-
Kolbenmaschine Heutige thermodynamische Kreisprozesse und die Ausführungen
der volumetrischen Wärmemaschinen mit bekannten Kolbentriebwerken haben ihren höchsten
Entwicklungswert erreicht, trotzdem sind ihre Mängel zahlreich.
-
Verbesserungen bei den Kolbenmaschinen, wie Dampf- und Gasmaschinen
und Kompressoren, die den Gegenstand dieser Erfindung darstellen, ermöglichen eine
Weiterentwicklung der volumetrischen Maschinen.
-
Bei den üblichen Kreisprozessen der Dampf- und Gasmaschinen entstehen
Verluste infolge der Drosselung des Arbeitsstoffes beim Eintritt in den Zylinder,
infolge der Vorentspannung beim Austritt des Arbeitsstoffes, d. h. daß der Arbeitsstoff
nicht bis zum Ende expandiert, sondern eherheraustritt, besonders bei Wasserdampf,
der kondensiert und Wasserschläge erzeugt, infolge des verhältnismäßig hohen Druckes
beim Heraustreten und Verdichten am Ende des Verdrängehubes, so daß infolge des
Eintretens des frischen Arbeitsstoffes kein plötzliches Druckgefälle eintreten kann.
Das Leistungsgewicht dieser Maschinen ist groß; diese können nicht hohe Drehzahlen
erreichen, weil die Strömungen des Arbeitsstoffes nicht in Gleichrichtung verlaufen.
Mit der Erhöhung der Drehzahl wird beim Bintritt des Arbeitsstoffes die Drosselung
stärker.
-
Die hier vorgeschlagene Maschine mit kreisoszillierender Bewegung
des Kolbens hat keinen der vorher erwähnten Mängel. In thermodynamischer Hinsicht
erreicht sie den idealen Clausius-Rankine-Kreisprozeß und ermöglicht hohe Drehzahlen.
-
Bestehende Maschinen mit kreisoszillierender Bewegung des Kolbens
(konnten keine breitere Anwendung finden und werden hauptsächlich als Pumpen und
Verdichter verwendet. Sogar für diese Zwecke angewandt, haben sie kleine Wirkungsgrade.
Dieses hauptsächlich aus dem Grunde, weil die Abdichtung, Regulierung, Schmierung
und
Kühlung bei diesen Maschinen Schwierigkeiten bereitet.
-
Bei der hier vorgeschlagenen Maschine sind die vorher erwähnten Mängel
beseitigt, so daß sie nicht nur als Kompressor und Pumpe, sondern auch als Dampfmotor,
Motor, der zu seinem Betrieb die Abgase benutzt, und sogar als Brennkraftmaschine
mit hohem Wirkungsgrad verwendet werden kann.
-
Fig. i zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsart der
Maschine mit kreisoszillierender Bewegung des Kolbens. Im Zylinder i befindet sich
der Kolben 2, der in seinem Mittelpunkt mit der Kurbelwelle 3 verbunden ist. Am
unteren Teil des Zylinders und innerhalb der Deckel ist die Trennplatte q. fest
eingesetzt. Beiderseits dieser Platte gleiten zwei Halbnüsse 5 und B. Diese Halbnüsse
sind durch den Kolben so umfaßt, daß der Kolben frei um ihren gemeinsamen Mittelpunkt
oszillieren kann. In der Tragwand des Kolbens :2 befindet sich eine Aussparung von
gegebener Form 7, die ermöglicht, daß sich der Kolben über die feste Trennplatte
q. hinweg bewegen kann. Auf der rechten Seite der Platte befindet sich das Ventil
29, das zum Einführen des Arbeitsstoffes dient (unter dem Druck beim Motor und mit
Unterdruck als Vakuumpumpe). Auf der linken Seite der Trennplatte befindet sich
die Öffnung 32, die ständig offen bleibt und zum Abführen der Reste des Arbeitsstoffes
dient. Diese schematische Darstellung zeigt die vier Stellungen des Kolbens bei
seiner Bewegung im Zylinder, und zwar für go°-Kurbelwinkel.
-
Die Maschine mit kreisoszillierender Bewegung des Kolbens arbeitet
folgendermaßen: Der Arbeitsstoff unter Druck (z. B. beim Dampfmotor) strömt durch
das Ventil 29 und wirkt auf die Arbeitsfläche des Kolbens 2. Die Arbeitsfläche des
Kolbens bleibt nicht konstant, sondern ändert sich mit der Kurbelstellung. Die Größe
der Arbeitsfläche ist abhängig von der Länge des Bogens (d. h. der Sehne), dem.
Umfang des Kolbens und von seiner Breite. In der Stellung d ist dieArbeitsfläche
gleich Null, dagegen hat sie in der Stellung b ihren größten Wert. Die Kraft P,
die das Produkt aus dem Arbeitsdruck und der Fläche darstellt, wirkt immer senkrecht
auf .die Sehne T, ihre Richtung dagegen verläuft durch den Mittelpunkt des Kolbens.
Infolgedessen drückt der Kolben nicht auf die Trennplatte q. und auch nicht auf
die Zylinderwand i, sondern im Mittelpunkt der Lager übt er die Kraft auf die Kurbel
der Welle 3 aus. Diese Tatsache ist besonders günstig, da kein Festklemmen der Halbnüsse
5 und 8 sowie auch 'keine Abnutzung der Trennplatte q., der Halbnüsse 5, des Zylinders
i und des Kolbens 2 stattfinden kann, was .sonst bei den anderen Konstruktionen
der Fall ist. Da sich die Kurbelwelle 3 unter der Wirkung der Kraft P um einen gewissen
Grad dreht (z. B. 9o°, Stellung a), schließt das Ventil 29, und es beginnt die Ausdehnung
des Arbeitsstoffes. Dabei fällt der Druck, aber die Arbeitsfläche des Kolbens vergrößert
sich so, daß die Größe der Kraft auf der Kurbelwelle langsamer abnimmt, als das
der Fall bei konstanter Fläche des Kolbens wäre. Dieses dauert bis i8ö° des Kurbelwinkels,
d. h. bis zur Stellung b. Im weiteren Verlauf verkleinert sich die Sehne, d. h.
die Arbeitsfläche des Kolbens, und in der Stellung c ist sie gleich groß wie in
der Stellung a, wodurch sich die Kraft auf die Kurbelwelle verkleinert. In der Stellung
d ist die Ausdehnung beendet, die mit der Ladung fast 36o° (vermindert um die Größe
der Öffnung im Zylinder) gedauert hat. Bei weiterer Bewegung des Kolbens spielt
sich auf der rechten Seite ein neuer Arbeitsprozeß ab, dagegen auf der linken Seite
erfolgt .das Abführen der Reste des Arbeitsstoffes; dafür ist minimale Arbeit erforderlich,
weil die Öffnung kaum genügend groß bemessen werden kann, damit die Drosselung und
die Wasserschläge bei .der Kondensation nicht eintreten können. Demnach ist für
72o° des Kurbelwinkels der ganze Prozeß beendet, d. h. vom Anfang des Eintretens
des Arbeitsstoffes bis zu seinem vollkommenen Heraustreten aus dem Zylinder. Auf
36o° spielt sich ein neuer Prozeß ab, und sie folgen hintereinander. Die Strömung
des Arbeitsstoffes verläuft gleichrichtig, so daß eine solche Maschine hohe Drehzahlen
erreichen kann.
-
Bei der vorgeschlagenen Maschine ist der schädliche Raum außerordentlich
klein und hängt nur von der Größe des Ventilkorbes ab. Die Vergrößerung des Zylinderinhaltes
ändert sich bedeutend langsamer als bei der Maschine mit geradliniger Bewegung des
Kolbens. Diese Vergrößerung besteht während 36o°-Kurbelwinl<el im Gegensatz zu
üblichen Kolbenmaschinen, bei denen sie nur für iSo° besteht.
