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Mehrstufiger, vorzugsweise zweistufiger Freiflugkolben-Motorverdichter
mit gegenläufigen Flugmassen Bei mehrstufigen Freiflugkolben-Motorverdichtern mit
gegenläufigen Flugmassen ist es bekannt, die Arbeitsräume der einzelnen Verdichterstufen
ungeteilt auf die beiden Maschinenseiten zu verteilen, also beispielsweise bei einem
Zweistufenverdichter die Niederdruckstufe auf der einen, die Hochdruckstufe auf
der anderenMaschinenseite anzuordnen. Maschinen dieser Bauart mit einem Zweistufenverdichter
haben im allgemeinen den Nachteil, daß weder die von den Verdichterkolben in der
einen und in der anderen Hubrichtung an das zu verdichtende Gas (Fördergas) abzugebenden
bzw. von ihm aufgenommenen Arbeitsbeträge noch die in jedem Zeitpunkt vom Fördergas
auf die beiden Verdichterkolben ausgeübten Kräfte einander gleich sind. Diese Ungleichheiten
der Arbeiten und der Kräfte rühren daher, daß auf den Verdichterkolben der Hochdruckstufe
sowohl beim Arbeitshub (Verdichtung des Fördergases), als auch beim Rückhub (Verdichtung
der Motorzylinderladung) eine Kraft einwirkt, die um den Betrag f, (pi-p,) größer
ist, als die zur gleichen Zeit auf den Verdichterkolben der Hochdruckstufe einwirkende
Kraft. Dabei ist f2 = wirksame Fläche des Kolbens der Hochdruckverdichterstufe,
p1 = Förderdruck der ersten Verdichterstufe, P" = Druck der Umgebung (unter Druck
ist der absolute Druck zu verstehen). Vorausgesetzt ist hierbei, daß die beiden
Stufen des Verdichters wenigstens angenähert das gleiche Druckverhältnis haben und
daß der Ansaugedruck der ersten Stufe dem Druck der Umgebung gleich ist. Diese Ungleichheit
der
Krafteinwirkungen auf die Kolben der beiden Verdichterstufen hat zur Folge, daß
das die beiden Flugmassen zwangläufig miteinander verbindende und zur genau gegenläufigen
Bewegung zwingende Verbindungsgetriebe in jedem Zeitpunkt den Unterschied dieser
Kräfte von der einen auf die andere Maschinenseite übertragen muß und daß dementsprechend
auch bei jedem Hub ein bestimmter Arbeitsbetrag über dieses Verbindungsgetriebe
geleitet werden muß. Derartige Beanspruchungen des Verbindungsgetriebes sind aber
unerwünscht. Zunächst muß das Verbindungsgetriebe stärker ausgebildet sein, als
bei einer Maschine mit völligem Ausgleich der beiderseitigen Kräfte. Eine Verstärkung
dieses Getriebes ergibt aber größere Flugmassen und dadurch eine Herabsetzung der
Zahl der Kolbenspiele je Zeiteinheit, also eine Verringerung der Leistungsfähigkeit
der-Maschine. Ferner verursacht die Durchleitung erheblicher Energiebeträge durch
das Verbindungsgetriebe dementsprechend hohe Energieverluste durch Reibung.
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Es sind bereits Vorschläge zur Vermeidung bzw. zur erheblichen Verminderung
dieser zusätzlichen Getriebebeanspruchungen bekanntgeworden.
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Nach einem dieser Vorschläge wird mit dem Verdichterkolben der ersten
Verdichterstufe ein Hilfskolben verbunden, dessen nach außen gekehrte wirksame Fläche
ständig von dem hinter der ersten oder zweiten Verdichterstufe herrschenden Druck
belastet wird und so bemessen ist, daß die auf diesen Hilfskolben einwirkende Kraft
der auf den Kolben der zweiten Verdichterstufe einwirkenden Überschußkraft gleich
ist.
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Nach einem anderen Vorschlag wird die der Maschinenmitte zugekehrte
Seite des Kolbens der zweiten Verdichterstufe, deren wirksame Fläche hierbei wenigstens
angenähert ebenso groß sein muß, wie die wirksame Fläche seiner anderen, dem Arbeitsraum
der zweiten Verdichterstufe zugekehrten Seite, ständig durch den hinter der ersten
Stufe herrschenden Druck belastet.
