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Freiflugkolbenmaschine mit einem wenigstens zweistufigen Verdichterteil
Die Erfindung bezieht sich auf Maschinen mit Freiflugkolben mit einem wenigstens
zweistufigen Verdichterteil.
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Diese Maschinen können entweder Motorverdichter zur Erzeugung von
Druckluft sein oder auch Treibgaserzeuger zur Lieferung eines Gemischs von Druckluft
und unvollständig entspanntem Verbrennungsgas. Ferner können diese Maschinen mit
einfachen Freiflugkolbenanordnungen oder mit Doppelkolbenanordnungen mit entgegengesetzter
Bewegung versehen sein.
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Eines der Kennzeichen der Maschinen mit Freiflugkolben der betrachteten
Art besteht in der Möglichkeit, ihre Leistung je Hub durch die Veränderung der Hublänge
ihrer Freiflugkolbenanordnungen zu verändern.
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Wenn diese Maschinen im Leerlauf arbeiten, haben sie ihren geringsten
Hub, dessen Länge die ist, bei welcher der Verdichterkolben oder die Verdichterkolben
gerade die Verdichtung des Gases, insbesondere der zu verdichtenden Luft, bewirken,
ohne eine Herausbeförderung aus dem Verdichterzylinder vorzunehmen. Infolgedessen
ist die Leistung für diesen Hub Null. Je mehr die Länge des Hubes diesen Mindestwert
überschreitet, um so größer ist die aus dem Verdiehterzylinder herausgedrückte
Druckluftmenge,
welche ihren Höchstwert für die größte Hublänge erreicht, welche noch mit dem sicheren
Arbeiten der Maschine vereinbar ist und von den Abmessungen der Teile derselben
abhängt.
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Die Steuerorgane des Motorzylinders einer solchen Maschine werden
im allgemeinen durch die Freiflugkolbenanordnung oder die Freiflugkolbenanordnungen
betätigt. Meistens steuern der Motorkolben oder die Motorkolben, welche diesen Kolbenanordnungen
angehören, unmittelbar die Auslaß-und Einlaßöffnungen des Motorzylinders, und zwar
insbesondere dann, wenn der Motorteil der Maschine mit Freiflugkolben im Zweitakt
arbeitet. Es ist klar, daß die hinreichende Öffnung dieser Steuerorgane für alle
kleinsten Hublängen gewährleistet werden muß, welche beim Leerlauf der Maschine
auftreten.
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Um bei gegebenen Abmessungen des Motorteils der Maschine eine möglichst
große Leistung zu erzielen, und um die Verbrennungsenergie durch eine lange Entspannung
der Verbrennungsgase möglichst gut auszunutzen, ist es zweckmäßig, die Einlaß- und
Auslaßöffnungen bei dem Arbeitshub (Hub nach außen) der Motorkolben erst nach einer
mÖglichst großen Bewegung des Motorkolbens oder der Motorkolben nach außen zu öffnen.
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Wenn dieser Kolben oder diese Kolben die Einlaß- und Auslaßöffnungen
unmittelbar steuern, ist es somit vorteilhaft, diese soweit wie möglich von dem
inneren Totpunkt des Kolbens oder der Kolben anzuordnen. Um dieses Ergebnis zu erreichen
und gleichzeitig die obige Bedingung zu erfüllen, daß nämlich bei Leerlauf (geringster
Hub der Maschine) die Einlaß- und Auslaßöffnungen hinreichend geöffnet werden müssen,
muß der Unterschied zwischen dem kleinsten und dem größten Hub möglichst klein gemacht
werden. Dieser Unterschied ist jedoch in. den- bekannten Maschinen verhältnismäßig
groß, wenn der Verdichterteil der Maschine mehrere Stufen aufweist, in welchen die
Verdichtungsverhältnisse die gleichen sind.
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Um eine Verkleinerung dieses Unterschieds bei einer Maschine mit zwei
oder mehr Verdichtungsstufen zu erhalten, erzeugt man, gemäß dem Hauptkennzeichen
der Erfindung, in der ersten Stufe des Verdichterteils einer Maschine mit Freiflugkolben
der betrachteten Art ein Verdichtungsverhältnis, welches größer als das in der zweiten
und gegebenenfalls in den folgenden Stufen erzeugte ist, und sieht Mittel vor, um
die Gleichzeitigkeit des Förderungsbeginns in allen Stufen zu gewährleisten.
