DE2701272A1

DE2701272A1 - Zweitaktverbrennungsmotor mit vorverdichtung

Info

Publication number: DE2701272A1
Application number: DE19772701272
Authority: DE
Inventors: Jean Melchior
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-15
Filing date: 1977-01-13
Publication date: 1977-07-21
Also published as: NL184232B; CH613496A5; GB1568302A; IT1076520B; JPS52104613A; IL56874A0; FR2338385B1; SE433243B; DE2701272C2; CH614267A5; NL7700380A; IL51208A0; BE850399A; US4162662A; FR2338385A1; IL51208A; NL184232C; JPS605770B2; SE7700258L

Description

. Ing. M. Wckkr^ri. )r^; phys. Pr. K. Finrke
Dipl. Ing. F. A. Weickmera U. p.¹. them. B. II. ,her

8 München &0, Mjhbtraße 22 Ü

Jean MELCHIOR, 66, Blvd. Maurice Barrys 0726 76 B

F-92200 Neuilly-sur-Seine Zweitaktverbrennungsmotor mit Vorverdichtung.

Die Erfindung betrifft die/Vorverichtung gespeisten Zweitaktverbrennungsmotoren, insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, derartige Motoren mit Verdichtungszündung oder Dieselmotoren mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem Kolben, welcher in dem Zylinder eine hin- und hergehende Bewegung ausführt und mit diesem und einem Zylinderkopf eine Brennkammer veränderlichen Volumens abgrenzt.

Bekanntlich müssen die Zweitaktmotoren mit Mitteln versehen sein, welche in der Brennkammer oder den Brennkammern die Spülung der verbrannten Gase regeln.

Ein gegenwärtig laufend benutztes Spülsystem, welches System zur Querspülung genannt werden kann, benutzt Einlaß- und Auelaßschlitze, welche in dem Zylinder so angeordnet sind, daß sie von dem Kolben freigelegt werden, wenn sich dieser in der Nahe des unteren Totpunkts befindet. Die Auslaßschlitze haben im allgemeinen eine größere Länge als die Einlaßschlitze, so daß sie zuerst freigelegt werden, wenn sich der Kolben seinem unteren Totpunkt nähert. Diese Lösung zwingt dazu, dem Motor ein hohes Verhältnis Hub/Bohrung zu geben, damit die Schlitze eine genügende Durchlässigkeit haben. Praktisch hat dieser Motor ein Verhältnis Hub/Bohrung von wenigstens 1,2. Der Nutzhub (während welchem der Zylinder von den Einlaß- und Auslaßleitungen getrennt ist) beträgt z.B. größenordnungsmäßig das 0,6-fache des Gesamthubes des Kolbens für schnelllaufende Motoren.

Ferner ist ein Spülsystem bekannt, welches "Spülung mit Strömung in einer Richtung" genannt werden kann, welches die Bin-

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laßschlitze beibehält und ein oder mehrere Auslaßventile benutzt. Die Durchlässigkeit der Schlitze nimmt dann mit dem Verhältnis Hub/Bohrung oder VHB/ ,während die Durchlässigkeit der Ventile abnimmt, wenn dieses Verhältnis zunimmt. Man wählt daher einen Kompromiß, welcher einem VHB von größenordnungsmäßig 1 entspricht. Der Nutzhub ist natürlich infolge des Fortfalls der Auslaßschlitze größer als in dem vorhergehenden Fall. Er beträgt im allgemeinen etwa das 0,8-fache des Gesamthubes, wobei die Spülphase, während welcher die Einlaßschlitze offen sind, sich im allgemeinen über 120° der Drehung der Kurbelwelle, auf den unteren Totpunkt zentriert , erstreckt.

Man sieht, daß diese beiden bekannten Lösungen den Nachteil bieten, ein verhältnismäßig großes VHB zu erfordern, wobei der Motor höchstens "quadratisch" sein kann, d.h. sein Hub ist gleich seiner Bohrung. Nun zeigt eine Analyse des Aufbaus und des Arbeitens des Zweitaktmotors, daß es zweckmäßig ist, das VHB möglichst weitgehend zu verringern, d.h. einen"überquadratischen" Motor herzustellen, d.h. dessen Hub kleiner als die Bohrung ist. Bei gegebener linearer Kolbengeschwindigkeit und gleichem Zylinderinhalt läuft der überquadratische Motor insbesondere schneller und entwickelt eine größere Leistung. Bei den Zweitaktmotoren mit üblicher Spülung ist es infolge des für die Schließung der Schlitze erforderlichen toten Hubes praktisch nicht möglich, einen überquadratischen Motor herzustellen.

Ein weiterer Nachteil der Spülung durch Schlitze ist der verwickelte Aufbau und die Empfindlichkeit des Laufmantels. Ferner erschwert der Vorbeigang vor den Schlitzen die Ausbildung der Kolbenringe. Schließlich müssen einer oder mehrere zusätzliche Kolbenringe unten an dem Mantel des Kolbens angeordnet werden, um die Abdichtung zwischen dem Kurbelwellengehäuse und der Einlaßleitung sicherzustellen. Hieraus ergibt sich ein längerer und somit schwererer Kolben und ein längerer und somit sperrigerer Laufmantel.

Jede Verringerung des VHB gestattet ferner infolge des kleineren Hubes bei gegebenem Zylinderinhalt die Verringerung des Durchmessers des Gehäuses.

