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Verbundverbrennungskraftmaschine mit mehrstufiger Kompression der
Verbrennungsluft Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbundverbrennungskraftmaschine
mit Selbstzündung nach Art des Dieselmotors, bei der in dem Verbrennungszylinder
ein großer zusammenhängender Raum vorgesehen ist, im Gegensatz zu dem sehr schmalen
Schlitz, welcher den schädlichen Raum bei der Dieselmaschine bildet. Der große schädliche
Raum in dem Hochdruckzylinder, der, uni den höchsten Wirkungsgrad zu sichern, zweckmäßig
gewölbt und symmetrisch ist. ermöglicht eine viel größere Menge von Luft auf den
erforderlichen Druck zu bringen, in der eine größere Brennstoffmenge verbrannt werden
kann, so daß die wirksame Verbrennung mit vollem Druck auf einer erheblich vergrößerten
Hublänge des Kolbens einwirkt.
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Die heißen, gespannten Gase werden bei der Verbundmaschine nach der
Erfindung von einem hohen Anfangsdruck vollkommener expandiert als bei bekannten
Motoren.
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Eine weitere Verbesserung der Erfindung besteht in der Verwendung
eines Expansionszylinders, bei dem das Volumen des Arbeitsraumes mindestens 2'/_mal
größer ist als das des Verbrennungszylinders, das aber sogar bis zehnmal und noch
größer sein kann als der des Verbrennungszylinders. Bei einer Maschine mit dem Verhältnis
der Zylinderräume von io : i wird eine vollständige Expansion der Gase erreicht.
Die Kolbenflächen können in demselben Verhältnis zueinander stehen wie die Volumina,
so daß die in dem Niederdruckzylinder geleistete Arbeit in unmittelbarem Verhältnis
zu dem Unterschiede in den Flächen des Niederdruck- und der Hochdruckkolben steht.
Das niedrige Verhältnis des Durchmessers oder der Fläche zu dem Zylinderinhalt sichert
niedrige Wärmeverluste in den expandierenden Gasen.
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Auf den Zeichnungen ist die Erfindung in einer beispielsweisen Ausführungsform
veranschaulicht; @es zeigen: Abb. i den Grundriß einer Maschine gemäß der Erfindung,
Abb. 2 einen senkrechten Schnitt nach Linie 2-2 der Abb. i, Abb. 3 einen Querschnitt
durch den oberen Teil des Niederdruckzylinders mit Auspuffventilen, Abb. q. einen
Schnitt durch den Kolben, der dazu dient, den schädlichen Raum zu ändern, Abb. 5
ein Indikatordiagramm des Niederdrtickzylinders, Abb.6 ein Indikatordiagramm des
Hochdruckzylinders, das die Kompression andeutet, Abb. 7 einen senkrechten Schnitt
durch eine andere Ausführungsform der Maschine.
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Die Diagramme der Abb. 5 und 6 sind von einer Maschine genommen, bei
der die Flächen des Niederdruckkolbens zehnmal größer sind als die des Hochdruckkolbens.
Der Kreisprozeß des Hochdruckzylinders beginnt beim Punkte a (Abb. 6), bei dem der
Druck der gepreßten Luft etwa 7 Atm. beträgt. Die fast genau wagrechte Linie b stellt
den Ansaug-oder Ladehub dar. Beim Punkt c beginnt
der Kompressionshub
und endet bei oder unter dem Punkt d. bei dem die Luft einen Druck von etwa 35 Atm.
besitzt. Die Einspritzung des Brennstoffes wird unmittelbar vor oder beim Beginn
des Arbeitshubes begonnen und etwa während der Hälfte dieses Hubes fortgesetzt.
Dieser Teil des Hubes wird durch die Linie e dargestellt. Beim Punkt f wird die
Brennstoffzufuhr abgeschnitten. Die Kurve g stellt die Fortsetzung ,les Expansionshubes
bis zum Punkt h dar. Die Kurve i. veranschaulicht die Drücke während des Expansionshubes
in dem Niederdruckzvlinder und gleichzeitig die negative Arbeit, die in dem Hochdruckzylinder
während dieses Rückhubes geleistet wird. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß der
mittlere Arbeitsdruck cles Hochdruckzylinders erheblich über 28 Atm. liegt und dabei
doch nicht über 35 Atm. steigt, wobei der Überleitungsdruck in der :Mähe von 21
Atm. beginnt.
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Im Niederdruckzylinder (vgl. Abb. 5) wird der Druck der in diesem
Zylinder zurückbleibenden Gase durch Kompression auf oder sehr nahe auf den Überleitungsdruck
gebracht, wie durch die Linie j dargestellt ist. Beim Punkt k wird das Überleitungsventil
geöffnet. Es erfolgt der Expansionshub in dem \ iederdruckzy linder, wie durch die
Kurve i dargestellt ist. Der mittlere wirksame Druck liegt zwischen 5 und 7 Atm.
