CH299024A - Brennkraftmaschine mit zwei einander gegenüberliegenden Kolben in einem Zylinder. - Google Patents

Description

      Brennkraftmaschine    mit zwei einander     gegenüberliegenden    Kolben in einem Zylinder.    Gegenstand vorliegender Erfindung ist  eine     Brennkraftmaschine    mit zwei einander       gegenüberliegenden    Kolben in einem Zylin  der, deren Bewegung über ein Getriebe       m        vangläufig    gekuppelt ist und von denen der  eine Kolben im gleichen Zeitraum die dop  pelte Hubzahl ausführt als der andere ihm  gegenüberliegende Kolben, bei der der Ab  stand der Kolben am Ende der Expansion  mindestens     2,66mal    so gross ist als der Ab  stand der Kolben am Ende des Ansaug  taktes.

   Hierdurch     wird    erreicht, dass die  Wärmeenergie der Brenngase weitgehender  in Arbeit umgesetzt wird, als es heute der Fall  ist. Wegen der stärkeren Expansion verlassen  die Auspuffgase den Motor mit einer tieferen  Temperatur, als es heute üblich ist,     und    kön  nen am Ende der Expansion einen Druck von  0,9-1,2     ata    erreichen.  



  Die     Zündung    der komprimierten Gase  erfolgt- zweckmässig bei einem     Kurbelwinkel     der langsam laufenden Welle von 75-80 .  Dadurch entwickelt die     Brennkraftmaschine     im Augenblick der Verbrennung ihr grösstes  Drehmoment. Die erfindungsgemässe Verbren  nungskraftmaschine kann sowohl als Ver  gasermaschine oder als Dieselmaschine gebaut  werden.  



  Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs  gegenstandes ist in der beiliegenden Zeich  nung dargestellt.  



       Fig.    1 stellt die Kolbenstellungen dar in  dem Augenblick, wo das Ansaugen beendet  ist und das     Einlassventil        geschlossen    hat.         Fig.    2 zeigt die     Kolbenstellungen    des lang  sam laufenden     Kolbens    und schnell laufenden       Kolbens    am Ende der Kompression im Augen  blick der     Zündung.     



       Fig.    3 zeigt die     Kolbenstellungen    nach er  folgter Expansion der Gase. Das     Auslass-          ventil    hat eben geöffnet, um die expandieren  den Gase austreten zu lassen.  



       Fig.    4 zeigt die Kolbenstellungen, nach  dem die Brenngase ausgestossen worden sind.       Fig.    5 zeigt     diese    Vorgänge im     logaryth-          mischen        P-Y-    Diagramm schematisch dar  gestellt.  



       Fig.    6 zeigt denn gleichen Vorgang im       QI-L-Diagramm    (geschildert in: Maschinen  bau- und Wärmewirtschaft, Jahrgang 1949,  Heft 5, Seite 66-70, Springer-Verlag in  -Wien).  



       Fig.    7 und 8 zeigen ein Diagramm der       Kolbenbewegungen    unter Berücksichtigung  der endlichen     Pleuelstangenlänge    als     sinus-          ähnliche    Kurven dargestellt, bei einem Kur  belradius-Pleuelstangen-Verhältnis 4:1.  



  In     Fig.    5 und 6 ist Punkt 1' der Aus  gangszustand des Gases oder der Luft (z. B.  1     ata,    1     cm3,    300 Grad Kelvin) ;  2' ist der Zustand nach Beendigung der  Kompression (die     angeführten    Beispiele gel  ten für den Ottomotor) ;  3' ist die Beendigung der     isochoren    Ver  brennung;  4' ist der Zustand bei Beginn des Aus  puffvorganges für     einen    Ottomotor der  Üblichen Bauart;      5' ist .der Zustand bei Beginn des Aus  puffvorganges beim Motor gemäss     Fig.        1-4;     6' ist der Endpunkt des Linienzuges im       Q-L-Diagramm    für einen Ottomotor bekann  ter Bauart;

    7'     ist    der Endpunkt des Linienzuges im  Q     L-Diagramun    für den Motor gemäss den       Fig.        1-4,        falls    der Auspuffdruck gleich ist  dem     Ansaugedruek;          7'a    ist der Endpunkt des Linienzuges,  wenn     für    das     Ausstossen    der Verbrennungs  gase Arbeit aufgewendet werden muss.  



