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Freiflugkolbenbrennkraftverdichter mit mindestens zwei Brennkraftflugkolben
Die Erfindung ;betrifft einen Freiflugkolbenbrennkraftverdichter mit mindestens
zwei Brennkraftflugkolben, (die sich derart bewegen, daß der Verdichtungshub des
einen mit dem Ausdehnungshub des anderen zusammenfällt.
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Es sind Brennkraftverdichter bekannt, die Treibgas erzeugen, .deren
Kolben jedoch mit einer Kurbel verbunden sind. Dadurch ergeben sich für die Brennkraftkolben
durch die Kurbel bedingte Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhältnisse. Von
diesen Verhältnissen ist auch der mittlere Druck im Zylinder abhängig. Dagegen werden
bei Brennkraftflugkolibenmaschinen die Geschwindi.gkeits- undBeschl.eunigungsverhältnisse
der Flugkolben nicht mehr durch eine Kurbel bestimmt, so daß insbesondere zu Beginn
des Expansionshubes die Beschleunigung sehr groß sein kann. Erst dadurch ist es
ermöglicht, dieKolbengeschwin.digkeitund den mittleren Druck im Zylinder über die
für Kurbelmaschinen bedingte Grenze hinaus zu erhöhen.
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Außerdem sind durch den Wegfall .der Kurbel bei einer Brennkraftflugkolbenmaschine
ganz andere Verhältnisse von Hub zu Durchinesser möglich, so daß die Hublänge ohne
wesentliche Verteuerung gegenüber derjenigen bei Kurbelmaschinen gesteigert und
somit die Wirtschaftlichkeit verbessert wenden kann. Bei den bis jetzt bekannten
Ausführungen von Flugkolbenmaschinen, die Luftverdichter antreiben, konnten diese
Verhältnisse nicht ausgenutzt werden. Es sind nämlich bei .den bekannten Maschinen
Brennkraftkolben und Verdichterkolben so miteinander verbunden, daß sie den gleichen
Hub haben. Beim Verdichter ist es.aus verschiedenen Gründen nicht zweckmäßig, die
Kolbengeschwindigkeit über Idas für Kurbelmaschinen übliche Maß zu steigern. Derselbe
Hub für Brennkraftmaschine und Verdichterkolben bei den bekannten Ausführungen bedingt
auch eine Beschränkung der Kolbengeschwindigkeit des Brennkraftkolbens auf das für
den VerdichterlAben zuträgliche Maß.
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Nun ist es nicht nur bekannt, zur Kräfteübertragung zwischen zwei
Kolben, von ,denen der eine mit einem Kurbeltrieb verbunden ist, Flüssigkeitssäulen
einzuschalten, sondern auch die Brennkraftkolben zweier nebeneinanderliegender Brennkraftflugkolbenkompressormotoren
sind schon durch Flüssigkeitssäulen verbunden worden. Bei diesen bekannten Flugkolbenkompressormotoren
sind jedoch die Kompressorkolben starr mit den Brennkraftkolben verbunden.
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Durch die Erfindung wird es möglich, die Hublärige oder den Durchmesser
des Verdichterkolbens unabhängig von der Hublänge bzw. vom Durchmesser der Brennkraftfllugkolben
zu - bestimmen, indem der Antrieb des Verdichters
von einer zwischen
die Brennkraftflugkolben geschalteten, mit .diesen sich bewegenden, an sich bekannten
Flüssigkeitssäule ohne Zwischenschaltung eines Kurbeltriebes abgeleitet wird. Vorteilhaft
geschieht die Ableitung des Antriebes des Verdichters mit Hilfe eines in die Flüssigkeitssäule
eingeschalteten Kolbens.
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Es können die Leckverluste :des Antriebskolbens des Verdichters durch
Vergrößerung der Flüssigkeitsmenge der einen der Flüssigkeitssäulenhälften und Verkleinerung
derjenigen der anderen Hälfte, z. B. durch vom Antriebskolben gesteuerte Umführungsleitungen
und in diesen vorgesehene Rückschlagventile, ausgeglichen werden. Auch kann eine
vom Enddruck des Verdichters beeinflußte Kolbensteuerung vorgesehen sein, durch
welche die Flüssigkeitsmenge der Flüssigkeitssäulenhälften geändert wird, um eine
Verstellung der Endlagen der Brennkraftflugkolben in den Brennräumen zu ermöglichen.
