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Gemischverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine und Verfahren
zu ihrem Betriebe Die Erfindung betrifft eineAnordnung zurRegelung der Größe des
Verdichtungsraumes bei gemischverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen
mit einem an den Verbrennungsraum des Arbeitszylinders angeschlossenen zusätzlichen
Brennraum, der in seiner Größe durch einen darin geführten Regelkolben veränderbar
ist, welcher mit einem in einem besonderen Steuerzylinder geführten Schleppkolben
starr verbunden ist, der auf seiner Oberseite von einem Druckmittel beaufschlagt
ist.
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Die bisher bekannten Maschinen dieser Art haben den Nachteil, daß
die Energieumsetzung des zur Selbstzündung kommenden Gasluftgemisches zu schnell
erfolgt. Die Verbrennung erfolgt plötzlich und führt zu starken Klopferscheinungen.
Da der Zündzeitpunkt bei den bekannten Maschinen nicht genügend genau beherrscht
werden kann, ist der thermische Wirkungsgrad trotz des hohen Verdichtungsverhältnisses
nur gering. Andererseits sind aber die Triebwerksbelastungen und der Verschleiß
der einzelnen Maschinenteile sehr hoch.
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Um die geschilderten Mängel zu beheben, hat man bereits vorgeschlagen,
den Kompressionsenddruck während des Betriebes zu verändern, um damit den Temperatureinwirkungen
Rechnung zu tragen. So hat man schon zusätzliche Brennräume vorgesehen, die über
ein thermisch gesteuertes Organ dem Arbeitszylinder der Maschine in mehr oder weniger
großem Umfange zugeschaltet werden.
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Es ist ein Verfahren zum Betriebe von gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen
mit während des Betriebes veränderlichem Kompressionsenddruck bekannt, bei dem die
bei der Zündung des Gasluftgemisches sich ergebende Druckspitze benützt wird, um
dem Kompressionsraum des Arbeitszylinders einen zusätzlichen Brennraum zuzuschalten.
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Ebenso hat man versucht, den Zündzeitpunkt dadurch zu verändern, daß
man den Totpunkt des Kolbens verlegt. Hierzu ist ein erheblicher Aufwand an Kinematik
erforderlich. Man mußte zusätzliche Steuerglieder zwischen Kurbelwelle und Kolbenbolzen
einschalten, die den technischen Aufwand erhöhten, aber gleichzeitig die Betriebssicherheit
verminderten.
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Durch die Erfindung werden alle die geschilderten Mängel behoben,
indem erfindungsgemäß nicht sofort die gesamte Ladung zur Verbrennung kommt,- sondern
diese durch entsprechende Steuerung stufenweise abbrennt.
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Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem der Schleppkolben im Steuerzylinder
mittels einer den Durchtritt des Druckmittels verhindernden Dichtung einen unter
ihm liegenden Raum abteilt, der über eine Zuleitung, ein Ventil od. dgl. mit einem
Puffermittel, wie Luft, Verbrennungsgase od. dgl., aufgeladen wird, wenn der Schleppkolben
sich im Augenblick der Explosion aufwärts bewegt, wobei dieses Puffermittel, bei
dem darauffolgenden Arbeitshub im Steuerzylinder verbleibend, den Rückhub des im
zusätzlichen Brennraum arbeitenden Regelkolbens entsprechend verkleinert, so daß
durch Zuschaltung eines Teils des zusätzlichen Brennraumes zum Verdichtungsraum
des Arbeitszylinders der Kompressionsenddruck der jeweiligen Betriebslage der Maschine
angepaßt ist. Vorzugsweise bilden den Schleppkolben und der in dem zusätzlichen
Brennraum geführte Kolben in an sich bekannter Weise gemeinsam einen Stufenkolben.
