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Zweitakt-Brennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf mit Kompressionszündung
arbeitende Zweitakt-Brennkraftmaschinen, bei welchen eine oder mehrere Spül- oder
Einlaßöffnungen vorgesehen sind, die von dem Arbeitskolben am Ende seines Arbeitshubes
freigelegt werden, während eine oder mehrere Auslaßöftnungen, welche durch mechanisch
gesteuerte Ventile betätigt werden, im Zylinderkopf vorgesehen sind und bei denen
die Spül- und Ladeluft der Spülöffnung oder den -öffnungen von einem Pumpenzylinder
zugeführt wird, dessen Kolben in seiner Phase so liegt, daß er seinen Abgabehub
wesentlich vor dem Kompressionshub des Arbeitskolbens beginnt und seinen Abgabehub
wesentlich nach dem Beginn des Kompressionshubes des Arbeitskolbens vollendet. In
solchen :Maschinen, wie sie heute hergestellt werden, liegt der Pumpenkolben so
in Phase, daß er seinen Kompressionshub bei oder etwa bei 9o° des Kurbelwellenwicikels
vor dem Arbeitskolben vollendet. Dies ist allgemein bei Maschinen gemäß der vorliegenden
Erfindung der Fall.
In Maschinen der in Frage stehenden Art müssen
sich, um ein befriedigendes und wirksames Arbeiten unter normalen Arbeitsbedingungen
zu erhalten, das Auslaßventil oder die Auslaßventile wesentlich nach dem Beginn
des Kompressionshubes des Arbeitskolbens und in oder nahe dem Augenblick schließen,
in dem die Spülöffnung oder -öffnungen von dem Kolben bedeckt werden.
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Zweck der Erfindung besteht darin, das Anlaufen von Maschinen der
vorgekennzeichneten Art zu erleichtern und in einigen Fällen ihren Lauf bei Leerlauf
zu verbessern.
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Gemäß der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine der gekennzeichneten
Art mit Einrichtungen zum Verändern des Zeitpunktes des Schließens des Auslaßventils
oder der Auslaßventile versehen, durch die beim Anlaufen oder bei Leerlaufbedingungen
das Auslaßventil oder die Auslaßventile früher als unter normalen Laufbedingungen
geschlossen werden können, und zu einem Zeitpunkt, zu dem die Spülöffnung oder -öffnungen
noch offen sind. Infolge des früheren Schließens des Auslaßventils oder der -ventile,
das während des Anlaufes stattfinden kann, kann die frische Ladung während der Anlaufperiode
einer Kompression unterworfen werden, welche sich aus den gleichzeitigen kombinierten
Verschiebungen des Arbeits-bzw. des Pumpenkolbens bei ihren Kompressions-und Abgabehüben
von dem Augenblick ergibt, in welchem das Auslaßventil oder die Auslaßventile sich
schließen, bis zu dem Augenblick, in dem die Spülöffnung oder die Spülöffnungen
durch den Kolben verschlossen werden. Auf diese Weise wird während des Anlaufens
in dem Arbeitszylinder in dem Augenblick, in dem die Spülöffnungen geschlossen werden,
und dementsprechend ebenfalls am Ende des Kompressionshubes eine Erhöhung in der
Temperatur und in der Dichte der Ladung im Vergleich zu Maschinen der in Frage stehenden
Art erhalten, bei . denen der Zeitpunkt des Schließens des Auslaßventils oder der
-ventile an der Stelle in dem Arbeitskreislauf stattfindet, der normalen Laufbedingungen
angepaßt ist, d. h. in einem Augenblick, in dem sich der Arbeitskolben bei seinem
Kompressionshub um eine beträchtliche Entfernung bewegt hat.
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Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist ziemlich schematisch
beispielsweise in der Zeichnung wiedergegeben.
