DE181611C

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Publication number: DE181611C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- M 181611 KLASSE 46«. GRUPPE

SIMON LAKE in BERLIN.

Verbrennungskraftmaschine. Patentiert im Deutschen Reiche vom 28. Dezember 1905 ab.

Gegenstand der Erfindung ist eine Verbrennungskraftmaschine, bei welcher die Verbrennung des Brennstoffes innerhalb einer vom Arbeitszylinder durch Ventile getrennten Kammer erfolgt, welcher absatzweise Brenn-Iuft und Brennstoff zugeführt wird und aus. welcher die gespannten Verbrennungsprodukte , mit oder ohne Beimischung von Dampf " zwecks Arbeitsleistung in den Arbeitszylinder ίο eingeführt werden.

Bei den bisher bekannten' Maschinen dieser Art wird die Verbrennung in der Verbrennungskammer stets nur mehr oder weniger unvollkommen durchgeführt, weil die Zeit, in welcher der Brennstoff mit der Luft innerhalb der Verbrennungskammer in Berührung steht, zu kurz ist. Da nun die verbrennenden Gase auf ihrem Wege durch das energisch zu kühlende Einlaßventil ziemlich viel Wärme abgeben müssen und auch die Expansion im Arbeitszylinder zur schnellen Abkühlung beiträgt, so ist die hierdurch erzielbare Verbrennung meist nur sehr unvollkommen, und insbesondere ließen sich bei solchen Maschinen bisher minderwertige, schwerflüchtige Brennstoffe nicht verwenden. ·

Um diese Übelstände zu vermeiden und auf alle Fälle genügend Zeit zur Durchführung des Verbrennungsprozesses zu gewinnen, ist der Erfindung gemäß der Verbrennungsraum in zwei vollkommen getrennte Kammern geteilt, deren jede mit dem gemeinsamen Arbeitszylinder durch Vermittelung eines Einlaßventiles verbunden ist und in welche durch .die Luftpumpe die Druckluft abwechselnd eingeführt wird. Während dies bei einer der Kammern geschieht, wird gleichzeitig die andere Verbrennungskammer mit dem Arbeitszylinder durch Öffnen des Einlaßventiles in Verbindung gesetzt, so daß die Verbrennungsgase aus dieser Kammer im Zylinder Arbeit leisten, während in der anderen Kammer nach Einführen der Luft in den Brennstoff die Verbrennung durchgeführt wird. Hierdurch wird für den Verbrennungsvorgang die Zeit eines vollen Krafthubes des Arbeitszylinders gewonnen, welche Zeit auf alle Fälle vollkommen genügt, selbst wenn die •Maschine mit hoher Umdrehungszahl arbeitet. Die Maschine wird außerdem dadurch zu einer Zweitaktmaschine, welche während des Ganges stets das Druckmittel für einen vollen Krafthub zur Verfügung hat. Hier- ,·■: durch wird die Umsteuerung der Maschine Λ^ν sehr erleichtert, und diese wird teils aus letzterem Grunde, teils wegen der Möglichkeit, mit hohen Umdrehungszahlen zu arbeiten, nicht nur für die meisten Zwecke der stationären Kraftanlagen, sondern insbesondere auch für den Schiffsbetrieb, für Förderungszwecke u. dgl. sehr geeignet.

Fig. ι stellt die Maschine in Seitenansicht und eine der Verbrennungskammern, sowie teilweise auch den Arbeitszylinder im Schnitt dar. .

Fig. 2 ist ein Grundriß des Arbeitszylinders sowie der Verbrennungskammern, welche die Anordnung der Steuerventile in dem oberen Deckel erkennen läßt.

Fig. 3 stellt die Maschine in Endansicht und '■'::■:

Fig. 4 im Längsschnitt durch den Arbeitszylinder dar und läßt die Anordnung der Auslaß- und Lufteinlaßventile erkennen.

Fig". 5 zeigt ein Steuerung'sschema der Einlaß- und Auslaßventile.

