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Zweitaktbrennkraftmaschine mit selbsttätiger Leistungsregelung bei zeitweiser Überlastung.
Die Erfindung bezieht sich auf Zweitaktbrennkraftmaschinen mit selbsttätiger Leistungregelung bei zeitweiser Überlastung, wobei in bekannter Weise eine zeitweise Überleistung durch Vermehrung der Brennstoffmenge und zusätzliche Lufteinführung unter entsprechender Vergrösserung des Verdichtungsraumes des Zylinders und des Ausdehnungsraumes erreicht wird.
Die Erfindung besteht demgegenüber vor allem darin, dass zwei nur bei Normallast um 1800 versetzt gegeneinander sich bewegende Triebkolben je eines Zylinders gemeinsam die ventillose Zuleitung von Nachladeluft mittels Zylinderschlitzen steuern, indem durch je eine Ringnut beider Kolbenmäntel die Eröffnung und Schliessung der Nachladeluftschlitze in beiden Zylindern bewirkt wird, so dass während der Dauer der gleichzeitigen Eröffnung der Nachladeluftschlitze in beiden Zylindern Nachladeluft nur während des Verdichtungshubes des nachzuladenden Zylinders in diesen einströmen kann,
wobei ausserdem die Dauer der gleichzeitigen Eröffnung der Nachladeluftschlitze in beiden Zylindern und damit die Menge der Nachladeluft durch eine Phasenverschiebung beider Triebkolben bis auf etwa + 150 von Null bis zu einem Höchstwert verändert werden kann. An Stelle eines festen Zylinderdeckels ist ein Deckelkolben eingesetzt, der nur zur Steuerung der Brennraumgrösse und der Hochdruckauspuff-oder Spülschlitze dient, indem der im zweiten Zylinder arbeitende Triebkolben mittels eines Hebels ein Zahnrad längs einer feststehenden Zahnstange abwälzt und eine mit dem Zahnrade starr verbundene Kurbel über eine Schwinge den Deckelkolben des ersten Zylinders steuert, so dass sowohl die Brennraumgrösse als auch der HochdruckauspuS'-bzw.
Spülungsbeginn von der jeweiligen Phasenverschiebung beider Triebkolben abhängig ist.
Die aus den Zylindern austretenden Abgase expandieren auf einem möglichst kurzen, ventillosen Wege in einen Hilfszylinder, wobei der in diesem Hilfszylinder arbeitende Hilfskolben sich mit dem unmittelbar belasteten Triebkolben zwangläufig bewegt, indem dieser Triebkolben mittels eines Hebels eine Zahnradsegmentschwinge antreibt, die ihrerseits mit einem Zahnrad kämmt, das auf die vom Hilfskolben angetriebene Kurbelwelle aufgekeilt ist, derart, dass in der Mittelstellung des Triebkolbens der Hilfskolben in der inneren Totlage ist, in beiden Totlagen des Triebkolbens der Hilfskolben seine äussere Totlage etwas überschritten hat und dadurch für beide Hauptzylinder ein gemeinsamer Hilfszylinder genügt, sofern Spül- und Hoch- druckauspuffschlitze so gewählt sind,
dass in einem Zylinder der Triebkolben die Spülschlitze und der Deckelkolben die Auspuffschlitze, im ändern Zylinder der Triebkolben die Auspuffschlitze und der Deckelkolben die Spülschlitze steuert, wodurch auch der Zeitraum zwischen Hochdruckauspuff-und Spüleröffnung und damit die Ausnutzung des Hilfskolbens von der jeweiligen Phasenverschiebung beider Triebkolben abhängig ist, während die Spülung, unabhängig von der Phasenverschiebung, stets knapp nach Eröffnung der Niederdruckabgasleitung durch den Hilfskolben einsetzt und Haupt-und Hilfszylinder immer gleichzeitig gründlich gespült werden.
Schliesslich arbeiten erfingdungsgemäss die beiden Triebkolben auf zwei Wellen, auf die je ein Kettenrad aufgekeilt ist, welche Kettenräder miteinander durch eine von zwei Federn gespannte Kette elastisch gekuppelt sind, so dass Verstärkung der einen bzw. Minderung der ändern Federspannung von Hand oder von einem Regler aus eine Phasenverschiebung beider Wellen ergibt, die sich, da die Last nur auf einer Triebkolbenwelle angreift, und daher nur
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ein Triebkolben unmittelbar, der andere aber mittelbar durch die Kettenübertragung wirkt. stets bei Belastungsschwankungen selbsttätig vollzieht, bis die gleichzeitige Änderung der beiden Federspannungen dem neuen Beharrungszustande entspricht, wobei durch Änderung der Federvorspannungen die Empfindlichkeit dieser Regelung geändert werden kann.
