DE405752C - Maschine mit freiem Kolben - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 7. NOVEMBER 1924

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 47f GRUPPE 19

(B 105828 Xll\4jf)

Jules Babin in Paris.

Maschine mit freiem Kolben.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 28. Juli 1922 ab.

Für diese Anmeldung ist gemäß dem Unions vertrage vom 2. Juni ig 11 die Priorität auf Grund der Anmeldung in Frankreich vom 30. Juli 1921 beansprucht.

Die Erfindung bezieht sich auf Maschinen mit einem oder mehreren freien Kolben, d.h. Kolben, bei denen keine mechanische Verbin-

u. dgl. verwendet werden können. Durch die Erfindung soll die Abdichtung und die Schmierung von Kolben, welche gewöhnlich

dung mit anderen Teilen besteht, wie sie j mit sehr großer Geschwindigkeit laufen, bei für Explosionskraftmaschinen, Kompressoren ] verringerter Reibung bewirkt werden. Zu die-

sem Zweck ist bei den genannten Maschinen, bei denen Kolben ohne Segmente nach Taucherart verwendet werden, eine Flüssigkeitsdichtung vorgesehen, welche ausschließlich aus einem oder mehreren Flüssigkeitsringen besteht, die durch eine oder mehrere in der Zylinderwand in möglichst großer Entfernung von der Zylinderöffnung angebrachte kreisförmige Nuten gebildet werden. Die Flüssigkeit wird dauernd auf einem Drucke gehalten, der mindestens gleich dem Drucke des Gases ist, dessen Entweichen verhindert werden soll, so daß ein allmähliches Entweichen der Flüssigkeit nach der Zylinderölinung hin stattfindet und dem einen wesentlich größeren Verlust an mechanischer Energie darstellenden Entweichen elastischer Flüssigkeit entgegenwirkt. Es wird durch die Erfindung möglich, bei Kolben aller Größen und besonders bei schnellaufenden Kolben eine Schmierung und Dichtung mit Wasser anzuwenden, welche sich bei alten, langsam laufenden Kompressoren bewährt hat, aber dort nur unter Verwendung von Glyzerin bei Kältemaschinen. Die Verwendung der Wasserdichtung ist besonders bedeutungsvoll bei den eingangs erwähnten Maschinen mit freiem Kolben wegen der wichtigen Rolle, welche bei derartigen Maschinen die mechanische Reibung spielt. Bei diesen Maschinen übertragen sich diese Reibungen nicht nur wie bei den Maschinen mit Kurbeltrieb, wo sie eine mechanische Verminderung ergeben, die vom indizierten thermischen Wirkungsgrad abzuziehen ist; dieser thermische Wirkungsgrad wird unmittelbar vermindert, indem die Geschwindigkeit des Kolbens verlangsamt wird, was in zweierlei Hinsicht schädlich ist. Einmal wird die Berührungsdauer der warmen Gase mit der Zylinderwandung verlängert, was den Verlust an Kalorien durch die Wandung vergrößert, dann wird die Dauer der Entspannung verringert, was die in Arbeit umgewandelte Wärmemenge der Explosion verringert. Anderseits sind diese Maschinen sehr gut zur Ausstattung mit hydraulischer Dichtung' geeignet. Zunächst läßt die sehr große Geschwindigkeit, mit der ein freier Kolben laufen kann, den Drücken keine Zeit, durch die flüssige Verbindung hindurchzugehen. Dann übt ein Kolben, der ohne mechanische Verbindung ist und der nur den Gasstößen ausgesetzt ist, die ■ beispielsweise auf seine senkrechte Achse wir- ^! ken, überhaupt keinerlei Reibung auf die Zylinderwandungen aus, da kein Druck ihn an ! diese Wandungen zu drücken strebt. Eine selbst so leicht bewegliche Flüssigkeit wie Wasser genügt, um den Kolben von der Zylin- , derwandung fernzuhalten und ihn von ihr in gleichmäßigem Abstand zu erhalten, wie gering auch der Spielraum zwischen beiden Teilen sein mag. Diese Art der selbsttätigen Zentrierung wirkt viel genauer als eine von außen her wirkende Führung, wie beispielsweise ein Schieber. Ein so ausgeglichener und geschmierter freier Kolben ist ebensowenig wie sein Zylinder der Abnutzung und einer Gestaltsveränderung" unterworfen. Sie können beide sorgfältig ineinander eingepaßt bleiben, so daß das Entweichen von Flüssigkeit durch die Verbindungsstellen auf ein Mindestmaß eingeschränkt wird. Schließlich bietet diese Art der Schmierung ein vorzügliches Mittel, um die Erhitzung und die Gestaltsveränderung· der in Wirkung stehenden Flächen zu verhindern, und gestattet auch, sie auszurichten, ohne Spiel für Verzerrungen zu lassen. Einige der angedeuteten Maschinen und besonders diejenige, welche im folgenden Ausführungsbeispiel gewählt ist, können mehrere übereinander angeordnete Zylinder aufweisen, wobei sie einen Kolben erhalten, der ein . Ganzes bildet, aber verschiedene Querschnitte aufweist. Da jeder dieser Kolbenquerschnitte sorgfältig in seinen besonderen Zylinder eingepaßt sein muß, ist es erforderlich, daß besondere Maßnahmen zur Verbindung dieser ■ Zylinder vorgesehen sind, welche das genaue Zentrieren und Ausrichten derselben untereinander gestatten. Deshalb wird auch im folgenden als Fortbildung der Erfindung eine Verbindungsart beschrieben, welche die obigen Bedingungen erfüllt und den schnellen Aufbau und Abbau ohne langes Versuchen gestattet, wie es bei den Zustandsprüfungen notwendig ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf einen Motorkompressor ist in der Zeichnung im Schnitt schematisch dargestellt.

