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Zweitaktbrennkraftmaschine mit Gemischverdichtung Die Erfindung betrifft
eine Zweitaktbrennkraftmaschine, welche den Hauptteil der Verbrennungsluft in das
Kurbelgehäuse und ein fettes Brennstoff-Luft-Gemisch in den Kolbenhohlraum einsaugt.
Derartige Maschinen sind schon vorgeschlagen worden, um befürchtete Vorzündungen
während der Zylinderspülung zu verhüten oder um eine Schmierölverdünnung im Kurbelgehäuse
und einen zu hohen Schmierölverbrauch zu vermeiden. Bei diesen bekannten Maschinen
wird das Brennstoff-Luft-Gemisch vor dem Einführen in den Kolbenhohlraum im unteren
kühlen Teil des Kolbens innerhalb einer breiten und weiten Zuführungsleitung rechtwinklig
umgelenkt. Dabei werden die im eingesaugten Gemisch enthaltenen Brennstofftröpfchen
zu einem wesentlichen Teil gegen die Wand der Zuführungsleitung ausgeschleudert,
so daß sie entweder überhaupt nicht in den Kolbenhohlraum gelangen, sondern gegen
die Zylinderwand hin aus der Zuführungsleitung austreten, oder auf der Wand der
Zuführungsleitung in den Kolbenhohlraum fließen ohne mit den oberen heißen Kolbenteilen
in Berührung zu kommen, d. h. ohne auf ihnen verdampft zu werden. Die Folgen sind
eine schlechte Gemischbildung und ein hoher Brennstoffverbrauch.
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Im Gegensatz zu den bekannten Maschinen wird durch die Erfindung erreicht,
daß der ganze Brennstoff als fettes Brennstoff-Luft-Gemisch in den Kolbenhohlraum
eingesaugt wird und darin alle im Gemisch enthaltenen Brennstofftröpfchen gegen
sehr heiße Kolbenteile geschleudert und darauf verdampft werden, um eine bessere
Gemischbildung und eine vollkommenere Zylinderspülung zu erzielen, was beides einen
wesentlich geringeren Brennstoffverbrauch und eine größere Maschinenleistung bewirkt.
Darüber hinaus werden durch die Erfindung eine Schmierölverdünnung im Kurbelgehäuse
besonders weitgehend verhindert, der Kolben stark gekühlt und das Verwenden von
Brennstoffen mit hoher und niedriger Siedetemperatur ermöglicht.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß der zur Aufnahme
des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches und zum Verdampfen des Brennstoffes dienende
Verdampfungshohlraum im Kolben die Form eines Rotationskörpers besitzt, der unmittelbar
an der Rückseite des Kolbenbodens angeordnet und mit dem übrigen Kolbeninnern durch
eine zentrale Mündung verbunden ist, und die Zuführung des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches
in den Verdampfungshohlraum über eine tangential in den letzteren einmündende Zuführungsleitung
erfolgt, deren Durchgangsquerschnitt vorzugsweise wesentlich kleiner als die zentrale
Mündung des Verdampfungshohlraumes ist.
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Erfindungsgemäß kann die Brennkraftmaschine noch so ausgebildet werden,
daß gegenüber den bekannten, Gemisch in den Kolbenhohlraum einsaugenden Maschinen
die Luftansaugung vermehrt und dadurch die Zylinderspülung noch weiter verbessert
wird, die Brennstoffverluste beim Spülvorgang herabgesetzt werden und bei Maschinenvollast
mit übernormal hoher Verdichtung sowie bei Maschinenteillast und Leerlauf mit übernormal
hohem Luftüberschuß gearbeitet werden kann, was alles zu einer weiteren Verbesserung
des Brennstoffverbrauchs und der Maschinenleistung beiträgt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend beschrieben
und in der Zeichnung dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Zweitaktbrennkraftmaschine mit
oberster Kolbenstellung und Fig. 2 die gleiche Maschine mit unterster Kolbenstellung
schematisch im Längsschnitt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel arbeitet das nur angedeutete Kurbelgehäuse
a zusammen mit dem im Zylinder b sich auf- und abwärtsbewegenden Kolben c als Pumpe.
