-
Zwangläufige Kompressorsteuerung Die Erfindung bezieht sich auf eine
Kompressorsteuerung, bei der ein und derselbe Schieber Ein- und Auslaß steuert.
Die bekannten Kompressorsteuerungen ähnlicher Art besitzen einen Schieber, der mit
einem Druckventil ausgerüstet ist, so daß der Zeitpunkt der Eröffnung nicht zwangläufig
durch eine steuernde Kante des Schiebers, sondern durch den Druck der verdichteten
Luft erfolgt. Der Nachteil dieser Steuerungsart besteht darin, daß immer eine überverdichtung
vorhanden sein muß, die das Ventil während der Ausströmung geöffnet hält. Auch ist
die Umlaufszahl, mit der solche Kompressoren betrieben werden können, beschränkt.
-
Durch die Erfindung wird dieser Nachteil beseitigt, da durch sie die
Aufgabe gelöst wird, mit einem einzigen Schieber ohne zusätzliches Ventil Ein- und
Auslaß vollkominen zwangläufig zu steuern. Erreicht wird dies dadurch, daß das den
Schieber antreibende Exzenter von der Hauptkurbel durch Zwischenschaltung eines
Getriebes mit ungleichförmiger Winkelgeschwindigkeit bewegt wird.
-
Wie durch die Erfindung die Eröffnungen und Abschlüsse zur richtigen
Zeit möglich werden, geht aus den Diagrammen der Zeichnung hervor. In Abb. i stellt
der obere Teil das Indikatordiagramm eines Kompressors dar, bei welchem in üblicher
Weise die Ordinaten die Spannungen und die Abszissen die Kolbenweglinie darstellen.
Im unteren Teil der Abb. i stellt der ausgezogene Kreis den zum Kolbenweg gehörigen
Kurbelkreis dar, auf den durch die senkrechten Linien die verschiedenen, für die
Steuerung in Betracht kommenden Punkte herunterprojiziert sind.
-
Auf der Linie der Rückexpansion aus' dem schädlichen Raum i bis 2
soll im Punkt A der Eintritt der Luft in den Zylinder freigegeben werden, also etwa
vor Erreichung des Punktes 2, damit in diesem Punkt bereits ein genügend weiter
Einströmungsquerschnitt vorhanden ist. Der entsprechende Punkt auf dem Kurbelkreis
ist A'.
-
Auf der Linie des Ansaugens 2 bis 3 soll im Punkt B, der jedoch vom
Kolben erreicht wird, nachdem er von 3 nach 2 bereits seine rückläufige Bewegung
angetreten hat, geschlossen werden, um in üblicher Weise die Massenträgheit der
einströmenden Luft für eine möglichst gute Auffüllung des Zylinders auszunutzen.
Der entsprechende Punkt auf dem Kurbelkreis ist B'.
-
Auf der Linie der Kompression 3 bis 4 soll bereits im Punkt C, da
der Kolben in dieser Gegend die höchste Geschwindigkeit hat, der Auslaß der verdichteten
Luft freigegeben werden, damit im Punkt 4 bereits ein genügend großer Querschnitt
vom Schieber freigegeben ist. Der entsprechende Punkt auf dem Kurbelkreis ist
C .
-
Auf der Linie des Ausblasens 4 bis i soll im Punkt D, der mit dem
Punkt i praktisch zusammenfällt, abgeschlossen werden. Kleine Abweichungen sind
hier bedeutungslos, da der Kolben sich in der Nähe der Totlage langsam bewegt. Der
dem Punkt D entsprechende Punkt auf dem Kurbelkreis ist D'.
Stellt
derKurbelkreis, auf demdiePunkteA', B', C und D' liegen, gleichzeitig
den Exzenterkreis dar, wobei der Exzenterradius um den Voreilwinkel gegen die Kurbelrichtung
versetzt ist, so muß die Verbindungslinie A' B' der Verbindungslinie
D' C' parallel sein, wenn das Exzenter mittels eines einzigen Schiebers rechtzeitiges
Öffnen und Schließen herbeiführen soll. In Wirklichkeit sind nun aber die beiden
Verbindungslinien nicht parallel, woraus sich die Unmöglichkeit ergibt, mittels
eines einfachen Schiebers rechtzeitig zu öffnen und zu schließen, wenn sich der
Exzenterradius mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit bewegt wie die Kurbel. Die
Aufgabe ist dagegen lösbar, wenn ein Punkt, z. B. C, in bekannter Weise von der
Schieberöffnung durch Anwendung eines Druckventils unabhängig gemacht wird. Das
Druckventil hält dann, trotzdem der Schieber bereits öffnete, den Auslaß geschlossen,
bis der Punkt q. des Indikatordiagramms erreicht ist.
