DE4030116A1 - Zweitaktbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweitaktbrennkraftmaschine für Otto- und/oder Dieselbetrieb für schmierstofffreie magere Kraftstoff-Luft-Gemische mit Schichtladung und/oder Aufladung mit mindestens einem Brennraum und mindestens einem glatten Kolben.

Solche Zweitaktbrennkraftmaschinen sind an sich bekannt. Diese weisen gegenüber Viertaktmaschinen mehrere Vorteile, wie u. a. weniger Einzelteile, einfachere Bauweise, hohen Wirkungsgrad bei niedrigerer Drehzahl, hohe Laufkultur sowie geringere Stickoxydemission, auf. Diesen Vorteilen stehen jedoch auch gravierende Nachteile gegenüber, wie z. B. hoher Verbrauch bei höheren Drehzahlen und eine besonders starke Geruchs- und Rauchentwicklung.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde bereits vorgeschlagen, den Brennraum mittels Kompressoren aufzuladen, Drehschieber etc. vorzusehen. Durch diese dem Zweitaktprinzip entgegenlaufende Maßnahmen (u. a. sog. Sarich-Motor, List-Motor, kombiniertes Viertakt- Zweitakt-Prinzip) wird der Zweitaktmotor in seinem Aufbau aber derart kompliziert, daß die besonderen Vorteile dieses Prinzips wieder verlorengehen.

Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Zweitaktbrennkraftmaschine für schmierstofffreien Betrieb zu schaffen, die den dem Zweitaktprinzip typischen einfachen Aufbau aufweist und trotzdem als Magermotor auch im Schichtaufladebetrieb betrieben werden kann, eine einfache Eigenaufladung, d. h., keine Fremdaggregate, besitzt und schadstoffarm arbeitet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere in seinem schadstoff-, geruchs- und raucharmen und im schmierstofffreien Luft- bzw. Gemisch-Betrieb, der nur wenig Wartung erfordert, ferner in seinem geringen Gewicht und der ohne weiteren Aufwand möglichen Nachrüstung bereits in Betrieb befindlicher Motore, wobei deren Größe keine Rolle spielt. Durch die Eigenaufladung mit einem größeren Frischluftvolumen als dem Hubvolumen entsprechend, wird die Verbrennungstemperatur und damit die Entstehung von NO- Anteilen im Abgas bedeutend herabgesetzt, und zwar infolge intensiverer Spülung mit beliebig groß einstellbarem Luftüberschuß und einwandfreiem Lauf sowie reduziertem Kraftstoffverbrauch.

