-
Mit Nachladung arbeitende Einkolben-Zweitakt-Brennkraftmaschine Die
Erfindung betrifft EinkOlben-Zweitakt-Brennkraftmaschinen mit zwei in der Wand des
Arbeitszylinders angeordneten und vom Arbeitskolben gesteuerten Öffnungsgruppen,
von denen die eine zum Einlaß der unter einem gewissen Überdruck gegenüber der Umgebung
stehenden Frischgase, die andere zum Auslaß der Abgase dient. In der Regel erstrecken
sich die Auslaßöffnungen in der Hubrichtung etwas weiter nach .dem Verbrennungsraum
hin als die Einlaßöffnungen. Der Kolben eröffnet also beim Aufwärtshub zunächst
die Auslaßöffnungen; infolgedessen kann bis zum Beginn der Freilegung der Einlaßöffnungen
ein großer Teil der Gesamtabgasmenge aus dem Arbeitsraum entweichen, und der Druck
der noch im Zylinder verbliebenen Abgase nimmt demzufolge schnell ab, so daß ,bei
Eröffnung der Einlässe ein Eindringen von Abgasen in den Frischgasvorrat nicht zu
befürchten ist. Beim Einwärtshube schließt der Arbeitskolben zuerst die Einlässe
und dann erst die Auslässe ab; in dem Zeitabschnitt zwischen diesen beiden Abschlußvorgängen
steht der Arbeitsraum über die noch offenen Auslaßöffnungen mit der Auspuffleitung
in freier Verbindung. Dies hat aber den Nachteil, daß @die Frischgase im Arbeitszylinder
bei Abschluß der Auslaßöffnungen (Beginn der Verdichtung) keinen höheren Druck aufweisen
können, als er in der Auspuffleitung herrscht, daß also ein sogenanntes Nachladen
nicht ohne weiteres durchführbar ist. Zur Ermöglichung dieses Nachladens, sind verschiedene
Mittel bekannt.
-
Eines der vorgeschlagenen Mittel besteht einfach darin, den vom Kolben
gesteuerten Einlaßkanal so auszubilden, daß sich seine Mündung im Arbeitszylinder
weiter nach dem Totraum hin erstreckt als die Mündung des ebenfalls vom Kolben gesteuerten
Auslaßkanals, so daß beim Kölbeneinwärtshub der Einlaßkanal längengeöffnet bleibt
als der Auslaßkanal. Hierbei ergibt sich aber der Nachteil, daß am Ende des Kolbenauswärtshubes
zunächst der Einlaßkanal eröffnet wird und daß demzufolge Abgase in erheblicher
Menge in den Einlaßkanal eindringen und sich mit den vor diesem Kanal lagernden
Frischgasen mischen, wodurch die Leistung der Maschine stark beeinträchtigt wird.
Man hat, um :diesen Nachteil zu verringern, schon vorgeschlagen, den Einlaßkanal
durch eine Scheidewand derart in zwei in .der Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens
übereinanderliegende Kanäle zu teilen, daß beim Auswärtsgange des Kolbens zunächst
der eine Kanalteil freigelegt wind und die Abgase nur in diesen Kanalteil eindringen.
Aber auch hierdurch wird der angestrebte Zweck, eine Vermischung der Frischgase
mit Abgasen zu verhindern, nur sehr unvollkommen erreicht. Außerdem wird durch die
Unterteilung des Einlaßkanals in zwei Kanäle die Gestaltung der Maschine umständlicher.
-
Ein anderes Mittel besteht darin, in der Zylinderwand außer den üblichen
Öffnungen
für Frischgaseinlaß und Abgasauslaß eine dritte Öffnungsgruppe
so vorzusehen, daß sie vom Kolben beim Einwärtsgang später als die Auslaßöffnungen
abgeschlossen wird und diese Öffnungsgruppe an die Einrichtung zur Frischgaszufuhr
(Spül- und Ladepumpe) über ein besonderes Abschlußglied anzuschließen, das so gesteuert
wird, daß es den Durchgang erst dann freigibt, wenn der Kolben beim Einwärtshub
die Auslaßöffnungen abgedeckt hat. Es können dann durch diese dritte Öffnungsgruppe
Frischgase unter erhöhtem Druck in den nach außen abgeschlossenen Arbeitsraum solange
eingeführt werden, bis der Kolben diese dritte öffnungsgruppe geschlossen hat.