-
In Fig. 2 sind die Kurven der Vergrößerung des Zylinderinhaltes bei
dieser und bei der üblichen Maschine gegenübergestellt. Die Ordinate stellt den
Inhalt des Zylinders dar, die Abszisse .den Kurbelwinkel. Die Kurven zeigen, daß
die Füllung von 12,51/o, bei der üblichen Kolbenmaschine nur 37°-Kurbelwinkel entspricht,
dagegen bei der vorgeschlagenen Maschine go°-Kurbelwinkel. Für eine Füllung von
251/o ist bei der üblichen Maschine 55°-Kurbelwinkel und bei der vorgeschlagenen
13o'-Kurbelwinkel vorhanden. Bei 5oo/oiger Füllung dagegen sind die Werte 82° gegenüber
i8o°. Falls demnach beide Maschinen mit gleicher Drehzahl laufen, ist die Füllungszeit
bei der vorgeschlagenen Maschine länger als bei der üblichen Kolbenmaschine. Dieses
bedeutet, daß die vorgeschlagene Maschine viel kleinere Öffnungen haben kann und
daß dadurch die Drosselung nicht größer wird.
-
Auf Grund des Vorhererwähnten hat diese Maschine beinahe 1-,einen
schädlichen Raum, keine Drosselung: Der Druck beim Heraustreten des Arbeitsstoffes
aus dem Zylinder kann besonders klein sein, und eine Vorverdichtung des Arbeitsstoffes
vor der neuen Füllung ist nicht notwendig, so daß diese Maschine in thermodynamischer
Hinsicht einen idealen Clausius-Rankine-Kreisprozeß vollbringt.
-
In Fig. 3 a, 3 b und 3 c ist das Arbeitsdiagramm einer ausgeführten
Dampfmaschine mit kreisoszillierender
Bewegung des Kolbens dargestellt.
Diese Maschine arbeitet bei i5oo U/min mit Wasserdampf von i i at abs. und 3oo°
C. Das Diagramm 3 a stellt den Clausius-Rankine-Arbeitsprozeß in p-v-Koordinaten
für normale Füllung von 16'/o dar.
-
Bei normalem Kolbentriebwerk ist die Kraft, die auf den Kolben wirkt,
gleich von Produkt p - _g, wobei die Kolbenfläche A = konst. ist. Bei der hier vorgeschlagenen
Maschine dagegen ist dies nicht der Fall, sondern- jedem Punkt des Diagramms entspricht
ein Punkt auf der Kurve B (Fig. 3b). Diese Kurve stellt die Änderung des Arbeitsinhaltes
dar, aus der man durch eine auf die Abszisse gezogene Senkrechte den Kurbelwinkel
a ermitteln kann. Dieselbe Senkrechte schneidet die Kurve C (Fig. 3b), die die Änderung
der Arbeitsfläche A des Kolbens darstellt. Das Produkt des Druckes und dieser Fläche
ergibt die Kraft auf den Kolben im Verhältnis zum Kurbelwinkel a (Kurve D des Diagramms
3 c) .
-
Während der Arbeit dieser Maschine führt der Kolben -zwei Bewegungen
aus: eine Kreisbewegung seines Schwerpunktes (harmonische Schwingung) und eine Schwingung
um den Schwerpunkt. Die erste Bewegung ist durch die zentripetale Kraft hervorgerufen.
Die Zentrifugalkraft, mit welcher der Kolben auf den Kurbelschenkel wirkt, kann
durch Gegengewichte ausgeglichen werden. Die zweite Bewegung ist durch die Trennplatte
(Fig. i) hervorgerufen. Diese Bewegung zeigt veränderliche Geschwindigkeiten, und
der Winkel der Eigenschwingung des Kolbens hängt vom Kurbelwinkel ab.
-
In Fig. :1. ist das Diagramm der Tangentialkräfte dargestellt für
eine Zweizylindermaschine, bei der die Kolben um iSo°-Kurbelwinl:el versetzt sind.
Die Kurve A1 stellt die Tangentialkräfte des Dampfdruckes dar für einen Zylinder
und die Kurve .411 für den zweiten. Die Kurve B zeigt die Schwingungskräfte des
Kolbens. Die Kurve C ist die Summe der Tangentialkräfte in einem Zylinder und die
Kurve D die Summe der Tangentialkräfte beider Zylinder. Der Mittelwert der Tangentialkräfte
ergibt die Gerade E. Durch Planimetrieren der schraffierten Flächen sieht man, daß
der Ungleichförmigkeitsgrad einer solchen Zweizylinderrnaschine sogar ohne Schwungrad
klein ist. Bei der ausgeführten Maschine beträgt er nur
In Fig. 5 ist der schematische Querschnitt A-B durch die in Fig.6 dargestellte Dampfmaschine
mit kreisoszillierender Bewegung des Kolbens zu sehen.
-
In Fig. 6 ist ihr Längsschnitt nach Linie C-D der Fig.5 gegeben.
-
In Fig. 7 ist der schematische Querschnitt der Halbnüsse nach Linie
A-B der Fig. 8 und in Fig. 8 der Längsschnitt nach Linie C-D der Fig.7 gegeben.
-
In Fig. 5 a und 6 a ist die schematische Ansicht der Nockenwelle gegeben.
Die Nocke weist verschiedene Querschnitte auf. In Fig.9 ist die schematische Ansicht
des Kolbens 2, der Halbnüsse 5 und 8, der Trennplatte q. und der Seitendichtungsringe
12 zwischen den Kolben 2 und dem Deckel 13 nach Schnitt A-B der Fig. io, d. h. wenn
der Deckel abgehoben wird, gegeben.
-
InFig. io ist schematischderOuerschnitt desKolbens und der Ringe nach
Linie C-D in Fig. 9 gegeben. Die Maschine besteht aus zwei Zylindern i und ja, in
diesen sind die Kolben 2 und 2a um 18o° gegeneinander versetzt. Die Kurbelwelle
3 ist aus drei Teilen durch konische Verbindungen zusammengesetzt. Die Kurbelschenkel
dringen durch die Lager, die sich im Mittelpunkt der Kolbentragwand 2 und 2a befinden.
Im unteren Teil der Zylinder i und 1a und zwischen den Zylinderböden und ihren Deckeln
sind die Trennplatten q. und 4.a fest eingesetzt. Längs der Trennplatte, auf der
Hochdruckseite bzw. auf der Seite des Ventils 29, gleitet die Halbnuß aus zwei Teilen
5 und 6. Diese zwei Teile sind untereinander eingekeilt, und zwischen ihnen befindet
sich eine Spiralfeder 7, die die Teile axial voneinander drückt (Fig. 7 und 8),
wodurch eine Abdichtung auf ihren Stirnflächen erreicht wird. Auf der anderen Seite
der Trennplatte ist die Halbnuß 8, in der sich zwei Keile 9 und io befinden. Diese
weisen Winkel- auf, die kleiner sind als der Selbstsperrungswin'kel, und die Keile
werden ebenso durch die Feder i i voneinander gedrückt. Unter der Wirkung der Feder
i i entstehen zwei Kräfte von der Größe
Diese werden durch die Halbnuß 8 auf den Kolben 2 übertragen, so daß der Kolben,
auf der Gegenseite der Trennungsplatte q., mit der Kraft F die Teile der Halbnüsse
5 und 6 auf die Trennplatte 4 drückt. Dadurch sind die Flächen zwischen den Kolben
i, der Halbnüsse 5 und 6 und der Trennplatte 4. unter den notwendigen spezifischen
Druck gesetzt und eineAbdichtung des Arbeitsstoffes gesichert.
