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Verbrennungsmotor mit Drehschieber Die Erfindung 'hezieht sich auf
Zweitaktverbren.-nungsmotoren, bei welchen 'knapp vor dem Boden des Zylinderkopfes
ein Drehschieber angeordnet ist, der im Zylinder abgedichtet umläuft und wenigstens
eine Öffnung aufweist, die dazu dient, das Zylinderinnere nacheinander mit zumindest
einer Lufteinlaßöffnung, einem Brennstoffeinspritzer und einer Zündkerze zu verbinden,
welch letztere beide von dem Zylindergetragen, werden. Das Wesen der Erfindung besteht
darin, daß die Öffnung des Drehschiebers aus einer Ausnehmung besteht, die in die
zylinderförmige Außenfläche des Drehschiebers und in seine dem Zylinderinnern zugekehrte
Fläche mündet. Weitere Kennzeichen der Erfindung gehen aus der Berschreibung hervor.
In der nur als. Beispiel gebrachten Zeichnung stellt dar Abb. i eine Seitenansicht
des Oberteils des. Zylinders und Zylinderkopfes im Schnitt, mit Schieber, Abb. -
eine Vorderansicht im Schnitt nach Linie a-2 in Abb, i, mit dem Schieber in Lufteinlaßste'llung,
Abb. 3 einen Ouerschnitt des Oberteils des Zylinders und des Schiebers. nach Linie
3-3 in Abb. 2, mit dem Einspritzer und der Zündkerze, wobei der Schieber um 5° hinter
der Höchstöffnungsstellung verrückt und der Kolben am unteren Totpunkt dargestellt
ist,
Abb.4 eine perspektivische Ansicht des Drehschiebers, Abb.
5 eine Ansicht des Drehschieberringes, Abb. 6 eine graphische Darstellung des Schiebers
mit,dem Verhältnis zwischen Auspuff und Bohrungen des Schiebers, Abb.7, 9, 1i, 13
schematische, perspektivische Querschnitte des Motors in der Höhe des Schiebers
für die verschiedenen Sehieberstellungen, Abb. 8, 1o, 12, 14 Längsschnitte des Motors
zu Abb.7, 9, 1r, 13 und Abb. 15 einen schematischen Längsschnitt durch den
Zylinder, wobei das Prinzip der Einspritzung auf beide Flächen des Schiebers gezeigt
wird.
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Gemäß dem dargestellten Ausfü Ehrungsbeispiel weist der Motor, der
der Einfachheit halber als einzylindrig angenommen ist, ein Gehäuse und eine (nicht
dargestellte) Kurbelwelle auf, welch letztere über ein (nicht dargestelltes) Getriebe
einen nachher beschriebenen Drehschieber antrei t, der bei einer Drehung der Kurbelwelle
eine Halbdrehung ausführt.
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Auf dem Gehäuse ist ein Zylinderblock z5 (Abb. z und 2) befestigt,
wobei darüber ein Zylinderkopf 26 vorgesehen ist. Dieser wird von einem zylindrischen
Mantel 29 zentriert, der an seinen beiden Enden einerseits in dem (nicht dargestellten)
unteren Teil im Gehäuse; andererseits, bei 31,
im Zylinderkopf einsgelassen
ist und in dem sich ein Kolben 37 der üblichen Art verschiebt.
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Der innere Zylindermantel 29 weist zwei einander diametral gegenüberliegende
Auspufföffnungen 40 auf, denen im Zylinderblock 25 zwei Auspufföffnungen4i entsprechen.
DieseAuspufföffnungen befinden sich in solcher Höhe, daß sie von dem Kolben 37 kurz
vor dessen unteren Totpunkt freigegeben werden (z. B. 30° Kurbelwinkel vor unterem
Totpunkt).
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Im oberen Teil des inneren Zylindermantels 29, d. h. in Nähe des Bodens
42 des Zylinderkopfes 26, kann ein Drehschieber 43 sich um die Achse C-C drehen.
