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Elastische hydraulische Xückführvorrichtung, insbesondere fur Kolben
von Wärmekraftmaschinen.
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In Wärmekraftmaschinen, insbesondere in Verbrennungsmotoren, welche
keine Anordnung mit Pleuelstange und Kurbel auSweisen, muss für jeden Kolben eine
elastische Vorrichtung benutzt werden, welche den vorher durch den durch die Verbrennung
der Gase entstandenen Druck zu dem äusseren Totpunkt geschleuderten Kolben zu dem
inneren Totpunkt zurückführt, an welchem die Verbrennung erfolgt.
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Hierfür werden zweckmässig elastische Rückfuhrvorrichtungen mit Zusammendrückung
einer Flüssigkeit verwendet, welche bei genügend hohen Drücken die erzielung eines
hohen Wirkungsgrades und eines geringen Platzbedarfs ermöglichen. Es ist ferner
wünschenswert, dass der Querschnitt des beweglichen Teils der Hückführvorrichtung
der gleiche wie der des thermischen Kolbens ist, um die Ausführung der maschine
zu vereinfachen und ein besseres mechanisches Verhalten der beweglichen Anordnungen
zu gewährleisten.
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Infolge des Wertes der Zusammendrückbarkeit der Flüssigkeiten ist
nun, wenn die elastische Rückführvorrichtung mit Zusammendrückung einer Flüssigkeit
einen ebenso grossen Querschnitt wie der thermische Kolben besitzt, der Nutzhub
der so ausgebildeten elastischen hydraulischen Feder sehr kurz, und die grösste
elastische Rückwirkung ist sehr hoch. Hierdurch entstehen einerseits starke mechanische
Beanspruchungen, welche eine Gewichtserhöhung der Maschine und eine Vergrösserung
der Arbeitsgeräusche bewirken, und andererseits starke Beschleunigungen der beweglichen
Anordnungen. Diese Beschleunigungen verringern die dffnungsdauer der Einlass- und
Auslassoffnungen des thermischen Zylinders und führen hierdurch zu einem unvollständigen
Einlass im Vergleich zu dem verfügbaren Zylinderinhalt sowie zu einem unvollständigen
Auslass und einer verringerten Spulwirkung.
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Die Erfindung bezweckt, den obigen Nachteilen durch Schaffung einer
hydraulischen elastischen Hückführvorrichtung mit Zusammendrückune einer Flüssigkeit
abzuhelfen, welche gestattet, den Bub der gebildeten hydraulischen Feder zu vergrössern
und die grosste maximale Rückwirkung zu verringern, wobei der gleiche Durchmesser
über die ganze Länge der beweglichen Anordnungen beibehalten wird.
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Die hyaraulische elastische Ruckfu"hrvorrichtung, insbesondere für
bewegliche Anordnungen von Wärmekraftmaschinen, mit einem zylindrischen Gehäuse,
in welchem wenigstens eine bewegliche Anordnung eine hin und her gehende Bewegung
zwischen einem inneren Totpunkt und einem äusseren Totpunkt ausführt, enthalt erfindungsgemass
eine Hochdruckkammer, welche durch den Boden des Gehäuses und eine Zwischenwand
begrenzt wird, welche durch einen rohrförmigen Fortsatz verlängert wird, welcher
in eine Blindbohrung der beweglichen Anordnung eintaucht und in die mit Flw sigkeit
gefüllte Hochdruckkammer mündet, in welcher sich der Druck in praktisch gleichbleibender
Weise zwischen einem dem äusseren totpunkt der beweglichen Anordnung entsprechenden
Höchstwert und einem dem inneren Totpunkt entsprechenden Kleinstwert ändert, sowie
eine mit Flüssigkeit gefüllte ITiederdruckkammer veranderlichen Volumens an dem
äusseren Totpunkt, welche durch die Zwischenwand
und die gegenüberliegende
Querwand der beweglichen Anordnung begrenzt wird, und in welcher der dem Augenblick
des äusseren Totpunkts entsprechende Druck der Flüssigkeit etwas grösser als der
Atmospharendruck ist, unter welchen dieser Druck während des grössten Teils des
zu dem inneren Totpunkt gerichteten Hubes der beweglichen Anordnung fällt.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beispielshalber erläutert, deren einzige Abbildung eine geschnittene halbe Seitenansicht
einer mit einer erfindungsgemassen Vorrichtung versehenen beweglichen Anordnung
einer ärmekraftmaschine zeigt.
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Die erfindunasgemässe Vorrichtung ist in ihrer Anwendung auf eine
mit innerer Verbrennung arbeitende Wärmekraftmaschine 1 dargestellt, welche einen
Zylinder 2 aufweist, welcher zwei bewegliche Anordnungen 3 enthält, welche zwischen
sich eine gemeinsame mittlere Kammer 4 veränderlichen Volumens abgrenzen , in welche
eine oder mehrere Auslasaleitungen 5 sowie eine oder mehrere Einlassleitungen 6
münden.
