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Kolbenmaschine Die Erfindung betrifft mit einem Druckmittel betriebene
Kolbenmaschinen, die nicht nach dem Gleichstromprinzip arbeiten. Sie ist besonders,
aber nicht ausschließlich anwendbar für einfach wirkende Dampfmaschinen oder mit
Druckluft betriebene Maschinen. Zweck der Erfindung ist es, eine Ventilapparatur
für Maschinen dieser Art zu schaffen, die einfach, wirksam und leicht herzustellen
ist und bei der soweit wie möglich die Notwendigkeit von dampfdichten Stopfbüchsen
entfällt.
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Bei kleinen, nicht nach dem Gleichstromprinzip arbeitenden Kolbendampf-
oder Druckluftmaschinen besteht die Ventilapparatur gewöhnlich entweder aus einem
in einem Ventilgehäuse befindlichen Flachschieber oder einem runden Kolbenschieber.
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Der Flachschieber erfordert einen dampfdichten Stopfbiichsdeckel da,
wo die Schieberstange durch die Wandung des Ventilgehäuses geht, wobei der Druck
auf die äußere Fläche oder den Spiegef des Schiebers empfindliche Reibungsverluste
verursacht.
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Wenn andererseits ein Kolbenschieber Anwendung findet, ist der Undichtigkeitsverlust
hinter seinen Schmalseiten in der Regel groß, und wenn er nicht einen anomal langen
Hub hat, ist die Länge der Dichtung durch die Seiten des Kolbenschiebers zwischen
den Öffnungen, die sie steuern, notwendigerweise kurz, wobei er obendrein dem vollen
Dampfdruck während des ganzen Arbeitsspiels einschließlich des Ausströmhubs ausgesetzt
ist, und daher ist die Zeit für eine Leckage des Druckmittels von der Eirilaß- zur
Ausströmöffnung verhältnismäßig lang. Die Leckagestrecke in einem solchen Ventil
ist im übrigen eine lineare Funktion, wogegen der Zylinderinhalt der Maschine entsprechend
dein Kubus seiner linearen Dimensionen
schwankt, so daß für, eine...Maschine
von bestimmten proportionalen Größen- der Leckageverlust, als ein Verhältnis des
Zylinderhubraums betrachtet, schnell zunimmt, wenn die Größe der Maschine klein
gehalten wird; bei sehr kleinen Maschinen wird er sogar zu einem überaus wichtigen
Faktor. Außerdem sieht die übliche Form des Kolbenschiebers keime Abhilfe für den
Fall vor, daß sich im Zylinder Kondenswasser bildet oder daß der Druck im Zylinder
den des Zuleitungskanals des Ventilgehäuses aus irgendwelchen anderen Gründen überschreite.
Durch die Erfindung werden diese Schwierigkeiten. weitgehend vermieden.
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Dabei betrifft die Erfindung eine mit einem Druckmittel betriebene
Kolbenmaschine mit mindestens einem Arbeitszylinder, einem dessen Arbeitsraum mit
einer gemeinsämeri Ein= ühd Auslaßkammer verbindenden gemeinsamen Ein- und Auslaßkanal
und einer Ventilanordnung zur Steuerung des Treibmittelzu- und -abflusses zu bzw.
von der gemeinsamen Ein- und Auslaßkammer. Diese Ventilanordnung besteht dabei aus-einetn
gewöhnlich geschlossenen. Einlaßventil an einem Ende der Kammer und aus einem Kolbenschieber,
der in einer am anderen Kammerende. mündenden Bohrung arbeitet und wenigstens einen
Auslaßschlitz in der Bohrungswand freigibt, wenn er sich vom Einlaßventil fortbewegt.
Außerdem besitzt der Kolbenschieber Mittel zum Anlüften des Einlaßventils am Ende
seiner auf das Einlaßventil hin gerichteten Hubbewegung. Die Erfindung kennzeichnet
sich dadurch, daß das geschlossene Einlaßventil durch das Treibmittel auf seinem
im Treibmittelzufluß liegenden Sitz gehalten wird, bis es durch einen Ansatz angelüftet
wird, der auf dem Kolbenschieber angebracht und verstellbar ist, so daß dadurch
die Zeit regelbar ist, während der das Einlaßventil in jedem Arbeitstakt geöffnet
ist.
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Die Form des Einlaßventils kann verschieden sein. Es kann vorteilhaft
die an sich als Ventil bekannte Form einer Scheibe "aufweisen, die mit einem im
wesentlichen flachen, am einen Ende der Einlaßöffnung oder .des Einlaßkanals angeordneten
Sitz zusammenwirkt.
