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Kolbenverdichter Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenverdichter,
d. h. auf Maschinen, bei welchen das zu verdichtende Gas in einen Zylinder eingeführt
und durch die Bewegung eines Kolbens verdichtet und ausgeschoben wird und bei dem
das zu verdichtende Gas in den Arbeitszylinder durch Öffnungen einströmt, die auf
dem ganzen Umfang des Zylinders liegen und im unteren Totpunkt des Kolbens von diesem
freigegeben «erden. Bei Kompressoren oder Verdichtern dieser Art ist die Drehzahl
infolge verschiedener Faktoren und insbesondere durch die Schwierigkeit der Füllung
der Zylinder und des Wegleitens des verdichteten Gases bei großen Ausmaßen sehr
begrenzt.
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Die Erfindung bezweckt, diese Schwierigkeiten zu beheben, und kennzeichnet
sich dadurch, daß die Füllung in zwei Stufen vor sich geht, nämlich einer ersten
Stufe. in welcher das Gas in den Zylinder durch eine im Kolben angeordnete dichte
Kammer, die von allen Seiten zugänglich ist, und ein oder mehrere in dem Kolbenboden
vorgesehene Ventile hindurch gelangt, und einer zweiten Stufe, bei welcher es direkt
in den Zylinder gelangt, und daß das Ausschieben des Gases durch selbsttätige Ventile
hindurch stattfindet, die im Zylinderdeckel unmittelbar gegenüber dem Kolben vorgesehen
sind, so daß das Gas während des gesamten Ansauge-, Verdichtungs- und Ausschubzyklus
eine gleichbleibende Bewegungsrichtung beibehält.
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Es ist ein Kolbenverdichter bekannt, der im wesentlichen entsprechend
der ersten Füllungsstufe arbeitet, d. h. bei dem das zu verdichtende Gas
durch
im Zylinder vorgesehene Schlitze, eine im Kolben vorgesehene Kammer und ein im Kolbenboden
angeordnetes Ventil in den Zylinder gelangt. Der Kolben ist jedoch so ausgebildet,
daß die Zylinderschlitze nur auf einem kleinen Teil des Zylinderumfanges angeordnet
werden können. Außerdem werden die Schlitze von der Kolbenoberkante nicht freigegeben.
Dieser Kolbenverdichter kann daher keinen so guten Füllungsgrad erreichen, wie der
gemäß der Erfindung.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der
Kolben aus zwei zylindrischen Außenteilen geringer Höhe, die so ausgeführt sind,
daß sie die Führung und die Abdichtung in dem Zylinder sicherstellen, und die miteinander
durch Rippen verbunden sind, die die Innenkammer des Kolbens von dem Kurbelgehäuse
abschließen und den Kolbenbolzen tragen.
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Sobald der Kolben nur ein Ventil in seinem Boden aufweist, sind die,
den Ventilsitz bildenden Rippen so ausgebildet, daß das in die Innenkammer des Kolbens
eingeführte Gas auf den ganzen Umfang des Ventils verteilt wird. Handelt es sich
um ein gesteuertes Ventil, so erfolgt der Antrieb durch einen Nocken, der von der
Pleuelstange getragen wird, die den Kolbenbolzen umgreift.
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Das Ausschieben des verdichteten Gases findet durch mehrere Ventile
hindurch statt, deren Sitze auf dem Zylinderdeckel verteilt sind. Diese Ventile
können selbsttätig oder gesteuert sein. Der Zylinderdeckel wird durch eine unabhängige
Platte gebildet, die die obere Verlängerung des Zylindermantels abdeckt und durch
eine Umfangsscheibe zwischen einem oberen Teil des Zylinderkörpers und dem Zylinderkopf
festgelegt wird. Die zum Durchlaß der Luft oder des Gases dienenden Klappen werden
durch Ventile oder durch vertiefte Scheiben gebildet, die durch Federn auf ihren
Sitz gepreßt werden, die sich auf Haltern abstützen, an denen Stege vorgesehen sind,
die durch eine Art Bajonettverriegelung mit Ansätzen verbunden werden, die auf dem
Sitz angebracht sind, der im Zylinderdeckel vorgesehen ist.
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Die Zeichnungen zeigen einige ,Durchführungsformen der Erfindung lediglich
als Ausführungsbeispiele.
