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Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Motorverdiehter oder-treibgaserzeuger mit Freiluftkolben, insbesondere mit gegenläufigen Freiflugkolben und unsymmetrischer Verteilung der Verdichterräume auf die beiden Seiten des Motorzylinder. Vor allem kommt die Erfindung für zweistufige Motorverdiehter oder-treibgaserzeuger der genannten Art in Frage.
Bisher wurden bei unsymmetrischer Verteilung der Verdichterräume entweder mittels des die gegenläufigen Kolben verbindenden Synchronisierungsgestänges sehr grosse Leistungen von der einen Verdichterseite auf die andere übertragen, so dass das Synchronisierungsgestänge eine wesentliche Verstärkung erfahren musste, oder es wurden die Abmessungen der einzelnen Verdichterstufen derart abgeändert, dass zwar einerseits das Synchronisierungsgestänge im normalen Betrieb keine Leistung von der einen Seite auf die andere Seite der Maschine zu übertragen hatte, aber anderseits abweichend vom üblichen das Verhältnis zwischen Einlass-und Ausstossdruck bei den einzelnen Stufen nicht mehr gleichgehalten werden konnte,
woraus sieh eine wesentliche Verschlechterung des Wirkungsgrades ergab.
Durch die Erfindung wird ein mehrstufiger, vor allem zweistufiger Motorverdichter oder-treib- gaserzeuger mit Freiflugkolben und unsymmetrischer Verteilung der Verdichterräume auf die beiden
Seiten des Motorzylinders geschaffen, bei dem einerseits das die Kupplung der gegenläufigen Kolben bewirkende Gestänge im normalen Betrieb keine oder mindestens keine nennenswerten Leistungen von der einen Masehinenseite auf die andere überträgt, und bei dem anderseits das normale und den besten Wirkungsgrad mit sieh bringende Druckverhältnis in den einzelnen Stufen aufrechterhalten wird.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass lediglich auf der Seite, auf der sich der Nieder- druekzylinder befindet, ein an sich bekannter zusätzlicher Zylinder (Stabilisierungszylinder) angeordnet ist, in dem ein mit dem Niederdruckkolben verbundener Kolben arbeitet, und in dem ein oberhalb des Atmosphärendruckes liegender Druck herrscht.
Zweckmässig ist mindestens der Anfangsdruck in dem Stabilisierungszylinder gleich dem Förderdruck des Hoehdruckzylinders. Ferner wird entweder durch ständige Verbindung des Inneren des Stabilisierungszylinders mit der Druckleitung des Hochdruck- zylinders oder durch hinreichend grosse Bemessung des Inhaltes des Stabilisierungszylinders dafur gesorgt, dass der Druck in diesem Zylinder bei den Bewegungen des mit dem Niederdruckkolben verbundenen Stabilisierungskolben unverändert bleibt oder mindestens nur geringe Änderungen erfährt.
Durch das genannte Stabilisierungspolster auf der Seite des Niederdruckzylinders lässt sich erreichen, dass die auf die beiden gegenläufigen Kolben wirkenden Druckbeanspruchungen in allen Zeitpunkten mindestens annähernd die gleichen sind, so dass das Verbindungsgestänge zwischen den Kolben trotz der unsymmetrischen Verteilung der Verdichterstufen auf die beiden Seiten des Motorzylinders keine oder keine wesentliche Leistung zu übertragen hat.
Gemäss einer weiteren zweckmässigen Ausführungsform der Erfindung, die in ihrer Anwendung nicht auf Motorverdichter oder-treibgaserzeuger mit unsymmetrischer Verteilung der Verdichterräume beschränkt ist, sondern bei allen Maschinen dieser Art mit Stabilisierungspolstern angewendet werden kann, ist der das Stabilisierungspolster enthaltende Zylinder in zwei Teilräume unterteilt, die untereinander durch ein Ventil verbunden sind. Der äussere Teilraum dient zum Einlassen der Anlassluft, und das Anlassen der Maschine erfolgt durch das Öffnen des genannten Ventils, so dass die Anlassluft in den anderen Teilraum überströmt und auf den in dem Stabilisierungszylinder arbeitenden Stabilisienmgskolben wirkt.
Das genannte Ventil bleibt im Verlauf des weiteren Betriebes offen, so dass beide Teilräume zusammen das Stabilisierungspolster bilden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht, u. zw. zeigt Fig. 1 im Längsschnitt eine Maschine mit zweistufiger Verdichtung und unsymmetrischer Verteilung der Verdichterräume gemäss der Erfindung. Fig. 2 stellt das Diagramm der auf den Niederdruckkolben wirkenden Druckkräfte dar. Fig. 3 veranschaulicht das Diagramm der auf den Hochdruekkolben wirkenden Druckkräfte. Fig. 4 zeigt das Diagramm der Kräfte, die von dem zusätzlichen Stabilisierungspolster geliefert werden müssen.
