DE102009053591A1

DE102009053591A1 - Two-stroke engine has external charging and crankcase separated from cylinder, where combustion air is delivered by turbocharger or another charging body

Info

Publication number: DE102009053591A1
Application number: DE102009053591A
Authority: DE
Inventors: Christian Bartsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-05-19

Abstract

The two-stroke engine has an external charging and a crankcase separated from the cylinder (1). The combustion air is delivered by a turbocharger or another charging body. The fresh air flow is directed against the piston (4) and the outlet section. One or some of the inlet channels (3) are not directed straight into the cylinder but are arranged so that the fresh gas load is set in rotation.

Description

Die grundsätzlichen Probleme vorzugsweise schlitzgesteuerter Zweitakt-Verbrennungsmotoren wurden in der DE 40 28 757 C2 dargelegt und die Notwendigkeit kontinuierlich veränderbarer Steuerorgane beschrieben. Insbesondere die in 3, 4 und 5 der obigen DE gezeigten Druckdiagramme dokumentieren mit großer Klarheit, warum es bis heute nicht gelang, einen Zweitaktmotor herzustellen, bei dem die Zufuhr von Verbrennungsluft in den Zylinder ausschließlich durch einen Abgasturbolader erfolgt. Ein an einem konventionellen Zweitaktmotor hinter dem Auslassschlitz angebrachter Abgasturbolader wird durch die im Abgassystem hin- und herlaufende Druckwelle mit einem derartig geringen Druckgefälle vorlieb nehmen müssen, dass er nicht in der Lage ist, die benötigte Frischgasmenge zu fördern, die bei niedriger Last und Drehzahl außerdem zu einem überwiegenden Teil durch den Auslassschlitz verloren geht.The basic problems of preferably slot-controlled two-stroke internal combustion engines have been found in the DE 40 28 757 C2 described and the need for continuously variable tax organs described. In particular, the in 3 . 4 and 5 The pressure diagrams shown in the above DE document with great clarity why until today it was not possible to produce a two-stroke engine in which the supply of combustion air into the cylinder takes place exclusively by means of an exhaust-gas turbocharger. An exhaust gas turbocharger mounted on a conventional two-stroke engine behind the exhaust port will have to make do with the pressure wave reciprocating in the exhaust system with such a small pressure drop that it will not be able to deliver the required amount of fresh gas at low load and speed for the most part is lost through the outlet slot.

Als die DE 40 28 757 C2 vor über 20 Jahren entwickelt wurde, standen für Motoren mit kleinen Hubräumen noch keine Abgasturbolader zur Verfügung. Diese Situation hat sich seither durch das Downsizing von Otto- und Dieselmotoren erheblich verbessert, so dass auch ein Zweitaktmotor mit einem Hubraum von einem Liter oder weniger mit einem Abgasturbolader aufgeladen werden kann. Dabei bietet der Zweitaktmotor das einzige Verfahren, um ein Downsizing mit kleinerem Hubraum bei gutem Wirkungsgrad unterhalb der Viertaktmotoren durchzuführen und zugleich Bauraum, Gewicht und Kosten einzusparen.As the DE 40 28 757 C2 Developed over 20 years ago, exhaust gas turbochargers were not yet available for small displacement engines. Since then, this situation has improved considerably as a result of the downsizing of gasoline and diesel engines, so that a two-stroke engine with a displacement of one liter or less can also be charged with an exhaust gas turbocharger. The two-stroke engine offers the only method to carry out a downsizing with smaller displacement with good efficiency below the four-stroke engines and at the same time save space, weight and cost.

Einen Zweitaktmotor mit festen, symmetrischen Steuerzeiten hat zum Beispiel Detroit-Diesel in den USA u. A. für die Greyhound-Autobusse hergestellt. Da der Abgasturbolader im unteren bis mittleren Drehzahlbereich des Motors unwirksam war, wurde ein mechanisch angetriebener Lader hinzugefügt, der bis in den mittleren Drehzahl und Lastbereich des Motors für die benötigte Frischgasmenge sorgen sollte. Wegen der enormen Spülverluste solcher Motoren mit festen Steuerzeiten reichte selbst das nicht aus, so dass als dritter Lader ein solcher mit rein elektrischem Antrieb nachträglich angebracht werden musste. Erst mit diesem gelang es, einigermaßen rauchfreien Betrieb beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen zu erreichen.A two-stroke engine with fixed, symmetrical timing has, for example, Detroit diesel in the US u. A. manufactured for the Greyhound buses. Since the exhaust gas turbocharger in the lower to medium speed range of the engine was ineffective, a mechanically driven supercharger was added, which should provide up to the middle speed and load range of the engine for the required amount of fresh gas. Because of the enormous flushing losses of such engines with fixed timing even this was not enough, so that as a third loader such had to be attached later with purely electric drive. Only with this it was possible to achieve reasonably smoke-free operation when accelerating from low speeds.

Auch in Deutschland wurden fremdaufgeladene Zweitaktdiesel gefertigt, so auch von Hanomag, die einen solchen Motor für kleine Landmaschinen und Traktoren entwickelten. Er hatte eine ölgeschmierte Kurbelwelle mit Gleitlagern und einen mechanisch von der Kurbelwelle angetriebenen Lader, der die Verbrennungsluft über Spülschlitze in den Zylinder förderte. Wegen der für symmetrische, feste Steuerzeiten üblichen Spülverluste waren Drehmoment und Leistung zu gering.Also in Germany, externally charged two-stroke diesel were manufactured, including Hanomag, which developed such an engine for small agricultural machinery and tractors. He had an oil-lubricated crankshaft with plain bearings and a mechanically driven by the crankshaft loader, which promoted the combustion air through scavenging slots in the cylinder. Because of the usual for symmetrical, fixed timing flushing losses torque and power were too low.

Ähnliche Erfahrungen machte auch die AVL mit einem Versuchsmotor, der als Diesel mit direkter Einspritzung ausgelegt war. Die Kombination aus Abgasturbolader und mechanisch angetriebenem Lader war nicht in der Lage, die Spülverluste bei festen Steuerzeiten so weit zu kompensieren, dass im unteren Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment erreicht werden konnte.Similar experiences made the AVL with a test engine, which was designed as diesel with direct injection. The combination of exhaust gas turbocharger and mechanically driven supercharger was not able to compensate the purge losses at fixed control times so far that a high torque could be achieved in the lower speed range.

Voraussetzung für den Betrieb eines Zweitaktmotors mit Fremdaufladung ist der in der obigen DE beschriebene Auslassdrehschieber, mit dem die Auslasssteuerzeiten kontinuierlich verändert werden können. Einfache Klappen, wie sie vorzugsweise von den japanischen Motorradherstellern eingeführt wurden, erzielen nicht den gleichen Effekt. Sie sollten lediglich bei niedrigen Drehzahlen und Lasten den Vorauslaß reduzieren, um wenigstens einen Teil der Frischgasverluste zu vermeiden. Völlig verhindern kann man die Frischgasverluste damit nicht, so dass die Wirkungsgrade solcher Motoren im unteren Drehzahl- und Lastbereich immer noch viel zu niedrig liegen. Zudem sorgen sie für die vermehrte Einmischung von verbranntem Gas in die Frischgasladung. Diesen Effekt nutzte etwa Honda für Zweitaktmotoren, die im unteren Drehzahlbereich mit Selbstzündung betrieben wurden. Honda hat diese Entwicklung zugunsten von Viertaktmotoren aufgegeben.The prerequisite for the operation of a two-stroke engine with external charging is the exhaust rotary valve described in the above DE, with which the exhaust control times can be changed continuously. Simple flaps, as they were preferably introduced by the Japanese motorcycle manufacturers, do not achieve the same effect. They should only reduce the pre-vent at low speeds and loads to avoid at least some of the fresh gas losses. You can not completely prevent the fresh gas losses so that the efficiencies of such engines in the lower speed and load range are still far too low. In addition, they ensure the increased interference of burned gas in the fresh gas charge. Honda used this effect for two-stroke engines, which were operated in the lower speed range with auto-ignition. Honda has abandoned this development in favor of four-stroke engines.

