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Steuereinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem Schieber Es sind
bereits viele Möglichkeiten bekannt, düe Vorgänge im Zylinder von, Brennkraftmaschinen
zu stetierir. Dabei werden Ventile, Kolbenschieber, Drehschieber usw. durch die
Kurbelwelle oder ein von ihr angetriebenes Organ so gesteuert, daß sie zu bestimmten
Zeiten bestimmte im Zylinder befindliche Durchlässe öffnen oder schließen, so daß
die Zu- und Abführung der Arlyeitsgase in dem gewünschten Rhythmus erfolgt. Entsprechend
der dauernden Bewegung der Kurbelwelle sind bei Schiebersteuvrungen die Steuerorgane
dauernd in Bewegung, abgesehen vom Zeitpunkt d-er Bewegungsumkehrung bei hin und
her gehenden Schiebern.
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Die Praxis hat nun gezeigt, daß diese ununterbrochene Bewegung der
Schieber erhebliche Nachteile mit sich bringt. Unmittelbar nach der Explosion entsteht
nämlich im Zylinder ein außerordentlich höher Druck, der auch auf den oder die Schieber
wirkt. Dieser auf die Schieber, deren Lager und Gleitflächen übertragene hohe Druck
bewirkt durch entsprechende Erhöhung der spezifischen Flächenpressung und Reibung
eine Neigung zum Fress.en und Klemmen, beeinträchtigt som-i-t die Betriebssicherheit
und erhöht den Verschleiß der Teile. NZa.n hat diesen Nachteil djurch verschiedene
Maßnahmen zu beheben versucht, so durch geeignete Wahl des beanspruchten Materials,
durch Verstärkung der beanspruchten Teile, durch Druckausgleichs- und Entlastungsvorrichtungen
usw. Alle diese Lösungen konnten jedoch nicht befriedigen, weil sie meist kompliziert
und empfindlich sind, den toten Raum vergrößern, die Strömungsbahnen der Gase verzerren,
zum Klappern neigen usw., insgesamt die Maschine verteuern., ohne leistungsmäßig
einen entsprechenden Vorteil zu bringen.
Während ffie bisherigen
Bemühungen auf die Vermeid'ungder von der Schneberbewegung herrührenden schädlichen
Wirkungen gerichtet waren, soll nach der Erfindung die Ursache all dieser Schwierigkeiten
beseitigt werden, nämlich. die Bewegung des Schiebers bei und kurz nach dem Exploslionsvorgang.
Die Erfindung bezieht sich deshalb darauf, ein Steuerorgan derart auszubilden, das
der oder die von ihm gesteuerten Schneeber während der Zeit der im Zylinder herrschenden
höchsten Drucke stillsteht und erst dann wieder in Bewegung gesetzt wird, wenn durch
dien Arbeitshub des Kolbens der Druck so weit gesunken, ist, das die Materialbeanspruchung
das zulässige Maß nicht überschreitet. Während) der Zeit des Höchstdruckes stellt
der Schieber dann einen ruhenden Verschluß des Zylinderdurchlasses dar, der praktisch
nur einem geringfügigen Verschleiß unterworfen ist, da die Lager und Gleitflächen
dann nicht mehr durch erhöhte Reibung beansprucht werden.
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Erst nach ausreichendem Absinken des. Höchstdruckes durch Energieabgabe
an, den Kolben erteilt das Steuerorgan dem Schieber eine beschleunigte Bewegung,
die folgende Beschleunigungsphasen umfaßt: i. Null bei Höchstdruckern, Schieber
geschlossen, 2. positiv beschleunigt, 3. negativ beschleunigt, 4. Null bei geringsten
Drucken, Schieber offen zum Gaswechsel, 5. positiv beschleunigt in umgekehrter Richtung,
6. negativ beschleunigt in Richtring wie 5, 7. Nulil wie Anfangsstellung i.
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Dadurch wird noch ein zweiter sehr wichtiger Vorteil erreicht: Bei
den üblichen Schiebern tvird entsprechend ihzer Steuerung der Zyl-inderdurchlaß
nur relativ langsam geöffnet, etwa wie die gestrichelte Kurve in Fig. i zeigt. Die
Zeit der vollständigen Öffnung ist dabei im wesentlichen auf den Augenblick beschränkt,
der dem Punkt D der Kurve entspricht.
