DE720087C - Flugkolbenverdichter, insbesondere Flugkolben-Treibgaserzeuger, mit mindestens einer doppelt wirkenden Verdichterstufe und mit veraenderlichem Foerderdruck - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flugkolbenverdichter, insbesondere Flugkolbentreibgaserzeuger, mit mindestens einer doppelt wirkenden Verdichterstufe und mit veränderlichem Förderdruck. Hierbei wird unter einer doppelt wirkenden Verdichterstufe eine solche Verdichterstufe verstanden, deren Verdichterkolben auf seinen beiden Seiten mindestens annähernd die gleiche Verdichtungsleistung

«ο hat.

Bei einem Freiflugkolbenverdichter der genannten Art liegen die für die Aufrechterhaltung des stabilen Ganges des Verdichters maßgebenden Verhältnisse wesentlich anders als bei gewöhnlichen Freiflugkolbenverdichtern mit einfach wirkenden Verdichterkolben. Es sei hierbei bemerkt, daß ein einfach wirkender Verdichterkolben auch dann vorliegt, wenn die dem eigentlichen Verdichterraum abgewandte Kolbenseite zur Verdichtung von üblicher Spülluft dient, deren Verdichtungsdruck nur um wenige Zehntel Atmosphären über dem Druck der Außenluft liegt. Die für die Verdichtung der Spülluft erforderliche Verdichtungsleistung ist derart gering gegenüber der im Hauptverdichtungsraum geleisteten Verdichtungsleistung, daß die Spülluftverdichtung auf den stabilen Gang des Verdichters keinen wesentlichen Einfluß hat.

Ganz anders ist jedoch die Sachlage bei einem Flugkolbenverdichter mit mindestens einer doppelt wirkenden Verdichtungsstuife. Hier muß ein sehr erheblicher Teil; der Verdichtungsarbeit, der vielfach die Hälfte der insgesamt geleisteten Verdichtungsarbeit des Flugkolbenverdichters darstellt, auf dem Rückhub geleistet werden, der "bei den üblichen Verdichtern im wesentlichen nur die Motorkompression zu bewirken hat.

Die Lösung der Stabilisierungsfrage bei einem Flugkolbenverdichter mit mindestens einer doppelt wirkenden Verdichterstufe er-

fährt eine weitere Erschwerung noch dadurch, daß der Förderdruck veränderlich sein soll. Durch die vorliegende Erfindung wird eine befriedigende Lösung der vorstehend darge^ legten Aufgabe geschaffen. Gemäß der Erfindung dienen zur Lieferung der auf dem Kolbenrückhub zu leistenden Arbeit das äußere Totraumpolster des oder der Verdichterzylinder, ferner mindestens ein pneumatischer Energiespeicher und schließlich der Förderdruck des Verdichterteils, der auf die Brennkraftkolbenrückseite zur Wirkung gebracht wird.

An sich ist die Verwendung sämtlicher drei Größen zur Rückführung von Flugkolben in ihre innere Totpunktstellung bekannt. Neu ist jedoch die Kombination dieser drei Größen zur Lieferung der Rückführarbeit in dem speziellen Fall eines Flugkolbenverdichters ao mit mindestens einer doppelt wirkenden Verdichterstufe und mit veränderlichem Förderdruck.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht, und zwar ist Fig. ι eine schematische Schnittdarstellung durch einen Treibgaserzeuger gemäßt einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Schaubild zur näheren Erläuterung der Erfindung, während Fig. 3 einen Axialschnitt durch einen Treibgaserzeuger gemäß einer zweiten Ausführungsfoirm der Erfindung veranschaulicht.

Die in der Zeichnung dargestellten Treibgaserzeugerbesitzen sämtlich mindestens einen doppelt wirkenden Verdichterteil. Die Treibgaserzeuger sind in üblicher Weise, wie dies aus der Darstellung der Fig. 1 hervorgeht, mit einem Brennkraftzylinder 1 ausgerüstet, in dem zwei gegenläufige Kolben 2 arbeiten, die durch Stangen 3 an Verdichterkolben 4 angeschlossen sind.

