DE628049C - Betriebsverfahren fuer Freiflugkolbenverdichter - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM
30. MÄRZ 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 628049 KLASSE 46 a⁴ GRUPPE

-i I

Patentiert im Deutschen Reiche vom 17. Februar 1933 ab

Bei Freiflugkolbenverdichtern, bestehend aus einem Energieerzeuger (in der Regel einer Zweitaktbrennkraftmaschine), einem als Energieabnehmer wirkenden Gasverdichter und einer die Energie übertragenden Flugmasse (Motor- und Verdichterkolben), spielt sich die Energieumsetzung während des Arbeitshubes in der Regel so ab, daß die auf der Motorseite erzeugte Energie zu einem Teil

unmittelbar (unter Verschiebung der Kolben) an das zu verdichtende Gas übertragen wird, während der andere Teil der Energie zunächst zur Beschleunigung der Flugmasse auf dem ersten Teil ihres Hubes benutzt und erst bei der darauffolgenden Verzögerung der Flugmasse an das zu verdichtende Gas abgegeben wird. Die Flugmasse steuert bei ihrem Hinundhergang die Eröffnung und den Abschluß der in der Wand des Motorzylinders angeordneten Öffnungen für den Abgasauslaß und den Frischladungseinlaß (Motorsteueröffnungen) . Die Anpassung der Förderleistung des Verdichters an den jeweiligen Bedarf an verdichtetem Gas geschieht durch Veränderung der Länge des Flugmassenhubes. Diese Hublängenänderungen werden dadurch erzielt, daß man dem Motorbrennraum mehr oder weniger Brennstoff je Arbeitshub zuführt. Einer Hubverkürzung entspricht eine Verringerung der Förderleistung des Verdichters und umgekehrt. Bei der üblichen Anordnung fällt nun diejenige Hubstrecke, während der das Ausschieben des verdichteten Gases aus dem Verdichterzylinder stattfindet, im wesentlichen mit der Hubstrecke zusammen, während welcher die Motortreibgase ihre Expansion beenden und die Motorsteueröffnungen durch die Flugmasse eröffnet werden. Da nun aber der" zu diesem Ausschieben der verdichteten Gase aus dem Verdichter aufzuwendende Energiebetrag wesentlich größer ist, als der während der gleichen Hubstrecke im Motor freiwerdende Energiebetrag, so muß die Ausschiebearbeit zum großen Teil durch die in der Flugmasse aufgespeicherte kinetische Energie gedeckt werden. Dies hat wiederum zur Folge, daß die Verzögerung der Flugmasse in dieser Hubstrecke verschieden stark ist, je nachdem, ob der Verdichter große oder kleine Förderleistung ergeben soll. Diese starke Verschiedenheit in der Verzögerung hat entsprechend große Schwankungen der Kolbengeschwindigkeit in der Nähe des äußeren Hubendes zur Folge. Dies bringt aber den Nachteil, daß die Strömungsvorgänge in den Motorsteueröffnungen ebenfalls starken Änderungen unterworfen sind, da diese Vorgänge von dem Produkt aus Eröffnungsquerschnitt und Zeitdauer der Eröffnung abhängen. Diese Änderungen können die Auswechslung des Motorzylinderinhaltes (Auspuff, Spülung und Ladung) nachteilig beeinflussen.

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Hermann Jänicke in Dessau, Anhalt,

Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß der Ausschub - der verdichteten Gasmenge aus dem Verdichter auch bei Änderung der Fördermenge und des Ausschubdruckes erst nach Beendigung der Expansion im Motorverbrennungsraum erfolgt. Der Ausschub beginnt also erst, nach-• dem die Flugmasse die Steueröffnungen des Motorzylinders in einem für Auspuff, Spülung und Laden ausreichenden Maße freige-' legt hat. Hierbei bleibt die dem Verdichter bis zur Freilegung der Motorsteueröffnungen zuzuführende Energie immer annähernd dieselbe, gleichgültig, ob der Verdichter viel oder wenig Gas fördern soll. Es kann also jetzt eine Veränderung der Förderleistung des Verdichters die Flugmassenbewegung vom Hubbeginn an bis zur Freilegung der Motorsteueröffnüngen nicht schädlich "beeinflussen; infolgedessen bleibt die Durchführung des Motorarbeitsprozesses ungestört, wenn die Förderleistung des Verdichters geändert wird. Die Zeichnung zeigt in Abb. ι ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes, in Abb. 2 und 3 Motor- und Verdichterdiagramme.

