DE239475C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

-Ju 239475 .-KLASSE 46 a. GRUPPE

Verbrennungskraftmaschine.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 14. September 1909 ab.

Die Erfindung betrifft die Ausbildung einer aus Verbrennungskraftmaschinen bestehenden Maschinenanlage für Fahrzeugzwecke in einer hierfür besonders geeigneten Betriebsart, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die auf die Achsen des Fahrzeuges wirkende Triebmaschine ihre Verbrennungsluft durch eirie von der Triebmaschine unabhängig betriebene Luftpumpenanlage zum Teil als Spülluft, zum Teil als ίο Preßluft erhält, wobei das Verhältnis der Spülluftförderung zur Preßluftförderung mit der Betriebsart des Fahrzeuges in bestimmter Weise geändert werden kann.

Die Verwendung von Verbrennungskraftmaschinen zum Antrieb von Fahrzeugen ■ ist bekannt. . Bei den bisherigen Verfahren ist zu unterscheiden

1. zwischen Anlagen, bei welchen die auf die Räder des Fahrzeuges wirkende Triebmaschine beim Anfahren und im Betrieb als reine Verbrennungskraftmaschine wirkt (Kraftfahrzeuge mit geringen Anfahrwiderständen);

2. zwischen Anlagen, bei welchen die Triebmaschine beim Anfahren und im Betrieb als reine Druckluftmaschine wirkt und die Erzeugung der Druckluft in einer als Verbrennungskraftmaschine arbeitenden Hilfsmaschine vor sich geht; .

3. zwischen Anlagen, bei welchen die Triebmaschine beim Anfahren als reine Druckluftmaschine, im Betrieb dagegen als Verbren-

. nungskraftmaschine wirkt, wobei die Erzeugung eier Druckluft bzw. Verbrennungsluft im Betrieb durch die Triebmaschine selbst oder auch durch die nach 2. angegebene Hilfsmaschine erfolgt.

Sämtliche drei Betriebsarten sind als bekannt vorausgesetzt. Die Erfindung enthält einen besonderen Fall zu 3. mit der obigen Kennzeichnung.

Zum Verständnis des Arbeitsverfahrens seien zunächst die drei im folgenden angewandten Begriffe: Spülluftverbrennung, Druckluftverbrennung und Druckluft-Spülluftverbrennung näher erläutert:

1. Spülluftverbrennung ist die Verbrennung der nach dem Durchspülen im gleichen Zylinder auf den Verbrennungsdruck verdichteten Spülluft.

2. Druckluftverbrennung ist die Verbrennung der zu Ende der Kompression in den Zylinder eintretenden, in einem Hilfszylinder getrennt auf den Verbrennungsdruck verdichteten Druckluft.

3. Spülluft-Druckluftverbrennung ist Ver- -55 brennung von Spülluft nach 1. nebst Verbrennung zusätzlicher Druckluft nach 2.

Das Anfahren des Fahrzeuges erfolgt vermittels des reinen Druckluftbetriebes, die normale Fahrt des Fahrzeuges vermittels des Druckluft- bzw. Spülluftverbrennungsbetriebes.

Fig. ι gibt die Anordnung der Maschinenanlage schematisch.

Es ist α der Triebmaschinenzylinder, dessen Kolben auf die Triebachsen δ des Fahrzeuges wirkt. Die Hilfsmaschine c arbeitet als normale Verbrennungskraftmaschine auf die Pumpenanlage d, welche bei gleicher effektiver

Leistung der Hilfsmaschine Spülluft und Preßluft in bestimmtem gegenseitigen Verhältnis liefert. Das Verhältnis der Spülluft zur Preßluftförderung wird durch die Stellung des Regelungsorgans h bedingt. Der Triebmaschine α wird die in der Pumpenanlage d erzeugte Spülluft durch die Leitung f, die Preßluft durch' die Leitung β unter Zwischenschaltung eines Gefäßes g mit Rückschlagventil r

ίο zugeführt.

