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Durch den Druck im Arbeitsraum des Zylinders einer Kolbendampfmaschine
od. dgl. gesteuertes Einlaßventil Es sind selbsttätige Einlaßventi,lsteuerungen
für Dampfmaschinen bekannt, bei denen diiie Einlaßventi.le durch den Kompressionsdruck
im Arbeitszylinder angehoben, durch den Frischdampfdruck offengehalten und am Ende
der Füllungsperiode durch die Drucksenkung während der Einströmung ges,c'hlossen
werden. Der Ventilschluß wird dadurch herbeigeführt, daß eine im Sc)hließsnnn wirksame
Kolbenfläche des. Ventils mit einem unterhalb dies höchsten Einströmdruckes liegenden
einstellbaren Dampfdruck beaufschlagt wird. Wenn der EinströmdTuck um einen bestimmten
Differenzbetrag gegenüber dem auf der Schf:ießfläehe des Ventils lastenden Druck
herabgedrosselt ist - etwa bei höchster Kolbengeschwindigkeit - so schließt sich
das Ventil. Dnese Steuerungen haben den Nachteil, daß die Kompression bis auf den
höclhsten Ein.strörndruck geführt werden muß. Die Füllung kann nur bis etwa 5o"/o
betragen, da bei weiterer Kolbenbewegung die Kolbengeschwindigkeit und damit .die
Einströmdroisselu ng wieder abnimmt. Die die Schließkraft darstellende Druckdifferenz
zwischen dem einstellbaren, selbst schon unterhalb, des Frischdampfdruckes liegenden
Schließdruck
und dem gedrosselten Einströmdruck ist aber viel zu klein, um ein sicheres Schließen
des Ventils zu gewährleisten. Wenn. auch durch eine Regelvorrichtung ein Einfluß
auf den Füllungsgrad genommen werden soll, @so ist es doch offensichtlich, daß dies
nur bis zu einer gewissen Grenze möglich ist. Bestimmend ist die Drosselkurve des
Dampfeintrittes. Die bekannte Steuerung hat sich daher nicht durchzusetzen vermocht.
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Es ist ferner ein selbsttätiges Auslaßventil mit Führungskolben für
Kolbendampfmaschinen bekanntgeworden, bei dem die Führungskol:benfläche über einen
Kanal an die Arbeitszylinderlaufbahn angeschlossen ist, wobei sie abwechselnd mit
dem Druck vor und binter dem Kolben in Verhin.dung gebracht wird. Dieses Auslaßventil
ist wegen seiner Konstruktion gebunden an eine parallel zur Kolbenstange getroffene
Anordnung"da es mit einem ringförmigen Ansatz am Arbeitskolben zusammenarbeitet,
der beim Beginn der durch die Höhe dieses Ansatzes bestimmten und somit unveränderlichen
Kompressionsstrecke in einen Ringspalt zwischen einem zvlindrisch.en Ventilfortsatz
und dem Zylinderdeckel eintaucht und den Auslaß absperrt, wodurch das Ventil durch
den Kompressionsdruck geschlossen und durch den anschließenden Frischdampfdruck
weiter geschlossen gehalten wird. Abgesehen von der hohe Präzision erforderlichen
Gestaltung der zusammenarbeitenden Ringflächen vermittelt das bekannte Auslaßventil
auch keine Anregung zur Gestaltung eines selbsttätigen Einlaßventils.
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Bei einer anderen Bauart eines Einlaßventils mit einer Verbindungsleitung
zwischen dem das Ventil betätigenden Kolben und dem Arbeitsraum des Dampfmaschinenzylinders
wird bei höchster Kompression die eine Seite des Steuerkolbens mit dem Kompressionsdruck
beaufschlagt, so aß sich das Einlaßventil dann erst unter Überwindung von Federkraft
öffnet. Dies wird au:s dem Grunde angestrebt, weil mit dem gewählten Doppelsitzventil
ein verhältnismäßig großer Schad@raum verbunden ist. Der Öffnungsdruck wird durch
den Frischdampfdruck, wozu ein besonderes Ventil erforderlich ist, unterstützt,
bis durch einen Hahn, der unter dem Einfluß eines Regulators steht, ein Druckausgleich
zwischen den beiden Flächen des Steuerkolbens erfolgt und die Schließfeder wieder
wirksam wird.
