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Mehrzylindrige Zweitaktbrennkraftmaschine mit Nachexpansion in einem
Niederdruckzylinder Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Zweitaktbrenn:kraftmaschine
mit Nachexpansion in einem Nsederdruckzylinder, die mindestens vier oder ein Mehrfaches
dieser Zahl an, auf zwei Reihen symmetrisch verteilten Arbeitszylindern besitzt,
wobei die beiden Zylinderreihen in V-Form unter go° geneigt zueinander angeordnet
sind und je vier paarweise gegenüberliegenden Arbeitszylindern ein einziger, doppelt
wirkender, im V-Raum zwischen diesen Zylindern angeordneter und mit der doppelten
Brennkraftmaschinendrehzahl angetriebener Niederdruckexpansionskolben zugeordnet
ist.
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Durch die Nachexpansion der aus den Arbeitszylindern austretenden
Abgase in einen Niederdruckzylinder wird eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades
erreicht. Sinn allerdings hat eine solche Maßnahme nur, wenn der zu ihrer Durchführung
erforderliche bauliche Mehraufwand in einem noch tragbaren Verhältnis zu dem erreichbaren
Leistungsgewinn steht. Dies ist eine Überlegung, die bei der Entwicklung einer bekannten,
mit Nachexpansion arbeitenden Drennkraftmaschine nicht in ausreichendem Maß beachtet
wurde. Es handelt sich in diesem Falle um eine mehrzylindrige Verbund-Explosionskraftmaschine,
bei welcher je vier paarweise in V-Form zueinander stehenden Hochdruckzylindern
ein im V-Raum untergebrachter gemeinsamer Niederdruckzylinder zugeordnet ist. Zur
Steuerung der aus den Hochdruckzylindern in den Niederdruckzylinder
übertretenden
Gase sind vier besonders angetriebene Drehschieber vorgesehen. Diese Schieber mit
den zugehörigen Antriebsteilen stellen nicht nur einen großen baulichen Aufwand
dar; sondern führen, da sie stehend zwischen je zwei Zylindern einer Reihe angeordnet
sind, in Zusammenarbeit mit dem ebenfalls stehend angeordneten Niederdruckzylinder
zwangläufig zu langen Verbindungsleitungen. Diese Nachteile sind bei der erfindungsgemäßen
Maschine insofern vermieden, als bei ihr der Niederdruckexpansionszylinder so angeordnet
ist, däß die Längsachse seines Kolbens rechtwinklig zur Kurbelwellenlängsachse in
einer rechtwinklig die letztere schneidenden Ebene verläuft und daß die Laufbüchse
des Niederdruckzylinders als zwangläufig von der Brennkraftmaschne angetriebener
Schieber zur Steuerung der Ein- und Austrittsquerschnitte der Arbeitsräume des Zylinders
ausgebildet ist. Es ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gegenüber
der bekannten bei geringeremBauaufwand wesentlichkürzere Verbindungsleitungen zwischen
dem Nachexpansionszylinder und den Arbeitszylindern. Kurze Verbindungsleitungen
aber sind mit Rücksicht auf die Vermeidung von Strömungsverlusten sehr erwünscht.
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Infolge der Ausbildung der Laufbüchse des Niederdruckzylinders als
Steuerschieber ist noch die . Möglichkeit gegeben, die Ladung in den Arbeitszylindern
zu erhöhen, indem mittels des Steuerschiebers die Verbindung zwischen den Auslaßöffnungen
der Arbeitszylinder und den Arbeitsräumen des Niederdruckexpansionszylinders unterbrochen
wird, bevor die Auslaßöffnungen an den Arbeitszylindern schließen. -Die Verdichtung
in den Arbeitszylindern beginnt also früher, als dies auf Grund ihrer eigenen Schlitzsteuerung
möglich wäre.
