-
Zweitaktmotor mit durch gegenläufige Kolben in einem Zylinder gesteigerter
Expansion Gegenstand dieser Erfindung ist ein Motor mit gegenläufigen Kolben, von
denen der eine, in schon bekannter Art, die doppelte Hubzahl als der andere hat.
Zum Unterschied von den bekannten Motoren wird diese Phasenverschiebung beider Kolben
dazu benutzt, einen Expansionsraum zu schaffen, der ein Vielfaches des Ansaugeraumes
ist. Hierdurch wird erreicht, daß die `'Wärmeenergie der Brenngase weitgehender
in Arbeit umgesetzt wird, als es heute der Fall ist. Wegen der stärkeren Expansion
verlassen nämlich die Auspuffgase den Motor mit einer tieferen Temperatur, als es
heute üblich ist. Da sie im Auspuffzustand etwa i ata statt, wie heute üblich, 3
bis 5 ata besitzen, wird außer dem besseren Wirkungsgrad der Maschine auch ein nahezu
geräuschloser Gang erzielt. Da die Zündung bei dieser Maschine außerdem dann vor
sich geht, wenn der Raum zwischen den Kolben zwar am kleinsten ist, einer der Kolben
dabei aber nicht in Totpunktstellung steht, sondern gerade mit der Kurbel etwa einen
Winkel von 9o° bildet, so kann auch im Moment des höchsten Drucks unmittelbar, ohne
vorherige Abkühlung der Gase, Arbeit geleistet werden. Dadurch ist der Wirkungsgrad
des Motors ebenfalls günstig beeinflußt. Der hier vorgeschlagene Motor macht sich
diese Art der Zündung zu eigen, die bisher bei anderen Motoren allerdings schon
bekannt war. Der hier vorgeschlagene Motor kann sowohl für das Dieselprinzip als
auch für das Ottoprinzip verwendet werden.
-
Motoren mit gegenläufigen Kolben und verschiedener Drehzahl derselben
sind bereits bekannt. Die
daraus folgende Tatsache, daß sich dadurch
abwechselnd ein Hubraum von kleinem und ein solcher von großem Volumen ergibt, wird
aber bis heute entweder nur dazu ausgenutzt, um die öffnungszeiten des Auspuffventils
etwas zu verlängern (amerikanisches Patent 2 494 890) oder um das Ansaugevolumen
gegenüber dem Expansionsvolumen zu vergrößern (deutsches Patent 635 814). Beide
Tatsachen mögen wohl für gewisse Fälle Vorteile ergeben, jedenfalls verbessern sie
aberdenWirkungsgrad des Motors nicht. Dieser wird sogar, wenn das Ansaugevolumen
gegenüber dem Expansionsvolumen vergrößert wird, wesentlich heruntergesetzt. Im
Gegensatz hierzu ergibt jedoch die hier vorgeschlagene Maschine einen Motor mit
wesentlich besserem `'Wirkungsgrad (etwa 12% besser, auf die verlustlose Maschine
bezogen), verglichen mit den heute üblichen Motoren, deren Expansionsvolumen gleich
dem Ansaugevolumen ist. Die vorliegende Erfindung steht also im bewußten Gegensatz
zu den Motoren mit Aufladung, bei denen nämlich die Leistung der Maschine auf Kosten
des Wirkungsgrades erhöht wird. Der hier vorgeschlagene Motor hat zwar einen kleineren
mittleren Druck und darum auch eine etwas geringere Leistung je Gewichtseinheit,
jedoch dafür den bedeutend besseren Wirkungsgrad, verbunden mit der Geräuschlosigkeit.
-
Die Hauptkennzeichen des Zweitaktmotors, der den Gegenstand dieser
Erfindung bildet, sind die folgenden: a) In einem gemeinsamen Zylinder befinden
sich zwei gegenläufige Kolben, von denen der eine die doppelte Hubanzahl als der
andere hat (schon bekannt), der Abstand der Lagerungen für die Kurbeln, die die
Kolben betätigen, ist aber so gewählt, daß die Phasen gleichsam ineinandergreifen
(Abb. 7). Der größte Abstand der Kolbenenden ist demnach nicht mehr etwa = 4 # r
(wenn r den Kurbelradius bedeutet) wie bei der amerikanischen Patentschrift 2 49:I
890, sondern annähernd = 3 r.
-
b) Es bildet sich demnach während der Arbeitsperiode abwechselnd je
ein Raum mit dem Kolbenabstand von annähernd 3 - r und annähernd i - r ähnlich
wie bei dem in der deutschen Patentschrift 635 814 beschriebenen Motor. Ganz im
Gegensatz hierzu findet nun aber das Ansaugen nicht im großen Raum (= 3 -r), sondern
im kleinen Raum (= i - r) statt.
