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Zweitaktverbrennungskraftmaschine mit von einer Kurvenbahn geführten
Kolben. Die Erfindung betrifft eine besondere Gestaltung der Kurvenbahn für Maschinen,
insbesondere Zweitaktverbrennungskraftmaschinen, mit feststehenden Zylindern und
umlaufenden Schwungmassen, bei denen die Kolben durch Vermittlung von Kurvenbahnen
angetrieben werden. Hierbei tragen zweckmäßig an den Kolbenstangen angebrachte Querhäupter
Rollen, die auf den Kurvenbahnen laufen. Die Kurvenbahnform wurde bisher ohne Berücksichtigung
der Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte entworfen, man gestaltete sie höchstens
in ihrer Form mit Rücksicht auf die Arbeitsvorgänge im Zylinder der Maschine. Dabei
müssen doppelte Bahnen, eine innere und eine äußere Bahn, vorgesehen werden, da
die zur Kraftübertragung dienenden Rollen während des Ganges der Maschine abwechselnd
an der einen oder anderen Bahn
anliegen. Nimmt man für den Lauf
auf der inneren und der äußeren Bahn nur eine Rolle, so muß diese beim Übergang
von der einen zur anderen Bahn ihre Bewegungsrichtung.umkehren, was eine starke
Abnutzung der Rolle und der Bahnen bewirkt. Auch treten hierbei Stöße auf, wenn
der Abstand der beiden Bahnen etwas größer als die Rollendurchmesser ist. Diese
Stöße erzeugen, namentlich weil sie immer an denselben Stellen auftreten, Vertiefungen
in der Bahn, die infolge der dadurch stärker werdenden Stöße immer weiter ausgeschlagen
werden. Auch die Lager der Rollen leiden durch diese Stöße. Selbst wenn für jede
Bahn besondere Rollen vorgesehen werden, treten Stöße auf, da es nicht möglich ist,
die gekrümmten Bahnen so gegeneinander abzugleichen, daß beide Rollen immer mit
gleich starkem Druck an den zugehörigen Bahnen anliegen.
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Das Abheben -der Rollen von der Bahn ist auf folgendes zurückzuführen:
Im Verlaufe einer Zweitaktperiode liegt die Rolle während des Explosionshubes unter
der Wirkung des auf den Kolben ausgeübten Druckes dauernd an der Bahn an, ebenso
in der ersten Hälfte des darauffolgenden Verdichtungshubes, da jetzt von der Bahn
aus das Kolbengestänge beschleunigt wird. In der zweiten Hälfte dieses Hubes verläßt
aber die Rolle die Bahn, wenn die durch die Verdichtung der Ladung bewirkte Verzögerung
des Kolbengestänges kleiner wird als die Verzögerung, die von der zugehörigen Bahnstrecke
zum Anliegen verlangt wird.
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Nach der Erfindung werden diese Nachteile dadurch behoben, daß durch
dauernden Kraftschluß zwischen Bahn und Rolle diese immer nur an einer Bahn anliegt.
Dies wird dadurch erreicht, daß die die zweite Hälfte des Verdichtungshubes steuernden
Bahnteile so ausgestaltet sind, daß die von der Bahnkurve zugelassene Verzögerung
der Triebwerksteile stets kleiner ist als die durch den Verdichtungsdruck erzeugbare
Verzögerung dieser Teile. Die Rollen liegen somit dauernd an der Kurvenbahn an,
so daß Stöße vermieden sind und man mit einer einzigen Kurvenbahn auskommt.
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Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Maschine nach der
Erfindung dargestellt Abb. i ist ein zum Teil schematisch gezeichneter senkrechter
Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Maschine, Abb. 2 und 3 sind Schaubilder
für die Aufzeichnung und Berechnung der Kurvenbahn nach Abb. i, Abb. ¢ zeigt einen
Teil der Schwungmassen in einer anderen Ausführungsform.
