DE2003923A1 - Mit einem kompressiblen Arbeitsmedium betriebene Hubkolbenmaschine - Google Patents

Description

Patentanwälte O Π Π Τ '9 ^

Dipl.-Ing. W. Beyer ^OK) ο J ΔΟ

Oipl.-Wirtsch.-Ing.B.Jochem

6000 Prankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Str.18

Aktiebolaget Electrolux Stockholm / Schweden

Mit einem kompresslblen Arbeitsmedium betriebene Hubkolbenmaschine

Priorität der schwedischen Patentanmeldungen

No. 1174/1969 vom 29. Januar 1969 und No. 17298/1969 vom 16. Dezember 1969

Die Erfindung betrifft mit einem kompressiblen Arbeitsmedium betriebene Hubkolbenmaschinen mit einer im Zylinderkopf angeordneten, mit dem Arbeitszylinder durch ein Einlaßventil in Verbindung stehenden Ventilkammer, wobei das Einlaßventil im wesentlichen durch den Druck des Arbeitsmediums steuerbar ist.

Bereits eine lange Zeit hindurch wurden Hubkolbenmaschinen zur Umwandlung von in Dampf als Arbeitsmedium enthaltener Wärmeengergie in kinetische Energie einer Drehbewegung eingesetzt. Solche Maschinen waren vor allem für große Ausgangsleistungen vorgesehen, und über ihre Grundlagen geben ein-

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schlägige Handbücher Auskunft. Später wurden Verbrennungskraftmaschinen entwickelt, die sich in so kleinen Einheiten bauen ließen, daß sie für Fahrzeuge aller Art; geeignet waren. Die Entwicklung der Verbrennungskraftmaschinen ist inzwischen so weit fortgeschritten, daß Automobile mittlerweise praktisch nur noch mit dieser Kraftquelle ausgerüstet werden. Daneben verlangt jedoch die militärische Ausrüstung in steigendem Maße nach ElektrizitätserZeugungsaggregaten, an welche die Anforderungen gestellt werden, daß sie leise laufen und gleichzeitig leicht, eventuell tragbar sind. Auch für diesen Verwendungszweck wurden bereits mit einem kompressiblen Arbeitsmedium betriebene Hubkolbenmaschinen vorgeschlagen. Da dieselben auf den Betrieb eines elektrischen Generators ausgelegt waren, fiel es nicht schwer, sie bei im wesentlichen konstanter Drehzahl mit optimalem Wirkungsgrad und grösster Leistung laufen zu lassen. Auf der anderen Seite mußte dafür in Kauf genommen werden, daß der Bereich der Anwendungsmöglichkeiten einer solchen Maschine nur begrenzt war. Ihre Bauart ist beispielsweise ungeeignet zum Antrieb von Automobilen mit ständig wechselnder Drehzahl und Leistung. Sieht man von diesem Nachteil ab, so hätten mit einem kompressiblen Arbeitsmedium betriebene Maschinen, beispielsweise Dampfmaschinen, gegenüber den jetzt gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen auch als Antriebseinheit in Automobilen gewisse Vorteile, insbesondere den, daß zwar auch ein geeigneter Treibstoff zur Erhitzung des Dampfes verbrannt wird, der VerbrennungsVorgang jedoch ohne weiteres so eingestellt werden kann, daß bedeutend weniger gesundheitsschädliche Abgase als bei den zur Zeit üblichen Verbrennungsmotoren entstehen.

Aus dem Voranstehenden wird klar, daß die Frage, ob Dampfmaschinen Eingang in den Automobilbau finden werden, entscheidend von dem Problem der Ventilsteuerung abhängt, um sowohl bei sehr niedrigen wie auch sehr hohen Drehzahlen einen guten Wirkungsgrad und ein hohes Drehmoment zu erhalten.

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Das Drehmoment einer Maschine der eingangs genannten Art ist nun im wesentlichen abhängig vom Füllungsgrad des Arbeitszylinders bei jedem Arbeitshub, und hierfür ist wiederum die Dauer der Öffnung des Einlaßventils maßgebend. Aus der deutschen Patentschrift 1 o42 6o7 ist es bekannt, dieses Ventil durch den Druck des Arbeitsmediums schließen zu lassen, nachdem der Arbeitskolben in einem bestimmten Abstand vom oberen Totpunkt eine in der Zylinderwand mündende Verbindungsleitung zu einem Betätigungszylinder des Einlaßventils freigegeben hat. Damit nicht unabhängig von Drehzahl und Leistung das Einlaßventil immer nur in derselben Kolbenstellung geschlossen wird, ist bei dieser vorbekannten Maschine ein Drosselventil in der Verbindungsleitung zum Betätigungszylinder des Einlaßventils vorgesehen. Dadurch wird der Druckaufbau im letzteren verzögert und der Schließzeitpunkt des Einlaßventils hinausgeschoben.

