DE4418844A1 - Zweitaktbrennkraftmaschine mit Ladezylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit parallel oder geneigt zum Arbeitszylinder angeordnetem Ladepumpenzylinder, bei der ein Pumpenkolben durch eine Kurbelwelle angetrieben ist und als Rohrschieberkolben mit Überströmöffnungen ausgebildet ist und einen vom Arbeitskolben gesteuerten Auslaßkanal hat.

Aus den Patentschriften Nr. 2247147 und Nr. 2417185 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher der Auslaßkanal in bekannter Weise ausschließlich durch die Oberkante des Arbeitskolbens geöffnet und verschlossen wird. Dadurch ergeben sich für das Öffnen, wie auch für das Schließen des Auslaßkanals zwangsweise die selben Steuerzeiten und auch die selben Steuerquerschnitte, obwohl die Steuerzeiten und die Steuerquerschnitte für das Schließen des Auslaßkanals wesentlich geringer sein sollten, damit beim Ladungswechsel weniger Frischgase aus dem Arbeitszylinder in den Auslaßkanal entweichen können.

Es ist bekannt, daß bei Brennkraftmaschinen mit einer einfachen Auslaßschlitzsteuerung, wie sie bei den meisten Zweitaktmotoren angewendet wird, ein verhältnismäßig großer Anteil von der Frischgasladung durch die Mündung des Auslaßkanals entweicht, bevor dieselbe durch die Kolbenoberkante am Ende des Ladungswechsels verschlossen wird. Dies beeinträchtigt den volumetrischen Wirkungsgrad und begrenzt den maximal erreichbaren mittleren Arbeitsdruck einer solchen Brennkraftmaschine auf ein relativ niederes Niveau. Ein weiterer Nachteil der immer mehr an Bedeutung gewinnt ist die Tatsache, daß Spülverluste im Abgas die Messung des Sauerstoffgehaltes mittels Lambdasonde im Abgaskanal verfälschen und eine katalytische Konvertierung der Stickoxide erschweren. Außerdem beeinträchtigt das späte Schließen des Auslaßkanals auch die Qualität der Gemischbildung. Damit keine Kraftstoffteile in den Auslaßkanal gelangen können, darf der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Luftgemisch erst verhältnismäßig spät in den Arbeitszylinder eingebracht werden. Bei einer Brennkraftmaschine, bei welcher der Kraftstoff direkt in den Arbeitszylinder eingespritzt wird, verbleiben somit nur kurze Zeiten für die Gemischaufbereitung bis zum Zündzeitpunkt. Hinzu kommt noch der Nachteil, daß auch die Turbulenzen der Ladeluft abgeklungen sind. Dies beeinträchtigt insbesondere bei hohen Betriebsdrehzahlen die Gemischbildung und somit die Qualität der Verbrennung. Als Gegenmittel werden bisher Resonanzauspuffanlagen eingesetzt, um eine rückläufige Abgasschwingung dem Austreten von Ladungsverlusten entgegenzusetzen. Die Wirkungsweise ist jedoch gering, auf ein sehr schmales Drehzahlband beschränkt und somit für eine Brennkraftmaschine, die in allen Last- und Drehzahlbereichen ökonomisch arbeiten soll unzulänglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen. Es soll ohne Anordnung von zusätzlichen, aufwendigen Steuerorganen wie Ventilen oder Walzendrehschiebern das Entweichen von Frischladung aus dem Arbeitszylinder in den Auslaßkanal hinein verhindert werden und über einen breiten Drehzahlbereich der volumetrische Wirkungsgrad und damit der effektive mittlere Arbeitsdruck erhöht werden. Dies gilt für Brennkraftmaschinen, die sowohl nach dem Dieselverfahren wie auch nach dem Ottoverfahren arbeiten.

Bei einer Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung soll der Kraftstoff früher in den Arbeitszylinder eingespritzt werden können, um mehr Zeit für die Gemischaufbereitung zur Verfügung zu haben, ohne direkte Kraftstoffverluste in Kauf nehmen zu müssen. Der Kraftstoff soll zum Zeitpunkt der höchsten Einströmgeschwindigkeit der Ladeluft in den Arbeitszylinder eingespritzt werden können. Ein Einspritzsystem mit Luftunterstützung soll ohne separaten Kompressor unter Verwendung der Ladepumpe ermöglicht werden. Es sollen Auslaßschlitze thermisch entlastet werden. Es sollen einzelne Kanäle z. B. ein Auslaßkanal auch als Einströmkanal genutzt werden. Es soll der bei der Verbrennung herrschende Sauerstoffgehalt ohne Verfälschung durch Frischgasverluste mittels einer Lambdasonde im Abgaskanal gemessen und geregelt werden können. Eine an den Betriebszustand anpassungsfähige Abgasrückführung bzw. Abgasrückbehaltung soll die Stickoxidbildung bereits bei der Verbrennung minimieren, darüber hinaus soll auch eine katalytische Konvertierung der Stickoxide ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Ladepumpenzylinder und dem Auslaßkanal mindestens ein Verbindungskanal angeordnet ist, durch welchen ein Teil der im Ladepumpenzylinder vorverdichteten Ladung in den Auslaßkanal und durch dessen Mündung in den Arbeitszylinder gefördert wird.

