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Kolbenverdichter Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an
Kolbenverdichtern. Bei den bekannten Verdichtern dieser Art ist die Drehgeschwindigkeit
der Kurbelwelle, an der die Kurbelstange des bzw. jedes Kolbens angelenkt ist, und
infolgedessen auch die Leistung des Verdichters ziemlich beschränkt, was auf zahlreiche
Ursachen zurückzuführen ist, von denen die Schwierigkeiten der Aufladung der Zylinder
und die Entladung des in diesen Zylindern verdichteten Strömmittels die wichtigsten
sind.
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Bei der Mehrzahl der bekannten Verdichter erfolgt nämlich der Einlaß
des Strömmittels in jeden einzelnen Zylinder durch eine am Zylinder oder am Zylinderkopf
vorgesehene, ventilgesteuerte öffnung. Das gleiche gilt für den Auslaß. Bei großen
Drehgeschwindigkeiten kommt es an den besagten Ventilen zu einer Drosselung des
gasförmigen Strömmittels, so daß bedeutende Ladungsverluste eintreten, die die Erzielung
einer Optimälleistung ausschließen. Insbesondere hinsichtlich der Aufladung des
Zylinders hat der Erfinder durch Versuche ermittelt, daß in der Nähe des Kolbenbodens
während des Saughubes eine Unterdruckzone bestehenbleibt, die für die mangelhafte
Aufladung des Zylinders zeugt.
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Zwecks Behebung dieses ernsten Übelstandes ist bereits daran gedacht
worden, bei gewissen Verdichtern, und namentlich bei Gleichstromverdichtern, die
Aufladung des Zylinders in der Nähe des Kolbenbodens vorz&nehmen. In diesem
Falle ist der ventilgesteuerte Einlaß nicht mehr im Zylinderkopf, sondern im Kolbenboden
vorgesehen. Um eine noch bessere Aufladung des betreffenden Zylinders @ zu gewährleisten,
sind ferner im Mantel dieses Zylinders Einlaßschlitze vorgesehen, die mit der Strömmittelquelle
in Verbindung stehen und durch den Kolben aufgedeckt werden, wenn dieser in die
Nähe der Endstellung des Einlaßhubes gelangt. Bei derartigen
Verdichtern
erfolgt also,-der Einlaß an zwei Stellen, doch hat die in den Zylinder eintretende
Luft dieselbe Bewegungsrichtung, weshalb diese Verdichter Gleichstromverdichter
genannt werden. Bei dieser Ausbildung ist.die Aufladung jedes einzelnen Zylinders
.schon durch die vom Kolben gesteuerten Schlitze wesentlich verbessert, die namentlich
die Bewegungsenergie der unter Druck eingeführten Gase umzuwandeln gestatten. Ferner
ist dadurch das Auftreten einer Unterdruckzone in der Nähe des Kolbenbodens vermieden.
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Diese Verdichter haben jedoch gewisse Nachteile. So erreicht insbesondere
die zwar schon bedeutend verbesserte Aufladung des Zylinders bei den großen Geschwindigkeiten
immer noch nicht den Optimalwert, denn der Zylinder ist alsdann am Boden nicht vollkommen
aufgeladen. Ferner lassen sich die am Zylinderboden angeordneten Ventile wegen ihrer
schlechten Zugänglichkeit' nur mit großer Mühe instand halten, und die Öffnungen,
die sie zu steuern haben, können schon allein wegen ihrer Lage nicht von so großem
Querschnitt sein, wie es erwünscht wäre. Der Einlaß durch die Kolbenböden hindurch
hat endlich zur Folge, daß ein Teil des eingeführten Strömmittels über die geölten
Zylinderflächen streicht und das SGhmierrnittel absaugt, wodurch ein Mehrverbrauch
an Schmiermittel entsteht.
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Die Erfindung behebt alle oben dargelegten Nachteile. Sie ist namentlich
dadurch gekennzeichnet, daß das zu verdichtende gasförmige Strömmittel in jeden
einzelnen Zylinder einerseits durch ein oder mehrere ventilgesteuerte, im Zylinderkopf
vorgesehene Löcher und andererseits .durch im Zylindermantel vorgesehene Schlitze
eingeführt wird, wobei die Öffnung dieser Schlitze vom Kolben selbst gesteuert wird,
wenn dieser in die Nähe der Endstellung seines Einlaßhubes gelangt.
