DE157565C

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Publication number: DE157565C
Application number: DE1903157565D
Authority: DE
Filing date: 1903-05-26
Anticipated expiration: 1923-05-27

Description

des

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KAISERLICHES

PATENTAMT. \$

Um bei einer Verbrennungskraftmaschine eine höhere Verdichtung und damit einen höheren thermischen Wirkungsgrad als bisher erreichen zu können, ist es vor allem wesentlieh, daß der Brennstoff in solcher Weise verdichtet wird, daß Frühzündungen durch die \^erdichtungswärme ausgeschlossen sind. Auf jeden Fall muß also der Brennstoff in einer besonderen Pumpe verdichtet werden, da er

ίο im Arbeitszylinder selbst für die während der Verdichtung erforderliche Kühlung zu wenigzugänglich ist.

Bei einer vollständig getrennten Verdichtung von Brennstoff und Luft ist außerdem eine große Schwierigkeit, nach erfolgter Verdichtung den Brennstoff in den Arbeitszylinder überzuführen, da es praktisch nicht möglich ist, im. Pumpenraum immer den für die richtige Überströmung nötigen, genau bestimmten Überdruck zu erzeugen.

Im folgenden soll nun ein Verfahren angegeben werden, bei dem die Luft durch den Arbeitskolben, der Brennstoff dagegen durch eine besondere Pumpe so verdichtet werden, daß Luft und Brennstoff stets genau denselben Druck haben, und bei dem außerdem durch eine Art Verbundwirkung sowie durch Anordnung eines besonders stark gekühlten Brennstoffraumes eine hohe Verdichtung erreicht werden kann.

Bei dieser Art der Zuführung des Brennstoffes in den Arbeitszylinder ist außerdem noch die Möglichkeit gegeben, eine zwangläufig geregelte Verbrennung zu erzielen, da der Brennstoff nicht entgegen dem im Arbeitszylinder herrschenden Drucke in diesen hineingedrückt werden muß, sondern nur aus einem Raum des Arbeitszylinders, dem Brennstoffraum, in einen anderen, den Verbrennungsraum, bei überall gleichem Druck hinübergeschoben zu werden braucht.

In den schematischen Darstellungen sind die Saugventile sowie die Auspuffventile des Arbeitszylinders weggelassen, da sie für die Verdeutlichung der besonderen Arbeitsweise dieser Maschine unwesentlich sind.

In Fig. ι ist ein Schnitt durch eine Maschine mit langsamer Verbrennung dargestellt. In den Arbeitszylinder A ist Luft angesaugt oder eingeblasen worden, in den Pumpenzylinder B Gas. Beim Rückgang der Kolben wird während der durch beide Kolben gleichzeitig bewirkten Verdichtung durch das Rückschlagventil d hindurch aus der Pumpe B das Gas in den rohrartigen, stark gekühlten Brennstoffraum e, f gedrückt, indem dasselbe von e her nach / hin bei geschlossenem Ventil h die in diesem Raum befindliche Luft vor sich her schiebt. Der Raum e, f steht durch den Verdrängerzylinder C hindurch und durch das Rohr g mit dem Arbeitszylinder A in Verbindung, da der mit dem A^entil h verbundene Schieber i diese Verbindung geöffnet hat. Schieber i und Ventil h stehen so zueinander, daß der Schieber geöffnet hat, wenn das Ventil geschlossen ist und umgekehrt, wenn das Ventil geöffnet ist, der Schieber ganz oder teilweise geschlossen ist.

