stande der Technik unbekannt hohe Umlaufzahl der Kurbelwelle
ermöglicht und der Lieferungsgrad des Verdichters wesentlich verbessert.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einer besonderen Ausbildung
der neuen Ventilsteuerung an Gaspumpen, derart, daß durch die zwangsläufig wirkende
Steuerung der Schluß des Saugventils verspätet bewirkt werden kann, so daß dieser
in den Beginn der Druckperiode hineinfällt, wodurch die durch den Nachschub des
angesaugten Gases bewirkte Druckerhöhung ausgenutzt wird. Durch eine solche Ausbildung
der Steuerung wird der Lieferungsgrad der Gaspumpe noch weiter verbessert.
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Zwecks weiterer Steigerung der Wirkung wird die Steuerung für das
Saugventil derart ausgebildet, daß das auf das Saugventil wirkende Steuerorgan das
Saugventil erst dann öffnet, wenn bei der Rückexpansion des im schädlichen Raum
beim Beginn des Kolbensaughubes befindlichen gepreßten Gases atmosphärischer Druck
im Zylinder erreicht ist. Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung
in Gestalt einer Gaspumpe in Abb. i in einem Längsschnitt nach Linie A-B der Abb.
2 und in Abb. 2 in einem Längsschnitt nach Linie C-D der Abb. i bei einer bestimmten
Stellung des Arbeitskolbens und der Steuerorgane dargestellt. Die Abb. 3, 4 und
5 zeigen in teilweise schematischer Ausführung Längsschnitte durch Zylinder und
Steuerung mit drei weiteren verschiedenen Stellungen des Arbeitskolbens und der
Steuerorgane.
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In dem Zylinder a wird der Kolben b
durch die Kurbelwelle
c mit Hilfe der Pleuelstange d hin und her bewegt. Neben dem Zylinder a und gleichgerichtet
zu diesem ist das stehende Saugventile sowie über und gleichachsig mit diesem das
Druckventil f angeordnet. Das Saugventile wird durch eine seine Ventilstange umgebende
sowie sich einerseits auf einen Bund derselben und andererseits auf das Ventilgehäuse
stützende, starke Schraubenfeder g zu bestimmter Zeit geschlossen gehalten. Mittels
einer unter der Ventilstange des Saugventils e am Kurbelgehäuse gelagerten und mittels
eines Zahnräderpaares h, i durch die Kurbelwelle c angetriebenen Nockenwelle
k wird unter Vermittlung eines Ventilstößels l das Öffnen des Saugventils e erzielt.
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Das nach Beginn seiner Eröffnung unter den Einfluß eines Federpolsters,
beispielsweise einer Schraubenfeder m, kommende freigängige Druckventil f wird durch
eine über ihm am Ventilgehäuse gelagerte und mittels eines Zahnkettengetriebes tz,
o, p oder durch ein umlaufendes Gestänge von der Nockenwelle k aus angetriebene
Nockenwelle c zwangsläufig, entgegen dem Strahldruck des durchströmenden Gases,
in die Abschlußstellung geschoben, derart, daß der Schluß des Ventils genau mit
der Erreichung der Kolbentotpunktlage zusammenfällt.
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Bei der in Abb. i und 2 gezeigten Stellung der beweglichen Maschinenteile
steht der Arbeitskolben b in seinem oberen Totpunkt und die Druckperiode ist beendet.
Das Druckventil f hat bei Erreichung der Kolbentotpunktlage gerade abgeschlossen,
und es beginnt die Rückexpansion des in dem schädlichen Raum eingeschlossenen gepreßten
Gases.
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Bei der Stellung gemäß Abb.3 hat sich die Kurbelwelle c in der dort
angegebenen Pfeilrichtung um ein solches Maß, weitergedreht, daß das Saugventil
seine größte Eröffnung erreicht hat.
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Bei der Stellung nach Abb. ¢ hat der Kurbelzapfen seine untere Totpunktlage
bereits ein Stück überschritten und den Kolben ein entsprechendes Stück zurückbewegt.
Das Saugventil hat bei dieser Kolbenstellung gerade geschlossen. Da im Augenblick
des Durchganges des Kurbelzapfens -durch seine untere Totpunktlage die Kolbengeschwindigkeit
gleich Null ist, die Geschwindigkeit des Gassaugstromes in der Saugleitung und in
dem dieser angeschlossenen Filter, insbesondere bei hoher Kurbeldrehzahl, infolge
des
Beharrungsvermögens aber noch erheblich sein kann, so wird der
Schluß des Saugventils verspätet angeordnet. Der Schluß des Saugventils fällt daher
in den Anfang der Druckperiode des Arbeitskolbens. Es findet also auf diese Weise
ein Nachladen bzw. Aufladen des bereits mit Gas gefüllten Zylinders mit Gas statt.
Der Schluß des Saugventils wird daher um so verspäteter anzuordnen sein und um so
mehr in die Druckperiode übergreifen, je höher die Gasgeschwindigkeit im Saugrohr
ansteigt. Man hat es also in der Hand, bei Gasverdichtern durch geeignete Ausbildung
des Steuernockens den für den Lieferungsgrad der 'Maschine günstigen Augenblick
des Saugventilschlusses festzulegen.
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Bei der Stellung gemäß Abb.5 hat sich das Druckventil, nachdem der
Druck des im Zylinder komprimierten Gases die Höhe des Gasdruckes im Sammelbehälter
erreicht hat, freigängig geöffnet, und der Steuernokken der Steuerwelle c beginnt
das Druckventil wieder zu schließen. Das Wesen der Erfindung bleibt unberührt, wenn
es auf andere Pumpenarten wie Verdichter angewendet wird, oder wenn statt je eines
Saug- und Druckventils deren mehrere an einem Arbeitszylinder angeordnet werden.