DEP0008107DA - Zweitakt-Brennkraftmaschine mit schlitzgesteuertem Einlaß und ventilgesteuertem Auslaß - Google Patents

Description

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BagohreibTiag Maeh dem_ιZweitaktverfahren arbeitender Verbrennungsmotor.

Die ErfindiiHg betrifft nach dem Zweitaktverfahren arbeitende Verbrennungsmotoren mit 1 Kolbea j© Verbrennungsraum, mit in bekannter Weis© vom Kolben gesteuertem ZylindereinlaB_e einem im Zylinderkopf angeordneten Auslaßventil oder dergl» und demzufolge mit einer vom Kolben zum Zylinderkopf gerichteten Gleichstromspülung. Nach der Erfindung wird bei Motoren dieser Art die Schließung des Auslasses und damit der Beginn der Verdichtung so wesentlich verzögert, daß infolge des verkürzten Verdichtungshubes das Ausdehnungsverhältnis der Verbrennungsgase bedeutend größer als das Verdichtungsverhältnis ist und dadurch eine sehr weitgehende Ausnutzung der Auedehnungsenergie der Gase sowie eine Reihe weiterer wertvoller Vorteile erzielt werden.

Bei allen jetzt gebräuchlichen Verbrennungsmotoren ist der Ausdehnungshub des Arbeitskolbens im wesentlichen ebenso groß wie der Verdichtungshub* Die bei einem solchen Hubverhältnis von 1 t 1 nur unvollständige Ausdehnung der Verbrennxingsgase hat zur Folge, daß Druck und Temperatur dieser Gase im Augenblick des Öffnens des Auelasses noch sehr erheblich sind und dadurch im allgemeinen rund ein Drittel der Gesamtwärme mit den Abgasen abgeführt wird.

An Einrichtungen zu einer Ausnutzung der in den Verbrennungsgas en am Ende des Ausdehnungshubes noch enthaltenen Wärme kennt man außer der allerdings nur bei stationären Kraftanlagen anwendbaren Abwärmeverwertung auch Abgasturbinen, welche bei den jetzt

gebräuchlichen Ausftihrungsformen zum direkten Antrieb eines Aufladetttsbegebläees dienen. Die Verwendung derartiger Abgasturbogebläse verbietet sich allerdings, wenn die Temperatur der Ab« gase einen bestimmten Wert überschreitet, und sie lassen sich mit Vorteil auch nur bei größeren und vieIzy1indrigen Motoren verwenden, weil ein solches Turbinenaggregat für kleinere Motoren verhältnismäßig viel zu kostspielig ist und bei wenigen Zylindern auch der Wirkungsgrad der Turbine wegen der hier stärker in Erscheinung tretenden, stoßweisen Beaufschlagung der Turbinenschaufeln geringer ist. Bei geeigneten Motoren können mit derartigen Einrichtungen zwar Hubraumleistung und Wärmewirkungsgrad gesteigert werden, aber die Ausnutzung der Hestenergie der Verbrennungsgas© erfolgt hierbei in wenig idealer Weise außerhalb des Arbeitszylinders auf einem verlustreichem¹ Umweg,

Bei Viertaktmotoren besteht zu einer besseren, unmittelbar im Zylinder erfolgenden Ausnutzung der Energie der Verbrennungsgase wohl die Möglichkeit, das Ausdehnungsverhältnis gegenüber dem Verdichtungsverhältnis zu vergrößern, wie auch ein bekannt gewordener, allerdings mit anderer Zielsetzung durchgeführt er Versuch aufzeigt· Durch eine verzögerte Schließung des Einlaßventiles wird hier beispielsweise die Hälfte des angesaugten Kraftstoff-Iuft-Gemisches beim Aufwärtsgang des Kolbens durch das noch offene Einlaßventil wieder ausgestoßen und der Rest in dem ebenfalls auf die Hälfte verkleinerten Verdichtungsraum verdichtet· Der Verdichtungshub ist dadurch nur halb so lang als der normal bleibende volle Ausdehnungshub» Dieses Verfahren ergibt zwar eine bessere Kraftstoffausnutzung, ist aber mit großen Nachteilen verbunden und praktisch nur begrenzt anwendbar. Die aus dem Einlaßventil wieder austretende Gemischmenge wird bei dem erwähnten Versuchsmotor nämlich in einen anderen Zylinder gedrückt, dessen Kolben sich gerade saugend abwärts bewegt· Eim

solcher Motor muß demnach also mindestens 4 Zylinder aufweisen® Es ist darüberhinaus selbstverständlich auch sehr unwirtschaftlich, eine üasmenge zuerst unter Verlusten im den Zylinder zu saugen und dann unter Terlusten wieder aus zuschieben, und außerdem hat dieses Verfahren noch eine verringerte Hubraumleistung zur Folge, die nur in wenigen Fällen in Kauf genommen werden kann

