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Umsteuereinrichtung für einen mit gasförinigem Druckmittel betriebenen
Schubkolbenmotor Die Erfindung betrifft eine Umsteuereinrichtung für einen mit gasfönnigem
Druckmittel betriebenen Schubkolbenmotor mit zwei vom Motorkolben beim Durchgang
durch die Totlagen betätigten Steuerventilen und einem von den Steuerventilen gesteuerten
Hauptsteuerorgan, das ein Steuergehäuse, einen untet dem Einfluß des Druckmittels
in dem Steuergehäuse zwischen zwei Steuerdruckkammern verschiebbaren Steuerkolben
und einen mit dem Steuerkolben gekoppelten Steuerschieber für die Umsteuerung der
Bewegungsrichtung des Motorkolbens aufweist.
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Bei Schubkolbenmotoren ist in vielen Fällen die in den Totlagen des
Motorkolbens auftretende Unterbrechung der Leistungsabgabe sehr störend. Beispielsweise
werden solche Schubkolbenmotoren zum Fördern von Lacken und sonstigen Anstrichmitteln
in sogenannten »airless«-Farbspritzanlagen verwendet, bei denen der aufzutragende
Lack od. dgl. ohne Zuhilfenahme eines Treibgases unter hohen Druck gesetzt und unmittelbar
aus einer Hartmetalldüse versprüht wird. Bei derartigen Anwendungsfällen sind einmal
die im Schubkolbenmotor auftretenden Kolbengeschwindigkeiten recht klein, und zum
anderen wirken auch geringste Unterbrechungen der Drucklieferung während des Farbspritzvorganges
sehr störend.
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Da bei derartigen Anlagen normalerweise aus naheliegenden lackehemischen
Gründen ein nach Art eines Windkessels wirkendes Gaspolster über den Lackvorrat
nicht verwendet werden kann, kommt es entscheidend darauf an, eine Pumpe für die
Förderung des Lackes zu benutzen, die trotz ihrer hin- und hergehenden Arbeitsweise
möglichst keine Druckschwankungen aufweist. Der die Pumpe antreibende Schubkolbenmotor
muß deshalb in seinen Totlagen möglichst schlagartig umschaltbar sein. Selbstverständlich
sind auch andere Anwendungsfälle denkbar, bei denen es auf ein rasches Umsteuern
des Motorkolbens entscheidend ankommt.
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Bei den bekannten Umsteuereinrichtungen ist vorgesehen, daß das vom
Motorkolben bei Durchgang durch seine Totlagen betätigte Steuerventil den Zufluß
des umsteuernden Druckmittels unmittelbar öff-
net bzw. schließt. Bei dieser
Arbeitsweise ist es unvermeidlich, daß die zeitliche Dauer eines Umsteuervorganges
wesentlich davon abhängt, mit welcher Geschwindigkeit der Motorkolben sich dem Totpunkt
nähert.
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Im allgemeinen sind bei den bekannten Umsteuereinrichtungen die Steuerventile
als Umschaltventile ausgebildet, wobei die Steuerventile recht kompliziert sind
und eine aufwendige Leitungsführung aufweisen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
diesen Nachteilen zu begegnen, wobei dafür gesorgt ist, daß die Umsteuerung des
Motorkolbens außerordentlich rasch vonstatten gehen kann. Zum Lösen dieser Aufgabe
ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Steuerdruckkammern über je eine im
Steuerkolben vorgesehene Bohrung und ein im Steuerkolben vorgesehenes vom Druckmittel
gesteuertes Hilfssteuerventil mit der Druckmittelquelle und über je eines
der Steuerventile mit einem Bereich niedrigeren Druckes verbunden sind, wobei jedes
Steuerventil so ausgebildet ist, daß es normalerweise durch Federkraft geschlossen
ist, bei Betätigung durch den Motorkolben jedoch geöffnet wird und die zugehörige
Steuerdruckkammer entlastet, und wobei das Hilfssteuerventil so ausgebildet ist,
daß es durch den beim Entlasten einer Steuerdruckkammer an ihm auftretenden Druckabfall
die zu dieser Steuerdruckkammer führende Bohrung absperrt.
