Verfahren zum Betrieb einer Zweitakte erbrennungsliraftmaschine und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Gegenstand vorliegender Erfindung ist: ein Verfahren zum Betrieb einer Zweitakt- verbrennungskraftmaschine und eine Ein richtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei Zweitaktbrennkraftmaschinen kann es sich als zweckmässig erweisen, ein Ventil während sehr kurzer Zeit offen zu halten, beispielsweise während einem kleinen Bruch teil einer Sekunde, um eine zeitlich sehr kurze Gasströmung aufrechtzuerhalten. Zu folge des Beharrungsvermögens der Ventil teile war es bisher nicht möglich, ein zufr.ie- denstellend arbeitendes Ventil für diesen Zweck zu bauen.
Bei Zweitaktbrennkraftmaschinen ist die allgemeine Theorie über die Zustände, welche nach der Explosion einer Ladung im Zylin der und beim Öffnen der Auslassöffnungen vorhanden sind, die, dass während einer Pe riode, die im nachstehenden als "erste Pe riode" bezeichnet werden wird, eine be stimmte Menge von verbrannten Gasen aus dem Zylinder mit hoher Geschwindigkeit aus gestossen wird, wodurch im Zylinder ein hohes Teil- oder beinahe ein vollständiges Vakuum erzeugt wird. Dieser Gaskörper er fährt dann eine hin und her gehende Bewe gung von hoher Frequenz aus und in den Zylinder. Diese Schwingungen sind auf den Aufprall der Gasmasse auf die in der Aus lassleitung vorhandenen Gase zurückzuführen.
Sie erzeugen innerhalb des Zylinders ab wechslungsweise negative und positive Druck schwankungen. Wenn die Auslassöffnung un mittelbar nach dieser erstenPeriode geschlossen werden kann, kann eine höhere Druckvermin derung im Zylinder erzeugt werden als in irgendeinem späteren Zeitpunkt der Auslass periode, welche Druckverminderung ihrerseits zweckmässig zum Wiederaufladen des Zylin ders verwendet werden kann.
Da die sogenannte erste Auslassperiode sich über ein Zeitintervall von der Grösse 0,01 bis 0,001 Sek. nach dem Öffnen der Auslassöffnungen erstreckt, ist es praktisch unmöglich, die erwähnten Üffnungen wäh rend dieser kurzen Zeit zu öffnen und zu schliessen. Dies ist durch das Beharrungsver mögen der Ventilteile bedingt. Die vorlie gende Erfindung gestattet nun, den Fluss der Verbrennungsgase so zu steuern, dass die Auslassperiode praktisch von der oben er wähnten Dauer ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb einer Zweitaktverbrennungskraft- maschine mit; einer Auslassleitung und einem gesteuerten Auslassquerschnitt, der die Ver bindung zwischen Zylinder und Auslass- leitung herstellt, ist nun dadurch gekenn zeichnet, dass zur Steuerung des Auslasses der Verbrennungsgase ein federbelastetes Ventil, das in der Auslassleitung in der Nähe des Auslassquerschnittes angeordnet ist,
nach der Explosion der Ladung geöffnet wird, worauf nach der Expansion der Auslassquer- schnitt geöffnet wird, um das Ausströmender Verbrennungsgase in die Auslassleitung zu ermöglichen, worauf das federbelastete Ventil am Ende der sogenannten ersten Auslass- periode geschlossen wird, um ein Zurück- strömen der Gase in den Zylinder durch den Auslassquerschnitt zu verhindern.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekenn zeichnet durch einen gesteuerten Auslassquer- schnitt und ein Auslassventil, die hinterein ander in der Strömungsrichtung der Verbren- a nungsga.se angeordnet sind, __, ;@_#:_ . :
-eh eine mit dem Auslassventil zusammenwirkende Nocke, welche praktisch ein plötzliches Schliessen des erwähnten Ventils auf den Augenblick der Beendigung der sogenannten ersten Auslassperiode durch die Ventilfeder gestattet.