Die zuletzt geschilderte Anordnung hat den Nachteil, daß richtige Einstellung des Schließzeitpunktes des Einlaßventils Je nach Betriebsbedingungen sehr schwierig und praktisch immer ungenau ist. Das liegt daran, daß wegen der durch das Drosselventil verursachten Zeitverzögerung der Schließzeitpunkt des Einlaßventils nicht nur eine Funktion der Kolbenstellung, sondern auch mit kompliziertem Zusammenhang eine Funktion der Kolbengeschwindigkeit ist. Die Unsicherheit der Steuerung macht sich umso stärker bemerkbar, je später der Schließzeitpunkt liegen soll und je höher die Kolbengeschwindigkeit ist. Darüberhinaus muß die Anschlußöffnung der Verbindungsi eitung zwischen dem Betätigungszylinder des Einlaßventils und dem Arbeitszylinder in der Umfangswand des letzteren sinngemäß in einem bestimmten mittleren Mindestabstand vom oberen Totpunk t des Arbeitskolbens angeordnet sein. Ein früheres Schließen des Einlaßventils als bis der Kolben diese Öffnung freigegeben hat, ist dann aber nicht möglich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Hubkolbenma-El W 173+198 / 27.1.197ο 00S831/123 1

schine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine exakte Einstellung der Ventilsteuerung gänzlich unabhängig von der Drehzahl gestattet, und diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Einlaßventil in einer bestimmten Einstellung allein in Abhängigkeit von der Kolbenstellung umsteuerbar ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zur Veränderung des Füllungsgrades des Arbeitszylinders vorgesehen, daß die öffnung der diesen mit dem Betätigungszylinder des Einlaßventils verbindenden Leitung wahlweise in unterschiedlicher Entfernung vom oberen Totpunkt des Kolbens festlegbar ist. Dies kann zweckmässigerweise sehr einfach dadurch geschehen, daß die genannte Verbindungsleitung mehrere öffnungen zum Arbeitszylinder besitzt, von denen mittels eines Auswahlventile jeweils eine an den Betätigungszylinder des Einlaßventils anschließbar ist. Als Betätigungszylinder findet vorzugsweise eine im Zylinderkopf angeordnete Feuerkammer Verwendung, welche eine Druckfeder aufnimmt, die den Ventilkörper des Einlaßventils in Schließrichtung belastet, während der Druck des Arbeitsmediums in der Ventilkammer des Einlaßventils den Ventilkörper in beiden Richtungen im wesentlichen gleichmässig belastet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erfiutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt quer zur Kurbelwelle durch einen Arbeitszylinder einer mit einem kompressiblen Arbeitsmedium betriebenen Hubkolbenmaschine mit einer Ventilsteuerung gemäß der Erfindung,

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Fig. 2, und 4 weitere Ausführungsbeispiele der Steuerung

des Einlaßventils an derselben Maschine,

Fig. 5 den oberen Bereich des Arbeitszylinders

und den Zylinderkopf einer Dampfmaschine, bei welcher die erfindungsgemäße Ventilsteuerung mit einer für sie geeigneten Starteinrichtung zusammenwirkt,

Fig. 6 eine Schemazeichnung zur Steuerung der

Starteinrichtung in Fig. 5 j

Fig. 7 eine vereinfachte perspektivische Dar

stellung zum Aufbau der Steuerung einer Starteinrichtung gemäß Fig. 5 und 6 bei ,einer Dampfmaschine mit mehreren Zylindern.

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Die in Fig. 1 dargestellte Kolbenmaschine besitzt eine in einem Kurbelwellengehäuse 11 gelagerte Kurbelwelle Io, die mit einem Kolben 15 durch ein Pleuel 12 verbunden ist, dessen Lagerung auf Seiten des Kolbens ein Kolbenbolzen 13 bildet. Der Kolben 15 ist mit in Ringnuten eingesetzten Kolbenringen 17 versehen und gleitet in einem Zylinder 14. Letzterer kann auf seiner Innenseite eine nicht dargestellte Auskleidung tragen, die aus einem im Hinblick auf Wärmeleitfähigkeit, Schmierung usw. geeigneten Material, beispielsweise einem bestimmten Kohlenstoffstahl, bestehen mag. Oberhalb des Zylinders 14 befindet sich, durch eine Zwischenwand 19 abgetrennt, ein als Ventil ausgebildeter Zylinderkopf 18, dessen Ventilkammer zur Unterscheidung vom eigentlichen Zylinderraum 2o mit 21 bezeichnet ist.

Die Ventilkammer 21 ist über eine Leitung 22 an eine nicht gezeigte Druckmittelquelle, beispielsweise einen Dampferzeuger, angeschlossen, so daß in der Ventilkammer 21 ständig der erzeugte Einlaßdruck herrscht. Das Einlaßventil wird gebildet durch eine konzentrische Öffnung 23 mit dem Durchmesser d in der Zwischenwand 19 und einen die Öffnung 23 abwechselnd verschließenden und freigebenden Ventilteller 24 mit dem Durchmesser D, wobei auf der Oberseite der Zwischenwand 19 für den Ventilteller 24 ein Ventilsitz ausgebildet ist. Der Ventilteller 24 sitzt fest an einem Ventilkörper, der in einen oder mehrere stempeiförmige Teile 25 und einen topfförmigen Teil 27, 28 gegliedert ist. Letzterer gleitet in der gezeigten Weise in einem Ringraum 26 im Zylinderkopf 18 in axialer Richtung, wobei das Einlaßventil 23, 24 öffnet bzw. schließt. In seinen Endstellungen, wie auch während der Gleitbewegung liegt der Umfangsteil 27 des Ventilkörpers beständig dicht am Aussenumfang des Ringraumes 26 an. Der Bodenteil 28 des Ventilkörpers besitzt im wesentlichen denselben Durchmesser D wie der Ventilteller 24 und wird durch den einlaß-

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seitigen Dampfdruck in der Ventilkammer 21 in Öf fn ung s rieh tun -i des Ventils beaufschlagt.