Die Gase werden bis zu einem Druck nahe bis auf Atmosphärendruck expandiert, bevor
beim Punkte na der Auspuff beginnt.
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Die Verbundmaschine, die in den Abb. i und 2 dargestellt ist. besitzt
zwei Hochdruck-oder Verbrennungszylinder i und 2, die zu beiden Seiten des großen
Niederdruckzylinders 3 angeordnet sind, wodurch eine symmetrische Anordnung gewonnen
wird. Alle Zylinder hängen von der Kopfplatte .4. herab und sind mit Hilfe von Bolzen
5 abnehmbar an ihr befestigt (Abb. z und 2) . Diese Kopfplatte wird von der Grund-
und Bettplatte 6 durch Pfeiler oder Stangen 7 und durch mittlere Pfeiler 8 getragen.
Das untere Ende des Niederdruckzvlinders wird zweckmäßig von jenen Pfeilern geführt
oder umspannt (Abb. 2). Zu diesem Zwecke können Ohren 9 vorgesehen sein, die durch
Bolzen oder in anderer Weise mit den Pfeilern verbunden sind. Vermöge dieser -Einrichtung
lassen sich die Zylinder leicht auswechseln, ohne daß die Kopfplatte q. entfernt
wird. Auf diese Weise wird der Kopfplattenteil sehr geschont. Die Kolben i i, 12
und 16 sind mit der gekröpften Welle-i3 durch Stangen 14, 15 und 17 mit Hilfe von
entfernbaren Kolbenbolzen 18, i 9 verbunden. Durch Entfernung der Ansatzstücke 20
an den kleineren Zylindern oder dem hohlen Teil 21 des großen Zylinders können die
Kolben leicht entfernt werden. Mit der Welle 13 ist ein Schwungrad 22 durch Bolzen
verbunden.
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Die Verbrennungszylinder sind, wie dargestellt, an beiden Seiten des
Expansionszylinders angeordnet. Die Überleitungskanäle z3 und 2,4 zwischen jedem
Verbrennungszylinder und (lein Expansionszylinder dienen als schädliche Räume für
die Hochdruckzvlinder. Entsprechend der Erfindung ist überall ein im Verhältnis
zu den gebrär_chlichen Maschinen großer schädlicher Raum vorgesehen. 'Naturgemäß
ändern sich die Verhältnisse des schädlichen Raumes zu dem Inhalt der Verbrennungszylinder
mit dem zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckzylinder gewählten Verhältnis.
Bei dem Verhältnis io : i zwischen dem Niederdruck-und dem Hochdruckzylinder ist
ein schädlicher Raum von etwa 5o olo anwendbar, wobei die Tiefe dieses Raumes mindestens
halb so groß wie der Kolbendurchmesser ist. Der schädliche Raum kann bis auf
15 01o herabgehen. Auf jeden Fall erscheint es sehr zweckmäßig, die schädlichen
Räume mehr als doppelt so groß zu machen, wie sie bisher zur Verwendung gelangten.
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Zwischen dem Hochdruck- und L\ iederdruckzylinder ist ein Ventil angeordnet.
Mit diesem Ventil ist zweckmäßig das Einlaßventil für den Verbrennungszylinder verbunden.
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Die Ventile sind in Gehäusen 27 untergebracht und werden. mittels
der Hebel 29, die in festen Lagern 31 drehbar sind, durch Nocken 32 der NTockenwelle
33 gesteuert (Abb. i) .
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V orteilbaft wird (las untere Ende 4- des Niederdruckzylinders als
Luftverdichter verwendet. Hierdurch wird sowohl eine große Gewichtsersparnis als
auch eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Maschine erreicht. Zu diesem Zwecke
wird das untere Ende des Zylinders 3 durch einen hohlen Ring 167 geschlossen. In
diesem Ring sind Einlaß- und Auslaßventile 69 und 69' enthalten, die von irgendeiner
zweckmäßigen Bauart sind. Das Öffnen und Schließen dieser Ventile geschieht entweder
selbsttätig oder durch eine Steuerung. Die im Pumpenraum verdichtete Luft strömt
in einen Vorratsbehälter 68, von dem aus die Luft durch Rohre 46 zu dem Einlaßventil
für die Zylinder übertritt (v g1. Abb. i).
