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Arbeitsverfahren für Yerbrennungskraftmaschinen und nach diesem Verfahren arbeitende Maschine.
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Arbeitsverfahren für Verbrennungskraftmaschinen/ und eine nach diesem Verfahren arbeitende Maschine, die eine Hilfskammer für einen Teil der verdichteten Ladung aufweist. Das wesentliche Kennzeichen des neuen Arbeitsverfahrens besteht darin, dass während des Verdichtungshubes das in den Zylinder eingeführte Gemisch zunächst wie gewöhnlich verdichtet, hierauf während eines weiteren Teiles des Verdichtungshubes mit einem gekühlten Gemisch von höherer Spannung in Verbindung gebracht und während des letzten Teiles des Hubes weiter verdichtet wird, worauf nach erfolgter Zündung sieh die übrigen Takte in üblicher Weise abspielen.
Die Zeichnung erläutert das neue Arbeitsverfahren und stellt Ausführungsbeispiele von ent- sprechenden Verbrennungskraftmasehinen dar. Fig. 1 zeigt das Schen a einer Einzylindeimaschine, Fig. 2 das Schema einer Vierzylindermaschine gemäss der Erfindung, eingebaut in einen Kraftwagen, Fig. 3 einen Zylinder im Schnitt nach der Linie-4--1 der Fig. 2, Fig. 4 das Schfma der Rohrverbindungen
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abgeänderten Ausführungsform dieser Rohrverbindungen ; die Fig. la-6a zeigen die Arbeitsphasen und Ventilstellungen der Maschine genuss den Fig. 2-6.
In Fig. 1 bezeichnet 1 den Zylinder, 2 das Kurbelgehäuse, 3 die Kurbelwelle, 4 die Kurbel, 5 die Pleuelstange und 6 den Kolben. Die Nockenwelle 7 wird durch in der Zeichnung nicht dargestellte Übersetzungsgetriebe von der Kurbelwelle aus angetrieben und trägt drei Nocken, von denen eine, 8, dargestellt ist. Diese Nocken wirken auf Stössel 9, die ihrerseits Stangen 10 betätigen, von denen je eine für jedes Ventil angeordnet ist. Diese Stangen sind an ihren oberen Enden mit Hebeln 11 verbunden, die unmittelbar auf die Ventile einwirken.
Die Maschine gemäss der Erfindung weist ausser den zwei üblichen Ventilen 13 und 14 (für den Ein-und Auslass) noch das Ventil 12 auf, das durch eine Leitung 15 mit der Hilfskammer 16 von bestimmtem Inhalt verbunden ist. Die Leitung li hat mit der Einlassleitung eine Begrenzungswand gemeinsam, die von der Ventilspindel 12 durchsetzt wird. Alle Gase, die um diese Ventilspindel durchlecken, haben daher die Möglichkeit, unmittelbar in die Einlassleitung zu gelangen, statt in die Atmosphäre zu entweichen.
Die Hilfskammer 16 hat einen Wassermantel wie der Zylinder und ist überdies mit einer zusätzlichen Kühleinrichtung in Form von Querrohren 17 versehen, die die Kammer durchsetzen und an ihren Enden mit dem Innenraum des Wassermantels in Verbindung stehen. Die Maschine hat ferner die übliche Zündvorrichtung und einen Vergaser, der ein explosibles Gemisch von Luft und vergastem oder zerstäubte
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von. 10 : 1, für die Hilfskammer ein Volumen angenommen, das dem Hubvolumen gleichkommt.
Die Arbeitsweise der Maschine ist folgende : Beim Saughub (Abwärtsgang des Kolbens) sind die Ventile 12 und-M geschlosser, das Einlassventil 13 offen. In oder nahe der unteren Totlage des Kolbens 6
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sich das Ventil 12 der Hilfskammer und bleibt offen. bis der Kolben in oder etwas unterhalb seiner Mittellage steht. An einem Punkt, der im allgemeinen ungefähr zwischen dem halben Kolbenhub und dem Punkt liegt, in dem die Zündung erfolgt, auf jeden Fall aber einige Grade vor diesem Punkt schliesst sich das Ventail jazz Der Kolben vollendet seinen Verdichtungshub, es erfolgt nun die Zilndung und darauf
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der Arbeitshub, während alle Ventile geschlossen bleiben.
In oder kurz vor der unteren Totlage öffnet sich das Ventil 14 und bleibt während des ganzen Auspuffhubes, wie gewöhnlich, offen.