-
Seitlich zwischen dem Kolben :2 und Zylinder i bzw. seinem Deckel
13 (Fig.9 und io) wird die Abdichtung durch einen Ring 12, dessen Querschnitt trapezförmig
ist, erreicht. Die Querschnittseiten dieses Ringes, die den Zylinderdeckel 13 und
die Kolbenkante berühren, stehen unter einem spitzen Winkel (z. B. 45°). Da die
innere Spannungskraft des Ringes wie auch bei allen Ringen radial wirkt, drückt
sie infolge dieses Winkels axial auf und dichtet seitlich ab. Ein solcher Ring hat
kein Spiel zwischen den Zylindern sowie zwischen den Kolben, so daß gute Abdichtung
gesichert ist. Jede andere Form des Ringquerschnittes muß in der Zylinderkante größeres
Spiel haben, was bei den bereits bestehenden Maschinen der Fall ist, hier ist er
dagegen minimal. Auf der Gegenseite .des Kolbens ist ein solcher Ring nicht notwendig,
da seine Reaktion einen Kolbendruck auf den Zylinder ausübt. Der Ring 12 ist durchschnitten,
und sein Ende 1.4 (Fig. 9) liegt neben der Nuß 5 auf der Druckseite des Arbeitsstoffes,
da er durch die Reibungskräfte zwischen dem Ring und Deckel gehalten wird. Das andere
Ende des
Ringes ist frei und ermöglicht seine Dehnung, befindet
sich auf der Austrittsseite des Arbeitsstoffes, und infolgedessen ist es bedeutungslos,
falls er nicht .dichtet. Ein .solcher Kegel zwischen dem Ringi2 und Kolben2 läßt
eine gewisseUng.enauigkeit bei der Bearbeitung des Zylinders, Deckels und des Kolbens
zu in bezug auf die Parallelität seiner Flächen; trotzdem wird ein tadelloses Dichten
erreicht.
-
Die Abdichtung zwischen der Innenfläche des Zylinders i und der Kolbenkante
2 ist in zwei Ausführungen gegeben.
-
Die erste Ausführung verwendet Plättchen 16 (Fig. 5 und 6), die in
den Nuten der Innenseite des Zylinders i angebracht sind. Diese Plättchen stehen
aus der Wand des Zylinders etwas vor und sind auf dem Umfang so angeordnet, daß
die Kolben immer mit ihrem Rand wenigstens eines von diesen berühren. Außerdem bewirkt
auch das `kleine Spiel zwischen den Kolben und dem Zylinder eine Abdichtung, da
dem Arbeitsstoff auf seinem Wege Hindernisse gesetzt sind, die eine gute Abdichtung
sicherstellen. Die Reibung entsteht nur zwischen den Kolben und einer oder ,zwei
dieser Plättchen, die sich gegenseitig abwechseln und die mit konstanter Kraft der
Feder 17 gedrückt sind. Die Kolben nähern sich den Plättchen mit gewisser Geschwindigkeit,
die einen kleinen Zusammenstoß hervorruft. Da diePlättchen etwas vorstehen außerhalb
des Zylinders und da die Geschwindigkeit des Kolbens abnimmt und im Moment der Berührung
mit dem Zylinder gleich Null ist, wird der Zusammenstoß kleiner. Außerdem .ist die
Masse der Plättchen klein, so daß eine kleine Federkraft genügt, um das Abspringen
der Plättchen im Berührungsmoment zu verhindern. DiePlättchen sind mit Drucköl geschmiert,
.so daß die Ölleitung geöffnet wird, wenn die Plättchen in den Nuten durch den Kolben
gedrückt werden. Dadurch werden die Seitenflächen der Plättchen sowie ein Teil des
Kolbenumfanges, der auf den Plättchen gleitet, geschmiert. Die mechanischen Verluste
sind hier viel kleiner als bei den.bestehenden Ausführungen mit Paletten, die in
einen Rotor angebracht sind und wo alle Paletten ständig auf der Zylinderwand reiben.
Das Schmieröl bei den üblichen Ausführungen wird mit dem Arbeitsstoff ein- und abgeführt,
oder es ist eine besondereEinrichtung zum Abscheiden des Öls aus dem Arbeitsstoff
notwendig, jedoch immer wieder mit einem großen Ölverlust.
-
Bei der zweiten Ausführung sind axial auf der Innenseite .des Zylinders
die Zähne 15 (Fig. 9 und io) mit bestimmtem Modul vorgesehen. Der Kolbenumfang berührt
den Zylinder nicht, sondern es ist zwischen ihnen ein kleines Spiel vorgesehen.
Die Zähneza'hl soll dem Veühältnis der Durchmesser des Zylinders und des Kolbens
entsprechen. In jeder Zahnlücke wird beim Passieren des Arbeitsstoffes dieAus.dehnung,
Wirbelung und Drosselung hervorgerufen; infolgedessen entsteht auch die Abdichtung
genau so wie bei den Kreislabyrinthen. Dagegen ist hier die Abdichtung besser, weil
der Kolben bei seiner Bewegung ständig neue Zahnlücken auf der drucklosen Seite
schließt und die mit Arbeitsstoff ausgefüllten Zahnlücken verläßt, die unter Druck
stehen, d. h. der Kolben schreitet dem Arbeitsstoff mit großer Geschwindigkeit vor,
was bei normalen Labyrinfhdichtungen sonst nicht dorFall ist. Eine solcheAbdichtung
schließt mechanische Reibung sowie Leistungsverluste aus und dies gerade an der
Stelle, wo diese bei solchen Maschinen am größten sind. Die Schmierung ist hier
nicht notwendig, und mit solcher Abdichtung können auch jene Arbeitsstoffe verwendet
werden, die unter besonders hohen Arbeitstemperaturen stehen.
-
Diese Maschine. hat zentrale Druckumlaufschmierung, genauso wie bei
den Verbrennungskraftmaschinen. Diese Art der Schmierung ist die einzige, die der
Maschine eine große Drehzahl ermöglicht. Das Drucköl wird von der Pumpe 18 (FinG.
6) durch den Filter i9 (Fig. 5) und Kanal 2o in das Hauptlager 21 (Fig 6) .der Kurbelwelle
befördert. Von hier aus wird es durch die Ölbohrungen in der Kurbelwelle 3 zu den
Lagern und durch die Rohrleitung 22 (Fig. 5) in die Halbnuß 5 verteilt. Das Öl,
das neben den Kurbellagern heraustritt, wird bei laufender Maschine in das Innere
des Kolbens geschleudert. Dadurch wird die Flanke des Zylinders, sein Deckel und
durch den Kanal 23 und 2¢ (Fig. 9 und io) der Ring und die Kolbenkante geschmiert.
Danach sammelt sich das Öl in dem Innenraum des Kolbenumfanges und des Zylinders.
Dieses deshalb, weil dieser Halbmesser der größte ist und demzufolge auch die Fliehkraft,
die das 01 an den Innenrand des Kolbens hält, am größten wird. Wenn die Berührung
zwischen dem Kolben und Zylinder bei der Trennungsplatte q. (Fig.5) stattfindet,
gelangt das Öl durch die Öffnung 25 in den Sammler 26. Der Sammler führt eine emporsteigende
Bewegung längs der Trennplatte aus, und das Öl wird in ihm zunächst beschleunigt,
dagegen nach der Hälfte des zurückgelegten Weges verzögert. Infolge der negativen
Beschleunigung steigt der Ölstand im Sammler hoch, und wenn der Kolben in seine
Höchstlage gelangt, deckt sich die Flankenöffnung auf dem Sammler mit der Bohrung
27 (Fig. 6) auf dem Zylinderdeckel 13. Infolge der negativen Beschleunigung des
Öls und seiner Masse läuft es unter Druck ins Gehäuse für die Gegengewischte 28
(Fig. 6), und von hier fließt es in das Maschinengehäuse zurück. Da der Ölinhalt
pro Umdrehung der Maschine verhältnismäßig :klein ist und da sich der Sammler in
dieser Lage für gewisse Zeit aufhält, weil der Kolben die Richtung seiner Bewegung
wechselt, so ist es zeitlich gestattet, daß das 01 den Sammler verläßt. Sollte
es notwendig sein, gleichzeitig eine Ölkühlung des Kolbens vorzunehmen (wie bei
den Kompressoren und Verbrennungskraftmaschinen), so ist es durch Vergrößerung der
Abmessungen des Sammlers und der Bohrung an dem Zylinderdeckel ermöglicht, die Durchflußmenge
des notwendigen Kühlöls zu vergrößern.
