DE19800137C2 - Ein- und Auslaßsysteme für pleuellose Doppelkolben-Verbrennungskraftmaschine in Zwei- und Viertaktausführungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem, in einem Zylinder geführten Kolben, wobei ein durch den Kolben gesteuerter Gaswechsel über Ein- und Auslaßöffnungen in der Zylinderwand sowie wenigstens ein zum Kurbelraum führenden Überströmkanal vorgesehen ist, wie das z. B aus der DE 44 44 767 A1 bekannt ist.

Bei herkömmlichen Zweitaktverbrennungskraftmaschinen werden die verschiedenen Steuerungsvorgänge - wie Auspuff von verbrannten Gasen durch den Auslaßkanal, Öffnen des Überströmkanals - Spülkanal/kanäle - für Frischkraftstoffzufuhr in den Brennraum sowie Ansaugen von Kraftstoff über den Einlaßkanal - durch den Kolben gesteuert.

Bei diesen Dreikanal-Zweitaktmotoren - unabhängig von der Zahl der Mündungen der Kanalart - muß durch die zeitliche Beschränkung des Arbeitsspieles auf zwei Kolbenhübe sowie eine Kurbelwellenumdrehung, die Kurbelkammer in den Funktionsablauf mit einbezogen werden.

Hier wirkt das Unterteil des Kolbens zur Erzeugung des Vorverdichtungsdruckes als eine Pumpe.

Aus diesem Grund muß die sich in dem Kurbelgehäuse befindliche Kurbelkammer mit dem Unterteil des Zylinders eine nach außen abgedichtete Einheit bilden.

Bei Mehrzylinder-Zweitaktmotoren müssen diese Einheiten im Vergleich zu Viertakt­ motoren an den Zwischenlagern der Kurbelwelle zusätzlich auch voneinander abgedichtet werden.

Im ersten Takt (Verdichtung) bewegt sich der Kolben Richtung Zylinderkopf - vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) -, hält zunächst den Einlaßkanal vom Vergaser geschlossen und ermöglicht durch den/die geöffneten Überström­ kanal/kanäle eine Frischkraftstoffdurchströmung (Laden/Spülen je 55° Kurbelwellen­ stellung) vor den Kolben in den Brennraum. In den folgenden Phasen wird der Überströmkanal und der etwas darüberliegende Auslaßkanal (je 60-65° Kurbel­ wellenstellung) geschlossen. Da der Einlaßkanal noch immer geschlossen bleibt, entsteht unter dem Kolben in der Kurbelkammer ein Unterdruck von ca. 0,2 bis 0,4 bar (Voransaugen). Gleichzeitig wird über den Kolben im Verbrennungsraum des Zylinders der Druck auf ca. 8-10 bar aufgebaut, der sich dann durch die Explosion auf 25-35 bar weiter erhöht. Der unten liegende, vom Vergaser herführende Einlaß­ kanal wird geöffnet (je 55-60° Kurbelwellenstellung) und - begünstigt durch den Unterdruck des Voransaugens - strömt frischer Kraftstoff unter den Kolben in die Kurbelkammer des Kurbelgehäuses für das nächste Arbeitsspiel.

Das Kolbenunterteil, das sich durch die Explosion in Richtung Kurbelgehäuse bewegt, verdichtet dieses Kraftstoff-Öl-Luft-Gemisch (Vorverdichtung ca. 0,3-0,6 bar, max. 1,5 bar). Im weiteren Verlauf öffnet der Kolben den Auslaßkanal und kurz darauf den Überströmkanal, durch den das vorverdichtete Kraftstoffgemisch in den Brennraum des Zylinders überströmt und der Ablauf von neuem beginnt.

Nachteilig dabei ist, daß bei dem Gaswechselvorgang der Überströmkanal vor dem Auslaßkanal geschlossen werden muß, und der Zylinder nicht vollständig geladen werden kann. Im weiteren, wo Auslaß- und Überströmkanal fast während des ganzen Gaswechselvorgangs zugleich geöffnet sind, entweicht ein Teil frischer Kraftstoff (Nachauslaß) über den Auslaßkanal ins Freie, ebenso bleiben verbrannte Kraftstoffreste im Brennraum zurück. Dieser Vorgang, der sog. offene Gaswechsel mindert nicht nur die Leistung, sondern erhöht auch den Verbrauch.

