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Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen und
bezweckt insbesondere die Verbesserung ihres thermischen Wirkungsgrades und der
auf das Gewicht der Maschine bezogenen Leistung.
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Es ist bekannt, daß bei den üblichen Brennkraftmaschinen das Volumen
eines Zvlinders gleich dem von dem Kolben zwischen dem oberen und unteren Totpunkt
ausgeführten Weg multipliziert mit der Kolbenfläche ist.
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Für einen gegebenen Zylinder ist -dieses Volumen stets das gleiche,
welchen Zeitpunkt des Arbeitskreislaufes man auch immer betrachten mag: Ansaugtakt,
Verdichtung, Ausdehnung und Auspuff.
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Es sind anderseits Brennkraftmaschinen bekannt, deren Zylindervolumen
durch Verwendung zweier sich gegenläufig verschiebender Kolben veränderlich ist,
wobei die Geschwindigkeit dieser Kolben im Verhältnis z : r steht und der größte
Inhalt des Brennraumes kleiner als die Summe der von den Einzelkolben verdrängten
Volumen ist.
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Die Erfindung besteht nun in einer Verbesserung dieser bekannten Motoren
und ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Arbeitsspiel das Volumen
am Ende der Einlaßperiode größer als das Expansionsvolumen ist, wobei das maximale
Ansaugvolumen erreicht wird, nachdem der Arbeitskoiben seinen unteren Totpunkt überschritten
hat, während das maximale Expansionsvolumen vor Erreichen des unteren Arbeitskolbentotpunktes
auftritt, und daß das r;Zompressionsvolumen größer als das Auspuffvolumen ist und
das kleinste Kompressionsvolumen nach Überwindung der oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens
auftritt, während das kleinste Auspuffvolumen, welches Null oder nahezu Null beträgt,
vor Erreichen der oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens auftritt, gekennzeichnet
ferner dadurch, daß die Zunahme des Expansionsvolumens im Verhältnis zu gewöhnlichen
Viertaktmotoren kleiner ist und daß die mechanische Verbindung der Kurbelwellen
beider Kolben derart beschaffen ist, daß man während des Motorlaufes die beiden
Wellen gegenseitig in ihrem Winkel und in ihrem Abstand einstellen kann.
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Auf diese Weise ist es möglich, das Zylindervolumen für jeden Arbeitstakt
des Kreislaufes den jeweils vorherrschenden Arbeitsbedingungen und der Art des verwendeten
Brennstoffes anzupassen, d. h. das Verhältnis zwischen dem maximalen Ansaugvolumen
und dem minimalen Kompressionsvolumen beliebig zu verändern.
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Die von jedem der beiden Kolben während ihres Laufes verdrängten Volumina
sind, wenn man für beide Kolben die gleichen Zylinderbohrungen voraussetzt, eine
Funktion der Strecke, die sie zu durchlaufen haben. Die die Kolbengeschwindigkeit
darstellenden
Kurven können verschieden sein, --insbesondere hinsichtlich
der linearen Geschwindigkeit und- der Kolbenbahnen, sofern die Wiar@:: kelgeschwindiigkeit
der den- Hauptkolben ä.#: treibenden Welle doppelt so groß ist als 'die", Winkelgeschwindigkeit
der den Hilfskoll)Q2Il antreibenden Welle.
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Bei den bekannten Anordnungen wird das Volumen Null am Ende der Auspuffperiode
nach dem oberen Totpunkt und das geringste Volumen im Kompressionshub, welches der
maximalen Kompression entspricht, vor dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens erreicht.
Bei einigen Motoren dieser Gattung ist das Ansaugvolumen kleiner als das Auspuffvolumen,
und das Volumen bei der Expansion wächst schneller als bei einem gewöhnlichen Motor.
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Da nun bei einem Motor gemäß der Erfindung das Volumen des Frischgases
größer ist als das Volumen des einem gewöhnlichen Motor gleichen Zylinderinhaltes
zugeführten Gases (wobei unter Volumen der ,von dein -Arbeitskolben verdrängte Raum
verstanden sei), ergibt sich eine bessere Homogenität des zugeführten Gemisches.
