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Zweitaktbrennkraftmaschine, insbesondere luftgekühlte Dieselmaschine
Die Erfindung betrifft eine Zweitaktbrennkraftmaschine mit Schlitzspülung, insbesondere
luftgekühlte Dieselmaschine, bei der die Auslaß- und Spülschlitze am inneren Zylinderende
in ungefähr der gleichen Höhenlage angeordnet sind-.
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Bei Maschinen dieser Art ist es grundsätzlich sehr nachteilig, daß
ein bedeutender Teil der Kolbenbodenfläche ständig im Auslaßströmungsfeld liegt,
während je nach Anordnung und Anzahl der Spül- bzw. Ladeschlitze ein
anderer Teil der Kolbenbodenfläche bei jedem Hubwechsel von kühlenden Frischgas-
bzw. Frischluftströmen bestrichen wird. Dieser Mangel haftet weder den Zweitaktbrennkraftmaschinen
mit an verschiedenen Zylinderenden angeordneten Auslaß- und Spülschlitzen noch jenen
Zweitaktmotoren an, bei denen die Auslaßschlitze oberhalb der Spülschlitze rings
um den Zylinderumfang angeordnet werden. Bei der letzterwähnten Zylinderausbildung
wird nach erfolgter Entspannung der Verbrennungsgase praktisch die gesamte Kolbenfläche
durch die einströmende Frischladung wirksam gekühlt. Durch diese ununterbrochene
thermische Entlastung und gleichmäßigeWärmeabfuhr bleibt derArbeitskolben rund
und
kann daher auch bei hoher Drehzahl und Luftkühlung des Zylinders bei hoher Belastung
mit engem Laufspiel in den Zylinder eingepaßt werden, ohne in demselben anzureiben.
Ähnlich ist der Vorgang bei den Zweitaktbrennkraftmaschinen mit an verschiedenen
Enden angeordneten Auslaßschaltern und Spül- bzw. Ladeschlitzen. Sind hier
die Auslaßschalter als zwangläufig gesteuerte Ventile ausgebildet, so wird der Arbeitskolben
dem Auslaßströmungsfeld gänzlich entzogen und bei jedem Hubwechsel nur von kühlenden
Frischluftströmen bestrichen, sind dagegen im Zylinder aufeinanderzu- und wieder
voneinander weglaufende Kolben vorgesehen, von denen der eine die Auslaßschlitze,
der andere die Spül- bzw. Ladeschlitze steuert, so wird der die Auslaßschlitze
steuernde Kolben zuerst dem Auslaßströmungsfeld und dann de#a Spülströmungsfeld
ausgesetzt, so daß keine unterschiedliche Erhitzung bzw. Kühlung von Kolbenoberflächenteilen
eintreten kann wie bei einem Zweitaktmotor, bei dem die Auslaß- und Spülschlitze
am gleichen Zylinderende in ungefähr der gleichen Höhenlage angeordnet sind. Diese
Schlitzanordnung führt zwangläufig dazu, daß sich am Kolben und am Zylinder unterschiedlich
heiße Zonen ausbilden, daß Kolben und Zylinder nach längerem Betrieb unrund werden,
der Kolben schließlich zum Anreiben kommt, und die Anwendung der Luftkühlung, insbesondere
bei Dieselmaschinen, sehr schwierige Aufgaben stellt, wenn ein anstandsloser Dauerbetrieb
gewährleistet sein soll.
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Bei Zweitaktmotoren, 'bei denen die am inneren Zylinderende angeordneten
Spülkanäle steil nach oben in den Zylinder einmünden und den Auslaßkanälen direkt
gegenübergestellt sind, erfolgt eine Kühlung des Kolbens durch die Spülströme praktisch
überhaupt nicht.
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Bei einer Zweitaktbrennkraftmaschine mit am inneren Zylinderende,
in ungefähr der gleichen Höhenlage angeordneten Auslaß- und Spülkanälen und Umkehrspülung,
blasen die zu beiden Seiten der Auslaßkanäle angeordneten, flach oder schräg nach
oben in den Zylinder einmündenden Spül-
kanäle -die Frischladung in einer
vom Auslaß abgewandten Richtung gegen die den Auslaßkanälen gegenüberliegende Zylinderwand.
Hier erfolgt zwar eine teilweise Kühlung des Kolbens, aber es wird gerade jener
Teil der Kolbenoberfläche, der im Auslaßströmungsfeld liegt, nicht von den Frischgasströmen
erfaßt. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, zu beiden Seiten der Auslaßkanäle
mindestens zwei Paare von Spülkanälen vorzusehen von denen nur das eine (hintere)
Paar schräg nach oben in den Zylinder einmündet, während das andere, den Auslaßkanälen
näherliegende Spülkanalpaar schräg nach unten gegen den Kolbenboden gerichtet ist.