Fig. 5 veranschaulicht schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung, Fig. 6 stellt das Kräftediagramm des Stabilisierungspolsters des Gegenstandes der Fig. 5 dar, während schliesslich die Fig. 7 und 8 zwei weitere Ausführungsformen des Stabilisierungspolsters veranschaulichen.
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versehen, die in einem gemeinsamen Brennkraftzylinder 1 in entgegengesetzter Richtung beweglich sind. Jeder dieser Kolben ist an mindestens einen Verdichterkolben 31 oder 32 angeschlossen. Jeder dieser Verdichterkolben arbeitet in einem Verdichterzylinder 41 bzw. 42. Dasjenige Kolbenaggregat,
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versehen, der in einem zusätzlichen als Stabilisierungszylinder dienenden Verdiehterraum 6 arbeitet. Der Kolben 5 steht ständig unter dem Förderdruck der Hochdruckstufe.
Zu diesem Zweck ist der Stabilisierungszylinder 6 durch eine Leitung 7 an die Förderleitung 8 des Hochdruckzylinders 42 angeschlossen.
Die Bemessung des zusätzlichen Stabilisierungszylinders und die Bestimmung der in ihm herrschenden Druckverhältnisse ergibt sich aus folgendem :
Die Querschnitte der Verdichterkolben 31 und 32 seien mit 81 und S2 bezeichnet. Die Kolben und 32 verdichten das zu verdichtende Gas, beispielsweise Luft, auf den Druck pl (erste Verdiehterstufe) bzw. p2 (zweite Verdiehterstufe), wobei von einem Anfangsdruck p ausgegangen wird. Zwischen den Drücken muss zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades die bekannte Beziehung p2 : pI = pI : po herrschen.
Damit die beiden ähnlichen Verdiehterdiagramme der Fig. 2 und 3, welche die gleichen Phasen in den gleichen Augenblicken darstellen, gleichen Flächeninhalt haben, muss gleichzeitig mit der obengenannten ersten Beziehung eine zweite Beziehung für die beiden Verdichterstufen erfüllt sein, welche ebenfalls bekannt ist und 81. pl = 82. p21autet. Wenn die beiden vorstehend genannten Beziehungen, welche dem besten Wirkungsgrad des mehrstufigen Kompressors entsprechen, erfüllt sind, stehen die Verdichterkolben 31 und 32 auf ihrer Verdichterseite in allen Augenblicken unter den gleichen Kräften. Eine Ungleichheit der Gesamtkräfte, denen die genannten Kolben unterworfen sind, kann daher nur aus der Verschiedenheit der Kräfte herrühren, die auf die Rückseiten der Verdichterkolben wirken.
Diese Verschiedenheit tritt auch tatsächlich auf, wenn die Rückseiten der Kolben 31 und 32 unter dem gleichen spezifischen Druck, beispielsweise dem äusseren Druck, stehen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird der Querschnitt des Stabilisierungsverdichters 6 derart bemessen, dass der Unterschied der auf die Rückseiten der Verdichterkolben wirkenden Kräfte ausgeglichen wird. Wenn die Rückseite der Verdiehterkolben, wie dies für gewöhnlich der Fall ist, unter dem gleichen äusseren Druck steht, so ergibt die Berechnung, dass ein genauer Ausgleich der in jedem
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räume in keinem Augenblick irgendwelche Arbeit zu übertragen.
Die Synchronisierungsglieder sind also genau den gleichen Bedingungen ausgesetzt wie bei Maschinen mit symmetrischer Verteilung der Verdichterräume.
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an, die auf der Arbeitsseite des Hochdruckkolbens 32 lasten, während die Linie j2 die konstante Kraft angibt, die auf der Rückseite des letztgenannten Kolbens lastet und deren Wert von dem durch die Linie 11, dl angegebenen verschieden ist. Die schräg gestrichelten Linien zeigen in den Fig. 2 und 3
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in Rede stehenden Flächen angegeben. Diese Differenz muss also zu der Fläche al, bu, il hinzugefügt werden, damit eine konstante Kraft an allen Punkten des Diagramms auf den Kolbenaggregaten lastet.
