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Geräuscharme, umlaufende Gegenkolben-C Brennkraftmaschine Die Erfindung
betrifft eine geräuscharme, umlaufende Gegenkolben-Brennkraftmaschine, bei der der
Zylinderstern in irgendeinem übersetzungsverhältnis zwangsweise gegensinnig zur
Drehrichtung der Kurbelwelle limläuft und die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes
in einem rotierenden Hochdruckzylinder zwischen zwei gegenläufig sich bewegenden
Kolben erfolgt und bei der die hochgespannten Verbrennungsgase, die während des
ersten halben Hub\veges der Kolben des Hochdruckzylinders expandieren, während des
zweiten halben Hubweges der Kolben des Hochdruckzylinders in diesem und auch in
einem, in der Drehrichtung gesehen, nachfolgenden Niederdruckzylinder auf der ersten
Hubweghälfte von dessen Kolben weiterexpandieren, und zwar bis auf den Unterdruck
eines nachgeschalteten Absauggebläses, und daß dann durch dieses Absauggebläse die
Abgase abgekühlt und mit Kühlabluft vermischt geräuscharm ins Freie befördert werden.
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Umlaufmotore mit Gegenkolben, deren Zylinder gegensinnig zur Kurbelwelle
in irgendeinem übersetzungsverhältnis rotieren, sind bekannt. Ebenso sind Umlaufmotore
bekannt, bei denen eine Vorverdichtung bzw. Mehrladung der Verbrennungsluft in einem
gesonderten Luftverdichter stattfindet. Geräuscharme Umlaufmotore mit Gegenkolben
und gegensinniger Drehrichtung von Zylinderstern und Kurbelwelle, kombiniert mit
einem Magnetgenerator und einem Maximaldrehmomentverlagerer, deren Geräuschdämpfung
nach dem Prinzip der Interferenz erfolgt, sind neuerdings bekanntgeworden.
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Bekannt sind auch Umlauf-Sternmotore mit feststehender Kurbelwelle
und einer durch die Zahl 2 teilbaren Anzahl von Zylindern, die ihrerseits durch
besonders angeordnete Überströmkanäle miteinander verbunden sind, welche durch die
besonders ausgebildeten Kolben zwangsweise gesteuert werden, und zwar um heiße und
hochgespannte Gase des vorhergehenden Zylinders, in dem die Verbrennung beinahe
ihr Ende erreicht hat, zum nachfolgenden Zylinder, dessen Verbrennung erst begonnen
hat, überströmen zu lassen. Dadurch wird eine kürzere Verbrennungszeit und ein höherer
Arbeitsdruck erzielt. Dieser Sternmotor arbeitet im Zweitakt.
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Eine andere Art von Umlauf-Sternmotoren mit feststehender KurbelweUe
hat eine durch die Zahl 3
teilbare Anzahl von Zylindern, und zwar ist
je zwei Arbeitszylindem ein Verdichterzylinder zugeordnet. Dieser Sternmotor
arbeitet im Zweitakt und der Verdichterzylinder versorgt abwechselnd die beiden
Arbeitszylinder mit vorverdichtetem Kraftstoffgemisch. Die Ein- und Auslaßventile
der Verdichterzylinder werden selbsttätig gesteuert, die der Arbeitszylinder dagegen
zwangsgesteuert. Außerdem sind an den Köpfen der Arbeitszylinder gegen die Drehrichtung
gerichtete trichterförmige Einlaßöffnungen angeordnet, um während des Füllungswechsels
Außenluft mit von der Umlaufgeschwindigkeit des Zylinderkopfes abhängigen Staudruck
in den Verbrennungsraum einzuleiten und dadurch im Verein mit der wirkenden Fliehkraft
die verbrannten Gase rascher und intensiver auszuräumen, dadurch den thermischen
Wirkungsgrad verbessernd.