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Der Zylinder 2 weist für jede bewegliche Anordnung 3 eine Querwand
7 auf, welche in einiger Entfernung von dea entsprechenden Boden 8 liegt und eine
nachstehend Hochdruckkammer genannte Kammer 9 begrenzt. Die Wand 7 wird von ihrer
dem Boden 8 abgewandten Seite aus durch einen rohrförmigen Fortsatz 10 verlängert,
welcher ebenfalls in die Kammer 9 mündet.
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Der Fortsatz 10 hat einen Aussendurcumesser, welcher kleiner als der
Durchmesser einer axialen Blindbol.rung oder Schachts 11 ist, welcher in der beweglichen
Anordnung 3 von der der Wand 7 zugewandten querliegenden Seite derselben ausgeht.
Die Länge der Bohrung 3 ist etwas grösser als die axiale Länge des rohrförmigen
Fortsatzes 10.
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Die mit der Bohrung 11 versehene querliegende Seite der beweglichen
Anordnung 3 grenzt mit der gegenüberliegenden Fläche der Wand 7 und der Umfangfläche
des Fortsatzes 10 eine nachstehend Niederdruckkammer genannte Kammer 12 veranderlichen
Volumens ab. In die Kammer 12 mündet eine von einem Flüssigkeitsuehälter kommenue
Leitung 13, deren Durchtrittsquerschnitt durch ein Ventil 14 gesteuert wird, welches
in seiner Mitte eine kalibrierte Offnung 15 aufweist.
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Die Leitung 13 mündet in die Niederdruckkammer 12 etwas hinter der
Wand 7, und zwar an der dem äußeren Totpunkt entsprechenden Querebene. Der Zylinder
2 besitzt daher über seine ganze Nutzlange den gleichen Durchmesser, so dass die
bewegliche Anordnung 3 einen konstanten Querschnitt erhalten kann.
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Die Niederdruckkammer 12 steht ferner über ein Ventil 16 mit einer
ausserhalb oder innerhalb des Zylinders 2 verlaufenden Leitung 1-/ in Verbindung,
welche über ein Ventil 18 in die Hochdruckkammer 9 mündet. Das Ventil 16 ist so
auegebildet, dass es nur eine Verbindung in der Richtung Niederdruckkammer 12 -
Leitung 17 ermöglicht, während das Ventil 18 so ausgebildet ist, dass es nur eine
Verbindung in dem Sinn Leitung 17 - Hochdruckkammer 9 gestattet.
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Die Ventile 14, 16 und 18 sind ferner so geeicht, dass in der dem
äusseren Totpunkt entsprechenden Stellung der beweglichen Anordnung 3 u,«d somit
bei der grössten Zusammendruckung der hydraulischen elastischen Rückführvorrichtung
der Druck in der Niederdruckkammer :2 einen etwas über dem Atmosphärendruck liegenden
Wert erreicht, während ein starker Druck in der Kammer 9 und in der Leitung 17 ein
unter dem in der Kammer 12 herrschenden Druck liegender Druck herrscht.
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Die obige I$aschine arieitet folgendermaten : In der auf der Zeichnun
dargestellten äusseren Totpunktsstellung wird die stets die ganze Hochdruckkammer
9 erfüllende Flüssigkeit einer grossten Zusammendrückung ausgesetzt, so dass die
elastische Rückwirkung durch den fortsatz 10 auf den Boden der Bohrung oder des
Schachts 11 ibertragen wird und die bewegliche Anordnung 3 zu dem inneren Totpunkt
zu drükken sucht. In der ständig mit Flüssigkeit gefüllten ochdruckkammer 9 nimmt
der Druck allmählich ab, um am Ende des Verdichtungshubes des thermischen Kolbens
der beweglichen Anordnung einen in der Nähe von Null liegenden Wert zu erreichen.
Die Verschiebung der beweglichen Anordnung 3 vergrossert das Volumen der Niederdruckkammer
12, in welcher der Druck kleiner als der Atmospharendruck wird, sobald die entsprechende
Bewegung des Kolbens begonnen hat. Die Niederdruckkammer 12 übt daher eine Rückhaltewirkung
auf die bewegliche Anordnung 3 aus und wirkt wie eine Feder mit konstanter Reaktionskraft,
welche der durch
die Flüssigkeit der Hochdruckkammer 9 gebildeten
elastischen Rückführfeder entgegenwirkt. Hierdurch wird die Arbeitsfrequenz für
eine gegebene Energie vergrössert, welche auf die in der Kammer veranderlichen Volumens
4 verdichteten Gase durch die Bewegung der durch die hydraulischen Vorrichtungen
zurückgeführten beweglichen Anordnungen 3 übertragen wird.
