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Kolbenmaschine, insbesondere Kolbenkraftmaschine Alle Kolbenmaschinen,
insbesondere Kolbenkraftinaschinen, leiden unter Nachteilen, die durch die großen
hin und her gehenden Massen bedingt sind. Diese Nachteile werden zum Teil durch
Maschinen mit geradlinig alternierenden gegenläufigen Kolben-und Zylinderbewegungen
vermieden. Die genannten Maschinen arbeiten jedoch im allgemeinen auf einer Kurbelwelle,
so daß entweder am Kreuzkopf oder am Kolben seitliche Kräfte auftreten, die Reibungen
und Erschütterungen hervorrufen. Bekannt ist auch eine Maschine, bei der Kolben
und Zylinder außer der alternierenden gegenläufigen Bewegung je eine kreisförmige
Bewegung ausführen, derart, daß Kolben und Zylinder sich gemeinsam heben und senken.
Hierbei besteht unter anderem der Nachteil, daß die auf und ab gehenden Massen noch
weit stärkere Erschütterungen hervorrufen.
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Bei Verbrennungskraftmaschinen müssen entweder große rotierende Massen
angeordnet werden, die einem Teil der Leistung des Arbeitshubes aufspeichern, um
sie bei anderen Hüben, insbesondere beim Kompressionshub wieder abzugeben, oder
es müssen mehrere Kolben auf einer Kurbelwelle arbeiten, wobei stets ein Teil der
Leistung des Verbrennungshubes über die Kurbelwelle einem anderen Kolben zugeleitet
wird, die dieser bei anderen Hüben, insbesondere beim Kompressionshub, verbraucht.
Dieser Teil der Leistung wird also von einem Kolben auf den anderen über die Kurbelwelle
übertragen, die infolgedessen erheblich belastet wird.
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Alle die genannten Maschinen sind schwierig zu steuern bzw. zu regeln
und deshalb meistens mit sehr komplizierten Steuervorrichtungen versehen.
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Die Erfindung bezweckt, durch eine neuartige Anordnung eine Kolbenmaschine
zu schaffen, die die genannten Nachteile ganz oder zum Teil vermeidet und außerdem
in der Anwendung verschiedene andere Vorteile bietet. Die Erfindung besteht darin,
daß das
Arbeitsmittel durch ein den Zylinder durchsetzendes feststehendes
Rohr und die darauf gleitende hohle Kolbenstange in den Arbeitszylinder eingeleitet
wird.
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Zweckmäßig wird das ganze Getriebe zur Kopplung zwischen Zylinder
und Kolben an dem einen Ende das Zylinders angebracht. Es kann beispielsweise ein
auf einer ortsfesten Achse drehbares Ritzel besitzen, das mit zwei Zahnstangen kämmt,
von denen eine mit dem Kolben, die andere mit dem Zylinder starr verbunden ist.
Es sind aber auch andere mechanische Getriebe, ebenso wie hydraulische Getriebe,
möglich.
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In dem hohl ausgebildeten Kolben können Ventile angeordnet werden,
die das Innere des Kolbens wechselweise mit der einen oder anderen Zylinderseite
verbinden, um das Arbeitsmittel nach dem Expandieren auf dem Wege durch den Kolben
und die Kolbenstange ins Freie abzulassen. Hierzu sind an das Innere des Kolbens
Ausnehmungen in der Kolbenstange angeschlossen, und das in der Kolbenstange stillstehende
Rohr ist an seiner Oberfläche mit Nuten versehen, welche am Ende offen sind.
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Bei Dampf- oder Druckluftmaschinen werden zweckmäßig in an sich bekannter
Weise doppelt wirkende Arbeitszylinder verwendet.
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Bei Anwendung dar Erfindung auf Verbrennungskraftmaschinen, die im
Viertakt arbeiten, wirken zweckmäßig zwei Zylinder mit je einem im Viertakt arbeitenden
Kolben derart zusammen, daß bei jedem Hub in einem der beiden doppelt wirkenden
Zylinder ein Verbrennungshub stattfindet. Auf diese Weise wird die Arbeit, die zur
Kompression in einem Zylinderteil erforderlich ist, unmittelbar durch Kolben und
Kolbenstange von demjenigen Arbeitsraum aus übergeleitet, in dem der Verbrennungshub
stattfindet.
