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Zweitaktmotor Gegenstand der Erfindung ist ein Zweitaktmotor mit einer
im Auspuffwege vorgesehenen Rückschlagklappe, bei welchem die Ladung durch den im
Zylinder beim Ausströmen der Abgase entstehenden Unterdruck zugeführt wird.
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Die Erfindung besteht hauptsächlich darin, daß die Rückschlagl:lappe
am Zylinder selbst oder in seiner unmittelbaren Nähe angeordnet ist.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, durch die Auspuffgase in einem
Zylinder einen Unterdruck zu erzeugen, jedoch bestand die Schwierigkeit stets darin,
unter der alleinigen Einwirkung des Auspuffs einen hohen Unterdruck im Zylinder
zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist vorgeschlagen worden, am Ende eines langen Auspuffrohres
eine Rückschlagklappe vorzusehen, um das Zurückströmen der äußeren Luft zu verhüten.
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Die Erfahrung hat nun aber gezeigt, daß das durch dieses Mittel im
Zylinder erzeugte Vakuum stets schwach und ungleichmäßig ist und demgemäß auch eine
gute Füllung des Zylinders nicht sichern kann, falls man nicht gleichzeitig eine
Speisepumpe vorsieht.
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Anscheinend rührt dieser ungenügende Unterdruck daher, daß die Gase
nicht vollkommen gleichmäßig durch das lange Auspuffrohr strömen; wegen der Dauer
des Durchganges und der Gegenwart der Rück, Schlagklappe am Ende des Rohres wird
wahrscheinlich durch den plötzlichen Widerstand dieser Klappe eine Druckwelle erzeugt,
die nach dem Zylinder zurückgeht und dadurch das gleichmäßige Strömen der Gase stört.
Man kann auch annehmen, daß ein solcher Auspuff der Gase nach einer Explosion nicht
nach einem gleichmäßigen Gesetz stattfindet, wie dies für ein Gas erfolgt, das von
einem starken Druck auf einen schwachen Druck entspannt wird. Nach der Explosion
entsteht im Gase eine Welle, die sich natürlich auch wellenartig verschiebt, und
dadurch erklärt sich auch, daß ein langes Auspuffrohr Störungen in der Strömung
verursacht und sich nicht für die Erzeugung eines hohen Unterdruckes eignet.
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Der Grundgedanke des Erfindungsgegenstandes steht nun demjenigen der
bekannten Einrichtungen gänzlich entgegen, da er ja gerade darin besteht, das lange
Auspuffrohr zu beseitigen und die Rückschlagklappe sehr nahe an den Zylinder heranzurücken.
Der Auspuff erzeugt alsdann den Unterdruck direkt im Zylinder, und die Erfahrung
hat gezeigt, daß es unter solchen Bedingungen möglich ist, einen hohen Unterdruck
zu erzeugen, der vollkommen genügt, um die erforderliche Füllung des Zylinders zu
sichern, vorausgesetzt,
daß die Rückschlagklappe derart ausgebildet
sei, daß sie luftdicht schließt, sobald die Gase zurückströmen, und daß sie nicht
den geringsten Teil in den Zylinder wieder eintreten läßt. Es wird dadurch möglich,
Zweitaktmotore zu bauen, die einfach sind und trotzdem vollkommen zufriedenstellend
arbeiten.
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Mehrere Ausführungsbeispiele sind auf der Zeichnung dargestellt.
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Abb. i ist ein senkrechter Schnitt durch den Motor.
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Abb. 2 ist ein waagerechter Schnitt gemäß der Linie 2-2 der Abb. i.
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Abb. 3 ist eine Ansicht wie Abb. i, die sich auf eine zweite Ausführung
bezieht.
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Abb. q_ ist ein Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit zwei Kolben.
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Abb. 5 zeigt in größerem Maßstabe einen Schnitt durch eine Einzelanordnung.
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Abb. 6 ist ein Ouerschnitt durch eine selbsttätige Klappe.
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Im Falle der Abb. i und 2 bezeichnet i den Zylinder mit den Kühlrippen
2, in welchen ein Kolben 3 arbeitet, der mit einer Pleuelstange q. verbunden ist.
