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Brennkraftschlaggerät, insbesondere Brennkraftramme Die Erfindung
bezieht sich auf ein Brennkraftschlaggerät, insbesondere Brennkraftramme, mit einem
mehrstufigen, in einem Zylinder geführten Schlagkolben, dessen Rückhub durch den
Verbrennungsdruck eines Gemisches aus komprimierter Luft und Brennstoff erfolgt,
und mit einem auf der der Verbrennungskammer abgewendeten Seite des Schlagkolbens
als Luftverdichter ausgebildeten Zylinderraum, der mit der Verbrennungskammer über
ein vom Verbrennungsdruck zu schließendes Rückschlagventil verbunden ist.
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Bei einer solchen Brennkraftramrne od. dgl. soll die Kompression beim
Schlaghub dadurch vermieden werden, daß die beim Rückhub komprimierte Luft in einem
Druckluftbehälter gespeichert und erst am Ende des Schlaghubes in die Verbrennungskammer
eingeblasen wird, während das Austreten der restlichen verbrannten Gase aus dem
Verbrennungsraum durch einen beim Schlaghub offenen Hilfsauspuff erfolgt.
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Hierfür wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß beim Schlaghub die
Verbindungsleitung vom Verdichtungsraum zur Verbrennungskammer über einen Druckluftvorratsbehälter
für die Verbrennungsluft geführt und vor ihrer durch das Rückschlagventil gesicherten
Einmündung in die Verbrennungskammer mit einem Lufteinspritzventil versehen ist,
dessen Steuerglieder zum Öffnen des Lufteinspritzventils am Ende des Schlaghubes
vom Schlagkolben betätigt werden, und ferner, daß nahe der Verbrennungskammer ein
Hilfsauspuff mit einem Auslaßventil angeordnet ist, das von einem Differentialdruckkolben
in einem einerseits mit dem Druckluftvorratsbehälter und andererseits mit der Verbrennungskammer
verbundenen Zylinder derart gesteuert ist, daß der Hilfsauspuff während des Schlaghubes
offen ist.
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Bekannt ist eine Brennkraftramme, die zwar einen gesteuerten Hilfsauspuff
aufweist, bei der aber das zündfähige Gemisch nach dem Schlaghub in die Verbrennungskammer
gesaugt wird, so daß eine Verdichtung nicht stattfindet und das Problem, das Gemisch
zu verdichten, ohne den Schlaghub zu bremsen, nicht auftritt.
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Ferner sind Brennkraftrammen bekannt, bei welchen die Verbrennungsluft
beim Schlaghub verdichtet wird. Soweit diese Rammen beim Rückhub vorverdichtete
Luft erzeugen, wird diese nach dem Auspuffen ausgeblasen und dient zunächst zum
Spülen der Brennkammer, wobei die Verdichtung auf den Zünddruck beim Schlaghub erfolgt.
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Bekannt ist ferner die Anwendung eines Gas- oder Luftpolsters zur
Verstärkung des Schlaghubes.
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Das Anlassen der Ramme durch Druckluft oder Druckgas aus einem Vorratsbehälter
und das Aufladen des Behälters von außen sind ebenfalls bekannt.
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Durch den Erfindungsvorschlag werden viele Vorteile erzielt.
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Da eine Dämpfung für den Arbeitshub des Kolbens verhindert wird, hat
die Ramme eine maximale Leistungsfähigkeit. Das oberhalb des Kolbenkopfes befindliche
Luftkissen liefert Rückschlag- und nach abwärts gerichtete Beschleunigungskräfte,
so daß der Arbeitshub ein Krafthub ist, wodurch die Ramme beschleunigt wird.
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Die Freigabe des Druckes unterhalb des Kolbenkopfes durch den Hilfsauspuff
beim Arbeitshub erfolgt automatisch. Das Abschließen des Hilfsauspuffes am Ende
des Arbeitshubes und während des ganzen Kraftaufwärtshubes verhindert eine Störung
der Verbrennung und Kraftentwicklung.
