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Doppelt wirkende Zweitaktbrennkraftmaschine, insbesondere Dieselmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine doppelt wirkende Zweitaktbrennkraftmaschine
vom Dieseltyp, bei dem bekanntlich der Brennstoff in Druckluft eingespritzt wird,
deren Temperatur durch Komprimieren so weit erhöht wird, daß der eingespritzte Brennstoff
sich entzündet. Zweck der Erfindung besteht nun darin, eine Maschine zu schaffen,
bei der im Vergleich mit bekannten Maschinen dieser Art eine wesentliche Erhöhung
der Leistung j e Gewichtseinheit erzielt wird.
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Eine solche bekannte Maschine umfaßt beispielsweise ein Paar rittlings
zur Kurbelwelle angeordneter und mit ihr durch .ein schwenkbares Organ in Verbindung
stehender Arbeitszylinder, die an den Enden durch gemeinsame Verdichtungsräume miteinander
verbunden sind. Weiterhin sind einfach wirkende Brennkraftmaschinen bekannt, in
deren Zylinder ein fester Kolben und ein beweglicher, über diesen gleitender Kolben
angeordnet ist.
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Von diesen bekannten Maschinen ausgehend, will die Erfindung eine
doppelt wirkende Zweitaktbrennkraftmaschine der genannten Art schaffen, bei der
ein oder mehrere Paare rittlings zur Kurbelwelle angeordnete Zylinder vorgesehen
sind, die an den Zylinderenden durch gemeinsame Verdichtungsräume miteinander in
Verbindung stehen, und die sich dadurch kennzeichnet, daß in jedem Zylinder in an
sich bekannter Weise ein verschiebbarer Röhrenkolben und in diesem ein feststehender
Kalben derart angeordnet ist, daß zwei Paare von Verbrennungskammern gebildet werden,
ein äußeres zwischen den Stirnflächen der Röhrenkolben und den Innenwandungen der
geschlossenen Zylinderenden und ein inneres zwischen den Innenwänden der Röhrenkolben
und den Stirnflächen der feststehenden Kolben. Sie kennzeichnet sich weiterhin dadurch,
daß die Zylinderwände mit Ladekanälen für die Zufuhr der Frischladung und mit Entladekanälen
für die Ableitung der Abgase und die Röhrenkolbenwände mit entsprechenden Durchtrittsöffnungen
so besetzt sind, daß die Spülung und Ladung der äußeren Zylinderseiten eines jeden
Zylinderpaares über die gemeinsamen Verdichtungsräume in der bei U-Zvlindern an
sich bekannten Weise erfolgt.
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Zwischen den Kolben jedes Zylinderpaares sollen gemäß der Erfindung
vorzugsweise drei Überströmkanäle angeordnet sein, derart, daß beim Spülen zwei
Kanäle zwischen den Kammern des einen oder des anderen Paares von Verbrennungskammern
in der Nähe ihrer entgegengesetzten Enden vorhanden sind.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf Organe zum Kühlen der Zylinder,
der Kolben und der Führungen für die Röhrenkolben, auf die Anordnung und Gestaltung
der Durchtrittsöffn.ungen und Kanäle sowie der Kolben, auf Organe zum Druckausgleich
in den Verbrennungskammern, auf die besondere Druckluftzufuhr sowie auf bestimmte
Merkmale der Schmiervorrichtung und auf weitere Merkmale .gemäß den Ansprüchen.
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Einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der
Zeichnung dare Z,
g 0' estellt, - es zeigen Abb. i die eine
Ausführungsform
im senkrechten Schnitt durch die Mittelachse, Abb.2
.einen Teil des gleichen Schnitts bei anderer Kolbenstellung, A.bb.3 eine Seitenansicht
der Maschine, Abb.4, 5 und 6 Schnitte nach 4'-4', 5'-5' und 6'-6' der Abb. i, Abb.