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In dem feststehenden Zylinder i der Maschine nach Abb. i spielen zwei
gegenläufige Arbeitskolben 2, 3, die durch Kolbenstangen q. mit Querhäuptern 5 fest
verbunden sind. Diese sind in Führungen 6 radial verschiebbar und tragen, Rollen
7, welche mit einer Kurvenbahn zusammenwirken, die aus sechs Kurvenbahnelementen
b-a-b besteht, von denen jedes eine Zweitaktperiode steuert. Die Kurvenbahn ist
in einer Schwungscheibe 8 vorgesehen, die mit der anzutreibenden Welle verbunden
ist.
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Durch den Arbeitskolben 2 werden die Auspuffschlitze 9 gesteuert und
durch den Arbeitskolben 3 die Spülschlitze io. Der Brennstoff wird durch die Öffnung
ii in den Zylinder i eingeführt. Beim Explosionshube werden durch den Druck der
Gase die Kolben 2, 3 mit den Rollen 7 gegen die Kurvenbahnteile a-b gedrückt, wodurch
die Schwungscheibe 8 im Sinne des in Abb. i eingezeichneten Pfeiles angetrieben
wird. Nach erfolgtem Hubwechsel im Punkte b liegen die Rollen 7 etwa auf dem der
Kurvenbahnstrecke b-c entsprechenden Teil des Verdichtungshubes noch gegen die Kurvenbahn
an, da die Massen der Kolben 2, 3 und der mit ihnen verbundenen Teile q, 5, 7 durch
den Druck der Kurvenbahn auf die Rollen 7 beschleunigt werden müssen. Etwa vom Punkte
c ab können jedoch die Beschleunigungskräfte der Massen den Verdichtungsdruck der
durch die Spülschlitze io eingeführten Luft übersteigen, so daß sich die Rollen
7 von der Bahn abheben würden, wenn bei der Gestaltung der Strecke c-a die Beschleunigungskräfte
nicht berücksichtigt werden.
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Um nun auch für die Strecke c-a zu erreichen, daß die Rollen 7 sich
nicht mehr von der Bahn abheben, wird deren Gestalt in folgender Weise ermittelt:
In Abb. 2 ist e die Verdichtungslinie des Diagramms der Maschine, die Ordinaten
bis zu dieser Linie geben daher die jeweiligen Verzögerungen an, welche auf die
Triebwerksteile durch die Wirkung der Verdichtung auf den Kolben 2 ausgeübt werden
kennten. Diese durch den Verdichtungsdruck erzeugbare Verzögerung soll nun nach
der Erfindung stets größer sein, als die Verzögerung der Triebwerksteile, welche
zum Anliegen an der Bahnstrecke c-a notwendig ist. Daher wird der Gestaltung dieser
Bahnstrecke eine Beschleunigungslinie f zugrunde gelegt, die unterhalb. der Verdichtungslinie
e liegt. Die auf der ersten Hälfte des Verdichtungshubes durch die Kurvenbahn b-c-a
auf die Triebwerksteile ausgeübten Beschleunigungskräfte, die im Diagramm nach Abb.
2 durch den unterhalb der Abszissenachse liegenden Teil der Linie f dargestellt
sind, werden auf der zweiten Hälfte des Hubes negativ, der oberhalb der Abszissenachse
liegende Teil der Linie f stellt also die Verzögerungskräfte dar, welche auf die
Triebwerksteile ausgeübt
werden müssen, damit die Rolle auch auf
der Kurvenbahnstrecke c-a anliegt. Da die Linie f unterhalb der Linie e ,liegt,
werden die Rollen 7 auf der zweiten Hälfte des Verdichtungshubes mit einer Kraft
gegen die Kurvenbahn c-a gedrückt, die den Ordinatenstrecken zwischen den Linien
f und e entspricht.
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Aus der Beschleunigungslinie f wird rechnerisch und zeichnerisch die
Geschwindigkeitskurve g und aus dieser ebenso die Bahngrundkurve h entwickelt.
