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Zylindrischer Drehschieber für Brennkraftmaschinen Es sind Brennkraftmaschinen
bekannt, bei «-elchen ein Drehschieber im Kopf der Brennkraftmaschine angeordnet
ist. Dieser Drehschieber ist dabei als ein zylindrischer Hohlkörper mit übereinander
angeordneten Schlitzen ausgebildet. Wenn dabei der Drehschieber eine halbe Umdrehung
bei einer vollen Umdrehung der Kurbelwelle ausführt, so beträgt der von den Steuerschlitzen
des Drehschiebers begrenzte Teil des Schieberumfanges etwa 16o°, und die gegenüberliegenden
Schlitze in der Zylinderwandung sind verhältnismäßig schmal, z. B. ungefähr 2o°.
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Vergrößert man, um diesen Nachteil zu beseitigen, die Steuerschlitze
der Höhe nach, so wäre man gezwungen, den Kompressionsraum ebenfalls zu vergrößern,
was natürlich eine Verringerung der Maschinenleistung zur Folge hat. Dieser Nachteil
ist übrigens bei allen bekannten Brennkraftmaschinen mit Drehschieber vorhanden.
Weiter ist zu beinerken, daß es bei jeder Steuerung bekannter Brennkraftmaschinen
unmöglich ist, einen der Arbeitstakte über mehr als 18o° der Kurbeldrehung auszudehnen.
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Es ist auch schon für Drehschieber anderer Bauart, nämlich mit nicht
übereinander angeordneten Steuerschlitzen, sondern von plattenförmiger Ausbildung
vorgeschlagen worden, die Ausdehnung eines gleichzeitig für den Einlaß und Auspuff
dienenden Schlitzes zu verändern, nämlich zu verringern, um in diesem Fall eine
Verzögerung, aber keine Voreilung des Auspuffs zu erzielen.
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Erfindungsgemäß beträgt bei einer Drehschieberanordnung für Brennkraftmaschinen
mit übereinander angeordneten Steuerschlitzen zwecks Vergrößerung der Ladeperiode
oder des Auspuffs oder beider der von den beiden Steuerschlitzen zusammen begrenzte
Teil des Schieberumfanges etwa drei Achtel des Gesamtumfanges (z35°), wobei die
Bogenlänge jedes Steuerschlitzes, z. B. bei einem Drehzahlverhältnis des Schiebers
zur Kurbelwelle von 1 :2, bis zu drei Achtel des Gesamtumfanges (135°) einnehmen
kann, und die gegenüberliegenden Schlitze in der Zylinderwandung betragen je ein
Achtel bzw. zusammen etwa zwei Achtel des Gesamtumfanges. Bei einer besonders zweckmäßigen
Ausführungsform sind die Steuerschlitze in Dichtungsringe eines massiven Schieberkörpers
eingeschnitten, welcher mit einem oder mehreren Kanälen versehen ist, welche mit
Öffnungen einer im Zylinderkopf angeordneten Scheidewand in Verbindung stehen.
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Der nachfolgenden Beschreibung soll ein Beispiel des Erfindungsgegenstandes
zugrunde gelegt werden, bei welchem der Drehschieber mit der halben Drehzahl der
Kurbelwelle umläuft. In diesem Fall wird der Gesamtumfang des Drehschiebers und
des Zylinders in
Einachtelteile eingeteilt, und erfindungsgemäß
beträgt sodann der von den beiden Steuerschlitzen zusammen begrenzte Teil des Schieberumfangs
drei Achtel des Gesamtumfangs oder, mit anderen Worten ausgesprochen, die äußeren
Kanten der beiden Steuerschlitze sind im Bogenmaß voneinander drei Achtel des Gesamtumfangs
entfernt. Drei Achtel des Gesamtumfans entsprechen einem Winkelmaß von 135".' Die
Anordnung ist dabei so getroffen, daß jeder einzelne Steuerschlitz selbst eine Größe
bis zu 135' einnehmen kann. Die gegenüberliegenden Schlitze in der Zylinderwandung
betragen ungefähr je ein Achtel des Gesamtumfangs, also je 45°, und zusammen etwa
zwei Achtel, also 9o°. Diese Maße können in kleinen Grenzen schwanken, zum Beispiel
kann der Auslaßschlitz 5o° betragen und in diesem Fall der Einlaßschlitz nur 4o°.