Dieser in Abb. 4, 7, 9, 1z und 13 perspelktivisch und in den übrigen Abhildungen,
außer Abb. 5 und, 6, im Schnitt dargestellte Drehschieber besteht aus einem vorzugsweise
aus Leichtmetall oder aus Tiefziehstahl gefertigten Zylinder. Seine dem Boden 42
des Zylinderkopfes 26 zugerichtete Fläche 44 ist 'konkav, paßt sieh dieser Bodenfläche
an und ist von diesem Boden 42 durch einen Abstand 42a getrennt, der größer ist
als der Abstand " zwischen der unteren. Fläche des Schiebers und der oberen Fläche
des Kolbens, wenn sich dieser am oberen Totpunkt befindet, während seine entgegengesetzte,
ebenfalls konkave Fläche 45 vorzugsweise die Form einer Kugelschale hat. Die beiden
Flächen 44 und 45 stehen durch zwei einander diametral gegenüberliegende, zwecks
Gewichtsverminderung und Druckausgleich vorgesehene Längsbohrungen 46 in Verbindung.
Außerdem besitzt der Drehschieber zwei Einlaßöffnungen 47, 47a, die symmetrisch
zu der durch die Achsen der Bohrungen46 bestimmten DiametralebeneX-X angeordnet
sind (Abb. 3). Eine jede dieser Einlaßöffnungen 47 und 47a ist weiter symmetrisch
zu der auf der Ebene X-X senkrecht stehenden Diametralebene Y-Y ,gestaltet und mündet
in die Zylinderfläche des Drehschiebers durch eine seitliche Öffnung 48 bzw. 48a
(Abb. 2 und 3). Die Abdichtung zwischen dem Drehschieber 43 und dem inneren Zylindermantel
29 erfolgt durch einen federnden, bei 5o aufgeschlitzten Drehschi@berring 49 (Abb.
i, 2, 3, 5). Der Dichtungsring weist Wülste 51 auf, die in entsprechende kreisförmige
Ausnehmungen. 52 und 52a in der zylindrischen Fläche des Schiebers (Ab'b. 4.) eingreifen.
Der Dichtungsring 49 weist ferner zwei .einander diametral gegenüberliegende Öffnungen
53 und 53" auf (Abb. 5), die mit den seitlichen Öffnungen 48 bzw. 48a des
Drehschiebers 43 übereinstimmen. Diese Übereinstimmung, wird durch irgendein geeignetes
Mittel gewährleistet, z. B. durch einen Vorsprung 54 (Abb. 4) auf der Zylinderfläche
des Drehschiebers 43, der in den Schlitz 5o des Dichtungsringes 49 hineinragt. Diese
immer in Übereinstimmung befindlichen Öffnungen 48, 48a und 53, 53a sollen zusammenarbeiten
mit a) zwei indem inneren Zylindermantel 29 einander diametral gegenüberliegenden
Einlaßöffnungen 55 und 55a (Abb.2 und 3) für die verdichtete Spülluft und den Brennstoff,
die mit den Bohrungen 56 bz:w. 56a des Zylinderblockes 25 übereinstimmen; an letztere
sind Lufteinlaßleitungen 57 bzw. 5711 (Abb. 2) angeschlossen, die, wie üblich, parallel
mit der Auslaßseite eines üblichen, nicht dargestellten, von dem Motor angetriebenen
Verdichters verbunden sind, dessen Antrieb durch ein Getriebe vermittelt wird; b)
einem Einspritzer 61 (Abb. 3 und 7) für das Gemisch aus Brennstoff und Primärluft;
die Achse C-C dieses Einspritzers schließt mit der Achse F-F einen Winkele ein (Abb.
3) ; c) einer Zündkerze.62, deren Achse H-H mit der genannten Achse F-F einen Winkel
b einschließt (Abb. 3).
