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Zweitaktbrennkraftmaschine mit Rohrschiebersteuerung nie Erfindung
betrifft eine Zweitaktbrennkraftmaschine mit zwischen Zylinder und Arbeitskolben
:axial verschiebbarem rohrförmigem Steuerschieber, der die Auspuffschlitze, Spülschlitze
und überladeschlitze im Zylinder steuert und die Steuerung sowohl der Spülschlitze
wie überladeschlitze im Zylinder durch dieselben Schlitze im Schieber bewirkt.
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Solche Maschinen sind schon vorgeschlagen, jedoch wieder fallen gelassen,
worden, da die üblichen Steuerungsbewegungen der Schieber viel zu kleine Steuerquerschnitte
hergaben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die darin besteht, daß die überladeschlitze
durch den Rohrsteuerschieber in der Nähe der größten Geschwindigkeit seiner Aufwärtsbewegung
geöffnet und durch den Rohrsteuersch.ieber und durch den Kolben gemeinsam erst ,geschlossen
werden, wenn der Rohrsteuerschieber die größte Geschwindigkeit seiner Aufwärtsbewegung
überschritten hat, gelingt es sowohl für den Auspuff wie für die Spül-und überladeschlitze
bei höchsten Drehzahlen und Kolbengeschwindigkeiten Steuerquerschnitte frei -zu
legen, die bis zu einem Mehrfachen größer sind Aals die Steuerquerschnitte, die
für solche Maschinen bis jetzt erreicht werden konnten.
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Die Fig. i veranschaulicht eine nach obigen Regeln arbeitende Brennkraftmaschine
mit dem Arbeitszylinder i, dem zugehörigen Rohrstenerschieber 2, ,dem Arbeitskolben
3, der Pleuelstange L und der Arbeitskurbel R im Längsschnitt. Der Antrieb des Schiebers
erfolgt durch ein Kurbel- oder Exzentergetriebe oder durch ein Nockengetriebe. Das
schematische Ausführungsbeispiel zeigt ein geschränktes Kurbelgetriebe mit KurbielY,
Pleuel i und dem Mitnebmer 2', der den Schieber mit der Pleuel verbindet. Der zugehörige
Arbeitskolben 3 mit seiner Oberkante 3" und seiner Unterkante 3" ist in Ansicht
eingezeichnet.
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Fig. 2 veranschaulicht durch Figurhälfte A-B einen Querschnitt A-B
in Fig. i einerseits durch die Austrittsschlitze 4 und den Auspuffsammelkanal5 am
oberen Ende des Arbeitszylinders i und durch Figurhälfte C-D andererseits einen
Querschnitt C-D in Fig. i durch den Spülluftsammelkanal 6 und die Spüllufteintrittsschilitze
7 .am unteren Ende des Arbeitszylinders sowie durch die Einlaßschlitze 8 im Rohrsteuerschieber.
Unmittelbar über dem Sammelkanal 6 -und den Einlaßschlitzen 7 der Spülluft sind
der Sammelkanal9 für die überladeluft bzw. das überladegemisch sowie die Einführungsschlitze
i o dieser Gase in den Arbeitsraum angeordnet. Die Stege sowohl des Kaitals 6 wie
9 im Arbeitszylinder i sind genau übereinander angeordnet und haben gleiche oder
zum mindesten ähnliche Quersclinitte. Sowohl Schnitt C-D wie E-F der Fig. i sind
daher in Fig. 2 durch Figurhälfte C-D dargestellt.
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Fig. 3 a, 3 b und 3 c stellen drei Arten der Weg y Zeitdiagramme der
Arbeitskolben und der Steuerschieberbewegung dar und die aus
der
Zusammenarbeit der Rohrsteuerschieberoberkante 20, der Schlitze 4 im Arbeitszylinder
i und der Schlitze 8 im kohrsteuerschie. her, der Arbeitskolb.enoberkante
3, und ki' Schlitze 7 und io im Arbeitszylinder i rei@1: tierenden Zeitquerschnitte
für den Austritt'#;"1, Auspuffgase in den ins Freie oder zur Tur führenden Sammelkanal
5, ferner den Eintritt der Spülluft ,aus dem Sammelkana16 in den Arbeitsraum und
den Eintritt der überladeluft bzw. des Überladegemisches aus dem Sammelkana19 in
den Arbeitsraum.
