DE946930C

DE946930C - Brennkraftmaschine, insbesondere Zweitaktbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE946930C
Application number: DEK4144D
Authority: DE
Inventors: Alfred Jante; Dr-Ing Anton Pischinger
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1940-07-30
Filing date: 1940-07-30
Publication date: 1956-08-09

Description

grennkraftmaschine, insbesondere Zweitaktbrennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Zweitaktbrennkraftmaschine, bei der die Ladung des Arbeitszylinders durch bei seinem Auspuffvorgang ausgelöste Druckwellen nach Abschluß der Einlaßöffnungen nach Druck und Menge erhöht wird.
Bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Art ist die Auspuffleitungslänge so auf die Maschinendrehzahl abgestimmt, daß der dem ersten Überdruck nach Eröffnung des Auslasses folgende Unterdruck während des Spülzeitraumes und der darauffolgende Überdruck kurz vor Wie-derabschluß der Auslaßschl,itze im Zylinder vorherrscht. Es handelt sich hierbei also um die Ausnutzung einer gedämpften Schwingung, so daß der Druck in. Zylinder um den Atmosphärendruck mit abnehmender Amplitude pendelt. Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine Aufladung dadurch erzielt, daß in einer an den Arbeitszylinder angeschlossenen, die Abgase aufnehmenden Leitung oder einem Leitungssystem Prallflächen, z. B. in Gestalt einer Verengung der Leitung, von solchem Querschnitt und solcher Entfernung vom Zylinder vorgesehen sind, daß die bei Eröffnung der Verbindung zwischen Zylinder und Leitung entstehende und darauf von der Prallfläche zurückgeworfene Druckwelle positiv ist, vor dem Wiederabschluß der Verbindungsöffnung in den Zylinder gelangt und dadurch den Druck der im Zylinder befindlichen Verbrennungsluft erhöht. Gegenüber der bekannten Brennkraftmaschine ist die erfindungsgemäße Maschine insofern vorteilhafter, als einmal auf eine Abstimmung der Eigenfrequenz der Auspuffleitung auf die Maschinendrehzahl und damit auf eine meist lange Auspuffleitungen ergebende Maßnahme verzichtet werden kann und außerdem infolge der einmaligen, nur mit geringen Verlusten verbundenen Reflexion an der Prallfläche eine stärkere Aufladung erzielt wird.
In Ausgestaltung der Erfindung werden Prallflächen vorzugsweise von einer Verengung der Auspuffleitung gebildet. Diese Verengung kann entweder als Drosselstelle oder zur Vermeidung von Energieverlusten bei der Ausströmung der Gase in an sich bekannter Weise als Düse oder als Venturirohr ausgebildet sein. Obgleich die Prallflächen sich bei einer Verengung der Leitung nicht über den ganzen Querschnitt erstrecken, haben Versuche ergeben, daß die zurückgeworfene Druckwelle-eine erhebliche Drucksteigerung des Zylinderinhaltes ermöglicht.
In der Zeichnung ist die Erfindung in einer Reihe von Ausführungsbeispielen schematisch veranschaulicht.
Abb. i zeigt den Zylinder i einer Zweitaktbrennkraftmaschine und die anschließende Auspuffleitung 2 im Längsschnitt. Die Auspufföffnung 3 ist um so viel höher als die Einlaßöffnung 4, däß die Abgase im Augenblick der Eröffnung der Einlaßöffnung im wesentlichen entspannt sind. Bei Eröffnung der Auslaßöffnung 3 entsteht unmittelbar hinter dieser Öffnung in der Leitung 2 eine Druckwelle, die sich im Abgasstrom mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt. An einer in der Auspuffleitung vorgesehenen Blende 5 wird bei entsprechender Bemessung der Blendenöffnung die Druckwelle reflektiert und läuft in den Zylinder zurück. Die Blende 5 ist in einer solchen Entfernung von der AusPufföffnung 3 des Zylinders i angebracht, daß die rücklaufende Druckwelle kurz vor Abschluß der Auspufföffnung 3 während des Verdichtungshubes an dieser Öffnung so eintrifft, daß bis zum Abschluß der Öffnung 3 ein die Dichte der Zylinderladung erhöhender Überdruck vorhanden ist. Durch diesen Vorgang werden zwar Geschwindigkeitsänderungen des Abgasstromes hervorgerufen, doch läuft der Spülvorgang bei richtiger Bemessung der Blende 5 im wesentlichen ungestört ab, d. h. die Abgase strömen nahezu ungehindert ab, und frische Ladung tritt durch die Öffnung 4 in den Zylinder ein. Der Spülvorgang wird, wie üblich, durch den ersten plötzlichen Druckabfall bei Eröffnung der Auspufföffnung 3 eingeleitet. Für den weiteren Ablauf des Spülvorganges ist dann der Überdruck in der Spülluftleitung 6 maßgebend. Da die zurückgeworfene Druckwelle den Zylinder von der Auspuffleitung her mit Luft nachfüllen soll, ist selbstverständlich vorausgesetzt, daß inzwischen nicht nur der Zylinder selbst, sondern mindestens auch das erste Stück der Auspuffleitung bereits mit Spülluft gefüllt ist, wie es normalerweise dem üblichen Spülluftaufwand zufolge eintritt.
In Abb.2 und 3 sind Teile der Auspuffleitung wiedergegeben, in denen an Stelle der Blende eine Düse 7 und ein Venturirohr 8 für den Rückwurf der Druckwelle vorgesehen sind. Die Energieverluste für den Durchtritt der Abgasströmung werden dadurch herabgesetzt.
In Abb.4 ist an die Auspufföffnung io des Zylinders 9 einer kolbengesteuerten Zweitaktbrennkraftmäschine eine Leitung i i angeschlossen, die in einiger Entfernung von der Öffnung io durch eine zu öffnende Klappe 15 verschlossen ist. Das Fassungsvermögen des von der Öffnung io bis zur Klappe 15 sich erstreckenden Leitungsstückes und die Länge dieses Leitungsstückes sind so bemessen, däß dieses Leitungsstück die während des ganzen Spülvorganges aus der Öffnung io austretende Abgas- und Luftmenge aufnehmen kann und daß kurz vor Abschluß der Öffnung io durch den Kolben 14 beim Verdichtungshub des letzteren eine Aufladung im Sinne der Erfindung eintritt. Dicht unterhalb der Auspuffleitung i i ist eine an der Stelle 13 in die Leitung ii einmündende Leitung 12 vorgesehen, deren Anschlußöffnung 17 am Zylinder von der Oberkante des Kolbens 14 nicht aufgesteuert wird. Zwecks- Abführung der in: dem Leitungsstück ii unter Überdruck aufgefangenen Gase besitzt der Kolben 14 an seinem unteren Ende eine Ausnehmurng 16., die gegen Ende,des Verdichtungshubes und zu Beginn des Krafthubes die Öffnung io der Leitung i i und die Öffnung 17 der Leitung 12 miteinander verbindet. Die in dem Leitungsstück i i befindlichen Gase können dann durch die Leitung 12 abströmen. Soll die Maschine ohne Rufladung im Sinne der Erfindung arbeiten, so kann die Klappe 15 geöffnet bzw. entfernt werden. Der vollkommene Abschluß der Leitung i i hat den großen Vorteil, daß eine Druckwelle größtmöglicher Stärke erzeugt wird.