Bei der Ausführungsfomi nach Fig. 1 ist jeder der beiden Verdichterkolben 4 ein doppelt wirkender Kolben und arbeitet in einem Zylinder 5, der mit Steuerorganen, beispielsweise Saugventilen6 und Druckventilen/, ausgerüstet ist. Die in den Zylindern 5 verdichtete Luft gelangt, nachdem sie durch die Druckventile 7 ausgeschoben ist, in einen Be-So halter 8, der den Brennkraftzylinder 1 umschließt. Die Rückseite der Brennkraftkolben 2 ist mit dem Innern des Behälters 8 in freier Verbindung, so daß der in diesem Behälter wirkende Förderdruck des Verdichterzylinders 5 auf die Rückseite der Brennkraftkolben wirkt.

Die verdichtete Luft gelangt aus dem Behälter 8 durch Einlaßöffnungen 9 in den Brennkraftzylinder selbst hinein, sobald die Einlaßöffnungen von einem der Kolben 2 in der Nähe ihrer äußeren Totpunktstellung freigegeben sind. Der Auspuff der Verbrennungsgase und des Spülluftüberschusses geschieht durch Aiislaßöffmingen ι o, die durch den anderen Brennkraftkolben freigegeben werden. Der Förderdruck eines solchen Treibgaserzeugers, d. h. also der Druck des das Treibgas bildenden Gemisches aus Verbrennungsgasen und Spülluft in dem Auspuff 10, ist praktisch gleich dem Druck der Speiseluft des Brennkraftzylinders, wobei dieser Speisedruck praktisch gleich dem Förderdruck des Verdichterzylinders 5 ist.

Ferner ist jedem Freiflugkolbenaggregat ein pneumatischer Energiespeicher zugeordnet, der durch einen Kolben 11', welcher mit dem zugehörigen Freifiugkolbenaggregat verbunden ist, und einen Zylinder 11 gebildet wird, in welch letzterem der Kolben 1 i' gleitbar ist.

Bei einer solchen Maschine ist die gesamte Verdichtungsarbeit, welche während des Rückhubes jedes Freiflugkolbenaggregats geleistet werden muß, gleich der Summe der Verdichtungsarbeit T₁, die durch die Seite S₁ des Kolbens 2 in dem Zylinder 1 geleistet wird, und der Verdichtungsarbeit 7"«, die von der Seite S₂ des Verdichtungskolbens 4 in dem Zylinder 5 geleistet wird.

Die Antriebsenergien, die während des Rückhubes des Freiflugkolbenaggregats wirksam werden, bestehen aus der Energie T₃, welche sich aus der Wirkung des Speisedruckes des Brennkraftzylinders auf die Rückseite S₃ des Brennkraftkolbens 2 ergibt, ferner aus der Energie T₁, die von der in dem toten Raum des Zylinders 5 enthaltenen Luft geliefert wird, welche ihren Druck auf die Seite S₄ des Verdichterkolbens 4 ausübt, und schließlich aus der Energie Tr₁, weiche durch den zugehörigen pneumatischen Energiespeicher geliefert wird, dessen wirksamer Querschnitt gleich Sg ist.

Die Abmessungen und die Druckverhältnisse der Maschine gemäß der Erfindung, insbesondere die volumetrischen und manometrisehen Verhältnisse ihrer Energiespeicher und die Abmessungen der Flächen S₂, S₃, S₄, S;, werden mit Bezug auf die Fläche S₁, welche durch die von dem Brennkraftteil abzugebende Leistung bestimmt ist, derart gewählt, daß die Summe der Energien T₃, T₄ und T₃ bei den verschiedenen Werten, die der Speisedruck des Zylinders 1 annehmen kann, immer zwischen zwei bestimmten Grenzen bleibt. Die eine Grenze ist dadurch gegeben, daß die genannte Energiesumme ausreichen muß, um die Verbrennungsluft im Brennkraftzylinder auf den für die Zündung beispielsweise im Dieselverfahren notwendigen Mindestdruck zu verdichten, während die andere Grenze dadurch bestimmt ist, daß der Verdichtungsenddruck im Brennkraftzylinder keine Werte

annehmen darf, bei denen die entwickelten Drücke und Temperaturen eine Gefährdung der Maschine darstellen.