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Die erfindungsgemäße Umsteuereinrichtung verwendet also als Steuerventile
lediglich zwei einfache Abblaseventile, die einen Druckabfall in den Steuerdruckkammern
der Umsteuereinrichtung hervorrufen. Die eigentliche Umsteuerung erfolgt dann mit
Hilfe eines als Relais wirkenden Hilfssteuerventils. Hierbei ist nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß das Hilfssteuerventil einen Ventilkörper aufweist,
der in einem mit der Druckmittelquelle verbundenen mittleren Teil einer Längsbohrung
des
Steuerkolbens zwischen symmetrisch angeordneten Ventilsitzen
axial beweglich angeordnet ist.
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Um den Anprall des Steuerkolbens gegen die Steuergehäusedeckel zu
dämpfen, ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß die Steuergehäusedeckel
mit Steuerstiften versehen sind, die sich so in die Steuerdruckkammern hineinerstrekken,
daß sie in die Uängsbohrung des Steuerkolbens -eintreten und in die Endlagen des
Steuerkolbens den Ventilkörper von dem näher liegenden Ventilsitz abheben können.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der
Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Inhalt hat. Es zeigt F
i g. 1 einen Lä ngs schnitt und F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie
A -A in F i g. 1.
Der Kolbenmotor weist einen mit einem oberen
Zylinderdeckel 12 und einem unteren Zylinderdeckel 13 versehenen Zylinder
11 auf, der einen gleitend gelagerten Motorkolben 17 aufnimmt, an
dessen Kolbenstange 25 sich ein nicht dargestellter Arbeitskolben anschließt.
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An dem Zylinder 11 ist ein als Hilfssteuerventil ausgebildetes
Hauptsteuerorgan mit einem Steuergehäuse 51- angeflanscht, in dem sich ein
Steuerkolben 61 axial parallel zur Bewegungsrichtung des Motorkolbens
17 zwischen zwei Endstellungen bewegen kann. Mit dem Steuerkolben
61 ist ein Steuerschieber verbunden. Für die Steuerung des Druckmittels in
den Zylinder 11 oberhalb oder aber unterhalb der wirksamen Kolbenfläche des
Motorkolbens 17 sorgen zwei gleiche Steuerventile 80, die im oberen
und unteren Zylinderdeckel 12, 13 des Zylinders 11 angebracht sind.
Das Steuergehäuse 51 ist übrigens mittels Stiftschrauben 53, 54 und
Hutmuttern 55 an den oberen und unteren Zylinderdeckel angebracht. Zwischen
dem Steuergehäuse 51 und Hutmuttern 54 liegen Dichtscheiben 56. Die
im Steuergehäuse 51 und in den Zylinderdeckeln 12, 13 angeordneten
von einer Druckmittelquelle LE mit Druckmittel versorgten Druckmittelkanäle sind
durch Flanschdichtungen 57 an- der Berührungsstelle zwischen Gehäuse und
Deckeln abgedichtet.
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Das Steuergehäuse 51 ist mit zwei Steuergehäusedeckeln
58 versehen, die mit nicht bezeichneten Zapfen in die durchgehende Längsbohrung
im Steuer-Crehäuse 51 angeordnet und mittels O-Ringen 59 abgedichtet
sind. Die Steuergehäusedeckel 58 werden fernerhin von nicht in der Zeichnung
dargestellten Senkschrauben gehalten. In das Steuergehäuse 51
eingelötete
Stopfen 52 dichten einmal oben und einmal unten (in der Zeichnung nicht sichtbar)
die parallel zu -durchgehenden Längsbohrung verlaufenden, jedoch nicht ganz
durchgeführten Kanäle ab.
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Der Steuerkolben 61 ist in der Längsbohrung des Steuergehäuses
51 zwischen den Zapfen der Steuergehäusedeckel 58 gleitend gelagert.
Er wird mit O-Ringen 62 in der Längsbohrung abgedichtet. In den Steuerkolben
61 ist von oben und unten je ein Gewindestopfen 63 eingeschraubt.
Diese Gewindestopfen 63 halten je einen O-Ring, die als Ventilsitze
64 für eine zwischen ihnen bewegliche als Ventilkörper 66 ausgebildete Kugel
dienen. Die symmetrisch angeordneten Ventilsitze 64 werden durch eine Distanzbuchse
65 auf einem bestimmten Abstand voneinander gehalten. In die Zapfen der Steuergehäusedeckel
58 ist je ein Steuerstift 73 eingesetzt, der am Ende der Umsteuerbewegung
des Steuerkolbens 61 den Ventilkörper 66 von den Ventilsitzen 64 abhebt.