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Mit der Steuereinrichtung dagegen kann zunächst die Zeitdauer der
vollkommenen Öffnung gedehnt werden, so das sie etwa vom Zeitpunkt C bis zum Zeitpunkt
E reicht. Um nun den Durchlas noch rechtzeitig wieder zu schließen, ist, da ja im
ganzen nur eine einzige Umd-rehungsphase zur Verfügung steht, eine größere Beschleunigung
erforderlich, als sie bei nur kürzerer Öffnungszeit nötig wäre. Die starke Beschleunigung
dauert vom Zeitpunkt A bis zum Zeitpunkt B, an dem die Geschwindigkeit
des Schiebers ihr Maximum erreicht. Von da ab setzt eine negative Beschleunigung
bis zum Zeitpunkt C ein, wo die Beschleunigung gleichzeitig mit der Geschwindigkeit
Null wird. Jetzt ist der Durchlas bis zum Zeitpunkt E vollkommen offen, der Schieier
ruht. Dann. setzt dasselbe Spiel der Geschwindigkeit und der Beschleunigung wieder
ein, diesmal jedoch in umgekehrter Richtung, bis der Schieber im Zeitpunkt F bei
geschlossenere Durchlas wieder ruht.
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In der ganzen Zeit, die dem schraffierten Teil von Fig. i entspricht,
ist also dien Durchlas bei den bekannten Schiebern nur teilweise geöffnet, wodurch
frei dem Ein- und' Ausströmungsvorgang der Strömungswiderstand und die unerwünschte
Wirbelbild'ung erhöht, die Menge des strömenden Gases aber auf Kästen der Nutzleistung
der Maschine vermindert wird.
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Bei dem gemäß der-Erfindung gesteuerten Schieber dagegen wird der
Durchlas schlagartig in dem sehr kurzen Zeitraum von A bis C geöffnet und bleibt
vom Zeitpunkt C ab vollständig offen. Er wird dann ebenso schlagartig in dem sehr
kurzen Zeitraum von E bis F wieder geschlossen. In der restlichen, Zeit der Umdrehungsphase,
die von F über G nach A reicht, während -der die höchsten Drucke im Zyliinder herrschen,
ruht der Schieber. In dieser Zeit spielen sich also die Vorgänge der Kompression,
Verbrennung und Expansion in der Maschine ab.
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Die geschilderten Verhältnisse gelten sinngemäß sowohl für Zweitakt-
als auch für Viertaktmaschinen. In beiden Fällen werden die strömungstechnischen
Verluste an Leistung durch die neue Steuerung vermindert.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der neuen Steuereinrichtung gemäß
der Erfindung ist für die Steuerung eines eszillierenden Drehschiebers nachstehend
beschrieben und in den Figuren schematisch dargestellt, ohne das die Erfindung auf
diesen Spezialfall beschränkt sein soll.
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Fig. 2 zeigt eine Ansicht in Richtung der Hauptwelle und Fig. 3 einen
Querschnitt senkreche dazu in der durch die Linie G-D angedeuteten Ebene der Fig.
2.
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In den F ig. 2 und 3 befinden sich auf einer Hauptwelle 1, z. B. der
Kurbelwelle selbst oder einer von der Kurbelwelle angetriebenen Welle, eine Kurvenscheibe
2 und eine Kurvenscheibe 3. Parallel zur Hauptwelle i verläuft die Drehschieberwelle
4, an deren freiem Ende 411 der Drehschieber liegt. Am anderen Ende der Welle 4
befindet sich über eine Kröpfung 5 ein doppelter Hebelarm 6 zum Anbringen eines
außerhalb der Achse 4 gelagerten rollenförmigen Gleitstückes 7 auf der einen Seite
und eines zweiten rollenförmigen Gleitstückes 8 auf der anderen Seite des Doppelhebels
6 an der Stelle der Kröpfung. Das Ganze ist von einem Überwurfflansch 9 umgeben,
der gleichzeitig mit seinem Teil io,der Rolle; als Führung dienen kann und entweder
mit der Maschine fest verbunden ist oder sich mit der Welle i zusammen dreht. Die
Kurvenformen der Scheiben 2 und 3 sind so aufeinander abgestimmt, das dlie Rollen
7 und' 8 von und zwischen. ihnen geführt werden können. Der Verlauf der Kurven richtet
sich nach der Wahl der Zeitpunkte in Fig. i, an denen die Umsteuerungen erfolgen
sollen.
