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Doppelkolben-Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine Die Erfindung betrifft
Doppelkolben-Zweitakt-Verbrennungskraftmaschinen mit U-förmigem Brennraum und getrennten
Kurbelkammerpumpen für Luft und Brennstoffluftgemisch, wobei die Luft eher in den
Arbeitszylinder gefördert wird als das Brennstoffluftgemisch. Die Erfindung ist
gekennzeichnet durch eine venturirohrartige Einschnürung des überströmkanals für
die in der einen Kurbelkammer angesaugte Luft und eine in der Strömrichtung unmittelbar
darauffolgende gesteuerte Durchbrechung des Überströmkanals nach dem Brennstoffluftgemisch-Ansaugeraum
hin.
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Ihr Zweck ist, die von den Zweitaktern gegenüber den Viertaktern theoretisch
zu erwartende doppelte Leistung in stärkerem Maße als bisher auch praktisch zu verwirklichen,
und mit den Mitteln der Erfindung wird dieser Zweck in einem praktisch ins Gewicht
fallenden Maße erreicht, weil infolge der einem Bunsenbrenner vergleichbaren Ausgestaltung
des Überströmkanals als Strahlpumpe die für den Verbrennungsvorgang vorgesehene
Menge von Brennstoffluftgemisch mit zuverlässigerer Genauigkeit und Vollständigkeit
in ihrem vorgesehenen Volumen erfaßt wird und in den Arbeitszylinder gelangt als
bisher, und zwar lückenlos auch im vollen Leerlaufbereich und bei niedrigster wie
auch bei höherer Drehzahl. Der Wirkungsgrad wird dadurch besser und nicht zuletzt
gleichmäßiger, auch der Bereich möglicher Leistungsänderung bei unveränderter jeweiliger
Drehzahl wird weiter,. wie unten des näheren ausgeführt. Durch die beschriebene
Saugwirkung entsteht zugleich ein Unterdruck in dem nun zuverlässig völlig entleerten
Brennstoffansaugeraum als günstige Vorbereitung für das neue Brennstoffansaugen
heim nächsten Takt. Weiter ist durch die Erfindung der Grund gelegt, das zuverlässig
in der gewollten Menge in den Zylinder gebrachte Brennstoffluftgemisch zur ebenfalls
voll beherrschten Auswirkung zu bringen. Die durch die Venturieinschnürung gesteigerte
Einströmgeschwindigkeit vermag nämlich ein völliges Überdecken des Kolbenbodens
über den gesamten Zylinderquerschnitt hin mit dem einströmenden Gas in geschlossener
Gasschicht zu gewährleisten. einerlei, ob reine Spülluft oder Gemisch in den Zylinder
einströmt. Hierdurch wird dem Zurückbleiben von Abgasresten und ihrer Vermischung
mit dem Frischgas der Boden entzogen, die für die bei den Zweitaktmotoren mit ihrer
Zusammenfassung von Ladung und Spülung auf eine einzige Kurbelumdrehung bisher nicht
behobene Unsauberkeit der Verbrennung verantwortlich war, und auch der Bildung von
Abgaskernen sowie den Frischgasverlusten durch den Auslaßschlitz. Mit der erreichten
Beherrschung der Gemischmenge und des Spülvorgangs ist als drittes eine zuverlässige
Beherrschung der thermischen Belastung im Zylinderinnern, besonders der Kolben einschließlich
des AuslaßkoIbens, erreicht und dem Nachteil -des KoIbenklemmens grundlegend begegnet.
Beide Kolben sind während des Kompressionshubes von kühlem Frischgas, der Auslaßkolben
unter Umständen von einem Rest kühler Spülluft, bespült. Durchmesserunterschiede
zwischen Kolben und etwa durch Außenluft stärker gekühlter Zylinderwandung können
infolgedessen in dem durch die Federung der Kolbenringe ausgleichbaren Bereich gehalten
werden.
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Es ist bekannt, bei Doppelkolben-Zweitakt-Verbrennungskraftmaschinen
mit U-förmigen Brennraum von den beiden getrennten Kolbenpumpenräumen einen für
Brennstoffluftgemisch und den anderen für reine Luft vorzusehen und beides beim
Niedergehen der Kolben durch Kanäle gleichmäßigen Querschnitts in die beiden Zylinder
zu drücken, mit oder ohne eine gewisse Voreilung der reinen Luft, während der Auspuff
sich den Einlaßöffnungen dieses Zylinders gegenüber im anderen Zvlinder befindet.
