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Zweitaktbrennkraftmaschine Bei Brennkraftmaschinen, welche mit Wärmezufuhr
im Arbeitszylinder' arbeiten, ist es erwünscht, hohe Verdichtung der Zylinderladung
anwenden zu können, um einen möglichst großen Teil der im Brennstoff enthaltenen
Wärmemenge in Nutzarbeit umzuwandeln. Durch möglichst hohe Verdichtung ergeben sich
erhebliche Vorteile von technischer und wirtschaftlicher Bedeutung. So hängt die
Größe des thermischen und damit des wirtschaftlichen Wirkungsgrades hauptsächlich
von dem Verhältnis der Drücke am Anfang und Ende des Verdichtungshubes ab.
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Ihre obere technische Grenze findet die Verdichtung in der erhöhten
Endtemperatur, die schließlich zu vorzeitiger, unbeabsichtigter Selbstzündung der
Zylinderladung führt. Bei den gebräuchlichen Verpuffungsmaschinen ist daher eine
Steigerung der Verdichtung über eine gewisse Grenze hinaus nicht gut möglich. Man
muß daher bei diesen :Maschinen auf den durch höhere Verdichtung erzielbaren Gewinn
verzichten.
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Es hat nicht an Versuchen gefehlt, diesen Mangel an Verpuffungsmaschinen
zu beseitigen. So versuchte man durch Einspritzen von Wasser während des Verdichtungshubes
eine bessere Brennstoffausnutzung zu erzielen, wobei das Wasser durch die Verdichtungswärme
verdampft und dabei das Gemisch abkühlt. Dieses und andere Verfahren finden jedoch
nur beschränkte Anwendung, was ihre Nachteile bekräftigt. Selbst die VerwendungverdichtungsfesterBrennstoffe
für Hochverdichtung erfährt dadurch eine starke Beeinträchtigung, daß sehr hohe
Triebwerksbeanspruchungen auftreten, die mitunter zur Zerstörung der Maschine führen
können. Wird bei den gebräuchlichen Verpuffungsmaschinen unter Verwendung entsprechender
Brennstoffe hohe Verdichtung angewendet, so entstehen sehr hohe Arbeitsdrücke, weil
der Verbrennungsdruck plötzlich um ein Vielfaches des Verdichtungsenddruckes steigt.
Als Folge der hohen Arbeitsdrücke entsteht eine stärkere Materialbeanspruchung,
die eine stärkere Bemessung der Triebwerksteile und damit Gewichtszunahme bedingt.
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Es sind auch Brennkraftmaschinen bekannt geworden, bei denen wie beim
Erfindungsgegenstand zwei Zylinder je Motoreneinheit angeordnet sind, aber einer
der zugehörigen Kolben nur die zweifache Hubzahl dem anderen gegenüber ausführt.
So dient diese Anordnung bei einer Gasmaschine mit zwei voneinander unabhängigen
Arbeitskolben lediglich dazu, den eigentlichen Hilfskolben die Steuerung der Vorgänge
beim Ansaugen, Verdichten, Zünden, Ausdehnen und Austreiben der Verbrennungsrückstände
zu ermöglichen. Bei einer anderen Zweitaktbrennkraftmaschine wirken die in den zwei
Zylindern mit gemeinsamem Verdichtungsraum arbeitenden Kolben auf zwei durch ein
Schraubenradgetriebe miteinander verbundene Kurbelwellen, derart, daß einem' Hub
des Hauptarbeitskolbens zwei Hübe des Hilfskolbens entsprechen. Die beiden mit je
einem zwangsläufig betätigten Drehschieber versehenen Kurbelgehäuse dienen gleichzeitig
als Ladepumpen. Mittels der erwähnten Drehschieber, eines Vorratsbehälters
und
eines ebenfalls zwangsläufig betätigten Einlaßventils kann man die Füllung des Arbeitsraumes
mit zündfähigem Gemisch nach Belieben regeln. Aber bei beiden Maschinen ist vorteilhafte
Ausnutzung des Brennstoffes durch Hochverdichtung des Gemisches nicht erreichbar,
weil mit dem hierbei angewendeten Hubzahlverhältnis eine so beschleunigte Drucksteigerung
wie beim vorliegenden Erfindungsgegenstand nicht möglich ist. Auch kann beabsichtigte
Selbstzündung des Gemisches zu einem erwünschten Zeitpunkt nicht erzielt werden.
