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Spül- und Kühleinrichtung für Drehkolben-Brennkraftmaschinen mit im
Ringraum umlaufenden Kolbenpaaren Die Erfindung betrifft eine Spül- und Kühleinrichtung
für eine DreUolb;en-Brennkraftmaschine mit in einem Ringraum umlaufenden Kolbenpaaren,
bei der das Arbeitsverfahren durch Kolben und Schlitze gesteuert wird und die Kolbendrücke.über
Triebwerke bekannter Ausführungen als Drehkräfte auf reine mutig angeordnete Welle
übertragen werden.
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Motoren dieser Art weisen einen großen mit Abgasresten gefüllten Totraum
auf und sind anderseits durch die gleichzeitige Ausführung der vier Arbeitsspiele
des Viertaktverfahrens bei jeder Kolbenbewegung - sehr großen Wärmebeanspruchungen
ausgesetzt, so da:ß sie eine besonders wirksame Spülung und Innenkühlung von Zylinder
und Kolben. bedingen.. Bei. den bisher bekannten Ausführungen. ist eine Einführung
von Frischluft in. den Brennraum nicht vorgesehen, und das Ausspülen oder Absaugen
der Restgase aus dem Totraum mittels Gebläse, Pumpen oder dergleichen Einrichtungen
ist mixt einem besonderen Kraft- und Bauaufwand verbunden, ohne daß damit eine genügend
wirksame Spülung und Innenkühlung erreicht wird. -Das Wesen der Erfindung besteht
in der besonderen Anordnung und Verwendung von Vor- und Nachspülöffnungen im Zylindermantel,
durch die eine stufenweise, auch den Brennraum erfassiende Spülung und Innenkühlung
von Zylinder und Kolben erfolgt, die anderseits. noch durch .den Kühlluftstrom unterstützt
wird. Diese Spülung wird durch das Arbeitsverfahren selbst betätigt und erfolgt
in der ersten Stufe durch die Ausnutzung -der Strömungsenergie der Abgassäule am
Ende des Auspuffes und in der zweiten Stufe durch die Kolbenbewegung und Fliehkraftwirkung
der @einges,chlas.s@enen Luft bei gleichzeitiger Unterstützung durch den Kühlluft:
strom des Motors. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ringzylinder
mit Vor- und Nachspülöffnungen versehen, ist,
von denen eine oder
mehrere Vorspülöffnungen vor oder neben der Auspufföffnung und die Nachspülein-
und -ausI.aßöffnwi-° gen hinter der Auspufföffnung angeordret sind. Hierbei liegen
die NachspülöffnungQzt:-i.m Bereich eines von einem Ventilator c zeugten Kühlluftstromes.
Die Kolben sind hohl ausgebildet und weisen zwecks Kühlung im Bereich der Nachspülung
mit den Narhspülöffnungen übereinstimmende Ausnehmungen oder Schlitze auf.
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Auf .der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigt Abb.` i die Ansicht einer mit den Kolben und den Öffnungen
für Ansaugen, Auspuff sowie Vor- und Nachspülung, Abb. 2 einen Schnitt durch einen
Ringzyliiidermotor mit Luftkühlung, jedoch ohne Triebtverk, Abb. 3 die Kolbenstellung
während des Verbrennungsvorganges, Abb. 4. die Kolbenstellung während des Nachspülvorganges,
Abb. 5 diese während des Vorspülvorganges, Abb. 6 eine Ansicht und einen Längsschnitt
durch den Kolben, Abb.7 einen Querschnitt durch Ringzylinder, Kolben und. die Nachspülöffnungen.
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In einem Ringzylinder i mit den Ansaugöffnungen 2, der Auspufföffnung
3 und den Spülöffnungen 4, 5 und 6 befinden sich vier umlaufende Kolben 7, 8, 9
und i o-, die paarweise mit den beiden Kolbenscheiben i i und 12 verbunden sind
und über ein Triebwerk bekannter Ausführung auf die Motorwelle i arbeiten. Die Kolben
7 und 9 sind dabei mit der Kolbenscheibe i i und die Kolben S und io mit der Kolbonschcibe
12 fest verbunden. Durch die vier Kolben wird :auch der Ringzylinder in vier sich
stets ändernde Räume geteilt, in denen sich durch die be-
sondere Anordnung
der Saug- und Attspufföffnungen oder Schlitze und der Zündstelle bei jeder Kolbenbewegung
gleichzeitig die Arbeitsspiele Saugen, Verdichten, Expansion und Auspuff .vollziehen.
