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Einspritz-Brennkraftmaschine mit frei fliegendem Nebenkolben Um die
Anforderungen zu erfüllen, die an kompressorlose Dieselmaschinen in betrieblicher
und thermodynamischer Hinsicht gestellt werden, sind eine Reihe von Maßnahmen bekanntgeworden,
die sich hauptsächlich auf die Verbesserung der Gerizischbildung und die Herabsetzung
der Zylinderhöchstdrücke bei gleichzeitig möglichst geringen Drucksteigerungsgeschwindigkeiten
beziehen.
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Die kompressorlose Dieselmaschine mit unmittelbarer Einspritzung verhält
sich bei nicht zu hohen Drehzahlen thermodynamisch sehr günstig; bei höheren Drehzahlen
wird jedoch die Gemischbildung immer schlechter, und der Kraftstoffverbrauch steigt
dementsprechend an. Außerdem sind bei unmittelbarer Einspritzung die Verbrennungshöchstdrücke
im Zylinder sehr groß, und der durch die Verbrennung hervorgerufene Druckanstieg
im Zylinder ist sehr steil. Um die genannten Nachteile der Motoren mit unmittelbarer
Einspritzung zu vermeiden, sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden, bei denen
durch Teilung des Brennraumes eine Verbesserung der Gemischbildung und gleichzeitig
eine Dämpfung des Druckanstiegs im Hauptbrennraum angestrebt wird. Durch die Teilung
des Brennraumes in bisher bekannter Weise wird das motorische Arbeitsverfahren jedoch
sehr empfindlich gegen Veränderungen der Betriebsdrehzahl oder der Zustandsgrößen
der Ladeluft, z. B. im Höhenflug. Außerdem wird eine ausreichende Spülung des Zylinders,
wie sie z. B. der Zweitaktbetrieb erfordert, sehr erschwert. Überdies treten bei
den bei Teilung des Brennraumes vorhandenen Drosselstellen erhebliche Wirbelverluste
auf, die nur zum Teil zu einer Zerstäubung des Kraftstoffes beitragen, da die Umfüllung
der Luftladung in den Teilbrennraum bereits bei Beginn der Einspritzung nahezu beendet
ist. -Die vorliegende Erfindung bezweckt durch Anwendung eines Hilfskolbens in einem
Teilbrennraum die Verbindung der Vorteile der Motoren mit direkter Einspritzung
(ungeteilter Brennraum während der Spülperiode, rasche und vollkommene Beendigung
der Verbrennung) mit den Vorteilen der Motoren mit geteiltem Brennraum (gute Gemischbildung,
weicher Gang, geringe Höchstdrücke). Darüber hinaus soll eine Erhöhung der Schnellläufigkeit
ermöglicht und insbesondere den Erfordernissen des Höhenflugs durch selbsttätige
Veränderung des Verdichtungsverhältnisses Rechnung ,getragen werden.
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Während sich die bisher bekanntgewordenen motorischen Arbeitsverfahren
mit einem
Hilfskolben darauf beschränken, durch- Freigabe eines
Teils des Brennraumes z. B. den Höchstdruck zu begrenzen oder die Diagrammgestaltung
zu beeinflussen, sieht der Erfindungsgegenstand die Anwendung eines frei beweglichen
Hilfskolbens m einem tatsächlichen Teilbrennraum vor.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Abb. t einen Motor gemäß der Erfindung im Schnitt, wobei sich der
Arbeitskolben .A im unteren Totpunkt des Arbeitszylinders Z befindet, Abb. z denselben
Motor zu dem Zeitpunkt, in dem sich der Arbeitskolben A im oberen Totpunkt des Arbeitszylinders
Z befindet.
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Der Verdichtungsraum der Brennkraftmaschine ist in an sich bekannter
Weise unterteilt und besteht aus dem mit dem Hubraum ummittelbar zusammenhängenden
Teil des Zylinderraumes a und einem durch einen Drosselquerschnitt b von diesem
Teilraum abgeschnürten Teilbrennraum e, der als Zylinder d ausgebildet ist und in
dem sich der Nebenkolben e befindet.
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Auf die eine Seite des Nebenkolbens wirken die in bzw. unmittelbar
hinter der Drosselstelle vorhandenen Drücke, auf die andere Seite- wirkt eine Federkraft.