Durch den verwickelten Aufbau der letzterwähnten Maschine wird außerdem der mechanische
Wirkungsgrad der Maschine ungünstig beeinflußt.
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Gemäß vorliegender Erfindung ist bei Verpuffungsmaschinen eine wesentliche
Steigerung des Verdichtungsdruckes unter Berücksichtigung des wirtschaftlichsten
Verdichtungsgrades ohne Gefahr vorzeitiger Selbstzündung möglich bzw. kann Selbstzündung
des verdichteten Gemisches zum erforderlichen Zeitpunkt erreicht werden, und zwar
dadurch, daß der Druckverlauf während des Verdichtungsvorganges so beeinflußt wird,
daß erst am Ende des Verdichtungshubes, etwa im Bereich des Hauptkurbelwinkels von
etwa 2o' vor Hauptkolbentotpunktlage, eine beschleunigte Drucksteigerung des Gemisches
über den die eigentliche Zündtemperatur hervorrufenden Druck erzielt wird. Damit
fällt der Zeitpunkt einer evtl. Selbstzündgefahr mit dem des eigentlichen Zündzeitpunktes
zusammen bzw. wird beabsichtigte Selbstzündung zur richtigen Zeit, also kurz vorBeendigung
desVerdichtungsvorganges, hervorgerufen.
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Das Wesen der vorliegenden Erfindung kennzeichnet sich zur Erreichung
dieser vorbeschriebenen Wirkung durch Anordnung zweier in ständig offener Verbindung
miteinander stehender Zylinder, nämlich einem Hauptarbeitszylinder und einem Hilfszylinder,
wobei der Kolben des letzteren die vierfache Hubzahl des Hauptarbeitskolbens ausführt
und die zugehörigenTriebwerksteilezwangsläufig miteinander verbunden sind.
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Da die Verbrennung des entzündeten Gemisches zu Anfang des Ausdehnungshubes
einen gewissen Zeitabschnitt erfordert und gleichzeitig durch den mitvorgetriebenen
Hilfskolben eine rasch zunehmende Erweiterung des Arbeitsraumes eintritt, bleibt
der Verbrennungsdruck fast in Höhe des Verdichtungsenddruckes bzw. übersteigt er
letzteren nur unwesentlich. Ferner wird ein Mangel der gebräuchlichen Zweitaktbrennkraftmaschinen
dadurch aufgehoben, daß infolge der vorbeschriebenen Anordnung das Volumen des Arbeitsraumes
vom Anfang des Verdichtungshubes bis zur Abdeckung der Auspufföffnung bzw. von Freilegung
der Auspufföffnung bis zum Ende des Ausdehnungshubes nahezu unverändert bleibt.
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Gegenüber den gebräuchlichen Brennkraftmaschinen ergibt sich somit
eine bessere Brennstoffausnutzung bei gemischverdichtenden Maschinen und eine verhältnismäßig
geringe Materialbeanspruchung der Triebwerksteile, wie dies gerade im Fahrzeugbetrieb
erwünscht ist. Bei Anwendung der Selbstzündung kommen jegliche Zündeinrichtungen
in Wegfall und vereinfachen dadurch den Aufbau der Maschine und den Betrieb derselben
wesentlich.
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Die Zeichnung veranschaulicht in den Fig. i bis 12 ein Ausführungsbeispiel,
das Arbeitsprinzip und das ungefähre Druckdiagramm des Erfindungsgegenstandes, und
zwar zeigt Fig. i das betreffende Ausführungsbeispiel im Längsschnitt durch beide
Zylinder, quer zur Achsenrichtung der Kurbelwellen, beide Kolben in äußerer Totpunktlage,
Fig. 2 einen Längsschnitt des Ausführungsbeispiels durch den Hauptarbeitszylinder
in Achsenrichtung der zugehörigen Kurbelwelle, Kolben in innerer Totpunktlage, Fig.3
einen Längsschnitt des Ausführungsbeispiels durch den Hilfszylinder in Achsenrichtung
der zugehörigen Kurbelwelle, Kolben in innerer Totpunktlage, Fig. q. bis ii die
schematische Darstellung der Arbeitsweise des Erfindungsgegenstandes während eines
Arbeitshubes in bezug auf die Kurbel-und Kolbenstellungen, wobei die schraffierten
Kreisausschnitte die jeweils von einer Stellung zur anderen durcheilten Kurbehvege
kennzeichnen, und Fig. 12 ein Druckdiagramm von dem Arbeitsvorgang.