Der Freiflugkolbenverdichter nach Abb. 1 besitzt einen Motorzylinder X, in welchen sich die den Brennraum zwischen sich einschließenden Motorkolben 2 gegenläufig bewegen und an den sich beiderseits je ein Verdichr terzylinder 5, 6 mit dem Verdichterkolben 10 anschließt. Jeder Verdichterkolben ist mit dem zugehörigen Motorkolben starr verbunden und bildet mit diesem zusammen die Flugmasse. Die Stirnenden der Motorkolben 2 steuern bei ihrem Hinundhergang die in der Wand des Motorzylinders 1 angeordneten Äuslaßschlitze 4 zum Austritt der Abgase und Einlaßschlitze 3 zur Einführung von Spülluft, Ladeluft, Ladegemisch o. dgl. Die beiden Flugmassen können durch ein "besonderes Getriebe, z.B. Zahnstangen21, 22 mit einem dazwischengeschalteten, unverschieblieh gelagerten Zahnrad 23 so verbunden sein-, daß sie sich zwangsweise stets genau gegenläufig bewegen.' Die Verdichter saugen das zu verdichtende Gas durch die Saugventile 7 an und schieben es durch die Druckventile 8 in die Drückleitung 11, in der es zur Verbrauchsstelle geleitet wird. Die Verhältnisse sind so gewählt, daß das Ausschieben des verdichteten Gases aus den Verdichterzylindern erst beginnt, nachdem die Flugmassen die in der Zeichnung dargestellte Lage erreicht haben, d. h. nachdem die Stirnseiten der Motorkolben 2 die Auslaß- und Einlaßschlitze genügend freigelegt haben.

In Abb. 2 sind das Motordiagramm und das Verdichterdiagramm einer Maschine nach Abb, ι für den Auswärtshub der Flugmassen übereinander gezeichnet dargestellt. Vom Punkte bis B erfolgt im Motorzylinder die Expansion der Verbrennungsgase. Im Punkte beginnt die Eröffnung der Auslaßschlitze 4; der Druck im Motorzylinder sinkt infolgedessen bei der Weiterbewegung der Flugmassen rasch ab bis auf den in der Auspuffleitung herrschenden Gegendruck (Punkt C). Nach dieser Entspannung des Motorzylinderinhaltes beginnt im Punkt C die Eröffnung der Einlaßschlitze 3, und es erfolgt die Spülung und Ladung des Motorzylinders. Der Verdichter ist, z. B. durch entsprechende Wahl der Totraumgröße, so bemessen, daß die beim Hubbeginn (Punkt G) einsetzende Verdichotung sich über eine solche Hublänge erstreckt, daß am Ende der Verdichtung (Punkt H) der den Einlaß steuernde Motorkolben die Einlaßschlitze bereits um einen gewissen Betrag eröffnet hat (Punkt E). Vom Punkt H an beginnt das Ausschieben des verdichteten Gases aus dem Verdichter und dauert bis zum Ende des Flugmassenhubes (Punkt/). Die Stirnseiten der Motorkolben legen dabei noch den Weg E, F zurück; hierbei herrscht im Motorzylinder nur der geringe Spuldruck; eine nennenswerte Energiezufuhr vom Motor zum Verdichter findet also während dieses ■Hubteils nicht mehr statt. Die auf der Strecke go H-J im Verdichter zu leistende Ausschubarbeit muß deshalb fast ganz der kinetischen Energie der Flugmasse entzogen werden. Da die für die Verdichtung (zwischen den Punkten G und H) aufzuwendende" Arbeit von der auszuschiebenden Menge (dargestellt durch die Strecke H-J) unabhängig ist und — bei unveränderlichem Verdichtungsenddruck — immer dieselbe bleibt, so kann dieser Arbeitsbetrag die Steuerung der Ein- und Auslaß- schlitze im Motorzylinder nicht nachteilig beeinflussen.

