DE4335083A1 - Zweitaktmotor mit rotierendem Walzendrehschieber zur Querschnittsverengung der Auspuffleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor mit wenigstens einem Arbeitszylinder, in dem ein an einer Kurbelwelle angelenkter Kolben bei seiner Bewegung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt eine vorzugsweise schlitzförmige Auslaß­ öffnung und wenigstens eine vorzugsweise schlitzförmige Spül­ öffnung für Gemischeinlaß freigibt, wobei durch die Auslaßöffnung verbrannte Gase über einen Auslaßkanal an eine Auspuffleitung zuführbar sind.

Zweitaktmotoren weisen trotz eines unkomplizierten klaren Aufbaus und bestechender Einfachheit Nachteile auf, wodurch sie sich nur bei kleinem Zylinderinhalt oder großen Dieselmotoren bisher durchsetzen konnten. Bei einfachen Zweitaktmotoren erfolgt eine Steuerung der Auslaß- bzw. Auspuffschlitze und der Spül- bzw. Überströmschlitze nur vom Arbeitskolben. Wodurch nur ein sym­ metrisches unveränderliches Steuerdiagramm mit gleichbleibenden Steuerzeiten realisiert werden kann. Bei einem derartigen sym­ metrischen Steuerdiagramm besteht das Problem, daß zuviel Ge­ mischladung oder reine Luft ungenutzt durch die Auspuffschlitze entweicht. Es gab bisher schon Entwicklungen bei Zweitaktmotoren, bei denen Drehschieber in der Auspuffleitung vorgesehen sind, welche diese entweder ganz öffnen und ganz schließen. Darüber­ hinaus gab es bei Zweitaktmotoren Entwicklungen, bei denen die Auspuffschlitze in Vorauslaß und Resthauptauslaß unterteilt sind, wobei für den Vorauslaß eine vollständige Öffnung und eine ganze Schließung durch einen Drehschieber vorgesehen ist. Darüberhinaus existieren auch Zweitaktmotoren mit Nachladeventil.

Offenbart sind Zweitaktzylinder mit unterteilten Auspuffschlitzen beispielsweise in der GB 744,248. Hier wird der Vorauslaß durch einen Drehschieber vollständig geschlossen, der über die Kurbel­ welle mittels Steuerkette oder Zahnrädern angetrieben wird. Eine vergleichbare Konzeption zeigen auch die DE-OS 33 10 085 sowie die DE-OS 37 12 750.

Aus der DE-AS 10 54 779 ist ein Zweitaktmotor bekannt, bei dem im Auslaßkanal ein Drehschieber angeordnet ist, der für einen voll­ ständigen periodischen Verschluß des Auslaßkanals von der Kurbel­ welle angetrieben wird. Die Drehrichtung des Wellenschiebers ist jedoch entgegengesetzt zur Ausströmrichtung. Überdies ist der Drehschieber in ungünstiger Weise im unteren Bereich des Aus­ laßkanals angeordnet.

Aus der DE-OS 41 18 254 ist ein Zweitaktmotor bekannt, bei dem ein umlaufender Walzendrehschieber die Auspuffleitung periodisch vollständig schließt, jedoch nur mit der halben Kurbelwellen­ drehzahl läuft.

In der US 4,202,297 ist ein Zweitaktmotor mit variabler Aus­ puffsteuerung bekannt, bei dem ähnlich einer Drosselklappe ein walzenförmiges Steuerorgan um maximal 90° im Auslaßkanal zwischen einer den Auslaßkanal völlig freigebenden und einer den Auslaßka­ nal teilweise verschließenden Stellung schwenkbar. Die Steuerung erfolgt dabei abhängig von der Motordrehzahl und/oder der Motor­ last.