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Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ist der Hauptzylinder
a mit einem Hilfszylinder b
durch einen Kanal c räumlich verbunden.
In ersterem gleitet der Hauptkolben-d, dessen hin und her gehende Bewegung durch
ein Kurbeltriebwerk an der Hauptkurbelwelle e in eine drehende Bewegung umgewandelt
wird. Der im Hilfszylinder b befindliche Hilfskolben f
wirkt ebenfalls
zum Zwecke der Bewegungsumwandlung mittels eines Kurbeltriebwerkes auf die Hilfskurbelwelle
g, welche mit der vorerwähnten Hauptkurbelwelle e zwangsläufig verbunden ist. Das
auf der Hauptkurbelwelle e fest angeordnete Zahnrad la steht daher mit dem auf der
Hilfskurbelwelle g ebenfalls fest angeordneten Zahnrad i in Eingriff. Die Drehzahlen
beider Zahnräder verhalten sich wie i : q, so daß einem Hub des Hauptkolbens d vier
Hübe des Hilfskolbens f entsprechen. Auf der Hauptkurbelwelle e ist ferner das Schwungrad
k und auf der Hilfskurbelwelle g das Schwungrad l fest angeordnet. Beide Schwungräder
dienen zum Ausgleich von Kraftschwankungen. Das Hauptkurbelgehäuse m dient im. vorliegenden
Falle
gleichzeitig zur Vorverdichtung der Zylinderladung und ist vom Hilfskurbelgehäuse
n räumlich getrennt. Der Hauptzylinder a ist mit einer Einlaßöffnung o, einer Überströmöffnung
p sowie einer Auspufföffnung q versehen, deren Zweck und Wirkungsweise bekannt sind.
Eine Zündkerze Y bezweckt die Entzündung der Zylinderladung mit Hilfe eines elektrischen
Funkens, welcher zwangsläufig zu einem bestimmten Zeitpunkt mit irgendeiner bekannten
Einrichtung zur Entstehung gebracht wird.
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Der Arbeitsgang ist nunmehr folgender: Bewegt sich der Hauptkolben
a von seinem inneren Totpunkt nach dem äußeren Totpunkt (Fig. z), so wird nach erfolgter
Freilegung der Einlaßöffnung o eine dem verdrängten Raum entsprechende Gewichtsmenge
angesaugt. Während des Rückwärtsganges des Hauptkolbens d wird das Gemisch nach
erfolgter Abdeckung der Einlaßöffnung o im Kurbelgehäuse in schwach verdichtet und
strömt kurz vor dem inneren Totpunkt durch die ÜberströmöffnungP in den Hauptzylinder
a, wobei es durch die Abstufung s des Hauptkolbens d nach oben abgelenkt wird (Fig.2).
Während des darauffolgenden Aufwärtsganges des Hauptkolbens d werden erst die Überströmöffnung
P sowie die Auspufföffnung q geschlossen und danach das im Arbeitsraum befindliche
Gemisch verdichtet. Kurz vor Erreichung des äußeren Kolbentotpunktes wird das Gemisch
durch die Zündkerze r entzündet und verbrennt mit Drucksteigerung. Bei dem darauffolgenden
Abwärtsgang des Hauptkolbens d dehnen sich die Verbrennungsgase aus, wobei nutzbare
Zeit geleistet wird. Nach Freilegung der Auspufföffnung q werden die ausgedehnten
Verbrennungsgase ins Freie abgeführt, und es findet ein vollständiger Druckabfall
im Arbeitsraum statt. Während der nun folgenden weiteren Abwärtsbewegung des Hauptkolbens
a bis zum Hubende (Fig. 2) wird auch die ÜberströmöffnungP freigelegt, und es erfolgt
die Einströmung des bereits -%N-ieder im Kurbelgehäuse m zusammengepreßten Gemisches,
wobei der Rest der Verbrennungsgase durch die Auspufföffnung q getrieben wird. Die
eben beschriebene Tätigkeit des Hauptkolbens d ist zur Entfaltung einer nutzbaren
Kraftleistung hauptsächlich ausschlaggebend, während die Tätigkeit des Hilfskolbens
f die Vorgänge beim Überströmen des Gemisches in den Arbeitsraum, Verdichten und
Verbrennen der Zylinderladung sowie beim Austritt der Verbrennungsgase in günstiger
Weise beeinflußt, dabei gleichzeitig die spezifische Leistung der Maschine in beachtenswerter
Weise erhöhend.