Oder daß der Raum des Ladepumpenzylinders in an sich bekannter Weise durch Trennwände in zwei Kammern unterteilt ist, und daß eine dieser beiden Kammern Abgas durch mindestens einen Verbindungskanal in den Auslaßkanal fördert, solange der Arbeitskolben die Mündung des Auslaßkanals noch nicht verschlossen hat und daß die Einströmrichtung dieses Abgases in den Auslaßkanal der Ausströmrichtung der Ladungsverluste aus dem Arbeitszylinder entgegengesetzt ist.

Oder daß mindestens ein Auslaßkanal angeordnet ist der in den Ladepumpenzylinder mündet und daß ein im Ladepumpenkolben angeordneter Kanal die Mündung des Auslaßkanals mit der Mündung eines aus dem Ladepumpenzylinder austretenden Kanals verbindet, wenn der Arbeitskolben die Mündung des Auslaßkanals im Arbeitszylinder öffnet und daß die Wand des Ladepumpenkolbens die Mündung des Auslaßkanals im Ladepumpenzylinder früher verschließt, als der Arbeitskolben die Mündung des Auslaßkanals im Arbeitszylinder. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel bei welchem zwei Verbindungskanäle zwischen dem Ladepumpenzylinder und dem Auslaßkanal angeordnet sind.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei welchem der Auslaßkanal durch eine Wand geteilt ist und die Verbindungskanäle nur in den oberen Teil münden.

Fig. 4 und 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei welchem der Ladepumpenraum in zwei Kammern unterteilt ist und eine davon z. B. Abgas in den Auslaßkanal fördert.

Fig. 6 zeigt eine Kanalgestaltung alternativ zu Fig. 5.

Fig. 7 und 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei welchem ein Auslaßkanal zum Ladepumpenzylinder führt und durch den Ladepumpenkolben zusätzlich gesteuert wird.

Fig. 9 zeigt eine Variante zu Fig. 7 mit einer zusätzlichen Überströmöffnung im Ladepumpen­ kolben.

Fig. 10 und 11 zeigt eine weitere Möglichkeit der Kanalgestaltung.

Fig. 12 und 13 zeigt eine Variante bei welcher der Ladepumpenkolben mit einem Ringkanal ausgestattet ist.

Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Brennkraftmaschine mit Ladepumpenzylinder wird ein Teil der Frischladung durch den Auslaßkanal (8) hindurch in den Arbeitszylinder (1) eingebracht, während der andere Teil, wie üblich durch direkte Überströmkanäle (11 und 12) in den Arbeitszylinder (1) eingebracht wird. Dabei sind die einzelnen Teilmengen und auch der zeitliche Beginn des Einströmens derselben in den Arbeitszylinder (1) durch die Anordnung der Überströmöffnungen im Ladepumpenkolben in einem breiten Bereich variierbar. Zunächst strömt Frischladung durch die Überströmkanäle (11 und 12) in den Arbeitszylinder (1) ein und verdrängt die Restgase durch den Auslaßkanal (8). Nachdem der größte Teil der Restgase durch den Auslaßkanal (8) entwichen ist, werden durch die Aussparungen (24 und 25) im Ladepumpenkolben (4) die Kanäle (9 und 10) freigegeben, so daß der restliche Teil der Frischladung durch den Auslaßkanal (8) hindurch in den Arbeitszylinder (1) einströmt. Diese Strömung verhindert das Entweichen von Frischladung aus dem Arbeitszylinder (1) weitgehend und vermindert die thermische Belastung des Auslaßkanals (8).

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Auslaßkanal (8) durch eine Wand (13) unterteilt ist, wobei die Verbindungskanäle (9 und 10) nur in den oberen Teil des Auslaßkanals (8) münden. Dadurch wird die Intensität der Gegenströmung verstärkt, welche die Frischladung am Austreten aus dem Arbeitszylinder (1) hindert. Indem der untere Teil des Auslaßkanals (8) wesentlich früher durch den Arbeitskolben (3) verschlossen wird, wird in diesem Teil des Auslaßkanals (8) auf eine Gegenströmung verzichtet.