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Die Erfindung umfaßt außer diesem Hauptkennzeichen gewisse andere
Kennzeichen, welche vorzugsweise gleichzeitig benutzt werden, und von denen weiter
unten ausführlicher die Rede sein wird.
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Das Verständnis der Erfindung wird jedenfalls durch die nachstehende
ergänzende Beschreibung sowie durch die Zeichnung erleichtert werden, wobei Beschreibung
und Zeichnung wohlverstanden hauptsächlich beispielshalber angegeben sind.
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Fig. i zeigt schematisch im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Motorverdichter
mit entgegengesetzt arbeitenden Freiflugkolben; Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung
der Erfindung.
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Nachstehend ist die Anwendung der Erfindung auf einen zweistufigen
Motorverdichter beschrieben. Dieser Verdichter wird mit einem Motorzylinder I versehen,
in welchem zwei Motorkolben 2 und 3 im Gegentakt arbeiten. Man versieht den Zylinder
i in seiner Mitte mit einer Vorrichtung 4 zur' Einspritzung des Brennstoffs und
beiderseits dieser Vorrichtung und in einer gewissen Entfernung von dieser mit Einlaßöffnungen
5 und Auslaßöffnungen 6. Jeder dieser Motorkolben ist mit einem oder mehreren Verdichterkolben
verbunden, welche entweder in dem Verdichterteil der Maschine oder in einem Speicher
für die Rückführenergie arbeiten.
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Bei der auf Fig. i dargestellten Ausführungsform ist der Motorkolben
2 mit einem Kolben verbunden, der in dem Zylinder 8 der Vorrichtung zur Aufspeicherung
der Rückführenergie arbeitet, wobei die durch die Kolben 2 und 7 und ihre Verbindungsstange
9 gebildete Anordnung eine der beweglichen Anordnungen der Maschine bilden.
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Der Motorkolben 3 ist mit Hilfe einer Stange io mit zwei Verdichterkolben
i i und 12 starr verbunden, von denen der erste der Verdichterkolben der Niederdruckstufe
des Verdichterteils der Maschine ist, während der Kolben 12 der Verdichterkolben
der Hochdruckstufe ist.
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Die durch die Kolben 3, 11, 12 und ihre Verbindungsstangen io gebildete
Anordnung bildet die zweite bewegliche Freiflugkolbenanordnung.
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Die so gebildeten' beiden beweglichen Anordnungen sind untereinander
durch eine Synchronisiervorrichtung bekannter Bauart verbunden, die auf der Zeichnung
nicht dargestellt ist. Diese Synchronisiervorrichtung bewirkt die Bewegung der beweglichen
Anordnungen im Gegentakt und gewährleistet in jedem Augenblick symmetrische Stellungen
derselben in bezug auf die durch das Zentrum Null des Motorzylinders i gehende Mittelebene.
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Der Niederdruckkolben i i arbeitet in einem Niederdruckverdichterzylinder
13, der auf einer Seite des Kolbens i i mit einem Ansaugeventil 14 und Druckventil
15 für die zu verdichtende und nach außen zu fördernde Luft versehen ist, während
auf der anderen Seite des Kolbens i i weitere Einlaß- und Druckventile 16 bzw. 17
vorgesehen sind, wobei diese letzteren Ventile den Raum des Zylinders 13, an welchem
sie angebracht sind, in eine Spül- und Vorverdichtungspumpe für den Motorzylinder
i verwandeln. Die durch die Ventile 17 dieser Pumpe hindurchgeförderte Luft wird
im Innern des Gehäuses 18 der Maschine aufgespeichert, welches den Motorzylinder
i umgibt, und dessen Innenraum von dem I>@nern des Zylinders 13 durch eine Wand
i9 getrennt ist, in welcher die Ventile 17 angebracht sind.
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Der Hochdruckkolben 12 arbeitet in einem Hochdruckverdichterzylinder
2o, der mit Einlaß- und Druckventilen 21 bzw.22 versehen ist, wobei ein
Zwischenbehälter
23 zwischen den Druckventilen 15
des Niederdruckzylinders 13 und den
Einlaßventilen 21 des Hochdruckzylinders 20 vorgesehen ist.
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Was die Anordnung der Einlaß- und Auslaßöffnungen 5, 6 anbetrifft,
so ist ihr Abstand e von dem Zentrum Null des Motorzylinders wie oben ausgeführt
durch den kleinsten Hub der beweglichen Anordnungen der Maschine gegeben, d. h.
für diesen kleinsten Hub müssen die Einlaß- und Auslaßöffnungen durch die Kolben
2 und 3 genügend freigelegt werden, um die Spülung und die Speisung des Motorzylinders
zu gewährleisten.
