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Umkehrbare Doppelkolben-Zweitaktmaschine mit innerer Verbrennung Die
Erfindung betrifft eine umkehrbare Doppelkolben-Zweitaktmaschine mit innerer Verbrennung,
bei welcher Einlaß- und Auslaßschlitze abwechselnd durch die beiden Kolben geschlossen
und freigegeben werden, wobei die Einlaßschlitze durch Voreilung des die Auslaßschlitze
steuernden Kolbens so lange offen bleiben, bis die Auslaßschlitze geschlossen wurden.
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Eine bekannte Brennkraftmaschine dieser Bauart weist bereits ein Regelventil
auf, welches bei Umkehrung der Gangrichtung die vom Kolben freigelegten Einlässe
so lange vom Ladebehälter absperrt, bis sich die verbrannten Gase genügend entspannt
haben. Ferner ist es bereits bekannt, zwei Gruppen von Einlaßschlitzen bei Doppelkolben-Zweitaktbrennkraftm,aschinen
vorzusehen, von denen die dem Totpunkt nächstliegende Gruppe in offener Verbindung
mit einem Spülluft führenden Raum steht, während die zweite Gruppe Luft höheren
Druckes in den Zylinder ein.läßt, wobei diese Gruppe von Einläßschlitzen außer vom
Kolben auch von einer Regelvorrichtung gesteuert wird. Schließlich hat man bereits
eine Zweitaktverbrennungsmaschine mit Doppelkolben in Vorschlag gebracht, bei welcher
die Auslaßschlitze vermittels eines Kolbens geschlossen oder geöffnet werden, der
eine Voreilung gegenüber dem die Einlaßschlitze steuernden Kolban
besitzt,
und bei welcher zwei Gruppen von den Ladevorgang regelnden Schlitzen vorhanden sind.
Diese Konstruktion bezweckt jedoch eine Dosierung der Brennstoffladung. Zu diesem
Zweck ist bei der erwähnten Maschine eine mit der Gruppe der gesteuerten Schlitze
verbundene Kammer vorgesehen, die vollkommen getrennt von der Kammer ausgebildet
ist, aus welcher die Maschine Spülluft sowie Verbrennungsluft zur Füllung aufnimmt.
Die bei dieser Brennkraftmaschine angeordneten gesteuerten Schlitze stehen daher
mit der Luftzuführu.ngskammer nicht in Verbindung.
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Demgegenüber bezweckt diese Erfindung, eine umkehrbare Doppelkolben-Zweitaktmaschine
mit innerer Verbrennung, bei welcher Einlaß- und Auslaßschlitze abwechselnd durch
die beiden Kolben geschlossen und freigegeben werden, wobei der die Auslaßschlitze
steuernde Kolben eine Voreilung besitzt, so auszubilden, daß die Maschine in der
Hauptdrehrichtung besonders große Überbelastungen aufnehmen kann. Zu diesem Zweck
werden erfindungsgemäß an sich bekannte obere und untere Einlaßschlitze vorgesehen,
die aber nichtmit .verschiedenenLuftzuführungskammern, sondern beide mit der gleichen
Luftzuführungskammer in Verbindung stehen. Es sind a21so zwei Gruppen von Einlaßschlitzen
vorhanden, deren gemeinsame Luftkammer Luft für etwaige Überlastung liefert. Wie
bekannt, werden dabei die Einlaßschlitze nacheinander durch die Auswärtsbewegung
des den Eimaß steuernden Kolbens derart geöffnet, daß die zuerst geöffnete Gruppe
der Einlaßschlitze mit der erwähnten Luftkammer durch ein Regelventil in Verbindung
kommt, das so ausgebildet ist, daß der Übertritt von Auspuffgasen durch dasselbe
verhindert wird, während die andere Gruppe der Einlaßschlitze in offener Verbindung
mit der genannten Luftkammer steht.