Beim inneren Hubwechsel des Pumpenkolbens b, der etwas vor dem des Arbeitskolbens α erfolgt, schließt sich das Rückschlagventil d selbsttätig, und das nunmehr in dem

Raum e, f befindliche Gas wird weiter verdichtet, indem die durch den Arbeitskolben weiter verdichtete Luft, in dem Raum e, f von / nach e hin wieder vordringend, das Gas nach dem noch immer geschlossenen Ventil h hin weiter zusammenpreßt. Im Totpunkt des Arbeitskolbens ο öffnet sich das Ventil h, während gleichzeitig Schieber i die Verbindung des Rohres g mit dem Arbeitszylinder ganz

ίο oder teilweise abschneidet. Der \^erdrängerkolben c, der inzwischen seine Bewegung nach oben begonnen hat, schiebt dann vermittels der in dem Verdrängerzylinder C und teilweise in dem Raum e, f befindlichen Luft das auf denselben Druck verdichtete Gas von / her durch das geöffnete Ventil Ji hindurch in den Arbeitszylinder A. Wenn der Schieber i nicht ganz, sondern nur teilweise geschlossen hat, so wird zugleich aus dem Verdrängerzylinder C Luft durch Rohr g und Schieber i in den Arbeitszylinder A gedrückt. Die Mengen von Gas und Luft verhalten sich dann, da die Drücke gleich sind, wie die Durchgangsquerschnitte von h und i. Der Luftstrom wird mit dem Gasstrom an der Stelle /e zusammengeführt, so daß hier eine innige Mischung von Luft und Gas stattfindet.

Die Zündung kann, wenn nicht bis auf den für die Selbstzündung nötigen Druck verdichtet werden soll, auch dadurch bewirkt werden, daß Rohr g so sehr angewärmt wird, daß der durch Rohr g nach Jz gehende Luftstrom bei der Verdichtung die Entzündungstemperatur des Brennstoffes erreicht.

In Fig. 2 sind die zu den drei Kolben, dem Arbeitskolben a, dem Pumpenkolben b und dem Verdrängerkolbcn c gehörigen Kurbeln in vier Stellungen gezeichnet und mit den zugehörigen Buchstaben versehen.

Stellung i. Kolben α geht aufwärts, Kolben b geht aufwärts, Kolben c abwärts. In den Zylindern A, C im Rohr g und in einem Teil des Brennstoffraumes f, e wird Luft durch den Kolben α verdichtet, in Zylinder B wird Gas verdichtet und während der Verdichtung durch das Rückschlagventil d hindurch in den Brennstoffraum e, f hineingeschoben. Ventil h ist geschlossen, also Schieber i geöffnet.

Stellung 2. Bewegungsumkehr des Pumpenkolbens b. Rückschlagventil d schließt sich. Die im Rohr e, f befindliche Gasmenge wird von / her durch die weiter verdichtete Luft zusammengepreßt.

Ventil h ist noch geschlossen, also Schieber i geöffnet.

Stellung 3. Bewegungsumkehr des Arbeitskolbens a. Ventil h wird geöffnet, also Schieber i teilweise geschlossen. Verdrängerkolben c geht nach oben und drückt das Gas von / her durch das geöffnete Ventil Ji hindurch und Luft durch Rohr g und Schieber i hindurch im Verhältnis der Querschnitte von h und i in den Zylinder A, wo das Gas zur Entzündung gebracht wird.

Stellung 4. Arbeitskolben 0 geht abwärts ; die im Arbeitszylinder A abgeschlossene Luft expandiert, nachdem alles Gas verbrannt ist. Beim unteren Hubwechsel wird das Auspuffventil , geöffnet und frische Luft in den Arbeitszylinder eingeblasen (Zweitaktverfahren). Pumpenkolben b geht abwärts und saugt neues Gas an. Ventil h wird bei Beginn der Verdichtung wieder geschlossen und damit Schieber i ganz geöffnet.

In Fig. 3 ist die Anordnung des Brennstoffraumes bei einer Explosionskraftmaschine angegeben.

O ist hier der Arbeitszylinder, P der Pumpenzylinder, 0 der Arbeitskolben, p der Pumpenkolben, I, in der Brennstoff raum und η das Rückschlagventil. Der Pumpenkolben p schiebt während der Verdichtung ein Gemisch aus Gas und Luft bei geöffnetem Ventil η von / her in den Raum I, m hinein. Die Bewegungsumkehr des Pumpenkolbens kann auch hier früher erfolgen als die des Arbeitskolbens, so daß die höchste Verdichtung des Gemisches in dem stark gekühlten Raum I, m von m her durch den Arbeitskolben 0 allein geschient. Im inneren Totpunkt des Arbeitskolbens 0 wird dann das Gemisch an der Stelle q z. B. elektrisch entzündet.