7 die Schubstange mit ihrem Drehzapfen im Schnitt von der Seite, Abb. 8 und 9 die
ausgebauten Röhrenkolben von vorn und von der Seite, A.bb. io eine abgeänderte Ausführungsform
der Maschine in der Stellung gemäß Abb. 2, Abb. i i einen Schnitt durch einen Röhrenkolben
mit einer besonderen Kühlung, Abb. 13 einen Schnitt mach 13'-13' der Abb. i i, Abb.
12 die Einrichtung zum Kühlen des Röhrenkolbens in Ansicht, A.bb. 14 eine andere
Vorrichtung zur Wasserkühlung des feststehenden Kolbens.
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Bei .der gezeigten Ausführungsform besitzt die Maschine eine Grundplatte
i, die mittels eines Gestells 3 den Maschinenblock 2 trägt. Das Gestell ist offen
ausgebildet und weist zwischen seinen Enden einen Querträger 4 auf, der zu einem
später zu erörternden Zweck hohl ausgebildet ist.
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Der Zylinderblock besteht aus zwei Arbeitszylindern 5, die nebeneinander
so angeordnet sind, daß die zwei Arbeitskolben auf eine gemeinsame Kurbel arbeiten
können, und daß die Spülluft der Reihe nach durch die Verbrennungskammern der beiden
Zylinder geschickt werden kann. In jedem Zylinder ist in axialer Richtung ein Kolben
6 verschiebbar, dessen Röhrenteil 7 mit dem benachbarten Kolben durch einem Querkopf
verbunden ist, der den Drehzapfen 8 der Schubstange 9 trägt. Diese greift an einer
Kurbel io der Kurbelwelle i i an, die in der Grundplatte i gelagert ist.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes besteht
der Querkopf aus zwei Backen 12, in denen der Drehzapfen 8 befestigt ist. Diese
Backen 12 tragen Rippen 13, die in Eingriff mit Rippen 14 der Kolben 7 stehen, um
die Befestigungsschrauben 15 von .den Schubbeanspruchungen zu entlasten. In dem
Röhrenteil jedes Röhrenkolbens ist ein feststehender Kolben 16 untergebracht. Jeder
dieser Kolben wird vorzugsweise von dem Querträger 4 des Gestells 3 getragen. Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel dienen hierzu zwei Hohlsäulen 17, die an beiden
Enden mit Flanschen versehen sind, mittels welcher sie an -dem feststehenden Kolbenkopf
und dem Querträger befestigt sind. Die Kolbenköpfe sind hohl, um den Umlauf von
Kühlwasser zu ermöglichen.
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Der Querträger 4 ist durch eine Scheidewand 18 in zwei Kammern zerlegt.
In eine dieser Kammern münden Röhren i9 und in die andere Röhren 2o, die sich durch
die Hohlsäulen 17 aufwärts erstrecken. Eine -dieser Röhren ist nur bis über den
Boden des feststehenden Kolbens geführt, während die an-.dere Röhre sich bis nahe
der Decke des Hohlkolbens erstreckt. Die Kammern des Querträgers 4 sind an ein geeignetes
Wasserkühlsystem angeschlossen.
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Aus der oben gezeigten Anordnung der Zylinder und der feststehenden
und beweglichenKolben ergibt sich, daß zwei Paare von Verbrennungskammern gebildet
werden, das eine Paar zwischen den Röhrenkolben und den geschlossenen Enden der
Arbeitszylinder, ein zweites Paar zwischen. den inneren Stirnflächen der Kolbenköpfe
und den feststehenden Kolben 16. Zwischen den oberen Kammern ist in der Nähe ihrer
oberen Enden ein Überströmkan.al 21 angeordnet. Ein ähnlicher Überströmkanal22 ist
zwischen den unteren Enden des inneren Paares von Verbrennungskammern ungefähr in
Höhe der oberen Enden der feststehenden Kolben 16 angeordnet. Diesen überströmhanälen
ist eine linsenförmige Gestalt gegeben, um die erforderliche Wandfläche im Verhältnis
zum Fassungsraum möglichst zu vermindern. Bei dem Überströmkanal21 kann die erwünschte
Form besser angenähert werden als bei dem Üfberströmkanal 22, weil die Teile 23
des oberen Zylinderendes und die Teile 24 des oberen Endes der Kolben 6 so geformt
sein können, daß sie annähernd die Kurven der oberen und unteren Wände der Durchtrittsöffnung
fortsetzen.