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Dieses Ventil erfordert wegen des zweiseitig beaufschlagten Steuerkolbens,
der entsprechenden Zuleitungen, des besonderen Ventils zum Frischdampfraum, das
dazu noch im Kolben gelagert ist, und des Regulierhahnes einen hohen Bauaufwand.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines durch den Druck im Arbeitsraum
des Zylinders einer Kolbendampfmaschine od. dgl. gesteuerten topfartigen Einlaßventils
mit einem Steuerkanal zwischen dem Ventil und der Arbekszylinderlaufbabn, das möglichst
einfach aufgebaut ist, sicher funktioniert und leicht auf jedes -gewünschte Diagramm
eingestellt werden kann. In der Erkenntnis, daß topfartige Ventile einen geringstmöglichen
Schadraum zur Folge haben, geringe Stehkräfte benötigen und zur Aufbringung verschiedener
Steuerflächenlesonders geeignet sind, wird. die Erfindung dahingehend vollendet,
daß bei einem derartigen Ventil der Ventilkörper mit drei verschieden großen, vom
Kompressionsdruck, vom Frischdampfdruck und vom Steuerdruck im Arbeitszylinder beaufsch@lagten
Arbeitsflächen versehen ist.
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Das Ventil wird auf einem in Längsrichtung durchbohrten Führungsstück
geführt. Der dem Arbeitszylinder zugekehrte und vom Druck im Arbeitszylinder im
Öffnungssinn .belastete Boden ist verbreitert. Die durch den Durchmesser des Führungsstückes
gegebene und im Schließsinn wirkende innere Bodenfläche wird von einem Steuerdruck
beaufsch:lagt, wehrend: die einerseits vom Führungsstück und andererseits vom Ventilsitz
begrenzte und, im Fnischdampfraum liegende äußere Rindfläche vom Frischdampfdruck
belastet wird. Das Ventil besitzt also drei verschieden große Steuerflächen, die
von verschiedenen Drücken beaufschlagt werden und das Ventil im gewünschten Rhythmus
betätigen.
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Der Steuerdruck wird an einer bestimmten Stelle der Lauffläche des
Arbeitskolbens entnommen, wobei die in der Lauffläche liegende Öffnung des Steuerkanals
vom Arbeitskolben periodisch überstrichen und damit gesteuert wird. Und zwar gelangt
bei einfach wirkenden Zylindern der Auspuffdruck, der Atmosphärendruck oder ein
sonstiger genügend niedriger statischer Druck zur Anwendung. Bei doppelt wirkenden
Zylindern wird zweckmäßig der hinreichend niedrige Druck des expandierten Arbeitsmediums
aus dem jeweils. gegenüberliegenden Zylinderraum zur Steuerung herangezogen. Bei
Gleichstrommaschinen schließlich oder anderen :Maschinen mit Auslaßsch:litzen, bei
denen gewöhnlich ein breiter Kolben verwendet wird; kann der Steuerdruck auch aus
dem zwischen den vorderen und hinteren Kolbenringen befindlichen Ringraum, dessen
Druck sich periodisch durch die Auslaßschlitze vollständig entspannt, entnommen
werden.
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Die Festlegung der einzelnen Steuerpunkte, nämlich Voreintritt und
Füllun:gsschluß, wird durch die Bemessung dier wirksamen Flächen an den E inlaßventiden,
die Wahl des Raumes mit einem für die Entlastung geeigneten Druck und die Lage der
Steuerkanäle zur Zylinderlauffläche beeinflußt und kann für das gewünschte Arbeitsdiagramm
bestimmt werden. Die Öffnung des Einlaßventils (Voreintritt) erfolgt bei einem bestimmten
Druck (Eröffnungsdruck), der auch wesentlich unter dem Frischdampfdruck liegen kann;
der Ventilschluß erfolgt bei einer durch die Lage des Steuerkanals festgelegten
Kolbenstellung (Schließstellung).
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Das Ventil kann leicht in der Zylinderwand angeordnet werden, so daß
der Zylinderdeckel ohne Belhi:nderung abgenommen werden kann. Dies ist ohne Vergrößerung
des Schadraumes nur bei einem Topfventil möglich.
Der Ventilschluß
kann durch eingebaute Schließfedern unterstützt werden.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand an einem Ausführungsbeispiel
schematisch dargestellt.
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Abb: i zeigt das topfförmige Einlaßventil, das einzeln oder -auch
zur Erzielung größerer Querschnitte in Gruppen angeordnet werden kann.
