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Verbrennungskraftmaschine mit zwei ineinander laufenden Kolben. Den
Gegenstand der Erfindung bildet eine Zweitaktverbrennungskraftmaschine, bei der
die Gase auf beliebig größeres Volumen als dasjenige der angesaugten Ladung ist,
expandieren, was gegebenenfalls bis unter den atmosphärischen Druck geschehen kann,
wobei nach Beendigung des Expansionshubes des Arbeitskolbens Wasser eingespritzt
wird, um noch teilweise bei dem zweiten Takte des Kolbens Arbeit zu gewinnen und
dadurch den Wirkungsgrad der Maschine zu erhöhen. Außerdem wird bei der Verbrennungskraftmaschine
gemäß der Erfindung ein vollkommenes Austreiben der Abgase auch aus dem Kompressionsraum
erzielt, wodurch das Arbeitsgemisch stets rein bleibt und keine Verluste durch unvollkommene
Verbrennung, deren Ursache Abgasreste sind, entstehen.
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Das in der Abb. i veranschaulichte Druckdiagramm zeigt den Unterschied
in der Ausnutzung der Energie des Brennstoffes bei den jetzigen Verbrennungskraftmaschinen
und denjenigen
gemäß der Erfindung. Die Fläche a f g
d a bedeutet die gewonnene Arbeit bisheriger Gleichdruckmotoren (Diesel)
und die Fläche a b c d a
die Arbeit der Explosionsmotoren, wobei das Volumen
1' der expandierten Gase gleich dem Volumen der angesaugten Ladung ist. Dagegen
wird bei der Verbrennungskraftmaschine gemäß der Erfindung die Expansion auf ein
beliebig größeres Volumen I'3 durchgeführt. Am Ende der Expansion werden die Gase
durch Wassereinspritzung stark abgekühlt, so daß der Druck vom h bis k sinkt und
bei nachfolgendem Korn, primieren der Gase auf atmosphärischen Druck die Kompressionskurve
ka isothermisch verläuft. Dadurch entsteht ein Zuwachs der gewonnenen Arbeit, welcher
durch die Fläche a d h k a dargestellt ist. Die Fläche a d e a stellt
den Arbeitszuwachs dar, welcher dann entsteht, wenn dieExpansion blos auf den atmosphärischen
Druck und ohne Wassereinspritzung durchgeführt wird.
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Die Verbrennungskraftmaschine gemäß der Erfindung kann als Zweitakt-Gleichdruckmotor
mit Wassereinspritzung, dem das Druckdiagramm a f g h k a (Abb. i) entspricht
oder als Zweitaktexplosionsmotor ohne Wassereinspritzung, dem das Druckdiagramm
a b c e a entspricht, ausgeführt werden.
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Um die im Druckdiagramme dargestellte Arbeit zu erzielen, ist der
Arbeitszylinder der Verbrennungskraftmaschine gemäß der Erfindung mit einem zylindrisch
gestalteten Saugkolben und mit einem im Innern desselben sich bewegenden Arbeitskolben
versehen, deren Arbeitsweise darin besteht, daß das entgegen der Bewegungsrichtung
des Arbeitskolbens durch den Saugkolben in den Zylinder angesaugte Brennstoffluftgemisch
in den Innenraum des Saugkolbens überführt wird, wo der Arbeitskolben das Gemisch
komprimiert und nach der Entzündung die Expansion der Gase auf ein beliebig groß
gewähltes Volumen durchführt.
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Die beiden Ausführungsbeispiele der Verbrennungskraftmaschine gemäß
der Erfindung sind in den Abbildungen der Zeichnungen dargestellt, und zwar zeigen
die Abb. 2 bis 5 die Längsschnitte eines zweizylindrigen Zweitaktgleichdruckmotors
mit Wassereinspritzung bei verschiedenen Arbeitsperioden während einer Umdrehung.