Dieses "Vorschließen" der Überströmkanäle ist jedoch notwendig, da in dem, der Explosion folgenden zweiten Takt, wobei sich der Kolben in die entgegengesetzte Richtung bewegt (Vorverdichtung), die Verbrennungsprodukte zuerst den Zylinder verlassen müssen, damit frischem Kraftstoff Platz gemacht wird, und der Druck soweit fällt (im Öffnungsmoment 3-4 bar), daß die Kolbenunterseite den Zylinder wieder mit vorhin eingeströmtem und vorverdichtetem Frischkraftstoff aufladen kann. Durch die vorhandene Druckdifferenz sowie Staudruck in der Auspuffleitung erfolgt jedoch ein Rückschlag in die Kurbelkammer. Man kann das Kurbelgehäuse verkleinern, um die Vorverdichtung zu erhöhen und dadurch ein besseres Resultat zu erzielen. Aufgrund der Kraftstoffmenge sind dieser Maßnahme jedoch Grenzen gesetzt.

Das Steuerdiagramm Fig. 1 (symmetrisches Steuerdiagramm) dieses Zweitaktmotors zeigt, daß für die Gaswechsel-/Spülzeit nur ca. 130° Kurbelwinkel zur Verfügung stehen, ca. 1/3 eines Viertaktmotors.

Diese kürzere Gaswechsel-/Spülzeit, die im übrigen drehzahlabhängig ist, führt ebenso zu einem Füllungsverlust. Bei niedriger Drehzahl strömen Frischgase in den Auslaßkanal und bei hohen Drehzahlen bleiben mehr Altgase im Zylinder und die Leistung fällt ab.

In beiden Fällen jedoch erhöht sich der spezifische Kraftstoff- und Schmierölver­ brauch.

Zur Verbesserung des Aufladens wurden mehrere Maßnahmen eingeführt, wie z. B. zwei nebeneinander liegende Kolben mit einem gemeinsamen Brennraum in verschiedenen Variationen der Zweitkolbenbewegung (2 Kurbeln oder "Y" Kolben­ stange usw.), Kompressoraufladung sowie Membran- und Drehschiebersteuerung für den Einlaßkanal, um eine bessere Spülung, Füllung (nützliches Nachladen) und spezifischen Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Durch diesen Steuerungs­ mechanismus kann der Überströmkanal nach dem Auslaßkanal geschlossen werden (unsymmetrisches Steuerdiagramm).

Ebenso wurde das Gegenstromspülverfahren, das Querstromspülung mit Nasenkol­ ben vorsieht, durch Umkehr/Kreuzspülung mit Flachkolben abgelöst. Hierbei entstanden 2 bis 3 separate Überströmkanäle, 1 bis 2 separate Auspuffkanäle sowie 1 Einsaugkanal. Diese Lösungen brachten zwar bestimmte Verbesserungen, jedoch konnten die vorhin erwähnten Nachteile nicht vollständig aufgehoben werden und erhöhen z. T. gleichzeitig den technischen und wirtschaftlichen Aufwand - z. B. Kompressoranbau, Drehschieber usw. - derart, daß ein Durchsetzen gegenüber Viertaktmotoren schließlich bis heute nicht möglich war.

Auch wurde das ursprüngliche Dreikanalsystem weiterhin beibehalten.

In den Druckschriften DE 5 15 494, DE 35 18 303-A1, DE-OS 12 81 880, DE PS 3 20 495 sowie den US-PS 2 297 912, 2 564 363, 3 119 462 sind Auflade- und Steuerungsmöglichkeiten bekanntgegeben, die jedoch das Erreichen größerer Leistungen oder durchgreifender Funktionsänderungen an Verbrennungskraft­ maschinen nicht nachhaltig lösen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau eine Verbrennungskraftmaschine zu vereinfachen und den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.

In Fig. 3 ist das Funktionsprinzip einer neuen Zweitaktbrennkraftmaschine in Form einer pleuellosen Doppelkolbenausführung dargestellt.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht im Zylinder 1 vier Überström/Spülkanäle 2 vor, in denen direkt ohne räumliche Versetzung jeweils einmal Ein- 3 und Auslaßkanäle 4 nach der entsprechenden Funktion oben und unten in gleicher Höhe münden. Somit sind die getrennten "Drei-Kanalfunktionen" und die versetzten Kanalöffnungsein­ trittsspalten an der Zylinderwand herkömmlicher Art entfallen.

Je nach Leistungsbedarf können entweder vier separate oder ein zentraler Vergaser angeschlossen werden. Letztere Lösung bedarf eines gemeinsamen Rohres, mit dem alle vier Einlaßöffnungen verbunden sind.

Ebenso wurde der Kolben 5 im unteren Bereich im Durchmesser für die Verbes­ serung der Einlaß- und Vorverdichtungsfunktionen vergrößert sowie mit vier Aussparungen versehen. In der Kolbenmitte ist der pleuellose Kulissenantrieb 6 mit entsprechender Führung 7 direkt auf die Kurbelwelle 8 gelagert dargestellt.

