DEM0002591MA - Kolbengesteuerte Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Längsspülung - Google Patents

Description

Die Leistung und Wirtschaftlichkeit eines Zweitaktmotors ist weitgehendst von der Art der Spülung abhängig. Die Gleichstrom- oder Längsspülung ist spültechnisch und damit auch leistungs- und verbrauchsmässig der Umkehrspülung überlegen, wie z. B. der Junkers Gegenkolbenmotor und der Zweitaktventilmotor mit kolbengesteuertem Einlass und ventilgesteuerten Auslass beweisen. Allerdings wird bei diesen beiden Motorenarten dieses Spülprinzip nur durch besonderen Bauaufwand erreicht, was eine wesentliche Verteuerung und zusätzliche Quellen für Betriebsstörungen bedeutet. Ausserdem beschränkt im Falle des ventilgesteuerten Otto-Zweitaktmotors das heisse Auslassventil die Grösse des Verdichtungsverhältnisses (Glühzündungen und Klopfen), was weniger guten Brennstoffverbrauch und geringere spezifische Leistung zur Folge hat.

Die in Vorschlag gebrachte Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine besitzt alle

Möglichkeiten der Anwendung einer hochwertigen Gleichstromspülung unter Vermeidung der oben geschilderten Nachteile. Der grundsätzliche Aufbau und das Arbeitsprinzip ist aus Fig. 1 u. 2 ersichtlich. Die Spülschlitze sind wie üblich am unteren Totpunkt des Kolbens angeordnet, die Auslasschlitze dagegen befinden sich in Höhe des Verbrennungsraumes. Diese Schlitzanordnung wird durch eine Verlängerung des Kolbenschafts nach oben in Richtung Verbrennungsraum möglich gemacht. In diesem Kolbenschaft (Schieber) "a" sind die Spülschlitze "b" angeordnet und verlaufen etwa tangential zum kegelförmig ausgebildeten Kolbenboden, wobei die untere Schlitzbegrenzung in Verlängerung der Kolbenbodenkontur liegt, womit eine wirkungsvolle Kühlung der heissesten Teile des Kolbens erreicht wird. Unter- und oberhalb der Spülschlitze "b" befinden sich Kolbenringe "c", die den Verbrennungsraum gegen das Kurbelgehäuse und gegen die Auslasschlitze "d" abdichten. Beide

Ringpartien sind möglichst nahe an die Spülschlitze "b" herangerückt, um die Ringzonen durch die Spülluft (-gemisch) intensiv zu kühlen. Im oberen Totpunkt (siehe Fig. 1) befindet sich der obere Kolbenschaft (Schieber) zwischen Zylinder "e" und dem topfförmigen Zylinderkopf "f", wobei der Kolbenschaft (Schieber) im Zylinder mit entsprechendem Laufspiel geführt wird, so dass eine Abdichtung des Verbrennungsraumes gegen die Auslasschlitze erreicht wird. Diese Abdichtung ist von ausschlaggebender Bedeutung, da eine solche zwischen Kolbenschieber und Zylinderkopf "f" nicht vorhanden ist, vielmehr befindet sich zwischen diesen beiden Teilen gerade so viel Spiel, dass ein Gleiten oder Berühren der Innenwand des Kolbenschiebers im topfförmigen Zylinderkopf unmöglich gemacht ist. Durch den Wegfall eines besondere Abdichtungsmittels (z. B.) Kolbenringe) zwischen Kolbenschieber und Zylinderkopf ist es möglich, die Auslasschlitze "d" durch den oberen Rand des Kolbenschiebers freizulegen, sobald sich der Kolben im unteren

Totpunkt befindet.