In Fig. 1 ist das Einlaßventil 23, 24 in geschlossener Stellung gezeigt. In dieser Stellung sind die gegeneinander wirkenden, durch den Dampfdruck erzeugten Druckkräfte auf die Oberseite des Ventiltellers 24 und die Unterseite des Bodenteils 28 wegen deren gleichen Durchmesser ausbalanciert. Der Einlaßdampf wirkt also weder in Öffnungs- noch in Schließrichtung des Ventils. Unter diesen Voraussetzungen kann eine konzentrisch im Zylinderkopf 18 eingesetzte Druckfeder 3o den Ventilteller 24 in dichter Anlage an seinem Sitz halten. Für die Unterbringung der Druckfeder 3o ist im Beispielsfall eine besondere Federkammer 29 vorgesehen. Falls es erwünscht ist, auch durch den Einlaßdampf in der geschlossenen Ventil stellung •in· dl··· Stellung «inhernd· Druckkraft au gilben nu Inmtsan, so genügt es, den Durchmesser des Ventiltellers 24 und der Öffnung 23 entsprechend grosser zu wählen als den des Bodenteils 28 des Ventilkörpers.

Die bei jedem Arbeitshub in den Zylinderraum 2o einfließende Dampfmenge wird mit Hilfe einer Verbindungsleitung 33 bestimmt, deren eines Ende in einer Öffnung 34 im Zylinderraum 2o und deren anderes Ende in einer Öffnung 35 in der Federkammer mündet. Die letztere kommuniziert mit dem Ringraum ?6 im Zylinderkopf Ί8. Sobald der Kolben während der Abwärtsbewegung seines Arbeitshubes vom oberen zum unteren Totpunkt die Mündungsöffnung 34 der Verbindungsieitung 33 freigibt, so daß Dampf mit im wesentlichen dem Einlaßdruck in die Federkämmer 29 und den Ringraum 26 strömen kann und dadurch auf der Oberseite und Unterseite des Bodenteils 28 praktisch derselbe Druck zustande kommt, wird, da bei geöffnetem Einlaßventil sich auch die Druckkräfte am Ventilteller 24 aufheben, das Ventil durch die sich allein voll auswirkende

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Kraft der Feder 3o geschlossen.

Die Mündungsöffnung 34 der Verbindungsleitung 33 sollte an einer solchen Stelle angeordnet sein, daß unter bestimmten Betriebsbedingungen - bestimmte Drehzahl und bestimmte Last gerade die zugehörige Dampfmenge bei jedem Arbeitshub in den Zylinder gelangt. Es ist ersichtlich, daß bei schwankenden Betriebsbedingungen, d.h. unterschiedlicher Belastung und Drehgeschwindigkeit, über ein und dieselbe Mündungsöffnung 34 nicht gleichbleibend eine optimale Füllung des Zylinderraumes erreicht werden kann. Die Verbindungsleitung 33 ist deshalb auf Seiten des Zylinderraumes 2o mit einer Mehrzahl von Zweigleitungen 37, 38, 39, 4o mit Mündungsöffnungen 34, 41, 42, 43 in unterschiedlichem Abstand vom oberen Totpunkt versehen worden, wobei durch ein Auswahlventil 36 jeweils nur eine der Zweigleitungen Anschluß hat an die Verbindungsleitung 33. Das Auswahlventil 36 kann beispielsweise aus einem hohlzylindrischen Gehäuse 44, in welchem die Zweigleitungen an verschiedenen Stellen des Umfangs münden, und einem darin in dichter Anlage drehbaren hohl zylindrischen Ventilkörper bestehen, der mit einer Radialbohrung 47 versehen ist, die jeweils mit einer der Anschlußöffnungen der Zweigleitungen im Gehäuse 44 zum Fluchten gebracht wird. Die Verbindungsleitung 33 braucht dann nur radial oder axial in den inneren Hohlraum 45 des Ventilkörpers 46 zu führen.

Die in Fig. 1 dargestellte Maschine arbeitet nach dem Gleichstromprinzip, d.h. das Druckmittel wird eingeleitet, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet, und es wird abgeleitet, wenn sich der Kolben nahe des unteren Totpunktes befindet. Der Auslaß besteht aus einer oder mehreren Auslaßöffnungen 48 in der Seitenwand des Zylinders 14. Während des Arbeitshubes bewegt sich der Kolben 15 vom oberen zum unteren Totpunkt, während das Arbeitsmedium expandiert. Sobald dabei

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der oberste Kolbenring 17 die Oberkante 49 der Auslaßöffnung 48 passiert hat, beginnt das mehr oder weniger expandierte Arbeitsmedium auszuströmen. Dieser Vorgang kann dann solange andauern, wie sich der Kolben noch weiter nach abwärts bewegt, dann seine Bewegungsrichtung wechselt und soweit zurückführt, bis der Kolbenring 17 wieder die Oberkante 49 der Auslaßöffnung 48 überstrichen hat.

Während sich der Kolben nach dem Schließen des Einlaßventils weiter abwärts bewegt, nimmt der Druck im Zylinderraum 2o kontinuierlich ab, und entsprechend sinkt auch der Druck in der Verbindungsieitung 331 Da sich somit die Veränderungen der Druckkraft auf die Unterseite des Ventiltellers 24 und auf die Oberseite des Bodenteils 28 parallel verhalten, bleibt das Einlaßventil in seiner geschlossenen Stellung.

