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Arbeitsverfahren 'für Flugkolbenmotoren Die Motoren, bei welchen der
Brennstoff am Ende des Verdichtungshubes in die vorher verdichtete Zylinderladung
eingeführt wird und sich an der hierbei hocherhitzten Ladung entzündet, zeichnen
sich zwar durch einen hohen thermischen Wirkungsgrad aus, aber infolge der hohen
Temperatur und Drucke findet eine sehr starke Wärniebeanspruchung der Zylinderwandung
statt, und das nur unvollkommen ausgenutzte Getriebe ergibt einen ungünstigen mechanischen
Wirkungsgrad und hohe Kosten der Maschine.
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- Das Wesen der Erfindung besteht in der Durchführung des Arbeitsverfahrens
mit Verdichtungszündung des (vorzugsweise flüssigen) Brennstoffes in einer Maschine
mit z -in sich bekannten freiflie-enden Z> Kolben.
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Hiergegen besteht das Bedenken, daß es kaum möglich erscheint, die
bei diesem Arbeitsverfahren erforderliche genaue Stetierung der Brennstoffzufuhr
auf die mit nicht fest begrenzter Kolbenbewegung arbeitende Freiflugkolbenmaschine
zu übertragen.
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Bei eingehenden Versuchen aber hat sich gezeigt, daß ein Betrieb der
Freiflugkolbenmaschine mit Verdichtungszündung des erst am Ende der Nerdielitung
eingespritzten Brennstoffes sich doch durchführen läßt, und zwar mit überraschender
Vollkommenheit. Diese Tatsache läßt sich so erklären, daß die Bewegung des nicht
mehr an ein Kurbelgetriebe gebundenen Arbeitskolbens sich selbsttätig dem Verbrennungsverlauf
anpaßt. Dies bedeutet gewissermaßen eineUmkehrung ZD der bei Kurbelmaschinen üblichen
Regelung des Verbrennungsverlaufes durch Anpassung der Brennstoffzufuhr an dieKolbenbewegung.
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Die Verdichtung der Ladungsluft bis zur Erreichung der Zündtemperatur
erfolgt dabei mittels eines während der Arbeitshübe des Motors aufzuladenden Energiespeichers,
der beispielsweise in Form eines mit Druckgas belasteten Kolbens die Rückführung
des Arbeitskolbens unter gleichzeitiger Verdichtung der am äußeren Hubende in den
Zylinder eingeführten frischen Ladungsluft bewirkt.
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Ein besonderer Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt darin, daß
die Mißstände, die sich bei der mit Verdichtungszündung arbeitenden Kurbelmaschine
aus den dabei auftretenden hohen Drucken und Temperaturen ergeben, bei dem neuen
Motor viel geringer werden; denn gerade den im inneren Totpunkt herrschenden höchsten
Drucken steht im wesentlichen nur die Massenträgheit des frei beweglichen Kolbens
entgegen; dieser kann also sehr schnell eine große Geschwindigkeit erreichen, so
daß Druck und Temperatur im Arbeitsraum sehr rasch abfallen. Dadurch wird der Wärmeaustausch
mit der Wand verringert , die Wärmeverluste werden klein, und der thermische
Wirkungsgrad ist verbessert, vor allem aber sind auch die Wandungen des Verbrennungsraumes
vor den gerade bei diesem Arbeitsverfahren gefürchteten übermäßigen Wärmebeanspruchungen
bewahrt und die Erhaltung der Schmierölschicht besser gesichert. In demselben Sinne
wirkt
auch der 'Umstand, daß der freifliegende Kolben einen im Vergleich zur Kurbelmaschine
außergewöhnlich langen Hub und kleinen Durchmesser und dementsprechend einenVerbrennungsraum
mit besonders kleiner wärmeabgebender Oberfläche ermöglicht; hierdurch wird die
sichere Erreichung der Zündtemperatur, besonders auch beim Anlassen und beim Betrieb
mit schweren Brennstoffen, erheblich gefördert.
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Als hesonders zweckmäßig hat es sieh erwiesen, das Betriebsverfahren
mit Verdichtungszündung des Brennstoffes in einer Maschine durchzuführen, die in
an sich bekannter Weise zwei gegenläufige freifliegende Kolben hat. Diese ermöglichen
nämlich, da eine Hubbeschränkung infolge unausgeglichener, vom Fundament aufzunehmender
Massenkräfte, wie bei der Einkolbenmaschine, nicht mehr besteht, ein außergewöhnlich
großes Hubverhältnis, somit eine weitere Verkleinerung der den Hauptanteil von Verlustwärme
abführenden schädlichen Totraumoberfläche und dementsprechend erhöhte Verbesserung
des thermischen Wirkungsgrades.