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Die Pumpe wird zweckmäßig mit Mitteln ausgestattet, um den schädlichen
Raum zu vermindern. Diese Mittel bestehen im vorliegenden Falle aus einem Kolben
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(Abb. 2 und q.), der in dem zylindrischen Gehäuse 71 des Ringes
167 am äußeren Ende
des Zylinders 3 angeordnet ist. Der Kolben
ist mit der Stange 72 verbunden, und diese Stange ist mit Gewinde in einer drehbare,i
Muffe 7 3 gelagert. die einen Teil des Kegelrades 74 bildet, das in einer Platte
75, die das untere Ende des Zylinders 71 abschließt, drehbar gelagert ist. Die Stange
72 ist durch einen festen Keil 76, der in eine Nut 77 der Stange eingreift, an der
Drehung um die eigene Achse gehindert. Eine Kurbel 78 ist zur Einstellung
des Kolbens von Hand dargestellt. Diese Kurbel befindet sich auf derselben Welle
wie ein Zahnrad 8o, das mit dem Zahnrade 74 kämmt- Zur selbsttätigen Einstellung
des schädlichen Raumes in Übereinstimmung mit der Geschwindigkeit der NZaschine
ist ein Umkehrmotor 81 dargestellt, welcher mit einem Kegelrad 82 ausgestaltet ist,
das seinerseits mit dem Kegelrad 8o kämmt, während der Motor durch irgendeine bekannte
elektrische Steuerung zur Erreichung gleichmäßiger Geschwindigkeit beeinflußt wird.
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Der Brennstoff wird durch Ventile 83 und 84 in die Hochdruckzylinder
eingespritzt. Der Brennstoff wird als Flüssigkeit vermöge seines hohen Druckes oder
seiner hohen Geschwindigkeit ohne Hilfe von gepreßter Luft in den Zylinder eingespritzt.
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Außerdem ist der N iederdruckzylinder noch mit einem oder mehreren
Auspuffventilen 140 und 140' ausgestattet. welche mit dem Auspuffrohr 168 verbunden
sind und von der Nockenwelle 33 gesteuert werden. Zu diesem Zwecke wird ein Winkelhebel
141 durch Nocken 142 derart bewegt (vgl. Abb. 3), daß das Ventil 140 geöffnet wird,
während eine Gelenkverbindung 143 den Winkelhebel 141 mit einem anderen Hebel 144
verbindet, wodurch das Ventil i4o' gesteuert wird. Zweckmäßig wird die Zeit der
öffnung des Überleitungsventils 25 so eingestellt, daß sich gerade der Niederdruckkolben
dem oberen Ende seines Hubes nähert. Ferner werden die Auspuffventile i4o und i4o'
des Niederdruckzplinders geschlossen, bevor das obere Ende des Hubes des Kolbens
16 erreicht ist. Dies hat zur Folge, daß der Druck im schädlichen Raum des Niederdruckzylinders,
wie durch die Kurve j (Abb. 5) dargestellt, angenähert dem Enddrucke im Verbrennungszylinder
zu der Zeit gleich wird, wo sich das Überleitungsventil öffnet, wie bei la (_,#£bb.
6) dargestellt ist. Bei dieser Steuerung der Ventile werden plötzliche Druckänderungen
mit ihren erheblichen Verlusten vermieden. Derartige Maßnahmen sind bereits bei
bekannten Maschinen ausgeführt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 7 ist der Hochdruckzylinder 2'
mit einem gewölbten schädlichen Raum ausgestattet, der zweckmäßig im wesentlichen
halbkugelförmig ist. Durch die Anwendung dieser Form ist ein Höchstmaß von Raum
mit einem Mindestmaß von Kühlfläche der Zylinderwandung erreicht. Das Brennstoffventil
150 ist zweckmäßig axial sd angeordnet, daß es auf dem oberen Ende des Dornes
sitzt. Bei beiden Ausführungsformen sind die Einspritzventile so ausgeführt, daß
der Brennstoff in Form eines Kegels in den Zylinder eingespritzt wird, wie dies
durch die punktierten Linien gor der Abb.7 angedeutet ist. Die Achse des Brennstoffkegels
liegt in der Achse des Zylinders, und der Kegel ist so eingestellt, daß er eine
ununterbrochene Verbrennung höchsten Wirkungsgrades für denjenigen Teil des Hubes
sichert. solange das Ventil geöffnet ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Leitung
2o2, die den N iederdruckzylinder 3' und den Hochdruckzylinder 2' verbindet, gerader
als bei der Form gemäß der Abb.2 angebracht sein. Die Leitung wird zweckmäßig an
der Eintrittsstelle in den domartigen schädlichen Raum des Verbrennungszy linders
durch ein Überleitungsventil 25' geöffnet. Das Überleitungsventil öffnet sich zweckmäßig
nach innen, wegen des hohen Druckes innerhalb des Verbrennungszylinders.
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Der Bau dieser Maschine ist etwas verschieden von der Form der Maschine
der Abb. i bis 6. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Deckplatte 4', welche die
Decken aller drei Zylinder bildet, mit mehreren abwärts sich erstreckenden Mänteln
oder Hohlzylindern ioo, ioi usw. versehen, welche die oberen Teile des Hoch- und
Niederdruckzvlinders bilden. Auf diese Weise werden die Verbindungen log- zwischen
der Deckplatte und den unteren Teilen der Zylinder, welche naturgemäß ohne Wasserummantelung
sind, von den heißesten Teilen der Zylinder zu kühleren Teilen, d. h. näher zu den
Böden der Zylinder gebracht. Die Wasserummantelung der Zylinder wird hierbei ebenfalls
stark vereinfacht.