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Zweitaktmotor In Verbrennungsmotoren wird die Expansion des Gases
nicht vollständig ausgenutzt, weil man gezwungen. ist, das Gas bei recht hohem.
Druck aus dem Zylinder entweichen zu lassen. Falls man die Expansion des Gases bis
zu Atmosphärendruck herab ausnutzen könnte, würden dadurch etwa r o bis I2% an ausgeführter
Mehrarbeit gewonnen werden.
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Sofort nach Erscheinen der ersten Zweitaktmotoren dachten viele Leute
daran, in irgendeiner Weise die Auspuffenergie direkt zur Vereinfachung der Spülung
auszunutzen, was einen logischen und natürlichen Zusatz zum Zweitaktprinzip darstellt.
Diese Aufgabe wurde jedoch bisher nicht in be-
friedigender Weise gelöst.
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Neuerdings ist man dazu übergegangen, das Problem durch die Umwandlung
eines Teils der Auspuffenergie in Wellenenergie zu lösen, was an und für sich ganz
von selbst erfolgt, wenn nur für jeden Zylinder .ein Auspuffrohr geeigneter Länge
zur Anwendung gelangt. Gegebenenfalls können zwei, oder höchstens drei Zylinder
direkt, ,und zwar so dicht wie möglich mit einem gemeinsamen Rohr vereinigt werden.
Während der Vorabsträmungsperiode, während der die Hauptmenge des Gases unter großer
Druckdifferenz aus dem Zylinder strömt,
entsteht eine kräftige Druckwelle
im Auspuffrohr. Die Druckwelle bewegt sich :mit der Schallgeschwindigkeit durch
das Rohr hinaus und wird am offenen Rohrende wie eine Saugwelle reflektiert, die
zum Zylinder zurückläuft und imstande ist, jedenfalls einen Teil. der Gasmenge auszusaugen,
die immer noch (unter Atmosphärendruck) den Zylinder füllt, wodurch :eine entsprechende
Menge Frischluft durch die Spülkanäle in den Zylinder eingezogen wird.
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Zahlreiche mit Spülgebläse versehene Motoren wurden bereits reit derartigen
zylindrischen Einzelrohren geeigneter Länge ausgeführt. Eine vollständige Selbstspülung
ohne Anwendung eines Spülgebläses ist aber auf diese Weise nur schwer erreichbar,
da die Reflexion am Ende eines zylindrischen Auspuffrohres sehr umeffektiv ist.
Laut der für Schallwellen gültigen einfachen Wellentheorie wird eine Druckwelle
arm offenen Rohrende wie eine ebenso große Saugwelle reflektiert, was aber bei weitem
nicht mit den kräftigen Druckwellen der Fall isst, die in Auspuffrohren auftreten
und z. B. 0,3 bis o,5 Atm. überdruck haben können. Genaue Berechnungen ergeben,
daß die reflektierte Saugwelle nur 3 5 bis 5 o % der ausgehenden Druckwelle ist,
wozu noch kommt, daß das Saugen viel zu kurze Zeit dauert. Nun ist aber auch bereits
bekannt, Auspuffrohre zu verwenden, die über die ganze Länge von den Auspufföffnungen
des Zylinders bis zum freien Ende des Auspuffrohres leicht konisch sind. Wenn eine
kräftige Druckwelle durch ein solches Rohr läuft, erzeugt sie nicht nur eine vom:
Rohrende reflektierte Saugwelle wie in einem zylindrischen Rohr, sondern zugleich
eine kontinuierliche Reihe reflektierter, wenn auch kleinerer, von jedem einzelnen
Stück des Rohres ausgehender Saugwellen, wodurch die Saugwirkung sowohl erhöht als
über eine längere Zeiterstreckt wird. Hierdurch können bessere Resultate erzielt
werden als bei der Verwendung von zylindrischen Rohren. Der Grund dafür, daß auch
diese bekannte Einrichtung noch nicht zu einem vollen Erfolg führt, ist der, daß
die vom Rohr reflektierte Saugwelle in diesem Fall allzu früh beginnt, indem sie
genau gleichzeitig mit der Ausbildung der nach außen gehenden Druckwelle beginnt.