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Der ersterwähnte Vorschlag hat den Nachteil, daß die Flugmasse, welche
den großen und entsprechend schweren Verdichterkolben der Niederdruckstufe enthält,
durch den Hilfskolben noch eine zusätzliche Vergrößerung erfährt. Hierbei muß, um
den erforderlichen genauen Massenausgleich herbeizuführen, die andere Flugmasse
zusätzlich beschwert werden. Eine solche Vergrößerung der Flugmassen hat aber, wie
schon erwähnt, eine Verringerung der Hubzahl j e Zeiteinheit und demzufolge auch
eine Verringerung der Leistungsfähigkeit der Maschine zur Folge. Beim anderen Vorschlag
ist die Forderung, daß die wirksamen Flächen auf beiden Seiten des Hochdruckverdichterkolbens
angenähert gleich sein müssen, nicht immer einfach zu erfüllen. Im allgemeinen muß
hierbei eine verhältnismäßig dünne, eine Stopfbüchse durchdringende Stange zwischen
Motor und Hochdruckverdichterkolben vorgesehen sein. Diese Stopfbüchse behindert
aber das Ausbauen des Motorkolbens.
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Nach der Erfindung wird ein weitgehender oder völliger Ausgleich der
je Hub von der Verdichterseite her auf die beiderseitigen Flugmassen übertragenen
Arbeiten und der in jedem. Zeitpunkt wirksamen Kräfte durch folgende Maßnahmen erzielt:
Auf einen in einem zusätzlichen Arbeitsraum arbeitenden Kolben, welcher mit der
den Verdichterkolben der Hochdruckstufe enthaltenden Flugmasse verbunden ist und
dessen der Maschinenmitte zugekehrte wirksame Fläche f 3 nur ein Bruchteil der wirksamen
Fläche des Hochdruckverdichterkolbens ist, wirkt ständig ein Druck, der so groß
ist, daß der auf einen Hub entfallende Mittelwert der Arbeitsbeträge, welche beim
Hingang und Rückgang der Flugmassen an diesen Hilfskolben übertragen werden, wenigstens
angenähert ebenso groß ist wie der Überschuß der während eines Hubes am Kolben der
Hochdruckverdichterstufe übertragenen Arbeit gegenüber der am Kolben der Niederdruckstufe
übertragenen Arbeit.
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Bei Maschinen, bei welchen der Durchmesser des Hochdruckverdichterkolbens
größer als der Durchmesser des Motorkolbens ist, ergeben die folgenden Maßnahmen
eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung: Das zwischen die beiden
Kolben einzuschaltende Verbindungsglied wird in seinem an den Hochdruckverdichterkolben
sich anschließenden Teil zylindrisch gestaltet, mit einem Durchmesser, der mindestens
gleich oder größer als der des Motorkolbens, aber kleiner als der des Verdichterkolbens
ist, so daß zwischen diesem Verbindungsglied und dem Verdichterzylinder ein Ringraum
mit der Querschnittsfläche f 3 verbleibt; ferner ist dieses Verbindungsglied, z.
B. mittels einer Stopfbüchse, abdichtend durch eine Querwand des Verdichterzylinders
hindurchgeführt; der genannte Ringraum, der hiernach am einen Ende durch die die
wirksame Fläche f 3 aufweisende Rückseite des Hochdruckverdichterkolbens, am anderen
. Ende durch die Querwand begrenzt ist, bildet den zusätzlichen Arbeitsraum und
wird mit dem zur Herbeiführung des Arbeits- und Kraftausgleichs dienenden Druckmittel
beschickt. Bei dieser Ausgestaltung kann der Motorkolben durch die Stopfbüchse hindurch
leicht aus der Maschine herausgenommen und wieder eingesetzt werden; weiterhin erfordert
eine solche Anordnung weder zusätzlichen Raumbedarf noch eine zusätzliche Vergrößerung
der Flugmassen. Der in dem zusätzlichen, durch einen Kolben mit der wirksamen Fläche
f3 begrenzten Arbeitsraum herrschende Druck kann beispielsweise der Druck des Fördergases
hinter der zweiten Verdichterstufe sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin,
diesen zusätzlichen Raum als Teil der zweiten Verdichterstufe zu benutzen. Ferner
kann dieser zusätzliche Raum als Gaspuffer, in dem stets ein bestimmter Anfangsdruck,
etwa der Druck hinter der ersten Verdichterstufe, aufrechterhalten wird, ausgebildet
sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den zusätzlichen Raum als dritte Verdichterstufe,
vorzugsweise mit kleinem Druckverhältnis, zu benutzen.
