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Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Schleudergebläse und Kolbenpumpe Die
Erfindung betrifft eine 7_w-eitakt-Brennkraftmaschine, die für einen großen Drehzahlbereich
und insbesondere für den Antrieb von Straßenfahrzeugen geeignet sein soll und die
mit Gemischverdichtung und Fremdzündung arbeitet.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine
sowohl mit Luft als auch mit einem Gemisch aus Luft und Kraftstoff gespült werden
und die Spülluft ohne Kraftstoffgehalt, die den Hauptteil der Spülmenge des Arbeitszylinders
ausmacht, durch ein von der Kurbelwelle angetriebenes Schleudergebläse gefördert
und das Spülgemisch, das erfindungsgemäß bei Vollast beispielsweise den zehnten
Teil der Spülluftmenge beträgt, durch eine von der Kurbelwelle angetriel>etie Kolbenpumpe
gefördert wird. Vorzugsweise wird das Gemisch aus Luft und Kraftstoff von der Kolbenpumpe
aus durch getrennte Kanäle in den Arbeitszylinder eingeführt.
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Die Erfindung bringt folgende Vorteile: Zur Ausspülung der Abgase
und Füllung des Arbeitszylinders mit frischer Luft eignet sich ein Schleudergebläse
bestens, da die von ihm verdichtete und geförderte Spülluft bei allen Motordrehzahlen
einen richtigen zeitlichen und räumlichen Verlauf der Spülströmung im Arbeitszylinder
ergibt, d. h. eine allen Drehzahlen angepaßte Spülströmung. Für die Förderung einer
verhältnismäßig großen Spülluftmenge baut sich ein Schleudergebläse klein, leicht
und billig, es eignet sich für hohe Motordrehzahlen, hat eine geringe Eigenreibung,
besitzt große Betriebssicherheit und läßt sich in der Fördermenge durch Drosseln
leicht und verlustlos regeln.
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Für die Zerstäubung von Kraftstoff und Bildung eines guten Kraftstoff-Luft-Gemischs
ergibt das Schleudergebläse jedoch insbesondere beim Anlassen und bei niedrigen
Motor- und damit Gebläsedrehzählen nicht die nötige Energie, d. h. es ergibt nicht
die erforderlichen Druckunterschiede.
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Erfindungsgemäß wird daher für die Gemischbildung und Förderung eine
Kolbenpumpe verwendet und die Gemischmenge verhältnismäßig klein
gehalten.
Eine Kolbenpumpe eignet sich für kleinere Mengen und größere Überdrücke und Unterdrücke
und liefert diese Drücke auch beim Anlassen und bei geringsten Motordrehzahlen.
Die Kolbenpumpe wird durch die kleine Gemischmenge in ihren Abmessungen ebenfalls
klein, eignet sich für hohe Drehzahlen und ergibt schon beim Anlassen eine große
Luftenergie für eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs.
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Die Verwendung von Kolbenpumpen auch für die gesamte Spülluftmenge
würde zu große und auch zu .schwere Pumpen ergeben, da ihr Hubraum etwa doppelt
so groß wie der des Arbeitskolbens sein müßte, so daß keine 'hohen Drehzahlen möglich
wären und eine große Eigenreibung unvermeidlich wäre.
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Es kann vorteilhaft sein, die Spülung des Arbeitszylinders mit Gemisch
aus der Kolbenpumpe gleichzeitig mit der Spülung mit Luft aus dem Schleudergebläse
beginnen und ebenfalls über die ganze Öffnungszeit dier Spülkanäle andauern zu lassen.
Es besteht jedoch dabei die Gefahr, daß Gemischverluste durch den Auslaß entstehen,
insbesondere wenn die Spülluftmenge oder die gesamte Spülmenge aus Luft und Gemisch
zur Erzielung einer guten Zylinderspülung und damit hoher Motorleistung groß gehalten
ist.
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Es dürfte daher vorteilhaft sein, die Spülung mit Gemisch aus der
Kolbenpumpe später als die Spülung mit Luft aus dem Schleudergebläse beginnen zu
lassen, beispielsweise erst ab unterer Totpunktstellung,des Arbeitskolbens. Dieser
spätere Beginn der Gemischspülung wird erfindungsgemäß vom Pumpenkolben selbst gesteuert.