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Das Arbeitsspiel eines jeden Arbeitszylinders der erfindungsgemäßen
Maschine nimmt in Verbindung mit dem Niederdruckexpansionszylinder folgenden Verlauf:
Wenn der Auslaß des betrachteten Arbeitszylinders öffnet, steht der Niederdruckkolben
in seiner diesem Arbeitszylinder zugewandten Totpunktlage. Kurz- vor Eintreffen
in der Totpunktlage gibt der Steuerschieber des Niederdruckzylinders die überströmöffnungen
zwischen der Abgasleitung des Arbeitszylinders und dem Arbeitsraum des Niederdruckkolbens
frei, so daß die im Arbeitszylinder nicht restlos entspannten Verbrennungsgase in
den Arbeitsraum des Niederdruckzylinders übertreten können. Es erfolgt im Niederdruckzylinder
eine Nachexpansion, die unter Vermittlung des Niederdruckkolbens in an die Kurbelwelle
abgegebene mechanische Leistung umgesetzt wird. Nach Zurücklesung von go ° der Brennkraftmaschinenkurbel
befindet sich der Niederdruckkolben in der anderen Totlage. Der Steuerschieber gibt
den expandierten Abgasen den Weg nach außen frei und steuert dann, etwa bei Abschluß
der Einlaßöffnungen des Arbeitszylinders, die Überströmöffnungen zwischen Arbeitszylinder
und Niederdruckzylinder zu. Sobald die Überströmschlitze geschlossen sind, beginnt
in dem Arbeitszylinder schon die Verdichtung.
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Nach Drehung der Brennkraftmaschinenwelle um weitere go ° Kurbelwinkel
wiederholt sich dasselbe Arbeitsspiel für den dem betrachteten Arbeitszylinder benachbarten
Zylinder. Die Spülung der Arbeitszylinder erfolgt in Ausgestaltung der Erfindung
zweckmäßig so, daß zunächst ein Durchspülen des Arbeitszylinders in den Niederdruckzylinder
hinein stattfindet und sich für die Dauer der Zeitspanne, während der der Austrittsquerschnitt
des Niederdruckzylinders schon aufgesteuert ist, sein Eintrittsquerschnitt jedoch
noch frei liegt, eine vollkommene Durchspülung anschließt.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
beispielsweise dargestellt.
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Abb. i zeigt den Aufbau einer kolbengesteuerten Zweitaktbrennkraftmaschine
im Ouerschnitt; Abb. 2 veranschaulicht die Wirkungsweise der Maschine nach A11.
i an Hand eines Steuerdiagramms; Abb. 3 zeigt die Maschine nach Abb. i im Schnitt
nach der Linie III-III.
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In Abb. i sind die Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine mit i und
2 bezeichnet, deren nicht gezeichnete Arbeitskolben auf die Kurbelwelle 3 arbeiten.
In dem von den beiden Zylindern unter go ° gebildeten V-Raum ist ein Niederdruckexpansionszylinder
4 angeordnet, in dem ein von der Brennkraftmaschine über eine besondere Welle 5
angetriebener, doppelt wirkender Kolben 6 arbeitet. Der Niederdruckzylinder 4 arbeitet
sowohl mit den gezeichneten Zylindern i und 2 als auch mit zwei dahinterliegenden,
nicht sichtbaren Zylindern, insgesamt also mit vier Arbeitszylindern zusammen. Die
Arbeitsräume 7 und 8 des Niederdruckzylinders 4 sind mit Auslaßöffnungen g bzw.
io und Eintrittsöffnungen ii bzw. 12 versehen. Durch die Öffnungen i i und 12 treten
die Abgase aus den Arbeitszylindern nach Aufsteuerung der Auslaßschlitze, beim Zylinder
2 beispielsweise der Schlitze 13, in die Arbeitsräume 7 und 8 des Niederdruckzylinders
4 ein. Die Überströmleitungen 14 und 15 sind sehr kurz, so daß Strömungsverluste
weitgehend vermieden sind. Die Auslaßquerschizitte g und io sowie die Eintrittsquerschnitte
i i und 12 des Niederdruckzylinders 4 werden durch einen als Laufbüchse dienenden,
von der Welle 5 angetriebenen Schieber 15" so gesteuert, daß bei guter Ausnutzung
der Energie der nachexpandierenden Gase eine noch einwandfreie Durchspülung der
Brennkraftmaschine erreicht wird.
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Aufschluß über die Wirkungsweise der oben beschriebenen Brennkraftmaschine
gibt das Steuerdiagramm gemäß Abb.-2. In dem Steuerdiagramm ist der innere Kreis
X der mit der Winkelgeschwindigkeit w umlaufenden Brennkraftmaschinenkurbel zugeordnet.
