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Viertakt-Brennkraftmaschine mit verlängerten Ausdehnungs- und Ausschubhüben
Es ist bekannt, daß bei den normalen Verbrennungskraftmaschinen (sowohl Gleichdruck-
als auch Verpuffungsmotoren) die Gase im Zylinder am Ende des Ausdehnungshubes noch
eine beträchtliche Spannung von mehreren atü besitzen und daß man den thermischen
Wirkungsgrad dieser Maschine erheblich verbessern würde, wenn man diese Drücke noch
weiter Arbeit leisten ließe, indem man den Ausdehnungshub länger machte als den
Kompressionshub. Es ist weiter bekannt, daß bei den Verbrennungskraftmaschinen mit
Füllungsregelung beim Abdrosseln nicht nur der Kompressionsenddruck, sondern auch
die Kompressionsendtemperatur fällt und daß man diese Maschinen r. im Drosselbetrieb
und Leerlauf mit wesentlich ärm-2-ren Gemischen und z. in weitgehenderem Maße mit
schwerer siedenden Kraftstoffen betreiben könnte, wenn die Maschinen derartig beschaffen
wären, daß zugleich mit der Füllung auch das Kompressionsvolumen in dem Maße verringert
würde, daß der Kompressionsenddruck und die Kompressionsendtemperatur vor größerem
Absinken bewahrt blieben. Aus diesen Erkenntnissen heraus sind schon wiederholt
Verbrennungsmotoren gebaut worden, die vorstehend erwähnte Eigenschaften wenigstens
bis zu einem gewissen Grade aufweisen sollten. Die bisher bekanntgewordenen Konstruktionen
dieser Art sind entweder ausschließlich oder vorwiegend auf den verringerten Ausdehnungshub
zugeschnitten oder auf den veränderlichen Kompressionsraum: Verlängerte Ausdehnungs-
und Ausschubhübe werden am einfachsten dadurch erreicht, daß das innere Pleuelende
auf einer Exzenterscheibe gelagert wird, die ihrerseits drehbar auf dem Kurbelzapfen
sitzt und sich um diesen mit halber Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle dreht,
und daß diese Drehung mittels geeigneter übertragung durch die Kurbelwelle selbst
bewirkt wird. Hierdurch wird erzielt, daß sich das innere Ende der Pleuelstange
nicht kreisförmig um die Kurbelwellenachse bewegt, sondern in einer Schleife, die
sich immer erst nach zwei Kurbelumdrehungen schließt, wobei während eines geschlossenen
Arbeitsspieles (q. Takte) verschieden lange Hübe des Kolbens entstehen. Man kann
nun durch geeignete Bemessung der Exzentrizität und geeignete Einstellung der Exzenterscheibe
relativ zum Kurbelartn nacheinander zwei an sich gleich kurze Hübe und zwei an sich
gleich lange Hübe erzielen. In diesem Fall werden die beiden kurzen Hübe als-- Saug-
und Kompressionshub und die beiden langen als Ausdehnungs- und Ausschubhub verwendet.
Man kann aber auch den Exzenter so einstellen, .daß nicht zwei gleich lange und
zwei gleich kurze Hübe entstehen, sondern daß außerdem der Saughub etwas länger
als der Kompressionshub und der Ausschußhub länger als der Ausdehnungshub wird.
Durch letztere Maßnahme kann man die zwangsläufige Beseitigung des Abgasrestes bewirken,
was eine reinere und kühlere Ladung und niedrigere Kompressionsendtemperatur (sehr
wichtig bei - Verwendung als Vergasermaschine für nicht klopffeste Kraftstoffe)
zur Folge hat:
Die bisher bekanntgewordenen Konstruktionen zur Verstellung
des Kompressionsraumes haben entweder den Nachteil großer Kompliziertheit oder den
Nachteil, daß die Verstellung von Hand vorgenommen werden muß.
