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Vorrichtung zur Begrenzung des Höchstdruckes in den Arbeitszylindern
von Brennkraftmaschinen - -Brennkraftmaschinen mit luftloser Einspritzung, bei denen
der Brennstoff direkt unter der Einwirkung einer Brennstoffpumpe in den Zylinder
eingespritzt wird, sind mit dem Übel behaftet, daß sie außerordentlich hohe Zünddrücke
aufweisen. Mit den-Zünddrücken steigen naturgemäß auch die :Temperaturen stark an,
die schließlich eine solche Höhe erreichen, daß sie für den Zylinder, den Kolben
und die Kolbenstange außerordentlich schädlich werden. Das Material der diesen hohen
Temperaturen ausgesetzten Maschinenteile hält selbst - bei sorgfältiger Auswahl
diesen Anforderungen nicht stand, und es kommt infolgedessen leicht zum Reißen der
Zylinder- und Kolbenwandungen und zu Brüchen der Kolbenstange.
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Zur Sicherung der Zylinder und des Triebwerkes gegen unzulässig hohe
Drücke ist bei Brennkraftmaschinen meist nur -ein federbelastetes Sicherheitsventil
vorgesehen, das den Verbrennungsgasen -beim Überschreiten des höchstzulässigen Gasdruckes
einen- Austritt ins Freie gestattet. Der Gasüberdruck wird durch Abdrosseln vernichtet,
und die darin vorhandene Arbeitsenergie geht verloren- ' Es ist auch wiederholt
vorgeschlagen worden, unmittelbar am. Arbeitszylinder einen Zusatzraum anzuordnen,
in welchem sich ein verschiebbarer Kolben befindet, der bei Überschreitung des höchstzulässigen
Druckes -zurückweicht. Dadurch soll der Rauminhalt .des Arbeitszylinders vergrößert
und ein wesentlicher Druckabfall erreicht werden. Diese Zuschalträume haben sich
im praktischen Betrieb aber nichtbewährt, da sie einerseits, uni einen wirksamen
Druckabfall zu erreichen, sehr groß gemacht werden- müssen und infolgedessen erhebliche
bauliche Schwieriglkeiten verursachen und andererseits die Masse des den Zuschaltraum
abschließenden Kolbens so groß ist, daß es nicht möglich ist, sie in der zur Verfügung
stehenden kürzen Zeit genügend zu beschleunigen. Infolge dieser ungenügenden Beschleunigung
wird eine dem jeweiligen Druckanstieg entsprechende Vergrößerung des Arbeitsraumes
nicht erreicht, und der Druckausgleich kann nur -in ganz geringem Maße eintreten.
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Es ist ferner bekannt, den Brennraum im Arbeitszylinder unmittelbar
mit einem Dampferzeuger in Verbindung zu setzen und je nach dem Druck im Dampferzeuger
den Verdichfungsenddruck über das normale Maß zu erhöhen oder zu erniedrigen. Bei
der Drucksteigerung während der Verbrennung sollen die Brenngase in die Zuleitung
zum Dampferzeuger eindringen und den Dampf zurückdrängen, Es handelt sich bei dieser
bekannten Einrichtung also um die Anordnung eines Zuschaltraumes,
der
ständig mit dem Brennraum in Verbindung steht, und in denn sich als Gegendruckmittel
Wasserdampf befindet. Diese bekannte Vorrichtung hat neben anderen konstruktiven
Mängeln den Nachteil, daß die für den Betrieb der Brennkraftmaschine unerwünschte
Vermischung der Brenngase und des Wasserdampfes in der Praxis nicht zu vermeiden
ist.
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Gemäß der Erfindung soll der unzulässig hohe Druckanstieg dadurch
vermieden werden, daß man den Brennraum im Arbeitszylinder bei Überschreitung eines
bestimmten Druckes mit einem von der Brennkraftmaschine unabhängigen Aufnehmer mit
unveränderlichem Volumen in Verbindung bringt, der einen Teil der Brenngase vorübergehend
aufnimmt und aus dem sie bei der anschließenden Expansion zum größten Teil wieder
in den Arbeitszylinder zurückströmen. Dadurch wird den Brenngasen die Möglichkeit
gegeben, sich auszudehnen und ein Druckanstieg über eine bestimmte Höhe hinaus wirksam
verhindert.