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Der Hilfsauspuff sichert durch die Verteilung der unbrauchbaren Gase
beim Kolbenabwärtshub eine wirksamere Brennstoffinischung, was noch dadurch gefördert
wird, daß frische, reine Kompressionsluft unterhalb des Kolbenkopfes am Schluß des
Hubes eingespritzt wird. Infolge dieser reinen Mischung aus Brennstoff und Luft
wird eine größere Kraft erzeugt. Das Luftpolster oberhalb des Kolbenkopfes sorgt
für einen schnellen, kraftvollen Schlag.
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Das Schlaggerät kann unmittelbar durch die komprimierte Luft angelassen
werden. Seine Steuerung erfolgt nämlich durch ein einfaches Luftventil. Das Schlaggerät
besteht nur aus relativ wenigen Teilen.
Die Ramme wird genau geführt
und kann gut geschmiert gehalten werden. Das ruhige laufende Arbeiten des Schlaggerätes
wird dadurch unterstützt, daß durch. die unterhalb des breiteren Kolbenkopfes durch
die ringförmige Verbrennungskammer auftretende Kraft, wobei sich ein Luftkompressor
oberhalb des Kolbenkopfes befindet, die Belastungen ausgeglichen werden. Das Anlassen
und Arbeiten des Schlaggerätes mit Hilfe von Kompressionsluft hat den Vorteil, daß
eine Reinigung des Zylinders von möglicherweise überflüssigem öl, Kohle- und anderen
unerwünschten Teilchen erreicht wird.
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Die Ramme und der Kolben können aus einem Stück bestehen. Der untere
Teil dient als Ramme und der breitere Teil als Kolbenkopf. Er arbeitet als Luftkompressor
in der Luftkompressionskammer am oberen Zylinderende.
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In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Ramme gemäß
der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform,
in welchem der Schlagkolben am Ende seines Schlaghubes gezeigt ist, wobei ein Ventil
zum Einspritzen einer komprimierten Luftmenge für die Verbrennung unterhalb des
Kolbenkopfes geöffnet wird, Fig. 2 im größeren Maßstab einen Schnitt durch den Druckluftvorratsbdhälter
nach der Linie 2-2 in Fig. 1, aus dem sich Einzelheiten des Einspritzventils ergeben,
welches in diesem Fall geschlossen ist, wobei links von diesem Ventil das Differentialdruckventil
gezeigt ist, welches einen unmittelbar über der Verbrennungskammer angeordneten
Hilfsauspuff steuert, Fig. 3 einen Schnitt der gleichen Teile wie in Fig. 2 in einer
Ebene rechtwinklig zur Ebene der Fig. 2, Fig.4 einen Längsschnitt einer anderen
Ausführungsform der Ramme, in welchem sich der Schlagkolben oben in seinem Aufwärtshub
befindet, Fig. 5 im größeren Maßstab einen Querschnitt nach der Linie 5-5 in Fig.
4 in Höhe der Hauptauspüffe, Fig. 6 im größeren Maßstab einen Querschnitt nach der
Linie 6-6 in Fig. 4 m Höhe der ringförmigen Verbrennungskammer, Fig.7 im größeren
Maßstab einen Längsschnitt durch das Di$exentialdruckventil der Ramme gemäß Fig.
4 mit gesenktem Diüerentialdruckkolben und geöffnetem Auslaßventil und Fig. 8 einen
Schnitt der gleichen Teile nach der Linie 8-8 in Fig. 7.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 weist der Schlagkolben
10 zwei verschiedene Durchmesser auf. Der untere Teil bildet das Schlagglied,
der größere Teil ist der Kolbenkopf 11. Der Schlagkolben 10 arbeitet
in einem Rammzylinder 12 gleichfalls mit zwei verschiedenen Durchmessern. Der Rammzylinder
12
weist einen unteren Führungsteil 13 und einen oberen Teil mit dem
größeren Durchmesser zur Bildung eines Luftverdichtungsraumes 14 auf. An der Verbindungsstelle
des größeren und schmaleren Zylinderteils ergibt sich eine ringförmige Verbrennungskammer
15 unterhalb des Kolbenkopfes 11.
