DE102011004000A1

DE102011004000A1 - Zweitakt-Brennkraftmaschine mit optimierter Gasführung

Info

Publication number: DE102011004000A1
Application number: DE201110004000
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-08-16
Also published as: WO2012107495A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraftmaschine 1 mit einer Vorverdichtungskammer 4 und mindestens einer Brennkammer 5, die über einen Brennstoffkanal 6 durch einen Zylinderkopf 13 miteinander verbunden sind. Der Brennstoffkanal 6 weist an seinem brennkammerseitigen Ende einen erweiterten Abschnitt auf, dessen Querschnitt größer ist als der Querschnitt eines sich in Richtung der Vorverdichtungskammer 4 anschließenden Kanalabschnitts. Durch den erweiterten Abschnitt des Brennstoffkanals 6 wird eine optimierte Gasführung erreicht, indem der Brennstoffstrom an die Kolbenstange angelegt und durch ein Leitelement 7 in der Kolbenendstufe 3 zu den Auslassöffnungen 9 hin umgelenkt wird. Durch diese optimierte Gasführung wird die Vermischung von frischem und verbrauchten Brennstoff minimiert und somit eine sehr effiziente Ausnutzung des Brennstoffs 19 erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit optimierter Gasführung. Diese Zweitakt-Brennkraftmaschine weist eine Vorverdichtungskammer sowie mindestens eine Brennkammer, die über einen Brennstoffkanal durch einen Zylinderkopf miteinander verbunden sind, auf.
Brennkraftmaschinen mit linearer Kolbenführung, die in einem Zweitaktverfahren arbeiten, umfassen in üblichen Ausführungsformen meist drei Kammern sowie einen Mehrstufenkolben. Diese drei Kammern sind in Reihe angeordnet, wobei die mittlere Kammer die Vorverdichtungskammer ist und die beiden äußeren Kammern die Brennkammern darstellen. Der Mehrstufenkolben umfasst meist zwei Kolbenendstufen sowie eine Kolbenmittelstufe. Die beiden Kolbenendstufen sind jeweils beweglich in den Brennkammern angeordnet, während die Kolbenmittelstufe beweglich in der Vorverdichtungskammer angeordnet ist und dieselbe in zwei Vorverdichtungsräume unterteilt. Die Vorverdichtungskammer ist über Brennstoffkanäle mit den Brennkammern verbunden. Üblicherweise werden diese Brennstoffkanäle von Bohrungen durch den Zylinderkopf gebildet. Die Kolbenmittelstufe ist mit den beiden Kolbenendstufen jeweils über eine Kolbenstange, die durch die Bohrungen durch den Zylinderkopf geführt sind, fest verbunden. Als Brennstoffkanal wird in diesem Fall der Zwischenraum zwischen Kolbenstange und Zylinderkopf bezeichnet.
Der Arbeitsablauf einer wie oben beschriebenen Brennkraftmaschine lässt sich folgendermaßen zusammenfassen: Der Brennstoff gelangt über Einlassöffnungen in die Vorverdichtungskammer. Bewegt sich der Stufenkolben nun entlang der Kolbenlängsachse und passiert die Kolbenmittelstufe die Einlassöffnungen, so dass diese sich in der Kolbenbewegungsrichtung hinter der Kolbenmittelstufe befinden, wird der Brennstoff durch die Bewegung der Kolbenmittelstufe in der Vorverdichtungskammer vorverdichtet. Wichtig für die Funktionsweise einer solchen Brennkraftmaschine mit linearer Kolbenführung ist das Vorsehen eines Ventils, mit welchem die Brennstoffkanäle verschlossen bzw. geöffnet werden können. Häufig weist hierzu die durch die Bohrung durch den Zylinderkopf zwischen Vorverdichtungskammer und Brennkammer geführte Kolbenstange einen Ventilabschnitt auf, dessen Querschnitt senkrecht zur Kolbenachse dem Querschnitt eines Ventilabschnittes der Bohrung senkrecht zur Kolbenachse entspricht. Infolge der Bewegung des Stufenkolbens wird der Ventilabschnitt des Kolbens in den Ventilabschnitt der Bohrung hinein bzw. aus dieser heraus bewegt. Dadurch kann die Bewegung des Stufenkolbens ein Öffnen bzw. Schließen des Brennstoffkanals bedingen. Die Bewegung des Stufenkolbens führt im Anschluss an die Vorverdichtung des Brennstoffs in der Vorverdichtungskammer