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Abb. i bis 4 sind schematische Darstellungen, die den Verdichtungszyklus
erläutern sollen, und stellen . im Schnitt einen Zylinder und den Kolben in verschiedenen
Punkten seines Weges dar; Abb. 5 ist im vergrößerten Maßstabe ein axialer Teilschnitt
eines Zylinders und seines Kolbens durch eine Ebene senkrecht zum Kurbelzapfen;
Abb. 6 ist ein Schnitt durch den Kolben in der Ebene, auf der der Kolbenbolzen liegt;
Abb.7 ist eine abgeänderte Ausführungsform, die ein auf dem Boden des Kolbens vorgesehenes
Ventil darstellt; Abb. 8 ist die Hälfte einer entsprechendenDraufsicht; Abb. 9 und
io sind schaubildliche Darstellungen von Ausführungsformen von Ventilen oder Scheiben,
die sich auf dem Boden des Zylinders befinden, wobei einige Teile weggebrochen sind;
Abb. i r ist ein axialer Schnitt durch einen Kolben mit angetriebenem Ventil; Abb.
12 ist ein Teilquerschnitt nach der Linie XII-XII der Abb. i i.
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.Wie bereits dargelegt, sind die Verdichter gemäß der Erfindung dazu
bestimmt, bei sehr umfassenden Verwendungsmöglichkeiten vorteilhaft zu arbeiten.
Beispielsweise können diese Verdichter feste oder tragbare, für die Industrie bestimmte
Motor-Kompressor-Aggregate bilden, oder sie können als Verdichter bei Explosionsmotoren
insbesondere für die Luftfahrt und Kraftfahrzeuge verwendet werden. .
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Eine der wichtigsten Bedingungen der Durchführung dieses Programms
ist die Schaffung einer zufriedenstellenden Füllung der Zylinder und eines schnellen
Wegleitens des verdichteten Gases. Gemäß der Erfindung ist der Verdichter derart
ausgeführt, daß das Einströmen des Gases während des Ansaugens oder das Einführen
in den Zylinder und das Verdichten oder Verdrängen in einer gleichbleibenden Richtung
vor sich geht, um alle Trägheitswirkungen sowie alle Stöße und schädlichen Beanspruchungen
zu vermeiden. Die Richtung ist dabei diejenige der direkten Strömung vom Eintritt
in den Zvlinder zum Austritt.
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Zu diesem Zweck wird die Anordnung gewählt, die im Prinzip in den
Abb. i bis 4 dargestellt ist. Der Kolben besteht aus zwei zylindrischen Tragflächen
i und ia, die in der Bohrung des Zylinders 2 liegen. Die Abdichtung erfolgt durch
bekannte Kolbenringe oder in bestimmten Fällen durch Zahnnuten oder durch die kombinierte
Wirkung beider Einrichtungen. Auf diese Weise ist eine dichte Innenkammer im Kolben
geschaffen. Die Kammer wird im oberen Teil durch den Boden 3 und im unteren Teil
durch eine Wand .4 geschlossen, die glockenförmig ist und mit der konkaven Seite
nach der Kurbelwelle zu gerichtet ist. Der Boden dieser Wand ist mit dem Boden 3
des Zylinders durch Rippen 5 verbunden, die weit auf Abstand stehen, um Gas durchzulassen,
wie dies noch später erläutert werden wird. Vorsprünge 6 sind in der Wand 4 zur
Aufnahme des Kolbenbolzens 7 vorgesehen, auf welchem das Auge der Pleuelstange 8
schwingt, . die mit der Kurbelwelle verbunden ist, die durch jede beliebige Kraftquelle
in Umdrehung gesetzt werden kann.
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In dem Boden 3 des Kolbens ist ein Sitz für ein selbsttätiges Ventil
9 vorgesehen, das durch eine Feder io beaufschlagt wird, die so gespannt ist, daß
das Lüften oder Anheben des Ventils durch einen geringen Druckunterschied zwischen
der mit »Innenkammer« bezeichneten Kolbenkammer und der Arbeitskammer in dem Zylinder
erfolgt. Das Ausschieben des Gases aus dem Zylinder findet durch den Deckel des
Zylinders hindurch statt, in welchem selbsttätige Ventile i i vorgesehen sind. Die
Einführung des Gases erfolgt durch COffnungen 12 hindurch, die auf dem ganzen Umfang
des Zylinders nahe der unteren Totpunktlage des Kolbens
verteilt
sind. wobei diese Öffnungen mit einem gemeinsamen Sammler 13 in Verbindung stehen,
dem das Gas bei 14 zugeführt wird.