-
Dieses Druckventil wird aber gerade durch die Erfindung vermieden.
Öffnen und Schließen wird im Gegensatz zum Bekannten mit einem einfachen Schieber
dadurch ermöglicht, daß sich der Exzenterradius nicht mit der gleichförmigen Bewegung
der Kurbel, sondern ungleichförmig bewegt, derart, daß sich der Exzenterradius mit
einer kleineren Winkelgeschwindigkeit als die Kurbel bewegt, während diese das Bogenstück
B' C zurücklegt, und mit einer größeren, während die Kurbel das Bogenstück
D' A' durchläuft.
-
Erreicht wird dieses z. B. durch Anwendung einer umlaufenden Schubkurbelschleife,
wie sie in Abb.2 dargestellt ist. Die zur Gleitbahn ausgebildete Arm 2o bewegt sich
um die Achse M' ebenso gleichförmig wie die Kurbel. Er nimmt den in der Gleitbahn
verschieblichen Stein 2z mit und veranlaßt dadurch den Arm 22, um die Achse M" mit
ungleichförmiger Winkelgeschwindigkeit zu kreisen, denn der Angriffspunkt des Armes
22 im Stein legt die gleich langen Bogenstücke B" C" und D" A" in
Zeiten zurück, die den Bogenstücken B' C' und D' A' verhältnisgleich
sind. Das Stück D" A" wird also in einer sehr viel kürzeren Zeit durchlaufen
als das Stück B" C". Dadurch wird erreicht, daß die Verbindungslinien
A" B"
und D" C",, deren Endpunkte auf dem punktierten Kreis liegen, einander
parallel sind. Der punktierte Kreis kann daher zum Exzenterkreis gewählt werden
für eine Schiebersteuerung, bei der mit einem einzigen -Schieber Eröffnung und Schluß
für Ein- und Auslaß gesteuert werden können.
-
In der Abb. 2 ist die eine Schieberseite eingezeichnet. Während der
Bewegung des Exzentermittelpunktes von C" nach D" öffnet der Schieber den Kanal
29. Die Schieberkante 26 legt den Kanal 29 frei, sobald das Exzenter den Punkt C"
durchläuft und schließt ihn wieder beim Durchlaufen des Punktes D". Zwischen diesen
beiden Punkten ist der Auslaß der Luft geöffnet. Der Kanal bleibt dann geschlossen,
während das Exzenter den Weg von D" nach A" zurücklegt. Dabei verschiebt sich der
Schieber um den senkrechten Abstand der Linie A" B" von C" D". Sobald der
Schieber und damit seine Kante 27 diese Strecke 28 zurückgelegt hat, wird der Kanal
29 wieder geöffnet. Es kann dann die Luft einströmen, bis das: Exzenter den Punkt
B" erreicht und dabei die Kante 27 des Schiebers veranlaßt, den Kanal 29 wieder
abzuschließen.
-
Die Geradführung 2o mit dem Stein 2 1 kann aber auch in einen Lenker
23 aufgelöst werden, wie Abb.3 dies zeigt. Es ergibt sich dann eine Lenkerkurbelschleife.
Da die Bewegung des Endpunktes 2¢ des Lenkers 23 dabei nicht mehr geradlinig, sondern
kreisbogenförmig in bezug auf den mit gleichförmiger Geschwindigkeit kreisenden
Arm 25 ist, so ist der Abstand der beiden Achsen M' und M" voneinander etwas anders
als beider Ausführung nach Abb.2 zu wählen, um das gleiche wie bei der Ausführung
nach Abb. 2 zu erreichen. Aber auch hier ist Parallelität der Linien A" B"
und D" C", deren Endpunkte wieder auf dem punktierten Kreise liegen, erzielbar;
wie Abb. 3 zeigt.