Der insoweit bekannte und zuvor diskutierte Stand der Technik zeigt, daß es in der Fachwelt bekannt ist, bei kleinen Zwei­ taktzylindern die Auspuffleitung zur Bildung eines Rückstaus besonders zu gestalten, weil der Rückstau und die Auspuffdros­ selung in der Auspuffanlage einen großen Einfluß auf die Füllung des Arbeitszylinder haben. Der Rückstau bzw. die Auspuffdrosse­ lung in der Auspuffleitung in der bisher bekannten Art sind aber nur in einem begrenzten Drehzahlbereich wirkungsvoll. Im Leerlauf oder bei geringen Drehzahlen ergeben sich zu große Gemisch- bzw. Verbrennungsluftverluste, die im Leerlauf zu zahlreichen Zünd­ aussetzern führen, wodurch sich ein unruhiger Leerlauf ergibt. In dem oberen Drehzahlbereich besteht das Problem, daß der Arbeits­ zylinder sehr schlecht ausgespült wird und es zu Überhitzung kommen kann.

Mit der Erfindung soll ein Zweitaktmotor der eingangs genannten Art verfügbar gemacht werden, der über den gesamten Drehzahlbe­ reich ein hohes Drehmoment liefert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 ge­ kennzeichneten Merkmale gelöst und bevorzugte weitere Ausge­ staltungen der Erfindung sind den nachgeordneten Patentansprüchen zu entnehmen.

Der vorgesehene rotierende Walzendrehschieber an der Oberseite des Auslaßkanals des Zweitaktmotors begünstigt durch die vorgese­ hene Querschnittsverengung die reine Druckwellenaufladung vor­ teilhaft durch schwingungstechnische Abstimmung über den gesam­ ten Drehzahlbereich. Dies ergibt sich auch aus der Betrachtung des Druckverlaufs beim Zweitakt-Arbeitsverfahren (Druckdiagramm). Danach fällt der Überdruck bei Bewegung des Arbeitszylinders von OT nach UT von dem Moment, in dem der Arbeitskolben den oder die Auslaßschlitze freigibt, bis zum Öffnen der Überströmschlitze. Die ausströmenden Auspuffgase haben sich bis zum Öffnen der Überströmschlitze entspannt, wobei der Überdruck erst sinkt und anschließend durch die Sogwirkung der Auspuffgase Frischgemisch und Verbrennungsluft in den Arbeitszylinder eingesaugt wird. Der erfindungsgemäße vorgesehene synchron, also 1 : 1, mit der Motor- bzw. Kugelwellendrehzahl rotierende Walzendrehschieber sorgt für ein rasches Entspannen der Auspuffgase. Dann wirken die Auspuff­ gase sogartig und danach erfolgt der Aufbau eines Rückstaus vom Walzendrehschieber zum Arbeitszylinder. Dabei ergibt sich bei nur geringem Spüldruck eine gute Füllung, d. h. ein guter Liefergrad in allen Drehzahlbereichen.

Vorteilhaft wird eine deutlich verbesserte Gemischverbrennung über den gesamten Drehzahlbereich mit einem verringerten Schad­ stoffanteil im Auspuffgas erreicht.

Der Antrieb des Walzendrehschiebers ist dabei so vorgesehen, daß bei Freigabe des bzw. der Auslaßöffnungen bzw. Auspuffschlitze der Auslaßkanal allmählich ganz geöffnet wird, also ohne Drosse­ lung bzw. ohne Verengung ist. Dabei erfolgt die Walzendrehschie­ bersteuerung vorzugsweise mit einer Nacheilung von etwa 3 bis 50 des Drehwinkels des Walzendrehschiebers bzw. der Kurbelwelle. Anders ausgedrückt, ist zum Zeitpunkt der Freigabe der Auslaßöff­ nung bzw. Auspuffschlitze vom Kolben noch eine geringfügige Drosselung des Auslaßkanals durch den Walzendrehschieber vor­ handen, die bei der weiteren Drehung der Kurbelwelle um etwa 3 bis 5° verschwindet.