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Der obere Verdichtungsraum 14 ist mit einem unter Ventileinfluß
stehenden Lufteinlaßkanal 16 auf der einen Seite und einem Auslaßkanal
17 auf der gegenüberliegenden Seite versehen. Beide Kanäle befinden sich
in der Nähe des oberen Endes des Verdichtungsraumes 14, aber noch weit genug unterhalb
von dessen Deckel, um ein Luftpolster zu bilden, nachdem der Kolbenkopf
11 an .den Kanälen 16, 17 vorbeigegangen ist. Der Auslaßkanal 17 ist mit
einem Freigabeventil 18 versehen, welches in einen Druckluftvorratsbehälter 19 mündet.
Er ist die Quelle zur Lieferung von Druckluft für die Verbrennung.
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Der Druckluftvorratsbehälter 19 ist gemäß Fig. 2 und 3 mit einem federbeaufschlagten
Lufteinspritzventi120 an seinem Boden versehen, welches einen Lufteinspritzkanal21
steuert, der eine Einmündung 22 in die ringförmige Verbrennungskammer
15 und ein Rückschlagventil 23 aufweist.
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Ein Stößel 24 des Lufteinspritzventils 20 ragt durch
eine Führung 25 hindurch nach unten, wo er durch einen Winkelhebel 26 betätigt
werden kann, der mit einem Gelenk 27 schwenkbar am Rammzylinder 12 gelagert ist
und durch eine Feder 28 an das Außenende eines Stößels 29 gedrückt wird.
Der Stößel 29 ist in einem Querlager 30 am unteren Ende des Führungsteils
13 des Rammzylinders 12 geführt und trägt an seinem inneren Ende eine
in die Zylinderbohrung ragende Rolle 31 für den Eingriff mit einem Nocken
32 am unteren Ende des Kolbens.
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Fig. 1 zeigt, wie gerade der Nocken 32 die Rolle 31 gefaßt hat, wodurch
der Winkelhebel 26 nach links verschwenkt und das Lufteinspritzventi120 geöffnet
ist.
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Wie Fig. 1 zeigt, sind über dem Rammzylinder 12 Brennstoffeinspritzpumpen
33 gelagert. Sie werden durch einen konischen Nocken 34 am oberen Ende einer
Stange 35 in Tätigkeit gesetzt, welche am Kolbenkopf 11 befestigt ist. Die Pumpen
sind durch Rohre 36 mit Düsen 37 verbunden, welche in die Verbrennungskammer
15 münden. In. Fig. 1 hat der Nokken 34 die Einspritzpumpen betätigt, damit Brennstoff,
z. B. Benzin, in die ringförmige Verbrennungskammer 15 im wesentlichen nach oder
unmittelbar nach Ausführung des Rammschlages eingespritzt wird.
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Eine Zündkerze 38 ist zum Entzünden der verbrennbaren Mischung aus
komprimierter Luft und Brennstoff vorgesehen, wobei die Luft ungefähr am Ende des
Schlaghubes des Schlagkolbens 10 in die Verbrennungskammer 15 eingespritzt
wird.
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Die Zündeinstellung erfolgt durch einen Nocken 39 am oberen Ende der
Nockenstange 35 zum Schließen oder Unterbrechen eines Kontaktes. Es kann auch eine
andere Zündvorrichtung, z. B. ein heißes Rohr od. dgl., benutzt werden.
