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Zweitaktverbrennungskraftmaschine, insbesondere Zweitaktdieselmaschine,
mit Einrichtung zur Zuleitung hochgespannter Druckluft und Ausnutzung der verbrannten
Gase in einer Hilfsmaschine. Die Erfindung betrifft Zweitaktverbrennungskraftmaschinen,
insbesondere Dieselmaschinen. Sie sucht die Leistung der Maschine im Verhältnis
zu ihrem Zylinderinhalt zu erhöhen. Zu diesem Zwecke wird dem Zylinder die Verbrennungsluft
unter hohem Drucke zugeführt, während die verbrannten Gase unter hoher Spannung
abgeleitet werden. Da bei dieser Arbeitsweise aber in den Al:-gasen noch eine große
Energiemenge enthalten ist, wird die Ausnutzung der Energie der Gase in einer Abgasturbine
beendigt. Hierhei tritt aber insofern eine Schwierigkeit auf, als die große Menge
der Abgase nicht ohne weiteres schnell genug ausströmt. Aus diesem Grunde werden
die Abgase durch die gemeinschaftliche Wirkung des seinen Rückhub ausführenden Kolbens
und der am gegenüberliegenden Ende des Zylinders einströmenden Druckluft ausgestoßen.
Der Einlaß für die Druckluft befindet sich demgemäß an dem dem Kolben gegenüberliegenden
Zylinderende. und der Auslaß mündet im Zylinder zwischen dem in seiner äußeren Totpunktlage
befindlichen Kolben und dem gegenüberliegenden Zvlinderende. aber in einem gewissen
Abstande von dem in seinem äußeren Totpunkte befindlichen Kolben. Infolgedessen
drückt der Kolben während des ersten Teiles seines Rückhubes die Abgase zum Auspuff,
während gleichzeitig vom gegenüberliegenden Ende des Zylinders Druckluft zuströmt
und die verbrannten Gase dem Auspuff zu drückt.
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Es ist bekannt, dem Zylinder einer Zweitaktverbrennungskraftmaschine
die Frischluft unter hohem Druck zuzuführen und die Dehnung der entzündeten Gase
schon bei verhältnismäßig hohem Druck zu unterbrechen. Bei dieser Maschine soll
der Arl--eitszylinder keine _Nutzarbeit leisten, sondern er dient lediglich zur
Erzeugung eines Druckmittels, das in der eigentlichen Arbeitsmaschine ausgenutzt
wird. Außerdem werden die verbrannten Gase nicht durch die gemeinschaftliche Wirkung
des Kolbens und der Druckluft ausgestoßen, da die Zuleitung der Frischluft unterbrochen
wird, unmittelbar nachdem der Kolben seinen Rückhub begonnen hat.
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Ferner hat man bei Maschinen, denen die Frischluft nicht unter hohem
Drucke zugeführt wird. aus anderen Gründen den Auspuff zwischen dem in seinem äußeren
Totpunkt
befindlichen Kolben und dem gegenüberliegenden Zylinderende
angeordnet.
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In den Zeichnungen ist Abb. i eine schematische Ansicht der Anlage,
und zwar befinden sich die Teile der Zweitaktverbrennungskraftmaschine in der Lage,
die sie bei Beendigung des Verdichtungshubes einnehmen.
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Abb. 2 ist eine Teildarstellung ähnlich derjenigen von Abb. i, in
der die Teile der Maschine in der Stellung gezeichnet sind, die sie am Ende des
Arbeitshubes und zu Beginn des Rückhubes einnehmen, währenddessen die Spülung stattfindet.
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Abb.3 ist eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der
Maschine mit zwei in einem Zylinder befindlichen gegenläufigen Arbeitskolben.
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Die Maschine besteht aus einem Kolben i i und einem Zylinder io hzit
Verbrennungsraum 13. Mit dem Zylinder steht durch eine Leitung 16 und ein Ventil
17 ein Drucklufthehälter 14 in Verbindung, dem Druckluft etwa durch einen
Turbokompressor 15 zugeführt wird. Brennstoff wird dem Zylinder in irgend
geeigneter Weise zugeführt, beispielsweise nach dem Dieselprinzip dadurch, daß man
ihn nach Verdichtung der Luft bis zur Selbstzündung durch eine Leitung i9 in den
Zylinder einspritzt.
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Am Ende des Arbeitshubes des Kolbens i i werden die verbrannten Gase
durch ein Rohr 23 abgeleitet. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Druck der
Abgase am Ende des Arbeitshubes noch wesentlich über atmosphärischem Drucke ist.
