-
Stabilisierungsvorrichtung für Fre'iflugkolbenmaschinen Die Erfindung
bezieht sich auf eine St#bilisierungs- und Regelvorrichtung für Freiflugkolbenmaschinen,
insbesondere für Druckgasgeneratoren, bei denen die Motor- und Verdichterkolben
auf einer gemeinsamen Stange hintereinander angeordnet sind und die gesamte Verbrennungskraft
zum Antrieb des Verdichters ausgenutzt wird.
-
Bekanntlich begegnet bei der Ausführung von Freiflugkolbenmaschinen
und namentlich von Motorverdichtern das Problem der Aufrechterhaltung einer ununterbrochenen,
gleichen Wirkungsweise besonders großen Schwierigkeiten, und zwar aus folgenden
Gründen: Während eines einfachen Hubes der Kolben ist die auf einem der Kolben erzeugte
Motora,rbeit der auf dem anderen Kolben erzeugten Widerstandsarbeit gleich; die
pneumatische Kraft am Hubende und die kinetische Kraft in der Hubmitte sind beide
etwa der währen-d eines einfachen Hubes erzeugten Motorarbeit gleich. IrgendwelcheÄnderungen
dieser Arbeit, wie sie unvermeidlich in Verbrennungskraftmaschinen auftreten, beeinflussen
sofort die Geschwindigkeit der Kolben und die Verdichtung der Gase am Hubende und
wirken demnach auf den weiteren Gang der Maschine.
-
Bei doppelt wirkenden, d. h. mit doppelt wirkenden Zweitaktmotor-
und Verdichterkolben versehenen Motorverdichtern ist es sehr schwer, den Gang gleichzuhalten.
In Maschinen mit starker Verdichtung ist nämlich der Inhalt der Verbrennungskammer
klein im Verhältnis zu der gespülten Menge, so daß e#ine geringe Zunahme des Hubes
sofort eine starke Vergrößerung des Verhältnisses zwisdh#en Verdichtung und Motorarbeit
verursacht, Um den Gang zu vergleichmäßigen, muß daher die Widerstandsarbeit des
Verdichters wenigstens in demselben Verhältnis steigen; zwangsläufig muß daher der
Verdichter für hohe Gegendrucke und mit -roßen freien Räumen am Hubende ausgebildet
werden, womit aber nur ein geringer Mengenwirkungsgrad erreicht wird. Doppelt wirkende
Motorverdichter mit einem Gegendruck von etwa 4 bis 5 kg sind nur wenig gleichbleibend,
und es genügt häufig eine einzige Fehlzündung, um sie anzuhalten.
-
Bei einfach wirkenden Motorverdichtern, d. h. solchen, deren
Motor- und Verdichterkülben einfach und in zwei Takten arbeiten, wobei die Arbeitsflächen
dies-er Kolben zueinander entgegengesetzt gerichtet sind, kann ein guter praktischer
Gleichlauf dadurch erreicht werden, daß der Rückgang des Motorkolbens in Richtung
des Zylinderbodens durch die zusammengesetzte Wirkung eines Luftkraftspeich.ers
und eines mit großern freiem
Raum versehenen Verdichters erzeugt
wird. Solche Vorrichtungen weisen aber bedeutende Nachteile auf insofern, als die
Kolben schwer gemacht werden, die mittlere Geschwindigkeit vermindert wird und die
Verluste d, '" Speichers den Wirkungsgrad der Vorrithtul_Z, senken.
-
Es ist schon vorgeschlagen worden, die gemeinsame Stange der Motor-
und Verdichterkolben mittels eines Stangen- und Kurbelgetriebes mit einem Schwungrad
zu kuppeln. Aber abgesehen davon, daß eine solche Vorrichtung nicht mehr das Hauptmerkmal
einer Freiflugholbenmaschine, aufweist, vielmehr einem einfachen Motorverdichter
ähnlich ist, benötigt diese Vorrichtung auch eine Welle und Kurbelstangen von großen
Abmessungen und Gewichten, um den durch die Unterschiede zwischen den Bewegungsgesetzen
des Freiflugkolbens und der Kurbelstangen hervIorgerufenen heftigen und unregelmäßigen
Beanspruchungen einen genügenden mechanischen Widerstand zu leisten. Daraus ergibt
sich eine große Trägheit, welche die Erreichurig hoher Geschwindigkeiten der Kolben,
was gerade einen der Vorteile der eigentlichen Freiflugkolbenmaschinen darstellt,
unmöglich macht.