Außerdem können die Brennkraf.tflugkolben mit je einem Steuerkolben versehen sein,
auf deren beide Seiten je eine Flüssigkeitssäule einwirkt. Es können sowohl zwei
gegenläufig sich bewegende, durch Flüssigkeitssäulen miteinander verbundene Brennkraftflugkolbenpaare
vorgesehen sein als auch zwei Brennkraftflugkolbenpaare mit zwei oder mehr Verdichterkolben
zusammenarbeiten.
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Die Erfindung ist auf' der Zeichnung in fünf Ausführungsbeispielen
schematisch dargestellt.
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Fig. i und 2 zeigen einen Motorkompressor mit zwei Brennkraftkolben
und einem Kompressorkolben.
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Fig.3 zeigt einen Kompressor mit zwei gegenläufig sich bewegenden
Brennkraftkolbenpaaren und einem Kompressorkolben und Fig. 4 einen Kompressor mix
zwei Brennkraftflugkolbenpaaren und zwei Kompressorkolben.
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Fig. 5 veranschaulicht eine Anordnung, bei welcher :die Leckverluste
des kolbenartig ausgebildeten Kompressorantriebsorgans ausgeglichen werden, und
zeigt eine Vorrichtung, um die Kompressionsräume der Brennkraftzylinder vergrößern
oder verkleinern zu können.
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Der Motorkompressor nach Fig. i weist zwei Brennkraftzylinder i und
2 mit je einem Flugkolben 3 und 4 auf. Die Flugkolben 3 und 4 bewegen sich derart,
daß der Verdichtungshub des einen mit dem Ausdehnungshub des anderen zusammenfällt.
Zwischen die Kolben 3 und 4 ist die Flüssigkeitssäule 5 eingeschaltet, von deren
Bewegungen der Antrieb des Kompressors 7 abgeleitet wird. Die Ableitung erfolgt
durch den die Bewegungen der Flüssigkeitssäule mitmachenden Kompressorantriebskolben
9, der durch die Stange io mit dem Kompressorkolben 8 starr verbunden ist und sich
im Zylinder 12 bewegt. Die eine Hälfte der Flüssigkeitssäule 5 liegt zwischen der
unteren Seite des Kompressorantriebskolbens 9 und dem im Zylinder 15 sich bewegenden
Brennkraftsteuerkolbens 14, die andere zwischen dem Steuerkolben 16 des Brennkraftkolben.s
3 und der oberen Seite des Kompressorantriebskolbens 9.
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Beim Ausdehnungshub des Brennkraftflugkolbens 4 wird die Flüssigkeit
der linken Flüssigkeitssäulenhälfte 5 durch den mit dem Brennkraftkolben 4 verbundenen
Steuerkolben 14 aus dem Zylinder 15 unter den Kompressorantriebskolben 9 gedrückt,
wodurch dieser mit dem Kompressorkolben 8 - zusammen angehoben wird. Im unteren
Raum des Kompressors 7 findet das Ansaugen von Luft statt, während im oberen Raum
Luft verdichtet wird. Die Flüssigkeit im Zylinder i 2 über dem Kompressorantriebskolben
9 wird in den Zylinder 17 hinübergedrückt, wodurch der mit den Brennkraftkolben
3 verbundene Steuerkolben 16 nach unten bewegt wird, während der Brennkraftflugkolben
3 seinen Verdichtungshub ausführt. Setzt die Zündung im Zylinder i ein, so spielen
sich die Vorgänge im umgekehrten Sinne ab.
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Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind die Brennkraftzylinder i und :2
nebeneinander angeordnet. Der Kompressorzylinder 7 befindet sich oberhalb der beiden
Brennkraftzylinder. Zwischen dem Kompressorzylinder 7 und den Brennkraftzylindern
i und 2 befindet sich rlie Flüssigkeitssäule 5 mit ihren Zylindern 12, 15 und 17.
