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Freiflugkolbenmaschine mit Kraftzylinder, insbesondere Verbrennungskraftmaschinenzylinder,
und Verdichtungszylinder Die Erfindung betrifft eine Freiflugkolbenmaschine mit
einem Kraftzylinder, insbesondere einem Verbrennungskraftmaschinenzylinder, und
einem Verdichtungszylinder.
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Der Erfindung gemäß wird das Einlaßorgan des Kraftzylinders durch
den im Verdichtcrzylinder herrschenden Druck, gesteuert. Zu diesem Zweck ist eine
von den Verdichterzylindern zu den Einlaßorganen des Kraftzylinders führende Steuerleitung
vorgesehen und in diese ein durch den Druck im Verdichter verschiebbares Glied,
z. B. ein Kolben, eingeschaltet. Dadurch werden die erheblichen Mängel der bekannten
Freiflugkolben beseitigt, bei denen das Einlaßventil ein selbsttätig gesteuertes
Ventil ist. Derartige Ventile haben den Nachteil, daß sie beim Ansaugen einen sehr
schlechten volumetrischen Wirkungsgrad ergeben, daß sie starke Neigung zum Hängenbleiben
zeigen, daß sie einer stetigen _Nacharbeit und sorgfältigster Bedienung bedürfen
und daß die vom Kraftzylinder angesaugte Luft- oder Gemischmenge stark veränderlich
ist.
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Außer dem Einlaßorgan wird zweckmäßig auch in bei solchen Maschinen
an sich bekannter Weise das Auslaßorgan des Kraftzylinders, d. h. also durch den
im Verdichter herrschenden Druck, gesteuert. Beim Anlassen der Maschine ergeben
sich, besonders für die Steuerung des Einlaßventils, Schwierigkeiten, wenn dieses
von dem im Verdichter herrschenden Druck gesteuert wird. Beim Anlassen fehlt dann
nämlich zunächst der für diese Steuerungsart notwendige Gegendruck im Verdichter.
Um trotzdem auch beim Anlassender Maschine den Kraftzylinder in Abhängigkeit von
dem Druck im V erdichterzylinder, also so wie beim normalen Arbeiten der Maschine,
steuern zu können, wird der Erfindung gemäß hinter dem Einläßorgan des Verdichters
ein Drosselelement angeordnet, dessen Steuerung von Hand oder selbsttätig durch
den zwischen ihm und dem Verdichterauslaßorgan herrschenden Druck erfolgt.
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Für die Steuerung des Einlaßorgans in Abhängigkeit von dem im Verdichter
herrschenden.Druck ist für den praktischen Betrieb auch wesentlich, erhebliche Schwankungen
in der Kompression zu vermeiden, die Kompression also derart zu regeln, daß sie
stets gleichmäßig verläuft. Steigt z. B. der Druck in dem vom Verdichter gespeisten
Aufnehmer wegen Abnahme des Bedarfs an komprimiertem Gas aus dem Aufnehmer, so würde
die Kompression im Verdichter, d. h. also deren Verlauf bzw. der Druck in den einzelnen
Phasen
der Kompression, sich ändern. Das hätte aber eine Änderung der Steuerung des Kraftzylinders
und damit eine ungünstige Rückwirkung auf diesen zur Folge. Um solche ' Rückwirkungen,
d. h. also vor allem Schwankungen im Arbeiten der Kraftmaschine, zu vermeiden, trotz
Schwankungen der Entnahme des komprimierten Gases aus dem Aufnehmer, wird der Erfindung
gemäß in den Verdichterzylinder eine Abblaseöffnung mit einem Regelorgan vorgesehen,
dessen Öffnen durch den Druck im Aufnehmer erfolgt, so daß z. B. ein Steigen des
das Einlaßorgan steuernden Verdichterdruckes durch mehr oder weniger starkes Abblasen
verhütet. wird.
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Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegen--tandes.
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Die Maschine besteht aus einem an beiden Enden mit Deckeln h bzw.
l verschlossenen Zylinder mit einem in diesem frei hin und her beweglichen
Kolben j. Dieser teilt den Zylinder in zwei Räume, nämlich in den linken Raum d,
der die Kraftmaschine darstellt, und in den rechten Raum a, der den Verdichter bildet.
Die Kräftmaschine d ist mit einem Einlaßventil b und einem Auslaßventil c versehen,
während der Verdichter a mit einem selbstgesteuerten Auslaßventil in und einem Einlaßventil
ml ausgerüstet ist. Durch die Arbeitsvorgänge in dem Kraftzylinder d wird der Kolben
j nach rechts geschleudert. Dabei verdichtet er das vor ihm befindliche Gas und
schiebt dieses nach Erreichen des gewünschten Verdichtungsdruckes durch das Ventil
m heraus in einen Aufnahmebehälter. Ein vor dem Kolben im Verdichter bleibendes
verdichtetes Gasvolumen dient als Luftkissen, das den Kolben j zurückschleudert
in den Kraftzylinder d.