Wird die Maschine angeworfen, so ist die Hilfskammer 16 entweder mit Luft oder mit explosiblem Gemisch bei annähernd atmosphärischer Spannung gefüllt. Beim ersten Verdichtungshub wird eine Ladung explosiblen Gemisches vom Kolben durch das offene Ventil 12 in die Kammer 16 gepresst und dort unter einer bestimmten Pressung gehalten, wenn sich das Ventil 12 schliesst. Während des nachfolgenden Albeits-und Saughubes erfährt die Ladung der Kammer 16 eine Kühlung durch den Wassermantel dieser Kammer und ihre zusätzlichen Kühlflächen in Gestalt der Rohre 17, wodurch die Pressung in der Kammer 16 herabgesetzt wird.
Wenn das Ventil 12 beim darauffolgenden Verdichtungshub sich wieder öffnet, so wird ein Teil der Ladung der Hilfskammer 16 in den Zylinder 1 abströmen, so dass sich eine ausgeglichene, den Atmosphärendruck übersteigende Pressung in beiden Räumen einstellt. Bis zum Abschluss des Ventiles IP, fördert der Verdichtungshub wieder Gemisch aus dem Zylinder in die Kammer 16, deren Spannung daher am Ende des zweiten Verdichtungshubes einen höheren Wert hat als nach dem ersten Verdichtungshub. Dieser Vorgang setzt sich bis zum Erreichen eines Beharrungszustandes fort, dessen Arbeitsweise folgendermassen verläuft :
Beim Öffnen des Ventiles 12 tritt das in der Kammer 16 unter einem Druck von etwa 5-10 Atm. befindliche Gemisch in den Zylinder 1, dessen Arbeitsraum sofort mit einem Gemisch gefüllt wird, dessen Ausgleichsspannung etwa 2-5-5 Atm. oder darüber und dessen Temperatur beispielsweise 1000 C beträgt. Im nachfolgenden Teil des Verdichtungshubes, bis
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so sind Enddruck und Endtemperatur der verdichteten Ladung in dieser Phase des Verdichtungshubes niedriger als bei adiabatischer Verdichtung.
Das Arbeitsverfahren umfasst daher folgende vier Phasen :
1. Saughub - wie beim gewöhnlichen Verfahren.
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von Gemisch aus dem Zylinder in die Hufskammer sowie Verdichtung, die infolge der Verbindung mit der gekühlten Hilfskammer nach einem wesentlich niedrigeren Verdichtungsverhältnis verläuft ; dritter Teil wie üblich nach demselben Verdichtungsverhältnis (z. B. 8 : 1) wie der erste Teil.
3. Arbeitshub.
4. Auspuffhub, wie beim gewöhnlichen Verfahren.
Dieses Arbeitsverfahren ermöglicht die Verwendung weit höherer Verdichtungsgrade als die bei gewöhnlichen Kohlenwasserstoffen (z. B. leichten Petroleumdestillaten) angewendeten, ohne dass es zu Selbstzündungen kommt, und ergibt dadurch bei gleichem Zylinderinhalt und gleicher Drehzahl bedeutend höheren Wirkungsgrad. Der durch den höheren Verdichtungsgrad erzielte Leistungsgewinn
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Hilfskammer wirkt dabei auf die vollständige Verdampfung des zerstäubten Gemisches fördernd ein, so dass eine höhere Zylindertemperatur zulässig ist, ohne Selbstzündung befürchten zu müssen, wodurch wieder Wärmeverluste während des Arbeitshubes vermieden werden.
Wird ein Brennstoff verwendet, der nicht v ollständig oder nicht leicht verdampft, so wird man zweckmässig die Hilfskammer lotrecht über dem Zylinder, wie dargestellt, anordnen, um zu verhindern, dass unverdampfte Teilchen in ihr eingeschlossen bleiben.
Das neue Arbeitsverfahren ist auch auf'Mehrzylindermaschinen, u. zw. sowohl der Zweitakt-als auch der Viertaktbauart, anwendbar. Dabei kann man für jeden der Zylinder eine besondere oder für alle Zylinder eine gemeinsame Hilfskammer anordnen mit geeigneten, den Zugang zu jedem Zylinder steuernden Ventilen.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2-6 und lapa ist 19 eine wassergekühlte Vierzylindermaschine der Steuerschieberbauart eines Kraftfahrzeuges : die Maschine ist in gewöhnlicher Weise unmittelbar hinter dem Kühler 20 eingebaut.