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Das Ventil besitzt einen Führungsbolzen 2, der in Längsridhtun.g durchbohrt
ist. Der Führungsd-urchmesser des Bolzens 2 ist kleiner als der Sitzdurchmesser
des dem Arbeitszylinder zugekehrten Ventilbodens 4, so daß die wiAcsame Kolbenfläche
im Steuerraum 3 kleiner ist als die vom Sitz begrenzte Fläche 4 und .eine Restfläche
für Belastung durch den Druck im Frischraum 8 übrigbleibt. Der Steuerraum 3 ist
über die Steuerleitung 5, die an eine bestimmte Stelle dierArbeitszylinderlaufbahn6
angeschlossen ist, mit dem Arheits.raum 9 des Zylinders verbunden. Dadurch stellt
sich im Steuerraum .der jeweils im Arbeitsraum des Zylinders herrschende Druck ein.
Außerdem besitzt der Führungsbolzen 2 ein gestrichelt angedeutetes Federnest, in
dem eine von innen auf den Ventilboden drückende und im. Ventilschließsinn wirksame
Feder 7 untergebracht ist.
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Abb.2 zeigt eine Darstellung eines Zylinderkopfes mit der selbsttätigen
Einlaßventilsteu:erung und einem, hier beispielsweise zwan.gläufig gesteuerten Auslaßventil
i o. Der Kolben ii steht nach der Zeichnung in seiner Totpunktlage. Das Einlaßventil
i ist in dieser Stellung vom Zyllinderkopf her mit dem Kompressionsdruck belastet.
Im Steuerraum 3 des Ventils herrscht ein Druck, der dem an der Einmündungsstell.e
der Steuerleitung 5 in die Zylinderwand 6 entspricht. Dieser Druck ist beispielsweise
bei einf(a.ch wirkenden Zylindern, der atmosphärische Druck.
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Das Ventil i ist bei der gezeichneten Kolbenstellung allseitig vom
Frischdampfdruck umgeben und nur über die wirksame- Kal#benfläche im Stenerraum
3 entlastet, so daß eine im Öffnungssinne wirksame Kraft, von der nur die Federkraft
abzuziehen ist, das Ventil geöffnet hält, damit Frischdampf in den Zylinderraum
auf der Kopfseite einströmen kann. Dieser Zustand bleibt bei Bewegung des Kolbens
nach rechts so lange bestehen, bis der Kolben die Mündung des Steuerkanals 5 überfahren
hat. Dies ist der Fall bei der im Diagramm nach Ab b. 3 mit Schließstellung bezeichneten
Kolbenstellung. Bei dieser Sehließseellun.g wird der Steuerraum 3 über die Steuerleitung
5 ebenfalls mit Frischdampfdruck angefüllt. Die im Offnungs- und Schließsinne wirksamen
Drücke gl,e;ichen sich aus, so daß die Schließfeder das Ventil schließen kann.
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Zur Veranschaulichung der Druckverhältnisse im Zylinder dient dias
in Abb. 3 dargestellte Diagramm. Hiernach .expandiert bei weiterem Rechtsgang des
Kolbens der im Arbeitsraum des Zylinders eingeschlossene Dampf, bis :der Kolben
die Endstellurng erreicht hat und das Au.slaßventil geöffnet wird. Bei Rückwärtsgang
.des Kolbens wird der Dampf durch das Auslaßve-ntil ausgeschoben, bis dieses geschlossen
wird und die Kompression eiinsetzt.
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Das Einlaßventil wird inzwischen über die auf Bier Rückseite des Kolbens
wieder freigegebene Steuerleitung entlastet. Infolge der tenlweisen Belas..tun.g
durch den Frischdampfdruck bleibt es jedoch so lange geschlossen, bis der Kompressionsdruck
die notwendige Höhe zum Aufheben der im Schließsinne wirksamen Kräfte erreicht.
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Bei dem mit Eröffnungsdruck bezeichneten Zylind erinnend ruck öffnet
sich das Ventil. Die Offnu.ngskraft wird durch den Frischdampf, der in den Zylinder
einströmt, unterstützt.
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Der besondere Vorteil der Steuerung besteht darin, daß einmal ein
sicherer Füllungsabschluß bei jeder gewünschten Kolbenstellung erreicht werden kann,
zum anderen, daß für die Öffnung des Ventils jederzeit ausreichend große Kräfte
zur Verfügung gestellt werden können und schließlich, .daß der Öffnungsdruck genau
vorausbestimmt, und wesentlich niedriger als der Einströmdruck so gewählt werden
kann, wie es für ein wirtschaftliches Diagramm notwendig ist.