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Kolbenkraftmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf eine Kolbenkraftmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine,
bei welcher die Krafteinwirkung auf den Kolben etwa bei rechtwinkliger Stellung
der Kurbel zur Zylinderachse erfolgt.
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Bei einer bekannten Maschine dieser Art werden der gasförmige Brennstoff
und die Luft unter Druck außerhalb der Maschine vorrätig gehalten und in ähnlicher
Weise wie bei einer Dampfmaschine in den Zylinder eingeführt. Die Zündung erfolgt
nach beendigter Füllung bei einer so hohen Kolbengeschwindigkeit, daß eine Drucksteigerung
durch die Verbrennung infolge der raschen Volumenzunahme fast gänzlich vermieden
wird. Man erhält so ein Arbeitsdiagramm, welches dem Gleichdruckdiagramm der Dieselmaschine
sehr ähnlich ist. Eine Verdichtung des Brennstoffluftgemisches findet bei dieser
bekannten Maschine innerhalb des Arbeitszylinders nicht statt.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Kolbenmaschine, bei der
das gleiche Diagramm erzielt werden kann ohne die Notwendigkeit, den Brennstoff
und die Luft außerhalb der Maschine unter Druck vorrätig zu halten, bei der vielmehr
das Brennstoffluftgemisch wie bei jeder anderen Brennstoffkraftmaschine in dem Arbeitszylinder
verdichtet wird.
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Zu diesem Zweck bedient sich die Erfindung eines in an sich bekannter
Weise in der Längsrichtung verschiebbar gelagerten und mittels der Kurbelwelle gesteuerten
Zylinders. Zum Unterschied von den bekannten Maschinen, bei denen die Verschiebbarkeit
des Zylinders entweder zur Erzielung einer großen relativen Hubgeschwindigkeit des
Kolbens oder zur Steuerung der Ein- und Auslaßschlitze dient, wird nach der Erfindung
der verschiebbare Zvlinder während der einen durch die rechtwinkligen Stellungen
der Kurbel begrenzten Hälfte der Kurbelumdrehung unbeweglich festgehalten und macht
während der zweiten Hälfte der Kurbelumdrehung die Bewegungen des Kolbens mit gleicher
Geschwindigkeit mit, wobei während der ersten bei Stillstand des Zvlinders stattfindenden
Viertelumdrehung der Kurbel der Arbeitshub und während der zweiten Viertelumdrehung
der Verdichtungshub erfolgt. Nachdem also ausgehend von der einen Totlage der Kurbel
das Brennstoffluftgemisch verdichtet ist, bleibt während der durch die rechtwinkligen
Stellungen der Kurbel begrenzten Hälfte der Kurbelumdrehung das Volumen der Ladung
unverändert. Die Maschine läuft also während dieser halben Kurbelumdrehung leer,
bis bei rechtwinkliger Kurbelstellung der Arbeitshub beginnt.
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Die Steuerung des in der Längsrichtung verschiebbaren Zylinders kann
ebenso wie bei den bekannten Maschinen mittels einer auf der Kurbelwelle sitzenden
Nockenscheibe erfolgen. Zweckmäßig ist jedoch nach der Erfindung, abweichend von
diesen bekannten Maschinen, die Anordnung getroffen, daß die N ockenscheibe auf
ein mit dem federbelasteten Zylinder rahmenartig verbundenes, unter der Kurbelwelle
hergreifendes Querhaupt einwirkt. Dadurch wird die bisher notwendige
Abstützung
des verschiebbaren Zylinders nach beiden Richtungen hin in einer Kulisse der Nockenscheibe
überflüssig gemacht; vielmehr erfolgt mittels des Querhauptes die Abstützung des
Zylinders ausschließlich auf den Umfang der Nockenscheibe.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar
zeigen Fig. i die Maschine im senkrechten Schnitt zu Beginn des Arbeitshubes, Fig.2
einen Teil der Kurbelwelle im Grundriß, Fig. 3 die Maschine im senkrechten Schnitt
im Augenblick der Einführung des Brennstoffes, Fig. 4 eine Einzelheit im Schnitt
nach der Linie 4-4 der Fig. 3, Fig.5 die Maschine bei Beendigung des Verdichthubes,
Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 der Fig. 5, Fig.7 ein Schema des Kurbeltriebes
für die Entwicklung des in Fig.8 dargestellten Diagrammes, in welchem über der Abwicklung
des Kurbelkreises die Entfernungen der Kolbenstirnfläche und der Zylinderstirnfläche
von der Kurbelachse als Ordinaten aufgetragen sind.
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Der luft- oder wassergekühlte Zylinder io ist mit einer Einlaßöffnung
i i und einer Auspufföffnung i2 versehen. Die letztere liegt gegenüber der Einlaßöffnung
und etwas oberhalb derselben, während die Zündkerze 13 in der Mitte des Zylinderbodens
angeordnet ist.