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Gegenstand vorliegender Erfindung ist nun eine Vorrichtung, bei der
die Einrichtung zur Erzielung eines verlängerten Ausdehnungshubes derart durchgebildet
ist, daß die Anpassung des Kompressionsraumes an den jeweiligen Betriebszustand
der Maschine automatisch durch die Maschine selbst erfolgt. Diese Anpassung vollzieht
sich in erster Linie. durch die infolge Anordnung eines Exzenters auf dem Kurbelzapfen
exzentrisch zur Kurbelzapfenachse wirkenden und dadurch ein Drehmoment um den Kurbelzapfen
erzeugenden Drücke der Pleuelstange, indem dieses Drehmoment in geeigneter Weise
auf ein elastisches Mittel (z. B. Feder) übertragen wird, was eine Verstellung des
Exzenters relativ zum Kurbelarm und damit bei zunehmenden Drücken eine Vergrößerung
des Kompressionsraumes zur Folge hat. Zur Ergänzung dieser Wirkung dient der weitere
Erfindungsgedanke, zur Anpassung des Kompressionsraumes an den je-
weiligen
Betriebszustand der Maschine den Unterdruck im Saugrohr heranzuziehen, indem der
Verstellmechanismus für den Exzenter mit einem Kolben in Verbindung gebracht wird,
der in einem Zylinder angeordnet ist und auf den der Unterdruck des Saugrohres der
Maschine einwirkt, so daß bei Verstellung der Gemischdrossel bzw. Änderung der Drehzahl
der Maschine eine sinngemäße Verstellung des Exzenters erfolgt. Zum Ausgleich bzw.
zur Erhöhung der Wirkung ist als weiterer Erfindungsgedanke die Verbindung des Verstellmechanismus
mit einem von der Maschine angetriebenen Regulator zu erwähnen. Schließlich ist
ein zur Stabilisierung des Verstellmechanismus angeordneter Flüssigkeitsdämpfer
o. dgl. in diesem Zusammenhang als zusätzlicher Erfindungsgedanke zu bezeichnen.
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Durch die Fig. 1, 2 und 3 der Zeichnung soll ein praktischer Weg dafür
gezeigt werden, wie auf verhältnismäßig einfache Weise ungleich lange Kolbenhübe
bei Verbrennungsinotoren erzielt werden.
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In Fig. i stellen i die Achse der Kurbelwelle, 2 den Kurbelarm, 3
,den Kurbelzapfen, 4 die Mittelachse der Exzenterscheibe, 5 die Pleuelstange und
6 die Kolbenbolzenmitte dar. Der Kurbelzapfen 3 bewegt sich auf dem Kurbelkreis
7 im Sinne des Uhrzeigers und die Mitte der Exzenterscheibe 4 kreisförmig, aber
entgegengesetzt dem Sinne des Uhrzeigers und mit einer Winkelgeschwindigkeit, die
halb so groß ist wie die der Kurbelwelle, um den Kurbelzapfen 3. Die Exzentermitte
beschreibt dann während zwei Umdrehungen der Kurbelwelle die Schleife B. Befindet
sich die Exzentermitte im Punkt g der Schleife 8, so hat der Kolben seine höchste
Stellung, bewegt sich die Exzentermitte von Punkt 9 nach Punkt io, so entspricht
dies der Saugperiode des Kolbens mit der HublängeI, der Weg der Exzentermitte von
Punkt io nach Punkt ii der Schleife 8 bewirkt die Kompression bei einer HublängeII,
der Ausdehnungshub mit der Länge III ergibt sich, wenn sich die Exzentermitte von
Punkt i i nach Punkt 12 bewegt, und der Rückweg von Punkt 12 nach Punkt ,9 stellt
den Ausschubhub mit Länge IV dar. Bei der gezeichneten Kurbelstellung ist der Kolben
in Abwärtsbewegung während des Ausdehnungshubes. Nach einer vollen Umdrehung der
Kurbelwelle (um 36o°), also bei gleicher Kurbelstellung wie vorher, befindet sich
.die Exzentermitte bei Punkt 13, wohin sie sich infolge der halben Winkelgeschwindigkeit
um iSo° nach links auf dem Wege über die Punkte 12 und g verdreht hat.