Die Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau einer Dieselmaschine gemäss der Erfindung und die Arbeitsweise der Maschine. Hiebei sind alle Einzelheiten, die keine Abweichung von bisher bekannten Ausführungsformen aufweisen und für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind, weggelassen worden.
Fig. la zeigt die Maschine in einem lotrechten Schnitt durch die Zylinderachsen, Fig. 1b Schnitte nach den Linien --A, B-B, C-C, D-D-E-JF, F-F und G-G der Fig. la, Fig. 2 schematisch eine Ansicht der Maschine mit ihrem Getriebe und Fig. 3 die Arbeitsweise in Diagrammen.
In den Fig. la und 1 b ist mit S der Spielluftraum, mit N der Nachladeluftraum und mit W der Kühlwasserraum bezeichnet.
In den beiden parallelen Zylindern 1 und 2 bewegen sich doppeltwirkende Kolben 3 und 4. An den Zylindern befinden sich : die Anlassventile (in der Zeichnung weggelassen), die Brennstoffdüsen 5 und 6, die Auspuffschlitze 7 und 8, die Spülschlitze 9 und 10 und die Nachladungsschlitze. Von diesen sind 11 und 12 die Zuleitungsschlitze, 13 und 14 die Steuerschlitze und 15 und 16 die Überleitungsschlitze. Die Auspuffschlitze münden in einen beiden Zylindern gemeinsamen Hilfszylinder 17, in dem sich der Hilfskolben 18 bewegt. Schlitze 19 führen in die Abgasleitung. Die Kolben 3 und 4 weisen Ringnuten 20 und 21 auf ; die Kolbenboden sind bei 22 in Form eines Halbellipsoides, dessen grosse Ellipsenachse zu den
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drehbar gelagert und gleiten in den Zylinderschlitzen 25 und 26.
An den Kolbenbolzenenden sind Zahnräder 27 und 28 befestigt ; die Bolzenachse steht senkrecht zur Radebene und schneidet den Teilkreis, dessen Durchmesser gleich dem halben Kolbenhub ist. Diese Zahnräder 27 und 28 sind mit den feststehenden Rädern 29 und 30 verzahnt, deren Teilkreis gleich dem ganzen Kolbenhub ist. Die Kolbenbolzenbahn ist somit genau eine Gerade ; die Schubstange entfällt. Beide Kolbenseite arbeiten stopfbüchsenlos, wobei gleichzeitig auch an Bauhöhe oder-länge der Maschine gespart werden kann.
Von den Kolbenbolzen 23 und 24 führen Gelenkstangen 31 zu den Hebeln 32 und 33, die bei 34 drehbar gelagert sind und die Kolbenbewegung mittels Gelenkstangen 35 auf die Rahmen 36 und 37 übertragen. Diese sind bei 38 parallel zur Zylinderachse geführt. In den Rahmen lagern die Kurbelwellen 39, deren Verzahnungen 40 in die Zahnstangen dz welche mit den Zylindern starr verbunden sind, eingreifen. Ein Schwingkurbelgetriebe 42-44 führt zu den Deckelkolben 45 und 46. Diese sind an Stelle der Zylinderdeckel eingebaut und dienen nur als Steuerkolben, nicht aber als Triebkolben. Ihr Zweck besteht ausschliesslich in der Steuerung der Spül- und Auslassschlitze 10 bzw. 7 und in der Vergrösserung oder Verkleinerung des Brennraumes zum Zeitpunkte der Zündung.
Der Boden des Deckelkolbens ist wie der des Triebkolbens als Halbellipsoid gebildet ; der Brennraum hat somit annähernd die Gestalt eines eiförmigen Ellipsoids, dessen Drehachse mit den Achsen zweier diametral gegen- überliegender Düsen zusammenfällt. Der Rahmen 36 bewegt mittels einer Stange 47 auch den Hebel 48, der bei 49 in einem Zahnradsegment endet. In dieses greift das Ritzel 50 ein, das mit der Kurbel 51 fest verbunden ist. Diese Kurbel bildet mittels der Schubstange 52 den Antrieb für den Niederdruckkolben (Hilfskolben) 18.