Damit entspricht jeder Kolbenbewegung ein voller Arbeitsablauf des Vi:ertaktverfahrens,
das durch die Kolben und Schlitze -gesteuert -wird und in gleicher Gasstromrichtung
arbeitet. Bei jeder Kolbenumdrehung werden von jedem Kolbenpaar zwei Bewegungen
und damit vier eigentliche Ver-. brennungshübe oder insgesamt 16 Arbeitsspiele ausgeführt.
Diese Vervlerfachung des Viertaktverfahrens bzw. Verdopplung des Ztv eitaktverfahrens
führt damit zum Einta.ktmotor mit einer Vielzahl von Arbeitshüben im gleichen Zvlind,er.
Während der Raum des Ringzylinders durch die vier paarweise zusammenarbeitenden
Kolben in vier umlaufendRäume geteilt werden, erfolgt ander-,@4eits durch das Arbeitsverfahren
auch eine "TOlung des Ringraumies in drei Abschnitte, ini>d@enen sich je zwei Einzelvorgänge
vollziel-cri. Der Gesamtarbeitsverlauf pro Kolbenbewegung umfaßt damit sechs Einzelvorgänge,
die sich auf die einzelnen Abschnitte wie folgt verteilen: Laderaum mit Saugen und
Verdichten, Verbrennungsraum mit Expansion und Auspuff und Spülraum mit Vor-Lind
Nachspülung. Sämtliche sechs Vorgänge einschließlich .der Zündung werden in der
üblichen Weise durch die Kolben gesteuert. Die Zylinderraumabschnitte werden durch
die drei Punkte Einlaßschlitzanfang, Zündstellring und Auslaßsrhlitzanfang begrenzt.
Durch die Verlegung des Lade- und Verbrennungsvorganges in verschiedene Zyli.nderrauinabschnitte
kann an Stelle des elektrischen Zündfunkens die Glühzündung mittels Glühkerze treten,
die in dem Augenblick erfolgt, in dem der zwischen zwei Kolben eingeschlossen- Kompressionsraum
an die Glühkerze ge-
führt wird. Der Glühdraht der in Vertiefungen der Zylinderwand
befindlichen Kerze 1.1 wird im Betrieb durch die Verbrennungsgase dauernd im Glühzustande
erhalten, -i,ähren:d er zum Anfahren der Maschine durch einen elektrischen Strom
erhitzt werden muß. Eine Kühlung der Kerze bzw. des Glühdrahtes findet nicht statt,
da die Frischgase erst im hochverdichteten Zustande finit ihm in Berührung homm.en.
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Der ist in der Mitte nach der Laufrichtung hin geteilt, deren Hälften
flanschartig zusammengeschraubt sind lvgl. Abb.2 und 7?. Die hohen triff den Zylinder
geführ.en Kühlrippen 15, die radial nach der Mitte zu verlaufen, dienen der Versteiftuig
des Riugrauines Lind zur Abführung der Wärme. Die Kühlluft zwischen den Rippen wird
durch einen Ventilator 16, der auf der Motorwelle i ; sitzt, abgeführt. Die Kühlwirkung
wird durch einen a:m den Zylinder gelegte1i Blech.mante117 erhöht. Durch Führungsb.lech:
oder durch die Wahl der Durchlaßdti,ers,clniitte kann der Luftstrom derart tim den
Ringzylinder gelei#et werden. daß die Hauptwirkung .auf den Breiluraumali-,chnitt
trifft. Der Ventilator kann dabei für eine sauende oder drückende Kühlluftströmung
ausgebildet sein.