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An seinem äußeren Umfang weist der Steuerkolben 61 einen Einstich
auf, in den ein Schieber 67
eingepaßt ist. Das Steuergehäuse 51 besitzt
außerdem etwa mittig eine seitlich angeordnete Öffnung, die von einer Schieberspiegelplatte
69 abgedeckt wird. Letztere steht mit dem Steuerschieber 67 in Verbindung,
der unter Einfluß einer Feder 68 steht. Die Schieberspiegelplatte
69 ist mit drei Kanälen für das Druckmittel versehen. Von den drei Kanälen
in dieser Platte sind der obere und der untere Druckmittelkanal HU und HO
wechselseitig gebohrt und mit Stopfen 72 verschlossen (F i g. 2).
Der dritte Druckmittelkanal LA dient dem Auslaß des Druckmittels.
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Die Schieberspiegelplatte 69 ist am Steuergehäuse
51 angeschraubt. Zwischen beiden liegt eine Dichtung 70. An Stelle
des als Kugel ausgebildeten Ventilkörpers 66 im Steuerkolben 61 können
unter Umständen auch zwei einseitig wirkende Rückschlagventile verwendet werden.
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Ein Ventilgehäuse 81 eines Steuerventils 80 wird mit
seinem Gewindeende in eine Bohrung des Zylinderdeckels 13 eingesehraubt.
Mit Dichtungsringen 84 wird der Innenraum des Ventilgehäuses 81 gegen die
Atmosphäre und den Innenraum des Zylinders 11
abgedichtet. Ein Ventilschaft
82 wird mit einer Ventilfeder 83 mit seinem Bund gegen einen Dichtungsring
85 gedrückt, der sich über eine Scheibe 86 auf einem Seegerring
87 abstützt. Auf der dem Bund gegenüberliegenden Seite wirkt die Ventilfeder
83
wiederum über eine Scheibe 88 auf einen weiteren Dichtungsring
89, der von einem zweiten Seegerring 90 gehalten wird. Die Dichtungsringe
85 und 89 sind so bemessen, daß sie sowohl auf ihrem äußeren als auch
auf ihrem inneren Umfang abdichten. Der Dichtungsring 85 dichtet überdies
bei geschlossenem Steuerventil, also bei Anlage der Bundfläche des Ventilschaftes
82 gegen den Dichtring 85, im Venti ' 1-schaft vorhandene Querbohrungen
ab, da letztere mil Durchmesser kleiner sind als der Radius des Dichtringes
85. Die Querbohrungen ün Ventilschaft 82
stehen durch eine ebenfalls
nicht bezeichnete Längsbohrung in diesem in ständiger Verbindung mit der Atmosphäre.
Bei geschlossenem Steuerventil 80 ist also der Innenraum des. Steuerventils
80 gegen die Atmosphäre abgedichtet. In der dargestellten geöffneten Stellung
steht der Innenraum des Steuerventils 80 mit der Atmosphäre in Verbindung.
Der Innenraum des Zylinders 11 ist in beiden Fällen, also sowohl bei geschlossenem
als auch bei geöffnetem Steuerventil 80 weder mit der Atmosphäre noch mit
dem Innenraum des Steuerventils 80 in Verbindung.