Abb.5 unterscheidet sich von Abb.4 lediglich dadurch, daß die geschlossene Leitung 18 nur etwa über die Höhe h des Vorauspuffes mit dem Zylinder verbunden ist. Der restliche Querschnitt der Auspufföffnung i9 steht unmittelbar mit der Abgasleitung 20 in Verbindung. Diese Ausführung ist durch die Feststellung begründet, daß die für die Nachladung ausgenutzte Druckwelle durch den plötzlichen Druckabfall .zu Beginn der Eröffnung der Auspufföffnung i9 entsteht. Die geschlossene Leitung 18 wird, ebenso wie bei der in Abb. 4 gezeigten Anordnung, gegen Ende des Verdichtungshubes und zu Beginn des Krafthubes über eine Ausnehmung 2i im Kolben 22 in die Auspuffleitung 20 entleert.
Abb. 6 zeigt einen Zylinder 23, dessen Spülleitungen 24 und 25 (Leitung 25 nicht sichtbar) beiderseits symmetrisch der Auspuffleitung 26 angeordnet sind und die Luft schräg nach oben zu der der Auslaßöffnung 27 gegenüberliegenden Zylinderwand leiten (Umkehrspülung). Der Auslaßöffnung 27 gegenüber ist nun an einer Stelle, an der sich bei dieser Spülungsart normalerweise keine Öffnung befindet, eine Öffnung 28 vorgesehen, an die eine geschlossene Leitung 29 angeschlossen ist, die zugleich mit der Auspufföffnung 27 vom Kolben 3o aufgesteuert wird. Die Länge dieser Leitung 29 und die Entfernung von der Auspufföffnung 27, die zu der Abgasleitung 26 führt, in der eine Blende 31 angeordnet ist, sind so bemessen, daß beide Leitungen zur Aufladung des Zylinders 23 im Sinne der Erfindung beitragen. Eine derartige Anordnung kann natürlich auch auf Zylinder mit anderen Spülungsarten sinngemäß angewendet werden.
Bei der in Abb.7 gezeigten Anordnung wird außer der mit einer Blende 32 versehenen Auspuffleitung 33 auch die Spülluftleitung 34 zur Rufladung im Sinne der Erfindung herangezogen. Zu diesem Zweck ist die Einlaßöffnung 35 e'tw'a eben: so hoch wie die Auslaßöffnung 36. Sie werden. also etwa zu gleicher Zeit vom Kolben 37 gegen Ende des Krafthubes freigegeben. In der Spülluftleitung reflektiert die Druckwelle am Gebläse 38, dessen Läufer im vorliegenden Falle, in dem es sich um ein Drehkolbengebläse handelt, einen bleibenden Abschluß bilden. Bei einem Turbogebläse kann für den Rückwurf der Welle eine Verengung oder eine Rückschlagklappe benutzt werden. Die Länge der Gebläseleitung ist hier demnach an die gleiche Bedingung gebunden wie die Verengung oder das geschlossene Ende der Auspuffleitung. Die Ausführung nach Abb.7 hat aber noch einen weiteren Vorteil: Da der Vorauspuff fortfällt, kann der wirksame Arbeitshub des Kolbens um etwa io°/a vergrößert werden.
Die für die Rufladung ausgenutzten Druckwellen haben nur eine verhältnismäßig geringe Länge. Da der zeitliche Verlauf der Druckwelle unverändert ist und die Wirkung der Rufladung infolge der Lage der Prallflächen von der Drehzahl der Maschine abhängt, ist die Rufladung auch empfindlich für Drehzahlschwankungen. Um diese Empfindlichkeit zu vermindern, kann nach Abb.8 die Länge der Druckwelle dadurch vergrößert werden, daß mehrere Leitungen 39, 40 und 41 mit verschiedener Entfernung der Prallflächen vom Zylinder 42 vorgesehen sind. Der Einfluß dieser Anordnung auf die Ausbildung der Druckwellen ist in dem der Abb.8 beigegebenen Schaulinienbild veranschaulicht. Auf der Abszisse ist die Zeit t als Funktion des Kurbelwinkels und auf der Ordinate die Druckwellenamplitude s aufgetragen. Die Kurve 43 versinnbildlicht die bei Rufsteuerung der Auspufföffnung unmittelbar hinter dieser Öffnung entstehende Druckwelle. Die Kurven 44, 45 und 46 veranschaulichen die in den Leitungen 39, 40 und 41 reflektierten, die Nachladung im Zylinder bewirkenden Druckwellen. Da die Druckwellen- 44, 45 und 46, wie ersichtlich, zu verschiedenen Zeiten ihre größte Stärke erreichen, ist, wie die ziemlich breite Hüllkurve 47 erkennen läßt, über einen gewissen Drehzahlbereich eine Rufladung im Sinne der Erfindung gewährleistet. Die Leitungen 39, 40 und 41 sind über einen gemeinsamen Auffangraum 48 an die Auspufföffnung 49 des Zylinders angeschlossen.
