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Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktkolbenbrennkraftmaschinen
Es sind Viertaktbrennkraftmaschinen bekannt, die im Kurbelgehäuse verdichtete Luft
zur Aufladung und Spülung nutzen, ,auch solche, die die Verdichtung der Luft im
Kurbelgehäuse durch zwei gegenüberliegende Arbeitszylinder zu erhöhen suchen. Ferner
sind Viertaktmaschinen bekannt, die den Stoffwechselprozeß mit Hilfe von Schlitzen
über der unteren Totpunktstellung durch Teilentladung oder Nachladung zu vervollkommnen
suchen, und schließlich sind Viertaktmaschinen bekannt, die den Ladungswechsel mit
Hilfe eines einzigen Absperrorgans im Zylinderkopf tätigen.
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Ziel dieser Maßnahmen war eine Aufladung sowie eine Vervollkommnung
und Beschleunigung des Stoffwechselproziesses. Keine dieser Maschinen, die eine
oder Beinen Teil der obigen Maßnahmen anwandten, hat eine wesentliche praktische
Bedeutung erlangen können.
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Der Grund hierfür liegt darin, daß eine Aufladung des Arbeitszylinders
durch ungeeignete volumetrische Verhältnisse des Kurbelgehäuses sowie durch ungeeignete
Absperrorgane und Steuerungseinrichtungen nur unvollkommen eintrat.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum
Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen, wodurch mit - einfachsten Mitteln und auf
wirtschaftliche Weise eine Hochaufladung erzielt werden soll und eine intensive
Zylinderspülung
gewährleistet ist. Durch dass :erfindungsgemäße
Zusammenspiel von .an sich bekannten Organen, die dem Stoffwechselprozeß dienen,
können die Ladung sowohl wie die Entladung in b@ezug auf die mit hoher Geschwindigkeit
durchzusetzenden großen Gasmengen sowie in b:ezug auf die thexmi:schen Belastungen
einwandfrei beherrscht werden.
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Diese Aufgabe soll nach der Erfindung dadurch gelöst werden, daß beim
Durchlauf der Kolben zweier an einer Kurbelkammer oder Kurbelteilkammer angeordneter
Zylinder durch die äußere (untere) Totpunktstellung der eine Zylinder, dessen Kolben
-den Ansaugtakt beendet, bei verschlossenem Auslaßschlitz über einen Umströmkanal
mit dem in der Kurbelkammer verdichteten Arbeitsmittel aufgeladen wird, der andere
Zylinder im wesentlichen durch Schlitzauspuff entladen und mit dem im Kurbelgehäuse
verdichteten Arbeitsmittel durchgespült wird. -Die Einrichtung wird gemäß der Erfindung
in einer beispielsweisen Ausführungsform unter Bezugnahm:e auf die schematische
Zeichnung beschrieben.
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Die Beschreibung erläutert die Wirkungsweise :eines Zylinders. Für
den zweiten Zylinder gilt -das Analoge, nur daß dieser in der Arbeitsphase eine
Verschiebung von zwei Takten aufweist.
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Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch den Zylinder und die Kurbelkammer.
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Im Zylinder i bewegt sich der Kolben 2 auf und ab. Von der Kurbelkammez
3 führt ein Umströmkanal q. ziun Arbeitsraum. Im Zylinderkopf ist ein Einlaßorgan
5 und :ein Auslaßorgan 6 angeordnet. Diese Absperrorgane sind in der Zeichnung durch
Ventile symbolisiert. Über der äußeren (unteren) Totpunktstellung des Kolbens 2
befindet sich eine Auslaßöffnung 7. Oft wird @es zweckmäßig sein, hinter dieser
Auslaßöffnung 7 :ein ungesteuertes oder gesteuertes Auslaßorgan. anzubringen. Es
sei bei dieser Ausführungsform das Auslaßorgan als ungQsteuerte, federbelastete,
exzentrisch gelagerte Drehklappe ausgebildet. Die Kurbelkammer 3 steht durch zwei
Einlaßöffnungen 8 mit der Außenluft oder mit einer Ladungsleitung in Verbindung.
