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Motorkompressor mit frei fliegendem Kolben und veränderlichem Hub
Die Erfindung bezieht sich auf einen Motorkompressor mit mindestens einem frei fliegenden
Kolben und veränderlichem Hub. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf .Motorkompressoren
der genannten Art mit zwei gegenläufigen Kolben.
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Bei Motorkompressoren der genannten Art ist es schon vorgeschlagen
worden, ein von dem Kompressorraum unabhängiges Kompensationspolster vorzusehen,
dessen Abmessungen derart gewählt sind, daß seine Energie zusammen mit der in dem
toten Kompressorraum vorhandenen Energie bei allen Kolbenstellungen zwischen Leerlauf
und Vollast die Rückführung des Kölbens in die zur Erreichung der erforderlichen
Motorkompression notwendige Stellung bewirkt. Bei den bekannten Einrichtungen der
genannten Art ist der Druck im Kompensationspolster bei jedem Arbeitsspiel des Motors
wesentlichen Änderungen unterworfen, denn die bekannten Polster, deren eigener Inhalt
nicht sehr erheblich ist, sind während des größten Teiles des Kolbenhubes verschlossen,
so daß die Luft in diesen Polstern einer ständig abwechselnden Kompression und Expansion
unterworfen wird.
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Hiermit sind aber eine Reihe erheblicher Nachteile verbunden. Schon
aus theoretischen Gründen läßt sich durch die bekannten Einrichtungen bei einer
Veränderung der Größe des Kolbenhubes nur ein angenäherter, nicht aber ein vollständiger
Ausgleich in der Summe derjenigen Energien erreichen, die den Kolben in die innere
Zündstellung zurück-treiben. Denn derjenige Teil dieser Energie, welcher von der
im toten Kompressorraum zurückbleibenden Druckluft geliefert wird, verändert sich
bei Änderungen des Kolbenhubes in einem Hubenergiediagramm nach einer schräg liegenden
Geraden, während die bei veränderlichem Kolbenhub auftretende veränderliche Energie,
welche in einem geschlossenen Kompensationspolster aufgespeichert wird, in dem genannten
Diagramm durch eine Kurve darsfellbar ist. Bei einem derartigen Verlauf der Energieänderungen
kann naturgemäß die Summe beider Energien, welche zusammen die Rückführung des Kolbens
in seine innere Totpunktstellung bewirken, in dem genannten Diagramm unmöglich genau
durch eine horizontale Linie dargestellt werden, die dem Fall der bei Hubänderungen
gleichbleibenden Rückführenergie entspricht.
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Weiterhin hat die dauernde Kompression und Expansion der im Kompensationspolster
enthaltenen Luft den Nachteil, daß diese
ständig ziemlich hoch erhitzt
wird, womit Energieverluste verbunden sind. Die in den bekannten Kompensationspolstern
aufgespeicherte Wärme wirkt auch ungünstig auf die benachbarten Teile des Kompressors
und des Motors ein.
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Durch die vorliegende Erfindung werden die Nachteile der bekannten
Einrichtungen vermieden. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß das Kompensationspolster
mit einem Raum annähernd konstanten Druckes in Verbindung steht, so daß auch in
dein Kompensationsholster ständig ein annähernd konstanter Druck herrscht. Die Abmessungen
des Kompensationspolsters, in dem der konstante Druck herrscht, und des toten Raumes
des oder der Kompressorzylinder können ohne weiteres derart gewählt werden, daß
bei allen vorkommenden Kolbenstellungen zwischen Leerlauf und Vollast stets mindestens
annähernd die gleiche rückwärtstreibende Energie zur Verfügung steht.
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Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird
der konstante Druck in dem Kompensationspolster von dem Förderdruck des Motorkompressors
abhängig gemacht, indem beispielsweise das Kompensationspolster mit der Förderleitung
des Kompressors in Verbindung steht. Bei Anwendung des Erfindungsgedankens auf mehrstufige
Motorkompressoren ist für die Bemessung des Kompensationspolsters nicht nur die
Menge der in den schädlichen Kompressorräumen enthaltenen Luft, sondern auch noch
die Energie der in den Zwischenbehältern befindlichen Druckluft zu berücksichtigen.
