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Brennluaftmaschine.
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Zweitaktmaschine mit einem oder mehreren Zylindern. Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Verbrennungsraum jedes Zylinders der Maschine, der zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle liegt, an einer Seite, unmittelbar von der Kurbelwelle, abgeschlossen wird, so dass die Kurbelwelle unmittelbar unter der Wirkung des Verbrennungsdruckes steht.
Bei der zwischen der Kurbelwelle und dem Kolben stattfindenden Verbrennung werden die Pleuelstangen nur auf Zug beansprucht und dadurch die Lager der Kurbelwelle beinahe entlastet, so dass man mit einer wesentlich einfacheren und leichteren Ausführung das Auslangen findet.
Die Zeichnung veranschaulicht die Brennkraftmaschine nach der Erfindung in mehreren beispielsweisen Ausführungsformen.
Fig. 1 und 2 sind zwei, miteinander einen rechten Winkel einschliessende, Vertikalschnitte, von
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der Fig. 2 wieder und Fig. 4 ist ein gleicher Schnitt wie Fig. 1 aber bei anderer Kolbenstellung. Fig. 5 veranschaulicht einen Schnitt nach Linie V-V der Fig. 2. Fig. 6 zeigt eine Mehrzylindermaschine im Schnitt, Fig. 7 und 8 geben den in die Ebene abgewickelten Schnitt durch die Verbrennungsräume zweier nebeneinanderliegender Zylinder in zwei Ausführungsformen wieder. Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Brennkraftmaschine im Vertikalschnitt, Fig. 10 einen Schnitt nach Linie X-X der Fig. 9 und Fig. 11 einen Schnitt nach Linie XZ-XI der Fig. 9. Fig. 12 veranschaulicht in etwas grösserer Darstellung eine Einzelheit in einem Schaubild.
Der Zylinderblock 1 ist mit einer unteren Bohrung 2 und einer oberen Bohrung 3 von grösserem Querschnitt versehen (Fig. 1 bis 5), die von einem Deckel 4 abgeschlossen ist. Im Zylinder arbeitet ein Differentialkolben 5, in dem ein Bolzen 6 gelagert ist (Fig. 2), an dessen Enden die Kolbenstangen 7 angreifen. Das untere Ende der Kolbenstangen ist mit Zapfen 8 der Kurbelwelle 9 verbunden, die einen grossen Querschnitt aufweist, als Drehschieber ausgebildet und im unteren Teil 10 des Zylinderblockes gelagert ist. Für die Pleuelstangen 7 und Verbindungszapfen 8 sind Aussparungen 11 im Zylinderblock vorhanden (Fig. 5). Die Kurbelwelle 9 ist durch den Zapfen 13 verlängert, der aus dem Zylinderblock nach aussen reicht und zur Kraftübertragung dient. Die untere Zylinderbohrung 2 ist mit den Auspufföffnungen 14 versehen.
Der oberhalb des Kolbens 5 vorgesehene Verdichtungsraum ist durch ein Saugrohr 15 mit eingebautem Rückschlagventil 16 mit einem Vergaser und durch ein Rohr 17 mit einer Ausnehmung 18 der Kurbelwelle 9 und durch diese mit der Einlassöffnung 18 der Zylinderbohrung 2 in Verbindung.
Auf der andern Seite der Kurbelwelle 9 kann ein, z. B. elektrisch geheizter Glühkopf 19 in einer Aussparung angeordnet sein. Zum Gewichtsausgleich der Kurbelwelle 9 sind Ausgleichsgewichte 20 vorgesehen. Die Zylinderbohrung 2 reicht bis zur Kurbelwelle 9. Der Zylindermantel weist Aussparungen 21 für die Kolbenbolzen 6 und für die vorragenden Teile der Pleuelstangen auf (Fig. 3).
Wenn sich der Kolben 5 in seiner tiefsten Stellung befindet (Fig. 4), dann hat er das unter ihm befindliche Brenngemisch, z. B. Benzin und Luft, verdichtet. Es erfolgt nunmehr die Zündung des Gemisches durch den Glühkopf, der jetzt mit dem Verbrennungsraum in Verbindung steht. Infolge des Verbrennungsdruckes wird der Kolben 5 nunmehr aufwärts getrieben. Dabei wird auf die Kurbelwelle 9 von den Verbrennungsgasen ein abwärts gerichteter Druck ausgeübt. Dennoch werden die
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KurbelweÜenlager nicht besonders beansprucht, da der Druck von den Pleuelstangen aufgenommen wird, die dabei auf Zug beansprucht werden. Dadurch unterscheidet sich die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine von den bekannten Ausbildungen.