Die Einlaßöffnungen 8 können beispielsweise, wie in der Zeichnung dargestellt, durch
Überlaufen vom Kolben selbst geschlossen werden.
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Die Funktion der Einlaßöffnungen 8 können aber auch an anderer Stelle
angeordnete belastete, bei Unterdruck öffnende Einlaßorgä.ne übernehmen, oder es
können gesteuerte Einlaßorgane verwendet werden. Oft wird :es besonders zweckmäßig
sein, wenn erfindungsgemäß die eigentliche Einmündungsöffnung für die frische Ladung
in der Nähe der Kurbelwellenachse angeordnet ist.
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Eine kontinuierliche Regulierung der ' Aufladung oder Spülung bis
zur restlosen Abschaltung kann erfindungsgemäß durch folgende Hilfsmittel :erreicht
werden, die einzeln oder gemeinsam angewandt werden können.
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i. Drosselung im-Umströmkanal, a. Drosselung vor der Einmündung in
die Kurbelkammer, 3. Herstellung :einer Verbindung zwischen Kurbelkammer und Außenluft
oder zwischen Kurbelkammer und Kurb.elkammerladungsleitung.
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Die Maschine arbeitet erfindungsgemäß nach folgendem Arbeitsverfahren,
das für einen Zylinder beschrieben wird. i. Ladehub D,er Kolben 2 saugt durch das
geöffnete Einlaßorgan 5 Luft oder Gemisch .an. Die Auslaßöffnung 7 ist verschlossen.
Gleichzeitig verdichtet der Kolben 2 die in der Kurbelkammer befindliche Luft. In
der Nähe der unteren Totpunktstellung des Kolbens 2 schließt das Einlaßorgan 5.
Hat der Kolben 2 die Einmündungs,öffnung des Umströmkanals q. am Ende des Ladlehubes
freigegeben, so strömt verdichtete Luft, aus der Kurbelkanuner 3 in den Arbeitsraum,
der nun auf höheren Druck aufgeladen wird. 2. Kompressionshub Der Kolben 2 bewegt
sich zur inneren (oberen) Totpunktstellung. Wird Luft angesaugt, so wird wähnend
des Kompressionshubes oder am Ende oder auch kurz nach Beginn dies Arbeitshubes
der Brennstoffeingebracht. Die 'Zündung erfolgt in bekannter Weise durch Fremdzündung
oder gemäß Diesel. Beim Kompressionshub entsteht. in der Kurbelkammer 3 ein-Unterdruck.
Während dieses Hubes strömt Luft durch die Einlaßöffnungen 8 in die Kurbelkammer
3. 3. Arbeitshub Der Kolben 2 bewegt sich arbeitsverrichtend zur äußeren (unteren)
Totpunktstellung und verdichtet dabei wieder die Luft in der Kurbelkammer 3. Hat
der Kolben 2 die Auslaßöffnung 7 erreicht, so wird durch den Gasdruck die federbelastete
Klappe geöffnet und der Hauptteil der Verbrennungsgase ausgestoßen. Nachdem der
Druck abgefallen ist, schließt die Klappe wieder. Inzwischen ist auch das Auslaßorgan
6 geöffnet worden. Nun spült die durch den Umströmkanal q. in den Arbeitsraum einströmende
Luft die Verbrennungsgase aus dem Arbeitsraum aus. ¢. Ausschubhub Der Kolben schiebt
die restlichen Verbrennungsgase und einen Teil der -Spülluft aus. Da sich nach dem
Eintritt der Spülluft Verbrennungsgase hauptsächlich im oberen Teil des Zylinders
befinden, werden diese Verbrennungsgase zuerst ausgeschoben, so daß sich am Ende
des Ausschubhubes im Zylinderkopf nur frische Luft befindet. Während des Aussehubhubes
ist in die Kurb-elk2m@m:er 3 durch den entstehenden Unterdruck wieder Luft hineingesaugt
worden, die am Ende des nun -folgenden Ladehubes wieder zur Druckaufladung dient.
