Kolben-Verbrennnngskraftmaschine. Vorliegende Erfindung betrifft eine Kol- benverbrennungskraftmaschine, insbesondere Zweitaktmaschine. Die Erfindung kann bei Explosionsmotoren mit Mehrzylinderanord- nung, z. B. bei Sternmotoren, Verwendung finden.
Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass der Arbeitsraum zum Teil von der Kur belwelle begrenzt ist, so dass der Arbeits druck der Verbrennungsgase auf die Kurbel welle direkt einwirkt.
Auf der Zeichnung sind Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes und eine Variante dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Beispiel; Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Vertikal- se ,anitt nach der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 zeigt einen Vertikalsohnitt nach der Linie III-III der Fig. 2; Fig. 4 ist ein der Fig. 1 entsprechender Schnitt aber mit anderer Kolbenstellung;
Fig. 5 stellt einen Horizontalschnitt nach der Linie V-V der Fig. 2 dar; Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch ein an deres Beispiel; Fig. 7 zeigt einen in der Ebene ausge breiteten Schnitt nach einer kreisförmigen Linie durch die Explosionsräume von zwei nebeneinander liegenden Zylindern des Bei spiels nach Fg. 6 ;
Fig. '8 zeigt einen ähnlichen Schnitt wie Fig. 7 einer abgeänderten Konstruktion; Fig. 9 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine dritte Ausführungsform; Fig. 10 ist ein Schnitt nach der Linie X-X der Fig. 9; Fig. 11 ist ein Teilsehnitt nach der Li nie XI-XI der Fig. 9 ;
Fig. 12 zeigt eine Perspektivskizze der Regulierhülse dieses Beispiels in grösserem Massstab.
In den einen Zweitaktmotor darstellen den Fig. 1 bis 5 bedeuten 1 den Zylinder block, 2 die den Arbeitsraum bildende un tere Bohrung, 3 die obere Bohrung; letztere besitzt einen grösseren Durchmesser. 4 ist der Deckel, 5 ist der Differentialkolben, dessen verschiedene Durchmesser den Bohrungen 2, 3 angepasst sind. Der massive Kolben trägt den Bolzen 6, auf dem zwei Kolbenstangen 7 gelagert sind. Die freien Enden der Kol benstangen greifen an den Zapfen 8 der Kurbelwelle 9 an, die mit grossem Durch messer als Drehschieber ausgebildet und im Block 1l) gelagert ist. 11 sind Aussparungen für die Kolbenstangen 7 und Zapfen B.
Die Kurbelwelle 9 ist durch den Zapfen 13 ver längert, der aus dem Zylinderblock ragt und für die Kraftabnahme dient. 14 sind Aus pufföffnungen in der untern Zylinderboh rung, an die die Leitungen 14' angeschlos sen sind.
Zur als Vorkompressionsraum dienenden Bohrung 3 oberhalb des Kolbens 5 führt ein Einsaugrohr 15 mit Rückschlagventil 16 aus einem Vergaser. Der Raum 3 ist durch die Leitung 17 mit der Kurbelwelle 9 und da durch mit der Einlassausnehmung 18 in Verbindung. Auf der der Ausnehmung 18 gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle 9 ist ein zum Beispiel elektrisch geheizter Glübkopf <B>19</B> in einer entsprechenden Aus sparung vorgesehen. 20 sind Ausgleichge- wichte für die Kurbelwelle.
Die Bohrung 2 geht bis zur Welle 9. Tn der Wandung der Zylinderbohrung 3 sind Aussparungen 21 für den Bolzen 6 und für die berausstehenden Teile der Kolbenstangen vorgesehen.
Der beschriebene Motor arbeitet auf fol gende Weise: Fig. 4 zeigt den Kolben 5, unter welchem ein Brennstoffgemisch, z. B. Benzin und Luft komprimiert ist, in seiner untersten Lage. In diesem Augenblick findet. die Ex plosion statt, hervorgerufen durch den Zünd- kopf 19, der jetzt mit dem Arbeitsraum in Verbindung steht. Die Explosion treibt den Kolben 5 nach oben und belastet die Kurbelwelle nach unten durch die Öffnung 50, so dass dieselbe keinen besonderen Druck auf ihre Lager überträgt, da diese auf die Kurbelwelle wirkenden Kräfte durch die Zugbeanspruchung der Kurbelstangen ausge glichen werden.