-
c) Hierdurch expandieren die heißen Gase praktisch etwa dreimal so
stark als bei den üblichen Motoren; das führt zu einer Herabsetzung ihrer Endtemperatur
und gleichzeitig einer Erniedrigung des Auspuffdruckes auf etwa i ata.
-
d) Der hier geschilderte Motor besitzt darum, einerlei ob dieses Prinzip
nun auf das Dieselsystem oder das Verpuffungssystem Anwendung findet, einen Wirkungsgrad,
der, auf die verlustlose @faschine gerechnet, etwa 12% höher liegt als derjenige,
der mit Maschinen erreicht werden kann, deren Ansaug- und Expansionsvolumen gleich
groß ist. Dazu tritt dann noch die wegen Fortfalls des Auspuffdruckes fast völlige
Geräuschlosigkeit des Laufens. Zur Veranschaulichung für die heispielluafte Konstruktion
und die Arbeitsweise des \-orgeschlagenen Motors dienen die Fig. i bis ;.
-
Fig. i stellt die Kolbenstellungen dar in dem Augenblick, wenn das
Ansaugen gerade beendet ist; Fig.2 zeigt die Kolbenstellungen während der Kompression;
Fig. 3 zeigt die Kolbenstellungen nach erfolgter größtmöglicher Expansion der Gase;
Fig.4 zeigt die Kolbenstellungen, nachdem die Brenngase ausgestoßen worden sind:
Fig. 5 zeigt diesen Vorgang im logarvthmischen P-V-Diagramm schematisch dargestellt;
Fig. 6 zeigt den gleichen Vorgang im Q-L-Diagramm (geschildert in »Maschinenl)au-und
Wärmewirtschaft«, Jahrgang 1949, Heft 5 S. 66 bis 70, Springer-Verlag in @'@'ien)
Fig. 7 zeigt ein Diagramm der KolbenbeNvegungen als Sinuskurven dargestellt.
-
Hierin bedeuten: i gemeinsamen Zylinder für beide Kolben 2 und 6,
2 Kolben, der die schnelle Hubanzahl besitzt, 3 dessen Kolbenstange, 4 dessen Kurbel,
5 dessen Kurbelgehäuse, 6 Kolben, der die langsame Hubzahl vollführt, 7 dessen Kolbenstange,
8 dessen Kurbel, 9 dessen Kurbelgehäuse, io Ventilgehäuse mit Sitz usw., i 1 Auslaß@-eiitil.
12 Einlaßventil, 1' (Fig. 5 und 6) Ausgangszustand des Gases oder der Luft (z. B.
i ata, i cbm, 30o° Kelvin), ?' Zustand nach Beendigung der adiabatischen Kompression
(die angeführten Beispiele gelten für den Ottomotor), 3' Beendigung der isochoren
Verbrennung, 4 Zustand im Moment des Auspuffes für den Motor, wie im deutschen Patent
635 814 geschildert, 5' Zustand im Moment des Auspuffes für den Ottomotor üblicher
Bauart, 6' Zustand im :Moment des Auspuffes für den Motor nach der Erfindung, ,-'
Tndpunkt des Linienzuges im Q-L-Diagramm für den Motor nach dem deutschen Patent
635 814, 7ä Endpunkt des Linienzuges für den gleichen Motor, wie er sich vielleicht
durch zusätzliche Installationen noch erreichen ließe, 8' Endpunkt des Linienzuges
für einen Ottomotor der heute üblichen Bauart, 9' Endpunkt des Linienzuges für den
vorgeschlagenen :Motor, falls die Arbeit für die Isobare Ausstoßung der Brenngase
nicht in Betracht gezogen wurde. 9ü Endpunkt des Linienzuges nach Inbetrachtziehung
der Arbeit für die Isobare Ausstoßung der Auspuffgase, 13 (Fig. 7) Zeitpunkt, in
dem das Ansaugen soeben beendet ist, 14 Zeitpunkt der größten Kompression (also
gleich Zeitpunkt der Zündung), 15 Zeitpunkt der größten Expansion, 16 Zeitpunkt,
in dem die Ausstoßung der Auspuffgase soeben beendet ist, a zus:itzlichen Abstand,
der nur einen Bruchteil des Kurbelhalbmessers darstellt, r Abmaß des Kurhelhalbmessers,
17 Nullage, um die die langsam laufenden Kolben sinusförmig schwingen, 1 8 Nullage,
nun die die schnell laufenden Kolben sinusförniig schwingen.
-
In der Stellung, wie in Fig. i dargestellt, hat das Saugventil 12
eben geschlossen; im Raume zwischen beiden Kolben, wenn wir den Ottounotor als Beispiel
annehmen, befindet sich das Gas-Luft-Gemisch. Nun bewec sich Kolben < iiacli
rechts. wird aber
von Kolben 2, der ja größere Winkelgeschwindigkeit
besitzt, bald fast eingeholt. Hierdurch komprimiert sich das Gas-Luft-Gemisch z.