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Diu hohl ausgebildeten Kolh.en 1 8 weisen an den Seiten Auisnehmungen
io auf, die sich mit den Nachspüleinlaßöffnu:ngen 5 decken. so daß im Aug--nblick
des Vorbeigleitens Kühlluft in die Kolben eindringen kann. Der Austritt der «-armen
Luft erfolgt über die auf dem Kolbenrücken sich befindlichen Offnungen oder Schlitze
2o, die sich mit den Nachspülauslaßöffnungen
6 decken. Die Nachspülöffnungen
5 und 6 sind so gelebt, dä,ß eine Fliiehkraftwirkung .auf die in und zwischen den
Kolben befindliche Luft beim Vorbeigleiten an den' Nachspülöffnungen entsteht. Die
Nachspüleinlaßöffiiung liegt deshalb in der Nähe des inneren und die Austrittsöffnung
in der Nähe des äußeren. Ringzylinderdurchmnessers. Im Innern des Kolbens ist der
die beiden Kolbenböden verbindende Steg mit Durchbrüchen 21 und 22 versehen, damit
die Luft auf beiden Kolbenseiten beim Vorbeigang an :den Auslaßschlitzen 6 leicht
aastreten kann. Um das Eindringen von Brennstoffgemisch in die Hohlkolben zu verhindern,
ist die Ansaugöffnung 2 am Zylindermantel derart angeordnet, daß diese in der Laufrichtung
vom Kolbenrücken stets überdeckt wird.
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Die Arbeitsweise der Maschine ist nachstehend näher erläutert, wobei
das Anfahren als eine zum Triebwerk gehörende Funktion nicht näher behandelt ist.
Je nach Art des Triebwerkes sind die beiden IZolbenscheiben i i und 12 zwangsläufig
miteinander verb:un. den und arbeiten dann in der Weise, daß das eine Kolbenpaar
im Augenblick der Zündurig seine Bewegung rasch verzögert, -während das andere stark
beschleunigt -wird, oder die Kolbenscheiben sind frei laufend, -wobei das eine K
olhenpaar bei der - Explosion zum Stehen kommt, während das andere durch den Verbrennungsverlauf
eine starke Beschleunigung erfährt. In beiden Fällen dient ab;vechselnd der eine
Kolben :als Reaktionskolben, während derandere den Verbrennungsdruck über das jeweilige
Triebwerk auf die Motorwelle 13 überträgt. Die Abb. i zeigt die Kolbenstellung im
Augenblick der Zündung. Der Kolben 8 hat hier gerade die Zündstelte 14. freigelegt,
so daß in diesem Augenblick die Zündung erfolgt. _ Während er nun durch die Verbrennungsgase
vorgetrieben wird, schiebt er gleichzeitig auf der rechten Kolbenseite die Restgase
des vorhergehenden Verbrennungstaktes nach der Auspufföffnung 3 aus. Gleichzeitig
saugt der auf der gleichen Ko:lb:enscheibe befestigte Kolben io aufeiner Seite Brennstoffgemisch
an und verdichtet auf der anderen-Seite dieses. des vorhergehenden Arbeitsspiels.
Die Kolben 7 und 9 bleiben bei einem Freilauftriebwerk so lange stehen, bis der
abnehmende Verbrennungsdruck gleich dem zunehmenden Verdichtungsdruck ist. Dieser
Lage entspricht etwa die Kolbenstellung in der Abb. 3, wobei die Kolben etwa ä/,1
ihres Hubes zurücklegen. Der Widerstand des im letzten Viertel noch anlwachsenden
Verdichtungsdruckes wird durch die dem Kolben 8 und i o bei . der Verbrennung :erteiltest
Schwungenergie überwunden.. Die Reaktion für .den Kolben 7 bildet der Mas-,#e#ndruck.
da dieses sich noch in Ruhe befindliche Koll:enp.aar :erst wieder beschleunigt werden
muß, während das andere Külb:enpaar im gleichen Augenblick aber seine Höchstgeschwindigkeit
hat. Der Kolben io schlägt deshalb mit seiner vollen Wucht auf das zwischen ihm
und dem Kolben 7 befindliche Luftpolster rund bringt den Verdichtungsraum bis zu
den Zeitpunkt, in dem die Verzögerung des :einen und die Beschleunigung deb anderen:
Kolbtenpaares den gleichen Geschwindigkeitswert !erreicht, in :den Bereich der Glühkerze.
