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Gemischverdichtende Zweitakt-Brennkraftmaschine Die Erfindung bezieht
sich auf eine gemischverdichtende Zweitakt-Brennkraftmaschine mit vom Kolben gesteuerten
Ein- und Auslaßschlitzen, insbesondere zum Antrieb von Straßenfahrzeugen.
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Die Erfindung besteht darin, daß zur Förderung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
ein von der Kurbelwelle angetriebenes Schleudergebläse dient, das in seinen Abmessungen
und in seiner Drehzahl so ausgelegt oder auf eine derartige Fördermenge herabgedrosselt
ist, daß bei Vollaststellung des Gashebels das angesaugteGerni,sahvolumenjeMotorumdrehung
nur etwa das o,5- bis o,8fache des Motorhubraumes beträgt. Es wird dabei bewußt
auf eine Ausspülung des Zylinders verzichtet und im Zylinder nur ein Teil der Abgase
durch das eintretende Gemisch verdrängt.
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Die Verwendung von Schleudergebläsen, zur Förderung der Spülluft für
Zweitaktmaschinen, insbesondere für Dieselmotoren, ist bekannt. Das Schleudergebläse
hat den Vorteil, daß es auch für große Ausspülmengen in seinen Abmessungen verhältnismäßig
klein ausfällt. Es ist im allgemeinen so bemessen, daß die angesaugte Spülluftmenge
etwa das i,5fache des Zylinderhubvolumens beträgt.
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Für gemischverdichtende Zweitaktmaschinen sind zur Förderung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
bisher Schleudergebläse praktisch nicht zur Anwendung gekommen. Der Verwendung einfies
Schleudergebläses gemäß der Erfindung, bei dem das angesaugte Gemischvolumen bei
Vollast je Motorumdrehung nur das o,5- bis o,8faclie des Hubraumes beträgt, liegen
die nachstehend wiedergegebenen Versuche und Oberlegungen, zugrunde.
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Den Kurven in Abb. i ist ein Zweitakt-Ottomotor mit Gemischspülung
von 1 1 Hubvolumen zugrunde gelegt. Auf der Waagerechten der Abbildung ist das
von
einem Schleudergebläse angesaugte Gemischvolumen pro Motorumdrehung in Liter angegeben,
in der Senkrechten übereinandier Brennstoffverbrauch in g/PS/h, die Leistung in
PS, die im Zylinder verbleibende Gemischmenge und der Gemischverlust in Liter je
Motorumdrehung.
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Die Bedeutung der einzelnen Kurven ist aus der Zeichnung ersichtlich.
Aus den Kurven ist zu entnehmen, daß der Kraftstoffverbrauch des. Motors, gemessen
in g/PSIh, bei einem vom Gebläse angesaugten Gemischvolumen in Höhe von o,5 1 pro
Motorumdrehung am niedrigsten ist und daß die Leistung des Motors z. B. von 8 PS
bei 0,5 1 auf nur etwa 13,5 PS bei 1,2 1 angesaugtem Gemischvolumen
steigt. Die Leistung hat sich also nicht entsprechend der Erhöhung der angesaugten
Gemischmenge und des Brennstoffverbrauches erhöht. Bei einer Erhöhung des angesaugten
Gemischvolumens über 1,5 1 ergibt sich keine merkliche Erhöhung der Motorleistung
mehr. Der Brennstoffverbrauch hat sich jedoch von 28o g/PS/h bei o,5 1 auf 395 g/PS/h
bei 1,2 1 erhöht. Der Grund ist darin zu finden; daß mit Vergrößerung des angesaugten
Gemischvolumens je Motorumdrehung ,die Gemischmenge, die durch den Auslaß verlorengeht,
gegenüber der im Zylinder verbleibenden Gemischmenge sich erheblich vergrößert.
Dies zeigen in Abb. i die beiden oberen Kurven.
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Der günstigste Fahrbereich liegt nach diesen Überlegungen bei einem
angesaugten Gemischvolumen von etwa 0,5 bis o,8 1 pro Motorumdrehung. Erheblich
:darüber hinauszugehen, ist mit einem zu stanken Verlust an Brennstoff verbunden,
ohne eine wesentliche Steigerung der Leistung.
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Das angesaugte Gemischvolumen des von der Kurbelwelle angetriebenen
Schleudergebläses wächst im gleichen Verhältnis wie die Drehzahl des Gebläses und
bei gleichbleibendem Übersetzungsverhältnis auch wie die. des Motors. Damit bleibt
das je Motorumdrehung angesaugte Gemischvolumen bei allen Drehzahlen konstant.