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Weitere Maßnahmen zur Vermeidung von Kraftstoffverlusten während der
Spülung durch den Auslaß sind außer dem späteren Beginn der Gemischspülung und der
klein gehaltenen Menge des Spülgemischs nach der Erfindung folgernde: Es werden
gesonderte Spülkanäle für das Gemisch angeordnet, und es wird das Gemisch nicht
in die Spülluftkanäle des Arbeitszylinders eingeführt. Die Oberkante der Gemischspülkanäle
kann höher als die Oberkante der Luftspülkanäle gemacht werden, so daß d.ie Gemischspülung
länger andauert als die Luftspülung und das Gemisch weniger leicht von der Spülluftmenge
bis zu den Auslaßkanälen mitgenommen werden kann. Die Oberkante der Gemischkanäle
kann .sogar 'höher als die der Auslaßkanäle angeordnet sein, so daß sich an die
Gemischspülung eine Gemisch nachladung des Arbeitszylinders anschließt.
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Die Arbeitszylinder sind mit Umkehrspülung der Luftspülkanäle ausgebildet,
bei der die Luftspülkanäle auf beiden Seiten neben den Auslaßkanälen liegen und
die Spülluft auf die den Auslaßkanälen gegenüberliegende Zylinderwand richten, wo
sie nach dem Zylinderkopf zu umgelenkt wird und dann von dort als Umkehrspülströmung
zu den Auslaßkanälen weiterströmt. In Verbindung damit werden die Gemischspülkanäle
an der den Auslaßkanälen gegenüberliegenden Zylinderwand angeordnet, also in möglichst
großer Entfernung von den Auslaßkanälen. Die Gemischspülkanäle sind dabei vorteilhaft
steil nach dem Zylinderkopf zu gerichtet, so daß der Gemischspülstrom von dem Luftspülstrom
an die den Auslaß'kanälen gegenüberliegende Zylinderwand gedrückt wird und somit
einen möglichst langen Weg bis zu den Auslaßkanälen vor sieh hat. Es kann noch vorteilhafter
sein, auch die Gemischspülkanäle so auszurichten, daß eine Umkehrspülströmung auch
des Spülgemischstromes und nicht nur des Spülluftstromes im Zylinder gebildet wird.
Die Umkehrspülströmung des Spülgemischs ist dadurch der der Spülluft angepaßt. Dadurch
stört bei niedrigen Motordrehzahlen und geringen Spülluftdrücken und Gesc'hwindig'keiten
der aus dem Schleudergebläse kommenden Spülluft die energiereichere Gemischspülströmung
die Spülluftströmung nicht, sondern unterstützt diese noch nach Art einer Strahlpumpe,
indem die Spülluft durch das Gemisch beschleunigt wird.
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Es ist auch möglich, das Spülgemisch mehr tangential zu der Zylinderwand
mit einer starken Steigung nach oben, @d. h. dem Zylinderkopf zu, in den Arbeitszylinder
einströmen zu lassen, damit Kraftstoffverluste durch die Auslaßkanäle nach Möglichkeit
vermieden werden.
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Die Spülluftmenge aus dem Schleudergebläse kann bei Vollast annähernd
das i,o- bis i,5fache des Hubraumes des Arbeitskolbens betragen, während die Spülgemischmenge
etwa den zehnten Teil davon beträgt. Infolgedessen sind auch die Querschnitte der
Spülluftkanäle ein Vielfaches von dem der Gemischspülkanäle. Der Druck des Spülgemischs
aus der Kolbenpumpe ist vorteilhaft höher als der Druck der Spülluft durch das Schleudergebläse,
so daß das Gemisch verhältnismäßig spät und durch verhältnismäßig kleine Spülkanäle
auch bei hohen Drehzahlen in den Arbeitszylinder eingebracht werden kann.
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Bei Teillast wird die Spülluftmenge aus dem Schleudergebläse gedrosselt,
nicht jedoch die Gemischmenge der Kolbenpumpe, wohl aber deren Kraftstoffmenge,
damit das richtige Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Luft im Arbeitszylinder
gewährleistet ist und damit auch bei Teillast eine genügende Energie für die Gemischspülung
vorhanden ist.
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Bei geringer Teillast und bei Leerlauf ist die Spülluftmenge aus dem
Schleudergebläse nahezu oder ganz abgedrosselt, so daß im wesentlichen nur noch
die Gemischmenge aus der Kolbenpumpe als Spülmenge in den Arbeitszylinder einströmt.
Bei verhältnismäßig groß bemessenen Kolbenpumpen oder bei sehr geringem Luftbedarf
für den Leerlauf kann bei geringer Teillast und Leerlauf auch die Gemischmenge aus
der Kolbenpumpe gedrosselt werden. Dabei wird die Luftmenge und die Kraftstoffmenge
der Kolbenpumpe vermindert.