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Wie schon aus der Kennzeichnung des Zweckes der Erfindung hervorgeht,
wird im übrigen der Patentschutz lediglich für die Kombination der angeführten Merkmale
in Anspruch genommen. Zweckmäßig erhält der Auspuffkolben nur eine geringe Voreilung
vor dem Einlaßkolben von etwa q. bis 8°, so daß die Maschine mit vergleichbaren
Wirkungsgraden in den beiden Drehrichtungen arbeiten kann. Eine solche Maschine
kann also mit besonders hohem Wirkungsgrad im Vorwärtsgang sowie auch mit durchaus
wirtschaftlichem Wirkungsgrad beim Rückwärtsgang laufen. Die erfindungsgemäße Ausbildung
einer derartigen Maschine eignet sich infolgedessen insbesondere auch als Fahrzeugantrieb,
z. B. Schiffsantrieb.
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Die Anordnung. der Auspuffschlitze wird so getroffen, daß dieselben
vollkommen freigegeben werden, wenn die durch Ventile gesteuerten Luftschlitze vollständig
freigegeben sind oder wenn die umgesteuerten, d. h. die unteren Schlitze gerade
im Begriff sind, sich zu öffnen.
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Die Auspuffschlitze können z. B. etwa bei 5o° der Kurbelbewegung vor
dem Ende des Ganges des den Auspuff steuernden Kolbens freigegeben und bei etwa
5o° nach der Beendigung des Kolbenganges bedeckt werden. Die Luftschlitze ohne Ventilsteuerung
können etwa 30° nach der Freigabe der Auspuffschlitze freigegeben und bedeckt werden,
ehe die Auspuffschlitze bedeckt sind. Die ventilgesteuerten Luftschlitze können
offen bleiben, bis die Auspuffschlitze beschlossen sind. Dieser Vorgang kann auch
um einige Grade später erfolgen.
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Die Auspuffschlitze können eine Länge besitzen, die etwa 30° des Kurbelwellenwinkels
entspricht, so daß sie im wesentlichen vollständig geöffnet sind, wenn die Luftschlitze
ohne Ventilsteuerung freigegeben sind.
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In anderen Fällen, in denen es erwünscht ist, daß ein Teil kalter
Luft mit den Auspuffgasen gemischt wird, z. B. um die Temperatur der. Gase herabzusetzen,
wenn ein mit Auspuffgasen angetriebenes Turbogebläse zur Vorverdichtung benutzt
wird, erstrecken sich die Auspuffschlitze vorzugsweise - bis zum Ende des Kolbenganges.
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Das automatische Rü.ckschlagventil, das dazu dient, um ein Rückströmen
der Auspuffgase durch die Luftschlitze zu verhindern, kann z. B. nach Art eines
Mehrplattenventils oder eines Klappenventils z. B. in Form einer Reihe von dünnen,
frei tragenden Platten ausgebildet sein, die an einem Ende befestigt sind und an
dem anderen Ende sich biegen können, um der Luft zu gestatten, zwischen ihnen und
einem Sitz durchzufließen, wenn der Druck in der Lufteinlaßleitung den Druck -in
dem Zvlinder der Maschine übersteigt. Wenn ein mechanisch betriebenes Ventil verwendet
wird, so kann dieses z. B. aus einer Buchse um den Zylinder bestehen, die durch
eine Vorrichtung bewegt, gedreht oder hin- und hergeführt wird, welche von der Maschinenkurbelwelle
oder Nockenwelle betätigt wird. Die Buchse kann zeitlich so eingestellt werden,
daß sie die Luftschlitze etwa a5° vorher öffnet, ehe der Kolben die Endstellung
seines nach außen gerichteten Ganges erreicht und die Schlitze wieder schließt,
nachdem sie durch den Kolben auf seinem nach innen gerichteten Gang abgedeckt wurden.
Handelt es sich um eine umsteuerbare Maschine, so muß eine mechanische Vorrichtung
zur Änderung der von der Zeit abhängigen Bewegung der Buchse vorgesehen werden.
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In der Zeichnung sind mehrere Au@sführungsformen der Erfindung beispielsweise
und schematisch dargestellt.