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Zum Anlassen einer solchen Verbrennungskraftmaschine können beispielsweise
in Tandem um die Kolbenstange- angeordnete Solenoide verwendet werden, -die ein
auf der verlängerten Zylinderbuchse fest angebrachtes magnetisches Schlußstück im
Wechsel anziehen und dadurch die Maschine in Gang setzen. Aber auch andere Anlaßvorrichtungen,
beispielsweise durch Preßluft, die unmittelbar in einem bestimmten Arbeitstakt in
die vier Arbeitsräume der beiden Zylinder eingeführt werden, können zum Anlassen
verwendet werden.
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Die Zündung bzw. Einspritzung des Brennstoffes wird gemäß weiterer
Ausbildung der Erfindung durch den Kompressions- oder Explosionsdruck eines anderen
Arbeitsraumes selbsttätig gesteuert.
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Ebenso ist es bei Verbrennungskraftmaschinen zweckmäßig, @dieAuslaßorgane
fürdie Verbrennungsgase, die vorzugsweise als Schieber ausgebildet werden, oder
auch die Einlaßorgane für die Verbrennungsluft jedes Arbeitsraumes durch den Kompressions-
oder Explosionsdruck eines anderen Arbeitsraumes zu steuern.
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Eine Kolbenkraftmaschine . nach der Erfindung kann in besonders vorteilhafter
Weise, beispielsweise mit einem Verdichter, in der Weise vereinigt werden, daß Arbeitskolben
und Arbeitszylinder je einen oder mehrere Kolben eines Verdichters oder°-einer Pumpe
antreiben. Es ist aber auch möglich, den Verdichter bzw. die Pumpe in gleicher Weise
wie die Kolbenkraftmaschine mit beweglichem Zylinder auszustatten.
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Soll -die geleistete Arbeit in eine Drehbewegung umgewandelt werden,
so kann dies beispielsweise dadurch geschehen, daß Arbeitskolben und Arbeitszylinder
eine Welle über zwei Ratschengetriebe antreiben.
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Die Erfindung wird an drei Ausführungsbeispielen erläutert. In der
Zeichnung zeigt Fig. i einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel, nämlich
eine Dampfkolbenmaschine mit einem von dieser angetriebenen Verdichter, Fig. 2 einen
Schnitt gemäß III-III der Fig. i, Fig. 3 einen Schnitt gemäß IV-IV der Fig. i, Fig.
¢ einen Schnitt gemäß IVa-IVa der Fig. i, Fig. 5 einen Schnitt gemäß V-V der Fig.
i, Fig. 6 in größerem Maßstab einen Schnitt durch Kolbenstange und feststehendes
Rohr gemäß Fig. 3, Fig. 7 in seinem rechten Teil einen senkrechten Längsschnitt
durch eine im Viertakt arbeitende Dieselkraftmaschine mit doppelt wirkenden Zylindern
und in seinem linken Teil einen Schnitt gemäß XI-XI der Fig. 13, Fig. 8 einen Schnitt
gemäß VIII-VIII der Fig. 7, Fig. 9 einen Schnitt gemäß IX-IX der Fig. 7, Fig. io
einen Schnitt gemäß X-X der Fig. 7, Fig. i i in seiner linken Hälfte einen Teil
des Schnittes gemäß Fig. 7 in größerem Maßstab gemäß XI-XI der Fi.g. 13 und in seiner
rechten Hälfte eine Seitenansicht der Maschine, Fig.12 einen waagerechten Schnitt
gemäß XII-XII der F'ig. i i bzw. 13, Fig. 13 einen senkrechten S chnitt gemäß
XIII-XIII der Fig. i i, Fig.14einSchema-desArbeitstaktes derMaschine gemäß Fig.
