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Verpuffungsmotor -Die nachstehend beschriebene Erfindung dient dem
Zwecke, den Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen durch Anwendung eines federnd belastetenHilfskolbens
zuverbessern.
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Bekannt sind nun eine Anzahl von Vorschlägen, die sich mit der Verbesserung
von Brennkraftmaschinen durch Verwendung eines federnd belasteten Hilfskolbens befassen.
Nach einem Vorschlag soll .der Hilfskoliben mittels Blattfedern, Luftpuffer und
dem, durch den Hilfskolben und den Zylinderdeckel gebildeten Luftraum den stoßweisen
Verbrerinungsdruck abfangen, und so einen geräuschlosen Gang der Maschine bewirken.
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Bei einer anderen belrannten Ausführung ist der Hilfskolben durch
eine Spiralfeder belastet und wird beider Verdichtung bis an einen Anschlagbolzen
zurückgedrückt. Durch diese Bewegung dient er als Pumpenkolben für .die Zirkulation
des Kühlwassers: Bei einer anderen bekannten Brennkraftinaschine wird der Hilfskolben
durch Druckluft belastet, und soll hierdurch .den Verdichtungsdruckkonstant halten.
Bei einem weiteren bekannten Vorschlag ist ein federbelasteter Hilfskolben mit einer
Druckfeder gegenüber dem Arbeitskolben angeordnet. Der Schaft des Hilfskolbens ist
in einer verstellbaren Buchse geführt und wird oberhalb .des Kopfes von einer Spielausgleichsfeder
umgeben. Diese Anordnung soll bewirken, daß die Größe des Verdichtungsraumes beliebig
eingestellt werden kann. Ferner soll der Hilfskolben den überschüssigen Verbrennungsdruck
abfangen und beim Abwärtsgang des Arbeitskolbens seine in der Feder aufgespeicherte
Energie wieder abgeben.
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Eine weitere Abwandlung zeigt fast die gleiche Anordnung, jedoch ist
hier die Größe des Verdichtungsraumes nicht einstellbar, und hier dient der Hilfskolben
mit seinen Federn als Dämpfungsmittel, um hochexplosive Brennstoffe verwenden zu
können. Da nun deren Zündgeschwindigkeit außerordentlich hoch ist, so wird auch
der Hilfskolben eine große Beschleunigung erfahren, und über das gewünschte -Nfaß
hinausschießen. Hierdurch
wird mit einem wesentlichen Energieverlust
und mit starken Druckstößen zu rechnen sein.
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In allen bekannten Fällen ist der Hilfskolben am Kopfende des Motorzylinders
genüber dem Arbeitskolben angeordnet. , geg Die Ventile liegen daher in den
seitlich des Zylinders angeordneten Ventiltaschen.
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Diese Konstruktion ist mit Recht heute allgemein verlassen worden,
da dieVentiltaschen tote Räume darstellen, und andererseits Sammelstellen für unverbrannte
Rückstände und für Abgasreste sind; sie verschlechtern den Wirkungsgrad der Maschine.
die Füllung ist schlecht. Hohe Verdichtungen lassen sich bei solcher Bauart kaum
erreichen, da die Ventiltaschen einen der Ventilgröße angepaE-ten Raum haben müssen.
Die Ventilgröße ist aber wieder vom Zylindervolumen abhängig. Hieraus ergibt sich,
daß der Weg des Hilfskolbens zwecks Vergrößerung des Verdichtungsratunes sehr klein
ausfallen .muß; hei Teillast wird der Gegenkolben während der Verdichtung gar nicht,
und bei der Verbrennung auch nur unwesentlich in Funktion treten. Somit bleibt zur
Rückgewinnung nur bei Vollast ein recht geringer Teil übrig. Der Volumenvergrößerung
während der Verbrennung sind ja durch den Wärmeinhalt des Gemisches enge Grenzen
gesetzt.
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Die Richtigkeit vorstehender Darlegungen wird auch dadurch bestätigt,
daß man heute allgemein den großen Wert des guten Verbrennungsraumes (ohne Winkel
und Ecken) erkannt hat, und daher die Ventile meist hängend im Zylinderkopf anordnet.
Diese neuere Konstruktion schließt aber die Verwendung von Gegenkolben in vorbeschriebener
Anordnung aus.
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Aus vorstehendem ergibt sich nun, daß die hier besprochenen bekannten
Vorschläge keineswegs geeignet sind, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschinen in
dein wünschenswerten Maße zit verbessern.
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Im Gegensatz hierzu steht nun die nachstehend beschriebene Erfindung,
die den Bestmöglichsten Wirkungsgrad dadurch erstrebt. claß bei stillstehender Maschine
und höchster Kolbenstellung ein Verdichtungsraum im Zylinder praktisch überhaupt
nicht vorhanden ist. Der Arbeitskolben ist in einer beweglichen federnd belasteten
Laufbuchse geführt, die bei vorstehend angegebener Kolbenstellung den Zylinderraum,
der sonst als Verdichtungsraum dient, teilweise oder ganz ausfüllt. Erst bei ansteigendem
Verdichtungsdruck wird dieselbe verschoben, so claß bei Ende der Kompression der
Verdichtungsraum in der erforderlichen Größe vorhanden ist. Darüber hinaus kann
die Laufbuchse bei ansteigendemVerbrennungsdruck nochmals zurückweichen. Bei der
Expansion gibt nun die Federung der Laufbuchse, durch Rücklauf derselben in ihre
Anfangsstellung, ihre gesamte gespeicherte Energie über den ganzen Kolbenhub ab.