Eine weitere Voraussetzung für einen modernen, fremdaufgeladenen Zweitaktmotor ist das gegen den Zylinder abgeschlossene Kurbelgehäuse. Dadurch können Kurbelwellen- und Pleuellager als Gleitlager ausgeführt werden, die auf übliche Weise durch eine Ölpumpe mit Schmieröl versorgt werden. Da die Kolben von leistungsfähigen Zweitaktmotoren thermisch sehr hoch belastet werden, lassen sie sich durch Kühlkanäle und Anspritzung mit Schmieröl gegen den Kolbenboden wie beim Viertaktmotor thermisch entlasten. Dies allein reicht beim Zweitaktmotor nicht aus, hier hilft die Erfindung durch Anblasen des Kolbenbodens sowie der Partie um die Auslassschlitze mit, um Schäden zu vermeiden.Another prerequisite for a modern, externally charged two-stroke engine is the sealed against the cylinder crankcase. As a result, crankshaft and connecting rod bearings can be designed as slide bearings, which are supplied in the usual way by an oil pump with lubricating oil. As the pistons of thermal two-stroke engines are subjected to very high thermal loads, they can be thermally relieved by cooling ducts and greasing with lubricating oil against the piston crown, as in the case of the four-stroke engine. This alone is not sufficient for the two-stroke engine, here the invention helps by blowing the piston crown and the game around the outlet slots, to avoid damage.

Während sich beim Viertaktmotor die heißeste Partie der Zylindereinheit im Zylinderkopf im Bereich der heute üblichen zwei Auslassventile befindet, ist der Zylinderkopf eines schlitzgesteuerten Zweitaktmotors frei von Wärmenestern, die insbesondere bei Hochaufladung von Ottomotoren zu Vorentflammungen und möglicherweise Zerstörung des Motors führen könnten. Ebenso fehlt beim schlitzgesteuerten Zweitaktmotor durch Wegfall von Ventilen die Gefahr von Zylinderkopfrissen. Das können mitentscheidende Gründe sein, bei kleinen Hubräumen zum Zweitaktmotor mit Hochaufladung zu wechseln. Allein die Zündung bei jedem Hub verschafft dem Zweitaktmotor gegenüber dem Viertaktmotor bestechende Vorteile.While in the four-stroke engine, the hottest part of the cylinder unit in the cylinder head in the range of today's two exhaust valves, the cylinder head of a slot-controlled two-stroke engine is free of heat, which could lead to pre-ignition and possibly destruction of the engine especially when highly charged gasoline engines. Likewise, the slot-controlled two-stroke engine lacks the risk of cylinder head breakage due to the omission of valves. This can be decisive reasons for switching to the two-stroke engine with high supercharging for small displacements. But the ignition at each hub provides the Two-stroke engine over the four-stroke engine captivating advantages.