Bei gleicher Menge zugeführten Brennstoffes kann also das Zylindervolumen kleiner
gehalten werden, woraus sich der Vorteil eines kleineren Motors bei gleicher Leistung
ergibt. Für die Geschwindigkeiten in gleichen Bereichen werden die ausnutzbaren
Zeiten für die Füllung des Zylinders beträchtlich vergrößert, wodurch die prozentuale
Füllung bei höheren Drehzahlen begünstigt wird. Anderseits erfolgt die maximale
Kompression nach dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens. Da nun dieser Punkt ungefähr
dem Zeitpunkt der Zündung des Frischgases entspricht, wird die Vergrößerung des
durch die Einleitung des Zündvorganges hervorgerufenen inneren Druckes gerade in
dem Moment stattfinden, wo die Pleuelstange bereits einen kewissen Winkel mit der
Zylinderachse einschließt, d. h. also gerade dann, wenn der Kolben bereits eine
gewisse'Lineargeschwindigkeit in der gleichen Richtung erhalten hat. Infolge der
besonderen Wirkung des Hilfskolbens, der das Anwachsen des Auspuffvolumens kleiner
als bei den bekannten Motoren werden läßt, erreicht man eine größere Zündgeschwindigkeit
des Frischgases und damit eine relative Vergrößerung des folekularen Kompressionsgrades.
Ohne den Kompressionsgrad in der -Nähe des SelÜstzündungspunktes vergrößern zu müssen,
wird die vollständige Verbrennung beschleunigt, und man verhindert das bekannte
Klopfen.
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Während des Arbeitstaktes ist die Öberfläche der Verbrennungskämmer
unter Wirkung des Hilfskolbens verringert; was zu einer entsprechenden Verringerung
der durch die Zylinderwandungen verlorengehenden Wärme und damit zu einer Erhöhung
des thermischen Wirkungsgrades führt.
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?als Folge der Vorlumenverringerung der Verbrennungskammer wird die
vollständige Expansion in kürzerer Zeit erreicht, und der innere Druck wird bedeutend
höher als bei einem gewöhnlichen Viertaktmotor. Schließlich erfolgt der Auspuff
der Verbrennungsrückstände früher und insbesondere durch den höheren Druck am Ende
der Expansion und infolge der durch das Zusammenwirken der beiden Kolben entstehenden
schnellen Verringerung des Zylindervolumens sehr viel lebhafter. Aus all diesen
Gründen ergibt sich für einen Motor gemäß der Erfindung z. ein geringeres Zylindervolumen,
2. ein geringeres Gewicht für die Einheit der Leistung, 3. eine Verbesserung des
thermischen Wirkungsgrades, , q.. eine Erhöhung der Drehzahl für den Betrieb mit
Schwerölen infolge der molekularen Druckerhöhung der Gasmasse während der Expansion.
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Die Erfindung ist bei Brennkraftmaschinen aller 'Art anwendbar, also
sowohl bei ortsfesten als auch bei drehbaren, bei Ein- oder Mehrzylindern; bei Motoren
mit oder ohne Ventile, bei luft- oder flüssigkeitsgekühlten Motoren und solchen,
die mit armen Gasgemischen, mit Leuchtgas, Benzin, Rohöl arbeiten usw. Die charakteristischen
Eigenschaften all dieser verschiedenen Motortypen werden durch die Erfindung nicht
beeinflußt, welche ausschließlich i-n der Verwendung eines Hilfskolbens in Verbindung
mit dem Arbeitskolben besteht, so daß das Zylindervolumen dauernd verändert wird.
Die beiden Kolben werden vorzugsweise in Gegenüberstellung- angeordnet, können aber
auch konzentrisch zueinander gelagert werden. DieÜbertragung derBewegung zwischen
dem Arbeitskolben und dem Hilfskolben kann mittels aller geeigneten mechanischen
Einrichtungen, wie Exzenter, Nockenscheiben, Schraubenflächen, Kurbeln usw., erfolgen,
die von der Motorkurbel gesteuert `werden und ,den Hilfszylinder in der gewünschten
Geschwindigkeit antreiben, `welche im allgemeinen gleich der halben Arbeitskolbengeschwindigkeit
sein wird.