-
Es ist auch vorgeschlagen 'worden, diese dritte Öffnungsgruppe nicht
abzuschließen, aber düsenförmig zu gestalten, derart, daß der Austritt 'der Frischgase
wesentlich leichter erfolgen kann als der Eintritt von Abgasen.
-
Ferner ist es bekannt, die tinlaßöffnungen insgesamt so anzuordnen,
daß sie beim Einwärtshube des Kolbens später als die Auslaßöffnungen abgeschlossen
werden und erstere mit der Frischgaszufuhr über ein Abschlußglied zu verbinden,
das den Zutritt der Frischgase zum Arbeitsraum erst freigibt, nachdem die Abgase
genügend entspannt sind und das erst schließt, nachdem die Einlaßöffnungen vom Kolben
abgeschlossen sind, so daß auch hier ein Nachladen unter erhöhtem Druck gegenüber
dem Druck in der Auspuffleitung möglich ist.
-
Eine andere bekannte Einrichtung zur Ermöglichung des Nachladens besteht
darin, die kein Abschlußglied enthaltenden Einlaßkanäle wiederum so anzuordnen,
daß sie vom Kolben oeim Einwärtshub später als die Auslaßöffnungen abgeschlossen
werden und ferner am Arbeitsraum noch- :besondere, gesteuerte Auslaßventile vorzusehen,
welche geöffnet werden, bevor der Kolben beim Auswärtshub die Einlaßöffnungen freilegt,
so daß bei Beginn dieses Freilegens die Abgase bereits weitgehend entspannt sind,
und welche geschlossen werden, bevor der Kolben beim Einwärtshub die Einlaßöffnungen
wieder abschließt.
-
Schließlich ist es auch bekannt, die beim Einwärtshub länger als die
Auslaßöffnungen offen bleibenden Einlaßöffnungen an der Zylinderaußenseite unmittelbar
ins Freie ausmünden zu lassen und an die Austrittsöffnungen eine Saugvorrichtung
anzuschließen. In diesem Fall tritt beim Auswärtshub zunächst ein Teil der Abgase
durch die zuerst freigelegten Einlaßöffnungen ins Freie aus, wodurch der Druck im
Arbeitsraum stark absinkt; beim weiteren Auswärtshub werden die eigentlichen Auslaßöffnungen
freigelegt; infolgedessen wirkt jetzt die Saugvorrichtung auf den Zylinderinhalt
ein. und setzt dessen Druck unter den der Umgebung herab, so daß nunmehr Frischgas
aus der Umgebung ,durch die Einlaßöffnungen in den Zylinder eintritt. Ein Nachladen
ist hierbei nicht möglich, da der Druck im Zylinder bei Abschluß der Einlaßöffnungen
höchstens gleich dem Druck der Umgebung sein kann.
-
Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß bei Zweitaktmotoren
ein einwandfreier Betrieb mit Nachladung des Arbeitszylinders auch dann möglich
ist, wenn lediglich vom Arbeitskolben gesteuerte Einlaß-und Auslaßöffnungen vorgesehen
sind und wenn die Einlaßöffnungen sich weiter zum Totraum hin erstrecken als die
Auslaßöffnungen. Es ist hierzu erforderlich, daß die Abgase nach Beginn der Eröffnung
der Auslaßöffnungen sich sehr rasch entspannen und daß die Frischgase mit hoher
Geschwindigkeit in den Arbeitsraum einströmen. Zu dem Zweck wird den Auslaßkanälen
ein erheblich größerer, zweckmäßig mehrfach, beispielsweise z- bis 4fach so ;großer
Gesamtdurchströmquerschnitt gegeben als den Einlaßkanälen; letztere sind unter sich
gleichartig, indem sie alle einfache, glatte Durchgänge ohne Düseneinsätze, Abschlußglieder
u. dgl. bilden.