-
Mit der Vorrichtung, welche Gegenstand der vorliegenden Erfindung
bildet, sollen nun diese Nachteile behoben, werden. Diese Vorrielitung kennzeichnet
sich dadurch, daß die Stange, welche die Kolben trägt, noch mit einembesonderen"doppeltwirkendenSpeicherkolben
versehen ist, der in einem mit einer zusammendrückbaren Flüssigkeit gefüllten Zylinder
beweglich ist, wobei dieser Zylinder mit den Zylindern weiterer Hilfskolben in Verbindung
steht, die durch Pleuelstangen mit ein-er unilaufenden, ein Schwungrad tragenden
Welle gekuppelt sind.
-
Eine solche Vorrichtung verleiht der Freiflugkolbenmaschine eine ebenso
befriedigende Regelmäßigkeit und Gleiehlauf wie bei einer mit Kurbelstangen getriebenen
Kolbenmaschine und ermöglicht überdies, die Maschine leichter auszubilden und ihre
Kolbengeschwindigkeit zu erhöhen. Damit wird auch der Antrieb der Steuervorrichtung,
der bei Freiflugkolbenmaschinen mit hoher Kolbengeschwindigkeit besonders schwierig
ist, erleichtert. Es ist nämlich bekannt, daß bei Verdopplung der Kolbengeschwindigkeit
eines Motors und bei Gleichhaltung der Strömungsgeschwindigkeit der Gase durch die
Durchtrittsöffnungen die größte lebendigeKraft der Ventileverzweiundzwanzigfachtwird.
Eswird also bei mit hoher Kofbengeschwindigkeit arbeitenden Maschinen ein besonders
kraftvoller Steuerungsantrieb benötigt, die in solchem Falle praktisch unentbehrliche
Welle fehlt -aber in den Freiflugkolhenmaschinen. Das Anlassen dieser Maschinen,
was gewöhnlich wegen des starken, zum Anlassen des Frei-..#flugkolben. notwendigen
Druckes schwer ist, ,#v-iyd ebenfalls durch die hydro-elastische ##e#'#felung mit
einer Kurbelwelle erleichtert.
-
chstehend. soll an Hand der beiliegenden nungen beispielshalber eine
Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden.
-
Fig. i ist eine schematische Ansicht, welche die Hauptteile der erfindungsgemäßen
Vorrichtung darstellt. -Fig. 2, zeigt die Vorrichtung in axialem Schnittaufriß.
-
Fig. 3 zeigt in axialem Schnitt die Stabilisierungsvorrichtung
*der Fig. :2 mit mehreren Hilfseinrichtungen.
-
Fig, i stellt schematisch eine Maschine dar, die einen Motorzylinder
i und einen Verdichterzylinder i' enthält, in dienen sich die hintereinander auf
einer Stange i, aufgesetzten Motor- und Verdichterkolben i, und i, beweg-en. Die
Stange i, trägt noch einen dritten Kolben i, der sich in einem von den anderen getrennten
Zylinder 2, bewegt. Dieser sogenannte Speicherzylinder ist mit einer zusammendrückbarenFlüssigkeit,
beispielsweise mit Öl, gefüllt und steht ständig an jedem Ende einerseits
mit abgebrannten, ebenfalls mit Öl gefüllten Behältern 3 und 4 sowie
andererseits durch Leitungen 3, und 4, mit ZY lindern 3, und 4, in
Verbindung, in denen sich Kolben 5 und 6 bewegen, die durch Stangen
52 und 62 mit den zueinander um 18 o' versetzten Kurbeln
5, und 63 ein-er Kurbelwelle verbunden sind, die ein Schwungrad
8 trägt. Diese Welle ist mittels einer lösbaren Kupplung 9 mit ein-er
beispielsweise elektrischen Anlaßvorrichtung io verbunden, treibt mittels Kegeträder
i i eine Steuerungswelfe 12 und ist mit einem Fliehkraftregler 14 versehen.
-
Bei normalem Lauf bewegen sich die Freiflug-kolben hin und her, während
die Kurbelwelle und das Schwungra-d im Gleichlauf umlaufen, wobei die toten Punkte
der mit Pleuelstangen versehenen Kolben denjenigen der Freiflugkolben entsprechen.
Das Ganze bildet e#ine hydraulisch-elastische Übertragung zw-ischen dem beweglichen
Kolben i., i, i, und der umlaufenden Welle.
