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Spülanordnung bei kolbengesteuerten Zweitaktbrennkraftmaschinen Die
Erfindung betrifft eine Spülanordnung bei kolbengesteuerten Zweitaktbrennkraftmaschinen,
deren Einlaßkanäle zur Erzielung der bekannten Querspülung unter einem zur Zylinderwandung
spitzen Winkel in den Zylinder münden und sich im Längsschnitt gegen den Zylinder
zu verjüngen.
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Es ist die Aufgabe gestellt, den Spülluftstrom möglichst während des
ganzen Verlaufs der Kolbenbewegung bei geöffneten Schlitzen an der Einlaßseite längs
der Zy-
linderwand aufsteigen und weiterhin den Zylinderdeckel und die gegenüberliegende
Zylinderseite bestreichen zu lassen. Eine derartige sog. Hochspülung ergibt nach
angestellten Versuchen den günstigsten Wirkungsgrad der Maschine.
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Es ist erfahrungsgemäß schwierig, eine Hochspülung bei weit geöffneten
Einlaßschlitzen aufrechtzuerhalten. Vielmehr neigt die Luft dazu, den Weg des geringsten
Widerstandes unmittelbar nach den gegenüberliegenden Auslaßschlitzen zu wählen (Flachspülung).
Dabei bleibt der oberhalb des Spülstromes liegende Teil des Zylinderraumes ungespült.
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Zu den bekannten Mitteln für die Erreichung einer Hochspülung zählt
der sog. Ablenker, ein Vorsprung am Kolben, der in unmittelbarer Nähe der Einlaßschlitze
angebracht wird und den Zweck hat, dem Spülstrom die gewünschte Richtung zu geben.
Der Ablenker bedingt jedoch tote Ecken im oberen Teil des Zylinders, die wiederum
die Vollkommenheit der Spülung herabsetzen. Ein weiterer Vorschlag zur Erzielung
der Hochspülung geht dahin, durch Absaugen der Luft unmittelbar oberhalb der Einlaßschlitze
eine Ablenkung des Spülstromes zu bewirken.
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Die Erfindung erreicht den beabsichtigten Spülverlauf lediglich durch
eine besondere Formgebung der Spülkanäle. Erfindungsgemäß weisen die oberen und
unteren Begrenzungsflächen der Spülkanäle j e eine Kurvenform auf, die in an sich
bekannter Weise gegenüber derZylindermantel-Erzeugenden stetig gleichsinnig einwärts
gekrümmt ist und deren Krümmüngsradius sich nach dem Eintritt in den Zylinder hin
stetig vergrößert.
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Man hat bereits die Spülluftkanäle von Zweitaktmaschinen im spitzen
Winkel in den Zylinder münden lassen und sie im Längsschnitt gegen den Zylinder
zu verjüngt ausgebildet. Dabei ist jedoch nur die untere Begrenzung der Kanäle auf
ihrem ersten Teil gekrümmt ausgebildet worden. Der weitere Verlauf der unteren Begrenzung
und ebenso die obere Begrenzungsfläche waren vollkommen eben ausgebildet. Bei dieser
Kanalform ergibt sich ein ungünstiger Spülluftverlauf,
denn der
von der Krümmung der unteren Spülkanalbegr enzung umgelenkte Luftstrom trifft auf
die obere Begrenzungsfläche des Kanals auf, um von dieser wiederum abgelenkt zu
werden und damit unter einem verhältnismäßig stumpfen Winkel in den Zylinder einzutreten.
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Eine stetig gleichsinnig einwärts gekrümmte obere Begrenzung ist für
Einlaßkanäle von Zweitaktbrennkraftmaschinen bereits vor-,geschlagen worden. In
dem Falle soll der Kolben selbst die Führung des Luftstromes an der Unterseite des
Kanals übernehmen. Es ist damit beabsichtigt, dem Luftstrom eine dauernd sich ändernde
Richtung zu geben, während sich die Oberkante des Kolbens am Einlaßschlitz vorbeibewegt.
Es liegt also eine von der vorliegenden Erfindung abweichende Absicht vor.