durch das Bewegung des Kolbens zu einem Öffnen des Brennstoffkanals. Der Brennstoff kann darauf hin aus der Vorverdichtungskammer in die Brennkammer strömen. Der in die Brennkammer einströmende frische Brennstoff verdrängt den bereits verbrannten Brennstoff, der von einem vorangegangenen Verbrennungsprozess übrig geblieben ist, aus der Brennkammer. Dieses Verdrängen erfolgt indem der verbrannte Brennstoff durch frischen Brennstoff über geöffnete Auslassöffnungen an der Brennkammer aus dieser herausgespült wird. Bewegt sich der Stufenkolben wieder zurück und verschließt der Ventilabschnitt der Kolbenstange den Brennstoffkanal erneut, so wird der frische Brennstoff in der Brennkammer bei geschlossenen Auslassöffnungen durch die Kolbenendstufe weiter verdichtet. Ist der Brennstoff in der Brennkammer ausreichend verdichtet, so zünden an der Brennkammer angeordnete Zündkerzen und bringen den Brennstoff zur Explosion. Infolge dieser Explosion wird der Stufenkolben erneut beschleunigt, der Brennstoffkanal öffnet sich wieder und frischer Brennstoff kann in die Brennkammer gelangen, wodurch der alte und verbrannte Brennstoff herausgespült wird. Dieser Arbeitsprozess vollzieht sich in identischer Weise jeweils abwechselnd in den beiden Brennkammern.
Eine nach dem oben beschriebenen Arbeitsablauf arbeitende Zweitakt-Brennkraftmaschine mit linearer Kolbenführung ist auch als Stelzer-Motor bekannt und in der DE 3029287 beschrieben. Der Vorteil einer derartigen Brennkraftmaschine liegt in der Tatsache, dass der Stufenkolben in beide Richtungen aktiv durch eine Gasexplosion beschleunigt wird. Somit sind zwei Beschleunigungselemente in Form der zwei Brennkammern in einem gemeinsamen Gehäuse integriert. Durch diesen Aufbau kann ein sehr kompaktes Aggregat mit hoher Leistungsfähigkeit konstruiert werden. In der einfachsten Ausführungsform weist diese Zweitakt-Brennkraftmaschine lediglich ein einziges bewegliches Element in Form des Stufenkolbens auf. Durch dessen rein lineare Bewegung werden Energieverluste infolge von Reibung und Kräften, die nicht parallel zur Kolbenbewegung längs der Kolbenlängsachse wirken, minimiert. Aufgrund der geringen Anzahl von Verschleißteilen erhöht sich darüber hinaus die Lebensdauer dieses wartungsfreundlichen Motors. Ein derartiges Motorkonzept bietet also die Möglichkeit, ein überaus kompaktes und kostengünstiges Antriebssystem zu konstruieren.
Allerdings weisen die im Stand der Technik bekannten Ausführungsformen von Zweitakt-Brennkraftmaschinen mit linearer Kolbenführung den Nachteil auf, dass sie beim Verbrennen des Brennstoffs ineffizient sind. Das Problem bisher bekannter Ausführungsformen besteht darin, dass es bei diesen nicht möglich ist, den bereits verbrannte Brennstoff vollständig bzw. zu einem sehr hohen Grad aus der Brennkammer zu verdrängen und zugleich nach Möglichkeit keinen frischen Brennstoff in den Auspuff zu drücken. Unter ökonomischen Gesichtspunkten ist es aber höchst vorteilhaft, den Brennstoff effizient zu verbrennen, um Brennstoff und somit Kosten sparen zu können. Gleichzeitig verringert eine effektive Verbrennung des Brennstoffs die Schadstoffemission und erhöht somit die Umweltfreundlichkeit des Antriebs. Ähnliches gilt hinsichtlich einer effizienten Ausspülung des verbrannten Brennstoffs aus der Brennkammer. Eine solche effiziente Ausspülung ist aus zweierlei Gründen vorteilhaft: Erstens kann nur durch eine möglichst vollständige Ausspülung des bereits verbrannten Brennstoffs ein Vermischen von Alt- und Neugas minimiert werden und dadurch eine maximale Leistungsausschöpfung sichergestellt werden. Zweitens ist es wünschenswert, dass infolge der Ausspülung nach Möglichkeit kein frisches Brennstoff entweicht, da dies zu Brennstoffverlusten und somit zu einem erhöhten Brennstoffverbrauch sowie damit einhergehenden erhöhten Kosten führt.