-
Die Wirkungsweise der oben beschriebenen elastischen Übertragung hängt
natürlich von den Beziehungen zwischen den Volumina ihrer verschiedenen mit zusammendrückbarer
Flüssigkeit gefüllten Teile ab, d. h.: i. von dem Volumen V des Behälters
3 und dem Volumen V' des Behälters 4, 2. von dem Volumen v, das von der dem
Behälter 3 zugekehrten Seite des Kolbens i, durchlaufen wird, sowie von dem
Volumen v',
das von der dem Behälter 4 zugekehrten Seite des Kolbens
i,1 bestrichen wird, 3. von dein Volumen w, das von dem auf einer Pleuelstange
sitzenden Kolben 6 bestrichen wird, der dem Druck des Behälters
3
ausgesetzt ist, sowie von dem Volumen w', das von dem auf einer Pleuelstange
sitzenden Kolben 5 durchlaufen wird, der dem Druck des Behälters 4 ausgesetzt
ist.
-
Wenn jeder Behälter je mit mehreren auf Pleuelstangen sitzenden
Kolben in Verbindung steht, so stelfen die Volumina w und w' bzw. das von allen
auf Pleuelstangen sitzenden Kolben, die mit je einem der Behälter in Verbindung
stehen, bestrichene Gesamtvolunien dar.
-
Bei einem doppeltwirkenden Motorverdichter haben die auf die Freiflugkolben
während einer einfachen Hubbewegung wirkenden Kräfte denselben Wert, unabhängig
von der B,-we'gungsr,ich-tung, so daß man in diesem Falle au s Glelchheitsgründen
setzen kann: V = V', V = V', W = w'.
-
Rechnungen und Erfahrungen zeigen, daß die Elastizität der Kupplung,
d. h. die Verschiebung zwischen den Totpunkten der Kolbenstange und den Totpunkten
der mit der umlaufenden Welle verbundenen Hilfskolben, einerseits mit dem Verhältnis
V wächst und -vv daß andererseits für -einen gegebenen Wert des Verhältnisses V
diese Elastizität desto -w größer wird, je kleiner das Verhältnis der von
dem Flüssigkeitsdruck an den Speicherkolben während, der ersten Hälfte des Hubes
abgegebenen Arbeit zu der von der Maschine w21irendeines Hubes gelieferten Arbeit
wird. Da einte zu große Elastizität ebenso wie eine zu große Starrheit die Wirkungsweise
der Vorrichtung stören kann, wird ein befriedigender Ausgleich dadurch erreicht,
daß das V Verhältnis -W. nahezu gleich 2 gewählt wird und daß dem Verhältnis der
vondem Flüssigkeitsdruck an den Speicherkolben während der ersten Hälfte des Hubes
abgegebenen Arbeit zu der von der Maschine während eines Hubes gelieferten Arbeit
ein Wert nahezu gleich i gegeben wird.
-
Die oben für die Wahl der Inhalte v, w und V gemachten Überlegungen
lassen sich auch für den Fall eines einfach wirken-den Motorverdichters anwenden.
Hierbei unterscheidet sich in-dessen die Arbeitsweise der Maschine von derjenigen
einer doppelt wirkenden Maschine durch folgen-de Merkmale: i. Die auf den beweglichen
Kolben wirkenden Kräfte sind bei einer einfachen Hubbewegung nicht dieselben, -,venn
dieser Kofben sich von rechts nach links (Verdichtung des brennbaren Gemisches)
oder von links nach rechts (Entspannung) verschiebt.
-
2,. Bei Fehl-en eines Luftspeichers, der zum Zurückführen des Kolbens
nach demEntspannungshub dient, ist die ans Ende des Entspannungshubes gespeicherte
Kraft, welche sich auf die im freien Raum des Verdichterzylinders gespeicherte Kraft
beschränkt, weit kleiner als die am Ende dies Verdichterhubes des Motorzylinders
gespeicherte Kraft.
-
Um diesen Besonderheiten der Arbeits-,veise der einfach wirkenden
Maschine Rechnung zu'tragen, braucht man nur die Inhalt-, v, w', r der Stahilisierungsvorrichtung,
welche dem auf der Seite des Entspannungshubendes liegenden Ende entsprechen, größer
zu wählen als die Inhalte v, w, V, welch-, der Verdichtungsseite im Brennraum
entsprechen, so daß der bewegliche. Kolben während seines Entspannungshubes gebremst
und während seines Verdichterhubes gestoßen wird. Die Verhältnisse zwischen den
Inhalten v, w, V
oder v, w', V' werden dabei in derselben Weise wie im Falle
der doppelt wirkenden Maschine derart bestimmt, daß eine angemessene- Stabilisierung
gewährleiistet wird.
