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Zweitaktbrennkraftmaschine mit Gleichstromspülung und Schiebersteuerung
Bekanntlich läßt sich eine wesentliche Leistungssteigeiling der Brennkraftmaschinen
bei gleichem Hubvolumen durch Übergang vom Viertakt- zum Zweitaktverfahrenerzielen.
Der größte Teil der bisher be-1ünntgiewordenen Zweitaktbauarten hatte jedoch den
Nachteil ungenügender Spülung, so daß nur ein verhältnismäßig niedriger mittlerer
Nutzdruck erzielt wurde. Wo flies nicht der Fall war, z. B. bei den Gegenkolbenmotoren,
mußte die gute Spültrog durch den Nachteil eines von der einfachen, bewährten Viertaktbauart
abweichenden umständlichen Aufbaues erkauft werden.
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Die Erfindung betrifft eine Zweitaktbrennkraftmaschine mit Gleichstromspültmg
und Steuerung durch einen seitlich am Zylinder hin und her gehenden Hohlschieber.
Erfindungsgemäß ist dabei die Anordnung so getroffen, daß zwei symmetrisch zum Hohl-Schieber
liegende Spülkanäle- mit gemeinsamer Mündung in den sich stetig erweiternden Legeligen
Zylinderkopfraurn übergehen und den Eiüspritz- und Brennratun bilden und daß die
in :der Mündung angeordnete E,insplitzdüse mit je einem Strahl die beiden
Spülkanäle bestreicht.
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Es sind zwar bereits Zweitaktbrennkraftmaschinen mit Gleichstromspülung
und Schiebersteuerung bekanntgeworden, jedoch ist hier der Steuerkolben nach Arteines
Gegenkolbens dem Zylinderkopf gegenüberliegend angeordnet und #bewegt sich gegenläufig
zulm Arbeitskolben. Dies hat zur Wirkung, daß das Steuergestänge auf übertragung
des Zünddruckes bemessen werden muß und der Steuerkolben Verdichtungsarbeit verrichtet
-und Expansionsarbeit überträgt, wobei die Größe und Geschwindigkeit .des Steuerkolbens
die Verdichtung und Dehnung b.eeinflußi.
Demgegenüber liegt der
Erfindung der Gedanke zugrunde, eine Zweitaktmaschine mit Gleichstromspülung und
Schiebersteuerung zu schaffen, bei welcher der Aufbau der Maschine sich an die bewährten
Bauformen der Viertaktreihen- und Sternmotore anlehnt, um alle im Bau raschlaufender
Motoren gewonnenen Erfahrungen ohne weiteres auf die Zweitaktm.aschine mit Gleichstromspülung
übertragen zu können. Dazu gehört in erster Linie ein einfaches und leichtes Steuerorgan,
ähnlich der Ventilsteuerung des Viertaktmotors und in ähnlicher Anordnung zum. Motor,
auf dessen Gestänge durch den Zünddruck oder Gasdruck im Arbeitszylinder keine Kräfte
übertragen werden. Durch das Steuerorgan soll auch keine Leistung des Gasinhaltes
im Arbeitszylinder über eine Hilfsquelle auf die Kurbelwelle übertragen «-erden
und keinerlei Mitwirkung an der Verdichtung oder Ausdehnung der Gase im Zylinder
erfolgen.
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Es sind schon Viertaktmotoren mit Ein-und Auslaßschiebersteuerung
und seitlich neben dem Zylinder angeordnetem Hohlschieber bekanntgeworden, die auch
die zum Hohlschieber symmetrische Anordnung der einen Teil des Brennraumes bildenden
Einlaßkanäle mit dem dadurch erreichten Druckausgleich am Schieber aufweisen. Diesen
Bauarten gegenüber handelt es sich bei der Erfindung um eine andere ALafgabestellung,
nämlich um die Schaffung einer Zweitaktbrennkraftmaschine, bei der durch besondere
Formgebung eine restlose Spülung des Brennraumes und sorgfältige Verteilung des
bei Verdichtungsende in die beiden Spülkanäle eingespritzten Brennstoffes und damit
eine Höchstleistung auch bei hoher Drehzahl :erreicht werden soll. Baulich ergeben
sich daraus die Unterschiede, daß die beiden Kanäle eine gemeinsame Mündung besitzen,
die allmählich in den kegeligen Zylinderkopfraum übergeht und so ein leicht restlos
spülbarer einheitlicher Einspritzbrennraum :entsteht, und daß die in der Mündung
angeordnete Einspritzdüse mit je einem Strahl die beiden Spüllzanäle bestreicht.
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Inder Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispi.ele der Erfindung dargestellt.
Abb. i zeige: einen Mittelschnitt durch einen Motoi;. Abb. a ist ein Schnitt nach
Linie I I-I I der Ahb. i.. Abb. 3 zeigt einen der Linie II-I I entsprechenden Schnitt
durch -eine etwas abgeänderte Ausführungsform in einer anderen Betriebsstellung.