Eine durchgreifende Trennung des einströmenden frischen Gemischs von den Abgasen
des vorangegangenen Hubes ist dadurch jedoch nicht gelungen, wie sie sich für die
Behebung der obigen Nachteile als grundlegend erweist, auch nicht durch Voreintritt
der komprimierten Luft in den Zvlinder beim Hinüberdrücken der in den Kurbelgehäusen
komprimierten Gase.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, das komprimierte Gas der
einen Kurbelkammer, also Luft oder Gemisch, auf seinem Weg zum Zylinder, mit oder
ohne Luftvoreintritt in diesen, zunächst durch die mit dem komprimierten Gas der
anderen Art gefüllte andere Kurbelkammer hindurchzuführen. Dabei ist aber für eine
gleichmäßige Durchmischung der beiden Gasarten keine größere Gewähr gegeben als
für ihre Mischung im Zylinder selbst. Ebensowenig besteht dabei für restlose Erfassung
und Mitnahme
des in der durchströmten Kammer zunächst allein enthaltenen
komprimierten Gases eine Gewähr, die mit derjenigen vergleichbar wäre, die gemäß
der Erfindung durch die Venturieinschnürung erreicht ist. Zugleich ist dort baulich.die
sichere Trennung der nebeneinanderliegenden Kurbelkammern durch die Durchführung
der Wellenkurbel durch die Trennwand erschwert, zumindest sind hierzu bisher Dichtungen
zwischen bewegten und ruhenden Teilen und die ständige Wartung dieser stark beanspruchten
Dichtungen erforderlich. So bleibt auch beim Arbeiten nach diesem Vorschlag zumindest
der Brennstoffverlust bestehen, und nicht minder bleibt es, wie überall bisher,
dem Zufall überlassen, in welchem Verhältnis die Gase in den verschiedenen Teilendes
Kurbelkammerraumes jeweils zur gleichmäßigen Durchmischung miteinander kommen, von
der der Wirkungsgrad des Motors entscheidend mitabhängt.
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Es ist beim Ansaugen allein von Luft im Kurbelgehäuse auch bekannt,
unter Teilung des Überströmquerschnitts einen Teil der Luft durch das Ansaugerohr
des unmittelbar auf den Zylinder arbeitenden Vergasers in den Zylinder zu führen
und nach Wahl auch diesem Ansaugerohr Venturiquerschnitt zu geben. Eine Verbesserung
der Ladung zu sauberer Verbrennung und Verbesserung der Innenkühlung konnte sich
auch dabei nicht ergeben, während andererseits nur der abgegrenzte Teil der angesaugten
Luft für die Brennstofförderung wirksam, diese also eng begrenzt ist.
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Beim Gegenstand der Erfindung strömt dagegen in den Zylinder ein bereits
fertiges gleichmäßiges Brennstoffiuftgemisch ein, das sich schon außerhalb des Zylinders
im Überströmkanal und zwangsläufig gleichbleibend im Verhältnis des Querschnitts
für das Durchströmen der Luft zu demjenigen für den Eintritt des Brennstoffgemischs
gebildet hat. Die durch die Venturieinschnürung im Überströmkanal gesteigerte Überströmgeschwindigkeit
der Gase in den Zylinder trägt zusätzlich zu der eingangs erwähnten, an sich bekannten
Bildung geschlossener Schichten über den vollen Zylinderquerschnitt und zur Aufrechterhaltung
dieser sauberen Schichtung und des vor dem Einströmen systematisch erzielten Mischungsverhältnisses
dadurch bei, daß die erzielten Gasschichten beim Weiterströmen im Zylinder durch
das in gleicher Weise nachströmende Gas ebenfalls über den ganzen Zylinderquerschnitt
hin ständig auf ganzer Fläche gestützt werden, so daß also, vom Kolben her gesehen,
in sauberer Trennung die Schichtung »Arbeitsgemisch, Spülluft, alte Abgase« entsteht.