Da beim schlitzgesteuerten Motor Spül- und Auslassschlitze von den Kolbenringen überfahren werden, muß dafür Sorge getragen werden, dass möglichst kein Schmieröl in den Zylinder übertritt. Auch hier hilft die Erfindung, da durch die intensive Kühlung des Kolbens mit enger Passung des Kolbens im Zylinder gefahren werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung betrifft die Auslasspartie, die durch die Frischluft nach jeder Expansion gekühlt wird und nicht mehr für unzulässige Verformung des Zylinders sorgt. Diese zusätzliche Frischluftkühlung sorgt aber auch dafür, dass das Schmieröl an der Zylinderwand nicht mehr verkokt und kein erhöhter Verschleiß von Zylinderwand und Kolbenringen stattfindet.Since the slot-controlled engine rinsing and exhaust ports are run over by the piston rings, care must be taken that as possible no lubricating oil passes into the cylinder. Again, the invention helps, as can be driven by the intensive cooling of the piston with a close fit of the piston in the cylinder. Another advantage of the invention relates to the exhaust part, which is cooled by the fresh air after each expansion and no longer provides for undue deformation of the cylinder. This additional fresh air cooling but also ensures that the lubricating oil on the cylinder wall no longer verkkokt and no increased wear of the cylinder wall and piston rings takes place.

Die Steuerung des Auslassdrehschiebers erfolgt nach Simulation und Versuch entsprechend der DE 40 28 757 C2 . Dabei kann es notwendig sein, den oder die Auslassschlitze nicht sofort zu schließen, wenn der Druck der Verbrennung abgeflossen ist. Da die abfließende Druckwelle für einen Unterdruck im Zylinder sorgt, kann es sich für die Frisehgasfüllung als hilfreich erweisen, den oder die Auslassschlitze erst dann zu schließen, wenn sich im Zylinder ein merklicher Unterdruck eingestellt hat. Über den Auslassdrehschieber kann aber auch die Zylinderfüllung variabel beeinflusst werden.The control of the outlet rotary valve takes place after simulation and experiment according to the DE 40 28 757 C2 , It may be necessary to close the outlet slit (s) immediately when the combustion pressure has run off. Since the outflowing pressure wave provides for a negative pressure in the cylinder, it may prove helpful for the Frishem gas filling to close the exhaust port or slots only when a noticeable negative pressure has been established in the cylinder. About the outlet rotary valve but also the cylinder filling can be variably influenced.

Erfolgt die Frischluftzufuhr über Membranventile zwischen Aufladeorgan und Zylinder, beschleunigt die abfließende Abgassäule über den Unterdruck im Zylinder das Einströmen der Frischluft, die nun mit relativ hoher Geschwindigkeit auf Kolbenboden und Auslaß-Schlitzpartie trifft. Da alle Dieselmotoren heute mit Abgasrückführung arbeiten müssen und Ottomotoren den gleichen Weg gehen, ist es bei dem beschriebenen Zweitaktmotor nicht notwendig, das verbleibende Restgas völlig auszuspülen. Über die Steuerung des Auslassdrehschiebers kann die Restgasmenge zudem genau eingestellt werden. (Interne Abgasrückführung).If the supply of fresh air via diaphragm valves between charging member and cylinder accelerates the effluent exhaust column on the negative pressure in the cylinder, the inflow of fresh air, which now meets at relatively high speed on the piston head and outlet slot portion. Since all diesel engines have to work today with exhaust gas recirculation and gasoline engines go the same way, it is not necessary in the described two-stroke engine to rinse the remaining residual gas completely. In addition, the amount of residual gas can be precisely set via the control of the outlet rotary valve. (Internal exhaust gas recirculation).

In der obigen DE liegen sich Einlaß- und Auslassschlitze im Zylinder genau gegenüber. Diese Anordnung, die auch für Fertigung und Montage außerordentlich vorteilhaft ist, wird grundsätzlich beibehalten. Abweichend davon erlaubt es die Erfindung jedoch, einen oder mehrere Einlassschlitze so zu richten, dass die Frischgasladung in Rotation versetzt wird, wenn sich das für die Verbrennung als vorteilhaft erweist. Zusammen mit der geradlinig einströmenden Frischluft ergibt sich daraus eine sehr hohe Turbulenz, die der Gemischaufbereitung förderlich ist.In the above DE, inlet and outlet slots in the cylinder are exactly opposite each other. This arrangement, which is also extremely advantageous for production and assembly, is basically maintained. By way of derogation, however, the invention makes it possible to direct one or more inlet slots in such a way that the fresh gas charge is set in rotation, if this proves advantageous for the combustion. Together with the straight incoming fresh air, this results in a very high turbulence, which is conducive to the mixture preparation.