-
Die Steuerung dieser Maschine besteht aus den Ventilen 29 (Fig. 5),
die eine besondere Form aufweisen
und zwei Sitzflächen haben. Diese
Anordnung gestattet einen um die Hälfte kürzeren Hub, als das bei den üblichen Pilzventilen
der Fall ist. Die genaue Abdichtung, hervorgerufen durch Schwierigkeiten beim Einschleifen
der zwei Sitzflächen, ist hier bedeutungslos. Im Fall der Undichtigkeit entsteht
der Verlust nur durch diese minimale Arbeitsstoffmenge, die sowieso nachträglich
expandiert. Bei den bisherigen Steuerungsorganen ist dieses infolge der hin und
her gehenden Bewegung des Kolbens nicht zulässig, dagegen hier bewegt sich der Kolben
immer in demselben Drehsinn. Die Ventilspindel ist mit Labyrinthdichtung3o versehen,
und.der@kondensierteArbeitsstoff wird durch den Kanal 31 ins Auspuffrohr 32 abgeführt.
Die Ventilmasse ist nicht größer als die Masse der normalen Motorventile für die
gleiche Querschnittsfläche, wodurch auch eine kleinere Kraft der Feder 33 zum Schließen
ausreicht. Infolge des kürzeren Ventilhubes ist sowohl die Geschwindigkeit als auch
die Beschleunigung kleiner, so daß diese Maschine hohe Umdrehungszahlen erreichen
kann. Zur Steuerung gehören ferner die Kipphebel 34 (Fig. 5), die ähnlich den Kipphebeln
der Verbrennungskraftmaschinen sind. Sie unterscheiden sich dadurch, daß der Bolzen
der Rolle 35 nicht im Schnittpunkt der Längsachse des Kipphebels mit der Senkrechten,
die durch den Mittelpunkt der Nockenwelle gezogen ist, steht, wie das meistens der
Fall ist. Der Bolzen ist hier etwas in Richtung des Kipphebels und im Gegensinn
der Drehung der Nockenwelle versetzt. Der Nocken läuft früher gegen die Rolle an,
infolgedessen öffnet sich das Ventil langsamer, und wenn der Nocken die Rolle verläßt,
schließt das Ventil schneller. Dadurch wird eine längere Öffnungszeit der Ventile
erreicht; dagegen wird auch die Schließzeit der Ventile in bezug auf den Kurbelwinkel
kürzer, so daß dieVerluste infolge derDrosselung desArbeitsstoffes beim Schließen
der Ventile kleiner «erden.
-
Die Nockenwelle 36 (Fig. 5, 5 a, 6 und 6 a) weist eine solche Nockenform
auf, daß mit der axialen Bewegung der Nockenwelle eine veränderliche Füllung erreicht
werden kann. Der Anfang der Ventilöffnungszeit muß in bezug auf den Kurbelwinkel
bei jeder Füllung gleich sein; dieses wird durch die Ebene, die gegen die Rolle
35 anläuft und die die Grundwalze der Nockenwelle tangiert, erreicht. Die Nockenflanke,
auf der die Rolle abläuft, ist durch eine reguläre Schraubenfläche gebildet, die
ebenso die Grundwalze der Nockenwelle tangiert. Die obere Fläche des Nockens 37
(Fig. 5, 5 a und 6 a) kann zylindrisch, ebenso konisch sein, in welchem Falle sich
die Mittelachse des Kegels mit der Achse der Nockenwelle deckt. Der übergang von
diesen Flächen auf die erwähnte Ebene und die Schraubenfläche ist abgerundet. Da
die eine und die andere Ebene die Grundwalze der Nockenwelle tangieren, so sind
alle Querschnitte längs des Nockens symmetrisch in bezug auf die eigentliche Achse
des Nockens. Dagegen bilden die Tangenten, welche die Flanken dieser Querschnitte
darstellen, verschiedene Winkel untereinander, z. B. o°, wenn die Flanken parallel
sind, bis i8o°, wenn sich diese Flanken auf der Grundwalze decken. Bei diesem kleinen
Winkel 'hat der Nocken die größte Breite, so daß die Füllung in bezug auf den Kurbelwinkel
die größte ist. Bei i8o° ist die Füllung gleich Null, weil die Rolle ständig auf
der Grundwalze der Nockenwelle läuft und daher kein Erhebung der Ventile stattfindet.
Das Umdrehungsverhältnis der Nockenwelle und der Kurbelwelle ist i : i. Die Regulierung
der Umdrehungszahl der Maschine ist aus der schematischen Fig.6 zu ersehen. Um die
Maschine in Gang setzen zu können, ohne Rücksicht auf die jeweilige Stellung der
Kolben, und um dabei das höchste Drehmoment der Maschine zu erreichen; ist die Möglichkeit
gegeben, die Ventile zu öffnen (hier bei beiden Zylindern gleichzeitig) und sie
so für eine ganze Umdrehung der Kurbelwelle offen zu lassen. Die Füllung ist dann
iooo/o, d. h. sie dauert während des ganzen Kolbenhubes, und da der Arbeitsstoff
immer gleiche Richtung hat, so kann er ohne Rücksicht auf die Kolbenlage auf alle
Kolben wirken. Konstruktiv gelöst wurde dieses wie bei den Ventilen zum Anlassen
der Verbrennungskraftmaschinen, die mit komprimierter Luft in Gang gesetzt werden.
Mit dem Handhebel 38 (Fig. 5 und 6) über den Hebel und Exzenter wird die Nockenwelle
36 nach links verschoben. Dabei steigt die Rolle 35 auf die Ringe 39, die einen
größeren Durchmesser aufweisen als die Grundwalze der Nockenwelle, und infolgedessen
werden die Ventile geöffnet. Da die Ringe eine Kreisform haben, bleiben die Ventile
ständig offen. Eine solche Maschine, sogar mit zwei Zylindern, be-i der die Kolben
um i8o°-Kurbel,winkel versetzt sind, kann beinahe vollkommen mit kleinen Gegengewichten
40 (Fig. 6) ausgeglichen werden, und zwar statisch und dynamisch. Nur die Masse
der Nüsse, die sich geradlinig bewegen, kann bis etwa 4oo/a ihres kleinen Gewichtes
nicht ausgeglichen werden. Dagegen können die Momente, die durch das Schwingen der
Kolben entstehen, bei dieser Maschine vollkommen ausgeglichen werden.
-
Die beschriebene Maschine mit kreisoszillierender Bewegung des Kolbens
wird als ein Kompressor arbeiten, falls man den Drehsinn oder die Öffnungen für
den Ein- und Austritt des Arbeitsstoffes vertauscht.
-
In Fig. i i ist die schematische Ansicht und in Fig. 12 der Schnitt
nach Linie A-B der Fig. i i des Kompressors gegeben.
-
Fig. 13 dagegen stellt das Arbeitsdiagramm in p-v-Koordinaten dar.
Hier tritt der Arbeitsstoff durch die Öffnung .li, die ständig offen bleibt, ein,
und nach 36o°-Kurbeldrehung ist der Zylinder mit Arbeitsstoff gefüllt. Dabei tritt
kein Drosseln auf, da die erwähnte Öffnung genügend groß gehalten werden kann, so
daß das Ansaugen bei der atmosphärischen Linie A-B (Diagramm Fig. 13) abspielen
kann. Danach findet auf derselben Kolbenseite ein Ansaugen statt und auf der anderen
Seite wieder die Verdichtung, die ihrerseits beinahe 36o° der Kurbeldrehung (verkleinert
um den Winkel der Öffnungsausschnitte) dauert. Der Arbeitsstoff wird
nach
einer Polytrope B-C verdichtet, und wenn der Druck etwas höher gestiegen ist als
der in der Leitung 42, öffnet sich das selbstgesteuerte Ventil 43, und der Arbeitsstoff
tritt mit konstantem Druck aus dem Zylinder (Linie C-D) aus. Da der Zuwachs bzw.
die Verminderung des Inhaltes hier langsamer ist als bei den normalen Kolbenkompressoren,
in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel, so ist eine kleinere Ventilöffnung notwendig (Diagramm
Fig. 2). Mit anderen Worten, für die gleiche Ventilfläche kann ein solcher Kompressor
eine viel höhere Umdrehungszahl erreichen, so daß sich dabei die selbstgesteuerten
Ventile der bekannten Ausführungen gut bewähren können. Hieraus folgt, daß diese
Maschine als Kompressor auch nach dem idealen thermodynamischen Claudius-Rankine-Prozeß
arbeiten wird, und die Drehzahl kann höher als bei den bisherigen Kompressoren sein.