-
Um nun die Liefermenge des Kompressors zu verändern, stehen zwei Wege
offen. Es kann entweder die Umlaufszahl des Kompressors oder die Liefermenge j e
Hub verändert werden. Im ersten Falle kann die Steuerung unveränderlich sein. Im
zweiten Falle jedoch muß die Steuerung zur Erzielung eines abweichenden Diagramms
verändert werden.
-
Die Leistung des Kompressors kann z. B. in wirkungsvoller Weise dadurch
verkleinert werden, daß die Ansaugeöffnungen noch während des ersten Teiles des
Kompressionshubes geöffnet bleiben, so daß ein Teil der angesaugten Luft wieder
zurückströmt. Es ist also späterer Abschluß der Ansaugeöffnungen nötig. Da die Kompression
später einsetzt, muß auch die Eröffnung des Ausschubes später erfolgen.
-
Diagramme, die sich bei dieser Art der Regelung ergeben, zeigt Abb.
q.. Bei abnehmender Leistung ergeben sich nacheinander das Diagramm i, 2, 3, q,
als normales Vollastdiagramm mit I bezeichnet, dann r, 2, 5, 6 mit II bezeichnet
für etwas verkleinerte Leistung, r, 2, 7, 8 mit III bezeichnet für weiter verkleinerte,
dann z, 2, 9, ro mit IV bezeichnet und schließlich 1"2, 11, r2 mit V bezeichnet
für kleinste Leistung.
Um diese Leistungsverringerungen mit Hilfe
der Steuerung herbeizuführen, bleiben Exzentrizität und Exzenterstangenrichtung
sowie ihre Länge ungeändert. Geändert wird der Erfindung gemäß dagegen der Antrieb
des Exzenters in der Weise, daß die mit gleichförtniger Geschwindigkeit umlaufende,
von der Hauptwelle des Kompressors angetriebene Kurbelwelle, welche die ungleichförmige
sich drehende Exzenterwelle antreibt, verschoben und verdreht wird, wie dies aus
Abb.:I hervorgeht. Um eine Verschiebung der Kompressionslinie aus der Lage I in
die Lage II und damit eine Verminderung der komprimierten Luftmenge um etwa 13 o
hervorzurufen, wird der Mittelpunkt der Achse, welche die Exzenterwelle antreibt,
aus der Lage MI' in die Lage MII' verschöben und gleichzeitig um den Winkel ß gegenüber
der ursprünglichen Lage in bezug auf die Hauptwelle verdreht.
-
In entsprechender Weise gelangt man durch weitere Verschiebung bis
zum Punkt iIiii' und Verdrehung um den Winkel y zur Kompressionslinie III mit einer
Verminderung der komprimierten Luft auf etwa 54 °/o. Bei noch weiterer Verschiebung
kommt man zum Punkt hIw mit der Verdrehung b entsprechend der Kompressionslinie
IV und schließlich zum Punkt MV' mit der Verdrehung entsprechend der Kompressionslinie
V. Die Punkte 111' für diese verschiedenen Leistungen liegen dabei alle auf einer
Geraden.
-
Schon hier sei erwähnt, daß die letzten Einstellungen MIV' und
MV' bei dem in Abb.4 dargestellten Beispiel kinematisch nicht mehr möglich
sind, weil diese Punkte außerhalb des punktierten Kreises um l111" liegen. Wenn
man jedoch die eine Kurbelschleife zur Erzielung der ungleichförmigen Bewegung in
zwei auflöst, worauf weiter unten noch eingegangen wird, sind auch die mit diesen
Lagen verbundenen Leistungsverminderungen praktisch erreichbar.
-
Ein Ausführungsbeispiel für die beschriebene Art der Verstellung ist
in Abb. 5 dargestellt. Die Welle 30 wird von der Hauptkurbelwelle angetrieben.
Auf ihr ist unverschieblich und gegen Drehung gesichert die Buchse 3 i befestigt.
In ihrem oberen Teil nimmt sie mittels des schraubenförmigen Keiles 32 die Welle
33 mit, welche sich wegen dieses schraubenförrnigen. Keiles gegenüber der Büchse
31 und damit gegenüber der Hauptkurbelwelle verdreht, wenn sie axial verschoben
wird.
