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Kolbenkompressor mit Zweitaktmotor Die Erfindung bezieht sich auf
einen Kolbenkompressor zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für den Antrieb
von Druckluftwerkzeugen. Der Antrieb des Kompressors erfolgt durch einen Zweitaktidiesel-
oder Zweitaktottomotor. Zweck der Erfindung ist, einen überaus einfachen, billigen
und betriebssicheren Motorkompressor zu schaffen, der einen vollen Ausgleich der
Massenkräfte erster und zweiter Ordnung aufweist. Der Antrieb des Kompressorkolbens
erfolgt vom Kutbeltrieb des Zweitaktmotors aus.
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Bei dem Zweitaktmotor nach dem Hauptpatent ist gegenüberliegend zum
Arbeitszylinder ein Tauchkolben angeordnet, der von der Kurbelwelle angetrieben
wird und sich entgegengesetzt zum Motorkolben nach dem Kurbelraum zu bzw. davon
weg bewegt. Auf dem äußeren Ende des Tauchkolbens ist ein weiterer Kolben in Scheibenform
aufgesetzt, dessen Innenfläche beim Einwärtsgang gegen eine feste Wand arbciitet
und hierbei die Spülluft für den Motorzylinder verdichtet. Die Außenfläche des Scheibenkolbens
dient erfindungsgemäß in weiterer Ausgestaltung des Motors nach dem Hauptpatent
als Kompressorkolben und arbeitet gegen den Zylinderdeckel des Kompressorzylinders,
der in üblicher Weise mit Saug- und Druckventilen für die Druckluft ausgerüstet
ist. Die auf diese Weise erzeugte Druckluft wird für Arbeitszwecke verwandt. Der
Antrieb des Tauchkolbens und damit des Kompressorkolbens erfolgt vorzugsweise mittels
eines Exzenters und einer Exzenterstange von der Kurbelwelle aus, um kleine Hubbewegungen
des Scheibenkolbens und damit kleine Ausladungen des Kompressorzylinders zu erhalten.
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Zwischen dem Spülpumperikolben und den Spülkanälen des Motorzylinders
wird wie bei dem Hauptpatent ein Speicherraum vorgesehen. Sein
Zweck
ist, die von dem Spülpumpenkolben geförderte Spülluft aufzunehmen, solange die Spülkanäle
des Motorzylinders vom Motorkolben noch nicht geöffnet sind. Der Spülluftdruck wird
durch die Größe des Speicherraumes bestimmt. Die Größe des Speicherraumes ist so
gehalten, daß die Spülluft vor dem Öffnen der Spülkanäle des Motorzylinders nicht
auf unnötig hohen Druck verdichtet wird. Außerdem verhütet der Speicherraum, daß
beim Saughub des Spülpumpenkolbens zu große Unterdrücke entstehen. Durch den Speicherraum
wird demnach beim Förderhub und beim Saughub des Spülpumpenkolbens ein zu großer
Leistungsverbrauch der Spülluftpumpe vermieden.
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Durch die gegenüberliegende Bauart von Motorzylinder und Kompressorzylinder
bzw. Spülpumpenzylinder läßt eich ein nahezu vollkommener Massenausgleich erster
und zweiter Ordnung erzielen. Bei dieser Anordnung in Boxerform der beiden Zylinder
ist der Antrieb des Motorkolbens gegenüber dem des Kompressorkolbens um i$io° versetzt.
Diese gleichzeitige, aber entgegengesetzte Bewegung von Motorkolben und Spülpumpenkolben
ermöglicht das Ansaugen der Frischluft in den Spülpumpenzylinder durch Saugschlitze,
die vom Pumpenkolben am Ende eines Saughubes aufgesteuert werden. Der Eintritt der
Spülluft in den Spülpumpenzylinder kann auch durch Saugventile erfolgen. Der Einlaß
der Spülluft aus dem Speicherraum in den Motorzylinder wird durch den Motorkolben
gesteuert.
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Der Eintritt der Druckluft in den Kompressorzylinder und ihr Austritt
aus diesem erfolgt in üblicher Weise durch selbsttätige Saug- und Druckventile.