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Die Verrichtungen des Hilfskolbens f erfolgen dabei zwangsläufig zu
denen des Hauptkolbens d entsprechend der vorerwähnten Triebwerksanordnung.
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In bezug auf die vorbeschriebenen Verrichtungen des Hauptkolbens d
gestaltet sich nunmehr die Zusammenarbeit mit dem Hilfskolben f folgendermaßen Bei
innerer Totpunktstellung des Hauptkolbens d befindet sich der Hilfskolben in seinem
äußeren Totpunkt, und das Gemisch ist bereits durch die Überströmöffnung p aus dem
Kurbelgehäuse in in den Hauptzylinder a geströmt (Fig. 2). Bewegt sich der
Hauptkolben d aufwärts gehend, so führt der Hilfskolben f während der ersten Achtelumdrehung
der Hauptkurbel-,velle e einen abwärts gerichteten Hub aus (Fig. .4). Hierbei bleibt
der vom Hauptzylinder a und Hilfszylinder b eingeschlossene Raum gegenüber der Anfangsstellung
fast unverändert, wodurch Brennstoffverluste durch Entweichen des Gemisches durch
die Auspufföffnung q vermieden werden. Während der zweiten Achtelumdrehung der Hauptkurbelwelle
e bewegt sich der Hilfskolben f aufwärts, der Bewegungsrichtung des Hauptkolbens
d gleichgerichtet (Fig. 5). Nach Überdeckung der Auspufföffnung durch den Hauptkolben
d beginnt die Verdichtung der Zylinderladung, wobei die Verrichtung des Hilfskolbens
f infolge des noch verhältnismäßig großen Rauminhaltes auf den Verdichtungsdruck
noch wenig Einfluß hat. Die dritte Achtelumdrehung entspricht wieder einem abwärts
gerichteten Hub des Hilfskolbens f (Fig. 6). Hierbei bleiben Verdichtungsdruck und
wärme im Gegensatz zu dem vom Hauptkolben d verdrängten Raum noch so niedrig, daß
unbüabsichtigte Selbstentzündung des Gemisches nicht eintreten kann. Im Verlauf
der vierten Achtelumdrehung der Hauptkurbelwelle e ist die Bewegungsrichtung des
Hilfskolbens f der des Hauptkolbens d wieder gleichgerichtet (Fig.
7). Im Verhältnis der nunmehr schneller erfolgenden Raumverminderung steigt der
Verdichtungsdruck bis zum Ende des Verdichtungshubes sehr rasch an. Noch bevor beide
Kolben ihren äußeren Totpunkt gleichzeitig erreichen, entsteht an der Zündkerze
r ein zwangsläufig erzeugter elektrischer Zündfunken. Da zur Entzündung des Gemisches
ein wenn auch nur kleiner Zeitabschnitt vergeht, wird der Zündzeitpunkt so festgelegt,
daß die Entzündung des Gemisches bei Totlage der beiden Kolben (Fig. z) beginnt.