Bei der Anordnung gemäß Abb.9 sind zum Unterschied von der Anordnung nach Abb. 8 drei der verschieden langen Auspuffleitungen, und zwar die Lei-tungen:5o, 51 und 52, vollständig geschlossen., lediglich die vierte Leitung, 53, in vorliegendem Falle die kürzeste, ist offen. Die Auspuffleitungen sind über einen gemeinsamen Auffangraum 54 an die Auspufföffnung 55 des Zylinders 56 angeschlossen. Sie sind also dauernd miteinander verbunden und brauchen nicht durch ein besonderes Steuerglied, beispielsweise durch den Arbeitskolben gemäß den Abb.4 und 5, nach Beendigung der Spülung und Aufladung zwecks Abführung der Abgase verbunden zu werden. Die vierte, offene Leitung hat eine solche Länge, daß, wie aus dem Schaulinienbild ersichtlich, zwischen der Vorauspuffwelle 57 und den reflektierten Druckwellen 58, 59 und 6o eine negative Welle 61 entsteht, also eine Druckwelle, die an der Auspufföffnung 55 einen Unterdruck erzeugt und damit den Druckunterschied zwischen dem Gebläse und dem Auspuff vergrößert. Ein eventuell vorhandenes Ladegebläse wird hierdurch entlastet. An Stelle einer einzigen offenen Leitung können auch mehrere offene Leitungen verschiedener Länge benutzt werden, wodurch auch die Unterdruckwelle, ähnlich wie die Überdruckwellen, zeitlich verlängert würde.
Um die Rufladung bei stark verschiedener Maschinendrehzahl zu ermöglichen, sind bei der Anordnung gemäß Abb. 1o einzelne Drosselstellen 62 bis 66 in verschiedener Entfernung vom Zylinder in die Auspuffleitung 67 und die Gebläseleitung 68 einschaltbar.
Mit der gleichen Wirkung wird in Abb. 11 ein Drosselkörper 69 mit der Veränderung der Maschinendrehzahl in der Auspuffleitung 7o verschoben.
Der in der Auspuffleitung verschiebbare Drosselkörper kann jede geeignete Form besitzen, beispielsweise, wie in Abb. 12 gezeigt, als Venturirohr 71 ausgebildet sein.
Bei der Anordnung gemäß Abb. 13 ist in die Abgasleitung 72 des Zylinders 73 ein Drehschieber 74 angeordnet, der während des Spülvorganges zunächst, wie in Abb. 13 a gezeigt, in eine geschlossene Leitung 75 abführt zwecks Erzeugung einer Druckwelle, darauf den Zylinder mit der offenen Leitung 76 verbindet (vgl. Abb. 13b) und zum Schluß die Leitung 72 wieder mit der Leitung 75 verbindet, damit die in letzterer rücklaufende Druckwelle rechtzeitig an der Auspufföffnung 77 des Zylinders 73 eintrifft (vgl. Abb. 13c).