In .dem Schaubild der Fig. 2 stellen die S Abszissen den Speisedruck dies Brennkraftzylinders 1 dar, und zwar ist angenommen, daß der Speisedruck zwischen 1 und 4 Atm. veränderlich ist. Die Ordinaten stellen die Verdichtungs- oder die Antriebsleistungen dar.

- In das Schaubild der Fig. 2 ist eine Kurvenschar eingezeichnet, deren einzelne Kurven durch .die Ziffern 30,' 40, 50 und 60 gekennzeichnet sind. Diese Kurven veranschaulichen die Summe der Arbeiten T₁ und T₂ bei den verschiedenen Enddrücken im Zylinder 1 von 30, 40, 50 und 60 Atm. in Abhängigkeit von den Speisedrücken des Brennkraftzylinders. Ferner enthält das Schaubild der Fig. 2 drei Kurven Ä, B und C, welche die Arbeiten T₃, T₃ -{- T₄^ und 7"₈ -j- 7^₄ -|- T₅ veranschaulichen.

Die Kurve C beruht auf der Voraussetzung,

daß 'die von dem zusätzlichen Energiespeicher 11 gelieferte Energie T₅ dadurch, daß der Anfangsdruck in dem Energiespeicher konstant gehalten wird, ebenfalls bei allen Förderdrücken konstant bleibt. Die Unveränderlichkeit der Energie T₅ ergibt sich aus: der Parallelität der Kurven B und C. _

Wenn die Maschine bei allen Speisedrücken zwischen: ι und 4 Atm. befriedigend arbeiten soll, muß die Kurve C,- welche die Summe der Arbeit T₃ -j-T₄-J-T₅ darstellt, ständig oberhalb derjenigen Kurve der Kurvenschar T₁ -j- T₂, beispielsweise oberhalb der Kurve 30, bleiben, unterhalb welcher der Verdichtungsdruck im Brennkraftzylinder für die Zündung des Brennstoffes nicht mehr ausreichen würde. Andererseits darf die Kurve C auch die Kurve 60 nicht überschreiten, da ein .Überschreiten der Kurve 60 mit dem Auftreten zu hoher Verdichtungsdrücke im Brennkraftzylinder gleichbedeutend wäre.

Es ist aus der Fig. 2 ersichtlich, daß sich diese Bedingung bei der der Fig. 2 zugrunde liegenden Maschine nicht über den ganzen Druckbereich zwischen 1 und 4 Atm. erreichen läßt, wenn die von dem zusätzlichen pneumatischen Energiespeicher gelieferte Rückführarbeit T₅ bei allen Drücken konstant bleibt.

Jedoch wird die genannte Bedingung in dem Druckbereich zwischen 2 und 4 Atm. bei Konstanthaltung der Energie T₅ erfüllt. Nur unterhalb eines Förderdruckes von 2 Atm. muß durch Veränderung der von dem pneumätischen Energiespeicher gelieferten Rückführenergie in der weiter unten näher erläuterten Weise für die Umformung der Kurve C in die Kurve C gesorgt werden.

Weiterhin wird bekanntlich der beste Wirkungsgrad in einem Brennkraftzylinder dann erzielt, wenn der- Verdichtungsenddruck in diesem Zylinder innerhalb eines verhältnismäßig engen Bereiches bleibt. Wenn beispielsweise der für den Wirkungsgrad günstigste Verdichtungsenddruck im Brennkraftzylinder bei 40 Atm. liegt, so empfiehlt es sich, dafür zu sorgen, daß die Kurve C bei den am häufigsten vorkommenden Arbeitsdrücken, beispielsweise im Bereich zwischen 3 und 4 Atm., in der Nähe der Kurve 40 der Kurvenschar T₁ -j- T₂ liegt.