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Fig.4 stellt das zum WegXZeitdiagramm 3, gehörende Geschwindigkeit
X Zeitdiagramm der Schieberbewegung während einer Kurbelrvellenumdrehnng dar. Die
Geschwindigkeitsmaxima sind mit W und W' eingezeichnet. Ihre entsprechende
Lage ist mit denselben Buchstaben in den Fig.3a, 3b und 3c eingezeichnet.
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Aus dem Kurbeltrieb, bestehend aus Kolben 3, Pleuelstange
Lund Kurbel R in Fig. i wurden die drei Weg X Zeitkurven in Fig. 3a, 3b,
3c der steuernden Arbeitskolbenoberkante 3" abgeleitet.
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Dies geschah derart, daß für eine ganze Kurbelumdrehung der Kurbelkreis
in 12 Teile eingeteilt und waagerecht von links nach rechts abgetragen wurde, während
senkrecht zu jedem dieser Punkte die zugehörige Arbeitskolbenoberkantenstellung
eingezeichnet wurde. In die so entstandenen WegXZeitdiagramme der steuernden Arbeitskolbenoberkante
3o wurden in gleichem Maßstab zu den zwölf Arbeitskolbenoberkantenstellungen die
zugehörigen Stellungen der den Austritt der Auspuffgase steuernden Rolirsclüeberoberkante
2" sowie der den Eintritt der Spülluft und überladeluft bzw. des überladegemisches
steuernden Ober- und Unterkante 8o und 8" der Rohrsteuerschiebereinlaßscblitze 8
,eingezeichnet.
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Und endlich durch Einzeichnung der festen Ober- und Unterkanten 4,
und 4,1 in Fig. i und 3a, 3b und 3.c jener Schlitze 4 im Arbeitszylinder i, die
die Auspuffgase in den Sammelkanal 5 und von hier ins Freie oder zur Turbine leiten,
ferner der festen Ober--und Unterkante 7o und 7- jener Schlitze 7, die die
Spülluft in den Arbeitsraum einführen sowie der festen Ober- und Unterkante ioo
und iou jener Schlitze io, die die überlade-Iuft bzw. das überliadegemisch. in den
Arbeitsraum einführen, entstanden die Fig. 3a, 3 b und 3 c über den zeitlichen Verlauf
aller Steuerquerschnitte während eines ganzen Arbeitsspieles.
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In allen Weg X Zeitdiagrammen ist die Bewegung des Rohrsteuerschiebers
gegenüber dem Arbeitskolben um den Winkel a phasenverschoben. Die Kanäle im Arbeitszylinder,
der Rohrsteuerschieb.er mit seiner steuernden Oberkante und seinen Einlaßschlitzen
und der Arbeitskolben arbeiten nun folgendermaßen z"lisammen: :."'"Der Arbeitskolben
3 bewegt sich unter dem 'bruck der Verbrennungsgase von seinem oberen Totpunkt gegen
seinen unteren Totpunkt hin und gibt über die Pleuelstange Arbeit .an die Kurbelwelle
ab. Um den Winkel a voreilend und mit kleinerer mittlerer Geschwindigkeit bewegt
sich der Rohrsteuerschieber 2 in gleicher Richtung. Etwa i/3 vor dem unteren Totpunkt
des Arbeitskolbens treffen und übergleiten sich die Rohrsteuerschieberoberkante
20 -und die fest Oberkante 4, der Auslaßschlitze 4 am oberen Ende des Arbeitszylinders
(Fig. 3 a, 3 b und 3c, Punkt P1). Da der Rohrsteuerschieber liier im Gebiete seiner
größten Geschwindigkeit ist, wie das aus Fig. ,4 ersichtlich ist, weitet sich der
Spalt zwischen der Rohrsteuerschieberoberkante 20 und der Oberkante 4" der Auslaßschlitze
4 sehr rasch, und die Verbrennungsgase strömen mit geringstem Drosselverlust durch
den Spalt und den Sanimelkanal5 entweder vor die Turbinenlaufschaufeln oderunmittelbar
ins Freie. Sowie nun der Druck im Arbeitszylinder auf. den Spüldruck im Sammelkanal
