DE550162C - Umsteuerbare Ventilsteuerung fuer Kolbenmaschinen - Google Patents

Umsteuerbare Ventilsteuerung fuer Kolbenmaschinen

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DE550162C
DE550162C DE1930550162D DE550162DD DE550162C DE 550162 C DE550162 C DE 550162C DE 1930550162 D DE1930550162 D DE 1930550162D DE 550162D D DE550162D D DE 550162DD DE 550162 C DE550162 C DE 550162C
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L13/00Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/02Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for reversing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L31/00Valve drive, valve adjustment during operation, or other valve control, not provided for in groups F01L15/00 - F01L29/00
    • F01L31/08Valve drive or valve adjustment, apart from tripping aspects; Positively-driven gear
    • F01L31/16Valve drive or valve adjustment, apart from tripping aspects; Positively-driven gear the drive being effected by specific means other than eccentric, e.g. cams; Valve adjustment in connection with such drives

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

  • Umsteuerbare Ventilsteuerung für Kolbenmaschinen Die Erfindung betrifft eine umsteuerbare Ventilsteuerung für Kolbenmaschinen, insbesondere für mehrzylindrige Kolbenmaschinen, die durch umlaufende Nockenscheiben mit verschiedener Nockeneinstellung und konstantem Voreilwinkel betrieben werden. Es sind Ventilsteuerungen dieser Art bekannt, bei denen unerwünschte Beschleunigungswirkungen dadurch ausgeglichen werden, daß die Nockenscheibenrollen, welche die beiden Einlaßventile an den entgegengesetzten Enden der Zylinder steuern, um z8o° gegeneinander versetzt werden und auf die Nocken vermittels einer starken Ausgleichfeder drücken, die durch Vermittlung einer geeigneten Hebelkraft wirkt. Es liegen dann zwei Rollen an ein und derselben Expansionsnockenscheibe an den beiden entgegengesetzten Enden eines Durchmessers an. Mittels der Ausgleichfeder wird ein Druck solcher Stärke ausgeübt, daß dem durch das Schließen der Ventile verursachten Beschleunigungsstoß entgegengewirkt wird. Diese Anordnung hat für die Arbeit .der Maschine insofern ungünstige Folgen, als, abgesehen von der verwickelten Anordnung der Ausgleichfedern und der anderen Hilfsmittel, schon allein die Notwendigkeit, die Rollen an den gegenüberliegenden Enden eines Durchmessers der Nockenscheibe anzubringen, den Konstrukteur dazu zwingt, die Ventile stets paarweise anzuordnen, so daß er also in der Anordnung dieser Ventile nicht unabhängig ist.
  • Es gibt aber viele vorteilhafte Möglichkeiten, die ohne die Abhängigkeit von der paarweisen Anordnung in Erwägung gezogen werden könnten, aber wegen der erwähnten Beschränkung außer Anwendung bleiben müssen.
  • Die Anordnung der Ventilsteuerung nach der Erfindung hat den Vorteil, daß die Rollen in jeder beliebigen Stellung zu dem Profile der Nockenscheibe angeordnet werden können und die Ventile unabhängig voneinander steuern, wobei die erforderliche Ausgleichung und Genauigkeit durch andere Mittel als die Gegenüberstellung erreicht wird. Man erlangt so die größte Freiheit hinsichtlich der Ventilanordnung.
  • Bei der Ventilsteuerung nach der Erfindung werden wie bisher zwei in der Form gleiche, aber symmetrisch angeordnete Einlaßnockenscheiben verwendet, von denen jeweils die eine das Öffnen und die andere die Expansion steuert und welche von Kurbeln einer gemeinsamen Umsteuerwelle vermittels auf einer Stellschraube sitzender, sich drehender Stellmuttern und in diese mit Spiel eingreifender, an den Kurbelstangen angelenkter Schubringe gegeneinander in Drehrichtung zum Zwecke der Umsteuerung oder Füllungsveränderung verstellt werden. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Einlaß-, ventile sich mit ihren in Wechselwirkung mit den Nockenscheiben stehenden Rollen beim Schließen mit der vollen, durch die Schließbewegung herbeigeführten Kraft einseitig gegen die Ablaufflanken der Expansionsnockenscheibe anlegen. Dadurch wird die lose auf der Welle sitzende Expansionsnockenscheibe so weit vorwärts gedreht, wie es der Spielraum zwischen der zugehörigen Stellmutter und dem zugehörigen Schubring gestattet, mit der Wirkung, daß ein zuckungsfreier zwangsläufiger Gang der Steuerung ohne Benötigung besonderer Ausgleicheinrichtungen gewährleistet und es ermöglicht ist, den Rollen für die einzelnen Ventile jede beliebige Lage zu der Nockenscheibe zuzuteilen.