Die einzelnen Höhen i
in der Bahngrundkurve werden in entsprechendem Maßtab
von einem Kreisbogen aus nach innen aufgetragen, der um den Drehungsmittelpunkt
der Maschine mit einem Radius beschrieben ist, dessen Länge durch den Rollenmittelpunkt
in der äußersten Totlage bestimmt wird. Auf diese Weise ergibt sich die Bahnlinie
k des Rollenmittelpunktes (Abb. 3). Um einzelne Punkte dieser Bahnlinie mit dem
Rollenradius y geschlagene Kreisbogen ergeben die auszuführende Bahnkurve a-b-c-a.
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Die Bahnkurve für den Explosionshub kann an sich anders gestaltet
werden, zweckmäßig aber wird sie als Spiegelbild der Verdichtungsbahnkurve ausgeführt,
namentlich wenn die Maschine umsteuerbar sein soll.
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Die Rollen 7 liegen dann auf dem ganzen Doppelhub der Kolben 2, 3
an der Kurvenbahn a-b-c-a an, so daß man mit einer einzigen Bahn auskommt, die zweckmäßig
nach außen verlegt wird. Bei Anordnung einer inneren Bahn dient diese nur zur Sicherung;
damit beim Andrehen der Maschine, wo noch keine Verdichtungs- und Explosionskräfte
auf die Kolben wirken, diese die der Bahn entsprechenden Bewegungen ausführen.
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Vorteilhaft erteilt man den Kolben 2, 3 eine möglichst hohe Geschwindigkeit,
um mit möglichst kleinen Zylinderabmessungen eine große Maschinenleistung zu erzielen.
Diese erreichbare Kolbengeschwindigkeit wächst mit der Steilheit der Beschleunigungslinie
f im Diagramm. Diese Linie selbst aber darf, damit keine Aufhebung des Kraftschlusses
eintritt, die Verdichtungslinie e nicht überschneiden, d. h. der Beschleunigungsdruck
darf an keiner Stelle den Verdichtungsdruck übersteigen. Es wird also die größtmögliche
Geschwindigkeit erzielt, wenn die Beschleunigungslinie f dicht unterhalb der Verdichtungslinie
e so verläuft, daß sie sich dieser möglichst anschließt.
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Die mit der Kurvenbahn b-c-a versehenen Teile der Schwungscheibe 8
bei der Ausführungsform nach Abb. q. sind aus Segmenten 12 zusammengesetzt, die
mit der Schwungscheibe fest verbunden werden, um die Kurvenbahn leicht herstellen
und nachstellen zu können. Die Stoßstellen 13 sind an die Punkte b der Kurvenbahn
b-a-b, also an die Stellen verlegt, an welchen die Kolben 2, 3 in ihrer äußeren
Totlage stehen. Die an die Stoßstellen 13 angrenzenden Bahnstücke na zweier benachbarter
Segmente 12 sind nach einem Kreisbogen um den Drehmittelpunkt x (Abb. i) der Schwungscheibe
8 hergestellt.
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Kurz vor Beendigung des Explosionshubes werden die Auspuffschlitze
9 und die Spülschlitze io durch die Kolben 2, 3 geöffnet, so daß im Innern des Zylinders
i nur noch der Druck der Spülluft herrscht. Die Belastung der Kurvenbahn durch die
Rollen 7 ist daher am Ende des Explosionshubes und zu Beginn des Verdichtungshubes,
also beim Übergang der Rollen von einem Segment 12 auf das benachbarte Segment 12,
nur gering. Insbesondere werden aber keine oder doch nur geringe Beschleunigungsdrücke
auf die Stoßstellen 13 durch die Kolben 2, 3 ausgeübt, da diese beim Übergang
von einem Segment i2 auf das benachbarte infolge der besonderen Ausgestaltung der
Kurvenbahnteile m keine radialen Bewegungen ausführen.
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Die Kurvenbahnstücke m können auch nach einem Kreisbogen hergestellt
werden, dessen Mittelpunkt in der Nähe des Drehungsmittelpunktes z der Schwungscheibe
8 liegt.