Bei einem zwangsläufigen Triebwerk würde der Külben 7 während des ganzen Verbrennungshubes
mit langsam zunehmender Geschwindigkeit weiterwandern, bis @er nach dem Durchlaufen
der Zündstelle seine Höchstgeschwindigkeit erreicht. Im letzten Abschnitt der Verdichtung
werden in dem gleich großen Raum auf der gegenüberliegenden Seite (Abb, 4. ) gleichzeitig
die Restgase durch die Nachspülöffnungen 5 und 6 .ausgespült. Dabei füllt sich der
Tütraum mit Frischluft an, die in den Laderaum überführt wird. und bei den folgenden
Arbeitsspielen ,an der Verbrennung teilnimmt. Die Nachspülöffnungen 5 und 6 sind
derart zct@ischen de;m Saugstutzen 2 und dem Auspuffstutzen 3 angebracht, .daß beis:pielsweis,e
die Auslaßöffnu:ng 6 im Saugbereich des durch den Ventilator 16 erzeugten Kühlluftstromes
liegt und die Einlaßöffnung 5 im Windschatten, ,oder .aber die Einlaßöffnung 5 liegt
im Druckbereich des Kühlwindes und die Auslaßöfnung 6 im Windschatten. Dadurch entsteht
ein kleiner Druckunterschied, der im Zusammentvirken mit der durch die Kolbenbewegung
entstehenden Fliehkraftwirkung der eingeschlossenen Luft und des im Augenblick des
Vorb.eigl,eitens der Kolben an den Spülöffnungen sich noch verkleinernde Zwischenraum
eine äußerst wirksame Ausspülung er Restgase durchführt. In gleicher Weise werden
auch die Kolben mit Unterstützung des Kühltvindes gekühlt. Diese Art von außen,
erfolgende Kolbenkühlung vermeidet die Nachteile einer Kühlung von innen durch Kanäle
in Moton :elle .und Kolbenscheiben, die besondere Kühlgebläse oder Flüssigkeitspumpen
bedingen und denen die Fliehkraftwirktung der Kühlmittel entgegenwirkt. Bei der
großen Wärmnebelastung solcher Motoren ist aber eine Kühlung der Kolben von ausschlaggebender
Bedeutung.
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Eine Vorspülung und Innenkühlung des Brennraumes, der Kolbenböden
und der Auspufföffnung :erfolgt bereits durch die Vorspülöffnung ¢, indem durch
die Ausnutzung der Strömungsenergie der plötzlich ausströmend-en Abgase am Ende
der Abgassäule :ein Unterdruck entsteht, der das Einströmen
von
Frischluft in den Zylinderraum bewirkt. Dieser Vorgang spielt sich in sehr kurzer
Zeit ab, nach :ehe die nächste Verbrennung erfolgt. In Abb. 5 ist die Kolbenstellung
dargestellt, während der die Vorspülung vor sich geht. Ein großer Teil der durch
die Vorspülung in den Zylinder eingebrachten Frischluft wird durch den folgenden
Kolbenhub in die Auspuffleitung abgedrängt (Abb. 3) und kühlt damit auch die Auslaßschlitze.
Wenn dann in der nächsten Kolbenstellung nach Abb,.4 die Kolb en 8 und g den von
ihnen gebildeten Zwischenraum vor die Nachspülöffnung 5 und 6 führen, so :enthält
dieser nicht mehr reine Abgase, sondern einen großen Teil der durch die Vorspülung
eingebrachten Frischluft, welche in der Zwischenzeit die Kolbenböden weiter gekühlt
hat. Bei der Nachspülung wird diese für die Vorspülung und Brennraumkühlung benutzte
und noch teilweise mit Abgasen durchsetzte Luft nochmals erneuert, so- daß letztere
in reinem und frischem Zustande an der folgenden Verbrennung teilnehmen 'kann und
so den Füllungsgrad der Maschine verbessert. Damit wird innerhalb des für eine Spülung
und Innenkühlung verbleibenden kleinen Zeitintervalls in zwei Stufen eine vollständige
Entfernung der Restgase bei einer gleichzeitigen wirksa.m:en Kühlung der stärksten
Wärmebeanspruchungen ausgesetzten Bauteilen.. bewirkt. Die Spülung und Frischlufteinfüllung
des dem Verdichtungsraum diametral gegenüberliegenden Zwischenraumes, der anschließend
in den Laderaum übergeführt wird, :erhöht das Ladevolumen gleichzeitig. Die Vorspülöffnung
4 ist gegen das Ausströmen von Abgasen mit leichten Klappen oder Ventilen versehen,
die nur das Einströmen von Frischluft ermöglichen. In ähnlicher Weise kann das Zurückströmen
der Abgase in der Auspuffleitung vermieden «-erden, so daß die Ausnutzung des Unterdruckes
zur Vorspülung noch wirksamer eirfolgen kann.
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Dieses Spül- und Kühlverfahren kann sinngemäß sowohl für den Motorbetrieb
mit Vergaser- als auch mit Dieselkraftstoffen angewandt werden.