Der Explosionszylinder ist mit 1 bezeichnet. Das Ansaugen und die Kompression der Luft erfolgen im oberen Teile des Zylinders 2, dessen unterer Teil mit der Außenluft frei in Verbindung steht. Ein Zylinder von etwas geringerem Querschnitt als der Zylinder 1 ragt mit seinem offenen unteren Ende in einen Behälter 4 für Druckluft, der in großen Abmessungen ausgeführt ist und als künstliche Atmosphäre oder Luftfederung dient. Ein gemeinsamer Kolben 5 verschiebt sich in diesen drei Zylindern.

Dieser Kolben 5 weist drei verschiedene Querschnitte auf, von denen der obere, 6, als Arbeitskolben, der mittlere, 7, als Pumpkolben und der untere, 8, als Gegendruckkolben dient. Die frische Mischung wird mit dem Druck des Behälters 4 in den Zylinder 1 einge'führt, wenn der Kolben 5 sich am oberen Ende seines Hubes befindet. Die frische Mischung drückt den Kolben während des

ersten Teiles seines Hubes infolge des Querschnittunterschiedes zwischen den Kolben 6 und 8 langsam nach unten. Die Explosion, die darauf vor sich geht, drückt die im Zylinder 3 enthaltene komprimierte Luft in den Behälter 4 und verursacht 'gleichzeitig das Ansaugen einer Ladung Luft in die Pumpe 2. Sobald der Kolben seinen Arbeitshub beendet hat, wird er durch den Druck der komprimierten Luft im Behälter 4 wieder nach oben gedrückt, wobei er aus dem Zylinder 1 die verbrannten Gase ausfegt und dann die in der Pumpe 2 enthaltene Ladung zuerst komprimiert und dann durch das Rohr 9 in den Behälter 4 drückt. Darauf wird eine neue Ladung in den Zylinder 1 eingelassen usf.

Das kalte Wasser aus einem Behälter 10 wird durch die Öffnungen n über die Saug- ■ ventile 12 geführt und vermischt sich mit der von der Pumpe 2 angesaugten Luft. Dieses Wasser wird mit der komprimierten Luft durch das Rohr 9 in den Behälter 4 gedrückt, wo es sich auf dem Boden sammelt. Durch das Rohr 13 wird dieses Wasser aus dem Behälter 4 entnommen und durch die Öffnung 14 in den Explosionszylinder 1 eingespritzt, wenn am Ende der Expansion der verbrannten Gase der Kolben 6 diese Öffnung freigegeben hat. Das Wasser wird dann mit _r den verbrannten Gasen aus dem Zylinder 1 ausgetrieben und in Apparaten gesammelt und gekühlt, bevor es zum Behälter 10 zurückgeführt wird.

