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Mehrzylindrige Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Abgas -Turbolader Die
Erfindung bezieht sich auf e-ine mehrzylindrige Zweitakt-Brennkraftmaschine mit
vom Arbeitskolben der Maschine gesteuerten Einlaßschlitzen, denen die von mindestens
einem Abgas-Turbolader gelieferte Spül- und Ladeluft durch "einen Verteilkanal
und anschließend durch von diesem abgezweigte, voneinander getrennte Einlaßkanäle
zufließt.
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Bekanntlich fehlt dem Zweitaktzylinder die Fähigkeit des Viertaktzylinders,
selbsttätig ansaugen und daher selbst das Luftvolutnen regeln zu können, welches
ihm der Abgas-Turbolader unter einem von letzterem abhängigen Druck zu liefern hat;
außerdem bedarf der Zweitaktzylinder im allgemeinen eines gewissen Luftüberschusses
zu seiner Spülung und daher hei gleicher Aufladehöhe im allgemeinen einer größerien
Leistung an der Abgasturbine als der Viertaktzylinder.
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Um den sich hieraus für die Zweitaktmaschine ergebenden Schwierigkeiten
zu begegnen, hat man schon vorgeschlagen, ihren Abgas-Turholader nicht frei fahren
zu lassen, sondern ihm Fremdenergie zuzuführen, insbesondere z. B. ihn drehzahlabhängig
von der Brennkraftmaschine aus anzutreiben oder aber ihm eine mit der Brennkraftmaschine
gekuppelte oder auch anderweitig angetriebene Kolbenpumpe in Serie nach- oder vorzuschaften,
oder ihm eine Kolbenpumpparallel züi schalten.
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Diese schon vorgeschlagenen Maßnahmen komplizieren jedoch den Aufbau
und die Bedienung der Maschine, und erhöhen die Verluste.
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Die Erfindungsaufgabe besteht darin, diese, Nachteile zu verrnindern
und an Stelle der bekannten Maßii2#limei-i bessere anzugeben,. welche sowohl ein
Anlassen der Zw.-itaktmaschine auch ohne Fremdantrieb des Turboladers ermöglichen
als auch geeignet sind, den Spülvorgang der Maschine auch noch anderweitig zu begünstigen.
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Die Erfindung besteht darin, daß zu einem Arbeitsratim eines jeden
Zylinders mindestens ein getrennter Einlaßkanal führt, welcher sich seitlich in
eine kammer öffnet, deren Volumen mittels eines Verdrängerkolbens im Arbeitstakt
des Arbeitsraurnes periodisch geändert wird und die ständig mit dem Einlaßkanal
in Verbindung steht, Unter »Nebenkammer« wird hier und im folgenden nicht nur eine
kompakte Kammer verstanden, sondern sie kann auch aus miteinander verbundenen Teilkammern
bestehen, sofern sie an den Einlaßkanal »seitlich«, also wie eine Sackgasse an eine
durchgehende Straße angeschlossen ist.
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Durch die Erfindung wird erzielt, daß am Einlaßkanal und an den Einlaßschlitzen
periodisch eine Luftmenge bereitgestellt wird, die dazu dienen kann, einen zwischen
dem augenblicklichen Luftbedarf des Zylinders und der augenblicklichen Luftlieferung
des Verteilkanals entstehenden Fehlbetrag auszugleichen. Ein solcher Fehlbetrag
entsteht z. B., wenn die Maschine mit noch stillstehendem Turbolader angelassen
wird. Er entsteht aber auch während des Vollbetriebes der Maschine, da ja die Einlaßschlitze
während, des größeren Teils des Arbeitsspieles geschlossen sind und erst nach ihrem
Öffnen plötzlich die gesamte je
Arbeitsspiel nötige Luftmenge geliefert werden
muß.
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Dabei wird weiter erzielt, daß, als Folge der Verdrängung durch den
Verdrängerkolben, kurz vor dem Öffnen der Einlaßschlitze vor ihnen eine Druckerhöhung
entsteht, welche es ermöglicht, die Einlaßschlitze früher öffnen zu lassen. Da ferner
die Nebenkammer seitlich, also wie eine Sackgasse an eine durchgehende Straße, an
den Einlaßkanal angeschlossen ist, so liegt sie außerhalb des Weges der vom Turbolader
zu den Einlaßschlitzen fließenden Luft, und der unmittelbare Weg vom Turbolader
zu den Einlaßschlitzen bleibt daher stets frei.
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Die Bewegungen des Verdränger- und des Arbeitskolbens können, hierbei
relativ zueinander so eingestellt sein, daß ein wesentlicher Teil der durch den
Verdrängerkolben bewirkten Verdrängung in den Zeitraum fällt, in welchem die Spülschlitze
offen sind.
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Es kann am Anschluß der Nebenkammer an den Einlaßkanal eine Leitvorrichtung
angeordiiet sein, welche die aus der Nebenkammer in den Einlaßkanal fließende Luft
auf die Einlaßschlitze hin richtet.
-Es kann die Maßnahme getroffen
werden, daß der hinsichtlich Strömungswi ' derstand gleie - hwertige
Lochquerschnitt für den zwischen dem- -VerteilI,:anal und dem Anschluß der Nebenkammer
liegenden ersten Teil des Einlaßkanals kleiner gewählt ist als für den zwischen
dem Anschluß Land dem Arbeitsraum liegenden, die Einlaßschlitze einbegreifenden
zweiten Teil des, Eifflaßkanals.
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Es kann in de « n getrennten Einlaßkanal zwischen dem Turbolader
und dem Anschluß der Nebenkammer eine Vorrichtung eingebaut sein, welche der vom
Turbolader zum Zylinder gerichteten Strömung einen kleineren Widerstand entgegensetzt
als der umgekehrt gerichteten Strömung. 1
Hierdurch wird erzielt, daß die
vom Verdrängerkolben durch den Anschluß des Nebenraumes in den Einlaßkanal gedrängte-
Luft insbesondere auch dann schon bevorzugt den Einlaßschlitzen zugewendet wird,
wenn der Turbolader beim Anlassen oder bei langsamem Lauf der Maschine noch nicht
oder nicht genügend fördert. Dabei kann der zweite Teil des getrennten Einlaßkanals
so stark erweitert sein, daß er substantiell mit einer oder einigen der Teilkammern
der Nebenkammer zusammenfällt.
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Die Widerstandsvorrichtung k?,nn als Rückstromdrossel oder auch als
Rückschlagventil ausgebildet sein.
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Die- Nebenkammer kann aus mehreren miteinander verbundenen Teilkammern
bestehen, und es kann das Volumen mindestens einer Teilkammer geändert werden, für
den Rest der Teilkammern jedoch ungeändert bleiben.
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Die Zweitakt-Brennkraftmaschine kann einfachwirkend ausgebildet und
der Arbeitskolben selbst kann mit seiner Unterseite- als Verdrängerkolben wirksam
gemacht sein. Dabei kann es sich empfehlen, daß ein Zwischenboden angeordnet ist,
welcher, die Kolbenstange des Arbeitskolbens gasdicht umschließend, den Raum unter
dem Kolben vom Kurbelgehäuse trennt, und daß die Nebenkammer den Raum unter dem
Kolben einbegreift. Diese Anordnung liefert eine besonders einfache Ausführung der
E rfindung.
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An Hand der Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert
w--rden. Es zeigt in schematischen Darstellungen Fig. 1 einen die Achse eines
der Zylinder enthaltenden, quer zur Kurbelwelle gelegten Schnitt durch eine längs
gespülte Gegenkolbenmaschine, Fig. 2 einen die Achse eines der Zylinder enthaltenden,
quer zur Kurbelwelle gelegten Schnitt durch eine quer gespülte doppelwirkende Einkolbenmaschine,
Fig. 3 einen die Achse eines der Zylinder enthaltenden, quer zur Kurbelwelle
gelegten Schnitt durch eine einfachwirIkende quer gespülte Einkolbenmas#chine, Fig.
4 einen die Achse eines der Zylinder enthalt-enden, quer zur Kurbelwelle gelegten
Schnitt durch eine einfachwirkende längs gespülte Einkolbenmaschine.
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Die Fig. 5 bis 8 zeigen Beispiele für Rückstromdrosseln.
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In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Zylinder einer Gegenkolbenmaschine,
welcher einen Arbeitsraum enthält, der nach unten durch den die Einlaßschlitze 2
steuernden Arbeitskolben. 3 begrenzt ist. Letzterer ist mit der im nicht
gezeichneten Gelhäuse der Maschine gelagerten unteren Kurbelwelle 4 mittels der
Treibstange 5 verbunden. Nach oben ist der Arbeitsraum durch den die Auslaßschlitze
6 steuernden Kolben 7
-begrenzt. Dieser ist durch die Treibstange
8 mit der obehen Kurbelwelle 9 verbunden, die gleich der unteren Kurbelwelle
4 im Gehäuse des Motors gelagert ist und mit dieser über ein nicht gezeichnetes
Ketten-oder Zahnradgetriehe im Übersetzungsverhältnis 1: 1
in Verbindung steht.
An die Auslaßschlitze 6 anschließende Auslaßkanäle 10 führen das Abgas
des Arbeitsraumes dem nicht gezeichneten Abgas-Turbolader zu. Die von diesem gelieferte
Luft wi,rd durch z-,vei für mehrere Zylinder gemeinsame Verteilkanäle
11 und anschließend durch von diesen abgezweigte, voneinander getrennte Einlaß'kanäle12/13
den Einlaßschlitzen 2 zugeführt. Zum Arbeitsraum des Zylinders führen also zwei
sowohl voneinander als auch von den Einlaßkanälen der übrigen Arbeitsräume getrennte
Einlaßkanäle12/13. An jeden getrennten Einlaßkanal ist eine Nebenkammer 14 mittels
eines Anschlusses 15 seitlich angesalossen, deren Volumen durch einen Verdrängerkolben
16:!#": im
Arbeitstakt des Arbeitsraumes periodisch geändert wird. Hierzu
sind die beiden Verdrängerkolben 16
durch Treibstangen 17 mit Kurbelwellen
18 verbunden, die im Gehäuse der Maschine gelagert sind und durch im Verhältnis
1: 1 übersetzte Kettengetriebe 19 mit der unteren Kurbelwelle 4 der
Maschine in Verbindung stehen.
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Die vier erwähnten Kurbeln 4, 9, 18 und 18 laufen demnach
synchron, jedoch laufen sie im allgemeinen nicht in Phase. So, ist die obere Kurbel
9 gegen die untere kurbel 4 derart versetzt, daß, wie es bei Gegenkolbenmaschinen
üblich ist, die Bewegung des den Auslaß 6 steuernden Kolbens 7 der
Bewegung des die Einlaßschlitze 2 steuernden Kolbens 3 voreilt. Wie gleichfalls
üblich, öffnet der Auslaß früher als der Einlaß und schließt ebenfalls früher oder
aber etwa gleichzeitig mit letzterem.
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Beim Anlassen der Maschine steht der Abgas-Turbalader anfangs noch
still, und im Verteilkanal 11
findet daher noch keine Strömung statt. Nun
möge der Arbeitskolben 3 anfangen, sich von seiner strichpunktiert eingezeichneten
oberen Totpunktlagt aus abwärts in Bewegung zu setzen. Bald darauf beginnt dann
der anfangs noch nicht ganz in seiner unteren Totpunktstellung stehende Verdrängerkolben
16 nach überwindung derselben sich aufwärts zu bewegen und Luft durch den
Anschluß 15 hindurch in den Einlaßkanal 12, 13 zu drängen. Sind die
Einlaßschlitze 2 noch nicht geöffnet und vermag daher die Luft noch nicht den zweiten
Teil 13 des Einlaßkanals zu durchströmen, so entsteht zunächst im ersten
Teil 12 desselben eine auf den Verteilkanal 11 hin gerichtete Rückströmung.
Sobald jedoch die Einlaßsc'hlitzt 2 durch den Arbeitskolben 3 geöffnet worden
sind, gabelt sich die durch den Anschluß 15 hindurch ge-
drängte Luft,
undein Teil derselben du-rchströmt nunmehr auch den zweiten Teil 13 des Einlaßkanals
und tritt als Spülströmung durdh die Einlaßschlitze 2 in den Arbeitsraum ein. Zwecks
Verbesserung des Anteils dieser Spülströmung an der gesamten, aus der Nebenkammer
14 in den Einlaßkanal 12, 13 fließenden Luft ist am Anschluß 15 eine
aus den Leitflächen 20 bestehende Leitvorrichtung angeordnet, welche diese Luft
auf die Einlaßschlitze hinwendet. Ferner richtet sich der Anteil dieser Spülströmung
auch nach den Strömungswiderständen einerseits des die> Spül-
strömung enthaltenden
Einlaßkanalteils 13 einschließlich der Einlaßschlitze2 und andererseits des
die Rückströmung enthaltenden Einlaßkanalteils 12. Mit Bezug hierauf würden also
die beiden Anteile den Querschnitten zweitr sich hinsichtlich Strömungswiderstand
gleichwertig
mit den Einlaßkanalteilen verhaltender Löcher direkt proportional sein. Hiervon
ist zwecks weiterer Verbesserung des Anteils der Spülströmung dadurch Gebrauch gemacht,
daß der erwähnte gleichwertige Querschnitt für den Teil 12 kleiner gewählt ist als
für den Teil 13 einschließlich der Einlaßschlitze 2. Es ist hierbei die mittels
des Verdräng-erkolbens erzielte Vergleichmäßigung der Strömung im Teil 12 ausgenutzt,
die eine solche Verkleinerung erst möglich macht: Bei vollem Betrieb der Maschine,
bei dem unzulässig hohe Strömungsverluste am ehesten entstehen könnten, werden närnlich
die beiden Teile. 12 und 13 des Einlaßkanals zwar im Mittel von genau der
gleichen Luftmenge durchströmt. Jedoch wird der zweite Teil 13 von dieser
Luftmenge innerhalb der Spül- und Ladezeit, also innerhalb nur etwa eines
Viertels bis eines Drittels der Umdrehungszeit, durchströmt, und während des Restes
der Umdrehung steht in diesem Teil 13 die Strömung still. Die Vergrößerung
des Querschnittes des Teils 13 des Einlaßkanals kann auch im Extrem so weit
gehen, daß der Teil 13 substantiell mit der Nebenkammer 14 in einen Raum
zusammenfällt. Der erste Teil 12 dagegen wird nicht nur während der Spül-
und Ladezeit, sondern auch während des größten Teils der übrigen Umd-rehungszeit
durchströmt, so insbesondere während der Zeit, in welcher der abwärts gehende Verdrängerkolben
16 bei schon geschlossenen Einlaßschlitzen 2 Luft durch den Teil 12 hindurch
entnimmt, dieselbe im Nebenraum 14 aufspeichert und sie so für den nächstfolgenden
Spül-
vorgang schon bereitstellt.
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Der erste Teil 12 des Einlaßkanals wird also vorwiegend gleichmäßig
von der gleichen Luftmenge durchströmt, die den Teil 13 stoßweise durchfließen
muß, und der gleichwertige Querschnitt des Teils 12 darf daher gegenüber dem gl-eichwertigen
Querschnitt des Teils 13 einschließlich der Einlaßschlitze 2 wesentlich verkleinert
werden.
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Diese Verkleinerung kommt nicht nur, wie oben beschrieben, dem Anlaßvorgang
sowie ferner dem Leerlaufbetrieb bei niedrigen Drehzahlen zugute, bei dem der Abgas-Turbolader
gleichfalls noch keine ausreichenden Luftmengen zu fördern vermag. Sie kommt vielmehr
auch dem Vollbetrieb der Maschine zugute, und zwar dadurch, daß sie die Druckerhöhung
noch weiter vergrößert, welche,'als Folge der Verdrängung durch den Kolben
16, vor den Einlaßschlitzen 2 vor dem Öffnen derselben entsteht und welche
es ermöglicht, den Zeitpunkt des Öffnens der Einlaßschlitze näher an den Zeitpunkt
des öffnens der Auslaßschlitze zu legen.
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In Fig. 2 bezeichnet 21 einen Zylinder einer quer gespülten doppelwirkenden
Einkolbenmaschine, welcher zwei Arbeitsräume oberhalb und unterhalb des die Einlaßschlitze
22 steuernden Arbeitskolbens 23
enthält. Letzterer ist durch eine Kolbenstange24
über einen Kreuzkopf und eine Treibstange mit der Kurbelwelle verbunden, -welche
Teile nicht gezeichnet sind. Der Arbeitskolben 23 steuert zugleich auch die
Auslaßschlitze 25. An diese anschließende Auslaßkanäle 26 führen das
Abgas dem nicht gezeichneten Abgas-Turbolader zu. Die von diesem gelieferte Luft
wird durch den für mehrere Zylinder gemeinsamen, Verteilkanal 27 und anschließend
durch von diesem abgezweigte, für jeden Arbeitsraum voneinander getrennte Einlaßkanäle
geführt, die aus einem ersten bis zum Anschluß 28 der Nebenkammer
29 reichenden Teil 30 und einem zweiten von dort bis zu den Einlaßschlitzen
22 reichenden Teil 31 bestehen. Die obere und die untere Nebenkamm-er
29 sind durch den ihnen gemeinsamen Verdrängerkolben 32 vonein-ander
getrennt, der von der Maschine aus mittels der Stange 33 auf und ab bewegt
wird und das Volumen der Nehenkammern 29 im Arheitstakt der Arheitsräume
periodisch ändert.
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Im übrigen gelten die bei Besprechung der Fig. 1
hinsichtlich
der Arbeitsweise der Maschine gegebenen Erläuterungen auch für Fig. 2. Insbesondere
können auch hier die Bewegungen der Kolben 23 und 32 gegeneinander
versetzt werden, so. daß, wenn der, Arbeitskolben 23 in seiner strichpunktiert
eingezeichneten oberen Totpunktlage steht, der Verdrängerkolben 32 seine
untere Totpunktlage noch nicht ganz erreicht hat, wobei die durch den Verdrängerkolben
bewirkte Verdrängung hauptsächlich in den Zeitraum fällt, in dem die Einlaßschlitze
22 geöffnet sind. Im ersten Teil 30 des Einlaßkanals ist, zwedks weiterer
Verbesserung des bei Besprechung der Fig. 1
erwähnten Anteils der Spülströmung,
eine Rückströmdrossel 34 angeordnet, welche der vom Verteilkanal 27
auf die
Einlaßschlitze22 und den Anschluß 28 der Nebenkammer 29 hin gerichteten Strömung
einen kleineren Widerstand entgegensetzt als der umgekehrt gerichteten Strömung.
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In Fig. ä bezeichnet 41 ein-en Zylinder einer einfachwiTkenden
quer gespülten Einkolbenmaschine, welcher einen Arbeitsraum oberhalb des die Einlaßschlitze
42 steuernden Arbeitskolbens 43 enthält. Letzterer ist durch eine Kolbenstange44
über einen Krenzkopf und eine Treibstange mit der Kurbelwelle verbunden, welche
letzteren Teile nicht gezeichnet sind. Der Arbeitskolben 43 steuert zugleich auch
die Auslaßschlitze45. Ein an diese anschließender Auslaßkana146 führt das Abgas
dem nicht gezeichneten Abgas-Turbolader züi. Die von diesem gelieferte Luft wird
durch den für mehrere Zylinder gemeinsamen Verteilkana147 und anschließend durch
einen von diesem abgezweigten, für jeden Arbeitsraum getrennten Einlaßkanal geführt,
der aus einein ersten bis zum Anschluß 48 der Nebenkammer reichenden Teil
50 und einem zweiten von dort bis zu den Einlaßschlitzen 42 reichenden Teil
51 besteht. Die Nebenkammer besteht a-us den miteinander verbundenen Teilkammern
49, 52 und 53. Die Teilkammern 49 und 52 sind unveränderlich.
Das Volumen der Teilkammer 53 wird mittels eines Verdrängerkolbens, als welcher
hier die Unterseite des Arbeitskolbens 43 selbst dient, periodisch im Arbeitstakt
des Arbeitsraums geändert.