-
Diese axiale Verschiebung kann entweder von Hand an einer entsprechenden
Einstellvorrichtung vorgenommen werden oder, wie dies in der Abb. 5 angenommen ist,
selbsttätig durch den Druck der komprimierten Luft mittels des Kolbens 3.., der
im Zylinder 35 gleitet, herbeigeführt werden. Dabei wirkt der Druck der Luft zweckmäßig
in bekannter Weise unter Zwischenschaltung eines Ölpolsters 36 von unten auf den
Kolben 3.1. entgegen der Kraft zweier Federn, die zu beiden Seiten des Zylinders
35 angeordnet sind und den Kolben 34 in den Zylinder 35 hineinzudrücken suchen.
Eine dieser Federn 37 ist hinter dem Zylinder 35 punktiert eingezeichnet.
-
Mit dem Kolben 34 starr verbunden ist das Stück 38, das noch
am Bolzen 39 geführt ist und in welchem die Welle 33 sowie die von ihr mittels Kegelrädern
.Io und 41 angetriebene Welle 42 gelagert sind.
-
Auf der Welle 42 mit der Achse IV befindet sich die Scheibe
.I3 mit der Gleitbahn 20, in der der Stein 2 1 gleitet (s. auch Abb. 2), welcher
den Arm 22 mitnimmt, dessen Drehachse M" gegenüber der Achse M' versetzt ist, so
daß sich die Welle .i.I, an der sich das als Kurbel ausgebildete Exzenter 45 befindet,
in der beabsichtigten Weise ungleichförmig bewegt.
-
Erreicht wird durch die Ausführung nach Abb.5 die geradlinige Verschiebung
der Achse 11-T' bei gleichzeitiger Verdrehung der Gleitbahn 2o um diese Achse, was
nach den Ermittlungen an Hand der Abb. 4. erzielt werden mußte.
-
Abb.6 zeigt das Steuerschema für veränderliche Leistung unter Verwendung
von Lenkerkurbelschleifen. Im oberen Teil der Abbildung ist wieder das gleiche Diagramm
dargestellt wie in Abb. 3, während im unteren Teil der Abbildung der ausgezogene
Kreis die Bahn einer Kurbel darstellt, welche ebenso wie in Abb. 3 das Exzenter
für die Betätigung des Schiebers mittels Lenker bewegt. Die Bahn des Exzenters ist
übereinstimmend mit Abb. 3 punktiert eingezeichnet. Insoweit würde dieses Steuerschema
mit demjenigen nach Abb. 3 übereinstimmen und die gleichen Steuerverhältnisse ergeben,
wenn der auf dem ausgezogenen Kreis sich bewegende Kurbelzapfen mit gleichförmiger
Winkelgeschwindigkeit von der Hauptwelle der Maschine angetrieben wird. Von dem
auf dem ausgezogenen Kreise sich bewegenden Kurbelzapfen wird das auf dem punktierten
Kreise sich bewegende Exzenter ungleichförmig angetrieben, wie dies bei Abb. 3 beschrieben
wurde.
-
Um nun zum Zwecke der Leistungsverkleinerung eine Diagrammverkleinerung
zu erzielen, kann auch im vorliegenden Falle, ganz ähnlich wie dies bei Abb. q.
beschrieben wurde, die Achse mit dem Mittelpunkt 111' gegenüber ihrer ursprünglichen
Lage parallel verschoben und verdreht werden. Dabei ergeben sich aber so große Abstände
der Mittelpunkte
111' und :1I" im Verhältnis zum Kurbelradius,
daß die kinematische Verwirklichung, wie dies ebenfalls bei der Abb.4 schon dargelegt
wurde, auf Schwierigkeiten stößt. Bei dem Schema nach Abb. 6 ist daher von der Möglichkeit
Gebrauch gemacht, die mit abnehmender Leistung erforderliche, immer größere Ungleichförmigkeit
dadurch zu erreichen, daß sie als Resultierende zweier hintereinandergeschalteter
Lenkerkurbelschleifen erzielt wird. Dabei wird zweckmäßig als eine Lenkerkurbelschleife
diejenige unverändert benutzt, durch welche der auf dem ausgezogenen Kreis umlaufende
Zapfen das auf dem punktierten Kreise umlaufende Exzenter bewegt, während noch eine
zweite Lenkerkurbelschleife vorgesehen ist, welche den Kurbelzapfen antreibt, der
sich auf dem ausgezogenen Kreise bewegt. Der antreibende Kurbelzapfen dieser Lenkerkurbelschleife
bewegt sich auf dem strichpunktierten Kreise mit gleichförmiger Geschwindigkeit,
wobei er seinen Antrieb von der Hauptwelle erhält.