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Das vom Schleudergebläse verdichtete und in. den Zylinder strömende
Gemischvolumen wird jedoch bei steigender Drehzahl infolge dies quadratisch ansteigenden
Druckes des Gemisches immer kleiner. Es hat daher das die Abgase verdrängende Gemisch
im Zylinder ein kleineres Volumen und eine größere Dichte. Damit geht weniger Gemisch
durch den Auspuff verloren. Durch die größere im Zylinder verbleibende Gemischmenge
erhöht sich der VerbrennungsdTuck und der indizierte mittlere Nutzdruck. Trotz der
steigenden Gebläseleistung nimmt daher das Motordrehmoment gar nicht oder nur wenig
ab und der Kraftstoffverbrauch gar nicht oder nur wenig zu.
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Das von der Kurbelwelle angetriebene Schleudergebläse hat die außerordentliche
Eigenschaft, dä.ß bei niedrigen Drehzahlen der Druck dies geförderten Gemisches
klein und bei hohen Drehzahlen hoch ist. Der Druck steigt mit der Drehzahl quadratisch
an. Bei niedrigen Drehzahlen beträgt der Gebläsedruck nur wenige Millimeter Wassersäule,
und die Luft strömt mit geringer Geschwindigkeit in den Zylinder ein. Dieses ist
sehr erwünscht. Die Zeiten, während welcher die Ein und Auslaßkanäle bei niedrigen
Drehzahlen offen sind,, sind verhältnismäßig groß. Infolge der kleinen Geschwindigkeit
strömt das Gemisch durch die freigegebenen Schlitze in voller Höhe und. Breite in
den Zylinder ein:. Das strömende Gemisch hat also einen großen Querschnitt und treibt
die Abgase in breiter Front vor sich her. Bei Abschluß der Einlaßschlitze hat der
Gemischstrom im Zylinder eine gewisse Länge erreicht. Wegen der günstigen Eigenschaften
des Schleudergebläses bleibt diese Form des Gemischstromes im Zylinder bei allen
Drehzahlen die gleiche. Da bei höheren Drehzahlen das Gemisch verdichtet isst, wird
der Gemischstrom im Zylinder kürzer.
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Während bei dem Zweitakt-Dieselmotor oder Benzineinspritzmotor der
Zylinder durch das groß bemessene Spülluftvolumen möglichst gründlich von den Abgasen
ausgespült und mit frischer Luft gefüllt werden soll, wobei man in Kauf nimmt, daß
nur ein Teil der Spülluft im Zylinder verbleibt und mehr als die Hälfte durch die
Auslaßkanäleverlorengeht, soll bei dem gemischverdichtenden Zweitakt-Ottomotor das
in den Zylinder eingeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch möglichst verlustlos im Zylinder
verbleiben. Gemäß der Erfindung wird dieses dadurch erreicht, daß sein Volumen verhältnismäßig
klein bemessen wird und das Gebläse so ausgelegt ist, daß nur ein Teil des Hubvolumens
bei einer Motorumdrehung von ihm angesaugt und gefördert wird. Es wird' bewußt auf
ein Au,s,spülen des Zylinders verzichtet, und es wird nur ein Teil der im Zylinder
befindlichen Abgase durch das einströmende Gemisch verdrängt und ersetzt.
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Das Schleudergebläse paßt sich in Druck und Fördermenge, wie beschrieben,
allen Drehzahlen der Zweitaktmaschine an. Es ist deshalb für Fahrzeugmotoren mit
großem Drehzahlbereich besonders geeignet. Sein guter Wirkungsgrad ist besonders
für Motoren mit hoher Drehzahl' wichtig.
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Je länger der Weg ist, den das im Zylinder zurücklegen kann., um so
mehr Gemisch kann dem Zylinder zugeführt werden, bevor der Gemischstrom zum Auslaß
gelangt. Dies ist bei Anwendung einer Umkehrspülung in besonders hohem Maße der
Fall. Bei der Umkehrspülung münden die Spülkanäle derart in den Zylinder ein, daß
das Kraftstoff-Luft-Gemisch an der den Auspuffschlitzen gegenüberliegenden Zylinderwand
hochsteigt und nach Umlenkung und Entlangströmen am Zylinderdeckel an der Zylinderwand
der Auspuffseite zu den Aus laßschlitzen hinabströmt.
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Bei- der beschriebenen Umkehrspülung wird das in dem Zylinder strömende
Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Fliehkraft stets nach außen an die, Führungswände
gedrückt. Es hat auch infolge seines höheren spezifischen Gewichtes gegenüber dem
spezifischen Gewicht der Verbrennungsgase noch, mehr die Neigung, an- den Führungswänden
entlangzuströmen.