  • In Fig. 6 der Zeichnung ist das Kreis- oder polare Diagramm der Dampfvorgänge für Ventilsteuerungen der bisher bekannten Art dargestellt. Dieses Diagramm hat die doppellinige Gestalt; es enthält nämlich die beiden Kurvenzweige a und b für den Kurbelwinkel, bei welchem das Einlaßventil während der Vorwärtsbewegung (im Sinne des Uhrzeigers) sich schließt und bei welchem es sich bei der Rückwärtsbewegung (entgegen dem Uhrzeiger) zu öffnen beginnt, während die beiden Kurvenzweige c und d die Öffnungslage bei Vorwärtsbewegung und das Abschließen des Dampfes bei Rückwärtsbewegung wiedergeben.
  • Das entsprechende Kreisdiagramm für die neue Ventilsteuerung hat einlinige Gestalt, da der Füllungsgrad sich nicht mehr bei der Vorwärtsbewegung gemäß der Kurve a ändert, sondern gemäß derselben Kurve b, die auch das Gesetz für das Ventiloffnen bei der Rückwärtsbewegung darstellt; ähnlich stellt auch die einzige Kurve c sowohl das Gesetz für das Ventiloffnen bei der Vorwärtsbewegung als auch für das Dampfabschließen bei der Rückwärtsbewegung dar.
  • Es kann sein, daß der von den Ventilen verursachte Vorwärtsstoß bzw. Stöße nicht genügen, um die Expansionsscheibe konstant in ihrer äußersten Vorwärtsstellung zu halten, besonders wenn übermäßige Reibung vorhanden ist. In einem solchen Falle wird eine Anordnung benutzt, welche das Bestreben hat, die Scheibe in der vorgerückten Lage zu halten. Fig. ia und ib zeigen eine der möglichen Ausführungsformen einer solchen Anordnung.
  • Die Nockenwelle A, welche mit derselben Geschwindigkeit wie die Triebwelle umläuft, treibt in Pfeilrichtung Nockenscheiben C und C an, eine Öffnungs- und eine Expansionsscheibe, welche lose auf die Welle aufgesetzt sind und vermittels Schnecken R und R' in Drehung versetzt werden, die durch Stangen B und B' mit den Nockenscheiben verbunden sind. Diese Schnecken sind auf eine steilgängige Schraube V aufgeschraubt, die in die Nockenscheibenwelle eingeschnitten ist und sich mit derselben dreht, während ihre Längsverschiebung durch die die Schnecken R und R' umfassenden Ringe L und L' gesteuert wird. Diese Ringe werden durch Gelenke T und T von den Kurbeln W und W' verstellt, die durch den Untersteuerhebel gesteuert werden.
  • Diese ganze Anordnung ist bekannt einschließlich des toten Ganges, der zwischen den Schnecken R und R' einerseits und ihren Stellringen L und L' andererseits vorgesehen ist.
  • Gemäß der Erfindung liegt zwischen jeder Schnecke und ihrem Stellring eine Ringscheibe L bzw. l' und eine Anzahl von Federn M bzw. M'; der Druck dieser Federn überwindet die Reibungswiderstände und drückt die betreffenden Nockenscheiben in die gewünschte Richtung (in die Vorwärtsstellung bei der Expansionsscheibe) ; so wird der bisher freie tote Gang durch einen »elastischen -toten Gang« ersetzt, d. h. durch einen toten Gang, der dauernd vernichtet wird, aber zur Geltung kommt, wenn es notwendig ist (nämlich wenn die Kurbelarme W und W' sich in der Nähe ihrer Totpunkte befinden), um eine konstante Winkelvoreilung für den Einlaß zu erlangen.
  • Die ständige Arbeit der Expansionsscheibe in ihrer ganz vorgerückten Stellung, wie sie durch die beschriebene Vorrichtung oder durch eine gleichwertige gesichert wird, gestattet eine vollständige Unabhängigkeit der Lage der Rollen am Profil der Scheiben.
  • Durch die Erfindung ist es ermöglicht, mit einem einzigen Paar von Einlaßscheiben eine Anzahl von Schwingen unabhängig zu bewegen, von denen jede ein Einlaßventil steuert (natürlich innerhalb der Grenzen der zulässigen Abmessungen der Schwinge und des gegenseitigen zur Verfügung stehenden Raumes).
  • In Fig.2, 3 und 5 sind schematisch beispielsweise zwei Fälle der Steuerung zweier oder dreier Einlaßventile durch ein einziges Paar von Einlaßnockenscheiben für die Deckelseite bzw. die Kurbelseite dargestellt, und zwar in Fig. 2 und 3 für eine Zweizylindermaschine mit parallelen Zylindern und um 9o° gegeneinander versetzten Kurbeln und in Fig. 5 für eine Dreizylindermaschine mit gegeneinander um i2o° versetzten Kurbeln.
