DE616111C - Vorrichtung zur Erzielung eines gleichfoermigen Ganges an Motorverdichtern mit frei fliegenden Kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Motorverdichter mit frei fliegenden Kolben und betrifft eine Vorrichtung, um solche Motorverdichter in gleichförmigem Gang zu halten, auch wenn sie zwecks Leistungsreglung mit veränderlicher Hublänge arbeiten. Die an sich bekannte Änderung des Kolbenhubes zum Zweck der Änderung der von dem Verdichter gelieferten Luftmenge bringt bei Motorverdichtern der in Rede stehenden Art gewisse Schwierigkeiten mit sich. Diese Schwierigkeiten bestehen in folgendem.

Der Motorkolben wird in der Regel nach Zurücklegung des die Luftverdichtung und den Luftausschub aus dem Verdichterzylinder bewirkenden Hubes durch die in dem toten Raum des Verdichterzylinders zurückgebliebene Druckluft in seine Ausgangsstellung zurückgeführt, wobei gleichzeitig das in dem Motorzylinder befindliche Brennstoffgemisch bzw. die Verbrennungsluft in der bei Brennkraftmaschinen üblichen Art verdichtet wird. Die Leistung, die zur Rückführung des Kolbens notwendig ist, ist im wesentlichen konstant, da ja sowohl der Verdichtungsgrad als auch die Menge der in dem Motorzylinder befindlichen Verbrennungsluft, wenigstens bei Dieselmaschinen, im wesentlichen konstant ist. Nicht konstant ist jedoch bei Änderungen des Kolbenhubes die Energie, welche in der in dem toten Raum des Verdichterzylinders verbleibenden Luft steckt. Denn die Energie ist abhängig von der Luftmenge, die ihrerseits wiederum abhängig ist von dem Kolbenhub, und zwar ist die Luftmenge und somit die in ihr steckende Energie um so kleiner, je größer der Kolbenhub ist. Wenn hier kein Ausgleich geschaffen wird, müssen bei Änderung der Länge des Kolbenhubes auch die Verdichtungsdrücke im Motorzylinder sich so stark ändern, daß ein einwandfreies Arbeiten des Motorverdichters, insbesondere bei starken Belastungsänderungen, nicht möglich ist.

Die beschriebene Schwierigkeit wird gemäß der Erfindung dadurch behoben, daß ein an sich bekannter, besonderer geschlossener Verdichtungsraum, der während des Motorarbeitshubes Verdichtungsarbeit aufnimmt und diese auf dem Kolbenrückhub als Expansionsarbeit wieder abgibt und der vorzugsweise mit inertem (sauerstofffreiem) Gas gefüllt ist, so bemessen wird, daß die Dehnungsarbeit seines Inhalts zusammen mit der Dehnungsarbeit des Verdichterkissens bei allen vorkommenden Totpunktlagen nahezu die gleiche rückwärts treibende Energie ergibt. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, daß die

rückwärts treibende Energie trotz der veränderlichen Hublänge immer innerhalb eines engen Bereichs bleibt, dessen Grenzen siel einerseits aus der Notwendigkeit der Erreichung eines für die Zündung ausreichenden Verdichtungsenddrucks, anderseits aus d_ter Notwendigkeit der Vermeidung übermäßig hoher Drücke und Temperaturen ergeben.

ίο Wie schon oben erwähnt worden ist, sind an sich besondere, geschlossene Verdichtungsräume, die auf dem Motorarbeitshub Verdichtungsarbeit aufnehmen und diese auf dem Kolbenrückhub als Expansionsarbeit wieder !5 abgeben, bei Motorverdichtern mit frei fliegenden Kolben an sich bekannt. Diese bekannten zusätzlichen Verdichtungsräume waren aber weder dazu bestimmt noch dazu geeignet, den Motorverdichter bei Veränderung an seiner Hublänge in gleichförmigem Gang zu halten. Sie fanden bei Motorverdichtern Anwendung, deren Hub ständig annähernd konstant war, und dienten' bei diesen Motorkompressoren entweder als reine Puffer oder ²S als einzige Energiequelle für die die Kolben rückwärts treibende Energie. Irgendein Zusammenhang zwischen ihrer Bemessung und der Bemessung der Verdichterkissen bestand bei den bekannten Einrichtungen nicht. In der Fig. ι der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes im Längsschnitt schematisch dargestellt.