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Wenn man bei einem gegebenen Gesamtverdichtungsverhältnis des Verdichters
nicht einen zweistufigen Verdichter, sondern einen Verdichter mit einer einzigen
Stufe benutzen würde, wäre der Unterschied zwischen den Hublängen für Leerlauf und
Vollast am kleinsten, so daß der Wert, den man dem Abstand e geben könnte, am größten
wäre, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht.
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Auf dieser Figur stellt nämlich A-B-C-D das Druck-Hub-Diagramm eines
einstufigen Verdichters dar, wenn dieser Verdichter mit Vollast arbeitet. Bei dieser
Vollast erfolgt die Förderung während des Intervalls B-C, und der Hub hat den Wert
a.
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Für Leerlauf zieht sich das Diagramm auf die Linie A-ß zusammen, d.
h. der Hub in dem Verdichterzylinder ist gerade ausreichend, um am Ende der Verdichtung
Gien Förderdruck r2 zu erzielen, ohne claß jedoch eine wirkliche Luftförderung nach
außerhalb des Verdichterzylinders erfolgt. Der Hub hei Leerlauf ist somit für den
einstufigen Verdichter gleich b, und es ist dieser Wert b, welcher in dem betrachteten
Fall die Lage der Öffnungen 5 und 6 bestimmt.
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Wenn man den einstufigen Verdichter in einen zweistufigen Verdichter
umwandelt, wobei man das Gesamtverdichtungsverhältnis ungeändert läßt, und wenn
man in jeder Stufe dasselbe Verdichtungsverhältnis herstellt (mit einem Zwischendruck
von p3), so erhält man für die Niederdruckstufe das Diagramm A-E-F-G und in der
Hochdruckstufe <las Diagramm H-K-C-L. Man sieht, daß in diesem Fall der Unterschied
zwischen dem größten Hub, der gleich a geblieben ist, und dem kleinsten Hub, der
d geworden ist und dem Leerlauf des zweistufigen Verdichters mit dem gleichen Verdichtungsverhältnis
entspricht, sich im Vergleich zu dem Fall des einstufigen Verdichters erheblich
vergrößert hat. Damit in diesem letzteren Fall die Öffnungen 5 und 6 während des
Leerlaufs des Verdichters genügend freigelegt werden, muß man dem Abstand
e einen dem Hub d entsprechenden Wert geben. Die Leistung des Motorteils
und der Wirkungsgrad desselben werden so bei gleichen Abmessungen stark verringert.
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Zur Vermeidung dieser Übelstände, welche durch den Ersatz des einstufigen
Verdichterteils durch einen zweistufigen Verdichterteil mit dem gleichen Verdichtungsverhältnis
bedingt werden, bildet man gemäß dem Hauptkennzeichen der vorliegenden Erfindung
die beiden Stufen des Verdichterteils so aus, daß das Verdichtungsverhältnis in
der ersten Stufe größer als das der zweiten Stufe ist, und daß außerdem der Beginn
der Förderung in den beiden Stufen gleichzeitig erfolgt. Zur Erzielung dieser Gleichzeitigkeit
kann man den toten Raum des Hockdruckzvlinders vergrößern oder auch eine gewisse
Verzögerung für den Beginn der Verdichtung in dem Hochdruckzylinder vorsehen. Diese
letztere Lösung ist für die in Fig. i dargestellte Maschine gewählt, bei welcher
sich der Hochdruckzylinder 20 im Innern einer Umfriedigung 2-. befindet, in welcher
der Einlaßdruck des Hochdruckzylinders herrscht, und die mit dem Innern des Zylinders
20 über Öffnungen 25 in Verbindung steht, welche in der Wand dieses Zylinders an
der Stelle angebracht sind, an welcher die Verdichtung in diesem beginnen soll.
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Anders ausgedrückt, die Verdichtung beginnt in dem Hochdruckzylinder
erst in dem Augenblick, in welchem der Kolben 12 bei seiner Bewegung nach außen
die Öffnungen 25 geschlossen oder überschritten hat.
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Die Maschine nach Fig. i ist z. B. so ausgebildet, daß das Verdichtungsverhältnis
in dem Niederdruckzylinder des Verdichters gleich .I : i ist, während das Verdichtungsverhältnis
in dem Hochdruckzylinder nur gleich 2 : i ist. Das Verdichtungsverhältnis in dem
Niederdruckzylinder ist somit doppelt so groß wie das Verdichtungsverhältnis in
dem Hochdruckzylinder.