Ein weiterer Nachteil besteht in der Schwierigkeit der Schmierung eines Laufmantels mit Schlitzen ohne übermäßigen Ölverbrauch und der Verstopfung der Auslaßschlitze durch Verbrennungs-

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rückstände. ·

Man hat ferner einen Zweitaktmotor vorgeschlagen (deutsches Patent Nr. 905 687), welcher am Kopf ein Auslaßventil, welches in dem Zylinderkopf des Motors angeordnet werden kann, und ein seitliches Einlaßventil aufweist.

In einem derartigen Motor kann der dem Zylinder zugefUhrte Fluß von Luft (oder einem Luft-Brennstoffgemisch) nicht eine befriedigende Spülung desselben gewährleisten.

Die Erfindung bezweckt insbesondere die Lieferung eines mit Vorverdichtung gespeisten Zweitaktmotors, dessen Spülung in befriedigender Weise gewährleistet werden kann, selbst wenn er überquadratisch ist.

Hierfür schlägt die Erfindung gemäß einem ersten Merkmal einen Motor der obigen Art vor, dessen Zylinderkopf wenigstens ein einen Einlaßstutzen schliessendes Einlaßventil und wenigstens ein einen Auslaßstutzen schliessendes Auslaßventil trägt, wobei beide Ventile in dem Zylinderkopf ausgebildet sind, wobei die Stutzen, der Zylinderkopf und die Ventile so angeordnet sind, daß, wenn die Ventile offen sind und sich der Kolben in der Nähe des unteren Totpunkts befindet, die durch das Einlaßventil ankommende Luft wenigstens zum größten Teil zu dem Boden des Zylinders geleitet wird und die Auspuffgase zu dem Auslaßstutzen spült, und zwar ohne wesentlichen unmittelbaren Übergang von Luft von dem Einlaßstutzen zu dem Auslaßstutzen· Hierfür liegen der Einlaßstutzen und gegebenenfalls der Auslaßstutzen zweckmäßig angenähert parallel zu der Achse des Zylinders und verlaufen in Richtung auf den Kolben, wenigstens in einer dem Sitz des entsprechenden Ventils nahen Zone.

Anders ausgedrückt, der Zylinderkopf besitzt eine Form, welche mit wenigstens dem Einlaßventil zusammenwirkt, um die unmittelbaren Übergange von Luft von dem Einlaßventil zu dem Auslaßventil zu begrenzen und den Eintritt der Luft in die Kammer längs der Wand des Zylinders zu dem Kolben zu begünstigen.

Die Ventile sind zweckmäßig symmetrisch in dem Zylinderkopf des Motors angeordnet. Diese Ventile können insbesondere einen Winkel von etwa 45° mit der Achse der Kammer bilden, wobei sich i>y Kopf in Ausnehmungen des Zylinderkopfs bewegt, in welchen die Ventilsitze ausgebildet sind. Der Einlaßstutzen und zweckmäßig

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der Auslaßstutzen liegen dann In der Richtung der Grasströme. Zur weiteren Verbesserung der Strömungsverhältnisse besitzt die Ab— schluflfläche des Kolbens zweckmäßig eine Aushöhlung, z.B. von all gemein halbkugeliger Form.

Man kann so ohne Schwierigkeiten ein VHB von größen ordnungsmäßig 0,9 erreichen. Es ist zu bemerken, daß, da die Spülung in der Nähe des unteren Totpunkts erfolgt, der Kolben dann von den Ventilen entfernt ist, so daß man diesen einen großen Hub geben und somit eine hohe Durchlässigkeit erhalten kann, welche übrigens mit der Schräglage der Ventile zunimmt. Mit vier unter 45° in einem dachförmigen Zylinderkopf angeordneten Ventilen, einem VHB von 0,9 und einem Nutzhub, welcher das 0,8-fache des Gesamt hubes beträgt, kann man den Durchlässen für die Spülluft und die Gase einen Querschnitt lassen, welcher praktisch dem gleichwertig ist, welchen man mit dem System zur Querspülung durch Schlitze mit einem VHB von 1,2 und einem Nutzhub gleich dem 0,62-fachen des Ge samthubes erhalt. Dieser Durchtrittsquerschnitt ist jedoch kleiner als der, welchen die"Spülung mit Strömung in einer Richtung" durch Schlitze und Ventile ermöglicht.

Diese Beschränkung hat jedoch keinen praktischen Nach teil, wenn der Motor mit einem Vorverdichtungssystem versehen ist, welches, wie weiter unten ausgeführt, sehr hohe Vörverdichtungs- grade zu erreichen gestattet, und/oder wenn die Ventile durch einen Mechanismus gesteuert werden, welcher ihnen eine schnelle Öffnung und Schließung erteilt.

Die Abnahme des volumenmäßigen Füllkoeffizienten wird durch die Tatsache, daß man einen hohen luftdruck in den Zylindern herstellt, mehr als ausgeglichen und/oder hat einen beschränkten Effekt durch die Tatsache, daß der Bruchteil des Arbeitsspiels, während welchem sich die Ventile in einer Zwischenstellung befinden, stark verringert ist.

Es ist zu bemerken, daß die Erfindung ermöglicht, einen Viertaktmotor verhältnismäßig üblicher Bauart in einen mit Vorver dichtung gespeisten Zweitaktmotor umzuwandeln und seine Leistung sehr erheblich zu erhöhen. Hierfür genügt es, den Zylinderkopf, die Ventile und den Verteilungsmechanismus auszutauschen und die Kolben auszuhöhlen. Diese Umwandlungsart bietet ein besonderes In teresse in dem Fall eines "überquadratischen" Viertaktmotors.