Bei dieser- kühlungstechnisch vorteilhafteren Variante der Umkehrspülung ist aber
dafür der Spülungseffekt -wesentlich schlechter, weil sich die schräg nach unten
auf den Kolbenboden gerichteten Spülströme dort aufstauen und die Wendung nach oben
zum Zylinderkopf überhaupt nicht ausführen können. Infolgedessen wird bei dem Vorschlag
die Kühlung des Kolbenbodens mit einem beträchtlichen Verlust an Disziplinierung
der Spülströmung erkauft.
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Es sind weiterhin Vorschläge bekannt, die auf eine Vereinigung der
Merkmale der vorstehend behandelten Spülungseinrichtungen hinzielen. Das sind Vorschläge,
'bei denen der Zylinder sowohl zu beiden Seiten der Auslaßkanalgruppe bzw. des Auslaßkanals
angeordnete, gegen die hintere Zylinderwand gerichtete, flach oder schräg nach oben
in den Zylinder einmündende Umkehrspülkanäle, als auch in der hinteren Zylinderwand
vorgesehene, schräg oder steil nach oben in den Zylinder einmündende Querspülkanäle
aufweist. Auch mit diesen Quer-Umkehr-Spüleinrichtungen werden die eingangs behandelten,
ungünstigen thermischen Verhältnisse des Kolbens von Zweitaktzylindern mit am inneren
Zylinderende in ungefähr der gleichen Höhenlage angeordneten Einlaß- und Auslaßschaltern
ersichtlich nicht abgestellt.
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Bei einem Vorschlag dieser Art sind in der dem Auslaßkanal gegenüberliegenden
Zylinderwand Ouerspülkanäle bzw. einander gegenübergestellte, flach oder schräg
nach oben in den Zylinder einmündende Umkehrspülkanäle so angeordnet, daß sie mit
dem Auslaßkanal die Form des Buchstabens »T« bilden, während weitere, unmittelbar
zu beiden Seiten des Auslaßkanals angeordnete, flach oder schräg nach oben in den
Zylinder einmündende Spülkanäle gegen die Zylind-ermitte gerichtet sind und der
Kolben eine Leitvorrichtung aufweist. Die letztere ist im Umriß und in der Höhe
so geformt, daß sie die aus den letzterwähnten Spülkanälen kommenden Spülströme
während des Spülvorganges zuerst gegen die hintere Zylinderwand und dann von dort
aus wieder gegen die Zylindermitte ablenkt, so daß ein großer Teil der Kolbenoberfläche
von kühlenden Spülströmen bestrichen wird. Dieser Einrichtung haftet aber wieder
der Mangel an, daß der Kolben mit einer Leitvorrichtung ausgestattet sein muß, die
die Kolbenoberfläche zusätzlich vergrößert, und daß ein Kolben mit einer Leitvorrichtung,
oft schon aus Gründen der Brennraumgestaltung, für manche Zwecke grundsätzlich nicht
verwendbar ist.
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Bei einem anderen bekannten Vorschlag zur Ab-
stellung des einleitend
geschilderten, grundsätzlichen Mangels bei Zweitaktzylindern mit am gleichen Zylinderende
angeordneten Auslaß- und Spülkanälen ist die Anordnung so getroffen, daß auf der
den zwei Auslaßkanälen kegenüberliegenden Zylinderwand flach oder schräg nach oben
in den Zylinder einmündende, einander gegenüberliegende Spülkanäle vorgesehen sind,
die mit den beiden Auslaßkanälen die Form eines »T« bilden, und daß ein weiterer
Spülkanal oder mehrere Spülkanäle zwischen die beiden Auslaßkanäle gesetzt sind
und flach oder schräg nach oben in den Zylinder einmünden. Bei dieser Anordnung
wird das Auslaßströmungsfeld am Kolbenboden praktisch vollständig von Frischgasströmen
bestrichen und ein hoher Grad von gleichmäßiger Wärtnebeanspruchung von Kolben und
Zylinder erreicht.
Nach einem weiteren, bekannten Vorschlag dieser
Art wird der angestrebte Effekt weiterhin dadurch verbessert, daß der zwischen den
Auslaßkanälen angeordnete Spülkanal gegen den Kolbenboden gerichtet ist.