Der Auslassquerschnitt kann durch eine oder mehrere Öffnungen in der Zylinderwand gebildet sein, die z. B. durch den hin und her gehenden Kolben selbst oder durch einen Rohrsteuerschieber gesteuert werden, oder auch durch Öffnungen, die durch einen Kol benschieber, einen Drehschieber oder ein Tel lerventil gesteuert werden.
Beispiele des Verfahrens nach der Er findung sollen nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, welche Ausfüh rungsbeispiele der erfindungsgemässen Ein richtung betrifft, näher erläutert werden. .In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zylinderteils einer Verbrennungskraft- rnaschine: Fig. 2 zeigt die Anwendung der Erfin dung auf eine Maschine, deren Zylinderöff nungen durch einen Rohrschieber gesteuert werden;
Fig. 3 zeigt. im Vertikalschnitt eine an dere Ausführungsform einer Verbrennungs- kraftmaschine Fig. 4 ist ein Schnitt: nach der Linie IV-IV der Fig. 3; Fig. 5 zeigt. einen Geschwindigkeits regulator, der auf einer Maschine gemäss Fig. 4 angebracht ist, und Fig. 6 stellt in einem Diagramm den Mo- rnent des Offnens und Schliessens des Ventils in einer Zweitaktmaschine dar.
In der Zeichnung bezeichnet 10 schema tisch einen Maschinenzylinder, der einen hin und her gehenden Kolben 11 enthält und eine Reihe von Auslassöffnungen 12 und eine Reihe von Einlassöffnungen 1ä aufweist. Die Auslassöffnungen 12 stehen mit einer Aus lassleitung 14 und die Einlassöffnungen 13 mit der Einlassleitung 15 in Verbindung.
In der Auslassleitung 1.4 ist in der Nähe der Öffnungen 12 ein Ventil 16 angebracht, dessen Schliessbewegung durch eine Feder 1 7 und dessen Öffnungsbewegung durch einen Hebelarm 18 gesteuert wird. Letzterer ist bei 19 drehbar gelagert und wird durch eine Noeke 20 betätigt. Nocke 20 kann z. B. spiralförmig verlaufen und eine angenähert radial verlaufende Fläche 21 aufweisen, um ein rasches (plötzliches) Schliessen des Ven tils 16 unter dem Einfluss der Feder 17 zu ermöglichen. Um die Reibung zu vermindern, ist vorteilhaft eine Rolle 22 am Arm 18 an gebracht, die mit der Nocke 20 zusammen arbeitet.
Im Betriebe wird sich nach erfolgter Ex plosion der Ladung im Zylinder 10 der Kol ben 11 in die aus Fig. 1 ersichtliche Lage nach abwärts bewegen. Ventil 16 wird zu erst geöffnet, um den Verbrennungsgasen freien Durchgang zu lassen, wenn der Kol ben 1.1. nachher nach der Expansion die Aus lassöffnungen 12 freigibt.
In einem vorbe stimmten Augenblick nach der Öffnung der Auslassöffnungen 12 wird Ventil 16 durch Federwirkung plötzlich geschlossen, sobald die Fläche 21 der Nocke 20 gegenüber der Rolle 22 liegt und letztere über Fläche 21 herabgleitet. Praktisch gleichzeitig gibt Kol ben 11 bei seiner weiteren Abwärtsbewegung die Einlassöffnungen 13 frei.
Der Augenblick des Schliessens des Ven tils 16 fällt angenähert mit dem Ende der sog. ersten Auslassperiode zusammen, in wel chem Augenblick die Verbrennungsgase aus dem Zylinder herausgestossen worden sind und in demselben eine starke Druckvermin derung hinterlassen. Das Schliessen des Aus lassvehtils 16 verhindert jede Rückkehr der Gase von dem mit 23 bezeichneten Teil der Auslassleitung her.
Dadurch wird der-Unter- druck im Zylinder 10 aufrechterhalten, welch letzterer beim Öffnen der Einlassöffnungen 13 automatisch durch das Hereinströmen der explosiblen Mischung von der Einlassleitung 15 aus aufgeladen wird. Beim Schliessen der Einlassöffnungen 13 durch den sich aufwärts bewegenden Kolben 11 (Kompressionshub) besitzt die Ladung im Zylinder 10 zufolge ihrer hohen Eintrittsgeschwindigkeit einen Druck, der grösser ist als der Atmos-phäTen- druck.
