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Druckluftmotor, bei dem der Auslaß durch vom Kolben kurz vor Ende
des Ausdehnungshubes überlaufene Schlitze der Zylinderwand gesteuert wird Vorliegende
Erfindung betrifft einen Druckluftmotor nach dem Gleichstromprinzip.
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Beim Beginn der Entwicklung des Druckluftmotors waren die Dampfmaschinen
in konstruktiver Hinsicht das Vorbild. In vielen Fällen wurden alte Dampfmaschinen
kleinerer Leistungen durch Wechsel des Treibmittels zur Druckiuftkraftmaschine gemacht.
Aber nicht nur konstruktiv diente die Dampfmaschine lange Zeit hindurch als Vorbild,
sondern auch theoretisch wurden bis heute - die inneren Arbeitsprozesse des Druckluftmotors
und der Dampfmaschine als zu wenig abweichend voneinander betrachtet. Insbesondere
hat man den bei Dampfmaschinen praktisch und theoretisch notwendigen kleinen schädlicben
Raum mit seinen möglichst kleinen Wandflächen bedenkenlos auch auf den Druckluftmotor
übertragen.
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Dieser kleine schädliche Raum bedingt aber bei Druckluftmotoren mit
durch den Arbeitskolben gesteuerten Auslaßschlitzen eine Reihe von konstruktiven
Schwierigkeiten. An sich wäre dieser Motorentyp nicht nur wegen der einfachen Herstellung
und der betriebssicheren Arbeitsweise zu bevorzugen, sondern auch deswegen, weil
bei ihm das Gleichstromprinzip gewahrt wird. Die Schwierigkeiten liegen aber darin,
da.ß das nach der Expansion im Zylinder verbleibende Luftvolumen beim Kolbenrückhub
infolge des kleinen schädlichen Raumes auf einen Endverdichtungsdruck gebracht wird,
der höher liegt als der Eintrittsdruck bei der folgenden Füllung. Dies ist natürlich
unzulässig, und deswegen hat man bisher versucht, durch besondere konstruktive Maßnahmen
den Rückverdichtungsdruck kleiner zu halten. Man hat z. B. in dem Zylinderdeckel
ein zusätzliches, besonders gesteuertes Auslaßventil eingebaut, welches nach dem
Überlaufen des Kolbens über die Auslaßschlitze in der Zylinderwand während des Rückhübes.
noch eine kurze Zeit geöffnet -bleibt, wodurch das beim Rückhub komprimierte Luftvolumen
kleiner und damit der Rückverdichtungsdruck geringer wurde. Bei dieser Ausführungsform
wird aber, abgesehen von den Nachteilen, daß ein besonderes Steuerorgan verwendet
werden muß, das Gleichstromprinzip nicht mehr gewahrt.
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Bei einer anderen bekannten Konstruktion wird der Teller des Lufteinlaßventils
axial verschiebbar auf der Ventilspindel angeordnet und sowohl Ventilteller als
auch Ventilspindel werden gesondert gesteuert. Durch axial in der Ventilspixidel
in bestimmter Weise angeordnete Nuten kann nach dem Schließen der Luftauslaßschlitze
in der Zylinderwand durch den rücklaufenden Arbeitskolben noch während eines bestimmten
Teiles der Luftausschubperiode Luft entweichen. Auch hier ist. außer dem Nachteil
des zusätzlichen Steuerorgans das Gleichstromprinzip preisgegeben.
Weiterhin
hat man sogar die Auslaßschlitze dadurch verlängert, daß man in der Zylinderinnenwand
eine von den Schlitzen ausgehende Nut parallel zur Richtung der Zylinderachse in
Richtung des Kolbenrückhubes anbrachte. Durch diese Maßnahmen bleibt wohl das Gleichstromprinzip
erhalten, aber der unvermeidliche Verlust an Treibluft und die dadurch bedingte
Herabsetzung des Luftdruckes während des Expansionshubes verschlechtern den Wirkungsgrad
der Maschine.
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Der bei Gleichstromdampfmaschinen übliche Weg der Anordnung eines
gesteuerten Auslaßventils im Arbeitskolben stört ebenfalls in konstruktiver und
betriebstechnischer Hinsicht (Vereisung) den notwendigen, einfachen Aufbau des Druckluftmotors.
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Die Ursache dieser konstruktiven und betriebstechnischen Unzulänglichkeiten.
liegt, wie schon erwähnt, in der der Theorie der Dampfmaschine entlehnten, aber
der Theorie des Druckluftmotors nicht entsprechenden Anschauung über den schädlichen
Raum. ' An Hand der beiliegenden Fig. i sollen diese Verhältnisse erläutert werden.
In dieser stellt s, den Kolbenhub dar, s, den bisher üblichen kleinen schädlichen
Raum, f die Füllungslinie und v die Linie des Vorauslasses. Wird der Auslaß in dem
Moment geschlossen, wo der Kolben beim Rückhub die Zylinderwandschlitze überläuft,
also nach dem Weg ao, dann erfolgt die Rückverdichtung gemäß der Kurve ko. Erfolgt
dagegen der Auslaß über eine längere Zeit des Rückhubes infolge der Anwendung besonderer
Ausla.ßorgane, etwa nach der Streckea,, dann erfolgt die Rückverdichtung gemäß der
Kurve k,.