Zu diesem Zeitpunkt ist das Saugen nicht nur nutzlos, da im Zylinder noch ein erheblicher
Überdruck besteht, sondern es ist sogar schädlich für die erwünschte Wirkung, da
es nur dazu beiträgt, die nach außen gehende Druckwelle zu vermindern, die durch
ihre -späteren Reflexionen die effektive Saugwirkung hervorbringen soll. Die Erfinder,
die mit über die ganze Länge konisch ausgebildeten Auspuffrohren gearbeitet haben,
haben sich offenbar von. ganz anderen Theorien als der Wellentheorie leiten lassen.
Sie haben daher auch nur dadurch genügend Wirkung erzielen können, daß sie ein anomal
schnelles Öffnen der Auspufföffnungen anwendeten und dadurch besonders kräftige
Druckwellen erzeugten. Aber hierdurch entsteht zugleich ein, durchdringendes, knatterndes
Auspuffgeräusch, das sich nicht durch gewöhnliche Schalldämpfer genügend dämpfen
läßt. Demgegenüber bezweckt die vorliegende auf der Wellentheorie basierende Erfindung,
in bekannter Weise eine zusammenhängende Reihe reflektierter Saugwellen zu erzeugen,
für die aber die Bedingung erfüllt sein muß, daß das mit Rückkehr der Wellen zu
den Auspufföffnungen erzeugte Saugen erst ungefähr gleichzeitig mit dem Öffnen der
SpiilkanÄle beginnt und ungefähr während der gesamten Spülperiode andauert. Sie
erreicht dies dadurch, daß das. Ausl puffrohr aus einem Vorderteil mit konstanter
und einem Reflexionsteil mit variierender, im Verhältnis zum Vorderteil aber erweiterter
Querschnittsfläche besteht. Die Länge des Vorderteils und die Bemessung des Reflexionsteils
sind dabei so zu wählen, daß die vorstehend angegebene Wirkung erreicht wird.
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Zwecks näherer Erläuterung der Erfindung und deren, Voraussetzungen
sei auf die Zeichnung verwiesen, in welcher Fig. i und a Deinige Diagramme und Fig.3
bis. 8 schematisch einige gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierte Auspuffrohre
zeigen.
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Fig. i zeigt die Verhältnisse bei einem bekannten zylindrischen Auspuffrohr
geeigneter Länge. Oben sind die Öffnungsquerschnitte A der Auspufföffnung und die
Öffnungsquerschnitte B der Spülkanäle als Ordinaten über dem Kurbelwinkel als Abszisse
aufgetragen. Darunter sind die an den Auspufföffnungen des Zylinders herrschenden
Drücke als Ordinate über der Zeit als Abszissenachse aufgetragen, wobei der Maßstab,
so bemessen ist, daß die verschiedenen Zeitpunkte an dieser Achse den entsprechenden
Kurbelwinkeln an :der darüberliegenden Abszissenachse entsprechen. Die Kurve C gibt
die von den Auspufföffnungrnen während der Vorauspuffperiode ausgehende Druckwelle
an, während die KürveD eine durch Reflexion entstandene Saugwelle angibt, wie nachstehend
;näher erklärt wird. Zuunterst ist der Motorzylinder E und das Auspuffrohr F schee-inatisch
veranschaulicht, wobei die Länge des Rohres so im Zusammenhang mit der Zeitachse
im Druckdiagramm abgesetzt ist, daß die gezeichnete Länge des Rohres so gewählt
ist, daß an der Auspufföffnung der Druck herrscht, der im Druckdiagramm zu dem Zeitpunkt
angegeben ist, der an der Zeitachse neben dem Endpunkt des Rohres liegt. Die Länge
des Rohres ist daher gleich der Zeit to abgesetzt, die eine Welle braucht, um sich
durch das Rohr hinauszubewegen und wieder zu den Auspufföffnungen reflektiert zu
werden. Die Saugwelle D ist ungefähr gleicher Form wie die Druckwelle, jedoch bedeutend
kleiner; ihre Dauer ist aber genau die gleiche wie die der Druckwelle. Nun ist die
Dauer der Druckwelle sehr angenähert gleich der Dauer der Auspuffperiode, weil seine
Bedingung ist, daß der Zylinderdruck praktisch abgeblasen ist, wenn die Spülkanäle
sieh öffnen, und da die Spülperiode für gewöhnlich drei- bis viermal so lang ist
wie die Auspuffperiode, ist es ersichtlich, daß das Saugemeine viel kürzere Dauer
hat als die Spülperiode. Es ist daher urimöglich, mit einem derartigen Rohr genügende
Saugwirkung für vollständige Selbstspülung zu erreichen, wenn auch die Länge des
Rohres, wie unten in der Figur angedeutet,
so genau bemessen ist,
daß das kräftigste Saugen an den Auspufföffnungen genau in der Mitte der Spülperiode
wirksam wird.