Da sich der Nebenkolben in -Richtung seiner Achse längs einer Strecke frei bewegen"
kann, ist seine jeweilige Stellung durch die Größe der auf ihn wirkenden Kräfte
gegeben.- Als Feder kann grundsätzlich jede bekannte Ausführungsform verwendet werden.
Im Ausführungsbeispiel dient eine im allgemeinen während eines Arbeitsspieles konstante
Gasmenge/ als Feder.
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Der Nebenkolben- ist so ausgebildet, daß eine stoßfreie Umkehr der
Bewegungsrichtung des Nebenkolbens ermöglicht wird. Auf der die federnde Gasmenge
einschließenden Seite erhält der Nebenkolben in an sich bekannter Weise die gleiche
oder annähernd ,die gleiche Form der Oberfläche wie die ihm gegenüberliegende feste
Stirnwand. Auf der nach der Drosselstelle b gerichteten Seite kann der Nebenkolben
einen zentrischen zylindrischen Ansatz von bestimmter Länge besitzen, dessen Durchmesser
etwas kleiner als der der Drosselstelle bzw. der Zylinderlauffläche ist. Dadurch
wird kurz vor dem Ende der Bewegung des Nebenkolbens in Richtung auf die Drosselstelle
ein ringförmiger Raum gebildet, dessen Gasinhalt durch den engen Ringspalt zwischen
Nebenkolbenansatz und Nebenzylinderverengung nur verhältnismäßig langsam entweichen
kann, so daß ein Gaspolster entsteht, das die Bewegung des Nebenkolbens stoßfrei
bis zum Stillstand verzögert. Die gleiche Wirkung kann auch durch entsprechende
Ausbildung des Nebenkolbenschaftes und der N ebenzylinderwand erreicht werden. Durch
diese Maßnahmen werden Geräuschlosigkeit und Betriebssicherheit d°s Verfahrens gewährleistet.
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Da die eingeschlossene federnde Gasmenge durch Sperrflüssigkeit, die
zwischen Nebenkolben und Nebenzylinder geleitet wird, praktisch konstant gehalten
werden kann, können die für den Gasersatz vorzusehenden Hilfseinrichtupgen kleine
Abmessungen erhalten. Verwendet man als Sperrflüssigkeit Schmieröl, so wird damit
gleichzeitig die Schmierung des Nebenkolbens sichergestellt. H ist die Sperrölzuleitung,,
i die Leckölableitung (unter Druck) und h die Entlüftung, die im normalen Betrieb
geschlossen ist. L ist die Druckluftzuführung.
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Mit Hilfe des Ventils g wird die Zuführung des als Feder dienenden
Gases und die Veränderung der Federcharakteristik ermöglicht.
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Der Verlauf eines Arbeitsspieles wird etwa folgendermaßen vor sich
gehen:' Bei Beginn des Verdichtungshubes befindet sich der Nebenkolben e in der
aus Abb. i ersichtlichen Ruhestellung. Im Verlaufe des Verdichtungshubes steigt
der Druck im Arbeitszylinder Z immer mehr an und wird schließlich größer als die
eingestellte Vorspannung der Feder. Von diesem Zeitpunkt an wird der Nebenkolben
unter der Wirkung dieses Druckanstiegs im ZylinderZ und damit in bzw. hinter der
Drosselstelle entgegen der Federkraft aus seiner bisherigen Stellungverdrängt. Damit
beginnt sich die Luftladung aus dem Arbeitszylinder in den Nebenzylinder d umzufüllen.
