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Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Luftspülung und -Gemischnachladung
Die bekannte Zweitaktmotorenbauart mit Kurbelgehäuselader hat neben den bekannten
Vorzügen der Herstellung und des Betriebes gegenüber dem Viertaktmotor die Nachteile
der geringeren Leistung, des höheren Kraftstoffverbrauches und der höheren thermischen
Beanspruchung. Diese Mängel sind vor allem durch die schlechtere Füllung des Zylinders
mit Frischgas, durch Spülverluste und durch Abgasvermischung bedingt.
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Im Patent 8o8655 ist ein besonderes Zweitaktverfahren mit Luftspülung
und Gemischnachladung und eine nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine
beschrieben, bei der diese Nachteile vermieden sind. Ein wichtiges Merkmal dieser
Brennkraftmaschine ist die Anordnung von je einem Arbeits-und Ladezylinder zu einer
Zylindereinheit, welche über einem gemeinsamen und von anderen Zylindereinheiten
getrennten Kurbelgehäuse arbeiten. Dabei sind die Kolben beider Zylinder über ihre
Pleuel so mit der gemeinsamen Kurbelwelle verbunden, daß der Ladekolben dem Arbeitskolben
vorauseilt.
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Bei dieser bekannten Anordnung ergeben sich nachstehende Vorteile:
Der Ladezylinder kann in Verbindung mit dem Kurbelgehäuse doppelt wirken bei ausreichend
großen Steuerzeitquerschnitten und unter Vermeidung von großen schädlichen Räumen.
Die doppelte Wirkung des Ladezylinders
ist so ausgenutzt; daß der
Ladekolben mit seiner Unterseite Spülluft und mit seiner Oberseite Brennstoff-Luft-Gemisch
ansaugen kann. Die Förderung des Spülmittels und des Brennstoff-Luft-Gemisches ist
also bei diesem Motor voneinander getrennt.
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Da auch der Arbeitskolben mit seiner Unterseite Spülluft ansaugt,
ist der Spülmittelaufwand bei gleich großem Hubraum beider Zylinder doppelt so groß,
was wiederum zur intensiven Entfernung der Abgase aus dem Arbeitszylinder beim Spülvorgang
ausgenutzt wird, wobei gleichzeitig der Motor in bezug auf die thermische Beanspruchung
entlastet wird.
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Das von der Oberseite des Ladekolbens angesaugte Brennstoff-Luft-Gemisch
wird dann im Ladezylinder auf einen Druck höher als der gleichzeitig im Arbeitszylinder
herrschende verdichtet und auf kürzestem Wege (vgl. auch hier Anordnung von Lade-
und Arbeitszylinder) vom Ladekolben in den Arbeitszylinder übergeschoben, wenn in
letzterem die Auslaßorgane geschlossen sind. Dieser Überströmvorgang ist dann beendet,
wenn der Arbeitskolben annähernd den Zündpunkt erreicht hat. Bei diesem Vorgang
ergibt sich die Möglichkeit, die bei den bekannten Zweitaktverfahren mit Gemischspülung
auftretenden und in gewissen Drehzahlbereichen sehr erheblichen Brennstoffspülverluste
völlig zu vermeiden und die nutzbare Zylinderladung wesentlich zu erhöhen. Im ganzen
ergibt diese Motoranordnung mit relativ einfachen Mitteln eine Erhöhung der Hubraumleistung
bei gleichzeitiger Senkung des Kraftstoffverbrauches und des Leistungsgewichtes.
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Ein wichtiger Vorgang bei diesem Zweitaktverfahren ist die Steuerung
des Überströmvorganges des Brennstoff-Luft-Gemisches vom Ladezylinder in den bereits
mit Spülluft gefüllten Arbeitszylinder.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Steuerorgans für diesen
Überströmvorgang, welches die Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Luftspülung und Gemischnachladung
in ihrem Herstellungsaufwand vereinfacht, die Betriebssicherheit erhöht und der
charakteristischen ventillosen Zw eitaktmotorensteuerung entspricht.
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Im folgenden ist der Aufbau dieser Steuerung an Hand der Fig. i beschrieben.
