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Zweitaktbrennkraftmaschine mit Fremdzündung und Verdichtung der Ladung
außerhalb des Arbeitszylinders in einer Gemischladepumpe Die Erfindung bezieht sich
auf eine Zweitaktbrennkraftmaschine, bei der die Ladung für den Arbeitszylinder
in einer Gemischladepumpe verdichtet und gegen Ende des Auswärtsganges des Arbeitskolbens
in den Arbeitszylinder übergeschoben wird. Bei verschiedenen bekannten Maschinen
dieser Art erfolgt nur eine teilweise Vorverdichtung, während die eigentliche Verdichtung
wiederum erst im Arbeitszylinder vorgenommen wird. Andere Ausführungen zeigen zwar
eine vollkommene Vorverdichtung in einer besonderen Gemischladepumpe, vermögen aber
ein verlustloses Überschieben der Gemischladung nicht zu erreichen, da Arbeits-und
Pumpenkolben phasengleich arbeiten und die Anordnung der Einzelvorrichtungen demgemäß
unvollkommen ist. Die gleichen Nachteile besitzt auch eine Verbrennungskraftmaschine,
bei der die Regelung durch Veränderung der Gemischmenge, die dem Arbeitszylinder
zugeführt wird, erfolgt.
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Gegenstand der Erfindung ist nun eine wesentliche Verbesserung derartiger
Maschinen mit dem Ziele, die größte Wirtschaftlichkeit des ;Motors bei den verschiedensten
Bedingungen zu erreichen und seine Regelung entsprechend günstig durchzuführen.
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Im einzelnen sollen die verschiedenen Vorteile an Hand der Abb. i,
in welcher eine vorteilhafte Ausführungsform der Gesamteinrichtung schematisch wiedergegeben
ist, unter gleichzeitiger Schilderung dieser Einrichtung erläutert werden. Das jeweils
zusammenarbeitende System besteht aus zwei Zylindern i und 2. Der Zylinder i sei
der Arbeitszylinder, der Zylinder 2 der Verdichterzylinder. Beide Zylinder sind
unter sich durch ein Rohrsystem verbunden. In dieses Rohrsystem kann durch ein Ventil
s das verdichtete Gasgemenge aus dem Zylinder 2 eintreten, dem aber der Weg zum
Arbeitszylinder i durch das Ventil 6 zunächst versperrt ist. In dem Rohrsystem befindet
sich auch ein Ventil 8, das ein auf einen bestimmten Druck einstellbares Überdruckventil
ist, während das Ventil 6 zwangsläufig von einer Nockenscheibe 13 gesteuert
wird, derart, daß in bekannter Weise der Hub von Null bis zu einem Maximum geregelt
werden kann. Die Druckeinstellung des Ventils 8 ist ebenfalls regelbar; mit ihm
wird der Kompressionsdruck geregelt, während mit dem Ventil 6 die Füllung und das
Abschalten des Arbeitszylinders gesteuert wird. Nach dem Durchströmen des Ventils
6 gelangt das Gemisch durch das Venti17 in den Arbeitszylinder i. Dieser Arbeitszylinder
i ist als Zweitaktzylinder ausgebildet, d. h. er trägt an seinem Ende die bekannten
Auspuffschlitze io, die unter sich durch die Kammer ii verbunden sind. Das sonst
beim Zweitaktverfahren übliche Spülen fällt aber fort; statt dessen wird das verbrauchte
Gemisch durch einen Ejektor 12 aus dem Arbeitszylinder herausgesaugt.
Der
Ejektor ia ist aber nur als Beispiel gedacht; er kommt vor allem dann in Betracht,
wenn es sich um einen Rotationsmotor mit kreisenden Zylindern handelt, bei denen
dann die Luft sich in dem Trichter des Ejektors 12 fängt und durch Strahlwirkung
saugend auf das Innere des Zylinders i einwirkt. Bei stationären Maschinen können
auch Ejektoren benutzt werden, die dann in der üblichen Weise auszubilden sind,
wenn nicht andere Saugeinrichtungen vorgezogen werden.