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Bei Motoren, von dienen höchste Literleistung gefordert wird, oder
bei Flugmotoren, die in größten Höhen hohe Leistungen abgeben sollen, kann die erfindungsgemäße
Aufladung der Arbeitsräume
noch dadurch weiter gesteigert werden,
daßentweder die Kurbelkammern direkt oder die Arbeitsräume oder auch die Arbeitsräume
und die Kurb:elkammern zusätzlich durch Schlenderlader aufgeladen werden, die durch
Zahnradvoirgelege oder durch die Angabe angetrieben werden.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung kann in verschiedenster Weise
abgewandelt "verden.
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In jedem Zylinderkopf kann nur ein einziges Absperrorgan angeordnet
werden, das der Ladung, Entladung und Ausspülung dient, somit also zu Beginn des
Ausschubhubes öffnet und erst gegen Ende des Ansaughubes schließt.
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Die Spül- und Ladeluft braucht nicht durch einen Umströmkanal in den
Arbeitsraum eingeführt zu werden. Die Einleitung der Spül- oder Ladeluft in den
Arbeitsraum braucht nicht durch Öffnungen kurz über der unteren Totpunktstellung
des Kolbens zu erfolgen, sondern könnte z. B. auch durch Durchlaßorg,ane im Zylinderkopf
getätigt werden. Es können natürlich auch mehrere Auslaßöffnungen im Zylindermantel
über der inneren Totpunktstellung angeordnet sein oder mehrere Umströmkanäle Anwendung
finden. Werden je Zylinder zwei Umströmkanäle angeordnet, so kanneventuell der eine
Kanal nur von. Ladeluft, der andere nur von Spülluft durchströmt werden. Durch Regelungsorgane
kann dann der Grad der Ausspülung und der Grad der Aufl.adung leicht zweckentsprechend
verändert werden. Es können bei zwei Umströmkanälen zur Spülung auch nur ein Kanal
herangezogen werden, zur Aufladung aber alle beide oder auch umgekehrt.
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Die technischen Vorteile der Erfindung liegen in der Vergrößerung
des Durchsatzes des Arbeitsmittels der Viertaktmaschinen durch Erhöhung der Ladedrücke
und Beschleunigung der Lade- und Entladevorgänge bei Senkung der thermischen Beanspruchung
unter vereinfachter Ausbildung der Maschinen.
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Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel sowohl bezüglich der Ladung wie
der Entladung erreicht. Von der Ladeseite .aus betrachtet, saugt der zu ladende
Zylinder zunächst durch den Zylinderkopf an. Die der Aufladung dienende Luft wird
im Kurbelgehäuse durch zwei Kolbenunterseiten verdichtet. Der technische Vorteil
der Maschine gemäß der Erfindung liegt u. a. darin, daß über die Uniströmkanäle
der Zylinder, von dem Zylinder, der den Arbeitshub beendet hat, ein heftiger Druckstoß
auf die komprimierte Luft des Kurbelgehäuses ausgeübt werden kann und dadurch die
Aufladung des gegenüberliegenden zu ladenden Zylinders mit großer Heftigkeit eingeleitet
und gesteigert werden kann.
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Entscheidend ist nun aber nicht nur ein hohes Ladegewicht, sondern
auch die schnelle Entladung der aufgeladenen Zylinder. Erfindungsgemäß wird dieses
Ziel durch die Anordnung der Auspuffschlitze über der unteren Totpunktstellung der
Kolben erreicht. Die Hauptmenge des hocherhitzten Arbeitsgases verläßt den Zylinder
sofort, nachdem sinihren Zweck erfüllt hat, durch Auspuff, die intensive Spülung
verdrängt schon zu Beginn des Ausschubhubes die Verbrennungsgase, so daß nur noch
schwach mit Verbrennungsgas durchsetzte kühle Spülluft .auszus.chi@eben ist.