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Fig. i stellt einen Längsschnitt durch eine umsteuerbare, mit Vorverdichtung
arbeitende Doppelkolben-Zweitaktsehiffsmaschine dar; Fig. z ist ein Schnitt durch
die Maschine nach Fig. i ; Fig. 3 ist eine Fig. a ähnliche Ansicht einer zweiten
Ausführungsform der MaCchine; Fig. q. zeigt ein Zeiteinstellungsschema, das bei
beiden Maschinen angewandt werden kann und die Reihenfolge und ungefähre zeitliche
Abstimmung während einer Umdirehung der Maschine für das Öffnen und Schließen der
verschiedenen Luft- und Auspuffschlitze angibt;
Fig. 5 ist eine
Ansicht eines Rücks.chlagventils, das bei der in Fig. i und :2 giezeigten Maschine
verwandt wird.
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Die in Fig. i und 2 dargestellte Maschine hat einen unteren Kolben
i, der mit der mittleren Kröpfung 2 der Kurbelwelle durch einen Kreuzkopf 3 und
eine Pleuelstange .4 verbunden ist. Der obere Kolben 5 ist mit den beiden seitlichen
Kurbeln 6 und 7 der Kurbelwelle durch Pleuelstangen 8 und 9 verbunden. Im unteren
Teil des Zylinders 18 befinden sich Luftschlitze io, die durch automatische Rückschlagventile
i i und 12 gesteuert werden. Unter diesen Luftschlitzen ist eine zweite Reihe von
Luftschlitzen 13, welche eine direkte Verbindung zwischen der Luftkammer 14. und
dem Hubraum bilden. Am oberen Ende des Zylinders ist eine Reihe von Auspuffschlitzen
1.9 angeordnet, die sich z. B. bis zum oberen Ende des Zylinders erstrecken können.
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Die seitlichen Kröpfungen 6 und 7 der Kurbelwelle, mit denen der obere
Kolben 5 verbunden ist, sind um etwa d. bis 8° im Sinne der Rotation. gegenüber
der mittleren Kröpfu.ng 2 der Kurbelwelle versetzt. Eine derartige Ausbildung der
Kurbelwelle und des Auspuffkolbens 5 ermöglicht es, d'aß die Auspuffschlitze früher
und schneller geöffnet werden als bei den bisher bekannten Maschinen, so daß
ein großer Teil der sich durch die Vorverdidhtung in dem Zylinder befindlichen
Gase durch die Auspuffkanäle 16 und 17 so schnell wie möglich abgegeben werden.
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Beim Betrieb der Maschine gibt die Abwärtsbewegung des unteren Kolbens
i nach Öffnung der Auspuffschlitze durch den Kolben 5 die gesteuerten Luftschlitze
io frei. Jedoch «wi.rd Luft erst dann in den Zylinder 18 strömen, wenn der Druck
im Zylinder unter den Druck der Luftkammer 14 gefallen ist. Ein Rückströmen der
Auspuffgase aus dem Hubraum durch die Schlitze wird durch die Rückschlagventile
i i und 12 verhindert. Nachdem der Druck im Hubraum 18 gefallen ist, wird die Luft
von der Luftkammer 14. durch die Rückschlagventile ii und 12 in den Hubraum 18 strömen,
diesen durchströmen und schließlich durch die Auspuffschlitze 15 wieder ins Freie
treten. Dadurch wird bewirkt, daß die Luft den Hubraum 18 durchspült und die restlichen
Verbrennungsprodukte mit abführt. Eine weitere Bewegung der Kröpfung 2 der Kurbelwelle
und somit des unteren Kolbens i gibt die unteren Schlitze 13 frei. Die Luft strömt
dann durch diese direkt in den Hubräum 18. Dadurch wird die Spülung des Zylinders
unterstützt und Verbrennungsluft zugeführt. Eine beständige Drehung der Kurbelwelle
mit den Kröpfungen 2 und 6, 7 hat zur Folge, daß die Kolben i und 5 ihre Totpunktlage
passieren. Dadurch werden zuerst die ungesteuerten Luftschlitze 13 durch den Kolben
i und danach die Auspuffschlitze durch den Kolben 5 abgedeckt. Die Luft strömt jedoch
beständig weiter durch die Rückschtagventl.te i i und 12 sowie durch die Schlitze
io, bis diese durch den unteren Kolben abgedeckt werden. Durch die Strömung der
Luft aus .dem Raum 14 in den Hubraum 18 wird bei gleichzeitiger Bewegung der Kolben
eine zusätzliche Luftmenge zugeführt und eine Vorverdichtung herbeigeführt wird.