Dieses gemeinsame Verdichten durch den Arbeits- und Pumpenkolben nach dem angegebenen Prinzip ist, wenn hohe Verdichtungsgrade erreicht werden sollen, nur unter bestimmten Bedingungen möglich, d. h. der Voreilwinkel zwischen Pumpen- und Arbeitskolben muß innerhalb zweier Grenzwerte lie- gen. Es ist ohne weiteres klar, daß der maximale Druck im Pumpenzylinder um so größer ist, je kleiner dieser Voreilwinkel ist, da dann die Bewegungsumkehr des Pumpenkolbens erst eintritt, wenn im Arbeitszylinder bereits der maximale Druck ungefähr erreicht ist. Der maximale Druck im Pumpenzylinder wird gleich demjenigen im Arbeitszylinder in dem Grenzfalle, daß der Voreilwinkel gleich Null ist. Da nun das Gas im Pumpenzylinder weniger der Kühlung zugänglich ist als im Brennstoffraum, so ergibt sich die untere Grenze für die Größe des Voreilwinkels, einen bestimmten Maximaldruck im Arbeitszylinder und damit im Brennstoff raum angenommen, aus dem für den Pumpenzylinder ohne Gefahr einer Selbstzündung zulässigen Maximaldruck.

Die obere Grenze für die Größe des Voreilwinkels ergibt sich aus folgender Überlegung: Eine hohe Verdichtung des Brennstoffes nach dem angegebenen Prinzip ist natürlich nur

möglich, wenn der Brennstoff bei der Verdichtung, während welcher derselbe je in den Brennstoffraum geschoben wird, auch immer innerhalb dieses stark gekühlten Raumes bleibt und nicht bis in den weniger leicht zu kühlenden Raum C (Fig. i) oder in den Raum 0 (Fig. 3) gelangt. Die maximal zulässige Größe des Brennstoffraumes ist aber dadurch gegeben, daß dieser einen Teil des Verdichtungsraumes für den Arbeitszylinder bildet, dessen Inhalt sich natürlich nach dem Verdichtungsgrad, d. h. nach dem zu erreichenden Maximaldruck bestimmt. Der Brennstoff tritt nun während der Verdichtung um so weiter in den Brennstoffraum hinein, je größer der Voreilwinkel zwischen Pumpenkolben und Arbeitskolben ist. Da er nun während der Verdichtung nicht aus dem Brennstoff raum e, f nach / hin (Fig. 1) bezw. l,m nach 111 hin (Fig. 3) hinaustreten darf, so ist die obere Grenze für die Größe des Voreilwinkels hierdurch gegeben. Es läßt sich dies am besten an Hand der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Kolbenweg- und Volumendiagramme erkennen.

In Fig. 4 stellt die Strecke r-s das Hubvolumen des Pumpenkolbens, s-t das Volumen des Brennstoff raumes, t-u dasjenige des übrigen Teiles des Verdichtungsraumes für den Arbeitszyinder und u-v das Hubvolumen des Arbeitskolbens dar.

Der Halbkreis über M ist der Kurbelkreis der Pumpenkurbel, derjenige über N der Kurbelkreis der Arbeitskurbel. Die zueinander gehörigen Kurbelstellungen sind durch gleiche Ziffern bezeichnet.

Unter den Kurbelkreisen sind die Kolbenweglinien w-x und y-2 in bekannter Weise gezeichnet. Die zwischen diesen beiden Kurven liegenden Stücke der parallelen, mit gleichen Ziffern wie die zugehörigen Kurbelstangen bezeichneten Linien stellen also die jeweiligen Volumen der zwischen den beiden Kolben liegenden Räume dar.

4-5 Der Voreilwinkel zwischen Pumpenwinkel und Arbeitskurbel beträgt 30⁰. Die Verdichtung beginne bei einem Kurbelwinkel der Arbeitskurbel von 45°. Der Kurbelwinkel der Pumpenkolben bei Beginn der Verdichtung beträgt demnach 75⁰ (Punkt 1).

