DE582620C

DE582620C - Compressed air motor, in which the outlet is controlled by slots in the cylinder wall overflown by the piston shortly before the end of the expansion stroke

Info

Publication number: DE582620C
Application number: DE1926582620D
Authority: DE
Original assignee: KARL ZUR NIEDEN
Current assignee: KARL ZUR NIEDEN
Priority date: 1926-10-14
Filing date: 1926-10-14
Publication date: 1935-03-04

Description

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.Air motor with the exhaust through from the piston just before the end the expansion stroke overrun slots of the cylinder wall is controlled present The invention relates to a compressed air motor based on the direct current principle.

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.When the development of the air motor began, there were the steam engines from a constructive point of view the role model. In many cases they were old steam engines Smaller performances are made by changing the propellant to the compressed air engine. But the steam engine was not only used as a model for a long time in terms of construction, but also have been theoretical to this day - the internal work processes of the air motor and the steam engine are viewed as too little different from each other. In particular one has the little harmful ones that are practically and theoretically necessary in steam engines Room with the smallest possible wall surface can also use the compressed air motor without hesitation transfer.

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.However, this small harmful space is a factor in air motors through the working piston controlled outlet slots a number of constructive Trouble. In itself, this type of engine would not be just because of its ease of manufacture and the reliable working method, but also because with him the direct current principle is preserved. But the difficulty lies in da.ß the volume of air remaining in the cylinder after expansion during the piston return stroke due to the small harmful space is brought to a final compression pressure, which is higher than the inlet pressure for the following filling. This is natural inadmissible, and therefore attempts have so far been made to use special constructive measures to keep the recompression pressure lower. One has z. B. in the cylinder cover an additional, specially controlled exhaust valve installed, which after the The piston overflows through the outlet slots in the cylinder wall during the return stroke. remains open for a short time, whereby the volume of air compressed during the return stroke smaller and thus the recompression pressure was lower. In this embodiment but apart from the disadvantages that a special control element is used the direct current principle no longer has to be respected.

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.In another known construction, the poppet of the air inlet valve is used arranged axially displaceably on the valve spindle and both valve head as valve spindles are also controlled separately. Through axially in the valve spixidel in a certain way arranged grooves can after the closing of the air outlet slots in the cylinder wall by the returning working piston still during a certain Part of the air expulsion period air will escape. Here too is. except for the disadvantage of the additional control element disclosed the direct current principle. Farther one has even lengthened the outlet slots in that one in the cylinder inner wall a groove extending from the slots parallel to the direction of the cylinder axis in Direction of the piston return stroke attached. With these measures, the direct current principle remains preserved, but the inevitable loss of propellant air and the resulting Reduction of the air pressure during the expansion stroke worsens the efficiency the machine.

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.The usual way of arranging a direct current steam engine controlled exhaust valve in the working piston also interferes in constructive and From an operational point of view (icing) the necessary, simple structure of the compressed air motor.

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,.The cause of these constructive and operational shortcomings. lies, as already mentioned, in the theory of the steam engine, but the theory of the air motor does not correspond to the view of the harmful Space. These relationships are to be explained with reference to the accompanying FIG. In this, s, the piston stroke, s, the small, harmful ones that have been common up to now Space, f the filling line and v the line of the outlet. Will the outlet in the Closed moment where the piston overflows the cylinder wall slots on the return stroke, So after the path ao, then the recompression takes place according to the curve ko. He follows on the other hand, the outlet over a longer period of the return stroke due to the application of special Ausla.ßorgane, for example after the stretch a ,, then the recompression takes place according to the Curve k ,.

(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.(The expansion line is of interest to the processes to be discussed here not, but for the sake of completeness it is entered as a curve. This curve would thus correspond to the working process with the small harmful space.) Man Has. now asserts that with a recompression according to the curve ko the between The hatched diagram surface lying on the curves ko, k1 and a1 for the work process be lost.

Diese Überlegung ist aber falsch, wie sich aus der Erläuterung des Erfindungsgegenstandes ergeben wird.However, this consideration is wrong, as can be seen from the explanation of the Subject of the invention will result.

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.The invention now has the purpose of eliminating the previous design inadequacies to avoid the outlet organs in compressed air engines and at the same time by increasing them the mean operating temperature to reduce the risk of icing. It is based the invention based on the new knowledge that there is a pneumatic engine there is no harmful space in the sense of steam engines. This knowledge is according to the invention utilized in such a way that the harmful space through a compression space is replaced, the content of which is to be adjusted according to the desired recompression final pressure is, so must be relatively large, so that the recompression of the residual air can begin in the cylinder at the end of the outlet slots. The heat-exchanging wall surfaces of this compression space or end compression space be made as large as possible.

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.From Fig. I is the operation of a motor according to the invention to recognize .. With st, the end compression space is designated. As a result of the reduction Special outlet organs take place in the engine. According to the invention, the recompression according to the curve ko. Accordingly, the piston must be part of the during the return stroke the expansion performed useful work of the propellant air again. as compression work win back. This power occurs as tension and heat energy in the cylinder remaining and compressed air in appearance, is therefore by no means, as it used to be claimed -was lost. The amount of heat recovered causes the increase the average operating temperature of the engine and thus prevents icing.

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.This increase in the mean operating temperature compared to the the previous engines is still characterized by another feature of the work process in the new motor, like the following, has not yet been supported for air motors The following consideration results: The propellant air has at the end of the expansion stroke after pressure equalization with the atmospheric air, the entire work process occurring lowest temperature degree. Between the cylinder wall surfaces and the Piston head on the one hand and the used expanded propellant air on the other hand at this moment the greatest temperature gradient, thus also the greatest heat emission to the used propellant air, which has been greatly cooled by the expansion. The one used up The amount of heat given off by the propellant air is now directly related to the time it takes to cover a cylinder path ao or a1 is required. With the in the Used propellant air pushed out of the exhaust is the amount of heat transferred to it lost to the work process of the machine. Since the time corresponding to the way ao is many times less than that corresponding to the path a, so is that too occurring during this process heat loss in the engine according to the invention by a Many times less than in the. previous engines. The large wall surfaces with which the end compression space is equipped according to the invention by this space is designed to be jagged, serve the heat transfer from the outside, carry so it continues to increase the mean operating temperature of the engine.

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.The operations in the new engine take place in opposition to the previous ones completely according to the direct current principle and thereby make the its full thermal advantages.

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.The effect of all of these benefits is that of the natural Heat flow in the cylinder walls from the outside to the inside to the driving air overflowing Amount of heat sufficient to prevent icing of the propellant air, since now the Operating temperature is sufficiently high in the steady state.

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.The size of the end compression space according to the invention is practical of course depending on the level of the inlet pressure; at low inlet pressure a size of at least ao% of the cylinder volume has proven to be practical, while at higher inlet pressures the end compression space is at least 15% of the Cylinder volume is.

In der Fig. a ist eine beispielsweise Ausführungsform eines Motors gemäß der Erfindung im Querschnitt schematisch zur Darstellung gebracht.In Fig. A is an example embodiment of a motor according to the invention shown schematically in cross section.

Claims

CLAIM OF THE PATENT: Air motor with the outlet through from the piston shortly before the end of the expansion stroke, controlled slots in the cylinder wall is, characterized in that the recompression of the residual air in the cylinder already at the end of the outlet slots begins and the end compression space to achieve of the final compression pressure corresponding to the inlet pressure a proportionately has great content, that also the heat-exchanging wall surfaces of the end compression space are made as large as possible.