An dem Zylinder b sind die Luftansaugleitung d, die Gemischansaugleitung e, ein
oder zwei Luftüberströmkanäle ,f, ein Gemischüberströmkanal g und ein Auspuffkanal
la angeordnet. Den oberen Abschluß des Zylinders bildet der Zylinderkopf i mit der
Zündkerze k und dem Verdichtungsraum L, dessen Breite senkrecht zu den Schnittebenen
der Figuren wesentlich kleiner als der Zylinderdurchmesser ist. Der Kolben c besitzt
eine Gemischumlenkrinne na, eine Gemischüberströmöffnungn, einen Verdampfungshohlraum
o und eine Gemischzuführungsleitung p, deren oberer Teil tangential in den um die
Kolbenlängsachse gerundeten Verdampfungshohlraum mündet. Bei jeder Aufwärtsbewegung
des Kolbens aus der in Fig. 2 gezeichneten unteren Totpunktlage in seine obere Totpunktlage
nach Fig. 1 wird im Kurbelgehäuse, im unteren Teil des Zylinders und im Kolbenhohlraum
so
lange ein Unterdruck erzeugt und erhalten, bis zuerst die Gemischansaugleitung
e mit der Gemischzuführungsleitung p in Verbindung kommt und etwas später die Unterkante
des Kolbens die Luftansaugleitung d öffnet und nun etwas vor und nach dem Ende der
Kolbenaufwärtsbewegung ein beliebig bereitetes fettes Brennstoff-Luft-Gemisch in
Pfeilrichtung I über die Gemischansaugleitungen e und p tangential in den
Verdampfungshohlraum und Luft in Pfeilrichtung II über die Luftansaugleitung d schräg
nach abwärts in den unteren Teil des Zylinders und in das Kurbelgehäuse eingesaugt
werden. Das tangential in den Verdampfungshohlraum eingeführte Gemisch kreist darin.
Dabei werden die im Gemisch enthaltenen Brennstofftröpfchen gegen die im Betrieb
heiße Wand des Verdampfungshohlraumes geschleudert und darauf verdampft, so daß
der Brennstoff nur in Form eines fetten Brennstoffdampf-Luft-Gemisches aus dem Verdampfungshohlraum
austreten und in den übrigen Kolbenhohlraum gelangen kann. Bei der anschließenden
Kolbenabwärtsbewegung werden die eingesaugte Luft im wesentlichen im Kurbelgehäuse
und das eingesaugte Gemisch im wesentlichen im Verdampfungshohlraum und im anschließenden
oberen Teil des Kolbenhohlraumes vorverdichtet, bis der Kolben kurz vor Beendigung
seiner Abwärtsbewegung zuerst die obere Mündung des oder der Luftüberströmkanäle
f öffnet und etwas später die Gemischumlenkrinne m sowie die Gernischüberströmöffnung
it in Verbindung mit dem Gemischüberströmkanal ä kommen. Nun strömen zuerst die
im Kurbelgehäuse vorverdichtete Luft in Pfeilrichtung III und etwas später neben
dieser Luft auch noch das im oberen Teil des Kolbenhohlraumes vorverdichtete Gemisch
in Pfeilrichtung IV in den Brennraum der Maschine über und verdrängen daraus die
von der vorherigen Verbrennung zurückgebliebenen Brenngase in den Auspuffkanal h,
wie dies Fig. 2 zeigt. Bei diesem Spülvorgang erfolgt das Einströmen der Luft in
den Brennraum zwischen dem einströmenden Gemisch und dem Auspuffkanal. Das im Brennraum
in verhältnismäßig dünnem Strahl an der Zylinderwand aufwärts strömende Gemisch
tritt in der Hauptsache in den Verdichtungsraum L ein und wird darin in kurzem Bogen
umgelenkt, während die im Brennraum aufwärts strömende Luft außerhalb des Verdichtungsraumes
in weitem Bogen umgelenkt wird, so daß beim Spülvorgang hauptsächlich nur die Luft
den Brennraum bis zum Auspuffkanal durcheilen und den unteren Teil des Brennraumes
füllen kann, während die Bewegung des Gemisches durch die kurze Umlenkung und durch
die Luftströmung so stark im Verdichtungsraum abgebremst wird, daß das Gemisch beim
Spülvorgang in der Hauptsache in und unmittelbar unter dem Zylinderkopf verbleibt.
Dies aber hat zur Folge, daß bei der folgenden Kölbenaufv..-ärtsbe-,vegung zunächst
nur Gemisch im Verdichtungsraum verdichtet wird und die Hauptluft erst gegen. Ende
der Kolbenaufwärtsbewegung, kurz vor und nach der Gemischzündung durch die Zündkerze,
ungefähr in Pfeilrichtung V in den Verdichtungsraum gedrückt und darin mit dem Gemisch
gemischt wird. Das Fertigmischen von Brennstoff und Luft geschieht also erst nach
Beginn der Verbrennung. Gegen Ende der Kolbenaufwärtsbewegung erfolgt außerdem das
zuvor schon geschilderte Einsaugen von Luft in den unteren Teil des Zylinders und
in das Kurbelgehäuse sowie das Einsaugen von Gemisch in den Verdampfungshohlraum
des Kolbens. Bei der anschließenden Abwärtsbewegung des Kolbens tvälirend der Gemischverbrennung
wiederholt sich- die ebenfalls schon beschriebene Vorverdichtung von Luft im Kurbelgehäuse
und von Gemisch im Kolbenhohlraum.