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Der Kraftstoff kann der Luftmenge, die von der Kolbenpumpe angesaugt
wird, zum Zwecke der Gemischbildung durch eine geregelte Kraftstoffpumpe zugeführt
werden, oder es kann ein Vergaser an die Saugleitung der Kolbenpumpe angeschlossen
werden. Die Kolbenpumpe saugt vorteilhaft das Gemisch durch Saugschlitze in der
Pumpenzylinderwand
an, die voni Pumpenkolben gegen Ende des Saughubs
aufgesteuert werden. Der Pumpenzylinderraum steht dabei unter Unterdruck und wird
von dem mit hoher Geschwindigkeit einströmenden Gemisch aufgefüllt.
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Beim Förderhub des Pumpenkolbens werden zuerst die Saugschlitze geschlossen,
darauf wird das angesaugte Gemisch durch einen Teil des Förderhubs auf einen bestimmten
Druck vorverdichtet, und dann werden die Austrittskanäle im Pumpenzylinder durch
den weiteren Hub des Pumpenkolbens aufgesteuert, wodurch die Gemischspülung beginnt.
Das vorgespannte Gemisch strömt aus dem Pumpenzylinder zu den Spülkanälen des Arbeitszylinders
und durch diese in den Arbeitszylinder ein.
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Im folgenden wird die Erfindung am Beispiel eines Vierzylinder-V-Motors
mit go°-V-Winkel an Hand von Abbildungen gezeigt und beschrieben. Es zeigt Abb.
i einen Längsschnitt eines Vierzylinder-V-Motors durch die Mittelebene mit Schnitt
des Schleudergebläses für .die Spülluft und vori zwei Pumpenzylindern für das Spülgemisch
nach der Linie 1-I der Abb. 2, Abb. 2 einen Querschnitt des Motors der Abb. i nach
der Linie II-II durch zwei Arbeitszylinder und zwei dazugehörige Pumpenzylinder,
Abb. 3 einen Querschnitt durch den linken Arbeitszylinder des Motors nach A'bb.
2 nach .der Linie III-III in Höhe der Spülluft- und Auslaßkanäle. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Arbeitszylinder mit einem Gemischspülkanal versehen, Abb. 4 einen ähnlichen
Querschnitt durch einen rechten Arbeitszylinder in Höhe der Spülluft- und Auslaßkanäle
mit zwei Gemischspülkanälen für eine Umkehrspülströmung des Spülgemischs.
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In den Abbildungen ist i ein Arbeitszylinder, 2 ein Arbeitskolben
und 3 eine Pleuelstange der linken Reihe der Arbeitszylinder. 4, 5 und 6 sind die
gleichen Teile der rechten Reihe der Arbeitszylinder. 7 ist die Kurbelwelle mit
zwei um i8o° versetzten Kurbelzapfen, auf denen je zwei Pleuelstangen nebeneinandergelagert
sind. 8 ist das Motorgehäuse. 9 ist ein großes Zahnrad am vorderen Ende der Kurbelwelle,
io das Ritzel, ii die Welle und 12 das Laufrad des Schleudergebläses für die Spülluft.
13 ist hier ein Diffusor mit Leitschaufeln, 14 eine Druckspirale, 15 die Saugleitung
des Schleudergebläses und 16 eine Drosselklappe für die Regelung der Spülluftmenge.
17 ist ein Zahnrad und 18 die Welle für den Antrieb der Gemischkolbenpumpe. Das
Zahnrad 17 ist gleich groß wie das Kurbelwellenrad 9, so daß die Antriebswelle i8
die gleiche Drehzahl und den gleichen Drehsinn hat wie die Kurbelwelle. i9 ist hier
ein Spülluftaufnehmer des Motorgehäuses. In Abb. i ist 20 ein vorderer und 21 ein
hinterer Pumpenzylinder, 22 und 23 sind die dazugehörigen Pumpenkolben. Der Pumpenkolben
22 ist in seiner unteren und 23 in seiner oberen Totpunktstellung gezeichnet. 24
und 25 sind die Pleuelstangen der Pumpenkolben. 26 ist die Kurbelwelle der Kolbenpumpe,
die hier zwei um i8o° versetzte Kurbelzapfen hat. Die Kolbenpumpe ist ebenfalls
mit vier Zylindern in V-Form ausgebildet. Jedem Arbeitszylinder ist der nächstliegende
Pumpenzylinder zugeordnet.