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Auf die Darstellung der Verhältnisse bei Auspuffrohren mit sich stetig
erweiterndem Querschnitt wurde verzichtet. Sie sind zwar günstiger als diejenigen
bei Auspuffrohren mit gleichbleibendem kreisförmigem Querschnitt, vermögen aber
aus den oben angegebenen Gründen ebenfalls nicht zu hefriedigen.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt demgegenüber, die reflektierte
Saugwelle D zu verlängern, so daß die Dauer derselben der gesamten Spülperiode gleich
wird. Dies wird dadurch erreicht, daß das Auspuffrohr aus einem Vorderteil mit konstanter
Querschnittsfläche und einem Reflexionsteil mit variierender, im Verhältnis zum
Vorderteil aber erweiterter Querschnittsfläche besteht. In dem erfindungsgemäß gestalteten
Auspuffrohr erzeugt die von den, Auspufföffnungen in der Vorahströmungsperiode ausgehende
Druckwelle während des Durchganges durch den Reflexionsteil eine zusammenhängende
Reihe reflektierter Saugwellen, die bei ihrer Rückkehr zu den Auspufföffnungen hier
ein Saugen erzeugen, wobei der Vorderteil solcher Länge ist, daß dieses Saugen ungefähr
gleichzeitig mit dem Öffnen der Spülkanäle einsetzt, während der Reflexionsteil
so bemessen ist, daß das erwähnte Saugen von einer Dauer wird, die ungefähr gleich
der gesamten Spülperiode ist, wodurch ein Spülgebläse für den Motor sich erübrigt.
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Die Querschnittsfläche im Reflexionsteil des Auspuffrohres läßt sich
vielfach abändern, und jede dieser Abänderungen bietet gewisse bauliche Vorteile
dar, wie nachstehend näher beschrieben.
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Es sei namentlich hervorgehoben; daß der Reflexionsteil des Auspuffrohres
über die ganze Länge von gleichmäßig zunehmender Querschnittsfläche sein kann oder
daß die Querschnittsflüche stufenweise zunehmen kann. Ferner kann der Reflexionsteil
des Auspuffrohres zwecks Abänderung der Querschnittsfläche mit geschlossenen oder
offenen Seitenschenkeln versehen sein, und jede dieser Ausführungsformen besitzt
bauliche Vorteile. Zwecks Erhöhung des Volumens der reflektierten Saugwelle kann
der Reflexionsteil des Auspuffrohres mit einem Rückschlagventil versehen sein.
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In Verbindung mit dem vorliegenden Auspuffrohr, dessen Wirkung außerordentlich
von der Größe der Vorabströmungsfläche abhängt, können Ausströmorgane zur Anwendung
gelangen, die eine Änderung oder Regelung der Größe der Vorabströmungsfiäche zulassen,
während der Motor in Gang ist.
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Schließlich sei bemerkt, daß die Spülkanäle des Motors in Verbindung
mit dem zweiteiligen Auspuffrohr gemäß der Erfindung mit Einsaugrohren zwecks Erzielung
von Überladung des Motors verbunden sein können.
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Fig. 2 zeigt die Verhältnisse bei der Anwendung eines Rohres, das
gemäß der Erfindung einen zylindrischen Vorderteil F1 und einen konischen Reflexionsteil
F2 aufweist. Die Reflexionsdauer im zylindrischen Teilt" wird ungefähr gleich
der Vorabströmungsperiode gemacht. Danach trifft die Vorreflexion vom Konus ein.