Die Maschine, welche auf den Zeichnungen dargestellt ist, hat einen einzigen Arbeitszylinder A, dessen Kolben a' durch die Pleuelstange a" mit der Kurbel der Maschine gekuppelt ist. Mit diesem Zylinder sind zAvei A^erbrennungskammern B und B' zu einem gemeinsamen Körper vereinigt. Diese Verbrennungskammern stehen sowohl oben als auch unten durch je einen Kanal C bezw. D mit dem Zylinder A in Verbindung. Durch den oberen Kanal C wird der Inhalt der Verbrennungskammer über demArbeitskolben in den Zylinder eingeführt, während durch den unteren Kanal Z) beim Abwärtsgang des Kolbens Luft in die Verbrennungskammer hineingetrieben wird, die bei dem vorhergegangenen Aufwärtshub dieses Kolbens durch die Ventile d, d' in den unteren Vorkolbenraum des Arbeitszylinders eingesaugt worden war. An den beiden Enden dieser Kanäle sind Ventile 1,2,3,4 angeordnet, wie im Schnitt aus Fig. ι ersichtlich ist. Die in dieser Figur nicht mitgeschnittene Verbrennungskammer B' ist ebenso wie die Verbrennungskammer B ausgebildet zu denken. Die Ventile ι und 4 werden durch die Hebel 5 und 6 und die entsprechenden Ventile der anderen Verbrennungskammern durch Hebel 7 bezw. 8 gesteuert, welche Hebel durch die Schubstangen 9, 10, 11, 12 von Hubscheiben 13, 14, 15, 16 bewegt werden, die auf der AVelle E sitzen. Diese Welle wird in üblicher Weise von der Kurbelwelle mittels Kegelräder mit der halben Geschwindigkeit der letzteren angetrieben.

Der Auslaß des Zylinders wird durch die Hubscheibe 32, die durch das Joch 33 geführte Schubstange 34 und den Hebel 36 gesteuert. Der Nocken dieser Hubscheibe ist doppelt ausgebildet und so gestellt, daß er das Auslaßventil 37 während jedes Aufwärtshubes des Kolbens öffnet.

Die Verbrennungskammern können mit einem feuerbeständigen Futter 17 ausgekleidet sein, das außen mit Asbest oder anderen geeigneten Stoffen, wie bei 18 angedeutet, isoliert ist, um zu verhüten, daß die in diesen Kammern entwickelte Wärme zu schnell von dem sie umkleidenden \¥assermantel aufgenommen wird.

Die Brennstoffpumpen 19 und 19' werden durch Hebel 20 und 20' sowie Hubscheiben 21 und 21' bewegt und drücken den Brennstoff in den Zylinder durch die Wirkung von (nicht dargestellten) Federn, welche in die Gehäuse 22 und 22' eingeschlossen sind. Die Spannkraft dieser Pumpenfedern ist genügend groß bemessen, um den Brennstoff bei maximalem Druck, für den die Maschine berechnet ist, mit beträchtlicher Kraft in den Verbrennungsraum einspritzen zu können. Die Pumpe j selbst kann eine beliebige Bauart haben und von einem an passender Stelle angeordneten Behälter gespeist werden.

Die Mantelräume des Arbeitszylinders A. j sowohl als auch der beiden Verbrennungskammern B und B' sind mit Kühlwasser gefüllt. Der aus letzterem sich entwickelnde Dampf kann den Verbrennungsgasen beim Übertritt in den Arbeitszylinder beigemischt werden, um die Temperatur der Arbeitsgase zu vermindern.

Der Regler 4*3 der Maschine, welcher auf der Welle 44 angeordnet ist, kann nach irgendeinem der üblichen Systeme von Fliehkräftreglern ausgebildet sein. Die Welle 44 wird von der Kurbelwelle 45 mittels Kegelrädern angetrieben und dient zur Übertragung der Drehbewegung von der letzteren auf die mit halber Geschwindigkeit laufende Steuerwelle E. Der Regler 43 beeinflußt die Menge des von den Pumpen zugeführten Brennstoffes mittels der Stellachse 46, einer einstellbaren Feder, welche in dem Gehäuse 47 eingeschlossen (und nicht dargestellt) ist, ferner mittels des Hebels 48 und der auf dem Zapfen 49 drehbaren Hubnocken 50 und 50' (Fig. 1 und 3).