Ist zwischen Aufladeorgan und Zylinder Druckausgleich hergestellt, schließen sich die Membranventile und der Kompressionsvorgang beginnt. Dafür steht nun ein erheblich längerer Kolbenweg zur Verfügung, der selbst bei voller Last und hoher Drehzahl den vollständigen Hub umfasst. Das heißt, schon bei niedrigen Motordrehzahlen steht ein optimales Luftvolumen für die Verbrennung zur Verfügung, das für hohen Mitteldruck und ein hohes Drehmoment genutzt werden kann.If pressure equalization is established between the charging member and the cylinder, the diaphragm valves close and the compression process begins. This is now a much longer piston travel available that includes the full stroke even at full load and high speed. This means that even at low engine speeds an optimal volume of air is available for combustion, which can be used for high medium pressure and high torque.

Der gleiche Effekt wie mit Membranventilen zwischen Aufladeorgan und Zylinder kann auch mit einem kontinuierlich gesteuerten Drehschieber erreicht werden. Dabei wird der Hinweis aus der obigen DE übernommen, dass sowohl Einlaß- wie Auslassdrehschieber sich mit halber, einfacher oder doppelter Kurbelwellendrehzahl bei beliebiger Drehrichtung drehen können. Bei Verwendung eines Einlassdrehschiebers benötigt ein solcher Zweitaktmotor auch mit Fremdzündung keine Drosselklappe, die beim Diesel ohnehin entfällt.The same effect as with diaphragm valves between supercharger and cylinder can also be achieved with a continuously controlled rotary valve. In this case, the note is taken from the above DE, that both inlet and outlet rotary valves can rotate at half, single or double crankshaft speed in any direction of rotation. When using an inlet rotary valve requires such a two-stroke engine with spark ignition, no throttle, which is omitted in the case of diesel anyway.

Allein durch den Fortfall der beiden Leerhübe des Viertaktmotors sowie des kompletten Ventiltriebs ergibt sich für den hier beschriebenen Zweitaktmotor mit Fremdaufladung ein deutlicher Wirkungsgradvorteil, der sich in geringerem spezifischem Verbrauch äußert. Im Gegensatz zum Ventiltrieb handelt es sich beim Auslassdrehschieber des beschriebenen Zweitaktmotors und gegebenenfalls einem zusätzlichen Einlassdrehschieber um rotierende Bauteile mit einem verschwindend geringen Leistungsbedarf zum Antrieb. Da für Viertaktmotoren vollvariable Ventilsteuerungen bereits serienmäßig verfügbar sind, die einen höheren Leistungsbedarf besitzen als nur durch die Nockenwellen betätigte Ventile, fällt der Vorsprung des Zweitaktmotors noch deutlicher aus.Just by eliminating the two idle strokes of the four-stroke engine and the complete valve train results for the two-stroke engine described here with external charging a significant efficiency advantage, which manifests itself in lower specific consumption. In contrast to the valve train, the outlet rotary valve of the described two-stroke engine and optionally an additional inlet rotary valve are rotating components with a negligible power requirement for the drive. Since four-stroke engines fully variable valve controls are already available in series, which have a higher power consumption than just by the camshaft actuated valves, the advantage of the two-stroke engine is even more pronounced.