In dem letztgenannten Fall wird das Kompensationspolster zweckmäßigerweise mit dem
Hochdruckbehälter des Kompressors in Verbindung gesetzt, so daß der Druck dieses
Behälters für den Druck im Kompensationspolster maßgebend ist.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß ein Motorkompressor bekannt ist,
bei dem der Kolben durch Luft von konstantem Druck in seine Zündstellung zurückgetrieben
wird. In diesem Fall hat aber die Druckluft nicht eine Kompensationswirkung auszuüben,
d. h. also eine Wirkung, die sich zu einer anderen Wirkung hinzuaddiert, sondern
bei der bekannten Einrichtung wird zugleich mit der Rückführung des Kolbens in seine
Zündstellung die in einem Kompressorzylinder befindliche Luft komprimiert, so daß
die den Kolben zurücktreibende Luft allein sowohl den Kompressionshub des Kompressor-
als auch den Kompressionshub des Motorkolbens zu bewirken hat. Bei der vorliegenden
Erfindung handelt es sich dagegen um ein Zusammenwirken zweier Luftpolster im gleichen
Sinne, nämlich im Sinne der Rückführung des Kolbens in seine Zündlage, und um eine
derartige Ausgleichung beider Polster, daß die Abnahme der Energie des einen Polsters
durch die Zunahme der Energie des anderen Polsters aufgehoben wird.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar zeigen die Fig. i und 2 teilweise im Längsschnitt zwei einstufige Motorkompressoren,
die gemäß der Erfindung ausgebildet sind. Die Fig. 3 und 4 stellen schematisch in
Diagrammform die Wirkungsweise dieser 2Jotorkompressoren dar, während die Fig. 5
und 6 zwei zweistufige Motorkompressoren, die die Merkmale der Erfindung aufweisen,
veranschaulichen.
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In den Fig. i und 2 ist ein einstufiger Hotorkompressor mit gegenläufigem
Kolben dargestellt, der beispielsweise zur Förderung von Luft dient. Sein Gesamtaufbau
ist ini großen und ganzen derselbe wie bei einem Motorkompressor mit Kompensationspolstern
von veränderlichem Druck. Der Motorkompressor besitzt also zwei Motorkolben i, die
synchronisiert sind und sich in demselben Motorzylinder :2 bewegen. Jeder dieser
Motorkolben i ist mit einem Kompressorkolben 3 verbunden, der sich in einem gesonderten
Kompressorzylinder 4 bewegt. Jeder Kompressorzylinder besitzt mindestens ein Einlaßventil
5 und wenigstens ein Druckventil 6. Die Druckventile regeln die Verbindung zwischen
den Kompressorzylindern und einem unter Druck stehenden Luftbehälter Endlich ist
zwecks Bildung der Kompensationspolster ein Zylinderkolbensystem, das einen Zylinder
8 und einen Kolben g umfaßt, vorgesehen,- bei dem das eine Element mit dem aus den
Kolben i und 3 bestehenden beweglichen Aggregat verbunden ist, während das andere
Element des Systems von dein Boden des Zylinders getragen wird.
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Anstatt jedoch wie bisher die Kompensationspolster derart anzuordnen,
daß sie während des größeren Teiles der Kolbenhübe geschlossen sind, werden die
Kompensationspolster erfindungsgemäß direkt mit dem Behälter 7 verbunden, damit
dort ständig ein Druck herrscht, der im wesentlichen dein Förderdruck gleich ist.
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Die schematischen Diagramme der Fig.3 und 4 veranschaulichen die Wirkungsweise
eines derart ausgebildeten Motorkompressors. Der rechte Teil der Fig. 3 stellt das
Diagramm des Kompressorzylinders 4 dar, und zwar bedeutet a-b die Kompresslonslinie
der in dem Kompressorzylinder komprimierten Luft. Die Gerade b-c ist die Ausschublinie,
bei der der Druck konstant ist. Die Entspannung der Luft, die nach dem Förderhub
in
dem Konipressorzylinder verbleibt, wird durch die Kurve d-d veranschaulicht, w ährend
die Linie d-a das Ansaugen der äußeren Luft in den Kompressionszylinder darstellt.