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Die Abb.6 stellt den Längsschnitt durch diesen Motor mit Anordnung
der Saugkolbensteuerung und Abb.6a den Querschnitt zur Abb. 6 dar. Abb. 7 und 8
veranschaulichen die Einzelheiten der Kolben und die Anordnung des Kompressionsraumes
beim Gleichdruckmotor. Desgleichen sind auch in der Abb. g bis 12 Längsschnitte
durch den Zweitaktexplosionsmotor ohne Wassereinspritzung in verschiedenen Arbeitsphasen
während einer Umdrehung verzeichnet. Die Abb. 13 stellt den Längsschnitt durch die
Zylinderbodenausfederung dar. Die Abb. 14 zeigt eine andere Ausführungsform der
Zvlinderbodenausfederung des Explosionsmotors sowie die gegenseitige Stellung des
Saug-und Arbeitskolbens bei Beendigung der Rompression des Brennstoffluftgemisches.
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Wie aus den Abb. 2 bis 5 ersichtlich, ist der Zylinder i der Verbrennungskraftmaschine
im oberen Teile zylinderförmig erweitert und sein Boden zu einem Ventilsitz 7 ausgebildet,
welcher mit der Zuführungsöffnung io und dem Zwischenraum 7' zur Zuführung des Ladegemisches
versehen ist.
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Gegen den Ventilkopf 7 legt sich das Ringventil 5, das im Zylinder
i verschiebbar angeordnet ist, dicht an. Der Zylinderboden samt Ventilkopf 7 ist
auf den Zylindermantel angeschraubt (Abb. 7, 13, 1.l). Der Zylinder i trägt oben
die Auspufföffnung 9, Öffnung 6 für die Brennstoffeinspritzdüse und im untern
Teile die Öffnung 25 für die Düse, welche zum Einspritzen von Wasser dient.
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Im Zylinder bewegen sich außer dem Ringventil 5 der Saugkolben 2 und
in diesem der Arbeitskolben 3. Auf dem Saugkolben 2 gleitet ein zylindrischer Schieber
,4, der sich mit dem Kolben 2 im Zylinder i bewegt.
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Der Schieber ,1 dient zur Steuerung der Öffnung 8 (oder mehrerer Öffnungen
8, Abb. 1.I), die im Saugkolben 2 angeordnet sind und durch welche das Ladegemisch
aus den Kanälen 7' in den Innenraum des Saugkolbens 2 gelangt. Die Schubbewegung
des Saugkolbens 2 wird durch Reibung des Schiebers .I auf das röhrenförmige Ventil
5 übertragen.
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Der Saugkolben 2 ist am untern Ende rnit zwei gabelförmigen Zungen
i6 und z7 (Abb. 2 bis 6a) versehen, von denen die Zunge 16 mit dem Mitnehmer i9
der Pleuelstange P in Eingriff kommt (vgl. Abb. 6), während die zweite Zunge 17
nach der Pleuelstange P' des benachbarten Motorzylinders L' zugebogen ist und mit
dem Mitnehmer zo' der Pleuelstange P' in Eingriff kommt (vgl. Abb. 6a). Diese beiden
Zungen 16 und 17 sind durch die Stange 26 oder durch eine ähnliche Vorrichtung geführt,
um die Verdrehung des Saugkolbens 2 zu verhindern. In der Abb. 6 sind übersichtlichkeitshalber
nur die Zungen 16 und =7 des Motorzylinders i dargestellt, wogegen die Abb.6a die
Anordnung der Zungen beider Motorzylinder r und i' aufweist. Damit die einander
kreuzenden Zungen 16, 17' (Abb. 6a) bei dem Spiel der zugehörigen Hülsen
und Pleuelstangen sich nicht hindern, muß die Spaltenlänge zwischen den Zungen 16,
-17 und i6', 17' mindestens dem Hube des Saugkolbens 2 entsprechen.
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Da dieser Gleichdruckmotor mit großer Expansion arbeitet und dadurch
das Verhältnis des Volumens 1"3 (Abb. i) der expandierten Gase zu dem Inhalte 1''E
des Kompressionsraumes
ein sehr großes ist, wird dem Kompressionsraum
2o ein kleinerer Durchmesser als der Innendurchmesser des Saugkolbens gegeben, damit
die gleichmäßige Zerstreuung des eingespritzten Brennstoffes nicht erschwert wird.