Die äussere Kupplung beider Kolben und die Regelung zeigt Fig. 2 in Ansicht. In den Achsen der Zahnräder. 27 und 28 liegen die Zapfenlager für die Hauptkurbelarme 53 und 54, die um die Achsen 55 und 56 sich in gleichem Sinne drehen und mit den Kettenrädern 57 und 58 verkeilt sind. Diese Kettenräder sind durch die Kette 59 gekuppelt. Starke Zugfedern 60 und 61 bewirken mittels der Hebel 62, die um 63 schwingen und bei 64 und 65 Kettenspannrollen tragen, die Spannung der Kette, d. h. die elastische Kupplung beider Kettenräder 57 und 58 und der Hauptkurbeln 53 und 54 und damit der Triebkolben 3 und 4.
Die Spannung der Zugfedern kann bei 66 durch Stellschrauben, aber auch durch den Hebel 67 verändert werden. Der Hebel 67 ist bei 68 gelagert und bei 69 greift die Steuervorrichtung für die Steuerung von Hand aus, etwa mittels eines Sehraubentriebes oder eines Steuerhebels mit grosser Übersetzung, an. Von den Hebeln 62 führen Lenker 70 zum Gelenk 71.
Dieses wirkt regelnd auf die Düseneröffnung ein ; die konstruktive Durchführung dieses Teiles weicht von gebräuchlichen Ausführungsformen nicht ab und wurde als unwesentlich weggelassen. Ebenso sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Schwungräder, Anlassvorrichtungen, Kühlwasser-und Schmiervorrichtungen sowie Hilfsaggregate (Pumpen) usw. nicht gezeichnet.
Die Wirkungsweise der Maschine ist an Hand der beschriebenen Fig. 1 und, 2 in den Kolbenweg-Zeitdiagrammen gemäss Fig. 3 erläutert. Die Ordinaten stellen in allen Diagrammen
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die jeweiligen Kolbcnwege dar ; sie schneiden auf der Abszissenachse für a] ! e Diagramme dieselbe Zeit ab, so dass eine Senkrechte in einem bestimmten Abszissenzeitpunkt die gleich- zeitige Stellung aller Kolben (Triebkolben, Deckelkolben, Niederdruckkolben) bestimmt.
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Es <SEP> bedeuten <SEP> a <SEP> and <SEP> h <SEP> das <SEP> Diagramm <SEP> des <SEP> Deckelkolbens <SEP> 45,
<tb> b <SEP> # <SEP> i <SEP> # <SEP> # <SEP> des <SEP> Triebkolbens <SEP> 4,
<tb> c <SEP> # <SEP> k <SEP> # <SEP> # <SEP> der <SEP> Triebkolbenringnut <SEP> 21,
<tb> , <SEP> s, <SEP> des <SEP> Hilfs <SEP> (Niederdruck) <SEP> kolbens <SEP> 18,
<tb> e <SEP> <SEP> wiz <SEP> des <SEP> Deckelkolbens <SEP> 46,
<tb> f <SEP> # <SEP> n <SEP> # <SEP> # <SEP> des <SEP> Triebkolbens <SEP> 3,
<tb> g <SEP> # <SEP> o <SEP> # <SEP> # <SEP> der <SEP> Triebkolbenringnut <SEP> 20.
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Die Diagramme a-g beziehen sich auf Leerlauf, h-o auf Hochstiast.
Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich durchwegs auf die oberen Kolbenseiten ; für die Kolbenunterseiten gilt mit entsprechender Phasenverschiebung dasselbe.
Ist z. B. zu einem gegebenen Zeitpunkte 0 (die strichpunktiert durchgezogene Ordinate in Fig. 3) der Kolben 3 (Diagramm f) in der inneren Totlage, so beSndet sich auch der Deckelkolben 46 (Diagramm e) in der inneren Totlage ; der Brennraum hat in diesem Falle
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erst freigibt, nachdem die Ringnut 20 (Diagramm g) die Verbindung 12-14 bereits geschlossen hat. (Die schraffierten Flächen zeigen die Eröffnung der jeweiligen Querschnitte an. ) Bei
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vor Eröffnung der Schlitze 18-15 durch die Nut 20 die Schlitze 11-13 abgeschlossen hat. Es kann somit in Leerlaufstellung-auf diese beziehen sich Diagramme a-g - keine Nachladung stattfinden.
