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Brennkraftmaschine mit Freiflugkolben Die Erfindung betrifft Einrichtungen,
um Baulänge und Leistungsgewicht bei Maschinen mit frei fliegenden Kolben herabzusetzen.
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Bei den bisher bekannten Ausführungen von Freikolbenmaschinen nimmt
das Gewicht für die Leistungseinheit mit der Leistung stark zu; so beträgt beispielsweise
bei einer ausgeführtenTypenreihe von Freikolbenkompressoren das Leistungsgewicht
einer Maschine von ioo PS etwa 30 kg/PS, während es bei einer Maschine von
35 PS nur noch etwa 18 kg/PS beträgt. Eine nach den gleichen Grundsätzen gebaute
Maschine von io PS würde ein Leistungsgewicht von etwa io kg/PS erreichen.
Dieses Anwachsen des Leistungsgewichtes mit zunehmender Leistung erklärt sich aus
folgender Betrachtung: Nimmt man, wie es der Praxis annähernd entspricht, für alle
Maschinengrößen ein gleiches Verhältnis von Motorbohrung zu Hub sowie eine gleichbleibende
Kolbengeschwindigkeit an, so nimmt die Motorkolbenfläche linear und der Hub mit
der Wurzel aus der Leistung zu. Der Zylinderumfang und ebenso die Wandstärke wachsen
mit dem Durchmesser oder mit der Wurzel aus der Kolbenfläche. Die Länge der Maschine
nimmt linear mit dem Durchmesser oder mit der Wurzel aus der Kolbenfläche zu, so
daß schließlich das Leistungsgewicht mit der Wurzel aus dem Verhältnis der beiden
Kolbenflächen und damit der Wurzel aus dem Verhältnis der beiden Leistungen zunimmt.
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Es ist daher naheliegend und auch bereits zur Verringerung derMaschinenbaulänge
vorg eschlagen, eine größere Leistung in mehrere kleine Maschinen zu unterteilen
und diese miteinander zu kuppeln. Das bedeutet bei versetzt zündenden Zylindern,
daß bei jeder einzelnen Zündung die Masse aller Kolben
und Triebwerksteile
beschleunigt werden muß, wodurch die bei Freikolbenmaschinen sonst so überlegene
große Anfangsbeschleunigung der Kolben verringert wird. Außerdem müssen durch die
Kupplung von der einen Maschine zur anderen große Kräfte und Arbeiten übertragen
werden, wodurch sich große, die Hubzahl herabsetzende Massen und starke Beanspruchungen
der Lager und Gelenke vor allein bei Ausfall eines Zylinders ergeben: Nennenswerte
Vereinfachungen und damit Ersparnisse an den Herstellkosten treten bei einer solchen
Anordnung auch nicht ein, so daß es besser erscheint, die Maschinen unabhängig voneinander
zu betreiben; dann können bei Ausfall einer Maschine alle anderen in Betrieb gehalten
-werden - -Andererseits wurde bei Maschinen mit Über= tragung der Arbeit von den
Motorkolben mittels Kurbeil- oder Hebelgelenkgetriebe:s der Vo.rsehlag gemacht,
in mehreren nebeneinandergeoxdneten Zylindern die Kolben miteinander gekuppelt synchron
arbeiten zu lassen, um die Übertragungselemente (Kurbelkröpfungen, Hebel) in ihrer
Vielzahl zu beschränken; diese Konstruktionsvorschläge sind aus ganz anderen Gründen
entstauLden und können wegenZwischenschaltung winkelbeweglicher Elemente in die
Kraft- und Arbeitsübertragung nicht solche Vorteile mit sich bringen, wie sie durch
die erfindungsgemäße Ausbildung von Brennkraftmaschinen mit Freiflugkolben und direkter
geradliniger Übertragung der Arbeit von :den Kolben des Energieerzeugerteiles auf
den Energieumformerteil erzielt werden.
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Weitere Vorschläge gehen dahin, in einer Achse mehrere Motorzylinder
hintereinander anzuordnen und die gleichlaufenden Kolben miteinander fest zu verbindEn.
Hierbei ergeben sich die Nachteile langer Triebwerke und außerordentlich großer
Baulänge, die praktisch die Anzahl der hintereinander geschalteten Motorzylinder
auf zwei bis höchstens -drei- beschränken.
