DE268848C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 46 β. GRUPPE

ALEXANDER SIMON in DORTMUND.

Verbrennungskraftmaschine. Patentiert im Deutschen Reiche vom 21. März 1912 ab.

Es sind Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei welchen nach jedem Verbrennungshube nur reine Luft in den Arbeitszylinder eingeführt wird, welche während der darauf folgenden beiden Takte verdichtet und wieder ausgedehnt wird, zum Zweck, die Kühlung des Arbeitszylinders zu verbessern. Dieser Zweck dürfte auch bis zu einem gewissen Grade bei den bekannten Maschinen erreicht werden, indessen nur unter gleichzeitiger Herabsetzung der Leistungsfähigkeit der Maschine auf ungefähr die Hälfte, unter gleichzeitiger Verminderung des Wirkungsgrades, und ohne daß ein nennenswerter Teil der bei diesem Spiel den Zylinderwandungen entzogenen Wärme in mechanische Arbeit umgesetzt wird.

Die Wirkungsweise derartiger Maschinen kann aber bedeutend verbessert werden, wenn der Kompressionsraum im Verhältnis _o zum Kolbenraum derart angeordnet wird, daß.während der Einführung der Spülluft in den Zylinder diese nicht in den Kompressionsraum gelangen kann.

Eine derartige Anordnung des Kompressionsraumes kann bei Maschinen, bei denen entweder während des fünften und sechsten Taktes oder beim dritten und vierten Takt Luft komprimiert wird und expandiert, bei denen also die Verbrennung im Viertakt oder im Zweitakt erfolgt, angewendet werden. Besonders günstig wirkt diese Anordnung bei Maschinen der letzteren Art.

Das Diagramm einer solchen Maschine ist in Fig. ι veranschaulicht.

Aus diesem Diagramm ergibt sich, daß die während des dritten und vierten Taktes (Kompression und Expansion der Luft) gewonnene Arbeit um so größer ist, je größer die Fläche ist, welche von dem Linienzug 1-2-3-4-1 eingeschlossen wird. Da Kompressions- und Expansionsverhältnis gleich sind, so wird die gewonnene Arbeit im allgemeinen um so größer sein, je weiter die Punkte 2 und 3 auseinander liegen. In dieser Form würde das Diagramm für den Fall gelten, daß die Wärme im Hubwechsel zugeführt wird. Würde dagegen die ganze Wärme bei Beginn des Kompressionshubes der Luft zugeführt, so würde die Kompressionslinie mit der Expansionslinie 3-4 zusammenfallen. Der Arbeitsgewinn wäre also gleich Null. Die tatsächliche Kompressionslinie 1-3 wird sich um so mehr dem angestrebten Grenzfalle des Linienzuges 1-2-3 nähern, je mehr der Wärmeübergang von den inneren, heißen Maschinenteilen auf die Luft in den Hubwechsel gelegt wird. Der Punkt 3 des Diagrammes wird um so höher über dem Punkte 2 liegen, je größer die Wärmemenge ist, welche der eingeschlossenen Luft zugeführt wird.

Die möglichste Annäherung der Kompressionslinie an den Linienzug 1-2-3 des Diagrammes wird nun gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Kompressionsraum a zum Kolbenraum b derart angeordnet ist, etwa gemäß Fig. 2, daß die beim Ladevorgang eintretende Frischluft möglichst verhindert wird, hierbei in den Kompressionsraum einzutreten

und die darin befindlichen heißen Verbrennungsgase zu verdrängen.

Die Wärmemenge, welche dem eingeschlossenen Luftvolumen zugeführt wird, kann gesteigert werden durch Erhöhung des Temperaturgefälles zwischen Zylinderwandung und eingeschlossener Luft, und durch Erleichterung des Wärmeüberganges. Zu diesem Zweck wird die Luft mit großer Geschwindigkeit an

ίο den heißen Wandungen entlang geführt, wodurch alle Luftteilchen mit den Wandungen in innige Berührung kommen.