Der obere Kolbenschaft (Schieber) kann beispielsweise aus Stahl mit kleinem Wärmedehnungskoeffizient bestehen, wodurch durch ein kleines Laufspiel im Zylinder oberhalb der Auslasschlitze und damit eine gute Abdichtung des Verbrennungsraumes gegen die Auslasschlitze bei allen Betriebszuständen gewährleistet ist. In diesem Fall wird der Kolbenschieber mit dem eigentlichen Kolben, der zweckmässigerweise aus einer Leichtmetallegierung hergestellt ist, so verbunden, dass sich beide Teile unabhängig voneinander, entsprechend den verschiedenen Temperaturverhältnissen und Ausdehnungskoeffizienten, im Durchmesser vergrössern können.

Eine andere Möglichkeit ist, beide Teile, den eigentlichen Kolben und den oberen Kolbenschaft (Schieber), aus einem Stück herzustellen, wobei der Kolbendurchmesser entsprechend den verschiedenen Temperaturverhältnissen am oberen und unteren Ende grösser gehalten wird als in der Mitte, d. h. in der Nähe des Kolbenbodens.

Die Arbeitsweise der Verbrennungskraftmaschine ist wie folgt:

In Fig. 1 befindet sich der Kolben im oberen Totpunkt und die Verbrennung ist eingeleitet. In diesem Augenblick wird der Verbrennungsraum gegen die Auslasschlitze "d" mittels der oberen Ringpartie "c" und dem Kolbenschieber "a" und gegen das Kurbelgehäuse mittels der unteren Ringpartie "c" abgedichtet. Im Falle der Anwendung der Kurbelgehäusespülung wird der Einlasschlitz "g" in der oberen Totpunktlage des Kolbens wie üblich vom unteren Rand des Kolbens freigelegt und Gemisch oder Luft (Dieselmotor)in das Kurbelgehäuse gesaugt.

Der nächste Takt "Auspuff und Spülung" ist in Fig. 2 dargestellt. Der Kolben befindet sich im unteren Totpunkt und die Auslasschlitze "d" sind von der oberen Kante des Kolbenschiebers "a" freigelegt. Gleichzeitig wird durch die Überströmschlitze "b" im Kolben (Spülschlitze) und die entsprechend im Zylinder angeordneten Schlitze Gemisch oder Spülluft entweder durch die Kurbelgehäusepumpe oder durch ein besonderes Spülgebläse ind den Zylinder gefördert. Die Wirkungsweise der Spülschlitze "b" (im Kolben angeordnet) geht aus Fig. 3 hervor. Auf dem Kolbenumfang sind z. B. vier Schlitze gleichmässig ver- teilt und so gerichtet, dass eine tangentiale Einströmung in den Zylinder unter dem Winkel (Gamma) erfolgt. Der Winkel (Gamma) ist so gewählt, dass sich die 4 Strömungsbündel gegenseitig senkrecht treffen. Auf diese Weise lässt sich, für den Zylinderquerschnitt betrachtet, eine Verbreiterung des Spülungsfeldes erreichen. Zugleich wird der Spülluftströmung durch den kegelförmig ausgebildeten Kolbenboden eine zusätzliche Bewegung nach oben in Richtung der Auslasschlitze erteilt, womit eine den ganzen Zylinderquerschnitt erfassende aufsteigende Spülungsströmung erreicht und somit der Zylinder praktisch restlos von Abgasen gereinigt wird.

Ein weiteres Merkmal dieser Ausführung ist die symmetrische Ausbildung von Zylinder und Kolben. Auslass- und Einlasschlitze sind gleichmässig auf den jeweiligen Zylinderumfängen verteilt, womit eine gleichmässige Temperaturverteilung für Kolben und Zylinder in jeder Richtung gewährleistet ist und somit ein Verziehen dieser Teile vermieden wird.

Durch die kolbenabhängige Einlass- und Auslassteuerung ergibt sich ein symmetrisches Steuerdiagramm, wie im Prinzip in

Fig. 4 dargestellt ist. Es ist jedoch zu beachten, dass für die Spül- und Auslasschlitze jeweils der ganze Zylinderumfang zur Verfügung steht und dass damit die Schlitzhöhen wesentlich kleiner gehalten werden können als im Falle des Zweitaktmotors mit Umkehrspülung. Der Winkel (Alpha) für den Auslass ist gleich oder kleiner 55° gewählt, d. h. die Auslasschlitzhöhe beträgt ungefähr 1/5 des Kolbenhubes und der Winkel (Beta) für den Einlass ist gleich oder kleiner 40°, was einer Einlasschlitzhöhe von 1/10 des Kolbenhubes entspricht.