  In den     Fig.    7 und 8 zeigt Punkt 13 den  Zeitpunkt in dem das Ansaugen beendet ist;  Punkt 14 den Zeitpunkt am Ende der  Kompression,  Punkt 15 den Zeitpunkt am Ende der  Expansion,  Punkt 16 den Zeitpunkt, in dein die Aus  stossung der Auspuffgase beendet ist;  <I>r</I> ist der Kurbelhalbmesser, und<I>r</I>     -I-        a    ist  der Abstand der Kolben in der     Stellung    13;  Linie 17 ist die Mittellage, um die der lang  sam laufende Kolben     sinusähnlich    schwingt;  Linie 18 ist die Mittellage, um die der  schnell laufende Kolben     sinusähnlich    schwingt.  



  Die in den     Fig.        1-4    dargestellte Maschine  ist ein Ottomotor mit zwei einander gegen  überliegenden, in einem Zylinder angeord  neten Kolben 2 und 6 und zwei     Ventilen    11       und    12, welche den     Auslass    und den Einlass  steuern, und an einander gegenüberliegenden  Seiten des Raumes 20 angeordnet sind.  



  In der Stellung nach     Fig.    1 hat das Saug  ventil 12 eben geschlossen, im Raume zwi  schen den beiden Kolben befindet sich das       Brennstoffluftgemisch.    Der Kolben 6     bewegt.     sich nach     rechts,    wird aber vom Kolben 2,  der über ein Getriebe mit dem Kolben 6 ver  bunden ist und die doppelte     Kurbelwinkel-          geschwindigkeit    besitzt, bald eingeholt. Hier  bei komprimiert sich das Gemisch z. B. auf  das Sechsfache. In dieser     Stellung    (Fug. 2) er  folgt nun die Zündung.

   Dabei ist der Kolben  2 noch nicht ganz im     Totpunkt,    übt also  durch die Kurbelübertragung ein kleines       rüekwärtsdrehendes    Moment aus. Der Kolben  6 jedoch ist in einer Stellung, in der er    durch die Kurbelübertragung sein grösstes  vorwärtsdrehendes Moment erzeugen kann.  



  Der Raum zwischen den beiden Kolben  nimmt durch die weitere Kurbeldrehung  schnell zu. Die Gase können annähernd       adiabatiseh    expandieren, da zur Abkühlung  der hochgespannten Gase sehr wenig Zeit zur  Verfügung steht. Die Gase haben bei einer  Drehung der langsam laufenden Kurbel von  75 bis 120  (also insgesamt 45 ) schon etwa       7011/o    der gewinnbaren mechanischen Arbeit  an die Kurbelwelle abgegeben. In der     Dar-          stellung    der     Fig.    3 ist die Expansion beendet.  dabei sind beide Kolben in der äussern Tot  punktlage. Nun erfolgt das Ausstossen der  Gase, das bei den Kolbenstellungen der       Fig.    4 beendet ist.

   Dabei ist das     Auslassventil     11 geöffnet. Dieses Ventil 11 schliesst sieh und  das     Einlassventil    12 öffnet sich, der Raum  zwischen den Kolben nimmt zu, bis die Kol  ben wieder die Stellung der     Fig.    1 erreicht  haben. Während des     Ansaugtaktes    sind die  Kolben     gleichläufig.     



  Der Abstand der Kolben am Ende der       Expansion    ist das 2,7- bis     2,95fache    des Ab  standes der Kolben am Ende des Ansaug  taktes.  