Fig. 4 und 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem dem Austreten von Spülverlusten aus dem Arbeitszylinder (1) eine pulsierende Abgasgegenströmung in den Auslaßkanal (8) eingebracht wird. Dazu wird der Raum des Ladepumpenzylinders (2) in 2 Kammern unterteilt, wovon die eine Frischladung und die andere das für die Gegenströmung erforderliche Abgas fördert. Beide Kammern (33 und 34) sind unabhängig voneinander mittels Drosselklappen regelbar. Auch die Verdichtung kann für beide Kammern (33 und 34) je nach Bedarf verschieden sein. Somit kann für jeden Betriebszustand eine weitgehende Optimierung auch für eine gezielte Abgasrückbehaltung erreicht werden. Bei dieser Ausführung kann der bei der Verbrennung herrschende Sauerstoffgehalt im Auslaßkanal (8) unverfälscht durch eine Lambda-Sonde (14) gemessen und kontrolliert werden. Außerdem ist dadurch die Voraussetzung geschaffen die Stickoxide katalytisch zu konvertieren. Sollte durch eine entsprechende Abgasrückbehaltung die Stickoxidbildung so gering sein, daß zur Erfüllung der Anforderungen eine katalytische Nachbehandlung nicht notwendig ist, kann die Kammer (33) statt Abgas auch Luft oder ein anderes Medium für die Gegenströmung fördern, wobei die Luft dann als Sekundärluft für die Nachoxidation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids zur Verfügung steht.

Fig. 6 zeigt eine alternative Kanalgestaltung zu Fig. 5, wobei die Abgasgegenströmung durch mehrere Öffnungen am Umfang des Auslaßkanals eingeleitet wird.

Fig. 7 und 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Auslaßkanal (18) zum Ladepumpenzylinder (2) führt und ein im Ladepumpenkolben (4) angeordneter Kanal (20) diesen mit der Mündung (21) eines aus dem Ladepumpenzylinder (2) austretenden Kanals (22) verbindet, wenn der Arbeitskolben (3) den Auslaßkanal (18) im Arbeitszylinder (1) öffnet, so daß die Abgase auf diesem Wege durch den Kanal (22) aus dem Ladepumpenzylinder (2) ausströmen. Dieses Ausströmen wird durch die Wand (23) des Ladepumpenkolbens (4) beendet, bevor der Arbeitskolben (3) den Auslaßkanal (18) verschließt. Durch den Kanal (22) strömen somit nur Abgase ohne Spülverluste, weshalb in diesem die Lambda-Sonde (14) angeordnet ist. Es kann vorteilhaft sein im Arbeitszylinder (1) zusätzliche Auslaßkanäle (z. B. 32) anzuordnen, die vom Arbeitskolben (3) früher verschlossen werden, als der Auslaßkanal (18) und durch den Ladepumpenkolben (4) nicht zusätzlich gesteuert werden. Desweiteren zeigt Fig. 7 und 8. eine vorteilhafte Anordnung der Kraftstoffeinspritzdüse (15).

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Auslaßkanal (18) gleichzeitig die Funktion eines Einströmkanals hat. Dazu ist die Wand (23) des Ladepumpenkolbens mit einer weiteren Überströmöffnung (35) versehen, die in der oberen Totpunktstellung des Ladepumpenkolbens (4) vollständig geöffnet ist. Dadurch strömt vorverdichtete Frischladung durch den Auslaßkanal (18) in den Arbeitszylinder (1). Diese Strömung begünstigt die Gemischaufbereitung insbesondere, wenn die Kraftstoffeinspritzdüse (15) gegenüberliegend in der Wand des Arbeitszylinders angeordnet ist. Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß im Zylinderkopf (36) eine Kraftstoffeinspritzdüse (15) angeordnet ist, deren Einspritzstrahl auf die Wand des Verbindungskanals (20) auftrifft. Hierdurch wird einerseits eine bessere Verdampfung des Kraftstoffes und andererseits eine Kühlung der Wandtemperatur erreicht. Durch eine Aufteilung des Ladepumpenzylinders (2) in 2 Kammern kann eine davon durch die Überströmkanäle (11 und 12) Luft und die andere ein in dieser Kammer vorverdichtetes Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Überströmöffnung (35) im Ladepumpenkolben (4) in den Arbeitszylinder (1) fördern.

Fig. 10 und 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer von Fig. 7 und 8 abweichenden Kanalführung, wobei ein vom Ladepumpenkolben (4) zusätzlich gesteuerter Auslaßkanal (18) in einen ausschließlich vom Arbeitskolben (3) gesteuerten Auslaßkanal (32) mündet. Auch bei dieser Ausführung kann der Auslaßkanal (18), wie bereits in Fig. 9 dargestellt und beschrieben für das Einströmen der Frischladung in den Arbeitszylinder (1) verwendet werden.

Fig. 12 und 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Ladepumpenkolben (4) mit einem nach außen offenen Ringkanal versehen ist, durch welchen die Abgase zu dem aus dem Ladepumpenzylinder austretenden Kanal (22) strömen. Die Steuerkante (38) des Ladepumpenkolbens (4) verschließt dabei die Unterkante der Mündung (20) des Auslaßkanals (22) früher, als der Arbeitskolben (3) die Mündung (17) des Auslaßkanals (18) im Arbeitszylinder (1).