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Der in Richtung des Pfeiles f1 (Abb. 3 und 7) mit 'halber Drehzahl
der Kurbelwelle umlaufende Drehschieber 43 wird wie folgt gehalten und angetrieben
Er trägt auf seiner Fläche 44 eine mit der Achse C-C koaxiale, zylinderförmige Verlängerung
63. Dieselbe besitzt eine axiale Bohrung 64, die sich in einer Gewindebohrung 65
kleineren Durchmessers fortsetzt. In diese Gewindebohrung ist das mit Außengewinde
versehene Ende 66 einer kurzen Achse 67 eingeschraubt, die bei 68 eine Absetzung
aufweist (Abb. r und 2). Gegen diese Absetzung stützt sich der Drehschieber 43.
mittels der eigenen Absetzung zwischen dem glatten. Teil 64 und dem Ge%vindeteil65
seiner axialen Bohrung ab. Am anderen Ende besitzt die Achse 67 einen Bund 6811,
mittels welchen sie sich gegen ein Lager 69 abstützt, in dem sie sich dreht. Dieses
Lager. ist in einer mit der Achse C-C koaxialen Ausdrehung 70 des Zylinderkopfes
26 eingelassen.
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Der Drehschieb-er43 dreht sich seinerseits mittels seiner Verlängerung
63 in einem anderen Lager 71, dasvoneiner in dem Zylinderkopf26eingeschraubten Hülse
gebildet wird. Zwischen den beiden Lagern 69 und 71 ist ein Kugeldrueklager 72 eingeschaltet.
Auf
dem aus dem Zylinderkopf 26 herausragenden Ende der Achse
67 ist ein Zahnrad 73 aufgekeilt. Dieses Zahnrad steht über ein sich um eine Achse
75 frei drehendes Zwischenzahnrad 74 (Abb. i) mit einem weiteren Zahnrad 76 in Verbindung,
das auf einer Welle 77 aufgekeilt ist, deren Achse 1-I parallel zur Längsachse
C-C verläuft. Die drei Zahnräder 73, 74, 76 sind in einem Gehäuse untergebracht,
das aus einer in den Zylinderkopf 26 eingelassenen Ausnehmung 78 und einem auf diesen
Zylinderkopf aufgesetzten Deckel 79 gebildet wird. Dieses Gehäuse ist mit
einem Schmiermittel gefüllt, das einerseits durch eine Spiralnut 8o in der Achse
67 zu den Lagern 69 und 71 und dem Kugeldrucklager 72 und andererseits auf die Reibungsflächen
des federnden Dichtungsringes 49 zwischen dem Drehschieber 43 und dem inneren Zylindermantel
29 gelangt, letzteres durch einen mit dem Ende der Spiralnut 8o durch eine Querbohrung
sla verbundenen axialen Kanal 81 (Abb. i und 3) und einen Querkanal 82 (Abb. i bis
3), der den Drehschieber 43 und den Dichtungsring 49 in radialer Richtung durchsetzt.
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Die Welle 77 wird durch die Kurbelwelle des Motors angetrieben, und
zwar über (nicht dargestellte) Getriebe, die ebenso die (nicht dargestellte) übliche
Einspritzpumpe betätigen, welche den Einspritzer 61 speist.
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Die Winkelversetzung des Schiebers 43 ist derart, daß am Ende eines
Arbeitsganges (A:bb. 2, 8), wenn die Kurbelwelle am unteren Totpunkt in (Abb. 6)
angelangt ist und der Kolben 37 die Auspufföffnungen .1.o freigegeben hat, die Öffnungen
48 und 4811 des Schiebers nahezu gegenüber den Einlaßöffnungen 55 und 55a des Mantels
29 liegen, jedoch mit einer Nacheilung um 5 bzw. io°, auf das Schwungrad bezogen
(Kurbelwinkel).
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Mit anderen Worten: die Achse Y-Y der Öffnungen 47 und 47a bildet
im unteren Totpunkt des Kolbens mit der Achse der Öffnungen 56 und 56a (Abb.3) einen
Winkel von 5°.
