-
Brennkraft-Luftverdichter mit achsparallelen Zylindergruppen und freifliegenden
Kolben Die Erfindung betrifft einen Brennkraft-Luftverdichter mit achsparallelen
Zylindergruppen und freifliegenden gegenläufigen Kolben, die durch. ein Schwinghebelsystem
miteinander verbunden sind.
-
Es sind b:eareits Brennkraft-Luftverdichter dieser Art bekannt. Diese
lassen sich grundsätzlich in zwei verschiedene Gattungen untergliedern.
-
Die eine Gattung ist als sogenannte Verbundmaschine ausgebildet, d.
h., jede der -beiden achsparallelen Zylindergruppen enthält einen Brennkraftzylinder
mit beiderseitig symmetrisch angeordneten Spülpumpen- und Verdichterzylindern, und
diese Brennkraft-Luftverdichter werden derart betrieben, daß der Explosions- bzw.
Expansionshub der Brennkraftkolben der einen Zylindergruppe mit dem Kompressionshub
der B&rennkraftkolben der anderen Zylindergruppe wechselläufig zusammenfällt.
, Diese Gattung der Brennkraft-Luftverdichter muß mit annähernd konstantem Kolbgnhub
betrieben werden, damit das für einen einwandfreien Verbrennungsablauf erforderliche
Verdichtungsverhältnis in jedem der beiden wechselläufig arbeitenden B:rennkraftzylindeT
der achsparallelen Zylindergruppen gewährleistet ist. Die bei Freiflugkolbenverdichtern
allgemein Anwendung findende
Leistungsregelung durch Veränderung
des Kolbenhubes ist bei dieser Maschinengattung somit nicht möglich.
-
Ein weiterer Nachteil bei derart ausgebildeten B;rennkraft-Luftverdichtern
'besteht darin, daß, infolge der jeweils in eines ..Achse hintereinanderliegenden
Brennkraft- und VordichteTmasc@hinenteile, die Brennkraft- und; Verdichterkolben
zu einem Bauteil vereinigt sind und daß die Wärme vom heißen B@rennkraftkdlben auf
den Verdichterkolben übertragen wird. Dieses führt zu einer zusätzlichen Aufheizung
der Verdichtermaschinenteile, wodurch das anwendbare Verdichtungsverhältnis in diesen
herabgesetzt wird, Bei dieser Gattung vorn. Brennkraft-Luftverdichtern .ist es ferner
bekannt, besondere Rückführeinrichtungen in Form von' zusätzlichen, an den Außenflächen
der Flugkolben .angeordneten Rückführb!renaräumen vorzusehen, wobei der Verdichtermaschinenteil
jeweils zwischen zwei Brennkra-ftmaschinenteilen liegt und die Aufheizu.ng desselben
somit sogar von beiden Seiten erfolgt. Dadurch wird der oben aufgeführte Nachteil
noch vergrößert.
-
Die andere Gattung der bereits bekannten Brennkraft-Luftverdichter
si@dht eine generelle Trennung des Brennkraft-. und des Verdichtermaschinenteiles
vor, und zwar in der Weise, daß die eine der beiden achsparallelen Zylindergruppen
als Zweitakt-Brenrnkraftmaschirxe und die andere als Verdichtermaschine ausgebildet
- ist. Dadurch werden die oben aufgezeigten Nachteile grundsätzlich behoben, unter
der Voraussetzung., daß das Prinzip der freifliegenden Kolben mit beliebig veränderlichem
Kolbenhub .gewahrt bleibt. Das ist aber bei den hisher bekanntgewordenen Brennkraft-Luftverdichtern
dieser Gattung .nicht der Fall; bzw. es 'haften ihnen andere Mängel an.
-
So z. B. ist es bekannt, die eine Zylindergruppe als Brennkraftmaschi,ne
mit beiderseitig symmetrisch angeordneten Spülpumpen und Niederdruckstufen vorzusehen
und in der anderen Zylindergruppe die weiteren Verdichters.tufen, wobei die gegenläufigen
Kolben der beiden. Zylindergruppen in an sich bekannter Weise über Lenker und Scehwingheb--l
miteinander gekuppelt sind, an welche ein Ausgleichkurbeltriebwerk angelenkt ist.