-
Der Mittelpunkt dieses strichpunktierten Kreises ist auf einem Halbkreisbogen
verstellbar und nimmt dabei die als Beispiele eingezeichneten Lagen MI' , MII'
, MAI' , 111,v', 11v ein. Die Lage MI' deckt sich mit dem Mittelpunkte
M' des ausgezogenen Kreises. In dieser Lage tritt infolgedessen keine Veränderung
des Bewegungsgesetzes ein; der auf dem ausgezogenen Kreise umlaufende Kurbelzapfen,
weicher mittels Lenkerkurbelschleife das auf dem punktierten Kreis umlaufende Exzenter
antreibt, bewegt sich genau so gleichförmig wie der auf dem strichpunktierten Kreise
umlaufende Kurbelzapfen. Die Lenkerkurbelschleife zwischen der strichpunktierten
Bahn und der ausgezogenen Kreisbahn ist also wirkungslos geworden. Es wird dabei
dann das volle, im oberen Teil der Abb. 6 dargestellte Diagramm bei voller Leistung
des Kompressors erzielt.
-
Wird der Mittelpunkt 111,' auf der halbkreisförmigen Bahn in die Lage
MII' gebracht und gleichzeitig die Kurbel des strichpunktierten Kreises um den Winkel
ß gegenüber der Lage, die sie bei der Lage 11.l,' ihres Drehpunktes einnahm, verdreht,
so wird ein Teil der angesaugten Luft unverdichtet wieder ausgeschoben, wodurch
ein Diagramm von kleinerer Fläche bei entsprechend kleinerer Kompressorleistung
erzielt wird. Eine weitere Verkleinerung wird erreicht bei einer Verschiebung in
die Lage i11"; und einer Verdrehung um den Winkel y gegenüber der ursprünglichen
Lage. Eine noch kleinere Leistung ergibt sich in der Lage Mw mit der Verdrehung
um den Winkel d und die kleinste Leistung schließlich in der Lage Mv mit der Verdrehung
um den Winkel e. Für diese Lage ist der strichpunktierte Kreis eingezeichnet und
die für die Steuerung maßgeblichen Punkte Av, BV, Cv, DV sind auf diesem Kreis eingetragen.
Das sich dabei ergebende Diagramm ist auf der linken Seite der Abb. 6 >wiedergegeben.
Entsprechend der Verdrehung der Achse der Kurbel des strichpunktierten Kreises um
den Winkel e erscheint das Diagramm um den Winkel e gegen das Diagramm der vollen
Kompressorleistung geschwenkt.
-
Die Verwirklichung einer Steuerung, welche entsprechend der Abb.6
regelbar ist, stellt die Abb. 7 bis io dar.
-
Das Exzenter ist als Kurbel mit dem Kurbelzapfen 45 ausgebildet, der
sich um 111" der Welle 44 dreht. Diese wird angetrieben durch die Kurbel 22, an
deren Kurbelzapfen 21 der Lenker 46 angreift, dessen anderes Ende v oti dem Zapfen
47 der Kurbel 48 bewegt wird. Diese dreht sich um M' der Welle 49. Die Achse dieser
Welle ist gegenüber derjenigen der Welle 44 um den unveränderlichen Abstand 11'1'-M"
versetzt, der der Abb. 6 zu entnehmen ist.
-
Die Welle 49 wird von der Kurbel 5o mit dem Zapfen 51 gedreht, an
dem der Lenker 52 angreift, dessen anderes Ende von dem Zapfen 53 der Kurbel 54
bewegt wird, die sich mit der Welle 55, auf der sie befestigt ist, gleichförmig
um die Achse MI' -11v dreht.