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Die Brennstoffeinspritzung wird zweckmäßig durch das Gestänge gesteuert.
Zur Beherrschung des Verbrennungsverlaufes kann es erforderlich werden, die Brennstoffeinspritzung
teilweise hinter den inneren Hubwechsel des Arbeitskolbens zu verlegen. Dies ist
durch einen Energiespeicher möglich, der durch die Arbeitskolbenbev#,egung in Spannung
versetzt wird und der nach seiner kurz vor dem inneren Hubwechsel erfolgenden Auslösung
die Brennstoffeinspritzung über den Hubwechsel hinaus bewirkt. Der Energiespeicher
kann statischer Art (z. B. druckluftbelasteter Kolben oder gespannte Feder) oder
dynamischerArt (schwingende oder umlaufende Masse) sein. Besonders geeignet ist
die Anwendungeiner gegenüber dem Arbeitskolben beweglichen, zweckmäßig mit ihm federnd
verbundenen Hilfsmasse, die gegenüber dem Arbeitskolben in der Phase verschobene
Schwingungen ausführt, die zum Antrieb oder zur Steuerung der über den Hubwechsel
sich erstreckenden Brennstoffeinspritzung ausgenutzt werden.
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Die freifliegenden Motorkolben übertragen die aus den Verbrennungsgasen
entnommene Arbeit auf andere, zum Verdichten von Gas (z.B. Luft) bestimmte Kolben.
Das verdichtete Gas kann als Energieträger zu beliebiger Verwendung gelangen, z.B.
zum Fahrzeugantrieb dienen.
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ZZ
Die Zeichnung veranschaulicht in Abb. i die Erfindung an
Hand eines Ausführungsbeispiels einer Maschine, und zwar ist hierbei die besonders
vorteilhafte Bauart mit gegenläufigen Kolben im Längsschnitt dargestellt. Abb. 2
zeigt in Ansicht eine Sondereinrichtung fÜr die Steuerung der Brennstoffzufuhr.
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Der Motor nach Abb. i besteht aus einem Arbeitszylinder i mit -den
beiden Arbeitskolben 2 und j, die je einen Verdichterkolben4 und
5, die in den zugehörigen Verdichterzylindern 6 und 7 sich
bewegen, unmittelbar antreiben. Mit dem Arbeitskolben 3
ist außerdem noch
ein Spülpurnpenkolben 8
gekuppelt, der sich im Spülpump,-nzylinder
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bewegt. Am einenEnde desArbeitszylinders i befinden sich die vom Arbeitskolben
2 gesteuerten Spülschlitze i i, am anderen Ende die vom Arbeitskolben
3 gesteuerten Auspuffschlitze 12. Die Spülschlitze i i sind von einem großen
Behälter 2o umgeben, der als Spülluftaufnehmer dient und dem die Spül-
luft
durch die Leitung 21 von der Pumpe 8, 9
her zugeführt wird.
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Zur Erreichung der genauen Gegenläufigkeit beider freifliegenden Kolben
ist j eder derselben mit einem Zahnstangenpaar 14 bzw. 15 ausgestattet, die an die
eine Kolbenstange durch ein Querhaupt 17, an die andere Kolbenstange vermittels
desSpülpumpenkolbens8 angeschlossen sind. Die Zahnstangen -reifen paarweise in am
Maschinengestell gelagerte Zahnräder 16 ein, wodurch die zwangläufige Abhängigkeit
der B-ewegung der beiden freifliegenden Kolben voneinander gesichert ist.
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Zur Speisung dieses Motors mit flüssigem Brennstoff dient eine Brennstoffpumpe,
deren Kolben:22 sich unter Wirkung der Feder 2-3
auf den Schwinghebel 24 abstätzt,
der in einem Gelenk25 gelagert ist und eine Rolle 26 trägt. Auf einer der
Zahnstangen 14 ist ein Nocken 27 in solcher Lage vorgesehen, daß der Hebe12-4
und somit der Pumpenkolben 22 angehoben werden, sobald die Arbeitskolben2,3 in der
Nähe ihrer inneren Totlagen angelangt sind. Die Pumpe fördert den Brennstoff durch
die Leitung30 zu der Einspritzdüse io, durch welche er fein zerstäubt in den Verbrennungsraum
eingespritzt wird. Der Hebel 24 ist mit seinem Ende 2,5 an einem verschiebbarenStein28
gelagert, dessen Stellung durch eine Schraubenspinde129 von Hand oder von einem
Regler eingestellt werden kann. Dadurch ist eine Veränderung des wirksamen Pumpenhubes
und der eingespritzten Brennstoffmenge entsprechend der jeweils erforderlichen Leistung
ermöglicht. An Stelle der unmittelbaren, ausschließlich durch die Pumpe gesteuerten
Brennstoffeinspritzung kann auch Brennstoffeinblasung mittels Druckluft Verwendung
finden; der Nocken 2,7 hat dann statt der Pumpe das Einblaseventil zu bewegen.