B. auf das Sechsfache; in dieser Stellung (Fig.2) erfolgt nun die Zündung. Dabei
ist der Kolben 2 noch nicht ganz im Totpunkt, erfährt also einen gewissen, jedoch
kleinen Rückdruck. Der Kolben 6 ist aber fast in der günstigsten Stellung, erfährt
also eine starke Beschleunigung, die sofort in maximale Arbeit umgesetzt wird. Jetzt
nimmt der Raum schnell zu. Die Gase können also annähernd adiabatisch expandieren,
da nicht viel Zeit zur Abkühlung zur Verfügung steht. Ist der Hubraum schließlich
dreimal so groß geworden, als der Ansaugraum war, so ist die Expansion beendet (Fig.3).
Nun erfolgt die Ausstoßung, die beendet ist in der Stellung der Fig. 4. Dabei ist
das Auslaßventil 12 geöffnet. Nur. schließt dieses, Ventil i i (Einlaßventil) öffnet,
der Raum zwischen den Kolben nimmt zu, bis er wieder die Stellung der Fig. i erreicht
hat, worauf sich der Vorgang wiederholt. Da die Kompression nicht in der Mitte des
Zylinders i stattfindet, sind die Kolben an ihrem oberen Ende etwas eingezogen oder
besitzen über den Ringen einen kleinen Kanal in der Längsrichtung (in der Zeichnung
am oberen Ende eingezeichnet).
-
Arbeitet dieser Motor als Dieselmotor, so wird nicht ein Gas-Luft-Gemisch,
sondern nur Luft komprimiert, und die Einspritzung beginnt dann kurz vor der in
Fig. 2 eingezeichneten Stellung.
-
Aus der Fig. 5 und insbesondere Fig.6 ist ersichtlich, daß der Linienzug.der
thermodynamischen Zustandsänderungen für alle drei Motoren, nämlich derjenigen nach
dem deutschen Patent635814,demjenigen nach dem amerikanischen Patent 2 494
890
wie bei den heute üblichen Motoren und für den hier vorgeschlagenen Motor
von Punkt i' bis Punkt 4', identisch ist. Hier erst beginnt der Unterschied. Die
Horizontalabstände zwischen den Punkten 7Q' bis 90' bzw. 8' bis 9a' zeigen eben
an, um wieviel Mehrarbeit beim vorgeschlagenen Motor herausgeholt werden kann bei
genau gleichbleibender Wärmezufuhr.
-
In Fig. 7 ist das Diagramm der Sinuskurven so dargestellt, daß diese
Kurven sich eben tangieren. Für die Praxis ist es natürlich zweckmäßiger, den unteren
Sinuskurvenzug noch etwas nach rechts unten zu verschieben, so daß also im Zeitpunkt
14 noch ein gewisser Abstand zwischen den beiden Kolben bleibt, der dem Kompressionsraum
entspricht, im Zeitpunkt 16 aber die beiden Kolben sich einander fast berühren (rechts
in Fig.7 etwas angedeutet) .
-
Der mittlere Druck bei diesem Motor ist naturgemäß niedriger als bei
den üblichen Maschinen. Dadurch ist auch die Leistung je Hub etwas kleiner. Dieser
Nachteil wird aber mehr als aufgewogen durch den dadurch erzielbaren viel besseren
Wirkungsgrad, einerseits durch die stärkere Expansion der Brenngase, andererseits
durch die Ausnutzung des höchsten Druckes bei günstigster Kurbelstellung, andererseits
durch die kürzere Zeit für die Abkühlung. Bei einem Flugzeug wird dadurch der Aktionsradius
bedeutend erhöht, weil weniger Brennstoff mitzuführen ist, und nur unbedeutend vermindert,
weil der Motor selbst etwas schwerer ist. Auch ist die Geräuschlosigkeit ein ganz
wesentlicher Vorteil. Ein weiterer Vorzug dieses Motors besteht darin, daß eigentlich
keine prinzipiell neuen Teile zu konstruieren sind, sondern man kommt mit den Elementen
des Junkersmotors auch für diesen Motor aus. Dadurch wird er nicht teurer als heute
übliche Maschinen und dennoch erheblich besser.
-
Beachtenswert ist auch der Umstand, daß in den Kurbelgehäusen mehr
Luft verdrängt wird, als im Raume zwischen den Kolben für das Ansaugen benötigt
wird. Man kann diesen Überschuß evtl. zur Auf ladung verwenden.
-
Naturgemäß können auch die Durchmesser und die Hübe beider Kolben
verschieden groß gewählt werden. Hierdurch ergibt sich eine außerordentliche Anpassungsfähigkeit
dieser Maschine an die verschiedensten Erfordernisse, z. B. große Flughöhen usw.