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Arbeitszylinder für Zweitaktbrennkraftmaschinen mit Rohrschiebersteuerung
Die Erfindung betrifft einen Arbeitszylinder für Zweitaktbrennkraftmaschinen mit
Rohrschiebersteuerung und mit mehreren übereinander angeordneten Steuerschlitzen,
von denen mindestens die dem heißeren Arbeitsraumteil näher liegenden Schlitze von
der überlappenden Lauffläche des Rohrschieberendes durch Anschmiegen an die Zylinderlauffläche
ohne Zuhilfenahme besonderer rechtwinklig zur Zylinderachse verschiebbarer Dichtungsmittel
bei jedem Verdichtungs- und Arbeitsspiel gasdicht abgeschlossen werden.
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Die Erfindung besteht darin, daß ungefähr vorn Bereiche der überlappenden
Abdichtungsflächen an die übereinandergleitenden Zylinder-und Schieberlaufflächen
sich in kaltem Zustande nach dem im Betriebe kälteren Arbeitsraumende hin leicht
erweitern.
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Die Fig. i, a, 3 und 4 zeigen schematisch einen solchenArbeitszylindermitRohrschieber,
Arbeitskolben und Zylinderdeckel und wie diese vier ineinanderlaufenden Teile auf
Grund des Erfindungsgedankens in einem Längsschnitt bei kalter Maschine (Fig. i
und 3) und wie dieselben Teile in einem Längsschnitt bei Vollastbetriebstemperatur
aussehen (Fig. a und. 4). Die Fig. 5 und i i zeigen besondere Ausführungsformen
der Steuerteile am oberen und wärmeren Ende der genannten Zylinder und Schieber.
In den Fig. i, z, 3 und 4 ist i der mit dem Kühlmittel direkt in Berührung stehende,
die Auspuffkanäle a und die Spülkanäle b sowie die Abdichtungsfläche F1 am wärmeren
Ende iw, die Fläche Fi ungefähr in der Mitte und die Fläche Fr'' am kühleren Ende
ik enthaltende Zylinder. a ist der mit dem Zylinder fest verbundene Zylinderdeckel
mit (oder :ohne) den üblichen radial verschiebbaren Dichtungsringen e'. 3 ist der
hin und her gehende, vorzugsweise noch um die Längsachse drehende oder schwingende,
die Kolbengleitbahn und das Steuerorgan bildende und die Verbrennungsdrücke ganz
oder teilweise aufnehmende Rohrsteuerschieber mit der Abdichtungsfläche F3 und der
Steuerkante 3, am im Betriebe heißeren Ende 3,
sowie der Fläche F3
ungefähr in der Mitte und der Fläche Fs' an dem im Betriebe kälteren Ende 3k des
Schiebers.
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4 ist der hin und her gehende Arbeitskolben mit dem Dichtungsringteil
c, den Dichtungsringen c', dem Ölabstreifring c" und dem Führungsteil d. - Sowohl
die Auspuff- wie die Einlaßkanäle a und b und die entsprechenden Rohrsteuerschieberschlitze
d und b sind vorzugsweise am ganzen Zylinder- und Rohrsteuerschieberumfang gleichmäßig
verteilt. Der Zylinderdeckel a und Arbeitskolben 4 schließen mit dem Zylinder i
und Schieber z den Arbeitsraum 0 mit dem im Betriebe wärmeren Ende Q" und dem kühleren
Ende 0k ein. Fig. i, a, 3 und 4 sowie auch die Fig. 5 bis i i zeigen den Rohrsteuerschieber
3 in seinem oberen Totpunkt; die gestrichelten,
einfachen und Doppellinien
3' der gleichen Figuren zeigen ihn im unteren Totpunkt. In den Ausführungsformen
nach Fig. i und :2 erfolgt der Auspuff der Verbrennungsgase am äußeren und heißeren
Ende Q", und der Eintritt der Spül- und Ladeluft oder des Läde gemisches am inneren
und kühleren Ende Q"l des Arbeitsraumes.