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Gemäß Fig. 1 befindet sich ein Auspuff 40 im breiteren Teil des Rammzylinders
12 in einer Höhe derart, daß er vorn Kolbenkopf 11 nahe am Ende des Aufwärtshubes
freigegeben wird. Mehrere solche Auspüffe können vorgesehen sein, wenn dies für
notwendig oder wünschenswert erachtet wird.
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Zur Vermeidung einer Verlangsamung, die sich aus der Dämpfung des
Schlaghubes oder aus der Verwendung des Schlaghubes für Kompressionszwecke ergeben
würde, dient ein zusätzlicher Hilfsauspuff 41
bei der ringförmigen Verbrennungskammer
15 in einer solchen Höhe, daß er vom Kolbenkopf 11 bis nahe oder ungefähr am Ende
des Abwärtshubes frei bleibt.
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Der Hilfsauspuff 41 für die Druckfreigabe ist während des Kraftaufwärtshubes
des Schlagkolbens 10
geschlossen zu halten, während er beim Kolbenabwärtshub
offen ist, wenn der Hauptauspuff 40 durch den heruntergehenden Kolbenkopf
11 verdeckt ist.
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Hierfür dient ein Auslaßventü 44 gemäß Fig. 1, 2 und 3, welches das
Entweichen des Druckes aus dem Hilfsauspuff 41 steuert. Es besteht aus einem
Zylinder
42, der einen Differentialdruckkolben
43 enthält, und einer Ventilkugel.
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Die Kugel des Auslaßventils 44 wird durch den Differentialdruckkolben
43 zum Schließen des Hilfsauspuffs 41 in Eingriff mit einem Ventilsitz
45 am Ende eines Rohres 46 des Hilfsauspuffs 41 gebracht.
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Der Kopf des Zylinders 42 ist mit Auspufföffnungen 47 versehen, welche
in den Ventilsitz 45 münden. Wird also der Diffferentialdruckkolben 43 gemäß Fig.
2 gesenkt, so wird das Auslaßventil 44 geöffnet und gibt die Verbindung zwischen
dem Rohr 46 und den Auspufföffnungen 47 frei, so daß Gase unterhalb des Kolbenkopfes
11 entweichen können. Dieses Entweichen wird unterbrochen, wenn sich der Differentialdruckkolben
43 hochhebt, wodurch das Auslaßventil 44 geschlossen wird. Für die
Betätigung des Differentialdruckkolbens 43 wird die für das Anlassen und für die
Aufrechterhaltung der Verbrennung komprimierte Luft verwendet.
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Hierfür ist eine Verbindung 48 vom Lufteinspritzkanal
21 unterhalb des Lufteinspritzventils 20 abgezweigt, um komprimierte Luft
der unteren, größeren Kolbenfläche 49 des D.ifferentialdruckkolbens
43 zuzuführen. Weiter ist eine Verbindungsleitung 50 vom Druckluftvorratsbehälter
19 für die ringförmige Kammer 51 abgezweigt, in der sich die obere, kleinere ringförmige
Kolbenfläche 52 des Differentialdruckkolbens 43 befindet.
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Da der Vorratsbehälterdruck auf beiden Seiten des Differentialdruckkolbens
43 herrscht, steigt der Differentialdruckkolben 43 infolge des Druckes
auf die untere, größere Kolbenfläche 49 hoch und hält das Auslaßventil 44 geschlossen,
so daß keine Verbrennungsgase aus dem Hilfsauspuff 41 entweichen können.
Dieser Zustand besteht unabhängig davon, ob das Lufteinspritzventil 20 offen
oder geschlossen ist, während des Einspritzens der Druckluft in die Verbrennungskammer
15 und so lange, wie der Druck in der Verbrennungskammer das Rückschlagventil
23 in dem Lufteinspritzkanal 21 (Fig. 3) geschlossen hält.