-
Dabei ist derAbstand der Achseln' von der Achse MI' -MV, wie bei der
Abb. 6 beschrieben wurde, veränderlich von Null, wenn sich diese Achse in der Lage
MI' befindet, bis zu einem größten Abstande, wenn sie sich in der Lage Mv befindet.
-
Diese Veränderung der Lage der Achse 111 -MV und damit der Welle 55,
die sich gemäß der Abb.6 auf einem Halbkreis vollziehen soll, wird da-durch erreicht,
daß die Welle 55 exzentrisch in den beiden Scheiben 56 und 57 gelagert ist, die
durch den zylindrischen Teil 58 miteinander verbunden sind. Werden diese Scheiben
56 und 57 in den sie umgreifenden Bügeln 59 und 6o gedreht, so bewegt sich die Achse
MI' -MV auf einem Kreisbogen. Erreicht kann dies z. B. in der Weise werden, daß
in die mit den Scheiben 56 und 57 fest verbundenen Zahnräder 61 und 62 Zahnsegmente
63 und 64 eingreifen, die von Hand oder mittels eines D_ruckluftreglers verstellt
werden.
-
Fest aufgekeilt auf der Welle 55 ist das Kegelrad. 41, welches von
dem Kegelrad 40 angetrieben wird. Die Welle 65 dieses Kegelrades ist in dem Gehäuse
66 gelagert, welches gleichachsig mit der Welle 55 drehbar an den beiden Scheiben
56 und 57 gelagert ist.
-
Bei der Verstellung der Achse der Welle 55 auf der halbkreisförmigen
Bahn ist die antreibende
Welle 65 gezn-ungen, ihre Lage zu ändern.
Außerdem soll. wie an Hand der Abb.6 dargelegt wurde, bei der Verstellung eine Verdrehung
eintreten. Erreicht wird dies durch di; gelenkige Verbindung mit der von der Hauptwelle
angetriebenen Hülse 67, welche die Abb.7 in einem Schnitt durch die Achse (Abb.
9), in einem dagegen versetzten Schnitt durch die Achse und Abb. io in einer
Draufsicht zeigt. Diese Hülse 67 besitzt eine axiale zylindrische Bohrung, in welcher
die Kugel 68 von gleichem Durchmesser wie die Bohrung axial verschieblich
geführt ist. Die Kugel 68 besitzt zwei Zapfen 69, die winkelrecht zur Achse der
Welle 65 stehen und in Nuten 70 geführt sind. Diese verlaufen nach einer
Schraubenlinie mit nötigenfalls veriinderlicher Steigung und bewirken dadurch, 2
daß bei einer Verstellung der Achs; dl,'-llv bei der die Kugel68 ihre Höhenlage
ändert, eine Verdrehung der Welle 65, des Zahnräderpaares 4o, .41 und damit der
`Felle 55 eintritt, was nach dem Diagramm der Abb.6 erforderlich ist, um die gewünschten
lteuerverhältnisse zu erreichen.
-
Bei der meist großen Entfernung des Kegelrades 4o von der Hülse 67
im Verhältnis zur Abweichung der Achse @17@ -JIv, die winkelrecht zur Welle 65 bei
der Verstellung gegenüber der Mittellage eintritt, treten in sehr geringem 'Maße
an der Hülse 67 Kreuzgelenkbewegungen auf, die diese im allgemeinen auch trotz der
schraubenförmig verlaufenden Nuteil7o zulassen wird. Sollten sie jedoch in Sonderfällen
zu stark sein, so kann das untere Ende der Welle 65 gleichachsig mit der Hülse 67
und axial verschieblich gelagert werden. Dieser untere Teil der Welle 65 muß dann
mit dem oberen durch ein Kreuzgelenk verbunden sein.
-
Durch die Anwendung eines Kreuzgelenkes bewegt sich streng genommen
das Zahnrad 40 nicht mehr völlig gleichförmig. Die Abweichungen von der gleichförmigen
Winkelgeschwindigkeit sind aber so geringfügig bei den zur Länge der Welle 65 geringfügigen
Abweichung des Wellenendes, daß sie auf die Steuerverhältnisse bedeutungslos bleiben.