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Hierzu ist ein Zwischenboden 54 angeordnet, welcher, die Kolbenstange
44 des Arbeitskolbens 43 gasdicht umschließend, den Raum unter dein Kolben und damit
auch die diesen einbegreifende Teilkammer 53 von dem nicht gezeichneten Kurbelgehäuse
der Maschine trennt. Die Unterteilung der Nebenkammer in mehrere Teilkammern 49,
52, 53 erleichtert die Unterbringung einer Nebenkammer großen Volumens am
Motor. Ein großes Volumen verbessert die Speicherfähigkeit der Nebenkammer, was
insbesondere dann wichtig sein kann, wenn die Bauart der Maschine es unmöglich macht,
der Bewegung des Verdrängerkolbens eine Phasenverschiebung gegenüber der Bewegung
des Arbeitskolbens zu erteilen. Dies trifft in dem in Fig. 3 dargestellten
Ausfüh-rungsbeispiel zu, weil hier die Unterseite des Arbeitskolbens 43, wie schon
erwähnt, selbst als Verdrängerkolben dient.
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In solchem Fall wird nämlich die größere Teilmenge der von der Unterseite
des Arbeitskolbens 43 verdrängten Luftrnenge. daran gehindert, unmittelbar
durch
die Einlaßschlitze 42 in den Arheitsraum des Zylinders 41 einströmen zu können.
Es ist dies diejenige Teilmenge, die als erste, und zwar ausgehend von der oberen
strichpunktiert eingezeichneten Totpunktstellung des Arbeitskolbens 43 bis herab
zu der Stellung, in der die Oberseite des Kolbens die Einlaßschlitze 42 öffnet,
durch die in die Teilkammer 53
eintauchende Unterseite des Kolbens verdrängt
wird. Die. Teilkammern 49, 52 und die im Volurnen veränderliche Teilkammer
53 wirken nun zunächst durch ihr Volumen, indem dieses einen gewissen Anteil
dieser e-rwähnt-en ersten verdrängten Teilmenge bis zu dem Zeitpunkt des Öffnens
der Einlaßschlitze aufzuspeichern vermag. Die Teilkammern und ihre Verbindungen
bewirken ferner, daß die zu Beginn des Verdrängens zunächst an der Unterseite des
Kolbens 43 entstehende Druckerhöhung sich nicht sofort, sondern erst- mit einer
gewissen Verzögerung und daher erst zu einem für die Spülung des- Arbeitsraumes
günstigeren Zeitpunkt bis zu den Einlaßschlitzen 42 fortpflanzt. Und schließlich
beewirken die Teilkammern und ihre Verbindungen, daß,auch die Entleerung der in
ihnen gespeicherten Luft verzögert wird, undtragen so dazu bei. daß die durch
den Anschluß 48 hindurch in den Einlaßkanal 50,- 51 einfließende Strömung
noch über den Zeitpunkt, in welchem die Verdrängung zum Stillstand gekommen ist,
hinaus zugunsten der Spülung des Arbeitsraumes nachläuft.
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Am Anschluß 48 der Nebenkammer an den Einlaßkanal ist eine Leitvorrichtung
55 angeordnet, welche die aus der -Nebenkammer in den Einlaßkanal fließende
Luft auf die Einlaßschlitze hin richtet.
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In Fig.4 -1-)ezeichilet56 das Auslaßventil eines Zylinders41 einer
einfachwirkenden längs gespülten Einkolbenmaschine, und 57 bezeichnet ein
Rückschlagventil, -welches im ersten Teil 50 des Einlaßkanals angeordnet
ist und- dort die vom Verteilkanal 47 zu den Einlaßschlitzen gerichtete Strömung
hindurchläßt, die umgekehrt gerichtete Strömung dagegen nicht hindurchläßt. Die
übrigen in Fig. 4 benutzten Hinweisziffern stimmen mit den in Fig. 3 benutzten
überein, und die dafür in Fig. 3 gegebenen Erläuterungen gel-
ten auch
für Fig. 4.
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In den Fig. 5 bis 8 sind. einige bekannte Ausführungsbeispiele
von Rückströmdrüsseln dargestellt. Ihr Strömungswiderstand ist jeweils in Richtung
des eingezeichneten Pfeiles klein-er als in der enigegengesetzten Richtung.
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Die in den Fig. 1 bis 4 näher beschriebenen Einzelmerkmale
sind jeweils nicht nur auf die,gerade besprochene Maschinenart beschränkt, sondern
sie können in sinnvoller Kombination von-der einen auf die andere Art übernommen
-,v#--rden.