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Gemäß einem anderen wesentlichen Erfindungsmerkmal sind die Auslaßöffnung
bzw. -Öffnungen im Zylinderkopf jedes einzelnen Zylinders vorgesehen und durch entlastete
selbsttätige Ventile gesteuert, die sich augenblicklich abheben und in Tätigkeit
treten, sobald der im Zylinder herrschende Druck einen gewissen Wert übersteigt.
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Die Erfindung erstreckt sich noch auf weitere besondere Einzelheiten,
die sich aus nachstehender Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele ergeben. Auf
den Zeichnungen stellt dar Abb. i im Achsschnitt einen Zylinder des erfindungsgemäß
verbesserten Kolbenverdichters, Abb. 2 eine Ansicht des aufgerollten Zylinders,
aus der die Anordnung der Einlaßschlitze und der in diese Schlitze mündenden Leitungen
ersichtlich ist, Abb. 3 eine der Abb. i entspreclWnde Draufsicht bei abgenommenem
Deckel, Abb. 4 im schematischen Achsschnitt die abgewandelte Ausführung eines erfindungsgemäß
verbesserten Doppelflußverdichterzylinders bei unterer Totpunktlage des Kolbens,
Abb. 5 den schematischen Achsschnitt einer weiteren Abwandlung.
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In der Ausführungsform gemäß den Abb. i bis 3 besteht jeder einzelne
Zylinder des Verdichters aus einem mit Kühlrippen 2 versehenen Körper i, 'in welchem
in der üblichen Weise ein Mantel 3 befestigt ist. Am oberen Ende des Zylinders i
ist in jeder geeigneten Weise, z. B. mittels Stehbolzen, ein Zylinderkopf 4 befestigt,
der mit Einlaßstutzen 5 und Auslaßstutzen 6 versehen ist. Am Zylinderkopf 4 ist
luftdicht beispielsweise mittels Stehbolzen 7 ein Teil 8 befestigt, der die Führung
der Einlaßventile 9 und der Auslaßventile io des betreffenden Zylinders gewährleistet.
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Das Einlaßventil 9 liegt unter der Wirkung einer Feder i i auf einem
Sitz 12 an, der mit dem Teil 8 in einem Stück hergestellt sein kann. Das Auslaßventil
io ruht auf einem am Zylinderkopf 4 befestigten Sitz 13 auf. Im Ausführungsbeispiel
der Abb. i und 3 erfolgt das öffnen des Einlaßventils 9 entweder unmittelbar durch
einen Steuernocken oder, wie dargestellt, durch einen Kipphebel 14, der an einem
Zapfen 15 gelagert ist und von einem Stößel 16 betätigt wird, auf dessen anderes
Ende beispielsweise ein nicht dargestellter Nocken einwirkt.
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Gemäß einem Erfindungsmerkmal hebt sich das Auslaßventil io augenblicklich
und selbsttätig von seinem Sitz ab. Zu diesem Zweck ist, wie Abb. i veranschaulicht,
der Schaft 17 dieses Ventils in einer geeigneten Bohrung des Teiles 8 geführt, und
die Ventilflächen, die einerseits dem Strömmitteldruck im Zylinder i und andererseits
dem Druck des .im Auslaßstutzen 6 verdichteten Strömmittels sowie dem Druck der
Außenluft auf das obere Ende des Ventilschaftes 17 ausgesetzt sind, sind derart
gewählt, daß sich dieses Auslaßventil io augenblicklich öffnet, sobald der Druck
des im Zylinder verdichteten Strömmittels einen vorbestimmten Wert überschreitet.
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Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist dieses Auslaßventil
ferner während des ganzen Verdichtungshubes des im Zylinder i spielenden Kolbens
18 oder während eines Teiles dieses Verdichtungshubes in der Schließstellung .verriegelt.