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Die Wirkungsweise des Motors ist folgende: Bei der in der Zeichnung
dargestellten
äußeren Totlago der Arbeitskolben ist der Arheitszylinder
i bereits von Spülltift durch->trömt, also mit frischer Luft gefÜllt. In den Toträumen
der beiden Verdichterzvlinder 6 und 7 befindet sich noch Druckluft#
von .genügender Spannung, die infolge der Expansion die Kolben 2, 3
einander nähert, wodurch diese zunächst die Schlitze 11, 12 abschließen und dann
die so eingeschlossene Luft bis über die Zündtemperatur des Brennstoffs verdielitep.
Bei Verdichtern, die mit Überdruck in der Saugleitung arbeiten, z. B. bei sogenannten
Kreislaufluftanlagen, kann der Saugleitungsdruck die Kolbenrückführung bewirk-en.
Sobald die Kolben 2, 3, wenn dieLufteinlaßventile beimBeginn desRückwärtshubes
geöffnet werden, nahe an ihre innerste Totlage gelangt sind, läuft Rolle
26 auf den '-N-ocken 27 auf und bewirkt die Einspritzung des Brennstoffes,
der sich an der im Zylinder hoch verdichteten Luft entzündet, worauf der Arbeitsbub
erfolgt. Die Brennstoffzufuhr dauert noch an, wenn die Kolben 2, 3 bereits
beginnen, sich wieder auseinanderzubewegen., da infolge der elastischen 2#Tachwirk-ung
des stark zusammengepreßten Brennstoffs die Einspritzung länger als die Förderbewegung
der Pumpe anhält. Da zu Beginn des Hubes in den Verdichtungszylindern der Widerstand
noch gering ist, wird fast die ganze Arbeitsfähigkeit der Verbrennungsgase zunächst
in _#eiassenbeschleunigung umgesetzt, so daß die Kolben sehr rasch eine hohe Geschwindigkeit
annehmen und dementsprechend eine schnelle Ausdehnung, also rasche Druck- und Ternperaturabnahme
der heißen Gase, erfolgt. Bei dieser Auswärtsbewegung der Arbeitskolben wird auch
der Nocken 27 wieder von der R61le 26 weggezogen, der Hebel 2 4 senkt
sich, und der Pumpenkolben:22 vollführt hierbei den Ansaugehub, so daß frischer
Brennstoff für den nächsten Arbeitsbub des Motors zur Verfügung steht. Durch den
Gegendruck in den Verdichterzvlindern wird die Bewegung der Kolben:2 unä
3 am Ende des Hubes verlangsamt, gegen Ende des Hubes öffnet Kolben
3 die Auspuffschlitze 12 und kurz darauf Kolben 2 die Spülschlitze i i. Da
inzwischen auch Pumpe 8 den Spülluftbehälter 2(-) wieder aufgefüllt hat,
kann nunmehr eine neue Spülung eintreten und das Spiel wiederum beginnen. Sowohl
die Verdichtungsarbeit -,xie aucb die Rückfübrungsarbeit können bei einer solchen
Maschine auch nach einer Seite abgegeben bzw. von einer Seite her geleistet werden.
es hat dann Arbeitsübertragung durch das Ausgleichsgestänge stattzufinden.
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Abb. 2 zeigt eine Anordnung des Brennstoffpumpennockens, die auch
noch beim Stillstand der Arbeitskolben und bei Beginn ihres Arbeitshubes eine Arbeitsabgabe
zur Steuerung der Einspritzvorrichtung ern-löglicht. Zu diesem Zweck ist der Nockenkörper
27 verschiebbar auf der Zahnstange 14 gelagert und nur durch eine Feder
32 mit dieser verbunden. Bei der starken Verzögerung, die der Arbeitskolben
und mit ihm die Zahnstange 14 bei Erreichung der inneren Totlage erfährt, will die
Masse des Nockens 27 ihre Geschwindigkeit beibehalten und bewegt sich deshalb
unter Anspannung der Feder 32 noch so lange nach rechts weiter, bis die Federspannung
der Massenkraft des Nockens das Gleichgewicht hält, was in der Regel erst nach Umkehr
der Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens bzw. der mit ihm verbundenen Zahnstange
der Fall ist. Diese Anordnung bietet also die Möglichkeit, die Einspritzvorrichtung
(Pumpe oder Einblaseventil) über die Totlage des Arbeitskolbens hinaus anzutreiben
und so eine längere Erstreckung der Einspritzung über den Beginn des Ausdehnungsbubes
zu erzielen.