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Zweitaktexplosionskraftmaschine mit gegenläufigen steuernden Kolben.
Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Zweitaktexplosionskraftmaschine mit gegenläufigen
Kolben, die die Einlaß- sowie die Auspuffschlitze im Explosionszylinder steuern.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß der die Einlaßschlitze steuernde Kolben
als ein leicht gebauter und daher schnellaufender Arbeitskolben, hingegen der andere
die Auspuffschlitze steuernde Kolben als ein schwererer, daher langsamer laufender
Kolben ausgebildet ist und die Kolben ihren Explosionshub entgegen Feder- und Wasserdruck
ausführen. Der Hub des wasserfördernden Kolbens ist dementsprechend länger als der
des federbelasteten Kolbens.
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Auf der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand, der eine Explosionspumpe
bildet, in Abb. i im Längsschnitt und in Abb. 2 im Grundriß, teilweise im Schnitt,
beispielsweise dargestellt.
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Im Arbeitszylinder ist ein leicht gebauter, vorzugsweise aus Aluminiumlegierung
hergestellter Arbeitskolben 2 und ein schwererer Kolben 3 frei schwingbar angeordnet.
Der Arbeitskolben 2 ist in seinem mittleren Teil kegelstumpfartig abgesetzt und
bewegt sich mit dem schwächeren Teil 4 innerhalb einer hülsenartigen Führung 5.
Diese steht durch Längsschlitze 6 mit dem Druckwindkessel 15 in Verbindung und trägt
an ihrem in eine Büchse 51 uuslaufenden äußeren Ende eine Kappe 7, deren Öffnung
mit einem sich nach innen gegen Federdruck öffnenden und mit einem kleinen Loch
versehenen Rückschlagventil 1o geschlossen ist. Über der Kappe; ist eine Blindkappe
i i befestigt, "welche eine Kammer 12 umgibt. Diese Kammer ist durch Nuten 8 mit
den Druckwindkessel 15 v.erbun-:len. Am äußeren, in der Zeichnung dargestellten
Huhenide des Arbieitskolbens 2 dringt dessen Stange .4 mit kegelartiger Spitze so
weit in die hülsenartige Führung 5 mit einerseits scharf zulaufenden Schlitzen 6
ein, daß es diese fest abdeckt. Ist bis dahin der Arbeitskolben 2 noch nicht zum
Stillstand gekommen, so wirkt das in der Büchse 51 abgeschlossene Wasser als Puffer:
Dem Arbeitskolben 2 wirkt außerdem der Wasserdruck entgegen, so daß er das Ende
der Schlitze 6 normalerweise nicht zu überschreiten vermag. Bei zu kleinem Wasserdruck
tritt die Spitze der Verlängerung 4 in die Büchse 51 ein. Der Kolben 2 wird rechtzeitig
durch das als Puffer wirkende Wasser zum Stillstand gebracht, wenn er das Hubende
mit höchster Geschwindigkeit überschreitet. Da durch die kleine Öffnung 9 im Rückschlagventil
1o nur wenig Wasser in den Hohlraum 12 austreten kann, so -wird der Wasserdruck
in der Büchse 51 auf die Stirnseite des abgesetzten Tauchkolbens 4 derart erhöht,
daß der Arbeitskolben 2 rechtzeitig zum Stillstand kommt. Ist nun der Druck im Arbeitszylinder
genügend gesunken, so wird das Rückschlagventil 1o infolge des Wasserdruckes von
außen geöffnet, und der Tauchkolben wird durch den auf ihn wirkenden Druck des vom
Windkessel 15 oder von einem besonderen
Windkessel kommenden Wassers
aus der Büchse 51 rasch herausgezogen und nach links geschoben. Mit seinem kegelstumpfartig
ausgebildeten Mittelteil schwingt cler Kolben 2 innerhalb des Pumpengehäuses P hin
und her, wobei ein das Saugrohr 13 abschließendes federbelastetes Sangventil 14
und ein den Druckwindkessel 15 absperrendes federbelastetes Druckventil i(' geöffnet
und geschlossen werden.
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An seinem in der Zeichnung veranschaulichten rechten Hubende gibt
das stärkere linke Ende des Arbeitskolbens 2 die von einem Spüllufthehälter 17 in
den Zylinder i eininiindenden Schlitze 18 frei. In dein Zvlinder i sind andererseits
noch Auspuffschlitze i9 vorgesehen, die durch das Rohr 2o ins Freie führen und von
dem federbelasteten Pumpenkolben 3 geöffnet und geschlossen werden. Der Pumpenkolben
3 ist entsprechend schwerer gebaut als der Arbeitskolhen, so daß die Länge seines
Hubes und die hierbei aufgenommene Arbeit auch so viel kleiner sind als Hub und
Arbeit des Arbeitskolbens. Wie aus Abb. i ersichtlich ist, schwingt der Pumpenkolben
3, welcher bei größeren Maschinen anstatt durch Federdruck durch den Druck eines
Windkessels belastet ist, mit seinem Stufenkolben innerhalb des Spülltiftpumpen-und
Konipressorzylinders 21 hin und her. Bei seinem Hube nach links aus dem Zylinder
i drückt der Kolben 3 gegen eine im Zylinder 21 angeordnete doppelte, kegelstumpfartig
gewundene Feder 22, die so bemessen ist, daß sie gemeinsam mit dein Arbeitskolben
2 die Kompression der Luft im Zylinder i beim Einwärtshub der Kolben bewirken kann.