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Die Trennung des Kompressionsvorganges von dem eigentlichen Arbeitshub
und die Evakuation der verbrannten Gase setzt die Temperatur in dem Arbeitszylinder
herab und erhöht dadurch den volumetrischen Wirkungsgrad. Der Kompressorkolben q.
eilt dem Arbeitskolben 3 um den Weg c vor. Dieser Weg bestimmt sich durch zwei Überlegungen;
einmal muß der Kompressorkolben in den evakuierten Arbeitszylinder ein ausreichendes
Volumen von komprimiertem Gemenge bestimmten Druckes hineinschieben, zum anderen
ist die Zeit ausschlaggebend, die die Zündungsverzögerung hervorbringt. Das beste
Maß für die Voreilung c muß durch Versuche festgestellt werden. Vorteilhaft ist
das Volumen des Verdichterzylinders so groß zu wählen, daß man bei dünner oder sonst
sauerstoffarmer Luft eine genügend große Luftmenge ansaugen und komprimieren kann,
um den für die normale Zündfähigkeit und Verbrennung des komprimierten Gemisches
notwendigen Sauerstoffgehalt zu sichern. Auf alle Fälle ist dieses Ziel dadurch,
daß ein besonderer Verdichterzylinder mitwirkt, leichter zu erreichen, als wenn
der Arbeitskolben allein die Verdichtung bewirken müßte.
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Die weitere Einrichtung und ihre Wirkungsweise ist wie folgt: Das
Ventil s sei das Auslaßventil des Kompressorzylinders. Die Steuerung des Ventils
6 steht in dauerndem Eingriff mit dem Antriebsorgan des Motors und wird beispielsweise
durch den Nocken 13 und den Hebel 14 bewirkt. Um nun die Veränderlichkeit des Ventilhubes
zu erhalten, kann man z. B. den Nocken 13 auf seiner Welle verschiebbar machen und
in bekannter Weise gleichzeitig den Querschnitt derart ändern, daß zwischen Null
und einem Maximum alle Ventilhübe eingestellt werden können. Außerdem dient das
Ventil 6 mit seiner Steuerung 1q., dem Einlaßventil 7 und der elektromagnetischen
Zündvorrichtung 15 noch einem anderen, und zwar doppeltenZweck. In dem einen Stromkreis
der Zündvorrichtung ist in einem kinematischen Zusammenhang mit dem Ventil 6 oder
mit dessen maschinellem Antrieb eine Kontaktvorrichtung 29 angebracht, die erst
dann eine Zündung zuläßt, wenn das Ventil 6 ganz geschlossen ist. Der andere Zweck
der Kontaktvorrichtung 29 ist der, eine ganz genaue Zündpunkteinstellung bequem
bewirken zu können. Ist erst einmal der richtige Zündzeitpunkt eingestellt, dann
kann man mit der elektromagnetischen Zündvorrichtung =5 in bekannter Weise Früh-
oder Spätzündung regeln. Durch das Zusammenarbeiten der beiden Ventile 6 und 7 soll
auch noch gleichzeitig ein Zurückschlagen der Flamme aus dem Arbeitszylinder i in
die Teile, die zündfähiges Gemisch enthalten, verhindert werden. Die Einrichtung
arbeitet in folgender Weise. Die Ventile 6 und 7 sind beim Überströmen der Gase
aus dem Kompressorzylinder 2 in den Arbeitszylinder i offen. Wenn jetzt der Kolben
des Arbeitszylinders dem Gasdruck im Arbeitszylinder so weit entgegengearbeitet
hat, daß ein weiteres Überströmen des komprimierten Gemenges nicht mehr stattfinden
kann, was kurz vor der Zündung eintreten wird, dann schließt sich das Ventil
7, einen Augenblick später das Ventil 6, das seinerseits aber erst nach seinem
vollständigen Schluß eine Zündung zuläßt. In dieser Einrichtung liegt eine wesentliche
Herabminderung der Brandgefahr.
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Da es offensichtlich ist, daß der Motor mit der Evakuierungseinrichtung,
falls diese durch die Bewegung (das Kreisen) der Zylinder ihre Wirkung erhält, nicht
in Gang gesetzt werden kann, da der Arbeitszylinder als Kompressor wirkt, wenn sein
Inhalt nicht abgesaugt ist, so ist zum Anlassen eine Dekompressionseinrichtung 14"
und 15a vorgesehen, die beispielsweise auf folgende Art konstruiert sein kann: Die
Nockenscheibe 14a, die nur nach Bedarf mit dem Maschinengetriebe in Eingriff gebracht
wird, betätigt durch die Daumenstange 15a ein Dekompressionsventil derart, daß der
Druck im Arbeitszylinder nicht so groß wird, daß er ein Überströmen des komprimierten
Gemenges aus dem Kompressorzylinder 2 verhindert, andererseits aber auch so früh
schließt, daß das überströmende Gemenge nicht in die Luft entweichen kann. Derartige
Konstruktionen sind jedem Fachmanne bekannt. Das Gasgemisch wird entsprechend angereichert,
so daß trotz der Verdünnung, die bei der Mischung auftreten muß, eine sichere Zündung
erreicht wird.