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Bei diesen Maschinen findet die Eypansion der Gase nur in einem Hochdruckzylinder
statt, wobei der Enddruck etwas über dem atmosphärischen Luftdruck liegt, bei einer
Endtemperatur der Abgabe von etwa 300'C. Die Ausnutzung des Wärmeaufwandes
beträgt bis zu etwa 40 %. Um den thermischen Wirkungsgrad weiter zu verbessern bieten
sich zwei Möglichkeiten an, und zwar erstens Senken der Abgas-Endtemperatur auf
etwa 100' C, bei einem Enddruck von etwas unter dem atmosphärischen Luftdruck,
und zweitens, Verlauf der Expansion in einem Hoch- und in einem Niederdruckzylinder,
analog der insbesondere im Dampfmaschinenbau bewährten Verbundbauweise, die aber
auch bei Brennkraftkolbenmaschinen nicht neu ist, denn es sind bereits Verbund-Brennkraftkolbenmaschinen
mit feststehenden und auch mit umlaufenden Zylindern bekannt.
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Eine Ausführung zeigt z. B. einen feststehenden Niederdruckzylinder
zugeordnet zu zwei feststehenden Hochdruckzylindern. Alle Kolben arbeiten auf die
gemeinsame Kurbelwelle, doch sind die Kurbeln der Hochdruckzylinder, die im Viertakt
arbeiten,
gegen die Kurbeln der Niederdruckzylinder, die im Zweitakt
arbeiten, um 180' versetzt. Durch Steuerung mittels Auslaßventil und Drehschieber
wird erreicht, daß die im Hochdruckzylinder während eines Hubweges auf etwa 4 bis
7 atü expandierten Abgase über einen überströmkanal in den Niederdruckzylinder
gelangen, dort unter Arbeitsleistung bis auf den Enddruck von etwa 1,5 bis
3 atü weiterexpandieren und beim Rückgang des Niederdruckkolbens bei offenem
Auslaß ins Freie ausgeschoben werden. Während der Expansion im Niederdruckzylinder
steht dieser mit dem Hochdruckzylinder in Dauerverbindung.
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Eine andere Ausführung einer Verbund-Brennkraftkolbenmaschine zeigt
vier feststehende V-förmig angeordnete Hochdruckzylinder, über denen ein Niederdruckzylinder
angeordnet ist. Dieser Niederdruckzylinder arbeitet in einem Drehschieber und überträgt
seine Leistung mittels Exzenter auf die Welle, die ihrerseits parallel zu der Kurbelwelle
angeordnet ist und zwangläufig mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle rotiert.
Der Drehschieber wird von der gleichen Welle mittels Exzenter bewegt. Die Hochdruckzylinder
arbeiten im Zweitakt. Im Hochdruckzylinder expandieren die Gase, bis der Hochdruckkolben
die Auslaßschlitze freigibt, so daß die Überdruckgase über einen Überströmkanal
und Drehschieber in den schädlichen Raum des Niederdruckzylinders strömen können
und in diesem bei weiterer Expansion durch Bewegen des Niederdruckkolbens zum anderen
Totpunkt hin, wo sich der Auslaß ins Freie öffnet, Arbeit leisten. Dieses Spiel
wiederholt sich, durch den Drehschieber gesteuert, in bestimmter Reihenfolge für
alle vier Hochdruckzylinder.
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Bei der bekanntgewordenen Verbund-Brennkraftkolbenmaschine mit unilaufenden
Zylindern enthält der um eine feststehende Kurbelwelle rotierende Zy-Enderträger
je sechs axial gestellte Haupt- und Nachexpansionszylinder.
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Es liegt nun die Aufgabe vor, eine besonders geräuscharme Gleichdruck-Umlauf-Gegenkolben-Verbundbrennkraftmaschine
mit einem hohen Wirkungsgrad zu schaffen.
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Bei dem Motor gemäß der Erfindung wird, um dies zu erreichen, die
Frischluft im äußeren Verdichtungsraum des Niederdruckzylinders vorverdichtet, dann
nach überleitung in den Hochdruckzylinder auf die Endspannung kompriniierL Nach
Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung bei etwa 5,25 1/o Füllung erfolgt
die Expansion zuerst im Hochdruckzylinder, dann nach Oberströmen eines Teiles der
Gase zum Niederdruckzylinder in beiden Zylindern, und die Endspannung liegt etwas
unter dem atmosphärischen Luftdruck, verursacht durch die ein Vakuum erzeugende
Wirkung eines nachgeschalteten Absauggebläses, und zwar bei gleichzeitig erreichter
guter Lärmdämpfung.