Während nun der Kolben nach dem Verschließen der Auslaßöffnung 48 weiter aufwärts gleitet, käme es zu einer Kompressi- ' on des Restinhalts des Zylinderraumes und einem entsprechenden Leistungsverlust, wenn nichtim oberen Bereich des Zylinderraumes eine weitere Auslaßöffnung 51 angeordnet wäre, die durch ein Auslaßventil 5o verschließbar ist. Der Abstand der Oberkart e 52 der Auslaßöffnung 51 von der Zwischenwand 19 ist etwas grosser als der Abstand des obersten Kolbenringes 17 von der Zwischenwand im oberen Totpunkt des Kolbens. Im Ausführungsbeispiel besteht das Auslaßventil 5o aus einer Ventilscheibe 53, die während des Arbeitshubes unter dem Einfluß des dann im Zylinderraum herrschenden starken Druckes gegen einen Ventilsitz 54 gepresst wird und dadurch die Auslaßöffnung 51 verschließt. Beim Rückhub des Kolbens jedoch, wenn der Druck im Zylinderraum geringer ist, vermag eine Druckfeder 55 die Ventilscheibe 53 von ihrem Sitz 54 anzuheben, so daß während dieser Phase die Auslaßöffnung 51 ge öffnet bleibt und bis kurz vor Erreichen der oberen Totpunkt-Ei W 173+198 / 27.1.197ο

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lage im Zylinder nicht komprimiert wird. Es enstehen also keine Kompressionsverluste.

Die axiale Lage der Auslaßöffnung 51 kann so gewählt werden, daß es auf dem letzten Teilstiick des Rilckhubes des Kolbens im obersten Bereich des Zylinders doch noch zu einer ausreichenden Kompression kommt, um durch den auf diese Weise erzeugten Druck den Ventilteller 24 ein wenig anzuheben. Sobald dies geschehen ist, fließt Frischdampf aus der Ventilkammer 21 in den Zylinderraum 2o, was zu einem Druckausgleich zu beiden Seiten des Ventiltellers 24 führt, mit der Folge, daß der Druck des Frischdampfes auf die Unterseite des Bodenteils 28 jetzt die Öffnungsbewegung des Einlaßventils unterstützt und den Ventilteller 24 bis in die voll geöffnete Stellung von seinem Sitz anhebt. Durch den in den Zylinderraum und dort expandierenden Dampf wird der Kolben 15 zur unteren Totpunktlage hin gedrückt.

Das in Fig. 1 dargestellte Einlaßventil erlaubt vielfältige Variationen. In Fig. 2 ist beispielsweise eine weitere Ausführungsform gezeigt, die in der Zwischenwand 119, welche den Zylinderraum 12o von der Ventilkammer 121 trennt, mehrere Einlaßöffnungen 6o vorgesehen sind. Einzelheiten in Fig. 2, die in Fig. 1 eine Entsprechung haben, sind zum besseren Verständnis mit dem Bezugszeichen mit Zuschlag von loo bezeichnet worden. Demgemäß werden die Einlaßöffnungen 6o durch eine Ventilplatte 124 ungefähr in Form eines Kleeblattes mit einer der Anzahl der Einlaßöffnungen entsprechenden Anzahl Blätter verschlossen. Drehung der Ventilplatte 124 verhindert ein sowohl mit dieser als auch mit der Zwischenwand 119 in Eingriff stehender Bolzen 61- Der rückwärtige Teil des Ventilkörpers besteht aus einem konischen Flansch 128, dessen äusserer Rand mit dichter Anlage in einer Ausbohrung 129 geführt ist. Für die Ventilsteuerung ist auch wiederum eine Druckfeder

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13o vorgesehen, deren Vorspannung diesmal mittels einer Einstellschraube 62 justiert werden kann. Das Auswahlventil 136 weist einen hohlzylindrischen, mit Anschlußbohrungen 147 versehenen Ventilkörper 146 auf, der mit Hilfe eines Hebelarmes

63 in der Weise gedreht werden kann, daß durch die Bohrungen 147 jeweils eine von mehreren Mündungsöffnungen 141, 142, an die zur Beaufschlagung des Steuerkolbens des Einlaßventils dienende Verbindungsleitung 133 Anschluß hat. Der Ventilkörper 124, 128 1st im Beispielsfall aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt, die durch eine Schraubverbindung 64, 65 zwischen axialen Endteilen zusammengehalten werden. Eines der letzteren wird durch ein büchsenförmiges Teil 64 gebildet, welches die Zwischenwand 119 durchdringt und in seiner zum Zylinderraum 12o hin offenen Bohrung eine frei endende Druckfeder 132 aufnimmt. Die durchbohrte Ventilplatte 124 und ein hohlzylindrischer Ansatz 68 des Ventilkörpers 128 werden durch eine von oben in die Büchse 64 einschraubbare Schraube 65 zwischen deren Kopf und einem äusseren Absatz 67 der Büchse

64 fest-gespannt. Die Feder 132 findet ihre Abstützung an einem inneren Absatz oder Boden 66 der Büchse 64. Die Punktionsweise des Einlaßventils nach Pig. 2 ist dieselbe wie bei dem nach Pig. I.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches sich zum Teil an das gemäß Fig. 1 und zum Teil an das nach Fig. 2 anlehnt, ist in Fig. 3 dargestellt. Entsprechende Teile tragen wiederum dasselbe Bezugszeichen, diesmal lediglich mit einer 2 davor. Die Ventilplatte 224 des Einlaßventil mag dieselbe Form haben, wie oben im Zusammeriang mit Fig. 2 beschrieben. Auch die Verbindung von Ventilplatte und Ventilkörper ist gleich. Abweichend von Fig. 2 ragt jedoch der rückwärtige Teil des insgesamt mit 71 bezeichneten Ventilkörpers in axialer Richtung weit in einen Ringraum 226 hinein, der konzentrisch zu einer zentralen Ausbohrung im Zylinder-Ei W 173+ 198 / 27.1.197ο