  Da die Kolben bei ihren     Extremstellungen          abwechselnd    über die Mitte des     Zylinders          hinübergleiten    (siehe     Fig.    1 und     Fig.    2), be  sitzen die Kolben an ihren einander zuge  kehrten Enden vor den Kolbenringen einen  Kanal in .der Längsrichtung. Sie könnten aber  auch an     diesen    Enden eingezogen sein. Dies  ist erforderlich, damit der Raum zwischen  den beiden Kolben mit dem Raum 20     zwischen     den Ventilen ständig in Verbindung bleibt.  



  Arbeitet der Motor als Dieselmotor, so  wird nicht ein     Brennstoffluftgemiseh,    son  dern nur Luft komprimiert, und die Ein  spritzung beginnt dann kurz vor der in     Fig.    2  eingezeichneten Kolbenstellung.  



  Aus der     Fig.    5 und besonders     Fig.    6 ist  ersichtlich, dass der Linienzug der thermo  dynamischen     Zustandsänderungen    für den  Ottomotor gewöhnlicher Bauart bis zu dem  Punkt 4'     identisch    ist mit dem hier genann  ten Motor. Hier erst beginnt der Unterschied.      Die Horizontalabstände zwischen den Punk  ten 6' bis 7' bzw.     7'a    zeigen, um     wieviel    Mehr  arbeit bei dem vorgeschlagenen Motor heraus  geholt werden kann, bei genau gleicher       ZVärmezufuhr,    als wie beim Ottomotor be  kannter     Bauart.     



       Fig.    7 zeigt das Diagramm der     sinusähn-          liehen    Kurven unter Berücksichtigung der  endlichen     Kolbenstangenlänge    so dargestellt,  wie     dies    den Kolbenstellungen der     Fig.    1 bis       Fig.    4 entspricht.

   Für die Praxis kann es aber  zweckmässiger sein, den untern Kurvenzug  noch etwas nach rechts zu verschieben, wie in       Fig.    8 gezeigt, und den -zusätzlichen Abstand       a    zu verkleinern, so dass im Zeitpunkt 14  noch ein Abstand zwischen den beiden Kol  ben bleibt, der     1/s    des Abstandes am Ende  des Ansaugtaktes beträgt, dagegen im Zeit  punkt 16 sich die .beiden Kolben fast be  rühren. Dabei sind die     Kurbelstellungen    gegen  über     Fig.    7 um 5  (bezogen auf die langsam  laufende Welle) verdreht.  



  Der mittlere Druck ist bei diesem Motor  naturgemäss niedriger als bei den üblichen  Maschinen. Dadurch ist auch die Leistung  pro Hub etwas kleiner. Dieser Nachteil wird  aber mehr als aufgehoben durch den dadurch  erzielbaren viel besseren     Wirkungsgrad,    einer  seits infolge     Expansion    der     Brenngase,    ander  seits durch die Verkürzung der Zeit, in der  die hochgespannten Gase Wärme an die Zy  linderwandung abgeben können. Bei Flug  zeugmotoren wird dadurch der     Aktionsradius     erhöht, weil weniger Brennstoff verbraucht  wird, und er wird nur unbedeutend vermin  dert, weil der Motor selbst etwas schwerer ist  als ein Motor der üblichen Bauart.  



  In den     Kurbelgehärisen    wird mehr Luft       i        erdrängt,    als im Raum zwischen den Kol  ben für das Ansaugen     benötigt    wird. Dieser       l?berschuss    zum Spülen des Zylinderraumes  vor dem Schliessen des     Auslassventils    kann  zur     Aufladung    verwendet werden.  



  Man kann auch die Hübe beider Kolben       verschieden    wählen und dadurch das Ver  hältnis von Ansaugraum zum Expansions  raum anders gestalten.    Wählt     man    _ den     gurbelhalbmesser    des  langsam laufenden     Kolbens    z. B.