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Beim dargestellten Beispiel ist .die Kraft-Maschine eine Verbrennungskraftmaschine.
Der Arbeitsgang ist hier im einzelnen folgender: Es sei bei der Verfolgung des Arbeitsspiels
eines Kolbenhinundherganges mit der Stellung I bzw. Punkt r, d. h. mit einer Stellung
begonnen, die der Kolben j bei seinem nach links gerichteten Hub- nicht alizuweit
vor der linken Totpunktlage einnimmt. In dieser Stellung ist der vor dem Kolben-,
d. h. also der vor der linken Kolbenstirnseite,. befindliche Zvlinderinhalt auf
den Druck l komprimiert. Die hierzu erforderliche Arbeit gibt der Kolben j ab aus
-der ihm innewohnenden, bei Beginn seines nach links gerichteten Hubes erteilten
kinetischen Energie (vgl. weiter unten). Kurz vor der linken.Totpunktlage, also
etwa in der Stellung II bzw. im Punkt 2, setzt die Zündung des Luft-Gas-Gemisches
ein, worauf dann in der bei Explosions- oder Verpuffungsmaschinen üblichen Weise
der Druck sehr stark und plötzlich bis zum Punkt 3 ansteigt. Dadurch wird der Kolben
nach rechts gestoßen unter Expansion des hinter .dem Kolben befindlichen Gasgemisches.
Die Expansion verläuft nach der Linie q. und dauert bis zum Punkte 5. Auf der anderen,
also auf der rechten Kolbenstirnseite (Kompressorseite), wird das vorher angesaugte
zu komprimierende Mittel, z. B. Luft, bei der Bewegung aus der linken Totpunktlage
nach rechts komprimiert, und zwar wegen der dem Kolben uurch den Explosionsdruck
3 erteilten kinetischen Energie auch noch nach Absinken des Druckes auf der linken
Kolbenseite unter den Druck auf der rechten Kolbenkompressorseite. In dem Punkt
5 des Verbrennungskraftmaschinendiagramms, der der StellungIII des linken Kolbenstirnendes
entspricht, ist der Druck auf der Kompressorseite, der nach der Kurve 6 verläuft,
bereits bis zum Punkte 5a gestiegen, entsprechend der Stellung IIIa der rechten
Kolbenseite.
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In dieser Stellung, d. h. also in der StellungIII bzw.IIIa, ist der
Druck im Kompressor so weit angewachsen, daß er die Steuerkolben e am rechten Kompressorende
verschiebt und .dadurch über die Steuerleitungen f das Auspuffventil c und das Ansaugventil
b des Verbrennungskraftmaschinenzylinders öffnet, so daß bei dem Punkt 5 der Druck
fast augenblicklich bis etwa zum Atmosphärendruck abfällt und auf etwa dieser Höhe
bis zum Hubende, d. h.. bis zum Punkte 7, verbleibt. Während dieser Periode tritt
das verbrannte Gasgemisch aus dem Auspuffventil aus, während gleichzeitig ein frisches
Luft-Gas-Gemisch durch das Einlaßventil nachströmt.
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Bevor das Hubende erreicht ist, hat der Druck in der Stellung IVa,
@d. h. im Punkt 7a, auf der Kompressorseite so weit zugenommen, daß das Ausströmventil
m des Kompressors aufgestoßen und die komprimierte Luft also bei der Weiterbewegung
des Kolbens ohne Druckanstieg ausgeschoben wird. Die Ausschubperiode erstreckt sich
bis zum Punkte 8a, d. h. bis zu der Stellung Va der rechten Kolbenstirnseite, an
welcher der Kolben den Auslaß k zum Ventil m abdeckt, der restliche Inhalt des Kompressorzylinder"s
also nicht mehr ausgeschoben werden kann. Von dieser Stellung wird bis zur rechten
Kolbentotpunktlage, d. h. also bis zur Stellung VIa (Punkt 9a) der restliche Kompressorinhalt
komprimiert. Dabei wirkt dieser als Puffer und nimmt die restliche kinetische Energie
des Kolbens j auf; so daß der Kolben nicht bis an den Kompressorzylinderdeckel l
heranstoßen oder diesen möglicherweise sogar herausschlagen kann. In der rechten
Tot-
Punktlage VIa hat der Kolben seine gesamte kinetische Energie
an den Kompressorzylinderinhalt abgegeben. Von jetzt ab treibt die komprimierte
Luft den Kolben nach links, gibt also an ihn die kinetische Energie wieder ab.