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Fig. i ist eine vordere Schnittansicht einer Ausführungsform einer
Maschine gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist in vergrößertem Maßstab eine Seitenschnittansicht
des oberen Teiles des Zylinders und der Zylinderkopfanordnung der in Fig. i dargestellten
Maschine; Fig.3 ist eine Seitenansicht der in Fig.2 dargestellten Zylinderkopfanordnung
von der gegenüberliegenden Seite der Fig. 2, und Fig. 4 ist ein Schema, welches
die Veränderungen in der zeitlichen Einstellung des Auslaßventils der Maschine wiedergibt,
die durch die Erfindung erreicht ist.
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Bei der dargestellten Ausführungsform umfaßt die Maschine ein Kurbelgehäuse
.-I, auf dem ein Arbeitszylinder B sitzt und teilweise in ihm angeordnet ist, welcher
einen Spülgürtel B1 enthält, von dem eine Reihe von Spülöffnungen B2 führt. In Lagern
in dem Kurbelgehäuse A wird eine Kurbelwelle C getragen, deren Kurbelzapfen Cl durch
eine Verbindungsstange D mit einem Arbeitskolben Dl verbunden ist, der innerhalb
des Zylinders B angeordnet ist; die Anordnung ist derart getroffen, daß der Kolben
Dl am Ende seines Arbeitshubes die Spülöffnungen B2 in bekannter Weise freilegt.
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An dem Kurbelgehäuse A ist ein Pumpenzylinder E angeordnet, dessen
Achse etwa in rechtem Winkel zur Achse des Arbeitszylinders B liegt; die Achsen
der beiden Zylinder liegen bei der dargestellten Ausführung in einem Winkel zueinander,
der etwas kleiner als ein rechter Winkel ist. Der Pumpenkolben F_1 ist durch eine
Verbindungsstange E2 mit einem Zapfen E3 an dem verstärkten Ende der Verbindungsstange
D des Arbeitskolbens angelenkt, so daß die Bewegung des Kolbens El zu der Bewegung
des Kolbens Dl um etwa 9o° Kurbelwellenverdrehung außer Phase liegt.
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Der Zylinder E steht durch eine Übertragungsleitung F, welche durch
ein Drehventil F1 gesteuert wird, mit dem Spülgürtel BI in Verbindung. Das Ventil
F1 wird derart angetrieben, daß es die Leitung F am Ende des Abgabehubes des Pumpenkolbens
El schließt und auf diese Weise eine Ladung komprimierter Spülluft in der Leitung
F und dem Gürtel B1 einschließt, die in bekannter Weise durch die Spülöffnungen
hindurchtritt, wenn der Arbeitskolben Dl sie freilegt. Die Ausführung und Anordnung
des Ventils F1 wird hier im einzelnen nicht beschrieben und nicht dargestellt, da
sie an sich bekannt ist; die Ausführung und Arbeitsweise sind beispielsweise in
der britischen Patentschrift 522 ooi beschrieben. Es genügt daher, für die Zwecke
der Erfindung auf die Tatsache Bezug zu nehmen, daß, wie angedeutet, das @ Ventil
F1 während des Abgabehubes des Pumpenkolbens El offen ist.
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Der Zylinder B ist mit einer Verbrennungskammer B3 versehen und an
seinem äußeren Ende durch einen Zylinderkopf G verschlossen, in welchem eine Äuslaßöffnung
G1 ausgebildet ist, die durch ein mechanisch gesteuertes Auslaßventil G2 gesteuert
wird.
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Das Auslaßventil ist so angeordnet, daß es von einem Ende eines Schwingarmes
H betätigt werden kann, auf dessen anderes Ende durch die übliche Stellschraube
Hl das obere Ende einer Stoßstange H2 einwirkt, die durch eine Nockeneinrichtung
in allgemein bekannter Weise betätigt wird, um so das Ventil während der Auslaßperiode
jedes Arbeitskreislaufes zu öffnen und wieder zu schließen.