Die bekannten Zweitaktmotoren weisen neben der beschriebenen, für alle Verbrennungsmotoren zutreffenden unvollständigen oder unvorteilhaften Ausnutzung der Ausdehnungsenergie der Verbrennungsgase meist eine sehr mangelhafte Spülung und Ladung auf, und zwar besonders jene Motoren, bei denen das Kurbelgehäuse als Ladepumpe dient» Hier wird vor allem bei hohen Drehzahlen die Füllung des Zylinders auch nicht annähernd erreicht, denn durch die beim Ein- und überströmen auftretenden Verluste 1st am Ende des Einsaugens der Luft in das Kurbelgehäuse in diesem ein Unterdruck und am Ende des Uberströmens noch ein Überdruck vorhanden, was beides eine Verringerung der in den Zylinder gedrückten Ladung bewirkt»

Me am meisten und in vielerlei Abwandlungen zur Anwendung gelangenden Umkehrspülungen verursachen infolge der großen Berührungsflächen der im Gegenstrom aneinander vorbeistreichenden verbrannten und friehen Gase eine starke Wiibelbildung mit weitgehender Vermischung der Gase, sodaß der Zylinder nach beendeter Iadnngj_i selbst w@ra diese an sich ausreichend ist, nie mit reiner Ladung gefüllt ist und bei Vergasermotoren dadurch auch Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den Auslaß verloren geht.

Auch bei den mit Gleichstromspülung arbeitenden Doppelkolbenmotoren mit 2 parallelen Zylindern je Ve rb re nnungs raum läßt sich eine Vermischung der verbrannten und frischen Gase durch

Wirbelbildungen am Einlaßschlitz und durah Umlenkung des Gasstromes im Zylinderkopf kaue ausschalten.

lediglich Doppelkolbenmotoren mit gegenläufigen Kolben und sit auf den Zylinderumfang verteilten» zur Erzeugung eines Gaswirbels schräg einmündenden Einlaßöffnungen weisen eine gute Gleichstromspülung auf» Durch, das erforderliche ungünstige Triebwerk sind solche Motoren aber wieder schwerer und teuerer,

Biese aufgeführten Mängel der bekannten Verbrennungsmotoren werden durch ^s^^s±t ^eTf^Teii^^Op vorliegende^ Erfindung beweiteren damit erzielbaren Vorteile von Bedeutung,

verwendeten, einzeln zwar an sich be-

kannten Konstruktionsformen und Einzelheiten ergeben erst in dem erfindungsgemäßen, außerordentlich günstigen Zusammenspiel mit dem neuartigen* durch die stark verzögerte Schließung des Auslasses erzielten Unterschied zwischen Verdichtungs- und Ausdehnungshub Jene Reihe von Vorteilen, die im folgenden noch einzeln beschrieben sind.

Der erforderliche Unterschied zwischen Verdichtungs- und Ausdehnungehub kann bei einem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor mit einem in an sich bekannter Weise im Zylinderkopf angeordneten Auslaßventil auf einfache Weise durch entsprechend unsymmetrisch zu den Totpunktlagen des Kolbens eingestellte Offnungs- und Schließzeiten des Auelaßventiles erzielt werden.

Bs mag zunächst abwegig erscheinen, einen neuzeitlichen Zweitaktmotor mit Auslaßventilen im Zylinderkopf auszustatten, weil die sehr kurze Zeit > die bei einem Zweitaktmotor mit hoher Drehzahl für den Auslaß der Verbrenmmgsgase gewöhnlich zur Ver

fügung steht, die Verwendung von Yentilen zu verbieten scheint, und weil Auslaßventile zu den, thermisch mit am meisten belasteten Teilen eines V e rbrennangsmo tο rs zählen Tmd deshalb natürlich möglichst vermieden werden- Außerdem ist ©s ja gerade die auf der ventillosen Bauart beruhende Einfachheit des Zweitaktmotors, welche dessen Yerwendung in gewisses fällen bisher vorteilhaft machte. Ebenso unzweckmäßig mutet es an, mit einer nur teilweisen Füllung des Zylinders zu arbeiten, wie dies durch einen verkleinerten Verdichtungshub in jedem Fall bedingt scheint, da die allgemeine Entwicklung doch mehr eine überladung der Zylinder anstrebt. Durch die folgenden eingehenden Erläuterungen zur Erfinding wird aber bewiesen, daß bei d^»-tteeee»»AAe4-tOTe*iatee«. in Anbetracht der Verbesserung des Wärmewirkungsgrades die Verwendung von Auslaßventilen durchaus zweckmäßig und auch bei Motoren mit sehr hoher Drehzahl möglich ist·

Die Abbildungen 1 bis 9 veranschaulichen die Arbeitsweise und verschiedene Einrichtungen an Zweitaktmotoren nach der Erfindung.

Die Abb· 1 bis 6 zeigen schematisch verschiedene Phasen des Arbeitsvorganges bei einem als Beispiel gewählten Otto-Motor mit Kurbelkastenladepumpe und vom Kolben gesteuerten Gehäuse- und Zylinde reinlaßö ff nungen.