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Der letztgenannte Vorschlag beseitigt zwar praktisch vollständig den
grundsätzlichen Mangel einer Zweitaktbrennkraftmaschine mit am gleichen Zylinderende
angeordneten Auslaß- und Spülschlitzen, erfordert aber zwei Auslaßkanäle. Werden
nun mehrere luftgekühlte Zylinder in Reihe hintereinander angeordnet, so ergeben
sich aber Schwierigkeiten bei der Unterbringung der Auslaßstutzen, die in die allen
Zylindern gemeinsame Auslaßleitung einmünden. Diese Schwierigkeit ist aber nicht
ein Mangel des zuletzt beschriebenen Vorschlages allein, sondern er haftet allen
Zweitaktmotoren mit Luftkühlung an, bei denen das Auslaßströmungsfeld einen verhältnismäßig
großen Teil des Kolbenumfangs einnimmt.
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Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine intensive Kolbenkühlung durch
die Frischluftströrne und ein kleinstmögliches Auslaßströmungsfeld auf dem Kolbenboden
bei hohem Spülungseffekt zu erreichen und dabei die Zylinderkonstruktion so zu gestalten,
daß insbesondere bei luftgekühlten Maschinen eine Zy, linderreihung bei einfach
aufgebauter Auslaßleitung für sämtliche Zylinder bei geringstmöglichein Zylinderabstand
durchgeführt werden kann, so daß ohne Verlust an Spülungs- und Kühlungseffekt bei
einer insbesondere luftgekühlten Vielzylinder-Reihenmaschine die gleichen Vorteile
sichergestellt werden können, die bei einem Einzylindermotor viel leichter zu bewerkstelligen
sind.
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Die Erfindung geht aus von einer Zweitaktbrennkraftmaschine, insbesondere
luftgekühlten Dieselmaschine, bei welcher am inneren Zylinderende einem einzigen
Auslaßkanal mindestens ein Paar gegeneinander gerichtete, flach oder schräg nach
oben in den Zylinder einmündende Spülkanäle derart gegenüberliegen, daß der Auslaßkanal
und das Spülkanalpaar bzw. die Spülkanalpaare die Form eines »T« bilden und unmittelbar
neben dem Auslaßkanal ein durch diesen voneinander getrenntes, weiteres Paar in
den Zylinder einmündender Spül-
kanäle liegt, deren Mündungsachsen auf die
dem Auslaßkanal gegenüberliegende Zylinderwand gerichtet sind.
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Die Erfindung.besteht darin, daß unter Verwendung eines Flachkolbens
die zu beiden Seiten des Auslaßkanals liegenden Spülkanäle, die vorzugsweise später
geöffnet und früher geschlossen werden als die übrigen Spülkanäle, flach oder, wie
an sich bekannt, schräg nach unten in den Zylinder einmünden und die Mündungsachsen
dieser Spül-
kanäle sich hinter der dem Auslaßkanal gegenüberliegenden Zylinderwand
schneiden.
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Der Ladungswechsel spielt sich dann nach dem Stand der heutigen
Erkenntnisse folgendermaßen ab: Nach Ablauf des entsprechend groß beinessenen Vorauslasses
des einzigen Auslaßkanals steuert der Kolben beim weiteren Abwärtsgang die dem Auslaßkanal
gegenüberliegenden, gegeneinandergerichteten Spülkanäle auf, die flach oder schräg
nach oben in den Zylinder einmünden. Sobald sich die aus diesen Hauptspülkanälen
kommenden Spül-
ströme aneinander aufgerichtet haben und aufwärts zum Zylinderkopf
strömen, steuert der Arbeitskolben die unmittelbar zu beiden Seiten des Auslaßkanals
angeordneten Spülkanäle auf, deren Mündungsachsen sich hinter der dem Auslaßkanal
gegegenüberliegenden Zylinderwand schneiden und flach in den Zylinder einmünden
oder vorzugsweise gegen den Kolbenboden gerichtet sind. Die aus diesen Spülkanälen
kommenden Spülströme, die den Kolben auf großer Länge überströmen, stören die Hauptströmung
nicht, sondern unterstützen deren Aufwärtsbewegung sogar von unten her und hindern
dieselbe daran, etwa mit dem Auslaßkanal kurzzuschließen. Die weitere Aufgabe dieses
durch den Auslaßkanal voneinander getrennten Spülkanalpaares ist, den Kolbenboden
zu beiden Seiten des Auslaßströmungsfeldes intensiv zu kühlen. Das durch die Anordnung
eines einzigen, entsprechend hoch bernessenen Auslaßkanals bewußt verkleinerte Auslaßströmungsfeld
auf dem Kolbenboden wird dadurch noch weiter herabgesetzt.
