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Brennkraftmaschine Der Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen, d. h.
ihr Brennstoffverbrauch je Leistungseinheit, wird wesentlich dadurch beeinflußt,
wieviel Auspuffgase am Ende jedes Arbeitsspieles aus den Zylindern geschafft werden
können. Bei dem Zylinder eines Viertaktmotors führt eine Druckabnahme am Auslaß
gegen Ende des Ausstoßhubes, d. h. am oder nahe am Umkehrpunkt des Kolbens, zu einer
Verringerung der Masse der im Zylinder verbleibenden Auspuffgase und damit zu einer
Verbesserung des Wirkungsgrades. Bei dem Zylinder eines Zweitaktmotors läßt sich
der Wirkungsgrad dadurch steigern, daß man den Druck am Auslaß gegen das Ende des
Zeitraumes verringert, in dem der Auslaß offen ist, d. h. am oder nahe am unteren
Umkehrpunkt des Kolbens.
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Nach Patent 950 705 wird die obenerwähnte Steigerung des Wirkungsgrades
von Brennkraftmaschinen dadurch erreicht, daß in deren Auspuffleitung ein diese
jederzeit abschließendes Laufrad eines frei laufenden Verdrängergebläses, nämlich
eines Roots-Gebläses, angeordnet ist. Diese Brennkraftmaschine wird nun gemäß der
vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltet und verbessert,
wobei von folgenden Überlegungen ausgegangen wird: Wenn die Auspuffgase eines Motors
durch ein Auspuffrohr geleitet werden, wird der Druckimpuls im Rohr gleich nach
dem Öffnen des Auslasses teilweise reflektiert, und zwar entweder vom offenen Ende
des Auspuffrohres oder vom Ansatz eines Schalldämpfers, und damit mit oder ohne
Umkehrung zum Auslaß zurückgeworfen. Er wird vom Auslaß wiederum reflektiert und
läuft das Rohr auf und ab, bis er abklingt. Somit entsteht der Druck am Auslaß aus
übereinandergelagerten Impulsen, wobei die Schichtung der Impulse von der Rohrlänge
und der Drehzahl der Maschine abhängt. Bei gewissen Drehzahlen ist der Druck am
Auslaß gegen Ende des Ausstoßhubes oder -zeitraumes gering, mitunter sogar unter
dem Atmosphärendruck. Der Motor arbeitet dann mit hohem Wirkungsgrad. Bei anderen
Drehzahlen entsteht ein erheblicher Druck am Auslaß, so daß eine weit größere Auspuffgasmasse
im Zylinder verbleibt und der Motor mit geringerem Wirkungsgrad arbeitet. Bei einem
stationären Motor mit konstanter Drehzahl kann man die Länge und Form des Auspuffrohres
so wählen, daß man bei dieser Drehzahl einen hohen Wirkungsgrad erhält. Das ist
aber bei Motoren mit veränderlichen Drehzahlen, insbesondere bei Fahrzeugmotoren,
nicht möglich.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun der Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine
an den Einlaß des frei laufenden Verdrängergebläses durch eine Verbindung angeschlossen,
deren Länge nicht mehr als 25 cm beträgt. Dem Gebläse wird durch die Auspuffgase
am Anfang jedes Ausstoßhubes oder -zeitraumes Energie zugeführt, während es gegen
Ende des Ausstoßes Energie abgibt und damit den Druck am Gebläseeinlaß verringert.
Die vom Gebläse gespeicherte Energie stammt hauptsächlich aus dem anfänglichen Druckimpuls
der Auspuffgase.
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Dieser Impuls wird demnach teilweise aufgefangen und nur teilweise
reflektiert. Die erwünschte Druckverringerung am Auslaß wird durch das Gebläse nur
dann bei allen Drehzahlen erreicht, wenn der reflektierte Impuls vor dem Ende des
Ausstoßes absorbiert wird. Dementsprechend muß der Übergang zwischen dem Auslaß
und dem Gebläse so kurz wie möglich sein, so daß der Impuls von beiden Enden des
Übergangs in sehr schneller Folge reflektiert wird, rasch abklingt und gleichzeitig
dem Gebläse weitere Energie zuführt. Durch die Verwendung des Sauggebläses in Verbindung
mit einem kurzen Übergang wird ein niedriger Druck, eventuell ein Unterdruck, am
Ende
des Arbeitsspieles bei allen Drehzahlen der Maschine erzielt.
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Um das Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen, darf der Übergang
vom Zylinderauslaß zum Gebläseeinlaß nie länger als 25 cm sein. Die Anwesenheit
eines Kühlwassermantels oder von Kühlrippen um den Zylinderkopf erzwingt praktisch
eine Länge von 8 bis 13 cm.
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Bei einem Mehrzylindermotor kann je ein Gebläse für jeden Zylinder
vorgesehen sein, wobei die Gebläse vorzugsweise mechanisch gekuppelt sind. Möglich
ist es auch, daß Zylinder mit sich nicht überschneidenden oder mit sich genau deckenden
Ausstoßhüben an das gleiche Gebläse angeschlossen sind, wenn dadurch keine zu große
Übergangslänge erzwungen wird.
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Die Erfindung ist auf alle Viertakt- und Zweitaktmotoren anwendbar,
eignet sich aber besonders für Dieselmotoren, bei denen die angesaugte Luft keinen
Brennstoff enthält, so daß es gleichgültig ist, ob sie während des Zeitraums, in
dem sowohl der Ein- als auch der Auslaß des Zylinders offen ist, teilweise in das
Auspuffsystem gezogen wird.
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Wesentlich ist es, daß das Absaugegebläse ein Verdrängergebläse ist.
