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Viertakt-Brennkraftmaschine Die Abhängigkeit des Ottomotors von der
Klopffestigkeit und die des Dieselmotors von der Zündwilligkeit des Kraftstoffes
einerseits und die mangelnde Brenngeschwindigkeit im Teillastbetrieb, und zwar beim
Ottomotor wegen der zu geringen Verdichtung und der zu starken Ver$chlechterung
des Gemisches durch den relativ großen Abgasrest und beim Dieselmotor wegen des
zu großen Luftüberschusses, haben ein ständiges Suchen nach einer Brennkraftmaschine,
die möglichst unabhängig von der Oktan- bzw. Cetanzahl des Kraftstoffes ist, zur
Folge gehabt. Ein gangbarer Weg in Richtung auf dieses Ziel ist mit dem Hesseltnannmotor
beschritten worden. Dieser krankt aber auch an dem Grundübel des Ottomotors, daß
infolge der Füllungsregelung die Verbrennung im unteren Teillastbetrieb wegen des
mangelnden Verdichtungsdruckes zu langsam vonstatten geht. ltan hat daher längst
erkannt, welchen Vorteil es bedeuten würde, wenn der Verdichtungsraum verstellbar,
d. h. der jeweiligen Füllung beim Ottomotor und der jeweiligen Einspritzmenge beim
Dieselmotor anpaßbar wäre. Ein guter Vorschlag, wie dies erreicht werden kann, ist
bereits bekanntgeworden. Er besteht darin, auf dem Kurbelzapfen einen seinerseits
als Lagerzapfen für das Pleuel dienenden Exzenter zu lagern, an dessen einer Stirnseite
ein über den Kurbelarm fassendes innenverzahntes Rad sitzt, das sich auf einem zentrisch
zur Kurbelwelle angeordnetem Stirnrad halber Zähnezahl abwälzt, wodurch dem Exzenter
Eigendrehung mit halber Kurbelwinkelgeschwindigkeit verliehen wird, so daß bei entsprechender
Grundeinstellung des Exzenters relativ zum Kurbelarm verkürzte Saug- und Verdichtungshübe
und verlängerte Ausdehnungs- und Ausschub hübe entstehen. Die exzentrisch zum Kurbelzapfen
wirkenden
Kolbendrücke werden hierbei von einer mit dem zentralen Stirnrad verbundenen Feder
aufgenommen, die so vorgespannt ist, daß sie dem Mittelwert dieser Kolbendruckkomponenten
das Gleichgewicht hält. Ändert sich der mittlere Kolbendruck, wird er beispielsweise
durch Verminderung der Zylinderfüllung bzw. durch Verringerung der Einspritzmenge
kleiner, so gibt die Feder nach und verstellt den Exzenter rückdrehend so, daß ein
kleinerer Verdichtungsraum und gleichzeitig ein größerer Abgasrestraum entsteht
und umgekehrt. Nachteilig ist, daß hierbei ein kräftiger Flüssigkeitsstoßdämpfer
erforderlich ist, um die dauernd wechselnden und ihr Vorzeichen ändernden Drücke
in ihrer Wirkung auf den Exzenter zu nivellieren. Dieser Stoßdämpfer verbraucht
einerseits Kraft und verhindert andererseits bei plötzlicher Veränderung des mittleren
Kolbendruckes eine ebenso plötzliche Veränderung des Verdichtungsverhältnisses,
was ein störendes Nachhinken zur Folge hat. Bei obigem Vorschlag hat ferner der
an sich naheliegende Gedanke eine wesentliche Rolle gespielt, die Verstellbarkeit
des Verdichtungsverhältnisses für einen starken Überladebetrieb nutzbar zu machen.
Es hat sich jedoch erwiesen, daß bei überladebetrieb die sonst gegebene Hochwertigkeit
der Maschine während der Überladung stark herabgemindert wird, daß also der durch
verstärkte Füllung erhoffte Leistungsgewinn größtenteils durch Abnahme des thermodynamischen
Wirkungsgrades wieder verlorengeht. Hier ist es nämlich nicht wie b°i der normalen
Maschine. Bei dieser ist ohne eine Verkleinerung des Verdichtungsgrades die Füllung
unter Druck nur deshalb möglich und vorteilhaft, weil hiermit der Abgasrest zum
größten Teil beseitigt werden kann, während dies bei der oben geschilderten Konstruktion
durch den Kolbenwährend des verlängerten Ausdehnungshubes ohnehin erfolgt, und deshalb
mit der Überladung eine Verminderung des Verdichtungsgrades verbunden sein muß.