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Schließlich können gemäß der Erfindung Mittel vorgesehen sein, um
die Kompression je nach der Art des verwendeten Brennstoffes, nach der Höhe des
Luftdruckes oder des Füllungsgrades in Abhängigkeit von der Drehzahl zu verändern,
indem man beispielsweise einerseits die Grenzen des Hilfskolbenlaufes verändert
und anderseits die Winkelstellung
des Hilfskurbelzapfens in bezug
auf die Winkeleinstellung des Arbeitskurbeizalrfens für einen bestimmten Arbeitstakt
des Motors verstellt.
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In der Zeichnung sind einige Arbeitsdiagramme und ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht.
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Fig. i zeigt die' Geschwindigkeitscharakteristiken des Haupt- und
Hilfskolbens und Fig.2 ähnliche Kurven für den Fall besonders hoher Kompressionen.
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Fig. 3 ist ein schematischer Schnitt durch den gesamten Aufbau, der
den Beginn des Gaseintrittes zeigt.
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Fig. 4 läßt einen Teilschnitt erkennen, der die Stellung der Kolben
am Ende der Einlaßperiode darstellt.
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Fig.5 ist ein entsprechender Schnitt, der die Stellung der Kolben
am Ende des Kompressionshubes zeigt.
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Fig.6 läßt im Schnitt die Kolbenstellung zu Beginn des Auslaßtaktes
erkennen, während .
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Fig.7 schließlich, gleichfalls im Schnitt, das Ende dieses Taktes
zeigt.
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Die Erfindung sei in Verbindung mit einem Viertaktmotor beschrieben.
In Fig. i ist a-a die Geschwindigkeitscharakteristik des Hauptkolbens, bezogen auf
ein vollständiges Arbeitsspiel. Mit b-b ist die Geschwindigkeitscharakteristik des
Hilfskolbens bezeichnet.
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Die Linie 0A entspricht, wie bei einem gewöhnlichen Viertaktmotor,
der Öffnung des Einlasses, die Linie WA dein Schließen des Einlasses, die Linie
0E der Öffnung des Auspuffes und die Strecke FE dein Schließen des Auspuffes.
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Die Strecke CM entspricht dem Punkt der höchsten Kompression,
d.li. also ungefähr dem Zündungszeitpunkt.
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Zwischen den Strecken FE und 0A bildet sich ein Bereich von
Unterdruck, um die Füllung der Zylinder mit Gemisch zu begünstigen. Die Kompression
erfolgt im Bereich FA und CM. Dem Arbeitshub oder der Expansion schließlich
entsprechen die Strekken CM und 0E.
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In Fig. 2 finden sich die gleichen Geschwindigkeitscharakteristiken
a-a und b-b für Haupt-und Hilfskolben; sie zeigen jedoch den Fall einer besonders
hohen Kompression, wie sie z. B. für Rohölmotoren erforderlich ist. Man sieht hier,
daß die Ordinaten der Geschwincligkeitskurv e b-b in bezug auf die Kurve b-b der
Fig. i verschoben sind, so daß sie sich der Kurve a-a nähern. Diese Annäherung entspricht
der Erhöhung der Kompression.
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Es sei bemerkt, daß die Geschwindigkeitslinie des Hilfskolbens regelmäßig
oder auch unregelmäßig sein kann, und daß lediglich die mittlere Geschwindigkeit
für die Betrachtung in Frage kommt.
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Fig. 3 ist ein -Schnitt durch einen Motor gemäß der Erfindung. Es
sei angenommen, daß es sich um einen stehenden Einzylinder mit Wasserkühlung und
für Benzinbetrieb handelt.
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Mit i ist der Hauptkolben und mit 2 seine Pleuelstange bezeichnet.