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Erfindungsgemäß besitzt der Schleppkolben einen Schaft, der sich nach
Art eines Kolbens in dem zusätzlichen Brennraum führt, so daß das Spiel zwischen
dem Schaft des Schleppkolbens und seiner Führung so bemessen ist, daß sich der Verbrennungsdruck
bis in den unter dem Schleppkolben liegenden Teil des Steuerzylinders fortpflanzen
kann und bei Stillstand der Maschine ein allmähliches Entweichen der Druckmasse
in den Verbrennungsraum gestattet ist. Die zuzuschaltende Brennraumgröße kann durch
ein im Steuerzylinder vorgesehenes Überströmventil, welches von außen einstellbar
ist, geregelt werden.
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Erfindungsgemäß ist in an sich bekannter Weise das den Schleppkolben
auf seiner- Oberseite beaufschlagende Druckmittel aus einem Luftpolster gebildet,
welches vom Arbeitszylinder aus über einen Überströmkanal mit darin eingeschaltetem
Überströmventil auf der gewünschten Druckhöhe gehalten wird.
Der
Erfindungsgedanke läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu, einige davon
sind in der anliegenden Zeichnung wiedergegeben, und zwar zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Zylinder einer Brennkraftmaschine, Fig.
2 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1 bei anderer Stellung der einzelnen Teile, Fig.3
einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer Brennkraftmaschine.
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Der Arbeitskolben 1 führt sich in dem Arbeitszylinder 2 und befindet
sich bei der Darstellung gemäß Fig.1 und 2 in seiner oberen Totpunktlage. Auf die
Oberseite des Zylinders 2, der eine Ansaugöffnung 23 und eine Auspufföffnung 24
aufweist, ist der Zylinderkopf 3 aufgesetzt, in welchem der Steuerzylinder 5 vorgesehen
ist. In dem Steuerzylinder 5 arbeitet ein mit einer Dichtung 6 ausgestatteter Schleppkolben
4, der seinerseits einen Schaft_7-t_rägt"mit dem er sich in einer zylindrischen
Führung 8 des Zylinderkopfes 3 führt. Die Führung 8 erweitert sich an ihrem dem
Arbeitszylinder 2 zugekehrten Ende zu einem zusätzlichen Brennraum 9, welcher- mit
dem Arbeitszylinder 2 in offener Verbindung steht. Der zwischen der äußeren Wandung
des zusätzlichen Brennraumes 9 und dem zylindrischen Schaft 7 verbleibende Spalt
verhindert ein Ansetzen von Ölkohle.
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Der Schaft 7 weist auf seiner Unterseite eine Auskehlung
10 auf, die einer im Kolben gebildeten Vertiefung 11 gegenüberliegt und mit
dieser gemeinsam mit dem zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf verbleibenden Spalt
den kleinsten Verbrennungsraum bildet, der den höchsten Kompressionsenddruck ergibt,
sofern sich der Schleppkolben 4 mit dem Schaft 7 in seiner untersten Lage gemäß
Fig. 1 befindet.
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Am Ansatz des Schaftes 7 am Schleppkolben 4 ist ein Sitz 12 gebildet.
Dieser ist so bemessen, daß zwischen dem Boden des Steuerzylinders 5 und dem Kolben
4 noch ein Raum 13 verbleibt. Der über dem Kolben 4 befindliche Teil des Zylinderraumes
5 ist über einen Verbindungskanal 14 mit einer Ventilkammer 15 verbunden, in welcher
ein Kugelventil 16 mit einer Druckfeder 17 untergebracht ist. Die Kammer
15 steht über einen Verbindungskanal 18 mit dem Arbeitszylinder 2 in Verbindung.
-Die Kugel 16 wird durch die Feder 17 auf die Eintrittsöffnung des Kanals 18 gedrückt.
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Die Öffnung 18 ist vom oberen Kolbentotpunkt so weit entfernt, daß
bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 1 bereits komprimierte Luft über die Kanäle
18 und 14 nach dem Steuerzylinder 5 gelangen kann. Es bildet sich auf diese Weise
oberhalb des Schleppkolbens 4 ein Luftpolster, welches einen ganz bestimmten Druck
aufweist.