Die Verwendung der beschriebenen Auslassventilanordnung gemäss der Erfin dung an einer Verbrennungskraftmaschine, deren Auslass- und Einlassöffnungen durch einen hin und her gehenden Rohrsteuerschie- ber gesteuert werden, ist in Fig. 2 darge stellt.
Bei dieser Anordnung sind die Einlass- leitung 15 und die Einlassöffnungen 13 am untern Zylinderende und die Auslassöffnun- gen. in der Gegend des Zylinderkopfes an geordnet. In der Auslassleitung 14 ist das Auslassrohrventil 16 in einer ähnlichen Weise gesteuert,- wie mit Bezug auf Fi.g. 1 be schrieben.
Das Öffnen der Auslassöffnungen 12 und der Einlassöffnungen 13 wird bei dieser Aus führungsform durch einen Rohrsteuerschie- ber 24 gesteuert, der in üblicher an sich be kannter Weise von einer nicht dargestellten Nockenwelle aus verschoben und gegebenen falls zusätzlich während seiner hin und her gehenden Bewegung verdreht wird. Da diese Anordnungen -durchaus bekannt sind, er übrigt sieh eine weitere Beschreibung der Betätigung des Rohrsteuerscbiebers 24. Der Schieber könnte auch nur drehbar sein.
Bei der Verwendung der Vorrichtung, die in Fig. 2 dargestellt ist, wird das Ventil 16 nach der Explosion der Ladung in Zylinder 10 geöffnet, während der Kolben 11 sich nach unten bewegt. In einem gegebenen, vor ausbestimmten Augenblick wird der Rohr steuerschieber 24 nach unten bewegt und gibt damit am Ende der Expansion die Öff nungen 12 frei. Nachdem diese Öffnungen 12 geöffnet sind, wird das Ventil 16 in der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Weise geschlossen.
Praktisch im Augenblick des Abschlusses des Ventils 16 gibt Rohr steuerschieber 24 die Einlassöffnungen 13 frei, so dass die durch Ausblasen von Verbren nungsgasen am Ende der sogenannten ersten Auslassperiode bewirkte Druckverminderung im Zylinder 10 denselben automatisch durch die Einlassieitung 15 auflädt.
Fig. 3 zeigt eine praktisch ausgeführte Variante der Einrichtung im Vertikalschnitt,. Wie ersichtlich, ist der den Kolben 11 auf nehmende Zylinder 10 mit einer oder meh reren Auslassöffnungen 12 und einer Auslass- leitung 14 versehen. Das Ventil 16 ist durch eine Feder 17 belastet und kann durch einen Hebelarm 18, der mit einer Nocke 20 zusam menwirkt, betätigt werden.
Bei dieser Aus führungsform wird die Einlassöffnung 30 im Zylinderkopf durch ein Einlassventil 31 ge steuert. Ventil 31 ist durch eine Feder 32 belastet; es wird durch Verschwenkung des Hebels 33 um Bolzen 34 betätigt. Am Ende 35 dieses Hebels greift eine Übertragungs stange 36 an. Stange 36 wird durch Nocke 37, die auf der Nockenwelle 78 angeordnet ist, betätigt. Letztere wird durch ein geeig netes Getriebe, das nicht dargestellt ist, von dem auf der Kurbelwelle 39 angebrachten Zahnrad 38 angetrieben.
Die Nocke 20 ist auf einer Nockenwelle 40 angeordnet, die ein Zahnrad 41 trägt, das seinerseits mit einem losen Zahnrad 42 in Eingriff steht. Rad 42 steht wiederum in Eingriff mit dem Zahnrad 38, das auf der Kurbelwelle angeordnet ist. Die Anordnung dieser Zahnräder ist speziell aus Fig. 4 er sichtlich.