Der Einlaß des brennbaren Gases erfolgt durch ein Sammelrohr 5, welches mit einem
Vergaser verbunden ist mit oder ohne Zwischenschaltung einer Klappe, wie sie in
Abb. 5 dargestellt ist und die weiter unten beschrieben ist, wobei das Sammelrohr
durch Öffnungen 6 mit dem Zylinder in Verbindung steht.
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Die Verbrennungsgase entweichen aus dem Zylinder mit großer Geschwindigkeit
durch eine Reihe von Öffnungen 8, die auf einem Teil des Umfanges des Zylinders
verteilt sind, und durch ein V-förmiges Sammelrohr 7, an dessen Ende sich eine Klappe
befindet, die aus einer Reihe elastischer und leichter Metallzungen 9 besteht (Abb.
i und 2). Jede Zunge ist in der Mitte auf einer gelochten Wand io befestigt, welche
fest an den Wänden des Sammelrohres 7 sitzt und einen Sitz bildet.
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Stücke i i in Gestalt von Teilringen, die ebenfalls gelocht sind,
sind in ihrer Mitte auf Wänden io derart befestigt, daß jede eine der Zungen 9 bedeckt
und ihr jedoch eine gewisse Bewegungsfreiheit läßt.
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Sobald die frischen Gase, welche in den Zylinder durch das Sammelrohr
5 und die Löcher 6 eingelassen worden sind, verdichtet sind und der Kolben 3 am
oberen Hubende anlangt, erfolgt die Zündung des brennbaren Gemisches in üblicher
Weise durch die Zündkerze 12, und die Explosion treibt den Kolben abwärts, welcher
zunächst die Öffnungen $ freigibt, durch welche die verbrannten Gase ausströmen,
und dann die Eintrittsöffnungen 6 bloßlegt.
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Im Augenblick der Explosion führen die im oberen Teile des Zylinders
befindlichen Gase eine sehr rasche lineare Hinundherbewegung aus (etwa 2ooo bis
5ooo m/Sek. bei einem brennbaren Gemisch aus Benzol). Diese Gase prallen an die
Zylinderwände und von diesen wieder zurück, bis die Auslaßöftnung freigegeben wird.
In diesem Augenblick stürzen sie aus dem Zylinder heraus. Infolge der Anordnung
der Klappe 9, welche nur- einen sehr geringen Widerstand den Verbrennungsgasen entgegenstellt
und ihre Rückkehr in den Zylinder verhindert, erzeugt man im Zylinder einen großen
Unterdruck, welcher praktisch bis auf o,i bis o,5 Atm. abs. sinken kann.
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Dieser Unterdruck von o,i bis o,5 Atm. abs. entspricht dem Druck der
Gasmenge, welche nicht aus dem Zylinder entwichen ist. Der Rückstand kann sich aus
einer Verspätung in der Öffnung der Klappe ergeben. Andererseits bleiben von dem
Gas, welches gegen die Vertiefungen und Vorsprünge im Innern des Zylinders prallt,
Teile nach dem Schließen der Klappe zurück.
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Diese Gase bilden den Rückstand. Je nach der Menge dieser Gase muß
der Raum zwischen dem Zylinder und der Klappe 9 et-,va gleich sein dem Volumen des
Rückstandes, welcher auf den Druck der freien Luft zurückgebracht ist.
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Ist dieser Raum, welcher als Zwischenraum bezeichnet werden kann,
merklich größer als das Volumen des Rückstandes, so wird er sich mit frischen Gasen
füllen, welche bei der Nutzarbeit des Zylinderinhaltes nicht mitwirken werden, und
sie werden im gleichen Zustande wieder ausgestoßen und gehen verloren. Der Verbrauch
eines solchen Motors wird also zu groß sein.
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Ist jedoch dieser Zwischenraum merklich kleiner als das Volumen des
Rückstandes, so werden die frischen Gase nicht den ganzen Zylinderinhalt ausfüllen;
und der Motor, welcher sonst wenig Brennstoff verbraucht, wird nicht die Leistung
haben, die dem Zylinderinhalt entspricht.
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Dieser Raum hängt also von der Größe des Zylinderinhaltes ab, und
seine Größe muß sich praktisch zwischen o,5 und o,i des gesamten Zylinderinhaltes
bewegen.
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Die Klappe 9 darf sich nicht hinter oder vor einer Rohrleitung befinden,
denn dadurch würde eine Hinundherbewegung des Gases erzeugt, wodurch Stöße und Unterdrücke
entstehen würden, welche das Arbeiten der Klappe ungünstig beeinflussen würden.