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Durch das beschriebene Ausbilden der Brennkraftmaschine werden folgende
sehr wichtige Vorteile erreicht: Die bei Zweitaktbrennkraftmaschinen mit Kurbelgehäusepumpe
zu geringe Spülmittelförderung für das vollständige Spülen des Brennraumes wird
durch das Einblasen von Brennstoffdampf in den Brennraum vermehrt und schon dadurch
die Spülung und Füllung des Arbeitszylinders verbessert. Eine weitere Verbesserung
der Brennraumspülung und damit eine Steigerung der Maschinenleistung wird dadurch
erzielt, daß das Einsaugen der Luft wegen der vorher schon beginnenden Gemischeinsaugung
ohne Drosselung, z. B. durch einen niedrigen, sehr breiten Ansaugschlitz im Zylinder
erfolgen kann, so daß die eingesaugte Luftmenge übernormal groß wird. Durch das
Verdampfen der Brennstofftröpfchen im Verdampfungshohlraum wird der Brennstoff in
eine für die rechtzeitige und vollkommene Verbrennung besonders günstige Form gebracht,
der Kolben kräftig gekühlt und flüssiger, das Schmieröl verdünnender Brennstoff
aus dem Kurbelgehäuse und von der Zylinderwand ferngehalten. Die Folgen sind eine
Verringerung des Brennstoffverbrauchs und eine Erhöhung der Maschinenleistung, die
Verbesserung der Laufruhe der Maschine und der Gebrauchsfähigkeit des Kolbens durch
ein nun anwendbares kleineres Kolbenspiel sowie eine Verringerung des Schmierölverbrauchs
und des Ölqualms in den Auspuffgasen bei gleichzeitiger Verbesserung der Maschinenschmierung.
Die Art der Brennraumspülung verhindert Brennstoffverluste beim Spülvorgang und
verringert auch damit den Brennstoffverbrauch, weil zu Beginn und am Ende des Spülvorgangs
nur Luft in den Brennraum eingeführt wird, die Lufteinströmung zwischen der Gemischeinströmung
und dem Auspuffkanal erfolgt und die Bewegung des in den Brennraum eingeströmten
Gemisches im Zylinderkopf abgebremst wird, so daß beim Spülvorgang kein oder nur
ganz wenig Brennstoff in den Auspuff gelangen kann. Eine weitere Verbesserung des
Brennstoffverbrauchs und der Maschinenleistung wird dadurch erzielt, daß das Fertigmischen
von Brennstoff und Luft erst während der Verbrennung erfolgt und deshalb ohne Klopfgefahr
eine höhere Verdichtung angewandt werden kann als in einem üblichen Ottomotor. Weil
sich im Zündaugenblick an der Zündkerze stets ein besonders brennstoffreiches Gemisch
befindet, kann bei Maschinenteillast ohne Zündschwierigkeiten mit großem Luftüberschuß
gearbeitet und dadurch auch an Brennstoff gespart werden. Sogar sehr brennstoffarme
Brennraumladungen sind noch sicher zündfähig, was sich in einem besonders gleichmäßigen
Maschinenleerlauf auswirkt. Infolge der Brennstoffverdampfung und der Fertigmischung
von Brennstoff und Luft erst während' der Verbrennung können außer Benzin auch Brennstoffe
mit höherer Siedetemperatur und niedrigerer Oktanzahl zum Antrieb benützt werden..
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Die erfcndungsgernäße trennkraftmaschine kann sehr verschiedenartig
gestaltet werden und wesentlich von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichen,
wie die folgenden Beispiele zeigen: Die Bereitung des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches
ist mittels eines kleinen, der Gemischansangleitung e vorgeschalteten Vergasers
möglich oder- indem in die Gemischzuführungsleitung p ruft- eingesäugt und der Brennstoff
eingespritzt wird: Züm. Vermeiden eines nennenswerten Brennstoffniederschlags auf
der Außenseite
des Kolbenmantels können am Kolben eine Ringnut q
und eine damit in Verbindung stehende Längsnut y angeordnet werden, was bewirkt,
daß die trotz der Kolbenringe am Kolben noch abwärts strömenden geringen Brenngasmengen
bei der Kolbenabwärtsbewegung in die Gemischansaugleitung e stoßen und dadurch das
Gemisch vom Kolbenmantel fernhalten. Möglich ist es auch, den Verdampfungshohlraum
für die Brennstoffverdampfung besonders günstig zu gestalten und anzuordnen, z.
B. vom Kolbenboden aus Rippen in den Verdampfungshohlraum hineinragen zu lassen
oder den Kolbenboden und den Verdampfungshohlraum .aus besonders hitzebeständigem
Material zu fertigen und den Verdampfungshohlraum mehr oder weniger in den Brennraum
hineinragen zu lassen. Für rasch laufende Zweitaktbrennkraftmaschinen dürfte es
zweckmäßig sein, den Gemischansaugkanal p in seinem lichten Durchgang wesentlich
weiter, als in der Zeichnung gezeigt, zu gestalten, damit auch bei hohen Drehzahlen
die Gemischeinsaugung noch in genügendem Maße erfolgt. Der Verdichtungsraum kann
die Form einer Kammer haben und klein genug zum Erzielen einer Gemischselbstzündung
sein. An Stelle der Umkehrspülung bei dem geschilderten Ausführungsbeispiel können
sinngemäß auch andere Spülsysteme angewandt werden.