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Endlich ist es nicht mehr neu, sowohl die obere als auch die untere
Begrenzungsfläche der ;sich verjüngenden Einlaßkanält gekrümmt auszubilden. In diesem
Fall hat man die untere Begrenzung in eine Parallele zur Zvlinderwand auslaufen
lassen. Dadurch ergibt sich eine Umlenkung des Stromes auf die gegenüberliegende
obere Kanalbegrenzung, von der die Luft wiederum abgelenkt wird und im stumpfen
Winkel in den Zylinder eintritt, ähnlich wie es bei der zuerst beschriebenen Kanalform
eintritt.
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Alle Mängel der bekannten Spülarten sind auf eine Wirbelbildung zurückzuführen,
die stets einer Ablösung des Spülstromes von der Kanalwandung folgt. Das ist bei
der vorliegenden Erfindung vermieden. Während der Beschleunigung der Luft infolge
der sich gegen den Zylinder zu verjüngenden Kanalform legt sich der Kern der Strömung
auf Grund der Trägheitswirkung auf die ganze Kanallänge gegen die untere Begrenzung
an. Dadurch wird eine sehr flache Einmündung des Spülstromes in den Zylinder möglich.
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Da die Umlenkung des Spülstromes durch die untere Kanalbegrenzung
bewirkt wird, muß mit dem Aufhören dieser Begrenzung, d. h. innerhalb des Eintrittsquerschnittes,
bereits die gewünschte Richtung des Spülstromes erreicht sein. Eine genügend allmähliche
Überführung auch der oberen Kanalbegrenzung in die Zylinderwand ist wesentlich,
um ein Aufprallen der bereits axial gerichteten Strömung und damit Wirbelbildung
zu verhüten, die ein Abdrängen in die radiale Richtung und damit Neigung zur Flachspülung
zur Folge haben würde. Dadurch ergibt sich nach der Erfindung eine Form der Kanalwand
an der oberen Begrenzung, deren Krümmung nach dem Eintrittsquerschnitt hin stetig
abnimmt und möglichst ohne Knick in die Zylinder-«Tand übergeht. Auch vom. Energiestandpunkt
betrachtet ist die sich verjüngende Form der Spülkanäle zweckmäßig, da sie eine
Beschleunigung der Luftmasse in kürzester Zeit bewirkt.
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An Hand der Zeichnung werden in folgendem ausgeführte Versuche an
bekannten und der gemäß der Erfindung ausgebildeten Kanalform erläutert.
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Die Abb. i und 2 sind Längsschnitte durch den Zylinderraum und die
Spülkanäle bekannter Ausführung. Abb. 3 ist ein gleichartiger Schnitt durch einen
Zylinder und Kanal der neuen Form. Die Abb. q. und 5 sind Schaubilder der Versuchsergebnisse.
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Die Versuche zeigten, daß bei bekannten Kanalformen zum Teil im Augenblick
der Schlitzöffnung ein Spülluftverlauf der Hochspülung vorhanden ist, der jedoch
bei weiterer Freigabe der Sehlitze durch den Kolben plötzlich in die Flachspülung
umschlägt. Der Übergang von der einen zur anderen Spülart ließ sich aus der fortlaufenden
Messung des Luftdruckes ermitteln. Denn der Hochspülung entspricht wegen des größeren
zu überwindenden Widerstandes ein höherer Druck als der Flachspülung. Bei der Kanalform
gemäß der Erfindung blieb in jeder Kolbenstellung die gewünschte Hochspülung erhalten.
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Die in Abb, i dargestellte Kanalform a mit gegenüber dem Zylinder
konkaven Begrenzungsflächen ergibt im Aufgang bei der gezeigten Kolbenstellung eine
Flachspülung und im oberen Teil des Zylinders einen Abgaswirbel, dessen Entstehung
durch die Bewegung der Spülluft bedingt ist. Bei weiterer Aufwärtsbewegung des Kolbens
schlägt kurz vor Abschluß der Einlaßschlitze die Strömung in die Hochspülung um.