Während der Kolben 3 (Oberseite) den Ausdehnungshub vollführt, findet auf der Oberseite des Kolbens 4 Verdichtung statt ; die Bewegung des Kolbens 4, genau um
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tragen. Bei der Aufwärtsbewegung des Rahmens 37 wälzen sich die Zahnräder 40 längs der feststehenden Zahnstange 41 ab und drehen dabei auch die mit den Zahnrädern starr verbundenen Kurbeln 39. Die Bewegung des Deckelkolbens 4r ; (bezogen auf den ruhenden Zylinder), der durch das Getriebe 42-44 mit der Kurbel 89 verbunden ist, stellt das Dia- gramm e dar.
Man sieht daraus, dass knapp vor Eröffnung des Spiilschntzsss 9 durch den Triebkolhen 3 (Diagramm f) der Deckelkolben (Diagramm e) den Auspuffschlitz 7 öffnet, der die Abgase in den Hilfszylinder 17 expandieren lässt. Der Hilfskolben 18, der sich im Hilfszylinder 17 bewegt, wird aber mittelbar durch den Kolben 3 angetrieben : Hebel 33 überträgt die Kolbenbewegung von 3 auf den Rahmen 36 ; wie vorhin bei Rahmen 37 erläutert,
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ab und drehen dabei die mit ihnen starr verbundenen Kurbeln 3. 9, die in analoger Weise wie vorhin die Deckelkolben 45 steuern, deren Bewegungsdiagramm in Fig. 3 a (Leerlauf) und h (Höchstlast) dargestellt ist.
Der Rahmen 36 dreht mittels 47 den Hebel 48 und damit das Zahnsegment 49, das mit dem Ritzel 50 kämml ; dessen Drehung überträgt sich auf die mit dem Ritzel festverbundene Kurbel 51, die mittels der Schubstange 52 jene Hilfskolben- bewegung hervorruft, die in den Diagrammen d und l in Fig. 3 dargestellt ist. Aus dem Diagramme cl ist aber zu ersehen, dass im Augenblicke der Eröffnung des Schlitzes 7 durch den Deckelkolben (Diagramm e) der Hilfskolben im Rückgange ist und bereits in Auspuff-
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zur Geltung kommen.
Knapp nachdem der Hilfskolben 18 den Schlitz-L9 und damit den Auspuff geöffnet hat (Diagramm d), gibt der Triebkolben 3 die Spülluftleitung 9 frei, wodurch die Spülluft den ganzen Zylinderraum 1 durchspült, durch 7 in den Hilfszylinder strömt, diesen gleichfalls spült und schliesslich durch 19 in die Auspufl1eitung strömt. Auch beim Verdichtungshub des Kolbens 3 (Oberseite) kann bei Leerlauf keine Nachladung eintreten, da die Diagramme c und 9 die gleichen Verhältnisse wie beim Ausdehnungshub zeigen.
Anders verhält es sich bei Belastung der Maschine ; je grösser die Last, um so mehr weicht die Phasenverschiebung von 180 ab. Die grösste Abweichung beträgt aber nur zirka 30 , so dass auch in diesem Falle noch ein guter Massenausgleich beider Kolben gewährleistet ist. Die Verhältnisse bei Höchstlast stellen die Diagramme h-o dar, die eine Phasenver- schiebung beider Kolben um ¯ 15 (insgesamt etwa 30 ) zeigen.
Betrachtet man wieder die Oberseite des Kolbens 3, ausgehend vom Zeitpunkte 0 (dies ist die durchgezogene, strichpunktiert Ordinate auf der rechten Hälfte der Fig. 3), so ergibt sich vorerst bei gleichem
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gleichzeitige Eröffnung und Schliessung der Nachladeschlitze 12-14 und 14-16 (Eröfthungs- querschnitt voll schwarz ausgezogen), d. h. im Ausdehnungshub des Kolbens 3 strömt Nachladeluft von 12 durch 14 und durch 16 in den Zylinderraum 2, wo aber gerade Verdichtung herrscht (Diagramm z). Der gleichzeitig von beiden Kolben eröffnete Nachladungsquerschnitt
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freilegt (Diagramm o), so hat die Nut 21 (Diagramm li) die Zuleitung 11-13 bereits längst abgesperrt.