Durch den aufwärts bewegten Kolben wird das Brenngemisch oberhalb des Kolbens verdichtet, da das Ventil 16 im Saugrohr 15 geschlossen ist.
Der Auspuff beginnt kurz bevor der Kolben seine oberste Stellung erreicht hat und die Auspuff- öffnungen 14 freigibt. Gleichzeitig strömt das verdichtete Gemisch durch das Rohr 17, die Ausnehmung 18 der Kurbelwelle 9 und durch die frei gelagerte Eintrittsöffnung 18'von unten in die Zylinderbohrung 2. Das einströmende. Gemisch treibt die Verbrennungsgase in gleicher Richtung vor sich her und aus dem Zylinder, wodurch eine wirkungsvolle Spülung erfolgt.. Der abwärtsgehende Kolben schliesst die Auspufföffnungen 14 ab, worauf bei weiterer Drehung der Kurbelwelle 9 auch der Einlass 18' in den Zylinder geschlossen wird.-Beim weiteren Abwärtsgang des Kolbens verdichtet er das in der Zylinderbohrung vorhandene, vor verdichtete Gemisch.
In der untersten Kolbenlage erfolgt dann die nächste Verbrennung, worauf sich die beschriebenen Vorgänge wiederholen.
Diese Brennkraftmaschine weist gegenüber den bekannten Ausbildungen bedeutende Vorteile auf. Die Kurbelwelle und ihr Lager werden, wie schon erwähnt, wesentlich entlastet und die Pleuelstangen nur auf Zug beansprucht, während bei allen bekannten Maschinen die Pleuelstangen immer auf Knickung-beansprucht und entsprechend bemessen werden. Der Verbrennungsraum befindet sich im Zylinderblock, der ohnedies ausreichend stark ausgebildet ist und der Zylinderdeckel muss nur auf einen mässigen und nicht plötzlich auftretenden Verdichtungsdruck bemessen werden. Diese Umstände gestatten ein leichte und dabei hinreichend feste Ausführung der Maschine.
Die Pleuelstangen greifen an einem im Kolben gelagerten Bolzen an. Der Verbrennungsraum ist gleichsam ein einziger Raum und erfordert keine Dichtungen, woraus sich eine grössere Betriebssicherheit ergibt. In der Zeichnung sind zwar besondere Ausgleichsgewichte veranschaulicht, diese können aber in die Kurbelwelle verlegt werden und sonstige Ausgleichsgewichte entfallen.
Für Zweitaktmaschinen ergeben sich durch die Erfindung noch besondere Vorteile. Die Spülung erfolgt nur in einer Richtung aber der ganzen Länge der Bohrung nach. Da die Einlass-und Absperrventile unabhängig wirken, wird eine richtige Öffnungs- und Schliesszeit für das ein-und ausströmende Gemisch erzielt, während man bei den üblichen Zweitaktmaschinen zu einem wenig befriedigenden Mittelweg gezwungen ist. Dem in die Zylinderbohrung einströmenden Brenngemisch kann man leicht eine kreisende Bewegung erteilen, wodurch eine Spülung mit erhöhter Wirkung erreicht wird. Zu diesem Zweck kann das Gemisch durch die Ausnehmung der Kurbelwelle 9, während diese umläuft in den Verbrennungsraum eingeführt werden und so eine kreisende Bewegung erhalten, die durch die Form der Eintrittsöffnung 18 unterstützt werden kann (Fig. 5).
Durch diese verbesserte Spülung wird eine Brennstoffersparnis erzielt und die Leistungsfähigkeit der Maschine bezogen auf 1 kg Maschinengewicht erhöht. Durch Anwendung der oberen Kolbenverdichtung, die wesentlich mehr leisten kann wie die bekannten Kurbelgehäuseverdichter, erhält man wesentliche Vorteile. Der schädliche Raum wird kleiner und die Spülung des Kurbelgehäuses entfällt. Die Aufnahmefähigkeit des Kolbenverdichters kann einfach geregelt werden. Wenn gewünscht, kann er vollständig oder teilweise ausgeschaltet werden, indem nur ein Teil des Inhalts verdichtet wird. Das verdichtete Gemisch kann auch wie eine Luftkissenfederung ausgenutzt werden.