Wenn sich anschließend der Arbeitskolben weiter zum unteren Totpunkt bewegt, dreht sich auch der Walzendrehschieber weiter, wobei ungefähr im Bereich des unteren Totpunkts der Walzendreh­ schieber sich in der Stellung befindet, in der er den Auslaßka­ nalquerschnitt maximal ungefähr auf etwa 40 bis 60%, vorzugs­ weise ungefähr die Hälfte verengt. Wenn der Arbeitskolben sich vom unteren Totpunkt wieder zum oberen Totpunkt bewegt, bleibt der Auslaßkanal zunächst bis zum Schließen durch den Arbeits­ kolben maximal verengt. Die Querschnittsverengung hat die Bildung eines guten Rückstaus vom Walzendrehschieber zum Arbeitszylinder zur Folge. Das symmetrische bzw. gleichbleibende Steuerdiagramm ändert sich hierbei nicht, sondern es wird nur ein Rückstau aufgebaut. Aufgrund der vorgesehenen Motorkonzeption ergibt sich bei nur geringem Spüldruck eine gute Füllung, d. h. ein guter Liefergrad in allen Drehzahlbereichen.

Die Rotationsrichtung des Walzendrehschiebers ist in dem Aus­ laßkanal in Gasaustrittsrichtung orientiert, und der Walzen­ drehschieber besitzt einen zylinderförmigen Querschnitt mit einer vorzugsweise bis etwa 40% des Durchmessers ausgebildeten seg­ mentförmigen Abplattung für den ungedrosselten Zustand des Aus­ laßkanals.

Der Walzendrehschieber im Auslaßkanal ist im Bereich der Obersei­ te des Austrittkanals, also an der dem oberen Totpunkt zugewand­ ten Seite des Ausgangskanals vorgesehen und quer zur Längsachse des Auslaßkanals, vorzugsweise ohne spezielle Abdichtung und mit großer Toleranz, gelagert. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß der Walzendrehschieber nahe des Arbeitszylinders in einem Abstand gelagert ist, der für den Arbeitszylinder und den Walzen­ drehschieber noch eine ausreichende Kühlung gewährleistet, d. h. damit der Walzendrehschieber an der Kühlung des Arbeitszylinders teilnimmt.

Der Walzendrehschieber dreht sich synchron, also mit derselben Drehzahl, wie die Kurbelwelle, und ist mit dieser durch form­ schlüssig arbeitende Antriebselemente wie Zahnräder, Steuerkette oder Zahnriemen verbunden. Der runde Walzendrehschieber rotiert in einem Drehschiebergehäuse, wobei zwecks Lagerung des Walzen­ drehschiebers an beiden Enden der Walzendrehschieber und das Drehschiebergehäuse breiter sind als der Auslaßkanalquerschnitt. Die Lagerung des Walzendrehschiebers im Drehschiebergehäuse erfolgt mit großer Toleranz, um bei großen Temperaturunterschie­ den ein Klemmen des Walzendrehschiebers zu vermeiden. Der Walzen­ drehschieber braucht auch zudem die Auslaßleitung nicht abzudich­ ten, so daß aufwendige Abdichtungsmaßnahmen entfallen. Das Dreh­ schiebergehäuse ist entweder an der Außenseite des Zylinders integriert oder separat ausgebildet.

Falls mehrere Arbeitszylinder in einer Reihe stehen, können die jeweiligen Walzendrehschieber an einer Welle gebildet sein, wie beispielsweise bei einer Nockenwelle bei einem Ventilantrieb. Dabei können die freigearbeiteten segmentförmigen Abplattungen für jeden Arbeitszylinder entsprechend im Drehwinkel angepaßt sein, woraus sich ein Versatz entsprechend dem Kurbelwellenwin­ kelversatz ergibt.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beige­ fügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel ei­ nes Arbeitszylinders eines Zweitaktmotors mit einem Walzendrehschieber im Auslaßkanal;

Fig. 2 eine Ausschnittsdarstellung zur Veranschaulichung der relativen Stellung zwischen Kolben 17 und Walzendreh­ schieber 21 bei der Bewegung des Kolbens von OT nach UT, im Moment, wenn der Kolben den Auslaßschlitz frei­ gibt;

Fig. 3 eine ausschnittsweise Darstellung ähnlich Fig. 2 nach weiterer Annäherung des Kolbens an UT, wenn der Kolben die Spülschlitze freigibt; und