Die Maschine ist mit Umsteuerung eingerichtet. Diesem Zwecke dient der Umsteuerhebel 60, welcher mit einer Stellstange 61 verbunden ist, die durch die hohle Steuerwelle E hindurch sich bis zu deren Antriebskegelrad 62 erstreckt. Letzteres läuft in dem Lager 63 auf einem Fortsatz seiner Nabe, der in punktierten Linien angedeutet ist. Diese Nabe ist mit einem schraubenförmigen Schlitz versehen, in welchem ein Stift verschiebbar ist, der in die Stellstange 61 mit seinem Ende eingreift. Die Stange selbst trägt eine Feder, die sich in einer Nut der Steuerwelle bewegt, so daß sie nur längs der letzteren, ohne sich gegen diese zu drehen, verschoben werden kann.

Die Stellung des Kegelrades gegen die von ihn; angetriebene Steuerwelle wird also durch die Lage des Stiftes 64 in dem Schraubenschlitz bestimmt. Durch die Hebel 65, 66 und die Stange 67 wird das Auslaßventil geöffnet, indem der Hebel 66 mit dem Anschlag 68 der Auslaßsteuerstange 34 in Berührung kommt. Zugleich kommt die Stange 67 in Eingriff mit einer Klinke 69 auf der Welle 46, welche die Zufuhr des Brennstoffes, wenn nötig, absperrt.

Der Arbeitszylinder ist mit einer Wärme-

isolationsschicht 70 umkleidet, die aus Asbest oder anderem geeigneten Stoff besteht, und in ein Gehäuse 71 (Fig. 4) eingeschlossen ist.

j Bei 72 ist ein Kerzenzünder angedeutet. Bei

73 ist an der Wand der Verbrennungskammer eine Aufschlagfläche vorgesehen, die dazu dient, den Brennstoff zu zerstäuben, welcher in kräftigem Strahle gegen diese Fläche gespritzt wird. Diese Anschlagfläche ist so ausgebildet, daß der eingespritzte Brennstoff über alle Teile des Verbrennungsraumes verteilt wird.

Die allgemeine ArbeitsAveise und die Steuerung der Maschine ist am besten aus der schemati sehen Fig. 5 ersichtlich. Die Kurbelwelle der Maschine dreht sich im Sinne des eingezeichneten Pfeiles von rechts nach links und der Kolben befindet sich bei der dargestellten Stellung im Abwärtsgang, während der 'Arbeitszylinder durch das geöffnete Ventil ι aus der Verbrennungskammer B geladen wird. Dieses Ventil wird durch die Hubscheibe 13 in seiner offenen Stellung gehalten, während zugleich durch die Hubscheibe 15 das Druckventil 4' des als Ladepumpe dienenden vorderen Arbeitsraumes offengehalten wird, so daß dieser mit der Verbrennungskammer B^r in Verbindung· steht. Die Hubscheiben 14 und 16 sind in dieser Stellung wirkungslos; sie dienen während des nächstfolgenden Hubes zum Heben der Ventile 1' bezw. 4, während die mit zwei symmetrischen Nocken ausgestattete Hubscheibe 32 das Aus-Taßventil 37 während jedes Aufwärtshubes geöffnet hält. Wenn man die Steuerwelle, auf welcher die Hubscheibe 32 sitzt, mittels der oben beschriebenen Einrichtung gegenüber ihrem Antriebskegelrade um einen geeigneten Winkel . verstellt, so werden diejenigen Schrägflächen der Hubnocken der Hubscheibe 32, auf welchen die Hubscheibe vorher auflief, zu ablaufenden Flächen und geben der Maschine die erforderliche Füllung in dem Sinne, daß die Maschine in umgekehrter Richtung läuft.