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Fig. 3 zeigt eine Doppelkolbenmäschine, in der ein unterer Kolben
ig mit einer mittleren. KröpfUng 2o der Kurbelwelle über eine Pleuelstange 21 verbunden
ist. Bei dieser Maschine ist der obere Kolben 22 mit den beiden seitlichen Kröpfungen
23 und 24 der Kurbelwelle über Pleuelstangen 25 verbunden. Wie in dem vorstehend
beschriebenen Beispiel dargelegt, steuert der obere Kölben 2o die Auspuffschlitze
26, und der untere Kolben i9 deckt zuerst die gesteuerten Luftschlitze 27 und danach
die freien Luftschlitze 28 ab. In diesem Beispiel werden die Luftschlitze 27 durch
eine schwingende Buchse 29 gesteuert, die von einem Nocken 30 auf einer Nockenwelle
31 der Maschine betätigt wird Dabei wird die Bewegung von einer Stange 32 und einem
doppelarmigen Hebel 33 auf die Buchse übertragen. Um einen Drehsinnwechsel herbeizuführen,
sind zwei Nocken 30 und 34 auf der Nockenwelle värgesehen, wobei der Nocken
30 zur Betätigung der Buchse 29 in der »Vorwärts«-Richtung und der Nocken
34 zur Betätigung der Buchse in der »Rückwärts«-Richtung bestimmt ist. Die Manövrierwelle
35 bestimmt durch den Hebel 36 und die für den Vorwärtsgang bestimmte Rolle 37 oder
die für den Rückwärtsgang bestimmte Nockenrolle 38, welcher Nocken in Betrieb gesetzt
werden soll. Die Reihenfolge der Arbeitsgänge ist die gleiche wie in dem vorhergehend
beschriebenen Beispiel. Die seitlichen Kröpfungen 23 und 24 der Kurbelwelle liegen
bis zu .4 bis 8° gegenüber der mittleren Kröpfung 20 in Führung. Dies gestattet
dem Kolben 22, die Auspuffschlitze 26 früher und schneller als gewöhnlich zu öffnen.
Nachdem die Auspuffschlitze durch den Kolben 22 freigegeben worden sind, gibt der
Kolben ig die obere Reihe von Luftschlitzen 27 frei, die jedoch ein Eindringen der
Luft aus der Luftkammer 39 in den Hubraum 4.o so lange nicht g!estatte.n,
bis die Schlitze 27 durch die Betätigung der Buchse 29 freigegeben werden. Eine
weitere Drehung der Kurbelwelle der Maschine veranlaßt den Kolben i9, die Reihe
der freien Luftschlitze freizugeben, die den Zutritt der Luft aus der Luftkammer
39 zu dem Hubraum ¢o und durch diesen hindurch zu den Auspuffschlitzen 26 gestatten.
Dadurch wird die Spülung des Zylinders bewirkt. Bei der Weiterbewegung der :Maschine
deckt der Kolben ig bei seinem nach oben gerichteten Gang zuerst die Schlitze 28
und danach der obere Kolben 22 die Au:s.puffschlitze 26 ab. Die Luft fließt jedoch
beständig weiter in den Hubraum und bewirkt die Vorverdichtung, bis die Schlitze
27 durch den Kolben ig abgedeckt werden. Die Schlitze 27 werden zu einem späteren
Zeitpunkt durch die Schwingbuchse 2 j abgedeckt.
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Fi,g. q. zeigt die ungefähre zeitliche Abstimmung der Ventile bei
einer Drehung der oben beschriebenen Maschinen. Bei diesen Maschinen liegen die
seitlichen Kröpfungen um etwa q. bis 8° vor der mittleren Kröpfung der Kurbelwelle
beim Vorwärtsgang
in Führung. In dem Schema beziehen sich alle
Zeitangaben auf die mittlere Kröpfung der Kurbelwelle und den unteren Kolben. Die
voll ausgezogenen Linien beziehen sich auf den unteren Kolben und die gestrichelten
Linien auf den oberen Kolben. Die Reihenfolge -der Arbeitsgänge ist wie folgt: A.