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Falls ein anderes Drehzahlverhältnis zwischen Drehschieber und Kurbehvelle
als 1,1, in einer Potenz von 111= vorliegt, zum Beispiel i :.4, ändert sich die
Anzahl der Steuerschlitze an dem Drehschieber und ebenso deren Maße. Während beim
vorhergehend angeführten Beispiel zwei Schlitze verwendet werden, werden bei einem
Drehzahlverhältnis von i : 4. vier Schlitze verwendet. Das Verhältnis bleibt in
diesem Fall das gleiche, indem die Gesamtlänge der nunmehr angeordneten vier Steuerschlitze
wieder drei Achtel des Schieberumfangs beträgt.
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In gleicher Weise ergibt sich die Größe der Steuerschlitze für einen
Drehschieber, der mit Drehzahlverhältnis von i : 8 umläuft, und bei welchem acht
einzelne Steuerschlitze vorgesehen sind usw.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und
schematisch veranschaulicht, und es stellt dar: Fig. i einen senkrechten Schnitt
einer Brennkraftmaschine mit einem Drehschieber gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen
Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. i, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 von Fig.
i, Fig.4 einen Schnitt nach Linie 4-4 von Fig. i, Fig. 5 eine zweckmäßige Ausführungsform
des Drehschiebers, teilweise in Ansicht, teilweise im Schnitt, Fig. 6 die Anordnung
der Fig. 3 und 4 zueinander, Fig.7 ein Diagramm der Ein- und Auslaßperioden des
Drehschiebers, Fig.8 ein Vergleichsdiagramm zwischen der Brennkraftmaschine gemäß
der Erfindung und einer bekannten Brennkraftmaschine.
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Wie aus den Fig. i und 2 ersichtlich ist, besteht die Brennkraftinaschine
im wesentlichen aus einer Anzahl von ventillosen Zylindern i. Die Steuerung des
Ein- und Auslassers erfolgt durch Drehschieber 2, welche gleichachsig zum Zylinder
im Kopf desselben angeordnet sind und gemeinsam angetrieben werden.
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Der Antrieb erfolgt durch eine senkrechte Welle 4, die mit dem Drehschieber
ein Stück bildet und außerhalb des Zylinderkopfes 3 ein Kegelrad 5 trägt. Jeder
Zylinder i ist mit einem Drehschieber 2 ausgestattet, und alle Schieber werden von
einer gemeinsamen Welle 6 angetrieben, welche waagerecht im oberen Teil der Brennkraftmaschine
angeordnet ist und Kegelräder 7 trägt, die mit den auf den Wellen 4 befestigten
Kegelrädern 5 kämmen. Die Welle 6 erhält ihren Antrieb von der auf der Zeichnung
nicht dargestellten Kurbelwelle mittels einer senkrecht angeordneten Welle 5o (Abb.
2). Der ganze Antrieb ist im Innern eines Gehäuses 8 angeordnet, das abgedichtet
auf einer besonderen Platte.49 am oberen Teil der Brennkraftmaschine befestigt ist.
In diesem Gehäuse befindet sich ebenfalls eine auf der Zeichnung nicht dargestellte
Ölpumpe, welche eine Umlaufsschmierung zwischen dem unteren Kurbelgehäuse und dem
oberen Gehäuse 8 herstellt, in welches ein Überlaufrohr 9 hineinragt, welches das
Schmieröl ablaufen läßt, sobald es einen gewissen Flüssigkeitsstand erreicht.
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Der in jedem Zylinderkopf angeordnete Drehschieber 2 ist finit Steuerschlitzen
io, i i versehen, die übereinander angeordnet sind. Die Schlitze, welche zum Einlaß
des Gasgemisches dienen, liegen zweckmäßig unterhalb der Auslaßschlitze, so daß
sie sich bei umlaufendem Schieber mit einer Einlaßöffnung 12 des Zylinders i decken.
Die oberen Schlitze, welche für den Auspuff der Verbrennungsgase bestimmt sind,
können sich während der Drehung mit einem Auspuffschlitz 13 des Zylinders
i decken. Der Auspuffschlitz 13 ist mit einem Auspuffrohr i..1 verbunden.