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Bei einer Querspülung, bei der die Einlaßkanäle den Aus.laßkanälen
gegenüberliegen. und diesen zugerichtet sind, strömt ein Teil des Gemisches in einem
Kurzschlußbügel unmittelbar dem Auslaß zu. Für
diesen Teil des Gemisches
ist der Weg im Zylinder zu kurz, so daß, um Verluste zu vermeiden, erheblich weniger
Gemisch in den Zylinder eingeführt werden kann.
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In der Zeichnung ist in Abb.2 eine Zweitaktmaschine mit Umkehrspülung
und einem Schleudergebläse i einem Schnitt gezeigt; Abb. 3 zeigt'einen Querschnitt
durch den Arbeitszylinder dieser Maschine in Höhe der Spülkanäle. , Mit i ist das
Schleudergebläse bezeichnet, das durch Kegelräder 2 und 3 von der Kurbelwelle aus
angetrieben wird. Das Schleudergebläse i beslitzt in der Saugleitung .4 eine Vergaserdüse
5, durch die die Luft angesaugt und das Gemisch hergestellt wird. Das Gemisch strömt
durch die zu beiden Seiten des Auslaßkanals 6 angeordneten Spülkanäle 7 in den Zylinder
ein. Die Spülkanäle 7 sind derart gerichtet, daß sie den Gemischstrom gegen die
dem Auslaßkanal 6 gegenüberliegende Zylinderwand 8 leiten. Von dort strömt das Gemisch
zum Zylinderkopf 9 hoch und wird nach Umlenkung durch den Zylinderkopf an der Zylinderwand
io der Auspuffseite dem Auslaßkanal 6 zugeführt.
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Ein Vergaser in der Saugleitung hat den Vorteil, daß der Brennstoff
durch die große Umlaufgeschwindigkeit des Laufrades gut zerstäubt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch
gut aufbereitet wird. Dies ist ein besonderer Vorteil des Schleudergebläses, wenn
es bei Zweitaktmaschinen das Gemisch fördert.
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Durch das Entlangströmen an den Zylinderwänden und am Zylinderdeckel
ist der Weg vom Einlaß zum Auslaß besonders lang. Bei genügend breiter Front des
einströmenden Gemisches schiebt dieses die Abgase vor sich her und dem Auspuff zu.
Das Volumen des einströmenden Gemisches soll so bemessen sein, daß der Strom des
Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder noch nicht bis zu den Auslaßschlitzerv gelangt
ist, wenn, der aufwärts gehende Kolben die Auslaßschlitze wieder abschließt. Der
Querschnitt und die Höhe der Einlaßkanäle und der Durchmesser des Gebläselaufrades
sind hierbei so aufeinander abgestimmt, daß bei allen Drehzahlen das oben erläuterte
begrenzte Kraftstoff-Luft-Volumen vom Gebläse je Motorumdrehung angesaugt und in
den Motorzylinder gefördert wird. Gegenüber einem Gebläselaufrad-, wie es bei Zweitaktmotoren
üblich ist, hat das gemäß der vorliegen, den Erfindung bemessene Laufrad bei gleichem
Durchmesser wie dem seither üblichen nur die halbe Drehzahl oder bei gleicher Drehzahl
wie seither üblich nur den halben Durchmesser. Bei einem beispielsweisen Übersetzungsverhältnis
von 6 : i hat das vorliegende Gebläse einen Laufraddurchmesser gleich dem Durchmesser
eines. Zylinders, während dass seither bekannte Gebläse den doppelten Durchmesser
hatte.
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In Abt). 2 ist der Verlauf der Spülströmung als Umkehrspülung
im Arbeitszylinder veranschaulicht. Der Arbeitskolben ist in seiner unteren Totpunktstellung
gezeichnet. Die Spülströmung ist jedoch für die Stellung des Kolbens dargestellt,
bei der er beim Hochgehen den Auslaßkanal abschließen würde. Man sieht, daß der
Gemischstrom gerade bis kurz vor den Auslaßschlitz gelangt ist. Er strömt mit großem
Querschnitt vorn den Einlaßkanälen an der dem Auslaßschlitz gegenüberliegenden Zylinderwand
hoch, an dem Zylinderkopf entlang und an der dien Auslaßschlitz enthaltenden Zylinderwand
nach unter.