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Ferner war man bisher der Ansicht, daß es nicht möglich war, den Vorverdichtungsgrad eines Dieselmotors unter Beibehaltung des gleichen volumetrischen Verhältnisses beliebig zu erhöhen, da man tatsächlich schnell zu unannehmbaren Beanspruchungen in dem Kurbeltrieb gelangt. Diese Unmöglichkeit hat dazu geführt, das volumetrische Verhältnis der Motoren (auf Kosten einer Abnahme ihres thermodynamischen Wirkungsgrades und von Anlaßschwierigkeiten) zu verringern, wenn sie zur Erhöhung ihrer spezifischen Leistung mit großer Vorverdichtung gespeist werden.

Es ist bereits vorgeschlagen worden (deutsches Patent Nr. 737 206), in dem Gehäuse eines Kolbenmotors einen Druck aufrechtzuerhalten, welcher ein geringer Bruchteil des größten Drucks des Arbeitsspiels ist, tun das Verhältnis zwischen den während des Arbeitsspiels auftretenden Beanspruchungen zu verringern. Die Wirkung einer derartigen Maßnahme ist sehr beschränkt, selbst wenn verschiedene Oberflächen dem Druck in dem Zylinder und dem Gegendruck in dem Gehäuse ausgesetzt werden.

Die Erfindung bezweckt, einen Zweitaktmotor zu liefern, in welchem der größte Druck in dem Zylinder bisher unannehmbare Werte erreicht, was sehr hohe Vorverdichtungsgrade ermöglicht. Hierfür sieht ein weiteres Merkmal der Erfindung einen mit Vorverdichtung gespeisten Zweitaktmotor der obigen Art vor, in welchem der Motor mit dem Gehäuse zusammenwirkt, um eine praktisch dichte Kammer abzugrenzen, deren Volumen sich während des Arbeitens verhältnismäßig wenig ändert, wobei der Motor mit Mitteln versehen ist, um in der Kammer während des Arbeitens des Motors einen Druck aufrechtzuerhalten, welcher zwischen dem Viertel und der Hälfte des Drucks liegt, welcher in der Brennkammer bei Vollast des Motors während eines Arbeitsspiels erreicht wird.

Diese Unterdrucksetzung des Gehäuses entlastet die bewegliche Verbindung und ermöglicht dem Motor, sehr hohe Verbrennungsdrücke auszuhalten, welche größenordnungsmäßig das Doppelte dessen betragen, was ein gewöhnlicher Dieselmotor aushält (Druck von größenordnungsmäßig 250 Bar). Durch diesen Kunstgriff kann man die Vorverdichtungsdrücke, welche das weiter unten besprochene Vorverdichtungssystem zuläßt, am besten ausnutzen und die von dem Motor entwickelte Leistung entsprechend erhöhen.

Daß dieses Merkmal keineswegs offensichtlich ist,

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geht insbesondere aus der Tatsache hervor, daß es von besonderen Eigenschaften des Zweitaktmotors herrührt, während man bisher praktisch die verschiedenen Motortypen nicht auseinandergehalten hatte.

Die Unterdrucksetzung des Gehäuses wird in dem Fall eines Motors mit Ventilen der oben definierten Art erleichtert. Zunächst besitzt nämlich ein derartiger Motor ein Gehäuse mit einem Platz bedarf» welcher sehr erheblich kleiner als der des Gehäuses eines mit Vorverdichtung gespeisten üblichen Zweitaktmotors ist. Das Interesse rührt davon her, daß die Wandstärke des Gehäuses bei ge gebenem Innendruck proportional zu dem Durchmesser des Gehäuses zunehmen muß. Bei gegebener Dicke ist es daher möglich, in dem Ge häuse erheblich höhere Drücke in dem Fall eines Zweitaktmotors auszuhalten, welcher Überquadratisch sein und ein Gehäuse kleinen Volumens haben kann. Ebenso wird ein übermäßiger Verbrauch von öl vermieden, welcher durch die Mitnahme desselben durch die Luft zu den Schlitzen hervorgerufen würde.

Ferner bilden in einem Zweitaktmotor mit üblicher Spü lung die Einlaßschlitze eine Niederdruckzone. Die Abdichtung durch Kolbenringe des unteren Teils des Kolbenmantels zwischen dem Ein- laßsammelrohr und dem Kurbelwellengehäuse muß äußerst wirksam sein. Wenn z.B. das Gehäuse unter einem Druck von 75 Bar steht, stellt die Leckströmung der Luft von dem Gehäuse über einen wirksamen

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Querschnitt von 1 mm eine verlorene Leistung von etwa 10 PS dar.

Bei dem Zweitaktmotor mit Ventilen der obigen Art ist diese Niederdruckzone nicht vorhanden. Die Abdichtung durch Kolbenringe des unteren Teils des Kolbenmantels ist daher nicht mehr erforderlich. Die Leckströmungen aus dem Gehäuse zu der Kammer, wenn sich der Kolben in der Nähe des unteren Totpunkts befindet, werden unge fähr durch die Leckströmungen von der Kammer zu dem Gehäuse ausge glichen, wenn der Kolben sich in der Nähe des oberen Totpunkts befindet.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig· 1 ist ein die Hauptteile des Motors zeigendes Prinzipschema.

Fig. 2 ist ein schematischer Schnitt längs der Achse eines Zylinders des Motors der Fig. 1 in großem Maßstab.

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Fig. 3 zeigt schematisch eine Möglichkeit für die Steuerung der Ventile des Motors der Fig. 1 und 2.

Fig. 4 und 5 sind Schemata, welche die Strömung der Gase in dem Zylinder der Fig. 2 bei der Öffnung des Einlaßventils zeigen.