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Bei Freiflugkolbenmaschinen ist ferner der Vorschlag gemacht worden,
dem ringförmige Gestaltung zu geben. Die durch diese Anordnung erzielte Verkürzung
der Baulänge wird aber durch eine Reihe von Nachteilen erkauft; so machen .die doppelte
Abdichtung des Ringkolbens gegenüber der äußeren, insbesondere: aber -der inneren
Wandung mittels Innenspannerringen, die erforderliche Sicherung des Ringkolbens
gegen Verdrehung, die notwendige Kühlung der inneren Begrenzungswand sowie der Antrieb
der Hilfsaggregate, wie Brennstoffpumpe usw., und die für gute Brennstoffverteilung
unerläßliche Vielzahl von Einspritzorganen betrieblich große Schwierigkeiten; als
schwerwiegender Nachteil wirkt sich die wegen des großen äußeren Durchmessers notwendige
sehr starke Zylinderwandung aus, wodurch die Maschine ein unerwünscht hohes Leistungseinheitsgewicht
erhält und die Zylinderkühlung erschwert wird.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei Brennkraftmaschinen mit Freiflugkolben
aus einem Energieumformerteil, wie Gasverdichter, und einem damit verbundenen EnergieerzeugeTtell,
wie einem Dieselmotor, dessen --Kolbenstange achsparallel -zur Zylinderachse arbeitet,
an Stelle" üblicher großer Einzelzylinder mit großem Hub mehrere Zylinder kleinen
Durchmessers mit kleinerem Hub bei gleich günstigem Hubverhältnis nebeneinander
parallelachsig anzuordnen, bei denen taktgleich arbeitende Kolben durch einen gemeinsamen
Teil der ihnen zugeordneten Energieumformerseite gekuppelt sind. Der Verdichterteil
kann hierbei aus einem oder mehreren Verdichterkolben bestehen, beispielsweise bei
ein- oder mehrstufigen Verdichtern. Es kann also, wenn man die einer kleinen Maschine
zugehörige Baulänge zugrunde legt, durch Anordnung von drei Motorzylindern bei gleichem
Leistungsgewicht in -der gleichen Baulänge die dreifache Leistung untergebracht
werden, durch Anordnung von vier Motorzylindern, die vierfache usw.
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Die Erfindung läßt sich gleich vorteilhaft bei Doppelkolbenzylindern.
wie auch bei Zylindern mit einem Kolben anwenden.
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Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, die Verbrennungsräume der
einzelnen Zylinder miteinander zu. verbinden, damit ein Druckausgleich stattfinden
kann, so daß beispielsweise bei Ausfall eines Zylinders sonst auftretende einseitige
Kräfte vermieden werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, nur bei einzelnen der verbundenen Zylinder
die Brennstoffzufuhr vorzunehmen, beispielsweise bei einer Sechszylindermaschine
in zwei oder drei Zylindern. Die Einspritzung kann unmittelbar in die Zylinder oder
statt dessen in die Verbindungskanäle der Zylinder erfolgen, wobei diese auch kammerartig
ausgebildet sein können.
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Um bei gegebener Leistung und Zylinderzahl mit einem kleineren Hubverhältnis
auszukommen und damit weiterhin Hub; Baulänge und Leistungsgewicht zu verringern,
kann_man ferner den Brennstoff nur einzelnen Zylindern zuführen und diese - auf
Kosten der anderen mit einem--größeren Verbrennungsraum versehen.
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Durch solche Maßnahmen wird erreicht, daß während des Kompressionshubes
eine ständig zunehmende Strömung der Gase aus den Zylindern mit kleinen Totraum
in die übrigen oder in die Kammern auftritt und während des Expansionshubes in umgekehrter
Richtung. Beides dient einer guten Durchwirbelung und Verbrennung: Die Durchwirbelung
kann in an sich bekannter Weise begünstigt werden durch eine zweck,-ntsprechende
Form und Richtung der Verbindungen der- Zylinder sowie durch - zweckmäßige Anordnung
- und -Ausführung der Spül- und Auspufföffnungen. Auch kann die Gestaltung und Einrichtung
der Verbindungen so erfolgen, daß- eine Verbesserung der Verbrennung in an sich
bekannter - Weise durch erhöhte Temperatur bestimmter Teile erfolgt. -Unter Umständen
ist es vorteilhaft, einzelne Zylinder mit Auspufforganen und die anderen mit Einlaß-
oder Spülorganen zu versehen. Das ergibt, vor allem bei Einkolbenzylindern, eine
-günstige Spülung. Mit Rücksicht auf die Spülung vvie- äüf bauliche Gesichtspunkte
kann es auch zweckmäßig
sein, Motorzylinder mit verschiedener Bohrung
anzuordnen.