Zwar sind bereits sogenannte Umkehrspülungsverfahren bekannt, die dafür sorgen sollen, dass das einströmende Frischgas möglichst ohne Vermischung mit dem verbrannten Gas dieses aus der Brennkammer verdrängt. Allerdings haben die bekannten Verfahren sehr hohe Spülverluste.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine optimierte Gasführung für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine anzugeben, die eine Verbrennung des Brennstoffs mit einer möglichst hohen Effizienz realisieren kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Brennstoffkanal zwischen Vorverdichtungskammer und Brennkammer an seinem brennkammerseitigen Ende einen erweiterten Abschnitt aufweist, dessen Querschnitt größer ist als der Querschnitt eines sich in Richtung der Vorverdichtungskammer anschließenden Kanalabschnitts.
Diese Erweiterung des Brennstoffkanals zum Ende hin bewirkt, dass sich der Druck des Brennstoffs im Bereich der Erweiterung infolge des Venturi-Effekts erhöht. Diese Erhöhung des Brennstoffdrucks führt zur Ausbildung eines Brennstoffstroms, der entsprechend der Ausgestaltung der Erweiterung fokussiert wird.
Ist ein linear geführter Stufenkolben vorgesehen, der teilweise in einer Bohrung durch den Zylinderkopf geführt ist, welche die Vorverdichtungskammer mir der Brennkammer verbindet, so ermöglicht dies die bei der Brennstoffverbrennung freigesetzte Energie in eine Linearbewegung umzusetzen. Dabei kann der Brennstoffkanal vorteilhafter Weise durch den zwischen Stufenkolben und Zylinderkopf gebildeten im wesentlichen ringförmigen Spalt gebildet werden. Die Strömungsfokussierung des Brennstoffstroms erfolgt in diesem Fall um die Kolbenstange herum und der Strom wird entlang der Kolbenstange zur Kolbenendstufe hin geführt.
Weist die Bohrung durch den Zylinderkopf am brennkammerseitigen Ende mindestens eine, vorzugsweise mehrere im wesentlichen axial verlaufende Einfräsungen auf, so wird dadurch das Volumen des Brennstoffkanals und somit der Brennstoffdurchsatz erhöht. Gleichzeitig wird der Stufenkolben durch die zwischen den Einfräsungen angeordneten Zylinderkopfabschnitte weiterhin linear geführt. Eine symmetrische Anordnung der Einfräsungen sowie gleiche geometrische Ausgestaltung derselben ermöglicht eine symmetrischen und daher verwirbelungsarme Führung des Brennstoffstroms.