-
Während der Verminderung der Belastung (Kapazität) des Kompressors
wird die Regulierung wie folgt vorgenommen: Der Kompressor saugt weiterhin die volle
Menge des Arbeitsstoffes ein, was auf dem Diagramm (Fig. 13) durch Linie
A-B dargestellt ist. Dagegen wird das Ventil 44 (Fig. i i und 12) am Anfang des
Verdichtungshubes geöffnet, und statt daß unmittelbar eine Verdichtung erfolgt,
wird der angesaugte Arbeitsstoff durch das Ventil qq., den Kanal 45 und die Öffnung
46 zurück in den Zylinder befördert, doch auf der Gegenseite des Kolbens, wo beinahe
ein atmosphärisdher Druck herrscht. In dem Diagramm ist .dieses durch die Linie
B-E dargestellt. In einem bestimmten Moment, der von der Belastung des Kompressors
abhängig ist, und im Punkt E schließt das Ventil r'@. und beginnt die Verdichtung
nach der PolytropeE-F. Danach öffnet sich das selbstgesteuerte Ventil 43, und der
Arbeitsstoff tritt wieder unter konstantem Druck nach der Linie F-D heraus. Demzufolge
wird auch bei verminderter Belastung dieser Kompressor nach dem idealen thermodynamischen
Verfahren arbeiten, also ohne Verluste, -was nicht der Fall bei üblichen Regulierungssystemen
ist.
-
Die Steuerung des Ventils 44 kann wie bei der erwähnten Dampfmaschine
mit beschriebener Nockenwelle ausgeführt werden. Dagegen führt die axiale Verschiebung
dieser Welle den Arbeitsstoff unter Druck in der Leitung 42 mit Hilfe eines Zylinders
und Kolbens gegen eine entsprechende Feder aus. Der Öffnungsbeginn des Ventils 44
wird immer derselbe sein im Verhältnis zum Kurbelwinkel, das Schließende dagegen
ist verschieden, j e nach der Belastung des Kompressors. Alle Zylinderwände des
Kompressors können gekühlt werden, sei es mit Wasser oder Luft. Die Trennplatte
4 kann mit Wasser oder Schmieröl gekühlt werden, und zwar derart, daß das Kühlmittel
durch Kanäle in der Trennplatte geleitet wird. Der Kolben kann durch reichere Ölmengen
des umlaufenden Schmieröls gekühlt werden. Auf diese Weise können alle Flächen dieses
Kompressors, mit denen der Arbeitsstoff in Berührung kommt, wirksam gekühlt werden.
Ein solcher Kompressor kann in einer gewissen Stufe hohe Drücke erreichen (z. B.
erreicht der Rotakompressor in einer Stufe den Druck von 2o atm).
-
Die !heutigen Verbrennungskraftmaschinen arbeiten trotz der verschiedenen
vorgeschlagenen Kreisprozesse hauptsächlich nach dem Otto- und Dieselprozeß. Bei
den Flug- und Schiffskolbenmotoren haben diese Prozesse ziemlich gute thermische
Wirkungsgrade. Bei diesem Motor ist das Belastungsgebiet ziemlich eng, d. h. sie
arbeiten vorwiegend mit der Nennleistung. Dagegen bei den Kraftfahrzeugen, wo diese
Motoren zahlenmäßig meist verwendet werden, arbeiten sie in einem sehr breiten Drehzahl-
und Füllungsgebiet und verhältnismäßig wenig mit der Nennleistung. Der thermische
Wirkungsgrad dieser Kraftfahrzeugmotoren ist infolgedessen schlecht. Dies aus folgenden
Gründen: Bei kleiner und mittlerer Füllung, mit der diese Motoren vorwiegend arbeiten,
ist das Verhältnis des angesaugten Gemisches bzw. der Luft bei Dieselmotoren zur
Restgasmenge der Verbrennungsprodukte groß; die Verbrennung ist langsam und die
Drucksteigerung während der Verbrennung (klein. Dasselbe erfolgt bei der Drehzahlerhöhung,
wenn die Drosselung beim Ansaugen des Gemisches und beim Ausschieben der Verbrennungsprodukte
wieder stattfindet.
-
Der Enddruck der Verdichtung ist durch die Ansaugmenge des Gemisches
bedingt, so daß er bei kleiner und mittlerer Füllung infolge der Drosselung kleiner
wird. Infolgedessen ist auch die Temperatur am Ende der Verdichtung durch vorher
Erwähntes bedingt, und außerdem wird während der Verdichtung des Gemisches bzw.
der Luft die Wärme mit dem Kühlmittel abgeführt. Die Kühlung ist hier durch die
Verbrennungstemperaturen und nicht durch die Notwendigkeit der Verdichtung bedingt.
Infolgedessen hat das Verdichtungsverhältnis, das seinen vollen Wert nur bei größter
Füllung erreicht, keinen konstanten Wert und fällt bei kleiner Füllung bzw. mit
der Drehzahlerhöhung des Motors ab. Da der thermische Wirkungsgrad dieser Motoren
eine Funktion des Verdichtungsverhältnisses @t = 99 (s) ist, so ist er gerade in
Betriebsverhältnissen, bei welchen diese Motoren als Kraftfahrzeugmotoren arbeiten,
klein.
-
Der Luftüberschuß für verschiedene Füllungsgrade und Drehzahländerungen
des Motors kann infolge der vorher erwähnten Gründe nicht konstant gehalten werden,
ebenso kann der Vergaser bzw. die Einspritzeinrichtung ihrer Aufgabe nicht voll
entsprechen. Infolgedessen ist der spezifische Verbrauch des Brennstoffes sehr schwankend
und besonders bei kleiner Füllung und niedrigen Umdrehungszahlen groß sowie bei
hohen Umdrehungszahlen des Motors.
-
Dagegen ist der größte Nachteil dieser Kraftfahrzeugmotoren der, daß
sie unelastisch sind. Mit anderen Worten, ihr Drehmoment kann sich nur in schmalen
Grenzen ändern, da dasselbe von der Umdrehungszahl des Motors abhängig ist und unterhalb
40o bis 6oo U/min praktisch gleich Null wird. Der Kraftfahrzeugmotor soll einer
Lokomotivdampfmaschine oder den Elektromotoren der
Straßenbahnen
und Oberleitungsomnibussen entsprechen, wo bei konstanter Leistung die Triebkraft
am Rad nach einer Hyperbel. mit der Verkleinerung der Fahrzeuggeschwindigkeit wächst,
d. h. die Größe der Drehmomente des Kraftfahrzeugmotors darf nicht von der Umdrehungszahl,
sondern nur von der Größe der Füllung abhängen. Da dieses nicht der Fall ist, wird
bei heutigen Fahrzeugen das Z'@'echselgetriebe mit allen seinen bekannten Mängeln
verwendet, jedoch nur mit dessen Hilfe kann sich das Fahrzeug von der Stelle bewegen.
beschleunigen und Steigungen bewältigen. Der Vorteil dieses neuen Kreisprozesses
bei Verbrennungskraftmaschinen ist der, daß bei jedem Füllungsgrad sowie bei jeder
Umdrehungszahl des Motors der Druck und die Temperatur am Ende der Verdichtung den
gleichen Wert haben, d. h. P., = konst. und T2 = konst. Außerdem ist der Luftüberschuß
während der Verbrennung konstant, d. h. # = konst., und die Füllung und Verbrennung
verläuft bei konstantem Druck in Abwesenheit der Verbrennungsprodukte. Die Füllung
ist dagegen in bezug auf den Verbrennungsraum unbegrenzt und kann größer sein als
dieser. Infolgedessen kann der mittlere indizierte Druck und das Drehmoment des
Motors weit größer als bei den üblichen Motoren sein. Die Füllung und die Verbrennung
entspricht der Füllung bei der Dampfmaschine, und zwar in Grenzen der Umdrehungszahlen
von beinahe n = o
bis n. = ia"ax, so daß ein solcher Motor im ganzen
als Kraftfahrzeugmotor anzusehen ist.