Die Auspuffschlitze werden 52° vor dem äußeren Totpunkt durch den, oberen Kolben
freigegeben-B. Die durch Ventile gesteuerten Luftschlitze werden 5o° vor dem äußeren
Totpunkt durch den unteren Kolben freigegeben. Dabei bleiben die Ventile so lange
geschlossen, bis der Druck im Hubraum auf den Luftdruck gefallen ist.
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C. Die unteren, der Spülung dienenden Luftsclhlitze werden durch den
unteren Kolben 25° vor dem äußeren Totpunkt freigegeben.
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D. Der obere Kolben erreicht den äußeren Totpunkt etwa 4, bis 8° früher,
als der untere Kolben diesen erreicht.
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E. Der untere Kolben erreicht den Totpunkt. F. Die unteren Luftschlitze
werden durch den unteren Kalben 25° nach Erreichung des äußeren Totpunktes abgedeckt.
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G. Die Auspuffschlitze werden 44° nach Erreichen des äußeren Totpunktes
von dem oberen Kolben abgedeckt.
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H. Die ventilgesteuerten Luftschlitze werden 5o° nach Erreichen des
Totpunktes durch den unteren Kolben abgedeckt.
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Fig.5 zeigt d-ie Ausbildungsform des automatischen Rückschlagventils,
das in der in Fi.g. i und 2 dargestellten Maschine verwendet wird. Die obere Reihe
von Luftschlitzen io in dem Zylinder 18 wird durch eine Anzahl von Plattenventilen
43 gesteuert, die auf durch die Kanten der trogfärmigen Glieder 45 gebildeten Sitzen
44 ruhen.
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Wenn der Druck im Hubraum 18 den Druck in der Luftkammer 14 übersteigt,
werden die Plattenventile 43 durch diesen Druck auf ihren Sitzen 44 gehalten. Wenn
jedoch der Druck im Hubraum i8 unter den Luftdruck der Kammer 14 fällt, werden die
dünnen Plattenventile 43 geöffnet, und jedes wird um die gekrümmte Oberfläche 46
der Unterseite des über ihm angeordneten Gliedes 45 gebogen. Die Luft fließt dann
in Richtung der Pfeile durch die trogförmig gebogenen Platten in den Hubraum 18.
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Die Luft für die Vorverdichtung kann durch ein besonders großes, umsteuerbares
Gebläse oder mehrere Gebläse dieser Art oder Rootsgebläse, Schaufelgebläse oder
Zentrifugalgebläse geliefert werden. Die vorverdichtete Luft wird den Kammern 14
und 39 zugeführt. Die vorstehend beschriebene Ausbildung der Maschine bringt die
folgenden Vorteile: Die Auspuffschlitze öffnen sich durch die an sich bekannte Voreilung
des Auslaßkolbens wesentlich früher als die Luftschlitze. Die Auspuffschlitze haben
daher eine große anfängliche Öffnungsfläche, die ein Entweichen eines wesentlichen
Teiles der Auspuffgase gestattet, ehe die Luftschlitze sich öffnen. Ein Entweichen
der Luft durch die Auspuffschlitze wird dagegen durch das frühzeitige Schließen
der Auspuffschlitze begrenzt. Weiter können die an sich bekannten ventilgesteuerten
Luftschlitze großflächig sein und damit eine große Luftmenge zur Vorverdichtung
eintreten lassen, und zwar nach dem Zeitpunkt, an dem die Auspuffschlitze geschlossen
werden. Die erfindungsgemäße Kombination der genannten Merkmale gestattet eine durch
das Maß der V oreilung des Auslaßkolbens bedingte Verringerung der Länge der Einlaß.schlitze,
so daß ein geringer Teil des Hubes für die Verdichtung verlorengeht.
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Die vorhergehend beschriebenen Beispiele beziehen sich insbesondere
auf umsteuerbare Schiffsmaschinen. Es ist ersichtlich, daß auf Grund des Voreilens
der äußeren Kröpfungen der Kurbelwelle gegenüber der mittleren Kröpfung der Wirkungsgrad
der Maschine beim Vorwärtsgang größer ist als beim Rückwärtsgang. Dadurch wird der
Auswinkelung der Kröpfungen eine Grenze gesetzt.