Frei laufende Axial- oder Radialturbinen befriedigen über einen größeren Bereich
wechselnder Drehzahlen der Brennkraftmaschine nicht und sind für die erforderliche
Energieaufnahme und -abgabe nicht wirksam genug. Das Roots-Gebläse wird wegen seiner
Einfachheit bevorzugt, jedoch können auch andere Arten von Sauggebläsen einschließlich
der mit Expansion arbeitenden, wie z. B. die Schraubengebläse, verwendet werden.
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Wesentlich ist es ferner, daß das Gebläse völlig frei läuft, also
dem Motor keine Antriebsenergie entnimmt, abgesehen von den geringen Reibungsverlusten.
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Die Arbeitsweise hängt bis zu einem gewissen Grade von der Trägheit
der umlaufenden Teile des Gebläses ab. Für einen gegebenen Motor läßt sich der Trägheitsfaktor
bei höchstmöglichem Wirkungsgrad am besten im Versuchswege ermitteln. Ist das Gebläse
mit einem Schwungrad versehen, so kann dieses aus Schichtwerkstoffen bestehen, so
daß sich seine Trägheit bis zur Erzielung der besten Ergebnisse regeln läßt.
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Übermäßiger Rückdruck läßt sich dadurch verhindern, daß man das Gebläse
mit einer Umgehungsleitung versieht, die auf den Durc'hlaß von z. B. 10°/o des Gases
eingestellt werden kann.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch zusätzlich an der Einlaßseite
des Motors angewandt werden. Der Einlaß des Zylinders kann also durch einen kurzen
Übergang mit einem frei laufenden Verdrängergebläse verbunden werden. Dadurch bewirkt
man eine Druckerhöhung im Zylinder am Ende des Einlaßhubes unter entsprechender
Vergrößerung der Aufladung. Jede mechanische Verbindung zwischen Gebläse auf der
Einlaßseite und Gebläse auf der Auslaßseite des Motors muß dabei vermieden werden.
Die erstrebte Wirkung ist also nicht die der üblichen Turbokompressoren, mit denen
Energie von der Auslaß- zur Einlaßseite des Motors übergeleitet wird.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Motors gemäß der
Erfindung, und zwar Fig. 1 einen Querschnitt auf der Linie I-1 voll Fig.2 durch
einen Teil des Zylinderkopfes mit angeschlossenem Absaugegebläse, Fig. 2 eine Seitenansicht
in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1.
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Der Kopf 2 eines Zylinders 4 enthält eine Auslaßöffnung 6, die durch
ein Ventil 8 gesteuert wird. Die Öffnung führt zu einem Übergang 10 im Kopf 2. Der
Übergang 10 setzt sich kontinuierlich in einen Durchlaß 12 eines Kupplungsstückes
13 und einen Einlaßstutzen 14 im Gehäuse 16 eines Roots-Gebläses fort. Der Stutzen
14 führt zu einer Einlaßöffnung 18 des Gebläseraumes 20. Die Gesamtlänge des Übergangs
von dem Auslaß 6 zum Einlaß 18 beträgt 18,5 cm.
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Der Raum 20 nimmt zwei Läufer 22 auf Wellen 24 auf und hat eine Auslaßöffnung
26, die über einen Kanal 28 zum Auspuffrohr 30 führt. Das Rohr 30 erstreckt sich
parallel zu den Wellen 24.
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Das Gebläsegehäuse enthält eine Umgehungsleitung 29, deren Durchlaßquerschnitt
durch einen Stopfen 31 geregelt werden kann.
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Fig. 2 zeigt die mechanische Verbindung mehrerer Absaugegebläse an
verschiedenen Zylindern. Die Wellen 24 erstrecken sich von einem Lager- und Getriebegehäuse
32 durch das Gebläsegehäuse 16 und ein oder mehrere weitere Gebläsegehäuse 34 zu
einem weiteren Lagergehäuse 36. Die Arbeitsräume benachbarter Gebläse werden durch
Trennwände 38 voneinander geschieden, in denen Bohrungen für die Wellen 24 vorgesehen
sind, und enden in einer großen Bohrung für das Auspuffrohr. Die Außenenden der
Arbeitsräume werden durch Endplatten 40 abgedeckt, die ebenfalls Bohrungen als Wellendurchgänge
aufweisen. Ein Ende des Auspuffrohres ist durch eine Platte 42 abgedeckt, während
das andere, nicht dargestellte Ende in das Freie mündet.
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Die Wellen laufen in Rollenlagern 44 in den Wänden der Gehäuse
32,36 um und sind durch Getrieberäder 46 im Gehäuse 32 gekoppelt. Die Gehäuse
32, 36 sind gegenüber den Gebläsegehäusen durch keramische Abstandsstücke 48 wärmeisoliert
und werden durch Zugstangen 50 zusammengehalten. Während das Gebläse selbst nicht
gekühlt zu werden braucht, können die Lagergehäuse 32, 36 noch von Kühlmänteln im
Anschluß an die Motorkühlung umgeben sein.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, können die Gebläse verschiedene Kapazität
aufweisen, indem man die Gehäuse und Läufer bei gleichen Querschnitten verschieden
lang gestaltet. Solche Kapazitätsunterschiede können dann erforderlich werden, wenn
die einzelnen Gebläse mit verschieden viel Zylindern gekuppelt sind.
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Es ist zweckmäßig, für die verschiedenen Motorenarten mit einer möglichst
geringen Zahl von Gebläsearten auszukommen. Diesem Zweck dient das Kupplungsstück
13, da die Stutzen am Zylinder und am Gebläse vielfach nicht auf gleicher Höhe liegen.