Fig. 4 eine ausschnittsweise Darstellung der relativen Stel­ lungszuordnung von Kolben und Walzendrehschieber in der ersten Phase des Kolbens von UT nach OT.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Zweitaktmotor 10 mit einem Arbeitszylinder 11, der oben mittels eines Zylinderkopfs 12 abgeschlossen ist, der eine Einschrauböffnung 13 für eine nicht dargestellte Zündkerze oder eine Einspritzdüse für Diesel be­ sitzt. An der Unterseite des Arbeitszylinders 11 ist ein Kurbel­ gehäuse 14 montiert, in dem eine Kurbelwelle 15 in nicht darge­ stellter Weise gelagert ist. An einer Kröpfung 15′ der Kurbelwel­ le 15 ist eine Pleuelstange 16 angelenkt, die an ihrem anderen Ende in bekannter Weise an einem Kolben 17 angelenkt ist. Der Kolben 17 ist in bekannter Weise an der Innenwand des Arbeits­ zylinders über Dichtringe 18 abgedichtet, wie auch aus Fig. 2 zu ersehen ist.

In der Seitenwand des Arbeitszylinders 11 sind einer der Spül­ schlitze 19 und ein vergleichsweise größerer Auslaßschlitz als Teil eines Auslaßkanals 20 gebildet. Oberhalb des Auslaßkanals 20 befindet sich die Lagerung eines Walzendrehschiebers 21, der mit einem Zahnrad 22 verbunden ist, welches mit einem Zahnriemen 23 kämmt. Der Zahnriemen 23 befindet sich in kämmenden Eingriff mit einem Zahnrad 24, das an der Kurbelwelle derart befestigt ist, daß die Kurbelwellenachse mit der Drehachse des Zahnrades 24 zusammenfällt. Die Drehrichtung des Walzendrehschiebers 21 ist durch einen Pfeil angedeutet.

In den Figuren ist zur Vereinfachung eine Spülöffnung 19 für Ge­ mischeinlaß gezeigt. Es sind mehrere Spülöffnungen 19 in gleicher Höhe vorgesehen. Darüberhinaus können sich auch die Auslaßöffnung zum Auslaßkanal 20 und die Spülöffnung 19 in jeder anderen wink­ ligen Zuordnung bezogen auf die Symmetrielängsachse des Arbeits­ zylinders 11 befinden, insbesondere einander gegenüberliegend.

In den Fig. 2 bis 4 sind in schematisierten Ausschnittsdarstel­ lungen verschiedene Stellungen des Walzendrehschiebers 21 in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 17 gezeigt, wobei in Fig. 4 der obere Totpunkt der Kolbenbewegung mit OT und der untere Totpunkt der Kolbenbewegung mit UT bezeichnet sind.

In Fig. 2 befindet sich der Kolben 17 auf dem Weg von OT nach UT, wie durch einen schwarzen, nach unten gerichteten Pfeil angedeu­ tet. In Fig. 2 ist die Stellung gezeigt, bei der die Kolbendicht­ ringe 18 des Zylinders 17 gerade den Auslaßkanal 20 freizugeben beginnen. Der Walzendrehschieber 21, der im Bereich des Auslaßka­ nals 20 einen zylinderförmigen Querschnitt 26 mit ausgearbeiteter segmentförmiger Abplattung 25 aufweist, befindet sich in dieser Stellung etwa 3 bis 5° vor der Stellung in der der Auslaßkanal völlig ungedrosselt ist und die Abplattung 25 bündig mit der oberen Wand des Auslaßkanals 20 abschließt. Der Druck oberhalb des Kolbens 17 baut sich bei der in Fig. 2 gezeigten Stellung so rasch ab, daß die Auspuffgase für das anschließend in Fig. 3 gezeigte Auffüllen des Arbeitszylinders 11 nach Aufsteuern der Spülschlitze 19 in günstiger Weise einen Sogdruck hervorrufen. Fig. 3 zeigt die nächste Phase der Bewegung des Kolbens 17 in Richtung auf den unteren Totpunkt nach erfolgter Aufsteuerung des Spülschlitzes 19, wobei erkennbar ist, daß sich zwischenzeitlich auch schon der Walzendrehschieber 21 entgegen dem Uhrzeigersinn zur zunehmenden Einengung des Querschnitts des Auslaßkanals 20 weiter bewegt hat.