Falls mit der Regelung der Verdichterleistung zugleich eine Veränderung des Ausschubdruckes erfolgt, wobei also der Punkt H auf der von Punkt G ausgehenden Verdichtungslinien je nach der Förderleistung höher oder tiefer liegt, werden die Verhältnisse zweckmäßig so gewählt, daß die tiefste Lage des Punktes if an eine Stelle zu liegen kommt, bei welcher die Auslaß- und'Einlaßöffnungen bereits geöffnet sind.

In manchen Fällen, z. B. bei Verdichtern mit kleinem Druckverhältnis (Förderdruck: Ansaugedruck), ist es erwünscht, die Hubstrecke, auf weicher sich die Verdichtung vollzieht, im Verhältnis zum Gesamthub kleiner zu halten, als sie sich gemäß Abb. 2 ergibt. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man die Verdichtung nicht am Hubanfang, sondern gemäß Abb. 3 erst nach einer gewissen Hubstrecke im Punkte G' beginnen läßt,

etwa indem man das vom Verdichter angesaugte Gas vom Hubbeginn an bis zu dieser Stelle möglichst widerstandslos wieder aus dem Verdichter ausschiebt. Dies kann geschehen durch Offenhalten der Einlaßglieder 7 des Verdichters während des ersten Teils des Arbeitshubes oder mittels besonderer gesteuerter Auslaßglieder, z. B. mit Hilfe von Rückströmkanälen, die in der Wand des Verdichterzylinders münden und durch welche beim Verdichtungshub das vorher angesaugte Gas so lange zurückströmt, bis der Verdichterkolben ihre Mündung überfährt. Die bis zur Erreichung dieser Hubstelle auf der Motorseite frei gewordene Energie wird hierbei — abgesehen von der kleinen Ausschiebearbeit — völlig als kinetische Energie in den Flugmassen aufgespeichert.

Das Arbeitsverfahren nach der Erfindung

ao ergibt infolge des großen Leerhubes, den die Motorkolben bei normaler Förderung des Verdichters nach Eröffnung der Motorsteueröffnungen (Punkt B) noch zurücklegen (bis Punkt F), sehr günstige Spül- und Ladeverhältnisse, da Auslaß und Einlaß verhältnismäßig lange geöffnet bleiben, zumal der Leerhub mit relativ kleiner Kolbengeschwindigkeit durchfahren wird. Auf für die Wärmeableitung von den heißen Motorkolben und Kolbenringen an die gekühlten Laufbüchsenwände ist der lange Leerhub von großem Vorteil. Von besonderer Bedeutung ist dieses Arbeitsverfahren bei Freiflugkolbenverdichtern mit sehr hoher Frequenz (Zahl der Doppelhübe pro Zeiteinheit) für die Erlangung günstiger Strömungsverhältnisse in den Steuergliedern des Verdichters. Es ist allgemein erwünscht, diese Strömungsgeschwindigkeit zwecks Verminderung der Wirbel- und Drosselverluste in mäßigen Grenzen zu halten. Da beim Erfindungsgegenstand das öffnen der Druckventile erst nach Zurücklegung eines recht beträchtlichen Teils des Gesamthubes, also bei entsprechend geringer Kolbengeschwindigkeit, stattfindet, so wird auch die Strömungsgeschwindigkeit in den Auslaßgliedern des Verdichters entsprechend gering.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Betriebsverfahren für Freiflugkolbenverdichter mit Regelung der Verdichterleistung durch Veränderung des Flugmassenhubes und mit Steuerung des Abgasauslasses und des Frischladungseinlasses mittels der Flugmasse, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschub der verdichteten Gasmenge aus dem Verdichter auch bei Änderung der Fördermenge und des Ausschubdruckes erst nach Beendigung der Expansion im Motorverbrennungsraum erfolgt.

2. Freiflugkolbenverdichter zur Durchführung des Betriebsverfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine für einen wesentlich größeren Hub, als er zur Durchführung des Motorarbeitsverfahrens an sich erforderlich ist, gebaut ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen