-
Kolbengesteuerte Zweitakt-Brennkraftmaschine Die Erfindung
betrifft eine kolbengesteuerte Zweitakt-Brennkraftmaschine, ins.besondereFahrzeugmo:tor
mit Fremdzündung, äußerer Gemischbildung und großem Drehzahlbereich, mit Kurbelkast,npumpe
und Umkehrspülung,- bei welcher die Einlaßschlitze des Arbeitszylinders zu beiden
Seiten der Auslaßschlitze angeordnet und auf die den Auslaßschlitzen gegenüberli-egende-
Zylinderwand gerichtet sind. Bei solchen Zweitakt-Kurbc;Ika,stenvergasermotoren
ist die Öffnung am unteren. Ende des Überströ.mkanals und das dazugehörige Kolbenfenster
bisher meist viel größer ausgebildet und viel früher aufgesteuert worden als der
Spülschlitz am oberen Ende des Überströmkanals, damit weder ein Drosselwiderstand
beim Zurückschlagen von nicht vollentspanntem Verb,rennungsgaisen vom Zylinderraum
in den Kurbelraum noch beim anschließenden Spülvorgang sich ergibt.
-
Nach der österreichischen Patentschrift 138 547 .ist auch ein Kurbelkastenmotor
mit Querspülung bekanntgeworden, bei dem die Höhe der Kolbenfenster etwa halb so
groß ist wie die Höhe der Spülschlitze. Zweck dieser Maßnahme war die Verringerung
der Höhe der Auslaßkanäle und damit die Vergrößerung des Nutzhubes. Die Verringerung
der Höhe der Auspuffschlitze soll auch eine Verringerung des Verlustes an Spülluft
ergeben. Die Vergrößerung des Nutzhubraumes bewirkt eine vergrößerte Motorleistung.
-
Im Gegensatz zu diesem bekannten Motor mit Querspülung bezieht sich
die Erfindung auf einen Zweitakt-Kurbclkastenmotor mit Umkehrspülung, bei der die
Spülkanäle: und Spülschlitze auf die den Auslaßkanälen gegenüberliegende Zylinderwand
gerichtet sind, da die Spülströme vom Auslaßkanal weggerichtet, an der gegenüberliegenden
Zylinderwand zusammengeführt und von dieser nach oben zum Zylinderkopf umgelenkt
werden sollen. Diese erwünschte Strömungsrichtung des in den Zylinder einströmend-en
Spülmittels in Verlängerung der Richtung des Spülkanals ist jedoch genau nur bei
vollständig vom Kolben aufgesteuerten Spülschlitzen vorhanden, wenn die steuernde
Kolbenkante bzw. der Kolbenmantel nicht den Spülschlitz bzw. Spülkanal zum Teil
abdeckt. Nur dann wird. das ganze Druckgefälle des Spülmittels in der Richtung des
Spülkanals in. Geschwindigkeit umgesetzt. Dies ist normalerweise in der unteren
Totpunktstellung des Kolbens der Fall. Die Höhe der Auslaßkanäle und der Spüllcanäle
soll im Gegensatz zu dem bekannten Motor mit Querspülung nicht verändert werden,
da der Motor für hohe Drehzahlen geeignet sein muß.
-
Der andere Grenzfall ist die Kolbenstellung, bei der der Spülschlitz
bzw. Spülkanal von. der Kolbenkante nur minimal aufgesteuert ist. Das ganze Druckgefälle
des Spülmittels wird hier erst an dem schma-Zen geöffneten Spalt in Geschwindigkeit
umgesetzt, und zwar senkrecht zum engsten Querschnitt, d. h. an jeder Stelle des
Spaltumfanges in. Richtung auf die Zylinderachse zu, da. nur eine minimale Richtwirkung
<les zu diesem Spalt im Spülkanal zuströmenden Spülmittels vorhanden: ist infolge!
der dabei minimalen Geschwindigkeit des Spülmittels im Spülkanal selber-.
-
Das veränderliche Verhältnis der Größe des je nach cler Kolbenstellung
vom Kolben aufgesteuerten Spülschlitzquerschnittes zu der Größe des SpülkanaIquerschnittes
bestimmt das Verhältnis der beiden Druckgefälle, Strömungsenergien und Strömungsgeschwindigkeiten
vor und im Spülschlitz, d. h. der durch. die Richtung des Spülkanals. gerichteten
Zuströmung und der im Spülschlitz selbst erzeugten radialen Komponente, die zusammen
die jeweilige resultierende Strömungsrichtung ergeben.
-
Unmittelbar nach Beginn der Spülschlitzeröffnung und vor deren Abschluß
durch den Arbeitskolben ist die resultierende Spülströmungsrichtung radial auf die
Zylinderachse zu gerichtet. In der unteren Totpunktstellung ist sie genau, in. Richtung
des Spülkanals gerichtet, und in den Zwischenstellungen zwischen diesen beiden Grenzfällen
der Kolbenstellung für den. Spülvorgang wandert die Richtung der resultierenden
Spülströmung zwischen diesen Richtungen der Grenzzustände hin und zurück.
-
Die Abb. 1 zeigt die resultierenden Strömungsrichtungen in Abhängigkeit
von dem aufgesteuerten Querschnitt des Spülschlitzes zu dem Querschnitt des Spülkanals.
Man ersieht, daß die resultierende Spülstromrichtung erst dann vom Auslaß weg und
auf die gegenüberliegende Zylinderwand zu gerichtet ist, wenn der Spülschlitz zur
Hälfte aufgesteuert ist.
-
Bei nur wenig geöffneten, Spülschlitzen kann das in den Zylinder eintretende
Spülmittel verhältnismäßig leicht durch die Auslaßkanäle unter Bildung einer
Kurzschlußströmung
entweichen und ergibt deshalb eine schlechte Spülwirknrig. ,.
-
Bei niedrigen Drehzahlen strömt ein großer Teil des im Kurbelkasten
verdichteten Gemisches bei Ottomotoren bei nur wenig geäffneten Spülschlitzen. in
den Zylinder mit einer solch "schlachten Spülwirkung ein. Die Folgen sind hoher
Kraftstoffverbrauch, geringes Motordrehmoment und geringe Motorleistung und schlechtes
Beschleunigen des Motors selbst.
-
Bei hohen Drehzahlen beginnt die Spülströmung infolge der erfahrungsgemäß
gering gehaltenen V orauslaßhöhe der Auslaßkanäle und d°:s dadurch bedingten Zurückschlagens
vom Verbre:mungsgasen in den Überströ@mkanal erst bei etwa halber Eröffnung der
Spülschlitze durch den Arbeitskolb.2n. Der spätere Beginn der Spülströmung beseitigt
die anfänglichen Spülströ@mrichtunge-ii mit schlechtem Wirkungsgrad. Gegen Ende
des Spülvorganges tritt jedoch auch bei hohen Drehzahlen der Zustand schlechter
Spüls:tromrichtungen ein, da hier das Einströmen des Gemisches in den Zylinder noch
andauert im Gegensatz zu niedrigen Drehzahlen mit Rücksaugen eines Teiles der Zylinderladung
in den Kurbelkasten nach dein unteren Kolbentotpunkt. Die Folge ist besserer Kraftstoffverbrauch
bei hohen Drehzahlen als bei niedrigen Drehzahlen, der jedcch durch die Spülverluste
gegen Ende des Spülvorganges immer noch eine Verschlechterung erfährt.
-
Die Erfindung geht vom obigen Erkenntnissen aus und vermindert ohne
Preisgabe der bewährten Einfachheit der Zweitakt-Kurbelkastenvergasermotoren deren
Spülungsmängel wesentlich. Sie ergibt eine wesentliche Steigerung der Leistung und
des Drehmomentes und eine wesentliche Verringerung des Kraftstoffverbrauches hei
niedrigen Drehzahlen. Mit zunehmenden Drehzahlen wird die Verbesserung der Spülung
zwar geringer, eine solche ist jedoch auch noch bei hohen Drehzahlen vorhanden.
-
Die Erfindung besteht darin, daß 111 an sich bekannter Weis- die ü'berströmkanäle
für das zti den Einlaßachlitzen strömende Spülmittel mit Fenstern im Mantel des
Arb; itskolbens zur Deckung kommen, die eine geringere Höhe als die Einlaßschlitze
aufweisen, beispielsweise die Hälfte; so daß die Überströmkanäle durch die Fenster
im Kolbenmantel erst aufgesteuert werden, wenn die Einlaßschlitze durch die Kalbenoberkante
schon zu einem beträchtlichen Teil ihrer Höhe aufgesteuert worden sind. Dadurch
werden die bisherigen hauptsächlichen Spülverluste am Anfang und am Ende des Spülvorgangs
bei Umkehrspülung beseitigt oder doch- wesentlich verringert.
-
Im Gegensatz zu dem bekannten Motor mit Querspülung erfährt der Motor
mit Umkehrspülung nach der Erfindung die überraschende Wirkung, daß die falschen
Strömungsrichtungen des Spülmittels, die zu Beginn und am Ende des Spülvorganges
bei normalen Überströmkan.älen mit großen Kolbenfenstern auftreten, beseitigt werden,
daß also eine Korrektur der Richtung der Spülströme erreicht wird und damit eine
Verbesserung der Leistung und des Verbrauchs bei Kurbelkastenmotoren mit Umkehrspülung
ohne den Nachteil der Begrenzung der Drehzahl durch zu kleine Auslaßkanäle oder
des zu starken Zurückschlagens von Verbrennungsgasen -in die Überströmhanäle, die
eine Verschmutzung und Aufheizung dieser Kanäle und damit auch des Spülmittels zur
Folge haben und einen unnötigen Verlust von Frischgemisch, wenn der Überströmkanal
als Speicher für zurückschlagende Abgase dienen und dabei ein verhältnismäßig großes
Volumen aufweisen soll. Bei dem Motor mit Ouer-Spülung bedingt eine Erhöhung der
Spülschlitze eine Erhöhung des Kolbenablenkers, die unerwünscht ist, und die Steuerung
des Spülbeginns durch die Kolbenfenster statt durch die Spülschlitze, und die Kolbenkantc
kann keine, Verbesserung der Richtung der Spülströme durch die radial auf die Zylinderachse
gerichteten- Spülkanäle ergeben. Die Verbesserung der Richtung der Spülströmung
tritt nur bei nicht radial in den Zylinder einmündenden Spülkanälen auf, wie sie
die Umkehrspülung besitzt, und ist nur bei der Umkehrspülung wirkungsvoll.
-
Diese Verbesserung der Spülung kann dadurch gesteigert werden, daß
die Unterseite der Spülschlitze überhöht ist gegenüber der Stellung der steuernden
oberen Kolbenkante im unteren Kolbentotpunkt, damit die Aufsteuerung der Hälfte
der Höhe der Spülschlitze durch den Arbeitskolben früher gelegt ist. Dadurch wird
mehr Zeit für den Spülvorgang nach Aufsteuerung der Spülkanäle durch den Arb°itskoll>en
und eine längere Dauer für die Spülung finit bester Wirkung bei voller Eröffnung
gewonnen.
-
Wird für eine weitere Verminderung der Spülverluste der Beginn der
Spülung noch später gelegt, beispi-eIsweise erst nach Eröffnung von zwei Dritteln
der Höhe der Spülschlitze durch den Arbeitskolben, so werden d.ie Höhe der Kolbenfenster,
die durch den restlichen Hub des Kolbens gegeben ist, verhältnismäßig gering und
damit die Fensterquerschnitte. Erfindungsgemäß werden in diesem Falle die Fensterquerschnitte
dadurch vergrößert, daß im Überströmkanal und im Kolben zwei übereinanderliegende
Fensterreihen mit etwa gleichen Steuerzeiten angeordnet sind. Leicht bearbeitbare
Fensterkanten im überströmkanal und im Kolben gewährleisten symmetrisch g cr eiden
Seiten der Auslaßkanäle. leiche Spülströme zu b_ Vor diesem späten Beginn der Spülströmung
steht für das Entspannen der Verbrennungsgase durch den Auslaßkanal genügend Zeit
zur Verfügung, so daß kein Rückschlagen von Verbrennungsgasen in den Kurbelkasten
eintritt. Der Rauminhalt der Ü berströmkanäle wird zur Verringerung von Gemischverlusten
während des Entspannungsvorganges klein gehalten.
-
Bei spätem Beginn der Spülströmung werden die Kolbenfenster verhältnismäßig
schmal und sollen daher möglichst große Länge in Umfangsrichtung der Zylinderbohrung
aufweisen. Dies wird ermöglicht, wenn die Symmetrieebene der Spülströmung und damit
Kanalordnung des Zweitaktzylinders mit Umkehrspülung in bekannter Weise schräg zur
Kolbenachse, beispielsweise unter einem Winkel von 45° dazu, angeordnet ist.
-
Eine solche Spülung, deren Beginn und Ende durch die erfindungsgemäße
Fenstersteuerung spät bzw. früh gelegt sind, eignet sich in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung auch für den Fall, daß zwischen den durch Fenster gesteuerten überströmkanälen
für das Gemisch und dem Auslaßkanal noch in an sich bekannter «'eise je ein Spülschlitz
für reine Luft angeordnet ist, der nur von der oberen Steuerkante des Steuerkolbens
auf- und zugesteuert wird, dessen Richtung ebenfalls fü.r eine Umkehrspülung ausgebildet
ist und dessen Höhe etwas größer als die der Gemischspülschlitze sein kann, wobei
die Spülluft von einem Gebläse geliefert wird. Der Spülvorgang beginnt und endet
mit Spülung durch reine Luft. Nur dem mittleren Spülstromteil wird durch spätes
öffnen und frühes Schließen der Gemischfenster Gemisch zugesetzt. Damit bleiben
die Spitze und das Ende der Spülströmung, die die meisten Spülverluste erleiden,
frei von Kraftstoff. Außer der Verringerung der Gemischverluste
während
der Spülung kann durch diese zusätzliche Luftspülung das Verdichtungsverhältnis
erhöht und damit die Leistung und der Verbrauch weiter verbessert werden.
-
Die Erfindung eignet sich insbesondere für die einfachen Zweitakt-Kurbelkastenvergaserniotoren
für Kraftfahrzeuge, die mit großem Drehzahlbereich arbeiten. Die. Erfindung bringt
eine wesentliche Verbesserung des Kraftstoffverbrauches und des Drehmom:entverhaltens
bei niedrigen und mittleren Drehzahlen, also insbesondere im Stadtverkehr. Es ist
nicht mehr notwendig, hohe Belastung bei niedrigen Drehzahlen aus Gründen des Kraftstoffverbrauches
zu vermeiden. Auch bei hohen Drehzahlen wird noch eine Verbess@°rung des Kraftstoffv
erbrauches erzielt. Eine Verbesserung der Spülung ist auch. für Zweitakt-Kurbelkastendieselmotoren
nach der Erfindung möglich, wenn bei niedrigen Drehzahlen ein möglichst großes Drehmoment
erwünscht ist.
-
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Abbildiungen beschrieben.
Es zeigt Abb. 1 einen Querschnitt eines Zweitaktzylinders mit Umkehrspülung mit
verschiedenen Richtungen der Spülströmung je nach Spülkanaleröffnung, Abb. 2 einen
Teilschnitt durch einen normalen Überströmkanal, Abb. 3 und 4 einen Teilschnitt
durch einen überströmkanal mit Fenstersteuerung, Abb. 5 und 6 einen Teilschnitt
durch einen Überströmkanal mit zwei Fenstern übereinander, Abb.7 ein Schaubild der
aufgesteuerten Querschnitte des Auslaßkanals, Spülkanals und der Kolbenfenster,
aufgetragen über Grad Kurbelwinkel, Abb. 8 einen Querschnitt eines Zwe itaktzylinders
mit Umkehrspülung und Kolbenfenster mit Symmetrieebene schräg zur Kolbenbolzenachse,
Abb.9 einen Querschnitt eines Zweitaktzylinders mit Umkehrspülung mit Gemischkanälen
mit Fenstersteu:erun:g und zusätzlichen Spüll.uftkanälen.
-
In Abb. 1 ist 1 ein Überströmkanal und 2 der Spülschlitz dieses Kanals
auf der linken Seite. 3 und 4 sind die entsprechenden Teile der rechten Seite. 5
ist der Auslaßkanal. Der Pfeil 6 gibt die Richtung des im Überströmkanal 1 zum Spülschlitz
2 strömenden Gemisches an. 7 sind die verschiedenen resultierenden Richtungen der
in den Zylinder eintretenden Spülströmung je nach der Eröffnung des Spülschlitzes.
4/4 bedeutet voll geöffneten Spülschlitz und 0 fast ganz abgeschlossenen Spülschlitz.
Es ist ersichtlich, daß der Spülschlitz mindestens zur Hälfte geöffnet sein muß,
wenn die Spülströmung eine Umkehrspülung ergeben soll. Auf der rechten Seite der
Abb. 1 sind die Spülstromfäden an den beiden Enden des minimal eröffneten Spülschlitzes
mit ihrer radialen Richtung eingezeichnet. die zusammen die links eingezeichnete
Resultante 7-0 ergeben. Erst bei voll geöffnetem Spülkanal ergibt sich die Resultante
7-4/4. Zu Beginn der Eröffnung der Spülkanäle ist nicht nur die Strömungsrichtung
falsch, sondern auch die bandförmige Spülströmung ungeeignet für die Einleitung
einer den Zylinder durchdringenden Umkehrspülströmung.
-
Die Abb. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen normalen Überströmkanal
1 bisheriger Ausführung, 2 ist der Spülschlitz, 8 das große Kolbenfenster :und 9
die untere große Öffnung des Überströmkanals, die mit dem Kolbenfenster zur Deckung
kommt. 10 ist die Steuerkante des Kolbens in der unteren Totpunktstellung.