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Außerdem ist seitlich in der Wandung des- Steuerzylinders 5 noch eine
Austrittsöffnung 19 vorgesehen, die durch eine Kugel 20 verschlossen wird. Eine
mit Hilfe der Schraube 21 einstellbare Feder 22 belastet die Kugel 20 mit
einem bestimmten Schließdruck, der einstellbar ist.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 1 und 2 dargestellten Einrichtung ist
folgende: Im Augenblick des Anlaufens der Maschine befindet sich der Schleppkolben
4 in der Stellung gemäß Fig. 1, d. h. der zusätzliche Brennraum ist auf Kleinstabmessung
eingestellt. Es erfolgt demzufolge eine sehr starke Verdichtung des Brennstoff-Luftgemisches,
die erforderlich ist, solange die Maschine noch kalt ist. Bei der Zündring des Gemisches-ergibt
sich ein sehr starker Druckanstieg; der dazu führt, daß ein kleiner Teil der hochgespannten
Verbrennungsgase in den Spielraum zwischen dem Schaft 7 und dessen Führung 8 hochgedrückt
wird. Der Schleppkolben 4 wird um ein gewisses Maß durch den plötzlichen Druckanstieg
von seinem Sitz 12 abgehoben und es kann sich in dem Raum13 unter dem Kolben4 ein
Druck aufbauen. Bei jedem neuen Arbeitshub bzw. bei jeder weiteren Zündung erfolgt
eine zusätzliche Förderung nach dem Raum 13 und ein weiterer Druckaufbau, was zur
Folge hat,daß derSchleppkolben4 mit seinemSchaft7immer höher gehoben wird. Es wird
durch den Schaft 7 ein immer größerer Teil des zusätzlichen Brennraumes 9 freigegeben,
d. h. der Gesamtbrennraum allmählichvergrößert und damit der Kompressionsenddruck
verringert, wie es der allmählich höher werdenden Temperatur der Maschine entspricht.
Die größtmögliche Vergrößerung des Brennraumes ist dann gegeben, wenn der Druck
in dem Raum 13 unter dem Schleppkolben 4 dem Schließdruck der Ventilfeder 22 entspricht.
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Es ist dann die Stellung der Teile gemäß Fig. 2 gegeben. Jede weitere
Drucksteigerung im Raum 13 wird kompensiert, indem das Ventil 20/22 öffnet.
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Wird die Maschine stillgesetzt, so entlädt sich allmählich der Druck
aus dem Raum 13 infolge der Leckverluste zwischen dem. Schaft 7 und seiner Führung
B. Unter dem Druck des über dem Kolben 4 befindlichen Luftpolsters wird der Kolben
schließlich wieder auf seinen Sitz 12 gedrückt, so daß schließlich wieder die kleinste
Brennraumgröße eingestellt ist, welche für das erneute Anlassen der kalten Maschine
erforderlich ist.
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Bei derAnordnung gemäß Fig. 3 gelangt ein Schleppkolben 25 zur Anwendung,
der mit einem Durchlaß 26 und einem den Durchtritt steuernden Rückschlagventil 2728
versehen ist. Der Kolben führt sich in einem als Flüssigkeitsbehälter ausgebildeten
Steuerzylinder 29, der nach oben durch einen Deckel 30 abgeschlossen ist.
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Der Zvlinder 29 ist mit Hydraulikflüssigkeit 31 gefüllt, während auf
die Oberseite des Schleppkolbens25 eine Druckfeder 32 aufgesetzt ist, welche bestrebt
ist, den Schleppkolben 25 nach unten zu drücken und die in ihrer Spannung so stark
bemessen ist, daß sie dem Kompressionsenddruck standhält. Der Flüssigkeitsraum kann
gegebenenfalls über eine Leitung 33, die nur gestrichelt eingezeichnet ist, noch
mit einem nicht dargestellten Windkessel, einem Ausgleichsbehälter und notfalls
einem Kühler verbunden sein.
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Ähnlich wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform ist auch
hier der Schleppkolben 25 als Stufenkolben ausgebildet und mit einem zylindrischen
Schaft 34 ausgestattet, der in einer zylindrischen Führung 35 des Zylinderkopfes
36 geführt ist. Durch Ringdichtungen 37 und Dichtungsplatten 38 ist die Führung
des Schaftes 34 hinreichend abgedichtet, so daß ein Hindurchtreten von Verbrennungsgasen
nach dem Steuerzylinder 29 verhindert ist. Unterhalb der Dichtung 37 weist die Führung
35 einen Ringraum 39 auf, der über die Bohrung 40 mit der Atmosphäre in offener
Verbindung steht, so daß. notfalls an dem Schaft 34 entlangströmende Verbrennungsgase
nach außen wegfließen können.