Zur Erreichung dieser Wirkung müssen die volumetrischen und manometrischen Charakteristiken der Energiespeicher 11 und ebenso die Querschnitte S₂, S₃ und S₄, deren Größen von den Querschnitten der Stangen 3 und der Kolben 11' abhängen, entsprechend bestimmt werden. ;

Bei der Maschine, deren Wirkungsweise dem Schaubild der Fig. 2 zugrunde liegt, ist der Verdichtungsenddruck im Brennkraftzylinder bei einem Speisedruck von 3 Atm. beispielsweise gleich 39 Atm. Dieser Verdichtungsenddruck schwankt zwischen den Speisedrücken von 2 bis 4 Atm. zwischen den ⁸S Grenzen $7 Atm. (bei einem Speisedruck von 2 Atm.) und 38 Atm. (bei einem Speisedruck von 4 Atm.). Der Verdichtungsenddruck im Brennkraftzylinder bleibt also bed einem Speisedruck zwischen 3 und 4 Atm., d.h. also im Bereich der am häufigsten vorkommenden Speisedrücke, fast unveränderlich.

Um nun bei Speisedrücken des Brennkraftzylinders unterhalb von 2 Atm., d.h. bei Drücken, die vor allem beim Anlassen und in der Übergangsperiode bis zur Erreichung des normalen Betriebszustandes der Maschine auftreten, ein übermäßiges Anwachsen der Summe der die Rückführung der Kolben bewirkenden Rückführenergien zu- verhindern, wird der Anfangsdruck in dem Energiespeicher 11 unterhalb des Speisedruckes von 2 Atm. in Abhängigkeit von diesem Speisedruck verändert. Die Veränderung wird zweckmäßigerweise derart vorgenommen, daß der Verdiehtungsenddruck im Brennkraftzylinder annähernd konstant gehalten wird, wie dies durch die Kurve C veranschaulicht ist.

Um den Anfangs druck in dem Energiespeicher 11 unterhalb des Speisedruckes von beispielsweise 2 Atm. in Abhängigkeit von dem Förderdruck des Verdichterzylinders 5 zu verändern, oberhalb des genannten Druckes aber unveränderlich zu halten, dient beispielsweise die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung. ^U5 Gemäß dieser Figur ist an eine in der Wand des 'Energiespeichers 11 vorgesehene und in der inneren Totpunktstellung des Speicherkolbens 11' freigegebene Öffnung 11" ein Behälter« !angeschlossen, in dem ständig ein ^lao bestimmter Luftdruck herrscht. In einer Erweiterung & der Verbindungsleitung i zwischen

der öffnung 11" und dem Behälter α befindet sich ein Nadelventil d, das an einen Kolben e angeschlossen ist, der in einem Zylinder g verstellbar ist. Der Kolbene steht auf seiner einen Seite unter der Wirkung einer Feder/ und auf seiner anderen Seite unter der Wirkung des Luftdruckes in dem an den. Verdichterzylinder angeschlossenen Zwischenbehälter c, der mit dem. Zylinder g durch eine ίο Leitungh verbunden ist.

Zu Beginn des Betriebes, wenn in dem Behälter c noch kein Luftdruck vorhanden ist, ist das Ventil d unter der Wirkung der Feder / fast völlig geschlossen, so daß die Druckluft bei dem Strömen vom Behälter α zu der Öffnung 11" stark gedrosselt wird. Infolgedessen ist der Anfangsdruck in dem Energiespeicher 11 und somit die Leistung dieses Energiespeichers gering. Wenn, jetzt in der Übergangsperiode zum normalen Betrieb der Druck in dem Behälter c ansteigt, öffnet dieser Druck allmählich durch seine Wirkung auf den Kolben e das Ventil d. Infolgedessen nimmt die durch das Ventil d bewirkte Drosselung ab, und der Anfangsdruck im Energiespeicher 11 nimmt allmählich zu. Infolgedessen steigt die Summe der Rückführenergie nach der Kurve C in der Fig. 2 an.