Die Flüssigkeit aus dem Zylinder 15 wird durch den Kanal 13 unter den Kompressorantriebskolben
9 geleitet.
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In Fig. 3 weisen die Brennkraftzylinder i9 und2o zwei gegenläufigsichbewegendeBrennkraftflugkolbenpaare
21, 22 und 23, 24 auf. Der mit einem Kolben 27 versehene doppelt wirkende Kompressor
26 hat eine durchgehende Kolbenstange 28 mit Antriebskolben 29 und 3o, die 'sich
in :den Zylindern 31 und 32 .bewegen. Die Steuerkolben 37 und 39 der Brennkraftflugkolben
z1 und 23 bewegen sich mit der Flüssigkeitssäule 34 und die Steuerkolben 38 und
40 der Brennkraftflugkolben22 und 24 mit der Flüssigkeitssäule 35. Hat die Zündung
im Brennkraftzylinder i9 (in der gezeichneten Kolbenstellung nach Fig. 3) stattgefunden,
so folgt der Ausdehnungshub im Zylinder i9, und es wird die Flüssigkeit der rechten
Flüssigkeitssäulenhälften 34 und 35 'durch die Steuerkolben 37 und 38 nach den Zylindern
32 und 31 hinübergeschoben. Die Kompressorantriebskolben 30 und 29 machen
dabei die Bewegung mit und treiben den Kompressorkol;ben 27 nach unten. Die
Brennkraftkolben
23 und 24 führen in der gleichen Zeit ihren Verdichtungshub aus. Der Brennstoff
wird darauf in den Zylinder 20 eingespritzt, worauf der Ausdehnungshub folgt. Die
Flüssigkeitssäulen 34 und 35 bewegen sich dabei in entgegengesetzter Richtung, so
daß der Kompressorkolben 27 in seine obere Totpunktlage hinaufgelangt.
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Der Motorkompressor nach Fi:g.4 weist zwei Brennkraftzylinder i9 und
ao mit zwei Brennkraftflugkolbenpaaren 21, 22 und 23, 24 auf. Es sind bei dieser
Ausführung zwei Kompressoren 43 und 45 mit je einem Kompressorkolben 42 bzw. 44
vorgesehen. Der doppelt wirkende Kompressorkolben 42 des Kompressors 43 erhält seinen
Antrieb durch die Flüssigkeitssäule 34 und der doppelt wirkende Kompressorkolben
44 des Kompressors 45 durch die Flüssigkeitssäule 35. Die Kompressorkolben
42 und 44 saugen die Luft durch die Einlaßventile 47 ein und fördern sie durch die
Druckventile 48 in die Druckräume 49, 50 und 5i, von wo sie durch die Kanäle 52
in ,die Leitung 53 und von dort über die Umführungsleitunig 57 in die Leitung 54
gelangen. An ,die Leitungen 53 und 54 sind die Einlaßschlitze 56 ,der Brennkraftzylinder
i9 und 2o angeschlossen.
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Hat die Verdichtung in den Brennkraftzylindern i9 und 2o stattgefunden,
so wird der Brennstoff in bekannter Weise durch die Brennstoffventilkanäle 58 und
59 eingespritzt. Am Ende des Ausdehnungshubes werden die Auslaßschlitze 6o geöffnet,
und das Abgas-Luft-Gemisch strömt in die Leitungen 61, von wo es, durch die Sammelleitung
99 in eine Abgaskraftmaschine gelangend, zur weiteren Leistungserzeugung herangezogen
werden kann.
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Die Steuerkolben 37 bis 40 der Brennkraftflugkolbenpaare 21, 22 bzw.
23, 24 arbeiten in den Zylindern 62 bis 65 mit den Flüssigkeitssäulen 34 und 35.
Die Gegenläufigkeit der Brennkraftflugkolben 21 und 22 bzw. 23 und 24 wird durch
ein Synchronisiergestänge bekannter Art mit den Schubstangen 67 und den Schwingkurbeln
68 sichergestellt. Die Zylinder 62 bis 65 sind mit den Zylindern 31
und 32
verbunden, in denen sich die doppelt wirkenden Kompressorantriebskolben 29 und 30,
die durch die Kolbenstangen 70 und 71
mit den Kompressorkolben 42 und
44 verbunden sind, bewegen.