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Dreht sich nun die Welle i im Uhrzeigersinn, so wird beim Drehwinkel
A das Gleitstück 7 entsprechend der Führungskurve der Kurvenscheibe 2 so aus seiner
Stellung gedrängt, das die Welle 4 bis zum Drehwinkel C eine rechtwinklige Drehung
um ihre Achse im Uhrzeigersinn gemacht hat. Dreht sich die Welle i über den Drehwinkel
D weiter bis zum Drehwinkel E, so behält die Welle 4 währenddessen ihre Lage unverändert
bei. Vom Drehwinkel E ab jedoch wird die Welle ,4 entsprechend der Führung der Rolle
7 und durch den Impuls, den die Kurvenscheibe 3 auf die inzwischen nach 8° gewanderte
Rolle
8 ausübt, wieder in ihre ursprüngliche Lage zurückgedreht, in der sie bei der weiteren
Drehung der Welle i verbleibt, bis über den Drehwinkel G der Drehwinkel A wieder
erreicht ist, wo das Spiel von neuem beginnt.
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Man erkennt, daß der Teil C D E der Kurve für die eine konstante
Stellung, der Teil F G A der Kurve für die andere konstante Stellung der
Drehschieberwelle verantwortlich ist. Man kann also durch die Wahl der entsprechenden
Winkel bestimmen, welche Anteile der Gesamtum@direhung auf diese konstanten Stellungen
entfallenf sollen.
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Für die Umschaltzeiten vorn der einen auf die andere Stellung sind
die Kurventeile A C und E F
verantwortlich. Je kleiner die entsprechenden
Winkel sind, desto kürzer sind die Umschaltzeiten. Der Verkleinerung der Umschaltzeiten
ist allerdings zunächst dadurch eine Grenze gesetzt, daß die tangnentielleKraftkomponente
der auf der Scheibe 2 befindlichen Kurve bei sehr kurzem Zeiten nicht mehr groß
ge:nuh ist, um die Rolle 7 umzusteuern. Dem kann man üii Bedarfsfalle für die Stelle
A z. B. durch eine strichpunktiert eingezeichnete Kurvenscheibe begegnen, die der
Rolle 8 an der der Umsteuerungsstelle .1 entsprechenden Stelle einen zur Achse 4
tangentiellen Impuls im Uhrzeigers-inn erteilt, der die Drehung der Welle 4 unterstützt.
Diese Kurvenscheibe liegt in der Ebene der Kurvenscheibe 3, und ihre Kurve ist eine
Äquidistante zur Kurve der Scheibe 3. Die inzwischen nach 8a gewan= fierte Rolle
8 wird von der Kurve der Kurven scheibe 3 erfaßt und in: ihre ursprüngliche Stellung
zurückgedreht, womit gleichzeitig die Rolle 7 an der Ums,teuerungsstelle E in ihre
ursprüngliche Lage bewegt wird, die sie bei F erreicht. Die Kurve der Kurvenscheibe
2 hat in diesem Teil eine regulierende Funktion.
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Bei einer konstanten Umdrehung der Welle i führt also die Welle 4
eine o:szillierend-intermittiierende Drehung aus, und man hat esi durch die Wahl
der Kurvenformen auf den Kurvenscheiben 2 und 3 in der Hand, die Zeiten des Stillstandes
und- der Bewegung der Welle 4 weitgehend und zweckenesprechend zii lrceinfltissen.
Im Bedarfsfall kann: man die Stcuereimiichtun,- auch in umgekehrter Drehrichtung
laufen lassen, was für Schiffsantriebe und andere Sonderfälle von Bedeutung ist.
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Die `Felle .4 ist. wie erwähnt, im vorliegenden Beispiel mit einem
Drehschieber verbunden, der oszillierend-interinittierend arbeitet. Man kann den
Drehschieber und den mit ihm verbundenen Durch-1aß zum Zylinder an verschiedenen
Stellen der Zylinderwand anbringen. Die vorliegende Erfindung bietet jedoch bei
Anbringung des Drehschiebers: in der 'litte des Zylinderkopfes ganz besondere Vorteile,
die erst im Zusammenhang mit der Erfindung wirksam werden.
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Wie bemerkt, öffnen und schließen, die bekannten Schieber den Durchlaß
zum Zylinder nur allmählich, so daß im Innern des Zylinders turbulente Strömungen
entstehen, die den Strömungswiderstand vergrößern und durch unerwünschte Mischung
der ein_gtrönieti,<l,eir, mit den im Zylinder befindlichen Gasen die Leistung
der Maschine herabsetzen. Anders bei Verwendung der hier beschriebenen Steuereinrichtung.