Wie oben angegeben, ist die Erfindung für alle mit Vorverdichtung gespeistenZweitaktmotoren anwendbar, ihr Interesse ist jedoch umso ausgesprochener, je höher der gewählte Vorverdichtungsdruck ist. Die Antriebsanlage der Fig. 1 weist einen eigentlichen Dieselmotor 10, von dem nur ein Zylinder dargestellt ist, und ein System zur Speisung mit Vorverdichtung auf, welches einerseits einen Kompressor 12 mit hohem Druckverhältnis, welcher durch eine mit den Auspuffgasen des Motors betriebene Turbine 15 angetrieben wird,und andererseits einen Kompressor 12* enthält, welcher mit dem Motor (des Typs ROOTES in Fig. 1) verbunden und zwischen dem Ausgang des Turbokompressors und dem Einlaßstutzen 13 des Motors angeordnet ist.

Diese in Reihe mit dem Motor angeordnete Vorrichtung zur Speisung mit Vorverdichtung kann durch eine Vorrichtung ersetzt werden, welche parallel zu dem Motor angeordnet ist und eine Abzweigleitung 17 aufweist, welche von dem Kompressor 12 auf die Turbine 15 unter Vermeidung eines Pendeins des Kompressors unter allen Umständen die ganze von dem Kompressor gelieferte Luft, welche nicht durch den Motor strömt, übertragen kann, derart, daß der Druckabfall zwischen dem Kompressor und der Turbine, wenn er merklich ist, praktisch von der diese Leitung durchströmenden Strömungsmenge unabhängig und eine wachsende Funktion des Ausgangsdrucks des Kompressors ist. Hierfür kann die Leitung 17 eine Vorrichtung einer der in der deutschen Patentanmeldung 23 16 027.2 beschriebenen Arten enthalten, um zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Motors 10 eine Druckdifferenz aufrechtzuerhalten, welche die Spülung ohne Pendelgefahr des Kompressors gewährleistet.

Diese Vorrichtung zur Speisung mit Vorverdichtung kann auch eine Hilfsbrennkammer 15* enthalten. Der Turbokompressor kann dann selbständig unabhängig von dem eigentlichen Motor 10 arbeiten, und das Spülgebläse, nämlich der Kompressor 12', kann fortfallen.

Man kann mit einem einzigen mehrstufigen Turbokom-

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pressor der heutzutage für Luftfahrzwecke verfügbaren Art, welcher einen hohen, 80 % übersteigenden elementaren polyentropischen Verdichtungs- und Entspannungswirkungsgrad hat, einen Vorverdichtungsdruck erhalten, welcher 14 Bar mit einer nicht 600° C übersteigenden Temperatur am Eingang der Turbine für eine Umgebungstemperatur von 15° C erreichen kann. Man kann auch einen Kompressor mit Doppelkörper mit Zwischenkühlung benutzen.

Der Motor 10 weist auch wie üblich eine Kurbelwelle auf, bei welcher jede Kurbel 19 mit der Pleuelstange eines in einem der Zylinder 11 eine hin- und hergehende Bewegung ausführenden Kolbens 21 verbunden ist. Der Kolben 21 ist mit Kolbenringen 22 versehen. Die durch die Kolben 21, die Zylinder 11 und das Gehäuse 23 gebildete Anordnung begrenzt eine Kammer 24. Die dargestellte Anlage ist mit einer Vorrichtung 25 zur Unterdrucksetzung des Gehäuses versehen. Diese Vorrichtung 25 kann einen sehr einfachen Aufbau haben und auf einen Kompressor 26 beschränkt sein, welcher von dem Motor angetrieben wird oder nicht und gestattet, Luft mit einem genügenden Druck dem Gehäuse 23 über ein automatisches Ventil 27 zu liefern, welches die Luftzufuhr unterbricht oder den Kompressor 26 abstellt, wenn der vorgesehene Druck in der Kammer 24 erreicht ist. Bs ist zu bemerken, daß die Unterdrucksetzung, selbst mit Luft und erstjrecht mit einem neutralen Gas, wie COp oder Np, praktisch die Oxydation des Öls verhindert.

Der Kompressor zur Unterdrucksetzung des Gehäuses 26 kann übrigens einen integrierenden Bestandteil des Motors bilden. Er kann dann die volumetrische Kolbenbauart haben und die Schmier- und KUhI-systeme des eigentlichen Motors ausnutzen. Der Kompressor kann einstufig oder mehrstufig mit Zwischenkühlung sein. Die bewegliche Verbindung zum Antrieb des Kolbens oder der Kolben dieses Kompressors kann durch eine zusätzliche Kurbel der Kurbelwelle oder auch durch einen z.B. von einem Verteilungszahnrad des Motors angetriebenen Exzenter betätigt werden.

Der Kompressor wird vorzugsweise mit an dem Vorverdichtungskreis abgenommener Luft gespeist, und zwar vorzugsweise hinter einem (in Fig. 1 nicht dargestellten) Kühler für die Vorverdißhtirigsluft.

Hierdurch wird die Verdichtungsarbeit des Kompressors sowie sein Verdichtungsgrad verringert. Ferner können der oder die

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Kolben des Kompressors zur Unterdrucksetzung auf ihrer Unterseite dem in dem Gehäuse des Motors herrschenden Druck ausgesetzt werden. Die Leckströmungen von Luft oder Öl über die Kolbenringe werden dann vollständig zurückgewonnen. Ebenso ist es nicht nötig, die von dem Verdichter verdichtete Luft zu entölen, da diese Luft nach der Kühlung das Gehäuse des Motors speist. Schließlich kann die Kühlung dieser verdichteten Luft durch den Durchgang der Förderleitung durch das die Kühlung der Laufmäntel des Motors bewirkende Wasser erfolgen.

Das Vorhandensein der Vorrichtung zur Unterdrucksetzung des Gehäuses ermöglicht, für den Motor 10 ein volumetrisches Verhältnis und einen höchsten Druck je Arbeitsspiel zu wählen, welche erheblich höher als die sind, welche eine Anlage der in der genannten deutschen Patentanmeldung beschriebenen Art ermöglicht. Der erzielte Vorteil geht unmittelbar bei Bezugnahme auf ein besonderes Beispiel hervor.

Eine Anlage der in der genannten Patentanmeldung beschriebenen Art kann folgende Kenngrößen haben:

- volumetrisches Verhältnis

- mittlerer indizierter Druck (MID)

- Höchstdruck je Arbeitsspiel

- Temperatur am Auslaß

- Ausgangsdruck des Kompressors

- Einlaßtemperatur am Motor

- Druckabfall zwischen Kompressor und

Turbine 15 %

Bekanntlich nimmt der thermodynamische Wirkungsgrad eines Dieselmotors mit seinem volumetrischen Verhältnis zu. Man kann nun auf den Gedanken kommen, unter Beibehaltung des gleichen Vorverdichtungsdrucks ein erheblich höheres volumetrisches Verhältnis zu wählen. Wenn man z.B. ein volumetrisches Verhältnis von 7,5 wählt, zeigt die Rechnung, daß die obigen Daten für den Motor folgende Werte annehmen:

- mittlerer indizierter Druck (MID) 63 Bar

- Höchstdruck je Arbeitsspiel 250 Bar

- Einlaßtemperatur an dem Motor 100° C

- Temperatur am Auslaß des Motors 600° C

Die während eines derartigen Arbeitsspiele entwickelte

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4,	7
42	Bar
135	Bar
600°	C
14	Bar (Umgebung 1013 «fcar)
160°	C

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Leistung ist um etwa 50 % größer als die des vorhergehenden Arbeitsspiels, und der spezifische Verbrauch wird um etwa ein Viertel herabgesetzt, während das thermische Niveau des Motors praktisch unverändert ist.

Jedem Fachmann für Dieselmotoren ist es jedoch sofort klar, daß nicht die Rede davon sein kann, einen Höchstdruck je Arbeitsspiel von 250 Bar zu erreichen, da er unannehmbare mechanische Beanspruchungen in den Bestandteilen der beweglichen Verbindung (Kolben, Pleuelstange und Kurbelwelle) zur Folge hätte.

Gemäß einem ersten Kennzeichen der Erfindung wird dieses Problem dadurch ausgeschieden, daß in dem Gehäuse ein geeigneter Druck hergestellt wird, welcher ganz erheblich höher als der Atmosphärendruck und die bei den bekannten Motoren mit Vorverdichtung in dem Gehäuse erreichten Werte ist.

Der in dem Gehäuse gewählte Druckpegel rührt offenbar ▼on einem Kompromiß her, welcher gestattet, zu einem größten Druckpegel der gleichen Größenordnung unter allen Betriebsbedingungen (Motor im Stillstand während das Gehäuse unter Druck steht, Motor im Langsamlauf, Motor unter Beschleunigung im Leerlauf, Motor bei Vollast) und zu allen Zeitpunkten des Arbeitsspiels (insbesondere an dem oberen und dem unteren Totpunkt) zu kommen. In der Praxis wird man im allgemeinen dazu geführt, einen Gehäusedruck zu wählen, welcher zwischen dem Viertel und der Hälfte des in der Brennkammer bei Vollast des Motors erreichten Höchstdrucks liegt.

Nebenbei sei bemerkt, daß dieses Hilfsmittel nur für den Fall eines Zweitaktmotors gültig ist. Bei einem Viertaktmotor mit einem oberen Zwischentotpunkt (am Auslaßende und am Einlaßanfang) hat die Kombination der Trägheitskraft und des Schubes der das Gehäuse erfüllenden, unter Druck stehenden Luft einen Zug an der Pleuelstange und dem Pleuelstangenkopf zur Folge, welcher bei der Beschleunigung im Leerlauf vollständig unannehmbar ist.

In der Praxis wird man häufig dazu geführt, einen

Druck in dem Gehäuse zu wählen, welcher etwa ein Drittel des Höchstwerts des Drucks in der Brennkammer bei Vollast beträgt, d.h. den dem oberen Totpunkt entsprechenden Wert.

Bei dieser Wahl, z.B. mit einem Druck in dem Gehäuse von 75 Bar, gelangt man zu einem annehmbaren Wert. Bei einem Motor mit einer Bohrung von 135 mm und einem Hub von 122 mm erhält man

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eine größte Zugkraft an dem Pleuelstangenkopf von 9 T (wenn sich der Motor im Stillstand befindet und das Gehäuse unter Druck steht, oder bei einer Beschleunigung im Leerlauf an dem oberen Totpunkt) und eine Verdichtungskraft von 15 T (an dem oberen Totpunkt bei voller Leistung).

Bei einem Viertakt würde man dagegen bei Beschleunigungen im Leerlauf zu einer Zugkraft von 20 T an der Pleuelstange an dem oberen Totpunkt kommen, d.h. zu einem übermäßigen Wert.

Da jedoch die durch die Pleuelstange übertragene Zugkraft größer als bei einem normalen Motor ist, wird es im allgemeinen notwendig sein, einen verstärkten Pleuelstangenkopf zu benutzen.