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An der einen Seite der Maschine ist eine Luftleitung 25, an der anderen
Seite eine Auspuffleitung 26 angeordnet. Kanäle 27, 28 bilden eine Verbindung zwischen
der Luftleitung und dem Innern des benachbarten Zylinders, während die Kanäle 29
und 30 eine Verbindung zwischen der Auspuffleitung und dem Innern des benachbarten
Zylinders bilden und vor den Luftkanälen geöffnet werden können. Theoretisch könnten
die beiden Kanäle jeder Seite in einen zusanunengezogen werden, indem man den sie
trennenden Steg fortließe, jedoch ist es aus Gründen der Baufestigkeit vorzuziehen,
sie getrennt zu lassen.
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Der Röhrenteil jedes Röhrenkolbens ist mit einander gegenüberstehenden
Kanälen 31, 32 versehen, die, wenn der Kolben sich am oberen I3iibende befindet,
dem überströmkanal22, dem Lufteinlaßkana127 und dem Auspuffkanal29 gegenüberstehen.
An der inneren Seite jedes Röhrenkolbens ist in der Nähe der Unterseite des Zylinderkopfes
ein Kanal 33
angeordnet.
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Die Wirkungsweise der neuen Maschine ist folgende Wenn die Röhrenkolben
an ihrem oberen Hubende (Abb. i) stehen, ist der ÜberstrÖmkanal
22
in Verbindung mit den beiden Verbrennungskanimern des unteren Paares, und da eine
dieser Kammern mit dein Lufteinlaf', und die andere mit der Auspuffleitung in Verbindung
steht, durchfließt die Spflluft der Reibe nach die beiden Kammern. Der Weg der Spülluft,
wenn die Kolben am unteren Hubende angelangt sind, ergibt sich aus Abb.2. Es ist
zti bemerken, daß die Köpfe der feststehenden Kolben in der Nähe der Kanäle. -durch
die die Luft über sie hinwegstreicht, in der Form von Ablenkern 34 gestaltet sind;
die das Bestreben haben, die eintretende Luft nach den entgegengesetzten Enden der
Kammern abzulenken. Es wurde aber gefunden, daß eine bessere Spülung erzielt wird,
wenn ein dritter überströmkanal zwischen den Zylindern bei 35 vorgesehen wird. Dieser
Kanal ist so angeordnet, daß je nach der Stellung der Röhrenkolben zwei Kanäle zwischen
den Kammern des oberen oder des unteren Paares in der Nähe ihrer entgegengesetzten
Enden zur Verfügung stehen. Demgemäß kann bei jedem Kammerpaar etwas Luft mehr oder
weniger unmittelbar der Quere nach von der Einlaßleitung nach der Auspuffleitung
strömen, während ein Teil der Luft verwendet wird, um in den Kammern umzufließ en.
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Wenn Zuladungsluft verwendet werden soll, muß die Überströmleitung
35 vergrößert werden, wie in Abb. io gezeigt, so daß sie eine Verbindung zwischen
den Kammern des einen Kammerpaares oder des anderen bildet, wenn die Röhrenkolben
am unteren oder oberen Hubende sich befinden und nachdem die Einlaß- und Auslaßkanäle
geschlossen sind. Sowohl unter Hochdruck wie unter Niederdruck kann Zuladungsluft
zu den bekannten Zwecken eingeführt werden.