3 ist die Kurbel der Kurbelwelle 3, Der Hilfskolben ist mit und dessen Pleuelstange
mit 5 bezeichnet, während die Hilfskurbel bei 6 und deren Welle bei 6a liegt. Die
Kurbeln 3 und 6 bewirken in an sich bekannter Weise den Antrieb der beiden gegenüberliegenden
Kolben i bzw. 4.
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Die Kolben i und .1 bewegen sich in Gegenüberstellung in einer Kammer
7 und in einer später zu beschreibenden Weise. Die beiden Kolben haben den gleichen
Durchmesser; das von jedem der Kolben verdrängte Volumen wird daher durch die Kolbenbahn
bestimmt.
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Mit 8 ist die Außenwand der Wasserkühlung bezeichnet. 9 ist der von
dem Kühlwasser eingenommene Raum. Es ist auf gute Kühlverhältnisse für einen Motor
gemäß der Erfindung zu achten, da dieser infolge des hohen mittleren Druckes, den
inan erzielt, eine höhere Temperatur während der Expansion erreicht. Desgleichen
ist für eine gute Schmierung Sorge zu tragen.
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Zwischen der Hauptkurbel und der Hilfskurbel ist eine eine Untersetzung
von 1 : 2 bewirkende Übertragung eingeschaltet. Mit io ist die Mitnehmerwelle bezeichnet,
welche die Drehbewegung der Kurbel 3 auf die Kurbel 6 zu übertragen hat.
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Die Übertragung zwischen der Kurbel 3,
der Welle io und der
Kurbel 6 erfolgt einerseits durch Kegelräder i i und 12, die auf der Kurbelwelle
3a und auf der Welle io sitzen und die gleiche Zähnezahl aufweisen, sowie andererseits
durch Kegelräder 13 und 14, die auf der Welle io und auf der Kurbelwelle 6a sitzen
und deren Zähnezahl sich wie i : 2 verhält, so daß die Drehgeschwindigkeit der Hilfskurbel
6 gleich der halben Winkelgeschwindigkeit der Arbeitskurbel 3 ist.
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15 ist das Schwungrad für die Kraftübertragung, 16 das untere Kurbelgehäuse
der Hauptkurbelseite, 17 das obere Kurbelgehäuse der Hilfskurbelseite, 18 der eigentliche
Zylinder, der mit dem oberen Gehäuse der Kurbel 3 und mit dem unteren Gehäuse der
Kurbel 6 aus einem Stück gegossen sein kann.
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Schließlich ist bei i9 eine Zündkerze und bei 2o eine Öffnung für
den Durchgang der Frischgase angedeutet, während auf der gegenüberliegenden Seite
bei 21 eine Öffnung für die verbrannten Gase vorgesehen ist. Die Art der Verteilung
ist nicht dargestellt und kann
beliebiger Art sein. Sowohl das Ansaugen
als auch der Auspuff der Gase kann beispielsweise durch Ventile, -durch Schieber,
durch im Zylinder laufende Schieberventile oder durch sonstige hin und her gehende
oder dauernd umlaufendeVentilanordnung erfolgen.
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Wie bereits erwähnt, zeigen die Fig. 3 bis 7 die Stellung der Kolben
i und 4 für die folgenden Arbeitsstufen: Fig. 3 Beginn des Einlasses, Fig: 4 Schluß
des Einlasses, Fig. 5 höchste Kompression, Fig. 6 Beginn des Auspuffes, Fig. 7 Schließen
des Auspuffes.
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In jeder dieser Figuren ist für den Arbeitskolben i durch die Linie
c-c die Stellung angegeben, welche dem oberen Totpunkt des Kolbens i entspricht,
während die Linie (1-d den unteren Totpunkt darstellt.
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Für den Hilfskolben 4 ist die Linie e-e eingezeichnet, welche dem
Punkt entspricht, an welchem sich der Kolben 4 am meisten dem Kolben i genähert
hat; _man kann diesen Punkt als unteren Totpunkt des Kolbens .4 bezeichnen.
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Entsprechend bezeichnet die Linie f -f den Punkt, an welchem
sich der Kolben 4 von dein Kolben i am weitesten entfernt hat; dieser Punkt kann
als oberer Totpunkt des Kolbens 4 bezeichnet werden.