Während der fünften Achtelumdrehung der Hauptkurbelwelle e führt der Hilfskolben
f mit dem Hauptkolben d
gleichzeitig eine abwärts gehende Bewegung
aus (Fig. 8). Durch die mit Anfang dieser Bewegung beginnende und fast bis zum Ende
dieser Bewegung anhaltende Verbrennung des Gemisches erhöhen sich Temperatur und
Druck im Arbeitsraum. Infolge der durch den Hilfskolben f bewirkten schnellen Raumvergrößerung
ist der Druckverlauf während dieses Vorganges fast stetig und dem Verdichtungsenddruck
ungefähr gleich, was für die Bemessung der Triebwerksteile
von
bedeutendem Vorteil ist. Außer auf den Hauptkolben d wirkt der Verbrennungsdruck
auch auf den Hilfskolben f arbeitsleistend. Im Verlauf der sechsten Achtelumdrehung
der Hauptkurbelwelle e (Fig. 9) wirken die sich ausdehnenden Verbrennungsgase nur
auf den Hauptkolben d arbeitsleistend. Der hierbei stattfindende Aufwärtsgang des
Hilfskolbens f wird dadurch unterstützt, daß diese Verlustarbeit durch einen Teil
des beim vorangegangenen Vorgang vom Schwungrad l aufgenommenen Kraftüberschusses
ausgeglichen wird. Die auf den Hilfskolben f bezogene Verlustarbeit ist jedoch gleichbedeutend
mit erhöhter Nutzarbeit des Hauptkolbens d, da im Verhältnis zu dem vom Hilfskolben
f verdrängten Raum der Druckabfall im Arbeitsraum verzögert wird. Im siebenten Achtel
der Hauptkurbelumdrehung (Fig. to) wirkt der Druck der Verbrennungsgase wieder auf
beide in der Bewegung gleichgerichtete Kolben zugleich arbeitsleistend. Vor Übergang
vom siebenten zum letzten Achtel der Hauptkurbelumdrehung wird die Auspufföffnung
q freigelegt, und die Verbrennungsgase entweichen ins Freie. Durch die während des
letzten Achtels der Hauptkurbelumdrehung stattfindende aufwärts gehende Bewegung
des Hilfskolbens f wird die Entfernung der Verbrennungsgase noch begünstigt. Nach
Freilegung der Überströmöffnung P durch den Hauptkolben d schiebt das einströmende,
durch die Nase s nach oben abgelenkte frische Gemisch den Rest der Verbrennungsgase
vor sich her und zur Auspufföffnung q hinaus (Fig. x= und 2). Die beschriebenen
Vorgänge wiederholen sich dann von neuem. Das Schwungrad l gleicht während des Betriebes
die Kraftschwankungen bei den einzelnen Arbeits- und Widerstandshüben des Hilfskolbens
f aus und bewirkt außerdem auch die Entlastung der Zahnräder k und i von schädlichen
Beanspruchungen. Infolge der hohen Umdrehungszahl dieses Schwungrades können die
Abmessungen desselben verhältnismäßig klein gehalten werden. Das Schwungrad k dient
zum Ausgleich von Kraftschwankungen der Maschine und ermöglicht einen gleichförmigen
Antrieb. Gemisch- und Zündfunkenerzeugungseinrichtungen sind aus den Zeichnungen
nicht ersichtlich, da sie mit dem Erfindungsgedanken in keinem Zusammenhange stehen.
Die Vorverdichtung der Zylinderladung kann außer der Benutzung des Kurbelgehäuses
zu diesem Zweck auch auf irgendeine andere bekannte Weise bewirkt werden.
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Die Verbindung des Hilfskolbentriebwerkes mit dem Hauptkolbentriebwerk
kann durch Anwendung sonst geeigneter Übertragungsmittel verschieden ausgeführt
werden. Ebenso kann die Lage des Hilfszylinders b zum Hauptzylinder verschieden
sein; nur müssen beide räumlich verbunden sein. Je nach Erfordernis kann man beispielsweise
durch Versetzen der Zahnräder k und i auch eine vor- oder nacheilende Bewegung des
Hilfskolbens f erzielen. Als Kraftstoffe können der Maschine gas- und staubförmige
sowie flüssige Brennstoffe zugeführt werden.
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Die Wirkungsweise wird noch durch das auf den Hauptkolbenweg bezogene
Druckdiagramm besonders gekennzeichnet (Fig. z2). Hierbei sind die zu jeder Kolbenstellung
gehörigen, im Arbeitsraum augenblicklich herrschenden Drücke senkrecht über einer
Waagerechten, der Atmosphärenlinie, aufgetragen. Die erläuterte Arbeitsweise ist
mit Bezug auf Fig. 12 kurz folgende: I. Der Hauptkolben d öffnet die Auspufföffnung
q.