Der Motorverdichter arbeitet als Zweitaktmaschine. Um den Arbeitsgang der Maschine gleichförmig zu gestalten und eine Regelung der durch sie gelieferten Leistung durch Veränderung dieses Hubes zu ermöglichen, ist die Maschine folgendermaßen ausgebildet.

Die Maschine besteht im wesentlichen aus dem mittleren Motorzylinder io (mit Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen für die Verbrennungsladung), an den sich beiderseits die Verdichterzylinder 13 und 14 mit Austrittsöffnungen 15 und 16 und selbsttätige Druckventile für die verdichtete Luft anschließen. Die beiden Kolben 17 und 18 sind als Stufenkolben ausgebildet. Diese weisen in den größeren Verdichterstufen Saugöffnungen auf, welche durch selbsttätige Saugventile 19 und 20 verschlossen sind. Zwischen den Saug- und Druckventilen bleiben nach dem Ausschieben der verdichteten Luft durch die Druckventile die Verdichterkissen 27 und 28 erhalten.

Die kleineren, zu dem Verbrennungszylinder gehörenden Stufen der Kolben 17, 18 sind zylindrisch ausgebohrt. In diese zylindrischen Bohrungen greifen an den Böden der Zylinder 13, 14 befestigte Kolben 34, 35 ein, und zwar so weit, daß an ihren Stirnflächen auch bei ' den größten Arbeitshüben der Stufenkolben noch zylindrische Räume 32, 33 (Ausgleichsräume mit Ausgleichspolstern) bestimmter Größe erhalten bleiben. Die zylindrischen Räume 32, 33 werden vorzugsweise mit einem Gas gefüllt, das zur Verbrennung nicht geeignet ist. Hierdurch vermeidet man in den Räumen 32, 33 Explosionen, die durch Verbrennung von Schmieröl in Gegenwart stark verdichteter und infolgedessen stark erhitzter Luft entstehen könnten.

Als inertes, leicht zu beschaffendes Gas verwendet man beispielsweise das Auspuffgas des Motorzylinders und füllt damit die Räume 32 und 33. ⁷S

Die Räume 32 und 33 sind allseitig geschlossen und von den Arbeitsräumen der Verdichterzylinder bzw.. den Verdichterkissen 27 und 28 unabhängig. Da jedoch zu befürchten ist, daß die feststehenden Kolben 34, 35 und die zugehörigen Bohrungen mit ihren zylindrischen Flächen nicht vollkommen dicht gegeneinander schließen, ist eine Vorrichtung getroffen, um im Innern der Ausgleichsräume eine konstante Menge inerten Gases ständig aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zwecke sind in den feststehenden Kolben34, 35 Kanäle38, 39 angebracht, weiche bei 40, 41 an den zylindrischen Kolbenwandungen ausmünden. Außerdem sind an den zylindrischen Wandüngen der Ausgleichsräume 32, 33 Umlaufsnuten 42, 43 angebracht, welche zu Beginn der Verdichtung in den Verdichterzylinderii den Öffnungen 40, 41 gegenübertreten und damit eine zeitweise Verbindung zwischen den Kanälen 38, 39 und den Ausgleichsräumen 32, 33 herstellen. Wenn die Kanäle 38, 39 mit einem Behälter inerten Gases in Verbindung gesetzt werden, so wird der Behälterdruck jedesmal, wenn die Nuten 42, 43 an den Offnungen40, 41 vorbeigehen — und dies geschieht bei jeder Hinundherbewegung der Kolben —, im Innern der Ausgleichsräume 32, 33 wiederhergestellt, falls dieser Druck durch die unvermeidlichen Verluste unter den des Behälters· gefallen sein sollte.

Die beiden Kolben können mit einer Synchronisiervorrichtungversehen werden, welche beispielsweise aus zwei Zahnstangenpaaren und zwei am Motorzylinder befestigten Zahnrädern bestehen kann.