Hierbei sollte der Stufenkolben als Ventil fungieren können und einen Ventilabschnitt aufweisen, dessen Querschnitt senkrechten zur Kolbenachse so ausgestaltet und dimensioniert ist, dass er den Brennstoffkanal an einer Stelle vollständig verschließen kann. Somit ist der Brennstoffkanal abhängig von der Stellung des Stufenkolbens geöffnet oder geschlossen. Der Ventilabschnitt wird vorteilhafter Weise mindestens von einem Kolbenringabschnitt mit umlaufender Nut gebildet, in der ein Kolbenring angeordnet ist. Der Stufenkolben ist zwischen zwei Positionen bewegbar, wobei der Brennstoffkanal in der einen Position im wesentlichen verschlossen und in der anderen geöffnet ist. Der Brennstoffkanal sollte dabei zu dem Zeitpunkt verschlossen sein, in der sich die Kolbenendstufe auf den Brennstoffkanal zu bewegt und der Brennstoff in der Brennkammer für die Verbrennung verdichtet werden soll. Andernfalls würde der frische Brennstoff durch den Brennstoffkanal wieder aus der Brennkammer herausgedrückt werden.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der erweiterte Abschnitt des Brennstoffkanals durch einen verjüngten Kolbenabschnitt gebildet wird, der sich an den Kolbenringabschnitt anschließt. Dabei ist der Außendurchmesser d_b des verjüngten Abschnitts kleiner als der Außendurchmesser d_k des Kolbenringabschnitts. Durch die Verjüngung des Stufenkolbens wird erreicht, dass sich der Brennstoffstrom an den Stufenkolben anlegt und an diesem entlang geführt wird.
Um eine möglichst verwirbelungsfreie Führung des Brennstoffstroms erreichen zu können, sollte der Brennstoffkanal und insbesondere der brennkammerseitige Abschnitt desselben, möglichst symmetrisch ausgestaltet sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Einfräsungen in den Zylinderkopf in ihrer Summe eine Querschnittsfläche Q₁ haben. Ein zusätzlicher, in der selben Ebene wie Q₁ liegende Kanalquerschnitt Q₂ wird durch den sich brennkammerseitig an den Kolbenringabschnitt anschließende Abschnitt bereitgestellt. Es empfiehlt sich, dass das Verhältnis Q₂/Q₁ zwischen 0,5 und 2, vorzugsweise 0,8 und 1,25 und am besten etwa 1 beträgt. Dadurch wird eine möglichst symmetrische Ausdehnung des Brennstoffstroms im Brennstoffkanal sichergestellt, wodurch wiederum ein möglichst laminares Strömungsverhalten des Brennstoffs gewährleistet wird. Die resultierende verwirbelungsarme Strömung ermöglicht ein fokussiertes Anliegen des Brennstoffstroms an den Stufenkolben. Diese Fokussierung wird maximal, wenn in der Stellung, in der der Kolbenringabschnitt den Brennstoffkanal verschließt, das Verhältnis Q₂/Q₁ über die gesamte Länge der Zylinderkopfeinfräsungen etwa 1 beträgt und die Zylinderkopfeinfräsungen vorverdichtungskammerseitig konkav ausgebildet sind. Grundsätzlich gilt, je gleichmäßiger die Flächen im Bereich des Brennstoffkanals und der Brennkammer verlaufen und je weniger zerklüftet diese sind, desto verwirbelungsärmer und somit vorteilhafter kann der Brennstoff strömen und desto effizienter kann die Verbrennung ablaufen.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn der Stufenkolben eine Kolbenendstufe aufweist, die von einem Endabschnitt des Stufenkolbens gebildet wird, der die Brennkammer begrenzt. Hierbei sollte der Endabschnitt nach Möglichkeit ein Leitelement aufweisen, das konkav gekrümmt ist und im wesentlichen gegenüber dem brennkammerseitigen Ende des Brennstoffkanals angeordnet ist. Dieses Leitelement sollte so ausgeformt sein, dass es die Richtung des aus dem Brennstoffkanal austretenden Brennstoffstroms verändert. Vorteilhaft ist es, wenn die Strömungsrichtung umgedreht wird. Durch dieses Umlenken der Strömungsrichtung kommt es zu einer Umkehrspülung in der Brennkammer. Infolge dieser Umkehrspülung kann der verbrauchte Brennstoff möglichst vollständig in Richtung der Auslassöffnungen der Brennkammer verdrängt werden und zugleich ein Vermischen von frischem und verbranntem Brennstoff minimiert werden.
Die konkave Krümmung des Leitelements besitzt darüber hinaus den Vorteil, dass sie beim Verdichten des Brennstoffs in ihrer brennstoffkanalseitigen Endstellung einen symmetrischen Brennraum zur Verfügung stellt, der bei Zündung des verdichteten Brennstoffs durch die Zündkerzen eine maximale Verbrennungseffizienz ermöglicht.