Das Ausgleichkurbeltriebwerk besteht hierbei aus einer mit Schwungrad versehenen
Welle mit Kurbeln, die durch Pleuelstangen mit den Schwinghebeln-verbunden sind.
Die Bewegungen der gegenläufigen Kolben werden somit durch das Arasgleichkurbeltriebwerk
mechanisch begrenzt,- d. !h., dieser Brennkraft-Luftverdichter arbeitet im Gegensatz
zum Freiflugkolbenverdichter mit -unveränderlichem Kolbenhub.
-
Gerade aber der mechanisch unbegrenzte Kolbenhub sowie der Fortfall
emnes zu beschleunigenden Kurbeltriebwerkes mit Schwungradmasse verleiht der Freiflugkolbenmasohine
i!hTe bedeutenden Vorzüge gegenüber _ den bekannten Brennkraftmaschinen. Diese Vorzüge
bestehen insbesondere darin, daß die Flugkolbenmassen sehr gering sind und diese
somit leicht beschleunigt werden können, wodurch die Einleitung der Bewegungen der
Flugkolben mit sehr hohen Beschleunigungen bzw. Geschwindigkeiten erfolgt, die bereits
beim ersten Kolbenhub .ihre maximalen Werte erreichen, so daß die Kompressions-
und Lässigkeitsverluste im Brenn'kraftzylinder äußerst gering sind und @ die Maschine
demzufolge mit absoluter Sicherheit beim ersten Anlaßhub anspringt. Diese Wirkung
wird noch dadurch erhöht, daß die Kolbenendlagen der Flugkolben iri bezug auf ihre
innere Totpunktlage frei gewählt werden können, d. h., daß das Verdichtungsverhältnis
im Brennkraftzylinder beim-Anlaßhub den Außenlufttemperaturen beliebig angepaßtwerden
kann, wodurch das Anlassen der Freiflugkolbenmaschine " auch bei größter Kälte durch
entsprechende Bemessung der Anlaßenergien betmiebssicher zu erreichen ist.
-
Ein, weiterer Vorteil der Gattung der Freiflugkolbenverdichter mit
veränderlichem Kolbenhub gegenüber den Brennkraft-Luftverdichtern mit mechanisch
begrenztem oder auch durch die Arbeitsweise' bedingtem unveränderlichem Kolbenhub
besteht in der stufenlosen Leistungsregelung der Maschine infolge der möglichen
Veränderung des Förderhubes der Verdichterkolben, was lediglich durch entsprechende
Bemessung- der in den Brenakraftzylinder eingespritzten Kmaftstoffmenge erfolgt.
Damit kommen die sonst üblichen Regelorgane für die Förderluftmengenregelung in
Fortfall. ' Es sind nun auch bereits Brennkraft-Luftverdichter mit achsparallelen
Zylindern und freifliegenden gegenläufigen Kolben. bekanntgeworden, wovon der eine
Zylinder als Zweitakt-Brennkraftmaschine und der andere Zylinder als Verdichtermas,chine
ausgebildet sind und bei welchen eine stufenlose Leistungsregelung des Verdic!htermaschinenteiles-durch
Veränderung des Kolbenhubes möglich ist.
-
Ein Nachteil dieser Brennkraft-Luftverdichter besteht aber wiederum
darin, daß einerseits die Zweitakt Brennkraftm@aschine keine besonderen Hubräume
für- die Bes.ohafung der . Spül- und Ladeluft besitzt und andererseits die Verdichtermaschine
keine besonderen Hubräume für die Speicherung der Rücklaufenergien aufweist.