Am Austritt dieser Klappe dürfen die Gase nicht durch eine Leitung geführt werden,
pnd ihre lebendige Kraft muß gehemmt werden. Dies wird dadurch erzielt, daß man
die verbrannten Gase .unmittelbar in die freie Luft
ausströmen läßt
oder in einen großen Raum und nach allen Seiten hin, wobei die Größe dieses Raumes
merklich größer sein muß als der Zvlinderinhalt. In diesem Raum kann der Druck höher
sein als der Druck der freien Luft, ohne daß dadurch ein günstiges Arbeiten der
Klappe und des Motors gestört wird.
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Die Klappe g kann etwa um einen Milliineter zwischen dem Sitz io und
dem Anschlag ii ausschlagen.
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Die halbkreisförmige Gestalt der Klappe 9, so wie sie dargestellt
ist, ermöglicht eine gedrängte Bauform des Auslaßstutzens, und hierdurch wird der
Weg, den die Gase bis zu der Klappe zurücklegen müssen, verkürzt. Man kann die Anzahl
der Zungen erhöhen, und falls man sie von der Mitte des Zylinders weiter abrückt,
kann man für die entweichenden Gase leicht einen sehr großen Durchgangsquerschnitt
herstellen, wobei dieser von der Größe der Zungen abhängt, deren Hub sich auf einen
Millimeter beschränken muß. Damit die Klappe im Augenblick des Schließens auch sicher
wirkt, müssen die Teile i i derart gelocht sein, daß die äußeren Flächen der Zungen
9 der zurückschlagenden Gasmasse ausgesetzt sind. Der Rückstoß bewirkt dann das
augenblickliche Schließen und vermindert auf das geringste Maß das Eindringen von
Gas, welches für die gute Wirkungsweise des Motors insofern schädlich ist, als es
die Masse der Rückstände vergrößert.
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Dadurch, daß der Eintritt der Ladung durch Unterdruck bewirkt wird,
wird die Vergasung des flüssigen Brennstoffes erheblich verbessert. Der kritische
Punkt des flüssigen Zustandes wird weit überschritten, so daß eine Art Explosion
der Tröpfchen entsteht, die sich in nicht gesättigten Dampf umwandeln. Selbstverständlich
wird die Verdampfung auch durch die Wärme und durch das Durchwirbeln gefördert,
jedoch ist diese Einwirkung geringer als diejenige des Unterdruckes.
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Die frischen Gase treten wegen des hohen Unterdruckes sehr schnell
in den Zylinder ein, insbesondere zu Beginn der Freigabe der Einlaßöffnungen 6.
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Es ist von Vorteil, in der Einlaßleitung eine Rückschlagklappe so
nahe wie möglich an dem Zylinder anzuordnen, so daß die Gase bei Beginn der Verdichtung
im Zylinder nicht mehr zurückströmen können. Man erhält auf diese Weise im Zylinder
einen Druck, der höher ist als derjenige der freien Luft oder des Raumes, aus welchem
der Zylinder gespeist wird. Dieser Druck beträgt etwa i,i bis 1,4 Atm.
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Eine solche Klappe ist in Abb. 5 dargestellt, in welcher die Einlaßleitung
mit.dem Stutzen verbunden ist, welcher vom Vergaser abgeht, und zwar durch eine
Muffe aus zwei Teilen 14 und i4a, welche das Gehäuse der Klappe bildet. Diese beiden
Teile sind auf dem Stutzen und auf einem Ring 15 befestigt, der beispielsweise die
dargestellte Gestalt besitzt.
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Der Ring 15 besitzt eine gewisse Anzahl Löcher für den Durchgang der
Gase, welche durch einen Kern 16 abgelenkt werden.
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Die Klappe besteht aus einem dünnen elastischen Metallstück 17 von
der Form eines Ringes und ist mit inneren Armen i7a versehen, die auf dem Ring 15
befestigt sind.
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Dem Kern 16 gegenüber ist eine andere Ablenkvorrichtung 18 eingebaut,
welche durch eine Mutter i9 festgehalten ist, die auf einem in den Kern 16 eingeschraubten
Bolzen sitzt.