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Der Zutritt zu dem Aufnehmer wird von einem selbsttätigen Abschlußorgan
gesteuert. Bei einem solchen Steuerorgan ist es möglich, dasselbe praktisch nahezu
masselos auszubilden, so daß eine wesentliche Verzögerung des Schaltvorganges nicht
eintritt. Als besonders zweckmäßige Ausführungsform des Steuerorgans hat sich ein
belasteter Kolbenschieber erwiesen, der in einem besonderen Steuergehäuse läuft,
in welches die Verbindungsleitung mit dem Aufnehmer in Form eines Ringschlitzes
mündet. Steigt der Druck im Zylinder über ein bestimmtes Maß hinaus, dann bewegt
sich der Kolbenschieber infolge des Überdruckes nach außen und deckt den Ringschlitz,
der die Verbindung zwischen Zylinderraum und Aufnehmer vermittelt, auf. Die Bewegung
des Steuerkolbens dauert so lange an, bis der Druck im Arbeitszylinder sich mit
dem den Steuerkolben von außen belastenden Druck wieder ausgeglichen hat. Für den
Fall, daß der Verbrennungsdruck einmal eine solche Höhe annimmt, daß ein genügend
schneller Druckausgleich zwischen Arbeitszylinder und Aufnehmer nicht vor sich gehen
kann, sind am Schieberzylinder Sicherheitsschlitze angebracht, die von dem Steuerkolben
in seiner äußersten Endstellung aufgedeckt werden und den Brenngasen den Austritt
unmittelbar ins Freie gestatten.
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Das Steuerorgan kann selbstverständlich auch in irgendeiner anderen
zweckentsprechenden Weise ausgebildet sein.
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In -der Zeichnung ist beispielsweise eine Vorrichtung nach der Erfindung
dargestellt. b ist ein Teil des Zylinderdeckels einer Brennkraftmaschine mit der
Bohrung d, in welchen der mit Kolbenringdichtungen versehene Steuerkolben g läuft.
h ist ein durch die Laufbüchse j gebildeter Druckluftzylinder mit einem ebenfalls
mit Kolbenringen gedichteten Kolben i, der mittels der Kolbenstange k mit dem Kolbenschieber
g verbunden ist. Der die Laufbüchse j umgebende Ringraum dient zur Kühlung des Druckluftzylinders.
Über die Leitung f steht ein Zylinder h mit einer Druckluftquelle in Verbindung,
die es ermöglicht, mittels eines Reduzierventils einen Gegendruck von bestimmter
Höhe einzustellen. Um beim plötzlichen Zurückgehen des Kolbenschiebers einen metallisch
harten Schlag des Kolbens i gegen die hintere Wand des Zylinders h zu vermeiden,
ist der Kolben i
mit einem Ansatz il versehen, der zusammen mit der Aussparung
hl in der Zylinderwand als Luftpuffer wirkt und so eine Beschädigung der Metallteile
verhindert.
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Auf der dem Arbeitszylinder zugekehrten Seite ist der Kolben i so
ausgebildet, daß er zusammen mit der Wandung des Zylinders La
ebenfalls einen
Luftpuffer p bildet, der ein sanftes Zurückgehen der beiden Kolben g-und i während
des Expansionshubes im Arbeitszylinder sichert.
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Die beim Spielen des Kolbens durch die Ansaugstutzen q angesaugte
Luft wird beim Rückgang desselben zusammengepreßt und zum Auffangen der möglichst
klein zu bemessenden Metallmasse der Kolben g und i und der Kolbenstange k verwendet.
Da der Luftdruck in dem Luftpuffer p infolge der Differentialwirkung höher als der
Druck im Luftzylinder h ist, kann der Luftpuffer p zum Aufladen des Luftzylinders
h und zum Ersatz der Druckluftverluste infolge von Undichtigkeiten verwendet werden.