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Fig. 2 stellt einen Längsschnitt durch Kurbel und Pleuellager und
Fig. 3 einen Querschnitt nach A-A der Fig. 2 dar.
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In den Fig. 2 und 3 bedeuten 15 die Kurbelwelle, 14 die Kurbelwellenlagerschalen,
16 die Kurbelzapfenlagerschalen, 18 das Hauptlager, i9 eine Exzenterscheibe, 2o
einen Lagerdeckel dazu, 21 die Pleuelstange, 22 ein mit dem Lager i8 verbundenes
Kegelrad, 23 ein in 22 eingreifendes und auf der Achse 2q. des Kegeltriebes 25 befestigtes
Kegelrad und 26 ein mit der Exzenterscheibe i9 starr verbundenes,' aber zentrisch
zum Kurbelzapfen angeordnetes und mit Kegeltrieb 25 kämmendes Kegelrad. Die Folge
dieser Anordnung ist, daß sich bei der Drehung der Kurbelwelle 14 das Kegelrad 25,
dessen Achse drehbar im Kurbelarm gelagert ist, in Drehung versetzt, wodurch das
Kegelrad 26 und mit diesem die Exzenterscheibe 19 eine der Kurbelbewegung entgegengesetzte
Drehung erhält. Die beiden Kegelradübersetzungen sind so gewählt, daß die Kurbelwelle
zwei Umdrehungen ausführen muß, wenn die Exzenterscheibe einmal um den Kurbelzapfen
gedreht werden soll.
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Durch die Fig. 4, 5, 6 und 7 der Zeichnung soll gezeigt werden, auf
welche Weise die automatische Verstellung des Exzenters relativ zum Kurbelarm während
des Betriebes erreicht werden kann.
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In ,den Fig.4 und 5 stellen wieder i die Achse der Kurbelwelle, 2
den Kurbelarm, 3 den Kurbelzapfen und 4 die Mittelachse der Exzenterscheibe dar.
Während der Kurbelzapfen
3 bei der Rotation den Kurbelkreis 7 beschreibt,
bewegt sich die Exzentermitte auf der Doppelschleife B. In beiden Figuren befindet
sich der Kurbelzapfen in gleicher Stellung, nämlich im Scheitelpunkt des Kurbelkreises
7. Die Exzentermitte dagegen ist in Fig. 4 gegenüber der Stellung in Fig. 5 um etwa
i5° im Sinne des Uhrzeigers um den Kurbelzapfen 3 verdreht. Bei der Einstellung
gemäß Fig. 4 -entsteht eine ebenfalls nach rechts verdrehte Lage der Doppelschleife
8 ähnlich wie in Fig. i. Die dieser Exzentereinstellung entsprechenden Kolbenhübe
sind längenmäßig wieder mit I, 1I, III und IV bezeichnet, wobei I der Saughub, 1I
der Kompressionshub, III der Ausdehnungshub und IV der Ausschubhub ist. Mit 27 ist
der Zylinderkopf angedeutet, mit 28 der Abgasrest und mit 29 der Kompressionsraum.
Die Anordnung nach Fig.4 entspricht dem Volleistungsbetrieb, wobei der tote Raum
(Abgasrest 28) nicht größer gehalten zu werden braucht, als es für die Bewegung
des Ein- und Auslaßventils unbedingt erforderlich ist. Verstellt man den Exzenter
aus dieser Stellung- entgegengesetzt denn Sinne des Uhrzeigers um den Kurbelzapfen,
so wird nicht nur die Längendifferenz zwischen Saug-und Kompressionshub einerseits
und zwischen Expansions- und Ausschubhub andererseits, sondern auch der Kompressionsraum
29 kleiner. Wird der Exzenter so weit nach links um den Kurbelzapfen verdreht, daß
er rechtwinkelig zum Kurbelarm steht (s. Fig. 5), so werden Saug- und Kompressionshub
I und II einerseits und die beiden anderen Hübe III und IV andererseits gleich lang,
und der Kompressionsraum 2c9 ist nur noch reichlich halb so groß wie in Fig.4. Wird
der Exzenter noch weiter nach links verdreht, so wird der Saughub kürzer als der
Kornpressionshub und dementsprechend der Ausdehnttng`shub länger als der Ausschubhub
und der Kompressionsraum noch kleiner.