Diese .Änderung der Strömungsrichtung erklärt sich aus der durch den Kolben gebildeten
Führung. Beim Abgang des Kolbens ist zunächst im Augenblick der Freigabe der Schlitze
noch Hochspülung vorhanden und bei weiterem Abgang, erst bei einem späteren Zeitpunkt
als beim Aufgang, tritt der Umschlag in die Flachspülung ein. Diese Verspätung der
Richtungsänderung hängt mit der im oberen bzw. unteren Abgaswirbel aufgespeicherten
Bewegungsenergie zusammen. Der Unterschied in der Lage der Umschlagspunkte gibt
einen Anhalt für die in den Wirbeln enthaltene lebendige Kraft. Ihre Energie ist
als Verlust zu werten. Aus einem großen Abstand der Umschlagspunkte läßt sich daher
auf eine schlechte Spülwirkung schließen.
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Die in Abb. 2 im Schnitt dargestellte Kanalform b mit parallelen,
ebenen Begrenzungsflächen
zeigt in der gezeichneten Stellung des
Kolbens ebenfalls eine Flachspülung. Bei den Versuchen mit dieser Kanalform ergaben
sich ähnliche Verhältnisse wie bei der Form a. Das 'Umschlagen von Flach- in Hochspülung
beim Aufgang des Kolbens setzte jedoch erheblich früher, bald nach Überschreitung
des unteren Totpunktes ein. Diese Kanalform ist weit günstiger als die zuerst beschriebene.
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Die in Abb. 3 gezeigte, gemäß der Erfindung ausgebildete Kanalform
c ergab über den ganzen Kolbenhub Hochspülung. Erst bei wesentlicher Überschreitung
des unteren Totpunktes, also an einer praktisch nicht auftretenden Stelle, schlug
der Spülstrom um. Der Abstand der Umschlagspunkte zwischen Auf- und Abwärtsbewegung
des Kolbens war sehr gering. Es traten also nur kleine Energieverluste auf. Der
in Abb.3 dargestellte Strömungsverlauf entspricht etwa einer photographischen Aufnahme
der Versuche.
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In Abb.4 sind die Spüldrücke in iVIilliineter Wassersäule in Abhängigkeit
von der jeweiligen Kolbenstellung bei Versuchen mit der Kanalform b dargestellt,
und zwar gibt die Abbildung Schaubilder für zwei verschiedene Spülpumpendrücke.
Dabei wird der Kolben nach unten über den unteren Totpunkt UTP hinaus verschoben.
Nach einem Aufgang von So min von der tiefsten Stelle sind die Schlitze vollständig
abgesperrt. Wie bei dein niedrigsten verwendeten Spüldruck durch Pfeile angedeutet,
tritt beim Abgang des Kolbens das Umschlagen der Strömung und damit ein plötzliches
Absinken des Druckes an einer tieferen Stelle ein als beim Aufgang. Beim Abgang
ist fast über die ganze Kolbenbewegung Hochspülung vorhanden. Die Lage der Urnschlagspunkte
ändert sich nur unwesentlich in Abhängigkeit vom verwendeten Spüldruck.
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Die Abb. 5 .gibt eine Gegenüberstellung der verschiedenen Lage der
Umschlagspunkte bei Verwendung der Kanalformen a, b und c. In Ordinatenrichtun.g
ist wiederum der Kolbenweg s aufgetragen. UTP bezeichnet für alle drei Kanalformen
den unteren Totpunkt der normalen Kolbenbewegung. In den Modellversuchen wurde der
Kolben jedoch um 18 mm weiter nach unten hin bewegt. Bei 8o mm waren in jedem Falle
die Einlaßschlitze ,geschlossen. Es ist ersichtlich, daß bei der Kanalform c der
vorliegenden Erfindung die Umschlagspunkte weit unter dem unteren Totpunkt liegen.
Der Abstand der Punkte für den Auf- und Abgang beträgt nur s mm, ein Zeichen für
die geringe unnötige Wirbelung im Innern des Zylinders. Bei weitem ungünstiger liegen
die Verhältnisse bei der bekannten Kanalform a. Während beim Aufgang des Kolbens
erst kurz vor Abschluß der Schlitze die erwünschte Hochspülung eintritt, ergibt
sich umgekehrt beim Abgang erst spät die ungünstige Flachspülung. Etwas besser ist
die Kanalform b. Die Entfernung der Umschlagspunkte voneinander ist geringer als
bei a, und über einen großen Teil der Schlitzöffnung durch den Kolben ist Hochspülung
vorhanden. Das Umschlagen der Spülung ist jedoch nicht vermieden. '