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Der Schwingarm H ist vierschwenkbar auf einem Schwenkzapfen H3 angeordnet,
wobei der Teil des Schwenkzapfens, der das Drehlager bildet, auf welchem sich der
Schwingarm verschwenkt, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, in bezug auf die Endteile
H4 des Zapfens exzentrisch ist, welche in
Lagern in dem 7vlin(lerkopf
G angeordnet sind. Der eine Endteil ffi des Schwenkzapfens erstreckt sich aus dem
Zylinderkopf (: heraus, und mit ihm ist starr ein Hebel I verbunden. der sich um
etwa 9o° zwischen Anschlägen Ji, I' auf dem Zylinderkopf verschwenken kann. Auf
diese Weise kann die Achse des Teiles des Zapfens H-3, welcher das Lager bildet,
auf dem sich der Schwingarm H verschwenkt, um ein vorbestimmtes Maß angehoben und
gesenkt werden.
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Die Anordnung ist derart getroffen, daß. wenn der Hebel T sich in
der Stellung befindet, welche bei Ir in strichpunktierten Linien in Fig. z dargestellt
ist, so daß der Drehpunkt des Schwingarmes sich in seiner unteren Stellung befindet,
sich das Auslaßventil (;' an der Stelle in dem Arbeitskreislauf öffnet, welche in
Fig. 4 als »Auslaß öffnet (Normal) « angedeutet ist, und sich an der Stelle schließt,
die durch » Auslaß schließt (Normal)« angedeutet ist, während, wenn sich der Hebel
I in der in vollausgezogenen Linien in Fig. a dargestellten Stellung befindet, so
daß die Schwenkachse des Schwingarmes sich in ihrer angehobenen Stellung befindet,
das Auslaßventil an der Stelle geöffnet wird, welche in F ig. 4 mit »Atislaß öffnet
(Anlauf) « angedeutet ist, und an der Stelle schließt, die mit »Auslaß schließt
(Anlauf) « angedeutet ist.
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Die Punkte des Üffnens und Schließens der Spülöffnungen B' durch den
Kolben !)i sind in Fig. a durch »Spülung öffnet (Normal und Anlauf) « bzw. »Spülung
schließt (Normal und Anlauf)« angedeutet.
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Es ist daher ersichtlich, daß bei normalem Lauf das Auslaßventil G2
sich beträchtlich vor dem Öffnen der Spülöffnungen B'= öffnet und sich unmittelbar
nach dem Schließen dieser Öffnungen schließt, wohingegen, wenn sich der Hebel .1
in seiner anderen Stellung befindet, in welcher der wirkende Spielrauen zwischen
dem Schwingarm H und dem Auslaßventil (:'= beträchtlich erhöht ist, sich das Auslaßventil
(r2 etwa in dem gleichen Augenblick wie die Spülöffnungen B' öffnet und sich beträchtlich
eher schließt, und zwar bevor sich die Spielöffnungen schließen und schon unmittelbar
nachdem der Kolben Dl den unteren Umkehrpunkt oder Totpunkt durchlaufen hat.
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Daher findet während der Anlaufvorgänge eine Kornpression der Ladung
in dem Zylinder B, im Gürtel Bi, der Leitung F und dem Zylinder E von dem Augenblick
an statt, in dem das Auslaßventil G2 sich schließt, bis sich die Spülöffnungen B2
schließen, wodurch die Dichte und die Temperatur der Ladung, wenn der Kolben D'
seinen Kompressionskul) beendet hat, merklich erhöht ist im Vergleich dazu, wie
es der Fall sein würde, falls das Auslaßventil an der Stelle in dem Arbeitskreislauf
geschlossen werden würde, die durch »Auslaß schließt (Normal)« angedeutet ist.
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Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
die Mittel zum Verändern des Zeitpunktes des Schließens des Auslaßventils ähnlich
denjenigen sein kö einen. wie sie in der in der Zeichnung dargestellten Maschine
verwendet werden, kann die Leitung F zwischen (lern Pumpenzviin(ler und (lern ;piilgiirtel
ungesteuert ausgebildet sein, in welchem Falle dem Pumpenzylinder zweckmäßig selbsttätige
Eimaß- und Auslaßventile zugeordnet sind. Weiterhin kann, wie bei der dargestellten
Ausführungsform, wenn der Pumpenzylinder E etwa in rechtem Winkel zu (lein lrbeitszylinder
B liegt, die Verbindungsstange für den Pumpenkolben in einigen Fällen unmittelbar
an einem Kurbelzapfen auf der Kurbelwelle C angreifen.