Zweckmäßigerweise wird die Vorspannung der Feder/ so groß gewählt, daß diese Umfüllung
zeitlich etwas vor der Einspritzung des Kraftstoffes einsetzt. Der Kraftstoffstrahl
ist auf die Drosselstelle b gerichtet, so daß der Kraftstoff zusammen mit der sich
in rascher Bewegung befindlichen Frischluft durch die Drosselstelle b hindurchströmt
oder in oder unmittelbar hinter der Drosselstelle mit der in den Nebenzylinder einströmenden
Luft zusammengeführt wird. Dadurch wird eine vorzügliche Mischung von Kraftstoff
und Luft erreicht. Für die Verbrennung sind somit an sich schon gute Vorbedingungen
geschaffen, die indes noch besser sein werden, wenn das Ende der Umfüllung der Luftladung
zeitlich ungefähr mit dem Ende der Kraftstoffeinspritzung zusammenfällt. Durch diese
Maßnahmen gelingt es, den Kraftstoff gleichmäßiger als bei den bisher bekannten
Verfahren ohne Lufteinblasung auf die Luftladung zu verteilen und damit die Luftüberschußzahl
herabzusetzen. Außerdem können die auftretenden Drosselverluste
sehr
niedrig gehalten werden, weil die gesamte für die Umfüllung erforderliche Arbeit
tatsächlich der Zerstäubung des Kraftstoffes zugute kommt.
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Im Verlaufe des Expansionshubes fällt der Druck der Brenngase im Teilbrennraum
c, und die Federkraft kann den Nebenkolben e in die bei Beginn des Verdichtungshubes
eingenommene Ruhestellung zurückbewegen. Dadurch wird die in der Feder aufgespeicherte
Energie wieder an die Brenngase abgegeben. Infolge der rückläufigen Neb.enkolbenbewegung
findet eine nochmalige, verhältnismäßig frühzeitige, vollständige Durchwirbelung
der Brenngase statt, wodurch alle etwa noch vorhandenen Kraftstoffreste auch bei
kleiner Luftüberschußzahl verbrannt werden. Die Verbrennung wird somit früher als
z. B. bei Vorkammermaschinen beendet sein, so daß der Kraftstoffverbrauch gegenüber
diesem Verfahren verbessert wird.
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Eine wirksame Durchführung des Zweitaktverfahrens ist in gleicher
Weise wie bei den Motoren mit ungeteiltem Brennraum möglich, da das Abschalten des
Teilbrennraumes c noch vor dem Beginn der Spülperiode beendet ist.
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Für die Zerstäubung und Verbrennung des Kraftstoffes ergeben sich
somit alle Vorteile der Motoren mit geteiltem Brennraum, während die Spülung des
Zylinderraumes ebenso leicht durchgeführt werden kann wie bei den :Motoren mit ungeteiltem
Brennraum.
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Die Schnelläufigkeit läßt sich gegenüber bisherigen Arbeitsverfahren
steigern, weil einerseits der Kraftstoff sehr rasch und gut mit der Frischluft vermischt
wird und somit unter günstigen Bedingungen verbrennt, andererseits infolge der Eigenart
des Verfahrens dafür gesorgt ist, daß die frei gewordene Energie für genug aus dem
Teilbrennraum c herauskommt und an das Triebwerk abgegeben wird.
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Für den Höhenflug ist das Verfahren besonders geeignet, weil sich
bei ein und derselben Federeinstellung automatisch um so höhere Verdichtungsverhältnisse
ergeben, je kleiner der Druck bei Beginn des Verdichtungshubes ist. Durch den Erfindungsgegenstand
werden somit beim Höhenflug die absoluten Verdichtungsenddrücke automatisch höher
als bei den bisher bekannten Yotoren unter sonst gleichen äußeren Bedingungen, wodurch
die Zündverhältnisse wesentlich verbessert werden. Bei überlädung wird das Verdichtungsverhältnis
ebenfalls selbsttätig, d. h. ohne Veränderung der Federeinstellung, herabgesetzt,
so daß die Höchstdrücke im Motor auch bei hoher Überladung nur wenig gegenüber dem
Betrieb ohne Überladung gesteigert werden.
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Das Verdichtungsverhältnis kann im Bedarfsfall über die selbsttätige
Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand hinaus durch, Veränderung der Federeinstellung
in weiten Grenzen verändert werden. Diese Regelmöglichkeit ist deshalb von besonderer
Bedeutung, weil sie in einfacher Weise durch Fernsteuerung erfolgen kann; insbesondere
lassen sich für die Inbetriebnahme und den Leerlauf des Motors auf diese Weise jederzeit
günstige Verhältnisse schaffen.
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Das Ausführungsbeispiel sieht die Anwendung in einem Zweitaktmotor
vor; für den Viertaktbetrieb ist das Verfahren gleichfalls geeignet.