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Die Ablenkvorrichtung 18 ist mit Armen 21 versehen, von denen einer
auf der Abbildung dargestellt ist und an welchen ein Ring 22 mit Löchern festsitzt,
welcher als Anschlag für die Klappe dient, ähnlich dem Anschlag i i für die Auspuffklappe.
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Bei diesen Zweitaktmotoren stellt man deutlich eine Selbstzündungserscheinung
fest, die anders beschaffen ist als diejenige, welche durch Verdichtung erzielt
wird, bevor die Zündung durch einen Funken erfolgt.
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Die Selbstzündung im vorliegenden Falle ist davon ganz verschieden.
Sie entsteht in dem Augenblick, in welchem der Einlaß beginnt und ist bei Schluß
des Einlasses beendet.
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Die Gase, welche in den Zvlinder eintreten, in welchem ein hoher Unterdruck
herrscht, strömen in Gestalt einer kompakten Masse ein. Sie wirken wie ein Geschoß,
stoßen gegen die Wände und verdrängen die verdünnten Rückstände, welche alsdann
im Zylinder verdichtet werden.
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Ist die Verbrennung der Rückstände noch nicht beendet oder befinden
sich glühende Teile im Zylinder, so bilden sich Brennpunkte, welche den Kopf der
eintretenden Gasmasse zünden. Diese Vorzündung wirft die frischen Gase durch die
Einlaßöffnungen zurück, und hierdurch wird ein unangenehmes Zischen im Vergaser
hervorgerufen, wobei sogar eine Flamme entstehen kann. Gleichzeitig läuft der Motor
mit Stößen, verliert an Leistung, und falls die Erscheinung nicht stark ist, läuft
der Zweitaktmotor als Viertaktmotor.
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Die Flamme bei dieser Vorzündung ist deutlich von derjenigen des Auspuffes
verschieden. Sie ist weißlichblau und ähnlich der Farbe der elektrischen Entladungen
in Levdener Flaschen.
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Um diese Selbstzündung der Frischgase zu verhüten, muß jeder Brennpunkt,
welcher sie
erzeugen kann, beim Eintreten der frischen Gase gelöscht
sein.
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Zu diesem Zweck muß die Explosion genau im Augenblicke, wo die Zündung
erfolgt, die ganze Ladung verbrennen. Das Gemisch muß somit richtig dosiert sein;
außerdem muß die Explosionskammer derart ausgebildet sein, daß Ecken, Vorsprünge
und Aussparungen möglichst vermieden werden. Die Zündkerze muß die ganze verdichtete
Gasmasse beleuchten; sie muß somit möglichst in der Mitte der Verbrennungskammer
angebracht sein.
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Wichtig für die Löschung dieser Brennpunkte ist die Lage des Auslasses
zu der des Einlasses. Die Zeit zwischen Ende des Auslasses und Beginn des Einlasses
hängt von der Bauart des Zylinders ab.
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Für übliche Umdrehungszahlen von 3000 bis 3500 pro Minute wird
eine Versetzung von io bis 5o° zwischen dem Beginn des Auspuffes und dem Beginn
des Einlasses genügen. Je besser die Vergasung ist, je besser die Zylinderwände
geglättet sind, um so kleiner kann diese Versetzung sein, um einen guten Gang des
Motors zu ermöglichen. Vorteilhaft beträgt die Versetzung 30° und mehr, Bei der
anderen Ausführung nach Abb. 3, in welcher die gleichen Bezugszeichen die gleichen
Teile wie vorhin bezeichnen, wird der Zylinder 21 durch einen Wasserumlauf gekühlt,
und der Einlaß wird durch ein Ventil 22 gesteuert, welches sich am Zylinderkopf
befindet und durch einen Stößer 23 oder einen Hebel 2.4 betätigt werden kann.
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Bei der Ausführung nach Abb. q. sind zwei Kolben 3a und 3b vorgesehen,
welche sich entgegengesetzt zueinander bewegen und derart versetzt arbeiten, daß
der Kolben 3b den Auslaß bereits geschlossen hat, bevor die Einlaßöffnungen geschlossen
werden.
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Der Einlaßstutzen enthält ein Einlaßventil, welches wie die Auslaßklappe
beschaffen ist und aus zwei Zungen 26, einem gelochten Sitz 27 und einem Anschlag
28, ebenfalls mit Löchern, besteht.