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Bei der Ausführung nach Fig.4 beginnt das Brennkraftflugkol.benpaar
23, 24 aus der gezeichneten Totpunktlage seinen Ausdehnungshub, während das Kolbenpaar
2i, 22 seinen Verdichtungshub ausführt. Die Steuerkolben 39 und 40 .der Brennkraftflugkolben
23 und z4 .drücken die Flüssigkeit der linken hlüssigkeitssäulenhälften 34 und 3.5
nach den Zylindern 31 und 32, wodurch die Kompressorantriebskolben 29 und
3o nach außen getrieben werden und ihrerseits die Flüssigkeit der anderen Flüssigkeitssäulenhälften
34 und 35 in die Zylinder 62 und 63 hinüberschieben. Bei der Bewegung der Kompressorantriebskolben
29 und 30 mit den Kompressorkolben 42 und 44 in der Richtung nach
außen wird die in den äußeren Verdichtungsräumen der Kompressorzylinder 43 und 45
befindliche Luft verdichtet, während die inneren Kompressorräume Luft ansaugen.
Haben die Brennkraftkolben 23 und 24 ihren Hubweg durchlaufen und hat im Brennkraftzylinder
2o am Ende des Hubes der Auspuff stattgefunden, so erfolgt darauf die Zündung in
dem Zylinder i9, und es bewegen sich die Kolben in der entgegengesetzten Richtung:
Durch die gegenläufige Bewegung der Kompressorkolben 42 und 44 wird ein guter Massenausgleich
erreicht.
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Handelt es sich darum, das aus den Brennkraftzylindern austretende
Abgas-Luft-Gemisch zur Arbeitsleistung in einer Abgaskraftmaschine heranzuziehen,
so gestaltet sich die Arbeitsweise der Maschine nach Fig. 4 wie folgt: Nach erfolgter
Brennstoffeinspritzung und Zündung in dem Brennkraftzylinder 2o bewegen sich die
Brennkraftkolben 23 und 24 und die Kompressorkolben 4z und 44 nach außen. In die
inneren Kompressorräume wird durch die Saugventile 47 Luft angesaugt und in den
äußeren Kompressorräumen Luft verdichtet, die über die Druckventile 48 in die Druckräume
49, 50 und 51 gefördert wird, von wo sie unter einem Druck von etwa 4 Atm. durch
die Kanäle 52 in die Leitung 53 und durch die Umführungsleitung 57 in die Leitung
54 und von hier über die Einlaßschlitze 56 in .die Brennkraftzylinder gelangen kann.
Am Ende des Ausdehnungshubes der Brennkraftkolben 23 und 24 strömen die Abgase aus
dem Zylinder 2o durch die Auslaßschlitze 6o in die Leitungen 61 und die Luft aus
den Leitungen 53 und 54 durch die Schlitze 56 in den Zylinder 2o, wo sie als Spizlluft
zur Wirkung kommt und die Abgase durch die Auspuffschlitze 6o in die Leitung
6 1 hinaustreibt. Die in dem Brennkraftzylinder verbliebene, unter einem
Druck von etwa 4 Atm. stehende Luft wird in dem Brennkraftzylinder weiter verdichtet,
worauf nach erfolgter Brennstoffeinspritzung und Zündung die Arbeitsvorgänge sich
wiederholen. Auf der rechten Seite des Motorkompressors haben die Brennkraftkolben
21 und 22 in der gleichen Zeit ihren Verdichtungs- und Ausdehnungshub ausgeführt.
Die Vorgänge spielen sich dabei auf der rechten Seite in der gleichen Weise ab wie
auf der linken. Das Abgas-Luft-Gemisch
strömt aus -den Zylindern
ig und 2o durch die Auspuffschlitze 6o in die Leitungen 61 und aus diesen durch
die Sammelleitung 99 in die nicht eingezeichnete Abgasmaschine, die das Abgas-Luft-Gemisch
mit einer Temperatur von 35o bis q.50° zugeführt erhält.