Wenn nun die Kolbenhübe eine Vergrößerung erfahren, so nehmen die in den als zusätzliche Verdichterräume wirkenden Ausgleichsräumen 32, 33 während der Verbrennungs- und Expansionsperiode des Motors aufgespeicherten Energiemengen zu. Umgekehrt nehmen bei steigenden Kolbenhüben die nergiemengen, die in den Verdichterkissen 27, 28 verbleiben, ab, da ja die bei konstantem Druck ausgestoßenen Luftmengen mit steigenden Kolbenhüben wachsen. Bei einer

Verringerung der Kolbenhübe nehmen dagegen die in den Ausgleichsräumen 32, 33 während des Arbeitshubes des Motors aufgespeicherten Energien ab und die Energien der toten Verdichterräume 27, 28 infolge der Verringerung der bei konstantem Gegendruck ausgestoßenen Luftmenge zu. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Ausgleichsräume (zusätzlichen Verdichterräume) 32, 33 mit Bezug auf die Verdichterkissen 27, 28 derart bemessen, daß die Dehnungsarbeiten der in den Räumen 32, 33 befindlichen Ausgleichskissen zusammen mit den Dehnungsarbeiten der Verdichterkissen 27, 28 bei allen vorkommenden Totpunktanlagen nahezu die gleiche rückwärts treibende Energien ergeben. Hierdurch wird erreicht, daß die Kolben einerseits ständig in diejenige Lage zurückgetrieben werden, bei der sie im Verdichtungsraum (Brennraum) des Motors einen genügend hohen Verdichtungsdruck erzeugen, während andererseits übermäßig hohe Verdichtungsdrücke mit übermäßig hohen Temperaturen_ebenfalls vermieden werden. Es sei noch bemerkt, daß die Anordnung der besonderen Verdichtungsräume am Motorverdichter im Sinne der vorliegenden Erfindung auch noch in anderer Weise getroffen werden kann, als dies an Hand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels dargestellt ist.

Im folgenden sind zur weiteren Klärung des Erfindungsgedankens, beispielshalber an Hand von Diagrammen, die Druck- und Energieverhältnisse dargestellt, die bei einem wirklich ausgeführten, eingehend untersuchten Motorverdichter gemäß der Erfindung vorhanden sind.

Der diesen Untersuchungen unterworfene Verdichter weicht baulich etwas von dem in Fig. ι dargestellten ab. Er besitzt zwei gegenläufige Motorkolben, die je durch eine Kolbenstange auf einem am Außenende gelegenen, einfach wirkenden Verdichterkolben arbeiten. Ein erster Abschnitt des Verdichterhubes liefert Spülluft, die durch entsprechende Schlitze in der Zylinderwand des Verdichters ausgestoßen wird. Nach Schließen dieser Schlitze beginnt der Verdichtungshub des Verdichters (ausgehend vom bereits vorhandenen Spüldruck von rund 0,2 atü).

Auf der ,Rückseite jedes Motorkolbens des der in Rede stehenden Untersuchung unterworfenen Motorverdichters ist der Motorzylinder durch einen Deckel abgeschlossen, durch den die Kolbenstange druckdicht hindurchtritt. Es entsteht damit ein als Ausgleichspolster wirkendes Verdichtungskissen, das jedesmal in der inneren Totpunktlage des Kolbens mit Spül- bzw. Auspuff druck in Verbindung steht, so daß ein etwaiger Undich- ; tigkeitsverlust nach jedem Spiel ausgeglichen wird. Ausgehend von diesem Anfangs druck von etwa 1,2 ata erfolgt beim Auswärtsgang der Kolben eine Verdichtung, die je nach Hublänge verschiedene Enddrücke erreicht, worauf beim Einwärtsgang der Kolben die Rückexpansion in gleicher Weise erfolgt.

Ein solcher Motorverdichter ist für die Entnahme von Indikatordiagrammen eingerichtet worden durch Anbau von Druckentnahmestutzen am Verdichterzylinder und an dem Ausgleichskissen.

Bei dem untersuchten Motorverdichter beträgt der in der äußersten Kolbenstellung noch vorhandene Verdichtungsraum für die

Ver- Aus

dichter- gleichsstufe kissen

Kolbendurchmesser 180 mm 90/35 mm

Kolbenfläche 254cm? 53,9cm³

kleinster Verdichtungsraum 166,8 cm³ 75,5 cm³ kleinster Verdichtungsraum

als Hublänge 6,6mm 14mm

In den Fig. 2 und 4 sind die theoretischen Arbeitsdiagramme des Verdichters und des Ausgleichskissens unter Berücksichtigung obiger Daten aufgezeichnet, und zwar mit dem für Vollast geltenden Ausstoßhub und für einen zwischen Vollast und Leerlauf gelegenen Zwischenwert.