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Gemäß einer anderen- zweckmäßigen Ausführungsform weist das Einlaßventil
die hierfür ebenfalls bekannte Form einer Kugel auf, die mit einem konischen Sitz
am einen Ende der Einlaßöffnung oder des Einlaßkan.als zusammenwirkt. Gemäß einer
weiteren Abwandlung der Erfindung kann das Einlaßventil auch aus einem Kopf in Form
einer Scheibe bestehen, der eine kegelstumpfförmige Sitzfläche und eine Führung
besitzt, die vorn Kopf in den Einlaßkanal ragt, in diesem gleitet und so geformt
ist, daß sie den ungehinderten Durchfluß des Treibmittels zwischen ihr und der Kanalwandung
ermöglicht. Diese Ausbildung ist an sich als Ventil ebenfalls bekannt.
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Jedenfalls sieht man, daß das Einlaßventil nach der Erfindung einfach
und billig herzustellen ist, keines Gleitsitzes bedarf und auch längere Zeit hindurch
dicht schließt, ohne besondere Wartung zu erfordern. Außerdem dient der Kolbenschieber
nicht nur dazu, das Einlaßventil während der gewünschten Zeitabschnitte anzuheben,
sondern er ist selbst dem vollen Druck des Treibmittels nur während der durch das
Einlaßventil geregelten Einlaßzeit ausgesetzt. Dabei handelt es sich nur um rund
ein Fünftel des vollständigen Arbeitsspiels, und zwar zu einem Zeitpunkt, in dem
die dichtende Oberfläche .des Kolbenschiebers, die zwischen seinem oberen Ende und
der Auslaßöffnung vorhanden ist, ganz oder nahezu den Höchstwert aufweist. Während
des ganzen Expansionshubs, der dem Schließen des Einlaßventils folgt, und während
des ganzen Ausströmhubs ist die gemeinsame Ein- und Ausströmkammer vom Treibmittelzuflußkanal
durch das geschlossene Einlaßventil - abgesperrt. Der Kolbenschieber ist also lediglich
dem im Zylinder herrschenden Druck ausgesetzt, der während des ganzen Ausströmhubs
entweder annähernd gleich .dem atmosphärischen Druck ist oder, falls ein Kondensator
zur Anwendung gelangt, noch unter dem atmosphärischen Druck liegt.
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Das Einlaßventil kann bei einer Ausführungsform nach der Erfindung
entweder so beschaffen sein, daß es auf seinem Sitz während der Zeiten, in denen
es geschlossen ist, allein durch den Druck des Arbeitsmittels gehalten wird oder
zusätzlich dem Druck einer leichten Spiralfeder ausgesetzt ist. In jedem Fall ergibt
sich hierbei der Vorteil, daß es als automatisches Sicherheitsventil für den Fall
arbeitet, daß beim Anlassen Kondenswasser im Arbeitszylinder auftritt oder wenn
der Druck im Arbeitszylinder den des Treibmittels aus irgendeinem Grunde überschreitet.
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Die Erfindung kann auf verschiedene Weise in die Praxis umgesetzt
werden, aber eine bestimmte Konstruktion der Maschine, die die Erfindung veranschaulicht,
wird als Beispiel zusammen mit zwei Abänderungen davon in den Zeichnungen gezeigt.
Darin ist Fig. i ein Schnitt der Maschine in senkrechter Darstellung, der durch
die Achse ihrer Kurbelwelle verläuft, wogegen Fig. 2 und 3 Schnitte in der gleichen
Ebene wie Fig. i sind. Sie zeigen abgeänderte Formen der Ventilgestänge.
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Bei der in den Zeichnungen gezeigten Ausführung besteht die Maschine
aus einem Kurbelgehäuse A, auf dem ein blockförmiges Zylindergußstück B aufmontiert
ist, das eine Bohrung Bi enthält, deren äußeres Ende geschlossen ist, mit Ausnahme
von einem sich seitwärts erstreckenden gemeinsamen Ein- und Auslaßkanal B2, der
zu einer gemeinsamen Ein- und Auslaßkammer B3 führt, die im gleichen Block wie der
Zylinder liegt. Im Kurbelgehäuse A befindet sich Kurbelwelle C, die in Lagern
Cl, C2 läuft und an einem Ende mit Kurbelwange C3 versehen ist, an deren
Außenfläche Kurbelzapfen C4 herausragt. Um ihn befindet sich das große Endlager
D der Pleuelstange Dl, durch die er m.it Kolben R, der sich in Bohrung Bi des Zylinders
hin und her bewegt, verbunden ist.
Das Ende der Welle C gegenüber
.dem Kurbelzapfen läuft durch eine Öldichtung C5 im Kurbelgeliäuse und trägt Schwungrad
C6.
