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Doppelt wirkende Zweitaktbrennkraftmaschine Man hat bereits bei doppelt
wirkenden Zweitaktverbrennungsmaschinen die Wirtschaftlichkeit dadurch gesteigert,
daß man die in den Abgasen enthaltene Energie zur Leistung mechanischer Arbeit in
einem Hilfsrnotor verwendet. Auch ist schon mittels dieses Hilfsmotors die Spülpumpe
angetrieben worden, um die Spül- und Ladearbeit durch eine sonst für die Arbeitserzeugung
im Kraftzvlinder nicht ausmitzbare Energie zu leisten. Schließlich ist auch schon
eine durch Abgase betriebene Hilfsmaschine bekannt geworden, die von der Kurbelwelle
der Hauptmaschine unter einer solchen Übersetzung angetrieben wird, daß die Hubdauer
des Kolbens der Hilfsmaschine nur einen Teil der Hubdauer des Kolbens der Hauptmaschine
beträgt, und bei der der durch die expandierenden Abgase vorwärts getriebene Hilfsmaschinenkolben
den Abgasen erst dann den Weg zur Abströmung nach außen freigibt, nachdem sie in
gewünschtem Maße ihre Energie abgegeben haben, wobei die eine Kolbenseite der Hauptmaschine
ihre Abgase nach der einen Kolbenseite der Hilfsmaschine schickt, die andere Kolbenseite
der Hauptmaschine ihre Abgase nach der anderen Kolbenseite der Hilfsmaschine.
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Vorliegende Erfindung unterscheidet sich nun von den bekannten Konstruktionen
dadurch, daß bei einer doppelt wirkenden Zweitaktbrennkraftmaschine mit vom Arbeitskolben
gesteuerten Ein- und Auslaßschlitzen und einer von den Abgasen beaufschlagten, mittels
eines Übersetzungsgetriebes mit der Kurbelwelle verbundenen doppelt wirkenden Niederdruckmaschine,
von der eine Spül- und Ladepumpe unmittelbar angetrieben wird, zwei doppelt wirkende
Hochdruckzylinder vorgesehen sind, von denen der eine die Abgase beider Kolbenseiten
durch einen gemeinsamen Abgaskanal zu der einen und der andere die Abgase beider
Kolbenseiten gleichfalls durch einen gemeinsamen Abgaskanal zu der anderen Seite
der doppelt wirkenden Niederdruckmaschine übertreten läßt.
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Die Erfindung ist auf der Zeichnung schematisch in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt, und zwar zeigen Abb. i einen schematischen teilweisen Längsschnitt,
Abb. z eine schematische teilweise Seitenansicht, Abb.3 ein Arbeitsdiagramm des
Niederdruckzylinders, Abb. 4 ein Arbeitsdiagramtn des Hochdruckzylinders, Abb. 5
Wirkungsgrade und Abb. 6 eine Anordnung für Lokomotiven. In Abb. i ist der Erfindungsgedanke
schematisch dargestellt, und stellt diese Abbildung gewissermaßen einen Satz Zylinder
dar, so daß jede gewünschte Anzahl dieser Sätze zu einer Maschine vereinigt werden
kann. Auf der Zeichnung sind die beiden Hochdruckzvlinder mit 5 und 5e bezeichnet.
Ihre
Konstruktion ist gleich, so daß die Beschreibung des einen auf den anderen zutrifft.
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Zwischen den Hochdruckzylindern 5 und 5a ist ein Niederdruckzylinder
6 angeordnet, über dem eine Spülpumpe 7 sitzt. 8 und 9 sind die Kurbelwellen zu
den Hochdruckkolben io in den Zylindern 5 und 5a. Eine Hilfskurbelwelle i i ist
zwischen und über den Kurbelwellen 8 und 9 angeordnet und wird vom Kolben 12 des
Niederdrtickzylinders 6 betätigt. - Die Kurbelwelle i i ist mit den Kurbelwellen
8 und 9 im Verhältnis der Kurbelradien von 1 : 2 gekuppelt, so daß eine Umdrehung
der Wellen 8 und 9 zwei Umdrehungen der Welle i i entsprechen. Die Anordnung der
Kurbeln 8 und 9 mit Bezug auf die Kurbel i i ist so getroffen, daß beide Kurbeln
8 und 9 der Kurbel i i voreilen, so daß z. B. der Auspuff aus Zylinder 5 5 ° früher
anfängt, bevor der Niederdruckkolben 12 den oberen Totpunkt erreicht hat (Abb. 2).
Von dieser Zeit an bewegt sich die Kurbel 8 um io5° vorwärts, bis der Auspuff wieder
geschlossen ist. Dieser Vorgang gilt für beide Hochdruckzylinder 5 und 5a, jedoch
für den Hochdruckzylinder 5 mit Bezug auf die obere Kolbenseite des Niederdruchzylinders
43, für den Hochdruckzylinder 511 mit Bezug auf die untere Kolbenseite des Niederdruckzylinders
:I3a.