-
Falls der Verdichteffitib der einfach wirkenden Masdhine durch einen
Luftspeii--lier bewirkt wird, der während des Entspannungshubes unter Druck gesetzt
wird, wird man für den Stabilisator Inhalte v, w, V wählen, die beziehungsweise
wie bei der doppelt wirkenden Maschine den Inhalten v, zu', V' gleichen.
-
Es soll jetzt im einzelnen eine Ausführung der Vorrichtung beschrieben
werden, deren Arbeitsgedanke eben dargelegt wurde.
-
Fig. 2 zeigt im Sch-nitt eine Gesamtansicht der die hydro-elastische
Kupplung bildenden Teile. Die Kolben der Freiflugkolbenmaschine bestehen aus einer
Stange i, auf deren Enden der Motorkolben i. und der Verdichterkolben i" fest angebracht
sind. (Die Motor- und Verdichterzylinder sind auf der Zeichnung nicht dargestellt
worden.) Auf dieser Stange ist ferner ein Kolben i, befestigt, der in einem Speicherzylinder
2 beweglich gelagert ist. Dieser Zylinder steht ständig an seinem rechten Ende mit
einem Behälter 3 sowie über die Leitungen 31 und. 3, mit den
Enden von Zylindern 33 und 3, in Verbindung. An seinem linken Ende
steht der Speicherzylinder mit dem Behälter 4 und über die Leitungen 41 und 4, mit
den Enden von Zylindern 4, und 4, in ständiger Verbindung. Der Zylinder 2, die Behälter
3, 4 sowie die Leitungen 3,-32, 4,-42 und die Zylinder 33-3"
4,-4, sind ständig mit einer zusammendrückbaren Flüssigkeit, gewöhnlich
Öl, gefüllt.
-
Die Zylinder 34 und 4, einerseits sowie die Zylinder 4, und
3, andererseits sind gleichachsig und mit entgegengesetzten Böden angeordnet.
Ein
doppelt wirkender, in den Zy-
lindern 3, und 43 bewegbarerKolben
5 ist mittels des KreuzkoPfes 5, und der Stangen 221 5, mit der Kurbel
5, der Kurbelwelle 7 gekuppelt. D er doppelt wirkende, in den
Zylindern 44 und 3, bewegliche Kolben 6 ist über den Ktenzkopf
6, und die Stangen 6, mit der Kur-bel 6, dieser Welle
7 gekuppelt. Die Kurbeln 53 und 6, sind zueinander um iSo'
versetzt, so daß die in den Zylindern 3, und 34 beweglichen Kolben sich in
demselben Sinne gegenüber den Böden dieser Zylinder bewegen, wobei dieser Bewegungsrichtungdiejenige
der in den Zylindern 4, und 44 beweglichen Kolben entgegengesetzt ist.
-
Es soll nun eine Hilfsanordnung beschrieben werden, die beinahe vollständig
den Kraftausta-usch zwischen Schwungrad und Kolben bei normalem Betrieb beseitigt,
so daß das Schwungrad nur bei Störungen in Wirkung zu treten braucht.
-
Man hat bereits oben gesehen, daß bei normalem Betrieb der Druck auf
einem mit einer Pleuelstange verbundenen Kolben von o bis zu einem Größtwert
p steigt, wenn dieser Kolben von dem nahe dem Zylinderboden liegenden Totpunkt zu
deni entgegengesetzten Totpunkt übergeht. Mit der Anordnung, welche nachstehend-
beschrieben werden soll, soll dieser Druck durch dieWirkung eines hydratilischen
Hilfsspeichers ausgeglichen werden.