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Die Fig. 3 und q. zeigen erstere in kaltem und letztere in warmem
Zustand, schematisch einen Arbeitszylinder i, Zylinderdeckel 2, Rohrschieber 3 und
Arbeitskolben 4, bei dem aber der Austritt der Verbrennungsgase am inneren und kühleren
Arbeitsraumende Qlz erfolgt, während der Eintritt der Spül- und Ladeluft oder des
Ladegemisches am äußeren und heißeren Arbeitsraumende Q", erfolgt.
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Die Fig. i, 2, 3 und .4. stellen stark vergrößert und schematisch
dar, wie auf Grund der auftretenden Vollasttemperaturen an einem derartigen wassergekühlten
Zweitaktarbeitszylinder von etwa ioo PS Leistung und 12 m/Sek. mittlerer Kolbengeschwindigkeit
längs einem Längsschnitt der Verlauf des Durchmessers der Zylinderbohrung und des.
äußeren und des inneren Rohrsteuerschieberdurchmessers in kaltem Zustand gewählt
werden muß, damit die drei Flächen unter den auftretenden Vollasttemperaturen vollkommen
oder nahezu zylindrisch sind.
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Bei am äußeren und heißeren Arbeitsraumende Q", austretenden Auspuffgasen
beträgt die Temperatur des mit Wasser gekühlten Zylinders i am inneren undwärmeren
Arbeitsraumende Q", oberhalb und unterhalb der Auspuffkanäle a an den Stellen TI"
und T,"' etwa 14o° C, während sie am inneren und kühleren ArbeitsraumendeQk bei
T1", wo die Spül- und Ladeluft oder das Ladegemisch eintritt, nur etwa 6o° C beträgt.
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Bei einer Zylinderbohrung von i64mm und einer Schieherwandstärke von
etwa :2 mm muß also in kaltem Zustand die Zylinderverengung i nach dem im Betriebe
wärmeren Arbeitsraumende Q", hin eines unter Vollasttemperatur vollkommen zylindrischen
Zylinders etwa 0,226 mm betragen, während die Rohrsteuerschieberverengung
Z, infolge der Temperatur von etwa 70° C am kühleren Ende Qk des Arbeitsraumes an
der Stelle T3"" und der um etwa 9o° C höheren Temperatur des Rohrsteuerschiebers
am wärmeren Arbeitsraumende Q", an der Stelle T3 etwa 0,247 mm betragen muß, wenn
auch dieser bei Vollast vollkommen zylindrisch sein soll.
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Ein gewisser Ausgleich der Differenzen der Deformationen wird hervorgerufen
durch die inneren Tangentialspannungen, die ihrerseits wiederum durch die Temperaturdifferenzen
längs eines Längsschnittes - hervorgerufen werden.-Ein gewisser Ausgleich der Temperaturdifferenzen
kann auch dadurch erreicht werden, daß man den Eintritt der Spül- und 'Ladeluft
oder des Ladegemisches am wärmeren Arbeitsraumende Q", und den Austritt `cr heißen
Verbrennungsgase am kühleren Arbeitsraumende Qh anordnet. Durch diese Maßnahme wird
die obere, ohnehin schon heißeste Partie des Zylinders i und Rohrsteuerschiebers
3 durch die eintretende Spül-und Ladeluft oder das Ladegemisch stark gekühlt und
die untere, kühle Partie des Zylinders i und Rohrsteuerschiebers 3 durch die austretenden
Verbrennungsgase stark geheizt. Fig. 3 und 4 zeigen schematisch und mit stark vergrößerten
Wärmedeformationen einen derartigen wassergekühlten Arbeitszylinder.
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Noch mehr Bedeutung als für wassergekühlte Maschinen hat der Erfindungsgedanke
für luftgekühlte Maschinen oder Maschinen mit Dampf- oder Äthylenglykolkühlung,
deren Kühlflüssigkeitstemperatur zwischen i 2o und 140'C schwankt. Bei luftgekühlten
Maschinen, insbesondere wenn der Auspuff nahe dem wärmeren Arbeitsraumende Q", erfolgt,
erreicht der Zylinder i um die Auslaßkanäle a herum Temperaturen bis zu 23o° C,
während die Temperatur des Rohrsteuerschiebers 3 daselbst bis auf 26o° C steigen
kann. Die Temperatur des Zylinders i und Rohrsteuerschiebers 3 kann dabei am kühleren
Ende Qh des Arbeitsraumes " zwischen ioo bis i5o° C schwanken. Der dazugehörige
innerste, in das Kurbelgehäuse hineinragende Teil des Rohrsteuerschiebers 3 und
Zylinders i schwankt dann in seiner Temperatur zwischen 7o bis i2o° C.
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Aus den,Fig. i, 2, 3 und 4 ist ersichtlich, daß bei am heißeren Arbeitsraumende
Q,. austretendem Auspuff der unterhalb der Einlaßkanäle b liegende, ins Kurbelgehäuse
hineinragende Teil des Zylinders i und Rohrsteuerschiebers 3 vollkommen zylindrisch
hergestellt werden kann, während bei am kühleren Arbeitsraumende Ql, austretendem
Auspuff diese unteren Teile unter Umständen noch teilweise konisch gemacht werden
müssen, falls das festgelegte Spiel zwischen dem Zylinder i und dem Rohrsteuerschieber
3 während einem Hinundhergang des Rohrsteuerschiebers 3 konstant sein soll.
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In kaltem Zustand und beim Anfahren der Maschine sind diese Bedingungen
nicht erfüllt.
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Aber gerade dadurch ist der Wärineübergangswiderstand vom Rohrsteuerschieber
3 zum Zylinder i groß. Der Rohrsteuerschieber 3 heizt sich demzufolge durch die
Wärme der Brenngase rasch auf und dehnt sich dabei aus, dabei wird der Abstand zwischen
Rohrsteuerschieber 3 und Zylinderwand
i und demzufolge auch der
Wärmeübergangswiderstand immer kleiner. Der Wärmefluß vom Rohrsteuerschieber 3 zum
Zvlinder i nimmt deshalb immer mehr zu, bis sich schließlich bei einem bestimmten
Temperaturverlauf längs einem Längsschnitt durch den Zylinder i und Rohrsteuerschieber
3 ein Gleichgewichtszustand einstellt, bei dem die vom Rohrsteuerschieber 3 aufgenommene
und die von ihm abgegebene Wärmemenge gleich ist.
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Der Rohrsteuerschieber 3 wird zweckmäßig so gestaltet, daß seine Dicke
s, quer zur Schieb Brachse klein ist im Verhältnis zu seinem Durchmesser. Das Temperaturgefälle
in einem solchen Rohrsteuerschieber 3 *von seiner wärmeaufnehmenden Innenseite zu
seiner die Wärme an die Zylinderwand i abgebenden Außenseite ist klein; der Rohrsteuerschieber
3 wird also an keiner Stelle übermäßig heiß. Im weiteren ergibt ein solcher Rohrsteuerschieber
auch dann noch eine gute Wärmeleitung, gute Laufeigenschaften und eine gute Abdichtung,
wenn der Zylinderquerschnitt von der genauen Kreisform infolge ungleicher Temperaturverteilung,
ungleicher Abnützung o. dgl. abweicht, weil der dünne, gut biegsame Rohrsteuerschieber
3 nicht nur durch das bei seiner Erwärmung in ihm wirksame Ausdehnungsbestreben
auch in diese nicht genau kreisförmige Querschnitte hineingesprengt wird, sondern
weil er einem daraus resultierenden örtlichen Druck durch den Zylinder i, ohne sich
stark abzunützen oder gar zu fressen, elastisch nachgibt und sich dieser Fläche
anschmiegt.
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Ein derartiger Rohrsteuerschieber hat außer geringsten Klassenkräften
noch die günstige Eigenart, daß er während der Dauer der höchsten Verbrennungsdrücke
im Arbeitsraum D von den hochgespannten Gasen elastisch und vollkommen gleichmäßig
gegen den Zylinder i gepreßt wird, er sichert so im Zeitpunkt größten Druckes und
größter Temperatur im Arbeitsraum eine einwandfreie Abdichtung und Wärmeableitung.