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Durch die Zuleitung 2o wird -in bekannter Weise 0I unter Druck in
die Zylinder gegeben vermittels Zerstäubungsdüsen oder Injektoren irgendwelcher
Art, wie sie bei anderen Ölmaschinen gemeinhin bekannt sind. Die Düsen und deren
Steuerung sind nicht gezeichnet, da sie nicht Gegenstand der Erfindung sind.
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Die Spülluft wird in der Mitte der Zylinder 5 und 511 eingeführt und
durch die Ventile 23 und 24 gesteuert. Die Steuerung erfolgt von der Hilfskurbelwelle
i i aus durch die Zahnräder 27 und 28, die Lenkstange 29, die Verbindungsstange
30 und die Ventilhebel 25 und 26. Inmitten der Hochdruckzylinder 5 und 5a
sind mehrere Auspufföffnungen vorgesehen, welche in Auspuffräume 42 und 4.2a führen,
von wo die Abgase durch die obere linke Öffnung 4.3 bzw. untere rechte Öffnung :I3a
nach dem Niederdruckzylinder hingeleitet werden.
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Die Spülpumpe 7 hat Lufteinlaßrückschlaa#-ventile 58 und 59 und Auslaßrückschlagventile
6o und 61, welche nach den Rohren 62 und zu den Ventilen 23 und 24. nach beiden
Seiten der Maschine in bekannter Weise führen.
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Nimmt man in Abb. i an, daß der Kolben io des Hochdruckzylinders 5
nach unten geht und eben die Abgasekammer 42-geöffnet hat, dann hat der Kolben 12
des Nieder druckzylinders den obersten Totpunkt erreicht. Die Abgase der oberen
Kolbenseite des Zylinders werden nun durch die Abgasekammer 42 und die linke obere
Öffnung 43 in den Nieder-. druckzylinder treten und den Niederdruckkolben 1 2 nach
unten drücken. Solange die Abgase in den Niederdruckzylinder 6 strömen, wird der
Kolben abwärts gehen, bis er seine unterste Stellung erreicht hat. In dieser Stellung
sind die Auspufföffnungen 48 offen, so daß die Abgase mit angenähert atmosphärischem
Druck entweichen können, während der linke Kolben io sich in seiner unteren Durcheilung
des Totpunktes nur ganz langsam bewegt. Bevor nun der Kolben io ganz im Totpunkt
angelangt ist, öffnet sich das Ventil 23 und läßt Spülluft in den Zylinder 5 hinein
und spült die Abgase hinaus; Ventil 23 schließt erst wieder, kurz nachdem der Kanal
4.2 vom linken Kolben io abgeschlossen worden ist, so daß numnehr die Luft weiter
unter Druck eingeblasen wird, bis der Kanal .1.2 geschlossen ist, um mehr Luft als
erforderlich zu liefern. Beim weiteren Hochgang des Kolbens io tritt Verdichtung
der Luft ein und Einspritzung des Brennstoffes in den Zylinder 5, der nach Entzündung
den Kolben i o wieder nach unten drückt.
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Während dieses eben beschriebenen Vorganges im Zylinder 5 hat der
Kolben io des Zylinders 5a seinen Weg nach unten vollendet und seine Aufwärtsbewegung
angetreten, d. h. die Abgase aus dem Zylinder 5a haben den Kolben 12 nach oben gedrückt,
uad wenn der linke Kolben io den unteren Totpunkt erreicht hat, hat der rechte Kolben
io die Abgasekammer 42" geschlossen. Auch hat Ventil 24 kurz darauf geschlossen,
so daß der Arbeitsvorgang oberhalb des rechten Kolbens, wie vorher für den Zylinder
5 beschrieben, einsetzt. Wenn nun die untere Kolbenkante des Zylinders 5a die Abgaseöffnung
4.2a öffnet, gehen die Abgase durch die untere Eintrittsöffnung 43a auf die untere
Seite in den Niederdruckzylinder 6 unter den Kolben, gerade eben bevor dieser in
seine unterste Lage gelangt ist. Bei diesem Vorgang öffnet 1,_ entil 24 des Hochdruckzylinders
5a gerade dann, wenn der rechte Kolben i o den oberen Totpunkt erreicht hat, und
schließt erst wieder, nachdem dieser rechte Kolben io die Abgasekammer q.2a wieder
geschlossen hat.