7 bis 13.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. i bis 6 ist das Fundament
mit i i bezeichnet, auf dem der Zylinder 12 gleitend angeordnet ist. In dem Zylinder
i2 befindet sich ein Kolben 13, der fest auf einer Kolbenstange 14 sitzt, die an
beiden Enden aus dem Zylinder herausragt. Den Hohlraum 13a des Kolbens 13 verbinden
Bohrungen 13b in .der Kolbenstange 14 mit den Ausfräsungen (Nuten) 17. In die hohl
ausgebildete Kolbenstange 14 ist ein festes Rohr 15 hineingeschoben, das bei 16
abgeschlossen ist. Es besitzt innbestimmtem Abstand Öffnungen 1g und 2,o und an
seiner Außenfläche Ausfräsungen 17, die etwa bei den Öffnungen i g beginnen, und
in einen Hohlraum 18 der Kolbenstange 14 münden. Die Öffnungen ig und 2o werden
in den meisten Stellungen der Kolbenstange 14 von dieser abgedeckt. Doch besitzt,die
Kolbenstange selbst öffnungen 21 und 22, die sich in gewissen Stellungen mit den
Öffnungen ig und 2o des Rohres 15 überdecken. In dem Kolben 13 sind Ventile 23 angeordnet,
die entweder, wie in der Zeichnung dargestellt, den Hohlraum i3a des Kolbens gegenüber
dem rechten Arbeitsraum 12a des Zylinders abschließen oder bei einer Verschiebung
nach rechts den Hohlraum 13a
gegenüber dem anderen Arbeitsraum i2b
des Zylinders i2 abschließen. An den Köpfen des Zylinders sind Stoßfedern 24 angeordnet,
die beim Hin- und Hergehen des Kolbens 13 auf die Ventile 23 einwirken und
diese wechselweise von rechts nach links und von links nach rechts verschieben.
An einem festen Rahmen 2,5 befinden sich Achsen 26, auf denen Ritzel 27 drehbar
sind. Diese arbeiten einerseits mit Zahnstangen 28, die starr mit dem Zylinder 12
verbunden sind, und andererseits mit Zahnstangen 29, die fest mit der Kolbenstange
14 verbunden sind. An dem Zylinder 12 sind rechts zwei Kolbenstangen 30 mit Kolben
3 1 angeschlossen, die in Bohrungen 32 eines Verdichters arbeiten können.
Die Kolbenstange 14 trägt ein Querhaupt 33, an welches nicht gezeichnete Kolbenstangen
angeschlossen sind, die zwei weitere Kolben 34 in entsprechenden Bohrungen des Verdichters
35 hin und her schieben. Die Öffnung 1811 im Querhaupt 33 verbindet den Hohlraum
18 der Kolbenstange 14 mit dem freien Raum. Mit 36 sind schematisch Klappen zur
Steuerung des Ein- und Auslasses jedes Verdichters angedeutet. In der gezeichneten
Stellung befinden sich die Klappen 36 der Zylinder 32 in der Ansaugstellung, die
sich selbsttätig beim Kompressionshub schließen. Der Ausschub der verdichteten Luft
erfolgt in eine Druckleistung 37. In das Rohr 15 tritt bei 1511 der Dampf
ein. Während die Öffnungen i9 durch die Kolbenstange 14 abgedeckt sind, kann der
Arbeitsdampf durch die Bohrungen 2o, 22 in den Arbeitsraum i211 gelangen. Er schiebt
infolgedessen bei geschlossenen Ventilen 23 den Kolben 13 nach links und
den Zylinder 12" nach rechts. Hierbei leisten die Verdichterkolben 31 Verdichtungsarbeit,
während die Kolben 34 ihren Saughub ausführen. Gleichzeitig wird der expandierte
Dampf aus dem Arbeitsraum 12b durch die geöffneten Ventile 23, den Hohlraum i311
des Kolbens 13, die Bohrungen i3 b der Kolbenstange 14 und die Nuten 17 in den Hohlraum
18 abgeführt, von wo er durch die Öffnung i811 ins Freie treten kann.