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Es seien cd und e f die Durchmesser dieser Bohrungen
48 bzw. 48a und 56 bzw. 56a, a. und b die Winkel der Achsen G-G und H-H des
Einspritzers 61 und der Kerze 62 mit der Achse F-F. Diese verschiedenen Größen sind
so gewählt, daß der Arbeitsgang des Motors wie nachstehend erfolgt: Es wird besonders
Bezug genommen einerseits auf das Diagramm in Abb. 6, in der der Umfang 11 die Stellung
des Zapfens der Kurbelwelle beim Durchlaufen vom unteren Totpunkt m bis wieder zu
diesem Totpunkt über den oberen Totpunkt q darstellt, wo-bei dieser Zapfen sich
im Sinne des Pfeiles dreht und der Schieber schematisch im Innern dieses Umfanges
K dargestellt ist, andererseits auf die schematischen Darstellungen in Abb. 7 bis
14. Wäjhrend die Kurbelwelle dabei eine Umdrehung vollführt, macht der Schieber
43 eine halbe Umdrehung.
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Unter dieser Voraussetzung befindet sich der Zapfen am Beginn eines
Arbeitsganges an seinem unteren Totpunkt m (Abb. 6). Die Organe befinden sich in
der Stellung von Abb. 7 und B. Dabei fallen die Einlaßbohrungen 48, 48" und 55,
55a nahezu zusammen, da sie nur um einen Nacheilungswinkel von 5° (Abb. 7) versetzt
sind. Die Frischluft 92 (Abb.8)bewirkt eine vollständige Spülung des Zylinders,
und die letzten Spuren von Verbrennungsgasen entweichen bei 93 durch die beiden
Bohrungen 40 und 41.
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Nach einer Drehung' mit (Abb. 6) erreicht die Achse des Zapfens den
Punkt ib, der der vollständigen Schließung der Auspufföffnungen 4o durch den Kolben
entspricht. Wie aus der graphischen Darstellung in Abh. 6 hervorgeht, hängt diese
Drehung in r2 offenbar von der Höhe h der Öffnungen 4o ab. Beispielsweise
wurde dieser Winkel mit mit 6o° an der Kurbelwelle angegeben bzw. 3o°-Drehung des
Schiebers.
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Nun beginnt die Kompression. Die Öffnungen 47 und 47a sind dann in
der in Abb.6 gezeigten Stellung, d. h. die Öffnungen 55 und 55a sind fast zugedeckt,
bei einer Nacheilung um etwa 5°. Dieses Ergebnis wird erzielt, indem den Bögen
c d und e f
Werte verliehen werden, die im entsprechenden Verhältnis
zum Bogen mit stehen. Letzterer hängt selbst, wie oben bemerkt, von der Höhe
der Öffnungen 4o ab. Auf dem Schema entsprechen diese Bögen Winkeln von 30°.
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Die Kompression geht weiter bis zu der Stellung, bei der die Öffnung
4811 den Einspritzer 61 (Abb. 9) freigibt. Die Einspritzung kann in jedem Augenblick
des Vorbeiganges der Öffnung 48a vor dem Einspritzer (s. Abb. 9) erfolgen oder auch
während der ganzen Dauer dieses Vorbeiganges. Da indessen die Drehung weitergeht,
wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch 94 «-eiter bis zur Stellung in Abb. i i und 12
zusammengedrückt. In diesem Augenblick hat der Schieber, der eine Vierteldrehung
vollführt hat, den Einspritzer wieder verdeckt, und die zweite Öffnung 48 ist um
etwa 5° gegen die Achse E-E zurückgeblieben und hat die Zündkerze 62 freigegeben.
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Der Funke kann in jedem beliebigen Augenblick des Vorbeigehens der
Öffnung 48 vor der Kerze erfolgen. Man kann also einen gewissen Vorauswinkel bei
der Zündung erreichen oder diesen Winkel verschieden gestalten.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel (Abb. 3) ist die Achse des
Einspritzers 30° nacheilend gegen die Achse E-E angeordnet und die Achse der Zündkerze
um i7o° voreilend, mit anderen Worten, der Winkel rz = 6o° und der Winkel b = 8o°.