Dadurch unterscheidet sich der beschriebene Motor von den übrigen bis- herigen Konstruktionen. Durch den nach oben drängenden Kolben wird die Brenn stoffmischung oberhalb des Kolbens kompri miert da das Ventil 16 geschlossen ist. Durch die Öffnung 50 wirkt der Arbeitsdruck der Verbrennungsgase direkt auf die Kurbel welle ein.
Die Auspuffperiode beginnt kurz vor der obersten Stellung des Kolbens durch Frei gabe der Öffnungen 14. Gleichzeitig strömt die oberhalb des Kolbens komprimierte 3l i- schung durch das Rohr 17 und die Ausneh- mung <B>18</B> der Kurbelwelle 9 von unten in die Bohrung 2. Diese hereinströmende Mischung treibt die Abgase der Explosionsreste in der selben Richtung weiter vor sich her, wo durch eine wirkungsvolle Spülung stattfin det. Sobald der Kolben wieder nach unten kommt, schliesst er zunächst die Öffnungen 14; durch die weitere Drehung der Kurbel welle 9 wird die Ausnehmung 18 auch ge schlossen.
Beim Heruntergleiten komprimiert der Kolben die in der untern Zylinderboh rung 2 sich befindliche, vorkomprimierte Mi schung und in der untersten Lage findet. die nächste Explosion statt, worauf der Arbeits gang sich in beschriebener Weise wiederholt. Der Brennstoff kann durch eine Düse oder andere Einspritzeinrichtung eingeführt wer den, die innerhalb der Kurbelwelle oder innerhalb einer mit der Kurbelwelle verbun denen Kammer angeordnet ist.
Dieser Motor weist bedeutende Vorteile auf, da die Kurbelwelle, bezw. deren Lager wesentlich entlastet ist. Die Kolbenstangen werden nur auf Zug beansprucht, im Gegen satz zu sämtlichen andern Motoren, wo die selben immer auf Knickfestigkeit berechnet und dementsprechend dimensioniert werden müssen. Der Explosionsraum ist im Block bei dessen stärkstem Querschnitt angeordnet, der Zylinderdeckel braucht nur auf einen mässigen Kompressionsdruck dimensioniert zu werden. Alle diese Umstände ermöglichen es, den Motor leicht und kompakt bauen zu können.
Der Kolbenbolzen 6 hat eine grosse Lager fläche und ist leicht zu sichern. Die Kolben- stangen sind durch den durch den Kolben ge führten Bolzen befestigt. Der Explosionsraum ist von einem einzigen Stück umgeben und benötigt deshalb keine Dichtungen; dadurch ergibt sich bessere Abdichtung und Betriebs sicherheit. Die Zeichnung zeigt zwar beson dere Ausgleichgewichte, die aber innerhalb des Schiebers verlegt werden können, wo durch andere Gegengewichte unnötig werden.
Es ergeben sich bei dem beschriebenen Motor noch mehrere Vorteile. So zum Beispiel wird die Spülung nur in einer Richtung, aber durch die ganze Länge der Bohrung durchgeführt. Den in die Zylinderbohrung einströmenden Gasen (Brennstoffmischung) kann man leicht eine Drehbewegung auf zwingen, wodurch eine wirkungsvolle Spü lung mit erhöhtem Effekt erreicht wird. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Mischung die durch die Ausnehmung 18 der rotierenden Kurbelwelle 9 in den Verbrennungsraum eintritt, durch entsprechende Formung dieser Ausnehmung 18 eine spiralförmige Strömung erhält (Fix. 5). Durch die verbesserte Spülung er reicht man eine Brennstoffersparnis und eine erhöhte Leistungsfähigkeit.
Durch die An wendung der Kompression in der Bohrung 3 die, wie sofort einzusehen ist, wesentlich mehr leisten kann wie die bekannten und oft angewendeten Kurbelgehäusekompressoren, gewinnt man wesentliche Vorteile. Der schäd liche Raum wird kleiner und die Spülung der Kurbelgehäuse fällt weg. Dadurch kann Druckschmierung angewendet werden, was bei Zweitaktmotoren vermieden wurde. Die Kapazität des dargestellten Kolbenkompres- sors kann einfach geregelt werden. Wenn es so gewünscht ist, kann dieser Kompressor ganz oder teilweise ausgeschaltet werden, in dem nur ein Teilvolumen komprimiert wird.
Die komprimierte Mischung kann auch wie eine Luftkissenfederung ausgenutzt werden. Die Kapazität des Raumes 3 kann grösser oder kleiner gewählt werden, als der Raum inhalt der Bohrung 2, der Arbeitsraum 2 kann günstig gestaltet und der Kolben mit flachem Boden versehen werden. Fig. 6 und 7 zeigen einen fünfzylindrigen Explosionssternmotor. Die fünf Kolben sind mit ihren Kolbenstangen 7 mit einem ge meinsamen Zapfen der Kurbelwelle 9 in Ver bindung.