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Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, die Auspuffschlitze der
einzelnen Zylinder gegeneinander zu versetzen, so. daß sie in kurzem Abstand nacheinander
öffnen, damit der Auspuffimpuls sich zu Beginn in mehrere kleinere Stufen unterteilt
und das Auspuffgeräusch verringert wird.
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Die Anordnung der Motorzylinder kann unter Wahrung der oben aufgestellten
Bedingungen beliebig erfolgen. Jedoch werden nach einem weiteren Merkmal der Erfindung
zur Unterbringung des bei Maschinen mit gegenläufigen Kolben notwendigen Kupplungsgetriebes
zwischen den Motorzylindern einige oder mehrere Lücken :angeordnet. Besonders vorteilhaft
ist eine in der O_uerschnittsebene bogen- oder kreisförmige Anordnung der Zylinder,
weil sie es gestattet, die Lücke in der Mitte der Maschine vorzusehen. Der Antrieb
von Hilfsapparatenkann in gleicher Weise untergebracht werden oder kann auch von
der Kupplung aus durch eine Lücke zwischen den Zylindern erfolgen. Auch bei Maschinen
mit hintereinandergeschalteten Zylindergruppen kann die zwischen den Gruppen notwendige
feste Verbindung ebenso angeordnet werden.
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Zum . besseren Verständnis der Erfindung sind als Ausführungsbeispiele
zwei Doppelkolben-Dieselmaschinen mit je drei Zylindern und drei Paaren gegenläufig
arbeitender Kolben dargestellt, bei denen je drei Kolben mit einem Verdichterkolben
verbunden sind. Es zeigt Abb. i den Längsschnitt einer Maschine, deren Zylinder
in gerader Reihe angeordnet sind, Abb. 2 einen Querschnitt durch den Verbrennungsraum
dieser Maschine, Abb. 3 den Längsschnitt einer ähnlichem Maschine, bei der die Motorzylinder
kreisförmig angeordnet sind, und Abb. 4 einen Querschnitt dieser Maschine durch
den Verbrennungsraum.
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Die Motorzylinder 1, 2 und 3 der Maschine nach Abb. i und 2, in denen
sich die Motorkolben :4, 5, 6, 7, 8 und 9 bewegen, sind mit Spülschlitzen fo, i
i und 12 und mit Auspuffschlitzen 13, 14, 15 versehen. Im Zylinder :2 befindet sich
die Einspritzdüse 26. Die Kolben 4, 6, 7 und 9 sind länger als die Kolben 5 und
8, so daß sich im Zylinder 2 ein größerer, Verbrennungsraum ergibt als im Zylinder
i und 3. Die Auspuffschlitze 13, 14, 15 sind so gegeneinander versetzt, daß sie
von den Steuerkanten der Kolben kurz nacheinander Überfahren und geöffnet werden.
Die Kolben 4, 5 und 6 sind durch den hier von nur einem Verdichterkolben gebildeten
Verdichterteil 17 und die. Kolben 7, 8 und 9 durch den Verdichterteil 18 miteinander
gekuppelt. Der Verdichterkolben 17 läuft im Zylinder ig und der Verdichterkolben
18 im Zylinder 2o. Die Zylinder ig und 2o sind mit Saugventilen 21 und mit Druckventilen
22 ausgerüstet. Beide Kolbenseiten sind zum synchronen Lauf durch die nur in Abb.
2 dargestellte Kupplung verbunden, die aus den beiden Zahnstangen 23, 24 und dem
in der Mitte der Maschine gelagerten Zahnrad 25 besteht. Die Zahnstange 23 ist am
Verdichterkolben 17 und die Zahnstange 24 am Verdichterkolben 18 befestigt.
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Abb. 3 und 4 zeigen eine Maschine mit kreisförmig angeordneten Motorzylindern.
Bis auf die in der Längsachse eingebaute Kupplung sind alle Teile die gleichen wie
in Abb. i. Als Kupplung ist hier beispielsweise eine Schraubenkupplung eingezeichnet,
die aus den beidem Hülsen 27, 28 und der Schraubenspindel 26 besteht. Die Spindel
26 ist gegen Verschieben in einem Längslager 29 gelagert.