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Die Brennkraftflugkolben können anstatt zwei, wie in Fig. 4 dargestellt,
mehrere Kompressorkolben antreiben. Es können z. B. die Kompressoren 43 und 45 in
Tan:dernbauart mit zwei und mehr hintereinanderliegenden Zylindern ausgeführt oder
auf der oberen Seite des Zylinders 31 und auf der unteren Seite des Zylinders 32
ein Kompressorzylinder hinzugeschaltet werden. Die Flüssigkeitssäulen 34 und 35
können ebenfalls an Stelle eines einzigen Kompressorantriebskolbens mehrere solche,
z. B. hintereinandergeschaltete Antriebskolben, aufweisen.
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Die Kolbenfläche der Kompressorantriebskolben 29 und 30 ist
größer als die der Steuerkolben 37 bis 40. Der Hub der Kompressorkolben 42 und 44
ist also kleiner als der Hub der Brennkraftfluglcolben 21 bis 24. Die Kolbengeschwindigkeit
der letzteren ist somit nicht an die Kolbengeschwindigkeit der Kompressorkolben
42 und 44 gebunden. Es können für die Geschwindigkeit der Brennkraftkolben also
Werte gewählt werden, die höher liegen als die der Kompressorkolben bzw. umgekehrt,
es kann die Geschwindigkeit der Kompressorkolben kleiner sein als .die der Brennkraftkolben.
Die Geschwindigkeit der Kompressorkolben läßt sich also den Betriebsbedingungen
der Ein- und Auslaßventile des Kompressors anpassen.
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Etwaige Leckverluste der Kompressorantriebskolben, durch die eine
Änderung der Länge der beiden Flüssigkeitssäulenhälften eintreten würde, müssen
auf irgendeinem Wege ausgeglichen werden. Hat z. B. die Flüssigkeitsmenge in der
Flüssigkeitssäulenhälfte 72 der Ausführung nach Fig. 5 zugenommen und die der Säulenhälften
73 abgenommen, so erreicht der Kompressorantriebskolben g infolge der größeren Länge
der oberen Säulenhälfte 72 seine untere Endlage früher als die Brennkraftflugkolben
3 und 4 die ihrige. Mit Rücksicht hierauf ist die Anordnung so getroffen, daß, sobald
der Kompres.sorantriebskolben 9 seine untere Endlage überschreitet, der Abflußkana174
der oberen Kolbenseite .des Kompressorantriebskolbens 9 geöffnet wird. Bei .der
weiteren Aufwärtsbewegung des Brennkraftflugkolbens 3 erfolgt ein Flüssi,gkeitsabfluß
aus der Flüssigkeitssäulenhälfte 72 und dadurch ein Flüssigkeitszufluß zur Flüssigkeitssäulenhälfte
73, und zwar so lange, bis der Brennkraftflugkolben 3 seine obere Endlage erreicht
hat. Um einen Flüssigkeitsrückfluß aus der Flüssigkeitssäulenhälfte 73 zur Säulenhälfte
72 zu verhindern, ist der Kanal 7.4 in bekannter Weise mit einem Rückschlagventi175
versehen. Für die obere Endlage dient der Zu- und Abfuhrkana176, der mit der unteren
Seite des Kompressorantriebskolbens 9 zusammenarbeitet und ebenfalls mit einem Rückschlagventil77
versehen ist.
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Bei der Ausführung nach Fig. 5 sind die Steuerkolben 16 und 14 der
Brennkraftflugkolben 3 und 4 nicht nur auf der oberen, sondern auch auf -der unteren
Seite durch eine Flüssigkeitssäule miteinander verbunden. Zwischen die untere Seite
des Steuerkolbens 16 und die des Steuerkolbens 14 ist die Flüssigkeitssäule 78 eingeschaltet,
wodurch erreicht wird, daß der eine Brennkraftflugkolben hinter dem anderen nicht
zurückbleiben kann. Bliebe der Kolben 4 z. B. zurück, so würde er durch die Flüssigkeitssäule
78 nachgeschoben.