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Während des Einspritzens von Druckluft unterhalb des Kolbenkopfes
11 und während des vorhandenen Verbrennungsdruckes beim Kraftaufwärtshub des Schlagkolbens
10 bleibt also der Hilfsauspuff 41 geschlossen. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß der
Hilfsauspuff 41 gegen den Explosionsdruck geschützt ist, weil er durch den
Kolbenkopf 11 abgedeckt ist, wenn sich der Schlagkolben 10 in seiner
unteren Lage befindet, Gibt der Kolbenkopf 11 den Hauptauspuff 40 bei seinem Aufwärtshub
frei, so wird der Druck unterhalb des Kolbenkopfes 11 vermindert, und das Rückschlagventil23
öffnet sich. Da das Lufteinspritzventil 20 geschlossen ist, sinkt in den
Kanälen 21 und 48
und damit an der unteren Kolbenfläche 49 des Differentialdruckkolbens
43 der Druck. Infolgedessen überwiegt der Druck auf der oberen ringförmigen Kolbenfläche
52, so daß der Differentialdruckkolben 43 gesenkt und das Auslaßventil
45 geöffnet wird und damit die Verbindung des Hilfsauspuffs 41 mit
den Auspufföffnungen 47 freigibt.
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Dieser Zustand besteht während der ganzen oder praktisch während der
ganzen Abwärtsbewegung des Kolbenkopfes, so daß die unterhalb des Kolbenkopfes
11 gefangenen Gase entweichen können, nachdem der Kolbenkopf 11 über
den Hauptauspuff 40 nach unten vorbeigegangen ist.
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Befindet sich der Schlagkolben 10 gemäß Fig. 1 unten, so ist das Lufteinspritzventil
20 offen. Infolgedessen kann die Ramme durch komprimierte Luft angelassen
werden.
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Luft kann für diesen Zweck aus einem besonderen Vorratsbehälter entnommen
werden, der durch einen Anschlußstutzen 53 mit dem Druckluftvorratsbehälter
19 über ein Steuerventil 54 verbunden ist. Ist die Ramme durch komprimierte
Luft angelassen, so wird sie automatisch die Arbeit aufnehmen und infolge der Verbrennungsvorgänge
bei Zündung des Brennstoffgemisches fortsetzen.
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Die Maschine kann während ihrer normalen Arbeitsperioden komprimierte
Luft aufspeichern, die für alle Anlaß- und Arbeitszwecke ausreicht. Wenn es aber
für wünschenswert gefunden wird, kann eine andere oder zusätzliche Quelle komprimierter
Luft benutzt werden.
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Eine abgeänderte Form der Ramme ist in Fig. 4 bis 8 gezeigt. Sie ist
im allgemeinen ähnlich der beschriebenen. Entsprechende Bezugszeichen sind, wenn
möglich, hierbei verwendet.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist der Schlagkolben 10 oberhalb
des Kolbenkopfes 11 um ein Führungsstück 55 mit einem kleineren Durchmesser
verlängert, das sich in einer Zylinderverlängerung befindet. Dadurch entsteht ein
Luftverdichtungsraum 56 mit einem Einlaß- und Freigabeventil 57 bzw.
58, wobei sich ein Luftkissen 59 oberhalb eines Auslaßkanals
60 bilden kann.
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Ein Druckluftvorratsbehälter 61 ist um den Luftkompressorzylinder
angebracht. Das Ventil 58 mündet unmittelbar in den Vorratsbehälter 61. Eine Leitung
62 erstreckt sich vom Vorratsbehälter 61 zum Lufteinspritzventil 20.
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In der Leitung 62 befindet sich vor dem Lufteinspritzventil
20 das Steuerventil 54 mit einer Zuschnur 63, mit der es geöffnet
oder geschlossen gehalten werden kann, um die Ramme anzulassen oder anzuhalten.