Ein solcher Zweitaktmotor mit zwei Zylindern entspricht beim Rundlauf einem Vierzylinder- Viertaktmotor und ist nicht auf eine Ausgleichwelle angewiesen, wie sie bei Dreizylinder- Viertaktmotoren und auch manchen Vierzylindermotoren erforderlich ist. Mit drei Zylindern hat ein solcher Zweitaktmotor den Rundlauf eines Sechszylinder- Viertaktmotors. Bei Verwendung der vorgeschlagenen, vollvariablen Steuerung der Gasströme eignet sich der Zweitaktmotor wesentlich besser als der Viertaktmotor für hohe Leistung schon bei niedrigen Drehzahlen, um die Fahrbarkeit zu verbessern.Such a two-stroke engine with two cylinders corresponds to a four-cylinder four-stroke engine in the concentricity and is not dependent on a balance shaft, as in three-cylinder four-stroke engines and some four-cylinder engines is required. With three cylinders, such a two-stroke engine has the concentricity of a six-cylinder four-stroke engine. Using the proposed fully variable control of gas flows, the two-stroke engine is significantly better than the four-stroke high performance engine even at low speeds to improve driveability.

Als Beispiel werden in 1 die nach unten zum Kolben hin gerichteten Einlasskanäle (3) vom Abgasturbolader zum Zylinder gezeigt. (1) bezeichnet den Zylinder, (2) den Auslasskanal zwischen Abgasdrehschieber und Abgasturbolader, (4) den Kolben, (5) das Membranventil, (6) den Auslassdrehschieber, (7) die Auslassschlitze im Zylinder, (8) die Einlassschlitze im Zylinder.As an example, in 1 the downwardly directed to the piston inlet channels ( 3 ) from the exhaust gas turbocharger to the cylinder. ( 1 ) denotes the cylinder, ( 2 ) the exhaust passage between exhaust vane and exhaust gas turbocharger, 4 ) the piston, ( 5 ) the diaphragm valve, ( 6 ) the outlet rotary valve, ( 7 ) the outlet slots in the cylinder, ( 8th ) the inlet slots in the cylinder.

In 2 wurde der Übersichtlichkeit wegen das oder die Membranventile bzw. wahlweise der Einlassdrehschieber fortgelassen. (1) bezeichnet wieder den Zylinder, (2) den Auslasskanal zwischen Abgasdrehschieber (6) und Abgasturbolader, während (7a, 7b und 7c) drei Auslassschlitze zeigen mit kurzen Kanälen zum Auslassdrehschieber. (3a, 3b, 3c und 3d) sind vier Einlasskanäle, die zu vier Spülschlitzen (8) im Zylinder führen. Dabei kann die Zahl der Ein- und Auslassschlitze beliebig gewählt werden. In 2 For the sake of clarity, the diaphragm valve or alternatively the inlet rotary valve has been omitted. ( 1 ) again designates the cylinder, ( 2 ) the exhaust passage between exhaust vane ( 6 ) and turbocharger while ( 7a . 7b and 7c ) three outlet slots with short channels to the outlet rotary valve. ( 3a . 3b . 3c and 3d ) are four inlet channels leading to four scavenging slots ( 8th ) in the cylinder. The number of inlet and outlet slots can be chosen arbitrarily.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4028757 C2 [0001, 0002, 0010]

Claims

Two-stroke engine with external charging and a separate from the cylinder crankcase, in which the combustion air is preferably conveyed by an exhaust gas turbocharger or other Aufladeorgan, which also has an outlet rotary valve with continuously variable timing and in which the inlet and outlet slots in the cylinder are opposite, characterized in that the fresh air flow is directed against the piston and the outlet part.

A two-stroke engine according to claim 1, wherein one or some of the intake passages are no longer rectilinearly directed into the cylinder but are arranged to rotate the fresh gas charge.

Two-stroke engine according to claim 1, wherein the outer inlet channels are deviated from the rectilinear opening into the cylinder to the right and left.

Two-stroke engine according to claim 1, wherein the outer inlet channels are aligned with the center of the outlet part, so that they produce together with the straight-line opening a compact, directed exactly on the Auslassschlitzpartie air jet.

Two-stroke engine according to claim 1, wherein the outlet rotary valve is controlled so that the outflowing exhaust column generates a negative pressure in the cylinder before the outlet rotary valve is closed.