   R =     9-    +     a,     dann wird das Verhältnis der Abstände der  Kolben am Ende des Ansaugtaktes und     am,     Ende der Expansion 1:3, denn     -es.ist:     <I>Aa</I>     =r+a     (Abstand am Ende des Ansaugtaktes)  und der Abstand am Ende der Expansion       Ae-9-+a+2R          =r+a+2.(r+a)          -3(1-+a)     Man hat also die Möglichkeit, entsprechend  den     gewihischten        thermodynamischen    Bedin  gungen,

   durch     Variation    der - Kurbellängen  der beiden Kolben jeden gewünschten     End-          druck    am Ende der Expansion zu erhalten  und kann bis ins Vakuum expandieren.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Brennkraftmasehine mit zwei einander gegenüberliegenden Kolben in einem Zylin der, deren Bewegring über ein Getriebe zwang läufig gekuppelt ist und von denen der eine Kolben im gleichen Zeitraum die doppelte Hubzahl ausführt als der andere ihm gegen überliegende Kolben, dadurch gekennzeieh- net, dass der Abstand der Kolben am Ende der Expansion mindestens 2,66mal so gross ist als der Abstand der Kolben am Ende des An saugtaktes.

   UNTERANSPRÜCHE: 1. Brennkraftmaschine nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenngase so weit expandieren, dass sie einen Druck von 0,9 bis 1,2 ata erreichen, worauf sie vom Kolben ausgestossen werden. z. Brennkraftmaschine nach Patentan spruch und Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Mittellage (17), -um die der langsam laufende Kolben sinusähnlich schwingt, von der Mittellage (18), um die der schnell laufende Kolben sinrLsähnlich schwingt, einen Abstand besitzt, der grösser ist. als der Kurbelhalbmesser.

   3. trennkraftmaschine Dach Patentan spruch und den Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kur belantriebe (4 und 8) so gekuppelt sind, dass bei der äussern Totpunktlage des schnell laufenden Kolbens der langsam laufende Kol ben ebenfalls in der äussern Totpunktlage ist.

   4. Brennkraftmaschine nach Patentan spruch und den Unteransprüchen 1-3, da durch gekennzeichnet, dass die Ansaugung er folgt, während die beiden Kolben (2 und 6) Gleichläufigkeit besitzen. 5. Brennkraftmaschine nach Patentan spruch und den Unteransprüchen 1-4, da= durch gekennzeichnet, dass er ein Einlass- und ein Auslassventil aufweist, die auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Raumes an geordnet sind, der ständig mit dem Zylinder raum zwischen den beiden Kolben verbunden bleibt.

   6. Brennkraftmaschine nach Patentan spruch und den Unteransprüchen 1-5, da durch gekennzeichnet, dass die Kolben an ihren einander zugekehrten Enden (10) ein gezogen sind, -damit der Raum zwischen den Kolben mit dem Raum zwischen den Ventilen ständig verbunden bleibt. 7. Brennkraftmaschine nach Patentan spruch und den Unteransprüchen 1-6, da- durch gekennzeichnet, dass sie als Dieselmotor ausgebildet ist und dass der überschuss der Raumverminderung im Kurbelkasten (5) ge genüber dem .Ansaugraum dazu benützt wird, die Maschine aufzuladen.

   B. Br ennkraftmaschine nach Patentan spruch und den Unteransprüchen 1-6, da durch gekennzeichnet, dass die von den Kol ben vollführten sinusähnlichen Bewegungen gegeneinander verschoben sind und der Ab stand der genannten Mittellagen derart ge wählt ist, dass die Kolben bei der Kompres sion noch einen gewissen Abstand haben, dass sie aber nach der Ausstossung einander fast berühren. 9. Brennkraftmaschine nach Patentan spruch und .den Unteransprüchen 1-6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben am Ende der Kompression einen Abstand auf weisen, der 1/s ihres Abstandes am Ende des Ansaugtaktes ist.

   10. Brennkraftmaschine nach Patentau spruch und den Unteransprüchen 1-6, da durch gekennzeichnet, dass die Kurbelarme der mit ihnen durch die Pleuelstangen ver bundenen Kolben verschieden lang sind.