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Bei Maschinen, bei denen sämtliche obigen Maßnahmen bei der Herstellung
getroffen wurden und bei denen einerseits der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials
des Zylinders i in den auftretenden Betriebstemperaturbereichen ungefähr gleich
ist wie derjenige des Rohrsteuerschiebers 3 und andererseits die aufeinandergleitenden
Materialien derart gewählt werden, daß sie bestmögliche Laufeigenschaften aufweisen,
können die üblichen, rechtwinklig zur Zylinderachse verschiebbaren Dichtungsringe
e' vollständig weggelassen werden, falls die Passung der zum Zweck der Abdichtung
des Arbeitsraumes 0 einander überdeckenden Flächen F3 des äußeren
Rohrsteuerschieberendes einerseits und der außerhalb der Ein- oder Auslaßschlitze
nahe dem äußeren Arbeitsraumende liegenden Zylinderflächen F1 andererseits derart
gewählt wird, daß diese zum mindesten bei leichtem inneren Überdruck elastisch gegeneinandergepreßt
werden.
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Die Ausführungsformen der in Fig. 5 bis i i dargestellten Steuerungs-
und Abschlußteile der genannten Arbeitszylinder erfüllen diese Voraussetzungen restlos.
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Bei solchen Abdichtungen wird mit Vorteil das steuernde, überlappende
äußere Ende des Rohrsteuerschiebers 3 in seiner ganzen oder teilweisen axialen Breite
auf der Innenseite des Rohrsteuerschiebers auf einen Bruchteil der Rohrsteuerschieberwandstärke
s3 zylindrisch oder konisch heruntergearbeitet. Diese dünne Steuerkante legt sich
dann bei geringstem Überdruck im Arbeitsrauäi federnd gegen die Zylinderfläche F,
und sichert außer einem leichten Lauf sowohl beim Anfahren aus kaltem Zustand wie
bei jeder Betriebstemperatur und Belastung eine einwandfreie Abdichtung auch noch,
wenn ein Laufspiel von o bis I/loo mm vorhanden ist. Fig. 5 bis 7 zeigen drei Ausführungsformen
von derartigen Steuerkanten 3, im oberen Totpunkt. In Fig. 5 und 7 ist das.
abdichtende Schieberende F3 auf der Innenseite zylindrisch und in Fig.6 kegelig
auf geringere Wandstärke heruntergearbeitet. In der Ausführungsform gemäß Fig.7
ist zu äußerst noch ein Verstärkungswulst V übriggelassen worden. Die gestrichelten
Linien zeigen dieselben Steuerkanten 3, im unteren Totpunkt. Die strichpunktierten
Linien zeigen eine andere Ausführungsform der Dichtungsfläche F3 und der Fläche
im Bereiche der Steuerscblitze des Zylinders.
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Die Fig. 8 bis. i i zeigen vier Ausführungsformen des Rohrschieberaberteiles
im oberen Totpunkt mit einer vollkommen selbständigen Abdichtung des Arbeitsraumes
durch den Rohrsteuerschieber 3 und den Zylinder i ohne Zuhilfenahme der üblichen
radial verschiebbaren Dichtungsringe, auch bei kalter Maschine und ohne inneren
Überdruck, bewirkt durch die sich elastisch gegen den Zylinder i stemmende Rohrsteuerschieberabdichtungsfläche
F3. Dies wird dadurch erreicht, daß der zur Abdichtung überlappende Teil F3 des
Rohrsteuerschiebers 3 bei maximaler Überdeckung an seiner Wurzel, also gegenüber
der oberen Steuerkante a"-b" der Steuerschlitze a-b im Zylinder i, dieser gegenüber
einUntermaß (Spiel) beispielsweise von o bis einigen 1/10o mm aufweist, das durch
konische, stetige Erweiterung der überlappenden Fläche F3 des Rohrsteuerschiebers
3 der festen Steuerkante a"-b" gegenüber im Zylinder
i sich in
ein Übermaß M von einigen Ihoo mm umgewandelt hat. In manchen Fällen wird es von
Vorteil sein, die ganze äußere Hälfte oder das äußerste oder zweitäußerste Drittel
oder Viertel der Überlappenden Fläche Fg des Rohrsteüerschiebers 3 oder den innersten,
die Steuerkante a"-b" enthaltenden Teil der überlappenden Fläche F1 des Zylinders
i mit dem geeigneten Übermaß M zu versehen.