Die Kapazität kann grösser oder kleiner als der Rauminhalt der Zylinderbohrung 2 gewählt und-der Verbrennungsraum kann günstig gestaltet und der Kolben mit flachen Boden ausgebildet werden.
Bei der Fünfzylinder-Sternmaschine nach Fig. 6 sind die Stangen 7 der Kolben J mit einem gemeinsamen Zapfen der Kurbelwelle 9 in Verbindung. Die Rohre 17 sind so geführt, dass jeder Vorverdichtungsraum 3 mit dem Verbrennungsraum 2 des (in der Drehrichtung der Maschine) hinter ihm liegenden Zylinders verbunden ist. Ausser der Ausnehmung 18 befindet sich noch eine andere Ausnehmung 22 in der Kurbelwelle 9. Die Arbeitsweise dieser Maschine entspricht im Wesen der nach Fig. 1-5. Die Verbindung jedes Vorverdichtungsraumes 3 mit dem Verbrennungsraum des (in der Drehrichtung der Maschine) hinter ihm liegenden Zylinders ergibt verschiedene wesentliche Vorteile.
Wenn der Kolben 5 seine oberste. Stellung erreicht hat, ist die Verdichtung des Gemisches oberhalb des Kolbens vollendet, der aber die Auspufföffnung 14 noch nicht geschlossen hat. Gefordert wird, dass die Spülung anfangs mit kleinerem Druck erfolgt und dieser sich solange erhöht, bis die Auspuff- öffnungen 14 geschlossen werden. Diese Forderung ist mit der erfindungsgemässen Ausbildung leicht zu erfüllen, da der Verdichtungsdruck von einem andern Zylinder herrührt, dessen Arbeitstakt eine Phasenverschiebung aufweist. Aus Fig. 7 und 8 ist ersichtlich, wie dies vor sich geht. Die vorne liegende Verdichtung hat ihren Höchstwert noch nicht erreicht, wenn sich die Einlassöffnungen der hinterliegenden Zylinder öffnen. Die Verdichtung steigt und erreicht ihren Höchstwert bevor die Auspuff- öffnungen geschlossen werden.
Dadurch hat man die Möglichkeit die Vorverdichtung in jedem Augenblick auf gewünschter Höhe zu halten.
Nachdem die Verdichtung in den Zylindern 2 erfolgt und der Kolben in seine unterste Stellung gelangt ist, stellt die Ausnehmung 22 der Kurbelwelle 9 die'Verbindung des Verdichtungsraumes mit dem Verbrennungsraum in dem (in der Drehrichtung der Maschine) hinter diesem liegenden Zylinder her, wo eben die Verbrennung stattfindet. Dadurch wird die Verbrennung in den gerade die Zündung
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erwartenden Zylinder übergeleitet. Bei der Umdrehung der Kurbelwelle 9 verbreitet sich die Verbrennung ringsum in der Sternmaschine und eine Art kontinuierlicher absatzweiser Verbrennung verleiht der Maschine eine, einer pulsierenden Explosionsturbine ähnlichen Charakter. Nachdem durch irgendeine Zündung die erste Verbrennung hervorgerufen wurde, ist die künstliche Zündung eigentlich nicht mehr aufrechtzuerhalten.
Sicherheitshalber kann man einen Zylinder mit einer Dauerzündung ausstatten, die immer im richtigen Augenblick zündet.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 ist das Rohr 17 bei der Kurbelwellenöffnung als Kanal ausgebildet, der seitlich der Zylinder 2, nicht zwischen diesen ausläuft. Da diese Kanäle so verschoben werden können, kann die richtige Einstellung willkürlich am günstigsten mit Rücksicht auf die Ansaugregelung gewählt werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 9-12 ist das Rohr 17 vom Vorverdichtungsraum zu einem Zapfen 9 a der Kurbelwelle 9 geführt und reicht in das Lagergehäuse 30 des Zapfens. Die Verbrennungsluft wird durch die Öffnung 31 von aussen angesaugt, die mit dem im Zapfen 9 a vorgesehenen Kanal 15a ständig in Verbindung steht, der bis zur Umfläche des Zapfens geführt ist. Von der als Drehschieber wirkenden Kurbelwelle 9 führt ein Kanal 32 durch den Zapfen 9 a. In der Kurbelwelle ist ein Hohlraum 34 ausgespart, der durch eine Öffnung 18 mit der Zylinderbohrung 2 in Verbindung steht. Die Mündungen der Kanäle 15 a und 32 liegen einander gegenüber, so dass sie beim Umlauf des Zapfens 9 a abwechselnd mit der Mündung des Rohres 17 in Verbindung kommen.