Der Brennstoffdurchsatz durch den Brennstoffkanal kann bei gleichzeitiger stabiler Kolbenführung weiter dadurch optimiert, d. h. erhöht werden, dass in dem in der Bohrung angeordneten Bereich im wesentlichen axial verlaufende Einfräsungen in seiner Oberfläche aufweist.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn sich an den Kolbenringabschnitt brennkammerseitig ein Abschnitt des Stufenkolbens anschließt, der sich zur Kolbenendstufe hin kontinuierlich verjüngt. Dadurch kommt es zu einer kontinuierlichen Druckerhöhung um die Kolbenstange herum. Infolge dieser Druckerhöhung wird der Brennstoffstrom um die Kolbenstange herum fokussiert und kompakt zum Leitelement hin geführt, was die Effizienz der Umkehrspülung deutlich steigert. Der Effekt einer Druckerhöhung in der Nähe des Stufenkolbens infolge der Kolbenverjüngung kann in die Brennkammer hinein erstreckt werden, wenn sich die Verjüngung in die Brennkammer hinein erstreckt, d. h. wenn die Verjüngung länger als die Zylinderkopfeinfräsungen ist. Besonders effizient kann die Brennstoffführung ausgestaltet werden, wenn sich der verjüngte Abschnitt des Stufenkolbens im wesentlichen bis zu dem Leitelement des Stufenkolbens erstreckt.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn die Brennkammer mindestens zwei Auslassöffnungen aufweist, in der zwei steuerbare Auslassventile angeordnet sind. Durch diese Auslassventile kann die Auslassöffnung gezielt geöffnet und geschlossen werden. Dies ist wichtig, wenn die Auslassöffnung dem Leitelemente der Kolbenendstufe vorzugsweise gegenüber angeordnet ist. In diesem Fall kann der verbrannte Brennstoff sehr effektiv in Richtung der Auslassöffnung gepresst werden. Allerdings muss die Auslassöffnung aktiv von außen geschlossen werden, wenn die Kolbenendstufe den Brennstoff im Bereich der Auslassöffnung verdichtet, um ein Ausströmen des frischen Brennstoffs zu verhindern. Am effizientesten lässt sich ein solches unerwünschtes Ausströmen verhindern, wenn in dem an die Auslassöffnung anschließenden Auspuffkanal ein Abgassensoren vorgesehen ist, der die Abgase analysiert und die Stellung des steuerbaren Auslassventils entsprechend reguliert. Mithilfe eines solchen Sensors kann sichergestellt werden, dass auch in unterschiedlichen Lastbereichen kein Frischgas entweicht. Darüber hinaus bietet ein derartiger Sensor die Möglichkeit, im Falle einer Abgasrückführung im Teillastbereich des Motorbetriebs eine optimale Mischung aus verbranntem Gas und frischem Brennstoff sicherzustellen.
Bei einer linearen Kolbenführung ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass neben einer ersten Brennkammer eine zweite Brennkammer vorgesehen ist und beide mit der Vorverdichtungskammer verbunden sind. Durch den Einsatz von zwei Brennkammern wird es ermöglicht den Stufenkolben bei seiner linearen Bewegung in beide Richtungen aktiv zu beschleunigen und somit eine maximale Kraftausbeutung mit einem sehr kompakten Aggregat zu erreichen. Am einfachsten und somit kostengünstigsten lässt sich solch ein Antriebssystem konstruieren, wenn die Vorverdichtungskammer zwischen den beiden Brennkammern angeordnet ist, wobei die Zylinderkopfbohrungen sowie -einfräsungen, die die beiden Brennkammern mit der Vorverdichtungskammer verbinden, ebenso wie die beiden Brennkammern und die in den beiden Zylinderkopfbohrungen sowie den beiden Brennkammern geführten Abschnitte des Stufenkolbens jeweils baugleich ausgebildet sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Zweitakt-Brennkraftmaschine mit linearer Kolbenführung,
2 eine Detailansicht des Brennstoffkanals der Zweitakt-Brennkraftmaschine aus 1.