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Aus diesem beschriebenen Kreislauf ist zu erkennen, daß dieselbe Art
der Einführung von Spül- und Lädeluft in die zum Kolben gegenüberliegende Zylinderseite
stattfindet, ebenso wie die Abführung der Abgase nach dem Niederdruckzylinder erfolgt,
um den Niederdruckkolben 12 zu betätigen, wobei dieselbe Abgasekammer 42 oder 4211
für je
einen der beiden Hochdruckzylinder 5 oder 511 zur Aufnahme
der Abgase von beiden Zylinderseiten desselben Hochdruckzylinders dient.
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Der Arbeitsvorgang zeigt, daß die Abgasetemperatur noch in einem zweiten
Arbeitsgang ausgenutzt, also an die Expansion im Hochdruckzylinder noch eine zweite
Expansion im N iederdruckzylinder angeschlossen wird. Es wird also auch hier wie
in den bekannten Konstruktionen ein hoher Betrag an Arbeit gewonnen. Durch Anschluß
der Spülpumpe an den Niederdruckzylinder gewinnt man ein sehr einfaches Erzeugungsmittel
für Spülluft und durch die Ventile 23 und 24. ein einfaches Verteilungsmittel an
die beiden Hochdruckzylinder, wodurch die ganze Maschine einfach und gedrungen wird
in Anordnung und Anpassungsfähigkeit. Während des Abwärts- und Aufwärtshubes des
Kolbens 12 geht ferner die zugeführte Spülluft nicht völlig verloren, sondern verweilt
in den Abgasekammern 4a und .12a und wird durch die Verdichtung und Expansion im
Arbeitsprozeß wieder zur Mitwirkung gebracht. Diese Luft wird aber außerdem noch
durch die durch die Kammern 42 und _12a abströmenden Gase vorgewärmt.
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Man kann auch noch andere Mittel als die Ventile 23 und 24 verwenden,
um die Spülluft steuern zu können. Auch können diese Ventile beliebig angeordnet
werden. Das vorliegende System ist ferner auch nicht an das gewählte Beispiel einer
doppelt wirkenden Zweitaktmaschine gebunden, es kann bei allen Maschinenarten mit
ähnlichem Arbeitsprozeß, also bei allen Arten von Verbrennungsmaschinen, verwendet
werden.
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Auch läßt sich die Konstruktion vorzüglich für Lokomotivantriebe verwenden
nach Abb. 6 mit stehender Maschine, wobei die Kurbeln durch Zahnräder gekuppelt
gedacht sind.
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Die Vorteile dieser Erfindung bestehen darin, daß die Energie der
Abgase bis angenähert auf atmosphärischen Druck während der ganzen Expansionsperiode
des Hochdruckkolbens ausgenutzt, die Gesamtexpansion des Hochdruckkolbens gewissermaßen
um 20 °/a vergrößert und dadurch die Leistung uni 5 bis i o °/o erhöht wird.
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N immt man z. B. die Abmessungen des Verbrennungszylinders zu 5oo
mm Durchmesser, goo mm Hub bei 6 Atm. mittleren effektiven Druck an und die des
Niederdruckzylinders zu 750 mm Durchmesser bei 6oo mm Hub, wovon .4oo mm
als effektiver Hub (nach Abzug der Hublänge über den Exhaustkanal) verbleiben, und
2 Atm. mittleren effektiven Druck, so ergibt sich für den Hochdruckzylinder Fläche
mal Hub mal 6 Atm. + Niederdruckzylinder Fläche mal Hub mal 2 Atm., was in diesem
Falle einen Gewinn von etwa 33 °/a bedeutet.
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Die Spülluft, welche aus den Hochdruckzylindern entweicht, ist nicht
mehr als unnützer Arbeitsaufwand zu werten wie sonst, sie verbleibt vielmehr in
den Abgasekammern 42 und 42a nach dem Niederdruckzylinder, wo sie von der Kompressions-
und Expansionsarbeit des Niederdruckzylinders aufgenommen und weiter verwertet wird.
nachdem sie durch die Abgase noch vorgewärmt worden ist.
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Man kann deshalb auch mehr Spülluft verwenden als bei den sonst bekannten
Motoren, was den Arbeitsprozeß günstig beeinflußt, und schließlich wird der thermischeWirkungsgrad
auf über 5o °/" erhöht. , Abb.5 zeigt die thermischen Wirkungsgrade, und zwar zeigt
die untere Kurve die effektiven der Maschine, die obere Kurve zeigt die dazu gezählten
Verluste durch Kühlung der Zylinder, Kolben und Ventile, während der verbleibende
Rest auf ioo °/o Verluste die verbleibende Wärme in den Abgasen darstellt.
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Abb.3 und 4. zeigen je ein Arbeitsdiagramm des Hochdruck- und Niederdruckzylinders,
aus denen zu ersehen ist, wie das Diagramm nach Abb. 3 gewissermaßen eine Fortsetzung
des Diagramms nach Abb. ,4 darstellt. .