Es ist leicht festzustellen, daß, wenn die Kurbelwelle eine Drehung um i8o° ausgeführt
hat, um zum oberen Totpunkt zu gelangen und der Schieber sich während dieser Zeit
um 90° gedreht 'hat, die Achse Y-Y der Öffnung 48 um 5° gegenüber der Achse E-E
nacheilt. Da die Bohrung 48 einen Öffnungswinkel von 30° aufweist, so ergibt sich
daraus, daB d!ie Achse der Zündkerze im oberen Totpunkt dieses Winkels liegt, und
zwar von 4o° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt des Zapfens bis 2o° nach diesem.
Man hat daher einen großen Spielraum für die Regelung der Zündung.
Einige
Augenblicke nach der Zündung (gemäß dem für die Zündung gewählten Voreilungswinkel)
geht der Zapfen durch den oberen Totpunkt q, und die Entspannung beginnt. Sie setzt
sich über einen Kurbelwinkel von i2o° fort bis zu denn Augenblick, wo in einer zu
x mit Bezug auf die Linie m-q symmetrischen Stellung r des Kurbelzapfens
der Kolben 37 die Auspufföffnungen 40 und 41 freizugeben beginnt. Nach einer weiteren
Drehung der Kurbelwelle um io° fallen die Öffnungen 48a und 48 neuerlich mit den
Einlaßöffnungen 55a und 55 für die Frischluft 92 zusammen, und die Ausspülung der
verbrannten Gase beginnt. Die Abb. 13 und 14 stellen, die Organe des Motors während
dieser Spülung dar.
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Es sei bemerkt, daß der Schieber vollkommen entlastet ist. Die Einspritzung
erfolgt auf beide Flächen, wie in Abb. 15 dargestellt. Diese zeigt den Kraftstoffstrahl
auf die Räume unter und über dem Schieber verteilt. Im Augenblick der Explosion
ist der Drehschieber also keiner übermäßigen. Beanspruchung unterworfen, da dank
der beiden Längsbohrungen 46 und den: Öffnungen 47, 4711 der Druck gleichzeitig
auf seine beiden Flächen 44 und 45 einwirkt. Er kann also, wie bereits erwähnt,
in Leichtmetall ausgeführt werden, und da er außerdem mit der halben Umdrehungsgeschwindigkeit
der Kurbelwelle umläuft, kann man hohe Motordrehzahlen erreichen, ohne daß einerseits
die für die Drehung dieses Drehschiebers erforderliche Energie erheblich ist, andererseits
die Trägheitskräfte beim Anlaufen oder Anhalten oder die Fliehkräfte während der
Drehung die geringste Verformung dieses Drehschiebers bewirken können, er also praktisch
,keinerlei Abnutzung unterworfen ist.
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Der erfindungsgemäße Motor weist die folgenden hauptsächlichen Vorteile
auf: Der Drehschieber gestattet infolge der durch seine Drehung bewirkten Gasdurchwirbelung,
ein sehr homogenes Luft-Brennstoff-Gemisch zu erzielen; die Frischluft legt einen
schraubenförmigen Weg zurück (Abb. 8), der während des Wiederansteigens des Kolbens
37 anhält und jedes Stagnieren einerseits der Frischluft.92 und andererseits vor
allem der verbrannten Gase verhindert; man vermeidet also sicher die Entstehung
heißer Stellen in dem Innenmantel 29 oder auf dem Kolben 37.
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Da solche heißen Stellen im übrigen auch nicht im Drehschieber 43
entstehen können, weil letzterer durch die Frischluft energisch ventiliert und gekühlt
wird, kann man sogar mit Benzin .oder ähnlichen Brennstoffen ohne Explosionsgefahr
sehr hohe Verdichtungen (über 16fach) erreichen.
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Dieser so ermöglichte sehr hohe Verdichtungsgrad wird dadurch erzielt,
daß die Einspritzung in einem Kurbelwinkelabstand von ungefähr 6d°' (Abb. 6) vor
oberem Totpunkt stattfindet. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, den. Brennstoffverbrauch
herabzusetzen, welche Verminderung durch die obengenannte Verdichtungssteigerung
mehr als wettgemacht wird. Infolge der verschiedenen oben angeführten Vorteile ist
bei gleichem Zylinderinhalt die von dem Motor entwickelte Leistung erheblich höher
als die der gebräuchlichen Motoren.