Um dieses Ergebnis zu erzielen, wird z. B. der zusätzliche Stabilisierungszylinder derart ausgebildet, dass er in der oben erläuterten Weise für sich allein den Ausgleich der Kräfte bewirkt, die auf den hin und her gehenden Kolben lasten. In diesem Fall wirkt der gleiche Druck, beispielsweise der Aussendruck, auf die Rückseiten der Kompressorkolben. Ferner muss der Motorzylinder derart bemessen sein, dass die für die Rückkehr der Kolben zur Verfügung stehende Energie bei jeder Hublänge ausreicht, um im Brennkraftzylinder die notwendige Kompression zu erzeugen.
Der Stabilisierungszylinder 6, der eine zweckentsprechende Rückführenergie liefert, kann aber in seiner den Ausgleich der auf den Kolben lastenden Augenblickskräfte bewirkenden Tätigkeit noch
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dadurch unterstützt werden, dass die Rückseiten der Verdichterkolben einem Über-oder Unterdruck ausgesetzt werden.
Da die in Rede stehenden Maschinen in ihrem Brennkraftteil nach dem Zweitaktverfahren arbeiten, so müssen sie mit einer Spülpumpe ausgerüstet sein. Diese kann durch den Behälter 9 ge- bildet werden, dessen Wandungen einerseits durch das zweckentsprechend bemessene Gestell und anderseits durch die einander gegenüber liegenden Innenseiten der Verdichterkolben 31 und 32 gebildet werden. In diesem Fall stehen die genannten Innenseiten der Kolben immer unter dem gleichen Druck und die Spülpumpe bewirkt keinerlei Unsymmetrie in der Maschine.
Man kann aber auch als Spülpumpe einen Raum 10 benutzen, der durch die Wand des Nieder- druckzylinders 41, die Rückseite des Verdichterkolbens 31 und eine abgedichtete Wand 11 begrenzt wird. In dem letztgenannten Fall bildet die Spülpumpe ein Element der Unsymmetrie, das aber sehr klein gehalten werden kann, wenn die Rückseite des Hoehdruckkolbens 32 dem Spülluftdruck aus- gesetzt wird, indem beispielsweise der Behälter 9 als Spülluftbehälter benutzt wird.
In dem letztgenannten Fall ist der Spülpumpenraum 10 mit Einlassventilen 14 und Auslass- ventilen 15 versehen.
Bei der Einrichtung nach Fig. 1 wird, wie aus den obigen Darlegungen und aus den Diagrammen der Fig. 2 bis 4 hervorgeht, ein vollständiger Ausgleich der Verschiedenheit der auf den beiden Seiten des Motorzylinders wirkenden Kräfte hervorgerufen, u. zw. liegt dies daran, dass in dem Stabilisierungs- zylinder 6 ständig der Ausstossdruck der Hochdruekstufe herrscht. Hiefür ist es jedoch notwendig, der Leitung 7, die den Stabilisierungszylinder 6 mit der Hochdruckleitung 8 verbindet, auf ihrer ganzen Länge einen verhältnismässig grossen Querschnitt zu geben.
Wenn nämlich der Querschnitt kleiner gewählt wird, so hat die Reibung im Inneren einer solchen Leitung zur Folge, dass der Druckausgleich zwischen dem Zylinder 6 und der Hochdruckleitung 8 bei den Bewegungen des Kolbens 5 nicht stets unverzüglich vor sich geht, so dass einerseits in dem Zylinder 6 Druckdifferenzen gegenüber dem Druck in der Hochdruckleitung 8 auftreten, und anderseits ein ständiges Strömen von Gas in ständig wechselnder Richtung im Inneren der Leitung 7 stattfindet. Eine solche ständige Bewegung der Gassäule würde auch den Wirkungsgrad der Maschine erheblich beeinträchtigen.
Es ist nun aber aus Platzgründen häufig unerwünscht, zwischen der Hochdruckleitung 8 und dem Stabilisierungszylinder 6 eine Leitung 7 von grossem Querschnitt vorsehen zu müssen. Bei dem Gegenstand der Fig. 5, bei dem die gleiche Anordnung und Ausbildung der Verdichterstufen wie in Fig. 1 angenommen ist, ist die Verbindungsleitung 7 von grossem Querschnitt durch eine Verbindungsleitung 16 von wesentlich kleinerem Querschnitt ersetzt, ohne dass jedoch bei dem Gegenstand der Fig. 5 die vorstehend genannten Nachteile vorhanden sind, die bei dem Gegenstand der Fig. 1 mit einer Verkleinerung des Leitungsquerschnittes verbunden sein würden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist das Innere des Stabilisierungszylinders 6 durch einen seitlich angesetzten Behälter 6a erheblich vergrössert.