Abb. 4. zeigt einen Schnitt nach Linie IV-IV der Abb. z, und die Abb. 5 und 6 zeigen
zwei «-eigere Ausführungsformen in Mittelschnitten ähnlich Abb. i.
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Die Abb. i und 2 geben die Betriebsstellung am Ende des Dehnungshubes
während der Spülung wieder. Die Spülluft tritt, von einem Gebläse kommend, bei
a in das Schiebergehäuse a' und durchströmt den Hohlschieber b. Die
Hohlschieberacbse kann parallel oder geneigt zur Zylinderachse angeordnet und der
Hohlschieber durch die Kurbelwelle unmittelbar oder über eine Hilfswelle ähnlich
einer Nockenwelle mit Motordrehzahl angetrieben sein. Die Schieberbewegung kann
eine rein hin und her gehende oder eine vereinigte hin und her gehende und drehende
Bewegung sein. Während der Spülung sind die Spülschlitze c im Hohlschieber in Verbindung
mit den beiden Spülkänälen d. Die Spülkanäle d liegen symmetrisch zu der
durch Zylinder-und Schiebermitte gelegten Ebene x-x und vereinigen sich zu einer
gemeinsamen 'Iündimg e in den kegelförmigen Hubraum i Tiber dem Kolben. Die Auspu:ffschlitzelt
befinden sich, verteilt über den ganzen Umfang des Zylinders i, 'im unteren Zylindermantel.
und werden durch den Arbeitskolben er am Ende des D;ehnungshu:bes freigelegt, bevor
die Spülung beginnt.
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Die Spülung erfolgt demnach im Gleichstrom aus dem Innern des Hohlschiebers
b durch die Schieberschlitze c, Spülkanäle d, dem kegelförmigen Hubraum f und dein
Arbeitszylinderi zu den Auspuffschlitzenh. Der kegelförmige oder auch balbkugelförmige
Hubraum/ im Zylinderkopf besorgt die Vereinigung, Umlenkung und allmähliche Ausbreitung
der aus den Kanäl en d austretenden beiden Luftströme. Die Spülkanäle d werden von
der vollen Spülluftmenge durchströmt und von den Ab asen gereinigt unter gle@clizeitiger
Kühlung der Kanalwände. Die Größe der Kanalquerschnitte d und Schlitze c sowie der
Spüldruck sind mit der durch die Motordrehzahl bestimmten Spülzeit so abgestimmt,
daß der Spülluftstrom die Auspuffschlitze lt
erreicht hat, bevor bei Besinn
der Verdichtung der Arbeitskolben j die Auspuffschlitze lt abdeckt. Zu diesem Zeitpunkt
sind die Spül-
schlitze c noch in Verbindung mit den Kanälen d, so daß .eine
Aufladung des Zylinderinhaltes auf den Spülluftdruck erzielt wird.
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«jährend der Verdichtung sind die Spülkanäle gegen den Hohlschieber
und nach außen abgedichtet, oben durch die innenspannenden Dichtungsringe k, unten
durch die Schieberkolbenringe L. Mit steigender Verdichtung werden die Schieberschlitze
c durch den Steuerantrieb jt immer mehr über die innenspannenden Ringe k geschoben,
so dal zu Beginn der Zündung die volle Dichtungsfläche nt zwischen Schlitzen e und
Kanülen r1
liegt.
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Abb.3 und 4. zeigen den Vorgang vor der Zündung. Während der Verdichtung
wird der größte Teil der Luftladung in die Kanäle d
gedrückt, da
der Kolben bis an die mit seine Oberteil gleichgestaltete Zylinderkopfwand geführt
wird.. Bevor der Arbeitskolb;eng die obere Totlage erreicht hat und die Lufbeinströmung
in die Kanäle d beendet ist, wird durch die Einspritzdüse o die Brennstoffladung
in zwei Strahlen in die Kanäle d, die demnach als Einspritz- und Brennraum dienen,
zerstäubt eingeführt. Der Brennstoff erfährt auf diese Weise eine gleichmäßige Verteilung
in der einströmenden Luft.
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Die Entflammung erfolgt entweder durch die beiden Zündkerzen p oder
bei Dieselbetrieb durch Selbstzündung. Es ist nun wichtig, daß die im Augenblick
:der Zündung 'in den Kanälen d auftretende Drucksteigerung keine übermäßige Anpressung
des Hohlschiebers auf seine Gleitbahn ergibt. Wie Abb.3 zeigt, münden die Kanäle
d am Schieberumfang fast symmetrisch zur Richtungy-y, so daß die Zünddrücke z nur
wenig von der Richtung y-y abweichen und sich größtenteils aufheben, wobei der Schiebermantel
auf Druck beansprucht wird. Die resultierende Kraft aus den Zünddrücken ist demnach
nicht von nennenswerter Größe, so daß auch kein übermäßiger Gleitbahndruck auftritt.