Die Expansionsgase können daher niemals in die Nachladeluft rückschlagen. Öffnet der Deckelkolben 46 (Diagramm m) den Schlitz 7, so ist der Hilfskolben S (Diagramm/) knapp nach der inneren Totlage ; es ist somit der Hilfs (Niederdruck) kolben 18 fast vollständig ausgenutzt, da auch hier die Spülung erst nach Eröffnung der Auspuffschlitze 19 einsetzt und Haupt-und Hilfszylinder gleichzeitig gespült werden.
Die Arbeitsvorgänge des Kolbens 4 sind ganz analog jenen des Kolbens 3, nur dass hier der Auspuff in den Hilfszylinder vom Triebkolben 4 und die Spülung vom Deckelkolben 45 (wie in den Diagrammen a und b, bzw. t und i und in Fig. 1 ersichtlich) bewerkstelligt wird. Die Diagramme gelten bei Beriick- sichtigung des Zeitunterschiedes auch für die Kolbenunterseiten, da infolge der rein sinusförmigen Kolbenbewegung Hin-und Rückgang vollständig gleichartig sind. Für die Bewegungsgesetze der Deckel-und Hilfskolben ist das Übersetzungsverhältnis der Hebel 32 und 33 sowie
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Zuletzt sei noch die Belastungsänderung als Ursache der Phasenverschiebung an Hand der Fig. 2 erläutert.
Die belastete Welle ist stets jene der Hauptkurbel 53 mit dem Kettenrade 57, an welcher der Kolben 3 wirkt ; der Kolben 4 überträgt seine Arbeitsleistung über die Hauptkurbel 54 und das Kettenrad 58 mittels Kette 59 auf das Rad 57. Belastungsschwankungen, die nicht mehr vom (nicht eingezeichneten) Schwungrad aufgenommen werden können, werden Drehzahlschwankungen hervorrufen. Wird z.
B. die Maschine überlastet, so wird die unmittelbar treibende Kurbel 53 gegenüber der nur mittelbar treibenden Kurbel 54 zurückbleiben und die Phasenverschiebung setzt ein ; gleichzeitig aber wird, da sich damit auch das Kettenrad 58 rascher dreht als 57, die Kettenspannrolle 65 nach einwärts und 64 nach auswärts gedrückt, damit bei ruhendem Hebel 67 die Feder 61 stärker gespannt, die Feder 60 etwas entspannt, bis schliesslich die zusätzliche Federkraft den Beharrungszustand wieder herstellt, indem sie der belasteten Kurbelwelle, deren Kolben durch die eingetretene Phasenverschiebung ohnedies schon mehr leistet, ausserdem durch den verstärkten Kettenzug noch nachhilft,
während die mittelbar treibende Kurbel 54 mit ihrem durch die Phasenverschiebung eingetretenen Überschuss an Kolbenleistung diesen verstärkten Kettenzug bzw. die Federspannung aufrechterhalten muss. Eine Veränderung der Federvorspannung durch die Schrauben 66 verstärkt oder vermindert naturgemäss die Federwirkung und ändert damit die Empfindlichkeit dieser Regelung.
Ein Verstellen des Hebels 67 bei 69 ändert ebenfalls die jeweiligen Feder-
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PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Zweitaktbrennkraftmaschine mit selbsttätiger Leistungsregelung bei zeitweiser Überlastung, wobei eine zeitweise Überleistung durch Vermehrung der Brennstoffmenge und zusätzliche Lufteinführung unter entsprechender Vergrösserung des Verdichtungsraumes des Zylinders und des Ausdehnungsraumes erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwei nur bei Normallast um 1800 versetzt gegeneinander sich bewegende Triebkolben (3, 4) je eines Zylinders gemeinsam die ventillose Zuleitung von Nachladeluft mittels Zylinderschlitzen steuern, indem durch je eine Ringnut (20, 21) beider Kolbenmäntel die Eröffnung und Schliessung der Nach- ladeluftschlitze (11-16) in beiden Zylindern (1, 2) bewirkt wird, derart,
dass während der Dauer der gleichzeitigen Eröffnung der Nachladeluftschlitze in beiden Zylindern Nachladeluft nur während des Verdichtungshubes des nachzuladenden Zylinders in diesen einströmen kann, wobei ausserdem die Dauer der gleichzeitigen Eröffnung der Nachladeluftschlitze in beiden Zylindern und damit die Menge der Nachladeluft durch eine Phasenverschiebung beider Triebkolben (3, 4) bis auf etwa + 150 von Null bis zum Höchstwert verändert werden kann.