In einer gegenwärtig vorteilhaft erscheinenden Ausführungsform erfolgt diese Verriegelung
zweckmäßig unter Einschaltung federnder Mittel. Zu diesem Zweck besitzt der Schaft
17 des Auslaßventils io eine blinde Axialbohrung i9, in der ein kleiner Kolben 2o
angeordnet ist und von einer in der Bohrung i9 sitzenden Feder 21 emporgeschoben
wird. Dieser kleine Kolben 20 ragt alsdann mit seinem oberen Ende durch eine im
Teil 8 vorgesehene Öffnung 22 und kann einem einstellbaren Stöße123 begegnen, der
an dein einen Ende eines Kipphebels 24 vorgesehen ist. Dieser Kipphebel schwingt
um einen Zapfen 25, der in einem geeigneten Lager des Teiles 8 eingebaut ist. Das
andere Ende des Kipphebels 24 wird entweder unmittelbar von einem Nocken betätigt
oder steht unter dem Einfluß eines Stößels, der selbst von einem Nocken gesteuert
wird. Dieser nicht dargestellte, im Gleichlauf mit der Kurbelwelle angetriebene
Nocken ist entsprechend gestaltet und aufgekeilt, damit die durch Federkraft bewirkte
Verriegelung des Auslaßventils
io in der Schließstellung während
des ganzen Verdichtungshubes des Kolbens 18 oder während eines Teiles desselben
gewährleistet bleibt.
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Der kleine Kolben 20 weist ebenfalls eine Schulter 26 auf, die sich
gegen den Rand der im Teil 8 vorgesehenen Öffnung 22 legt, wenn sich das Auslaßventil
io lüftet, wodurch eine elastische Abbremsung des Ventils io am Ende seines öffnungshu.bes
gewährleistet ist.
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Wie die Abb. i und 2 veranschaulichen, weist erfindungsgemäß die Seitenwand
des Zylinders i über den ganzen Zylinderumfang verteilte Schlitze 27 auf. Im dargestellten
Beispiel sind acht solcher Schlitze vorgesehen. Diese Schlitze 27 sind derart angeordnet,
daß sie vom Kolben 18 aufgedeckt werden, wenn dieser in seine untere Totpunktlage
gelangt. In der Wandung des Zylinders i vorgesehene Kanäle 28 verbinden diese Schlitze
27 mit der Saugrohrleitung 29. Um die Ausgestaltung der Kanäle 28 in der Wandung
des Zylinders i zu begünstigen, sind erfindungsgemäß die Kanäle 28, deren Querschnitt
demjenigen der Schlitze 27 angepaßt ist, vorteilhaft zu beiden Seiten der waagerechten
Mittelebene verteilt, die durch die Achse' der besagten Schlitze, hindurchgeht,
wie die Abb. 2 näher veranschaulicht.
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Gemäß einem wesentlichen Merkxral der Erfindung ist der Querschnitt
der Schlitze derart gewählt, daß ein leichter 'Eintritt des gasförmigen Strömmittels
in den Zylinder gewährleistet ist. Die Schlitze haben ferner eine derartige Formgebung,
daß ihre Höhe verhältnismäßig gering ist, um beim Wiederansteigen des Kolbens im
Zylinder ein Rückströmen auszuschließen. Durch zahlreiche Versuche hat der Erfinder
die Erkenntnis gewonnen, daß durch genau angepaßte Wahl des Querschnittes und der
Formgebung für die Schlitze eine regelrechte übersättigung des Zylinders erreicht
wird, da alsdann die Bewegungsenergie des eingeführten Gases innerhalb des Zylinders
in Druckenergie umgewandelt wird. Diese Übersättigung oder Überdruckspeisung wird
namentlich durch die Verwendung rechteckiger Schlitze erreicht, die einen genügend
großen Querschnitt haben, um Ladungsverluste möglichst auszuschließen, die zweckmäßig
abgerundete Enden aufweisen und deren in bezug auf ihre Länge verhältnismäßig geringe
Höhe von der linearen Geschwindigkeit des Kolbens und vom Durchmesser desselben
abhängt. Diese Schlitze können auch trapezförmig, dreieckig, halbkreis- oder selbst
kreisförmig gestaltet sein; die Schlitze können im Falle der drei erstgenannten
Formen alsdann derart angeordnet sein, daß ihre Breite im Sinne des Verdichtungshubes
des Kolbens abnimmt. Bei Anwendung derart gestalteter und angeordneter Schlitze
wird im Gegensatz zu den bisher bekannten Verdichtern, wie übrigens durch zahlreiche
Versuche nachgewiesen, auf alle Fälle eine optimale Auffüllung des Zylinders erreicht,
welches auch immer die Lineargeschwindigkeiten der Kolbenbewegung sein mögen. So
hat namentlich der Erfinder im Laufe seiner Versuche feststellen können, daß die
Beizahl der Zylinderauffüllung mit der Geschwindigkeit des Kolbens zunimmt, und
zwar infolge der Umwandlung der Bewegungsenergie der durch diese Schlitze angesaugten
Gase in Druckenergie inerhalb des Zylinders.