Der Kompressionsraum 2o wird in den Innenraum des Saugkolbens 2 an der Seite der
Brennstoffeinspritzung (Abb. 7) angeordnet.
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Um die Abgasreste auch aus dem Kompressionsraume 2o beseitigen zu
können, ist dieser mit dem entgegen der Wirkung der Druckfeder 22 eindrückbaren
Kolben 21 versehen (Abb. 7 und 8). Der Kolben 2i weist im oberen Flansch mindestens
zwei Ausschnitte 23 (Abb. 8) auf, durch welche bei dem Einschieben desselben in
den Kompressionsraum 2o, die Angüsse 24 des Ringes 28 durchgehen; darnach verdreht
man den Kolben 21, so daß die Angüsse 24. unter die Flansche gelangen (Abb. 8) und
der Kolben 21 dadurch im Kompressionsraume 2o eingehängt wird. Wiid das Gemisch
durch den Arbeitskolben 3 (Abb. 7) komprimiert, so drückt dieses den Kolben 21 in
den Kompressionsraum 2o in die gezeichnete Lage ein, wodurch sich die Feder 22 zusammendrückt.
Während des Auspuffes drückt die Feder 22 den Kolben 2i herunter, wodurch die Abgase
auch aus dem Kompressionsraume 2o herausgetrieben werden.
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Bei dem zweiten als Explosionsmotor ohne Wassereinspritzung ausgeführten
Beispiel (Abb. g bis 12) ist die Einrichtung im Wesen die gleiche, bloß der Zylinder
= trägt anstatt der Öffnung 25 für Wassereinspritzung noch eine Auspufföffnung ii,
mit welcher die Auspufföffnung ii' des Saugkolbens 2 in Verbindung kommt. Außerdem
wird hier der Saugkolben 2 mittels der Kurvenscheibe 14 angetrieben.
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Die Arbeitsweise des in Abb. 2 bis 6 veranschaulichten Gleichdruckmotors
ist folgende In der Stellung der Abb. 2 ist die Luft im Raum 20 schon komprimiert.
Nun wird in dem Kompressionsraume 2o durch die Öffnung 6 in der bekannten Weise
Brennstoff hineingespritzt und entzündet, wobei der Arbeitskolben 3 herabzugehen
beginnt. Die Kurbel dreht sich zum Beispiel in der Uhrzeigerrichtung, wobei der
Mitnehmer ig (Abb. 2) aus dem Eingriffe mit der zu ihm zugewendeten Gabel der Zunge
16 austritt und der Saugkolben 2 seine obere Stellung behält, wobei die Expansion
der Gase in seinem Innenraume durchgeführt wird. Sobald der Arbeitskolben 3 die
untere Totlage erreicht hat (Abb. 3), gelangt die Pleuelstang P' des benachbarten
Motorzylinders in die- obere Totlage, weil die beiden Kurbeln unter 18o° gerichtet
sind (Abb. 6). Hierbei kommt ihr Mitnehmer ig' in Eingriff mit der Gabel der Zunge
17 des Saugkolbens 2. Dadurch ist der erste Takt, d. h. die Expansion der
Gase, durchgeführt. In diesem Augenblick wird in den Zylinder durch die Öffnung
25 Wasser eingespritzt, wodurch die Gase abgekühlt werden und ein Unterdruck entsteht.
Dies hat zur Folge, daß der Arbeitskolben 3 noch am Anfang des zweiten Taktes, d.
h. wenn derselbe zurückkehrt, die Arbeit fortsetzt. Wenn der Arbeitskolben 3 nach
oben geht, nimmt der Mitnehmer ig' der Pleuelstange P' die Zunge i7 und dadurch
auch den Saugkolben 2 samt dem Schieber .I mit nach unten. Der Schieber .I nimmt
aber infolge der Reibung auch das ringförmige Ventil s mit, wodurch die Kanäle 71
freigemacht werden und die Luft in den Raum über dem Kolben 2 gesaugt wird. Die
Bewegung des Saugkolbens 2 aus der in der Abb. 3 in die in der Abb. q. verzeichneten
Lage bewirkt, daß die Spannung der Abgase in dem Saugkolben nicht unter dem atmosphärischen
Druck sinkt, so daß das Eindringen der atmosphärischen Luft durch die Auspufföffnung
g in den Saugkolben 2 verhindert wird, sobald die Öffnung 8 des Saugkolbens 2 die
Auspufföffnung g erreicht. Dadurch ist die erste Arbeitsperiode im zweiten Takte,
d. h. die Kompression der abgekühlten Abgase mit gleichzeitigem getrennten Ansaugen
der frischen Luft beendet.