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Die Zeichnung veranschaulicht in den Fig. 3, 6, 8, =o, 12 und 13 Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes im Mittellängsschnitt; in den Fig. i, 2 und q. sind Druckvolumendiagrarrime
des Verdichterteils, in den Fig. 5, 7, g und =i solche des zusätzlichen Raumes dargestellt.
Die
Fig. i und 2 zeigen das Niederdruck- und das Hochdruckdiagramm eines zweistufigen
Verdichters. Die Niederdruckstufe I mit der wirksamen Kolbenflächef, saugt Gas vom
Druck der Umgebung P" an undverdichtet dieses beimArbeitshubauf denDruckpl. Beim
Rückhub expandiert das im Totraum verbliebene Gas bis auf den Ansaugedruck P6 und
leistet dabei die Rückführarbeit Al.
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Der Hochdruckstufe II mit der wirksamen Kolben-Räche f 2 strömt beim
Ansaugehub Gas mit dem Überdruck PI-P" zu; dieses Gas wird beim Verdichtungshub
vom Druck P1 auf den Druck P2 verdichtet. Beim nachfolgenden Ansaugehub expandiert
zunächst das im Totraum verbliebene Gas bis auf den Druck p1, sodann strömt das
von der ersten Stufe kommende, unter dem Druck p1 stehende Gas in die zweite Stufe
ein. Falls die Hochdruckstufe das gleiche Druckverhältnis wie die Niederdruckstufe
aufweist, ist die beim Rückhub frei werdende Expansionsarbeit A' ebenso groß wie
die Expansionsarbeit A1 der Niederdruckstufe. Zu dieser Arbeit A' tritt aber bei
der Hochdruckstufe noch ein weiterer Arbeitsbetrag A" hinzu, welcher daherrührt,
daß der Hochdruckstufe das Gas unter höherem Druck als dem der Umgebung zuströmt.
Ist 1a der Hub des Kolbens der zweiten Verdichterstufe, so ist
A" = 1z - f2 (@l-@d). Dieser zusätzliche Arbeitsbetrag A" tritt sowohl
beim Arbeitshub als auch beim Rückhub auf, und er belastet, sofern keine Vorkehrungen
zu seinem Ausgleich oder zu seiner Beseitigung getroffen sind, das zwischen die
beiden gegenläufigen Flugmassen einzuschaltende Verbindungsgetriebe.
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Bei dem Beispiel nach Fig. 3 bedeutet i den Motorzylinder, 2 und 3
die Motorkolben, q. den Zylinder, 5 den Kolben und 6 den Arbeitsraum der ersten
Verdichterstufe, 7 den Zylinder, 8 den Kolben und g den Arbeitsraum der zweiten
Verdichterstufe, io den Arbeitsraum der Spülpumpe, der an die Rückseite des Kolbens
5 angrenzt, ii den Spülluftaufnehmer, 12 die Spülschlitze, 13 die Auspuffschlitze
des Motorzylinders, 15 ein Verbindungsstück zwischen dem Motorkolben 3 und dem Hochdruckverdichterkolben
8, 16 ein an das Verbindungsstück 15 angeschlossenes Querhaupt, 17 und 18 zwei mit
dem Niederdruckkolben 5 verbundene Zahnstangen, ig und 20 zwei an das Querhaupt
16 angeschlossene Zahnstangen, 21 ein am Motorzylinder i unverschieblich gelagertes
Zahnrad, in welches die Zahnstangen 17, ig an einander gegenüberliegenden Stellen
eingreifen. Ein gleiches Zahnrad ist zwischen den Zahnstangen 18 und 2o angeordnet.
Dieses Zahnstangenzahnradgetriebe dient zur Sicherung der genau gegenläufigen Bewegung
der beiden Flugmassen. Weiterhin bedeutet 22 eine Einrichtung zur Brennstoffzufuhr
zum Motorzylinder i, 23 die Ansaugeleitung, 24 die Druckleitung der ersten Verdichterstufe,
25 einen zwischen die beiden Verdichterstufen eingeschalteten Aufnehmer und Rückkühler,
26 die Ansaugeleitung und 27 die Druckleitung der zweiten Verdichterstufe. Der Durchmesser
des zylindrisch gestalteten, an den Verdichterkolben 8 sich anschließenden Teils
des Verbindungsstückes 15 ist etwas größer als der des Motorkolbens 3 und etwas
geringer als der des Verdichterkolbens B. Es verbleibt sonach zwischen diesem Verbindungsstück
15 und dem Verdichterzylinder 7 ein ringförmiger Zwischenraum 30, welcher nach der
Seite des Spülluftaufnehmers ii hin durch eine Querwand mit einer das Verbindungsstück
15 abdichtenden Stopfbüchse 31 od. dgl. abgeschlossen ist. Dieser Ringraum
30 steht mittels einer Leitung 32 in ständig offener Verbindung mit der Druckleitung
27 der zweiten Verdichterstufe.
