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Kolben-Expansionsmaschine Es ist bekannt, in Kolben-Expansionsmaschinen
die in einem komprimierten Gas enthaltene Energie mechanisch auszunutzen oder durch
die adiabatisch erfolgende Expansion die Temperatur des Mediums zu senken, um dadurch
Kälte zu zu erzeugen. Die Steuerung der Ventile der Maschine wird dabei z. B. bekanntermaßen
so durchgeführt, daß während vorbestimmter Bewegungsphasen des Kolbens Steuerungsteile
für mindestens ein Ventil so vorgespannt werden, daß dieses Ventil unter Einwirkung
eines zusätzlichen Auslöseimpulses in einer nachfolgenden vorbestimmbaren Phasenlage
des Kolbem plötzlich die durch die Vorspannung vorbereitete Bewegung ausführt.
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Gemäß einer solchen Steuerung wirkt z. B. eine vom Kolben mechanisch
betätigte Steuerstange auf eine Schraubendruckfeder, die beim Aufwärtsgang des Kolbens
zusammengedrückt wird, ohne aber zunächst das Ventil zu öffnen, das unter dem Druck
des z. B. einströmenden Mediums geschlossen gehalten wird. Erst wenn der Kolben
kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes einen Vorsprung des Ventils erreicht
und dieses dadurch öffnet, wird durch diesen zusätzlichen Auslöseimpuls die durch
die Vorspannung der Schraubendruckfeder vorbereitete Öffnungsbewegung des Ventils
plötzlich vollzogen.
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Bei einer anderen Steuerung dieser Art sind die Ventile nicht mit
Vorsprüngen versehen, vielmehr befinden sidh im Kolben eine oder zwei axial bewegliche
Steuerstangen, die aus der Kolbenoberfläche hervorstehen und deren jede eine Feder,
meistens
Schraubenfeder, aufweist, die beim Auftreffen auf das Ventil eine Vorspannung erfährt.
Die Schraubenfeder ist dabei zwischen der Kolbenoberfläche und einem Kopf der Steuerstange
eingespant.
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Es sind auch Steuerungen bekanntgeworden, bei denen die im Kolben
axial beweglich gelagerten Steuerstangen mit mindestens zwei Federmitteln versehen
sind, deren Vorspannung den Bewegungen des Ventils mitgeteilt wird.
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Von solchen Steuerungen macht auch die vorliegende Erfindung Gebrauch.
Gegenüber dem Bekannten besteht die Erfindung darin, daß je eine Feder dieser Federmittel
gegen das Kolbeninnere abgestützt ist, so daß nur der Kopf der Steuerstangen über
den Kolben gegen das Zentrum des zugehörigen Ventils hinausragt.
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Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht vor allem in einer äußerst
gedrängten Bauart einer solchen Steuerung, insofern, als aus der Kolbenoberfläche
nur der unbedingt notwendige Kopf der Steuerstangen hervorsteht, während alles andere
im Innern des Kolbens und nötigenfalls auch .der Steuerstange untergebracht ist.
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Die Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstands
dar. Es zeigt Fig. i einen Zylinder mit Ventilen und Fig. 2 bis 9 schematisch dargestellte
Funktionsstellungen der in Fig. i dargestellten Organe. Nach Fig. T ist in einem-
Zylinderblock i in an sich bekannter Weise eine Büchse 2 eingesetzt. Dieser Zylinderblock
ist durch einen aufgeschraubten Zylinderkopf 3 abgedeckt, welcher zur Aufnahme der
Ventile dient. Im Zylinder bewegt sich ein Kolben 4, der ein Pleuellager 5 aufweist.