Mit 21 ist das Auslassrohr, mit 22 das Einlassrohr der Hilfskammer für die verdichtete Ladung bezeichnet. Jedes dieser Rohre hat eine Verbindung zu jedem Zylinder durch je ein kurzes Rohrstück 23. in dem je ein Rückschlagventil 24 angeordnet ist. Die Rückschlagventile im Auslassrohr öffnen nach aussen. die Rückschlagventile im Einlassrohr nach innen. Am rechten Ende der Maschine können die Rohre 21, 22 gemäss Fig. 5 verbunden werden. Sie können aber auch wie die Rohre 21'und 22'in Fig. ss zwar mit den Zylindern und Hilfskammern in Verbindung stehen, jedoch an ihren Enden nicht verbunden sein.
Die aussenliegenden Endender beiden Rohre sind mit dem oberen und unteren Ende einer Kühlschlange 25 verbunden, die parallel zur Stirnfläche des Kühlers 20 läuft, dessen Gehäuse die Kühlschlangen umschliesst und an seiner Stirnseite einstellbare Schieber 26 aufweist, um den Luftstrom über die Kühlschlangen 25 und durch den Kühler regeln zu können. Der Gesamtinhalt der Rohre 21, 22 und der Kühlschlangen kann gleich oder beträchtlich grösser als das Hubvolumen eines Zylinders der Maschine gewählt werden,
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Zu Fig. 3 sei bemerkt, dass die Rohrstücke 2. innen nlit einer gemeinsamen Kammer 27 an der Seite des Zylinders verbunden sind.
Die Hilfskammersehlitze der Steuerschieber des Zylinders arbeiten mit einem Schlitz 28 im Aussenmantel zusammen, der in die Kammer 27 ausmündet.
In den Fig. 1a--6a bezeichnet 29 den äusseren, 30 den inneren Schicber, 31 den Kolben. 32 die Welle für den Sehieberantrieb. deren Kurbeln mit den Schiebern 29 und 30 durch Gelenkstangen 33 verbunden sind. Der Zapfen der Hauptkurbel ist mit 34 bezeichnet. Die Schieber 29 und 30 sind mit
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Die verdichtete Ladung vollführt einen Kreislauf in und durch die Kühlschlange 25, indem die aus jedem
Zylinder kommende verdichtete Ladung vom Rohr 22 in das obere Ende der Kühlschlange eintritt, diese durchströmt und durch das Rohr 27 wieder zum Zylinder zurückfliesst. Die Kammer 27 ist die einzige
Stelle des Umlaufweges der verdichteten Ladung, der der Saug- und Ausströmphase des Arbeitsprozesses gemeinsam ist. Mit anderen Worten, lediglich die Wände der Kammer 27 kommen sowohl mit dem aus-, wie mit dem einströmenden Gemisch in Berührung.
Diese Bauart ermöglicht eine wirksame Kühlung der verdichteten Ladung, indem diese die ganze
Länge einer entsprechend verlängerten Kammer, nämlich einer Kühlschlange, durchströmt. Dabei ist die Anordnung so getroffen, dass das von irgend einem der Zylinder kommende Gemisch an einem Ende der Kühlschlange eintritt, während das zu irgend einem der Zylinder rüekkehrende Gemisch vom ent- gegengesetzten Ende der Kühlschlange abfliesst, diese also stets im Gleichstrom durchflossen wird.
Dadurch, dass man Länge und Durchmesser der Kühlschlange geeignet wählt, kann man jedes gewünschte Verhältnis zwischen Kühlfläche und Rauminhalt der Kühlvorrichtung herstellen und gleichzeitig eine rasche und im wesentlichen gleichförmige Bewegung der, rrdiehteten Ladung durch die Hilfskammer gewährleisten.
Dies ist von beträchtlichem Einfluss darauf, dass das Höchstmass an Wärme von der verdichteten Ladung auf die Kühlflüssigkeit (in diesem Falle Luft) übertragen wird. Ferner verhindert diese Anordnung auch wirksam die Ablagerung irgendwelcher unverdampfter Teileben des angesaugten Brennstoffes.