Abb. 1 zeigt den Motor mit im der oberen Totpunktlage befindlichem Kolben 1 . Der Verdichtungshub ist hier beendet und die Zündung durch die auf der Zeichnung als unwesentlich weggelassene Zündkerze hat normalerweise kurz vorher stattgefunden. Das Auslaßventil 2 ist geschlossen, während der Gehäuseeinlaß 3, dessen Steuerung vom Bekannten nicht abweicht, vom Kolben ganz freigegeben ist.

Abb. 2 zeigt die Stellung des abwärtsgehenden Kolbens in dem.

Augenblickg in dem das Auslaßventil zu öffnen beginnt»

Abb_e, 3 veranschaulicht eine weitere Phase des Arbeitsvorganges im Verlaufe des Ausdehmingshubes des Kolbens₉ wobei das Auslaßventil schon teilweise geöffnet und der Druck im Zylinder durch das Ausströmen der Verbrennungsgase entsprechend gesunken ist· Die Zylindereinlaßöffnung des Überströmkanals 4 ist hier durch den Kolben gerade noch abgedeckt.

Bei der weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens wird der Einlag für das im Kurbelgehäuse vorverdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch dann zunehmend freigegeben. Zum Zwecke einer einwandfreien Spülung laßt man das Gemisch zweckmäßig in bekannter feise in tangentialer oder dementsprechend schräger Richtung in den Zylinder eintreten, sodaß dasselbe eine auf dem Kolben stehende Wirbelsäule bildet, welche durch wendelartiges Anateigen an Höhe zunimmt und dadurch wie ein Kolben die Verbrennungsgase verdrängt,

Abb. 4 zeigt den Motor mit in der unteren Totpunktlage stehendem Kolben. Das Auslaßventil ist nun weitgehend geöffnet und der Zylindereinlaß 5 ▼om Kolben völlig freigelegt. Ein Teil des frischen Gemisches ist aus dem Kurbelgehäuse unter Verdrängung einer entsprechenden Menge verbrannter Gase in den Zylinder übergeströmt. Das Laden des Zylinders mit Gemisch nimmt bei der nun folgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens in bekannter Weise noch seinen Fortgang, bis die Einlaßöffnung durch den Kolben wieder abgedeckt ist.

Abb. 5 zeigt die Stellung des Kolbens und den ungefähren Füllungszustand des Zylinders nach beendeter Ladung· Wie aus der Abb. ersichtlich, ist der Zylinder nicht vollends mit frischem Gemisch 6 gefüllt, weil aus den schon früher angeführten Gründen die im Kurbelgehäuse vorbereitete Gemischmenge nicht zu einer völligen Füllung des Zylinders ausreicht.

Selbstverständlich tritt auch bei der hier zur Anwendung gelan-

genderi Gleichstromspülung eine begrenzte Yermengang des Gemisches mit den V e rb re nnun gs ga s β η ein, da sich an der Grenae zwischen der rotierenden Gemischsäule 6 und den nicht mehr - oder nicht mehr so stark - in Drehung befindliehen Yerhrenniongsgasen 7 Wirbel bilden® die in einer gewissen Zone 8 zu einer Yermisehung führen» Diese Yermischung ist aber ohne Zweifel nicht so weitgehend wie bei den bekannten Umkehrspülungen. Da das rotierende und spezifisch schwerere Gemisch nach außen gedruckt wird, werden auch Wirbelbildungen an der Zylinderwand zuverlässig ausgeschaltet.

Die im Zylinder jetzt noch befindlichen Verbrennungsgase werden nun aber nicht zusammen mit dem frischen Gemisch erneut verdichtet, wie dies bei den bekannten Motoren, deren schlechte Eigenschaften mit verursachend, geschieht, sondern nach der Erfindung im weiteren Verlauf des Arbeitsvorganges bei noch weiterhin geöffnetem Auslaßventil durch den aufwärtsgehenden Kolben ausgeschoben.

Abb. 6 zeigt die Stellung des Kolbens nach beendeter Schließung des Auslaßventils. Die Verdichtung des allein im Zylinder noch verbliebenen reinen Gemisches hat begonnen und ist bei im oberen Totpunkt angelangtem Kolben, entsprechend der Abb. 1, vollendet.

■Bei einem in der beschriebenen Weise arbeitenden Vergasermotor läßt sich natürlich auch nicht ganz vermeiden, daß eine geringe Menge Gemisch verloren geht oder, bezw. gleichzeitig, Verbrennungsgasreste im Zylinder zurück bleiben. Zu einer möglichst vollkommenen Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist es deshalb am zweckmäßigsten, auch bei Otto-Motoren den Kraftstoff einzuspritzen, und zwar entweder in den Überströmkanal oder nach Schließung des Auslaßventils direkt in den Zylinder. In ersterem Fall läßt sich der Beginn der Einspritzung leicht so einstellen, daß der Zylinder zuerst mit einer kleinen Menge reiner Spülluft

beschickt wird, die dam zum größten Teil mit den vermengten Yerbrenniangsgasen ausgeschoben wird. Der eingespritzte Otto-Kraftstoff wird in jedem Fall durch die wirbelnde Luft gut verteilt und vergast.