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Bei Dieselmotorenbetrieb ist der Hubraum .des Spülpumpenkölbens annähernd
doppelt so groß wie der Hubraum des Motorkolbens, damit bei jeder Motorumdrehung
eine Spülluftmenge von annähernd dem i,5fachen des Hubraumes des Motorkolbens gefördert
wird zur Erzielung einer guten Ausspülung und Füllung des Motorzylinders mit Frischluft.
Wird der Hub des Pumpenkolbens aus Abmessungsgründen etwa halb so groß gemacht wie
der Hub des Motorkolbens, so ist dabei der Durchmesser des Pumpenkolbens annähernd
doppelt so groß wie der Durchmesser des Motorkolbens.
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Da der Motorkolben einen Kompressorkolben mit dem doppelten Hubraum
des Motorkolbens nur bei kleinen Drücken der Druckluft bis zu etwa 4 atü anzutreiben
in der Lage ist, so muß zum Erreichen der üblichen Luftdrücke von 6 bis S atü der
Nutzhubraum des Kompressorkolbens verringert werden. Dies kann beispielsweise dadurch
erfolgen, daß der Nutzhub des Kompressorkolbens auf einen bestimmten Teil seines
Gesamthubes begrenzt wird, indem .der Kompressorkolben am Ende seines Saughubes
bzw. am Anfang seines Förderhubes Kanäle in der Kompressorzylinderwand aufsteuert,
durch die die Luft ungehindert ein- und ausströmen kann. Vorteilhaft sind diese
Kanäle dieselben, durch die auch die Spülluft in den Spülpumpenzylinderraum einströmt.
Der Nutzhubraum des Komp@ressorkolbens kann auch dadurch verringert werden, daß
er auf seiner Außenfläche als Stufenkolben ausgebildet ist. Dabei kann eine zweistufige
Verdichtung angewendet werden, oder eine Stufe kann unwirksam bleiben und beispielsweise
als weitere Führung des Kompressorkolbens dienen.
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Wird der Motorzylinder im Ottoverfahren mit Luftspülung und Benzineinspritzung
betrieben, so kann der Spülpumpenkolben und damit auch der Kompressorkolben gleich
groß bemessen sein wie bei Dieselbetrieb, weil dabei die Spülluftmenge je Motorumdrehung
gleich groß sein kann wie bei Dieselbetrieb.
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Bei Betrieb des Motorzylinders im Ottoverfahren mit Spülung durch
ein Benzin-Luft-Gemisch muß zur Vermeidung von Frischgemischverlusten durch die
Auslaßkanäle während des Spülvorganges des Motorzylinders die Spülgemischmenge auf
etwa das o,5- bis o,7fache des Hubraumes des Motorkolbens und damit auf ungefähr
die Hälfte bis ein Drittel der Spülluftmenge bei Dieselbetrieb b°-schränkt werden.
Der Hubraum der Spiilgemischpumpe soll daher nicht größer sein als der Hubraum des
Motorkolbens. Das Benzin-Luft-Gemisch wird vorteilhaft durch einen Vergaser gebildet
und strömt durch die Saugschlitze des Spülpumpenzylinders am Ende des Saughubes
des Spülpumpenkolbens in den unter Unterdruck stehenden Spülpumpenzylind.erraum
ein und füllt ihn auf. Wird der Spülpumpenhub halb so groß wie der des Motorkolbens
gemacht, so beträgt der Durchmesser des Spülpumpenkolbens etwa das i,4.- bis i,5fache
des Durchmessers des Motorkolbens.
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Die Außenfläche des Pumpenkolbens, die als Kompressorkolben wirkt,
hat dabei einen Hubraum von ungefähr dem i- bis i,z5fachen des Motorkolbens. In
diesem Fall kann der gesamte Hubraum des Kompressorkolbens als Nutzhubraum wirken,
da der Motorkolben imstande ist, bei dem üblichen Druck der Druckluft von 6 bis
8, atü der. Kompressorkolben mit diesem Hubraum anzutreiben.
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Die Regelung des Motors und des Kompressors kann wie üblich durch
eine Drehzahlregelung in Verbindung mit einer Belastungsregelung des Motors und
weiterhin durch Ausschaltung der Kompressorwirkung, beispielsweise durch Anheben
der Saugventile, erfolgen.
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Der Kompressorzylinder und der Motorzylinder können für Wasserkühlung
oder für Luftkühlung ausgebildet werden. Die Zylinder können vorteilhaft liegend
angeordnet werden.