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Bei der Reihung von Zylindern, insbesondere von luftgekühlten Einzelzylindern,
ist es mit der Erfindung bei gutem Spülerfolg und bei weitgehender thermischer Entlastung
von Kolben und Zylinder möglich geworden, den Zylinderabstand so klein zu halten,
wie es die Lagerabmessungen der Kurbelwelle überhaupt zulassen und eine sehr einfach
aufgebaute Auslaßleitung für sämtliche Zylinder der Reihe zu verwirklichen. Da sämtliche
Auslaßstutzen etwa senkrecht zur Ebene der Zylinderreihe gestellt sind, können sie
sich nicht gegenseitig Platz wegnehmen wie bei bisher bekannten Maschinen, deren
Zylinder ein großes Auslaßströmungsfeld auf Grund mehrerer Auslaßkanäle
je Zylinder aufweisen, was verwickelt aufgebaute Zylinder und Auslaßleitungen
zur Folge hat und damit vorteilhaft gebaute Mehrzylinder-Reihenmaschinen mit den
günstigen, kurzen Lagern ausschließt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen
schematisch dargestellt. Fig. i ist ein Längsschnitt durch den Zylinder einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Zweitaktbrennkraftmaschine; Fig.:2 und 3 stellen durch die
Kanalzone gelegte Querschnitte nach Linie A-B bei Zweizylinder-Reihenmaschinen mit
Luftkühlung bzw. Wasserkühlung dar; Fig. 4 und 5 zeigen durch die Kanalzone
gelegte Querschnitte einer Zweizylinderreihe nach der Erfindung in abgewandelter
Form.
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Es bezeichnen: a den Zylinder, b den Zylinderkopf, c den Arbeitskolben,
d den einzigen Auslaßkanal und ei, e2 das auf der dem Auslaßkanal
d gegenüberliegenden Zylinderw ' and angeordnete Spülkanalpaar, das
mit dem Auslaßkanal d zusammen die Form eines J« bildet. Die Spülkanäle ei,
e2
münden flach oder schräg nach oben in den Zylinder ein und sind die Hauptspülkanäle,
denen insbesondere die Aufgabe zufällt.. den Zylinder bei allen
Drehzahlen
und Belastungen, hinreichend mit Frischladung zu versorgen.
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Mit fl, f2 ist die durch den Auslaßkanal d voneinander
getrennte, zweite Spülkanalgruppe bezeichnet. Die Kanäle fl, f2 münden flach
oder vorzugsweise schräg nach unten gegen den Kolbenboden geneigt in den Zylinder
ein. Ihre Mündungsachsen schneiden sich hinter der dem Auslaßkanal d gegenüberliegenden
Zylinderwand. Die Spülkanäle fl., f2
werden nahe an den Auslaßkanal
d herangerückt und vorteilhafterweise niedriger ausgeführt als die Hauptspülkanäle
e:L, e2, wie in Fig. i gezeigt ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, das Auslaßströmungsfeld
am Kolbenboden auf ein Sechstel oder noch weniger des Kolbenumfangs zu begrenzen,
die Ränder des Auslaßströmungsfeldes am Kolbenboden wirksam zu kühlen und einen
guten Spülungseffekt sicherzustellen, ferner bei Reihenanordnung mehrerer
Zy-
linder den kürzestmöglichen Zylinderabstand, insbesondere bei Anwendung
der LU'ftkühlung, auszuführen zu können und verwickelt aufgebaute, mehrteilige Auslaßleitungen
bzw. Auslaßstutzen samt Abgasleitungen zu vermeiden.
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Wie in Fig. 3 gezeigt ist, können die Spülkanäle fl,
f2 oder bei Einzelzylindern sämtliche Spülkanäle an den Umlenkstellen in
bekannter Weise mit Formdeckeln verschlossen, sein.
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In den Fig. 4 und 5 der Zeichnung ist eine weitere Ausführungsform
der Erfindung schematisch dargestellt. Bei dieser beispielsweisen Ausführung ist
unmittelbar neben dem einzigen Auslaßkanal d nur auf der einen Seite ein
auf die gegenüberliegende Zylinderwand gerichteter Spülkanal fl bzw. f2 vorgesehen.
Der Mündungsquerschnitt des ihm schräg gegenüberliegenden Hauptspülkanals e. bzw.
e,., wird erfindungsgemäß zur Stabilisierung der Gesamtspülströmung entsprechend
größer gehalten als der Mündungsquerschnitt des diesem in der hinteren Zylinderwand
gegenüberliegenden Hauptspülkanals.
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In Fig. 3 ist mit g der Einlaßkanal in die Kurbelkammer
bezeichnet, wobei die Kurbelkammer als Kurbelkammerpumpe ausgebildet ist.
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In den Fig. 2 bis 5 sind Zweizylinder-Reihenmaschinen dargestellt;
selbstverständlich können die dargestellten Zylindereinheiten beliebig oft hintereinandergereiht
werden. Die Erfindung eignet sich für Otto- und Dieselmaschinen, insbesondere für
luftgekühlte Reihenmaschinen dieser Art.