Äuf dem mittleren Kreis Y sind die Steuerzeiten des die- Ein- und Auslaßöffnungen
i i
und 12 bzw. 9 und io des Niederdruckzylinders 4. steuernden'
Schiebers 15a, bezogen auf die Stellungen der Brennkraftmaschinenkurbel, eingezeichnet.
Auf dem äußeren Kreis Z sind die Totlagen des NTiederdruckexpansionskolbens 6, dessen
Kurbel mit der Winkelgeschwindigkeit 2 u, umläuft, ebenfalls bezogen auf die Stellungen
der Brennkraftmaschinenkurbel, eingetragen. Unter »innere Totlage« (»i. T.«) ist
jeweils die Einstellung der Kolben zu verstehen, bei der dieselben ganz in den Zylinder
eingefahren, unter »äußere Totlage« (»ä. T.«) die Stellung, bei der sie ganz ausgefahren
sind, wobei an dem Niederdruckzylinder 4 das dem hier untersuchten Arbeitszylinder
2 zugewandte, den Arbeitsraum 7 begren-. zende Ende zu betrachten ist. Des weiteren
bedeuten auf dem Kurbelkreis X die Bezeichnungen »A. ö.« Auslaß öffnet, »A. s.«
Auslaß schließt, »E. ö.« Einlaß öffnet und »E. s.« Einlaß schließt. Auf dem Kurbelkreis
Y bedeuten »a. s.« Auslaßöffnung 9 schließt, »a. ö.« Auslaßöffnung öffnet, »ü. ö.«
Übertrittsöffnung ii zwischen dem Arbeitsraum des Niederdruckzylinders und dem Arbeitszylinder
öffnet und »ü. s. « Übertrittsöffnung i i schließt. Läßt man die Brennkraftmaschinenkurbel
im Uhrzeigersinn von »i. T.« aus umlaufen, so sieht man, daß die Übertrittsöffnung
i i zum Arbeitsraum 7 des Niederdruckzylinders 4 schon offen ist, bevor die Auslaßöffnungen
13 des Arbeitszylinders aufgesteuert werden. In dem Augenblick, wo diese Auslaßöffnungen
13 des Zylinders 2 aufgesteuert werden, steuert der Schieber 15" die Auslaßöffnung
9 zu, wobei sich der Niederdruckkolben 6 in äußerer Totlage befindet. Die Abgase
strömen in den Arbeitsraum 7 des Niederdruckzylinders ein und beaufschlagen den
in die innere Totpunktstellung zurückgehenden Kolben 6. Die während der Expansion
geleistete Arbeit wird über die Welle 5 des Niederdruckzylinders 4 an die Brennkraftmaschine
abgegeben. In dem Augenblick, in dem der Niederdruckkolben 6 seine innere Totlage
durchläuft, befindet sich der Arbeitskolben des Zylinders .2 bereits wieder auf
dem Rückweg in die innere Totlage, d. h., er ist im Begriff, die Einlaßöffnungen
16 wieder zu schließen. Bevor dies geschieht, hat der Steuerschieber 15" schon die
Auslaßöffnung 9 aufgesteuert, so daß die expandierten Abgase vom zurückgehenden
Kolben 6 ausgeschoben werden können, während, da die Übertrittsöffnung i i noch
offen ist, der Brennkraftmaschinenzylinder 2 so lange durchgespült werden kann,
bis seine Einlaßöffnungen 16 zugesteuert sind. Gleichzeitig mit diesen Einlaßöffnungen
16 wird vom Steuerschieber 15" die Überströmöffnung i i zugesteuert, so daß abweichend
von der normalen kolbengesteuerten Brennkraftmaschine der Kolben des Arbeitszylinders
2 schon unmittelbar nach Abschluß der Einlaßöffnungen 16 mit der Verdichtung beginnen
kann. Er verdichtet, bevor die Auslaßöffnungen geschlossen sind.
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Abb. 3 zeigt den Niederdruckzylinder 4 der Brennkraftmaschine nach
Abb. i im Längsschnitt. Der Antrieb des Kolbens 6 und des Schiebers 15" erfolgt
über eine einzige Welle 5 mittels auf dieser sitzender Exzenter 17 bzw. 18.