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Die Anordnungen nach Abb.3 und q. gestatten die Einstellung der Gassteuerung
derart, daß die Auslaßöffnung geschlossen ist, bevor der Einlaß sich öffnet (Abb.3),
oder daß die Auslaßöffnung geschlossen ist,- bevor, der Einlaß beendet ist (Abb.
q.), so daß die frischen Gase in einen geschlossenen Raum' eintreten und somit nicht
durch den Auslaß verlorengehen können. Diese Anordnung gestattet die Anwendung außer
der genannten Ladevorrichtung einer solchen, welche die Gase in verdichtetem Zustande
in den Zylinder drückt. In diesem letzteren Falle wird der Druck aufrechterhalten,
da ja die Aus: laßöffnung durch den Kolben geschlossen ist. Durch die Anordnung
der Einlaßklappe (Abb. q.) wird im Falle einer mechanischen Steuerung ermöglicht,
im Zylinder einen größeren Druck zu erhalten als bei Beginn des Einströmens. Dies
ergibt sich einerseits aus dem großen Unterdruck, welcher im Zylinder im Augenblick
des Öffnens des Einlasses herrscht, und andererseits aus der Eintrittsgeschwindigkeit
der Gase, welche entsprechend sehr groß ist.
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Trotz der umständlicheren Bauart ist die Ausführung nach Abb. 3 und
q. gegenüber derjenigen nach Abb. i und 2 vorteilhafter, da im letzteren Falle die
Gase, welche mit großer Geschwindigkeit eintreten, die Auslaßklappe etwas anheben
und die Speisung unter Überdruck verhindern können.
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Es muß im allgemeinen bemerkt werden, daß bei jeder Umdrehungsgeschwindigkeit
des Motors die Öffnungsdauer des Auslasses durch den Kolben oder durch eine Steuerbüchse
oder einen sonstigen Verschluß größer sein wird als die Dauer des Hinundherganges
der Gasmasse, welche aus diesen öffnungen ausströmt und nach dem Zylinder zurückströmt,
nachdem sie gegen die äußeren Gase oder gegen ein beliebiges Hindernis gestoßen
ist. Nur bei einer gewissen, genügend hohen Umdrehungszahl wird der Abschluß der
gesteuerten Auslaßöffnungen genügend früh erfolgen und ein Zurückströmen der Auspuffgase
in den Zylinder verhindern.
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Durch die Zwischenschaltung der Rückschlagklappe 9 in den Weg der
Auspuffgase wird diesem Fehler abgeholfen, und zwar bei jeder Geschwindigkeit, welche
von der normalen Geschwindigkeit abweicht, und es bleibt die gleiche Wirkungsweise
und der gleiche Wirkungsgrad bei jeder Drehzahl erhalten.
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Diese Rückschlagklappe, deren Masse und Hub möglichst klein sein muß,
um beim Stoß der Gasmasse sofort ansprechen zu können, kann jede passende Gestalt
erhalten. Selbst falls man die Anordnung gemäß Abb. 6 beibehalten will, kann man
doch der Zunge 9 eine beliebige Gestalt geben. Sie kann gerade, gebogen, kreisförmig,
flach, spiralförmig usw. ausgebildet sein. Selbstverständlich muß in jedem Fall
der Sitz io und der Anschlag ii eine entsprechende Gestalt erhalten.
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Ein Motor der beschriebenen Art kann in sehr vorteilhafter Weise'
die bekannten Zweitaktmotoren mit Kurbelkastenpumpe ersetzen, bei denen die Abdichtung
des Kurbelgehäuses Schwierigkeiten macht. Die Vergasung wird sogar durch den im
Augenblick des Einlasses im Zylinder herrschenden Unterdruck gefördert.
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Außerdem sind die bekannten Zweitaktmotoren mit Kurbelkastenpumpe
auf Kraftwagen
schwer anzuwenden, da bei einer Mehrzylindermaschine
das Kurbelgehäuse in einzelne Kammern unterteilt werden muß. Die Anwendung der Speisevorrichtung
nach der Erfindung gestattet es, in sehr einfacher Weise den genannten Übelständen
abzuhelfen.
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Übrigens kann die Erfindung für :Motoren mit beliebiger Zylinderzahl
und jeder Größe benützt werden.