In den Figuren bedeuten ferner die Bezugsziffern 5 die Pleuel und 6 die Kurbelwelle.

Claims (15)

1. Zweitakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit parallel oder geneigt zum Arbeitszylinder angeordnetem Ladepumpenzylinder bei der der Pumpenkolben durch eine Kurbelwelle angetrieben ist und als Rohrschieberkolben mit Überströmöffnungen ausgebildet ist und einen kolbengesteuerten Auslaßkanal hat, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ladepumpenzylinder (2) und dem Auslaßkanal (8) mindestens ein Verbindungskanal (9) angeordnet ist, durch welchen ein Teil der im Ladepumpenzylinder (2) vorverdichteten Ladung in den Auslaßkanal (8) und durch dessen Mündung (16) in den Arbeitszylinder (1) gefördert wird.

2. Dadurch gekennzeichnet, daß der Raum des Ladepumpenzylinders (2) in an sich bekannter Weise durch Trennwände (29), (30) in zwei Kammern unterteilt ist und daß eine dieser beiden Kammern (33) durch mindestens einen Verbindungskanal (31) Abgas in den Auslaßkanal (8) fördert, solange der Arbeitskolben (3) die Mündung (16) des Auslaßkanals (8) noch nicht verschlossen hat und daß die Einströmrichtung dieses Abgases in den Auslaßkanal (8) der Ausströmrichtung der Ladungsverluste aus dem Arbeitszylinder (1) entgegengerichtet ist.

3. Dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Auslaßkanal (18) angeordnet ist, der in den Ladepumpenzylinder (2) mündet und daß ein im Ladepumpenkolben (4) angeordneter Kanal (20) die Mündung (19) des Auslaßkanals (18) mit der Mündung (21) eines aus dem Ladepumpenzylinder (2) austretenden Kanals (22) verbindet, wenn der Arbeitskolben (3) die Mündung (17) des Auslaßkanals (18) im Arbeitszylinder (1) öffnet und daß die Wand (23) des Ladepumpenkolbens (4) die Mündung (19) des Auslaßkanals (18) im Ladepumpenzylinder (2) früher verschließt als der Arbeitskolben (3) die Mündung (17) des Auslaßkanales (18).

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmöffnungen (26) und (27) in der Wand (23) des Ladepumpenkolbens (4) die Kanäle (11) und (12) früher öffnen als die Überströmöffnungen (24) und (25) die Kanale (9) und (10).

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Überströmkanäle (9) und (10) größer ist als die der Überströmkanäle (11) und (12).

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Auslaßkanals (8) durch eine Wand (13) unterteilt ist und daß die Kanäle (9) und (10) nur in den oberen Teil des Auslaßkanals münden.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitszylinder (1) zusätzlich ein oder mehrere Auslaßkanäle (z. B. 32) angeordnet sind, deren Mündungen vom Arbeitskolben (3) im Arbeitszylinder (1) früher verschlossen werden als die Mündung (16) bzw. (17) des Auslaßkanals (8) bzw. (18).

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (33) an Stelle von Abgas Luft oder ein anderes Medium fördert.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverdichtung der Kammern (33) und (34) verschieden sein können.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung des Ladepumpenraumes in zwei Kammern durch die Trennwände (29) und (30) erst vollzogen wird, bevor die Überströmöffnungen (26) und (27) des Ladepumpenkolbens (4) die Kanäle (11) und (12) öffnen und daß nur ein Einlaßstutzen (28) mit Ventil (6) angeordnet ist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Auslaßkanal (8) bzw. (22) eine Lambda-Sonde angeordnet ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand (23) des Ladepumpenkolbens (4) mindestens eine Überströmöffnung (35) angeordnet ist, die den Raum des Ladepumpenzylinders (2) mit dem Auslaßkanal (18) verbindet, sobald die Verbindung des Auslaßkanals (18) mit dem Kanal (22) unterbrochen ist, so daß Frischgas vom Ladepumpenzylinder (2) durch den Auslaßkanal (18) in den Arbeitszylinder (1) strömt.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, 7, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand des Arbeitszylinders (1) eine Kraftstoffeinspritzdüse (15) angeordnet ist, deren Einspritzstrahl auf die Mündung (17) des Auslaßkanal (18) gerichtet ist.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, 7, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderkopf (36) des Ladezylinders eine Einspritzdüse angeordnet ist, deren Kraftstoffstrahl auf die Wand des Kanals (20) des Ladepumpenkolbens (4) gerichtet ist.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, 7, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Verbindungskanal (20) des Ladepumpenkolbens (4) aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit und oder mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgeführt ist.