Es versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende genaue Beschreibung lediglich beispielhaft und illustrierend sind und eine erweitere Erläuterung der beanspruchten Erfindung bereitstellen sollen.
1 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Kolbenlängsachse durch die steuerbaren Auslassventile 10 einer Zweitakt-Brennkraftmaschine 1 mit linearer Kolbenführung. Damit der zu verbrennende Brennstoff 19 in die Vorverdichtungskammer 4 der Zweitakt-Brennkraftmaschine 1 gelangen kann, weist diese Einlassöffnungen 8 auf. In der Vorverdichtungskammer 4 befindet sich eine Kolbenmittelstufe 12, die die Vorverdichtungskammer 4 in zwei separate Vorverdichtungsräume unterteilt. Bewegt sich nun die Kolbenmittelstufe 12 seitwärts entlang der Kolbenlängsachse und passiert die Einlassöffnungen 8, so verdichtet sie den Brennstoff 19 in der Vorverdichtungskammer 4. Ist der Brennstoff 19 vorverdichtet und bewegt sich die Kolbenmittelstufe 12 weiter, öffnet sich der Brennstoffkanal 6 und der frische Brennstoff 19 strömt durch den Brennstoffkanal 6 in die Brennkammer 5.
Der Brennstoffkanal 6, der die Vorverdichtungskammer 2 mit den Brennkammern 5 verbindet, wird durch den Zwischenraum zwischen Zylinderkopf 13 und Stufenkolben 2 im Bereich der Bohrung gebildet. Aufgrund der optimierten Gasführung wird der Strom des Brennstoffs 19 an die Kolbenstange angelegt und strömt entlang derselben auf das konkav gekrümmte Leitelement 7 der Kolbenendstufe 3 zu. Am Leitelement 7 der Kolbenendstufe 3 wird der Strom umgelenkt und die Strömungsrichtung umgedreht. Die Folge ist eine Umkehrspülung in der Brennkammer 5. Durch diese Umkehrspülung wird der verbrannte Brennstoff, der von dem vorangegangenen Verbrennungsprozess zurückgeblieben ist, aus den Auslassöffnungen 9 in der Brennkammer 5 durch die Auspuffkanäle 11, die sich an die Auslassöffnungen 9 anschließen, herausgedrängt. Die Auslassöffnungen 9 werden dabei über steuerbare Auslassventile 10 geöffnet und geschlossen. Bewegt sich der Stufenkolben 2 nun in Folge der Zündung des Brennstoffs 19 durch die Zündkerzen in der gegenüberliegenden Brennkammer 5 wieder zurück, so schließen die Auslassventile 10 die Auslassöffnungen 9. Dadurch wird der frische Brennstoff 19 in der Brennkammer 5 durch den Druck der Kolbenendstufe 3 verdichtet. Sobald die Verdichtung ausreichend ist, zünden die in Kolbenlängsrichtung auf selber Höhe wie die steuerbaren Auslassventile 10 angeordneten und radial zu diesen versetzen Zündkerzen den Brennstoff 19 in der Brennkammer 5. In Folge der konkaven Ausgestaltung des Leitelements 7 wird von diesem ein symmetrischer Raum für die Zündung des Brennstoffs 19 geschaffen, wodurch der Verbrennungsprozess möglichst vollständig ablaufen kann. Durch die Zündung wird die Kolbenendstufe 3 wieder vom Brennstoffkanal 6 weg beschleunigt. Der Ablauf des Verbrennungsprozesses in der gegenüberliegenden Brennkammer 5 erfolgt analog. Somit wiederholt sich der identische Verbrennungsprozess abwechselnd in beiden Brennkammern 5. Infolge der aktiven Beschleunigung des Stufenkolbens 2 in beide Richtungen wird eine maximale Ausnutzung der möglichen Kolbenlängsbewegung innerhalb der Zweitakt-Brennkraftmaschine 1 erreicht.