Jede Rohrleitung 17 ist so geführt, dass sie den zugehörigen Vorkompressions- raum 3 eines Zylinders mit dem Arbeits raum 2 des in der Drehrichtung gesehen un mittelbar hinter diesem Zylinder angeordne ten Zylinder über die Ausnehmung 18 ver bindet. Ausser der Ausnehmung 18 auf der Kurbelwelle kann eine andere, geeignete Öff nung in der Kurbelwelle vorgesehen sein. Dieser -Motor hat eine ähnliche Arbeitsweise wie der in Fig. 1 bis 5 dargestellte Motor. Dadurch, dass jeder Arbeitsraum mit dem in der Drehrichtung am nächsten liegenden Vorkompressionsraum verbunden ist, ergeben sich noch verschiedene Vorteile, die wesent lich sind.
In dem Augenblick, wo ein Kolben 5 seinen obern Totpunkt erreicht hat, ist die Kompression oberhalb dieses Kolbens vollen det, der Kolben 5 hat die Öffnung 14 an die Leitung 14' angeschlossen, ist aber noch nicht geschlossen. Es ist erwünscht, dass die Spülung anfangs mit kleinerem Druck vor sich geht und der Druck so lange erhöht wird, bis die Öffnungen 14 geschlossen werden.
Dieser Wunsch ist mit dieser Anordnung leicht zu erfüllen, da der Kompressionsdruck von einem andern Zylinder herstammt, des sen Arbeitstakt eine Phasenverschiebung auf- weist. Die Verbindung zu einem Arbeitsraum \_' wird durch die Ausnehmung 18 von einem Vorkompressionsraum 3 hergestellt, in wel chem der Vorkompressionsdruck eben den er wünschten, verhältnismässig niedrigen Wert erreicht hat,
und die Verbindung mit diesem Vorkompressionsraum wird dann während der weiteren Vorkompression bis zum Höchst wert offen gehalten und wird erst unter brochen, wenn die Auspufföffnungen 14 ge schlossen werden. Dabei hat der Kolben im gleichen Zeitpunkt im Raum 3 eine andere Stellung als der Kolben im Raum 2, der mit diesem Raum 3 verbunden ist. Dadurch hat man die Möglichkeit, die Vorkompression in jedem Augenblick auf dem gewünschten Mass zu halten.
Nachdem die Kompression in dem einen Arbeitsraum 2 stattgefunden und da mit der Kolben seinen innern Totpunkt er reicht hat, öffnet sich durch die Aussparung 22 eine Verbindung zu dem in der Drehrich tung gesehen, vorne liegenden Arbeitsraum 2, wo die Verbrennung eben vor sich geht. Da durch verbreitet sich die Verbrennung in den jetzt auf eine Zündung wartenden Zylinder. Durch die Rotation verbreitet sich die Explo sion ringsherum in dein beschriebenen Stern motor und eine Art kontinuierliche, pulsie rende Verbrennung verleiht diesem Motor eine Charakteristik, die einer pulsierenden Explosionsturbine entspricht.
Nachdem man also durch irgendeine Zündung die erste Ex plosion hervorgerufen hat, braucht man ei gentlich die künstliche Zündung nicht mehr aufrecht zu erhalten. Sicherheitshalber kann man diesen einen Zylinder doch mit Dauer zündung versehen, die immer im richtigen Augenblick zündet. Die Kurbelwelle könnte sowohl das Ansaugen wie das Auspuffen steuern und sie könnte mit einem Zündorgan versehen sein. In jedes Rohr 17 kann ein Rückschlagventil eingebaut werden, jedoch ist dies in der Regel nicht notwendig. Ein einziger Vergaser kann sämtliche Zylinder speisen und direkt mit den Rohren 17 in Verbindung stehen, wodurch die Verbindung 15 wegfällt.
Das Ansaugen geschieht eben falls durch die Rohre 17 zu den Vorkompres- sionsräumen. so dass also die Kurbelwelle das Ansaugen zu den Vorkompressionsräumen steuert.
In der Variante nach Fig. 8 ist das Rohr 17 der Schieberöffnung als Kanal ausge bildet, der seitlich der Zylinder 2 ausläuft, nicht etwa zwischen diesen. Da der Kanal 17 unbehindert an verschiedenen Stellen seiner Längsrichtung im Verhältnis zu dem Ar beitsraum ? verlegt erden kann. dem durch diesen Kanal Brennstoff-Luftgemisch zuge führt werden soll, ist es leicht einzusehen, dass die richtige Einstellung in bezug auf die Einsaugregulierung willkürlich auf das gün stigste gewählt werden kann.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 bis 12 ist das Rohr 17 vom Vorkompressionsraum 3 zu einem Zapfen 9a der Kurbelwelle geführt. Dieser Zapfen ist in einem Gehäuse 30 ge lagert, in welches das Rohr 17 einmündet. Luft wird von aussen durch die Aussparung 31 eingesogen. Diese Aussparung steht. stän dig in Verbindung mit dem Kanal 15a, des sen anderes Ende am Zapfenumfang ausmün det. Die Kurbelwelle, die mit der Zapfenöff nung durch die Bohrung 32 verbunden ist, weist eine zentrale Kammer 34 auf, von der die Öffnung 18 in den Zylinder führt.
Die beiden Öffnungen in den Kanälen 15r und 32 sind so gestaltet, daB ihre Mündungen auf dem Zapfen einander gegenüberliegen: wenn der Zapfen rotiert, werden diese Mündungen wechselweise mit der Rohrmündung 17' ver bunden. Der Zapfen 9a ist ausserdem in zwei drehbar angeordneten Hülsenteilen 35, 36 (Fig. 12) gelagert; diese Hülsenteile sind je mit einem Arm 3 7 respektive 38 verbunden. damit sie von aussen verstellbar sind. Sie können in verschiedener Lage festgehalten werden.
Der Hülsenteil 35 ist durch eine als Füh rung dienende Zunge 40 in die Aussparung 41. des Hülsenteils 36 einschiebbar. Damit ist die Möglichkeit gegeben, diese Aussparung zu vergrössern oder zu verkleinern. Durch die Verstellung der Arme 37, 38 kann man so wohl die Grösse wie auch die relative Lage der Öffnung 41 regulieren; die zwischen der Rohrmündung 17' und den Mündungen der Kanäle läa und 32 entsteht. Durch die Ver stellung der Hülsenteile 35, 36 lässt sich aber nicht nur die Offnungszeitdauer während einer Umdrehung einstellen, sondern auch der Öffnungszeitpunkt im Verhältnis zur Zündung, wodurch für jede Tourenzahl die wirtschaftlichste Einstellung ermöglicht wird.
In die Öffnung zwischen Bohrung 2 und Kurbelwelle 9 ist. ein Dichtungsring 42 ein gelegt, der vorzugsweise aus Stahl besteht. Dieser Ring ist aufgeschlitzt und dessen un tere Seite nach der Wölbung der Kurbel welle ausgeschliffen (Fig. 9 und 10). Teil weise liegt dieser Ring nach oben frei, so dass der Explosionsdruck, der auch direkt auf die Kurbelwelle einwirkt, ihn gegen die Kurbel welle drückt, wodurch eine gute Dichtung er halten wird. Gleichzeitig wird der Ring auch auseinandergedrückt (er kann auch vorge spannt eingesetzt werden), so dass er in seinem Sitz auch die Wände abdichtet.
Die übrigen Teile in den Fig. 9 bis 12 sind analog ausgeführt wie die entsprechenden Teile in den Fig. 1 bis 8 und haben dieselbe Bezeichnung (Numerierung).
Wie ein solcher Motor arbeitet, wurde oben geschildert. Wenn die Kurbelwelle ro tiert, wird die Lage des Kanals 15a eine solche, da.ss er durch die Öffnung 41 mit dem Rohr 17 verbunden ist; dadurch saugt der heruntergehende Kolben frische Luft in den Vorkompressionsraum 3 ein.
Nach weiterer Drehung der Welle, bei welcher der Kolben wieder aufwärts geht, wird das Rohr 17 mit dem Kanal 32 verbunden (durch Offnung 41) und die vorkomprimierte Luft (bezw. Brenn stoffmischung) tritt durch .Kanal 32 in die Kammer 34, wo sie durch die Ausnehmung 18 aufwärts strömt und das Spülen bewirkt. Nach beendigter Spülung werden die Schlitze 14 und die Ausnehmung 18 sowie der Kanal 32 geschlossen. Darauf erfolgt die Kompres sion und Zündung.
Bei der in den Fig. 9 bis 11 gezeichneten Ausführungsform kann man ein sehr genaues und doch in weiten Grenzen variables Ein saugen und Spülen erhalten. Der Auspuff wie das Ansaugen werden durch die Kurbel- welle gesteuert. Der Ring 42 sichert eine zu verlässige Abdichtung zwischen dem Ar beitsraum und der Kurbelwelle. Durch die Kammer 34 der Kurbelwelle 9 erhält man eine grössere Abkühlfläche für die Kurbel welle. Ausserdem ist es ebenfalls möglich, die Kühlung mit Wasser oder 01 durchzu führen.
Die Brennstoffzuführung geschieht wie oben beschrieben, also zum Beispiel mit tels eines in der Kurbelwelle angeordneten Mundstückes, das mit der Welle rotieren kann. Selbstverständlich kann die Benzinzu fuhr durch einen Vergaser durch die Öff nung 31 vorgenommen werden. Durch ent sprechende Gestaltung der Öffnung 41 kann eine Regulierung des Ansauganfanges und/oder Ansaugendmomentes vorgenommen werden. Die Kanten der Öffnung kann man schrägstellen (Fig. 12) oder abrunden. Die Regulierhülse 35, 36 könnte auch anders ge staltet werden und man kann auch nur mit einer einteiligen Hülse auskommen. Diese Hülse kann direkt auf dem Zapfen der eigentlichen Kurbelwelle angebracht werden.
Selbstverständlich sind noch andere Aus führungsvarianten im Rahmen dieser Erfin dung möglich. Jedes gewünschte Verhältnis zwischen Hub und Bohrung ist möglich. Die Zündung kann wie gewöhnlich, also entweder mittels Zündkerzen oder mit Zündkopf er reicht werden und der Motor kann auch wie ein Dieselmotor arbeiten.
Kühlung ist mit Luft, Wasser oder 01 möglich oder auch durch die Kombination dieser Elemente. An Stelle eines Vergasers kann man auch im Einsaugrohr 17 oder in der Kurbelwelle 9 ein Mundstuck anbringen. Bei einer Dieselanordnung kann man eine Einspritzdüse anwenden, die mit der Kurbel welle rotiert und die durch kontinuierlichen Druck arbeitet.
Der Motor kann mit beliebiger Anzahl Zylinder gebaut werden, die in Sternanord nung oder nacheinander in einer oder mehre ren Reihen (Ebenen) angeordnet sind. Zwei dreizylindrige Sternmotorblöcke können seit lich zueinander mit den Kurbelzapfen um 180 zueinander verschoben angeordnet wer den; dadurch ist eine vollkommene Auswuch tung der beweglichen Teile erreichbar. Das selbe Prinzip kann auch bei einer grösseren Zylinderanzahlbauart in Betracht kommen.
Den Motor kann man auch nur mit einer einzigen Kolbenstange pro Zylinder bauen; auch kann man einen besonderen Kompressor verwenden. Die Auspuffleitung kann man auch durch die Kurbelwelle 9 führen. Falls der Vorkompressionsraum kleiner gewählt werden muss als der -Arbeitsraum, kann man den Kolben nur mit einem einzigen Durch messer und oben mit einer Bohrung ver sehen; in diesem Falle wird der Motorblock deckel 4 mit einem feststehenden Kolben ver- sehen. Hierbei wäre es angebracht, Kanäle oder Aussparungen in den Kolbenstangen als Einlaufkanäle arbeiten zu lassen.
Das Ventil 16 kann wegbleiben, wobei die Ein lauföffnung nur durch die Ausnehmung der Kurbelwelle 9 reguliert wird.
Es muss bezüglich des letzten Beispiels bemerkt werden, dass der Kolben während des Kompressionshubes nachdem die Aus pufföffnungen geschlossen werden, aufwärts einen Zug auf die Kolbenstangen und Kur belwelle 9 ausübt, so dass der Druck in der Dichtungsfläche zwischen dieser und dem Ring 42 grösser wird als der Kompressions druck. Durch entsprechende Dimensionierung der Kolbenfläche und der freien Kurbelwel- lenoberfläche, die durch den Explosionsdruck angedrückt wird, wird eine günstige Ab dichtung erreicht; dies gilt nicht nur für die Kompressionsperiode, sondern auch während der Explosion.
Es soll nun auch hingewiesen werden, dass man in der Kammer 34 gleich zeitig eine Vorwärmung des Brennstoffes vornehmen kann. Der Rauminhalt der Kam mer 34 kann<B>30%</B> des Arbeitsraumes aus machen, oder auch noch mehr. Die Hülse 35, 36 kann durch einen Regulator automatisch nachgestellt werden, beispielsweise durch einen Zentrifugalregulator.