Wenn im Behälter c der Druck von 2 Atm.

erreicht ist, wird das Ventil^ so weit geöffnet, daß jede Drosselwirkung aufhört und von nun ab der volle Druck des Behälters α konstant gleich dem Anfangsdruck im Energiespeicher 11 ist. Die Kurve C geht nunmehr in die

3S Kurve C über.

Zum leichteren Verständnis der Erfindung sind in den vorstehenden Ausführungen nur die Änderungen der Arbeiten T₁ bis T₅ betrachtet worden, welche ihren Grund in einer Änderung des Speisedruckes des Zylinders 1 haben. Dagegen ist der Einfluß der Änderungen der Hublänge der Kolben noch nicht berücksichtigt worden. In Wirklichkeit bringen jedoch die Änderungen der Hublängen bei einem bestimmten Wert des Speisedruckes des Brennkraftzylinders ebenfalls gewisse Änderungen der betrachteten Arbeitsleistungen mit sich.

Aus dem Schaubild der Fig. 2 ist ersichtlieh, daß der Hauptteil der Rückführenergie durch den Energiespeicher 11 geliefert wird. Andererseits wird der größte Teil der Widerstandsarbeit für die Verdichtung der Luft! durch die Seite S₂ verbraucht. Eine Verringerung des Kolbenhubes, d.h. eine Verlegung des äußeren Totpunktes nach dem Innern der Maschine zu, bringt sowohl eine Verringerung der Antriebsarbeit, die von dem Energiespeicher geliefert wird, als auch eine Verringerung der Widerstandsarbeit mit sich, die durch' die Kolbenseite So absorbiert wird.

Beide Verringerungen sind von gleicher Größenordnung. Man kann daher durch geeignete Bemessung der obengenannten variablen Größen der Maschine und insbesondere der Energiespeicher 11 immer erreichen, daß der Verdichtungsenddruck im Brennkraftzylinder zwischen den Grenzen, die praktisch für den Speisedruck in Frage kommen, durch die Veränderung des Kolbenhubes keine wesentliche Beeinflussung erfährt.

Die vorstehend geschilderten Maßnahmen gemäß der Erfindung, welche an Hand eines Treibgaserzeugers mit zwei symmetrisch angeordneten, doppelt wirkenden Verdichterteilen erläutert sind, gelten in der gleichen Weise auch für Ftogkolbenverdichter mit doppelt wirkendem Verdichterteil.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Treibgaserzeuger nur einen doppelt wirkenden Verdichterteil auf, der auf der einen Seite des Brennkraftteils angeordnet ist. Ferner ist die Maschine mit zwei pneumatischen Energiespeichern mit gleichem Anfangsdruck versehen. Diese Energiespeicher sind symmetrisch zu beiden Seiten des Brennkraftteils angeordnet.

Bei einer Maschine der letztgenannten Art sind die Leistungen, die das zwischen den gegenläufigen Kolben vorgesehene Synchronisierungsgestänge von der einen Maschfoienseite auf die andere zu übertragen hat, viel geringer als bei einer Maschine, bei der der größte Teil der Rückführenergie der Freiflugkolben von einem einzigen pneumatischen Energiespeicher geliefert wird, der nur mit einem der Brennkraftkolben unmittelbar zusammenarbeitet, während er seine Energie auf den anderen Kolben durch das Synchronisierungsgestänge übertragen muß.

Eine Maschine, die den vorstehenden Ausführungen entspricht, ist in Fig. 3 dargestellt. Die Maschine nach Fig. 3 ist mit einem Brennkraftzylinder 1 versehen, der Einlaßöffnungen 9 und Auslaßöffnungen 10 aufweist. In dem Brennkraftzylinder arbeiten zwei Brennkraftkolben 2¹ und 2², die untereinander durch ein Synchronisierungsgestänge verbunden sind. Letzteres besteht beispielsweise no aus Schubstangen 12, die mit ihren äußeren Enden an den gegenläufigen Kolben angreifen, während ihre inneren Enden an hin und her schwingenden Kurbelarmen oder Hebeln 13 angelenkt sind.