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Sobald der Saugkolben 2 die Auspufföffnung g erreicht hat, kommt der
Mitnehmer ig' der Pleuelstange P' des benachbarten Zylinders mit der Zunge 17 außer
Eingriff, so daß der Saugkolben 2 seine zuletzt genannte Stellung behält (Abb. 4).
Hierauf treibt der hochgehende Arbeitskolben 3 die Abgase heraus. Dadurch ist der
zweite Teil im zweiten Takte durchgeführt.
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In dem Augenblicke, als der Arbeitskolben 3 den Boden des Saugkolbens
2 erreicht, kommt der Mitnehmer ig der Pleuelstange P mit der Gabel der Zunge 16
des Saugkolbens 2 in Eingriff. Dadurch wird der Saugkolben 2 mit seinem Schieber
q. und dem Arbeitskolben 3 in die Aufwärtsbewegung mitgenommen.
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Zugleich nimmt aber der Schieber q. infolge der Reibung seiner Dichtungsringe
das Ringventil 5 mit, bis es gegen den Zylinderkopf 7 stößt, so daß die Einlaßkanäle
71 abgesperrt werden.
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Dadurch, daß dasRingventil 5 plötzlich stehenbleibt, verursacht die
Reibung der Dichtungsringe des Schiebers 4 eine solche Bremsung, daß ihn der Saugkolben
2 überholt und infolgedessen zwischen der Sitzfläche des Kolbens 2 und dem schrägen
Rande des Schiebers q. ein Spalt entsteht, wodurch die Öffnung 8 (bzw. mehrere Öffnungen,
Abb. 1q.) im Kolbenmantel -2 freigelegt und somit die Überführung der Ladung aus
dem Raum über- dem Kolben in den Innenraum des Kolbens 2 ermöglicht wird. Um diese
Überführung noch vor dem Eintreffen des Arbeitskolbens 3 in die obere Totlage zu
erreichen, sind dementsprechend auf der Zunge 16 des Kolbens 2 eine Nut und schräge
Kante 18 vorgesehen. Die Nut bildet einen Teil der
Äquidistante
von der Bahnlinie des Mitnehmers ig. Wenn der Arbeitskolben 3 den Boden des Saugkolbens
2 erreicht (vollkommener Auspuff der Abgase) stößt der 'Mitnehmer ig an die Kante
18 und treibt den Saugkolben 2 vor dem Arbeitskolben 3 so lange aufwärts, bis er
vor die Nut kommt (Abb. 5). Dadurch wird der Kolben 2 in die ursprüngliche Lage
gebracht. Der 2vlitnehmer gleitet dann weiter in der Nut der Zunge 16 und stößt
auf die Zunge 15 des Schiebers 4, die bei Überholung des Schiebers durch den Saugkolben
2 in die Nut eindrang, wodurch auch der Schieber 4 die Anfangsstellung wieder einnimmt
(Abb.2). Hierbei wird auch der Kolben 21 durch die komprimierte Luft in den Kompressionsraum
20 eingedrückt. Dadurch ist auch der letzte Teil des zweiten Taktes, d. h. die Kompression,
beendet. Diese Arbeitsweise des Motors wiederholt sich dann wieder.
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Man kann die ganze Arbeitsweise dieser Verbrennungskraftmaschine wie
folgt zusammenfassen Takt 1. Die Expansion der brennenden Gase. Takt II. a) Abkühlung
der expandierten Gase und Komprimieren derselben auf atmosphärischen Druck mit gleichzeitigem
getrennten Ansaugen der frischen Ladung; b) der Auspuff der Abgase-, c) die Kompression
der frischen Ladung.