Das Öffnen und Schließen der vier Auslaß/Überströmspalten 4a wird nicht nur vom Kolben gesteuert, sondern oben auch über vier Steuerklappen 9, die rundum angeordnet sind und über ein erfindungsgemäßes Wellensystem 10, bestehend aus vier Wellen mit Kegelradverbindung 11 miteinander verbunden sind sowie eine gleichzeitige Bewegung aller Klappen in die gleiche Richtung ermöglichen Fig. 5. Vorteilhaft dabei ist, daß diese Bewegung nur mit einer einzigen Zahnstange zustandegebracht werden kann. Somit fällt diesem "Spalt 4a" eine Doppelfunktion zu, nämlich je nach Klappenstellung einmal über Kanal 4 als Auspufföffnung, bzw. über Kanal 2 als Kraftstoffeinlaßöffnung vor dem Kolben im Brennraum.

An zwei Wellenenden des Systems, wo die Anbringung einer Kegelradverbindung nicht mehr notwendig ist, wird je eine Spiralfeder 12 als zusätzliche Absicherung der Klappenstellung befestigt.

In einer entsprechenden Aussparung des Zylinderkörpers greift eine Zahnstange 13 in einem Kegelrad ein Fig. 6. Die Zahnstange 13 ihrerseits steht über eine Rolle 14 mit einer Steuerscheibe 15 in Verbindung, die auf der Kurbelwelle 8 befestigt ist. Diese Verbindung ermöglicht eine exakte Einstellung von Öffnen und Schließen der Steuerklappen 9.

Um bei der Einlaßöffnung 3 Richtung Vergaser keinen Gegendruck zu erzeugen, sind zwei schnabelförmig ausgebildete dünne Blattfedersaugklappen 16, wie es bei Membransteuerungen auch bekannt ist, befestigt. Diese sind durch die Federkraft ständig geschlossen und öffnen sich je nach Kolbenstellung durch die Druckverän­ derungen automatisch.

Bei Brennkraftmaschinen mit höheren Drehzahlen wird lediglich ähnlich wie aus­ puffseitig, eine Einklappenausführung 17 oder ein Drehschieber verwendet. In der Verdichtungsphase Fig. 3 bewegt sich der Kolben 5 von rechts nach links und komprimiert den vorher eingesaugten Kraftstoff.

Nach der Explosion Fig. 4 bewegt sich der Kolben 5 von links nach rechts und öffnet den Auslaßspalt 4a. Gleichzeitig öffnet sich die Steuerklappe 9 im Auslaßkanal 4 und macht den Weg zum Auspuffrohr frei. Die Durchführungs/"Spülkanäle" 2 bleiben durch diese Klappeneinstellung geschlossen, so daß das Kolben-unterteil 5 zum Einsaugen entsprechenden Unterdruck aufbauen kann. Die Saugklappen 16 vom Vergaser öffnen sich automatisch. Während dieses Vorgangs beginnt auf der rechten Seite des Doppelkolbens die "Vorverdichtungsphase".

Die Membransaugklappen 16 schließen durch die Federkraft und den Überdruck automatisch. Die Auspuffgase haben den Zylinder mit großer Geschwindigkeit verlassen. Durch die verzögerte Steuerklappenschließung war die Auslaßöffnung 4 ebenfalls länger als herkömmlich offen Fig. 2.

Im weiteren Verlauf der Bewegung ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß während auf der rechten Seite die Aufladephase läuft, auf der linken Seite am unteren Teil des Kolbens vom Vergaser frischer Kraftstoff eingesaugt und am oberen Teil des Kolbens der Auspuffvorgang abgewickelt wird.

Die Kraftübertragung erfolgt über eine Kulisse, die entgegen herkömmlichen Zwei­ taktmotoren an den Einlaß-, Vorverdichtungs- und Aufladevorgängen nicht mitwirkt und von diesen Räumen ganz isoliert ist. Da die im Doppelstufenkolben integrierte zweiteilige Kulisse in sich eine geschlossene Einheit bildet, muß diese an der Kurbel­ welle nicht zusammengeschraubt werden. Aus diesem Grund können mehrere Teile eingespart werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Zweitakt- oder Viertaktmotoren kann u. a auf das Kurbelgehäuse verzichtet werden. Ebenso entfällt die aufwendige Lagerung, (da die Kulisse als Doppellager fungiert, einmal auf der Welle und einmal im Kolben) sowie Pleuel und Kolbenverbindungsbolzen, angeschraubte Gegengewichte bzw. Kurbel­ wangen der Kurbelwelle. Diese Vereinfachungen sind nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft, sondern auch mit kleineren Baumaßen und Gewichtseinsparung - z. B. Kurbelwelle um 50% - verbunden.

Außerdem kann mit einer separater Zwangsschmierung - über die Kurbelwelle geführt - gearbeitet werden. Dies bedeutet, daß auf ein bei Zweitaktmotoren übliches Öl/Benzingemisch verzichtet werden kann.