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In Fig. 6 bedeutet wieder 18 ein Kurbelwellenlager, 14 eine Lagerschale
dazu, 22 das zentrale Kegelrad mit aufgeschraubtem Lagerring 3o, an dem sich ein
seitlicher Arm 31 befindet.
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In Fig. 7 ist, schematisch dargestellt, i die Kurbelwellenachse, 31
der Verstellarm für das zentrale Kegelrad 22 (Fig. 6), 32 ein mit Flüssigkeit gefüllter
und mit Kolben 33 und Druckfeder 34 versehener feststehender Zylinder. Der Kolben
33, in dem sich eine kleine Öffnung 33 zum Durchtritt der Flüssigkeit von der einen
Kolbenseite zur anderen befindet, ist mittels Kolbenstange 36 mit dem Arm
31 gelenj<artig verbunden. An dem Arm 31 greift ferner ein weiteres Gestänge
37, 38 an, das seinerseits durch die Stange 39 gelenkartig reit dem Kolben 4o verbunden
ist, der in dem Zylinder 41 sitzt und an dessen unterer Seite ebenfalls eine Druckfeder
42 sitzt. Das Innere des Zylinders 41 steht in offener Verbindung mit dem Gemischansaugrohr
43. 44 ist eine Stoßstange, die mit dem nicht gezeichneten Gestänge der Gemischdrossel
in Verbindung steht, durch das sie beim Öffnen der Gemischdrossel nach unten gedrückt
wird.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist die folgende: Während des Laufes
der Maschine wirken die Kompressions- und Arbeitsdrücke nicht zentrisch auf den
Kurbelzapfen, sondern zentrisch auf den Exzenter und versuchen daher, den Exzenter
so weit um den Kurbelzapfen zu verdrehen, bis die Verbindungslinie zwischen Exzentermitte
und Kurbelzapfenmitte in die Kraftrichtung der Pleuelstange fällt. Wenn nun das
Rad 22 nicht feststehend angeordnet, sondern gemäß vorliegender Erfindung, wie aus
Fig. 6 der Zeichnung ersichtlich, v erdrehbar gelagert ist, so bewirken die Kompressions-und
Arbeitsdrücke eine Verstellung des Exzenters relativ zum Kurbelarm und damit des
zentralen Kegelrades 22. Der Einfluß der Exzenterverstellung auf die Größe des Kompressionsraumes
und auf die Länge der einzelnen Kolbenhübe ist in der Beschreibung zu den Fig. 4
und 5 bereits erläutert worden.
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Mit zunehmendem Füllungsgrad der Ma: schine wachsen die Kompressions-
und Arbeitsdrücke und damit die auf das Kegelrad 22 wirkenden Kräfte. Diese Kräfte
werden, wie aus der schematischen Fig. 7 ersichtlich, durch der: Hebelarm 31 auf
den Kolben 33 und durch diesen auf die Druckfeder 34 übertragen. Es ergibt sich
also eine automatische Verstellung des zentralen Kegelrades 22 und damit eine Veränderung
des Kompressionsraumes bei einer Veränderung .des Füllungsgrades der Maschine. Die
Anordnung kann nun ohne Schwierigkeit so getroffen werden, daß bei maximaler Spannung
die Feder 34 (zweckmäßig durch Anschlag festgelegt) der für den Volleistungsbetrieb
günstigste Kompressionsraum vorhanden ist und dabei der im Zylinder verbleibende
Abgasrest so klein wie irgend möglich wird. Das andere Extrem ist die Leerlaufstellung.
