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Arbeitsverfahren für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein
Arbeitsv erfahre n für Brennkraftmaschinen, die mit 'höher Kompression arbeiten,
durch welches ein ruhiger Gang der Maschinen gesichert wird, ;i. h. daß Klopfen
und Knallen bzw. verfrühte Zündungen vermieden werden.
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Es ist einerseits eine Brennkraftmnaschine bekannt geworden, bei der
die Luft am Ende aes Verdichtungshubes in eine verliältiiismä ß.ig große und gekühlte
Hildskammer geschoben wird, aus der sie nach dem Hubwechsel wieder in den Zylinder
zurückströmt. Bei dieser Maschine Istydas die Kammer abschließende Ventil während
des H,ubw echsels offen und wird erst nach dem Zurückströmen rk -r Luft oder des
Gases in den Zylinder vor der Zündung geschlossen. Der VerdichtungsenAdruck im Zylinder
wird also schon vor Kühlung der Ladung im Aufnehmer erreicht. Es tritt darum vor
Öffnen des Aufnehmers ztinlchst einmal eine hohe Temperatur der Ladung auf. Aus
diesem Grund wird, kein Gemisch, sondern Luft angesaugt und der Brennstoff erst
nach der Kühlung im Aufne"hmer eingespritzt. Wenn diese Maschine infolge der Kühlung
der Ladung ini Auf-P, auch den Vorteil bietet, daß die Ladung ungewöhnlich hoch
verdichtet werden kann, so kann die Maschine doch nicht Gemisch ansaugen und verdichten.
Anderseits ist auch eine Maschine bekannt, bei der die Luft schon während des 3,7erdichtungsbubes
bis zu dessen Ende in eine Hilfskammer gedrückt wird, aus der sie nach dem Hubivechsel
wieder zurückströmt und dabei den in den Kanal zwischen der Kammer mit dein Zylind,°r
eingespritzten Brennstoff zerstäubt und verdampft. Entsprechend diesem Zweck ist
.diese Kammer aber verhältnismäßig klein und nicht intensiv gekühlt. Ein wirksames
Weiterverdic'hten der nur ungenügend gekühlten Ladung nach dein Rückströmen aus
dem Aufnehmer findet auch bei dieser Maschine nicht statt.
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Das .den Gegenstand -der Erfindung bildende Verfahren verwendet eine
große und dabei kräftig geküblte Hilfskammer, die nur während des mittleren Teils
des Kompressionshubes mit dem Zylinder in Verbindung gesetzt wird, vor dem Ende
des Kompre,ssf6nshubes aber abgeschlossen wird, so da.ß die im Zvliinder befindliche
Ladung nunmehr noch weiter kräftig verdichtet werden kann. ohne daß edie Gefahr
der ungewallten Selbstentzündung entsteht. Dadurch nämlich, daß die in der Kammer
befindliche Ladung kräftig gekühlt wird, wird bei dem Zurückströmen der Ladung in
den Zylinder die dort befindliche Ladung in ihrer Temperatur erheblich herabgesetzt,
so daß sie hoch verdichtet werlen
kann, ohne die diesem Kompressionsdruck
entsprechende hohe Temperatur zu erreichen, daß also die Zündung zwar bei einem
hohen Druck, aber bei einer verhältniGmäßig weit niedrigeren als dem Druck entsprechenden
Temperatur erfolgt. Vorzeitige Zündungen oder Knallen und Klopfen werden deshalb
vermieden, und die Maschine läuft ruhig.
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Auf der Zeichnung ist eine Einzelzylin,dermaschine gemäß der Erfindung
schematisch dargestellt.
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i ist der Maschinenzylinder, 2 das KurbelgelIäuse, 3 die Kurbelwelle,
,4 die Kurbel, 5 die Pleuelstange und 6 der Kolben. Eine Daumenwelle 7 wird mittels
eines nicht dargestellten Steuergetriebes von der Kurbelwelle getrieben und besitzt
drei Daumen, von denen nur der eine, 8, dargestellt ist. Die Knaggen 9 werden durch
diese Daumenbetätigt und bewegen ihrerseits Stoßstangen 1o, von denen für je-des
Ventil eine vorhanden ist. Mit ihren oberen Enden wirken die Stoßstangen auf Hebel
i i, die unmittelbar die Ventile betätigen.
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Die beschriebenen Teile haben die bei Verbrennungsl:raftmaschinen
gebräuchliche Bauart, beispielsweise :die bei Automobilen gebräuchliche. Die dargestellte
Maschine hat einen Typ, bei dem die Ventile im Kopf liegen. Sie bat aber an Stelle
von zwei Ventilen, eines Einilaß- und eines Auslaßventils, deren drei, 12, 13, 14.
Das Ventil 14. ist das Auslaßventil, welches .den Auslaßkanal in der gebräuchlichen
Weise abschließt.
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13 ist das den Einlaßkanal abschließende Einlaßventil, welches
mit dem Vergaser in (der gebräuchlichen Weise in Verbindung steht. Das Ventil 12
steht durch einen Kanal 15 mit einer Hilfshammer 16 in Verbindung. Der Kanal 15
hat mit dem Einlaßventil eine gemein-"ame Wand, durch die die Stange des Ventils
12, wie dargestellt, hindurchgeht. Der Zweck dieser Anordnung ist der, irgendwelche
Gasc abzufangen, ;die an der Ventilstange entlang entweichen könnten. .indem sie
geradenwegs in den Einlaßkanal geleitet werden, anstatt in :die Außenluft zu entweichen.
Die Hilfskammer.16 von bestimmtem Inhalt besitzt einen Wassermantel in derselben
Weise wie #ler Zyllmder und Zylinderkopf und wird weiter noch dadurch gekühlt, daß
Rohre 17 vorhanden sind, die die Kammer quer durchdringen umci deren Emden mit :dein
Raum des Kühlmantels in Verbindung stehen. Die Maschine besitzt eine gebräuchliche
geeignete Zündvorrichtung, beispielsweise eine nicht dargestellte Hochspannungszündkerze
und einen geeigneten Vergaser oder Mischer.
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Die oben beschriebene Maschine kann ein Verdichtungsverhältnis von
8 bis io : i haben und die Hilfskammer einen Idhält, der dein Verdrängungsraum des
Kolbens gleich ist. Diese Verhältnisse sind nicht bildlich dargestellt; da die Zeichnung
nur als Schema dient. Die Arbeitsweise der Maschine ist wie folgt: Ungefähr in der
unteren Totlege des Kolbens 6 beim Saugehub - bei Schnelläufern, wie gebräuchlich,
etwas später - wird das Einlaßventil 13 geschlossen. Kurz nach dem Schluß des Ventils
13, #d. h. 5 bis 2o° danach während des Verdichtungshubes des Kolbens, öffnet sich
das Ventil 12 für die Hilfskammer und bleibt offen, bis der Kolben mindestens den
halben Verdichtungshub gemacht hat. An einer Stelle, die im allgemeinen etwa zwischen
der Hubmitte des Kolbens und dem Punkt, an welchem Zündung erfolgt, liegt und in
jedem Falle mehrere Grade vor -dieser letzteren. Stelle, .schließt das Ventil 12.
Der Kolben setzt seinen Verdichtungshub fort, die Zündung erfolgt, und der Arbeitshub
geht in der bei Viertaktmaschinen bekannten Weise vor sich, wobei alle Ventile geschloissen
bleiben. Arm unteren Hubeid ie des Arbeitshubes oder kurz bevor wird das Auspuffventil
1.4 geöffnet und bleibt während des ganzen Auspuffhubes offen, also in der bekannten
_i,rt un.d Weise, womit der Arbeitskreislauf beendet ist.