Die höchsten Temperaturen der Zylinderwandungen sind indessen begrenzt. Einerseits gestattet die Schmierung des Kolbens nicht eine gewisse Maximaltemperatur der Wandungen des Raumes δ zu überschreiten. Anderseits ist durch die Entzündungstemperatur des im Kompressionsraum α eingeschlossenen und während des ersten Taktes möglichst hoch zu verdichtenden, explosiblen Gemisches die mittlere Temperatur der Wandungen des Kompressionsraumes α festgelegt. Bei Maschinen, welche nicht nach dem Explosionsverfahren, sondern z. B. nach dem Dieselverfahren arbeiten, könnten die Temperaturen der Wandungen des Kompressionsraumes «- beliebig hoch gewählt werden, sofern nicht andere Bedenken vorliegen.

Die einzelnen Teile der Zylinderwandungen nehmen wegen der Trägheit des Wärmeaustausches zwischen ihnen und dem gasförmigen Inhalt eine, während eines vollen Arbeitsspieles annähernd konstante, mittlere Temperatur an, vor allem bei schneilaufen den Maschinen. Bei den gebräuchlichen Brennstoffen und Mischungsverhältnissen ist es möglich, den Wandungen des Kompressionsraumes a höhere Temperaturen zu geben wie den Wandungen des Kolbenraumes b.

Die Wärmemengen, welche durch äußere Kühlung der Zylinderwandungen dem Kreisprozeß während der ersten beiden Takte (Kompression des Gemisches und Verbrennungshub) entzogen werden, sind als Verlust zu betrachten. Es ist nun der Zweck, der Erfindung, diese Wärmeverluste zu vermindern, und zwar dadurch, daß die während des ersten und zweiten Taktes den Zylinderwandungen zugeführten Wärmemengen während des dritten und vierten Taktes an die eingeschlossene Luft übertragen werden, wobei diese teilweise in mechanische Arbeit umgesetzt und so nutzbar gemacht werden.

Und wenn auch bei solchen Maschinen die äußere Kühlung entfallen kann, so kann trotzdem die mittlere Temperatur der Zylinderwandungen doch niedrig gehalten werden, da die Wärmeableitung nach innen besonders groß ist.

Da die eingeführte Luft zunächst nur mit den weniger heißen Wandungen des Kolbenraumes und später erst mit den heißeren Wandungen des Kompressionsraumes und mit den zurückbleibenden sehr heißen, verbrannten Gasen in Berührung kommt, so wird das Temperaturgefälle zur Wärmeübertragung von allen Teilen der Zylinderwand auf die eingeschlossene Luft besser ausgenutzt, und zwar ähnlich wie in Kühlapparaten, welche nach dem Gegenstromprinzip arbeiten. Zweitens wird der Wärmeaustausch zwischen den Wandungen des Kompressionsraumes und der" eingeschlossenen Luft dadurch vollkommen, daß sich die Luft mit großer Geschwindigkeit an diesen Wandungen entlang bewegt.

Bei den bekannten Maschinen erhitzt sich dagegen das eingeschlossene Spülluftvolumen schon bei der Einführung, da es sogleich mit allen Teilen der Zylinderwand in Berührung kommt und sich auch sofort mit den heißen verbrannten Gasen mischt. Der Wärmeübergang von den weniger heißen Teilen der Zylinderwand auf die eingeschlossene Luft wird infolge des niedrigeren Temperaturgefälles geringer.

Bei der die Erfindung bildenden Maschine hingegen hat die während des ersten und zweiten Taktes den Zylinderwandungen zugeführte Wärme keine Zeit, die Zylinderwand zu durchsetzen, da sie sofort wieder während des dritten und vierten Taktes abgeführt wird. Vor allem ist dieses bei schnellaufenden' Maschinen der Fall.

Die die Erfindung bildende Maschine ist in Fig. 2 schematisch veranschaulicht.

Der Verbindungskanal c zwischen Kompressionsraum α und Kolbenraum b hat zweckmäßig eine derartige Form, daß der beim dritten Takt vom Kolbenraum in den Kompressionsraum gedrängte Luftstrom mit möglichst großer Geschwindigkeit auf die heißen Wandungen des Kompressionsraumes trifft, um diesen möglichst viel Wärme zu entziehen. Anderseits sollen jedoch die bei dem zweiten und vierten Takt (Expansion der Luft und Verbrennungshub) in den Kolbenraum b übertreteaden, sehr heißen Gasströme , die gegenüberliegende Zylinder- oder Kolben wand mit möglichst geringer Geschwindigkeit treffen, da ja sonst durch die intensive Bewegung der Gasmasse eine starke Erwärmung der Kolben- und Zylinderwandungen eintreten würde. Der Kanal muß also eine derartige Form besitzen, daß der in den Kolbenraum austretende Gasstrom nach dem Durchtritt durch die engste öffnung verzögert wird. Statt daß der in den Kompressionsraum eintretende Luftstrom auf die Wandungen prallt, kann auch die Form der letzteren derart gewählt werden, daß der Luftstrom gezwungen wird, unter fortwährendem, aber allmählichem Richtungs- ~ wechsel daran entlang zu strömen.