Statt
Luft als Kühlmittel für die Hilfskammer zu verwenden, kann man sie natürlich auch ganz oder teilweise durch das Kühlwasser der Maschine kÜhlrn (s, Fig'. 1) oder man kann eine besondere Wasserkühlung vorsehen.
Die Einstellung der Hilfskammerschieberschlitze und das Verhältnis des Hilfskammervolumens zum Zylindervolumen der Maschine können innerhalb weiter Grenzen verändert werden. Doch soll das Öffnen der Kammerschlitze im allgemeinen verzögert werden, d. h. die Ladung soll zuerst im Zylinder allein verdichtet und erst dann der Kammerschlitz geöffnet werden. Ferner soll der Teil des Kolbenhubes nach dem Schliessen der Kammerschlitze und vor der Zündung vorteilhaft so kurz als möglich sein.
In manchen Fällen ist es wünschenswert, eine Nut od. dgl. an der Berührungsfläche zwischen der Wand der Hilfskammer und dem äusseren Schieber 29 vorzusehen. Solche Nuten können die Hilfskammer- schlitze 37 umgeben und durch einen gemeinsamen Kanal verbunden werden, der zu einem Rohr führt, das mit dem Einlassrohr 27 verbunden ist. Wenn irgendwo Brennstoff in den Kammersehlitzen durchleckt, so gelangt er durch die Nuten und dieses Rohr zum Einlassrohr 21.
An Stelle der dargestellten Anordnung können auch für den von der Hilfskammer zu den Zylindern und von den Zylindern zur Hilfskammer fliessenden Gasstrom besondere Schiebersehlitze vorgesehen sein, die vorzugsweise an entgegengesetzten Seiten des Zylinders angeordnet sind. Die Rohre 21 und 22, die einen Teil der Hilfskammer bilden, können in entsprechender Weise an entgegengesetzten Seiten des
Zylinders angeordnet sein. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass einmal in dieser Kammer gekühltes Gas eine geringere Wiedererwärmung erfährt als bei der früher beschriebenen Bauart.
Eine nach dem beschriebenen Verfahren arbeitende Maschine kann durch die gewöhnlichen Drossel- verfahren geregelt werden. Wird bei geringer Belastung ein höherer Wirkungsgrad gewünscht, so kann man vorteilhaft die Regelung durch Änderung der Mischungsverhältnisse Platz greifen lassen. Diese
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weiter Grenzen regeln lässt. Diese Temperaturregelung kann durch entsprechende Einstellung des Hilfskammerventiles erreicht werden, z. B. vermittels einer in der Längsrichtung verschiebbaren Nocke.
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zeiten gibt.
Es wurde erkannt, dass relativ magere Mischungen gezündet und verbrannt werden können, wenn sie vor der Zündung auf entsprechend hohe Temperatur gebracht wurden. Dies kann erreicht werden. wenn man den kühlenden Einfluss der Hilfskammer auf die Ladung während der Verdichtung herabsetzt, indem man das Ventil ? 8 (Fig. l) nur für eine kürzere Spanne Zeit offen lässt. Für diese Regelung ist
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Dann findet der Yerdichtungshuh in normaler Weise statt, die Ladung hat dann im Augenblicke der Zündung die Höchsttemperatur. Bei Maschinen mit hohem Verdichtungsgrad, für die das Arbeitsverfahren gemäss der Erfindung besonders geeignet ist, reichen die erzielten Temp0eraturen hin, die Gemischregelung bis zu ausserordentlich mageren Mischungen herunter anzuwenden. Bei dieser Regelung durch Änderung des Mischungsverhältnisses im Sinne einer Verringerung des Brennstoffgehaltes unter gleichzeitiger Steigerung der Ladungstemperatur im Zündzeitpunkte erreicht eine Maschine, die gemäss dem beschriebenen Arbeitsverfahren betrieben wird, einen sehr hohen thermischen Wirkungssyad sowohl bei geringer Belastung als auch bei Vollbelastung.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Arbeitsverfahren für Verbrennungskraftmaschinen mit Hilfskammer für einen Teil der verdichteten Ladung, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verdichtungshubes das in den Zylinder eingeführte Gemisch zunächst wie gewöhnlich verdichtet, bierauf während eines weiteren Teiles des Verdichtungshubes mit einem gekühlten Gemisch von höherer Spannung in Verbindung gebracht und während des letzten Teiles des Hubes weiterverdiehtet wird. worauf nach erfolgter Zündung sieh die übrigen Takte in üblicher Weise abspielen.