Bei der Anwendung des Dieselverfahrens₉ bei Glühkopfmotoren und anderen Ausführungen entsprechen die Arbeitsvorgänge im Motor mit Ausnahme der dem jeweiligen Verfahren eigenen Kraftstoffzufuhr und Zündung im wesentlichen den Vorgängen bei dem beschriebenen Beispiel.

Die Vorteile eines Motors nach den Abb_a 1-6 basieren, wie schon ausgeführt, auf der verzögerten Schließung des Auslasses. Bei der Wahl der geeigneten Ventilzeiten ist selbstverständlich zu beachten, daß der öffnungs- und Schließzeitpunkt des Auslasses nicht gleichbedeutend mit dem Ende des nutzbaren Ausdehnungshubes und mit dem Beginn der Verdichtung ist, daß viejp&ehr praktisch, bei hohen Drehzahlen natürlich in verstärktem Maße, die Verdichtung im Zylinder schon beginnt, wenn sich der Auslaßque rs chni11 im Zuge der Schließung des Auslasses bereits sehr weitgehend verkleinert hat, und daß andererseits auch nach eingeleiteter Auslaßöffnung ein zwar schnell absinkender, aber noch nutzbarer Druck für eine kleine Kolbenwegstrecke in Eechnung zu stellen ist· Bei dem Motor nach den Abb. 1-6 ist demnach das aus einem ungefähren, praktischen Verdichtungshub 9 und. einem angenommenen wirksamen Ausdehnungshub 10 sich ergebende Hubverhältnis ungefähr 1 : 2_r und bei einem beispielsweisen Verdichtungsverhältnis des Motors von 6 s 1 beträgt dann das Ausdehnungsverhältnis 1 : 12.

Die Wahl des jeweils geeignetsten Hubverhältnisses wird durch den Verwendungszweck des Motors bestimmt· Kommt es auf beste Kraftstοffausnutzung an, wie zum Beispiel bei stationären Kraftanlagen, bei denen ein höheres Leistungsgewicht in Kauf genommen werden

lean®, so werden noch größere Hubverhältnisse als 1 ι 2 von Vorteil sein» während bei einer auf beste Hubraumlaistraig zielenden Konstruktion das Hubverhältnis auch unter 1 : 2 liegen kann.

Van den aus dem Hubunterschied sich ergebenden Vorteilen sei zuerst auf dan Arbeitagewinm durch den relativ größeren Ausdehnungshub eingegangen*

Das in Abb_s 7 dargestellte Druekdiagram eines in der beschrie=» benen Weise arbeitenden Motors läßt den Gewinn an Arbeit deutlich erkennen. Bei einem üblichen Zweitaktmotor, bei dem der ΣοIbenweg 11 bei der Verdichtung und Ausdehnung gleich groß ist, entspricht die von den Gasen geleistete Arbeit der Fläche 12 mit bekannter Form· Hierbei ist am Ende des Ausdehnungshubes, entsprechend der Draokkurve 13 - 14, wenn der Auslaß bei H freigegeben wird, der Druck im Zylinder zwar schon stark gesunken, aber der bei einer weiteren Ausdehnung der Gase annähernd adiabatisch verlaufend© und durch die sehr flache Kurve 14 — 15 charakterisierte Druckabfall ist dann nur noch gering und der durch den verlängerten Kolbenhub 16 erzielte und durch die Fläche 17 dargestellte Gewinn an Arbeit deshalb sehr beachtlich.

Das gezeichnete Druckdiagramm weist gegenüber den Diagrammen üblicher Zweitaktmotoren als bemerkenswertes Kennzeichen den am Ende des Ladevorganges bei Poriict 18 beginnenden und ungefähr mit dem Schließen des Auslasses bei Punkt 19 beendeten Ausschiebehub des Kolbens auf»

Die erhöhte Arbeitsleistung der Verbrennungsgase läßt sich auch durch den Temperaturverlauf bei deren Ausdehnung nachweisen. Nimmt man beispielsweise an, daß der Druck der Verbrennungsgase in einem Zylinder am JSnde der Ausdehnung auf 1 1 6 noch 4 ata und die Temperatur der Gaee 750° C beträgt, so sinkt bei weiterer, adiabatischer Ausdehnung der Gase auf 1:12 der Druck auf 1,5

ata und die Temperatur auf rund 500° C Da nun die Arbeit, welche von Gasen bei ihrer Ausdelmuiig geleistet wird, dem Unterschied zwischen. Anfangs- und Endtemperatur, dem Wärmegefälle, entspricht, so läßt sieh durch eisen Vergleich der beiden Wärme« gefälle_t nämlich desjenigen bei der ersten Ausdehmng auf 1:6, welches bei einer ungefähren Anfangetemperatur tob 2000° dann 1250° beträgt, und dem Gefälle bei dar weiteren Ausdehnung auf 1 s 12, in Höhe von 250°, der Gewinn an Arbeit grob absehätzen. Bei genauerer Betrachtung ist der Arbeitsgewinn aber noch größer, als es dieser oberflächliche Vergleich der Temperaturgefälle aufzeigt, weil nämlich die von den Gasen auf den Motor übergehende Wärmemenge, welche nicht in Arbeit umgesetzt wird, am Anfang der Ausdehnung wegen des hier noch hohen Temperaturunterschiedes zwischen Gasen und Motorteilen besonders groß ist,

Die Druck- und Temperaturverhältnisse sind von Fall zu Fall, entsprechend der Motorenart, Verdichtungshöhe, dem Wärmeübergang auf den Motor und anderen mitbestimmenden Faktoren natürlich sehr verschieden, doch wird sich der Gewinn an Arbeitsleistung bei einem Hubverhältnis von 1 ι 2 allein schon aus dem einen bis jetzt beschriebenen Grunde zwischen 15 und 30 bewegen.