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kopf für die Aufnahme der Druckfeder 23o des Ventils liegt. Der Druck des Frischdampfes in der Ventilkammer 221 wirkt nur auf den vorderen bzw. konischen mittleren Teil Io des Ventilkörpers 71. Die Gröice der Projektion dieser kegeligen Mantelfläche 7o entspricht der Summe der Querschnittsflächen der Einlaßöffnungen 26o. Der als Differentialkolben ausgebildete Ventilkörper 71 ist jedoch nahe seinem hinteren Ende nochmals stufenförmig erweitert, wobei der erweiterte Umfangsteil mit 72 bezeichnet wurde. Da der Druck in der Verbindungsleitung 233 von oben auf die grösste Querschnittsfläche des Ventil körpers 71, 7o, 72 wirkt, der Druck des Frischdampfes in der Ventilkammer 221 jedoch nur auf die Fläche 7o, ergibt sich bei dieser Ausführungsform eine grössere Druckkraft in Schließ richtung. Wie auch bei den oben beschriebenen Beispielen, ist der mit der Verbindungsleitung 233 in Verbindung stehende Raum oberhalb des als Kolben wirkenden Ventilkörpers durch ssen dichte Anlage am Umfang gegenüber der Ventilkammer 221 abgedichtet. Bei dem Ventil nach Fig. 3 können entweder beide zylindrischen Umfangsteile 72 und 71' oder auch nur einer von ihnen gleitend, aber dicht in einer in den Zylinderkopf eingesetzten Büchse 7o' geführt sein.

Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einlaßventils ist in Fig. 4 dargestellt, wobei ein Ventilteller 8o aus Stahl an einer zentralen Schraube 81 befestigt und über die letztere mit einer Membran 82 verbunden ist. Die Membran ist um Umfang im Zylinderkopf 318 eingespannt. Sie wird durch eine konzentrische Druckfeder 33o in Schließrichtung des Einlaßventils vorgespannt und kann selbst aus einem geeigneten nachgiebigen Material, darunter auch Metall, bestehen und abweichend von der Darstellung balgenförmige Gestalt haben. In der Verbindungsleitung 333 zwischen Zylinderraum und dem auf den Ventilkörper wirkenden Druckraum im Zylinderkopf ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine mittels

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einer Schraube S3 einstellt; ^-^!- se ist fur einen mit k-:^::\-:v ''_-,■ geeignet.

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Eire sum ZusanineT.'.^!ir"cfin mit J ^{: !}* i -'.rs-eentil nach Fig» 3 bestirrmce Star εν:.·Γ rich tune: i. l·-· . v'jq. 5 dargestellt, Im einzelnen zeigt dies?? 2e: r-^!- ·,■ - ^ figv.f einen Zylinder 41o, in dem ein Kolben 411 mit Kolbenringen 412 arbeitet. Vorn Zylinderrauin abgetrennt, 'erfindet sich· hn Zylinderkopf eine Ventilkairaner 41.1_; der üi.)^: eine Leitung 414 ein koinpressibies Arbeitsmedium, beispielsweise Dampf, zugeführt wird. In der Trennwand zwischen der Vent.i "i k 3T>mer 413 und dem Zylinderraum 41o befindet sich eine Einlaßöffnung 416, die von dem Ventilteller 417 eines Einlaßventil fi abgeschlossen oder freigegeben werden kann. Dor Ventilteller 41? ist mittels einer Schraube 418 mit einem Ventilkörper 419 verbunden, der in axialer Richtung geführt ist,- indem er tr.i t der Au ssen sei te einer hohlzylindrischen Umfangswand 4?o dichtend in einer Führungsbiichse 421 gleitet. Weitere zusammenwirkende Gleitflächen des

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BAD ORJGJNAL

Ventilkörpers 419 bilden an dessen hinterem Ende eine erweiterte Umfangswand 422 mit einer entsprechend zurückgesetzten Innenwand der Führungsbüchse 421. Der Durchmesser der Umfangswand 42o des Ventilkörpers wird zweckmässig so gewählt, daß sich die Druckkräfte des Dampfes in der Ventilkammer 417 einerseits auf den Ventilteller 417 und in entgegengesetzter Richtung auf den Ventilkörper 419 ausgleichen. Bei ausgeglichenen, durch den Dampfdruck erzeugten Druckkräften wird der Ventilteller 417 durch eine zentrale Druckfeder 423 in einer Federkammer 424 gegen den Ventilsitz gedrückt.