Mit 6 ist ein Einlaßkanal bezeichnet, der an einen Druckgasbehälter angeschlossen
ist, während mit 7 ein Auslaßkanal bezeichnet ist, welcher entweder ins Freie führt
oder an einen Niederdruckbehälter angeschlossen ist. Sowohl das.Einlaßventil 8 als
auch das Auslaßventil9 sind als Federstahlplatten ausgeführt, die den Vorteil haben,
bei .kleiner zu bewegender Masse relativ große Öffnungen zu ermöglichen. Dabei öffnet
sich das Eingangsventil gegen das Innere des Einlaßkanals 6, d. h. bezogen auf den
Zylinderraum nach außen, so daß in der durch' 8' punktiert angedeuteten Öffnungsstellung
eine ringförmige Öffnung mit der Breite Ar und der Höhe 4L frei bleibt. Das Auslaßventil
9 öffnet sich gegen den Zylinderraum, so daß dadurch schon eine verhältnismäßig
größere Öffnung geschaffen wird. Ein axialer Tragschaft des Einlaßventils ist mit
io bezeichnet und wird in den axialen Führungslagern i i und r2 geführt. Mit 13
ist ein Flansch am Schaft io bezeichnet, gegen den sich eine Ventilschließfeder
14 abstützt, deren anderes Ende am Führungslager ii abgestützt ist. Im Innern dieser
Druckfeder 14 ist eine weitere Feder 15 eingelegt, die die Aufgabe hat, bei der
Öffnung des Ventils die kinetische Energie der bewegten Masse aufzufangen. Im Kolbenboden
4 ist- eine Tragbüchse 16 eingeschraubt, in welcher eine Steuerstange 17 in Form-
eines Röhrchens axial beweglich ist.. Dieses Röhrchen 17 weist an seinem vorderen
Ende einen Schlagbolzen 18 auf, der mittels der Bolzenf6der i9 gegen die Steuerstange
17 abgestützt ist. Die Tragbüchse 16 ist mit zwei Federflanschen 2-.; und 21 versehen.
Am unteren Ende der Steuerstange 17 ist ein Flansch 22 angebracht, so daß eine Zugfeder
23 zwischen dem Flansch 20 und dem Flansch 22 eingehängt werden kann. Diese Zugfeder
23 dient als Abstützfeder der Steuerstange 16 im Kolben 4. Eine weitere Feder 24
liegt zwischen dem Flansch 22 und 21 und dient zum Auffangen der kinetischen Energie
der Steuerstange 17.
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Mit 25 ist der Tragschaft für das Ausgangsventil 9 bezeichnet, der
mittels der Führungslager 26 und 27 im Ausgangskanal ? axial geführt ist. Der Schaft
25. ist mit zwei Flanschen 28 und 29 versehen, und eine Druckfeder 30 ist
zwischen dem Lager 26 und dem Flansch 29 eingelegt und ist bestrebt, das Ventil
9 zu öffnen. Eine Auffangfeder 31 ist zwischen dem Flansch 28 und dem Lager 26 eingelegt
und dient zum Auffangen der kinetischen Bewegungsenergie des Schaftes 25. Im Kolbenboden
4 ist eine Tragbüchse 32 eingeschraubt, die mit Flanschen 33 und 34 versehen ist.
Eine Steuerstange 35 in Form eines Röhrchens ist im Innern dieser Büchse axial verschiebbar.
Der Kopf dieses Röhrchens weist wieder einen Schlagbolzen 36 auf, der mittels der
Druckfeder 37 gegen das Röhrchen 35 abgestützt ist. Mit 38 ist ein Federhalteflansch
am Rohr 35 bezeichnet, so daß eine als Zugfeder ausgebildete Abstützfeder 39 zwischen
dem Flansch 33 und 38 eingehängt werden kann. Mit 4o ist eine Auffangfeder bezeichnet,
die zwischen den Flanschen 38 und 34 wirksam ist und dazu dient, die kinetische
Bewegungsenergie der Steuerstange 35 aufzufangen.
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Die Wirkungsweise der in Fig. i dargestellten Anordnung ergibt sich
aus den Fig. 2 bis 9.
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Nach der Fig. z ist angenommen, daß der Kolben 4, welcher mittels
der Pleuelstange 41 an einer Kurbel 42 einer Kurbelwelle 43 angreift, kurz vor Erreichen
seiner oberen Totpunktlage steht. Dabei stößt der Schlagbolzen 36 der Steuerstange
35 an die Unterseite des Auslaßventils 9, um dieses zu schließen. Gleichzeitig ist
bereits der Schlagbolzen 18 der Steuerstange 17 längere Zeit am Einlaßventil 8 angestoßen,
so daß die hier in vereinfachter Weise als Druckfeder gezeichnete Feder 23 gespannt
worden ist. Das Ventil 8 bleibt aber vorläufig noch geschlossen, weil die gespannte
Feder 23 in diesem Zustand noch nicht imstande ist, den im Ventilraum 6 herrschenden
Überdruck zu überwinden.