Die Größe der Fläche c, d, e ist ein Maß für die Energie, die das im schädlichen
Raum des Kompressors befindliche Luftpolster während der rücklaufenden Bewegung
des Kolbenaggregates an dieses abgibt.
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Hierbei sei darauf hingewiesen, daß die Änderungen des Kolbenhubes
zwischen Leerlauf und Vollast innerhalb der Strecke b-c liegen. Wenn bei Leerlauf
der Kolben nur bis zum Punkte b bewegt wird, hat das in dem Kompressorzylinder an
der Rückführung der Kolben in ihre Ausgangstellung beteiligte Luftpolster seinen
größten Energieinhalt, der gleich der Kompressionsenergie ist. Dagegen ist die Energie
der im schädlichen Kompressorraum verbleibenden Luft gleich Null, wenn der schädliche
Raum Null ist. Der letztgenannte Fall tritt naturgemäß praktisch nientals ein. Die,
genannte -überlegung ergibt jedoch, daß wegen des konstanten Ausstoßdruckes der
Luft aus dem Kompressorzylinder die in dieser Luft enthaltene Energie nach einer
geraden Linie veränderlich ist, und- zwar ist die Energie um so größer, je geringer
der Kolbenhub ist. In Fig. d. stellt die Linie o-p die Energie des in dein toten
Kompressorraum zurückbleibenden Luftpolsters in Abhängigkeit von der Größe des Kolbenhubes
dar.
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Der linke Teil der Fig. 3 stellt die Arbeit dar, die die unter konstantem
Druck stehende Luft des Kompensationspolsters 8 leistet. Diese Arbeit wird durch
das Produkt des Druckes auf die Stirnfläche des Kolbens 9 und des Weges, den der
Kolben während seines Rückwärtshubes zurücklegt, dargestellt. Je größer nun der
Hub des Kolbens ist, um so größer ist auch die von dem Kompensationspolster geleistete
Arbeit und umgekehrt.
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In Fig. 4 ist die von dem Kompensationspolster geleistete Arbeit in
Abhängigkeit von dem jeweiligen Hub durch die Linier-s dargestellt, wobei bemerkt
sei; daß derjenige Teil der Linie r-s, der rechts von der Vertikalen b-p liegt,
praktisch bedeutangslos ist, da j a der kleinste Hub des Motorkolbens durch den
Punkt b charakterisiert ist.
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Wie nun aus Fig.:I ersichtlich ist, ist in dein Bereich zwischen dem
nur theoretische Bedeutung besitzenden Punkt o bis zu dem kleinsten Hub, der durch
den Punkt b gekennzeichnet ist, die Summe aus der Arbeit des toten Kompressorraumes
(dargestellt durch die Linie o-p) und des Kompensationspolsters (r - Vertikale b-p)
bei entsprechender Dimensionierung der Kolben 3 und 9 sowie der schädlichen Räume
des Kompressorzylinders 4 ständig praktisch konstant. Diese Summe ist in dem genannten
Hubbereich durch die Linie r-t . (Fig. 4) dargestellt. Das Kolbenaggregat 1, 3,
9 wird also stets mit mindestens annähernd konstanter Energie in die Zündstellung
des Motorkolbens i zurückbewegt, so daß ein stabiles Arbeiten der Maschine gewährleistet
ist.
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Es ist noch darauf hinzuweisen, daß bei der, soeben beschriebenen
Ausführungsform der Umstand, daß dieKompensationspolster unter dem Druck des Behälters
7 stehen, zweckmäßigerweise dazu benutzt werden kann, die gesamte, durch den Kompressor
geförderte Luft durch die genannten Polster zu leiten. Wenn, wie in Fig. a dargestellt
ist, der Zylinder 8 im Innern des Hotorkolbens angeordnet ist, wird im Innern des
Polsters ein Rohr io vorgesehen, durch welches die geförderte Luft strömen muß,
um entweder in die Polster zu gelangen oder aus ihnen austreten zu können. Dieses
Rohr erhält eine solche Länge, daß seine Offnung sich am Ende des Arbeitshubes des
Motorkolbens in der -Nähe des Bodens des Zylinders 8 befindet, also in der Nähe
des Kolbenbodens des entsprechenden Kolbens i. Die geförderte Luft kühlt dann den
Motorkolben und vor allein dessen -Boden, wobei diese Kühlung noch durch Rippen
am Boden des Zylinders 8 gefördert werden kann.