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Jeder der überströmkanäle2i und 22 ist mit einem oder mehreren Paaren
von Einspritzdüsen 37 ausgerüstet. Die Düsen jedes Paares sind einander genau gegenüberstehend
angeordnet, derart, daß sie den Brennstoff gegeneinander spritzen und hierdurch
die Schwierigkeiten vermindern, die durch das Anspritzen des Brennstoffs an eine
gegenüberliegendeWand entstehen. Hierdurch wird die Gefahr eines vollständigen Versagens
der Brennstoffzuführung zu dem überströmlcanal wesentlich vermindert. Geeignete
Stutzen für den Anschluß der Anlaßventile, Sicherheitsventile und Indikatoren sind
in bekannter Weise an den überströmkanälen 21 und 22 angeordnet. Zum periodischen
Einspritzen von Brennstoff bei jedem Hub dient in bekannter Weise eine taktgemäß
gesteuerte Vorrichtung.
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Es ist wünschenswert, daß nach der Beendigung der Einspritzperiode
Mittel zur Wirkung kommen, um den Druck zwischen den Verbrennungskammern des unteren
Paars auszugleichen. Zu diese in Zweck sind Kanäle 38 an den Innenseiten der Röhrenkolben
angeordnet. Diese kommen im wesentlichen unmittelbar nach dem Einspritzen des Brennstoffs
mit dem Kanal 22 in Verbindung und halten diese Verbindung hinreichend lange aufrecht,
um einen etwa nötigen Druckausgleich zu bewirken.
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Da die lxschriebene Maschine doppelt wirkend ist und im Zweitakt arbeitet,
ergibt sie eine für ihre Größe sehr hoheLeistung, und die entwickelte Abhitze ist
deiiigelnäß auch sehr groß. Es ist deshalb eine besonders sorgfältige Kühlung erforderlich.
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Die Art, wie die feststehenden Kolben gekühlt werden, ist bereits
angegeben worden. Es muß ferner für wirksame Kühlung der Arbeitszylinder, der Arbeitskolben
und vor allem auch der Führungen für diese Kolben vorgesehen sein, die für die freien
Enden der Kolbenröhren vorgesehen sind.
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Die Zylinder 5 sind vorzugsweise dünnwandig ausgebildet und «-erden
versteift und verstärkt durch Rippen 39, die auch dazu dienen, die Wärmeausstrahlungsfläche
der Zylinderaußenwände zu vergrößern. l; in Wassermantel um den Zylinderblock wird
durch einen Blechmantel4o gebildet, der in bekannter Weise festgehalten wird und
mit ringförmigen Ausbauchungen oder Wellen 4.1 versehen ist, die seine Ausdehnung
und Zusammenziehung ohne Belastung der Befestigungsstellen ermöglichen. Geeignete
Wasseranschlüsse 42 sind vorgesehen, die an eine Kühlwasserleitung angeschlossen
werden. Die Köpfe 6 der Röhrenkolben sind hohl, und in den Kolbenröhren; liegen
Kanäle, die mit den Köpfen in Verbindung stehen. Die unteren Enden dieser Kanäle
laufen in ineinandergesteckte Röhren 44 aus, an die geeignete Vorrichtungen zum
Umlauf von 01
oder andere Kühlflüssigkeiten angeschlossen sind. Einige dieser
Kanäle sind durch Röhren 45 verlängert, die bis zu den oberen Enden der hohlen Kolbenköpfe
reichen, während andere Kanäle unmittelbar in die unteren Enden des Kühlraums einmünden,
so daß ein wirksamer Kühlwasserumlauf entsteht.
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Bei der abgeänderten Ausführungsform gemäß Abb. i i bis 13 sind die
Durchtrittskanäle in den Kolbenröhren wesentlich erweitert, um eine wirksame Wasserkühlung
zu erzielen. Auch die Röhrenteile der Röhrenkolben werden mittels Wassers gekühlt,
und zwar durch die Führungsstücke 46, die bogenförmigen Querschnitt haben und die,
um sich gegen die äußere Mantelfläche der Kolbenröhren anzulegen, vorzugsweise an
Flanschen 47 des Gestells 3 angeschraubt sind. Diese
Führungen sind
hohl ausgebildet, und ihre Hohlräume sind mittels .der Röhren 48 mit den Kammern
des Querträgers 4 verbunden, wobei das eine Rohr nach dem oberen Ende, das andere
nach dem unteren Ende jedes Führungsstückes läuft, um eine wirksame Kühlung zu ermöglichen.