6 oder nahezu auf denselben heruntergefallen ist, treffen sich die Arbeitskolbenoberkante
30, die Oberkante 80 der Einlaßschlitze 8 im Rohrsteuerschieber und die feste Oberkante
7, der Spüllufteinlaßsch.litze 7 im Arbeitszylinder i (Fig. 3 a, 3 b und
3c, Punkt P.,). Die feste Oberkante ; o der Spüllufteinlaßschlitze 7 im Arbeitszylinder
i kann durch die Oberkante 8o der Einlaßschätze 8 im Rohrsteuerschieher 2 auch schon
vor ihrem Zusammentreffen mit der Arbeitskolbenoberkante 3" überglitten worden
sein. Da nun in diesem Gebiet die Geschwindigkeit des Arbeitskolbens wesentlich
größer ist ,als diejenige des Rohrsteuerschiebers, weitet sich der Spalt zwischen
Arbeitskolbenoberkante und Einlaßsclditzoberkante im Rohrsteuerschieber rasch, und
die restlichen Verbrennungsgase im Arbeitsraum wurden durch die an seinem untersten
Ende durch obige Schlitze eintretende Spülluft durch die Auslaßschlitze 4 in, den
Sammelkanal 5 ausgetrieben. Dieses Austreiben der Restgase durch die Spülluft dauert
nun an, bis daß der Rohrsteuerschieber 2 und nach ihm der Arbeitskolben 3 ihre untere
Totlage überschritten haben und der Rohrsteuerschieber 2 bei seinem Aufwärtsgang
mit seiner Oberkante 2, die Oberkante 4" der Auslaßschlitze 4. im Arbeitszylinder
i wieder erreicht und durch Übergleiten abgeschlossen hat (Fig.3a, 3b und 3c, Punkt
P.). Etwas später wird einerseits
durch übergleiten durch die Unterkante
8u der Einlaßschlitze 8 im Rohrsteuerschieber 2 der festen Oberkante 7o der Spüllufteinlaßschlitze
7 des Arbeitszylinders i der Eintritt der Spülluft in den Arbeitsraum unterbunden,
während andererseits schon etwas vorher durch übergleiten durch die Öberkante 8,,
der Einlaßschlitze 8 des Rohrsteuerschiebers 2 der festen Unterkante iou der Einlaßsch.litze
io des Arbeitszylinders i der Eintritt der überladeluft bzw. des Überladegemisches
durch die Schlitze io in den Arbeitsraum eröffnet wird. Durch das Abschließen der
Spülschlitze nach Abschluß der Auspuffschlitze, und da der Rohrsteuerschieber gemäß
der Erfindung hier im Gebiet seiner größten Aufwärtsgeschwindigkeit ist und somit
die Spüllufteinlaßschlitze 8 sehr schnell abgeschlossen werden, ist der Arbeitszylinder
schon vor der Überladung in wirkungsvollster Weise auf den Spüldruck aufgeladen
worden, während gleichzeitig oder unmittelbar etwas vorher die überladeluft bzw.
die überladegemischeinlaßschlitze io gemäß der Erfindung sehr schnell eröffnet werden
(Fig. 3.a, 3 b und 3 c, Punkt P4 und Punkt P,,). Etwa 2/2, vor seinem oberen Totpunkt
hat der Arbeitskolben 3 mit seiner Oberkante 3, die Oberkante 8" der Einlaßschlitze
8 im Rohrsteuerschieber 2 wieder eingeholt und durch gemeinschaftliches Übergleiten
mit der festen Oberkante ioo derLadeschlitze i o im Arbeitszylinder 2 den Eintritt
der überladeluft bzw. des überladegemisches wieder abgeschlossen (Fig.3a, 3b und
3c, Punkt P,;). Da einerseits der Arbeitskolben hier im Gebiete seiner größten Aufwärtsgeschwindigkeit
ist, während andererseits gemäß der Erfindung die Geschwindigkeit des Rohrsteuerschiebers
schon fast auf' o gesunken ist, erfolgt der Abschluß der Überladeschlitze schnellstens.
Gemäß der Erfindung erfolgt also das Eröffnen der Überladeschlitze mit ,größter
Rel,ativgesch-,Nrindigkeit zwischen Zylinder Bund Schieber, während das Schließen
derselben mit größter Relativgeschwindigkeit zwischen Schieber und Kolben erfolgt.