Fig. 4 zeigt einen Zustand, bei dem der Kolben 17 gerade begonnen hat, sich von seinem unteren Totpunkt aufwärts zu seinem oberen Totpunkt zu bewegen, wobei der Walzendrehschieber 21 eine maxima­ le Verengung des Querschnitts des Ausgangkanals 20 hervorgerufen hat. Diese maximale Verengung bleibt noch bei der weiteren Bewe­ gung des Walzendrehschiebers aufgrund der zylindersegmentförmigen Gestaltung des Abschnitts 26 erhalten, bis der untere Dichtring 18 des Kolbens 17 den Auslaßschlitz des Ausgangkanals 20 ge­ schlossen hat. Durch das Hineinbewegen des Walzendrehschiebers 21 in den Querschnitt des Ausgangkanals 20 wird in dieser Phase in günstiger Weise ein Rückstau vom Walzendrehschieber zum Arbeits­ zylinder aufgebaut, der zu einer wirkungsvollen Füllung des Arbeitszylinders bei nur geringem Überdruck beiträgt, da es zu einer deutlichen Verringerung des Entweichens ungenutzter Frisch­ ladung oder reiner Luft durch die Auspuffschlitze beiträgt.

Die erfindungsgemäße Konzeption mit rotierenden Walzendreh­ schiebern zur Querschnittsverengung der Auspuffleitung je Zy­ linder synchron zur Kurbelwellendrehung sind für Zweitaktmotoren mit Kurbelkastenvorverdichtung sowie für Zweitaktmotoren mit Extraverdichtern (Kompressoren) oder mit nur einer reinen Sogwir­ kung (Frischgas-Frischluft) mit Spülung durch die Auspuff­ schwingung geeignet.

Claims (11)

1. Zweitaktmotor (10) mit wenigstens einem Arbeitszylinder (11), in dem ein an einer Kurbelwelle (15) angelenkter Kolben (17) bei seiner Bewegung zwischen einem oberen Tot­ punkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) eine Auslaßöff­ nung und wenigstens eine Spülöffnung (19) für Gemischeinlaß freigibt, wobei durch die Auslaßöffnung verbrannte Gase über einen Auslaßkanal (20) an eine Auspuffleitung abführbar sind, wobei für den Auslaßkanal (20) ein Walzendrehschieber (21) vorgesehen ist, der synchron mit der Kurbelwelle (15) ro­ tiert und durch den der Querschnitt des Auslaßkanals (20) bei Bewegung des Kolbens (17) vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) auf etwa 40 bis 60% drosselbar ist.

2. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Auslaßkanals (20) durch den Walzendreh­ schieber auf etwa 50% drosselbar ist.

3. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Querschnitt des Auslaßkanals (20) durch den Walzendrehschieber (21) annähernd ungedrosselt ist, wenn der Kolben (17) während seiner der Bewegung vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) die Auslaßöffnung freigibt.

4. Zweitaktmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rotationsrichtung des Wal­ zendrehschiebers (21) in dem Auslaßkanal (20) in Gasaus­ trittsrichtung orientiert ist.

5. Zweitaktmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Walzendrehschieber (21) einen teilzylinderförmigen Querschnitt (26) mit einer segmentför­ migen Abplattung (25) für den ungedrosselten Zustand des Auslaßkanals (20) aufweist.

6. Zweitaktmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die segmentförmige Abplattung (25) etwa bis 40% des Durchmessers des Drehschiebers (21) ausgebildet ist.

7. Zweitaktmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Walzendrehschieber (21) über formschlüssig arbeitende Antriebselemente (22-24) mit der Kurbelwelle (15) verbunden ist.

8. Zweitaktmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Walzendrehschieber (21) nahe dem Arbeitszylinder (11) gelagert ist.

9. Zweitaktmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Walzendrehschieber (21) oberhalb des Auslaßkanals (20) quer dessen Längsachse gela­ gert ist.

10. Zweitaktmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß für den Walzendrehschieber (21) eine Lagerung ohne spezielle Abdichtung und mit großer Toleranz vorgesehen ist.

11. Zweitaktmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß für mehrere Arbeitszylinder (11) die Walzendrehschieber (21) auf einer gemeinsamen Welle phasenentsprechend vorgesehen sind.