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Die technischen Vorteile der Erfindung sind auch von der Entladung
her betrachtet offensichtlich, die Entladung ist den Anforderungen, die die Hochaufladung
stellt, voll gewachsen und läßt sich in kürzester Zeit durchführen. Der Auspuff
der Verbrennungsgase durch die Schlitze in Verbindung mit der intensiven Spülung
senkt die thermische Belastung stark, so daß der Aufwand für die Kühlung :erheblich
gemindert werden kann.
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Bei den heute üblichen Motoren sind die Zylinderköpfe, die Auslaßventile
und die Kolben den höchsten thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, und durch diese
Beanspruchungen wird den heutigen Motoren die thermisch bedingte Leistungsgrenze
gesetzt.
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Bei vorliegender Erfindung kann von einer hohen thermischen Belastung
der Zylinderköpfe und Auslaßventile nicht mehr gesprochen werden.
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Der Kolben isst ,aber durch den Auspuff der Verbrennungsgase durch
die Schlitze, die sofort nins@etzende intensive Spülung und durch die von seiner
Unterseite her wirkende Kühlung auch bei höchsten Aufladungen gegen jede thermische
Überbeanspruchung geschützt. Die starke Kühlwirkung von der Kolbenunterseite ist
durch .den heftigen Wärmeübergang der mit hoher Geschwindigkeit bewegten Drucksteigerungen
ausgesetzten Luft bedingt. (Hoher a-Wert. ) Die mechanischen Beanspruchungen der
Auslaßventile und ihrer Steuerungseinrichtungen werden dadurch erheblich gemindert,
daß die Ventile beim öffnen einen nennenswerten Gegendruck nicht mehr zu überwinden
haben.
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Nun lassen sich schon bei dieser einfachsten Aus-
führung der
Maschine nach der Erfindung Aufla:dedrücke von i atü (zata) erzielen, die heute
in wirtschaftlicher Weise nur mit Hilfe mehrstufiger Verdichter erreicht werden
können. Mit diesem Ladedruck wird bereits ein mittleerer ,effektiver Arbeitsdruck
vorn i3-at erzielt. Da diese Ladung durch .ausreichende Druckgefälle mit Sicherheit
erreicht werden kann und mit Hilfe der Auspuffschlitze gegenüber einer üblichen
Ausführung mit einem Ausl.aßventil der zur Entladung zur Verfügung stehende Querschnitt
ohne konstruktive Schwierigkeiten verdreifacht werden kann, können die Drehzahlen.
erheblich gesteigert werden. Bei den heutigen aufgeladenen Motoren hingegen müssen
selbst bei mäßigen Drehzahlen schon bei Ladedrücken von i atü für die Entladung
mehrere Auslaßventile vorgesehen werden. ' Bei dem Motor gemäß der Erfindung resultiert
aus dien Faktoren der hier Aufladung mit der hier möglichen Drehzahlerhöhung aber
eine verblüffende Steigerung der Literleistung.
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In der weiteren Ausgestaltung eröffnet die Erfindung nun die Möglichkeit,
auf dem Gebiet der Hochaufladung eine sprunghafte Entwicklung einzuleiten.
Bereits
durch die Vorschaltung einstufiger Gebläse vor die Kurbelgehäusepumpe können. Ladedrücke
von ¢ ata im Zylinder überschritten werden.
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Die Leistungsfähigkeit der Entladung kann erfindungsgemäß durch die
Anwendung nur eines Abspierrorgans im Zylinderkopf weiter gesteigert werden, das
am Ende des Arheitshubes öffnet rund am Ende des Saughubes schließt. Der technische
Vorteil liegt unter .anderem darin, daß nun im Zylinderkopf ein großes Absperrorgan
angeordnet werden kann, im Rahmender vorliegenden Maschine die Öffnungskräfte gering
sind und dieses große Absperrorgan beim Übergang vom Ausschubhub zum Sawghub voll
geöffnet ist sowie in der Kühlung des Absperrorgans durch die Frischladung.