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Wie man sieht, verläuft Kurbelwelle C von Kurbelwange C3 in gleicher
Richtung wie der gemeinsame Ein- und Auslaßkanal B2 von der Arbeitskammer B4 des
Zylinders. Ein Teil der Kurbelwelle liegt also unmittelbar unter der gemeinsamen
Ein- und Auslaßkammer B3.
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Im Zylinderblock unmittelbar über der gemeinsamen Ein- und Auslaßkammer
B3 befindet sich Einlaßkammer E, in die Dampfspeiseleitung F_1 führt, während sich
ebenfalls im Zylinderblock, unmittelbar unterhalb der gemeinsamen Ein- und Auslaßkammer,
die Auspuffkammer F befindet, die zu Auspufföffnung F1 im Zylinderblock führt. Sich
senkrecht durch Zylinderblock B erstreckend und damit Einlaßkammer E, die gemeinsame
Ein- und Auslaßkammer B3 sowie die Auspuffkammer F durchquerend, befindet sich die
röhrenförmige Muffe G, deren oberes Ende, das innerhalb der Einlaßkammer E liegt,
sich im äußeren wie auch inneren Durchmesser vergrößert und außen mit Gewinde, wie
bei G1 gezeigt, versehen und in eine vergrößerte, mit Gewinde versehene Bohrung
im Zylinderblock eingeschraubt ist, wodurch die ganze '.Muffe gehalten wird. Diese
mit Gewinde versehene Bohrung ist an ihrem äußeren Ende durch Endkappe G2 geschlossen.
Die Öffnungen G3 befinden sich in der Wandung des vergrößerten oberen Endes G1 von
Muffe G, wodurch Dampf aus der Einlaßkammer E in das Innere G4 dieses verhreiterten
oberen Endes fließen kann. Am Fuße der Bohrung dieses vergrößerten oberen Endes
befindet sich die ringförmige Lagerung G5, auf der das scheibenartige Einlaßv entil
H sitzt, das von einer leichten Spiralfeder Hl, die sich zwischen der oberen Fläche
und Endkappe G2 befindet, gehalten wird, so daß dieses Tellerventil im allgemeinen
den Eintritt von Dampf in das Innere des Teils der Muffe G mit dem kleineren Durchmesser
verhindert.
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In der Wandung des Teils der Muffe mit kleinerem Durchmesser befinden
sich die Einlaß-und Ausströmöffnungen GE, die mit dem gemeinsamen Ein- und Ausströmkanal
B2 sowie den Ausströmöffnungen G7 verbunden sind und ihrerseits wieder mit der Austrittkammer
F Verbindung haben.
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Eingebaut zur Hinundherbewegung im engeren Teil der Muffe befindet
sich Kolbenschieber J, der ein Ausströmventil bildet, dessen obere Seite J1, wenn
sich Ventil J in geschlossener Stellung befindet, zwischen den Ein- und Austrittöffnungen
GE und den Austrittöffnungen G7 liegt, um auf diese Weise die Verbindung zwischen
dem Ein- und Ausströmkanal B2 und der Austrittkammer F abzuschneiden, wogegen Kolbenschieber
J, wenn offen, mit seiner oberen Fläche J1 unter dem Spiegel der oberen Kanten der
Austrittöffnungen G7 liegt und damit die Verbindung zwischen dem Ein-und Austrittkanal
B2 und der Austrittkammer F durch den Teil der Muffe G zwischen den Ein- und Austrittöffnungen
G6 und den Austrittöffnungen G7 zuläßt.
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Verschraubt in einer mit Gewinde versehenen Bohrung im oberen Endteil
des Kolbenschiebers J befindet sich das das Eintrittventil betätigende schraubenförmige
Glied K mit Gegenmutter, wodurch sein Vorsprung über Fläche J1 des Kolbenschiebers
J hinaus reguliert werden kann, während das untere Ende des Kolbenschiebers zu einer
Scheibe J2 ausgebildet ist, deren Unterseite mit dem auf der Kurbelwelle angebrachten
Exzenter L in Berührung steht, mit, wenn gewünscht, einem Laufring L1 zwischen Exzenter
und der Unterseite der Scheibe J2. Zwischen der oberen Fläche dieser Scheibe und
einem Anschlag am Zylinderblock B befindet sich eine Spiralfeder 1V1, die bewirkt,
daß die Scheibe ständig in Verbindung mit Exzenterlaufring L1 bleibt.