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Bei der Ausführung nach Fig. 5 ist auch die Einrichtung getroffen,
daß, wenn bei höheren Leistungen des Motorkompressors zweckmäßig der Aufladedruck
erhöht wird, der ,Verdichtungsraum der Brennkraftzylinder i und 2 größer eingestellt
werden kann, damit ein Überschreiten des zulässigen Verdichtungs- bzw. Verbrennungsdruckes
in diesen Zylindern vermieden wird. Die dafür nach Fig. 5 gewählte Einrichtung besteht
aus den Leitungen 8o bis 82, dem Kolbenschieber 83 im Gehäuse 84 mit Ausflußöffnungen
85 und Anschlüssen 86 zum Flüssigkeitsdruckgefäß 87, dem doppelarmigen Schwinghebel
88, der gelenkig mit den Brennkraftflugkolben 3 und 4 verbunden ist, dem Winkelhebel
89, .dessen Achse 91 im Schwinghebel 88 gelagert ist, den Lenkern 92 und 93, dem
Kolben 94 im Zylinder 95, der durch die Leitung 96 an den Luftaufnehmer 98 angeschlossen
ist, und der Feder 97. Durch die Einrichtung wird der Zu- und Abfluß der Flüssigkeit
zu bzw. von den Flüssigkeitssäulen 5 und 78 so gesteuert, daß durch die Veränderung
der Flüssigkeitsmenge der Flüssigkeitssäulen die Endlagen der Brennkraftflugkolben
3 und ,4, gegenüber den Endlagen des Kompressorkolbens 8, verstellt werden. Erhöht
sich der Verdichtungsdruck im Kompressor 7 und somit der Aufladedruck in den Brennkraftzylindern
i und 2, so bewegt sich der Kolben 94 im Zylinder 95 nach rechts. Der infolge dieser
Bewegung im Uhrzeigersinn sich drehende Winkelhebel 89 schiebt dann mit Hilfe
des Lenkers 92 den Kolbenschieber 83 nach unten. Die Leitungen 8o und 82 werden
dadurch mit ihren Abflüssen 85 und die Leitung 81 mit ihrer Zufuhr 86 verbunden,
wodurch die Flüssigkeitsmenge der Flüssigkeitssäule
5 verkleinert
und die Flüssigkeitsmenge der Flüssigkeitssäule 78 vergrößert wird.
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Die Brennkraftflugkol'ben 3 und q. und der Schwinghebel 88 werden
dadurch mit dein Winkelhebel 89 gehoben. Der Winkelhebel 89 nimmt .dabei, da er
durch den Kolben 9,4 in der Stellung I' festgehalten wird, den Kolbenschieber 83
mit, so daß dieser, wenn der Schwinghebel 88 die durch die Mittellinie dargestellte
Stellung I erreicht hat, in seine Mittellage zurückgegangen ist und das Anheben
der Brennkraftflugkolben 3 und 4. zum Stillstand kommt. Bei den Bewegungen der Brennkraftkolben
3 und d. schwingt der Hebel 88 um seinen Mittelpunkt, so daß die Achse g i, der
Winkelhebel 89 und der Kolbenschieber 83 in Ruhe sind. Bei einer Abnahme des Aufladedruckes
in den Brennkraftzylindern i und 2 verlaufen die Vorgänge im umgekehrten Sinne,
d. h. der Winkelhebel 89 wird in die Stellung II' gedreht, und der Schwinghebel
88 senkt sich aus :der gezeichneten Stellung in die Stellung II, wodurch die Kompressionsräume
in den Brennkraftzylindern i und 2 verkleinert werden.
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Durch die Erfindung wird nicht nur der Vorteil erreicht, daß die Kolbengeschwindigkeit
der Kompressorflugkolben unabhängig von der Kolbengeschwindigkeit der Brennkraftkolben
gewählt werden kann, sondern es kann auch eine sehr niedrige Bauhöhe der Maschine
erreicht werden. Die Geschwindigkeit der Kompressorkolben läßt sich außerdem den
günstigsten Betriebsbedingungen der Saug- und Druckventile des Kompressors anpassen.