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Es sei bietont, daß bei den Viertaktverbrennungsmotomen, die gemäß
der Erfindung ausgebildet sind, auf ein Spülen der Arbeitsräume oder @eventuell
auch auf eine Aufladung restlos verzichtet werden kann. Die Ausspülung und die Aufladung
kann jede für sich :auf einen jeweils gewünschten Grad gebracht werden und .auch
unter bestimmten Verhältnissen (z. B. schwachen Luftdruck in großen Höhen) erst
zum Einsatz kommen.
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Eine Regulierung der Aufladung und Spülung kann natürlich :auch bei
Anwendung nur eines U'mströmkan-als mit einem gesteuerten Regelungsorgan durchgeführt
werden.
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Im folgenden seien einige weitere Ausgestaltungen deT Einrichtung
gemäß der Erfindung beschrieben. Wird Beine hohe Aufladung und Beine gründliche
Ausspülung der Arbeitsräume erstrebt, so, ruß der schädliche Raum der .als Lade-
und Spülpumpe ausgebildeten. Kurbelkammer :auf ein Mindestmaß beschränkt werden.
Dies, kann erfindungsgemäßdadurch erreicht werden, daß man die Kurbelwellenarme,
in kreisrunde Trommeln einschließt, deren Mittelpunkte in der Kurbelwellenachsie
liegen. Darüber hinaus kann der Kolben so ausgebildet werden, daß er möglichst die
Form eines Zylindeirs hat, in dem sich nur :eine Aussparung befindet, die Platz
für die PiendelblewegZUig der Schubstange bietet. Die Trommeln und die Kolben werden
zweckmäßig hohl ausgeführt. In die Hohlräume der Kolben kann ein zur Wärmeableitung
geeigneter Stoff eingebracht werden. Im übrigen haben die Innenwandungen der Kurbelkammer
möglichst nahe den scheibenförmigen Trommeln zu verlaufen.
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Oft wird es zweckmäßig sein, BreDnkraftmaschinen, die gemäß der Erfindung
arbeiten, als Reihenmotoren zu bauen. Die Kurbelkammer ist dann in einzelne gasdichte
Teilkammern für je zwei Kurbielkröpfun.gen zu unterteilen. Bei,eänez größeren 7ahl-
von Zylinderar werden die langen Kurbelwellen solcher Motoren leicht durch Drehschwingungen
zerstört. Um die Kurbelwelle zu entlasten, verfolgt erfindungsgemäß die Abnahme
des Drehmomentes in der Mitte der Kurbelwelle (z. B. bei einem Doppelreihen-Achtzylindermotor
zwischen dem vierten und fünften Zylinder): Das Drehrinoment kann in der Art abgenommen
werden, daß ein auf der Kurbelwelle angebrachtes Zahnrad mit einem zweiten Zahnrad
im Eingriff steht, von dessen Welle dann das Drehmoment weitergeleitet wird. Das
Zahnradvorgelege kami gleichzeitig als Unter- oder Übersetzungsgetriebe dienen.
Bei Motoraggregaten vorn vier Zylinderreihen können die in der Kurbelwellenmitte
beider I,'-urb-elweJ,1en angeordneten Zahnräder mit einem dritten im E ingiiff stehen,
von dessen Welle das Gesamtdrehmoment abgenommen wird. Die Abnahme des Drehmomentes
in der Mitte der Kurbelwelle kann jedoch auch bei anderen Motoren von Vorteil sein,
z. B. etwa bei Motoren mit V-förmiger Zylinderanordnung.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung kann für alle Viertaktbrennkr.aftmaschinen
Anwendung finden, sowohl für ortsfeste Maschinen wie für Fahrzeugtriebwerke. Insbesondere
können gemäß der Erfindung Flugmotoren und leistungsfähige Höhentriebwerke gebaut
werden.