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An der Stelle, bei welcher während des Einwiirtshubes des Pumpenkolbens
3 nach rechts die Kompression der Einblaseluft im Zylinder 21 beginnen soll, ist
der letztere mit einem Ringschlitz 31 versehen, mittels welchen er mit dein Ringkanal
32 in \-erl>inrlting steht. Dieser Ringkanal 32 ist mit einem ins Freie führenden
Saugventil 33 und mit einem in den Spülluftbehälter 17 sich öffnenden Druckventil
34 ausgestattet. Der Zylinder 2i steht außerdem mittels einer Leitung 35 (s. Abb.2)
in Verbindung mit einem Vergaser 36. Wird nun der Ringschlitz 31 voll' Kolben 3
abgesperrt, so wird in dem abgesperrten Raum die Luft hoch komprimiert und diese
mit dem zerstäubten Brennstoff unter t berwindung der Federkraft eines Riickschlagventils
37 in den Arbeitszylinder i gepreßt.
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Der Arbeitskolben 2 ist leichter ausgeführt, bewegt sich schneller
und führt daher einen um so viel längeren Hub aus als der Hilfskolben 3, so daß
die Kolben bei der Explosion nicht in der Mitte des Zylinders stehen, son-(lern
so weit links, daß 11-er mit Ventil 37
versehene l?inb1,asekanal und die daranterliegende
Zfndkerze q.o niemals von den Kolben bedeckt werden.
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In die Leitung 35 mündet ferner eine mit Rückschlagventil abgeschlossene
Leitung 38, durch welche zum Zwecke des Alllassens des 31lotors von außen Druckluft
zugeführt werden kann. Durch einen Anschluß 6o des Spiilluftbehälters 17 kann Sauerstoff
in diesen eingeleitet werden.
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Den Arbeitszylinder i umschließt ein Kühlmantel 39, der von einer
Pumpe mit Kühlwasser gespeist wird. Eine Brennstoffpumpe 51 fördert den Brennstoff
durch ein Rohr .I9 in-den Vergaser 36.
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Das von der Maschine erzeugte Druckwasser dient zum Antrieb von Turbinen
oder zum Heben von Wasser auf große Höhen.
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Die Wirkungsweise der iHaschine ist folgende: Es wird bei Inbetriebsetzung
Benzin in den Vergaser 36 eingespritzt und Druckluft durch die Leitung 38 zugeführt,
die bei Üffnung des Ventils 37 in den Zylinder strömt, und die die in ihrer Innenlage
im Zylinder i befindlichen Kolben 2 und 3, von der Lage der Zündkerze .ausgehend,
nach auswärts treibt, bis sie die Schlitze i8 und i9 öffnen; die Druckluft strömt
zum großen Teil durch die Schlitze 18 hinaus, worauf der Druck auf nahe i Atm. fällt.