Ein anderer, nicht geringerer Vorteil de^Tigge^-Mreoberuht darauf, daß hierbei weniger Wärme von den Verbrennungsgasen durch Berührung mit den Motorteilen oder durch Strahlung auf den Motor übergehen kann.

Bekanntlich sind für den Umfang der übergehenden Wärmemenge neben einer bestimmten Wärmeübergangszahl - bezw» Strahlungszahl - und der Oberfläche auch der Temperaturunterschied und die für den übergang zur Verfügung stehende Zeit maßgebend. Da nun die Jindtemperatur des Gase bei der Ausdehnung auf 1:12

niedriger ist als bei der in der gleichen Zeit sich abwickelnden Auadehraimg auf 1 % 6 heim Uhlichen Motor, ist auch der mittlere Temperaturunterschied zwischen den Gasen und dem Motor und damit auch die übergehende Wärmemenge geringer.

Die Verminderung des Wärmeüberganges läßt sich anschaulich auch auf folgende Weise begründen. Bei einem Motor nach der Erfindung mit einem Hubverhältnis 1 : 2 ist der vom Kolben bis zu der teilweisen Ausdehnung der Gase auf 1 : 6 zurückgelegte Weg nur halb so lang als bei einem üblichen Motor, und folglich ist auch die für diese teilweise Ausdehnung benötigte Zeit entsprechend kürzer, xiei dem beschriebenen Motor beträgt beispielsweise die Zeit bis zur Ausdehnung auf 1 χ 6 unter Berücksichtigung der Zusammenhänge zwischen Kolbenweg und Kurbelweg rund 60 derjenigen bei einem üblichen Motor, und wenn die anderen Paktoren für die Berechnung des »Värmeüberganges als bei beiden Motoren gleich angenommen werden, gehen bei einem erfindungsgemäßen Motor bis zur teilweisen Ausdehnung auf 1 : 6 ungefähr 40 # weniger Wärme auf den Motor über· Bei der weiteren Ausdehnung der Gase auf 1:12 ist dann der Temperaturunterschied zwischen diesen und dem Motor nicht mehr hoch - besonders der Wärmeübergang durch Strahlung ist nur noch geringfügig -, sodaß im vorliegenden Fall im Ganzen mit einem um mindestens 25 % verringerten Wärmeübergang gerechnet werden kann und der durch Kühlung abzuführende Anteil der Gesamtwärme von den gewöhnlich rund 30 fo auf wenigstens 22 # herabgesetzt wird. Bei größeren Hubverhältnissen als 1 : 2 ist der Wärmeübergang sogar noch entsprechend geringer.

Die auf diese Weise in den Verbreimungsgaseryverbleibende größere Wärmemenge hat eine wertvolle Steigerung des Arbeitsvermögens der Gase zur Folge, und außerdem ist auch die thermische Belastung des Motors, also auch die des gewöhnlich hochbe ans ρ rucht eη Kolbens, etwas kleiner.

Yon Bedeutung ist auch, daß die zur Abführung der lärm© vom Motor erforderlichen Kühleinrichtungen leichter und kleiner sein können, was vor allem hei Flugmotoren wünschenswert ist, und daß in nanchen Fällen auch anstelle der Flüssigkeitskühlung die einfachere Luftkühlung angewendet werden kann.

Im InschluB an die vorstehenden Angaben ist als wichtig noch anzuführen, daß diejenige Wärmemenge, die als Gewinn des neuen Arbeitsverfahrens in den Verbrenmingsgasen verbleibt, bei der Ausdehnung der Gas© zum größten Teil in Arbeit umgewandelt wird und der früher errechnete beispielsweise Wert für die Endtemperatur der Gase bei der Ausdehnung auf 1:12 deshalb im wesentlichen seine Gültigkeit behält. Dies ist ▼on großer Bedeutung für die Auslaßventile, die dadurch selbst bei hochverdichteten Motoren keine übermäßige thermische Beanspruchung erfahren.

Im Zusammenhang mit diesen wärmewirtschaftlichen Vorzügen sei nun auf gewissermaßen parallele, aus dem Druckverlauf im Zylinder sich ergebende Vorteile der Erfindung hingewiesen.