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Die Wirkungsweise ist die folgende: Es wird angenommen, daß der Kolben
an seinem oberen Totpunkt sich befindet und sich auf seine untere Totpunktlage zu
verschiebt. Die Ventile i i sind geschlossen, und der Druck im Zylinder fällt ab;
die Innenkammer des Kolbens steht in Verbindung mit den Einlaßöffnungen 12 und steht
unter dem Einführungsdruck der Gase, der bei einem Stufenverdichter höher als Atmosphärendruck
sein kann. Sobald der Druck im Zylinder genug abgefallen ist, hebt sich das Ventil
g, und die Gase treten in den Zylinder in Richtung der Pfeile (Abb. 2) ein.
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Gegen seine untere Totpunktlage zu gibt der Boden des Kolbens die
Öffnungen 12 frei, die alsdann mit dem Zylinder in Verbindung stehen, und es erfolgt
ein direkter Gaseintritt in den Zylinder, wobei das Gas parallel zur Achse des Zylinders
strömt. Diese Stufe des Zyklus bildet ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung. Ohne
daß die Kontinuität des Gasstromes unterbrochen wird, werden für eine kurze Zeitspanne
die Öffnungen 12 abgedeckt. was zur Folge hat, daß die kinetische Energie der in
der Ansaugleitung in Bewegung befindlichen Gassäule in Druck umgesetzt wird. Sobald
die Öffnungen 12 von neuem freigegeben werden, tritt das unter erhöhter Spannung
stehende Gas bei seinem Entspannen mit großer Geschwindigkeit in den Zylinder ein,
dessen Füllung dadurch beendet ist.
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Sobald der Kolben sich wieder aufwärts bewegt, schließt sich das Ventil
g, und das Gas wird durch die Ventile i i (ebb. d.) hindurch ausgeschoben, ohne
daß die Gasströme Stößen oder plötzlichen Richtungsänderungen unterworfen werden.
Dieses Merkmal des Zyklus gemäß der Erfindung ist besonders vorteilhaft, da es hierdurch
möglich ist, mit hohen Drehzahlen zu arbeiten.
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Bei der in den Abb. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform weist der
aus Stahl bestehende Zylinder 211 einen äußeren Mantel 2e mit durch Luft gekühlten
Kühlrippen auf. Dieser Mantel kann aus einer Leichtmetallegierung bestehen. Der
Boden 2f wird durch eine Platte gebildet, die den oberen Teil des Zylinders abdeckt,
auf dem sie sich bei 29 abstützt. Die Platte wird durch Zusammenschrauben mittels
Bolzen od. dgl. von einer Haube 211 gesichert, die die Gasauslaßleitung 2i aufweist.
Im Mantel 2e ist das Zuleitungsrohr :21 vorgesehen, durch welches das zu verdichtende
Gas in einen Sammler eingeführt wird, der dieses Gas auf die in dem Zylinder vorgesehenen
Öffnungen verteilt.
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Die Teile i und ja des Kolbens, die zur Führung im Zylinder dienen,
weisen Nuten ib für die Kolbenringe q.a auf. Die in dem Kolben befindliche Kammer
ie wird durch die glockenförmige Wand d. und den Boden id begrenzt. Die letztere
ist mit der Glocke durch Rippen je verbunden, die durchbrochen sind und zwischen
sich genügend Durchlässe haben, um dem Gas zu ermöglichen, frei zum Ventil
9 zu strömen, das durch eine Feder ga auf einen Sitz gb gepreßt wird, der
durch Verschrauben mit dem Boden id verbunden ist. Die Ansätze ig für den Kolbenbolzen
7 verstärken die Verbindung zwischen der Glocke und dem Boden id.
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Die Abb. 7 und 8 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform des Ventils
g in dem Kolbenboden. Bei dieser Ausführungsform wird das Ventil durch eine Stahlschale
g gebildet, die in der Mitte vertieft und gelocht ist. Die Schale ist durch eine
Gußmetallmasse 9e ausgefüllt, die auf ihrer oberen Fläche geebnet sein kann, um
einer Spiralfeder ga als Stütze zu dienen. Die Schale g stützt sich mit ihrem Rand
auf einen kreisringförmigen Sitz gd, der auf dem Boden eines Teiles gb vorgesehen
ist, der durch Verschraubung ge auf dem Kolben i befestigt ist. Die Feder ga stützt
sich auf dem Boden eines Deckels gf ab, der in ein Gewinde 9g des Teiles ob eingeschraubt
ist. Der Boden ist mit regelmäßig verteilten Öffnungen gft versehen, durch welche
hindurch das Gas in den Zylinder einströmt.