'Sie ist nicht gleicher Form wie die Druckwelle, sondern verläuft gleichmäßiger
und kann so viel verlängert werden, wie man es wünscht. Nach der Dauertb trifft
schließlich die Hauptreflexion vom Rohrende ein. Diese Reflexion ist wiederum eüvgermaßen
gleicher Form wie die ursprüngliche Druckwelle und effektiver als die Reflexion
vorn gewöhnlichen zylindrischen Rohr (Fig. r), weil die Luftgeschwindigkeit im Konus
herabgesetzt und der Energieverlust im Rohrende daher geringer wird.
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Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die von den Konusreflexionen sowie
der Rohrendreflexion gebildete ,gesamte Saugperiode die ganze Spülperiode ausfüllen
wird, wenn die gesamte Reflexionsdauer tb des Rohres annähernd der Länge der Spülperiode
gleich ist, während die gesamte Reflexionsdauer io des in Fig. r angegebenen rein
zylindrischen Rohres eher die Hälfte der Dauer der Spülperiode ausmacht. Die Reflexionsdauer
im Vorderteil t" des Rohres muß, wie oben erwähnt, ungefähr gleich der Dauer der
Vorauspuffperiode sein und darf nicht viel kürzer sein, da es sich zeigt, daß eine
zu früh ein,-treffende Vorreflexion nicht allein nutzlos, sondern sogar direkt schädlich
ist, weil sie denn Entstehen der kräftigen, nach außen gehenden Druckwelle entgegenwirkt.
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Die ausgedehnte, gebrochene Refi@exion in einem Rohr, wie hier beschrieben,
mit entweder stufenweisen oder stetigen Querschnittserweiterungen im Reflexionsteil
unterscheidet sich auch prinzipiell von der einfachen Reflexion am Ende eines zylindrischen
Rohres dadurch, daß ,man durch richtige Bemessung des Rohres erreichen kann, daß
das gesamte Volumen der reflektierten Saugwellen bedeutend größer wird als das Volumen
der ursprünglichen Druckwelle.
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Im allgemeinen ist die stetige Querschnittserweiterung z. B. in einem
konischen oder hyperbolischen Rohr vorzuziehen (Fig. 3), wobei der letzte Teil des
Rohres jedoch einen verhältnismäßig großen Durchmesser erhält.
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Aus Fig.2, wo die Verhältnisse bei einem rein konischen Rohr angegeben
sind, ist es unmittelbar ersichtlich, daß es vorteilhaft ist, das Rohr aM letzten
Ende etwas ,mehr zu erweitern, wodurch die reflektierten Saugwellen gleichmäßiger
verlaufen. Hierdurch erhält man Rohre, wie z. B. in Fig. 3 gezeigt. Der letzte Teil
F3 dieses Rohres läßt sich jedoch, wie in den Fig. q. bis 8 angedeutet, mittels
besonderer Kunstgriffe entbehren.
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Wie in Fig. q. gezeigt, kann das Rohr um die Länge L gekürzt
werden, wenn man im Abstand L
vom neuen Rohrende einen geschlossenen Seitenschenkel
01. vom der Länge L hinzufügt. Die Theorie von der Reflexion von Druckwellen zeigt
nämlich, daß die in den Fig. 3 und q. gezeigten Rohre bezüglich der Reflexion. einer
willkürlichen Druckwelle durchaus ;gleich wirken, wenn der Seitenschenkel: richtig
bemessen ist. Der Seitenschenkel kann gegebenenfalls, wie in Fig. 5 gezeigt, wie.
ein einen
Teil des Hauptrohres umschließender ringförmiger Raum
G2 ausgeführt sein.
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Eine andere Möglichkeit, um die Dimensionen zu vermindern, besteht
darin, einen offenen SeitenschenkelH anzuwenden, wie in Fig.6 gezeigt, in welchem
Fall das Hauptrohr F2 nicht gekürzt werden kann, d. h. mit anderen Worten, daß das
Rohr in zwei offene Schenkel geteilt wird, von welchen der eine die zweifache Länge
des anderen hat. Auch dieses System gibt bei richtiger Bemessung genau die gleiche
reflektierte Saugwelle wie das in Fig. 3 gezeigte Rohr.
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Der kurze Schenkel kann ringförmig, den langen Schenkel umschließend,
ausgeführt werden, wie in Fig. 7 gezeigt.
