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Einrichtung und Verfahren zum Entfernen der festen Verbrennungsrückstände,
bei Brennkraftmaschinen Eine der Hauptschwierigkeiten beim Betriebe von Brennkraftmaschinen
mit Brennstoffen, die bei der Verbrennung feste Rückstände hinterlassen, insbesondere
mit pulverförmigen Brennstoffen, ist die Entfernung der festen Verbrennungsrückstände
aus dem Zylinder. Es ist bereits vorgeschlagen worden, zu diesem Zweck Luft oder
ein anderes Spülmittel entweder unmittelbar zwischen die Gleitflächen von Kolben
und Zylinder oder in einen Ringraum zwischen der etwas abgesetzten Kolbenverlängerung
und der glatt durchgeführten Zylinderwandung zu pressen.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe in anderer Weise, nämlich
durch Anordnung eines abgesetzten Kolbens, der sich in einem gleichfalls abgesetzten
Zylinder bewegt, und zwar so, daß die im Durchmesser größeren Teile von Kolben und
Zylinder als Gleitflächen dienen, während die im Durchmesser kleineren Teile mit
geringem Spiel ineinanderlaufen und den eigentlichen Verbrennungsraum begrenzen.
Dabei ist der Ringraum zwischen dem im Durchmesser kleineren Teil des Kolbens und
der eigentlichen Gleitfläche des Zylinders dauernd oder zeitweise unter höherem
Druck zu halten als der Verbrennungsraum, so daß eine lebhafte Strömung durch den
schmalen Ringspalt nach dem Verbrennungsraum hin erfolgt, die etwa angesetzte Verbrennungsrückstände
von der Gleitfläche nach dem Verbrennungsraum schleudert, von wo sie während der
Auslaß- oder Spülperiode, eventuell durch ein besonderes Auslaßorgan, mit den Abgasen
aus der Maschine entfernt werden.
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Es ist zwar schon eine Einrichtung bekannt geworden, bei der der Kolben
einer Brennkraftmaschine zur Erzeugung eines Luftkissens zwischen Kolbenabdichtung
und Verbrennungsrauen abgesetzt ist. Dabei ist aber der nach dem Verbrennungsraum
zu gelegene Teil des Kolbens, der keine Dichtungsorgane hat, im Durchmesser größer.
Gegenüber einer solchen Einrichtung hat die im folgenden beschriebene Anordnung
den .Vorteil, daß auch ohne Anwendung eines besonderen Druckspülmittels während
der Kompressions- und Ausschubperiode eine lebhafte Strömung in Richtung nach dem
Verbrennungsraum erzeugt wird, während bei der bekannten Anordnung, wo der Kolben
an der dem Verbrennungsraum zugekehrten Seite einen größeren Durchmesser hat, während
der Kompressions- und Ausschubperiode ohne Anwendung von Druckspülmittel eine Strömung
in
Richtung nach den Kolbenringen erzeugt wird, so daß die Zylindergleitflächen, gerade
kurz bevor die Kolbenringe darübergleiten, verschmutzt werden können. Wenn bei der
bekannten Anordnung diese Wirkung durch Druckgas wieder aufgehoben werden soll,
ist so viel Energie zur Erzeugung dieses Druckgases erforderlich, daß die ganze
Anlage unwirtschaftlich wird.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine Zweitaktmaschine ist in Fig.I im
Querschnitt dargestellt. Der Kolben läuft mit seinem stärkeren Teil i in der entsprechenden
Zylindergleitbüchse 2 und steuert Spülschlitze 3, 3. Die abgesetzte Kolbenverlängerung
4 gibt im Spülpunkt die verhältnismäßig großen Öffnungen 5, 5 frei. Die Zylinderbüchse
6 umschließt die Kolbenverlängerung .I im Zündtotpunkt mit geringem Spiel. Der Ringraum
zwischen .i und 6 macht nur einen kleinen Bruchteil des gesamten Totraumes aus,
so daß der Verbrennungsraum 7 hinreichend groß und für die Verbrennung günstig ausgebildet
werden kann. Man wählt zweckmäßig das geometrische Kompressionsverhältnis im Ringraum.
8 höher als im Verbrennungsraum 7. Auslaß-, Brennstoff- und Anlaßventil sind mit
9, i o, ii bezeichnet.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist dabei folgende: Sobald der Kolben
in der Nähe des Spültotpunktes die Schlitze 3 freigibt, strömt Preßluft oder ein
anderes Spülmittel, gegebenenfalls von geringem Überdruck, tangential in den Ringraum
8, bläst etwaige Verbrennungsrückstände von der Gleitfläche 2 ab und führt sie durch
die verhältnismäßig große Spaltöffnung 5 an dem Kolben vorbei in den Verbrennungsraum
7, von wo sie zusammen mit den Auspuffgasen und den im Verbrennungsraum abgelagerten
festen Rückständen durch das große Auslaßventil 9 entfernt werden. Um unbespülte
Flächen zu vermeiden, kann man am Kolbenboden noch ein besonderes Spülventil 1.4
oder ein Ventil 15 an der kleinen Zylinderbüchse anordnen oder den Kolbenboden so
ausbilden, daß eine gute Durchspülung des ganzen Arbeitsraumes erfolgt. Beim Rückgang
des Kolbens werden zunächst die Üffnungen 5 bei geöffnetem Auspuffventil 9 überdeckt;
die Schlitze 3 und das Auspuffventil schließen sich zweckmäßig erst später, so daß
im Ringraum 8 ein höherer Anfangsdruck herrscht als vor dem Kolbenboden; dadurch
und durch das höhere Kompressionsverhältnis in diesem Ringraum gegenüber dem eigentlichen
Arbeits- und Verbrennungsraum wird während der ganzen Kompressionsperiode ein Druckgefälle
von 8 nach 7 erzielt. Kurz vor oder gleichzeitig mit dem Einbringen des Brennstoffes
wird nun der kleine schädliche Raum des Ringraumes 8 durch ein besonders gesteuertes
Ventil i2 aus der Leitung 13 mit Druckluft (bzw. einem anderen Spülmittel) auf :einen
den Verbrennungshöchstdruck übersteigenden Druck gebracht. Dadurch wird erreicht,
daß auch während des ganzen Arbeitshubes das Druckgefälle von 8 nach 7 erhalten
bleibt. Die für die Kompression der aus Leitung 13 entnommenen Luft nötige Kompressionsarbeit
wird dabei zum großen Teil durch Arbeitsleistung während der Expansion wieder zurückgewonnen.