Während des Betriebs der Maschine wird das gezeigte Einlaßventil durch die in der letzten Phase des Rückhubs des Kolbens stattfindende Kompression im Zylinderraum etwas angehoben. Danach strömt Dampf in den Zylinder 41o und führt, da sich die durch Dampfdruck erzeugten Kräfte am Ventilteller und Ventilkörper 419 nicht mehr kompensieren, zum vollständigen Öffnen des Einlaßventils. Durch den Dampfdruck wird der Kolben 411 nach unten gedrückt, wobei nach einer bestimmten Abwärtsbewegung des Kolbens eine dann zwischen dem Zylinderraum 41o und der Pederkammer 424 hergestellte Verbindung sum Schließen des Einlaßventils führt. Die Verbindung beider Räume erfolgt über eine Leitung 425 zwischen der Federkammer 424 und einer Bohrung 426, die einen mittels eines Hebelarmes 427 drehbaren, am unteren Ende hohlzylindrischen Ventilkörper 428 aufnimmt. Während dieser am oberen Ende mit Spiel in der Bohrung 426 gehalten ist, sitzt er mit seinem hohlzyllndrisehen unteren Teil dicht in der dort entsprechend verengten Bohrung. Die Längsbohrung im Ventilkörper 428 steht einerseits über eine ständig offene Querbohrung mit dem Spalt zwischen Ventilkörper 428 und erweiterter Bohrung 426 an deren oberen Ende in Verbindung, andererseits kann über mehrere axial und über den Umfang des Ventilkörpers 428

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verteilte Querbohrungen 429 wahlweise eine Verbindung zwischen der Längsbohrung im Ventilkörper und einem von mehreren im axialen Abstand in Zylinderraum 41o mündenden Kanälen bis 435 hergestellt werden. Je nach dem, welcher dieser Kanäle mit der Federkammer 424 verbunden wird, fällt die Füllung des Zylinderraumes 41o bei jedem Arbeitshub verschieden aus. Der Füllungsgrad wird also durch die Einstellung des Hebelarmes

427 oder auch an dessen Stelle eines Handrades bestimmt. In der gezeigten Einstellung verbindet gerade der Ventilkörper

428 durch eine der Querbohrungen 429 die Verbindungsleitung 425 mit dem Kanal 433 in der Zylinderwand 43o. Das Einlaßventil bleibt also während eines Arbeitshubes solange geöffnet, bis der abwärts gleitende Kolben 411 die MUndungsöffnung des Kanals 43 3 zum Zylinderraum 41o freigibt. Dann teilt sich der dort herrschende Druck auf dem Leitungswege 433, 429, 426, 425 der Federkammer 424 mit, um dort die Oberseite des Ventilkörpers 419 zu beaufschlagen, s* :':,::~. das Einlaßventil schließt. Die Fortpflanzung des Druckimpu.. ^es auf dem genannten, durchgehend geöffneten Leitungsweg erschient so schnell, daß der Füllungsgrad des Arbeitszylind*-^s praktisch unabhängig ist von der Drehzahl der Maschine. Der in den Zylinderraum 41o eingelassene Dampf expandiert während der Abwärtsbewegung des Kolbens 411, bis die Kolbenringe 412 die Oberkante 436 von Auslaßöffnungen 437 passiert haben, die über einen Sammelraum 438 mit einem Kondensator in Verbindung stehen.

Auf der radial äusseren Seite des Ventilkörpers 419 ist im Bereich des Absatzes zwischen den zylindrischen Umfangswänden 42o und 422 im Material des Zylinderkopfes oder der darin eingesetzten Büchse 421 ein ringförmiger Zylinderraum ausgebildet, der mit dem an den Kondensator angeschlossenen Sammelraum 438 über einen Kanal 441 in Verbindung steht oder in einer anderen geeigneten Weise mit dem Kondensator verbunden ist. Hierdurch wird verhindert, daß während des Laufs

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der Maschine eine die Bewegung d«s E;irilaßven'--*Vv" ibu'-'e Kompression im ZyIInderraum 44o stattfindet«

Der ringförmige Zylinderratnn 44o ist jedoch auch 'i'ei I dar Startvorrichtung der Maschine« Zw :liesem Zweck ist zwischen der Ventilkammer 413, in welcher der Druck dec Frxsr.hdampfes herrscht, und dem Kanal 441 eln>* Verbindungsbohru-;.o VV? angelegt. Diese ist an ihrer Mündung 445 erweitert und bietet somit einen Ventilsitz für eine V<e« feilscheibe 446, die am vorderen Snde einer von aussen betati.qbaten S heuers bang a 443 be-^ festigt ist. Die Steuerstamje 4.43 fcr^t gleichseitig einen Kolben 449, der in der eingedrückten Stellung der Stouerstange 443, wenn dap Ventil 445, 446 geöffnet ist, d«n Kanal 441 von seiner Verbindung 444 mit dem Kondensat·;·.?, abtrennt. In dieser Stellung besteht jetzt ei no verbir,:'-' -'.'wiscti'-'n der Ventilkammer 413 und den¹, ringfcrmϊ·~^. "■:.- ^:. ,aderrontr 44o über die Bohrung 442 und den Knnal 441, T^r dadurch in den Zylinderraum 44o gelangende Druck 'las Frischdampf es hebt den Ventilkörper 419 und den Ventilteller 417 ein v/enlq an, so daß der Dampfdruck den letzteren auch vor unten beaufschlagt und dadurch das Einlaßventil ganx cffnit*

Damit das Ventil 445, 446 der Startvorrichtung normalerweise geschlossen bleibt, ist eine Federbelastung in Form einer Druckfeder 427, die zwischen der Aussenfläche des Zylinderkopfes und Gegenmuttern 443 auf der Steuerstanga 443 eingespannt ist, vorgesehen.