-
Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß eine solche Anordnung günstige
Betriebsverhältnisse ergibt, im Gegensatz zu der naheliegenden Befürchtung, daß
bei der vor Beginn des Abgasaustritts stattfindenden Eröffnung der Einlaßöffnungen
die noch unter erheblichem Überdruck stehenden Abgase in erheblicher Menge in den
Frischgasvorrat eindringen und daß demzufolge die Maschine nur eine verhältnismäßig
sehr geringe Leistung entwikkeln könnte. Dies läßt sich wie folgt erklären: Der
Kolben hat bei Beginn der Freilegung der Einlaßöffnungen noch eine verhältnismäßig
hohe Geschwindigkeit, und mit dieser Geschwindigkeit vergrößert sich der Arbeitsraum;
andererseits legt der Kolben zunächst nur kleine Teilflächen der Einlaßöffnungen
frei. Infolgedessen bleibt die Hauptmasse der Abgase zunächst im Arbeitsraum, und
nur ein kleiner Teil tritt .durch die noch gedrosselten Eintrittsöffnungen zum Frischgasvorrat
über. Auf seinem weiteren Wege eröffnet der Kolben sehr bald auch die Auslaßkanäle,
und da deren Durchflußquerschnitt erheblich größer als der der Einlaßkanäle ist,
so tritt nunmehr ein sehr schnelles Entspannen der Abgase im Arbeitszylinder ein,
und demzufolge kann jetzt die Spülung und Nachladung mit den Frischgasen erfolgen.
Der Wechsel der Zylinderladung, d. h. der Ersatz der Abgase
durch
Frischgase, wird also durch die beim Beginn dieses Wechsels noch sehr rasch erfolgende
Veränderung der Arbeitsraumgröße günstig beeinflußt, indem diese schnelle Arbeitsraumvergrößerung
den schädlichen Übertritt von Abgasen zu,den Frischgasen wesentlich einschränkt.
Der verhältnismäßig kleine Querschnitt der Einlaßkanäle ergibt eine hohe Geschwindigkeit
der eintretenden Frischgase; eine solche ist hier günstig, da ein schneller Spülstrom
sich nicht so leicht zerteilt, vielmehr bis zum inneren Hübraumende vordringt und
somit die Abgase sehr vollkommen ausspült. Dieses Geschlossenbleiben des Spülstroms
wird weiterhin begünstigt, wenn die Einlaßkanäle etwa -tangential in den Zylinder
einmünden und der Spülstrom sich demzufolge an die Zylinderwand anschmiegt.
-
Diese erfinderische Erkenntnis ist namentlich für die Schaffung schnellaufender
und leistungsfähiger Ein,kOlben-Zweitakt-Brennkraftmaschinen von Bedeutung, denn
die bisher als notwendig angesehenen besonderen Mittel zur Ermöglichung -des Nachladens
bei solchen Motoren ständen gerade der Entwicklung zum Schnelläufer hinderlich im
Wege, da sie, im Gegensatz zu den Steuergliedern des Viertaktmotors, mit der Taktzahl
des Arbeitskolbens bewegt werden müssen. Der mit nur kolbengesteuerten Ein- und
Auslaßöffnungen versehene Zweitaktmotor ist daher in baulicher Hinsicht der ideale
Motor für Schnellauf. Bei diesem war es aber bisher nicht gelungen, die Leistung
je Einheit des Hubvolumens in ähnlichem Maße zu steigern, wie es bei schnellaufenden
Viertaktmotoren durch Vorverdichten der Ladung schon lange erreicht ist.
-
Die Erfindung bringt also eine Lösung der wichtigen Aufgabe, =einen
Motor zu schaffen, der infolge größter baulicher Einfachheit sich besonders gut
für den Betrieb als Schnellläufer eignet und der zugleich ein Nachladen ermöglicht,
also eine besonders große Leistungsausbeute je Einheit des Hubvolumens ergibt.
-
Die Zeichnung zeigt in Abb. i und 2 ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes,
dabei ist Abb. i ein axialer Längsschnitt nach Linie 1-I der Abb. 2, Abb. 2 ein
Querschnitt nach Linie II-IT der Abh. i.
-
Abb.3 zeigt in Diagrammform die Größe der -vom. Kolben bei seinem
Hinundhergang freigelegten Eintritts- und Austrittsflächen.
-
Abb. 4 zeigt das zu Abb. 3 gehörige Kurbelgetri@beschema.