Zu diesem Zweck ist der Luftpuffer p über ein Rückschlagv entil t und eine Luftleitung
s mit der Druckluftleitung f zwischen der Druckluftquelle und dem Luftzylinder h
verbunden, um die im Luftpuffer p verdichtete Luft in die Leitung f abzuleiten und
damit Druckluft aus den Anlaßgefäßen zu sparen, die sonst als Zusatz zur Deckung
der Verluste notwendig ist.
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Man kann natürlich den Luftpuffer p auch für andere Zwecke, beispielsweise
zur Lieferung zusätzlicher Verbrennungsluft im Arbeitszylinder, nutzbar machen.
Durch geeignete Leitungen und Kanäle im Zylinderdeckel kann die Druckluft als sogenannte
Nachspeiseluft dem Verbrennungsraum zugeführt werden.
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Um eine zu starke Erhitzung und damit ein leichtes Festbrennen des
Kolbens g durch die heißen Brenngase zu vermeiden, ist der Kolben g gekühlt. Die
Kolbenstange k ist durch die hintere Wand des Zylinders h hindurchgeführt und auf
nahezu ihrer ganzen Länge
durchbohrt. Die Abdichtung der Zylinderwanddurchführung
geschieht mit Hilfe einer Stopfbüchse v: An die Kolbenstange k ist außerhalb des
Zylinders lz ein Schlauch w angeschlossen, der zum Luftsammler des Spülluftgebläses
oder zu den Anlaßflasclien führt. Innerhalb des Kolbens g ist die Kolbenstange k
mit schrägen Bohrungen z versehen, die den Austritt der kalten Luft aus der Bohrung
u in den Kolbenhohlraum gestatten. Infolge der schrägen Richtung der Bohrungen z
strömt die Kühlluft gegen Boden und Wandungen des Kolbens g und bewirkt eine intensive
Kühlung derselben. Die Kühlluft kann durch die Sicherheitsöffnungen m ins Freie
gelangen.
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Im vorderen, dem Arbeitszylinder zugekehrten Teil des Schieberzylinders
d sind zwei Ringschlitze angeordnet, die vom Kolbenschieber g gesteuert werden.
Der vordere Schlitz dl steht mit der Leitung d2 in Verbindung, die zum nicht gezeichneten
Aufnehmer führt, während der hintere Ringschlitz über die Bohrungen m unmittelbar
mit der Außenluft verbunden ist. Bei doppeltwirkenden Maschinen kann der gleiche
Aufnehmer für beide Zylinderseiten Verwendung finden.
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Da es in Abänderung der in der Abbildung dargestellten. Ausführungsform
möglich ist, das Schiebergehäuse getrennt vom Zylinderdeckel auszubilden, kann die
Vorrichtung nachträglich an jeder Maschine angebracht werden.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Mit Hilfe der Leitung
f wird in den Zylinder lt ein Druckmittel, beispielsweise Druckluft, geleitet, dessen
Druck so eingestellt wird, daß er einem bestimmten Höchstdruck im Arbeitszylinder
das gleiche Gewicht hält. Wenn dieser Höchstdruck. während des Verbrennungsvorganges
im Arbeitszylinder überschritten wird, dann bewegt sich der Steuerkolben h nach
außen und deckt den Ringschlitz dl auf, so daß die hochgespannten Brenngase zum
Teil in den Aufnehmer übertreten und infolgedessen der Druck im Arbeitszylinder
wieder abfällt. Während des Expansionshubes im Arbeitszylinder treten die Brenngase
aus dem Aufnehmer wieder zum großen Teil in den Arbeitszylinder zurück, bis der
Kolbenschieber g infolge der fortschreitenden Druckverminderung im Arbeitszylinder
zurückgeht und den Ringschlitz dl wieder abdeckt. Für den Fall einer besonders starken
Druckerhöhung wirkt die Vorrichtung durch Aufdecken des hinteren Ringschlitzes als
gekühltes Sicherheitsventil, das in bezug auf Betriebssicherheit den bisher ungekühlten
Sicherheitsventilen weit überlegen ist.