Die in den Abgasen enthaltene Energie wird in einer Turbine 25 bekannter Bauart
nutzbar gemacht. In dem Rohr 23 liegt ein Ventil 27, durch das das Abströmen der
Abgase gesteuert wird, und zweckmäßig ein Aufnehmer 24, durch den der Druck der
der Turbine 25 zuströmenden Abgase ausgeglichen wird.
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Das die Zuleitung der Druckluft steuernde Ventil 17 wird am Ende des
Arbeitshubes öder kurz vorher geöffnet. In diesem Augenblick haben die verbrannten
Gase ihre größte Dehnung im Zylinder erreicht. Das Auspuffventil 27 wird ungefähr
gleichzeitig geöffnet, damit die Abgase in den Aufnehmer 24 strömen können. Während
des Rückhubes werden die Ventile 17 und 27 offen gehalten, bis der Kolben
einen Punkt erreicht, von dem an die gewünschte Verdichtung erreicht werden kann.
Daher werden die Abgase aus dem "Zylinder zum Teil durch den Kolben verdrängt und
zum Teil durch die Spülluft ausgetrieben, deren Druck etwa gleich demjenigen ist,
den die Gase im Zylinder am Ende des Dehnungshubes haben. Der Auspuffkanal 23 liegt
an der Stelle, an welcher die weitere Verdichtung der Luft durch den Kolben beginnen
soll, oder etwas oberhalb dieser Stelle. Unter Annahme der in der Zeichnung angegebenen
Drucke liegt der Auspuffkana123 etwa in der Mitte zwischen den beiden Hubenden des
Kolbens. Dadurch, daß man den Auspuffkana123 im Zylinder möglichst dort anordnet,
wo die Verdichtung beginnen soll, wird eine bessere Spülung erzielt.
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Indessen darf der Auspuffkanal nicht durch den Kolben i i abgeschlossen
werden, ehe die Verdichtung beginnen soll. Wenn der Kolben i i während seines Rückhubes
an dem Punkt anlangt, von dem an die Verdichtung der Luft bis zu dem gewünschten
Drucke erfolgt, werden die Ventile 17 und 27 geschlossen.
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Die Teile der Ventilsteuerung haben die Bezeichnung 33 erhalten. Mittels
dieser Steuerung werden die Ventile 17 und 27 geöffnet, während des Auspuffes offen
gehalten und danach geschlossen. Im vorliegenden Falle bleiben die Ventile während
einer Drehung der Kurbelwelle 35 von etwas mehr als 9o° offen.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Abb.3 sind in einem gemeinschaftlichen
Zylinder io" zwei gegenläufige Kolben i i' und i i' angeordnet, die denselben Hub
und denselben Durchmesser wie der Kolben i i des Ausführungsbeispiels nach Abb.
i und 2 besitzen und daher die doppelte Leistung übertragen wie die Maschine nach
Abb. i und 2. Durch diese Anordnung spart man an Ventilen.
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Das Einlaßrohr 16 für verdichtete Luft kann in dem Zylinder iol an
der Stelle ansetzen, wo die Verdichtung der Luft durch die Kolben ii' beginnen soll,
oder er kann etwas mehr nach der Mitte des Zylinders hingerückt sein. Das Auspuffrohr
23 kann, wie in dem Beispiel nach Abb. i, an dem Zylinder an der Stelle ansetzen,
wo die Ver dichtung durch die Kolben ii- beginnen soll, oder etwas weiter nach der
Mitte hin. Die Ventile 17 und 27, die in den Rohren 16 und 23 liegen, steuern den
Ein- und Austritt der Spülluft und der Abgase in derselben Weise wie in dem Ausführungsbeispiel
nach Abb. i und 2. Die Bauart der Steuerung entspricht im wesentlichen derjenigen
nach Abb. i und 2.
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Die Wirkungsweise der Maschine ist wie folgt: In der in Abb. i gezeichneten
Lage des Kolbens i i, der sich in seinem oberen Hubende befindet, enthält der ZylinderDruckluft
von beispielsweise 35 Atrn. Wenn nun Brennstoff eingespritzt wird, so entzündet
sich dieser infolge der hohen Temperatur der Druckluft. Der Kolben wird durch die
Dehnung des verbrannten Gemisches nach unten getrieben.
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Nachdem während des Ausdehnungshubes unter den angenommenen Verhältnissen
der
Druck im Arbeitszylinder auf etwa io Atm. gesunken ist und somit
noch bedeutend höher als der Atmosphärendruck liegt, wird das Auspuffventil 27 geöffnet,
und es werden die Abgase durch den Aufnehmer 24. hindurch der Turbine 25 zugeführt,
in welcher sie sich unter Ausnutzung der in ihr enthaltenen Energie noch weiter
ausdehnen.