  • Wenn man mit demselben Paar von Einlaßscheiben entweder ausschließlich alle Ventile auf der Deckelseite des Zylinders oder ausschließlich alle Ventile auf der Kurbelseite von Zylindern steuert, deren Kolben an Kurbeln angeschlossen sind, die die gleiche Kröpfung haben, sich mit gleicher Geschwindigkeit drehen und Schubstangen gleicher Länge haben, so ist die veränderliche Wirkung der nicht unendlichen Schubstangen bei allen Füllungsgraden die gleiche und macht sich in gleicher Weise und in der gleichen Richtung bei den durch das gleiche Paar von Nockenscheiben geregelten Einlaßphasen geltend.
  • So ist es möglich, durch eine geeignete Korrektur (in entgegengesetzter Richtung) der Profile der entsprechenden Paare von Einlaßnockenscheiben, die alle Ventile der Deckelseite und alle Ventile der Kurbelseite bewegen, genügend die obenerwähnten Einwirkungen der Schubstange auszugleichen.
  • Es ist insbesondere möglich, dadurch die Ventile i. und im (Fig. 2 und 3) einer Zweizylinderlokomotive zu steuern und dabei den Einfluß der Winkliglage der Schubstange ausreichend auszugleichen, daß man zwischen den beiden Zylindern in Längsrichtung eine Nockenscheibenwelle A anordnet, die mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Kurbelwelle umläuft, wobei durch Getriebe b (die Kegelgetriebe oder Schraubengetriebe sein können) die Bewegung von einer der Triebachsen der Lokomotive abgeleitet wird.
  • Die Welle A erstreckt sich in das Innere eines Kastens C, der die Nockenscheiben, Schwingen und Hebel zum Steuern der Einlaß- und Auslaßventile der beiden Zylinder y und y' enthält.
  • S, und Sm sind die gemeinsamen Mittellinien der Auslaßventile und i, und i"" die gemeinsamen Mittellinien der Einlaßventile auf der Deckel- bzw. Kurbelseite der beiden Zylinder. In Fig. 2 ist die gegenseitige, zueinander rechtwinklige Lage der beiden Schwingen dargestellt, welche von demselben Nockenpaar bewegt werden und die entsprechenden Einlaßventile (die beiden Ventile der Deckelseite oder der Kurbelseite) der Zylinder mit um 9o° gegeneinander versetzten Kurbeln steuern.
  • Gibt man den Profilen des Nockenscheibenpaares, welches die Ventile der Kurbelseite steuert, eine geeignete größere- Ausdehnung als denen des anderen Nockenscheibenpaares, so ist es möglich, bei der Kurbelseite des Zylinders einen Füllungsgrad mit einem größeren Winkel gegen den Totpunkt zu erreichen als auf der Deckelseite, wodurch der lineare Abstand im Hub gegenüber dem entsprechenden Totpunkte, der sich bei gleichen Kurbelwinkeln infolge der Winkellage der Schubstange ergibt, genügend ausgeglichen wird. Fig. 5 zeigt, wie die Schwingen am Umfang desselben Nockenscheibenpaares angeordnet werden, wenn die drei Einlaßventile (Deckelseite oder Kurbelseite) bei einer Dreizvlindermaschine mit um i2o° versetzten Kurbeln von den Schwingen zu steuern sind; bei dieser Steuerung ist es ebenfalls möglich, auf demselben oben beschriebenen Wege den Ausgleich der infolge der Winkliglage der Schubstange eintretenden Phasenverschiebungen zu erreichen.
  • Das Arbeitsdiagramm, das mit der Ventilsteuerung nach der Erfindung erreicht wird, gestattet infolge der dauernd vorgerückten Stellung der Expansionsnockenscheibe, das Maß der Kompression im Zylinder bei hohem Füllungsgrad zu vermindern, indem eine Hilfsauslaßnockenscheibe mit der Expansionsscheibe verbunden wird, wie in Fig, q.a, 4.b und q.c in einer der möglichen Ausführungsformen dargestellt ist.
  • Zu der gewöhnlichen Auslaßnockenscheibe D, welche unveränderlich durch geeignete, an der Nockenscheibenwelle A befestigte Mitnehmer z, z' bei der Drehung in einer bestimmten Richtung mitgenommen wird, ist eine Hilfsscheibe D' hinzugefügt, welche lose auf der Nabe der Scheibe D aufsitzt und Seite an Seite mit ihr liegt. Beide Scheiben arbeiten auf dieselben Rollen, die die Auslaßventile steuern.
  • Die Hilfsscheibe D' hat dasselbe Profil wie die Scheibe D und ist mit einem kreisförmigen Schlitz C versehen, durch welchen die Enden von Stangen B' und B hindurchtreten, die an der Expansionsnockenscheibe bzw. an der Einlaßöffnungsscheibe befestigt sind.