Die Rückwärtsenergie der im Verdichtungsraum jeweils eingeschlossenen Luftmenge ist im Diagramm schraffiert und mit -Ekompr. bzw. i?Ausgi.st. bezeichnet.

In der Ausgleichsstufe beginnt die Verdichtung nach Schließen der Verbindung zur Spül- und Auspuffseite 28 mm nach innerster Kolbenlage. Verdichtungs- und Expansionslinien verlaufen ineinander; die Rückwärtsenergie nimmt von Vollast auf Leerlauf ab. Die Berechnung oder Planimetrierung der Diagramme nach Fig. 2 und 4 ergibt für:

■1'

: 1

in der Stabilisierungsstufe gespeicherte Arbeit Est. 17 > 13,5 > 11 mkg

im Verdichter gespeicherte Arbeit ... E^ 13,5 < 19,0 <; 25 mkg

Summe der Rückwärtsenergie Jitotai 30,5 32,5 36 mkg

Während die Rückwärtsenergie £_k des Kompressors allein von Vollast auf Leerlauf von 13,5 auf 25 mkg, also um 85^σ/ο zunimmt, ändert sich die Summe der Rückwärtsenergien k + Est. nur zwischen den Grenzen 30,5 und 36 mkg, also um i8°/„.

In Fig. 3 ist die Veränderlichkeit der gesamten rückwärts treibenden Energie (E_loUU)

und die der rückwärts treibenden Energien im toten Verdichterraum und im Ausgleichskissen graphisch in Abhängigkeit vom Hub dargestellt.

Die Fig. 5 bis 10 veranschaulichen die Indikatordiagramme, die bei dem Betrieb des in Rede stehenden Verdichters im Verdichterzylinder und im Ausgleichskissen bei Vollast, Halblast und Leerlauf aufgenommen worden sind. Die Rückwärtsenergien sind schraffiert und planimetriert. Nach den gegebenen Maßstäben bedeutet:

für das Verdichterdiagramm ι mm² = 0,392 mkg

für das Diagramm des Verdichterkissens ι mm² = 0 k

Damit ergeben sich die Rückwärtsenergien aus den planimetrierten Diagrammflächen f für:

Vi V₂ ο Last

^AusgLSt. =0,133 f = 18,0 > 14,8 > 12,6 mkg ■Ekompr. = 0,392 f = 15,0 < 21,4 < 25,3 ^mkg

^totai = 33,0 36,2 37,9 mkg

Die Meßpunkte sind in das gerechnete Diagramm (s. Fig. 3) eingetragen. Sie ergeben einen Ausgleich der Rückwärtsenergie bis auf einen Rest von 15%. Ein solcher Ausgleich reicht für die Praxis vollkommen aus, und man kann bei ihm davon sprechen, daß die rückwärts treibende Energie bei allen vorkommenden Totpunktlagen nahezu die gleiche ist.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   ■I. Vorrichtung zur Erzielung eines gleichförmigen Ganges an Motorverdichtern mit frei fliegenden Kolben, die zwecks Leistungsregelung mit veränderlicher Hublänge arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekannter, besonderer geschlossener Verdichtungsraum, der auf dem Motorarbeitshub Verdichtungsarbeit aufnimmt und diese auf dem Kolbenrückhub als Expansionsarbeit wieder abgibt und der vorzugsweise mit inertem (sauerstofffreiem) Gas gefüllt ist, so bemessen ist, daß die Dehnungsarbeit seines Inhalts zusammen mit der Dehnungsarbeit des Verdichterkissens bei allen vorkommenden Totpunktlagen nahezu die gleiche rückwärts treibende Energie ergibt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der besondere Verdichtungsraum durch eine in dem Motorkolben befindliche Ausnehmung und einen in die Ausnehmung eindringenden Kolben gebildet wird, welcher an dem Boden des Kompressorzylinders befestigt ist,
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der besondere Verdichtungsraum durch Kanäle und Schlitze im Arbeits- und im feststehenden Kolben zu Beginn der Verdichtung mit einem Raum bestimmten Druckes, der inerte Gase enthalt, verbunden wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen