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Brennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine
mit einem nach dem Dieselverfahren arbeitenden Hochdruckzylinder, dessen Auspuffschlitze
mit dem Einlaß eines mit Einrichtungen zur weiteren Brennstoffzufuhr versehenen
Niederdruckzylinders verbunden sind.
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Gemäß der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine der vorgenannten Art
dadurch gekennzeichnet, daß sie nach Belieben entweder als übliche Verbundmaschine
mit verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad arbeitet, bei welcher die Verbrennung des
in den Hochdruckzylinder mittels eines Injektors eingespritzten Brennstoffes vollständig
in dem Hochdruckzylinder vor sich geht und die Auspuffgase dieses Hochdruckzylinders
ihre Entspannung in dem Niederdruckzylinder vollenden, oder zur Erzielung eines
größeren Drehmomentes auf Kosten des Wirkungsgrades in der Weise, daß eine Einspritzung
von Brennstoff mittels eines Injektors oder eine Zufuhr von mit Brennstoff vermischter
Luft in den N iederdruckzylinder erfolgt, um in diesem eine eigene Verbrennung zu
erzeugen.
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Es sind Verbundbrennkraftmaschinen bekannt, die zwei im Viertakt arbeitende,
aufgeladene Hochdruckzylinder und einen im Zweitakt arbeitenden Niederdruckzylinder
aufweisen, der abwechselnd die unvollständig verbrannten Gase aus jedem Hochdruckzylinder
aufnimmt, aus welchem sie in Form von Stichflammen während des Aufwärtshubes jedes
Hochdruckkolbens austreten, um in die Niederdruckkammer einzutreten und die darin
aufgespeicherte Luft zu erhitzen, die sich dann während des Abwärtshubes des Niederdruckkolbens
entspannt.
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Diese Maschine ist jedoch nicht derart ausgebildet, daß in dem Niederdruclczylinder
nach Belieben eine zusätzliche Verbrennung herbeigeführt werden kann, so daß es
sich bei der bekannten Maschine dem. Wesen nach nicht um eine Maschine mit veränderlichen
Arbeitskennlinien handelt.
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Bei der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung ist der @'iederdruckzylinder
mit zum Einspritzen von Brennstoff und zum Zünden dienenden Einrichtungen versehen,
welche, je nachdem, ob sie in Betrieb gesetzt werden oder nicht, nach Belieben entweder
einen Betrieb mit reiner Entspannung oder einen Betrieb mit Entspannungsverbrennung
ergeben. Eine solche Maschine eignet sich besonders gut für den Antrieb von erdgebundenen
Fahrzeugen und gestattet beispielsweise, beim Anfahren ein hohes Drehmoment bei
geringer Drehzahl und bei normaler Fahrt eine mittlere Leistung mit einem ausgezeichneten
Wirkungsgrad zu erzielen. Das Geschwindigkeitswechselgetriebe kann infolgedessen
reduziert werden.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß
der Erfindung kann die Druckseite eines den Hochdruckzylinder speisenden Luftverdichters
über eine mit einer Regelvorrichtung versehene Nebenleitung mit dem Einlaß des Niederdruckzylinders
verbunden sein.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt durch eine Ausführungsform einer
Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung; Fig. 2, 3 und 4 stellen jeweils die Arbeitskreisläufe
des Hochdruckzylinders, des N iederdruckzylinders und des mit dem letzteren verbundenen
Luftverdichters für eine Kurbelumdrehung im Betrieb mit hohem Wirkungsgrad dar;
Fig. 5 gibt den Verlauf der Drücke in Abhängigkeit von den Volumen in den Zylindern
im Betrieb mit hohem Wirkungsgrad wieder; Fig. 6, 7 und 8 sind Diagramme, die denjenigen
der Fig. 2, 3 und 4 entsprechen, aber für den Betrieb mit hohem Drehmoment gelten;
Fig. 9 zeigt den Verlauf der Drücke in den Zylindern im Betrieb mit hohem Drehmoment;
Fig. 10 gibt die Grenzkurven der Leistungen und des Drehmomentes in Abhängigkeit
von der Anzahl der Kreisläufe je Zeiteinheit wieder; Fig. 11 stellt eine Abänderung
der Verteilung der Arbeitstakte dar, wie sie für den Hochdruckzylinder verwendet
werden kann.
Bei der in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsform
ist angenommen., daß der Motor ein Zweitaktmotor ist, in welchen am Ende des Kompressionshubes
Brennstoff am Kopf der Zylinder eingespritzt wird. Die Erfindung ist jedoch ebenfalls
auf Motoren anderer Art, wie z. B. Viertaktmotoren, Motoren mit Vergaser. Motoren
mit elektrischer Zündung usw., anwendbar.
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Ein Hochdruckzylinder 1. ist an seinem unteren Ende mit einer Reihe
von Einlaßschlitzen 2 und einer Reihe von Auspuffschlitzen 3 versehen, die von dem
Kolben 4 freigelegt werden, wenn er am Ende seines Abwärtshubes den unteren Totpunkt
erreicht. Der Zylinder 1 trägt an seinem Kopf eine Vorrichtung
5 zum Einspritzen von Brennstoff. Die Auspuffschlitze 3 sind durch die Leitung
3a mit einem Sammelraum 6 verbunden, der seinerseits mit einem Einlaßventil 8 eines
1\Tiederdruckzylinders 7 in Verbindung steht. Der Kopf dieses Zylinders 7 weist
außerdem ein Auspuffventil 9 -
für die Gase, welche in diesem Zylinder gearbeitet
haben, und eine Vorrichtung 10 zum Einspritzen von Brennstoff auf. Der Kolben 11
des Zylinders 7 kann mit der gleichen Welle wie der Kolben 4 des Zylinders 1 verbunden
sein. Zwischen den Kurbeln, mit welchen die Kurbelstangen. der beiden Kolben verbunden
sind, kann eine derartige Verbindung vorhanden sein, daß der Kolben 4 sich am unteren
Totpunkt befindet, wenn sich der Kolben 11 an seinem oberen Totpunkt befindet, wie
dies in Fig. 1 wiedergegeben ist, und umgekehrt.
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Der Kolben 11 hat eine doppelte Wirkung. Er arbeitet mit seiner oberen
Fläche, welche die Kraft der durch das Ventil 8 eintretenden Gase aufnimmt, als
Antriebsteil. Mit seiner unteren Fläche bildet er einen Luftverdichter. Zu diesem
Zweck ist der der Einspritzvorrichtung 10 gegenüberliegende Boden des Zylinders
7 geschlossen und weist zwei Ventile 12 und 13 auf, wobei das eine Ventil 12 zum
Zulassen der über eine Leitung 14 mit Drosselklappe 14a aus der Atmosphäre entnommenen
Luft dient, während das andere Ventil 13 dazu dient, die verdichtete Luft
in einen Sammelraum 15 zu fördern, mit welchem die Einlaßschlitze 2 des Hochdruckzylinders
1 über eine Leitung 2a in Verbindung stehen. Eine Nebenleitung 16 verbindet den
Sammelraum 15 für die komprimierte Luft mit dem Sammelraum 6 für die Auspuffgase,
und diese Nebenleitung 16 ist mit einer Drosselklappe 17 versehen, die entweder
geschlossen werden kann, so daß die gesamte vom Verdichter geförderte Luft den Hochdruckzylinder
1 speist, oder die mehr oder weniger geöffnet werden kann, um einen mehr oder weniger
großen Anteil der Luft des Verdichters unmittelbar in den Niederdruckzylinder 7
strömen zu lassen. Beim Arbeiten mit hohem Wirkungsgrad ist diese Drosselklappe
17 geschlossen.
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Der Kolben 11 des Niederdruckzylinders 7 saugt (vgl. Fig. 4 und a)
auf seinem Aufwärtshub durch das Ventil 12 Frischluft mit Atmosphärendruck p" an.
Der Kolben verdichtet dann diese Luft auf dem am Punkt o beginnenden ersten Teil
seines Abwärtshubes. Das Ventil 13 öffnet sich im Punkt a., und während der Kolben
11 seinen Abwärtshub beendet, fördert er die Luft unter dem Druck p, in den Sammelraum
15, der ein in zweckentsprechenderweise bestimmtes Volumen besitzt.
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Zn diesem Augenblick befindet sich der Kolben 4 des Hochdruckzylinders
1 in seinem oberen Totpunkt, in dessen Nähe das Einspritzen des Brennstoffes durch
den Injektor 5 erfolgt, und die Verbrennung findet statt. Wenn der Kolben 4 das
untere Ende seines Abwärtshubes erreicht, legt er zunächst die Auspuffschlitze 3
frei, so daß der Gasausstoß in den Sammelraum 6 gelangt. Danach legt der Kolben
die Einlaßschlitze 2 frei. Die in dem Sammelraum 15 unter dem Druck p4 aufgespeicherte
Luft tritt in den Hochdruckzylinder 1 und spült diesen Zylinder, wobei der Spülvorgang
bei einem Druck pä vor sich geht, der infolge des Strömungswiderstandes in den.
Schlitzen 2 etwas niedriger als der Druck p" ist.
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Auf seinem Aufwärtshub komprimiert dann der Kolben 4 des Hochdruckzylinders
1 die Frischluft, mit der er beschickt worden ist, von dem Druck pä auf den
Druck pb. In diesem Augenblick wird durch die Einspritzung von Brennstoff .durch
die Vorrichtung 5 und durch die nachfolgende Verbrennung bewirkt, daß der Druck
von Pb auf p, ansteigt. Der Kolben 4 sinkt herab, und die Entspannung geht in dem
Hochdruckzylinder 1 von dem Druck p, auf den Druck pd vor sich, wobei dieser Wert
in dem Augenblick erreicht wird, in welchem der Kolben 4 die Auspuffschlitze 3 freilegt.
Die Gase strömen in .den Sammelraum 6, wobei der Druck auf einen Wert p, fällt,
der kleiner als der Druck p, ist.
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Sobald der Kolben 4 die Einlaßschlitze 2 freilegt, erfolgt die Spülung
des Zylinders in der oben angegebenen Weise. Der Kolben 11 des Niederdruckzylinders
7 befindet sich in diesem Augenblick an seinem oberen Totpunkt und beginnt seinen.
Abwärtshub. Das Ventil 8 öffnet sich, um das Gemisch aus Auspuffgasen und Spülluft
unter dem Druck p, in den Antriebsteil des Niederdruckzylinders 7 einzulassen. Der
Kolben 11 saugt, wenn er seinen Abwärtshub beginnt, dieses Gemisch aus Gas und Luft
durch das Ventil 8 an. Das Gemisch füllt den Zylinder. 7 unter dem Druck p,", der
infolge des Strömungswiderstandes etwas niedriger als der Druck p, ist. Nach einer
gewissen Strecke des Abwärtshubes des Kolbens 11 schließt sich das Ventil 8, und
die Entspannung der Gase erfolgt in dem Zylinder 7 von dem Druck pä auf den Druck
pf. Am unteren Totpunkt des Kolbens 11 wird das Ventil 9 für den Auspuff der Gase
in die Atmosphäre geöffnet, und die in dem Antriebsteil des Zylinders 7 verbliebenen
Gase werden während des Aufwärtshubes des Kolbens herausgedrückt.
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In diesem Arbeitskreislauf kann der Gesamtwirkungsgrad außerordentlich
hohe Werte auf Grund des Umstandes erreichen, daß die Energie der Gase im Hochdruckzylinder
und Niederdruckzylinder, die in Reihe arbeiten, bis auf eitlen Druck pf ausgenutzt
wird, der etwas höher als der Atmosphärendruck sein kann.
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Wenn nunmehr auf den Betrieb mit erhöhtem Drehmoment auf Kosten des
Wirkungsgrades übergegangen werden soll, wird das Einspritzen von Brennstoff in
den Zylinder 1 in mehr oder weniger starkem Maße herabgesetzt, wobei man jedoch
oberhalb des Grenzwertes bleibt, der den schließlich in den Niederdruckzylinder
7 eingelassenen Gasen eine Temperatur erteilen würde, die für dis Wiederzündung
in diesem Zylinder ungenügend sein würde.
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Gleichzeitig wird das Volumen an Frischluft, die durch die untere
Fläche des Kolbens 11 verdichtet wird, erhöht, was dadurch erfolgen kann, daß die
Drosselklappe 1.4a in der Frischluftleitung 14 stärker geöffnet wird. Auf diese
Weise wird die Sauerstoffkonzentration der in den Antriebsteil des Niederdruckzylinders
7 eingelassenen Gase erhöht, so daß sie in der Nähe derjenigen der reinen Luft liegt.
Überdies kann, indem die Drosselklappe 17 in der Nebenleitung 16 geöffnet wird,
ein Teil der Frischluft unter
dem Druck des Sammelraumes 15 unmittelbar
in den Antriebsteil des Zylinders 7 eingelassen werden, was auf Grund des Umstandes
möglich ist, daß der Druck p, der Gase im Sammelraum 6 geringer ist als der Druck
p" der Luft im Sammelraum 15.
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Dadurch, daß der Injektor 10 des Zylinders 7 derart in Wirkung gebracht
wird, daß in diesen Zylinder am Ende jeder Phase des Einlasses in diesen Zylinder
Brennstoff eingespritzt wird (Fig. 7), werden in dem Niederdruckzylinder 7 Verbrennungen
erzeugt, die eine merkliche Druckerhöhung der Gase gewährleisten, die durch das
Ventil 8 eingelassen sind und auf die obere Fläche des Kolbens 11 einwirken. Auf
diese Weise wird in dem Zylinder 7 ein wahrer Verbrennungskreislauf erhalten, der
jedoch bei niedrigem Druck vor sich geht und dessen Aufgabe darin besteht, die Leistung
und das Drehmoment, insbesondere bei geringen Drehzahlen und für Perioden von begrenzter
Dauer zu erhöhen. Der vollständige Kreislauf der Maschine ist in diesem Fall derjenige,
wie er in Fig. 9 wiedergegeben ist. Es sei bemerkt, daß der Zylinder 7, der dazu
bestimmt ist, die endgültige Entspannung der aus dem Hochdruckzylinder austretenden
Gase im Betrieb mit hohem Wirkungsgrad herbeizuführen, eine wesentlich größere,
z. B. ein eine zweimal größere Bohrung als der Hochdruckzylinder 1 und einen Hub
hat, der in der gleichen Größenordnung wie der des Kolbens 4 liegen kann, so daß
sein Volumen viermal größer als dasjenige des Hochdruckzylinders sein kann. Ein
in dem Zylinder 7 bewirkter Verbrennungskreislauf gestattet somit, auf den Kolben
1i eine beträchtliche Kraft auszuüben.
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Die Regelung der Verteilung oder Steuerung des Zylinders 7 (Antriebsteil
und Förderteil) kann die gleiche bleiben wie im Fall des Betriebes mit hohem Wirkungsgrad.
Sie kann aber auch geändert werden, wie es in Fig. 7 und 8 wiedergegeben ist. Gemäß
diesen Figuren findet das Schließen des Ventils 8 des \Tiederdruckzylinders (Punkt
e) etwas früher statt, so daß ein größerer Entspannungsweg erhalten wird. Das Schließen
des Ventils 12 erfolgt ebenfalls früher, so daß die Zeit des Verdichtens der Luft
durch den Kolben 11 auf dessen Abwärtshub früher beginnt und damit eine größere
Luftmenge erhalten wird. Man kann auch bei dieser Regelung eine Verzögerung im Öffnen
des Auslaßventils 13 derart hinzufügen, daß die Dauer der Förderung der durch die
untere Fläche des Kolbens 11 verdichteten Luft herabgesetzt wird.
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Die Änderung der Regelung der Steuerung des Niederdruckzylinders 7
kann dadurch bewirkt werden, daß zum Steuern der Ventile dieses Zylinders eine Vorrichtung
mit regelbarer Druckwirkung, wie z. B. eine hydraulische Vorrichtung, verwendet
wird. Vorrichtungen dieser Art sind bekannt, so daß es sich erübrigt, sie im einzelnen
zu beschreiben. Es ist ferner möglich, die Ventile des Niederdruckzylinders durch
bewegliche Mäntel zu ersetzen, -die mit Schlitzen versehen sind, welche die Schlitze
des Zylinders regeln, und es sind Mittel bekannt, welche diese Mäntel zu verschieben
gestatten, um die Takte der Steuerung zu ändern.
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Dadurch, daß die in den Hochdruk- und Niederdruckzylinder einzuspritzenden
Brennstoffmengen dosiert werden und in der oben angegebenen Weise gegebenenfalls
auf die Steuerung des Niederdruckzylinders eingewirkt wird, kann ein Ergebnis erhalten
werden, wie es durch die Kurven gemäß Fig. 10 veranschaulicht ist. In Fig. 10 stellen
die Kurven W, und C, die Änderung der Leistung und des Drehmomentes als Funktion
der auf der Abszisse aufgetragenenDrehzahl 1,' für den wirtschaftlichsten Betrieb
bei hohem Wirkungsgrad dar, für welchen eine Verbrennung nur in dem Hochdruckzylinder
herbeigeführt wird. Die Kurven W. und C. stellen ebenfalls die Änderung der Leistung
und des Drehmomentes als Funktion der Drehzahl dar, aber für die Dosierung der Verbrennungen
in beiden Zylindern, welche dem erreichbaren Maximum für das Drehmoment bei einer
gegebenen Drehzahl entspricht. Mit anderen Dosierungen der Verbrennung können natürlich
alle Arten von Zwischenkurven für die Leistung und das Drehmoment erhalten werden.
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Aus Fig. 10 ist ersichtlich, daß das Verhältnis der Ordinaten der
Kurven C, und Cm zwischen 3 und 4 liegt, so daß für den Betrieb mit voller
Beschickung, beispielsweise beim --Nehmen von Steigungen im Falle eines Kraftfahrzeuges,
einDrehmoment erhalten wird, welches drei- oder viermal größer ist als das Drehmoment
im Sparbetrieb für die gleiche Drehzahl des Motors.
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Gewünschtenfalls kann die maximale Leistung durch eine waagerechte
Linie, wie sie durch die gestrichelte Linie p angedeutet ist, und das Drehmoment
durch eine schrägeLinie, wie sie durch die gestrichelte Linie q wiedergegeben ist,
begrenzt werden, was mittels eines Fliehtkraftreglers bewirkt werden kann, der die
Injektionen in Abhängigkeit von der Drehzahl beeinflußt.
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Es sei bemerkt, daß das in Fig. 1 dargestellte Zylinderpaar, je nach
der Art des verlangten Antriebssystems um jede beliebige Zahl vervielfacht werden
kann. Die Kurbelstangen des Hochdruck- und Niederdruckzylinders können mit den Kurbeln
einer und derselben Kurbelwelle oder mit denjenigen von zwei verschiedenen Kurbelwellen
gekuppelt werden.
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Der beschriebeneArbeitskreislauf kann auf Motoren beliebiger Art und
insbesondere auch auf Motoren mit Vergaser und gesteuerter Zündung angewendet werden,
wobei in diesem Fall die in der Lufteinlaßleitung 14 des Verdichters angeordnete
Drosselklappe 14rx das Vergaserventil sein kann.
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Es kann auch ein Viertaktkreislauf entweder für die beiden Zylinder
oder für einen von ihnen allein benutzt werden.
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Das System kann auch durch einen Verdichter üblicher Art, wie z. B.
einen Zentrifugal- oder Volumenverdichter, der Druckluft in die Lufteinlaßleitung
14 fördert, aufgeladen werden.
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Um den Wirkungsgrad im Sparbetrieb zu verbessern und dadurch eine
gute Volumenausnutzung des Hochdruckzylinders zu erzielen, ist es von Vorteil, Vorsorge
dafür zu treffen, daß der mittlere Druck p"', bei welchem dieÜbertragung auf den
Niederdruckzylinder erfolgt, einen Wert zwischen 3 und 6 kg/cm2 hat; jedoch sind
diese Grenzwerte nicht bindend.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform wird dadurch erhalten,
daß für den Hochdruckzylinder eine unsymmetrische Steuerung benutzt wird, welche
die Entspannung auf Kosten der Kompression begünstigt, wie dies in Fig. 11 dargestellt
ist. Man kann zu diesem Zweck die Auspuffschlitze und die Einlaßschlitze des Hochdruckzylinders
mit Hilfe von beweglichen Mänteln steuern, die mit Schlitzen gemäß bekannter Anordnungen
versehen sind. In dem besonderen Fall des hier betrachteten Motors wird dadurch
der Vorteil erzielt, daß durch Erniedrigung des Druckes pd, welchen die Gase beim
Öffnen der Auspuffschlitze besitzen, der Energieverlust herabgesetzt werden kann,
der entsteht, wenn diese Gase vom Druck pd auf den Druck p, übergehen, der dem Eintritt
in den Niederdruckzylinder
entspricht, wobei dieser Druckabfall
tatsächlich ohne Wiedergewinnung von Arbeit erfolgt. Überdies wird für eine und
dieselbe erzeugte Leistung der maximale Verbrennungsdruck derart vermindert, daß
das Gewicht des Motors verkleinert und sein Widerstand vergrößert wird.