Bei der. Erläuterung der Wirkungsweise der Maschine soll davon ausgegangen werden, daß die Kurbel sich im oberen Totpunkt befindet und daß die Maschine im Sinne des in Fig. 5 eingezeichneten Pfeiles von rechts nach links laufen soll.

Die Hubscheibe 32 des Auslaßventiles wird mit ihrer Welle in derselben Richtung gedreht, wie die Maschine laufen soll, und zwar so weit, daß die Hubrolle des Auslaßventiles berührt wird, jedoch nicht mit genügender Kraft, um es von seinem Sitz zu heben. Es sind somit alle Ventile geschlossen. Die Hubscheiben, welche die Hebel 5 und 8 bewegen, werden nun auf ihrer Achse in der entgegengesetzten Richtung gedreht, als die Maschine laufen soll, bis sie die zugehörigen Hubrollen berühren.

Die Maschine wird nun mit der Hand angedreht, wobei sich das Einlaßventil 1 öffnet, während das Auslaßventil 37 geschlossen bleibt, indem der Hubnocken dieses Ventiles ι außer Berührung mit der zugehörigen Hubrolle tritt. Wenn also die Verbrennungskammer B durch die Rohrleitung 55 aus dem Anlaßdruckluftbehälter mit Druckluft von genügend hoher Spannung gefüllt ist, so füllt sich aus dieser der Zylinder unter Öffnung des Rückschlagventiles 2, und es wird dadurch der Kolben abwärts getrieben. Die Luft, welche vorher in den Zylinder unter dem Kolben eingesaugt war, wird daher durch das Ventil 4' in die Verbrennungskammer B' gedrückt, welches Ventil durch den Hebel 8 gcöffnet wird. Dieses Ventil ist dem in der Schnittansicht (Fig. 1) dargestellten Ventil 4 vollkommen gleichartig. Die in der Verbindung zwischen den gesteuerten Ventilen 4 bezw. 4' und die Verbrennungskammern B bezw. B' noch eingeschalteten einfachen umgesteuerten Rückschlagventile 3 bezw. 3' erleichtern in Verbindung mit gesteuerten Ventilen 4 bezw. 4' die Förderung der Druckluft aus dem Vorkolbenraum gegen den hohen Betriebsdruck des Verbrennungsraumes unter wesentlicher Ermäßigung des Spannungsabfalles. Während des Abwärtsganges des Kolbens bewegt sich die Hubscheibe 21 so, daß in dem Zylinder der Brennstoffpumpe eine Brennstoff ladung eintritt, wobei die Feder dieser Pumpe zusammengepreßt wird. Dieser Brennstoff wird nach Auslösung dieser Feder zu einem geeigneten Zeitpunkt in die Verbrennungskammer eingepreßt. Der Arbeitszustand ist nun der folgende:

Der Kolben befindet sich im unteren Totpunkt. Die Kurbelwelle hat eine halbe Umdrehung, die Steuerwelle eine Viertelumdrehung gemacht, und die die Ventile 1 und 4 bewegenden Hubnocken können diese nur während einer Viertelumdrehung offen halten. Diese Ventile sind also wieder geschlossen. Die Brennstoffpumpe ist gefüllt und die Verbrennungskammer B' mit verdichteter Luft beschickt. Der Hebel 36 ist wieder mit der Spindel des Ventiles 37 in Berührung gekommen und es beginnt nun bei der Weiterdrehung der Kurbel die Aufwärtsbewegung des Kolbens. Hierbei öffnet sich sofort das Auslaßventil 37 und läßt den Inhalt des oberen Arbeitszylinderraumes ins Freie entweichen, während unter dem Kolben durch die selbsttätigen Ventile d, d' frische Luft eingesaugt wird. Zu einer geeigneten Zeit während des Aufwärtsganges des Kolbens wird der Brennstoff, wie erwähnt, in die Verbrennungskammer B' eingespritzt. Während dieses Aufwärtshubes sind alle Steuerventile geschlossen, außer dem Auslaßventil. Letzteres schließt sich am Ende dieses Kolbenhubes, indem die Kurbelwelle eine volle Umdrehung gemacht

hat. Die Steuenvellc hat dann eine halbe Umdrehung· vollendet, und die Verbrennungskammer B' ist mit einem Gemisch von Luft und Brennstoff gefüllt.