Dieser Umstand bedingt außerdem ein: wesentliche Vergrößerung der Verstellmöglichkeit
für den Exzenter und damit, über den ganzen Füllungs- und Drehzahlbereich gesehen,
eine entsprechende Vergrößerung des mittleren Abgasrestes mit seinen schädlichen
Auswirkungen auf die Schnelligkeit und Güte der Verbrennung. Schließlich ist bei
dem oben beschriebenen Vorschlag damit gerechnet worden, daß für jeden Zylinder
ein Zahnradpaar zur Bewerkstelligung der Eigendrehung des Exzenters nötig, also
diese Komplizierung und starke Erhöhung der Anzahl der Verschleißteile nicht zu
vermeiden ist.
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Aufbauend auf die vorstehend erläuterte Art des auf dem Kurbelzapfen
rotierenden und als Lagerzapfen für das Pleuel dienenden Exzenters wurde ein elastischer
Kurbeltrieb erdacht und ist Hauptgegenstand vorliegender Erfindung, durch den der
nach dem Ottoprinzip gebaute Motor im Bereich der Vergaserkraftstoffe bis zum Motorenpetroleum,
der nach dem Dieselprinzip gebaute im Bereich aller Dieselkraftstoffe und der Vergaserkraftstoffe
mit nicht allzu hoher Oktanzahl und der nach dem Hesselmannprinzip gebaute vollkommen
kraftstoffunempfindlich wird und durch den diese Motoren thermodynamisch hochwertiger
werden, vornehmlich der nach dem Ottoprinzip gebaute. Die Neuheit beruht auf der
Behebung der obigem Vorschlag anhaftenden Mängel. An Stelle des sonst nötigen Stoßdämpfers
tritt ein so bemessenes und mit dem Exzenter verbundenes Schwunggewicht, daß dieses
und damit der Exzenter unter dem Einfluß sowohl der Spitzendrücke, hervorgerufen
durch die Verbrennung, als auch der Spitzendrücke, hervorgerufen durch die Massenkräfte
der hin und her gehenden Teile, sich in ihrer Eigenrotation beschleunigen bzw. verzögern
und auf diese Weise eine Vergrößerung des Verbrennungsraumes während der Verbrennung
und, bei hohen Drehzahlen, eine zusätzliche Erhöhung der Verdichtung und eine zusätzliche
Verkleinerung des Abgasrestes in praktisch günstigstem Ausmaß bewirken. Des weiteren
wird unter bewußtem Verzicht auf jedwede Ladung unter Druck der kleinstmögliche
mittlere Abgasrest sichergestellt. Schließlich wird die Aufgabe gelöst, mit einem
einzigen Zahnradpaar für sämtliche Zylinder beim Sternmotor und analog mit je einem
Zahnradpaar für je zwei Zylinder beim V-Motor auszukommen.
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In Fig. i bis 4 sind die Erfindungsgedanken soweit als erforderlich
zeichnerisch dargestellt.
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Fig. i ist ein Längsschnitt durch das Kurbelgehäuse eines Dreizylinder-Sternmotors,
Fig. z ein Querschnitt dazu nach Schnitt I-I der Fig. i, die Figurengruppe 3 zeigt
die für die einzelnen Zylinder voneinander abweichenden Pleuelköpfe, und Fig. 4
gibt die Hubveränderungen bei Verstellung des Exzenters wieder.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Während zweier Umdrehungen des Kurbelzapfens
macht das auf ihm sitzende Lager i eine einzige Umdrehung in gleichem Sinne. Diese
Eigendrehung kommt dadurch zustande, daß die eine der mit ihm fest verbundenen Schwungscheiben
z an ihrem äußeren Kranz mit Innenverzahnung versehen ist, die sich auf dem Stirnrad
3 abwälzt, das halbe Zähnezahl aufweist und auf der Kurbelwellenachse sitzt. Zwischen
den beiden Schwungscheiben sitzen, ebenfalls mit dem Lager i fest verbunden, verschiedene
um 1200 gegeneinander versetzte Exzenterscheiben 4, von denen die mittlere doppelt
so dick ist wie die beiden rechts und links von ihr sitzenden. Auf den Exzenterscheiben
sind die Pleuelköpfe 5 gelagert, von denen der auf der dickeren Exzenterscheibe
sitzende aus einem Stück besteht, während diejenigen für die beiden anderen Zylinder
jeweils gleich weit von der Pleuelmitte entfernt sitzen und damit einen gegabelten
Pleuelkopf bilden, wie dies die Figurengruppe 3 zeigt. Die Verbindung der einzelnen
Pleuelköpfe mit den Pleuelstangen 6 erfolgt durch Verschraubung keilförmiger Vorsprünge
am Pleuelkopf in entsprechenden konischen Aussparungen im unteren Steg der Pleuelstange.