Das Hubvolumen des Arbeiszylinders ist durch den inneren Durchmesser des oberen Kolbenschaftes (Schieber) und dasjenige der Kurbelgehäuse-Ladepumpe durch den äusseren Kolbendurchmesser gegeben. Das Verhältnis äusserer Kolbendurchmesser zu innerem Durchmesser des oberen Kolbenschaftes (Schieber) wird derart gewählt, dass sich für die Ladepumpe im Falle der Kurbelgehäusespülung ein um 20 - 25 % grösseres Hubvolumen im Vergleich zu demjenigen des Arbeitszylinders ergibt. Dadurch werden gerade die Förderungsverluste der Ladepumpe (volumetrischer Wirkungsgrad 75 - 80 %) ausgeglichen, d. h. die tatsächliche Fördermenge der Ladepumpe entspricht dann gerade dem Hubvolumen des Arbeitszylinders.

Claims (8)

1.) Kolbengesteuerte Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine für gasförmige und flüssige Brennstoffe mit Längsspülung, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben eine schieberartige Verlängerung in Richtung Verbrennungsraum aufweist, und dass in diesem Kolbenteil die Spülschlitze und zwar in Nähe des Kolbenbodens angeordnet sind, die sich im unteren Totpunkt des Kolbens mit entsprechenden Schlitzen im Zylinder decken, während die Auslasschlitze, die sich in Höhe des Verbrennungsraumes befinden, durch den oberen Rand des Kolbenschiebers gesteuert werden.

2.) Kolbengesteuerte Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine nach An- spruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die im Kolbenschieber angeordneten Spülschlitze, radial gesehen, derart gerichtet sind, dass sie mit dem kegelförmigen Kolbenboden tangieren.

3.) Kolbengesteuerte Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 u. 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Spül- und Auslasschlitze gleichmässig auf den jeweiligen Zylinderumfängen verteilt sind, und dass die Spülschlitze derart gerichtet sind, dass die Spülströme im Zylinder sich gegenseitig unter etwa 90° (Winkel) treffen.

4.) Kolbengesteuerte Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, 2 u. 3 dadurch gekennzeichnet, dass im Kolben unter- und oberhalb der Spülschlitze Dichtringe angeordnet sind.

5.) Kolbengesteuerte Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, 2, 3 u. 4 dadurch gekennzeichnet, dass Schieber und Kolben aus zwei verschiedenen

Werkstoffen bestehen und derart miteinander verbunden sind, dass eine gegenseitig unabhängige Wärmedehnung möglich ist.

6.) Kolbengesteuerte Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4 u. 5 dadurch gekennzeichnet, dass Schieber und Kolben aus einem Stück hergestellt sind, und die obere und untere Kolbenpartie einen grösseren Durchmesser aufweist als die mittlere in der Nähe des Kolbenbodens.

7.) Kolbengesteuerte Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 u. 6 mit Kurbelkastenpumpe dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Aussen- zu Innendurchmesser des oberen Kolbenschaftes (Schieber) derart gewählt ist, dass mit dem, dem Kurbelgehäuse zugewendeten Teil des Kolbens, etwa 20 - 25 % mehr Hubvolumen im Vergleich zum effektiven Zylinderhubvolumen, bestimmt durch den Innendurchmesser des Kolbenschiebers und den Kolbenhub, erzeugt wird.

8.) Kolbengesteuerte Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 u. 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Spülschlitze im Kolbenschaft gleich 1/10 oder weniger des Kolbenhubes und die Höhe der Auslasschlitze gleich 1/5 oder weniger des Kolbenhubes beträgt.