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Wiederum kann in anderen Fällen die Achse des 1'unipenzylinders parallel
oder nahezu parallel zu der des Arbeitszylinders liegen, in welchem Falle der Pumpenkolben
zweckentsprechend mit einer auf geeignete Weise angeordneten Kurbel verbunden wird,
so daß er sich um etwa 9o° außer Phase mit dem Arbeitskolben hin und her bewegt.
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In allen Fällen wird zum wirksamen Spülen und Arbeiten der Maschine
während des normalen Laufes (las Auslaßventil so angeordnet sein, (laß es sich nahe
dem Augenblick oder ein wenig später als dein Augenblick schließt, in dem die Spülöffnungen
von dem Kolben bedeckt werden, und die Einstellung der Auslaßventilregelting durch
Betvegung des Hebel: I oder eines Äquivalenten in die Anlautstellung wird (las Auslaßventil
veranlassen, :ich merkbar vor deni Schließen der Spülleitung und vorzugsweise dann
zu verschlielßen, wenn der Arbeitskolben sich an oder nahe seinem unteren Totpunkt
befindet.
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Die Erfindung bezweckt, eine wesentliche Erhöhung der Temperatur und
der Dichte der Luft in (lern Arbeitszylinder am Ende des Kompressionshubes während
der Anlaufperiode zu schaffen, wobei eine Spülluftpumpe mit einem Hubvolumen verwendet
wird, welche das Hubvolumen des Arbeitszylinders nicht mehr als um etwa 5o% überschreitet,
uni so die durch die Spülpumpe absorbierte Energie verhältnismäßig klein zu halten.
Zu diesem Zweck ist es wichtig, daß das gesamte Volumen, innerhalb welchem die zu
komprimierende Luftladung vor -dem Schließen der Spülöffnungen durch den Arbeitskolben
enthalten ist, so klein wie möglich sein sollte. Ein Faktor, der zum Erreichen dieses
Ergebnisses gemäß der Erfindung beiträgt, besteht iei der Tatsache, dalß es das
frühe Schließen des Auslaßventils ist, welches das Entweichen von Luft aus dem Arbeitszylinder
während des anfänglichen Teiles der Kompressionsperiode verhindert. Die Erfindung
ist daher von einem früheren Vorschlag zu unterscheiden, gemäß (lern in einer im
Zweitakt arbeitenden -,Maschine ein Sperrventil in der Anslaßleitung jenseits von
durch den Kolben gesteuerten Auslaßöffnungen in dem Arbeitszylinder vorgesehen ist,
wobei die Schließzeit dieses Ventils verändert werden kann. Bei diesem früheren
Vorschlag standen die Auslaßöffnungen mit einem Auslaßgürtel in Verbindung, von
welchem eine Leitung führte, welche das Sperrventil enthielt, während überdies der
Kolben der Spülluftpumpe in der Phase tim 1862 zu (lein Arl>eitszvlirider verschoben
arbeitete; diese 1>ci@len Merkmale wurden bedeuten, (laß, inn
eine
erhebliche Erhöhung in der Temperatur und in der Kompression der Ladung in dem Arbeitszylinder
zu erhalten, eine Spülluftpumpe großer Kapazität erforderlich ist, woraus sich dementsprechend
erhöhte mechanische Verluste, insbesondere beim Arbeiten mit verkleinerten Leistungen,
und weitere Nachteile ergäben.
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Es ist zu bemerken, daß, obgleich in der dargestellten Ausführungsform
die Veränderung in der zeitlichen Einstellung des Auslaßventils durch Einstellung
der Schwenkachse eines das Ventil betätigenden Schwingarmes erreicht wird, das Mittel
zum Verändern der zeitlichen Einstellung des Ventils gemäß der Art der verwendeten,
das Ventil steuernden Einrichtungen und unter Berücksichtigung weiterer Umstände
beträchtlich verändert werden kann. Beispielsweise kann in den Fällen, in denen
das Ventil durch einen abrollenden Hebel gesteuert wird, der Schwenkpunkt des abrollenden
Hebels bewegt werden, während bei einer anderen Ausführungsform zum Bewegen des
Schwenkpunktes des Teiles, der das Ventil betätigt, ein einstellbares Glied zwischen
das Ventil und den Schwingarm oder einen anderen Antriebsteil eingeschaltet werden
kann, um so zu ermöglichen, daß der wirksame Spielraum zwischen diesem Teil und
dem Ventil verändert -,\-erden kann, um den Augenblick des Schließens des Ventils
zu verändern.