Die Vorteile werden durch einen als Saugkammer ausgebildeten Nebenraum erreicht, in den die Luft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch anstatt durch die Kurbelkammer gesaugt wird. Somit entfällt auch der Zusatz von Schmiermittel zum Kraftstoff ebenso wie zusätzliche Schmiersysteme, wie sie beim Einspritzen von Kraftstoffen erforderlich sind. Weiterhin werden die Vorteile des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Motors dadurch erreicht, daß das Ansaugen des Kraftstoff-Luft- Gemisches während des gesamten Ansaugehubs und nicht nur während der Öffnungszeiten des Einlaßschlitzes im Bereich des unteren Totpunktes erfolgt, wodurch das Ansaugvolumen insbesondere bei höheren Drehzahlen größer und der Widerstand geringer wird. Zusätzlich wird erfindungsgemäß bei Vergaserbetrieb außer dem Kraftstoff-Luft-Gemisch noch Frischluft in beliebigem Verhältnis pro Zylinder angesaugt und deren Zufuhr so geregelt, daß eine Schichtladung mit zündfähigem Gemisch und Frischluft erfolgt und/oder magerem Gemisch in beliebig einstellbarem Mischungsverhältnis bei Erhaltung der vollen Betriebssicherheit und Laufruhe. Durch den Einsatz von sogenannten Bundkolben und erweiterten Zylindern, wodurch ein Ringraum gebildet wird, in den Frischluft gesaugt wird, die am Ende des Kompressionshubes in den Zylinderkopf gepreßt wird und zentral in die Flammenfront bläst, kann sowohl die Leistung als auch die Schichtladung weiter verbessert werden. Somit wird durch das vergrößerte Ansaugvolumen des Bundkolbens, dessen Volumen größer ist als das des Zylinders, zusätzlich eine Eigenaufladung erreicht, wodurch das Zylinderringvolumen noch weiter gesteigert wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die Frischluft aus der Eigenaufladung in einem nach unten offenen ringförmigen Kanal im Zylinderkopf zuzuführen, wodurch beim Absenken des Kolbens diese Frischluft durch eine starke Verwirbelung in die Flammenfront gepreßt wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Erfindung sowohl bei kleinen als auch bei großen Motoren eingesetzt werden kann, wobei auch Nachrüstung bereits in Betrieb befindlicher Motore möglich ist. Dies ist insbesondere bei der großen Anzahl von Rasenmähern, Motorsägen, Außenbordmotoren usw. von Bedeutung, deren Schadstoffausstoß sich das Bedienungspersonal bisher überhaupt nicht entziehen kann. Solche kleinen Motore sind mit aufwendigen Katalysatoren und sonstigen entsprechenden Einrichtungen aus Kosten- und Leistungsgründen nicht ausrüstbar.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Zweitaktbrennkraftmaschine gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Ausführungsvariante der Fig. 1,

Fig. 3 eine Ausführungsvariante der Saugkammer,

Fig. 4 eine Ausführungsvariante der Fig. 3,

Fig. 5 eine Ausführungsvariante der Fig. 3 und

Fig. 6 eine weitere Ausführungsvariante der Fig. 1 mit Bundkolben.

Wie in der Fig. 1 dargestellt, besteht die erfindungsgemäße Zweitaktbrennkraftmaschine im wesentlichen aus dem Zylinderblock 1 mit Zylinderkopf 2 mit einem integrierten Sprühölschutz 2a und dem wie bei einem Viertaktmotor gestalteten Kurbelgehäuse 3, einem Kolben 4, vorzugsweise einem Bundkolben, mit Pleuel 5 nebst Pleuellager 6.

Im Zylinderkopf 2 ist ein Ringkanal 7 vorgesehen, in den der Rand 8 des Kolbens 4 eintaucht und die dort eingeschlossene Luft von dem Brennraum 9 trennt. Der Kraftstoff wird durch die Kraftstofföffnung 10 in den Brennraum 9 eingebracht, sei es durch Kraftstoffeinspritzung direkt oder Vergaser, und von der ebenfalls nicht dargestellten Zündkerze gezündet.

Der Ringkanal 7 ist durch mindestens eine Bohrung 14 mit dem Brennraum 9 verbunden. Zwecks besserer Durchspülung und Kühlung des vom Kolbenrand 8 umgebenen Kolbenbodens können im Kolbenrand Öffnungen 13 gegenüber dem Auslaßschlitz 17 vorgesehen sein.

Die Öffnung der Saugkammer 15 wird durch ein Ölschutzschild 18 von der Kurbelwanne 3 abgeschirmt.

In dem Zylinderblock 1 ist ein als Saugkammer ausgebildeter Nebenraum 15 für Luft L und/oder Kraftstoff K bzw. Gemisch G ohne Schmiermittelzusatz vorgesehen, der einerseits mit dem Kurbelgehäuse 3 und mit dem Einlaßschlitz 16 in taktmäßig abhängiger, offener Verbindung steht. Gegenüber dem Einlaßschlitz 16 ist der Auslaßschlitz 17 vorgesehen. Durch den Saugvorgang bei Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 wird dem Nebenraum nur Frischluft zugeführt.