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Die eingangs und die in Verfolg davon weiter besprochenen Vorteile
werden auf einfache Weise in gesteigerter Vollkommenheit und Zuverlässigkeit erreicht.
wenn der Ansaugstutzen der luftansaugenden Kurbelkammer einfach an das besonders
bei Einbaumotoren meist vorhandene Kühlluft-Turbogebläse angeschlossen ist. Es ist
bei :Maschinen gestreckter Bauart lediglich zur Leistungssteigerung und mittels
eines separaten Laders an sich bekannt, die Luft in bereits vorverdichtetem Zustand
in den Ansaugstutzen einzuführen; während so gemäß der Erfindung jede zusätzliche
Vorrichtung zum Vorverdichten der Luft durch Heranziehen des durchweg ohnehin vorhandenen
Kühlluft-Turbogebläses vermieden ist, haben die erst durch die Erfindung erreichten
fortschrittlichen Wirkungen dort durch die umständlichere Vorkompression keine Steigerung
erfahren können. Die beachtliche Steigerung des mit den Mitteln der Erfindung bereits
gesicherten Erfolges mittels der an sich bekannten Vorverdichtung ist so gemäß der
Erfindung zugleich in besonders wirtschaftlicher Weise erreicht.
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Die Steuerung der Durchbrechung zwischen Überströmkanal und Brennstoffansaugeraum
kann gemäß der Erfindung in gleichfalls einfacher Weise ohne Aufwand an mechanischen
Teilen durch Anordnung eines an sich bekannten Kolbenfensters im brennstoffansaugenden
Kolben erreicht werden. Während im Überströmkanal das Arbeitsgemisch für die Zylinderladung
sich infolge der Bunsenbrenner- oder Strahlpumpenwirkung in gleichmäßigem Mischungsverhältnis
bildet, schirmt der Kolbenboden das Zylinderinnere gegen das noch luftärmere Brennstoffluftgemisch
im Brennstoffansaugeraum weiter vollkommen ab und sichert so im Zusammenwirken mit
dem Kolbenfenster die Einhaltung des Mischungsverhältnisses Brennstoff-Luft und
seiner Gleichmäßigkeit im Zylinder. Zugleich ist durch den Abstand zwischen Kolbenfenster
und Kolbenboden das Maß für den Voreintritt reiner Spülluft willkürlich im voraus
bestimmbar, wobei der Abstand zwischen Gemischein- und -ausströmöffnung am Überströmkanal
das Höchstmaß bestimmt.
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Um auch Fehlerquellen für das Mischungsverhältnis vor der Gemischbildung
im Überströmkanal einzuschränken, können gemäß der Erfindung vor den Ansaugöffnungen
in den Kurbelkammern in an sich bekannter Weise Flachdrehschieber vorgesehen sein,
welche zumindest die Einsaugleitung für das Brennstoffluftgemisch lediglich zum
Einsaugen bei aufwärts gehendem Kolben freigeben. Dann sind die Einsaugleitungen
dagegen gesichert, daß bei niedergehenden Kolben Gasmengen in die Einsaugleitung
zurückströmen, statt mit in den Zylinder gedrückt zu werden. Sind gemäß der Erfindung
die Arbeitskurbeln wie bei Maschinen gestreckter Bauart getrennt voneinander ausgeführt
und die gemeinsame Arb-ei,tswelle außerhalb der Kurbelgehäuse angeordnet, statt
daß die Arbeitswelle wie bisher bei den Maschinen mit gleicher Arbeitsrichtung der
Kolben die Kurbelgehäuse durchsetzt, dann ist die Trennwand zwischen den nebeneinanderliegenden
Kurbelkammern durchbrechungsfrei und in allen Teilen ruhend ausführbar, und die
dort bisher erforderlichen Dichtungen zwischen bewegten und ruhenden Teilen sind
ebenfalls vermieden. Es können also auch dort keine Fehler bei der Gemischbildung
durch mangelhaftes Dichten mehr eintreten. Zugleich ist durch die Trennung der Kurbeln
voneinander und ihren Anschluß an die gemeinsame Arbeitswelle mittels Getrieben
in an sich bekannter Weise ein betriebstechnischer Weg zu veränderbarer Einstellung
eines Luftvoreintritts in den Arbeitszylinder gewonnen zusätzlich zu den oben beschriebenen
baulichen Gestaltungen mit Hilfe des Kolbenfensters.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele im Längsschnitt dargestellt,
und zwar zeigt Fig. 1 ein Beispiel mit freier Einströmung der anzusaugenden Luft
in die Kurbelkammer und Steuerung durch den Kolben und Fig.2 eine Ausführung mit
Steuerung der anzusaugenden Mengen durch Drehschieber.