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Für die neue Maschine ist eine Druckölschmierung erforderlich, die
durch folgende Merkmale von den üblichen Druckölschmierungen abweicht. Das Öl für
die Außenflächen der Röhrenkolben wird durch die Leitung 49 einem der Ringkanäle
5o zugeleitet, die durch Bohrungen in den Zylinderwänden mit dem Innenraum in Verbindung
stehen. Eine Leitung 51 verbindet diese Ringkanäle, und ein Rohr 52 dient als Auslaß.
Ein ähnliches System von Ringkanälen und Leitungen 54; 55 und 56 dient zur Schmierung
der unteren Teile der Röhrenkolben. Die Innenflächen der Kolbenröhren werden mittels
Bohrungen 57 (Abb. 8) geschmiert, die an einer gewissen Stelle des Kolbenhubes auf
die Ringkanäle 53 eingestellt werden, so daß Öl in die Ringkanäle 58 durchtreten
kann, die mit Löchern in Verbindung kommen, die in den Wänden der feststehenden
Kolben angeordnet sind. Die Ölleitungen 59 dienen zur Schmierung der Kolbenführungen
46. Der Drehzapfen 8 ist ein Teil, -der besonders sorgfältige Schmierung erfordert.
Es sind deshalb Mittel vorgesehen, um Öl unmittelbar seiner Tragfläche zuzuführen.
Ineinanderschiebbare Ülröhren 6o sind vorgesehen, die mit den Enden einer den Drehzapfen
durchsetzenden Bohrung 61 verbunden sind; der Zweigkanal. 62 verbindet die Bohrung
61 mit den Lagerflächen des Zapfens. Die Schubstange g wird von einer Bohrung 63
durchsetzt, die sich von Lagerbuchse zu Lagerbuchse erstreckt. Demgemäß wird Öl
unmittelbar dem Zapfenlager zugeführt und geht von dort zu der unteren Lagerbuchse
der Schubstange.
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In Abb. io der Zeichnung ist eine abgeänderte Ausführungsform der
Rohrleitungen gezeigt. Bei der Ausführungsform nach Abb. i und 2 wurde an der einen
Seite das gesamte heiße Auspuffgas abgeführt, während die gesamte kalte Spülluft
an der anderen Seite zugeführt wurde, wodurch bei ;großen Maschinen eine ungleichmäßige
Ausdehnung der Teile und hierdurch starke Beanspruchung des Werkstoffes entstehen
kann. Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, ist in A.bb. io ein kombiniertes Auspuff-
und Einlaßrohr an jeder Seite der Maschine vorgesehen, das durch eine Scheidewand
64 unterteilt ist. Die Strömung der Spülluft für das obere Paar von Verbrennungskammern
erfolgt aus der Luftleitung 25a durch den Kanal 28a, die Überströmkanäle 21 und
35 und den Kanal 3oa nach dem Auspuffrohr 26a. Die Strömung durch das untere Paar
von Verbrennungskammern erfolgt in der umgekehrten Richtung von der Luftleitung
25b durch den Einlaßkanal 28b, die Kanäle 3.i und 32, die überströmkanäle 22 und
35 und durch den Kanal 29b nach der Auspuffleitung 26b.
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Es ist zu bemerken, daß beide Stirnflächen der Köpfe der Röhrenstellen
konkav geformt sind, während die Stirnflächen der feststehenden Kolben konvex sind.
Hierdurch erhalten die Verbrennungskammern eine Gestalt, die sehr gut für den Umlauf
der Spülluft durch die Kammern geeignet ist.