Der Nebenraum 15 kann auch, wie in Fig. 2 dargestellt, in zwei geteilte Kammern 15a für Frischluft und 15b für Kraftstoff unterteilt sein, wobei dann der Einlaßschlitz 16a für die Frischluft nach unten und der Einlaßschlitz 12b für den Kraftstoff bzw. ein Kraftstoff- Luft-Gemisch etwas nach oben in Richtung Zylinderkopf gerichtet ist, um eine bessere Spülung und eine Schichtladung zu erzielen.

Zwecks besserer Trennung dieser angesaugten Luft/Gemische von den Öldämpfen und Ölspritzern der Kurbelwanne 3 sind in der Saugkammer bzw. dem Nebenraum 15 Trennelemente wie Ölabweiser 19a und 19b verschiedener Bauart vorgesehen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist ein Ball 20 im Nebenraum 15 vorgesehen, der möglichst leicht ist und beispielsweise aus einem Polycarbonat besteht und mit geringem Spiel im Nebenraum gleiten kann.

Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines Trennelementes als Blasebalg 21 im Nebenraum 15. Vor dem Ansaugkanalstutzen 22 befindet sich der nicht dargestellte Vergaser oder das Einspritzaggregat mit Rückschlagventil. Die Öffnung 23 verbindet den Nebenraum 15 mit der Kurbelwanne 3, der Überströmkanal 24 führt zum Einlaßschlitz 25.

Die Fig. 5 zeigt eine Ausführungsvariante des Nebenraumes 15, d. h., der einfachen Saugkammer, in der Ausbildung als Doppelsaugkammer 25 mit einem schwimmerartigen Frischlufthohlkolben 26 und einem Kraftstoffkolben 27, die beide an einem Stift 28 geführt sind. Der Steuerungsraum 30 der Doppelsaugkammer 25 steht über die Öffnung 29 mit der Kurbelwanne 3 druckausgleichend in Verbindung. Die beiden Kolben 26 und 27 werden dabei durch das in den Steuerungsraum 30 strömende Gas bzw. aus diesem abgezogene Gas des Kurbelgehäuses 3 nach außen gepreßt bzw. nach innen gesogen, wodurch Luft L bzw. Kraftstoff K jeweils von außen durch den Anschluß 31 in den Frischluftraum 32 und durch den Anschluß 33 in den Kraftstoffraum 34 gelangt. Am Ende des Verbrennungshubes werden Gemisch durch den Auslaß 36 und Frischluft durch den Auslaß 35 in den Zylinder gepreßt.

Die einfache Saugkammer 15 bzw. die Doppelsaugkammer 25 können sowohl in den Zylinderblock 1 oder die Kurbelwanne 3 integriert als auch als separate Teile angeordnet sein.

Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante der Fig. 1 für Eigenaufladung, wobei ein Bundkolben 37 zusätzlich Frischluft aus einem Frischluftstutzen 39 in den erweiterten Zylinder 38 und den den Bundkolben begrenzenden Frischluftraum 40 während des Verbrennungshubes ansaugt und über mindestens einen Frischluftkanal 41 in den Ringraum 42 im Zylinderkopf 43 am Ende des Kompressionshubes preßt. Da das Ansaugvolumen dem Hubvolumen+Frischluftraumvolumen entspricht, ist die Spülluftmenge wesentlich größer als bei den bekannten Kolbenausführungen, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt. Zusätzlich führt die dem Ringraum 42 zugeführte Frischluft zur Eigenaufladung, die nach der Zündung im Dom 44 der Flammenfront zugeführt wird, wodurch der Verbrennungsprozeß mit beliebigem Luftüberschuß und allen seinen bekannten Vorzügen bezüglich Schadstoffminderung abläuft.

Für Hochleistungsmotoren mit einer exakt dosier- und regelbaren Zufuhr von Kraftstoff K, Gemisch G und Luft L kann der Nebenraum 15, 25 anstelle als Saugkammer auch als Dosierpumpenaggregat mit Fremdantrieb vorgesehen sein. Zusätzlich kann dieses Aggregat auch elektronisch gesteuert sein.