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Die Anzahl der in jedem Drehschieber 2 angeordneten Schlitze und die
Bogenlänge derselben richtet sich nach dem Drehzahlverhältnis der Maschinenwelle
und der Steuerwelle 4 des Drehschiebers und kann wie folgt bestimmt werden.
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Bezeichnet beispielsweise in die Drehzahl der Steuerwelle 4 und n
die der Kurbelwelle, so ist
= Drehzahlverhältnis. Die Anzahl der Steuerschlitze ist alsdann in diesem Falle
Wenn das Drehzahlverhältnis gegeben ist, findet man die Länge eines jeden Schlitzes
des Drehschiebers, ebenso die des
entsprechenden Zylinderschlitzes
durch folgende Gleichung.
In dieser Gleichung bezeichnet L die Länge eines Schlitzes, welche gleich der Bogenlänge
ist, die durch den Schlitz selbst eingenommen wird.
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R ist, wie bereits angegeben, das Drehzahlverhältnis zwischen der
:Maschinenweile und der Steuerwelle .I, und D ist der äußere Durchmesser des Drehschiebers
2.
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Ist aber dagegen die Länge eines jeden Schlitzes ebenso wie der Durchmesser
des Drehschiebers im voraus bestimmt, so kann man das Drehzahlverhältnis durch folgende
Gleichung errechnen:
Hieraus ergibt sich die Drehzahl m der Steuerwelle des Schiebers, welche nach obiger
Gleichung
ist sowie auch die Drehzahl der Kurbelwelle, die ia = na # R ist.
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Aus diesen Formeln ergibt sich, daß bei Bekanntsein eines Faktors
die anderen leicht errechnet «-erden können.
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Beispiele für die Anordnung der Steuerschlitze Die relative Lage der
Steuerschlitze im Drehschieber ist im Prinzip folgende, und zwar bei einem Schieber
mit zwei Schlitzen: Der Umfang des Steuerschiebers 2 wird in acht gleiche Teile
(I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII) eingeteilt (Fig.6). Von diesen acht Teilen sind
drei Achtel (3j,) für die Anordnung der beiden übereinanderliegenden Steuerschlitze
i o, ii bestimmt. Diese drei Achtel sind in der Fig.6 durch die beiden stark ausgezogenen
Striche I und IV erkennbar. Diese beiden Steuerschlitze io und ii sind somit in
den Grenzen dieser drei Achtel Teile des Umfangs des Drehschiebers angeordnet, und
zwar derart, daß sie innerhalb dieser Grenzen die der beabsichtigten Maschinenleistung
entsprechende Länge annehmen können. Die Anordnung dieser beiden Steuerschlitze
io und i i ist dabei auch so getroffen, daß jeder einzelne Steuerschlitz selbst
das ganze Bogenmaß dieser drei Achtel des Schieberutnfangs einnehmen kann. Drei
Achtel des Schieberumfangs entsprechen einem Winkel- oder Bogenmaß von 135° (Fig.6).
Die übrigen fünf Achtel (@(8) des Schieberumfangs bilden einen vollen Teil.
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Bei doppelter Anzahl von Steuerschlitzen wird ihre relative Lage im
Schieber als Funktion dieser Anzahl und des Drehzahlverhältnisses R, wie oben angegeben,
berechnet. Das gleiche Verfahren kann auch angewendet werden, wenn das Drehzahlverhältnis
zwischen dem Drehschieber und der Kurbelwelle gleich 1 : 2, 1 : -., 1 : ä usw. ist.
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Hat man beispielsweise ein Drehzahlverhältnis von 1 : 2 zwischen der
Steuerwelle .1 des Drehschiebers und der Maschinenwelle, so wird der Umfang des
Drehschiebers, wie bereits vorher angegeben ist, sowie auch der Umfang des Zylinders
in acht gleiche Teile eingeteilt. Der Drehschieber 2 ist bei diesem Drehzahlverhältnis
mit zwei Steuerschlitzen io, i i versehen, und der Teil des Schieberumfangs, der
von diesen beiden Schlitzen beansprucht werden kann, beträgt, wie bereits gesagt,
drei Achtel des Gesamtumfangs. Die mit diesen Steuerschlitzen io und i i zusammenarbeitenden
Schlitze 12 und 13 _ in der Zylinderwandung betragen ungefähr je ein Achtel des
Gesamtumfangs des Zylinders, also je .a.5°, und zusammen etwa zwei Achtel, also
9o° (Fig. 6). Diese Maße können in kleinen Grenzen schwanken, zum Beispiel kann
der Auslaßschlitz des Zylinders 5o° betragen und in diesem Falle der Einlaßschlitz
des Zylinders nur d.o°.