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(Die Expansionslinie interessiert für die hier zu besprechenden Vorgänge
nicht, sie ist aber der Vollständigkeit wegen als Kurvee, eingetragen. Diese Kurve
würde also dem Arbeitsvorgang mit dem kleinen schädlichen Raums, entsprechen.) Man
hat. nun behauptet, daß bei einer Rückverdichtung gemäß der Kurve ko die zwischen
den Kurven ko, k1 und a1 liegende schraffierte Diagramtnfläche für den Arbeitsprozeß
verloren sei.
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Diese Überlegung ist aber falsch, wie sich aus der Erläuterung des
Erfindungsgegenstandes ergeben wird.
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Die Erfindung hat nun den Zweck, die bisherigen konstruktiven Unzulänglichkeiten
der Auslaßorgane bei Drückluftmotoren zu vermeiden und gleichzeitig durch eine Erhöhung
der mittleren Betriebstemperatur die Gefahr der Vereisung zu vermindern. Dabei beruht
die Erfindung auf der neuen Erkenntnis, daß es bei Druckluftkraftmaschinen einen
schädlichen Raum im Sinne der Dampfmaschinen nicht gibt. Diese Erkenntnis wird gemäß
der Erfindung in der Weise verwertet, daß der schädliche Raum durch einen Kompressionsraum
ersetzt wird, dessen Inhalt nach dem gewollten kückverdichtungsenddruck zu richten
ist, also verhältnismäßig groß sein muß, so daß die Rückverdichtung der Restluft
im Zylinder schon beim Abschluß der Auslaßschlitze beginnen kann. Dabei sollen die
wärmeaustauschenden Wandflächen dieses Kompressionsraumes oder Endverdichtungsraume`s
möglichst groß ausgebildet sein.
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Aus der Fig. i ist die Arbeitsweise eines Motors gemäß der Erfindung
zu erkennen.. Mit st, ist der Endverdichtun.gsraum bezeichnet. Infolge der Verminderung
besonderer Auslaßorgane erfolgt beim Motor .gemäß der Erfindung die Rückverdichtung
gemäß der Kurve ko. Demnach muß also der Kolben beim Rückhub einen Teil der während
der Expansion geleisteten Nutzarbeit der Treibluft wieder. als Kompressionsarbeit
zurückgewinnen. Diese Leistung tritt als Spannungs-und Wärmeenergie der im Zylinder
verbliebenen und komprimierten Luft in Erscheinung, wird also keineswegs, wie früher
behauptet -wurde, verloren. Die zurückgewonnene Wärmemenge bewirkt die Erhöhung
der mittleren Betriebstemperatur des Motors und verhindert so die Vereisung.
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Diese Erhöhung der mittleren Betriebstemperatur gegenüber der bei
den bisherigen Motoren wird noch durch ein weiteres Merkmal des Arbeitsvorganges
in dem neuen Motor unterstützt, wie folgende, bisher für Druckluftmotore noch nicht
angestellte Überlegung ergibt: Die Treibluft besitzt am Ende des Expansionshubes
nach erfolgtem Druckausgleich mit der atmosphärischen Luft den im ganzen Arbeitsprozeß
auftretenden niedrigsten Temperaturgrad. Zwischen den Zylinderwandflächen und dem
Kolbenboden einerseits und der verbrauchten expandierten Treibluft anderseits besteht
in diesem Augenblick das größte Temperaturgefälle, also auch die größte Wärmeabgabe
an die durch die Expansion stark abgekühlte verbrauchte Treibluft. Die an die verbrauchte
Treibluft abgegebene Wärmemenge steht nun in direkter Beziehung zu der Zeit, die
zur Zurückleg ung eines Kblbenweges ao bzw. a1 erforderlich ist. Mit der in den
Auspuff ausgeschobenen verbrauchten Treibluft ist die an diese übergegangene Wärmemenge
für den Arbeitsprozeß der Maschine verloren. Da die den Weg ao entsprechende Zeit
um ein Vielfaches geringer ist als die dem Weg a, entsprechende, so ist auch der
bei diesem Vorgang auftretende Wärmeverlust im Motor gemäß der Erfindung um ein
Vielfaches geringer als in den. bisherigen Motoren.
Die großen Wandflächen,
mit welchen der Endverdichtungsraum gemäß der Erfindung ausgestattet wird, indem
dieser Raum zerklüftet ausgebildet wird, dienen dem Wärmeübergang von außen, tragen
also weiterhin dazu bei, die mittlere Betriebstemperatur des Motors zu erhöhen.
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Die Arbeitsvorgänge in dem neuen Motor vollziehen sich im Gegensatz
zu den bisherigen restlos nach dem Gleichstromprinzip und machen sich dadurch die
vollen thermischen Vorteile desselben zu eigen.
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Durch die Auswirkung aller dieser Vorteile ist die durch den natürlichen
Wärmefluß in den Zylinderwandungen von außen nach innen an die Treibluft überströmende
Wärmemenge ausreichend zur Verbmderung einer Vereisung der Treibluft, da nun die
Betriebstemperatur im Beharrungszustand genügend hoch liegt.
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Die Größe des Endverdichtungsraumes gemäß der Erfindung ist praktisch
natürlich abhängig von der Höhe des Eintrittsdruckes; bei niedrigem Eintrittsdruck
hat sich eIme Größe von mindestens ao % des Zylindervolumens als praktisch erwiesen,
während bei höheren Eintrittsdrücken der Endverdichtungsraum mindestens 15 % des
Zylindervolumens beträgt.
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In der Fig. a ist eine beispielsweise Ausführungsform eines Motors
gemäß der Erfindung im Querschnitt schematisch zur Darstellung gebracht.