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In Abb. 2 ist der linke Arbeitskolben in seiner unteren Totpunktstellun.g
gezeichnet, so daß der linke Zylinder sich im Spülvorgang befindet. 27 sind Spülkanäle
für die Spülluft vom Schleudergebläse, 28 sind die Auslaßk@anäle und 29 ist die
als Linienzug eingezeichnete Umkehrspülströmung der Spülluft, die 'hier aus dem
Spülluftaufnehmer i 9 kommt, wohin sie vom Schleudergebläse gefördert wird. Die
Auslaßkanäle 28 sind nach außen gerichtet, damit die den Auslaßkanälen gegenüberliegenden
Spülkanäle für das Gemisch möglichst nahe bei dem zugehörigen Pumpenzylinder liegen.
3o sind- Spüilkanäle für das Gemisch aus der Kolbenpumpe, die in Abb. 2 steil nach
oben gegen den Zylinderkopf zu gerichtet sind. Sie haben hier gleiche Höhe wie die
Spülkanäle für die Luft. 31 ist der als Linienzug dargestellte Weg des Spülgemischs
von der Kolbenpumpe durch die Gemischkanäle in den Arbeitszylinder.
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Die Drehrichtung der Kurbelwelle des Motors und der Kurbelwelle der
Kolbenpumpe ist inAbb.2 durch Pfeile angegeben. Beide sind rechtsdrehend. In der
gezeichneten Kurbelstellung der Motorkurbelwelle befindet sich der linke Arbeitskolben
im unteren Totpunkt und der dazugehörige Pumpenkolben 32 etwa ¢$ bis 6o° vor seiner
oberen Totpunktstellung bei seinem Förderhub. 33 ist ein Steuerkanal desPumpenkolibens,
der in dergezeidhneten Stellung den Druckkanal 34 für :das Gemisch aufsteuert, so
daß das durch den Pumpenkolben vorverdichtete Gemisch zu dem Gemischkanal strömen
kann und die Gemischspülung dadurch beginnt.
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35 ist eine Saugleitung für das Gemisch für alle vier Pumpenzylinder,
die an die Saugschlitze 36 der Pumpenzylinderwand angeschlossen ist. 37 in Abb.
2 ist eine regelbare Kraftstoffpumpe in scheinatischer Darstellung. Sie kann auch
durch einen Spezialvergaser ersetzt werden.
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In Ab b. 4 sind 38 und 39 zwei einander gegenüberliegende Spülkanäle
für das Gemisch, die für eine Umkehrspülströmung des Gemischs ausgebildet und anschließend
an die Spü-lluftkanäle, 27 auf der den Auslaßkanälen 28 entgegengesetzten Seite
angeordnet sind. Alle Spülkanäle für die Luft und für das Gemisch bilden hier eine
Umkehrspülströmung.
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Der Arbeitsvorgang des Motors ist folgender: Die Luftspülung der Spülluft
aus d)em Schleudergebläse erfolgt über ,die ganze Öffnungszeit der Spülluftkanüle.
Der Pumpenkolben erzeugt durch seinen Saughub im Pumpenzylinder einen Unterdruck,
da bei oder kurz nach dem Hubwechsel vom Förderhub zum Saughub des Pumpenkolbens
der Arbeitskolben durch seinen Verdichtungshub die Gemischkanäle des Arbeitszylinders
überfährt und abschließt. Nach Freigabe der Saugschlitze des Pumpenzylinders durch
den Pumpenkolben strömt
das Gemisch mit hoher Geschwindigkeit in
den Pumpenzylinder ein. Beim Förderhub werden erst die Saugschlitze zugesteuert,
dann erfolgt eine Vorderdichtung des Gemischs im Pumpenzylinder, und darauf steuert
der Pumpenkolben die Austrittsschlitze für das Gemisch auf, wodurch dieGemischspülung
beginnt. Das Ende der Gemischspülung Nvird durch den Arbeitskolben gesteuert, indem
er die Gemischspülkanäle bei seinemVerdichtungshub zusteuert. Die Druckleitung für
das Gemisch zwischen Pumpenzylinder und Arbeitszylinder wird durch den nach innen
gahend-en Pumpenkolben wieder entspannt.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für '<Totoren
mit hohem Drehzahlbereich nach oben und unten und mit großem Belastungsbereich,
also insbesondere für Fahrzeugmotoren.