Da der Augenblick des Abschlusses des Ventils 16 von grundlegender Bedeutung ist, sind Mittel vorgesehen, um diesen Augenblick durch Verstellung der Winkel lage von Nockenwelle 40 und Nocke 20 gegenüber der Kurbelwelle einstellen zu können. Diese Einrichtung ist aus Fig. 4 er sichtlich. Wie ersichtlich, steht das auf der Kurbelwelle sitzende Rad 38 mit dem sich lose drehenden Rad 42 in Eingriff, das durch Kugellager 43 auf dem Lagerbolzen 74 lose gelagert ist. Rad 42 steht seinerseits mit dem Rad 41 in Eingriff, das auf der Nockenwelle 40 sitzt.
Die Einrichtung zum Einstellen der Win kellage der Nockenwelle 40 weist eine Hülse 44 auf, die mit dem Zahnrad 41 vermittels Keilverbindung 45 undrehbar, jedoch axial verschiebbar verbunden ist. Hülse 44 trägt an ihrem innern Umfang eine nach einer Schrau benlinie verlaufende Rippe 72, die in die schraubenlinienförmige Nute 46 auf dem Umfang des abgesetzten Nockenwellenendes 47 eingreift.
Durch den Eingriff der Rippe an der Innenseite der Hülse 44 in die schrau- benlinienförmige Nute 46 wird bewirkt, dass eine axiale Bewegung der Hülse 44 die Win kelstellung der Nockenwelle 40 in bezug auf Rad 41 und damit auch in bezug auf die Kurbelwelle 39 verändert.
Um die erwähnte axiale Verstellung der Hülse 44 zu bewirken, ist bei der Ausfüh rungsform gemäss Fig. 4 ein Betätigungs- knopf 48 vorgesehen, der auf einer drehbar gelagerten Spindel 49 sitzt, die durch geeig nete Glieder vom Gehäuse der Vorrichtung getragen wird. Die Spindel 49 ist mit in der Zeichnung nicht dargestelltem Gewinde ver sehen und trägt eine mit demselben in Ein griff stehende Mutter 50. Bolzen 51, die mit dem gegabelten Glied 52 in Eingriff stehen, verhindern eine Drehung der Mutter 50, ge statten aber eine Verschiebung derselben in Richtung der Spindelachse. Das gegabelte Glied 52 ist um Bolzen 53 schwenkbar.
Sein unteres, ebenfalls gegabeltes Ende 54 dringt in eine Nute 55 der Hülse 44. Durch Ver drehung des Knopfes 48 kann eine axiale Be wegung der Mutter 50 bewirkt werden, die sich über das Glied 52, 54 auf die Hülse 44 überträgt.
Die Anordnung dieser Handeinstellung gestattet eine sehr feine Veränderung der Einstellung der Nocke 20 und damit eine sehr feine Einstellbarkeit des Abschlusses des zusätzlichen Ventils 16. Diese Einstel lung wird normalerweise bei laufender Ma schine stattfinden, so dass die Verstellung der Nocke 20 entsprechend den Eigenschaften der betreffenden Maschine erfolgen kann.
Da offenbar der Schliesszeitpunkt des Auslassventils bei sich ändernder Maschinen geschwindigkeit variiert, ist es zweckmässig, an Stelle der beschriebenen Handeinstellung eine automatische Steuerung, die auf die Ge schwindigkeit der Maschine reagiert, vorzu sehen. Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt, nach welcher Zahnrad 41 die Nockenwelle 40 über eine Hülse 44 mit schraubenlinienförmiger Nut 46 wie unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben treibt. Rad 41 greift in ein Zahnrad 60, das einen Teil eines auf die Geschwindigkeit reagieren den Reglers 61 bildet.
Dieser Regler 61 weist eine gebogene Platte 62 und eine ebene Platte 63 auf, jvelch letztere frei auf der Welle 64 drehen kann. Der Regler 61 besitzt ferner eine Anzahl, beim dargestellten Aus führungsbeispiel sechs, umlaufender Kugeln 65, die in radial verlaufenden Nuten der Platte 63 angeordnet sind. Platte 63 wird durch Feder 66 gegen Platte 62 gedrückt und hält so die Kugeln in Berührung mit der letzteren. Ein um Bolzen 68 schwenk barer Hebel 67 besitzt ein gegabeltes Ende 69, welches in eine an einem Nabenfortsatz der Platte 63 angebrachte Nut 70 eintritt. Mit einem Teil 71 greift Hebel 67 in eine Nut 55 der Hülse 44.