Mit einem der Brennkraftkolben, beispielsweise mit dem Kolben 2¹, ist ein Verdichterkolben 4 mittels einer Stange 14 verbunden. Der Verdichterkolben 4 ist doppelt wirkend und arbeitet in einem Zylinder 5. lso

Ferner gehörein zu der Maschine nach Fig.3 zwei pneumatische Energiespeicher, deren

Energieinhalt mindestens im normalen Betrieb im wesentlichen konstant ist. Auf jeder Seite des Briennkraftzylinders ι ist ein Energiespeicher angeordnet. Die Energiespeicher bestehen beispielsweise aus den Zylindern 15¹ und IS²J 'die in das Innere der Freiflugkolben hineingearbeitet sind. Die Zylinder 15¹ und 15² arbeiten mit festen Kolben 16¹ und 16² zusammen. Dasi Innere dieser festen Kolben ist hohl, so daß die Zylinder 15¹ und 15² durch das Innere der genannten Kolben hindurch gespeist werden können und ferner das Innere der festen Kolben die Rolle von Anlaßluftbehältern spielen kann.

In der Seitenwand des doppelt wirkenden Verdichterzylinders sind Ansaugventile 17 vorgesehen, während die verdichtete Luft aus dem Verdichterzylinder durch Druckventile 18¹ und 18² herausbefordert wird. Dabei gelangt

so die von der Seite S₂ des Verdichterkolbens 4 verdichtete Druckluft durch die Druckventile 18¹ unmittelbar in das Gehäuse 8, während die von der Seite S₄ des Verdichterkolbens verdichtete Luft durch Druckventile 18² ausgestoßen wird und durch eine Leitung 19 dem Gehäuse 8 zugeleitet wird. Die Druckventile 18¹ und 18² sind zweckmäßigerweise auf zwei Scheiben 5¹ und s² befestigt, welche die Deckel des Verdichterzylinders 5 bilden.

Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß im vorstehenden nur Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind, auf welche die Erfindung nicht beschränkt ist.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Flugkolbenverdichter, insbesondere Freiflugkolbentreibgaserzeuger, mit mindestens einer doppelt wirkenden, zu beiden Seiten des Verdichterkolbens etwa gleiche Verdichtungsleisrungen besitzenden Verdichterstufe und mit veränderlichem Lieferdruck, dadurch gekennzeichnet, daß die die Flugkolben in ihre Motorverdichtungsendstellung zurückführende Energie durch das Zusammenwirken mindestens eines an sich bekannten pneumatischen Energiespeichers, des äußeren Totraumpolsters des Verdichterzylinders und des auf die Brenrikraftkolbenrückseite wirkenden Forderdruckes des Verdichterteils erzeugt wird.
2. 2. Flugkolbenverdichter, insbesondere Flugkolbentreibgaserzeuger, nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine derartige Regelung des Anfangsdruckes in dem oder den pneumatischen Energiespeichern, daß dieser Anfangsdruck im Hauptbereich der veränderlichen Förderdrücke unveränderlich ist, dagegen in der Anlaßperiode und in der Periode, in der die Förderdrücke unterhalb ihres Hauptbereiches liegen, in Abhängigkeit von dem Förderdruck veränderlich ist.
3. 3. Flugkolbenverdichter, insbesondere Flugkolbentreibgaserzeuger, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die pneumatischen Energiespeicher über ein in Abhängigkeit von dem Speisedruck des Brennkraftzylinders oder dem 7<> Förderdruck des Verdichters gesteuertes Druckminderventil an einen Raum angeschlossen sind, in dem ein unveränderlicher Überdruck herrscht.
4. 4. Flugkolbenverdichter, insbesondere Flugkolbentreibgaserzeuger, mit gegenläufigen Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur auf der einen Seite des Brennkraftzylinders (1) ein doppelt wirkender Verdichterteil angeordnet ist, während zwei pneumatische Energiespeicher zweckmäßig in symmetrischer Anordnung zu beiden Seiten des Brennkraftzylinders vorgesehen sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen -