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Zweitakt-Verpuffungsmotor mit ineinanderlaufenden gegenläufigen Kolben
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweitakt-Verpuffungsmotor mit ineinanderlaufenden
gegenläufigen Kolben, bei dem das Brennstoffluftgemisch aus einer Vorkammer durch
ein Rückschlagventil in einen oberhalb des äußeren Kolbens befindlichen Verdichtungsraum
und von dort zwischen die Kolben eingeführt wird und bei dem sich die schlitzförmigen
Auslaßöffnungen für die Verbrennungsgase annähernd über die halbe Hublänge der gegenläufigen
Kolben erstrecken.
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Bei bekannten Maschinen dieser Art werden die schlitzförmigen Auslaßöffnungen,
welche in der Umfangswandung des äußeren Kolbens angeordnet sind, ausschließlich
durch den inneren Kolben gesteuert. Es erfolgt also nicht nur die Verdichtung, sondern
auch die Ausdehnung lediglich auf dem halben Kolbenhubweg. Dadurch ergibt sich die
Notwendigkeit, während des Ausdehnungshubes einen großen Betrag der Wärme durch
eine besonders wirksame Kühlung abzuführen. Die sich infolgedessen ergebende Verschlechterung
des Wirkungsgrades hebt den durch die besondere Bemessung der Auslaßschlitze hinsichtlich
der Spülung des Arbeitsraumes erzielten Vorteil mindestens zum Teil wieder auf.
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Nach der Erfindung werden die sich annähernd über die halbe Hublänge
der gegenläufigen Kolben erstreckenden Auslaßschlitze außer von dem inneren Kolben
auch mittels eines Drehschiebers gesteuert, dessen Bewegung von der Bewegung des
äußeren Kolbens oder der diesen Kolben-mit der Kurbelwelle verbindenden Pleuelstangen
hergeleitet wird. Durch diesen Drehschieber werden die Auslaßschlitze nur für die
Ausdehnung der Verbrennungsgase auf dem gesamten Hubweg der gegenläufigen Kolben
geschlossen gehalten, so daß die Ausdehnung etwa auf dem doppelten Hubwege stattfindet
wie die Verdichtung. Die Ausdehnung kann infolgedessen bis zur Atmosphäre getrieben
werden. Das bedeutet, daß ein wesentlich größerer Betrag der Wärme in mechanische
Arbeit umgesetzt werden kann als bisher. Da unmittelbar nach Beendigung des Ausdehnungshubes
durch den Drehschieber der gesamte Querschnitt der Auslaßschlitze augenblicklich
freigegeben wird, ergibt sich eine nicht minder wirksame Spülung des Arbeitsraumes
als bei den erwähnten bekannten Maschinen.
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Um stets die größtmögliche Ausdehnung zu gewährleisten, ist es notwendig,
daß die bei jedem Takt zwischen die Kolben einzuführende Menge des. Brennstoffluftgemisches
den jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßt und bei unveränderlichen Betriebsbedingungen
(Belastung und Drehzahl)- gleichgehalten werden kann. Zu diesem Zweck hat man bisher
den Hubweg des die Vorkammer mit dem Verdichtungsraum oberhalb des äußeren Kolbens
verbindenden und sich nach diesem Verdichtungsraum hin öffnenden Rückschlagventils
durch besondere, von außen bedienbare Mittel beeinflußt. Diese Art der Mengenregelung
des Brennstoffluftgemisches ist jedoch unübersichtlich und nicht feinfühlig
genug.
Auch ergeben sich, besonders bei geringer Belastung der Maschine in dem Rückschlagventil
erhebliche Strömungsverluste.
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Nach der Erfindung wird eine besonders einfache und feinfühlige Mengenregelung
des Brennstoffluftgemisches dadurch erzielt, daß das dem Verdichtungsraum zuzuführende
Brennstoffluftgemisch in der Vorkammer unter Druck vorrätig gehalten wird und daß
diese Vorkammer mit dem Verdichtungsraum durch ein in die Vorkammer sich öffnendes
zusätzliches Rückschlagventil mit regelbarer Federbelastung verbunden ist. Durch
dieses zusätzliche Rückschlagventil wird je nach der Einstellung der Federbelastung
ein kleinerer oder größerer Teil des in den Verdichtungsraum oberhalb des äußeren
Kolbens eingeführten Brennstoffluftgemisches beim Aufwärtshub des äußeren Kolbens
wieder in die Vorkammer zurückgefördert. Diese zurückgeförderte Teilmenge kann durch
Veränderung der Federbelastung des zusätzlichen Rückschlagventils stets so geregelt
werden, daß nach jedem Ausdehnungshub bei beliebigen Betriebsbedingungen der Druck
der Verbrennungsgase gleich dem Atmosphärendruck ist.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt.
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Fig. i zeigt den Zweitakt-Verpuffungsmotor im Längsschnitt.
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Fig. 2 zeigt in einer Einzelansicht senkrecht zu Fig. i den Antrieb
des Drehschiebers für die Auslaßschlitze.
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Innerhalb eines mit dem Gehäuse 4 für die Kurbelwelle 5 verbundenen
feststehenden Zylinders 6 sind die beiden konzentrisch ineinander geführten gegenläufigen
Kolben 7 .und 8 gelagert. Die Kurbelwelle 5 ist mit drei Kröpfungen 5#T, 5b und
5c versehen. Die mittlere Kröpfung 5c ist mittels einer Pleuelstange g mit dem inneren
Kolben 8 verbunden, während die beiden äußeren Kröpfungen 5-, und 5b mittels je
einer Pleuelstange io bzw. ii an dem äußeren Kolben 7 angreifen, und zwar sind die
zur Verbindung des äußeren Kolbens mit den Pleuelstangen io und ii dienenden Bolzen
12 und 13 auf der Außenseite des äußeren Kolbens 7 angeordnet. Der äußere hohlzylindrische
Kolben 7 ist am oberen Ende mit Einlaßöffnungen 14 für das Brennstoffluftgemisch
und am unteren Ende mit Auslaßöffnungen 15 für die Verbrennungsrückstände
- versehen. Letztere besitzen die Gestalt von Längsschlitzen, welche sich annähernd
über die halbe Hublänge der beiden Kolben erstrecken.
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Das fertige Brennstoffluftgemisch wird durch eine Leitung 37 unter
Druck in eine auf dem oberen Ende des Führungszylinders 6 angeordnete Vorkammer
16 gefördert, dort vorrätig gehalten und beim Abwärtsgang des äußeren Kolbens 7
in die dargestellte untere Totlage durch eine Öffnung 17 des Kammerbodens
in den Führungszylinder 6 eingeführt. Die Öffnung 17 ist in bekannter Weise durch
ein Rückschlagventil 18 verschlossen, dessen Schaft ig unter der Einwirkung einer
Feder 2o steht. Dieses Ventil ist ungesteuert und wird durch den beim Abwärtsgang
des äußeren Kolbens 7 in der Kammer 16 auftretenden Überdruck selbsttätig geöffnet.
Nachdem. beim Abwärtsgang des äußeren Kolbens 7 der darüber befindliche Raum des
Führungszylinders 6 mit dem Brennstoffluftgemisch gefüllt ist, wird dieses Gemisch
beim Aufwärtsgang des Kolbens 7 in dem Zylinder 6 verdichtet. Dabei wird ein Teil
des Gemisches durch eine mittels eines zusätzlichen Rückschlagventils ai verschlossene
Öffnung 22 im Boden der Kammer 16 in die letztere zurückgefördert. Die durch die
Feder 23 auf das zusätzliche Rückschlagventil2i ausgeübte Belastung kann mit Hilfe
einer in der oberen Abschlußwand der Kammer 16 sitzenden Schraube 24 derart eingestellt
werden, daß nach Beendigung des Aufwärtshubes des äußeren Kolbens 7 in dem darüber
befindlichen Raum des Führungszylinders 6 gerade die für eine Verbrennung erforderliche
Menge des Brennstoffluftgemisches zurückbleibt.
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In der oberen Totlage des äußeren Kolbens 7 werden die Einlaßöffnungen
14 durch eine ringförmige Erweiterung 25 des Führungszylinders 6 freigegeben, so
daß das in dem letzteren verdichtete Brennstoffluftgemisch in den Raum zwischen
dem äußeren Kolben 7 und dem sich in der unteren Totlage befindlichen inneren Kolben
8 einströmen kann. Im Bereich der ringförmigen Erweiterung 25 des Zylinders 6 sind
mehrere Führungsstege 26 angeordnet, welche dazu dienen, die auf dem oberen Ende
des äußeren Kolbens angeordneten Kolbenringe, welche in der Zeichnung nicht dargestellt
sind, auf dem Kolben festzuhalten.
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Die am unteren Ende des äußeren Kolbens 7 vorgesehenen Auslaßschlitze
15 für die Verbrennungsprodukte werden durch einen auf dem Umfang des äußeren Kolbens
7 gelagerten hohlzylindrischen Drehschieber 27 gesteuert, welcher mit ähnlichen
Schlitzen versehen ist. Dieser Schieber 27 wird zwischen zwei auf dem äußeren Kolben
7 festsitzenden Ringen 28, 29 in der Längsrichtung des Kolbens unbeweglich festgehalten.
Damit die an dem Kolben 7 sitzenden Zapfen 12 die zum Öffnen und Schließen der Schlitze
15 erforderliche Drehbewegung des hohlzylindrischen Schiebers 27 nicht behindern,
ist der letztere mit die Zapfen 12 durchlassenden Durchbrechungen 30 und
31 versehen, welche in der Umfangsrichtung des Schiebers eine größere Ausdehnung
besitzen als in der Längsrichtung. Der Antrieb des Drehschiebers 27 wird mittels
Anschläge 32, 33 oder in anderer Weise von der Bewegung der Pleuelstangen io und
ii hergeleitet. Statt dessen kann
auch der Schieber 27 mittels in
der Längsrichtung schräg verlaufender Flächen mit an dem feststehenden Führungszylinder
6 angeordneten Anschlägen zusammenwirken und dadurch ihre zum Schließen oder Öffnen
der Schlitze 15 erforderliche Drehbewegung erhalten.
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Während der Einführung des Brennstoffluftgemisches in den zwischen
den beiden Kolben 7 und 8 gebildeten Verbrennungsraum und während der darauf folgenden
Abwärtsbewegung des äußeren Kolbens und Aufwärtsbewegung des inneren Kolbens bleiben
die Auslaßschlitze 15 geöffnet, so daß die Verdichtung des Gemisches in dem Verbrennungsraum
erst beginnt, nachdem das obere Ende des Kolbens 8 sich über das obere Ende der
Schlitze 15 hinwegbewegt hat. Infolgedessen findet die Verdichtung bei großer gegenseitiger
Geschwindigkeit der Kolben 7 und 8 statt. Nach Beendigung der Verdichtung nehmen
die beiden Kolben die in der Zeichnung dargestellte Stellung ein. In dem Augenblick
erfolgt die Zündung, und zwar entweder durch die Verdichtungswärme oder mit Hilfe
von in der Zeichnung nicht dargestellten Zündkerzen. Während des darauffolgenden
Ausdehnungshubes der beiden Kolben bleiben die Auslaßschlitze i5 für die Verbrennungsprodukte
geschlossen, und zwar so lange, bis der innere Kolben 8 seine untere Totlage erreicht
hat. Der Ausdehnungshub ist infolgedessen um etwa die Länge der Schlitze
15
größer als der Verdichtungshub. Auf diese Weise wird eine gute Ausnutzung
der in dem Brennstoff enthaltenen Wärmeenergie in Form von mechanischer Arbeit erzielt,
so daß unter Umständen eine Flüssigkeitskühlung des Verbrennungsraumes bzw. des
die beiden Kolben 7 und 8 führenden Zylinders 6 nicht erforderlich ist.