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Die Reflexionstheorie zeigt, daß die erste Reihe von nacheinanderfolgenden
Saugwellen bei allen Rohren der hier beschriebenen Art, welche eine gebrochene Reflexion
ergeben, unweigerlich von einer recht kräftigen Gegendruckwelle K gefolgt werden,
wie in Fig. z gezeigt.
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Der Hauptgedanke der vorliegenden Erfindung ist, daß bei der normalen
Umdrehungszahl des Motors ein Saugen im Auspuffrohr unmittelbar am Zylinder während
der ganzen Spülperiode vorhanden sein muß, und das Rohr wird daher im allgemeinen
so bemessen, daß die erwähnte Gegendruckwelle erst im Zylinder eintrifft, wenn die
Auspufföffnungen geschlossen oder kurz vor dem Schließen sind.
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Durch die Anordnung eines schnell wirkenden Rückschlagventils M im
Auspuffrohr, wie in Fig. 8 gezeigt, kann man die erwähnte Gegendruckwelle vermeiden,
und sie wird sogar dadurch in eine Saugwelle umgewandelt. Das Auspuffrohr kann dadurch
etwas kürzer ausgeführt werden, und die Bedingung des Saugens während der ganzen
Spülperiode bleibt dennoch erfüllt.
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Berechnungen ergeben, daß das stetig erweiterte Rohr zuzüglich des
Rückschlagventils in der Tat das effektivste ausführbare System darstellt, vorausgesetzt,
daß das Rückschlagventil schnell genug wirkt. Ein im einem durch und durch zylindrischen
Rohr angeordnetes Rückschlagventil ist dagegen völlig wirkungslos, weil nur eine
einzige Reflexion eintritt, während der das Rückschlagventil dauernd offen ist,
wonach nichts weiter geschieht. Eine eigentliche Gegendruckwelle der hier erwähnten
Art kann überhaupt nicht m einem rein zylindrischen Rohr entstehen. Dias Rückschlagventil
kann besonders zweckmäßig in Verbindung mit der in Fig. 5 gezeigten Bauart zur Anwendung
gebracht werden, und das Rohr wird hierdurch etwas kürzer.
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Eine Bedingung für die Anwendung der hier beschriebenen Auspuffrohre
für Selbstspülung ist, daß der Querschnitt und die Dauer des Offenseins des Auspufforgans
so bemessen sind, daß die Vorauspuff fläche (P in Fig. 2) gerade die rechte Größe
hat. Ist sie zu klein, wird Gas durch die Spül-! kanäle im Augenblick des üffnens
zurückgeblasen, indem der Zylinderdruck dann noch höher ist als der Atmosphärendruck.
Ist die Vorauspufffläche zu groß, wird sich im Zylinder ein Unterdruck bilden, bevor
die Spülkanäle sich öffnen, und dieser Unterdruck -zerstört dann den erstrebten
Wellenprozeß im Auspuffrohr. Es ist daher eine nützlichd Maßnahme, eine Anordnung
in Verbindung mit dem Auspufforgan einzuführen, durch welche die Größe der Vorabströmungsfläche
abgeändert werden kann, während der Motor läuft. Hierdurch wird ermöglicht, die
beste Spülwirkung bei variierender Belastung des Motors zu erreichen.
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Wenn eine solche Anordnung nicht hinreichend oder wünschenswert ist,
kann ein Rückschlagventil vor den Spülkanälen angebracht werden, um ein Rückschlagen
der Verbrennungsgase in den Maschin:enraum hinaus auch bei wechselnder Belastung
zu vermeiden.
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Für gewöhnlich wird der Motor so :ausgeführt, daß die Spülkanäle sich
unmittelbar nach der Außenluft öffnen; wenn sie aber mit separaten Einsaugrohren
geeigneter Länge in Verbindung gesetzt werden, kann eine überladung erzielt werden.
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Während der Spülperiode wird nämlich infolge des Saugens eine ganz
gleichmäßige Luftgeschwindigkeit im Einsaugrohr entstehen, und infolge der Trägheit
wird sich die Luftzuströmung fortsetzen, selbst nachdem die Saugwirkung vom Auspuffrohr
gegen Schluß der Spülperiode abzunehmen begonnen hat.