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Die Wirkungsweise der nach der Erfindung geschaffenen Umsteuereinrichtung
ist folgende: In dem in F i g. 1 dargestellten Arbeitszustand ist die Umsteuerung
des Motorkolbens 17 gerade erfolgt. Der Motorkolben 17 beginnt zu
diesem Zeitpunkt seine Aufwärtsbewegung im Zylinder 11, und das Druckmittel,
im Ausführungsbeispiel Preßluft, strömt von einer Druckmittelquelle LE in das Steuergehäuse
51 ein. Der hierfür erforderliche Lufteinlaß liegt in der Seitenansicht hinten
auf der Höhe des Druckmittelkanals LA, also mittig. Durch den in der Schieberspiegelplatte
69 oben liegenden Druckmittelkanal HU, der zu diesem Zeitpunkt von
dem Steuerschieber 67 freigegeben ist, gelangt die Preßluft auf
einem
nicht dargestellten Weg durch eine Winkelbohrung ini Steuergehäuse 91 an
die Flanschfläche des unteren Zylinderdeckels 13 und durch die erweiterte
Bohrung für die Stiftschraube 54 in den unteren Zylinderraum. Der Verlauf des Drucknüttelkanals
HU verläuft spiegelbildlich zu dem in der Zeichnung dargestellten Druckmittelkanal
HO. Unter dem Druck der zwischen Zylinderdeckel13 und Motorkolben 17 einströmenden
Druckluft bewegt sich der Kolben aufwärts. Im Raum zwischen oberem Zylinderdeckel
12 und dem Motorkolben 17 befindliche Luft strömt durch den oberen Druckmittelkanal
HO. Dieser Kanal stellt eine erweiterte Bohrung für die Stiftschrauben
53 dar und verläuft vom oberen Zylinderdeckel 12 in das Steuergehäuse
51 und schließlich im letzteren durch die Winkelbohrung zur Schieberspiegelplatte
69. Die Winkelbohrung ist nach oben durch den im Steuergehäuse
51 befestigten Stopfen 52 verschlossen. Im Steuerschieber
67 wird die im Druckmittelkanal HO ankommende Luft umgelenkt und verläßt
die Schieberspiegelplatte 69
durch den Druckmittelkanal LA.
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Während der ganzen Aufwärtsbewegung des Motorkolbens 17 herrscht
im Innenraum des Steuerventils 80 der Druck des Druckmittels. In der dargestellten
Stellung könnte das Druckmittel durch die Querbohrung im Steuerkolben
61 und die Distanzbuchse 65, den oberen Ventilsitz 64, die Längsbohrung
im oberen Gewindestopfen 63 und die Winkelbohrung im Zapfen des oberen Steuergehäusedeckels
58, durch die obere Flanschfläche mit dem oberen Steuerkanal St0 und dadurch
zum Innenraum des Steuerventils 80 strömen. Erst wenn der Motorkolben
17 gegen den Ventilschaft 82 stößt und diesen gegen die Wirkung der
Feder 83 bewegt, wird der obere Steuerkanal St0 mit der Atmosphäre verbunden.
Damit sinkt der Druck oberhalb des Ventilkörpers 66 im Steuergehäuse
51 ab, und der Ventilkörper 66 wird gegen den oberen Ventilsitz 64
durch das unterhalb des Ventilkörpers 66 befindliche Druckmittel gedrückt.
Damit wird der Durchgang für das Druckmittel durch den oberen Ventilsitz 64 gesperrt.
Demnach herrscht nun auf der oberen Seite des Steuerkolbens 61 Atmosphärendruck,
auf der unteren Seite jedoch der Druck des Druckmittels, und daher wird der Steuerkolben
61 nach oben getrieben und nimmt dabei den im Einstich des Kolbens
61 befindlichen Steuerschieber 67 längs der Schieberspiegelplatte
69 mit. Um den Anprall des Steuerkolbens 61 gegen den Steuergehäusedeckel
58 zu dämpfen, heben die Steuerstifte 73 den Ventilkörper
66
kurz vor dem Anschlag von dem Ventilsitz 64 ab. Auf diese Weise wird zugleich
der nächste Umsteuervorgang erleichtert, da der Ventilkörper 66 in diesem
Augenblick frei zwischen den Ventilsitzen 64 schwebt.
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Der Steuerschieber 67 gibt nun den Druckmittelkanal RO frei
und verbindet den Druckmittelkanal HU mit dem Druckmittelkanal
LA. Sofort nach beendeter Umsteuerung kann das Druckmittel durch den unteren
Ventilsitz 64 und den unteren Steuerkanal St0 zum unteren Steuerventil
80 strömen. Damit ist letzteres für die nächste Umsteuerung bereit. Bei der
Abwärtsbewegung des Motorkolbens 17 sind die Rollen der spiegelsymmetrisch
angeordneten Ventile und Teile im Steuergehäuse genau vertauscht.
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Die Bauweise des Motorkolbens und des Zylinders berührt das Wesen
der Erfindung übrigens nicht. Die erfindungsgemäße Steuerung ist auch für andere-Formen
eines doppeltwirkenden Schubkolbenmotors anwendbar.