  • Die Zeichnung zeigt die Nockenscheiben, wie sie bei Vollsteuerung in Vorwärtsrichtung erscheinen, unter Drehung in Pfeilrichtung. Hierbei befinden sich die Stangen B', B an den entgegengesetzten Enden des Schlitzes C, und das Schließprofil der Hilfsscheibe D' eilt um einen Winkel a-ß gegen das Profil der Scheibe D nach.
  • Unter diesen Umständen wird das Öffnen des Ventils von der durch die Mitnehmer z, z' angetriebenen Scheibe D' bewirkt, und das Schließen wird von der Scheibe D erlaubt, welche während der Schließperiode sich nicht verschieben kann, da sie daran durch die Stange B' gehindert wird, welche sich ihrerseits nicht nach vorn verschieben kann, weil die mit ihr verbundene Expansionsnockenscheibe sich bereits in ihrer äußersten Vorwärtslage befindet.
  • Bei Verminderung des Füllungsgrades bewegt sich die Stange B' in der Pfeilrichtung vorwärts, so daß die Scheibe D', welche das Schließen des Ventils regelt, sich in der gleichen Richtung vorwärts bewegen kann, bis sich die Füllung um den Winkel «-ß vermindert. Von diesem Augenblick an überdecken sich die Profile der Scheiben D und D', und die Scheibe D', welche lose ist, hat überhaupt keine Wirkung mehr, so daß die Kompression konstant bleibt.
  • Bei der Rückwärtsdrehung übernimmt die Stange B die Funktion, welche die Stange B' bei der Vorwärtsbewegung hatte, und bei voller Rückwärtssteuerung ist der Nacheilwinkel für die Kompression y-(ca-ß).
  • Mit Hilfe der beschriebenen Hilfsnockenscheibe kann man eine sehr niedrige Kompression bei den höchsten Füllungsgraden erreichen, wobei diese Kompression allmählich vergrößert werden kann, wenn der Füllungsgrad verkleinert wird, bis sie ihren größten Wert beispielsweise erreicht, wenn der Füllungsgrad etwa 5o 0i, beträgt; bei allen kleineren Füllungsgraden bleibt dann die Kompression konstant.
  • Bei Verwendung der Hilfsscheibe D' ist das Gesetz der Kompressionsänderung das besterreichbare unter Berücksichtigung sowohl der mechanischen als auch der thermodynamischen Arbeit.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Umsteuerbare Ventilsteuerung für Kolbenmaschinen, insbesondere für mehrzylindrige Kolbenmaschinen, mit zwei in der Form gleichen, aber symmetrisch angeordneten Einlaßnockenscheiben, von denen jeweils die eine das Öffnen und die andere die Expansion steuert und welche von Kurbeln einer gemeinsamen Umsteuerwelle vermittels auf einer Stellschraube sitzenden, sich drehenden Stellmuttern und in diese mit Spiel eingreifenden, an den Kurbelstangen angelenkten Schubringen gegeneinander in Drehrichtung für Umsteuerung oder Füllungsveränderung verstellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßventile sich mit ihren in Wechselwirkung mit den Nockenscheiben stehenden Rollen beim Schließen mit der vollen, durch die Schließbewegung herbeigeführten Kraft einseitig gegen die Ablaufflanke der Expansionsnockenscheibe anlegen, so daß dadurch die lose auf der Welle sitzende Expansionsnockenscheibe so weit vorwärts gedreht wird, wie es der Spielraum zwischen der zugehörigen Stellmutter (R, R') und dem zugehörigen Schubring (L, L') gestattet.
  2. 2. Ventilsteuerung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ergänzung der von den Ventilen beim Schließen ausgeübten Beschleunigungskraft zwischen die Schubringe (L, L') und die Stellmuttern (R, R') axial gerichtete Federn eingeschaltet sind.
  3. 3. Ventilsteuerung nach Anspruch i für Mehrzylindermaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zylindern der Umsteuerungsapparat angeordnet ist, bei welchem auf einer Steuerwelle (21) zwei Scheibenpaare sitzen, das eine (Cl, Cl') für die Einlaßventile der Zylinderdeckelseite, das andere (C, C ) für die Einlaßventile der Zylinderkurbelseite, und alle Nockenscheiben durch ein gemeinsames Umsteuergestänge verstellt werden (Fig. 2, 3). q.. Ventilsteuerung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur gewöhnlichen Auslaßnockenscheibe (D) eine Hilf sauslaßnockenscheibe (D') hinzugefügt wird, welche von den Einlaßnockenscheiben aus bei großen Füllungen in Wirksamkeit gebracht wird und dann den Abschluß der Ausströmung verzögert, wobei die von den Rollen der Auslaßventile auf die Scheiben ausgeübte Beschleunigungskraft die von den Einlaßventilen ausgeübte Kraft verstärkt.
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