Der Zapfen 9 a liegt in zwei drehbaren Lagerschalen 35,36 (Fig. 11), die Arme 37, 38 tragen, mit welchen sie von aussen verstellbar und mittels Zapfen 39 in verschiedener Lage feststellbar sind. Ein Rand der Lagerschale 35 ist in eine Zunge 40 verlängert (Fig. 12), die in einen Längsschlitz 41 der Lagerschale 36 greift. Durch Verdrehung der Lagerschale 35 kann die Grösse der Schlitzöffnung geändert werden. Durch Verstellung der Arme 37, 38 kann demnach die Grösse und die relative Lage der Schlitzöffnung 41 geändert werden, die unter der Mündung des Rohres 17 liegt und mit der fallweise die Mündungen der Kanäle 15 a und 32 in Verbindung kommen.
Durch Verstellung der Lagerschalen 35,36 lässt sich nicht nur die Dauer der Brennstoffeinführung, sondern auch der Zeitpunkt der Zündung während einer Umdrehung ver- ändern, wodurch für jede Umlaufzahl der Maschine die wirtschaftlichste Einstellung möglich ist.
In der Verbindungsöffnung 18 der Zylinderbohrung 2 mit dem Hohlraum 34 der Kurbelwelle 9 ist ein Dichtungsring 42, vorzugsweise aus Stahl eingesetzt, der geschlitzt und an seiner Unterseite entsprechend der Umfläche der Kurbelwelle ausgeschliffen ist (Fig. 10). Der Ring liegt oben teilweise frei, so dass er vom Verbrennungsdruck gegen die Kurbelwelle gedrückt und eine gute Abdichtung erreicht wird. Gleichzeitig wird der Ring, der auch mit Vorspannung eingesetzt werden kann, auseinandergedrückt, so dass er auch die Wände seines Sitzes abdichtet. Die übrigen Teile der Ausführungsform der Maschine sind in Übereinstimmung mit den entsprechenden Teilen der Ausbildung nach den Fig. 1-8 ausgeführt.
Bei Umlauf der Kurbelwelle gelangt der Kanal 15 a in die Stellung, in der er durch den Schlitz 41 mit dem Rohr 17 verbunden ist. Der abwärtsgehende Kolben saugt jetzt Frischluft von aussen in den Vorverdichtungsraum ein. Wenn bei weiterer Drehung der Kurbelwelle der Kolben sich wieder nach oben bewegt, wird das Rohr 17 durch den Schlitz 41 mit dem Kanal 32 verbunden und das vorverdichtet Brenngemisch strömt durch den Kanal 32 in den Raum 34 der Kurbelwelle, von wo es aufwärts strömt und den Zylinder durchspült. Nach beendigter Spülung werden die Auspufföffnungen 14, der Kanal 32 und die Öffnung 18 geschlossen, worauf die Verdichtung und Zündung erfolgt.
Die Ausbildung nach den Fig. 9-11 ermöglicht ein sehr genaues und in weiten Grenzen ver- änderliches Ansaugen und Spülen. Der Auspuff kann ähnlich wie das Ansaugen durch Schieber geregelt werden. Der Dichtungsring 42 sichert die zuverlässige Dichtung zwischen dem Verbrennungsraum und der Kurbelwelle. Infolge der Ausbildung des Hohlraumes 34 in der Kurbelwelle 9 wird eine grössere Kühlfläche erhalten, wobei mit Luft, Wasser oder Öl oder mehreren dieser Mittel gekühlt werden kann. Die Brennstoffzuführung erfolgt wie früher beschrieben z. B. durch ein in der Kurbelwelle angeordnetes mit dieser umlaufendes Mundstück. Die Brennstoffzufuhr kann auch von einem Vergaser durch die Öffnung 31 erfolgen. Durch Änderung der Form des Schlitzes 41 und der Zunge 40 kann eine Regelung des Beginnes und der Beendigung des Ansaugens oder nur der Beendigung erreicht werden.