Die einzelnen Vorgänge während der vier Takte spielen sich folgendermaßen ab:

i.Takt. Kompression des Brennstoffluftgemisches.

Am Ende des vierten Taktes hatte der Kolben die Ausströmöffnungen (auf der rechten Seite der Fig. 2) und die Einlaßöffnungen (auf der linken Seite der Fig. 2) freigelegt. Der Überdruck im Zylinder hatte sich ausgeglichen, und durch die Einströmöffnungen war in bekannter Weise das explosible Gemisch eingetreten, die den Kolbenraum ausfüllenden Gase durch die Ausströmöffnungen verdrängend.

Ob der Brennstoff mit der Verbrennungsluft vermischt oder getrennt und gleichzeitig, oder getrennt, aber nach Schluß der Austrittsöffnungen eingeführt wird, ist für das Wesen der Erfindung gleichgültig.

Beim Einwärtsgang des Kolbens wird nun das Gemisch verdichtet und schließlich durch den Kanal c in den Verbrennungsraum α geschoben, wo es sich mit dem vom vorhergegangenen Hub zurückgebliebenen Inhalt vermischt. Die Temperatur der Wandungen des Raumes α ist jetzt verhältnismäßig niedrig, so daß eine vorzeitige Entzündung des Gemisches nicht eintritt. Die Zündung kann am Ende des Kompressionshubes in bekannter Weise elektrisch oder durch die Kompression swärme oder auf eine andere Weise erfolgen.

2. Takt. Verbrennungshub.

Das im Räume α entzündete Gemisch verbrennt unter beträchtlicher Temperaturerhöhung. Beim Auswärtsgang des Kolbens tritt der Inhalt des Raumes α durch den Kanal c in den Raum b über. Die an der engsten Stelle des Kanals c größte Geschwindigkeit des Gasstromes wird durch Erweiterung des Kanales vermindert, so daß der Gasstrom mit geringer Geschwindigkeit in den Raum b tritt.

Die Wandungen des Raumes b werden soweit künstlich gekühlt, als es die Schmierung des Kolbens erfordert; sie werden also keine sehr hohe Temperatur annehmen. Die Wandungen des Raumes α dagegen geben keine oder nur wenig Wärme nach außen ab, so daß auf der Innenseite des Raumes α eine Wärmestauung eintritt unter gleichzeitiger Temperaturerhöhung der inneren Oberfläche. Es ist zu beachten, daß die Wärmeaufnahme

,55 bei den Metallen eine gewisse Zeit erfordert, und zwar eine ziemlich beträchtliche Zeit im Verhältnis zu derjenigen, welche normalerweise für die einzelnen Arbeitsspiele zur Verfügung steht.

Gegen Ende des zweiten Hubes öffnet der Kolben die Auspufföffnung und etwas später die Eintrittsöffnungen. Der Überdruck im Zylinder gleicht sich durch Abströmen der verbrannten Gase aus. Nunmehr tritt, durch die Steuerung beeinflußt, durch die Eintritts-Öffnungen nur Spülluft ein, welche die verbrannten Gase im Räume b durch den Auspuffkanal verdrängt.

Während dieses Ladevorganges werden also einerseits die Wandungen des Kompressionsraumes α vor Abkühlung durch die eintretende Luft, geschützt, anderseits wird eine zu frühzeitige Erwärmung der Luft verhindert.

3. Takt. Verdichtungshub.

Beim Rückgang des Kolbens werden Ein- und Austrittsöffnungen geschlossen. Im Kolbenraum b befindet sich nunmehr kalte Luft und im Verbrennungsräume α heiße verbrannte Gase. Beim weiteren Kolbenrückgange erfolgt die Verdichtung der Luft im Raum b und der Gase im Raum a, wobei die Luft des Raumes b allmählich in den Raum α gedrückt wird.