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Es ist klar, daß bei der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise,die
Hilfskammer 16 entweder Luft oder explosibles Gemisch von etwa Atmo.sphärandruck
enthält, wenn die Maschine in Gang .gesetzt wird. Beim ersten Verdlichtungshub wird,
wie oben beschrieben, explosibles Gemisch vom Kolben durch das Ventil 12 hindurch
in die Hilfskammer getrieben und ,darin unter erhöhtem Druck beim S:chluß des Ventils
zurückgehalten. Während der folgenden Arbeits-, Auspuff- und Einsaughübe wird diese
in der Hilfskammer 16 unter Druck befindliche Ladung durch die Berührung mit dien
wassergekühlten Wänden und die weiteren für diesen Zweck in Gestalt von Rähren 17
vorgesehenen l,'iihlfläcli-en gekühlt: Diese Kühlung wird natürlich den Druck in
der Kammer 16 vermindern. Beim Öffnen des Ventils 12 beim nächstfolgenden Hilfs#h.ub
strömt ein Teil der eingeschlossenen Ladung aus. der Hilfskammer 16 zurück in den
Zylinder i, mischt sich dort mit der zuletzt eingesaugten Ladung von explosiblem
Gemisch, so daß praktisch augenblicklich ein m#leichförmiger Überdruck in .der Kammer
16 und im Zylinder i entsteht. Im weiteren Verlauf des Verdichtungshubes fließt
das Geinisch aus d'em Zylinder zurück in die Hilfskammer 16, und am Schluß des zweiten
Verdichtungshubes hat die in der Kammer 16 eingeschlossene Ladung einen höheren
Druck als beim ersten Hube. Dieser Vorgang wiederholt sich in den ersten paar Arbeitstakten
der
Maschine, worauf der Beharrungszustand oder die ordnungsmäßigen Arbeitsbedingungen
erreicht sind, und zwar spielt sich folgender Kreislauf ab: Beim öffnen des. Hilfslcamlnerventils
12 strömt die in der Hilfskammer befindlid'lie, unter einem Druck voll bis io Atm.
Oder von der Steuerung des Ventils 12 und der kühlenden Wirkung der Hilfskamnier
abhängt) stehende Mischung in den Zlinder i, wodurch sich diese Kammer sofort' finit
einem explosiblen Gemisch voll 211_ bis 5 Atm. oder ähnlich füllt, dessen Temperatur
auf beispielsweise ioo° C sinkt. Wülirend des folgerüden Teiles des Verdichtungshubes
bis zum Abschluß des Ventils 12 wir@a die Ladung im Zylinder una :die Ladung in
der Hilfskammer gleichzeitig verdichtet. wobei der Grad der Verslichtung durch das
Verhältnis zwischen der Verdrängung des Kolben:, und der Summe des Inhalts der llilfskaininer
und des Rahmes oberhalb des Kolbens im Zvlinder bestimmt wird. Nach-,lein das Hilfskaminerventil
12 geschlossen ist. findet die weitere Bewegung des Kolbens, bevor die Zündung eintritt,
unter den bei Verbrennun:gskraftmaschinen bekannten Bellingungen statt, d. li. es
findet eine -stark: angenähert adiabatisclie Verdichtung statt. Es ist jedoch zu
bemerken, daß, während Ventil 12 der Hil.fskanimer offen ist, die Abkühlung rles
Gases in dieser Kammer eine ähnliche Kühlung des Gases im Zylinder !herbeiführt
und bewirkt, daß der Enddruck und die Endtemperatur der verdichteten Ladung im Zy-Iinder
niedriger sind, als sie :bei rein a@diabatisch er Verdichtung sein würden.
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Der im v.orsteh,enfden beschriebene Kreislauf beste'lit also ihn folgenden:
i. Saugehub: in der gebräuchlichen Weise. z. 'Verdichtungshub : erster Teil im wesentlichen
adia:batisch in einem Verhältnis etwa 8 : i, Verdichtung nur im Zylinider.
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Zweiter Teil: Einlassen gekühlten, ve-rclichteten Gases von höherem
Druck aus der Hilfskammer, Mischen dieses Gases mit dem weniger verdichteten Zylinderinhalt
und Verdichten der vereinigten Inhalte des Zylinders und der Hilfskammer durch Weiterbewegen
des Kolbens, bei. weit niedrigerem Verdichtungsverhältnis gemäß der erheblich größeren
zu verdichtenden Gasmenge.