Bei Motoren mit mehreren Zylindern können der Nebenraum 15, 25 oder das Dosierpumpenaggregat sowohl für die Versorgung jeweils eines Zylinders des Motors als auch für mehrere Zylinder gleichzeitig eingerichtet werden, wobei die Volumina des Nebenraumes sowie die erforderlichen Anschlüsse entsprechend auszubilden sind.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zweitaktbrennkraftmaschine ist prinzipiell wie folgt:

Der Kolben 4, 37 der im Zweitaktverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine saugt während seines Kompressionshubes über die Kurbelwanne 3 kontinuierlich eine dem Hubvolumen entsprechende oder auch eine größere Menge Gemisch G in den als Saugkammer ausgebildeten Nebenraum 15b und die Luft in den Nebenraum 15a. Anschließend wird am Ende des Verbrennungshubes, nachdem der Kolben 4, 37 die Ansaugschlitze freigegeben hat, das Gemisch G durch den Schlitz 16b und die Luft durch den Schlitz 16a gepreßt.

Bei Motoren mit Randkolben 4 und Einspritzverfahren wird nur Luft in den Zylinder gepreßt, die sich im Brennraum und dem Ringraum sammelt. Nach erfolgter Kraftstoffeinspritzung und Zündung im Brennraum bläst Luft nach Freigabe durch die Kante des Randes 8 stark wirbelnd in die Flammenfront.

Bei Motoren mit Bundkolben 37 wird zusätzlich Frischluft über den Frischluftansaugkanal 39 beim Verbrennungshub in den Frischluftraum 40 gesaugt, die beim Ansaughub über den Frischluftkanal 41 mit hohem Druck in den Ringkanal 42 gepreßt wird.

Bei Vergaserbetrieb wird das im Dom 44 gesammelte Gemisch gezündet - beim Einspritzverfahren nach erfolgter Einspritzung in Luft -, und unter hohem Druck strömt die Frischluft aus dem Kanal 42 in die Flammenfront.

Mittels dieses erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann eine Schichtladung bzw. Schichtbildung optimal erzielt und Luftüberschuß in jeder gewünschten Menge eingestellt werden, ohne daß die Zündfähigkeit der Gemische beeinträchtigt wird. Dies bedeutet niedrige Schadstoffwerte, insbesondere hinsichtlich der Stickoxyde, außerdem geringen Kraftstoffverbrauch, ohne daß die Vorteile der Zweitaktbrennkraftmaschine gemindert werden.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Zweitaktbrennkraftmaschine ist sowohl für die Ausbildung als leistungsschwächere kleine Maschine, wie sie beispielsweise für den Antrieb von Rasernmähern, Motorsägen, Modellen usw. eingesetzt werden, geeignet als auch für den Antrieb von stationären Aggregaten, Motorrädern, Automobilen (Pkw und Lkw) usw. - auch großer Leistung -.

Schließlich kann eine solche erfindungsgemäß ausgebildete Zweitaktbrennkraftmaschine für Otto- oder Dieselbetrieb eingesetzt werden.

Stückliste

 1 Zylinderblock
 2 Zylinderkopf
 3 Kurbelwanne
 4 Kolben
 5 Pleuel
 6 Pleuellager
 7 Ringkanal
 8 Kolbenrand
 9 Brennraum
10 Kraftstofföffnung
11 Zündkerze
12 Kolbenkante
13 Öffnungen im Kolbenrand
14 Luftkanal
15 Saugkammer, Nebenraum
15a Frischluftsaugkammer
15b Gemischsaugkammer
16 Einlaßschlitz
16a Einlaßschlitz für Frischluft
16b Einlaßschlitz für Gemisch
17 Auslaßschlitz
18 Ölschutzschild
19a Ölabweiser
19b Ölabweiser
19c Öffnungen für Druckausgleich
19d Öffnungen für Druckausgleich
20 Ball
21 Blasebalg
22 Ansaugkanal
23 Öffnung zur Kurbelwanne
24a Überströmkanal
24b Einlaßschlitz
25 Doppelansaugkammer
26 Frischlufthohlkolben
27 Gemischhohlkolben
28 Führungsstift
29 Kurbelwannenöffnung
30 Steuerungsraum
31 Ansauganschluß für Frischluft
32 Frischluftraum
33 Ansauganschluß für Gemisch
34 Gemischraum
35 Frischluft-Auslaßschlitz
36 Gemisch-Auslaßschlitz
37 Bundkolben
37a Bund
38 erweiterter Zylinder
39 Frischluftansaugkanal
40 Frischluftraum
41 Frischluftkanal
42 Ringraum
43 Zylinderkopf
44 Dom
A Abgas
G Gemisch
K Kraftstoff
L Luft