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Zweck dieser Anordnung ist, daß ungefähr bei Erreichen des Höchstpunktes
eines Hubs des Arbeitskolbens R Teil K, welches das Einlaßventil H betätigt, dieses
anhebt, es auf ungefähr 8o° der Kurbelwellenumdrehung angehoben beläßt und dann
schließt, worauf Schieber J seine Abwärtsbewegung fortsetzt. Ungefähr am Ende des
Abwärtshubs des Kolbens R öffnen sich die Austrittöffnungen G7 in Muffe G. Kolbenschieber
J bewegt sich dann während des Anfangs der Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens auf
vielleicht 4o bis 5o'° der Kurbelwellenumdrehung weiter abwärts und darauf wieder
mit dem Arbeitskolben aufwärts, um damit die Austrittöffnungen G7 gegen Ende des
Austritthubs zu schließen. Schieber J und Arbeitskolben R heben sich dann zusammen,
so daß der restliche Dampf im Arbeitszylinder verdichtet wird, wobei die Anordnung
beispielsweise so ist, daß diese Verdichtung den Dampf in Arbeitskammer B4 auf einen
Druck erhöht, der ungefähr gleich dem Druck im Dampfspeisekanal E ist, wodurch dann
ein ungefährer Ausgleich des Drucks auf .das Einlaßventil H in dem Augenblick, wenn
es,sich wieder öffnet, geschaffen wird.
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Man ersieht hieraus, daß der Höchsthub des Einlaßventils H in dem
Moment erfolgt, wenn der Kolben auf seinem Arbeitshub um einen Betrag niedergegangen
ist, der einem Kurbelwinkel von ungefähr 40° entspricht.
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Man wird außerdem erkennen, daß der Kolbenschieber auf einem Teil
seiner Abwärtsbewegung Betriebsdruck ausgesetzt ist, wodurch er in gewissem Umfang
als zusätzlicher Kolben wirkt.
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Es empfiehlt sich, den Anhub des Einlaßventils H klein zu halten,
da j a derselbe bei der ziemlich frühen Füllung, die gewöhnlich gewünscht wird,
nur einen sehr kleinen Teil des Gesamthubs des Kolbenschiebers J. darstellt. Ein
hoher Anhub würde einen anomal hohen Hub für Schieber J bedeuten. Außerdem wird
Einlaßventil H auf seinen Sitz mit einer Schnelligkeit zurückkehren, die abhängig
von der Höhe des Anhubs ist. Im übrigen empfiehlt es sich, um den Stoß nach Möglichkeit
zu mindern, sowohl den Anhub wie das Gewicht des Ventils möglichst klein zu wählen.
Da
ja bei einer Verringerung der Größe einer Maschine von bestimmten Ausmaßen die Geschwindigkeit
des Einlaßventils und sein Gewicht entsprechend .der Fläche seines Sitzes verkleinert
wird, ist die Verwendung auch eines Kugelventils bei sehr kleinen Maschinen zulässig,
wogegen in anderen Fällen ein Ventil mit konische- m Sitz verwandt werden kann.
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Daher ist in der in Fig. 2 gezeigten Anordnung der Erfindung, bei
der die Maschine im allgemeinen ähnlich der in Fig. 1 skizzierten sein kann, eine
einfache zylindrische Bohrung N im Zylinderblock vorgesehen, um darin das Kolben-Auspuffventil
unterzubringen. Dasselbe reicht von der koaxialen Einlaßventilkammer N1 mit einem
konischen Sitz N2, in den das obere Ende der Bohrung mündet, über den gemeinsamen
Ein- und Auslaßkanal und das Ende der Auslaßöffnung F1 hinweg, wobei ein Kugelventil
0 in der Einlaßventilkammer angebracht ist, das in den konischen Sitz N2 eingepaßt
ist, wogegen der Kolben-Auslaßschieber I innerhalb des Teils der Bohrung unter dem
gemeinsamen Ein- und Auslaßkanal B2 liegt und die Schraubregulierung oder ein anderes,
das Einlaßventil betätigendes Teil K trägt, das daher nur Kugelventil 0 aus seinem
Sitz bei jeder Einlaßperiode anhebt.
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In der in Fig. 3 gezeigten Anordnung, die ebenfalls für eine Maschine
ähnlich der in Fig. I gezeigten anwendbar ist, erstreckt sich das obere Ende der
Muffe G, in der Kolbenschieber T arbeitet, in Einlaßkammer P ohne Vergrößerung.
An seinem oberen Ende hat sie einen konischen Sitz P1, auf dem ein könisch sitzendes
tellerartiges Einlaßventil P2 angeordnet ist, zwischen dessen oberer Fläche und
der Kappe G2, die das obere Ende der Einlaßventilkammer verschließt, eine leichte
Spiralfeder H2 liegt. Das konisch sitzende Ventil P2 ist an seiner unteren Fläche
mit radialen Führungsflügeln P3 od. dgl. versehen, die eine Spindel bilden, zwecks
Zusammenarbeit mit der Bohrung des oberen Endes der Muffe 1, um das Ventil in seiner
vertikalen Bewegung zu führen.