Bis zu diesem Punkt muß also das angesaugte Gas wieder in den Saugraum zurückgeschoben werden. Bei Beginn der Verdichtung, d. h. bei atmosphärischer Spannung, ist also das Volumen des Gases durch die Strecke w-s, dasjenige der Luft durch die Strecke s-y dargestellt.

Diese Volumina verhalten sich wie 1:4.
Bei der Annahme, daß während der Verdichtung das Verhältnis der Volumina dasselbe bleibt, ergibt sich dann die durch die gestrichelte Kurve dargestellte Trennungslinie zwischen Gas und Luft. Links von derselben ist das Gasvolumen, rechts von derselben das Luftvolumen. Diese Kurve zeigt, daß das Gas bei dem angenommenen Voreilwinkel von 30⁰ nicht aus dem Brennstoffraum s t heraustritt. In Fig. 5 ist nun dieselbe Untersuchung für einen Voreilwinkel von 45 ° durchgeführt. Hierbei zeigt sich, daß bei diesem Winkel das Gas während der Verdichtung aus dem Brennstoffraum sj t in den übrigen Verdichtungsraum t, η hineingelangt. Wenn nun auch bei der weiteren Verdichtung das Volumen des Gases wieder kleiner wird, so ist doch ein Zurückschieben des einmal aus dem Brennstoffraum herausgetretenen Gases in diesen nicht mehr möglich. Ein Teil des Gases wird also dann in einem Raum weiter verdichtet, der nicht so intensiv gekühlt werden kann wie der Brennstoffraum, wodurch Frühzündungen eintreten können. Hieraus ist ersichtlich, daß die obere Grenze für die Größe des Voreilwinkels durch die aus anderen Bedingungen bestimmte Größe des Brennstoffraumes dadurch gegeben ist, daß der Brennstoff während der Verdichtung nicht aus diesem Brennstoffraum heraustreten darf.

Claims

Patent-Ansprüche:

1. Verbrennungskraftmaschine, bei welcher der durch eine besondere Pumpe angesaugte Brennstoff in den mit reiner Luft angefüllten Verdichtungsraum des Arbeitszylinders während der Verdichtung ein- geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (B) den Brennstoff während der durch Pumpenkolben und Arbeitskolben gleichzeitig bewirkten Verdichtung in einen rohrartig ausgebildeten, stark gekühlten Raum, den Brennstoff raum (e,f), durch ein Rückschlagventil (d) hindurch von der einen Seite (e) her einführt, der an der anderen Seite (f) mit dem Arbeitszylinder (A) in Verbindung steht, also einen Teil des Verdichtungsraumes dieses Zylinders bildet, zu dem Zwecke, während der Verdichtung eine starke Kühlung des Brennstoffes zu bewirken.

2. Eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenkurbel der Arbeitskurbel um einen kleinen Winkel < voreilt, dessen Größe so gewählt ist, daß im Pumpenraum ein ohne Gefahr für Frühzündungen zulässiger Maximaldruck erreicht wird, und daß der Brennstoff während des Verdichtungshubes nicht an der dem Rückschlagventil entgegengesetzten Seite aus dem Brennstoffraum heraustritt.

3. Eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß im Totpunkt des Arbeitskolbens (a) das gesteuerte Ventil (h) geöffnet wird, wodurch Brennstoffraum (e, f) und Arbeitszylinder (A) an der Eintrittsseite des Brennstoffes verbunden werden, während die Verbindung der anderen Seite des Brennstoffraumes mit dem Arbeitszylinder (Rohr g) dagegen ganz oder teilweise geschlossen wird, wobei durch einen Verdrängerkolben (c) der Brennstoff aus dem Brennstoffratim (e, f) in den Arbeitszylinder (A) hinübergeschoben, hier mit Luft gemischt und während des Eintritts in den Arbeitszylinder entzündet wird, zu dem Zwecke, eine vollkommen zwangläufig geregelte Verbrennung zu erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.