Durch den Tatbestand nämlich, daß der durchschnittliche Gasdruck auf den Kolben eines erfindungsgemäßen Motors niedriger ist, bezw. dadurch, daß sich, wie schon beim Wärmeübergang ausgeführt, die teilweise Ausdehnung der Gase auf 1:6- und desgleichen auch die Verdichtung - in einer um 40 $ kürzeren Zeit während einer entsprechend kleinen Kurbeldrehung abwickelt, ist auch der seitliche Kolbendruck auf die Zy1inderwendung, der sogenannte Iormaldruck_p weniger hoch.

Io_x ist zum Beispiel vergleichsweise beim Ausdehnungshub der 4i4$iifi^ irucl^iach einer Kurbeldrehung vom oberen Totpunkt

von 15° 30° 45° 60° 75° 90°

beim neuen Motor 2,0 2,6 2,5 2,0 1,5 1,3 r_H

beim üblichen Motor aber 2,3 3»5 3,8 3,5 3,0 2,5 £i

Wie das Zahlenbeispiel zeigte ist der höchst© Normaldruck heim Motor nach dem neuen Verfahren um rund 36 $ geringer als derjenige des üblichen Motors, und zeitweilig beträgt di© Verringerung des lonaaIdruckes sogar 50

Der niedrigere Iormaldnack erlaubt die Verwendung kürzerer und damit leichterer Kolben und vermindert die Kolbenreibung und die damit verbundenen Abnutzungen» Als folge des schneller abfallenden Gasdruckes im Zylinder ist außerdem der Gasdruck auf den unteren Teil der Zylinderwandungen weniger hoch, und die Zylinder können deshalb im unteren Teil mit schwächeren Wandungen ausgeführt werden als bei üblichen Motoren. Aus dem gleichen Grunde sind weiterhin auch noch die durch undichte Kolbenringe und andere Undichtigkeiten auftretenden Druckverluste kleiner»

Erwähnt muß auch werden, daß wegen des außergewöhnlich geringen Druckes der Verbrennungsgase beim öffnen des Auslasses das Auspuff geräusch bedeutend schwächer ist und zu einer Dämpfung desselben auf eine tragbare Lautstärke die erforderlichen Schalldämpfer einfacher und leichter sein oder in geeigneten Fällen ganz fortfallen können, wodurch wiederum auch die durch Schalldämpfer gewöhnlich bedingte Behinderung des Ausströmens der Verbrennungsgase ganz oder teilweise wegfällt»

Neben den bisher aufgezählten, auf dem Unterschied zwischen Verdichtungs- und Ausdehnungshub basierenden Vorteilen, ist bei Motoren nach der Erfindung, bei denen, wie bei dem gezeichneten Beispiel, das Kurbelgehäuse als Ladepumpe dient, äußerst günstig, daß der das Ansaugen und Vorverdichten des Gemisches im Kurbelgehäuse bewirkende, dem üblichen Motor entsprechend^volle Hub des Kolbens viel größer - im Beispiel rund doppelt so groß - ist als der Verdichtungshub«, Ea wird deshalb selbst bei hohen Drehzahlen, trotz aller beim Ansaugen und Überströmen auftretenden Verluste , der Zylinder immer noch mit einer genügenden Ladung beschickt.

Bei der folgenden Bespreehung der konstruktiven lerkmle von* Motoren nach der Erfindung interessiert besonders die Prag®, ob durch das neue Verfahren eine Erhöhung des leistungsgewichtes eintritt_Φ

Bei Betrachtung der Abb· 6 hat es zunächst den Anschein, als ob ein: solcher Zylinder wegen der kleineren zur Verdichtung gelangenden Gasmenge rund den doppelten Inhalt haben müßte. Dies trifft aber keineswegs zu· Wie schon erwähnt, ist bei den üblichen Motoren mit Kurb@lkastenladepumpe die Füllung der Zylinder derart mangelhaft, daß die Zylinder in den meisten Fällen kaum viel mehr als zur Hälfte mit frischer ladung gefüllt sind, was ja auch in einen Vergleich der Leistungen von Zweitakt- und Viertaktmotoren zum Ausdruck kommt. Praktisch ist die dem Zylinder von der Kurbelkastenladepumpe beim neuen Verfahren zugeführte Ladung ebenso groß wie diejenige beim üblichen Motor mit gleichem Hubraum, weil ja der Hubraum der Kurbelkastenladepumpe der gleiche ist. Der bedeutsame Unterschied zwischen beiden Verfahren besteht also darin, daß bei dem neuen Motor die frische Ladung weniger mit VerbrennungBgasen vermischt wird und erst nach dem Ausschieben der restlichen verbrannten Gase allein zur Verdichtung gelangt. Dadurch werden die mit einer erneuten Verdichtung der alten Gase verbundenen Arbeitsverluste vermieden, und außerdem wird durch die reine Ladung eine schnelle und gleichmäßige Verbrennung des Kraftstoffes erreicht. Dieser geringere Zündverzug wird der beim neuen Verfahren wünschenswerten etwas sehne Heren Abwicklung der Verbrennung gerecht und ermöglicht bei Otto-Motoren die Verwendung eines kraftstoffarmen Gemisches und auch auf diese Weise eine Einsparung an Kraftstoff. Nach dem Vorstehenden ist deshalb damit zu rechnen, daß das Leistungsgewicht der neuen Motoren nicht größer, sondern sogar kleiner ist als das der gebräuchlichen Motoren mit Kurbelkastenladepumpe.