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Dieses Ventil hat infolge seines unteren Vorsprunges von strömungsgünstiger
Form den Vorteil, daß es ohne Stöße und Widerstände das Gas nach dem kreisringförmigen
Durchlaß hin auf den ganzen Umfang des Sitzes leitet.
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Es kann ein einziges Auslaßventil im Zylinderdeckel vorgesehen sein,
vorzugs-%veise werden jedoch mehrere regelmäßig verteilte Ventile vorgesehen, wie
dies aus Abb. 5 erkenntlich ist.
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Die Auslaßventile können Kegelventile sein, wie es in der durch Abb.
g dargestellten Ausführung der Fall ist. Jedes Ventil i i stützt sich auf einen
Sitz ija, der durch Einschrauben in eine mit Gewinde versehene Bohrung des Zylinderdeckels
befestigt ist. Der Sitz ist mit einer bestimmten Anzahl (beispielsweise drei) Ansätzen
iib versehen, die über die obere Fläche des Zylinderdeckels hinausstehen und bei
i ic unterschnitten sind, so daß die unteren Enden i ,d der Stege i ie des Halters
i if durch Drehung um die Achse des Ventils in der Einkerbung iie verankert werden
können. Der obere Teil des Trägers i it dient als Abstützung für die Feder i 19
und weist eine Hülse i 111 zur Führung der Spindel des Ventils auf.
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Bei der in Abb. io dargestellten Ausführung wird das Ventil i i durch
eine vertiefte Schale gebildet, d#s auf seinen Sitz iia durch eine Feder iig gepreßt
wird, die sich auf einem Halter i if abstützt, der im Prinzip ähnlich dem in Abb.
g dargestellten Halter ist und wie dieser auf den Ansätzen iib des Sitzes iia verankert
wird. Die gleichen Teile oder die sich entsprechenden Teile sind in den beiden Abb.
g und io durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Für Verdichter mit großem Zylindervolumen ist es vorteilhaft, das
auf dem Kolbenboden vorgesehene selbsttätige Ventil durch ein kraftschlüssig angetriebenes
Ventil zu ersetzen. Gemäß der Erfindung ist eine Antriebsvorrichtung geschaffen,
die den Vorteil hat, daß sie eine gedrängte Bauart aufweist und keine merkbaren
Widerstände dem Gasumlauf in der Innenkammer des Kolbens entgegensetzt.
Ein
Ausführungsbeispiel dieser Anordnung ist in den Abb. i i und-12 dargestellt. Die
Pleuelstange 12 ist in axialer Richtung gespalten, um einen Ring 13 aufzunehmen,
der für . den Durchtritt Lies Kolbenbolzens 14 und der Lagerbüchse 15 gelocht ist.
Der Ring wird auf diese Weise in Querrichtung auf der Pleuelstange gehalten. Durch
Aufstützen seiner Fläche 16 auf dem Boden des in der Pleuelstange vorgesehenen Schlitzes
wird der Ring gegen Drehung festgehalten.
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Am oberen Teil des Ringes 13 ist ein Nocken 17 vorgesehen, der auf
eine Rolle 18 einwirkt, die drehbar auf einer Achse i9 sitzt, die von einer verstärkten
und in axialer Richtung abgestützten Kappe eines Mittelstückes 2o des Ventils 21
getragen wird. Dieses Mittelstück wird in der Buchse 22 geführt, die auf dem Kolben
befestigt ist. Das Ventil 2i wird auf seinen Sitz 23 durch eine Feder 24 gepreßt,
die zwischen einem Bund 25 der Buchse 22 und einer von dem Mittelstück getragenen
Scheibe 26 liegt. Die dargestellte Befestigungsart für die Scheibe 26 ist bekannt;
sie besteht aus einem geschlitzten Federring 27, der auf der Außenfläche kegelig
ist und in axialer Richtung durch eine Scheibe 28 gehalten wird.
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Die ,Steuerung des Ventils 21 wird durch die Schräglagen der Pleuelstange
erzeugt. Während der ganzen Aufwärtsbewegung des Kolbens bleibt das Ventil geschlossen.
.Das Ventil öffnet sich in der Nähe der oberen Totpunktlage, bleibt- zu Beginn der
Abwärtsbewegung des Kolbens geöffnet und schließt sich in der Nähe .der unteren
Totpunktlage gegen Ende des Abwärtshubes.
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Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf Kompressoren mit einem Zylinder.
Sie kann selbstverständlich auch bei mehrzylindrigen Kompressoren Anwendung finden
ohne Rücksicht auf die Zahl und Anordnung der Zylinder.