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Brennkraftmaschine, insbesondere Zweitaktbrennkraftmaschine, bei der die Ladung des Arbeitszylinders durch bei seinem Auspuffvorgang ausgelöste Druckwellen nach Abschluß der Einlaßöffnungen nach Druck und Menge erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer an den Arbeitszylinder angeschlossenen, die Abgase aufnehmenden Leitung oder einem Leitungssystem Prallflächen, z. B. in Gestalt einer Verengung der Leitung von solchem Querschnitt und solcher Entfernung vom Zylinder vorgesehen sind, daß die bei Eröffnung der Verbindung zwischen Zylinder und Leitung entstehende und darauf von der Prallfläche zurückgeworfene Druckwelle positiv ist, vor dem Wiederabschluß der Verbindungsöffnung in den Zylinder gelangt und dadurch den Druck der im Zylinder befindlichen Verbrennungsluft erhöht. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengung aus einer in an sich bekannter Weise in der Auspuffleitung angeordneten Düse besteht, die eine Ausströmung durch die Leitung mit möglichst geringen Energieverlusten zuläßt. 3. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Ende vollkommen geschlossenes Rohr benutzt wird, das den gesamten Auspuff aufnimmt und nach Beendigung- der Spülung und Abschluß des Zylinders mit Hilfe eines Steuergliedes, z. B. des Arbeitskolbens, mit der Auspuffleitung verbunden wird. 4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Rohr nur etwa über die Höhe des Vorauspuffes an den Zylinder angeschlossen ist. 5. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Rohr für den Betrieb ohne Rufladung zum Öffnen eingerichtet ist. 6. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Rohr und die Auspuffleitung nebeneinanderher laufen und für den Betrieb ohne Rufladung miteinander verbunden werden. 7. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an anderen Stellen des Zylinderumfanges, an die weder Spül- noch Auspuffleitungen angeschlossen sind; eine oder mehrere weitere geschlossene Leitungen angebracht sind, die zugleich mit .dem Auspuff @geöffnet werden. B. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßöffnungen etwa gleichzeitig vom Kolben geöffnet werden, und das Spülgebläse durch eine so lange Leitung mit dem Arbeitszylinder verbunden ist, daß es ebenfalls eine zur Rufladung dienende Druckwelle zurückwirft. 9. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne DrosselstelJem in verschiedener Entfernung vom Zylinder in die Auspuffleitung oder Gebläseleitung einschaltbar .sind, so daß eine Rufladung bei verschiedenen Drehzahlen der Maschine möglich ist. io. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drosselkörper mit der Maschinendrehzahl in der Auspuffleitung oder Gebläseleitung verschiebbar angeordnet ist. i i. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i bis io, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leitungen mit derart verschiedener Entfernung der Prallflächen vom Zylinder vorgesehen sind, daß die zurückgeworfenen Druckwellen zusammen eine zeitlich verlängerte Welle bilden. 12. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i bis i i, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere am Ende geschlossene Leitungen mit derart verschiedener Länge vorgesehen sind, daß eine zeitlich verlängerte Druckwelle entsteht, und eine kürzere offene Leitung von solcher Länge vorgesehen ist, daß zwischen der Vorauspuffwelle und ihren positiven Rückwürfen eine negative Welle entsteht. 13. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen i bis 12, gekennzeichnet durch ein Steuerglied, vorzugsweise einen Drehschieber, der den Vorauspuff in eine geschlossene Leitung abführt, darauf den Zylinder mit der Auspuffleitung verbindet und schließlich die zurückkommende Druckwelle wieder in den Zylinder leitet. In. Betracht :gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 510:256, 360354 698 589, 647 118, 614 775; britische Patentschriften Nr. 301556, 2q.6 88o; USA.-Patentschrift Nr. 2 102559;-schweizerische Patentschrift Nr. 115 582; »Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens«, 1934, S.226 bis 236, und 1935, S.245 bis 257; »Mitteilungen des Instituts für Kraftfahrwesen an der Sächsischen Technischen Hochschule Dresden«, Sammelland VIII, Berlin z931, S. 23 und 24; »Werft, Reederei, Hafen«, 1930, S. 27 ff.