Ferner ist zu bemerken, daß die Unterdrucksetzung des Gehäuses einen beträchtlichen Vorteil mit sich bringt, welcher durch die Verbesserung der Schmierung des Pleuelstangenfußes gebildet wird. Bei einem üblichen Zweitaktmotor arbeitet die Pleuelstange praktisch stets auf Druck. Der Kolben 21 wird daher ständig auf seine Achse gedrückt, und die Schmierung des Pleuelstangenfußes 29 ist schwierig, da der Ölfilm unter der Wirkung des Drucks zerstört wird und sich nicht wiederbilden kann. Wenn dagegen ein Luftdruck in der Kammer 24 des Gehäuses 23 herrscht, wirken auf den Pleuelstangenfuß abwechselnd Zug- und Druckkräfte. Der Ölfilm kann sich daher leicht erneuern, was die Gefahr einer Zerstörung des Pleuelstangenringee weitgehend ausschließt.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Motor ist mit wenigstens einem Einlaßventil 30 und wenigstens einem Auslaßventil 31 versehen, welche in dem Zylinderkopf 32 auf der dem Kolben 21 abgewandten Seite angeordnet sind. Zur Vereinfachung sei ein derartiger Motor mit Motor mit "Spülung von oben" bezeichnet.

Wie oben ausgeführt, sind das Ventil (oder die Ventile) 30 und in geringerem Maße das Ventil (oder die Ventile) 31 so vorgesehen, daß man soweit wie möglich eine Spülung erhält, welche Spülung in einer Schleife genannt werden kann, welche die gesamte Brennkammer erfaßt, um das Vorhandensein von toten Zonen zu verhindern und den unmittelbaren Übergang von Luft von dem Einlaßventil zu dem Auslaßventil zu begrenzen.

Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist der Zylinderkopf so ausgebildet, daß dieses Ergebnis erhalten

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wird· Ss sei zunächst angenommen, daß nur zwei Ventile vorgesehen sind. Diese Ventile 30 und 31 sind symmetrisch unter einem Winkel von 45° gegen die Achse des Zylinders 11 beiderseits des Einspritzen 34 eingebaut. Die Ventilsitze 36 und 37 befinden sich am Grund von gleichachsig zu den Ventilen in der Wand 33 des Zylinderkopfs 52 ausgebildeten Ausnehmungen, deren Tiefe von dem Umfang der Brennkammer in Richtung auf die Achse gleichmäßig zunimmt, wobei der Winkel zwischen den sich an dem mittleren, einen Ablenker bil denden Teil des Zylinderkopfs abstützenden Flächen und dem radial äußeren Teil der Sitze größenordnungsmäßig 120° beträgt. Zu Beginn des Ventilhubes beginnt daher die Luft in die Brennkammer einzu treten, indem sie der Wand der in dem Zylinderblock 47 ausgebilde ten Kammer folgt, da die Luftstromfäden, welche die Kammer kurzzu schließen suchen wurden, durch das geringe Spiel zwischen dem Um fang des Ventilkopfs und der zylindrischen Ausnehmung zurückgehal ten werden. Erst wenn das Einlaßventil 30 vollständig offen ist (Stellung, in welcher es in Fig. 2 dargestellt ist), strömt ein we nig Luft um den oberen Teil des Ventilkopfs, um die Füllung des Zy linders zu vervollständigen und die dem Einspritzer 34 benachbarte Zone zu spülen.

Das (strichpunktiert in seiner Stellung der vollen öffnung dargestellte) Auslaßventil 31 übt eine ähnliche Wirkung auf die Gase aus, welche aus dem Zylinder zu entweichen suchen. Diese Wir kungen werden noch gesteigert, wenn die Einlaß- und Auslaßstutzen die sie durchströmenden Gase parallel zu der Achse des Zylinders in ihrem Abschnitt leiten, welcher "Steuerabschnitt¹¹ genannt werden kann, welcher im allgemeinen der ist, in welchem der Durchtrittsquerschnitt in der Nähe der Mündung in den Zylinder am kleinsten ist.

Es ist noch zu bemerken, daß diese Anordnung an der Stelle des Einspritzers 34 eine heißere Zone aufrechterhält, da sie ge ringer gespült wird, was für eine schnelle Verbrennung des einge spritzten Brennstoffs günstig ist.

Die oben beschriebene Anordnung mit zwei Ventilen ist nicht die einzig mögliche.

Ganz allgemein ergibt jede Anordnung, welche gestattet, von dem Zylinderkopf 32 beim Anheben des Ventils zunächst den unteren Teil dee Ventilkopfs freizumachen, günstige Ergebnisse. Man erhält

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so eine Spülung, welche als schichtweise angesehen werden kann, welche bei Benutzung von zwei parallel angeordneten Ventilen noch verstärkt wird. In diesem Fall kann das Vorspringen des zwischen den Ventilen angeordneten Ablenkers noch vergrößert werden, wie strichpunktiert in Fig. 4 und 5 angegeben. Der restliche Teil der Wand 33 ist dachförmig. Eine derartige Anordnung ist durchlässiger als die Anordnung mit zwei Ventilen und ergibt einen größeren Platz für die Unterbringung des Einspritzers.

Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen SpUlart sind in Fig. 2, 4 und 5 durch Pfeile die Gasströme und durch eine gestrichelte Linie die Front der Füllung der Kammer mit Frischluft angedeutet, wobei diese Angäben natürlich nur als angenähert anzusehen sind.