Bei Verwendung dieser Vorrichtung be dingt eine Veränderung der Maschinenge schwindigkeit eine Verstellung der Kugeln 65 in radialer Richtung. Infolge der geneig ten Form der Platte 62 tritt dadurch eine axiale Verschiebung der Platte 63 auf. Durch Hebel 67 und Teil 71 wird die axiale Ver schiebung der Platte 63 auf die Hülse 44 übertragen, die dadurch entsprechend der Än derung der Maschinengeschwindigkeit in axialer Richtung verstellt wird. Durch Ver stellung der axialen Lage der Hülse 44 wird die Winkellage der Nockenwelle 40 in bezug auf die Kurbelwelle entsprechend der Ände- rung der Maschinengeschwindigkeit verstellt.
Diese Winkellage ihrerseits bedingt den Au genblick des Schliessens des Ventils 16, wo durch über einen grossen Geschwindigkeits bereich der Maschine ein maximaler Wir kungsgrad erzielt wird.
Da die Nockenwelle 78, die die Nocke 37 trägt, vorzugsweise von dem auf der Kurbel welle sitzenden Rad 38 in gleicher Weise an getrieben wird wie die Nockenwelle 40, kann eine der unter Bezugnahme auf Fig. 4 oder 5 beschriebenen Regelvorrichtungen gege benenfalls zwischen die Nockenwelle 78 und das Getriebe eingeschaltet werden, welches den Antrieb vom Rad 38 überträgt. In die ser Weise kann der Augenblick des Schlie ssens und des Öffnens des Einlassventils genau eingestellt werden.
Fig. 6 zeigt schematisch ein Kurbel diagramm für eine Zweitaktverbrennungs- kraftmaschine der beschriebenen Art. Fig. 6 zeigt die Zeitpunkte des @Öffnens und Schlie ssens der Auslass- und Einlassventile in bezug auf die Stellung der Kurbelwelle. Es sei an genommen, dass die Auslassöffnungen 12 etwa l20 nach dem obern Totpunkt der Kurbel im Punkte A geöffnet werden.
Der Auspuff der Verbrennungsgase erfolgt bis zum Punkt B während einer Zeitdauer, die einer Rota tion der Kurbel um etwa 30 entspricht. An diesem Punkt B wird das Hilfsventil 16 ge schlossen. Praktisch im gleichen Moment wird Einlassventil 31 (Fix. 3) geöffnet, und es wird wieder geschlossen, wenn die Kurbel welle ihre untere Totpunktlage, die durch Punkt C in Fig. 6 angedeutet ist, erreicht hat.
Das Einlassventil bleibt deshalb offen, während die Kurbelwelle um etwa 30 ver dreht wird, aber es kann ein leichtes Über lappen der Zeitabschnitte stattfinden, wäh rend welchen das' Auslassventil 16 und das Einlassventil 31 offen sind, das heisst das Einlassventil kann z. B. während den letzten 5 der Kurbelbewegung geöffnet werden, während welcher Auspuffventil 16 offen ist.
Auf jeden Fall wird das Einlassventil nicht geöffnet, bis das Ausströmen der Verbren- nungsgate aus dem Zylinder während der sogenannten ersten Auslassperiode im wesent lichen aufgehört hat.
Die beschriebenen Einrichtungen gestat ten, die während der erwähnten ersten Aus lassperiode erzeugte Druckverminderung zum Aufladen des Zylinders zu verwenden. Es ist ferner möglich, innert 0,01 bis 0,001 Sek. nach dem Öffnen der Auslassöffnungen den Auslass abzuschliessen. Die Einstellung des Ventilabschlusses in Abhängigkeit von der Maschinengeschwindigkeit ist leicht möglich.