Die Arbeitsweise der Triebmaschine ist aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich.

Der Arbeitskolben i arbeitet im Triebmaschinenzylinder a, der sich im Bau von den nor-

.15 malen Zweitaktmotoren mit Schlitzen grundsätzlich dadurch unterscheidet, daß die Kompression der Spülluft erst im zweiten Drittel des Kolbenhubes vom unteren Totpunkt an gerechnet stattfindet, was bei den für Zweitaktmotoren üblichen Verdichtungsdrücken (30 bis 35 Atm.) eine Verringerung des Kompressionsraumes auf etwa die Hälfte (3 bis 4 Prozent des Hubvolumens) erfordert. Das Ventil k steuert den Einlaß der Spülluft, Ventil m steuert den Einlaß des Brennstoffes, Ventil I steuert den Einlaß der Druckluft. Die Auspuffschlitze η steuern den Auslaß der Verbrennungsgase bzw. der Preßluft.

Die Diagrammbildung für die Betriebsfälle I, II, III ist in Fig. 3 entsprechend den Kolbenstellungeri eingetragen. Es bezeichnet 1 Beginn der Kompression, 2 Beginn der Druckluftfüllung bzw. Spülluft-Druckluftverbrennung, 3 Ende der Druckluftfüllung bzw. Ende der Spülluft-Druckluftverbrennung unter Gleichdruck, 4 Beginn und nach Überschleifen der Schlitze durch den Kolben in der gleichen Stellung Ende des Auspuffs.
Es entspricht ferner:

Fall I dem Anfahren des Fahrzeuges, Fall II dem Beschleunigen des Fahrzeuges und dem Fahren auf Steigungen, Fall III dem normalen Betrieb des Fahrzeuges.

In Fall I arbeitet die Triebmaschine vermittels der durch die Hilfsmaschine erzeugten Druckluft als reine Druckluftmaschine ohne Verbrennung. Der Arbeitsvorgang in der Triebmaschine ist folgender: Gegen das Ende der Kompression der im Arbeitszylinder verbliebenen Luft öffnet sich das Druckluftventil I, in diesem Falle als Anlaßventil, und es tritt von 2-3 die Füllung des Zylinders mit Druckluft ein (Fig. 3, I). Nach Abschluß der Füllung in Punkt 3 expandiert die Druckluft im Zylinder bis zum Überschleifen der Auspuffschlitze in Punkt 4, pufft aus und wird in die mit Öffnen des Ventils k freigegebene Spülluftleitung f ausgeschoben. Der mit Abschluß des Ventils k im Zylinderraum befindliche Rest an schwach komprimierter Druckluft wird von Punkt 1-2 auf einen mäßigen, der Druckluftspannung des Falles I (±0 bis 15 Atm.) entsprechenden Enddruck komprimiert. Die gesamte. effektive Leistung der Hilfsmaschine wird dabei, zur Erzeugung von Druckluft verwandt. Es ist dies dadurch ermöglicht, daß durch ein besonderes Schaltorgan h der Pumpenanlage d die normal auf Erzeugung von Spülluft arbeitenden Kolbenseiten der Pumpe auf Druckluftförderung umgeschaltet werden. In Fig. ι würde sich die beabsichtigte Schaltung durch Drehung des als Dreiweghahn gezeichneten Organs h um 90 ° entgegen dem Uhrzeigersinn ergeben. Der linksseitige Druckraum des Pumpenzylinders d ist dann in Verbindung mit dem Preßluftbehälter g. Um trotz der Druckluftmehrförderung mit der effektiven Kompressorleistung nicht über die durch die Hilfsmaschine vorgeschriebene Leistung zu gehen, ist der Preßluftdruck bei maximaler Druckluftförderung entsprechend niedriger zu wählen. Gegenüber Fall II und III wird im Fall I der Preßluftdruck nur 10 bis 15 Atm., also etwa ^χ/₂ bis ¹Z₃ des normalen Verbrennungsdruckes betragen. Entsprechend dem niedrigen Preßluftdruck ist auch der Kompressionsenddruck im Arbeitszylinder der Triebmaschine niedriger gewählt. Für den Beginn des Anfahrens selbst ist indessen im Auge zu behalten, daß bei Einschaltung des OrgansIi auf maximale Druckluftförderung das Preßluftgefäß g während des vorausgehenden Stillstandes der Triebmaschine und des Fahrzeuges bereits mit Druckluft von der zulässigen Höchstspannung (etwa 35 Atm.) gefüllt ist und die Pumpenanlage bei Einschaltung der Druckluftmehrförderung mit der Mehrförderung erst beginnt, wenn der Druck im Gefäß g auf etwa die Hälfte bis ein Drittel, wie oben bezeichnet, gesunken ist. Zu Beginn des Anlassens wird demnach als erstes Anlaßdiagramm ^ das punktierte Diagramm in Fig. 3,1 beschrieben, allmählich mit dem Leeren der Gefäße nach etwa 20 bis 30 Arbeitshuben sinkt der Druck in den Gefäßen von der zulässigen. Höchstspannung auf den Normaldruck der »Druckluftmehrförderung« (etwa 10 bis 15 Atm.), und es wird das ausgezogene Diagramm 1-2-3-4, wie weiter oben dargestellt, beschrieben. Dadurch wird erreicht, daß das Anfahrmoment selbst einen außerordentlich hohen Betrag annimmt (punktiertes Diagramm in Fig. 3, I), während andererseits die ganze Energie der Hilfsmaschine zur Drucklufterzeugung und Beschleunigung des Fahrzeuges allein verwendet ist.