Die angestrebte Punktion, daß durch ßeaufscnlagunq des ringförmigen Zylinderraumes 44o mit Frischdampf eier Startvorcjang ausgelöst wird, geht nur vonstott^n_} "wenn sich eier Kolben gerade In einer solchen Sfceliv-rv] '■> r-5ir.de'.-. cl'äß ihn cJet üruck des einströmenden Dampfes .Li acr qa^ünscL "en Ricnitung ceweqt. Es 1st möglich, zu diesem Zweck ein« ν■■■-*$. -.-ei: Stallurir, des Kolbens und soiüifc aucl· der Karbeiwelle M:^'a;.-qxqn -ί:ΐ,£:.:..-ϊ.-..uuq

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des Einlaßventils vor ::υ it;, so daß dieses durch den einströmenden Dampf nicht ?iet werden kann_s Ms sich der Kolben in der richtiger ^;i llung für den Start der Maschine befindet.

Bei einem Mo^! :>r reit mehl■ ^ren Zylindern wird sich immer einer der Kolben in derjenigen Position befinden, weiche für das Starten In Frage kommt, In diesem Fall kann die Maschine mit einer Niederdruckverb.'.ndung zu den ringförmigen Zylinderräumen 44o und weiterhin nut einen Hochdruconschluß für jeden Zylinder ausgerüstet sein, wcbei zur Startvorrichtung noch eine Fühl- und Anzeigeeinrichtung für die Stellung der Kurbelwelle hinzukommt, mit deren Hilfe der ringförmige Zylinderraunt 44o jeweils gerade desjenigen 7:, linder s selbsttätig an einen Frischdampf unter hohen Druck : ;chaittnden Raum angeschlossen werden kann, dessen Kolben sich in der richtigen Stellung für die Einleitung des Starts befindet.

Aufbau und Wirkungsweise einer möglichen Steuereinrichtung für eine Startvorrichtung bei ΤΆα~ und M-- ^lr zyjj ndermaschinen gehen aus Fig. 6 und ? hervor, HierhΊ hat man sich Fig. 6 als Anschluß rechts an Fig. 5 vor;' elien» Darm ist erkennbar, daß die Steuer si. ango 443 Anschluß hat an eine Kolbenstange 5o6 eines Betätigunoskolbens 5o4,der innerhalb eines Betätigungszylinders 5o3 einer;.eits unter der Wirkung einer Druckfeder 5o5 und andererseits unter dem Einfluß von Dampfdruck steht, wobei der Dampf über eine Leitung Sol und eine Drosselstelle 5o2 in den Zylinder 5o3 eingeleitet wird. Ein Druck kann sich in dem letzteren jedoch nur ausbilden, wenn eine Auslaßleitung 511 des Zylinders 5o3 geschlossen ist. In dieser Leitung liegt ein Startventil 5o7_f und sie endet in einem Anschluß 5o8 an einem Steuerventil 5o9, welches aus einer mit der Kurbelwelle umlaufenden, im Ventilgehäuse dicht geführ ten,zylindrischen Scheibe besteht, die über einen gewissen Winke]bereich am Umfang eine Aussparung ^U- aa^r we.r. \~Λ.. Je nachdem,ob sich gerade die Aussparung ^Γ:Ίη i*nt ,■=■,: .1^>_: Ar Schluß 5o8 befindet oder nicht,

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verschiebt sich bei geöffnetem Startventil 5o7 der Betätigungskolben 5o4 in die Rit Bezug auf Fig. 6 linke Stellung, so daß, wie oben bereits beschrieben, der Startvoroang beginnen kann.

Aus Fig. 7 ist die Anbringung der Steuereinrichtung für die Startvorrichtung bei einer Maschine mit drei Zylindern ersichtlich und daneben noch einmal vergrössert die Schaltung. Es ist erkennbar, daß das Steuerventil 5o9 für alle drei Startvorrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden kann, wobei in der mit der Kurbelwelle rotierenden Scheibe über den Umfang versetzt drei verschiedene Aussparungen 51o angebracht sind, die mit den axial nebeneinander angeordneten drei Anschlüssen 5o3 zusammenwirken. Auchdie Anschlußleitungen 5ol und der Betätigungsmechanismus für die Startventile So7 können gemeinsam sein.

Die vorstehend beschriebene MascMr-i ha': aaiif viele cherakteristische Vorzüge. Wegen ihrer einfachen Konstruktion sind ihre Abmessungen im Vergleich zur Leistung cf«-*rinij· Überfalls wegtn ihres unkomplizierten Aufbaus ist sie einfach zu bedienen und betriebssicher, und ihre Betriebseigenschaften lassen sie für die meisten Verwendungszwecke als Kraftquelle geeignet erscheinen. Ihre beweglichen Teile lassen sich ohne weiteres so auswuchten, daß sie nur mit ganz geringfügigen Vibrationen läuft. Ausführungen mit mehreren Zylindern erbringen einen gleichmässigeren Verlauf des Drehmoments an der Kurbelwelle als Einzylindermaschinen. Wenn man den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges durch eine Maschine der oben geschilderten Art ersetzen will, so findet man als weiteren Vorteil daß wegen ihrer gänzlich anderen Motoreigenschaften, insbesondere der Leistung im Verhältnis zur Drehzahl, der den Verbrennung smaschinen nachgeordnete Drehmomentwandler entfallen oder wesentlich vereinfacht werden kann. Der nutzbare Bereich der Drehmomentkurve ist sehr viel weiter als bei Verbrennungsmaschinen. Alle diese Merkmale stützen die Annahme, daß die

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Kosten einer mit der vorgeschlagenen neuen Maschine ausgerüsteten Kraftquelle beträchtlich niedriger sein können, als im Falle einer Brennkraftmaschine mit Zahnradgetriebe oder hydraulischem Drehmomentwandler.