-
Fig. 3 veranschaulicht im Schnitt eine mit dieser Einrichtung
versehene Maschine. M't'4,-44 und 3.-34 sind die beziehungsweise mit dem linken
und dem rechten Ende des nicht dargestellten SpeJcherzylinders verbundenen Zylinder
bezeichnet; die in diesen Zy-
lindern beweglichen Kolbens 5 und
6 sind auf Stangen 54, 64 befestigt, die sich durch in die Enden der Zylinder
eingelassene Führungsringe 5,-6, bewegen. Die zwischen den Kolben und den
Ringen gebildeten Räume sind mit einer zusammendrückbaren Flüssigkeit gefüllt und
stehen bezüglich der in den Zylindern 4, und 4, beweglichen Kolben mit einem Behälter
18 sowie bezüglich der in den Zylindern 3, und 34 beweglichen Kolben mit
-einem Behälter ig in Verbindung; diese Behälter sind ebenfalls mit Öl gefüllt
und mit selbsttätigen Speiseventilen 2o, 21 versehen, die analog den Ventilen 16,
17 der Fig. 2 ausgebildet sind. Wenn sich die Kolben 5 und 6
von den
Böden der Zylinder 4, und 44 entfernen, so drücken sie auf der Ringseite die in
dem Behälter 18 befindliche Flüssigkeit von o bis zu einem Druck von p" zusammen.
Gleichzeitig steigt der Druck auf der andern Seite der Kolben von o bis
p. Der Rauminhalt des Behälters 18 und der Druck p*" werden in der Weise
geregelt, daß der Druck p", welcher sich auf der gegen denRing gerichteten Kolbenseite
auswirkt, den Druck p
auf der entgegengesetzten Kolbenseite ausgleicht. Der
Rauminhalt des Behälters ig wird deraxt gewählt, daß sich die Drucke ausgleichen,
welche auf die in den Zylindern 3"34 beweglichen Kolben wirleen. Die auf die Kolben
5, 6 wirkenden Beanspruchungen: sind also annähernd gleich o, solange die
Totpunkte der Freiflugkolben mit denjenigen der mit Stangen verbundenen Kolben zusammenfallen,
und die auf die Kurbeln Übertragene Kraft ist lediglich die Trägheit der hin und
her gehenden Teile der Maschine. Die Hilfsspeicher können übrigens leicht geregelt
werden, um diese Trägheit auszugleichen.
-
Bei gestörtem Gang sind die Totpunkte der Freiflugkolben zu denjenigen
der mit Stangen verbundenen Kolben versetzt; diese letzteren sind dann ausschließlich
dem größten Arbeitsdruck an der Hubmitte unterworfen, *odurch die -Übertragung einer
gewissen ständigen Arbeitsmenge von dem Schwungrad auf die Freiflugkolben oder umgekehrt
gewährleistet wird.
-
Die Hilfsspeicher gestatten den Druckausgleich nur für eine bestimmte
Hublänge der Freiflugkolben, d. h. für eine bestimmte Betriebsgeschwindigkeit
der Maschine. Dieser Ausgleich erfolgt insbesondere nicht inehr beim Anlassen der
Maschine, wo die Drucke in dem Hauptspeicher sehr niedrig sind. Um beim Anlassen
übermäßige Beanspruchungen in der Mertragung zu vermeiden, ist eine selbsttätige
Entfüllungsvorrichtung derHilfsspeicher vorgesehen worden. Bei normalem Betrieb
steht der Druck im Hilfsspeicher in !einem bestimmten Verhältnis m =-P# zu dein
Druck im Hauptspeicher. Die p Entfüllung erfolgt selbsttätig, sobald das Verhältnis
zwischen diesen Drucken größer als m
wird. Zu diesem Zweck steht der Behälter
18 mit dem Boden des Zylinders 4" d. b. mit dem Hauptspeidher, ÜberBohrungen
22, 23 in Verbindung, in denen ein Differentialkolben verschiebbar ist. Dieser
Differentialkolben ist an seinen Flächen 9-4 und 25 bzw. den im Haupt- und
Hilfsspeicher herrschenden Drukken ausgesetzt sowie an seiner Ringfläche
26
dem Druck der Speisevcrriditung, der nahe gleich o ist. Sobald das Verhältnis
der Drucke im Hilfs- und Hauptspeicher das Verhältnis der Ouerschnitte der Flächen
:26 und 2 5
(das auf äen Wert in eingestellt ist) überschreitet, wird der
Differentialkolben nach oben geschoben und setzt dadurch über Hohlkehlen:27 den
Hilfsspeicher . mit Auspuff in Verbindung. Die Hilfsspeicher werden also
selbsttätig beim Anlassen während der ersten Umdrehung der Maschine entfüllt. Ihr
allmähliches Wiederfüllen wird dann durch die Speiseventile geregelt, deren Querschnitte
derart
bestimmt werden, daß die bei der erst-en Umdrehtin
g der Maschine herausgedrückte Flüssigkeit die Hilfsspeicher erst nach einem
gewissen Zeitablauf wieder füllt.