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Bei der Ausführungsform der Maschine, an welcher die in der Zeichnung
dargestellte Erfindung verkörpert ist, wird die Luftladung in tangentialer Richtung
durch die Spülöffnungen B2 hindurch abgegeben, um auf diese Weise rings um die Achse
der Verbrennungskammer B3 am Ende des Kompressionshubes zu rotieren, und der Brennstoff
wird in diese rotierende Luftladung durch eine zweckentsprechend tangential angeordnete
Brennstoff-Einspritzdüse abgegeben. Wenn die Erfindung auf eine Maschine dieser
Art oder auf andere Maschinen angewendet wird, bei welchen eine Rotation der Luftladung
durch tangentialen Eintritt durch Luftspülöffnungen hindurch erfolgt, die von einem
Pumpenkolben abgegeben wird, kann die Erfindung einen weiteren Vorteil haben. Daher
muß beim -,virksamen normalen Arbeiten das Auslaßventil im wesentlichen bis zu dem
Augenblick offen sein, in <lern sich die Spülöffnungen schließen, so daß eine
direkte Ableitung für Luft aus dem Arbeitszylinder während der Spülperiode und der
`'Wiederbeladung mit Luft vorhanden ist. In der Praxis verursacht das schnelle Entweichen
der verbrannten Gase durch die Auslaßöffnung hindurch, daß der Druck in dem Zylinder
beträchtlich unterhalb des Luftdruckes in dem Spülgürtel fällt, mit dem Ergebnis,
daß die Luft zum Spülen und Wiederbeladen mit hoher Geschwindigkeit in einer tangentialen
Richtung in den Zylinder eintritt und auf diese Weise in der Arbeits-Luftladung
den erwünschten verhältnismäßig hohen Wirbelungsgrad hervorruft.
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Beim Anlauf hat diese Luftdurchwirbelung einen genügend hohen Wert,
um einen beträchtlichen -'Wärmeverlust an den Zylinderwandungen zu verursachen.
welche während dieser Zeit gewöhnlich kalt sind, und es kann daher während des Anlaufens
erwünscht sein, den Durchwirbelungsgrad zum Zwecke des Erreichens einer höheren
Temperatur und einer Kompression der Luft am Ende des Kompressionshubes zu verringern.
Durch ein frühes Schließen der Auslaßöffnung gemäß der Erfindung wird das Entweichen
von Luft aus dem Zylinder während des letzten Teiles der Einlaß- oder Ladeperiode
mit dem Ergebnis verhindert, daß die Drucke in dem Arbeitszylinder und in dem Spülgürtel
schnell einander nahezu gleich werden und daher die Spülluft aufhört, mit hoher
Geschwindigkeit und infolgedessen mit einem hohen Durchwirbelungsgrad durch die
Spülöffnungen hindurch einzutreten. Der schließliche Durchwirbelungsgrad der Luft
wird auf diese Weise verringert mit einer sich ergebenden Verringerung an Wärmeverlust
aus der Luft an die Zylinderwandungen.
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Die durch die vorliegende Erfindung erreichten Vorteile können sich
daher, wenn sie bei Maschinen angewendet wird, die eine Luftdurchwirbelung verwenden,
welche durch einen tangentialen Eintritt von Luft durch die Spülöffnungen hindurch
erzeugt wird, teilweise aus der erhöhten Kompression der Luft mit sich daraus ergebender
Erhöhung der Temperatur und teilweise aus der 'verringerten Luftdurchwirbelung und
der nachfolgenden Reduktion der Wärmeverluste aus der Luft an die Zylinderwandungen
während des Kompressionshubes ergeben.