In der Wand der Zylinder 1 und 3 sind ringförmige Nuten 15 und 16 angeordnet, denen durch das Rohr 21 Wasser mit dem Druck des Behälters 4 unmittelbar zugeführt wird, um eine Wasserabdichtung zu bilden. Zu diesem Zweck wird der Wasserschlag ausgenutzt, der im Rohr 13 nach jedem Einspritzen von Wasser in den Zylinder 1 entsteht, sobald der Kolben 6 bei der Aufwärtsbewegung die Öffnung 14 plötzlich schließt. Um diese Wirkung zu erzielen, ist das Rohr 13 in eine Glocke 17 geführt, wo es in einem Absperrventil 18 endet. Der Glocke 17 wird komprimierte Luft durch das Rohr 19 zugeführt, das in den Behälter 4 mündet, mit einem Hahn 24 versehen ist und ebenfalls mit einem Absperrventil 20 ausgestattet ist. Das zur Speisung der Dichtungsnuten 15 und : 16 bestimmte Wasser wird am unteren Ende der Glocke 17 durch das Rohr 21 entnommen,

Um die Anordnung in Gang zu setzen, wird ein wenig Wasser durch eine obere, in der Zeichnung nicht dargestellte und mit einem Verschluß versehene Öffnung in die 1 Glocke 17 eingeführt. Dann wird in dieser Glocke der Druck des Behälters 4 hergestellt, indem der Hahn 27 des Rohres 19 geöffnet wird. Nach jedem Einlaß von Wasser in den Zylinder 1 wird eine gewisse Wassermenge unter Anhebung des Ventils 18 in die Glocke 17 treten. Der Flüssigkeitsspiegel wird steigen und zufolge des Absperrventils 20 das eingeschlossene komprimierte Luftvolumen in der Glocke verringern. Der Druck dieser Luftmenge und demgemäß auch der Druck des Wassers in der Glocke wird bis zu einem bestimmten Gleichgewichts werte steigen, der durch die Entweichungen an den Verbindungsstellen 15 und 16 gegeben ist. Wenn nun auf diese Verbindungsstellen ein Druck ausgeübt wird, der höher ist als der Druck der Luft des Behälters, so erreicht man mit Sicherheit, daß diese Entweichungen an den Verbindungsstellen 15 und 16 ausschließlich flüssige und demgemäß sehr eingeschränkt sein werden.

Die Zylinder 1, 2, 3 sind miteinander und mit dem oberen Ende des Behälters 4 durch sehr breite Flansche 22 und 23 verbunden, die vollkommen flach sind, also keine Ausbauchungen oder Einbauchungen aufweisen, so daß sie auf der ganzen Oberfläche gut geglättet werden können. Die Berührungsflächen der beiden miteinander zu vereinigenden Flansche sind jede auf einem größtmöglichen Durchmesser mit einer ringförmigen Nut 24, 25 ausgestattet. Ein auf dem inneren und äußeren Durchmesser hergerichteter Ring 26 greift in die beiden gegenüberstehenden Nuten ein, ohne auf dem Boden der Nuten aufzuliegen. Überall wo diese Flansche eine Fuge bilden, wird die Abdichtung dieser Fuge lediglich durch das Richten der Oberflächen gesichert, die, falls erforderlich, mit einer klebrigen Flüssigkeit bestrichen werden kann, aber ohne Zwischenschaltung irgendeines festen, auftragenden Materials. -Wenn man den Ring 26 dazu verwenden will, die Abdichtung der Fuge zu vervollständigen, wird man ihn innerhalb des Kreises der Spannbolzen der Flansche anordnen und aus einem Material herstellen, dessen Ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige der Flansche. Es ist klar, daß in Apparaten der beschriebenen Art die lebendige Kraft des Kolbens die Hauptrolle spielt.

Der Kolben, dessen Geschwindigkeit sich während des ersten Teiles seines Vorwärtshubes beschleunigt, speichert somit in der Form von lebendiger Kraft den größten Teil der Explosionsleistung auf. Seine Geschwindigkeit verringert sich darauf bis zum Stillstand während des zweiten Teiles des Hubes, und er verwendet somit seine lebendige Kraft, um den Druck' des Behälters 4 zu überwinden. Während des Rückhubes treten ähnliche Erscheinungen auf, wobei die komprimierte Luft des Behälters diesmal die treibende Kraft