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Der Zylinder ragt in einen aus zwei Teilen 14 und 15 gebildeten Kurbelkasten,
der mittels Flanschen 16 und Schraubenbolzen i7 zusammengehalten wird. Der Zylinder
ifl erstreckt sich durch eine mittlere öffnung des Kurbelkastens in das Innere desselben
und trägt am Ende einen rechtwinklig abstehenden Flansch 18, der mittels der Schrauben
2o an ein Querhaupt ig angeschlossen ist. Am Bodenstück des Querhauptes springen
Stutzen 21 als Führungen für zylindrisch gewundene Spiralfedern vor. Die Federn
22 stehen unter der Einwirkung der Schraubenbolzen 23, die den Boden des Kurbelkastens
durchdringen. Sie haben das Bestreben, das Querhaupt ig und den davon getragenen
Zylinder io nach aufwärts zu verschieben.
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Innerhalb des Querhauptes ig arbeitet der Kurbelzapfen 24, der mit
der Kurvenscheibe 26 und der Welle 25 die Kurbelwelle bildet.
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Die Kurvenscheibe 26 ist nahe der Welle 25 mit einer schwachgekrümmten
Fläche 27 und an der entgegengesetzten Seite mit einer stärker gekrümmten Fläche
ausgestattet.
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Die Entfernung von Mittelachse a der Kurbelwelle bis zu den Scheitelpunkten
b und c der Kurvenscheibe ist gleich dem Radius a-c der Kurvenscheibe. Infolgedessen
ist die Kurvenfläche 28 etwa halbkreisförmig, während die Kurvenfläche 27 einen
bedeutend flacheren Bogen bildet mit exzentrischer Einstellung zur Mittelachse a.
Die Mittelachse des Kurbelzapfens 24 liegt innerhalb der radialen Verbindungslinie
a-c. Die Kurvenscheibe 26 trägt an ihrem Umfang eine eingeschnürte Gleitbahn 29
für die senkrechten Arme des Querhauptes ig. Der Kurbelzapfen 24 ist mittels Kolbenstange
3o an den Kolben 31 angeschlossen. Der letztere trägt eine Ausnehmung 32, die in
der Einlaßstellung den Brennstoffstrom nach dem Zylinderboden derart ablenkt, daß
er die Verbrennungsprodukte gegen den Auslaßschlitz 12 verdrängt.
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Am oberen Ende trägt der Kurbelkasten mittels einer Platte 33 und
Schrauben 35 einen Halbzylinder 34, der sich über die eine Hälfte des Zylinders
io erstreckt. Ein Ansatz 36 trägt die Einlaßöffnung 37, die unter gewissen Umständen
mit der Einlaßöffnung i i des Zylinders in Linienführung sich befindet. An diesen
Ansatz 36 ist das vom Vergaser kommende Rohr 38 angeschlossen. Der Zylindermantel
34 findet eine Ergänzung in der Mantelhälfte 38 (vgl. Fig. 6) ; beide Hälften sind
durch Schrauben 39 miteinander verbunden. Innerhalb dieses aus den Teilen
34 und 38 gebildeten Mantels arbeitet der Zylinder io. Der Zylindermantelteil 38
trägt oberhalb des Ansatzes 36 des Mantelteiles 34 ein Auspuffrohr. Innerhalb des
Kurbelkastens bilden Leisten 4o eine Führung für die senkrechten Querhauptschenkel.
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In Fig. i ist die Kolbenkraftmaschine in Zündstellung dargestellt.
Die Kurbelwelle 25 dreht sich in der Richtung des angedeuteten Pfeiles. Wird die
Ladung entzündet, so befindet sich der Kurbelzapfen 24 in der dargestellten Stellung,
das heißt, seine Mittelachse fällt in eine radiale Linie a-c. Die Abwärtsbewegung
des Kolbens überträgt sich auf die Kurbelwelle 25 und hat zur Folge, daß der Kurbelzapfen
24 bis in seine tiefste Stellung (vgl. Fig. 3) gelangt. Während dieser Kurbelwellenbewegung
ist der Zylinder durch den Eingriff zwischen Kurbelscheibe 26 und Querhaupt ig gegen
jede Aufwärtsbewegung gesichert. In dieser tiefsten Stellung gibt der Kolben die
Auspuff- und Einlaßöffnung frei. Der unter Druck eintretende Brennstoff wird gegen
die obere Bodenwand des Zylinders abgelenkt, verdrängt allmählich die Verbrennungsprodukte
von oben nach unten durch den Auspuff ia, spült dabei gleichzeitig den Zylinder
und füllt ihn völlig mit einer frischen Beschickung.
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Fig. 3 zeigt den Zylinder und den Kolben
in der Gaseinlaßstellung.
Während der nächsten Viertelumdrehung der Kurbelwelle 25 und der Kurvenscheibe 26
bewegt sich der Kolben aufwärts, der Zylinder verbleibt aber noch in seiner tiefsten
Stellung und erzeugt dadurch die erforderliche Verdichtung des Brennstoffes. Während
der Fortsetzung der Drehbewegung der Kolbenwelle 25 kommen die vorspringenden Teile
der Kurvenscheibe 26 nach oben und geben das Querhaupt frei, das nun unter dein
Einfluß der Federn 2,1 mit der gleichen Geschwindigkeit an der Aufwärtsbewegung
des Kolbens teilnimmt. Bei dieser gemeinsamen Aufwärtsbewegung von Kolben und Zylinder
erfährt die vorher vorgenommene Verdichtung des Brennstoffes keinerlei Veränderungen.