-
Um die Rücklaufenergien aufzubringen, müssen die Tot-räume der Verdichterstufen
bei diesen Maschinen so groß bemessen sein, daß der Rücklauf der Flugkolben bei.
jeder .Belastung gesichert ist. Erfahrungsgemäß .neigen nun aber die in den Verdichterstufen
angeordneten Ventile zu Störungen, die sich auch auf die Druckhaltung und damit
auf die Speicherung der Rücklhufenergien unliebsam auswirken. Bei undichten Ventilen
treten daher starke Hubschwankungen der Flug-,kollben, verbunden mit unregelmäßiger
Luftförderung .verdichterseitig und unregelmäßigen Kraftstoffverbrennungen motorseitig
auf.
-
Zur Erzielung einer größeren Laufstabilität ist es bei einachsigen
Freiflugkolbenverdichtern auch schon bekannt, an den Außenflächen der Flugkolben
in
symmetrischer oder auch unsymmetrischer Anordnung zusätzliohe, als Luftpolster wirkende
Hubräume für den Rücklauf der Flugkolben vorzusehen.
-
Bei symmetrischer Ausbildung des Brennkraft-Luftverdichters sind in
einer Achse liegend, in spiegelbildlicher Anordnung auf beide Maschinenhälften aufgegliedert,
jeweils Brennkraftzylinder, Spülpumpen, Verciiehterstufen und Rückführhubräume angeordnet.
Dieses führt zu sehr langen und komplizierten Bauformen mit mehrfach. abgestuften
Kolben und Zylindern.
-
Die unsymmetrische Ausbildung des Brennkraft-Luftverdichters, d. h.
eine nur einseitige Anordnung der Hubräume, z. B. der Verdiichten-s:tufe auf der
einen und der Spülpumpe und des Rückführhubraumes auf. der anderen Maschinenhälfte,
ermöglicht zwar die Erzielung geringerer Baulängen, hat aber anderseits den Nachteil,
daß Kolbenformen und Kolbengewichte sowie die in den Hubräumen auftretenden Kräfte
verschieden. sind, so daß die Überschußkräfte von der Synchronisierungsvorrichtung
aufgenommen und von einer Maschinenhälfte auf die andere übertragen werden müssen.
Auch vom fertigungsmäßigen Standpunkt stellt die ungleiche Ausbildung von Kolben
und Zylindern sowie der anderen Bautöle keine besonders glückliche Lösung dar.
-
Bei Brennkraft-Luftverdichtern mit achsparallelen Zylindergruppen
ist die Anordnung besonderer, .nur als Luftpolster wirkender Rückführhubräume bisher
noch nicht bekanntgeworden.
-
Bei den als Verbundmasdhi.ne ausgebildeten Freiflugkolbenverdichterrn
der erstgenannten Gattung, d. h. bei welchen jede der beiden achsparallelen Zylindergruppen
je einen Brennkraft-und je.einen Verdichtermaschinenteil enthält und die mit konstantem
Kolbenhub betrieben werden, ist es auch schon vorgeschlagen worden, die.eine Zylindergruppe
durch Abschaltung der Kraftstoffpumpe außer Betrieb zu setzen, wobei der BrennkraftzylindeT
dreh abgeschalteten Zylindergruppe als pneumatisches Luftpolster wirken und die
Maschine mit Halblast weiter betrieben werden soll. Da die Verdichterstufen der
abgeschalteten Zylindergruppe jedoch nicht gleichzeitig außer Betrieb gesetzt werden,
müßte der Brennkraftzylinder "der noch eingeschalteten Zyllndergruppe die Verd.ichtungs-
und Ausschubarbeiten in beiden Zylindergruppen übernehmen, wozu dieser aber leistungsmäßig
gesehen nicht in der Lage ist.