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Das zweite Ausführungsbeispiel der Verbrennungskraftmaschine gemäß
der Erfindung, und zwar Explosionsmotor ohne Wassereinspritzung (Abb. 9 bis 12)
arbeitet in ähnlicher Weise, nur mit dem Unterschiede, daß der zweite Takt nur aus
zwei Teilen besteht, da die Abkühlung der Gase durch Wassereinspritzung entfällt.
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Dieser Explosionsmotor arbeitet wie folgt Takt 1. Die Expansion der
brennenden Gase. Takt II. a) Der Auspuff der Abgase und gleichzeitiges getrenntes
Ansaugen des frischen Gemisches; b) Kompression des Gemisches.
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Die Abb. 9 zeigt weder die Stellung, wo das Brennstoffluftgemisch
schon komprimiert ist. Nach der Entzündung expandieren die Gase auf atmosphärischen
Druck. Bevor der Arbeitskolben 3 die untere Totlage erreicht, beginnt der Saugkolben
2 infolge der Wirkung der Kurvenscheibe 14 anzusaugen und die unteren Auspufföffnungen
il, i1' sich zu öffnen (Abb.io). Damit der gleichzeitig angefangene Auspuff der
Abgase nicht unterbrochen wird, bevor die Öffnung 8 des Saugkolbens 2 mit der oberen
Auspufföffnung 9 übereinanderkommt, müssen die unteren Auspufföffnungen ii, ii',
welche der Arbeitskolben 3 absperrt, so bemessen werden, daß der Saugkolben während
deren Uffnens und Schließens seinen Saughub durchführen kann (Abb. ii). Der Saugkolben
2 verbleibt in dieser Stellung so lange, bis der Arbeitskolben 3 sämtliche Abgase
herausgetrieben hat.
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In dem Augenblicke, wo der Arbeitskolben 3 den Boden des Saugkolbens
#z erreicht hat, fängt die Kurvescheibe 14 an, den Saugkolben 2 samt Schieber 4
nach aufwärts zu treiben und bringt ihn in die ursprüngliche Lage zurück (Abb. 12),
wobei sich die Bewegung des Schiebers 4. mit dem Ringventile 5 und das Überführen
des Gemisches in den Innenraum des Saugkolbens 2 in derselben Weise wie beim ersten
Motor abspielt. Der Schieber 4 wird in diesem Falle in seine ursprüngliche Lage
vermittels der Zunge 13, auf welche der Nocken 27 der Kurvenscheibe 14 wirkt, gebracht.
Dadurch ist der Arbeitsvorgang beendet, beide Kolben nehmen wieder die ursprüngliche
Stellung ein (Abb. 9), und die Vorgänge wiederholen sich. Bei dem die Erfindung
bildenden Motor legt sich der Saugkolben 2 an den Zylinderboden an, bevor noch der
Arbeitskolben 3 die obere Totlage erreicht. Dieser Saugkolben 2 kann sich aber auch
derart bewegen, daß ihm eine möglichst langsame Bewegung in die obere Totlage (d.
h. bei der Kompression des Gasgemisches) gegeben wird, um sich stoßfrei auf den
Zylinderboden anzulegen, was bei den Wagen- und Flugzeugmotoren, welche bis Zoo
Umdrehungen in der Minute aufweisen, von besonderer Wichtigkeit ist. Es wird deshalb
der Saugkolben 2 in folgender Weise gesteuert: Bei der Kompression des Brennstoffluftgemisches
wird dem Saugkolben 2 gegenüber dem Arbeitskolben 3 nur ein solcher Vorsprung gegeben,
daß die beiden Kolben 2 und 3 in der oberen Totlage eine derartige Stellung zueinander
annehmen, daß das komprimierte Gemisch den Raum über dem Boden 2' des Saugkolbens
2 vollkommen ausfüllt, d. h. es werden Räume d und B (Abb. 14) gebildet, die mit
komprimiertem Gemisch ausgefüllt sind. Sobald der Arbeitskolben 3 nach der Entzündung
des Gemisches in die Abwärtsbewegung versetzt wird, setzt der Saugkolben 2, und
zwar während der ganzen Dauer des Expansionshubes des Arbeitskolbens 3 seine Aufwärtsbewegung
langsam fort, so daß sämtliche expandierten Gase während der Expansion aus dem Raume
:-1 (Abb. 4 durch die Öffnungen 8 in den Innenraum B des Saugkolbens 2 überströmen.