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Die Dieselkraftmaschine nach den Fig. 7 bis 14 besitzt zwei Zylinder
So und 51, die durch eine Zwischenwand 52 voneinander getrennt sind. Durch beide
Zylinder verläuft die Kolbenstange 53, die zwei Kolben 54 und 55 trägt. Im Inneun
der Kolbenstange 53 befindet sich das feste Rohr 56, das mit der Kolbenstange
53 die Ansaugluft steuert. Die Zylinder 50 und 5 i sind in gleicher Weise
wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel auf dem Fundament 57 verschiebbar. An den
linken Zylinder schließt ein Rohr 58 an, das in einen Drucktopf 59 hineinragt. In
diesen Drucktopf 59 ragt auch das Ende der Kolbenstange 53 hinein. Die Querschnitte
des Rohres 58 und der Kolbenstange 53 innerhalb dieses Drucktopfes 59 sind so bemessen,
daß sie gleiche Querschnittflächen haben. Infolgedessen kann sich das Rohr 58 nur
so weit in den flüssigkeitsgefüllten Drucktopf 59 hineinschieben, wie sich die Kolbenstange
53 aus ihm zurückzieht und umgekehrt. Der Drucktopf 59 ist von einer vorgespannten
Druckfeder 59a umgeben und mit Haltegliedern 6o an einem festen Rahmen 61 verankert.
So ist er in der Lage, Stöße aufzufangen und zu speichern, wobei der Zylinder oder
die Kolbenstange zusammen mit dem Topf um ein gewisses Maß nachgeben. Dieses Maß
und damit die Dimensionen .der möglichst lang auszubildenden Feder sind aus den
Grunddaten der Maschine, insbesondere aus der Massenbeschleunigung, genau zu errechnen.
In ähnlicher Form läßt sich im übrigen auch die Zahnradkupplung nach Fig. i .durch
Federung der Zahnradachslager elastisch gestalten.
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Zur Steuerung der Ansaugluft sind die Kolben 54 und 55 mit Ventilen
ausgerüstet, ähnlich den Ventilen 23 der Fig.i bis 6. Sie werden aber hier nicht
gekoppelt, sondern einzeln durch Unterdruck betätigt. Die hohlen Kolben sind in
jeder Lage für den Lufteinlaß offen, da hier das feste Rohr 56 für beide Zylinder
Schlitze von der Länge des Kolbenweges besitzt.
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Für den Auspuff sind in den Zylindern Öffnungen 62 und 63, 64 und
65 vorgesehen (Fig. i2). Auf der anderen Seite jedes Zylinderraumes sind Öffnungen
62a, 63a, 6d.11 und 65a vorgesehen, die mit Steuerschiebern 62b, 63b, 64b und 65b
zusammenarbeiten. Tritt beispielsweise in dem Arbeitsraum 5o11 ein hoher Druck ein,
so tritt durch die Öffnung 62a Gas unter hohem Druck in den Raum 62e und verschiebt
damit den Steuerschieber 62b nach rechts; über die Stange 66 werden auch die Absperrschieber
63c und 65c nach rechts geschoben, bis sie die Öffnungen 63 und 65 in den Zylindern
freigeben bzw. abschließen. Erhöht sich beim Fortgang der Arbeit im Zylinderraum
5i11 der Druck, so wird der Steuerschieber 64b nach links geschoben, so daß die
Öffnung 63 wieder geschlossen und die Öffnung 65 wieder geöffnet wird. Entsprechend
arbeitet die Steuerung auf der anderen (in Fig. 12 untenliegenden) Seite, jedoch
um einen Kolbenhub versetzt. Da bei jedem Kolbenhub ein Arbeitsraum Kompressionsdruck
bzw. Verbrennungsdruck hat, wird also bei jedem Arbeitshub eine der Stangen 66 oder
67 bewegt und dadurch in jedem Falle der Auspuff desjenigen Arbeitsraumes, aus dem
die verbrannten Gase ausgeschoben werden sollen, geöffnet. Da bei jedem Takt zwei
der Öffnungen 62 bis 65, und zwar eine für den Ausschub und die zweite gerade im
Zustand des Ansaugens (nach Fig. 12 und 14 also 64 und 65) frei ist, so sind alle
Absperrschieber 62c bis 65c mit Rückschlagklappen 62d bis 65d zu versehen, die das
Ansaugen hier verhindern. In ähnlicher Weise erfolgt die Steuerung der Einspritzdüsen
68. Der Zufluß des Kraftstoffes zur Düse 68 erfolgt über eineLeitung 69, die durch
einen Schieber 7o absperrbar ist. Der Schieber 70 ist in einem festen Oberteil
71 und einen Betrag 72 hin und her schiebbar. Das 'Verschieben der Schieber
7o erfolgt ebenfalls durch Einwirkung des Druckes in einem der Arbeitsräume. So
besitzt beispielsweise der Arbeitsraum 50b eine Öffnung 73, die in einen schmalen
Schlitzraum 74 mündet. In diesem Schlitzraum ist der Steuerschieber 7o beweglich.