Die durch die Verwendung von Ventilen einerseits "bedingt© Gewichtserhöhung wird mehr als ausgeglichen durch die wirksamere Ausnutzung der ladung und durch die sich andererseits wieder ergehenden Gewichtsverminderungen durch kleinere Kühleinrichtungen, leichtere Zylinder und Kolben oder den Wegfall der Doppelkolbenbauart .

Bei Diesel-Motoren großer Leistimg_s die vielfach wegen ihrer besonderen - natürlich einen entsprechenden technischen Aufwand erfordernden - Ladeeinrichtungen mit einer besseren Spülung und Ladung der Zylinder arbeiten, muß dar Zylinderiiihalt von Motoren, die nach den neuen Verfahren arbeiten, natürlich größer sein. Bei vorteilhafter Konstruktion, Anwendung der Kurbelkastenladepumpe oder einer ähnlichen, später noch beschriebenen Ladepumpe, kann auch hier eine Erhöhung des Leistungsgewichtes vermieden werden.

Die Zylinderbohrung und den Hub wird man bei den neuen Motoren im allgemeinen nicht außergewöhnlich wählen, sodaß der volle Hub normalerweise zum Beispiel etwas größer als die Bohrung und der Verdichtungshub dann entsprechend kleiner ist» In geeigneten Fällen kann der Hub aber auch wesentlich größer als die Bohrung genommen werden, damit die Berührungsfläche zwischen der Ladung und den Verbrennungsgasen und damit deren Vermischung vermindert wird und der gegenüber einem üblichen Motor verkleinerte Verdichtungsraum eine günstigere Form mit kleinerer Oberfläche erhält.

Der Verdichtungsraum, der bei dem gezeichneten Beispiel eine flache Form hat,, kann selbstverständlich auch Jede andere bekannte Formgebung aufweisen und auch - bei Verwendung stehender Ventile - wie bei Viertaktmotoren üblich in eine seitliche Ventilkammer verlegt sein.

Die zur Anwendung gelangende Gleichstromspülung gestattet die

Benutzimg von Kolben mit einem günstigen flachen Kolbenhoden_e Lediglich in außergewöhnlichen Fällen kann es erforderlich sein, den Kolben zur Erzeugung oder Verbesserung geeigneter Spülluftströmungen mit lasen oder dergl. zu versehen, und auch gewiss© Einspritzverfahren bei Diesel-Motoren bedingen eine besondere Kolbemform_e

Bei der Bestimmung der Kolbenlänge gewinnt folgender Umstand Bedeutung.. Während bei einem üblichen Zweitaktmotor die länge des Kolbens mindestens gleich der Hublänge sein muß, damit der Auslaß bei in der oberen Totpunktlage befindlichem Kolben noch abgedeckt ist, kann bei einem Motor nach der Erfindung der Kollben auch kürzer sein» Besonders, dann» wenn die Steuerung des Gehäuseeinlaases nicht, wie im "Beispiel, durch den Kolben, sondern in bekannter Weise durch einen besonderen Drehschieber oder andere einrichtungen erfolgt, kann die Unterkante des Kolbens in dessen oberer Totpunktlage beliebig weit über der Zylindereinlaßöffnung liegen» Die Länge des Kolbens braucht in diesem Fall also nur den Erfordernissen einer guten Führung im Zylinder und der Aufnahme der Seitendrücke zu entsprechen. Da aber die Letzteren viel geringer sind, besteht die Möglichkeit, den Kolben ungewöhnlich kurz und leicht auszuführen»

Für die Einführung der frischen Ladung in den Zylinder wird es zur Ausbildung eines zentrisch im Zylinder gelagerten Wirbels zweckmäßig sein, anstelle eines Schlitzes wenigstens zwei einander gegenüberliegende Schlitze oder in bekannter Weise noch mehr auf den Zylinderumfang verteilte öffnungen vorzusehen.

Die Verwendung von im Zylinderkopf angeordneten Auslaßventilen bringt die auffallendste konstruktive Veränderung gegenüber dem Gewohnten;, denn mit Ausnahme einer in den Anfängen des Motorenbaues entstandenen Ausführung mit ganz geringer Drehzahl werden

alle Zweitaktmotoren mit kolbengesteuerten Auslaßschlitzen gebaut®

Iur durch die Anordnung des Auslasses im Zylinderkopf ist es aber möglich, den 1 . Takt in der vorgeschlagenen Weise in einen Ausschiebe- und einen Verdichtungshub zu zerlegen, und erst durch den verkürzten Verdichtungshub werden wiederum jene Ventilzeiten gegeben» wie sie auch für höchste Drehzahlen geeignet sind»