-
Bei Abschaltung der Kraftstoffpumpe der einen Zyliinderg-ruppe würde
das Verdichtungsverhältnis im Brennkraftzylinder der noch eingeschalteten anderen
Zylindergruppe so weit abfallen, daß ein. Selbstentzündungsbetrieb der Maschine
nicht mehr möglich wäre. Lediglich bei einer gleichzeitigen Regelung der Kraftstoffpumpen
beider Zylindergruppen, d. h. bei Regelung der Kraftstoffpumpe der nicht abzuschaltenden
Zylindergruppe auf Leerlaufeinspritzmenge und Regelung der Kraftstoffpumpe der abzuschaltenden
Zylindergruppe auf Stopp-Stellung, wäre ein weiterer Betrieb des Brenrnkraft-Luftverdichters
im Leerlauf denkbar, da in, diesem Falle die Verdichterstufen als zusätzliche Luftpolster
wirken, d. fi. keine Luft aus diesen ausgeschoben wird und auf diese Weise die erforderlichen
Rücklaufarbei.ten aufgebracht würden.
-
Diese Art der Regelung ist aber an dem erwähnten Brennkraft-Luftverdichter
nicht in Erwägung gezogen; dieser würde nach dem beschriebenen Verfahren auch nur
bei Leerlauf- oder be:i Vollastleistung zu betreiben sein. -Der Brennkraft-Luftverdichter
gemäß der _vorliegenderi Erfindung fällt in d-ie zweitgenannte Gätturig. Die eine
der beiden achsparallelen Zylindergruppen ist als Zweitakt-Brennkraftmaschine mit
symmetrisch angeordneten Spülpumpen, und die andere Zylindergruppe. als Verdichtermaschine
- mit stufenloser Mengenregelung ausgebildet.
-
Das Besondere der Atfordnung und Ausbildung des Brennkraft-Luftverdichters
besteht erfindungsgemäß darin, daß die 'die Verdichtermaschine bildende Zylindergruppe
außer den Hubräumen für die Verdichtung der Förderluft an sich bekannte, als Luftpolster
bzw. als pneumatische Energiespeicher wirkende, symmetrisch ;.uf beide Maschinenhälften
aufgegliederte Rückführhubräume enthält, wobei diese einen gemeinsamen oder auch
zwei voneinander getrennte Hubräume bzw. Teilhubräume bilden.
-
Der - B:rennkraft-Luftverdichter gemäß der Erfindung kann ein- oder
auch zweistufig ausgebildet sein.
-
In einstufiger Ausführung kann beilspielsweise der durdll die gegenläufigen
Stufenkolben gebildete gemeinsame innere Hubraum als Energiespeicher und die beiderseitig
symmetrisch zu diesem liegenden äußeren Ringräume als Verdichterstufen dienen.
-
Eine weitere Möglichkeit der einstufigen Ausbildung des Brennkraft-Luftverdichters.
besteht darin, daß der durch die gegenläufigen Stufenkolben in der Verdichterzylindergruppe
gebildete gemeinsame ,innere Hubraum als Verdichterstufe und die beiderseitig symmetrisch
zu diesem liegenden äußeren Ringräume als Energiespeicher . ausgebildet sind.
-
Bei zweistufiger Ausführung des B.rennkraft-Luftverdiichters dienen
die durch. die gegenläufigen Stufenkolben in der Verdiclhterzylindergruppe gebildeten
äußeren Ringräume im ersten Tei-1'hub als erste Verdi.chterstufen und im zweiten
Teilhub als Energiespeicher und der gemeinsame innere Hubraum als zweite Verdichterstufe.
-
Die Unterteilung der Hubräume in Verdichterstufen und Energiespeicher
erfolgt durch seitlich in den Zylinderwandungen angebrachte Schlitze und/oder Ventile.
-
Die als Energiespeicher verwendeten Hubräume sind in den äußeren Totpunktlagen
der Flugkolben über seitlich in den Zylinderwandungen angeordnete Schlitze mit der
Atmosphäre oder mit einem unter konstantem Druck stehenden Raum verbunden,
wodurch
ein Druckausgleich in diesen hergestellt und die Lässigkeitsverluste ,in den- genannten
Hubräumen ausgeglichen werden.
-
In den Fig'. i bis 3 sind Anordnungs- und Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt.
-
Die Fig. i und 2 stellen Brennkraft-Luftverdichter in einstufiger
und die Fig. 3 stellt einen Bzennkraft-Luftverdichte.r in zweistufiger Ausführung
dar. Die Anordnung und Ausbildung der Hubräume des Brennkraftmaschinenteiles ist
bei allen Ausführungsbeispielen gleizä, während die Anordnung und Ausbildung der
Hubräume im Verdichtermaschinentei.l verschiedenartig getroffen ist.