Dabei strömt das Wasser aus der Pumpe P durch das zwecks Entlastung von Hand gehobene
Anlaßventil 59 mit großer Geschwindigkeit in die Saugleitung zurück. Die Kolben
:2 und 3 führen jetzt wie beim normalen Gang ihren rückwärtigen Kompressionshub
aus. Die Ziinclung setzt dann die Maschine in Bewegung, worauf das gehobene Ventil
59 geschlossen wird. Der Kolben 2 drückt das Wasser ini Pumpenkörper P durch das
Druckventil i(1 in den Druckwindkessel 15. Der Pumpenkolben 3 saugt bei seinem Hube
nach auswärts einerseits Frischluft durch das Ventil 33 in den Zylinder 21 und drückt
anderseits die Federn 22 zusammen, durch deren Kraft er dann einwärts geschleudert
wird. Hierbei wird die Frischluft aus dein Zylinder 21 durch das Druckventil 34
so lange in den Spülluftbehälter 17 gedrückt, bis sein Kolbenrand den Schlitz 31
abschließt. Hierauf wird die ini. Zylind.er 21 noch befindliche komprimierte Luft
weiterkomprimiert und zum Teil durch den Vergaser 36 mit dein dort zerstäubten Brennstoff
in den Arbeitszylinder i eingepreßt. Die im Luftputnpenzvlinder 21 wenig verdichtete
Frischluft streicht über die vom einwärts laufenden Arbeitskolben 2 abgeschlossenen
Schlitze 18, so daß die beim vorhergegangenen Spiel atis (lein Behälter 17 in den
Ringkanal
und die Schlitze gelangte, mit Sauerstoff angereicherte
Frischluft ip den Behälter i 7 zurückgeschoben wird. Die nichtangereicherte Frischluft
wird den die Schlitze i8 umgebenden Ringkanal füllen, so daß sie zuerst durch die
geöffneten Schlitze 18 in den Zylinder i strömt, gefolgt von der angereicherten,
aus dem Behälter 17 kommenden Luft. Die Frischluft bildet zwischen der angereicherten
Luft und den Abgasen eine neutrale Luftschicht. Sie verdrängt mit der angereicherten
Luft gemeinsam einen großen Teil der Abgase aus dem Zylinder durch die offenen Schlitze
i9 und dem Rohr ao hinaus. Die Schlitze i9 werden durch den Kolben 3 beim Explosionshub
wegen anfänglich niedrigen Federdruckes zwecks Erzielung genügenden Vorausströmens
früher geöffnet als ,die Kanäle 18. Die Kanäle i9 werden dann durch den noch weiterlaufenden
Kolben 3 später voll geöffnet zu einer Zeit, wo der Arbeitskolben a schon umkehrt.
Daraus ergibt sich eine Verspätung für den Abschluß der Schlitze i9, wodurch erreicht
wird, daß die restlichen Abgase der vorherigen Verpuffung vollständig und zum Teil
auch die neutrale Luftschicht ausgestoßen werden. Es kann also ohne Anwendung besonderer
bewegter Teile lediglich durch die Benutzung richtiger Belastungsfedern für den
Pumpenkolben ein Arbeitsverfahren erzielt werden, welches sich dadurch kennzeichnet,
daß eine Verbrennung im fast reinen Sauerstoff bzw. in beliebig angereicherter Frischluft
erfolgt, und daß nur um einen kleinen Teil des Zylinderraurninlialts einnehmende
Ladung komprimiert wird. Sind nach Inbetriebsetzung die Explosionen für die Überwindung
des Federdruckes stark genug, so wird das Ventil 59 geschlossen und die elektrische
Zündung abgeschaltet, weil nunmehr Selbstzündung eintritt.
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Der Sauerstoffgehalt der verminderten Frischluftladung entspricht
dem Bedarf bei kleinerer Maschinenleistung und muß bei norinaler oder höchster Leistung
durch entsprechenden Sauerstoffzusatz erhöht werden, dainit die Verbrennung rasch
und vollkommen stattfinden kann. Die Verminderung bzw. gänzliche Ausstoßung der
neutralen Frischluftladwng ist eine mehr oder weniger gleichbleibende, unabhängig
von der jeweiligen Motorleistung. Sie hat also nicht den Zweck, die Motorleistung
zu regeln, und wird stets möglichst weit getrieben. Der Zweck, der Verminderung
der Lademenge und der vollständigen Ausstoßung ist die möglichste Verniinderung
des Raumes und der Arbeit der Kompression, die Vergrößerung des Expansionsverhältnisses,
des absoluten Temperaturgefälles und der hohe thermische Wirkungsgrad. Die Anwendung
eines Kolbens geringster 1,\.lassenträgheit mit kegelartiger Stirnseite in der Pumpe,
welche die Massenträgheit der mitschwingenden kurzen Flüssigkeitssäule, diese langsam
in schräg radialer Richtung fördernd, beinahe ausschaltet, bedingt nicht nur eine
enorme Steigerung der "Zahl sekundlicher Spiele und der spezifischen Leistung, bei
der sich eine weitere Steigerung beim Arbeiten mit Sauerstoff und brennstoffreicherer
Ladung ergibt, sondern es vermindern sich auch trotz der bedeutend erhöhten Verbrennungstemperaturen
die Wärmeübergangsverluste an den gekühlten Wänden der Verbrennungskammer durch
Abkürzung der Übergangszeit infolge der bei der Explosion auftretenden plötzlichen
Beschleunigung auf die, Höchstgeschwindigkeit, wodurch höhere Gasdrucke entstehen,
als bei den 'gebräuchlichen Arbeitsverfahren der Gaskraftmaschinen und Explosionspumpen
der Fall ist.
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Durch getrennte Aufstellung der Turbinen ari den Kraftbedarfstellen
und clie Anlage einer Druck- und Rückwasserleitung, also bei hydraulischer Kraftübertragung,
werden, verglichen mit der mittels Wellenleitung bzw. elektrischer Kraftübertragung,
Kraftverluste vermieden sowie an Anlage- und Betriebskosten dazu, insbesondere für
Riemen und Seile, erspart.