Während der Fortsetzung der Drehbewegung aus der Höchststellung der Kurbel nach
Fig. 5 in die Zündstellung nach Fig. i bewegen sich Kolben und Zylinder wieder gemeinsam
nach unten, das heißt, auch während dieser weiteren Viertelumdrehung wird die stattgefundene
Verdichtung des Brennstoffes nicht verändert. Erst am Schluß dieser Viertelumdrehung
findet die Zündung statt und vollendet damit den Kreislauf der Maschine.
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Der Brennstoff wird also ausschließlich innerhalb des Zylinders verdichtet,
das heißt ohne Hinzunahme von besonderen Verdichtungsvorrichtungen, wie sie bisher
bei Zweitaktverbrennungsmaschinen üblich waren. Nur eine einzige Umdrehungsperiode
ist erforderlich, um die Verbrennungsprodukte auszustoßen und neuen Brennstoff aufzunehmen.
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Die Maschine vollführt ihren Kreislauf eigentlich im Dreitakt, und
zwar arbeitet sie mit einer Viertelumdrehung, in der nächsten Viertelumdrehung nimmt
sie frischen Brennstoff ein und stößt die Verbrennungsprodukte aus und komprimiert
den frischen Brennstoff; während des dritten und vierten Viertels der Umdrehung
läuft sie leer. Sie benutzt lediglich die untere Hälfte der Kurbelbewegung, um alle
erforderlichen Maßnahmen auszuführen. Die zweite Hälfte der Umdrehung wird dadurch
möglich, .daß sich der Zylin-. der gleichzeitig mit dem Kolben bewegt, bis die Kurbel
wieder die Zündstellung passiert.
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Dieser Motor kann in beiden Umdrehungsrichtungen arbeiten. Es ist
lediglich erforderlich, zwei Zündfunkenverteiler vorzusehen. Man läßt den Motor
langsam laufen, schaltet dann die eine Zündung aus und die andere schnell ein. Der
Motor erhält .dann vor Eintritt seiner oberen Leerlaufbewegung die Zündung und beginnt
den Rückwärtslauf.
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In Fig. i ist der Motor in Zündstellung dargestellt, wenn man annimmt,
daß die Kurbelwelle sich im Sinne des Uhrzeigers drehen soll. Im anderen Falle wäre
mit der in Fig. i dargestellten Stellung der Kompressionshub beendet, und der Motor
dreht sich im Leerlauf, bis der Kurbelzapfen 2.4 die gegenüberliegende Stellung
erreicht hat, in der die Zündung erfolgt.
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Zu der gleichzeitigen Aufwärtsbewegung von Zylinder und Kolben sind
die Federn 22 nicht erforderlich, da die vorhandene Kompression beide Teile in zwangläufiger
Verbindung miteinander hält. Die Federn 22 stellen nur eine Sicherheitsmaßnahme
dar für den Fall, daß infolge einer Undichtigkeit keine Kompression eintritt; sie
verhüten dann eine zerstörende Berührung zwischen Kolben und Zylinder.
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In dem Ausführungsbeispiel wird der Zylinder durch die Rippen 2i luftgekühlt.
In gleicher Weise kann er auch mit Wasserkühlung versehen werden. Der Kasten d.2
dient nur als Staubschutz. Der Kurbelkasten kann in bekannter Weise für Kreislaufschmierung
für Kurbelzapfen und Querhaupt ausgestattet werden.
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Das in Fig.8 dargestellte Diagramm läßt die Abhängigkeit des zwischen
der Kolbenstirnfläche und der Zylinderstirnfläche eingeschlossenen Arbeitsvolumens
von .dem Kurbelweg erkennen. In diesem Diagramm sind über der Abwicklung des Kurbelkreises
(Fig. 7) als Ordinaten die Entfernungen .der Kolbenstirnfläche und der Zylinderstirnfläche
von derKurbelachse aufgetragen, wodurch sich die Kurven x und y ergeben. Man sieht,
daß während der von der unteren Totlage der Kurbel ausgehenden Viertelumdrehung
zwischen I und II bei Stillstand des Zylinders das Arbeitsvolumen abnimmt, das heißt
die Ladung komprimiert wird. Während der darauffolgenden halben Kurbelumdrehung
von II über die obere Totlage III nach IV bleibt das Arbeitsvolumen konstant. In
IV, also bei rechtwinkliger Kurbelstellung, findet die Zündung statt. Während der
letzten Viertelumdrehung von IV nach I expandieren bei Stillstand des Zylinders
die Verbrennungsgase. Kurz vor dem Punkt I, etwa im Punkte Al, öffnet sich der Auslaßschlitz
12 und unmittelbar danach, etwa im Punkte El, der Einlaßschlitz i i. Nach Überschreitung
des Punktes I bei Beginn des Verdichtungshubes werden in den Punkten E2 und AZ nacheinander
die Einlaß- und Auslaßschlitze geschlossen.