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Die genaue Kompensation der Rückführarbeiten für einen gegebenen Motorkompressor
läßt sich natürlich nur für einen einzigen Wert der Förderdrücke erreichen. Wenn
der Motorkompressor jedoch geschickt dimensioniert ist, so wird in den meisten Fällen
eine durchaus befriedigende Kompensation erzielt. Im übrigen läßt sich ohne Rücksicht
auf die Förderdrücke durch eine geeignete Anzahl von Stufen stets eine zufriedenstellende
Kompensation erzielen.
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In Fig. 5 ist die Anwendung des Erfindungsgedankens auf einen zweistufigen
Kompressor dargestellt. Hier stellen der Zylinder 8 und der Kolben 9 die zweite
Stufe des Kompressors dar, welche mit der ersten Stufe 3, 4. über einen Zwischenbeh4lter
7 verbunden ist. Der Hochdruckzylinder 8 ist mit einem Ansaugventil i i und einem
Druckventil12 versehen, welch letzteres zu detn Hochdruckbehälter 13 des Kompressors
führt. Zur Bildung des Kompensationspolsters ist der Kolben 9 mit einer Bohrung
14 versehen, während am Boden des Zvlinders 8 ein Rohr 15 befestigt ist. Der Boden
der Bohrung 14 bildet den Kolben des Kompensationspolsters, während das Innere der
Bohrung 14 und des Rohres 15 den Zylinder des Kompensationspolsters darstellen.
Mit dem Inneren des Rohres 15 steht der Hochdruckraum des
Kompressors
durch eine gewöhnliche Durchgangsöffnung 16 in Verbindung.
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Der Durchinesse"r der Bohrung 14 ist derart gewählt, daß der konstante
Druck, der in dem Kompensationspolster herrscht, zusammen mit der Energie der Luft,
die in den toten Räumen der Kompressorzylinder verblieben ist, und zusammen mit
der Energie des Zwischenbehälters, die beim Saughub auf den Hochdruckkolben 9 wirkt,
bei allen vorhandenen Hüben zwischen Leerlauf und Vollast eine konstante rückwärtstreibende
Energie ergibt.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 kann derart abgeändert werden, daß,
ähnlich wie dies in Fig.2 dargestellt ist, die von dem Hochdruckzylinder geförderte
Luft durch das Kompensationspolster hindurchgeleitet wird, das in dem von der Bohrung
14 und dem Rohr 15 gebildeten Raum vorhanden ist. Eine solche Ausführungsform ist
in Fig. 6 dargestellt.
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Zweckmäßigerweise wird im Inneren des Polsters ein Rohr 17 analog
zu dem Rohr 1o a ngeordnet, durch welches die geförderte Luft strömen muß, um entweder
zu dein Polster zu gelangen oder aus ihnen heraustreten zu können. Dieses Rohr 17
besitzt eine derartige Länge, ° daß seine öffnung sich in der Nähe des Bodens der
Bohrung 14, also in der Nähe des Bodens des entsprechenden Kolbens i befindet, sobald
der Kolben das Ende seines Arbeitshubes erreicht hat.
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Um die Kühlung, die durch das Strömen der Luft gegen den Boden des
Kolbens i hervorgerufen wird, noch wirksamer zu machen, wird zweckmäßigerweise der
Boden der Bohrung 14 noch mit Rippen iS versehen.
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Die Wirkungsweise der in oben beschriebener Weise hergestellten Motorkompressoren
dürfte aus Vorstehendem ohne weiteres ersichtlich sein, so daß sich ein näheres
Eingehen hierauf erübrigt.
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Natürlich beschränkt sich die Erfindung, wie ja schon aus Obigem heivorgebt,
keineswegs nur auf die hier genannten Ausführungen und Anwendungsgebiete, sondern
umfaßt vielmehr alle Varianten.