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Die Einrichtung wirkt wie folgt: Im Arbeitsraum g der zweiten Verdichterstufe
vollzieht sich die Verdichtung gemäß dem Diagramm nach Fig. q., welches mit dem
nach Fig. 3 übereinstimmt. Wie an Hand der Fig. 2 erläutert, ist die gesamte, beim
Rückhub an den Kolben der zweiten Verdichterstufe übertragene Arbeit A,=
A' -@ A". Da gleichzeitig auf die ringförmige Rückseite des Verdichterkolbens
8 mit der wirksamen Fläche f3 ständig der Überdruck P,-p" wirkt, wird auf die Ringfläche
f 3 bei jedem Hub eine Arbeit A3 = h - f 3 - (@2-@a) übertragen, die jeweils
der auf die andere Verdichterkolbenseite übertragenen Arbeit entgegenwirkt. Bemißt
man die Fläche f 3 so, daß A3 =A", so wird die auf die Verdichterkolbenfläche
f 2 beim Hin- und Rückhub übertragene Überschußarbeit A" durch die auf die ringförmige
Rückfläche f3 übertragene Arbeit A3 gerade ausgeglichen. Da die die Arbeitsbeträge
A" und A3 hervorbringenden Kräfte K2 = f 2 - .(P1 -- Pa) und K3 =
f, # (P2 - f a) über die ganze Hublänge h gleichbleiben, so wird mit dieser Anordnung
weiterhin erreicht, daß auch die in jedem Zeitpunkt auf die Kolben der beiden Verdichterstufen
von der Verdichterseite her einwirkenden Kräfte einander gleich sind, so daß in
diesem Falle das Verbindungsgetriebe 17 bis 21 von der Aufnahme zusätzlicher Kräfte
und von der Durchleitung überschüssiger Arbeitsbeträge völlig entlastet ist.
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Die Anordnung nach Abb.6 unterscheidet sich von der nach Fig. 3 dadurch,
daß der Ringraum 30 über eine Saugleitung 33 mit dem Saugventil 34 an den Aufnehmer
25 und über ein Druckventil 35 und eine Verbindungsleitung 32 an die Druckleitung
27 angeschlossen ist, daß dieser Ringraum also als Teil der zweiten Verdichterstufe
wirkt. Für diesen Ringraum ergibt sich demzufolge das in Fig. 7 dargestellte Diagramm,
und zwar wird beim Einwärtshub der Flugmasse das im Raum 3o befindliche Gas vom
Druck P1 auf den Druck P2 verdichtet und dabei die Verdichtungsarbeit A4 geleistet,
während beim Auswärtshub der Flugmasse zunächst das im Totraum verbliebene Gas bis
auf den Druck p1 expandiert und dann neues Gas von diesem Druck P1 zuströmt, wobei
die Arbeit A5 geleistet wird. Die Kolbenfläche f3 wird hierbei so bemessen, daß
das Mittel der Arbeiten A4 und AS der Überschußarbeit A" gleich ist. In diesem Falle
ist der mittlere, während eines Kolbenspiels (Hinundhergang) auf die Fläche f 3
einwirkende Druck P so groß, daß f 3 - Pnt = f, - (P1 - Pa). Da hierbei die auf
die Kolbenfläche f 3 einwirkende Kraft der auf die gegenüberliegende Kolbenfläche
f 2 einwirkenden Überschußkraft K2 nicht in jedem Zeitpunkt, sondern nur hinsichtlich
ihres Mittelwertes gleich ist, so ergibt diese Anordnung auch bei völligem Ausgleich
der je überein ganzes Kolbenspiel betrachteten Arbeiten nur
einen
angenäherten Ausgleich der von der Verdichterseite her auf die beiden Flugmassen
einwirkenden Kräfte.
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Eine andere Möglichkeit eines solchen angenäherten Ausgleichs zeigt
Fig. B. Hierbei steht der Ringraum 30 über eine Leitung 33 mit einem Rückschlagventil
34 lediglich mit dem Aufnehmer 25 in Verbindung. Dieser Raum 3o wirkt sonach im
Betrieb als Gaspuffer, in welchem gemäß Fig. 9 der Druck ständig zwischen demAnfangsdruck
p,. und einem Enddruck p, schwankt. Die Ringfläche f3 und der Enddruck p, werden
so bemessen (der letztere durch entsprechende Wahl des Puffertotraums), daß
f3 - pm = f2 - (p, -p"), wobei p" der mittlere Druck des Gaspuffers
ist. Die im Gaspuffer an die Kolbenfläche #f3 übertragene Arbeit As ist dann wieder
gleich der Überschußarbeit A".