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Der dargestellte U-Zylinder-Zweitaktmotor nach Fig. 1 hat einen Einlaßzylinder
2 und einen Auslaßzylinder 1, mit dem Auslaß 3, Kolben 4 und 5 mit je einem Pleuel
25, 26 sowie für einen jeden Kolben 4 und 5 eine eigene und getrennte Kurbelwelle
15 und 16, die über Zahnräder 17 und 18 bzw. 20, 21 zur gemeinsamen Auf- und Abwärtsbewegung
der Kolben mit einer gemeinsamen Arbeitswelle 19 und damit auch untereinander zwangsläufig
verbunden sind. Die Kurbelkainmern
11 und 12 sind durch eine ruhende
Wand getrennt.
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Bei der gemeinsamen Aufwärtsbewegung der beiden Kolben saugt Kolben
5 nach Freigabe des durch die untere Kolbenkante gesteuerten Ansaugschlitzes 10
in der oberen Totlage des Kolbens ein mehr oder weniger fettes Brennstoffgemisch
über einen Vergaser in die Kurbelkammer 12, und: Kolben 4 saugt durch eine Ansaugeöffnung
9, ebenso gesteuert durch die untere Kolbenkante, immer nur Frischluft in die Kurbelkammer
11 an. Durch die Ansaugeöffnung 9 kann die Kurbelkammer 11 immer ausreichend mit
Frischluft für die Spülung und Ladung versorgt werden, besonders wenn sie in voller
Öffnung in Verbindung mit einem Kühlluft-Turbogebläse steht. Bei der gemeinsamen
Abwärtsbewegung der Kolben 4 und 5 verdichtet Kolben 4 in der Kurbelkammer 11 die
angesaugte Frischluft, und der Kolben 5 verdichtet in der Kurbelkammer 12 das angesaugte
Brennstoffgemisch. Bei gleicher Arbeitsweise kann, wie in Fig. 2 dargestellt, ein
Flachdrehschieber 27 zur Steuerung der in die Kurbelkammer 11 führenden Ansaugöffnung
9 und ein Flachdrehschieber 28 zur Steuerung des Brennstoffluftgemischs beim Ansaugen
über einen Vergaser durch die Einlaßöffnung 10 in den anderen Teil des Kurbelgehäuses
24 angeordnet sein, z. B. in besonders einfacher Weise durch entsprechende Ausgestaltung
der Kurbelwangen 13, 14, wie dargestellt.
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Bei der gemeinsamen Abwärtsbe"vegung der Kolben 4 und 5 wird durch
den Kolben 4 in der Kurbelkammer 11 nur Frischluft und in der Kurbelkammer 12 das
angesaugte Brennstoffgemisch verdichtet und so eine zuverlässige Luftv orlagerung
und Schichtung von Abgas, Frischluft und Brennstoffgemisch vorbereitet.
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Wird nun, wie in beiden Figuren der Zeichnung dargestellt, in der
unteren Totlage der Kolben durch die obere Kolbenkante des Kolbens 5 die Freigabe
der Überströmöffnung 7 bewirkt, dann strömt die verdichtete Frischluft durch die
Leitung 6 in den Zylinder 2 infolge der venturirohrartigen Einschnürung der Überströmleitung
6 mit einer hohen Geschwindigkeit ein. Es bildet sich so ein Luftkolben über den
gesamten Zylinderquerschnitt hin, der die Abgase vor sich abschließt und zugleich
den von den heißen Abgasen so getrennten Kolbenboden auf seiner ganzen Fläche kühlt.