Es versteht sich, daß man den aus dem Motor ausströmenden Dampf unmittelbar ins Freie leiten kann. Dies ist jedoch aus mancherlei Gründen nicht zweckmässig, und es wird vorgezogen, mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmediums, also einem Kondensator, zu arbeiten, von dem aus das verflüssigte Arbeitsmedium wieder zum Dampferzeuger geleitet wird. Gleichzeitig kann auch ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der mit den verbrauchten Dampf als Vorwärmer für das Wasser"des Dampferzeugers arbeitet.

Ansprüche

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Claims (12)

1. Ansprüche

   Mit einem kompressiblen Arbeitsmedium betriebene Hubkolbenmaschine mit einer im Zylinder angecr diieten, mit dem Arbeitszylinder durch ein Einlaßventil in Verbindung stehenden Ventilkammer, wobei das Einlaßventil im wesenblichen durch den Druck des Arbeitsmediums steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß d&s Einlaßventil (23. 24 bzw. 124 bzw. 224 bzw. 417) in einer bestimmter Einstellung allein in Abhängigkeit von der Kolbenstellung umsteuerbar ist.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch geke nnzeichnet, daß in an sicn bekannter Weisa dar Ventilkörper (25 bzw. 68 bzw. 71 bzw, 419) des Einlaßventils durch eine Druckfeder in Schliaßrichtung vorbelastet ist» während in der Ventilkammer (21 bzw.121 baw. 221 baw, 413) d&r Druck des Arbeitsmediums auf den Vanti!körper in beiden Richtungen im wesentlichen ausgeglichen ist, und daß zwischen einer die Feder (3o, 13o, 23o, 423) aufnehmenden Kammer (29_$ 129, 229, 424) und dem Arbeitszylinder (2o, 12o, 41o) eine Verbindung (33, 133, 233, 425) besteht, so daß uev Druck in der Federkammer den auf den Ventilkörper in entgegengesetzter Richtung wie die Feder ausgeübten Druck des Arbeitsmediums in der Ventilkammer ausgleicht und das Einlaß-/en til schiisßt, sobald der Kolben (15, 115, 4 U) eine Ofxromq C- 34, 41 - 43, 141-143, 431 - 435) der Verbinde.»gs > iirung iM> At'baicsi&'/l Inder freigibt,
3. 3. Maschine nach Anspruch 2_t ^rt a α ; .: .: it ο e *, 2 η η-zeichnet, daß die

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   körpers (2S₉ 128, 71, 419) auf Seiten der Federhammer grosser ist als seine entgegengesetzt gerichtete wirksame Kolbenfläche auf Seiten der Ventilkammer.
4. 4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Öffnung der Verbindungsleitung zum Arbeitszylinder wahlweise in unterschiedlicher Entf ernung \om oberen Totpunkt des Kolbens festlegbar ist.
5. 5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungaleitung mehrere Öffnungen ζυ-m Arbeitszylinder besitzt, von denen mittels eines Auswahlventils (36_S 136_? 428) jeweils eine an die Federkammer anschließbar ist»
6. S. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsdruck der nach einem Arbeitsnub nicht ausgestoßenen Menge des Arbeitsmediurns am Ende dk ^;s Rückhub* ausreichend groß bemessen ist, um den Ventilfcörper «änijegtn der Wirkung der Druckfeder und des Druckes in der '''^.lerimser ein wenig In Öffnungsrichtung zu verschieben
7. 7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 ' bis 5, dadurch g e te ; η η ζ eic h ne t, daß am Ventilkörper eine zum Kolben hin weisende Druckfeder {32, 132) angebracht ist} über welche das Einlaßventil durch den Kolben am Ende des Rückhubs offenbar ist.
8. 8. Maschine nach einem oder n-c-nreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörpar als DifferentiaiJcoiben mit einer zusätzlichen hinteren Kolbenflache Ir₅ miners Hilfszylinder (73, 44o) ausgebildet ist, wel-h: durch «in Startventil (445, 446, 449), zum Starten mit rüetr. Ei.nl.■*.:;').:^·:% des Arbeitsraedi'jms in Öffnungs-

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   richtung des Einlaßventils beaufschlagbar ist.
9. 9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenfläche alternativ mit dem Kondensatordruck eines angeschlossenen Abdampfkondensators beaufschlagbar ist.
10. 10. Maschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Startventil in Abhängigkeit von der Lage des Kolbens bzw. der Kurbelwelle steuerbar ist, wobei Einlaßdruck beaufschlagbar ist, solange sich der Kolben in einer sum Starten geeigneten Stellung befindet.
11. 11. Maschine nach Anspruch 9 oder Io, dadurch gekennzeichnet, daß·das Startventil in der Richtung federbelastet,(Feder 447) ist, daß normalerweise der Kondensatordruck an die Kolbenfläche gelangt.
12. 12. Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11 mit mehreren Arbeitssylindern, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem der Arbeitszylinder ein Startventil (445, 446, 449, 5o3, 5o4, 4o9) angeordnet istι und durch eine in Abhängigkeit von der Stellung der Kurbelwelle gesteuerte Auswahleinrichtung (5o9) nur dasjenige Startventil in Startstellung schaltbar ist, dessen zugeordneter Kolben sich gerade in einer sum Starten geeigneten Stellung befindet.

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