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Dritter Teil: Verdichten im wesentlichen adiabatisch im ungefähren
Verhältnis 8 : i wie im ersten Teil des V erdiclitungs.liubes. 1111,1 zwar Verdichten
nur des Zvliinderiiilialts. 3. Arbeitshub: wie gewöhnlich.
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d.. Auspuffhub: wie gewöhnlich.
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Die beschriebene Arbeitsweise gestattet den Gebrauch eines Verdichtungsverllä.ltnisses,
welches beträchtlich über dasjenige hinausgenlt, was hei ge@i-ölnilicli.en Kohlemvasser-Stoffen
erreichbar ist, beispielsweise bei Petroletumdestillaten, ohne daß Puffen stattfindet.
Die Folge dieses zulässigen Steigerns des Vendichtungsver!hältnisses, ohne daß Puffen
eintritt, ist eine Vergrößerung des Wirkungsgrades der Maschine und ein Kraftinn
bei gleichbleibeadür Kohlenverdrängung und gleicher L'm@
[email protected]. Es ist
berücksichtigt, daß der beschriebene Arbeitsvorgang theoretisch einen Arbeitsverlust
zur Folge hat, weil er zu .einer Kompres sion seine Zuflucht iiimnit, die isothermisch
sein kann und nahezu so verläuft, aber diese Annäherinig ist auf die Zeit zwischen
dem Öffnen und Schließen des Ventils 12 beschränkt, während welcher Zeit eine Verbindung
zwiscil.en dem Zylinder und der Hilfskammer bestellt, -während die in der Hilfskammer
eingeschlossenen Gase sowohl dtircli die Verdichtung erwärmt als auch durch die
K aminerwände gekühlt werden. Eins wirfst dem andern in gewissem Grade entgegen,
und es besteht der Wunsch, beide Einflüsse gleich groß zu machen. Der Grad der Kühlung
beruht jedoch vollkommen auf der Temperatur der Außenluft, .dem Umlauf außerhalb
der Kühlkammer und dem Umlauf -der Kühlflüssigkeit in der Kühlkammer. Nur eins dieser
Elemente kann beeinflußt werden. Die im Zylinder enthaltenen Gase werden, -wenn
dieser mit der Kiihilkammer in Verbindung Steht, durch .die Verdichtung erhitzt
und durch Vermischung mit,den teilweise gekü?hlteil Gasen in der Hilfskammer gekühlt.
Indessen gerade während dlieses Abschnitts der angenähert isothermischen Verdichtung
werden ,rlie in,der Hilfskammer und im Zylinder befindlichen Gase durch die in der
Kühlkammer umlaufende Kühlflüssigkeit gekühlt, so daß, statt daß !die Verdichtung
während ,dieser kurzen Zeit praktisch isothermisch verläuft, die Kühlung der Gase
genügen kann, uln die Kompression für die Zwecke der Erfindung wesentlich besser
zu machen, als wenn sie wirklich isotliermisch verliefe. D. 1i. die Gase werden
in der Kühlkammer in stärkerein Maße gekühlt, als sie durch ,die Verdichtung erwärmt
werden, und zwar in einer .die Zwecke .der Erfindung fördernden Weise. Trotz dieses
möglichen theoretischen Arbeitsverlustes durch die angenähert isotheranische Verdichtung
entsteht ein Arbeitsgewinn durch das verbesserte Verd-ichtungsverhäl:tnis, der den
theoretischen Verlust beträchtlich übersteigt.
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Es ist ferner zu bemerken, daß die beschriebene Hilfskammer ein weiteres
Mittel zum Erreichen der vollständigen Verdampfung von zerstäubtem Brennstoff darstellst
und daß es dadurch statthaft ist, die Temperatur dur Zvlin:lei-wana clnie die Gefahr
des Puftens
höher zu halten und dadurch dien Wärmeverlustdurch die
Zylinderwand hindurch während des Arbeitshubes niedriger zu machen.