Dabei legt sich der Boden 2' des Saugkolbens 2 an den Zylinderdeckel ? allmählich
an und der Schieber 4 wird gegen den Bodensitz 2' des Saugkolbens 2 zum Beispiel
wieder durch die Kurvenscheibe 14 gestoßen. Nach der erfolgten Expansion beginnen
dann beide Kolben 2 und." sich gegeneinander in der erläuterten Weise zu bewegen.
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Ein weiteres wichtiges Merkmal der Verbrennungskraftmasehine gemäß
der Erfindung bildet die Ausfederung des Z@Iincierl@oden 7 bzw. des Saugkolbenbodens,
so da2) der Saugkolben
2 sich an dem Boden 7 immer elastisch anlegt.
Diese Ausfederung ist in zwei Ausführungsformen Abb. 13 und 1q. dargestellt.
In der ersten Ausführungsform Abb. 13 ist der Zylinderboden als ein zweiteiliger
Deckel ausgeführt, dessen erster Teil 7 mit der Öffnung io und den Saugkanälen 71
in dem Zylinder i achsial verschiebbar ist. Diese Verschiebung ist eine sehr geringe,
beträgt etwa 0,5 bis 2 mm und ist durch den Flansch 34 des Bodens 7 beschränkt
(Abb. i3). Den zweiten Teil des Deckels bildet der am Zylindermantel i fest angeschraubte
Ringflansch 3o, der mit einer Ringnut versehen ist, in welcher z. B. elastische
Lederringe 31 gelagert sind. Dieselben werden durch den Druck, den der Saugkolben
2 durch das Anlegen an den Deckelteil 7 ausübt, in die Ringnute eingedrückt.
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Der Boden des Saugkolbens 2 kann auch federnd ausgeführt werden. In
dem Falle besteht er aus zwei Teilen 2' und 2" (Abb. 13).
Der Teil 2" ist
achsial verschiebbar und trägt am Umfange die Kammern a9, _ in denen die Schraubenfedern
37 eingeschoben sind. Der federnde Teil 2" ist auf den Saugkolben 2 derart angeschraubt,
daß der feste Bodenteile' den mit Schraubengewinde versehenen Flansch 38 trägt,
während der Teil 2" mit dem Schraubenmuttergewinde nur so weit versehen ist, damit
beim Anschrauben des Teiles 2" das Gewinde des Flansches 38 vollkommen in den Raum
zwischen das Gewinde 39 und die Sitzfläche 40 eindringt und dabei noch ein
Spielraum 36 verbleibt, welcher dem Teile 2" die nötige freie axiale Verschiebung
angibt.
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In der zweiten Ausführungsform Abb. 14 ist der auf dem Zylindermantel
i aufschraubbare Zylinderboden 30 mit der Gemischzuführungsöffnung io, dem
Saugkanale 71 und der Sitzfläche für den Ventilsitz 5 versehen. Der einstellbare
Teil 7 des Deckels ist durch die Schraubenfeder 32 gefedert und die Größe seiner
achsialen federnden Verschiebung beschränkt der Spielraum 3q.', der durch die Sitzfläche
der Ring-Schraubenmutter 33 gegeben ist. Diese Ringschraubenmutter 33 ist im Flansch
3o des Deckels eingesetzt. Die Zündkerze oder die Brennstoffdüse kann dann direkt
an den Deckelteil 7 in die Öffnung 42 angeschraubt werden.
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Durch diese Ausfederung des Zylinderdeckels oder auch des Saugkolbenbodens
ist das harte Anlegen des Saugkolbens, welches die Störungen an der Maschine verursachen
würde, vollkommen beseitigt.