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Dem Zylinder io wird nach Beendigung des Arbeitshubes durch das Ventil
17 in dem Augenblick Druckluft zugeführt, wenn das Ventil 27 geöffnet ist. Die Ventile
17 und 27 bleiben offen, um das Zuströmen von Druckluft zum Zylinder und das Abströmen
der Verbrennungsprodukte zum Aufnehmer während eines erheblichen Teiles des Rückhubes
der Maschine zu ermöglichen, und zwar bis zu der Kolbenstellung, welche noch ausreicht,
um die Druckluft auf 35 A.tm. zu bringen. Während dieses ersten Teiles des Hubes
werden die Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder io durch die Druckluft und den
Kolben ii ausgetrieben, bis in der Maschine nur noch Frischluft enthalten ist, die
für die nächste Zündung benutzt wird. Durch Regelung der :Menge der dem Zylinder
io während des Spülvorganges zugeführten Luft kann eine Luftmenge durch den Zylinder
und in den Aufnehmer 24 getrieben werden, die größer ist, als zur Spülung erforderlich
ist. Hierdurch kann man die Temperatur der Abgase im Aufnehmer in beliebiger Weise
herabsetzen.
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Der Druck der im Behälter 1;I verdichteten Luft liegt etwas höher
als derjenige, mit dem die verbrannten Gase aus der Maschine ausströmen. Dadurch
wird der Widerstand beim Durchströmen der Ventile und in den zum Aufnehmer 2q. führenden
Leitungen überwunden. Beispielsweise kann die Druckluft io,5 Atm. haben, während
der Druck der Verbrennungsgase beim Ausströmen aus dem Zylinder etwa 9,8 Atm. ist
und im Behälter 24. auf beispielsweise 9,1 Atm. abfällt.
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Nachdem die Verbrennungsgase aus dem Zylinder io ausgetrieben sind,
werden das Lufteinlaßventil 17 und das Auspuffventil 27 geschlossen, und zwar hat
der Kolben in dein angenommenen Beispiel in diesem Augenblick etwa die Hälfte oder
etwas mehr als die Hälfte seines Hubes zurückgelegt. Die Druckluft im Zylinder io,
die eine Spannung von etwa .9,8 Atm. oder etwas mehr besitzt, wird weiter bis auf
den gewünschten Verdichtungsdruck von beispielsweise 35 Atm. verdichtet. Danach
wird der beschriebene Kreislauf wiederholt. In Abb. 3 befinden sich die Kolben in
ihren äußeren Hutenden, und die Ventile 17 und 27 sind gerade geöffnet worden. Aus
dem Behälter 1I strömt Druckluft unter einer Spannung von etwa 9,8 Atm. in den Zylinder
iol, und gleichzeitig beginnt das Überströmen der Abgase durch das Ventil 17 zum
Aufnehmer 2-.. Der Kolben ii' drückt die Verbrennungsgase auf einem Teil seines
Hubes vor sich her, und der Kolben i i' drückt auf dem entsprechenden Teil seines
Rückhubes die vor ihm befindlichen Abgase in den Luftstrom, der durch das Ventil
17 einströmt. Infolgedessen werden die Verbrennungsgase durch das Ventil 27 hindurch
in den Aufnehmer 24. und in die Turbine 25 getrieben. Wenn die Kolben i i' und 112
in dem Punkte ihres Hubes anlangen, von dem an. sie den Druck der Luft bis zur Selbstzündung
erhöhen können, so werden die Ventile 17 und 27 geschlossen. Wenn der Enddruck von
35 Atm. erreicht ist, wird der Brennstoff eingespritzt und entzündet, und die Kolben
werden durch die Dehnung des Gases während des Arbeitshubes vorgetrieben. Am Ende
des Arbeitshubes befinden sich die Kolben in der in Abb.3 gezeichneten Lage. Die
Ventile 17 und 27 werden geöffnet, worauf sich der Kreislauf wiederholt.
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Zur Ausnutzung der Energie der Abgase bedient man sich zweckmäßig
der in der Zeichnung dargestellten Turbine. Indessen kann man auch eine andere Einrichtung
benutzen, beispielsweise eine Heißluftmaschine, in der die teilweise expandierten
Verbrennungsgase und die Spülluft weiter expandieren, um ihre Energie in mechanische
Energie umzusetzen. Auch kann man beispielsweise einen Abgasverwerter verwenden.