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Der Rammzylinder weist zwei Hauptauspüffe 64 auf (Fig. 4 und 5). Sie
sind durch nach abwärts verlaufende Kappen 65 geschützt. Die Ramme gemäß Fig. 4
ist ebenfalls mit einem Differentialdruckventilmechanismus zur Steuerung des Hilfsauspuffs
78 versehen. Die Einzelheiten sind in Fig. 7 und 8 gezeigt. Er besteht aus einem
Zylinder 66 mit einem Differentialdruckkolben 67 mit der oberen, kleineren Kolbenfläche
68, welche dem Vorratsbehälterdruck durch einen Kanal 69 ausgesetzt ist,
der vom Boden des Vorratsbehälters 61 nach unten führt. Die untere, große Kolbenfläche
70 des Differentialdruckkolbens 67 ist über einen Kanal 71 dem Verbrennungskammerdruck
ausgesetzt. Der Kanal 71 mündet mit einer Öffnung 72 in das untere Ende der
ringförmigen Verbrennungskammer 15. Der Differentialdruckkolben 67 hat gemäß Fig.
7 außen eine Nockenfläche 73 für den Eingriff mit einer Kugel 74, um ein federbelastetes
Auslaßventil 75 von einem Ventilsitz 76 wegzudrükken und das Entweichen der Verbrennungsgase
aus den Auspufföffnungen 77 (Fig. 8) der Hilfsauspüffe zu steuern.
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Diese Form des Differentialdruckventilmechanismus arbeitet in der
schon beschriebenen Weise, um die Hilfsauspüffe beim Kolbenaufwärts:hub geschlossenzuhalten
und beim Kolbenaufwärtshub zu öffnen und offenzuhalten.
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Die Kanäle 71 und 72 (Fig. 7) lassen die vom Lufteinspritzventil
20 eingespritzte Druckluft aus dem Vorratsbehälter 61 auf die untere, große
Kolbenfläche
70 des Differentialdruckkolbens 67 einwirken, um den
Luftdruck, welcher über den Kanal 69 auf die obere, kleine Kolbenfläche 68 einwirkt,
zu überwinden, so daß der Kolben 67 hochgehoben und das Auslaßventil 75 geschlossen
wird, wodurch die Verbindung der Hilfs.auspüffe 78. mit der Außenluft unterbrochen
wird, bis der Druck in der ringförmigen Verbrennungskammer 15 durch Öffnen
der Auspüffe 64 infolge des hochsteigenden Schlagkolbens 10 vermindert
wird. Infolge dieser Verminderung des Druckes im Rammzylinder sinkt der Druck unter
der unteren Kolbenfläche 70 des Differentialdruckkolbens 57. Es kann
dann der Druck oberhalb des Differentialdruckkolbens 57 auf ihn derart einwirken,
daß er gemäß Fig. 7 nach unten bewegt wird, wodurch das federbeaufschlagte Auslaßventil75
und damit die Hilfsauspüffe 78 geöffnet werden.
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Der ringförmige Raum 79 in Fig. 4 oberhalb des Kolbenkopfes
11 wird durch einen Kanal 80 und ein Luftfilter 81 entlüftet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird der Winkelhebel
26 zum Hochheben des Stößels 24 des Lufteinspritzventils
20 unmittelbar durch den Nocken 32 am unteren Ende des Schlagkolbens
10 betätigt.
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Alle drei Arbeitsvorgänge, nämlich Zuführung komprimierter Luft, Brennstoffeinspritzung
und Zündung des Brennstoffgemisches, erfolgen am oder ungefähr am Ende des Abwärtshubes
und können infolgedessen durch den Nocken 32 am unteren Ende des Schlagkolbens
10 ausgeführt werden. So kann bei einer Konstruktion gleich der in Fig. 4
gezeigten nur ein einziger Stößel verwendet werden, der durch den Nokken
32 beeinflußt wird, um eine Brennstoffeinspritzvorrichtung und einen Zündungsschalter
zu betätig8n, . ebenso auch das Lufteinspritzventil 20 zu öffnen.