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In Fig. 4 ist ein Zylinderkopf i i schematisch dargestellt. Oben am
Zylinderkopf befindet sich ein Gehäuse 12, in dem der Drehschieber mit der Welle
4a und dem Durch,laß 13 liegt. `'Während des Druckmaximums befindet sich der Durchlaß
in der gestrichelten Lage in Ruhe. Ist der Druck durch den Vortrieb des Kolbens
genügend gesunken, so schnellt der Drehschieber ruckartig in die voll ausgezeichnete
Stellung, so daß schnellstens die ganze Durchlaßöffnung im voller Größe freigegeben
wird. Die Frischgasfüllung erfolgt in praktisch lam,inarer Strömung, da keine Hindernisse,
wie Ventilteller usw. im Wege stehen. Durch die Ausbildung einer weitgehend laminaren
Strömung erfolgt auch das Aus- und Einströmen mit größerer Geschwindigkeit und mit
einem Minimum der Vermischung von verbrauchten: und frischen Gasen, so daß z. B.
bei Zweitaktmaschinen eine fast ideale im Zylinder erreicht wird.
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Dazu kommt noch, daß die Druckausgleichs- und Entlastungsvorrichtungen,
die man für die bisherigen Drehschieber einbauen mußte, den toten Raum im Zylinderkopf
vergrößerten und. derart verbildeten, daß dort von einer auch nur annähernd laminaren
Strömung keine Rede sein konnte und die Erreichung eines erwünschtem hohen Kompressionsverhältnisses
in Frage gestel:lit wurde. Durch Benutzung der hier beschriebenen Steuereinrichtung,
insbe.son fiere bei ihrer Unterbringung im Zylinderkopf, kann jeder tote Raum vermieden,
werden und der Verbrennungsraum kann die ideale Form erhalten.
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Die Form des Steuerorgans und seiner Kurven kann man vielfach variieren:.
So kann man die Steuereinrichtung für Zweitakt- und, für Viertaktmaschinen ausbilden.,
insbesondere kann man auch die Kurve auf 36o° zweimal vorsehen und die Drehzahl
entsprechend auf die Hälfte herabsetzen, ein Verfahren, das für Viertaktmaschinen
üblich und zweckmäßig, für Zweitaktmaschinen möglich ist. Man kann auch mehrere
Steuerorgane auf einer Hauptwelle vereinigen oder mehrere Drehschieberwellen zugleich
antreiben. Auch kann man nicht nur Drehschieber, sondern bei sinngemäßer Abänderung
auch translatorisch bewegte Schieber, wie Flach- und Kol.benschieher usw., mit dieser
Steuerei.nric.h@tung betreiben, man kann eine solche Steuereinrichtung auch sinngemäß
zur Steuerung des Auslasses hei Zweitaktmaschinen verwenden.
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In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel dieser Art skizziert: An dem
freien Ende 4a der Welle 4 befindet sich ein Kurbelarm 14, der über das Gelenk 15
und das Pleuel 16 mit dem Schieber 17 verbunden ist. Die über 9o° verlaufende intermittierende
Drehbewegung der Welle 4 setzt sich dabei in eine intermittierende Translationsbewegung
des Schiebers 17 um. Die Länge des Schieberweges läßt sich durch die Länge des Kurbelarmes
14 einstellen.
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Den Vorteil, daß der Schieber bei den Maximaldrucken still steht,
kann man auch mate-rials-eitig ausnutzen. Da die dynamische Druckbelastung des
Schiebers
nur gering ist, kann man spezifisch leichtere und schwächere Materialien wählen,
als sie bisher benutzt werden müssen., und die jeweils- zu beschleunigenden Massen
können auf ein, Minimum reduziert werden. Wegen der zwangsläufigen. Führung der
@ Steuerung kann man auf jede Federwirkung verzichten und deshalb die Ausgestaltung
des Schiebers und seines Antriebes vereinfachen und räumlich verkleinern. Dies wiederum
ermöglicht unschwer seine Unterbringung am Kopf des Zylinders am besten in der Weise,
d'aß das Gehäuse des Schiebers in den, Zylinderkopf mit eingegossen wird, so daß
er indes, übliche Kühlrippensystem mit einbegriffen ist. Eine zusätzliche Kühlung
erfolgt außerdem durch den hindurchfließenden Frischgasstrom. Bei entsprechender
Kapselung kann- man den ganzen Mechanismus dann noch in Öl laufen lassen, wodurch
sieh ein außerordentlich ruhiger Gang erzielen läßt.