Claims (18)

1. Zweitaktbrennkraftmaschine für Otto- und/oder Dieselbetrieb für schmierstofffreie magere Kraftstoff- Luft-Gemische mit Schichtladung und/oder Aufladung mit mindestens einem Brennraum und mindestens einem glatten Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zylinder (1) mindestens eine Saugkammer (15) für Frischluft (15a) und/oder Gemisch (15b) vorgeschaltet ist, die mit der Kurbelwanne (3) in Verbindung steht.

2. Zweitaktbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Frischluftkammer und jede Gemischkammer (15, 15a, 15b) mindestens je einen Einlaßschlitz (16a, 16b) besitzt, deren axiale Höhe in der Zylinderwand und die Strömungsrichtung unterschiedlich sind.

3. Zweitaktbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (37) einen Bund (37a) aufweist, der mit dem erweiterten Zylinder (38) einen Frischluftraum (40) bildet.

4. Zweitaktbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft in den Frischluftraum (40) gesaugt ist.

5. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Frischluftkanal (41) vorgesehen ist, der vom Frischluftraum (40) ausgehend in den Ringraum (42) des Zylinderkopfes (43) geführt ist.

6. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischluftkanal (41) direkt in den Dom (44) mündet.

7. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) einen zylindrischen Rand (8) mit parallel zur Zylinderfläche verlaufenden Mantelflächen besitzt.

8. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Rand (8) des Kolbens (4) ganz oder teilweise in den Ringraum (7) eintaucht.

9. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (8) des Kolbens (4) mindestens eine Öffnung (13) zum Auslaßschlitz (17) besitzt.

10. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Frischluftansaugkanal (39) in den Frischluftraum (40) mündet.

11. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Dom (44) mit mindestens einem Kanal (14) mit dem Ringraum (7) verbunden ist.

12. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugkammern (15) in den Zylinderblock (1) integriert sind.

13. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugkammern (15) als vom Zylinderblock (1) getrennte Bauteile vorgesehen sind.

14. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugkammer (15) mit einem Vergaser verbunden ist.

15. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugkammer (15) mit einer Einspritzeinrichtung verbunden ist.

16. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugkammer (15) als von der Kurbelwanne (3) getrennte Dosierpumpeneinrichtung mit Fremdantrieb ausgebildet ist.

17. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugkammern (15) im Gasstrom schwimmende Trennelemente (20) enthalten.

18. Verfahren zum Betrieb einer Zweitaktbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die über mindestens eine Saugkammer pro Zylinder während des Kompressionshubes und/oder zusätzlich über Frischluftkammern während des Verbrennungshubes angesaugte Luft und am Ende des Verbrennungshubes durch die Einlaßschlitze in den Zylinder gepreßte Frischluft und/oder mageres Gemisch im Verlauf des Kompressionshubes strömt und mit einem Kolben, der im oberen Totpunkt das Gemisch im Dom von der Luft in einem ringförmigen Kanal trennt, die nach der Zündung während des Absenkens des Kolbens in die Flammenfront wirbelnd bläst und die Frischluft, wobei die Frischluft und das Gemisch über getrennte Saugkammern angesaugt werden.