-
In der Fig. i ist der .grundsätzi1iche Aufbau des Brennkraft-Luftverdichters
dargestellt. Der Stufenzylinder i mit den gegenläufigen. Flugkolben 2 und 3 stellt
:den B@rennkraftmaschsinenteil und der Stufenzylinder 4 mit den gegeril-äufigen
Flugkolben 5 .und 6 den Vendichtermasehinenteil dar. Die Flugkolben 2 und' 5 sowie
3 und 6 sind über gleiche Pleuelstangen 7 und ebenfalls gleich ausgebildete Schwinghebel.
8 bzw. 9 in. bekannter Weise miteinander verbunden und durch Achsen io und ii im
Kompressorgdhäuse 12 schwingbar gelagert. Die für die Kräfteübertragung vorgesehenen
hin und her pendelnden Sehwinghebel 8 und 9 sind mit den im Kompressorgdhäuse 12
gelagerten Achsen io und i i starr verbunden, so daß diese ebenfalls die gleichen
pendelnden Bewegungen ausfü'hTen und für dien Antrieb der Hilfsaggregate, wie Kraftstoffein:spritzpumpe,
- Sehmierälpumpe usw., benutzt werden können.
-
Im Brennkraft.maschinenteil ist der Hubraum 13 als Krafterzeuger ausgebildet
und mit der Kraftstofieinspzitzdüse 14 sowie den Einlaßschlitzen, 15 und Auslaßschlitzen
16 versehen: Die Kraftstoffeinspritzdüse 14 wird von einer nicht dargestellten Kraftstoffpumpe
mit Kraftstoff beschickt. Die Hubräume 17 und 18 des Brennkraftmaschi:nenteiles
sind als Spül und Ladepumpen ausgebildet und für den Eintritt der Luft mit Saugventilen
i9 und 2o und für den Luftaustritt mit Druckventilen .2z und 22 versehen.
-
Im Verdiehtermaschinenteil ist der Hubraum 23 als Verdidhterstufe
ausgebildet und mit Saugventilen 24 und Druckventilen 25 versehen, während die Hubräume
26 und. 27 als Energiespeicher dienen und mit Schlitzen 28 und 29 .ausgerüstet sind,
welche die Hubräume 26 und 27 nut dem Spüll'üftaufnehmer 3o, der durch das Innere
der Maschine und die 31 .und 32 gebildet wird, verbinden.
-
Die Arbeitsweise des ,in der Fig., i dargestellten Brennkraft-Luftverdichters
ist .nun folgende: Befinden sich .die Flugkolben 2 und 3 nach erfolgter Kompression
in ihren inneren Totpunktlagen, so wird. über die Einspritzdüse 14 Kraftstoff in
die hochverdichtete und erhitzte Luft des Hubzaumes 13 des Krafterzeugers eingespritzt.
Durch die daraufhin- einsetzende und Verbrenriurig des Kraftstoff-Luft-Gemisches
werden die Flugkolben 2 und 3 .auseinander- ' und die Flugkolben- 5 und 6 zusammengeschleudert.
Bei der Auswärtsbewegung der Flugkolben 2- und 3 findet im Hubraum 13 des Krafterzeugers
der Expansionshub und in den Hubräumen 17 und 18 der Spül-und Ladepumpen der Saughub
statt, wobei über die Saugventile i9 und 2o Luft aus der Atmosphäre angesaugt wird.
-
Bei der Einwärtsbewegung der Flugkolben 5 und 6 findet währenddessen
im Hubraum 23 der Verdichterstufe der Kompressiorns- und Ausschubhub statt, wobei
die verdichtete Luft über das Druckventil25 in die Druckleitung33 ausgeschoben wird,
während in den Hubräumen 26 und 27 der Energiespeicher die Luft verdichtet und,
auf diese Weise die Energien für den Rücklauf der Flugkolbenpaare 2 und 3 bzw. 5
und 6 gespeichert werden.