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Während der Bewegung der beweglichen Anordnung 3 in Richtung auf
den inneren Totpunkt bleiben die Ventile 16 und 18 geschlossen, eo dass keine Uberftihrung
von Flüssigkeit zwischen der Hochdruckkammer 9 und der Niederdruckkammer 12 durch
die Leitung 17 stattfindet. Während dieser Bewegung ist das Ventil 14 geschlossen,
sein Durchlass 15 lasst jedoch Flü8-sigkeit mit konstanter Strömungsmenge in das
Innere der Kammer 12 treten. An der Stelle des inneren Totpunkts wird der Druck
in der Hochdruckkammer 9 zu Null, so dass der Druck in der Leitung 17 die Uffnung
des Ventils 18 bewirkt, welches eine kleine Flüssigkeitsmenge zu der Kammer 9 austreten
lasst, um einen Ausgleich etwaiger Lecke zu bewirken, welche z.B. zwischen den miteinander
zusammenwirkenden Flachen der Blindbohrung 11 und des rohrförmigen Fortsatzes 10
auftreten.
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Nach der Explosion der in der Brennkammer 4 verdichteten und verbrannten
Gase wird die bewegliche Anordnung 3 zu dem ausseren Totpunkt zurückgeschickt, wodurch
die Flüssigkeit der hochdruckkammer 9 allmählich zusammengedrückt wird, jedoch mittels
einer dem Nutzquerschnitt der Bohrung 11 entsprechenden geringen Flache. Dies ermöglicht
die Erzielung eines hohen Drucksder Kammer 9 und eines verhal"tnisma"ssig grossen
Nutzhubes. Wenn die bewegliche Anordnung 3 zu dem aussehen Totpunkt gedruckt wird,
nimmt der Druck in der Kammer 11 zu und erreicht einen Wert, welcher über der Lichung
des Ventils 14 liegt, welches sich dann öffnet, um die Abfuhr der überschüssigen
Flussigkeit zu ermöglichen, um die Flüssigkeitsmenge in der Kammer 12 auf einem
Volumen zu halten, welches gerade den erforderlichen Druck zu erreichen gestattet,
welcher so berechnet ist, dass er an dem äusseren Totpunkt grösser als der in der
Leitung 17 herrschende Druck ist. Das Ventil 16 offnet sich dann und lasst die teilweise
nberführung der Flüssigkeit aus der Niederdruckkammer 12 zu der Leitung 17 zu, um
den
Druck der Flüssigkeit in derselben wieder auf einen Wert zu
bringen, welcher eine etwaige spatere Uberführung von Flüssigkeit zwischen der Leitung
17 und der Kammer 9 gestattet, werin Lecke zwischen dieser Kammer und der Niederdruckkammer
12 ausgeglichen werden müssen. Die Leitung 13 mündet über das Ventil 14 in die Kammer
12, derart, dass sie durch die bewegliche Anordnung 3 geschlossen wird, wenn diese
die äussere Totpunktsstellung einnimmt.
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Nachstehend ist ein Zahlenbelspiel für die verschiedenen Energieen
angegeben, welche von den die Hochdruckkammer 9 und die Niederdruckkammer 12 erfüllenden
Flüssigkeiten aufgespeichert werden.
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Das Beispiel betrifft eine Wärmekraftmaschine, bei welcher jede Anordnung
3 einen Durchmesser von 7 cm und einen Hub von 5 cm hat. Bei diesem Ausführungsbeispiel
betragen die inneren Volumen der Kammern 9 und 12 in dem Augenblick, an welchem
der Kolben 3 den äusseren Totpunkt erreicht, 240 cm3 bzw. 10 cm3. In dieser besonderen
Stellung lasst man in der Kammer 9 einen Druck von 500 Bar, in der Kammer 12 einen
Druck von 20 Bar und in der Leitung 17 einen Druck von nur 2 bis 5 Bar herrschen.
Die in der Kammer 9 aufgespeicherte Nutzenergie beträgt unter der Annahme einer
Zusammendrückbarkeit der lMlüssigkeit von etwa 0,000056/Bar 0.000056 x 5002 x 240
= 168 Joule 20 wahrend die von der Flüssigkeit der Niederdruckkammer 12 aufgespeicherte
Energie folgenden Wert hat 0000056 x 202 x 10 = 0,0112 Joule.
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20 Die kinetische tinergie der beweglichen Anordnung wird somit fast
vollständig in der nochdruckkammer 9 aufgespeichert, wobei trotzdem ein verhältnismässig
langer Nutzhub möglich ist.
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Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann an der Stelle des Bodens
8 eine Anzapfung zur Speisung eines hydraulischen Motors vorgesehen werden. Die
Vorrichtung arbeitet dann ausser hauptsachlich für die elastische Rückführung als
Pumpe mit geringer Forderleistung aber hohem Druck.