-
Die Wand des Arbeitszylinders i der Maschine nach Abb. i und 2 weist
nahe dem äußeren Hubende Durchbrechungen in Gestalt der Einlaßkanäle 3 und der Auslaßkanäle
4 auf. Die auf der Zylinderinnenseite liegenden Mündungen dieser Kanäle bilden die
Einlaßöffnungen 5 und die Auslaßöffnungen 6, welche alle nur vom Arbeitskolben 2
gesteuert werden. Die Einlaßkanäle 3 haben die Form einfacher, glatter Bohrungen,
deren Achsen die Zylinderachse in schräger Richtung kreuzen, und zwar in einem Abstand
m, der kleiner ist als der Radius Y des Zylinderhohlraumes, derart, daß das Frischgas
etwa in tangentialer Richtung und mit einer zum Totraum hin gerichteten Geschwindigkeitskomponente
in den Zylinderraum eintritt. Die Auslaßkanäle 4 sind einfache Durchbrechungen der
Zylinderwand, welche zu einem den Zylinder umgebenden Sammelraum 8 führen. Die die
Einlaßkanäle 3 bildenden Bohrungen sind durch die zwischen den Auslaßkanälen 4 verbleibenden
Teile (Stege) 9 der Zylinderwand hindurchgeführt, derart, daß ihre mit dem Frischgasaufnehmer
i i in Verbindung stehenden Einmündungen io vom Brennraum 12 weiter ab liegen als
die Ausmündungen der Auslaßkanäle 4 in den Auspuffsammelraum 8, daß aber ihre in
der Innenwand des, Zylinders i liegenden Mündungen (Einlaßöffnungen) 5 sich weiter
nach dem Brennraum 12 hin erstrecken als die Mündungen 6 der Auslaßkanäle 4. Die
Einlaßöffnungen 5 werden daher vom Arbeitskolben 2 beim Auswärtshub früher eröffnet
und beim Einwärtshub später abgeschlossen werden als die Auslaßöffnungen 6.
-
Diese Anordnung der Ein- .und Auslaßkanäle ergibt besondere Vorteile.
Die Durchführung der Einlaßkanäle durch die Stege der Auslaßkanäle bewirkt, .daß
die durch die Einlaßkanäle zuströmenden Frischgase kühlend auf die außen von den
heißen Abgasen bestrichenen Stege einwirken. Die abwechselnde Aufeinanderfolge von
Einlaß- und Auslaßkanälen bewirkt, daß der Arbeitszylinder im Betriebe ringsum den
gleichen Temperaturzustand hat, während bei der üblichen Anordnung der Einlaßkanäle
auf der einen und der Auslaßkanäle auf der anderen Seite die Temperaturen ungleich
@#erteilt sind, so daß die Gefahr von Wärmespannungen und unzulässig starken Formänderungen
besteht. Da die Einlaßöffnungen 5 zum Teil noch zwischen den Auslaßöffnungen 6 liegen,
ist der an der Zylinderinnenwand für die Unterbringung der Öffnungen verfügbare
Platz sehr gut ausgenutzt, insbesondere in Verbindung mit der aus Abb. i ersichtlichen
Umrißform der Auslaßöffnungen, die etwa einem Dreieck mit stark abgerundeten Ecken
entspricht. Die Größe der Durchtrittsquerschnitte der Auslaßkanäle 4 ist hierbei
ein Mehrfaches der Größe der Durchtrittsquerschnitte
der Einlaßkanäle
3. .Die eigenartige Ausbildung und Anordnung der Einlaßkanäle hat weiterhin zur
Folge, daß die diese Kanäle mit hoher Geschwindigkeit durchströmenden Frischgase
in den Zylinder, über dessen Umfang gleichmäßig verteilt, etwa tangential, aber
mit einer axial zum Brennraum hin gerichteten Geschwindigkeitskomponente eintreten,
so daß sich :diese Frischgase nach Verlassen der Kanäle in Form .einer vielgängigen
Schraubenlinie nahe der Zylinderwand zum Brennraum hin bewegen. Es wird also zunächst
die Randzone des Zylinderraumes mit Frischgasen erfüllt und der Abgasrest durch
die Mitte des Zylinderraumes zu den Auslaßöffnungen hin verdrängt. Wenn der Kolben
im äußeren Totpunkt steht, ist das Verhältnis der freigelegten Flächen der Auslaß-
und Einlaßöffnungen am größten; der im Zylinder herrschende Druck hat hierbei sein
Minimum. Beim Einwärtshube des Kolbens steigt .dann der Druck ziemlich rasch an,
da die Auslaßöffnungen mehr und mehr abgedeckt werden, während -die Frischgaszufuhr
zunächst unvermindert anhält und sich auch nach Abschluß der Auslaßöffnungen noch
weiter fortsetzt, bis der Kolben schließlich auch die Einlaßöffnung:en abgeschlossen
hat. Das Zylinderinnere ist dann mit einer infolge ihrer Trägheit weiter umlaufenden
Frischgasmasse von gegenüber der Umgebung erhöhtem Anfangsdruck gefüllt. Diese hohe
Umlaufgeschwindigkeit der Zylinderladung ist namentlich vorteilhaft für solche Brennkraftmaschinen,
bei denen der die unmittelbare Fortsetzung des Hubraumes bildende Totraum eine glatte
Umdrehungsform ohne Nebenräume aufweist und der Brennstoff, z. B. mittels einer
Einspritzdüse 1q., unmittelbar in den Totraum eingespritzt wird, weil dadurch die
Brennluft an .den eingespritzten Brennstoff in besonders vollkommener Weise herangebracht
wird.