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Durch den völligen Massenausgleich, das verhältnismäßig geringe Gewicht
und die kleinen Gesamtabmessungen eignet sich der Motorkompressor nach der Erfindung
insbesondere auch für fahrbare oder tragbare Anlagen und auch für große Abmessungen,
da keine schwere Fundamente oder schweren Fahrzeuge nötig sind.
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Es ist auch möglich, die Kompressorwirkung des Kompressorkolbens durch
Anheben -der Saugventile auszuschalten und den Zweitaktmotor für den Antrieb
eines
Fahrzeuges bei selllystbeweglichen Kompressoranlagen oder für den Antrieb eines
Generators zu verwenden. Es können auch zwei oder mehr Motor- b!zw. Kompressorzylinder
in jeder Reihe angeordnet werden.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Abbildungen gezeigt und
beschrieben. Es zeigt Abb. i einen Längsschnitt des Motorkompressors durch den Motorzylinder,
den Kurbeltrieb, den Kompressorzyldnder und eine Ansicht der Einspritzpumpe nach
der Linie I-1 der Abb. 2 bei innerer Totpunktstellung der beiden Kolben, Abb. 2
einen Querschnitt des Motorkompressors durch den Motorzylinder und etwas versetzt
dazu durch den Kompressorzylinder mit Exzenterantrieb nach der Linie 11-1I der --",bb.
i bei innerer Totpunktstellung der beiden Kolben, Abb. 3 einen ähnlichen Querschnitt
eines Motorkompressors wie die Abb. 2 bei äußerer Totpunktstellung der beiden Kolben;
der Gesamthub des Kompressorkolbens dient hier als Nutzhub, Abb. q. einen Querschnitt
des Motorzylinders durch die Spül- und Auslaßkanäle nach .der Linie IV-IV der Abb.
i, Abb. 5 einen waagerechten Längsschnitt durch den Kurbelraum mit Kurbelwelle,
Spülluftkanälen und Schwungrad nach der Linie V-V der Abb. i, Abb. 6 einen Querschnitt
eines Motorkompressors mit liegenden Zylindern durch den Motorzylinder und versetzt
dazu durch den Kompressorzylinder ähnlich wie bei Abb.3 mit einem Kompressorkolben,
der durch einen durchgehenden Führungskolben innen auf der Kurbeltriebseite und
außen im Deckel des Kompressorzylinders ,gelagert ist, Abb. 7 einen Querschnitt
eines Motorkompressors mit liegenden Zylindern, bei dem der Kompressorkolben als
Stufenkolben ausgebildet ist; die äußere ringförmige 'Kolbenfläche dient für die
erste Kompressorstufe und die mittlere Kolbenfläche für die zweite Kompressorstufe;
zwischen erster und zweiter Kompressorstufe ist ein Speicherraum angeordnet, Abb.
R einen Querschnitt eines Motorkompressors mit einem Zweitaktvergasermotor mit Gemischspülung:
der Motorzylinder und der Kompressorzylinder sind hier für Luftkühlung ausgebildet.
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In den Abb. i bis 5 ist i der Motorzylinder, 2 der Motorkolben, 3
die Pleuelstange und q. der Motorkurbelzapfen. 5 ist der dem Motorzylinder i gegenüberliegende
Pumpenzylinder, in dem der Pumpenkolben arbeitet, .der gemäß der Erfindung als Scheibenkolben
6 ausgebildet ist. Seine Innenseite arbeitet als Spülpumpenkolben für den Motorzylinder,
seine Außenseite als Kompressorkolben zur Erzeugung von Druckluft. Der Scheibenkolben
6 ist an dem als Tauchkolben ausgebildeten Führungskolben 7 befestigt und wird von
diesem geführt und bewegt. Der Tauchkolben 7 läuft in dem Führungszylinder 8 und
ist dem Kurbelraum mit seiner offenen Seite zugewandt. Die ringförmige innere wirksame
Fläche des Scheibenkolbens 6 rings um den Tauchkolben 7 arbeitet gegen eine feste
Wand des Pumpenzylinders und verdichtet und fördert dadurch die Spülluft für den
Motorzylinder. In dem Tauchkolben 7 greift die Exzenterstange 9 an, die von dem
Exzenter io der Kurbelwelle ii angetrieben wird. i2 ist das Schwungrad des Motorkompressors
und 13 die Kraftstoffeinspritzpumpe. Der Kurbelzapfen des Motorzylinders ist auf
der Schwungradseite, der Exzenter für den Pumpenkolbenantrieb in Längsrichtung der
Kurbelwelle weiter vom Schwungrad entfernt angeordnet, damit der Kompressorzylinder
nicht durch das Schwungrad behindert wird. Die Einspritzpumpe ist auf der dem Schwungrad
gegenüberliegenden Seite angeordnet und kann parallel zum Motorzylinder angeordnet
werden.