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Gemäß der Erfindung weist der dem Hochdruckzylinder (1, 111),
in der Drehrichtung gesehen, folgende und auf dessen Längsachse senkrecht stehende
Niederdruckzylinder (11, IV) einen zusätzlichen Vorverdichtungsraum
(E) für Frischluft zwischen Zylinderkopf und Kolbenoberfläche auf. Die in
dem zusätzlichen Vorverdichtungsraum (E) vorven# dichtete Frischluft kann
durch eine Verbindungsleitung (12) mittels eines selbsttätigen, auf halben Kompressionsdruck
eingestellten Druckventil (12') in den Verbrennungsraum (C) des, in der Drehrichtung
gesehen, vorhergehenden Hochdruckzylinders strömen kann, in dem sie auf die Endspannung
komprimiert wird. Nach der Einleitung der Verbrennung und nach der Expansion während
des ersten halben Hubweges der Kolben des Hochdruckzylinders (1, HI) gibt
der Gegenkolben (2), der dem Einfachkolben (5)
etwa um 1,75% des Hubes nacheilt,
den überströmkanal (17) zum Niederdruckzylinder (II, IV) frei. Nach weiterer
Expansion während des zweiten halben Hubweges der Kolben des Hochdruckzylinders
(1, 111) und während des ersten halben Hubweges der Kolben des Niederdruckzylinders
(11, IV) öffnet der Gegenkolben (7) im Niederdruckzylinder, der dem
Einfachkolben (7') im Niederdruckzylinder ebenfalls etwa um 1,75 % des Hubes
nacheilt, den Auslaß (20) zu den miteinander verbundenen Abgassammelräumen (22),
die den vom Absauggebläse (23) bewirkten Unterdruck aufweisen. Die Abgase
werden durch hohle, breitgedrückte, fächerförmig angeordnete Rohrarme
(23) des nachgeschalteten Absauggebläses nach außen geschleudert, und zwar
unter gleichzeitiger Abküh-
lung durch in den Zwischenräumen (24') der Rohrarme
(23) zwangsweise nach außen bewegte Kühlluft.
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Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel, einer Vierzylinder-Verbundmaschine,
in den schematischen Zeichnungen dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 a einen
Längsschnitt durch die Hochdruckzylinder nach der Linie A -A der Fig.
2 a, Fig. 1 b einen Längsschnitt durch die Niederdruckzylinder nach der Linie
B-B der Fig. 2b,
Fig. 2a einen Querschnitt mit Kompression im Raum
C 1,
Fig. 2 b einen Querschnitt mit Kompression im Raum
E IV und Fig. 3 a bis 3 f Querschnitte mit den Kolbenstellungen
während einer halben Kurbelwellenumdrehung. Aus erklärungstechnischen Gründen wurden
die überström- und die Frischluftleitungen in die Zeichenebene gedreht.
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Es ist bezeichnet: das Maschinengehäuse mit MGH, die Kurbelwelle mit
KW, der Maximaldrehmomentverlagerer mit doppeltem Riementrieb bei einem übersetzungsverhältnis
von 1: 2 und Freilaufkränzen auf den Kurbelwellenscheiben mit MV,
der Magnetgenerator nach dem deutschen Patent 1027 301 mit MG,
die Hochdruckzylinder mit I und III, die Niederdruckzylinder mit Il und IV, die
Verbrennungsräume der Hochdruckzylinder mit C, die Expansionsräume der Niederdruckzylinder
mit D, die Vorverdichtungsräume der Niederdruckzylinder mit E, der
äußere Hochdruckzylinder mit 1, dessen Gegenkolben mit 2, dessen Pleuel mit
3, die auf den Kurbelzapfen arbeiten, der, um den Nacheilweg von 1,759/o
des Hubes zu erzielen, in bezug auf den Kurbelzapfen für die Pleuel 4 des Einfachkolbens
5 entsprechend aus der 180'-Ebene heraus gedreht ist. Der äußere Niederdruckzylinder
ist mit 6 bezeichnet, sein Gegenkolben mit 7, seine Pleuel mit
8, der Nacheilweg des Gegenkolbens 7 gegenüber dem Einfachkolben
7' mit seinem Pleuel 8' beträgt ebenfalls 1,75 % vom Hub. Weitere
Bezeichnungen sind für die Frischluftzuführung 9, für ihr selbsttätiges Ansaugventil
9'. Der Einlaßschlitz zum Vorverdichtungsraum E hat die Ziffer
10, dessen Auslaßschlitz ist mit 11 bezeichnet, die Verbindungsleitung
mit 12, deren selbsttätiges, auf halben Kompressionsdruck eingestelltes Druckventil
mit 12', der äußere Einlaßschlitz des Hochdruckzylinders mit 13, der Einlaßschlitz
im Gegenkolben 2 mit 14, sein Auslaßschlitz mit 15, der
Einlaßschlitz
im Hochdruckzylinder für die Spülluft mit 16, der Überströrnkanal mit
17, dessen selbsttätiges Druckventil mit 17', der Einlaßschlitz im
äußeren Niederdruckzylinder mit 18, der einen halben Hubweg lange Einlaßschlitz
im Gegenkolben mit 19, der einen halben Hubweg lange Auslaßschlitz im Gegenkolben
mit 20, der Auslaßkanal mit 21, die untereinander verbundenen Abgassammelräume mit
22, die hohlen Absauggebläse-Rohrarme mit 23, der Kühlluftverteilerraum mit
24, die Zwischenräume zwischen den Rohrräumen für die Luftkühlung mit 24', der spiralig
sich erweiternde Abgas- und Abluftkanal mit 25 und dessen Ausgang ins Freie
mit 26.