Eine Fortsetzung des Betriebes mit reiner Druckluft ohne Verbrennung für die normale Fahrt ist mit Rücksicht auf die sehr geringe Ökonomie dieses Verfahrens und der noch ge-

ringeren spezifischen Leistung der Gesamtanlage praktisch aussichtslos. Es wird daher in dem vorliegenden Falle nach Erreichen einer Mindesttourenzahl, bei welcher die Zündung und Verbrennung im Gleichdruckverfahren erreichbar ist, die Druckluftmehrförderung ausgeschaltet, wodurch bei gleichbleibender effektiver Hilfsmaschinenleistung der Kompressionsdruck der Preßluftpumpe auf den Normalbetrag

ίο (etwa 30 bis 35 Atm.) gesteigert werden kann. Das Umschaltorgan h steht in dem Falle in der in der Fig. 1 gezeichneten Lage und gibt die Verbindung des linksseitigen Druckraumes des Pumpenzylinders d mit dem Spülluftbehälter f frei. Infolge der damit gleichzeitig eingeschalteten Spülluftförderung erfolgt eine energische Durchspülung des Triebmaschinenzylinders mit Spülluft, deren Wärmeinhalt durch die aus der Hilfsmaschine abziehenden Auspuffgase notwendigenfalls erhöht Werden kann. Diese Spülung wirkt um so energischer, je ge^- ringer noch· die Tourenzahl der Triebmaschine gegenüber dem Normalbetrieb ist und erwärmt den durch das Anlassen stark gekühlten Arbeitszylinder rasch auf eine Mitteltemperatur,

^v bei welcher für den normalen Verdichtungsgrad die Zündtemperatur erreicht wird.