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Das Steuerorgan selbst ist ein Rohrschieber i, welcher mit dem Ladekolben
2 zusammen eine Einheit bildet. Der Ladezylinder 3 ist nach der Deckelseite durch
einen mit Kolbenringen 27 versehenen Dichtungskolben 4 abgeschlossen. Der Dichtungskolben
ist in seinem Innern zur Kühlung des Rohrschiebers hohl ausgeführt, so daß er bei
Gebläseluft-oder Flüssigkeitskühlung des Motors in den Kühlkreislauf 5 einbezogen
werden kann.
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Der Außendurchmesser des Dichtungskolbens 4 ist abzüglich des Laufspiels
gleich dem Innendurchmesser des Rohrschiebers i. Der Außendurchmesser des Rohrschiebers
i ist abzüglich des Laufspiels gleich dem Durchmesser des Ladekolbens 2 und Ladezylinders
3. Der Rohrschieber ist mit einem Gemischüberströmschlitz 6 und einem Gemischeinlaßschlitz
7 versehen. Die Unterkanten dieser Schlitze liegen in der Regel in Höhe der Oberseite
des Bodens des Ladekolbens 2.
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Zur Abdichtung des Ladezylinders 3 gegen das Kurbelgehäuse 8 trägt
der Ladekolben :2 Kolbenringe g.
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Zur zeitweiligen räumlichen Verbindung von Arbeitszylinder io und
Ladezylinder 3 ist die Zylinderzwischenwand mit einem Gemischüberströmkanal i i
versehen.
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Die Oberkante 12 dieses Kanals i i im Arbeitszylinder io ist in gleicher
Höhe oder etwas tiefer wie der Zündpunkt der größten erforderlichen Vorzündung.
Die Lage der Unterkante 13 im Arbeitszylinder wird von der erwünschten Einströmrichtung
und dem erforderlichen Zeitquerschnitt bestimmt.
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Die Oberkante 23 des Gemischüberströmkanals i i im Ladezylinder 3
ist in annähernd gleicher Höhe wie die Unterkante 14 des Gemischüberströmschlitzes
6 im Rohrschieber i bei äußerer Totpunktstellung des Ladekolbens 2.
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Die Unterkante 15 des Gemischüberströmkanals i i im Ladezylinder 3
bestimmt in ihrer Höhenlage zusammen mit der Oberkante 16 des Gemischüberströmschlitzes
6 im Rohrschieber i den Beginn des Gemischüberströmvorganges.
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Die Höhenlage der Oberkante 16 des Gemischüberströmschlitzes 6 ist
so festgelegt, daß der Rohrschieber i dann den Gemischüberströmkanal i i zu schließen
beginnt, wenn der nacheilende Arbeitskolben 17 mit seiner Kolbenbodenoberkante 18
wieder den Gemischüberströmkanal i r erreicht.
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Die Höhe des Gemischeinlaßschlitzes 7 ist gleich der Höhe des Gemischeinlaßkanals
ig im Ladezylinder 3.
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Der Spüllufteinlaßkanal 2o wird in bekannter Weise durch die Unterkante
21 des Ladekolbens 2 gesteuert. Der Auslaßkanal 22 des Arbeitszylinders io wird
vom Arbeitskolben 17 gesteuert.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Steuerorgans für den Gemischüberströmvorgang
ist nachstehend beschrieben: In der inneren Totpunktstellung des Ladekolbens :2
ist der Gemischeinlaß voll geöffnet, da hier die Querschnitte von Gemischeinlaßschlitz
7 und Gemischeinlaßkanal i9 sich genau gegenüberstehen. Gleichzeitig verschließt
der Rohrschieber i den Gemischüberströmkanal i i und trennt Arbeitszylinder ro und
Ladezylinder 3 räumlich voneinander.