Das etwas geringere Gewicht des einteiligen Pleuelkopfes gegenüber den gegabelten
kann durch längere Befestigungsschraube
und mit beiderseitigen
Unterlagen 7 ausgeglichen werden. Man kann natürlich auch irgendeinen anderen Gewichtsausgleich
schaffen oder dieses Pleuel aus einem Stück mit richtigem Gewicht herstellen oder
zwei nebeneinanderliegende halbe Pleuelköpfe wie die übrigen verwenden. Wenn die
Pleuellager dem Beschauer vielleicht reichlich schmal erscheinen, so sei darauf
hingewiesen, daß ihr tragender Durchmesser etwa doppelt so groß ist wie der eines
normalen Pleuellagers, ohne daß deshalb die Gleitgeschwindigkeit anomal groß wird,
denn die Relativbewegung zwischen Exzenter und Pleuelkopf erfolgt mit nur halber
Kurbelwinkelgeschwindigkeit. Es besteht auch keinerlei Kippgefahr, da sich die einzelnen
Pleuelköpfe gegenseitig führen. Bei der Rotation der Kurbelwelle bewegen sich die
Mittelpunkte der Exzenterscheiben nicht kreisförmig um die Kurbelwellenachse, sondern
auf einer Doppelschleife, die zwei längere und zwei kürzere Hübe hervorbringt. Diese
Bewegungs-bzw. kinematischen Vorgänge werden am Schlusse der allgemeinen Beschreibung
an Hand der Fig. d. eingehend erläutert. Die Kolbendrücke versuchen, die Exzenter
in Drehrichtung der Kurbelwelle und damit das Zahnrad 3 in gleicher Richtung zu
verdrehen. Diese Verstellkraft wirkt sich mittels des ebenfalls in das Zahnrad eingreifenden
Zahnsegmentes 8 und des Hebels 9 auf die Feder io aus, deren anderes Ende an dem
Hebel i i aufgehängt ist, auf dessen Achse der Handverstellhebel1a sitzt, der durch
eine Sperrklinke in der gewünschten Stellung festgehalten wird. Bei den wechselnden
Kolbendrücken werden natürlich in diesem Mechanismus starke Pendelbewegungen auftreten,
wenn keine Dämpfung vorgesehen ist. Diese Dämpfung erfolgt durch die mit den Exzentern
verbundenen Schwunggewichte, deren Größe so bemessen wird, daß die Schwingungen
nicht vollständig, sondern auf das betrieblich vorteilhafteste Maß beseitigt werden;
denn eine gewisse Pendelung ist insofern außerordentlich vorteilhaft, als durch
sie eine Verminderung des Spitzendruckes während der Verbrennung herbeigeführt wird.
Dadurch wird nicht nur der Druck auf die Lager, sondern auch die Klopfneigung bei
Vergaserbetrieb vermindert. Werden nämlich unter dem Verbrennungsdruck die Schwungmassen
und damit die Exzenter im Drehsinne beschleunigt, so ist damit eine Vergrößerung
des Verbrennungsraumes verbunden, so daß die Klopfgrenze erst bei einem höheren
Verdichtungsverhältnis erreicht wird. Die dadurch in den Schwunggewichten und in
der Feder aufgespeicherte Energie wird während des Ausdehnungshubes wieder als positives
Drehmoment an die Kurbelwelle abgegeben. Die Schwunggewichte wirken sich demnach
sozusagen als mechanische Klopfbremse bei Vergaserbetrieb und im übrigen als Schutz
gegen zu hohe Lagerdrücke aus. Was die Spitzendrücke, herrührend von den Massenkräften
der hin und her gehenden Teile betrifft, so können sich diese nur in den oberen
Totpunktlagen und nur bei hohen Drehzahlen in nennenswertem Ausmaß verstellend auf
die Exzenter auswirken, und zwar verursachen. diese Kräfte eine zusätzliche Erhöhung
der Verdichtung einerseits und eine zusätzliche Verkleinerung des Abgasrestes andererseits.
Beides ist für den hochtourigen Betrieb vorteilhaft. In den unteren Totpunktlagen
können diese Massenkräfte, wenn überhaupt, so nur geringfügig, und zwar hubverlängernd
wirken, da hier die Exzentrizität mit der Zylinderachse zusammenfällt oder mit dieser
einen verhältnismäßig kleinen spitzen Winkel bildet. Die mittlere Lage der sich
in ihrer Eigenrotation stets etwas beschleunigenden und verzögernden Exzenter relativ
zur jeweiligen Lage des Kurbelarmes bleibt aber nur unverändert, wenn sich die Füllung
der Zylinder bzw. die Einspritzmenge nicht verändert. Nimmt nun aber beispielsweise
die Füllung bzw. die Einspritzmenge ab, so wird der mittlere Kolbendruck kleiner,
was zur Folge hat, daß sich die Feder io unter Mitnahme des Hebels 9 so weit zusammenzieht,
bis wieder Gleichgewicht herrscht. Hierbei werden die Exzenter im Sinne eines kleineren
Verdichtungsraumes nach rückwärts verstellt und umgekehrt. Die Feder kann leicht
so abgestimmt werden, daß bei jeder Stellung der Füllungsdrossel oder bei konstanter
Stellung der Füllungsdrossel und sich ändernder Drehzahl bzw. bei sich ändernder
Einspritzmenge, sei es von Hand oder Fuß, sei es automatisch unter dem Einfluß des
mit wachsender Drehzahl ansteigenden Unterdruckes in der Saugleitung oder unter
unmittelbarem Einfluß der Drehzahl, die Verdichtung von selbst so hoch einstellt,
wie es bei Vergaserbetrieb die Oktanzahl des Kraftstoffes zuläßt bzw. wie es bei
Dieselbetrieb nötig ist, um den Zündverzug so zu begrenzen, daß kein Nageln oder
Hämmern, wie man das Klopfen des Dieselmotors nennt, eintritt. Steht dann ein Kraftstoff
anderer Oktan- bzw. Cetanzahl zur Verfügung, so kann man mit dem Handverstellhebel
12 die Feder mehr spannen oder entlasten und damit die Kurve oder Schaulinie des
Verdichtungsverhältnisses höher oder tiefer, also so legen, daß bei jedem Vergaser-
bzw. Dieselkraftstoff im ganzen Drehzahl- und Belastungsbereich das Optimum an thermodynamischem
Wirkungsgrad erzielt wird. Hebel 9 zeigt auf einer Skala 13 an, welcher Verdichtungsgrad
beim jeweiligen Betriebszustand der Maschine herrscht, und Hebel i i zeigt auf die
Skala 1q.. Auf dieser sind die in Frage kommenden Kraftstoffe vermerkt, so daß durch
Betätigung des Handhebels 12 die Einstellung der Feder auf den jeweils zur Verfügung
stehenden Kraftstoff ohne weitere Umstände erfolgen kann.
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Die Bewegungs- bzw. kinematischen Vorgänge zur Erzeugung verschieden
langer Kolbenhübe und zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses bei Verstellung
der Exzenter sind gemäß Fig. q. folgende: Auf dem Kurbelzapfen a sitzt ein Zahnrad
mit Teilkreisdurchmesser b, das sich bei Drehung der Kurbel auf dem zentral gelagerten
Zahnrad mit Teilkreis c abwälzt. Wenn sich der Exzentermittelpunkt d erst bei zwei
Kurbelumdrehungen einmal um die Achse des Kurbelzapfens drehen soll, darf c nur
halb so groß wie b sein und muß sich mit dem Kurbelkreis decken. Während zweier
Kurbel-
Umdrehungen beschreibt in diesem Falle die Exzentermitte
und damit die innere Pleuelachse die Kurbelschleife e. Wählt man nun die Exzenterstellung
relativ zum Kurbelarm so, daß sie im unteren Totpunkt mit der Kurbelstellung zusammenfällt,
so steht der Exzenter im oberen Totpunkt senkrecht zum Kurbelarm. Bei dieser Einstellung
A wird Saughub I gleich Verdichtungshub II und Ausdehnungshub III gleich Ausschubhub
IV. Verdreht man den Exzenter aus dieser Grundstell,unig A nach rechts oder denkt
man sich, was dasselbe ist, den Zylinder nach links in die Stellung B verdreht,
so wird der Saughub länger als der Verdichtungshub und der Ausschubhub länbeer als
der Ausdehnungshub, was für den normalen Volleistungsbetrieb die gewollten günstigen
Voraussetzungen schafft, nämlich im unteren Drehzahlbereich größten Saughub und
kleinsten Abgasrest. Verdreht man hingegen den Exzenter aus der Grundeinstellung
.-i nach links oder denkt man sich den Zylinder nach rechts in die Stellung C verdreht,
so wird der Saughub kürzer als der Verdichtungshub und der Ausschubhub kürzer als
der Ausdehnungshub, «-as für den Leerlauf und unteren Drosselbereich günstige Betriebsbedingungen,
wie erhöhte Verdichtungsspannung und Warmhaltung durch vergrößerten Abgasrest, gewährleistet.