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Der obere Teil des Vergasers, der der Übersichtlichkeit wegen in viel
zu großem Maßstab gezeichnet ist, steht mit den Überdruckrohrleitungen 23 und 24
in Verbindung. Die obere Kammer des Vergasers 25 wird abgeschlossen durch das einstellbare
Überdruckventil 8, das beispielsweise durch das Gestänge 16 eingestellt werden
kann. Öffnet sich bei zu starkem Druck das Ventil 8, so strömt das Gemenge durch
die Kammer 21 und reißt bei seiner Entspannung aus der Mündung des Brennstoffrohres
31 entsprechend Brennstoff mit. Die Höhe des Brennstoffspiegels im Rohr 31 wird
in bekannter
Weise durch einen Schwimmer ig bestimmt, die ausfließende
Menge kann durch eine Absperrvorrichtung 18 geregelt werden. Das durch die Leitung
22 aus der Kammer 26 abgesaugte Gemisch läßt sich ebenfalls sehr gut seinem Luftinhalt
nach regeln, und zwar einmal durch den regelbaren Verschluß 17, zum anderen durch
die sich automatisch einstellende Zusatzöffnung 2o. Durch Auswechseln des Kegels
3o können auch beträchtliche Änderungen hervorgerufen werden.
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Nach dieser Einzelschilderung sei der allgemeine Gang kurz angedeutet.
Am Schluß des Arbeitshubes wird aus dem Arbeitszylinder i das verbrannte Gas durch
den Ejektor 12 abgesaugt. Auch beim Rückhub des Arbeitskolbens 3 setzt sich die
Absaugung noch fort, bis die Auspuffschlitze durch den Kolben überschritten sind.
Die Saugwirkung ist so kräftig, daß sich jetzt .im Arbeitszylinder nur noch stark
verdünnte Reste des verbrannten Gases befinden. Der Verdichterkolben ¢ hat inzwischen
bereits begonnen, das im Zylinder 2 befindliche Brenngemisch zu verdichten. Nach
Öffnung des Ventils 6 schiebt er das in der Verdichtung begriffene Gemisch in den
Zylinder i über, in dem der Kolben 3 so fortschreitet, daß kein Spannungsabfall,
sondern unter der gemeinschaftlichen Wirkung der Kolben 3 und q. eine Spannungserhöhung
entsteht. Überdruck wird durch selbsttätige Öffnung des Ventils 8 verhindert, so
daß das Brenngemisch, nachdem es ganz in den Zylinder i übergegangen ist, bei einer
bestimmten Kompression sich entzündet und den inzwischen am Hubwechsel angelangten
Arbeitskolben i vortreibt. Der zurückgehende Verdichterkolben q. saugt frisches
Brenngemisch und, falls das Überdruckventil 8 in Tätigkeit getreten ist, auch das
überschüssige Brenngemisch aus der vorangegangenen Stufe an, worauf sich die Vorgänge
wiederholen.