-
Die konstruktive Lösung dieses Motors ist folgende; Beim Viertaktmotor
sind die ersten zwei Takte (Ansaugen und Verdichten) getrennt und spielen sich im
Zylinder des Kompressors ab, dagegen die anderen zwei Takte (Ausdehnung und Auspuff)
spielen sich im Zylinder des Motors ab. Der Inhalt des Verdichtungsraumes ist auf
ein Minimum herabgesetzt und beträgt nur so viel, als zur Unterbringung der Ventile
im Kompressor-und :Motorzylinder notwendig ist. Demnach findet die Verbrennung nicht
im Verdichtungsraum statt, sondern während des Expansionshubes. Die veränderliche
Größe des Hubes ist durch die erwünschte Füllungsmenge bestimmt und kann während
der Arbeit des Motors verändert werden. Die Füllung wird mit einer Vorrichtung gesteuert,
die das notwendige Verhältnis der Brennstoff- und Luftmenge reguliert, so daß diese
unter Druck in den Zylinder gelangen und unmittelbar beim Eingang verbrennen.
-
In Fig. 14 ist das Schema der ersten Ausführungsart mit üblichen Triebwerksteilen
des Motors gegeben, wo sich der Kolben geradlinig bewegt.
-
Beim vierzylindrigen Viertaktmotor sind zwei Zylinder 5o und 51 als
Kompressor ausgebildet, d. h. im Zylinderkopf sind keine Verdichtungsräume vorgesehen;
an Stelle der gesteuerten Ventile können selbstgesteuerte Ventile 5a verwendet werden.
Oder die Einlaßventile 53 sind so gesteuert, daß bei Verminderung der Belastung
des Kompressors bzw. Motors diese auch am Anfang des Verdichtungshubes offen bleiben.
Infolgedessen wird die angesaugte Luft während des Verdichtungshubes durch dieselben
Ventile befördert. Dagegen schließen diese, je nach der Belastung des Kompressors,
durch die Nockenwelle 5q., auf welche über den Kolben 68, Stange 69, komprimierte
Luft aus der Leitung 70 wirkt. Auf diese Weise setzt die Verdichtung im Moment
ihres Schließens ein. Das Prinzip ist gleich dem des Kompressors in Fig. r i, 1a
und 13. Daher hat ein isolcher Motor keine Arbeitsverluste infolge Depression.
Nach dem gleichen Prinzip können auch -die Auslaßventile gesteuert werden, ihre
Schließzeit jedoch muß immer gleich für den gleichen Kurbelwinkel, der Anfang des
Öffnungsbeginns aber verschieden sein, was die Schließzeit des Ansaugventils bestimmt.
Die Umdrehungszahl eines solchen Kompressors wäre nicht begrenzt, wie dies der Fall
bei Kompressoren ;mit selbstgesteuerten Ventilen ist.
-
Zwei Zylinder 55 und 56 sind Zylinder des Motors. Im Zylinderkopf
ist kein Verdichtungsraum und sind keine Einlaßvent:ile vorgesehen. Die Aus-laßventile
57 sind durch die Nockenwelle gesteuert, genauso wie bei den üblichen Motoren. An
Stelle der Ventile können auch Schieber verwendet werden.
-
Der Kolbenhub, d. h. der Inhalt des Kompressorzylinders muß nicht
gleich dem des Motorzylyinders sein.
-
Die Zylinder :des Kompressors 5o und Si können wirksamer gekühlt werden,
wodurch für :die Verdichtung weniger Arbeit verbraucht wird, während die Luft beim
Heraustreten aus dem Kompressor durch die Verbrennungsprodukte im Wärmeaustauscher
58 geheizt wird. Diese würde einen höheren Druck am Ende der Verdichtung in einer
Stufe gestatten, und die Luft hätte die notwendig;. Temperatur für eine gute Verbrennung
des Brennstoffes erreicht. Wird dagegen ein Motor mit Hochdruckfüllung gewünscht,
können die erwähnten Kompressorzylinder in zwei Stufen arbeiten.
-
Die üblichen vierzylindrigen Viertaktmotoren haben auf zwei Umdrehungen
der Kurbelwelle vier Arbeitshübe, und zwar je einen pro Zylinder. Bei diesem Kreisprozeß
ergeben zwei Zylinder des Motors 5,9 und 56 vier Arbeitshübe auf zwei Umdrehungen,
d. h. diese Zylinder arbeiten im Zweitakt. Aus diesem Grunde muß ihre Kühlung wirksamer
sein. Da aber der Inhalt dieser Zylinder nicht vom Verdichtungsverhältnis abhängig
ist, wie dies bei den üblichen Motoren der Fall ist, kann dieser größer sein, so
daß die Ausdehnung der Verbrennungsprodukte länger wird. Infolgedessen wird ihre
Temperatur am Ende der Ausdehnung sowie die Temperatur des Zylinders, Kolbens und
des Auspuffventils niedriger sein. Dadurch wird eine größere Wärmemenge in nützliche
Arbeit umgesetzt und weniger Wärme mit den Verbrennungsprodukten und Kühlmitteln
abgeführt. Ein isolcher Motor kann auch eine verschiedene Anzahl von Kompressorzylindern
im Verhältnis zu :den Motorzylindern haben.
-
Da der Brennstoff bei konstantem Druck und veränderlichem Volumen
verbrennt, erfolgt die
Verbrennung nicht so schlagartig wie beim
Otto-oder Dieselverfahren mit direkter Einspritzung. Die Verbrennung schreitet hier
stufenweise je nach der eingespritzten Brennstoffmenge bzw. der Kolbenbewegung vor,
so daß ein solcher Motor weicher als die üblichen arbeiten wird, wobei die mechanischen
und thermischen Beanspruchungen viel kleiner werden. Eine solche Arbeitsweisse ermöglicht,
daß die umlaufenden Massen sowie das Gewicht des Motors in Kilogramm je
PS, kleiner werden.
-
Um den Brennstoff bei konstantem Druck zu verbrennen, ist im Zylinder
der Brenner 59 vorgesehen. Dieiser Brenner ist ähnlich denen .in den Brennkammern
der Gasturbinen. Der Unterschied zwischen diesen ist der, d'aß sich die eingespritzte
Brennstoff- und Luftmenge unter Druck automatisch im Laufe des Kolbenhubes ändert.
Außerdem wird der Zufluß des Brennstoffes und der Luft bis zu dem Maße herabgesetzt,
daß auf dem Brenner nur ein Flämmchen bleibt. Dieses Flämmchen glimmt weiter auch
während der Ausnehmung und während des Ausschiebehubes der Verbrennungsprodukte.
'Da die Luft mit dem Brennstoff -ständig zudringt, istören diese Vorgänge das Flämmchen
nicht. Die Flamme, die unter dem Druck steht, kann nicht abgeblasen (ausgelöscht)
werden, weil der Brenner im Zylinderkopf etwas zurückgezogen und gegenüber dem Auspuffventil
57 eingesetzt ist.
-
Der Brennstoff für diesen Motor kann flüssig sein, wie Benzin, Gasöl
und Petroleum, ebenso aber gasförmig. Die Brennstoff- und Luftmenge wird infolge
der Bewegung des Kolbens im Verhältnis zur Volumensteigerung des Zylinders und der
Ausdehnung der Verbrennurigspro,dukte infolge der Temperatursteigerung reguliert.