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Das Verdichtungsdiagramm des Niederdruckzylinders wird durch den Linienzug
A-M-N-O des Diagramms der Fig. 2 gebildet. Der Unterschied zwischen dem größten
Hub, der stets den Wert a beibehält, und dem dem Leerlauf entsprechenden kleinsten
Hub c ist sehr viel kleiner geworden als bei dem zweistufigen Verdichter mit dem
gleichen Verdichtungsverhältnis. Der Wert von c nähert sich stark dem günstigsten
Wert b, und die Lage der Öffnungen 5 und 6 kann dem Wert c des kleinsten Hubes entsprechen.
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Das Diagramm des Hochdruckzylinders ist durch den Linienzug P-Q-R-C-T
gegeben. Die Lage des Punktes Q, welche der Lage der Öffnungen 25 entspricht, ist
so gewählt, daß der Beginn der Förderung aus dem Hochdruckzylinder, welcher durch
den Punkt R angegeben ist, gleichzeitig mit dem Beginn der Förderung des Niederdruckzylinders
erfolgt, welcher durch den Punkt M angegeben wird.
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Das Hauptkennzeichen der Erfindung bietet noch den Vorteil, die Druckventile
der beiden Stufen annähernd gleichen Temperaturen auszusetzen. Die Temperatur der
Luft am Eintritt des Hochdruckverdicliterzylinders ist nämlich merklich höher als
die Temperatur beim Eintritt in den Niederdruckzylinder, insbesondere bei einem
Verdichter, dessen Kühlmittel die umgebende Luft oder Luft ist, welche in einem
geschlossenen Kreislauf umläuft und luftgekühlt ist. Trotz dieses Unterschieds der
Temperatur am Eingang der beiden Stufen erhält man dank des Hauptkennzeichens der
Erfindung fast die gleichen Temperaturen auf der Förderseite. Wenn man nämlich bei
dem erwähnten Beispiel annimmt,
daß die Luft in die erste Stufe
mit einer Temperatur von etwa 2o° eintritt, so hat diese Luft auf der Förderseite
dieser ersten Stufe eine Temperatur von etwa i62° C. Die Einlaßtemperatur der zweiten
Stufe ist höher als die Temperatur des Kühlwassers, welches die Luft in dem Zwischenbehälter
23 kühlt, so daß die Temperatur der Luft am Eingang des Hochdruckzylinders auf etwa
8o° geschätzt werden kann. Mit dieser Einlaßtemperatur erhält man eine Fördertemperatur
der Hochdruckstufe von etwa i57° C.
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Schließlich ist noch zu bemerken, daß man eine gute Stabilität der
Maschine erhält, wenn man, wie dies für den in Fig. i dargestellten Verdichter angegeben
ist, die Rückseite des Hochdruckverdichterkolbens dem Eingangsdruck der Hochdruckstufe
aussetzt. Rechnung und Erfahrung haben gezeigt, daß bei einer Maschine der oben
beschriebenen Art die Rückführenergie mit der Hublänge etwas zunimmt. Diese Zunahme
ist nützlich, da man so bei Leerlauf eine geringste Zahl von Hüben in der Zeiteinheit
und bei Vollast eine Höchstzahl von Hüben erhält.
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Es ist ferner zu bemerken, daß die Erfindung sowohl für den Umbau
von vorhandenen Maschinen wie für die Herstellung neuer Maschinen anwendbar ist.
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Man erhält so unabhängig von der gewählten Ausführungsform der Erfindung
stets eine Maschine mit Freiflugkolben, deren Arbeitsweise und Vorteile aus obigem
hinreichend klar hervorgehen, so daß hierauf nicht weiter eingegangen zu werden
braucht.
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Wie es selbstverständlich ist, und wie es übrigens bereits aus obigem
hervorgeht, ist die Erfindung keineswegs auf die im besonderen angegebenen Anwendungsformen
oder Ausführungsformen ihrer verschiedenen Teile beschränkt, sondern umfaßt, im
Gegenteil, auch alle Abwandlungen, insbesondere die, bei welcher die Erfindung für
eine Maschine mit einem halbfreien Flugkolben verwendet wird, d. h. für_ eine Maschine,
bei welcher ein einziger der inneren' und äußeren Totpunkte veränderlich ist, während
der andere fest ist.