Solange sich die eingeführte Spülluft in dem Raum b befindet, wird sie verhältnismäßig wenig Wärme aufnehmen Der Einfluß steigt * aber in dem Maße, in welchem die Spülluft vom Räume b in den. Raum α übergedrückt wird. Denn in dem Räume α nimmt das Temperaturgefälle zu, ebenso die Dichte des Gasinhaltes und die Geschwindigkeit, mit welcher der in den Raum α übertretende Luftstrom infolge der eigenartigen Form des Kanales c auf die Wandungen von α trifft.

Die Zeit, während welcher die Luft mit den Wänden des Raumes b in Berührung war, ist ungefähr gleich derjenigen, während deren die Berührung mit den Wänden des Raumes a stattfindet. In letzterem Falle ist jedoch der Wärmeübergang von den Wänden des Raumes α auf dessen Inhalt ungleich größer als im ersten Falle.

Dieser Vorgang hat also dieselbe Wirkung, als wenn der größte Teil der in den Wandüngen des Raumes α befindlichen Wärme erst nach der Verdichtung dem Zylinderinhalt zugeführt würde. Der Linienzug 1-3 der Fig. ι könnte indes nur dann mit dem Linienzuge 1-2-3 vollständig zur Deckung gebracht werden, wenn die ganze Wärmemenge erst im Hubwechsel dem Zylinderinhalt zugeführt würde.

Am Ende des dritten Taktes bilden die im Räume α verbliebenen Verbrennungsrückstände und die eingeführte Luft ein gleichmäßiges Gemisch von einheitlicher Temperatur.

4. Takt. Expansionshub.

Bei dem nunmehr folgenden Kolbenauswärtsgange expandiert die im Räume α ein-

geschlossene, hocherhitzte Gasmasse Arbeit verrichtend unter gleichzeitiger Abkühlung. Die den Raum α ausfüllenden Gase strömen durch den Kanal c in den Kolbenraum b, wobei sie nach dem Durchtritt durch die engste Stelle ihre Geschwindigkeit vermindern. Die im Räume α befindlichen Gasmassen entziehen dessen Wandungen auch noch während des Expansionshubes Wärme, wodurch der Druck abfall verringert wird.

Gegen Ende des vierten Taktes öffnet der Kolben die Ausströmöffnungen (auf der rechten Seite der Fig. 2) und etwas später die Einströmöffnungen (auf der linken Seite der Fig. 2), durch welch letztere nach dem Druckausgleich frische Luft in den Zylinder eintritt und die heißen Gase aus dem Raum b durch die Auspuff Öffnungen verdrängt. Es wiederholt sich 1 nunmehr der Vorgang des ersten Taktes.

Bei der die Erfindung bildenden Maschine wird somit eine vollkommenere Ausnutzung der Wärme erreicht als bei den bekannten Maschinen. Um so vollkommener während des dritten und vierten Taktes der inneren Oberfläche der Zylinderwandungen die Wärme wieder vom Zylinderinhalt entzogen wird, um so niedriger wird die mittlere Temperatur der Wandungen werden.

Da bei dieser Maschine auf jeden Verbrennungshub zwei Ladevorgänge entfallen, so wird die Ladezeit gewissermaßen verdoppelt ,und dadurch der Ladevorgang verbessert. Außerdem aber kann der Raum auf der "anderen Seite des Kolbens als Spülpumpe benutzt werden, selbst bei verhältnismäßig niedrigem, volumetrischem Wirkungsgrade, da das doppelte Zylindervolumen für das gesamte Spülluft volumen pro Verbrennungshub in Frage kommt. Dieser Umstand ist besonders wichtig für Maschinen, welche das Kurbelgehäuse als Ladepumpe benutzen. Die Einrichtungen kommen mit besonders großem Vorteil bei luftgekühlten, schnellaufenden Maschinen zur Anwendung.

Claims (2)

Patent-Ansprüche:

1. Verbrennungskraftmaschine, bei welcher nach jedem Verbrennungshube eine Spülluftladung in den Arbeitszylinder eingeführt, verdichtet und wieder ausgedehnt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsraum so zum Kolbenraum angeordnet ist, daß die während des Lade-Vorganges in den Kolbenraum eingeführte Luft in den Kompressionsraum nicht eintreten kann.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsraum mit dem Kolbenraum durch einen engen, sich nach dem KoI-benraume · erweiternden Kanal verbunden ' ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.