Nunmehr werden die die Ventile i/ und 4 bewegenden Hubscheiben richtig eingestellt, wie vorher beschrieben, und die Pumpe, welche den Brennstoff in die Verbrennungskammer B treibt, wird betriebsbereit gemacht, indem man ihren Kolben einige Male von Hand bewegt, um das Rohr zwischen der Pumpe und der Verbrennungskammer auszufüllen. Hierauf ist die Maschine zum Angehen bereit und kann durch Entzündung der in der Verbrennungskammer B' vorhandenen Ladung von brennbarem Gemisch, welche in bekannter Weise durch eine elektrische Zündkerze eingeleitet werden kann, in Betrieb gesetzt werden. Zu diesem Zweck ist es nur notwendig, die Kurbel in der gewünschten Laufrichtung der Maschine etwas über den Totpunkt hinaus zu drehen und dann die Zündung herbeizuführen. Der Kolben wird dann zum zweiten Male abwärts getrieben und ladet hierbei die Verbrennungskammer B mit Luft und Brennstoff, welche nach Wunsch ebenfalls zur Entzündung bezw. zur Explosion gebracht werden. Jeder Abwärtshub des Kolbens ist also ein Arbeitshub, und es wird jede der Verbrennungskammern abwechselnd bei jedem zweiten Hub geladen. Nach wenigen Umdrehungen wird die Temperatur des Ausfütterungsmaterials der Verbrennungskammern genügend hoch, um denBrennstoff sofort bei seiner Einführung zu entzünden, so daß eine elektrische oder sonstige Zündung nicht mehr notwendig ist. Die Maschine läuft dann weiter, solange Luft und Brennstoff zugeführt werden.

Um die Maschine umzusteuern, muß der Hebel 65 umgelegt werden, wodurch das Auslaßventil geöffnet und die Brennstoffzufuhr abgesperrt wird. Die Maschine kommt dann sehr schnell zum Stillstand, weil unterhalb des Kolbens eingeschlossene Luft zusammengedrückt wird und durch das dauernde geöffnete Auslaßventil entweicht, ohne Arbeit zu leisten. AVenn sich die Geschwindigkeit der Maschine genügend vermindert hat, so legt man den Umsteuerhebel 60 in die entgegengesetzte Stellung um, hebt die Sperrung des Auslaßventiles auf und setzt die Brennstoffpumpe in Tätigkeit. Der nächste Kolbenhingang wird dann ein Arbeitshub in umgekehrter Richtung. Wenn man die Maschine zunächst ganz zum Stillstand kommen lassen will, so läßt man zweckmäßig' das Auslaßventil solanee offen. In diesem Falle wird der Kolben wegen der Kompressionswirkung auf seiner oberen Hubgrenze stehen bleiben. Wenn man hierauf die Steuerwelle umsteuert und die Ma- !

schine durch Drehen mit der Hand in der Richtung, in welcher sie laufen soll, eben über den Totpunkt bringt, so geht sie beim Öffnen eier bei 55,56 angeschlossenen Druckluftleitungen in dieser Richtung an. Wenn die Kompression nicht hoch genug ist, um die Zündung des Brennstoffes selbsttätig einzuleiten, so kann man sich, wie oben erwähnt, eines elektrischen Kerzenzünders oder dergl. bedienen, bis die Wandungen des Verbrennungsraumes hinreichend erhitzt sind.