Die Regulierung der Brennstoff- und Luftmenge wird mit einer besonderen Nockenwelle
6o (ähnlich der beschriebenen bei derDampfmaschine) vorgenommen. Wenn das. Verhältnis
der Drehzahlen dieser Nockenwelle und der Kurbelwelle i : i ist, hat sie nur einen
Nocken,,dier in Längsrichtung verschiedene Querschnittsformen aufweist. Der Beginn
der Vergrößerung der Brennstoffzufuhr ist konstant in bezu.g auf den Kurbelwinkel,
d. h. auf ,dien oberen Totpunkt Beis Kolbens, dabei setzt die Brennstoffzufuhr verschieden
aus in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel, je nach gewünschter Füllungsgröße. Das bedeutet,
daß durch die Längsverschiebung der Nockenwelle 6o (Fig. 14 und 15) und infolge
der verschiedenen Querschnittsformen des Nockens in bezug auf Anfang und Ende der
Erhebung der Rolle 61 oder aber der Winkel a1 und a2 die Füllungsdauer in Abhängigkeit
vom Kolbenhub verändert wird. Die Füllung dagegen ist von der Höhe der Erhebung
der Rolle 61 abhängig in bezug auf den Kurbelwinkel, demnach ist die ?\Tock enform
ähnlich der Kurve der Zylinderinhaltsänderung in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel.
Der Kipphebe162 verschiebt über einen kleinen Hebel63 den Kolben, der die Luftmenge
im Brenner 59 reguliert. Durch den Hebel 64 wird die Nadel des, Einspritzventils
im Brenner, der die Brennstoffmenge reguliert, verschoben.
-
Der Kipphebel 62 ist drehbar im Gelenk 65 auf dem Hebel
66. Da die Durchflußmenge für eine bestimmte Öffnung und einen bestimmten
Druck deis Arbeitsstoffes (hier Brennstoff-Luft=Gemnisch) zeitlich konstant ist,
so muß die Öffnung vergrößert wenden, falls man größere Mengen des Gemisches in
kürzerer Zeit bekommen will. Demnach muß bei verschiedenen Umdrehungszahlen des
Motors, d. h. Kolbengeschwindigkeiten, auch die Durchflußmenge verschieden sein.
Aus diesem Grunde ist der Hebel 66 mit dem arideren Ende mit dem Zentrifugalregulator
67 verbunden. Mit der Erhöhung der Umdrehungszahl verschiebt sich das Gelenk 65,
und auf diese Weise verändert sich die Hebellänge (il und 12, Fig. 15) von diesem
Gelenk bis zu den Hebeln 63 und 6q., so daß diese einen größeren Hub bekommen. Infolgedessen
wird auch .die zeitliche Durchflußmenge des Brennstoff-Luft-Gemischeis größer.
-
Demnach ist die Regulierung der Brennstoff-Luft-Menge von drei Faktoren
abhängig: vom Kurbelwinkel, d. h. der Füllung, von der Erhöhung des Zylindervolumens
und der Umdrehungszahl des Motors. Außerdem kann die Regulierung der Menge auch
nachdem Druck und der Temperatur der Luft beim Eintritt in den Brenner sowie der
Kühlwassertemperaturen, falls dies erwünscht ist, bestimmt werden. Hier ist ein
mechanisches Reguliersystem gegeben, aber .auf dem gleichen Prinzip kann auch ein
hydraulisches, ähnlich dem bei Gasturbinen, oder sogar ein elektrisches angewendet
werden.
-
Bei großen Zylinderinhalten und hoher Umdrehungszahl des Motors kann
neben den Brenner 59 ein zusätzlicher Luftgeber gesetzt werden, damit .die Durchflußgeschwindigkei.t
der Luft nicht über die kritische Geschwindigkeit hinauskommt. Der Luftzusatz kann
auch so kombiniert :sein, daß er unmittelbar am Ende :des Auspuffhubes vergrößert
werden kann. Dadurch könnten die Verbrennungsprodukte ausgestoßen werden, und infolgedessen
würde die Verbrennungsgeschwindigkeit stark erhöht. Danach kann diese Luft den Druck
im schädlichen Raum erhöhen, so daß ein Druckabfall beim Eintritt der frischen Luft
nicht eintreten kann. Die negative Arbeit, die dabei entstehen könnte, wird minimal
sein, weil der,schädliche Raum klein ist. In diesem Falle könnte ein Nocken auf
der Nockenwelle 6o die Luft und der andere den Brennstoff steuern. Das Flämmchen
kann auch von einem gesonderten Brenner, der mit einer Zündkerze kombiniert ist,
glimmen; ein solcher Brenner kann nur zum Inbetriebsetzen des Motors dienen, genauso
wie bei Gasturbinen.
-
Im Falle des Druckanstieges in den Motorzylindern 55 und 56 über das
Zulässige, sei es aus irgendwelchem Grund, können Sicherheitsventile 71 angebracht
wenden, die die Verbrennungsprodukte ins Auspuffrohr leiten. Die Luftleitung
70 ist mit der Flasche 72 verbunden. Die Flasche wird während des Betriebes
gefüllt und dient dazu.,
im Falle einer plötzlichen Füllung des
Motors, wenn die Kompressorzylinder hierzu nicht imstande sind, einen Druckausgleich
zu schaffen. Außerdem wird die Luft aus der Flasche sehr einfach und wirksam zum
Anlassen des Motors, für die Fahrzeugbremse, zum Reifenfüllen usw. benutzt, wofür
heute besondere Kompressoren eingebaut «erden.
-
In Fig. 15 ist schematisch eine Ausführungsart des Brenners 59 angegeben.
Dieser Brenner besteht aus dem Brennerhalter 73, der im Zylinderkopf eingschraubt
werden kann, und aus dem Einspritzventil 74, das wiederum in den Brennerhalter
eingeschraubt wird. °Der Brennerhalter 73 ist von der Innenseite nach der Motorzvlinderseite
konisch ausgebildet, so daß auf ihm die helycoidalförmigen Rippen 75 anliegen. Die
Kanten dieser Rippen tragen das Einspritzventil 74. An der Außenseite des Einspritzventils
ist der Kolben 76 aufgezogen. Der Vorderteil des Kolbens ist konisch, so daß dieser
unter der Wirkung der Feder 77 mit dem Brennerhalter geschlossen wird, aber nur
mit einem kleinen und ständig bleibenden Spiel. Die Luft unter Druck aus dem Kompressorzylinder
gelangt in den Zylinder durch die Leitung 78, zwischen den Kolben 76 und Brennerhalter
73 und unter Wirbelung, die durch die helycoi,dalförmigen Rippen 75 entsteht.
-
Im Einspritzventil 74 befindet sich eine genau eingepaßte Nadel 79,deren
Spitze die Form eines abgestumpften Kegels hat. Auf dem Umfang dieses Kegels sind
helycoi,dale Nuten 8o ausgefräst. Diese Nuten sind aber nicht bis zum Ende des Kegels
ausgefräst. Der Brennstoff wird unter Hochdruck von einer Einspritzpumpe durch,die
Leitung 81 und die Kanäle 82 gepumpt und gelangt in einen kreisförmigen Kanal
83 hinter den Kegel der Nadel 79. Die Feder 84 drückt diese Nadel so, daß
sie. den konischen Sitz verschließt, dagegen gelangt der Brennstoff in den Zylinder
durch das kleine Spiel neben dem Kegel auf der Nadel 79. Infolge der helycoidalförmigen
Nuten hat der eingespritzte Brennstoff eine wirbelnde Bewegung, doch in entgegengesetzter
Richtung der Luft. Diese sichert eine gute Durchmäschung und vollkommene Verbrennung
des Brennstoffes, außerdem kann der Druck und die Temperaturen der Luft hoch und
der Luftüberschuß genügend groß sein. Der Leckbrennstoff aus den Nadellabyrinthen
85 gelangt durch den Kanal 86 in den Behälter zurück. Der Motor nach dieser
Ausführung arbeitet folgendermaßen Die Inbetriebnahme ,des Motors erfolgt durch
das Öffnen des Absperrhahnes 87 (Fig. 14), der die komprimierte Luft aus der Flasche
72 zum Brenner 59 freiläßt. Danach wird idie Nockenwelle in Längsrichtung verschoben,
so daß die Rolle 61 auf den breitesten Querschnitt der Nockenwelle 6o (am",) anläuft,
den Kipphebel 62 erhebt und über den Hebel 63 den Kolben 76 anzieht. Die
Luft tritt neben dem Kegel des Kolbens 76 in den Motorzylinder ein und setzt die
Kolben in Bewegung. Dabei müssen wenigstens drei Zylinder als Motor arbeiten, andernfalls
muß ein Anlasser verwendet werden. Nachher wird Kontakt gegeben, so daß die Zündkerzen
ununterbrochen funken. Infolge der Drehung des Motors steigt der Brennstoffdruck
schnell an; beim Öffnen des Hahnes gelangt der Brennstoff sofort durch das Einspritzventil
und neben den Kegel der Nadel 79 in den Zylinder, und zwar in der Menge, !die in
diesem Moment :durch die Nockenwelle 6o bestimmt ist. Es folgt die Zündung und Verbrennung
des Brennstoffes, die Nocken-,velle wird axial verschoben, um den Motor in Leerlauf
zu setzen, und die Zündkerze wird ausgeschaltet.