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Die Erfindung ist für alle Zweitaktmotoren anwendbar. In Abb. 2 ist
das- Schema eines Rotationsmotors mit kreisenden Zylindern angedeutet, der sich
auch für die Anwendung der Erfindung eignet. Es ist hier angenommen, daß zwei Arbeitszylinder
mit je einem daneben angeordneten Verdichterzylinder auf einer Kreislinie angeordnet
sind. Die Arbeitszylinder i kreisen ununterbrochen, während die Arbeitskolben 3
abwechselnd stillstehen und durch die Zylinder vorgeholt werden. Der Arbeitshub
bei jedem Arbeitszylinder erfolgt während des Stillstandes des Arbeitskolbens, wird
also nicht vom Kolben, sondern vom Zylinder beschrieben. Dabei ist die Einrichtung
so getroffen, daß der Kolben abwechselnd während eines Arbeitshubes stehenbleibt
und dann um den doppelten Arbeitshub vorgeholt wird. Die Arbeitszylinder i sind
durch Arme a irgendwie mit der Motorwelle fest verbunden, während die Arme b der
Kolben 3 an einer lose laufenden Nabe sitzen. An jedem Arm a ist ein Planetenrad
c befestigt, das sich an einem feststehenden Zahnkranz d abwälzt. Mit jedem Zahnrad
c ist eine Kurbelscheibe f starr verbunden, von der aus . eine Kurbelstange h zu
dem Arm b des zugehörigen Kolbens führt. Die Kurbelstange h, die bei m am
Arm b angelenkt ist, ist in der Längsrichtung durch Einschaltung einer Feder
o nachgiebig. Da der wirksame Durchmesser der Kurbelscheibe f doppelt so groß wie
der wirksame Durchmesser des Planetenrades c ist, bewegt sich das Gelenk der Kurbelscheibe
beim Abwälzen des Planetenrades auf einer Epizykloide mit radial nach innen gerichteten
Schleifen, so daß der Kolben sich nur wenig hin und her bewegt, wenn sich das Kurbelgelenk
auf den Schleifen befindet, worauf der Kolben dann mit großer Geschwindigkeit vorgeholt
wird. Während der Bewegung des Kurbelgelenkes auf einer Schleife vollzieht sich
der Arbeitshub. Da der Arbeitskolben in dieser Zeit stillstehen soll, ist an der
Nabe der Kolbenarme irgendeine Sperrung vorgesehen, die sowohl eine Bewegung der
Kolben gegen den Umlaufsinn als im Umlaufsinn verhindert. Dieses Stillstehen des
Kolbens während des Arbeitshubes würde aber nicht möglich sein, wenn die Kurbelstange
h, die während der Bewegung des Kurbelgelenkes auf der Schleife sich hin und her
bewegen will, diesem Bestreben nicht nachgeben könnte. Es ist deshalb in die Kurbelstange
die Feder o eingeschaltet, welche die Nachgiebigkeit der Kurbelstange in der Längsrichtung
zur Folge hat. Auf diese Einrichtung zur Bewegung des Arbeitskolbens in bezug auf
den Zylinder ist die vorliegende Erfindung indessen nicht gerichtet.
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Für die Bewegung der Verdichterkolben q. in bezug auf die Verdichterzylinder
2 kann dasselbe Getriebe benutzt werden. Vorteilhaft wird aber die Einrichtung zum
Stillstellen der Kolben und deshalb auch die federnde Nachgiebigkeit der Kurbelstange
h unterlassen, wie letzteres Abb.2 zeigt. Die Verdichterkolben bewegen sich also
hin und her, wenn die zugehörigen Kurbelgelenke sich auf radialen Schleifen der
Epizykloide bewegen. Hierdurch wird die Kompressionswirkung begünstigt.
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Wie ein Rotationsmotor nach diesem Schema konstruktiv durchgeführt
werden könnte, zeigt Abb. 3 in einem Querschnitt und Abb. q. in einem Längsschnitt.
Hierbei ist angenommen, daß die Arbeitszylinder und die Verdichterzylinder doppelt
angeordnet sind, daß also immer zwei Zylinder in der Richtung der Motorachse nebeneinanderliegen.
Im übrigen ergibt sich das Verständnis dieser Abbildungen an Hand der Abb. i und
2 ohne weiteres dadurch,
daß dieselben Bezugsziffern und Bezugsbuchstaben
für die entsprechenden Teile gewählt sind. Die Lage der Schnitte ist überall angedeutet.
Bemerkt sei nur noch, daß im Mittelpunkt der Abb.2 diejenige Einrichtung dargestellt
ist, die bei dieser Ausführungsform die Feststellung der Kolben während des Arbeitshubes
der Arbeitszylinder sowohl gegen den als im Umlaufsinne herbeiführen soll. Da es
auf diese Einrichtung hier nicht ankommt, kann von einer Erörterung abgesehen werden.
Im übrigen sei noch darauf hingewiesen, daß die Kurbelstangen k mit dem übrigen
Getriebe zum Teil nui schematisch angedeutet sind. Die Feder o für die Nachgiebigkeit
der Kurbelstange ist auch an einer Stelle ersichtlich, während andererseits das
Fehlen dieser Feder an der Kurbelstange, die zu einem Verdichterkolben gehört, ebenfalls
erkennbar ist. Im wesentlichen sollen die Abb. 3 und _q. aber zeigen, wie das Schema
nach Abb. z sich bei einem Rotationsmotor von der geschilderten Gattung konstruktiv
durchführen läßt. Es sind deshalb auch diejenigen Teile, die mit dem Kolben starr
zusammenhängen, mit den eingekreisten Ziffern x bis q. bezeichnet, auch dort, wo
außerdem die Buchstaben für das Getriebe eingeschrieben sind.