Bei dieser kann der Kompressionsraum so klein gewählt werden, daß die Kompressionsendtemperatur
der Selbstzündungstemperatur des Gemisches nahekommt, sofern es. sich um nicht klopffeste
Kraftstoffe handelt. Bei Verwendung von klopffesten Kraftstoffen wäre die höchstzulässige
Kompressionsraumverminderung nach anderen Gesichtspunkten zu ermitteln. Hat man
auf diese Weise den maximalen Verstellwinkel des zentralen Kegelrades 22
festgestellt,
so bedarf es nur noch der Ermittlüng der richtigen Charakteristik der Feder 34.,
um für alle Füllungsgrade des Zylinders die höchstzulässigen Kompressionsenddrücke
bzw. Kompressionsendtemperaturen zu erhalten.
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Der Zylinder 32 ist- mit 01 oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit
gefüllt und bildet mit dem Kolben33 einenFlüssigkeitsdämpfer, der verhütet, daß
der Kolben 33 unter dem Einfluß der periodisch wechselnden Drücke im Arbeitszylinder
in starke Vibration gerät. Der übertritt der Flüssigkeit von der einen Kolbenseite
nach der anderen bei Änderung des Füllungsgrades der Maschine erfolgt durch die
Öffnung 35. Da eine Maschine bekanntlich bei hoher Tourenzahl höhere Kompression
verträgt als bei niedriger, der vorstehend in seiner Wirkung beschriebene Verstellinechanismus
aber eher in entgegengesetztem Sinne wirkt, empfiehlt es sich, eine diesbezügliche
von der Tourenzahl allein abhängige Korrektur der Kompressionsräume vorzunelunen.
Zu diesem Zweck kann ein (zeichnerisch nicht dargestellter) von der Maschine angetriebener
Zentrifugalregulator o. dgl. vorgesehen werden, der bei wachsender Tourenzahl auf
den Arin 31 des Kegelrades 22 im Sinne einer Verkleinerung des Kompressionsraumes
und umgekehrt einwirkt. Für erwähnte Korrektur läßt sich auch der Unterdruck im
Saugrohr nutzbar machen. Es kann dies auf die in Fig. 7 oben dargestellte Art geschehen.
Der Unterdruck im Saugrohr ändert sich bekanntlich nicht nur mit der Stellung der
Gemischdrossel, sondern auch bei ein ünd derselben Drosselstellung mit der Tourenzahl
der Maschine, und zwar erhöht sich der Unterdruck mit wachsender Tourenzahl. Diese
Unterdruckerhöhung im Saugrohr 43 wirkt sich in der Weise aus, daß der Kolben ¢o
im Zylinder 41 unter Spannung der Feder q.2 nach innen gesaugt wird, wobei durch
das Gestänge 37, 38, 39 der Arm 31 des Kegelrades 22 im Sinne einer Verminderung
des Kompressionsraumes verstellt wird.
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Diese Einrichtung hat den weiteren Vorteil, daß sie auch sonst zu
einer schnellen Verstellung des Armes 31 im richtigen Sinne mit beiträgt. Wird z.
B. die Gemischdrossel aus der Leerlaufstellung plötzlich vollkommen geöffnet, so
fällt im hu der Unterdruck im Saugrohr von etwa o,5 atü fast auf Null, wodurch eine
beträchtliche Federkraft frei wird, die den Kolben 40 verschiebt und damit eine
schnelle Vergrößerung des Kompressionsraumes bewirkt.
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Als Schutz dagegen, daß mit einer sehr schnellen Öffnung der Gemischdrossel
die Vergrößerung des Kompressionsraumes nicht Schritt halten kann, also nachhinkt,
wodurch sich vorübergehend zu hohe Kompressionsdrücke einstellen könnten, ist das
nicht gezeichnete Gestänge der Gemischdrossel mit der Stoßstange 44 (Fig. q.) verbunden,
die gegebenenfalls auf den Arm 31 drückt und dadurch zwangsläufig die nötige Vergrößerung
des Kompressionsraumes herbeiführt.