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1q. ist ein Speicherraum der Spülluftpumpe, und 15 und 16 sind Spülluftkanäle
auf beiden Seiten des Kurbelgehäuses, die die Spülluft von der Spülpumpe zu den
Spülkanälen 17, und ig des Motorzylinders führen. Diese Spülkanäle sind zu
beiden Seiten der Auslaßkanäle i9 des Motorzylinders angeordnet, richten die Spülluft
.auf die den Auslaßkanälen gegenüberliegende Zylinderwand und erzeugen dadurch eine
Umkehrspülströmung der Spülluft im '.Motorzylinder. Der Kurbelraum des Motorkompressors
wird nicht zur Förderung von Spülluft oder von Druckluft herangezogen. Der Kurbelantrieb
kann daher mit Druckumlaufschmierung ausgebildet werden.
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2o ist ein Saugventil und 2i ein Druckventil im Deckel 26 des Kompressorzylinders.
22 sind Saugschlitze über den ganzen Umfang der Pumpenzylinderwand für den Einlaß
der Spülluft in den Spülpumpenzylinder bei äußerer Totpunktstellung des Spülpumpenkolbens.
23, ist eine. gemeinsame Saugleitung für die Spülluft und für die Kompressorluft,
die abwechselnd angesaugt werden. Somit ist ein gleichmäßigerer Saugfluß vorhanden
als bei getrennten Leitungen, und es wird nur ein Luftfilter und ein Geräu-schdämp#fer
benötigt.
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Die Kompressorseite des Pumpenkolbens schließt nach Abb. 2 die Saugschlitze
2,2 .des Pumpenzylinders für den Einlaß der Spülluft erst nach Zurücklegen eines
Teiles des Förderhubes ab, so daß der Nutzhub des Kompressorkolbens um diesen Teil
des Förderhubes verringert wird.
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Die Abb. 3 zeigt einen Kompressorkolben mit einem Hubraum, der ungefähr
doppelt so groß ist wie der des Motorkolbens und der hier in voller Größe als Nutzhubraum
wirkt, da er die Saugschlitze 22 des Pumpenzylinders auch in seiner inneren Totpunktstellung
nicht aufsteuert. Der Motorkolben ist nur bei verhältnismäßig kleinen Luftdrücken
imstande, den Kompressorkolben mit diesem verhältnismäßig großen Nutzhubraum anzutreiben.
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Der Massenausgleich erster und zweiter Ordnung wird bei .dem Motorkompressor
nach der Erfindung dadurch erzielt, daß die Massenkräfte der hin und her gehenden
Massen des Motorzylinders gleich groß und entgegengerichtet sind wie die Massenkräfte
der hin und her gehenden, Massen des Pumpenzylinders. Sind ml die hin .und hergehenden
Massen, r1 der Kurbelradius, 1i die Pleuelstangenl,änge des
Motors
und nt, die hin und her gehenden Massen, r2 der Exzenterradius und Z" die Exzenterstangenlänge
des Kompressors, so muß für den Ausgleich der Massenkräfte erster Ordnung sein:
Inl#rl=1;12#r2, d. h. die hin und her gehenden Massen müssen sich umgekehrt wie
die Kurbelradien verhalten. Für den Massenausgleich zweiter Ordnung muß sein:
d. h. das Stangenverhältnis
des Kompressors soll gleich groß sein wie das Stangenverhältnis
des Motors.
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Durch die seitliche Versetzung a von Motorzylinder- und Pumpenzylinderachse
entstehen geringe Kippmomente. Die Kippmomente erster Ordnung von der Größe ml.
r1 # a bzw. m2 - r2 . a
können durch Gegengewichte der Kurbelwelle
in umlaufende Taumelmomente von der 'halben Größe umgewandelt werden.