-
Die Abb. 3 und 4 zeigen einen Überströmkanal nach der Erfindung. 11
ist der Überströmkanal, 12 der Spülschlitz, dessen Unterseite um die Höhe 13 überhöht
ist gegenüber .der Stellung der Steuerkante 10 des Kolbens in der unteren Totpunktlage.
14 ist das Kolbenfenster für die Steuerung .der Gemischspülung, 15 die untere Öffnung
des Überströmkanals, die, mit dein Kolbenfenster 14 zusammenarbeitet. Die Abb. 3
zeigt den Kolben in der unteren Totpunktstellung und die Abb. 4 in der Stellung,
bei der seine Steuerkante 10 den Spülschlitz 12 zur Hälfte aufgesteuert hat. Bei
abwärts gehendem Kolben beginnt anschließend das Fenster 14 die Gemischspülung freizugeben.
Der Spülbeginn kann bei der Ausführung nach den Abb.3 und 4- bis etwa 45° Kurbelwinkel
vor dem unteren Totpunkt verzögert «-erden.
-
Soll der Spülbeginn auf beispielsweise 40 oder 35° vor unterem Totpunkt
verzögert werden, so werden zweckmäßig zwei Kolbenfenster für die Gemisch= spülung
verwendet. Abb. 5 und 6 zeigen eine solche Ausführung. In Abb.5 ist 10 wieder dlie
steuernde Kolbenkante, 11 ein Überströmkanal und 12 ein Spülschlitz mit erhöhter
Unterkante. 17 ist ein oberes. und 18 ein unteres Fenster des Überströmkanals. 19
ist ein oberes und 20 ein unteres Fenster des Kolbens für die Steuerung der Gemischspülung.
Die oberen Steuerkanten 22 der beiden Fenster des Überströmkanals, die mit den Kolbenfenstern
19 und 20 den Beginn und das Ende der Gemischspülung steuern, können leicht von
der Zylinderbohrung aus bearbeitet werden, da diese Steuerkanten senkrecht in die
Zylinderbohrung münden. Die Abb. 5 zeigt den Kolben in seiner unteren Totpunktstellung
und die Abb. 6 beim Aufsteuern des Spülschlitzes 12.
-
Die Abb. 7 zeigt ein Schaubild der vom Kolben aufgesteuerten Querschnitte.
Die Kurve 23 gilt für den Auslaßkanal, die Kurve 24 für die Spülschlitze, die durch
Überhöhung ihrer Unterkante über einen Kurbelwinkel von etwa 55° voll eröffnet sind,
wie die waagerechte Linie 25 anzeigt. Die Kurve 26 gilt für die Kolbenfenster für
die Gemischspülung.
-
Die Abb. 8 zeigt einen versetzten Querschnitt :eines Zylinders mit
Umkehrspülung und Fenstersteuerung durch den Auslaßkanal 5, die beiden Überströmkanäle
11 mit den beiden unteren Öffnungen der überströmkanäle 15 (vgl. Abb. 3 und 4) und
den beiden Kolbenfenstern 14 für die Gemischspülung und durch :den Saugkanal 29.
Die Symmetrieebene 30 der Spülung und Kanalanordnung des Zylinders ist liier beispielsweise
um einen Winkel von 45° gegenüber der Kolbenbolzenachse 31 verdreht. Damit sind
möglichst lange Fenster des Kolbens und der Überströmkanäle in Umfangsrichtung der
Zylinderbohrung ermöglicht.
-
Die Abb. 9 zeigt einen Querschnitt durch einen Zylinder mit Umkehrspülung,
der fenstergesteuerte Überströmkanäle 11 mit Spülschlitzen 12 aufweist. Zwischen
diesen Spülschlitzen 12 und dem Auslaßkanal 5 ist zu beiden Seiten in an sich bekannter
Weise je ein weiterer Umkehrspülkanal32 angeordnet, dem durch ein Gebläse reine
Luft zugeführt wird. Die Luftspülung erstreckt sich beispielsweise über einen Kurbelwinkel
von 120° und die Gemischspülung über einen Kurbelwinkel von etwa 70°. Das Gebläse
für die Spülluft kann beispielsweise ein Rootsgebläse oder Schleudergebläse sein.
-
Unter Beibehaltung der bewährten Einfachheit von Zweitakt -Kurbelkastenvergasermotoren,
d. h. nur durch Änderung der Ausbildung der Überströmkanäle und Kolbenfenster sind
diese Motoren durch die Erfindung durch Verringerung des Kraftstoffverbrauches und
Steigerung des Drehmomentes, insbesondere bei niedrigen und mittleren Drehzahlen
wesentlich verbessert
worden, da ihr bisheriger Hauptmangel beseitigt
wurde.