Unmittelbar nach der Bildung des abschließenden und eine wirksame Innenkühlung sichernden
Luftkolbens wird durch das Kolbenfenster 8 im Kolben 5 die Durchbrechung am eingeschnürten
Teil der Überströmleitung 6 nach der Kurbelkammer 12 hin freigegeben, und die in
der Leitung 6 strömende Luft hilft das in der Kurbelkammer 12 vorverdichtete Brennstoffgemisch
in den Zylinder 2 fördern und saugt es aus der Kurbelkammer restlos ab. Während
der Luftkolben im Zylinder in dessen Achsrichtung weiterströmt und in geschlossener
Schicht die Abgase vor sich herdrängt, breitet sich in seinem Rücken, von den Abgasen
sicher getrennt, ein ähnlicher Kolben an Brennstoffluftgemisch über dem Kolben 5
aus, und eine zuverlässige Schichtung von Abgas, Frischluft und frischem Brennstoffluftgemisch
ohne Vermischung des letzteren mit Abgas erfüllt den Zylinder. Veränderungen des
Brennstoffgemischs, wie Brennstoffverdünnung oder -verfälschung durch Abgase treten
nicht ein, infolge der durch die Ausbildung des Übe.rströmkanals 6 erzielten hohen
Einströmgeschwindigkeit der Luft in den Zylinder sowohl während ihres Voreintritts
als auch während der Gemischförderung und nicht zuletzt infolge des restlosen Erfassens
und Hinübersaugens des in der Kurbelkammer 12 angesaugten und komprimierten Gemischs
in den Zylinder. Ein Brennstoffverlust durch die Auspuffschlitze kann also nicht
entstehen, sondern höchstens Verlust an Luft, und diesem kann durch entsprechend
reichliche Bemessung des Luftvoreintritts an der Einströmöffnung 7 in den Zylinder
2 auf einfache Weise und ohne zusätzlichen Aufwand beim Bau oder beim Betrieb des
Motors im voraus entsprochen werden. Ein etwa in Frage kommender Verlust an Luft
ist daher ohne Schwierigkeit tragbar und kann auch von Vorteil sein.
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Bei der gemeinsamen Aufwärtsbewegung der Kolben 4 und 5 zur Verdichtung
des Zylinderinhalts schiebt der Kolben 5 die Gase vor sich her, wobei die vorher
erzielte Schichtung im Zylinder 2, nicht zuletzt durch die Massenträgheit, erhalten
bleibt. Der dabei eintretende und durch das Freisein der Luft und des Brennstoffluftgemischs
von Beimengungen heißer Abgase gesteigerte Wärmeübergang von der Zylinderwand besonders
an den Brennstoff hat für den Motor den Vorteil einer gut wirksamen zusätzlichen
Innenkühlung, während die Wärmeaufnahme durch den Brennstoff .dessen Verdampfung
fördert. Das Ergebnis ist, wie schon eingangs erwähnt, guter Leerlauf sowie gute
Spülung und Ladung bei höchster wie bei niedrigster Drehzahl und bei Vollast wie
auch bei Teillast sowie nicht zuletzt eine ausreichende Innenkühlung für den Motor
bei sparsamstem Brennstoffverbrauch und dabei zugleich eine Erhöhung des mittleren
Arbeitsdrucks ohne Drehzahlerhöhung mit deren nachteiligen Folgen. Ist dabei außerdem
der Verbrennungsraum 23, wie dargestellt, in an sich bekannter Weise flach gewölbt,
so daß er einen kontinuierlichen Überströmquerschnitt vom Zylinder 1 zum Zylinder
2 ergibt, dann ist weiter eine zuverlässige Gewähr für die Aufrechterhaltung der
Schichtung gegeben.
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Bei dem Beispiel nach Fig. 2 ist der Ladungs- und der Verbrennungsvorgang
der gleiche. Die Regelung für den Einlaß der Frischluft in die Kurbelkammer 11 erfolgt
jedoch bei dem Beispiel nach Fig. 2 durch einen Flaehdrehschieber 27, der in dem
Kurbelgehäuse 24 vor der hier an diesem Kurbelgehäuse liegenden Ansaugeöffnung 9
angeordnet ist, und die Steuerung der Ansaugeöffnung 10 für die Kurbelkammer 12
erfolgt durch einen Flachdrehschieber 28 bei entsprechender Lage der Gemisc'hansaugeöffnung
10. Die durch Anordnung der Drehschieber erreichte Sicherung gegen Zurückstoßen
des angesaugten Kammerinhalts durch die Ansaugeöffnung ist natürlich auch beliebig
bei nur einer der Kurbelkammern anwendbar. Für die Gemischansaugeseite sei dies
besonders erwähnt, weil gerade für die Regelung der Einlaßzeit an der Ansaugeöffnung
10 durch den Flachdrehschieber 28 nach einer sehr langen Öffnungszeit an einem rechtzeitigen
Abschließen der Einlaßöffnung 10 und Ausschließen jedes Zurückstoßens von bereits
angesaugtem Brennstoffgemisch in den Vergaser in besonderem Maße gelegen ist, während
dem Zurückstoßen der angesaugten Luft in die Ansaugeöffnung 9 auch schon durch den
Vorspannungsdruck vom Kühlluft-Turbogebläse begegnet ist.