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Beim nun folgenden Lauf des Ladekolbens 2 nach seinem äußeren Totpunkt
wird das vom Ladekolben 2 in den Ladezylinder 3 gesaugte Brennstoff-Luft-Gemisch
verdichtet. Wenn die Oberkante 16 des Gemischüberströmschlitzes 6 des Rohrschiebers
i die Unterkante 15 des Gemischüberströmkanals i i erreicht hat, beginnt die Überströmung
des Brennstoff-Luft-Gemisches vom Ladezylinder 3 in den Arbeitszylinder io. -In
dieser Stellung ist der Spülvorgang im Arbeitszylinder io beendet und das Brennstoff-Luft-Gemisch
im Ladezylinder 3 auf einen Druck höher als der gleichzeitig im Arbeitszylinder
io herrschende Druck verdichtet. Hat
die Unterkante 14 des Gemischüberströmschlitzes
6 im Rohrschieber i die Oberkante 23 des Gemischüberströmkanals i i im Ladezylinder
3 erreicht, so ist der Ladekolben 2 in seinem äußeren Totpunkt angelangt und die
Gemischüberströmung beendet.
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Gleichzeitig steht der nacheilende Arbeitskolben 17 kurz vor dem Zündpunkt
und mit seiner Oberkante 18 gleich mit der Oberkante 12 des Gemischüberströmkanals
ii im Arbeitszylinder io. Der Arbeitskolben 17 verschließt jetzt im weiteren Lauf
nach seinem äußeren Totpunkt den Gemischüberströmkanal i i. Wenn die Oberkante 18
des Arbeitskolbens 17 auf dessen nun folgenden Abwärtslauf den Gemischüberströmkanal
i i wieder erreicht, hat der Rohrschieber i durch die Voreilung des Ladekolbens
2 bereits wieder das Schließen des Gemischüberströmkanals i i eingeleitet und diesen
Kanal ii dann wieder völlig verschlossen, wenn der Arbeitskolben 17 mit seiner Oberkante
18 diesen Kanal i i ganz freizugeben beginnt.
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Die neuartige Anordnung des Rohrschiebers i gestattet eine Anordnung
des Gemischüberströmkanals i i, der die nachstehend beschriebenen Vorgänge ermöglicht.
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i. Beim Spülvorgang im Arbeitszylinder io entsteht bei Anwendung der
bekannten Umkehrspülung eine Turbulenz im Arbeitszylinder io, welche ihren Anfang
beim Austritt der Spülluft aus dem Spülluftüberströmkana124 hat und entlang der
Zylinderzwischenwand hochsteigt, dem Umfang des halbkugeligen Verbrennungsraumes
entlang läuft und der Zylinderwand an der Auspuffseite beim anschließenden Weg zum
Auslaß 22 folgt. Diese Turbulenz wird in gewissen Grenzen auch während der Kompression
im Arbeitszylinder io nach Schließen des Auslasses 22 beibehalten. Bei der Einmündung
des Gemischüberströmkanals i i tangential zum Umfang des Verbrennungsraumes kann
das in den Arbeitszylinder io einströmende Kraftstoff-Luft-Gemisch in der bereits
vorhandenen Strömungsrichtung der vorverdichteten Spülluft einfließen und hat damit
den geringst möglichen Strömungswiderstand zu überwinden.
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2. Durch Schrägstellen, bezogen auf die Kurbelwellenachse, der senkrechten
Seitenflächen 25, 26 des Gemischüberströmkanals i i (vgl. Fig. 5) wird erreicht,
daß das Brennstoff-Luft-Gemisch mit Drall um die Arbeitszylinderlängsachse in den
Arbeitszylinder io einströmt und dadurch vermöge der Wirbelung die Vermischung von
Spülluft und Brennstoff-Luft-Gemisch im Arbeitszylinder io unterstützt.
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3. Bei der beschriebenen Anordnung des Gemischüberströmkanals in Verbindung
mit dem Rohrschieber i ist der schädliche Raum im Ladezylinder 3 in seiner praktischen
Bedeutung gleich Null.
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4. Das mit hoher Geschwindigkeit durch den Gemischüberströmkanal i
i strömende Kraftstoff-Luft-Gemisch folgt bei der beschriebenen Kanalanordnung dem
Umfang des Verbrennungsraumes und gerät in eine Turbulenz, die auch über den Zeitpunkt
der Zündung hinaus anhält. Eine solche turbulente Durchwirbelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
im Verbrennungsraum kurz vor und während der Verbrennung wirkt sich in bezug auf
den Ablauf der Verbrennung günstig aus, aus Gründen, die im folgenden beschrieben
werden.