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Obwohl die Erfindung an einer senkrechten \'iertalct-Ein.zylindermaschine
bekannter Art dargestellt und beschrieben ist, ist es .möglich, daß ihre Grundsätze
bei allen gewöhnlichen Arten von Ein- und Mehrzylinder-, Zwei-und Viertaktmaschinen
anwendbar sind. Im Falle von Mehrzylindermaschinen müssen für jeden der Zylinder
besondere Hilfskammern oder eine gemeinsame Hilfskammer für alle Zylinder mit besonderen,
durch Ventile verschließbaren Kanälen nach jedem Zylinder vorhanden sein. Beim Gebrauch
flüssigen Brennstoffs, der nicht vollständig oder rasch genug verdampft, kann es
vorteilhaft sein, die Hilfskammer senkrecht über dem ZOinder, wie ;dargestellt,
anzuordnen, um d'a-s Zurück .bleiben von unverdampften Flüssigkeitsteilchen in ihr
zu verhindern. Diese Bauart kann nach Belieben angewendet wenden, braucht es aber
nicht, wenn der genannte Mißstand nicht beseitigt werden soll oder nicht besonders
schwerwiegend ist.
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Eine in der beschriebenen Weise arbeitende Maschine kann in (der gewöhnlichen
Weise durch Drosselung geregelt werden, oder wenn höhere Kraftäußerungen .bei schwachemLadeverhältnis
gewünscht werden, so kann die Regelung vorteilhaft @durch Änderung des Mischungsverhältnisseserfolgen.
Dieselletztere Regelweise, die an sich bekannt ist, ist im beson,deren für die beschriebene
Arbeitsweise gut brauchbar, weil die Temperatur der Ladung zur Zeit der Zündung
leicht in weiten Grenzen kontrollierbar ist. Diese Kontrolle kann erreicht werden,
indem man die Bewegung fes Ventils ändert, beispielsweise mittels eines 1ä ngsv
e-rschieblich einstellbaren Antriebisdaumeekörpers, dessen Flächen so .ge-:taltet
sind, daß verschiedenen Stellungen in der Längsrichtung verschiedene Ventilbewegungen
entsprechen. Eine solche Einrichtung bildet an sich keinen Teil der Erfindung und
ist dem Fachmann geläufig und daher nicht dargestellt.
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Es ist eine bekannte Tatsache, *ß ver'hältnismäßiÜ schwache 1Iischungen
gezündet und verbrannt würden können, wenn sie vor der Zündung auf eine hohe Temperatur
gebracht werden. Dies wird dadurch erreicht, daß (die abkühlende Wirlaing der Hilfskammer
auf die Ladung wälhrensd der Verdichtung daau.rch vermindert wird, daß die Zeit
der Öffchem Falle der Verdichtungshub unter den gewöhnlichen, .im wesentlichen adiabatischen
Bedingungen verläuft, :die der Ladung zur "Zeit der Zündung ein Temperaturhöchstmaß
erteilen. Bei Maschinen mit hohem Verdichtungsverhältnis, für welche das vorliegende
Verfahren insbesondere geeignet ist, sind die so erhaltenen Temperaturen .genügend,
um eine Regelung idurch das Mischungsverhältnis bis zu außerordentlich schwachen
Mischungen zu gestatten.
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Durch dieses Regelungsverfahren, d. h. dadurch, daß man das Mischungsverhältnis
vermindert und gleichzeitig die Temperatur der Ladung bei der Zündung erhöht, kann
eine Maschine einen ziemlich hohen thermischen Wirkungsgrad sowohl bei schwachen
Lädungen als auch bei voller Ladung haben.
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Während für .das Hilfskammerventil eine gewisse Steuerung beschrieben
ist, d. h. Öffnen des Ventils kurz nach der unteren Totlage und Schluß zwischen
der Hubmitte und der oberen Totlage, ist -hervorzuheben, daß diese Steuerung in
einzelnen Fällen verbessert werden kann. Beispielsweise kann das Ventil so gesteuert
werden, daß es nur während der mittleren Dauer des Hubes geöffnet ist oder nur während
des letzten Teiles. Die beste Steuerung hängt von den Besonderheiten der Maschine
ab. In allen Fällen bleibt der Grundgedunke derselbe, daß die Temperatur der verdichteten
Ladung niedriger bleibt, als sie für -lastselbe Verdichtungsverhältnis ohne Anwendung
der Hilfskammer und des gesteuerten Ventils erreicht wird.