Abb® 8 zeigt ein sogenanntes Steuerzeitendiagramm zu dem Motor nach den Abb. 1

tragenen Kurbelstellungen 20 für den Öffnungszeitpunkt und 21 für den Schließzeitpunkt des Auslaßventils lassen im Diagramm klar erkennen, daß für den gesamten Auslaßvorgang die Zeit einer Kurbeldrehung um rund 190° zur Verfügung steht. Diese Zeit ist selbst bel hohen Drehzahlen für eine einwandfreie Ventilbetätigung ausreichend. Bei sehr hohen Drehzahlen oder zur Erzielung eines sich besonders schnell auf den vollen Quersehaitt erweiternden Auslasses ist es vorteilhaft, in bekannter Weise anstatt eines Ventiles zwei kleinere zu verwenden, und da der Zylinderkopf meist genügend Platz bietet, können Motoren für höchste Drehzahlen in Fortsetzung dieser Konstruktion richtung dann auch mit 3 oder 4 sehr kleinen Auslaßventilen ausgestattet werden.

Wie Abb. 8 auch noch zeigt, beträgt die Kurbeldrehung während des Ausdehnungshubes rund 105°, während auf die Verdichtung nur 65° entfallen.

Bei der Festlegung der jeweils nötigen Ventilgröße wirkt sich als vorteilhaft aus, daß die bei jedem Arbeitsspiel verarbeitete Gasmenge um fast die Hälfte kleiner ist als diejenige, die bei einem Viertaktmotor mit gleichem Zylinderinhalt durch das Auslaßventil abzuleiten ist.

Infolge der geringen Ausdehnungsendtemperatur der Verbrennungs-

gase besteht selbst bei hohen Verdichtungsverhältnissen kaum die Sefahr_r daß die Auslaßventile thermisch zu sehr belastet werden, zumal diese auch durch einen kleinen Teil Frischluft gekühlt werden können, der durch den Auslaß mit ausströmt. Man wird im Gegenteil in den meisten Fällen darauf verzichten können, die Ventile, wie bei den Viertaktmotoren jetzt üblich, aus besonders hitzebeständigen und oft teueren Werkstoffen herzustellen oder diese mit einer Natriumfüllung zu versehen.

Es versteht sich von selbst, daß die Betätigung der Ventile auf jede bekannte Weise erfolgen kann und die Ventile auch durch andere Auslaßorgane, beispielsweise Schieber oder dergl., ersetzt werden' können» Der Ventilbetätigungsnocken kann bei Ein- und Zweizylindermotoren natürlich direkt auf einem Ende der Kurbelwelle sitzen, wodurch sich eine besondere Nockenwelle und deren Antriebselemente erübrigen,,

Das Kurbelgehäuse weist gegenüber dem der üblichen Motoren keine grundlegende Veränderung auf.

Die wichtigsten der bis jetzt dargelegten Vorteile der Erfindung

seien nun noch einmal kurz zusammengefaßt» Diese sind:

Die sehr weitgehende Entspannung, der Terbrennungsgase mit erhöhter Arbeitsleistung der Gase,

mit schwachem Auspuffgeräusch und möglicher Vereinfachung: oder Weglassung der Schalldämpfer» Der verminderte Wärmeübergang auf den Motor mit erhöhter Arbeitsleistung der Gase, mit geringerer thermischer Belastung des Motors und mit Verkleinerung der Kuhleinrichtungen_e Der niedrigere durchschnittliche Arbeitsdruck der Gase mit vermindertem seitlichen Kolbendruek und geringerer

Reibung, und Abnutzung, von Kolben und Zylinder und mit kleineren Druckverlusten bei undichtem Kolhen und dgl.· Die Verdichtung einer Unvermischten_sl reinen ladung mit verkleinerter Verdichtungsarbeit und mit rascher und gleichmäßiger Verbrennung bei Verwendung eines Kraftstoffgemisches mit Luftüberschuß.

Claims (1)

Patentansprüche

1.) lach dem Zweitaktverfahren arbeitender Verbrennungsmotor mit 1 Kolben je Yerbrenaungsraum_s mit B#*ffistle3?w*i*e vom Kolben gesteuertem und in der unteren Totpunktlage des Kolbens freigegebenem Einlaß für die Einführung Ton Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Luft in den Zylinder, ferner mit einem im Zylinderkopf angeordneten, durch Ventile oder Schieber gebildeten Auslaß für die Verbrennungsgase und demzufolge mit einer vom Kolben zum Zylinderkopf verlaufenden Gleichstromspülung, vorzugsweise mit einer durch tangentiale oder sinngemäß schräge Einströmung des Gemisches oder der Luft erzeugten, vom Kolbenboden wendelartig ansteigenden Wirbelsäule, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitpunkte für die öffnung (20) und Schließung (21) des Auslasses (2) de rart eTngestellly'^^ö^däß der beim Ausdehnungshub vom Kolben (1) von der oberen Totpunktlage bis zum Beginn der öffnung des Auslasses zurückgelegte Weg (10) um mindestens dreissig Prozent_f vorzugsweise um fünfzig bis hundertfünfzig Prozent länger ist als der beim Verdichtungshub vom Kolben von der beendeten Auslaßschließung bis zur oberen Totpunktlage zurückgelegte Y/eg (9) .