Durch den Wechsel der größten Geschwindigke.it für das Eröffnen und Schließen von
einem Organ :auf das andere ist die Zeit, die diesen Organen zur Verfügung steht,
um auf die hohe Geschwindigkeit zu kommen, unabhängig von der Kürze der Überladezeit
und ein Vielfaches .derselben. Ebenso steht dem Rohrsteuerschieber, nachdem er im
Moment der Eröffnung der überladeschlitze seine größte Aufwärtsgeschwindigkeit :erreicht
hat, die ganze überladezeit zur Verfügung, um für den Moment des Abschlusses durch
den Arbeitskolben mit größter Geschwindigkeit seine Geschwindigkeit auf einen Kleinstwert
zu verz*ägeixi. Auf diese Weise wird bei kurzer Cberladezeit ein größter überladezeitquerschnitt
verwirklicht. Da unmittelbar vor Beginn der Eröffnung der Überladeschlitze sowohl
die Auspuffschlitze wie Spülschlitze mit größter Geschwindigkeit geschlossen werden,
kann der Überladedruck auch ohne -Verlust an überladeluft bzw. Überladegemiscli
beliebig hoch getrieben werden, und die Zylinderleistung ist bei erfindungsgemäßen
Maschinen nicht mehr wie bei bekannten solchen Maschinen durch den Steuervorgang
begrenzt, sonder durch die vom Zylinder überhaupt tragbare Wärmebelastung.
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Die Überschneidung der Spül-Zeit-Querschnitte und überlade-Zeit-Querschnitte
und der überlade-Zeit-Querschnitte und Auspuff-Zeit-Quersclmitte kann um so weitergetrieben
werden, je höher die mittlere Kolbengeschwindigkeit und die Drehzahl der betreffenden
Maschine ist, denn es braucht immerhin eine gewisse Zeit, "bis die vorzugsweise
tangential am . unteren Ende des Arbeitsraumes eintretende Überladeluft bzw. das
überladegemisch den ganzen Arbeitsranzen durchsetzt und die Auslaßschlitze erreicht
hat. Die Steuerung nach Fig. 3a hat im Verhältnis zum überlade-Zeit-Querschnitt
einen relativ großen Spül-Zeit-Querschnitt. Diese Steuerung eignet sich insbesondere
für stationäre und Schiffsmaschinen, die zufolge der großen Luftdichte in Meereshöhe
oder wenig darüber eine gute Spülung, aber eine mäßige Aufladung benötigen. Die
Steuerung nach Fig.3b ist eine Kompromißsteuerung, die sowohl in Meereshöhe als
noch in mittleren Flughöhen eine genügende Spülung und genügende Aufladung ermöglicht.
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Die Steuerung nach dem Diagramm zeichnet sich einerseits aus durch
sehr kleine Spüllufteintritt-Zeit-Quersclmitte und andererseits durch außerordentlich
große überlade-Zeit-Querschnitte. Dieses Steuerdiagraaiun eignet sich sowohl für
Maschinen mit innerer wie mit äußerer Gemischbildung besonders für den Flug in großer
Höhe. Bei Freiauspuff werden die letzten Verbrennungsrückstände durch die eintretende
und auf den Außendruck ,expandierende Spülluft verdrängt, während darauffolgend
,die restlos entleerten Arbeitszylinder mit Frischluft bzw. Gemisch auf Bodendruck
oder darüber hinaus aufgeladen bzw. überladen werden.
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Bei Maschinen, deren Auspuff und Spülung einen Turbinengegendruck
überwinden müssen, wird vorzugsweise der Spülzeitquerschnitt gegenüber obigem Falle
etwas größer gemacht. In Fig. 3 c ist das durch Hinaufschieben der festen und beweglichen
Steuerkanten 7" und 8. durchgeführt worden, ohne daß der Ladezeitquerschnitt
verkleinert wurde.
Es entstanden die neuen beweglichen und festen
Steuerkanten 7ä und 8"' mit den neuen Steuerpunkten. P2' und Pj.
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Aus den Fig. i und 3a ist ersichtlich, daß dort die Spül- und Überladeschlitze
8 im Rohrsteuerschieber durch einen Zwischensteg in zwei Reihen unterteilt sind.
Dieser Steg ist nicht unbedingt erforderlich, ist aber in manchen Fällen doch von
Vorteil, erstens schützt er die schmalen senkrechten Längsstege zwischen edeneinzelnen
Schlitzen vor dem Ausknicken rund zweitens verhindert er bei starker Überschneidung
der Spül- und Überlade-Zeit-Querschnitte, daß während der Zeit To überladeluft
bzw. Überladegemisch aus dem Sammelkanal 9 in den Sammelkanal 6 überströmt.