Erliegt in der gekennzeichneten Stellung gegen einen festen Anschlag 75 des festen
Oberteils an. Dieser feste Anschlag bildet zusammen mit dem Schieber 7o
einen
Hohlraum 76. In seiner anderen Endlage liegt der Schieber 70 gegen einen
entsprechenden Anschlag 75a und bildet einen entsprechenden Hohlraum 76a. Tritt
hochgespanntes Gas durch die bffnung 73 in den Hohlraum 7611 und verschiebt den
Steuerschieber 70 nach links, so gelangt er in die in Fig. i i dargestellte
Lage. Bei dieser Bewegung öffnet er die Rohrleitung 69, so daß der Brennstoff durch
die Düse 68 in den Arbeitsraum eingespritzt werden kann. Die Einspritzung erfolgt
durch Druckkolben 77 und 78, die im Arbeitsrhythmus betätigt werden. Dabei führt
der Druckkolben 78 den Brennstoff je nach Stellung der zugehörigen Steuerschieber
entweder dem Arbeitsraum III oder dem Arbeitsraum I über eine Druckleitung 79 zu.
Der Druckkolben 77 dagegen führt den Arbeitsräumen IV oder II jeweils Brennstoff
zu, und zwar stets demjenigen, dessen Schieber die Einführung des Brennstoffes gestattet.
Mit 79a ist ein Einfüllstutzen für Brennstoff bezeichnet.
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Fig. 14 zeigt die Arbeitsfolge in den Arbeitsräumen I bis IV, wobei
k Kompression, e Explosion, a Ausschub und s Ansaugen bedeutet. Es findet also bei
jeder Kolbenbewegung in einem Arbeitsraum Kompression, in einem anderen Verbrennung,
in einem dritten Ausschub und in einem vierten Ansaugen statt.
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Soll nach dem Otto-Verfahren gearbeitet werden, so werden die Einspritzdüsen
durch Zündkerzen ersetzt und durch das feste Rohr 56 Luft nebst Brennstoff angesaugt.
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Zum Anlassen besitzt die verlängerte Zylinderbuchse 5 i11 einem Ring
8o aus Trafoblech als Schlußstück für die magnetischen Felder der Solenoide 81 und
82, so daß in der jeweiligen Endlage .der größtmögliche Kraftfluß erreicht wird.
Durch eine entsprechende automatische Schaltung mit Schleifkontakten kann erreicht
werden, daß Zylinder und Kolben hin und her bewegt werden, bis die erste Zündung
erfolgt.
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Der Fortsatz 5 i11 der Zylinderbüchse und auch die Kolbenstange 53
tragen an ihren Enden eine Zahnstange 83 und 83a, die j e auf ein Zahnrad 84, 84a
einwirken, von denen jedes über ein Ratschengetriebe 85 bzw. 85a abwechselnd eine
Welle 86 antreibt.