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Beim Überschreiten der Stellung Va sinkt der Druck der Luft im Kompressor
unter den Kompressionsdruck 7a bzw. 8a ab, bis er schließlich unter den Atmosphärendruck
sinkt und das Ansaugventil ati sich öffnet, so daß bei der Weiterbewegung des Kolbens
nach links Luft von außen angesaugt wird. Beim Ansaugen auf der Kompressorseite
werden die restlichen Verbrennungsgase auf der linken Kolbenseite ausgeschoben.
Das Auspuffventil c wird nämlich durch eine besondere Servoeinrichtung auch dann
noch offen gehalten, wenn der Druck auf der Kompressorseite unter denjenigen Druck
gesunken ist, der zum Verschieben des Steuerkolbens e, d. h. also zum Öffnen des
Auslaßventils c, erforderlich ist. Erst in der Stellung VII des linken Kolbenstirnendes,
d. h. also im Punkt 8 des Verbrennungskraftmaschinendiagramms, ist die Ausschubperiode
beendet, und es beginnt die Kompression des frischen Luft-Gas-Gemisches im Motorzylinder.
In der Stellung VII hat nämlich der Kolben das Auspuffventil c abgedeckt. Bei der
Kompression wird dann der Punkt z erreicht, und das Spiel beginnt von neuem.
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Zum Anlassen ist ein besonderes Anlaßventil it vorgesehen, das z.
B. an einen Preßluftbehälter angeschlossen ist. Nachdem der Kolben in .die linke
Totpunktlage gebracht worden ist, wird das Ventil n von Hand geöffnet, so daß die
Preßluft einströmt und den Kolben nach rechts schiebt. Sobald der Arbeitskolben
einen Steuerkolben o bei seiner Rechtsbewegung freigibt, wird dieser durch den hinter
dem Kolben herrschenden Druck verschoben, und dadurch wird das Anlaßventil n geschlossen.
Von da ab spielt sich dann im Prinzip die Arbeitsweise genau so wie bei dem normalen
Gang der Maschine ab.
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Der Verdichter a ist außer mit einem Ein-und Auslaßventil auch noch
mit zwei Regelorganen p und r ausgerüstet. Das Regelorgan p ist in die vom Auslaßventil
m zum Aufnehmer führende Ausschubleitung eingeschaltet. Es besteht bei dem dargestellten
Beispiel aus einem kolbenartigen Ventil, das, sobald der Druck im Aufnehmer, z.
B. wegen starker Entnahme des komprimierten Gases aus dem Aufnehmer, unter den normalen
Aufnehmerdruck sinkt, die Ausschubleitung zu dem Aufnehmer mehr oder weniger drosselt.
Es wird dann nämlich durch den Druck im Verdichter, der durch eine Leitung f hinter
das Ventil p geleitet wird, entsprechend verschoben (in der Zeichnung nach oben).
Der Grad der Drosselung nimmt ab mit dem Wiederwachsen des Druckes im Aufnehmer.
Sobald dieser die Normalhöhe erreicht hat, gibt das Ventil p den Weg in den Aufnehmer
wieder vollkommen frei.
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Das zweite Regelorgan r besteht aus einem Ventilteller r1, .der mit
einem Kolben r2 verbunden ist. Der Teller r1 steuert eine Abblaseöffnung s in dem
Verdichterzylinder a. Der im Verdichter herrschende Druck kann durch eine Umleitung
f hinter den Kolben r2 gelangen. Wenn nun z. B. der Druck in dem Verdichter über
den Normaldruck, wegen kleiner Abnahme des komprimierten Gases aus dem Aufnehmer,
steigt, so wird durch den stärkeren Druck der Kolben r2 nach links verschoben, dadurch
der Ventilteller r1 mehr oder weniger geöffnet, so daß ein Teil des im Verdichter
a komprimierten Gases nach außen abströmt, so lange, bis sich wieder der Normaldruck
im Aufnehmer einstellt.
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Das Regelorgan r bewirkt auch indirekt eine Leistungsregelung der
Kraftmaschine, weil die Leistung von dem Arbeiten des Ein-und Auslaßventils abhängt
und .die Ein- und Auslaßventile von dem im Verdichter herrschenden Druck gesteuert
werden. Schwankungen in -der vom Kraftzylinder geleisteten Arbeit haben nämlich
Druckschwankungen im Verdichter zur Folge. Auf .diese Druckschwankungen spricht
in der erläuterten Weise das Regelorgan r an, derart, daß der Verlauf der Kompression
im Verdichter zeitlich verschoben wird, was sich wieder auf die Verschiebung in
bezug auf den Kolbenweg derjenigen Kolbenstellungen auswirkt, bei denen die Steuerung
des Ein- und Auslaßorgans des Kraftzylinders eingeleitet werden. Es kann also durch
Beeinflussung. des Druckes im Verdichterzylinder wegen der von diesem abhängigen
Steuerung der Kraftmaschine deren Leistung geregelt werden.