Fig. 3, II gibt die Diagrammbildung. Die in Punkt ι nach Abschluß des Spülventils k im Zylinder befindliche Spülluft wird auf den der Selbstzündung entsprechenden Kompressionsdruck komprimiert. In Punkt 2 öffnet zunächst das Brennstoffventil m, und nach eingeleiteter Verbrennung der Spülluft tritt die zusätzlich zu verbrennende Druckluft gleichzeitig mit dem für dieselbe noch erforderlichen Brennstoff in den Zylinderraum ein. Das Öffnen des Druckluftventils / erfolgt in dem Falle zwischen Punkt 2' und 3. Von Punkt 3 an expandiert das verbrannte Druckluft-Spülluftgemisch bis zum Beginn des Auspuffens durch die Schlitze in Punkt 4. Nach erfolgtem Druckausgleich öffnet das Spülventil k, die eintretende Spülluft spült die Abgase durch die Schlitze und wird nach Überschleifen der Schlitze vom rückwärts gehenden Kolben in die Spülleitung zum ■ Teil zurückgeschoben, bis in Punkt 1 das Spülventil schließt und das Arbeitsspiel sich wiederholt. Die in der Zeiteinheit durch die Pumpena.nlage geförderte Spülluft- und Druckluftmenge ist von der gewählten Lage des Schalt organs h und der Tourenzahl der Pumpenanlage abhängig. Nimmt man die letzteren Faktoren als konstant an, so ist die Menge der pro Arbeitsgang in den Zylinder der Triebmaschine eintretenden Spülluft und Druckluft, wie sie in der Pumpen-. anlage gefördert wird, durch das Verhältnis der Tourenzahlen der Triebmaschine und der Hilfsmaschine bedingt. Dagegen ist die Menge der pro Arbeitsgang in dem Zylinder der Triebmaschine verbleibenden und verbrannten Spülluft von dem Verhältnis der Tourenzahlen der Triebmaschine und. der Hilfsmaschine so lange unabhängig, als die Fördermenge an Spülluft durch die Pumpe größer ist ^vie die Spülluftmenge, welche der Kompressionsraum des Triebmaschinenzylinders aufnehmen kann, da von der im Überschuß eintretenden Spülluftmenge ein Teil jeweils durch die Auspuffschlitze wieder austritt und bei beliebig niedriger Tourenzahl der Triebmaschine nur die dem Kompressionsraum entsprechende Spülluftmenge im Arbeitszylinder zurückbleibt und verbrennt. Dieser Fall soll hier allein vorliegen. Im Gegensatz hierzu wird die in den Zylinder gelangende Druckluft voll zur Verbrennung herangezogen und es ergibt sich hieraus, daß, obwohl die von den Pumpen geförderten Mengen an Spül- und Druckluft pro Zeiteinheit und Arbeitsgang der Triebmaschine in konstantem Verhältnis stehen, die verbrannten Mengen an Spül- und Druckluft ein variables Verhältnis bilden, derart, daß bei geringen Tourenzahlen der Triebmaschine überwiegend Druckluft, bei größeren Tourenzahlen überwiegend Spülluft verbrannt wird. Die je nach der Druckluftfüllung bzw. Tourenzahl der Triebmaschine beschriebenen Diagramme ergeben gegenüber den normalen Verbrennungskraftmaschinen in dem Maße erhöhte mittlere indizierte Drücke, als die kombinierte Spülluft-Druckluftfüllung den Füllungsgrad des normalen ■ Kompressionsraumes übersteigt.

Erreicht die Tourenzahl der Triebmaschine ihren normalen Betrag, so ergibt sich die Diagrammbildung aus Fig. 3, III. Der Arbeite- und Verbrennungsvorgang ist der gleiche wie in Fall. II beschriebene und unterscheidet sich von demselben lediglich dadurch, daß bei der geringeren Druckluftfüllung das Brennstoffventil m und das Druckluftyentil / infolge entsprechender Veränderung.der.. Steuerung durch den Fahrzeugführer in der Nähe des Punktes 3 früher schließt. Wie vorher sehwankt-die Druckluftfüllung mit der Tourenzahl der Triebmaschine : Es wird bei kleinerer Tourenzahl das größere Diagramm III 1-2-3-4-1, bei größerer Tourenzahl das Diagramm i-2-3'-4'-i beschrieben. Als Grenzfall der Diagrammbildung ist das Diagramm ohne Druckluftverbrennung anzusehen. Da in diesem Falle (Maximum der Tourenzahl) die Spülluftförderung der Pumpe bei nur einseitig wirkendem Pumpenkolben nicht mehr genügen würde, um die dem Kompressionsraum des Triebmaschinenzylinders entsprechende Füllung pro Arbeitsgang zu geben, so wird das Schaltorgan h so eingestellt, daß sämtliche Kolben der Pumpenanlage d auf Spülluftlieferung arbeiten. Das Schaltorgan h ist in Fig. 1 für diesen Fall um j 180 ° im Sinne des Uhrzeigers verdreht zu