-
Im weiteren Verlauf füllen die Kompressorzylinder durch die Leitung
70 die Flasche 72 mit Luft auf. Die Flamme .des Brenners 59 wird nicht gelöscht,
sondern wird nur vergrößert oder verkleinert, so wie die Nockenwelle 6o es bedingt.
Die Vorrichtung dazu ist so getroffen, daß, wenn die Rolle auf der Grundwalze der
Nockenwelle läuft, im Brenner ein kleines Spiel gehalten wird, durch welches die
Luft und der Brennstoff in kleinen Mengen heraustritt und :das Flämmchen während
der Ausdehnung und des Ausschiebens der Verbrennungsprodukte unterhalten. Das ständige
Heraustreten :der Luft und des Brennstoffes verhindert das Verstopfen der Brenneröffnungen.
-
In Fig.16 ist ein abgewickelter Arbeitsprozeß dieses Motors in p-v-Koordinaten
dargestellt. Bei der minimalen Füllung des Motors stellt die Fläche 123451 die negative
Arbeit dar, d. h. die Arbeit, die der Kompressor bei der Luftverdichtung verbraucht,
jedoch bei verminderter Kapazität. Infolge der Drosselung hat die verdichtete Luft
im Brenner einen gewissen Druckverlust, so daß der Druck der Luft im Motor vom Punkt
4' auf Punkt 4" fällt. In diesem Punkt setzt im Motorzylinder die Füllung und Verbrennung
unter konstantem Druck ein. Diese entsteht deswegen, weil der Volumenzuwachs infolge
der Verbrennung des Brennstoffes und der Ausdehnung -der Verbrennungsprodukte infolge
der Temperaturerhöhung dem Volumenzuwachs entsprechend der Kolbenbewegung entspricht.
Im Punkt 6 setzt die Ausdehnung der Verbrennungsprodukte ein, nach der Polytrope
bis zum Punkt 7, wenn sich das Auspuffventil öffnet. Von Punkt 7, im zweiten Takt,
stößt der Kolben die Verbrennungsprodukte nach der Linie 7-8 hinaus, und der Prozeß
wiederholt sich. Die Fläche 5"6785" stellt positive Arbeit, d. h. die Arbeit des
Motorzylinders, dar.
-
Dreht man um die Ordinate p die linke Seite des Diagramms um 18o°,
so wird sich die Fläche 123451 mit der Fläche I'2'3'4'5'1' decken. Der Überschuß
der positiven Arbeit, die vorn Motorzylinder abgegeben wird, ist durch die Fläche
q."673'4" dargestellt, sie ist .dem Arbeitsdiagramm des kompressorlosen Dieselmotors
ähnlich.
-
Vergrößert man die Füllung über das Nominale (d. h. wenn diese größer
wäre, als durch den Verbrennungsraum bei voll geöffneter Drosselklappe möglich ist,
im Vergleich zu üblichen Motoren),
müßte der Motor mit seiner vollen
Kapazität arbeiten, und die Fläche 12,951 würde negative Arbeit darstellen. Dagegen
stellt die Fläche 5"6'7'785" die positive Arbeit des Motorzyllndrers dar und die
Fläche 9"6'7'72"9" den positiven Arbeitsüberschuß. Diese Fläche ist viel größer
als die vorherige bei nominaler Füllung, so daß der mittlere indizierte Druck sowie
das Drehmoment des Motors viel größer werden. Diese dagegen verlangt eine kürzere
Ausdehnung, weil sie hier vom Punkt 6' bis 7' verläuft, so daß .die Verbrenrnungsprodukte
bis zum Ende unausgenutzt .abgeführt werden. Dies ist auch bei den üblichen Motoren
der Fäll, weil ,sich der Vorausdaß der Verbrennungsprodukte bei einem Druck von
4,5 bis 5,5 atm abspielt. Demnach hat auch mit solcher Ausdehnung dieser Motor keinen
schlechten thermischen Wirkungsgrad, trotzdem die Füllung größer ist. Erst nach
verstärkter Füllung im Vergleich zu den üblichen Motoren ist der Wirkungsgrad kleiner.
Dieses würde dagegen ,die Erreichung der großen Drehmomente des Motors und, große
Treibkräfte auf dem Umfang der Räder ermöglichen, so daß ein solches Fahrzeug nach
seinen Zugeigenschaften einer Lokomotive entsprechen würde.
-
Dank dem Vorhererwähnten kann dieser Motor so dimensioniert sein,
daß er nur mit einer übersetzung, z. B. in der Hinterachse, ein isolches Drehmoment
haben kann, das eine Treibkraft an den Rädern .gleich der Adhäsionskraft des Fahrzeuges
ergibt. Ein solcher Motor könnte allen Belastungen des Fahrzeuges, sogar ohne Getriebe,
entsprechen, d. h. er würde überdimensioniert sein. -Bei den bisherigen Kreisprozessen
des Motors müßte er drei- bis viermal überdimensioniert sein; sein Gewicht wäre
groß, doch der größte Mangel wäre der hohe spezifische Verbrauch von Brennstoff
bei kleinerer Füllung, bei der dieser Motor meistens arbeitet. Den Motor, der mit
Adern neuen Kreisprozeß arbeitet, könnte man zur Genüge zweimal überdimensionieren,
da die Drehmomente größer sind. Das Gewicht pro PS, wäre kleiner, und außerdem
wäre kein Getriebe notwendig. Der spezifische Verbrauch des Brennstoffes würde kleiner
und über dien ganzen Drehzahl- und Füllungsbereich von angenähert konstanter Größe
sein.
-
Die zweite Ausführungsart mit vorher beschriebenen kreisoiszillierenden
Bewegungen des Kolbens unterscheidet .sich nach dem thermodynamischen Kreisprozeß
wenig von der ersten Ausführungsart der Verbrennungskraftmaschine. Bei dieser ist
an Stelle des Ventils 29 (Fig. i) der in Fig. 15 dargestellte Brenner vorgesehen
und an Stelle des Auspuffventils eine ständige Öffnung 32 (Fig. i). Die Konstruktion
ist für die Abwicklung des beschriebenen Kreisprozesses günstiger als die vorherige,
da sich der Prozeß kreisförmig abwickelt und der Volumenzuwachs langsamer ist. Hier
spielt,sich die Füllung und die Verbrennung ständig auf einer Seide des Kolbens
ab, das Ausschieben der Verbrennungsproduktedagegen auf der anderen. Infolge Beis
langsameren Zuwachses des Volumens und der leichteren Entfernung der restlichen
Verbrennungspro-dukte durch den früheren Lufteinlaß könnte ein solcher Motor sehr
hohe Drehzahlren erreichen. Die Füllung und Verbrennung würden genügend schnell
verlaufen, und der Druckabfall nach dem Eintritt der Luft sowie die negative Arbeit
könnten dabei nicht entstehen. Die .beschriebene Abdichtung 'entspricht vollkommen
diesem Kreisprozeß, weil die Verbrennung bei konstantem Druck stattfindet. Der Druck
muß nicht so hoch sein wie bei den üblichen Motoren. Außerdem ist eine wirksame
Kühlung, wie vorher beschrieben, leicht ausführbar.
-
Der Kompressor bei den beiden Ausführungsarten der Verbrennungskraftmaschine
kann mit kreisoszillierender Bewegung des Kolbens sein, d. h. ein solcher, dessen
schematische Darstellung in Fig. 11, 12 und 13 gegeben ist.