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Die Kolben i und 4 werden bei ihrem Lauf Volumen verdrängen, die offenbar
Funktionen der Strecken sind, welche die Kolben zwischen den Linien c-c und d-cl
bzw. e-e und f-f zu durchlaufen haben.
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. Es sind nun Einrichtungen vorgesehen, mittels derer nach Belieben
die Kompression im Zylinder verändert werden kann, indem man beispielsweise die
Kurve b-b der Fig. i (welche die Geschwindigkeiten des Kolbens darstellt) einerseits
längs der Abszissenachse gegen die die Geschwindigkeiten des Kolbens i darstellende
Kurve a-a verschiebt und indem man andererseits die Kurve b-b längs der Ordinatenachse
um einen nach Belieben veränderlichen Wert verschiebt.
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Zu diesem Zweck besteht die Welle io aus drei Achsstumpfen iol, io,
und io, die in folgender Weise miteinander verbunden sind: Die Achsen io, und io,
sind mittels Platten oder Kupplungsscheiben 22 bekannter Art miteinander gekuppelt,
welche die willkürliche gegenseitige Verdrehung der einen gegen die andere und somit
auch der Wellen 3 a und 6 a gestattet.
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Man kann auf diese Weise nach Belieben den Winkel des Zapfens der
Kurbel 6 gegenüber dem Zapfen der Kurbel 3 einstellen, und diese Winkelveränderung
entspricht der Verschiebung der Kurve b-b längs der Abszissenachse. Die Achsstumpfe
rot und iog sind mittels einer Kupplungsmuffe 23 miteinander verbunden, welche eine
Achsverschiebung der beiden Stumpfe gegeneinander ermöglicht, wobei die Kegeltrieblinge
13 und 14 dauernd durch einen winkligen Lagerbock 24 miteinander in Eingriff gehalten
werden, dessen einer Arm auf der Welle der Kurbel 6 gelagert ist, während der andere
auf dem Achsstumpf zog sitzt, und zwar zwischen zwei Bundringen a5 und 26.
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Die Verschiebung in Achsrichtung der Welle io derKurbelwelle6 kann
durch irgendwelche geeigneten mechanischen Mittel erfolgen.
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Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 ist die Welle der Kurbel 6 in beweglichen
Lagern 27
gehalten, die in einem beweglichen Bügel -28 sitzen, welcher seinerseits
mit dem Lappen 24 fest verbunden ist, der den einen Zweig dieses Bügels begrenzt.
Dieser Bügel ist andererseits mit einem beweglichen Gehäuse .29 verbunden, das das
Ende der Welle 6a stützt.
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Der von dem Bügel 28, dem Gehäuse 29, der Kurbelwelle 6 und seinen
Lagern gebildete Schlitten läuft in Richtung der Achse des Zylinders 18 mit Hilfe
von festen Schienen 30-30, in welchen sich, in beliebiger Weise gesteuert, die Enden
des Bügels 28 verschieben. Der ganze Schlitten wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
mittels einer Spindel 31 gesteuert, welche quer durch den Bügel 28 hindurchgeschraubt
ist und sich bei 32 gegen das feste Gehäuse 17 abstützt.
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Die Drehung der Spindel 32 wird beispielsweise mittels eines nicht
dargestellten Rä ndelkopfes, Handgriffes oder einer anderen Einrichtung bewirkt
und hat die Verschiebung des Schlittens im einen oder anderen Sinn zur Folge.
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Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die beschriebene Steuerung des
Schlittens und die Verbindung seiner einzelnen Teile nicht Gegenstand der eigentlichen
Erfindung sind. Diese erstreckt sich vielmehr auf die Anordnung des Hilfskolbens,
welcher seine Drehung ebenso gut mittels eines Pleuels von einer Nockenscheibe aus,
von einer Kurbel oder durch.die Drehbewegung einer Schraubenfläche und schließlich
durch jede andere geeignete und bekannte Kupplungseinrichtung erhalten kann.