Diese Lösung ist nicht nur umweltschonend, sondern läßt die bekanntlich schädliche, an Auslaßschlitzen, Kolbenboden, Zylinderkopf und Auspuffleitung vorkommende Ölkohleansatzbildung, aus der Leistungsverlust, höherer Kraftstoffverbrauch und Verschleiß sowie "Viertaktern", "Dieseln" und klopfen resultieren, vermeiden.

Eine weitere Ausführung dieser Lösung sieht vor, daß die Zahnstange für die Steuerklappenbewegung als Hubmagnet ausgebildet ist.

Die notwendigen Signale für die Hubmagnete werden über einen im Kolben 5 eingelassenen Magnetring 18 erzeugt, der seinerseits die in den Zylindern 1 befestigten Reedkontakte 19 anspricht.

Ebenso können anstelle Reglerklappen, Doppelsitzventile 20 verwendet werden, die über zahnriemenangetriebene Nockenwellen gesteuert werden können Fig. 7-8.

Bei Verwendung von Kraftstoffeinspritzpumpen kann das Gesamtsystem sowohl für Zwei- als auch für Viertaktbrennkraftmaschinen in Benzin- oder Dieselausführung verwendet werden. In Fällen von Viertaktbrennkraftmaschinen wirkt der Doppelstu­ fenkolben als integrierter Kompressor und lädt den Brennraum anstelle Kraftstoff mit zusätzlicher Luftmenge auf.

Claims (9)

1. Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem, in einem Zylinder geführten Kolben, wobei ein durch den Kolben oder das Ventil gesteuerter Gaswechsel über wenigstens eine kombinierte Ein- und Auslassöffnung (4a) in der Zylinderwand im Verbrennungsraum sowie wenigstens einen von außen dazu führenden Überströmkanal (2) vorgesehen ist, wobei die Anschlussöffnungen (3, 4) am Zylinder in Achsrichtung des Zylinders etwa übereinander und in den im Zylinder eingelassenen Überströmkanal (2) mündend angeordnet sind, wobei in dem Überströmkanal-Abschnitt zwischen kombinierter Ein- und Auslassöffnung (4a) in der Zylinderwand und Anschluß­ öffnungen (3, 4) eine Umschaltklappe (9) oder dergleichen vorgesehen ist, die einmal die kombinierte Ein- und Auslassöffnung (4a) mit der Auslassöffnung (4) und zum anderen mit dem Überströmkanal (2) verbindet und wobei bei der Einlassöffnung (3) von außen ein Einlassventil (16) angeordnet ist.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Umschaltklappe oder dergleichen ein elektromagnetischer oder Hubantrieb vorgesehen ist.

3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Umfang des Zylinders mehrere Überströmkanäle (2) jeweils mit kombinierten Ein- und Auslaßöffnungen (4a), Auslaßöffnungen (4), Um­ schaltklappe (9) und Einlassventil (16) bei der jeweiligen Einlassöffnung (3) vorgesehen sind.

4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltklappen (9) als Drehklappen mit einer Drehachse (10) ausgebildet sind und dass die Drehachsen miteinander in Antriebsverbindung stehen, vorzugsweise durch Kegelradverbindungen (11) auf den äußeren Enden der Wellen, von denen ein Kegelrad mit der am Antriebsende als Zahnstange ausgebildeten Schubstange in Eingriff steht.

5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Einlassöffnung (3) angeordnete Einlassventil (16) als durch Differenzdruck in Einaßrichtung öffnendes Membranventil ausgebildet ist.

6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als pleuellose Doppelkolben-Verbrennungskraft­ maschine ausgebildet ist, mit einer Kurbelwelle, die mit einem abgekröpften Kurbelwelle, die mit einem abgekröpften Kurbelabschnitt am einteiligen Doppelkolben angreift.

7. Verbrennungskraftmaschine nach Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, daß der einteilige Doppelkolben als stufenloser Doppelkolben ausgebildet ist, und eine zentrale Öffnung für den Durchtritt eines Kurbelabschnitts der Kurbelwelle aufweist, und daß dieser Durchtritt als Schiebelageröffnung für einen darin quer zur Hubbewegung des Kolbens und zur Längserstreckung der Kurbel­ welle verschiebbar ohne Verbindungselemente selbsthemmend gelagerten Kulissenstein mit einer Lageröffnung für den Kurbelabschnitt ausgebildet ist.

8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der selbsthemmende Kulissenstein zweiteilig mit einer mittig längs durch die Lageröffnung verlaufenden Trennebene ausgebildet ist.

9. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der selbsthemmende Kulissenstein Teil eines Kompressors ist und als in der den Zylinder bildenden Schiebelageröffnung gelagerter Kolben ausgebildet ist.