An den Behälter 6 a ist die zu der Hochdruckleitung 8 führende Leitung 16 angeschlossen, jedoch ist in der Leitung 16, vorzugsweise an der Stelle ihrer Mündung in den Behälter 6a, ein Rück- schlagventil 17 vorgesehen.
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Anlassluft angeschlossen. An den Teilraum 61 ist dagegen eine Abzweigung 2. 3 angeschlossen, die das Rückschlagventil 17 enthält und durch die Leitung 16 mit der Druckleitung der Hochdruckstufe verbünden ist.
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bleibt so lange das Ventil 18 unter der Wirkung der Feder 19 geschlossen, als zu beiden Seiten des
Kolbens 20 der gleiche Druck herrscht.
Um das Anlassen selbst zu bewirken, wird durch irgendein nicht dargestelltes Ventil der Druck aus dem Raum links vom Kolben 20 ausgelassen, so dass der auf die rechte Seite des Kolbens 20 wirkende Luftdruck überwiegt und das Ventil 18 entgegen der Feder 19 öffnet. Die unter hohem Druck stehende Anlassluft kann nunmehr in dem Raum 61 des Stabilisierungs- zylinders eintreten und das Anlassen der Maschine bewirken. Nachdem das Ventil 18 geöffnet worden ist, bleibt es während des folgenden Betriebes in seiner offenen Stellung, so dass die Räume 61 und 62 gemeinsam den Stabilisierungszylinder darstellen, dessen Gesamtrauminhalt mit Bezug auf das Hub- volumen des Kolbens 5 gross ist.
Auch nach der Öffnung des Ventils 18 hat der Luftdruck in den Räumen 61, 62 während der An- lassperiode einen über dem normalen Arbeitsdruck dieser Räume liegenden Wert. Durch in der Zeich- nung nicht dargestellte Mittel wird der Druck in den Räumen 61, 62 in bekannter Weise allmählich auf den normalen Wert gesenkt. Nachdem dies geschehen ist, wirken die Verbindungsleitung 16 und das Rückschlagventil 17 in der gleichen Weise wie dies oben an Hand der Fig. 5 beschrieben ist.
Besonders zweckmässig ist die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform, bei der ebenfalls ein zweigeteilter Stabilisierungszylinder vorgesehen ist, dessen einer Teilraum als Anlassluftbehälter dient.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 ist der Teilraum 61 des Stabilisierungszylinders im Innern des den Motorkolben 21 und den Niederdruckkolben 31 umfassenden Freiflugkolbens angeordnet. Der Teil- raum 62 befindet sieh im Innern eines ortsfesten hohlen Vorsprunges 24 des Masehinengehäuses. In der Stirnwand dieses hohlen Vorsprunges 24 ist eine Öffnung 25 vorgesehen, die im Ruhezustand der
Maschine von dem Ventil 18 verschlossen gehalten wird. Die zu der Druckleitung der Hochdruekstufe führende Anschlussleitung 16 mit ihrem Rückschlagventil 17 ist in der Wand des hohlen Vorsprunges 24 vorgesehen.
Die Wirkungsweise des Gegenstandes der Fig. 8 ist die gleiche wie die des Gegenstandes der
Fig. 7, nur zeichnet sieh der Gegenstand der Fig. 8 durch einen besonders geringen Platzbedarf aus.
Es sei nochmals betont, dass im Vorstehenden nur Ausführungsbeispiele der Erfindung be- schieben sind, auf welche die Erfindung nicht beschränkt ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Mehrstufiger, insbesondere zweistufiger Motorverdichter oder-treibgaserzeuger mit Freiflug- kolben, vorzugsweise mit gegenläufigen Freiflugkolben, und unsymmetrischer Verteilung der Ver- dichterstufen auf die beiden Seiten des im Zweitaktverfahren arbeitenden Motorzylinders, wobei das
Verdichtungsverhältnis in den verschiedenen Stufen mindestens annähernd gleich ist, dadurch gekenn- zeichnet, dass auf der Seite, auf der sich die Niederdruckstufe (31, 41) befindet, auch noch ein an sich bekanntes Stabilisierungsluftpolster angeordnet ist, das sieh in einem zusätzlichen Zylinder (6 bzw.
6, 6 a) befindet und auf einem mit dem Niederdruckkolben (31) verbundenen zusätzlichen Kolben (5) wirkt, während die andere Seite der Maschine, auf welcher sich die Hoehdruekstufe (32, 42) befindet, kein
Stabilisierungspolster aufweist.