Nach Überschleifen der Schlitze 3 beginnt das Arbeitsspiel von neuem. Fig.II zeigt
den Druckverlauf p1 im Ringkanal 8 und p.: im Arbeitsraum 7 schematisch.
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Man ordnet zweckmäßig den Übergang der Büchse 2 in die Büchse 6 so
an, daß das Spülmittel dort jeden Ansatz von Rückständen sicher verhindert. Auch
kann man z. B. die einander gegenüberliegenden Flächen der Büchse 6 und des Kolbenansatzes
5 polieren, damit eingedrungene Rückstände leicht abgeblasen werden. Endlich kann
man dem bei 3 eingeblasenen Spülmittel noch ein Schmiermittel zusetzen, so daß auf
besondere Schmierung verzichtet werden kann. Die Einblaseluftleitung 3 kann auch
gesondert gesteuert werden und zwischen den ersten Kolbenringen endigen. Der Kolben
kann noch ein zweites Mal abgestuft werden, so daß der- dadurch gebildete Ringraum
zur Kompression der bei 13 benötigten Hochdruckluft. dient, wobei z. B. beim Saughub
vorkomprimierte Luft aus der Leitung 3 entnommen wird.
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Eine Ausführungsform der Erfindung für Viertakttnaschinen zeigt Fig.
III. Hier sind wieder mit i, 4 der Kolben samt Verlängerung, mit 2, 6 die entsprechenden
Zylinderbüchsen, Auslaß-, Brennstoff- und Anlaßventil mit 9, 1o und 1i bezeichnet.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Beim Saughub tritt Luft durch eine
oder mehrere große, besonders gesteuerte Öffnungen 2o in den Ringraum 8 ein und
strömt dabei mit großer Geschwindigkeit durch den Ringraum zwischen 4 und 6. Bei
der darauffolgenden Kompressionsperiode wird diese Strömung dadurch beibehalten,
daß der Ringraum 8 ein höheres Verdichtungsverhältnis als der Hauptverbrennungsraum,7
aufweist, oder dadurch, daß im äußeren Totpunkt der Ringraum 8 über besonders gesteuerte
Ventile aus den Schlitzen 3 auf einen höheren Anfangsdruck aufgeladen wird. Kurz
vor dem Einblasen des festen Brennstoffes in 7 wird nun in den Totraum 8 durch besonders
gesteuerte Ventile 2i ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff, der möglichst ohne
feste Rückstände verbrennt, eingeführt und durch die Kompressionswärme der Luft
oder besondere Zündvorrichtungen entflammt. Durch Einführung
der
richtigen Menge Brennstoff im richtigen Augenblick in den Ringraum 8 kann man erreichen,
daß während des ganzen Arbeitshubes das Druckgefälle von 8 nach 7 erhalten bleibt.
Während des Ausschubhubes ist ohnedies der Druck in 8 größer als vor dem Kolben,
"wobei in der Nähe des äußeren Totpunktes mittels des Ventils 3 noch besonders gespült
werden kann. Fig.IV zeigt .den Druckverlauf p1 im Ringkanal 8 und den Druckverlauf
p= im Arbeitsraum 7 schematisch.
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Man kann natürlich auch bei Zweitaktmaschinen im inneren Totpunkt
etwa durch das Ventil 12 an Stelle von hochgespannter Druckluft flüssige oder gasförmige
Brennstoffe einführen, ebenso wie man bei Viertaktmaschinen an Stelle der bei -i
eingeführten gasförmigen oder flüssigen Brennstoffe auch hochgespannte Luft einbringen
kann. Unter Umständen genügt schon die Spülung mit niedergespännter Luft allein
zum Reinhalten der Gleitflächen.
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Nach dieser Einrichtung erreicht man auch ohne weiteres eine wirksame
Kühlung des vorderen Kolbenteiles infolge der hohen Geschwindigkeit, mit der das
Spülmittel an diesem Teil des Kolbens v orbeiströmt. Man kann auch hier das Spülmittel
außerdem noch durch den Kolben zuleiten, wie in Abb. I und II dargestellt ist, wodurch
eine noch stärkere Kühlung erreicht wird, so daß das Spiel der im Durchmesser kleineren
Teile von Kolben und Zylinder sehr klein gehalten werden. Unter Umständen empfiehlt
es sich, den Kolben auf bekannte Art mit besonderer Kühlung zu versehen.