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Die Wärmeverluste, die während Verbrennung und Dehnteig durch Übergang
ins Kühlwasser entstehen, sind wegen der Unterteilung in zwei Brennräume größer
als bei Maschinen mit einheitlichem Brennraum. Um diese Wärmeverluste zu verringern,
werden die Spülkanäle d, wie in Abb. 3 angegeben, durch Einsatzstücke s ausgekleidet,
welche vom Gehäuse a' umschlossen und daher nicht direkt gekühlt sind. Hingegen
ist eine überhitzung der Büchsen s während cler Verbrennung ausgeschlossen, weil
sie während der Spül= durch den Luftstrom. wirksam gekühlt werden.
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Bei hohem Verdichtungsverhältnis, z. B. bei Dieselbetrieb, also bei
kleinem Verdichtungsendvolumen, ergibt sich unter Umständen ein zu kleiner Spülquerschnitt
für die Kanäle d. Dies wäre nachteilig bei hohen Drehzahlen. Um nicht den Spüldruck
erhöhen zu müssen, muß eine gewisse Mindestgröße der Stimme aller Spülkanalquerschnitte
vorhanden sein, wenn die gesamte Spülluftmenge in der durch die Drehzahl bedingten
Spülzeit und mit der durch den Spüldruck erzeugten Strömungsgeschwindigkeit
durch die Kanäle fließen soll.
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In diesem . Falle kommt erfindungsgemäß eine zusätzliche Querspülung
von der Art zur Anwendung, daß die zusätzlichen Spülkanäle* am entgegengesetzten
Hubraum-und Schieberende angeordnet sind und in der unteren Totlage vom Isolben
freigelegt werden.
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Kombinierte Gleichstromqtierspülverfahren sind zwar bereits bekannt,
jedoch münden bei diesen Vorschlägen die in verschiedener Höhe vom Schieber zum
Zylinder führenden Einlaßkanäle sämtlich im unteren Teil des Hubraumes. Demgegenüber
sind bei der vorliegenden Erfindung die Hauptspülkanäle am einen und. die zusätzlichen
Spülschlitze am entgegengesetzten anderen Hubende angeordnet.
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Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 5 sind im unteren Teil des
Arbeitszylinders ein oder mehrere zusätzliche Spülschlitze i vorgesehen, welche
vom verlängerten Hohlschieber b in den Zylinder führen. Diese Schlitze t werden
so wie die Auspuffschlitze vom Kolben freigelegt. Zuerst öffnen die vom Kolben gesteuerten
Auspuffschlitze lt; nach Absinken der Gasspannung im Zylinder unter den Spüldruck
öffnen die zu den Kanälen d führendem Schlitze c. Die zusätzlichen Schlitze t werden
so wie die Schlitze c durch den Schieber b ge-
steuert und öffnen erst,
wenn der d1u-ch die Schlitze c kommende Luftstrom den Hubraum f erreicht hat. Dies
ist aus dem Grunde notwendig, weil der Luftweg von den Schlitzen t zum Auspuff lt
kürzer ist als der Weg über den Zylinderkopf f und sonst ein Teil der aus den Schlitzen
kommenden Spülluft frühzeitig, vermischt mit Abgasen, entweichen würde. Die Beendigung
der Einströmung durch die Schlitzet kann entweder durch den Kolben oder durch den
Schieber gesteuert werden. Das Nachladen in den Zylinder nach Abschluß der Auspluffsichlitze
la -erfolgt durch die noch geöffneten Schlitze c.
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Bei sehr hoch belasteten Zweitaktmotoren. kann durch die Auslaßschlitze
eine thermische Überbeanspruchung und eine Verschlechterung der Schmier- und Laufeigenschaften
des Kolbens auftreten. In diesem Falle ist es vorteilhafter, die Gleichstromspülung
in umgekehrter Richtung vom Zylinder über den Zylinderkopf zum Hohlschieber zu führen.
Die Spülschlitze können dann über den ganzen Zylinderumfang verteilt werden, d.
h. die Lauffläche des Kolbens erfährt dadurch eine zusätzliche Kühlung.
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wobei Im die Falle Abgase der umgekehrten durch den hohlen Spülrichtung,
Schieber abgeleitet werden, wird zur Vermeidung einer übermäßigen Wärmebeanspruchung
des Hohlschiebers, wie Abb.6 zeigt, ein feststehender, gekühlter Rohrstutzen in
den Hohlschieber b eingebaut, durch dessen Bohrung die Abgase unmittelbar nach Passieren
der Schlitze c abgeleitet werden, ohne daß die innere Schieberfläche bestrichen
wird. Der Rohrstutzen a wird im Mantelraum v von Kühlflüssigkeit durchströmt. Eine
Wärmebeanspruchung des Rohrschiebers b .erfolgt demnach lediglich an den Rändern
der Schlitze c und ist somit beherrschbar.
Die Einführung des Brennstoffes
während der Spülperiode ist bei der Lösung nach Abb. 6 nicht möglich. Die Abb.6
gilt daher nur für Dieselmaschinen und niedrig verdichtende Maschinen mit Fremdzündung
jener Gattung, bei denen der Brennstoff während der Verdichtung oder am Ende der
Verdichtung in den Brennraum eingespritzt wird.