In Fig. 4 sieht man, daß zu Beginn der Öffnung der Ventile 30 die Luft in den Zylinder eintritt, wobei sie an der zylindrischen Wand der Kammer und um einen geringen Bruchteil des Umfange des Kopfs des Ventils 30 strömt, welcher von seiner Ausnehmung abgehoben ist.

Nach Maßgabe der Öffnung des Ventils (Fig. 5) kann die Luft durch einen größeren Querschnitt entweichen, wobei sie jedoch zu dem Boden der Kammer geleitet bleibt, wobei die Drosselung der Luft bei der Strömung um den in dem tiefsten Abschnitt der Ausnehmung befindlichen Teil des Ventilkopfs die Strömungsmenge der Luft in dieser Zone begrenzt. Es ist nämlich zu bemerken, daß das dem Ventil gelassene Spiel klein sein kann (ein bis mehrere Millimeter für ein Ventil mit einem Kopf mit einem Durchmesser von 40 mm). Praktisch ist im allgemeinen ein zwischen 1 und 10 i» des Durchmessers liegendes Spiel zweckmäßig.

Erst wenn die beiden Ventile vollständig offen sind (Fig. 2) kann eine geringe Luftmenge unmittelbar von einem Ventil zu dem anderen strömen, während die Spülung praktisch vollständig ist.

Bei einem Viertaktmotor kann der Ersatz der verbrannten Gase durch die Frischluft über in dem Zylinderkopf angeordnete Ventile während etwa 360° der Drehung der Kurbelwelle erfolgen.

Das Anheben und das Zurückfallen der Ventile sind dann so langsam, daß sie durch mechanische Mittel vorgenommen werden können, wie Nocken, Stößel, Vipper für das Anheben und Federn

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für das Zurückfallen. *

Bei einem Zweitaktmotor muß die Spülung der verbrannten Gase durch die Frischluft in einer zwei- bis dreimal kürzeren Zeit erfolgen. Im allgemeinen wird dieser Verringerung der Spülzeit durch eine Vergrößerung des Durchtrittsquerschnitts der Gase und der Luft abgeholfen, indem Schlitze über den ganzen Umfang des unteren Abschnitts des Laufmantels für den Einlaß und vier Ventile in dem Zylinderkopf für den Auslaß in dem Fall der Vorrichtung zur Spülung mit Strömung in einer einzigen Richtung vorgesehen werden.

In dem Fall der "Querspülung" wird der Durchtrittsquerschnitt der Schlitze dadurch vergrößert, daß der Hub des Kolbens (auf Kosten der spezifischen Leistung) verlängert wird.

In dem hier beschriebenen Fall der Vorrichtung zur Spülung "von oben", wo nur Ventile für den Einlaß und den Auslaß durch den Zylinderkopf verfügbar sind, ist es nicht möglich, den dem Durchtritt der Gase und der Luft dargebotenen Querschnitt erheblich zu vergrößern.

Es ist daher erforderlich, die für das Anheben und das Zurückfallen der Ventile erforderliche Zeit möglichst weitgehend zu verkürzen, um ein Diagramm mit der steilsten Öffnung zu erhalten.

Infolgedessen enthält der Mechanismus zweckmäßig, wie in Pig. 3 dargestellt, zur Verkürzung der Dauer des Anhebens einen Hocken 39 mitist eil em Profil. Entsprechend muß die durch den Nocken 39t ^den Stößel 41, den Wipper 40 gebildete kinematische Anordnung verstärkt werden, und die in Bewegung befindlichen Massen müssen weitgehend verringert werden. In dieser Hinsicht ist ein Zylinderkopf mit vier Ventilen erheblich besser als ein Zylinderkopf mit zwei Ventilen.

Wenn eine Feder allein zur Erzeugung des Zurückfallens des Ventils benutzt wird, begrenzen mechanische Fragen und der Platzbedarf die Beschleunigung, welche bei dem Zurückfallen erzwungen werden kann· Um ein schnelleres Zurückfallen des Ventils zu erhalten, wird diese Wirkung von Federn 42 durch den Druck eines Druckmittels unterstützt oder ersetzt, zweckmäßig ein Gas, dessen Trägheit erheblich geringer als die einer Flüssigkeit ist. Fig. 3 zeigt einen derartigen Mechanismus für einen Motor mit unter Druck gesetztem Gehäuse. Zweckmäßig wird dann der in dem Gehäuse herrschende Druck benutzt, indem durch eine Leitung 43 das unter Druck stehende Gehäu-

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se mit einer Kammer 44 verbunden wird, in welcher ein Kolben 45 gleitet, welcher mit dem Ventilfortsatz verbunden ist und gegebenen· falls einen Stößel bildet.

Die Unterdrucksetzung des Gehäuses 23 erfordert offenbar besondere Vorsichtsmaßnahmen. Insbesondere muß der Austritt der Welle mit einer Dichtung versehen werden, welche den Austritt von unter Druck stehendem Öl verhindert. Dieses Ergebnis kann z.B. durch Benutzung von Dichtungen mit geschliffener Anlagefläche erreicht werden.

Die Kombination von oben beschriebenen Maßnahmen bringt außer den jeder von ihnen eigentümlichen Vorteile zusätzliche Vorteile. Insbesondere ermöglicht die Spülung von oben die Umgehung der Schwierigkeiten, welche bei der Unterdrucksetzung des Gehäuses 23 gleichzeitig mit der Spülung durch Schlitze oder eine Strömung in einer einzigen Richtung auftreten.

Die Gefahr einer Beschädigung der am Kopf angeordneten Kolbenringe durch die Schlitze verschwindet. Der auf die am Kopf angeordneten Kolbenringe ausgeübte Differentialdruck wird verringert. Der Differentialdruck kehrt sich während eines Arbeitsspiels um, was den Ölverbrauch und die Leckströmungen von Gas von dem Gehäuse zu der Kammer verringert.