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Wenn ein anderes Drehzahlverhältnis zwischen der Steuerwelle .4 und
der l1aschinenwelle vorliegt, z. B. i : a,, so ändert sich die Anzahl der Steuerschlitze
im Drehschieber 2 und ebenso deren Maße entsprechend.
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Während beim vorher angeführten Beispiel zwei Steuerschlitze verwendet
werden, werden bei einem Drehzahlverhältnis von 1:4 vier Steuerschlitze verwendet.
Die Ein- und Auslaßbedingungen der Gase bleiben indessen dieselben, und die vier
Steuerschlitze sind, wie im vorhergehenden Falle, in den durch die drei Achtel (3/8)
Teile des Gesamtumfangs bestimmten Grenzen angeordnet, das heißt in einem Bogenmaß
von etwa 135'.
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In ähnlicher Weise ergibt sich die Größe der Steuerschlitze für einen
Drehschieber, der mit einem Drehzahlverhältnis von i : S umläuft. In diesem Falle
ist alsdann der Drehschieber mit acht Steuerschlitzen versehen, die wiederum in
den Grenzen von drei Achtel des Gesamtumfangs des Drehschiebers angeordnet sind.
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Bezüglich des Drehschiebers selbst, der mittels der Kegelräder 5,
7 durch die gemeinsame Welle 6 angetrieben wird, ist noch zu erwähnen, daß die Abdichtung
desselben gegenüber der Innenwandung des Zylinderkopfes 3 durch Zwischenlegen zweier
breiter Dichtungsringe 15, 16 erfolgt, die auf der Zylinderwandung gleiten. Diese
Ringe weisen natürlich dieselben Ein- und Auslaßschlitze auf wie der Drehschieber
2, mit welchem sie
durch Rahmen 17 verbunden sind. Ferner besitzen
sie an der Innenseite einen Rand 18, welcher zum Festlegen und Abdichten der Segmente
am Drehschieber dient.
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Im oberen Teil des Zylinderkopfes, in der Höhe der Kompressionskammer,
sind Zündkerzen 27 bzw. Kompressionshähne 28 angeordnet.
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Die Schmierung des Drehschiebers wird zweckmäßig durch enge Kanäle
67 bewirkt, welche am Schieber vorgesehen sind. Diese Kanäle münden in einen gemeinsamen
Kanal 68, der quer durch die Steuerwelle 4. des Drehschiebers in das obere Ölgehäuse
8 mündet.
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In Fig.5 ist eine zweckmäßige Ausführungsform eines Drehschiebers
teils im Schnitt, teils in Ansicht dargestellt.
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Wie aus der Figur ersichtlich, besteht dieser Drehschieber aus einem
massiven Körper, in welchen die Gasein- und -auslaßöffnungen eingebohrt sind. Nach
der Figur können die so gebildeten Ein- und Auslaßkanäle derart angeordnet sein,
daß zwei gekrümmte Kanäle 2o, 21 vorgesehen sind oder daß der Schieber mit einem
einzigen senkrechten Mittelkanal 22 ausgestattet ist, in welchen zwei waagerechte
Kanäle 23, 24. münden, die in der Figur punktiert eingetragen sind.
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Den gekrümmten Kanälen 20, 21 oder auch dem Mittelkanal 22 stehen
Öffnungen 2o', 21' oder 2ä gegenüber, die in einer Trennwand 29 des Zylinderkopfes
angeordnet sind. Die= ser massive Schieber ist ebenfalls mit breiten Dichtungsringen
25,:26 versehen, in welche die Steuerschlitze dem Schieber entsprechend eingeschnitten
sind.
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Wie es vorher gesagt worden ist, stellt die Fig. 7 ein Diagramm bezüglich
der Zeit oder Dauer der Einlaßperiode der Gemischgase und der Auslaßperiode der
verbrannten Gase des Drehschiebers in bezug auf die Kurbelwelle dar.