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Nach der Fig. 3 hat der Kolben praktisch seine .Totpunktlage erreicht,
so daß nun das Ausgangsventil 9 vollständig geschlossen worden ist. Gleichzeitig
wird nun auch das Einlaßventil 8 durch die Steuerstange 17 angehoben, so das nun
Druckausgleich 'Zwischen den Räumen 6 und dem Zylinderraum besteht. Damit kann sich
die Feder 23 entspannen, und die Steuerstange 17 bewirkt eine beschleunigte Öffnung
des Eingangsventils 8, wobei
gleichzeitig die Ventilschließfeder
14 gespannt wird. Anderseits bewirkt die einströmende Druckluft eine Belastung des
Auslaßventils vom Zylinderraum her, so daß dieses Auslaßventil9 nun zugepreßt gehalten
wird. Diese Stellung ist in Fig. 4 dargestellt. Es zeigt sich daraus, daß in einer
sehr kurzen Zeit die vollständige Schließung des Auslaßventils und die vollständige
Öffnung des Einlaßventils erreicht worden ist. In einer vorbestimmten Bewegungsphase
auf seinem Weg in die untere Totpunktlage, die in Fig. 5 dargestellt ist, löst sich
nun der Kopf 18 der Steuerstange 17 von der Unterseite des Eingangsventils 8, so
daß nun unter Wirkung der gespannten Ventilschließfeder 14 das Einlaßventil 8 sich
zu schließen beginnt. An sich könnte nun diese Schließbewegung nicht schneller erfolgen,
als wie es durdh die Kolbengeschwindigkeit in dieser Phase bestimmt ist. Da aber
mit zunehmender Verengerung der Einlaßöffnung das Druckgefälle zwischen dem Raum
6 und dem Zylinderraum zunimmt, wirkt dieses Druckgefälle im Sinne einer weiteren
Beschleunigung der Schließbewegung, worauf die Abstützfeder 23 wieder ein wenig
gesp.,nnt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß in einer vorbestimmten Bewegungsphase
des Kolbens bei dessen Beweg.zng in die untere Totpunktlage das Ventil 8 in kürzester
Zeit geschlossen wird. Von diesem Moment an kann sich das im Zylinderraum eingeschlossene
Druckmedium adiabatisch entspannen und die entsprechende Arbeitsleistung an den
Kolben abgeben. Diese Phase ist in Fig. 6 dargestellt.
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In Fig.7 ist gezeigt, daß noch kurz vor Erreichung der unteren Totpunktlage
die Verhältnisse an sich unverändert sind, d. h., das Eingangsventil 8 wird unter
der Summenwirkung des herrschenden Überdrucks und der Kraft der Ventilschließfeder
geschlossen gehalten, während das Auslaßventil9 durch die die Öffnungskraft der
Feder 30 überwiegende Kraft des Innendrucks immer noch geschlossen gehalten
wird. Erst bei annähernder Erreichung der unteren Totpunktlage, wie sie in Fig.
8 dargestellt ist, ist der Innendruck so starkgefallen, daß die Offnungsfeder3o
imstande ist, das Auslaßventil 9 zu öffnen. In dem Moment, in welchem nun vollständiger
Druckausgleich zwischen dem Raum 7 und dem Zylinderraum er= reicht wird, erfolgt
die Öffnung des Ausgangsventils mit starker Beschleunigung, weil nun nur noch die
Öffnungskraft der Feder 3o auf dasselbe einwirkt, so daß für wenige Winkelgrade
nach Überschreitung der unteren Totpunktlage das Ausgangsventil 9 vollständig geöffnet
ist, wie das in Fig. 9 dargestellt ist. Nun bleibt dieses Ventil 9 geöffnet, bis
der Kolben die in Fig. z dargestellte Stellung wieder erreicht hat.
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Es ist ohne weiteres möglich, die Länge der Steuerstangen und der
Ventiltragschäfte sowie die Federcharakteristiken so aufeinander abzustimmen, daß
in einer vorbestimmten Bewegungsphase des Kolbens auf seinem Weg von der oberen
in seine untere Totpunktlage die mechanische Einwirkung des Kolbens auf das Eingangsventil
aufhört und daß dann das Ventil unterBeschleunigungswirkung der Ventilschließfeder
sowie der Wirkung des entstehenden Druckgefälles beschleunigt geschlossen wird.
Während nach diesem Beispiel vorgesehen ist, daß die Öffnung des Ausgangsventils
9 dadurch bewirkt wird, daß der Innendruck im Zylinder unter einen vorbestimmten
Grenzwert sinkt, wäre es auch möglich, im Kolben 4 eine Steuerstange zu lagern,
die auch am Ventil 9 noch befestigt wäre, so daß in der unteren Totpunktlage diese
Steuerstange das Ventil 9 durch mechanische Zugwirkung öffnen würde.