Alle nicht beschriebenen und gezeichneten Teile wie Kraftstoffversorgung,
Schmierung, Regelung werden als bekannt vorausgesetzt.
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Gaswege: Außenluft tritt zentral ins Kurbelgehäuse und in den Kühlluftverteilerraum
24 ein, strömt unter Überdruck über Frischluftleitung 9, Ansaugventil
9',
Einlaßschlitz 10 in den Vorverdichtungsraum E, wird hier
vorverdichtet und über Auslaßschlitz 11, Verbindungsleitung 12, Druckventil
12', Einlaßschlitz 13
und 14 in den Verbrennungsraum C gedrückt, wird
hier auf Höchstdruck komprimiert, und wenn der Gegenkolben noch 1,7511/o des Hubes
vor dem Totpunkt steht, beginnt die Einspritzung und Verbrennung des Kraftstoffes,
und zwar so lange, bis der Gegenkolben 1,7511io des Hubes nach dem Totpunkt steht,
was einer FüHung von 5,25 O"o ohne jeden schädlichen Raum entspricht. Nach
der Expansion während der ersten Hubweghälfte strömen die noch hochgespannten Gase
über Auslaßschlitz 15, Überströmkanal 17, Druckventil 17',
Einlaßschlitze 18 und 19 in den Expansionsraum D. Nach weiterer
Entspannung in den Räumen C und D während der weiteren Hubweghälfte
gelangen die Abgase über Auslaßschlitz 20, Auslaßkanal 21 in die Abgassammelräume
22, die dem Unterdruck des Absauggebläses unterliegen. Von hier aus werden die Abgase
durch die hohlen Absauggebläsearme 23 nach außen geschleudert und über den
Abgas- und Abluftkanal 25 und Ausgang 26
geräuscharm ins Freie geführt.
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Kühlluftwege: Kühlluft aus Kurbelgehäuse und Kühlluftverteilerraum
24 durchspült einerseits die Maschine und kühlt die Zylinder und den Generator,
andererseits strömt sie zum Teil durch die Zwischenräume 24' nach außen in den Abgas-
und Abluftkanal 25 und wird durch den Ausgang 26 mit den Abgasen innig
vermischt ins Freie gedrückt.
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Wirkungsweise: Der Motor wird durch den Magnetgenerator
MG, der als Anlaßmotor arbeitet, angeworfen und auf die dem Maximaldrehmomentverlagerer
MV zugrunde liegende Drehzahlsumme, aus Drehzahl der Kurbelwelle plus Drehzahl
des Zylindersterns gebracht. Dabei herrscht vor dem Einlaßschlitz 10 überdruck,
in den Abgassammelräumen dagegen infolge der Absauggebläsewirkung Unterdruck. Die
Frischluft strömt über das selbsttätige Ansaugventil 9'
in den Raum
E des Zylinders 11 (Fig. 2 b und 3 b)
und wird hier auf
die Zwischenstufe während eines ganzen Hubes des Niederdruck-Gegenkolbens
7 vorverdichtet. In diesem Zeitpunkt steht der Einfachkolben 5 des
Hochdruckzylinders 1 (Fig. 2 b und 3 d)
auf Hubwegmitte des
Einlaßschlitz 13 korrespondiert mit dem Einlaßschlitz 14, und die vorverdichtete
Frischluft strömt in den Raum C des Zylinders 1.