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Dadurch, daß der Spülpumpenkolben auch als Kompressorkolben dient
und kein weiterer zusätzlicher Kolben benötigt wird, ergibt sieh fast keine zusätzliche
Reibung für den Kompressorbetrieb, so daß der mechanische Wirkungsgrad des Kolbenkompressors
ein hoher ist und der Xraftstoffverbrauch des Motorkompressors gering ist. Auch
ist die vom Kompressorkolben geförderte Druckluft weitestgehend ölfrei, da die Führung
des Kompressorkolbens auf der Spülluftpumpenseite erfolgt und die Schmierung der
Zylinderwand auf der Kompressorseite nur für die Dichtringe ausreichen muß. Die
Umfangswand des Kompressorkolbens braucht die Zylinderwand nicht zu berühren. Vorteilhaft
ist, daß der Durchmesser des Kompressorkolbens verhältnismäßig groß ist, so daß
im Deckel des Kompressorzylinders genügend große Saug- und Druckventile untergebracht
werden können.
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In den Abb. 6 bis 8 werden weitere Ausführungsformen von Motorkompressoren
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei der Ausführung nach Abb. 6 ist der Tauchkolben
:24 über den Scheibenkolben 6 hinaus bis auf die Kompressorseite verlängert und
in einer weiteren Führung z5' des Kompressordeckels 26 gelagert. Dadurch ist die
wirksame Fläche des Pumpenkolbens auch auf der Kompressorseite ringförmig und hier
gleich groß wie auf der inneren Spülluftpumpenseite. Der Tauchkolben 2d kann am
äußeren Ende offen sein.
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Bei der Ausführung nach Abb. 7 ist der Kompressor -zweistufig ausgebildet,
indem der Pumpenkolben 27 auf seiner Außenseite als Stufenkolben ausgebildet ist.
Die ringförmige Kolbenfläche 28& am Umfang des Kompressorkolbens dient als erste
Kompressorstufe und die stufenförmig weiter nach außen vorgezogene Innenfläche 29
des Kompressorkolbens als zweite Kompressorstufe. Zwischen erster und zweiter Stufe
ist ein Speicherraum 30 zur Aufnahme der Druckluft` angeordnet. Die Führung 8 für
den Tauchkolben ist möglichst lang gemacht. soweit es die vorgebaute zweite Stufe
des Kompressorkolbens erlaubt.
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Die Motorkompressoren der Abb. z bis 7 zeigen Ausführungsbeispiele
mit Wasserkühlung des Motorzylinders und des Kompressorzylinders. Die Abb.8 zeigt
einen Motorkompressor mit Luftkühlung des Motorzylinders und des Kompressorzylinders.
Außerdem zeigt die Abb. 8 eine Ausführung des Motorkompressors, dessen Motorzylinder
mit einem Gemisch aus Kraftstoff und Luft gespült wird, das der Spülpumpenkolben
den Spülkanälen zudrückt. In Abb. 8 ist 31 der mit Kühlrippen versehene Motorzylinder
und 32 der ebenfalls mit Kühlrippen versehene Zylinderkopf. 33 ist die Zündkerze.
34 sind Kühlrippen des Kompressorzylinders und 35 solche des Kompressorzylinderdeckels.
Die Kühlluft für die beiden Zylinder kann beispielsweise von einem Schwungradgebläse
geliefert werden, von der ein Teil den Motorzylinder und der andere Teil den Kompressorzylinder
kühlt. 36 ist ein üblicher Vergaser mit Drosselklappe 37.
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38 ist ein ringförmiger Gemischkanal rings um die Umfangswand des
Spülpumpenzylinders, damit zur Erzielung möglichst großen Querschnittes ringsum
Einlaßkanäle 22 für das Gemisch angeordnet werden können. Am Ende des Saughubes
des Spülpumpenkolbens nach außen strömt das durch den Vergaser gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch
in den unter Unterdruck stehenden Spülpumpenzylinderraum ein.
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Ein solcher luftgekühlter Motorkompressor mit Vergaserbetrieb und
fast vollem Massenausgleich erster und zweiter Ordnung eignet sich besonders gut
für tragbare und fahrbare Anlagen, da er geringstes Baugewicht, hohe Leistung und
volle Erschütterungsfreiheit aufweist.