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Aus diesem Diagramm ist erkennbar, daß die Einlaßperiode während einer
Drehung der Kurbelwelle von 22.I° erfolgt und daß die Auslaßperiode während einer
Drehung der Kurbelwelle von 254_° stattfinden kann. Die Einlaßperiode ist im Diagramm
durch einen schraffierten Kreisbogen und die Auslaßperiode durch einen vollen Kreisbogen
dargestellt.
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Ferner bezeichnen in diesem Diagramm E.0. die Öffnung des Einlasses,
E. Sch. die Schließung des Einlasses, A. O. die Öffnung des Auslasses,
A. Sch.. die Schließung des Auslasses. Fig.8 stellt ein der Praxis entnommenes
Vergleichsdiagramm zwischen der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung und einer
bekannten Brennkraftmaschine dar. Die Umdrehungsgeschwindigkeit jeder der beiden
Brennkraftmaschinen betrage beispielsweise 3 6oo Umdrehungen pro Minute, so daß
eine Umdrehung (36o°) 1/",.Sekunde und i 8o' oder eine halbe Umdrehung o Sekunde
entsprechen.
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Die voll ausgezogenen Linien des Diagramms beziehen sich auf die bekannte
Brennkraftmaschine, während sich die gestrichelten Linien auf die Brennkraftmaschine
gemäß der Erfindung beziehen.
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Ferner bezeichnen in diesem Diagramm I die Einlaßperioden beider Brennkraftmaschinen,
II die Kompressions- und Explosionsperioden beider Maschinen, III den Arbeitshub
beider Maschinen, IV die Auslaßperiode beider Maschinen. Wie aus dem Diagramm zu
ersehen ist, kann man unter normalen Verhältnissen mittels des Drehschiebers nach
der Erfindung beispielsweise eine Einlaßperiode von 22.I° erreichen, die in einer
Zeit von '/"",Sekunde stattfindet.
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Gegenüber der bekannten Brennkraftmaschine erhält man demnach in diesem
Falle eine Vergrößerung der Ladeperiode um 4.q.°. Hierzu ist jedoch zu bemerken,
daß die Vergrößerung von 44' der Ladeperiode nur als Beispiel angegeben ist, denn
infolge der besonderen Anordnung und bei Verlängerung der Steuerschlitze des Drehschiebers
kann eine Vergrößerung der Ladeperiode bis zu 9o° erreicht werden.
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Der sich ergebende Vorteil besteht im wesentlichen darin, daß man
eine bedeutende Überladung erzielt.
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Aus der Kompressions- und Explosionsperiode erkennt man, daß dieselben
bei der Brennkraftmaschine nach der Erfindung während einer Drehung von i36° der
Kurbelwelle stattfinden, die einer Zeit von 1/.o Sekunde entspricht. Die Kompression
und die Explosion erfolgt demnach wesentlich schneller als bei der bekannten Brennkraftmaschine.
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Ferner läßt das Diagramm erkennen, daß bei der Brennkraftmaschine
gemäß der Erfindung sich der Arbeitshub während einer Drehung von io6° der Kurbelwelle
vollzieht, die eine Zeit von nur 1/=0o beansprucht.
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Man sieht aus dem Diagramm, daß lange, ehe der Kolben am unteren Totpunkt
anlangt, das Auslassen der verbrannten Gase vor sich geht.
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Hieraus ergibt sich nun ebenfalls eine Vergrößerung oder, mit anderen
Worten, eine Verfrühung der Auspuffperiode, die bei der Brennkraftmaschine gemäß
der Erfindung während einer Drehung von 254.° der Kurbelwelle stattfindet, und zwar
in einer Zeit von Sekunde. Die Auspuffperiode ist somit
um 74° größer
als bei der bekannten Brennkraftmaschine und kann, wenn erforderlich, infolge der
besonderen Anordnung der Steuerschlitze bis um maximal go° verlängert werden.
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Auf die Weise erfolgt das Auslassen eines großen Teiles der verbrannten
Gase, ehe der Kolben wieder hochgeht.
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Es folgt hieraus, daß der hochgehende Kolben (beim Auspuffhub) nur
einem stark verringerten Druck der Verbrennungsgase begegnet, wodurch die bei den
bekannten Brennkraftmaschinen so schädliche Bremsung des hochgehenden Kolbens beseitigt
wird. Des weiteren kommen die schädlichen thermodynamischen Wirkungsverluste ebenfalls
in Fortfall.