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Der den Schleppkolben 25 aufnehmende Zylinder 29 bildet in seinem
oberen Teil. axial in den Zylinderwandungen verlaufende Nuten 41 und 42, die am
unteren Ende durch eine Steuerkante 43 begrenzt sind.
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Die Länge der Kanäle 41 bzw. die Lage der Steuerkante 43 ergibt die
oberste Begrenzung- für die Bewegung des Schleppkobens 25 bzw. die Grenze für die
größtmögliche Erweiterung der zusätzlichen Brennkammer
9, die mit
dem Arbeitszylinder 2 der Maschine in offener Verbindung steht.
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Die Wirkungsweise der eben beschriebenen Einrichtung ist folgende:
Wenn die Maschine aus dem kalten Zustand angelassen wird, so befindet sich der Schleppkolben
25- mit seinem Schaft 34 in seiner untersten Endstellung, entsprechend der Stellung
des Schleppkolbens 4 bei der Ausführungsform gemäß Fig.1. Der zusätzlicheBrennraum
9 ist durch den Schaft 34 ausgefüllt, so daß der größte Kompressionsenddruck beim
Verdichtungshub des Arbeitskolbens 1 erzielt wird. Die bei der Zündung sich ergebende
Druckspitze belastet auch den Schaft 34 des Kolbens 25, der unter dieser Druckerhöhung
nach oben ausweicht, wobei ein Teil der Hydraulikflüssigkeit 31, die sich oberhalb
des Schleppkolbens 25 in dem Steuerzylinder 29 befindet, durch das Rückschlagventil26/27/28
hindurchgedrückt wird. Bei jedem Arbeitshub des Kolbens 1, d. h. bei jeder Zündung,
erfolgt ein erneuter Hub des Schleppkolbens 25. Infolgedessen sammelt sich allmählich
eine immer größer werdende Ölmenge unterhalb des Kolbens 25 an. Dieser wird auf
diese Weise allmählich immer höher gehoben und der zusätzliche Brennraum 9 immer
weiter von dem Schaft 34 freigegeben. Es erfolgt dementsprechend eine Verringerung
des Kompressionsenddrucks,wie es der zunehmenden Erwärmung der Maschine entspricht.
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Sobald die Unterkante des Schleppkolbens 25 die Steuerkante 43 erreicht
hat, ist die höchste Vergrößerung des Brennraumes 9 erreicht. Bei weiteren Hubbewegungen
des Kolbens 25 wird zwar die Druckspitze bei der Verbrennung aufgefangen. Es gleicht
sich jedoch die Flüssigkeit 31 auf Ober- und Unterseite des Kolbens 25 über die
Kanäle 41 und 42 bzw. über den äußeren Umfang des Schleppkolbens 25 hinweg aus.
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Wird die Maschine abgestellt, so kommt die Feder 32, die im Laufe
des vorherigen Betriebes gespannt wurde, wieder zur Wirkung. Sie preßt den Schleppkolben
25 nach unten und bewirkt, daß die unter dem Kolben 25 angesammelte Flüssigkeitsmenge
durch die Spalte zwischen Kolben 25 und Zylinder 29 allmählich wieder nach der Kolbenoberseite
durchsickert. Es ist dann die Ausgangsstellung für das erneute Anlassen mit erhöhter
Kompression erreicht.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen von Maschinen
beschränkt. So kann beispielsweise die Ausbildung des Steuerzylinders und des Schleppkolbens
den jeweiligen Verhältnissen angepaßt werden. Es können mehrere Kolben zur Anwendung
gebracht werden oder es kann ein Steuerzylinder mit einem Schleppkolben bei Mehrzylindermaschinen
gleichzeitig mehreren Zylindern zugeordnet werden.