Die Erfindung kann abgewandelt werden. Insbesondere (jedoch nicht ausschließlich) können die Ventile unter einem von 45° verschiedenen Winkel angeordnet werden, was übrigens zu einer von der beschriebenen Form verschiedenen Form des Zylinderkopfe führt. Anstatt unter einem festen Druck zu stehen, kann das Gehäuse einem den Arbeitsbedingungen des Motors gemäß einem vorbestimmten Gesetz angepassten Druck unterworfen werden. Hierfür genügt es, das geeichte Ventil 27 durch einen Servo-Mechanismus zu ersetzen, welcher einer Sonde zur Feststellung des Höchstdrucks in dem Zylinder 10 zugeordnet ist.

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Claims

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0726 76 B PATENTANSPRÜCHE

J J Mit Vorverdichtung gespeister Zweitaktverbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem Kolben, welcher in dem Zylinder eine hin- und hergehende Bewegung ausführt und mit diesem und mit einem Zylinderkopf eine Brennkammer veränderlichen Volumens abgrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf wenigstens ein einen Einlaßstutzen schließendes Einlaßventil (30) und wenigstens ein einen Auslaßstutzen schließendes Auslaßventil (31) trägt, wobei beide Ventile in dem Zylinderkopf (46) ausgebildet sind, wobei die Stutzen, der Zylinderkopf und die Ventile so angeordnet sind, daß,wenn die Ventile offen sind und sich der Kolben (21) in der Nähe des unteren Totpunkts befindet, die durch das Einlaßventil ankommende Luft wenigstens zum größten Teil zu dem Boden des Zylinders geleitet wird und die Auspuffgase zu dem Auslaßstutzen spült, und zwar ohne wesentlichen unmittelbaren Übergang von Luft von dem Einlaßstutzen zu dem Auslaßstutzen.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßstutzen und gegebenenfalls der Auslaßstutzen zweckmäßig angenähert parallel zu der Achse des Zylinders und in Richtung auf den Kolben verlaufen, wenigstens in der Nähe des Sitzes des entsprechenden Ventils (30, 31).

3. Mit Vorverdichtung gespeister Zweitaktmotor, insbesondere Dieselmotor, mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem Kolben, welcher in dem Zylinder eine hin- und hergehende Bewegung ausführt und mit diesem und mit einem Zylinderkopf eine Brennkammer veränderlichen Volumens abgrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (46) wenigstens ein Einlaßventil (30) und wenigstens ein Auslaßventil (31) trägt und eine Form besitzt, welche mit wenigstens dem Einlaßventil (30) so zusammenwirkt, daß die unmittelbaren Übergänge von Luft von dem Einlaßventil zu dem Auslaßventil beschränkt werden und der Eintritt von Luft in die Kammer längs der Wand des Zylinders in Richtung auf den Kolben begünstigt wird.

4. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse wenigstens des Einlaßventils (30) in Bezug auf die Zylinderachse schräg liegt, und daß der Zylinderkopf zwischen dem Einlaß- und Auslaßventil (30 bzw. 31) einen Ablenker bil-

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ORIGINAL INSPECTED

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det, welcher mit den Ventilen, wenn diese beiden offen sind, so zusammenwirkt, daß die unmittelbaren Übergänge von Luft von dem Einlaßventil zu dem Auslaßventil beschränkt werden und der Eintritt der Luft in die Kammer längs der Wand des Zylinders in Richtung auf den Kolben begünstigt wird.

5. Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Einlaß- und Auslaßventile um etwa 45° beiderseits der Achse des Zylinders schrägliegen, wobei der Zylinderkopf zweckmäßig eine zwischen dem Einlaßventil und dem Auslaßventil liegende Symmetrieebene besitzt.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dessen Kolben mit dem Gehäuse zusammenwirkt, um eine praktisch dichte Kammer abzugrenzen, gekennzeichnet durch Mittel (26, 27), welche in der Kammer (24) beim Arbeiten des Motors mit Vollast einen zwischen dem Viertel und der Hälfte des in der Brennkammer bei Vollast des Motors erreichten Drucks liegenden Druck aufrechterhalten.

7. Mit Vorverdichtung gespeister Zweitaktmotor, insbesondere Dieselmotor, mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem Kolben, welcher in dem Zylinder eine hin- und hergehende Bewegung ausführt und mit diesem eine Brennkammer veränderlichen Volumens abgrenzt, wobei der Kolben mit dem Gehäuse zusammenwirkt, um eine praktisch dichte Kammer abzugrenzen, deren Volumen sich während des Arbeitens verhältnismäßig wenig ändert, gekennzeichnet durch Mittel (26, 27), welche in der Kammer (24) beim Arbeiten des Motors einen zwischen dem Viertel und der Hälfte des in der Brennkammer bei Vollast des Motors erreichten Drucks liegenden Druck aufrechterhalten.

8. Motor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Kammer (24) herrschende Druck einen festen oder einen in Funktion eines Betriebsparameters des Motors einstellbaren Wert hat.

9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er überquadratisch ist.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zurückfallen der Ventile (30, 31) wenigstens teilweise durch den Druck eines Druckmittels erzeugt wird, welches eine in dem Zylinderkopf ausgebildete Ausnehmung (44) veränderlichen Volumens speist, in welcher ein mit dem Ventilfortsatz verbundener

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Kolben (45) gleitet. ^

11. Motor nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (44) mit der Kammer (24) In Verbindung steht.

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