denken und verbindet dadurch die beiden Druckräume der beiden Pumpenseiten zu einem ι gemeinsamen Spülluftreceiver. Die nunmehr geförderte Spülluftmenge strömt in die Trieb-motorzylinder und wird dort so weit verbrannt, als sie nicht durch die Auspuffschlitze entweichen kann. Die absolut pro Hub verbrannte Spülluftmenge ist die gleiche wie im Fall II. Der mittlere indizierte Druck des bei stärkster

ίο Ladung und reiner Spülluftverbrennung beschriebenen Diagramms beträgt 4 bis 5,Atm., je nach Wahl des Kompressionsraumes = 4 bis 5 Prozent des Hubvolumens.

Fig. 4 zeigt einerseits die Diagrammbildung im fortlaufenden Zusammenhang, andererseits die für Fahrzeugzwecke wichtigen Kurven der Zugkraft, der effektiven Leistung des Brennstoffverbrauches in den Zonen I, II, III. Als Abszisse ist die Tourenzahl der Triebmaschine .

gewählt. .

Kurve a-a zeigt das Verhalten des mittleren indizierten Druckes im Triebmaschinenzylinder. In Zone I fällt der. mittlere indizierte Druck entsprechend der pro Umdrehung mit zunehmender Tourenzahl abnehmenden reinen Druckluftfüllung. In Zone II ist der mittlere indizierte Druck zunächst konstant und entspricht dem beim Druckluft-Spülluftverbrennungsverfahren erreichbaren Maximaldiagramm und der hierfür zu gebenden maximalen Druckluftfüllung. Von Linie z-z in Zone II verringert sich die Druckluftfüllung pro Diagramm, da das bei konstanter Leistung und Tourenzahl der Hilfsmaschine geförderte Luftgewicht sein Maximum erreicht hat, während es vor Erreichen der Zone z-z entprechend der niedrigen Tourenzahl der Triebmaschine gedrosselt ist. Gleichzeitig damit fällt der mittlere indizierte Druck. Zone III ergibt die Fortsetzung der Diagrainmbildung für den normalen Gang des Fahrzeuges bis zum Grenzfall des Gefälles.

Kurve ß-ß gibt die effektive Leistung der Triebmaschine, die mit der Tourenzahl in den einzelnen Zonen bis zum Erreichen eines Höchstwertes steigt und mit zunehmendem Gefälle' auf O sinkt.

Kurve γ-γ zeigt das Fallen der Zugkräfte, gerechnet aus effektiver Leistung und Geschwindigkeit und gibt ein Bild von der Elastizität des Betriebes, die bei voller Ausnutzung der effektiven Hilfsmaschinenleistung durch die Erfindung beabsichtigt ist.

Kurve d-S zeigt das Fallen des Brennstoffverbrauches mit zunehmender Tonrenzahl. Je mehr sich das Fahrzeug seinem Normalbetrieb nähert, desto mehr nähert sich der Verbrennungsprozeß dem reinen Zweitaktverfahren, um schließlich im Gefälle bei vollständigem Ausschalten der Druckluft ganz in denselben 'überzugehen. Die Ökonomie ist in dem Falle die gleiche wie beim normalen Zweitaktmotor.

Von besonderer Bedeutung ist die Kurve ε-ε, welche das Verhältnis der in der Triebmaschine verbrannten Druckluft-Spülluft herstellt. In Zone I findet keine Spüllufterzeugung statt, das Schaltorgan h hat sämtliche Kolben der Pumpenanlage auf Druckluftförderung geschaltet, die erzeugte Druckluft wird vollständig zur Füllung und Diagramnibildung in der Triebmaschine verwendet.