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Die zugehörigen Zylinderdeckel z und Arbeitskolben q. kommen hier
in gleicher oder ähnlicher Form und Lagemöglichkeit zur An--,vendung, wie sie in
Fig. 5 bis 7 eingezeichnet sind.
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Die Figuren unterhalb der Fig. 8 bis i i stellen die zu diesen gehörenden
oberen Rohrsteuerschieberenden in demontierter, also aus dem Zylinder i herausgezogener
Lage dar. Es ist daraus deutlich ersichtlich, daß die Dichtungsflächen F3 um den
Abstand M der beiden vertikalen dünnen Linien in den Figuren radial herausgefedert
sind. Dieser Abstand M stellt das maximale obige Übermaß dar. Das um dieses Übermaß
durch die zylindrische Dichtungsfläche F1 des Zylinders i zu einem Zylinder zusammengepreßte
steuernde Ende des Rohrsteuerschiebers 3 be--wirkt dann bei kalter Maschine und
ohne inneren Überdruck eine einwandfreie Abdichtung und trotzdem einen leichten
Lauf, denn der Konstrukteur hat es in der Hand, durch Wahl der Übermaße M und ihres
Verlaufes sowie der Stärke der steuernden Kante 3, und der Überlappungsfiä,che
F3 die elastische Kraft, mit der die Flächen F1 und F3 gegeneimanderg@epneßt werden,
so zu wählen, daß ein dazwischenliegender Ölschleier niemals verdrängt oder zerrissen
oder sionstwie örtlich zerstört wird, sondern vielmehr eine einwandfreie Anschmiegung
der Rohrsteuerschieberkante an den Zylinder auch bei Anfahren -der Maschine eintritt.
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Die Fig. i i veranschaulicht eine Ausführungsform der Abdichtung für
Maschinen, bei denen der Auspuff durch das Rohrschieberende 3, gesteuert
wird, oder bei denen die Breite der gesteuerten Schlitze 9 im Zylinder groß ist
in bezug auf ihre Höhe. Für solche Maschinen dürfte es von Vorteil sein, die Herunterarbeitung
der Wandstärke des überlappenden Endes des Rohrsteuerschiebers 3 auf ein geringes
Maß nicht über die Steuerkante 3, hinaus, sondern nur um etwa eine Rohrsteuerschieberwandstärke
s an diese heran auszuführen, so daß die Steuerkante selbst einen Verstärkungswulst
V dieser dünnen, radial federnden Endfläche bildet, wobei mit oder ohne Wulst L'
an der äußeren Lauffläche F3 des Rohrsteuerschiebers 3 im Bereiche der Steuerkante
ä'-b" der Schlitze a-b im Zylinder die Passung der äußeren festen Steuerkante, vorzugsweise
sogar als Untermaß, beispielsweise zwischen o und einigen 1/1o0 mm ausgeführt wird.
Der Verstärkungswulst V verhindert dann einerseits bei nahe dem oberen Arbeitsraumende
austretenden Auspuffgasen ein Zuheißwerden des dünnen, fiedernden Teiles F3 und
örtliches Verbrennen des Ölschleiers und andererseits im Verein mit dem Untermaß
der Passung des Steuerflächenendes ein zu starkes Hineinspringen der federnden Abdichtungsfläche
in die Schlitze a-b im Zylinder i beim Übergleiten derselben.
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Der Übergang von einer Passung zur andern am Rohrsteuerschieber 3
oder Zylinder i erfolgt vorzugsweise durch kaum bemerkbare, konisch verlaufende
übergangsflächen K, oder, falls verschiedene Paßflächen vorhanden sind, werden die
Übergänge vorzugsweise auch in obiger letzterer Form ausgeführt, und falls es möglich
ist, am Zylinder in den Bereich der Steuerschlitze gelegt. In den Fig. 5 bis il
sind diese konischen Übergangsflächen K von einer Paßfläche zur andern in mehreren
Ausführungsformen eingezeichnet.