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Zweckmäßig sind die Schlitze an ihrer Eintrittsstelle in den Zylinder
leicht verjüngt und bilden auf diese Weise einen Venturikanal, um einerseits innerhalb
des Zylinders die Umwandlung der Bewegungsenergie der Gase in Druckenergie zu begünstigen
und andererseits eine Einschnürungsbeizahl für den Gasstrang zu gewährleisten, die
möglichst an die Einheit heranreicht. Jeder einzelne Schlitz mündet in den Zylinder
zweckmäßig mit scharfer Kante, was nach Berücksichtigung der Gestalt und Abmessungen,
die für die Schlitze in der oben dargelegten Weise festgelegt worden sind, zur Folge
hat, daß beim Wiederemporsteigen des Kolbens jegliches Rückströmen vermieden wird.
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Um einen möglichst regelmäßigen, wirbellosen Abfluß des zu den Schlitzen
27 strömenden Gases zu gewährleisten, haben die in' der Wandung des Zylinders i
vorgesehenen Kanäle 28 eine konstante Oberfläche, und ihre Gestalt ändert sich fortschreitend
vom Stutzen 29 zu den Schlitzen 27, um sich dem Querschnitt derselben anzupassen.
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Die Arbeitsweise des erfindungsgemäß verbesserten Verdichters ist
folgende: Zu Beginn des Saughubes des Kolbens 18 schließt sich das Auslaß- oder
Druckventil io und wird in der oben dargelegten Weise verriegelt. Das. Einlaß-oder
Saugventil 9 öffnet sich unter der Wirkung des Kipphebels 14 entweder zu Beginn
des Saughubes oder gewünschtenfalls mit einer gewissen Verzögerung. Das. gasförmige
Strömmittel dringt alsdann in den Zylinder i durch dessen oberes Ende ein. Bei Erreichung
seiner unteren Totpunktlage deckt der Kolben 18 die Schlitze 27 auf, und das Strömmittel
dringt alsdann in den Zylinder i durch diese Schlitze ein, wodurch eine optimale
Auf ladung dieses Zylinders gewährleistet ist, 'da die oberen und unteren Zonen
des Zylinders von dem durch die vom Ventil 9 gesteuerte Öffnung bzw. durch die Schlitze
27 eintretenden Strömmittel ausgefüllt werden.
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Zu Beginn des Verdichtungshubes des Kolbens 18 oder mit einer. gewissen
Voreilung schließt sich das Ventil 9 unter der Wirkung des Kipphebels 14; alsdann
verdeckt der Kolben 18 die Schlitze 27, und das im Zylinder i enthaltene Strömmittel
wird in diesem Zylinder verdichtet, bis sich das zuvor in der oben dargelegten Weise
entriegelte Druckventil io öffnet und den Durchtritt des verdichteten Strömmittels'
in die Auslaß- oder Druckleitung 6 gestattet.
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An jedem einzelnen Zylinder des Verdichters kann eine selbsttätig
wirkende Leerlaufvorrichtung jeder bekannten Bauart vorgesehen sein, so daß der
Zylinder i, wenn der Druck in der Druckmittelleitung 6 einen vorbestimmten Wert
erreicht, mit der Außenluft in Verbindung bleibt. ' Bei der Abwandlung gemäß Abb.