ist, während die komprimierte Luft in der [ Pumpe die Widerstand leistende Kraft ist. i Es ist somit klar, daß mit Bezug auf die j thermische Leistung jegliche Reibung des ι Kolbens auf der Wand des Zylinders von j großer Wichtigkeit ist. Es ist aber ferner klar, daß diese Maschinen in derselben Hinsicht zwei Vorteile bieten: Erstens ist es leicht, den Druckmittelpunkt der Gase und denSchwerpunkt der Kolben mit der Achse dieser KoI- i ben in Übereinstimmung zu bringen, wodurch ! jegliche Druckkomponente quer zu dieser Achse unterdrückt wird. Es ist daher mit Rücksicht auf die Reibungen nicht nötig, daß das Schmiermittel, welches die Wand des Zylinders von derjenigen des Kolbens trennen soll, eine große Viskosität besitzt, die geeignet ist, zu verhindern, daß das Schmiermittel zwischen diesen Wänden durch das Bestreben der Wände, sich einander zu nähern, ausgetrieben wird. Zweitens verkürzt die sehr große | Geschwindigkeit der Kolbenhübe die Zeit', welche den Gasen bleibt, um zwischen den Wänden zu entweichen, so daß also, mit Rücksicht auf die Abdichtung, kein sehr viskoses Schmiermittel unbedingt nötig ist. Im übrigen ist es wichtig, daß das Schmiermittel sehr leicht beweglich sei, damit das , Gleiten der Moleküle des Schmiermittels aufeinander keine wesentliche Kraft absorbiert. Wasser I scheint allen diesen Bedingungen gut zu ent- j sprechen. Man führt das Wasser im übrigen in die Abdichtungsfugen unter einem Druck ein, der, falls erforderlich, den höchsten Augenblicksdruck der zurückzuhaltenden Gase übertreffen kann. Infolge dieser Anordnung | könnte Wasser in die Zylinder eintreten, \ was aber nichts auf sich hat, während im Ge- ; genteil jegliches Entweichen der Gase in um- _; gekehrter Richtung unmöglich ist auf Kosten I eines systematischen Entweichens von Wasser, ■ was aber ohne Bedeutung ist, besonders da, ! wie oben erwähnt, das Kühlwasser der Pumpe j zur Speisung der Fugen Verwendung findet. Es ist klar, daß, um das Entweichen von Wasser durch die Fugen der Kolben in zu- ' lässigen Grenzen zu halten, ein sorgfältiges ' Richten der Kolben in dem Zylinder nötig \ ist. Der schwierigste Teil des Zusammen- | baues besteht darin, mehrere Zylinder genau zu montieren, in welchen zur gleichen Zeit mehrere starr miteinander verbundene Kolben ; wie* die Kolben 6, 7 und 8 arbeiten sollen. '. Zu diesem Zweck dienen die oben vorgeschlagenen Einrichtungen: sehr breite und i flache Flansche, unabhängige Ringe für das Zentrieren der Zylinder, vollständige Vermeidung von plastischen Abdichtungen.

Man erreicht somit durch die Vereinigung der vorgeschlagenen Bauart mit der Verwendung von Plungerkolben mit Abdichtung durch Wasser ohne Druck eine Gesamtanordnung, die den angestrebten Zweck gut erfüllt, nämlich die mechanische Reibung auf das Mindestmaß zu beschränken.

Claims (4)

1. Patent-An Sprüche:

   i. Maschine mit freiem Kolben nach Taucherart, bei welcher die Dichtung des gliederfreien Kolbens in seinem Zylinder durch eine durch eine oder mehrere in der Zylinderwand angebrachte kreisförmige Nuten eintretende Flüssigkeit erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit bei einem Druck eingeführt wird, der mindestens gleich dem Druck des Gases ist, dessen Entweichen verhindert werden soll, wobei die Kolben keine Zentriereinrichtungen aufweisen.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1 mit mehreren gleichachsigen Zylindern, die eine einzige freie Masse mit mehreren Querschnitten bilden, wobei die Zylinder mit breiten Flanschen, Nuten und Ringen versehen sind, die nicht auf dem Boden der Nuten aufliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe, deren Seitenflächen sorgfältig abgerichtet sind, ohne seitliches Spiel in die Nuten passen und daß die Flansche sich ohne Dichtungszwischenlage berühren.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 in Anwendung auf einen Motorluftkompressor; dadurch gekennzeichnet, daß als das die Verbindungsstellen abdichtende Wasser dasjenige Wasser verwendet wird, welches zur Kühlung der Druckluft gedient hatte.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher die in der Leitung des Druckwassers in den Explosionszylinder auftretenden Wasserstöße zur Erhöhung des Druckes dieses Wassers unter Verwendung einer Druckluft einschließenden Glocke dienen, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Druckwasser stoßweise durch ein Absperrventil in die Glocke gelangt, hierbei andauernd das in der Glocke enthaltene Luftvolumen verringert und hierdurch den Druck des Wassers in der Glocke erhöht, no

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.