In Zone II ist die »Mehrförderung an Druckluft« durch das Schaltorgan h ausgerückt; es findet eine Lieferung von Spülluft und Druckluft im bestimmten, innerhalb der Zone II konstant bleibenden Verhältnis statt, ein Teil der Pumpenzylinder arbeitet auf Spülluftförderung, ein anderer auf Druckluftförderung, wobei jedoch bei voller Förderung die gesamte effektive Kompressorleistung infolge des erhöhten Preßluftdruckes die gleiche bleibt wie in Zone I. Eine Drosselung der Spülluft- und Druckluftförderung findet bis zum Abschnitt z-z statt, von z-z an beginnt die normale Spülluft- und Druckluftförderung, bei welcher im Zylinder der Triebmaschine konstante Spülluftfüllung und variable Druckluftfüllung pro Diagramm sich ergeben.

Zone III ändert die Förderverhältnisse zunächst nicht, erst wenn bei bestimmter Geschwindigkeit die Leistung der Triebmaschine infolge der Wirkung des Gefälles herabgesetzt werden soll, findet ein gänzliches Ausschalten der Druckluftförderung, deren Einfluß. auf die Diagramnibildung mit zunehmender Tourenzahl immer geringer geworden ist, statt; die Triebmaschine arbeitet nur mit Spülluftverbrennung.

Charakteristisch für die Wirkungsweise der Anlage ist die volle Ausnutzung der Hilfsmaschine beim Anfahren und im Normalbetrieb unter gleichzeitig wachsender Ökonomie mit 'zunehmender Leistung und Geschwindigkeit der Triebmaschine. Bei den bisher bekannt gewordenen Bauarten fehlt die Möglichkeit, diese beiden Vorteile zu vereinigen — Maximum der Ökonomie, Maximum der spezifischen Leistung der Gesamtanlage —-, die in der vorliegenden Erfindung durch die Variation in der Erzeugung und Verwendung von Druck- und Spülluft gegeben ist.

Die wirtschaftlichen und betriebstechnischen Vorteile des kombinierten Druckluft-Spülluftvcrfahrens beruhen demnach in folgenden Faktoren:

i. Erhöhte Sicherheit des Betriebes, dadurch erreicht, daß beim Anfahren mit dem Einschalten der normalen Druckluftförderung die kalte noch vorhandene Anlaßluft aus den Triebzylindern mit Sicherheit entfernt, im .Be-

trieb die hocherhitzten Abgase durch die Wirkung der Spülluft ausgeschoben werden, wobei im ersteren Falle die Spülluft auf die durch Expansion der Anlaßluft stark gekühlten Zylinderwandungen wärmend, im letzteren Falle kühlend wirkt;

2. Elastizität der Diagrammbildung, erreicht durch die konstante Spülluftverbrennung einerseits, durch die variable Druckluftverbrennung

ίο andererseits ;

3. Ökonomie des normalen Betriebes, dadurch erreicht, daß im normalen Betrieb die Spülluftverbrennung die Druckluftverbrennung überwiegt;

4. Erzielung der höchsten spezifischen Aus-. nutzung der Gesamtanlage, erreicht durch volle Ausnutzung der Hilfsmaschine in allen Betriebsfällen.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch: _{: äö}

   Verbrennungskraftmaschine, besonders für Fahrzeugzwecke, welche die in jedem Arbeitsgang wirksame Verbrennungsluft von einer unabhängig von der Triebmaschine angetriebenen Luftpumpenanlage erhält, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft zum Teil als Spülluft, zum Teil als Preßluft zugeführt wird, und das Verhältnis der Spülluftförderung zur Preßluftförderung mit der Betriebsart der Triebmaschine bei möglichst gleichbleibender Leistung der Hilfsmaschine so geändert wird, daß bei zunehmender Umlaufszahl der Triebmaschine die Preßluftfüllung abnimmt, während die im Zylinder verbrannte Spülluftfüllung konstant bleibt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.