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Das Gebläse i soll aus den vorstehend angegebenen Gründen in seinen
Abmessungen und, in seiner Drehzahl derart ausgelegt sein, daß bei Vollaststellung
des Gashebels i i das angesaugte Gemischvolumen nur so groß ist, daß es nur das
o,5- bis o,8fache des Hubraumes des Motors- bei einer Motorumdrehung beträgt. Die
Höhe der Spülkanäle wird etwa 2o bis 25 % der Höhe des Hubes des Arbeitskolbens
betragen. Für die Breite der Spülkanäle wird der Zylinderumfang möglichst weitgehend
ausgenutzt.
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In der dargestellten Vollas.tstellung gibt die vom Gashebel i i betätigte
Drosselklappe 12 den Querschnitt des Ansaugrohres ganz frei.
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In den Abb. 4 und 5 ist ein Schleudergebläse 13 dargestellt, das in
seinen Abmessungen und- in seiner Drehzahl so ausgelegt ist, d;aß bei voll geöffneter
Drosselklappe 12 das vom Gebläse angesaugte Gemischvolumen je Motorumdrehung mehr
als das o,8fache, beispielsweise das 1,2- bis i,5fache des Hubraumes des Motors
beträgt. In der eingezeichneten Vollaststellung des Gashebels i i ist jedoch die
Drosselklappe 12 nicht voll geöffnet, so daß das angesaugte Gemischvolumen je Motorumdrehung
nur das o,5- bis o,8fache dies Hubraumes des Motors beträgt. Der Gashebel
11 liegt in der Vollaststellung gegen den federnden'Anschlag 14. Eine weitere
Verstellung des Gashebels i i aus der Vollaststellung in die Überlaststellung erfolgt,
wie in Abb. 4 ersichtlich, erst nach Überwindung der auf den Anschlag 14 wirkenden
Federkraft. In der Überlaststellung gibt die Drosselklappe 12 den Durchlaß in der
Saugleitung völlig frei, so de.B sich das ansaugte Gemischvolumen vergrößert.
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Es ist, auch möglich, einen Vergaser mit Drosselklappe in der Druckleitung
des Schleudergebläses anzuordnen.
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Statt eines Schleudergebläses kann auch ein anderes dynamisches Gebläse,
z. B. ein Axialgebläse, verwendet werden. Dieses hat dieselben Eigenschaften wie
ein Schleudergebläse. Das Schleudergebläse hat als dynamisches Gebläse besondere
Vorteile und ist zur Förderung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für gemischverdichtende
Maschinen gegenüber Kolbenpumpen, Rootsgebläsen, Exzentergebläsen und Kurbelkastenpumpen
besonders geeignet.
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Die Kolbenspülpumpe hat bei hohen Drehzahlen große Massen- und Reibungskräfte,
außerdem einen verringerten Liefergrad. Sie baut sehr groß.
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Das Rootsgebläse ist in. der Herstellung teuer und baut sperrig. Sein
Wirkungsgrad ist durch das Zurückschlagen von bereits gefördertem Gemisch in die
Förderräume bei hohen Drehzahlen und den damit verbundenen hohen Drücken schlecht.
Die Temperatur des Gemisches wird durch das Zurückschlagen unnötig hoch.
Die
bekannten Exzentergebläse mit hin und her gehenden Schaufeln haben zu hohe Reibung
und kommen für hohe Drehzahlen nicht in Frage.
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Bei den, Kurbelkastenspülpumpen paßt sich der Druck des Gemisches
im Kurbelkasten der Drehzahl nicht an. Bei niedrigen Drehzahlen ist der Druck zu
hoch und bei hohen Drehzahlen zu niedrig. Bei niedrigen Drehzahlen strömt das Gemisch
unter hohem Druck und :hoher Geschwindigkeit (etwa 0,3 atü und 200 m/sec) bereits
bei nur wenig geöffneten Einilaßschlitzen in einem schmalere Band in den Zylinder
ein. Bevor die Einlaßsch-litze ganz geöffnet sind, istdemnach dier Einströmvorgang
bereits beendet. Das Gemisch strömt also nicht mit großem Querschnitt in den Zylinder
ein und. schiebt deshalb nicht die Abgase nachdem Auspuff zu vor sich her. Irrfolge
zu hoher Strömungsgeschwindigkeit dringt das Gemisch während der CSffnungszeit der
Schlitze in der Form eines schmalen, Bandes durch die Verbrennungsgase hindurch
in den Auslas. Bei hoher Drehzahl, z. B. 5ooo Umdrehungen in der Minute, ist der
Liefergrad der Kurbelkastenpumpe bereits so gering, daß die Maschine kaum noch Leistung
abgibt.