-
Im dargestellten Beispiel ist zwischen dem Hauptraum i i des die Frischgase
aufnehmenden Behälters und den äußeren Mündungen io der Eirilaßkanäle 3 ein ringförmiger
Verbindungskanal 13 von verhältnismäßig geringem Querschnitt vorgesehen.
Damit wird bezweckt, daß die Abgase, welche bei Eröffnung der Einlaßöffnungen in
die Einlaßkanäle 3 eindringen, nur bis in den engen Verbindungskanal 13,
nicht aber bis zum Hauptraum i i des Frischgasaufnehmers vordringen, daß sie also
die Frischgase im wesentlichen nur aus diesen engen Kanälen 3, 13 verdrängen, sich
aber nicht im großen Hauptraum i i mit diesen mischen können.
-
In dem Diagramm nach Abb.3 sind die vom Kolben 2 bei seinem Hinundhergang
freigelegten Flächen f der Einlaß- und Auslaßöffnungen in Abhängigkeit vom Kurbelwinket
aufgetragen. Im Punkte E im Winkelabstand a1 vor dem äußeren Totpunkt T" beginnt
bei auswärts ,gehendem Kolben die Freilegung der Einlaßöffnungen 5. Die freigelegte
Fläche dieser Öffnungen, dargestellt durch die Ordinaten f, der Linie e, wächst
allmählich an, bis im Punkte El im Winkelabstand a, vom äußeren Totpunkt T" die
Einlaßöffnungen ganz freigelegt sind; diese volle Eröffnung bleibt beim Kolbenauswärtsgang
bis zum Totpunkt T¢ und beim anschließenden Kolbeneinwärtsgang .bis zum Punkte Ei
im Winkelabstand a2 vom Totpunkt T" erhalten; vom Punkt Ei ab wird die freie
Fläche der Einlaßöffnungen durch den einwärts gehenden Kolben wieder mehr und mehr
verkleinert bis zum Punkte E' im Winkelabstand %i vom äußeren Totpunkt T", in dem
die Einlaßöffnungen 5 vom Kolben ganz abgedeckt sind.
-
Die Freilegung der Auslaßöffnungen 6 beginnt im Punkt A im Winkelabstand
ß1 vor dem Totpunkt T", der kleiner als der Winkelabstand a1, aber größer als der
Winkelabstand a, ist. Diese Freilegung dauert bis zum Totpunkt T"; nach dessen Überschreitung
werden die Auslaßöffnungen vom Kolben wieder mehr und mehr abgedeckt, bis sie im
Punkte A' im Winkelabstand ß1' vom Totpunkt T" ganz abgeschlossen sind.
-
Die jeweils freigelegten Flächen der Auslaßöffnungen, dargestellt
durch die Ordinaten f" der Linie a, sind über den größten Teil des Auslaßwinkels-
ß1 + ßi wesentlich größer als die freigelegten Flächen f, der Einlaßöffnungen; es
ergibt sich also ein sehr schnelles Ansteigen der Auslaßquerschnitte f" vom Eröffnungspunkte
A ab, so daß die Abgase nunmehr sehr schnell aus dem Zylinder entweichen können,
während kurz darauf (im Punkte El) die Einlaßöffnungen schon ganz freigelegt sind,
so daß auch die Spülung und Ladung nunmehr unbehindert erfolgen kann.