4 sind Einlaßschlitze und gesteuertes Auslaß- oder Druckventil
von
gleicher Ausbildung wie im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel und brauchen deshalb
nicht nochmals beschrieben zu werden. Dieselben Teile, die bereits in den Abb. i
bis 3 dargestellt sind, tragen die gleichen Bezugszeichen. Bei dieser Abwandlung
sind jedoch an Stelle der Druckventilfeder 2 1 Lochscheiben 3o aus elastischem Werkstoff,
wie Gummi o. dgl., vorgesehen. Ferner ist bei dieser abgewandelten Ausführung das
Druckventil io in der Achse des Zylinders i eingebaut.
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Wie die Abb.4 veranschaulicht, ist erfindungsgemäß das Einlaß- oder
Saugventil selbstöffnend und besteht aus einem Ringteil 31, der in einer Ausnehmung
32 der runden. Platte 33 geführt ist. Diese Platte 33 ist mittels Schrauben 38 auf
dem Zylinderkopf 4 befestigt und außerdem an ihrem Umfang zwischen dem oberen Teil
des Mantels 3 und dem Zylinderkopf 4 eingespannt. An ihrem Rande ist die runde Platte
33 mit Lochungen 34 versehen, die einerseits in die dem Ringventil 31 gegenüberliegende
Ausnehmung 32 und andererseits in einen kegelig zulaufenden Ringspalt 35 des Zylinderkopfes
4 münden. Der Ringspalt 35 ist mit dem ebenfalls im Zylinderkopf 4 vorgesehenen
Einlaßstutzen 5 durch eine Kanalleitung verbunden, deren Querschnitt in Abhängigkeit
vom Querschnitt der Lochungen 34 mit geeigneter Gesetzmäßigkeit fortschreitend abnimmt.
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Die Arbeitsweise dieses Verdichters ist die gleiche, wie sie zu Abb.
i bis 3 beschrieben worden ist; der einzige Unterschied besteht darin, daß sich
das Einlaßventil in Abhängigkeit von dem im Zylinder i herrschenden Saug- oder Preßdruck
selbsttätig öffnet und selbsttätig schließt.
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In der Abwandlung gemäß Abb. 5 ist das Saug-oder Einlaßventil ähnlich
ausgebildet wie im Beispiel der Abb.4, doch hat das auch hier selbstöffnende und
selbstschließende Auslaß- oder Druckventil io keine gesteuerte Verriegelungsvorrichtung.
Um den Aufprall abzudämpfen, der beim plötzlichen und augenblicklichen Lüften des
Ventils io eintritt, spielt der Schaft i7"dieses Ventils in einer blinden Bohrung
36 des auf den Zylinderkopf 4 aufgesetzten Teiles 8, und diese Bohrung 36 steht
durch eine Öffnung 37 mit der Außenluft in Verbindung; diese Öffnung hat entsprechend
kalibrierten Querschnitt, so daß das Ganze ähnlich wie ein Luftpolster arbeitet.
Eine Feder 39 ist ferner vorgesehen, um, die Schließung des Ventils io zu begünstigen.
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Die Erfindung erstreckt sich selbstverständlich nicht nur auf die
dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern auch auf jede andere
Ausführungsart, die die oben dargelegten Merkmale verwirklicht und dem verfolgten
Zweck entspricht. So kann das Öffnen und Schließen des oder der Druckventile durch
jedes geeignete Mittel gesteuert werden, und zwar derart, daß es auf einen vorbestimmten
Druck anspricht. Obwohl Form und Ouerschnitt der Schlitze 27 besonders für die oben
umschriebenen Gleichstromverdichter geeignet sind, so lassen sich derartige Schlitze
selbstverständlich auch bei anderen Verdichterbauarten und insbesondere bei den
in der Einleitung dieser Beschreibung umschriebenen Zwei- oder Doppelflußverdichfern
anwenden, und die Erfindung erstreckt sich ebenfalls auf ihre Anwendung bei dieser
letzteren Verdichterart. Ferner kann auch die ventilgesteuerte Einlaßöffnung ganz
fortfallen und der Einlaß lediglich durch in obiger Weise ausgebildete Schlitze
erfolgen, und zwar namentlich im Falle solcher Verdichter, die mit geringem Kolbenhub
oder bei hohem Druck arbeiten. Endlich erstreckt sich die Erfindung auf Verdichter
bekannter Bauart, bei denen alle oder einige der oben beschriebenen Merkmale zur
Anwendung kommen sollen.