Die Kanten 43,44 des Schlitzes 41 können schräg verlaufen (Fig. 12) oder abgerundet sein.
Die Lagerschalen 35,36 können auch anders ausgebildet werden, und es ist auch möglich mit nur einer Lagerschale auszukommen, die unmittelbar auf dem Zapfen der Kurbelwelle angebracht ist.
Man kann jedes gewünschte Verhältnis zwischen Kolbenhub-und Zylinderbohrung erreichen.
Die Zündung kann mittels Zündkerze oder Zündkopf erfolgen und die Maschine auch als Dieselmaschine arbeiten. Statt eines Vergasers kann im Saugrohr 17 oder in der Kurbelwelle 9 ein Mundstück angebracht werden. Bei einer Dieselmaschine kann eine Einspritzdüse angewendet werden, die mit der Kurbelwelle umläuft, die durch ununterbrochenen Druck arbeitet. Die Maschine kann mit beliebiger Zylinderzahl als Stern-oder als Reihenmaschine mit einer oder mehreren Zylinderreihen gebaut werden.
Zwei Dreizylinder-Sternmaschinenblöcke können unter 1800 versetzt zu einander vereinigt werden, wodurch eine vollkommene Auswuchtung der beweglichen Teile erreicht werden kann. Das gleiche ist auch bei einer grösseren Zylinderzahl erreichbar.
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Im Rohr 17 kann ein Rückschlagventil eingebaut werden, doch ist das gewöhnlich nicht notwendig. Bei sternförmiger Zylinderanordnung kann ein einziger Vergaser alle Zylinder versorgen und unmittelbar mit dem Rohr 17 in Verbindung stehen. Dann entfällt der Kanal lisa. Das Ansaugen erfolgt auch durch das Rohr 17 zu den Vorverdichtungsräumen 3. Die Maschine kann auch mit nur einer Pleuelstange und auch in Verbindung mit einem besonderen Kompressor gebaut werden. Der Auspuff kann auch durch die Kurbelwelle 9 geführt werden. Falls der Vorverdichtungsraum kleiner gewählt werden muss als der Verbrennungsraum, kann der Kolben durchaus gleichen Querschnitt und auch oben eine Bohrung erhalten. Der Maschinendeckel wird dann mit einem feststehenden Kolben versehen.
Hiebei ist es zweckmässig, Kanäle oder Aussparungen in den Pleuelstangen als Einlaufkanäle auszubilden. Das Ventil 16 kann auch wegbleiben, in welchem Falle die Eintrittsöffnung nur durch den Schlitz der Kurbelwelle 9 geregelt wird.
Der Kolben übt, nachdem die Auspufföffnungen geschlossen sind, einen Zug nach oben auf die Pleuelstangen und die Kurbelwelle 9 aus, so dass der Druck an der Dichtungsfläche zwischen der Kurbelwelle und dem Dichtungsring 42 mit zunehmendem Verdichtungsdruck grösser wird. Durch entsprechende Bemessung der Kolbenfläche und freien Oberfläche der Kurbelwelle, die durch den Verbrennungsdruck angedrückt wird, wird eine günstige Dichtung erreicht. Dies gilt nicht nur während des Verdichtungshubes, sondern auch während des Verbrennungshubes. Im Raum 34 der Kurbelwelle kann auch eine Vorwärmung des Brennstoffes erfolgen. Der Inhalt des Raumes 34 kann 30% des Verbrennungsraumes oder auch mehr betragen. Die Lagerschalen 35, 36 können durch einen Regler, z. B. einen Fliehkraftregler, selbsttätig eingestellt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Ein-oder Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, insbesondere Zweitaktmaschine, bei welcher sich der Verbrennungsraum (2) jedes Zylinders (1) zwischen Kolben (5) und Kurbelwelle (9) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle einen unmittelbaren Abschluss jedes Zylinders bildet, so dass die Kurbelwelle unter unmittelbarer Wirkung des Verbrennungsdruckes steht.