-
Befinden sich die Flugkolben 2 und 3 in. der Nähe .ihrer äußeren Totpunktlagen,
so öffnet der Flugkolben 2 die Auslaßschlitze 16 und der Flugkolben 3 die Einlaßschlitze
15, und im Hubraum 13 des Krafterzeugers vollzieht -sich der Spül- udid .Ladevorgang.
-
Haben die Flugkolben 2. und 3 ihre äußeren Totpunktlagen und die -
Flugkolben 5 und 6 ihre inneren Totpunktlagen erreicht, so werden durch die in den
Hubräumen. 26 und 27 der Energiespeicher komprimierte Luft, die Flugkolben 5 und
6 wieder auseinander- und die Flugkolben :2 und 3 zusammengeschleudert-.
-
Bei der Auswärtsbewegung der Fd,ugkolben 5 und 6 expandiert die in,
den Hubräumen 26 und 27 gespeicherte Druckluft, während im Hubraum 23 der -Verdichterstufe
über das Saugventil 2-4 Luft aus der Atmosphäre angesaugt wird.
-
Bei der Einwärtsbewegung der Flugkolben .:2 -und 3 vollzieht sich
im Hubraum 13 des Krafterzeugers der Kompressionshub und. in den Hubräumen 17 und
i8 der Spül- und Ladepumpen der Kompressions- und Ausschubhub, wobei. die Luft über
die Druckventile 21 und 2.2 in den Spülluftaufnehmer 3o ausgeschoben wird.
-
Damit ist ein Arbeitstakt beendet, und der Vorgang wiederholt. sich
in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben.
-
In der Fig. 2 ist ebenfalls ein einstufiger Brenn-. -kraft-Luftverdich-ter
dargestellt, wobei jedoch, die Anordnung und Ausbildung der Hubräume des Verdichtermaschinenteiles.
anders getroffen: wurden..
-
Der, durch die Flugkolben 5" und 6, gebildete gemeinsame innere
Hubraum 2,.3" ist als Energiespeicher vorgesehen, wobei dieser durch die Schlitze
34 und: 35 beispielsweisee mit der Atmosphäre verbunden ist, während die Hubräume
26" und 27" als Verdic'hterstufen ausgebildet und mit Saugventilen 36 und. 37 und
Druckventilen 38 und 39 ausgerüstet. sind. Die Druckräume 4o und 41 diienen zur
Aufnahme der verdichteten Luft. Die S@aiximelleitung 42 .stellt die Verbindung mit
einem nicht dargestiellten Windkessel her.
-
In der Fig.3 ist der Verdichtermaschinenteil des dargestellten Brennkraft-Luttverdichters
zweistufig ausgebildet. Die duich die. Flugkolben 5a
und
61, gebildeten Hubräume 26b und 27b sind im ersten Teilhub als erste Verdichterstufen
und im zweiten Teilhub als Energiespeicher ausgebildet. Seitlich in den Zylinderwänden
sind Saugventile 36b und 37b versetzt angedeutet sowie Druckventile 38b und 39b
angeordnet. Dadurch wird die funktionsmäßige Aufteilung der Hubräume 26b und 27b
erzielt. Der gemeinsame innere Hubraum 23b ist -als zweite Verdichterstufe ausgebildet
und mit einem Saugventil 24b und Druckventil 25b ausgerüstet. Die in den ersten
Verdichterstufen der Hubräume 26b und 27b geförderte Luft tritt über die Verbindungsleitungen:
43 und 44 in einen Zwischenkühler 45 und gelangt von hier über das Saugventil 24b
in den Hubraum 23b der zweiten Verdichterstufe.
-
Grundsätzlich kann auch der Hubraum 23b der zweiten Verdichterstufe
in ähnlicher Weise wie die Hubräume 26b und 27b der ersten Verdichterstufe in zwei
Teilhübe aufgeteilt werden, falls dieses vorteilhaft erscheint.