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I bis 1I. Druckausgleich mit der Atmosphäre und Einströmen des vorverdichteten
Gemisches aus dem Kurbelgehäuse m durch die Überströmöffnung P in den Hauptzylinder
a bei annähernd gleichbleibendem Raum.
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III. Totlage des Hauptkolbens d.
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II bis III. Fortdauer der Einströmung des frischen Gemisches in den
Hauptzylinder a bei annähernd gleichbleibendem Raum.
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III. Der Hauptkolben d schließt die Auspufföffnung q.
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III bis IV. Verdichtung der Zylinderladung mit beschleunigter Drucksteigerung
kurz vor Hubende.
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IV. Totlage des Hauptkolbens d.
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IV bis V. Verpuffung der Zylinderladung, also Wärmezufuhr, bei annähernd
gleichbleibendem Druck, während Raum und Temperatur zunehmen.
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V bis I. Entspannung der Verbrennungsgase. Selbstverständlich kann
auch die Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine nach der Erfindung eine verschiedene
sein. So besteht auch die Möglichkeit, die Einführung flüssigen Brennstoffes in
den Arbeitsraum am Ende der mit reiner Luft erfolgenden Hochverdichtung durch Einspritzen
vorzunehmen, wobei sich der Brennstoff selbst entzündet. Die Vorteile des Erfindungsgegenstandes
können somit auch auf Gleichdruckmaschinen ausgedehnt werden. Es besteht außerdem
bei Verpuffungsmaschinen die Möglichkeit, ebenfalls Selbstzündung anzuwenden unter
Berücksichtigung der sich hierzu eignenden Kraftstoffe. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit
besteht ferner darin, daß die Hilfskurbelwelle g, welche sich viermal schneller
als die Hauptkurbelwelle e bewegt, mit einem Turbinenlaufrad versehen werden kann,
auf dessen Schaufeln die Auspuffgase mittels entsprechender Düsen geleitet werden
können. Hierbei können die Auspuffgase noch arbeitsleistend ausgenutzt werden und
damit die Ausnutzung des Brennstoffes noch mehr begünstigen. Die Dauer der Auspuffgasausströmung
verteilt sich dabei auf fast eine ganze Umdrehung
der Hilfskurbelwelle
g. Bei Mehrzylinderanordnung wird die Beaufschlagung des Turbinenlaufrades naturgemäß
noch gleichmäßiger und günstiger.
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Solche und andere Ausführungsarten der Erfindung sind ohne besonderen
Mehraufwand gegenüber bekannten Maschinen dieser Art herstellbar.
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Der Wert der Erfindung liegt nach vorstehendem darin, daß der Brennstoffverbrauch
für die Leistungseinheit infolge Anwendung hoher Verdichtung sehr gering ist. Die
nachteilige Kürzung des Verdichtungshubes wird durch die Wirkung des Hilfskolbens
ausgeglichen. Ferner ist die Kühlung der Verbrennungszylinder eine günstigere, weil
durch den angeschlossenen Hilfszylinder die wärmeableitende Kühlfläche vergrößert
wird. Die Tätigkeit des Hilfskolbens bewirkt u. a. auch eine Wirbelung der Zylinderladung,
wodurch die Zündfähigkeit erhöht wird. Die höhere Drehzahl der Hilfskurbelwelle
kann vorteilhaft zum Antrieb schnellaufender Arbeitsmaschinen verwendet werden.
Der Hilfskolben wirkt zusätzlich arbeitsleistend. In bezug auf die erwähnten Vorteile
ist der Aufbau der Maschine überaus einfach. Insbesondere sind alle Teile vermieden,
die einem übermäßigen Verschleiß unterliegen.
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In der vollständigen Zuverlässigkeit und der günstigen Wärmeausnutzung
selbst qualitätsarmer Kraftstoffe sowie in der einfachen Gestaltung der Maschine
liegt der außerordentliche Fortschritt der Neuerung in technischer und wirtschaftlicher
Hinsicht.