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Der Vorteil dieser Bauart gegenüber den %-orsteliend beschriebenen
Patenten besteht darin, daE i. diese Anordnung eine günstige Gestaltung des Verbrennungsraumes
und eine gute Unterbringung der Ventile gestattet, z. durch das Fehlen des Verdichtungsraumes
in der beschriebenen Anfangsstellung fast alle Abgase ausgeschoben werden, so da8
selbst bei kleiner Teillast ein guter Wirkungsgrad zu verzeichnen ist.
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Die Abb. i veranschaulicht nun im Schnitt eine Ausführungsform des
Erfindungsgedankens.
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Der Zylinder i eines Viertaktmotors mit im Zylinderkopf 2 angeordneten
Ventilen 3 und q. ist in vertikaler Richtung geschnitten. Die Maschine steht, der
Saughub beginnt. Der Arbeitskolben 5 ist von einer in Längsrichtung federnd beweglichen
Laufbuchse 6 geführt, deren Innenfläche ; die Lauffläche ;les Arbeitskolbens 5 bildet.
Geführt wird ciie Laufbuchse 6 im Zylinder i, während die Abdichtung zwischen Zylinder
i und Laufbuchse 6 durch die Kolbenringe 8, zwischen Arbeitskolben 5 und Laufbuchse
6 durch die Kolbenringe 9 vollzogen wird. Die Feder io drückt die Laufbuchse 6 so
weit nach oben, bis der Ringansatz i i im Zylinder i zur Anlage kommt. Der zwischen
Arbeitskolben 5, Laufbuchse 6 und dem Zylinder i verl7leibende Raum 12 ist so klein
gehalten, daß auch bei kleiner Teillast der Verdichtungsraum erst durch erhebliches
Zurückweichen der Laufbuchse 6 seine erforderliche Größe erreichen kann. Die Feder
io ist so bemessen, daß die Volutnenvergrößerung durch den Rückgang der Laufbuchse
6 und der Druckanstieg während der Verbrennung voll gedeckt sind. Die Abb. i zeigt
zwecks klarer Darstellung der wesentlichen Merkmale die einfachste Ausführungsart;
es kann z. B. möglich sein, daß wegen besonderer Gründe statt einer Feder, zwei
Federn oder mehrere mit verschiedenen spezifischen Dehnungswerten erforderlich werden,
oder aber daB man der Laufbuchse eine abweichende Form geben muß. u. dgl. mehr.
Auf jeden Fall wird jedoch an der Grundbedingung, nämlich praktisch ohne Verdichtungsraum
in der angegebenen Stellung, nichts geändert werden.
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Die nun folgenden Arbeitsvorgänge in der' Maschine seien am Diagramm
in Abb.2 erklärt. Das kleinste Volumen h,1", entsprechend der Kolben- und Laufbuchsenstellung
in Abb. i, wird durch den Abstand der Ordinaten
15 und 16 dargestellt.
Dem Abstand der Ordinaten 16 und 17 entspricht das Verdichtungs-Endvolumen Ire,
während der Kolbenhubraum VI, durch die Entfernung der Ordinaten 16 und i3 dargestellt
wird. Das gestrichelte Diagramm entspricht einem normalen Motor gleicher Größe und
gleichen Verhältnissen. Die Schräge i9, die im Punkt 2o die Ordinate 17 und .im
Punkt 21 die Linie 15 schneidet bzw. berührt, zeigt die Vergrößerung .des #Verdichtungs-
bzw. Verbrennungsraumes inAbbängigkeitvomDruck, und stellt gleichzeitig die Charakteristik
der Feder io (Abb. i) dar. Hat der Verdichtungsdruck den Punkt 2i' und 21 erreicht,
so beginnt die Laufbuchse 6 sich zu senken; bei Punkt 2o' und 2o ist ,das Ende der
Verdichtung erreicht. Das Anfangsvolumen ist um den Abstand der Ordinaten 17 und
15 gewachsen, der Druck um .den vertikalen Abstand der Linien 2i'12i und 2o''2o.
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Bei der nun einsetzenden Verbrennung wächst das Volumen weiter bis
auf den waagerechten Abstand des Punktes 22 von der Ordinate 16. Der Druck ist gleichzeitig
bis zum Punkt 22' gestiegen. Bei der .nun einsetzenden Expansion und absinkendem
Druck folgt die durch die Feder io belastete Laufbuchse 6 in Abhängigkeit vom jeweiligen
Druck, bis in .ihre ursprüngliche Anfangsstellung nach. Durch diesen Vorgang wird
die Expansionskurve viel flacher und überschneidet bereits bei Punkt 23 die Normalkurve.
Dadurch tritt aber .der in Abb.2 deutlich .sichtbare Vorteil hervor, daß die Druckverteilung
bezüglich der Gestängeausnutzung günstiger geworden .ist. Nebenbei sei noch erwähnt,
daß bei Verpuffungsmotoren die höchste Verbrennungstemperatur entsprechend dem niedrigeren
Druck niedriger liegt und daher die Materialbeanspruchung geringer ist. Leichtere
Bauart wäre für diese Maschinenarten möglich. Bei Teillasten wird, wie schon erwähnt,
durch die verdichtungsraumlose Konstruktion der Wirkungsgrad ebenfalls günstig liegen,
da der Motor sich mechanisch auf die jeweiligen Füllungsverhältnisse einstellen
kann. Hierbei ist es gleichgültig, ob sich die Füllungsmenge oder aber .die Qualität
des Brennstoffgemisches ändert.
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Die Anwendung dieser Erfindung beschränkt sich nun nicht nur auf Verpuffungsmotore,
sondern kann auch auf Diesel- und ölmotore sowie Kolbendampfmaschinen angewendet
werden.