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Der bekannte Klopfvorgang bei Otto-Brennkraftmaschinen entsteht, bei
entsprechend der Oktanzahl des Kraftstoffes zu hoher Verdichtung, am Ende der Verbrennung
dadurch, daß bei Einleitung der Verbrennung durch die Zündung die Temperaturen und
Drücke sehr rasch ansteigen. Diejenigen Teile des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die
von der mit bestimmter Geschwindigkeit von der Zündkerze aus fortschreitenden Flammenfront
bei diesem Temperatur- und Druckanstieg noch nicht erreicht sind, verbrennen detonationsartig
ohne Zusammenhang mit dem Gesamtablauf der Verbrennung und verursachen die bekannten
Klopfgeräusche im Motor mit ihren sich auf das gesamte Triebwerk des Motors auswirkenden
schädlichen Erscheinungen.
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Es erscheint, von dieser Erklärung des Klopfvorganges ausgehend, gegeben,
daß eine turbulente Durchwirbelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Verbrennungsraum
während des Verbrennungsvorganges gleichzeitig die Ausbreitung der Verbrennung unterstützt
und damit der Klopfneigung des Motors entgegenwirkt. Als Folge davon kann dann das
Verdichtungsverhältnis im Arbeitszylinder für einen Kraftstoff bestimmter Oktanzahl
erhöht und damit ein weiterer Leistungsgewinn und eine Senkung des Kraftstoffverbrauches
infolge des bei höherer Verdichtung besseren thermischen Wirkungsgrades erreicht
werden.
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5. Der mit dem Ladekolben 2 eine Einheit bildende Rohrschieber i erfordert
keine besonderen Antriebselemente, wodurch der Herstellungsaufwand und das Motorgewicht
gegenüber einer Drehschieber- oder Ventilsteuerung verringert wird.
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6. Die Betriebssicherheit wird erhöht und die erforderliche Wartung
verringert.
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7. Die thermische Beanspruchung des Steuerorgans ist praktisch beherrschbar,
da a) die Fläche der Wärmeaufnahme wesentlich kleiner ist als die der Wärmeabgabe,
b) ausreichende Querschnitte für die Wärmeableitung vorhanden sind und c) der Rohrschieber
i über den Innenraum des Dichtungskolbens 4 durch Gebläseluft- oder Flüssigkeitskühlung
5 zusätzlich thermisch entlastet werden kann. Mit 27 sind Kolbenringe des Dichtungskolbens
4 bezeichnet.
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Die Fläche des Gemischüberströmkanals i i wird von annähernd ruhenden
Verbrennungsgasen thermisch beansprucht, aber von mit hoher Geschwindigkeit durchströmenden
Gasen wesentlich geringer Temperatur entlastet.
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt in der Ebene A-B nach Fig. i mit Seitenflächen
28, 29, die parallel zu der für den Arbeitszylinder io und dem Ladezylinder 3 gemeinsamen
Achse 34 verlaufen.
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Fig. 3 zeigt einen Schnitt in der Ebene C-D nach Fig. i und entspricht
der Ausführungsform nach
Fig. ->. Die Fig. 3 läßt erkennen, daß
die Kanalflächen 30, 31 geneigt sind. Das Brennstoffgemisch strömt durch den Gemischüberströmkanal
i i.
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Fig. 4. zeigt ebenfalls einen Schnitt in der Ebene A-B nach Fig. i,
jedoch mit schräg gestellten Seitenflächen 25, 26.
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Fig. 5 zeigt einen Schnitt in der Ebene C-D nach Fig. i und entspricht
der Ausführungsform nach Fig. q. Die geneigten Kanalflächen sind mit 32, 33 bezeichnet.
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Diese Ausführungsform nach den Fig.4 und 5 gestattet, daß zusätzlich
ein Drall um die Arbeitszy linderlängsachse erzeugt wird.
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Zur Verdeutlichung sind in den Fig. 1, 3 und 5 gleiche Kanten mit
gleichen Ziffern bezeichnet.