In 2 ist eine Detailansicht des Querschnitts aus 1 zu sehen. Gezeigt ist insbesondere die Ausgestaltung des Stufenkolbens im Bereich des Brennstoffkanals 6. Diese umfasst einen Kolbenringabschnitt 18 mit einer umlaufenden Nut, in der ein Kolbenring geführt werden kann. Brennkammerseitig schließt sich an den Kolbenringabschnitt 18 eine Verjüngung 16 an, die in einen verjüngten Kolbenabschnitt 17 mündet. Dieser verjüngte Kolbenabschnitt 17 erstreckt sich bis zur Kolbenendstufe 3 hin. In der dargestellten Kolbenposition wird der Brennstoffkanal 6 im Bereich des Kolbenringabschnitts 18 durch Zylinderkopfeinfräsungen 15 gebildet. Dabei gilt grundsätzlich, dass es vorteilhaft ist, wenn die Zylinderkopfeinfräsungen 15 möglichst axial symmetrisch um den Stufenkolben 2 angeordnet sind. Um eine möglichst verwirbelungsfreie Brennstoffströmung im Brennstoffkanal 6 und insbesondere am brennkammerseitigen Ende des Brennstoffkanals 6 zu erreichen, empfiehlt es sich, dass der Querschnitt Q₁ aus der Summe der Zylinderkopfeinfräsungen 15 im wesentlichen gleich dem zusätzlichen Kanalquerschnitt Q₂ ist, der durch den verjüngten Kolbenabschnitt 17 gebildet wird und in der selben Ebene wie Q₁ liegt. Dadurch können Verwirbelungen der Brennstoffströmung im Bereich des Kolbenringabschnitts 18 aufgrund der hohen Symmetrie minimiert werden. Durch die Verjüngung 16 und den verjüngten Kolbenabschnitt 17 im Anschluss an den Kolbenringabschnitt 18 kommt es in Folge des Venturi-Effekts zu einer Druckerhöhung in der Nähe des Stufenkolbens 2, was eine Fokussierung des Brennstoffstroms um den Stufenkolben 2 zur Folge hat. Dadurch wird der frische Brennstoff 19 entlang des Stufenkolbens 2 zur Kolbenendstufe 3 hingeführt. Durch das Leitelement 7 in der Kolbenendstufe 3 wird die Brennstoffströmung abgelenkt. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform kommt es zu einer vollständigen Umkehr der Strömungsrichtung des Brennstoffs 19, d. h. zu einer Umkehrspülung. Diese Umkehrspülung hat zur Folge, dass der noch in der Brennkammer 5 verbliebene verbrannte Brennstoff durch den einströmenden frischen Brennstoff 19 in Richtung der Auspuffkanäle 11 und durch diese aus der Brennkammer 5 heraus gedrückt wird. Durch die beschriebene optimierte Gasführung in der dargestellten Ausführungsform wird eine möglichst effiziente Umkehrspülung realisiert, bei der die Vermischung von frischem und verbranntem Brennstoff minimiert wird. Diese effiziente Realisation einer Umkehrspülung garantiert, dass bei dem darauf folgenden Verbrennungsprozess die Brennkammer 5 nahezu vollständig mit frischem Brennstoff 19 gefüllt ist und somit der Brennvorgang einen maximal möglichen Wirkungsgrad erreichen kann.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale und Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombination unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort ”aufweisen” nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel ”eine” oder ”ein” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
Bezugszeichenliste

1: Zweitakt-Brennkraftmaschine
2: Mehrstufenkolben
3: Kolbenendstufe
4: Vorverdichtungskammer
5: Brennkammer
6: Brennstoffkanal
7: Leitelement
8: Einlassöffnung
9: Auslassöffnung
10: Steuerbares Auslassventil
11: Auspuffkanal
12: Kolbenmittelstufe
13: Zylinderkopf
14: Überströmeinfräsung
15: Zylinderkopfeinfräsung
16: Verjüngung
17: Verjüngter Kolbenabschnitt
18: Kolbenringabschnitt
19: Brennstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3029287 [0004]

Claims

Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) mit einer Vorverdichtungskammer (4) und mindestens einer Brennkammer (5), die über einen Brennstoffkanal (6) durch einen Zylinderkopf (13) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffkanal (6) an seinem brennkammerseitigen Ende einen erweiterten Abschnitt aufweist, dessen Querschnitt größer ist als der Querschnitt eines sich in Richtung der Vorverdichtungskammer (4) anschließenden Kanalabschnitts.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein linear geführter Mehrstufenkolben (2) vorgesehen ist, der teilweise in einer Bohrung durch den Zylinderkopf (13) geführt ist, welche die Vorverdichtungskammer (4) und die Brennkammer (5) verbindet, wobei der Brennstoffkanal (6) durch den zwischen Stufenkolben (2) und Zylinderkopf (13) gebildeten im wesentlichen ringförmigen Spalt gebildet wird.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung durch den Zylinderkopf (13) am brennkammerseitigen Ende mindestens eine, vorzugsweise mehrere im wesentlichen axial verlaufende Einfräsungen (15) aufweist.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenkolben (2) einen Kolbenringabschnitt (18) mit einer umlaufenden Nut, in der ein Kolbenring angeordnet ist, aufweist und innerhalb des Zylinderkopfes (13) zwischen zwei Positionen bewegbar ist, wobei der Brennstoffkanal (6) derart ausgestaltet ist, dass in einer Position der Brennstoffkanal (6) durch den Kolbenring im wesentlichen verschlossen und in der anderen Position geöffnet ist.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenkolben (2) einen sich brennkammerseitig an den Kolbenringabschnitt (18) anschließenden verjüngten Abschnitt (17) hat, dessen Außendurchmesser d_b kleiner als der Außendurchmesser d_k des Kolbenringabschnitts (18) ist.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfräsungen (15) in der Summe eine Querschnittsfläche Q₁ haben, der durch den sich brennkammerseitig an den Kolbenringabschnitt (18) anschließenden Abschnitt bereitgestellte zusätzliche Kanalquerschnitt, der in der selben Ebene wie Q₁ liegt, Q₂ beträgt und das Verhältnis Q₂/Q₁ zwischen 0,5 und 2, vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,25 und am besten etwa 1 beträgt.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenkolben (2) einen die Brennkammer (5) begrenzenden Endabschnitt (3) aufweist, der ein Leitelement (7) aufweist, wobei das Leitelement (7) konkav gekrümmt ist und im wesentlichen gegenüber dem brennkammerseitigem Ende des Brennstoffkanals (6) angeordnet ist, so dass die Richtung des aus dem Brennstoffkanal (6) austretenden Brennstoffstroms durch das Leitelement (7) verändert wird.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenkolben (2) in dem in der Bohrung angeordneten Bereich im wesentlichen axial verlaufende Einfräsungen (14) in seiner Oberfläche aufweist.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der verjüngte Abschnitt (17) im wesentlichen bis zum Leitelement (7) des Stufenkolbens (2) erstreckt.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine brennkammerseitig an den Kolbenringabschnitt (18) anschließende Verjüngung (16) des Kolbens länger ist als die Zylinderkopfeinfräsungen (15).
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (5) mindestens eine Auslassöffnung (9) aufweist, die vorzugsweise dem Leitelement (7) gegenüberliegenden angeordnet ist und über ein Auslassventil (10) geöffnet und geschlossen werden kann.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Auslassöffnungen (9) jeweils ein Auspuffkanal (11) anschließen, in dem ein Abgassensor vorgesehen ist.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Brennkammern (5) vorgesehen sind, die mit der Vorverdichtungskammer (4) verbunden sind.
Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverdichtungskammer (4) zwischen den beiden Brennkammern (5) angeordnet ist, wobei die Zylinderkopfbohrungen sowie -einfräsungen (15), die die beiden Brennkammern (5) mit der Vorverdichtungskammer (4) verbinden, ebenso wie die beiden Brennkammern (5) und die in den beiden Zylinderkopfbohrungen sowie den beiden Brennkammern (5) geführten Abschnitte des Stufenkolbens (2) jeweils baugleich ausgestaltet sind.