Die Maschine kann auch leicht für den Betrieb mit einem gasförmigen, statt eines flüssigen Brennstoffes eingerichtet werden. Zu diesem Zwecke ist es nur notwendig, die Brennstoffpumpe durch eine entsprechend größere zu ersetzen, die geeignet ist, ein hinreichend großes Gasvolumen unter Druck zu setzen, das in ähnlicher Weise, wie bereits beschrieben, in die Verbrennungskammern eingeblasen werden kann. Für die beschriebene ArbeitSAveise und Bauart der Maschine ist es nicht wesentlich, zu welchen Zeitpunkten der Brennstoff und der Dampf in die Arbeitsräume eingeführt werden. Die zweckmäßigste Einführungszeit des Brennstoffes kann durch Verdrehung des Hubnockens der Pumpe gegenüber dessen Triebwelle von Beginn des Aufwärtshubes des Kolbens nach Eindrücken der Luft in den Verbrennungsraum bis dicht vor oder auch nach Beginn des Abwärtshubes des Kolbens ausprobiert werden.

In der vorstehenden Beschreibung ist angenommen, daß der Brennstoff unmittelbar nach Beginn des Aufwärtshubes eingespritzt wird, so daß der entflammte Brennstoff während dieses ganzen Hubes Gelegenheit und Zeit zur vollständigen Verbrennung im Innern der hoch erhitzten Verbrennungskammer findet. Für die schwerflüchtigen Öle wird dies die beste Methode sein, während bei leichteren Ölen, wie Petroleum, Benzin oder Naphta, eine spätere Einspritzung zweckmäßig sein kann, besonders wenn die Maschine ohne die Einspritzung von Dampf oder Wasser in die Verbrennungskammer arbeitet. Es kann vorteilhafter sein, die Einführung des Brennstoffes, so weit zu verzögern, bis der Kolben seine obere Hubgrenze erreicht oder sogar seinen Abwärtsgang begonnen hat.

Bezüglich der Konstruktion der Maschine sind natürlich innerhalb des Rahmens der Erfindung ebenfalls verschiedene Abweichungen von der beschriebenen und dargestellten Bauart möglich. So kann man beispielsweise an Stelle zweier Verbrennungskammern auch deren mehrere oder nur eine einzige mit einem Arbeitszylinder verbinden. Ferner .kann man statt den Vorkolbenraum als Luftpumpe zu benutzen, auch eine besondere Luftpumpe vorsehen; in diesem Falle ist es möglich, den

Arbeitszylinder doppelt wirkend auszubilden. Man kann sogar unter Umständen mehrere Arbeitszylinder aus zwei gemeinsamen Verbrennungskammern speisen, welche ihre Druckluftladung aus einer besonderen Ladepumpe oder aus den Vorkolbenräumen dieser Arbeitszylinder erhalten.

Claims

Patent-An Sprüche:

i. Verbrenntingskraftmaschine, bei welcher die Verbrennung des Brennstoffes innerhalb einer während der Kompression und der Ausblaseperiode von dem Arbeitszylinder durch Ventile getrennten, absatzweise mit Preßluft und Brennstoff geladenen Verbrennungskammer erfolgt, während nach der Verbrennungsperiode die Verbrennungsgase wie in einer gewöhnlichen Explosionskraftmaschine in dem Verbrennungsraum und dem Arbeitszylinder expandieren, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Arbeitszylinder (A) zwei gesonderte, abwechselnd geladene Verbrennungkammern (B, B') verbunden sind, deren Gasgemisch gezündet und in dem Arbeitszylinder (A) bis zur Atmosphärenspannung entladen wird.
2. Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Teil des Arbeitszylinders (A) mit Luftsaugventilen ausgerüstet und so als Ladepumpe ausgebildet ist, welche mit den beiden Verbrennungskammern (B , B') durch Kanäle (C, D) verbunden ist und in die gesteuerte Druckventile eingeschaltet sind, welche abwechselnd geöffnet werden, zum Zwecke, die Verbrennungskammern ohne Anwendung einer besonderen Luftpumpe abwechselnd mit Druckluft zu laden.
3. Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, bei welcher in die den Verbrennungsraum . mit dem vorderen Luftpumpenraum des Arbeitszylinders verbindenden Kanäle außer dem gesteuerten, am anderen Ende des Kanals noch ein selbsttätiges Rückschlagventil eingeschaltet ist, zum Zwecke, den Spannungsabfall zwischen Luftpumpe und Verbrennungsraum und das Zurückströmen der erhitzten Gase zu vermeiden.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.