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Eine weitere Möglichkeit zum angenäherten Kräfteausgleich zeigt Fig.
io. Der Ringraum 30 ist hierbei über einen ZAschenaufnehmer 36, eine Ansaugleitung
37 mit dem Ansaugventil 38 und über ein Druckventil 39 mit anschließender Druckleitung
40 so an den Arbeitsraum 9 der zweiten Verdichterstufe angeschlossen, daß er als
dritte Verdichterstufe wirkt. Vorteilhaft hat diese zusätzliche Verdichterstufe
nur ein kleines Druckverhältnis. Hierbei ergibt sich für den Raum 3o das in Fig.
ii dargestellte Diagramm. Beim Einwärtshub der Flugmasse wird das Druckgas vom Druck
P2 auf den Druck P3 verdichtet und hierbei die Arbeit A7 geleistet; beim Auswärtshub
der Flugmasse erfolgt zunächst eine Expansion des Totrauminhalts bis auf den Druck
P2 und sodann ein Nachströmen von Druckgas mit dem Druck P2, wobei die Arbeit Aa
geleistet wird. Der Enddruck P3 und die Ringfläche f3 werden so bemessen, daß
f3 - pm = f2 - (p,. - P6), wobei p" der mittlere, für ein Kolbenspiel
sich ergebende Überdruck dieser zusätzlichen Verdichterstufe ist. Es ist dann der
Mittelwert der Arbeiten A7 und A8 der zusätzlichen Arbeit A" gleich. Die Art des
Ausgleichs ist also derjenigen nach Fig. 6 und 7 ähnlich, und zwar wird dieser Ausgleich
hierbei umso vollkommener, je kleiner man das Verdichtungsverhältnis in der zusätzlichen
dritten Stufe zählt.
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Die Fig. 12 und 13 zeigen Ausgestaltungen, welche dann Anwendung finden
können, wenn die Anordnung eines an die Rückseite des Kolbens der zweiten Verdichterstufe
angrenzenden Ringraumes nicht möglich ist. Gemäß Fig. 12 ist an den Zylinder 7 der
zweiten Verdichterstufe ein Zylinder 41 angeschlossen, in dem ein Hilfskolben 42
arbeitet, der mittels einer Stange 43 mit dem Kolben 8 der zweiten Verdichterstufe
verbunden ist. Diese Stange 43 durchdringt eine zwischen den beiden Zylindern 7,
41 angeordnete Trennwand 44, so daß auf der der Maschinenmitte zugekehrten Seite
des Kolbens 42 ein Raum 5o abgegrenzt ist, welcher an die Stelle des Raumes 3o treten
kann. Beim dargestellten Beispiel ist dieser Raum 50 über einen ständig offenen
Durchlaß 51 mit der Druckleitung 27 der zweiten Verdichterstufe verbunden; die Einrichtung
wirkt also ebenso wie diejenige nach Fig. 3.
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Beim Gegenstand der Fig. i3 ist an eine mit der Stirnwand 44 des Zylinders
7 der zweiten Verdichterstufe verbundene Kolbenstange 52 ein Kolben 53 angeschlossen,'der
die Höhlung des Kolbens 8 der zweiten Verdichterstufe in zwei Räume 54 und 55 unterteilt.
Bei dieser Anordnung tritt der Raum 55 an die Stelle des Ringraumes 3o der Fig.
3, 6, 8 und io und kann wie bei diesen Beispielen an andere Verdichterräume angeschlossen
sein. Bei dem dargestellten Beispiel steht der Raum 55 über einen Kanal 57 der Kolbenstange
52 in dauernd offener Verbindung mit der Druckleitung 27 der zweiten Verdichterstufe.
Die Wirkung ist also die gleiche wie beim Beispiel nach Fig. 3. Der Raum 54 ist
durch einen dauernd offenen Kanal 56 der Kolbenstange 52 mit dem Freien verbunden,
so daß in ihm keine den Gang der Maschine beeinflussenden Kraftwirkungen auftreten.
Er könnte aber beispielsweise auch als Spülluftpumpe oder als Teil der zweiten Verdichterstufe
oder als Puffer arbeiten.