Beim weiteren halben
Hubweg des Kolbens 5 und des Gegenkolbens 2 im Hochdruckzylinder
1 wird die FrischIuft weiter auf Höchstdruck komprimiert (Fig.
3 e), dabei steht der Gegenkolben 2 noch 1,75 11/o des Hubes vor dem
Totpunkt. Im Hochdruckzylinder 111 steht der Kolben 5 im inneren Totpunkt,
der Gegenkolben noch 1,75 % des Hubes vor dem äußeren Totpunkt (Fig.
3 e), im Zylinder II steht der Einfachkolben 7' im Hingang zum äußeren
Totpunkt auf Hubwegmitte, der Gegenkolben 7 jedoch 1,75 11/o des Hubes
vor der Hubwegmitte. Im Niederdruckzylinder IV ist die gleiche Stellung, jedoch
bewegt sich der Einfachkolben 7' auf dem Rückweg vom äußeren Tolpunkt (Fig.
2 a und 3 e).
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Im Hochdruckzylinder 1 erfolgt nun die Kraftstoffeinspritzung
und damit der Beginn der Verbrennung, die zu Ende ist, wenn der Gegenkolben 2 bereits
1,75 % des Hubes über den Totpunkt hinaus sich auf dem Rückgang befindet.
Während der ersten Hubweghälfte expandieren die Gase nur im Raum C des Hochdruckzylinders
1 (Fig. 2 b und 3 f). In Hubwegmitte werden die Auslaßschlitze
15 des Zylinders 1
und die Einlaßschlitze 18 und 19 des
Zylinders 11 f reigegeben, die Gase dehnen sich im überströmkanal
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aus, um dann beim weiteren halben Hubweg sowohl im Raum C des Hochdruckzylinders
1 als auch im Raum D des Niederdruckzylinders 11 weiterzuexpandieren.
Wenn im Hochdruckzylinder 1 die erste Hubwegmitte des Kolbens 2 erreicht
ist, herrscht im Raum D des Niederdruckzylinders 11 Kompression der
Restgase, und im Raum E Ansaugen von Frischluft (Fig. 3f). Während
der zweiten Hubweghäifte des Kolbens 2 im Hochdruckzylinder 1 und der ersten
Hubweghälfte des Kolbens 7 im Niederdruckzylinder 11 (Fig.
3 c) expandiert das Gas bis auf Unterdruckspannung, da nun im Niederdruckzylinder
11 der Auslaß über Auslaßschlitz 20 und Auslaßkanal 21 zu den Abgassammelräumen
22 freigegeben wird. Infolge des Unterdruckes werden die Abgase geräuscharm aus
den Räumen C und D sowie aus dem Überströmkanal durch die Absauggebläsewirkung
herausgezogen. Im Zylinder 1 ist der Einlaßschlitz 16 für direkte
Spülluft frei, so daß unmittelbare Frischluftdurchspülung im Hochdruckzylinder
1 und somit eine günstige Wirkung auf den thermischen Wirkungsgrad erreicht
wird. Während des Kolbenrückganges um den halben Hubweg im Hochdruckzylinder
1 Wig. 3 d)
und um den zweiten halben Hubweg im Niederdnickzylinder
11 erfolgt im Raum D des Niederdruck-zylinders 11 weitere Entlüftung
durch die Absauggebläsewirkung, im Raum E dagegen Kompression und überleitung
der vorverdichteten Luft zum Raum G
des Hochdruckzylinders 1, wo sie
weiterverdichtet wird. Dieses Spiel wiederholt sich laufend. In den Zylindern
111 und IV erfolgt das gleiche Spiel, jedoch mit einer Phasenverschiebung
von 180'.
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Die Vorteile und der technische Fortschritt liegen außer in der Geräuscharmut
und dem geringen Baugewicht pro PS vor allem in dem hohen thermischen Wirkungsgrad,
der nahezu die überhaupt mögliche Größe erreicht, in dem geringen Brennstoffverbrauch
pro PSh, in der stark verminderten Giftigkeit des Gemisches von Abgas und Abluft
und in der Verwendungsmöglichkeit bei stationären Anlagen wie auch bei Schnell-
oder Langsamläufermotoren für Fahrzeuize.