DE69113042T2

DE69113042T2 - Brennkraftmaschine und dazugehöriger verbesserter drehschieber.

Info

Publication number: DE69113042T2
Application number: DE69113042T
Authority: DE
Inventors: David Blundell; James Turner; Neil Wilson
Original assignee: Group Lotus PLC
Current assignee: Group Lotus PLC
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1991-06-20
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2011-06-21
Also published as: WO1991019889A1; DE69113042D1; GB9013788D0; EP0535122B1; EP0535122A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen und außerdem auf einen Drehschieber zur Verwendung in Brennkraftmaschinen.
Die Erfindung kann in vielen unterschiedlichen Typen von Brennkraftmaschinen (Viertakt-, Zweitakt-, mit Drehkolben, etc.) verwendet werden, obwohl sich folgende spezielle Beschreibung nur auf Zweitaktmotoren beziehen wird.
Konventionelle Zweitaktmotoren sind mit einer Kurbelkastenspülung versehen. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens im Zylinder wird die Brennstoff-Luftfüllung infolge eines Druckunterschiedes zwischen dem im Kurbelgehäuse herrschenden Druck und dem Umgebungsdruck in das Kurbelgehäuse eingezogen. Wenn der Kolben die Abwärtsbewegung beginnt, wird der Einlaßkanal durch den Kolben und/oder durch ein Plattenventil geschlossen, und die eingeschlossene Brennstoff- Luftmischung wird verdichtet. In Richtung auf das untere Ende seines Taktes öffnet der Kolben die Überströmkanäle, und die verdichtete Ladung wird aus dem Kurbelgehäuse in den Zylinder gefördert, die die Verbrennungsgase des letzten Taktes durch den Auslaßkanal in die Umgebung herausspült, bevor der Verdichtungstakt und die nachfolgende Verbrennung beginnen.
Der hauptsächliche Nachteil des beschriebenen Ladeverfahrens besteht darin, daß die Brennstoff-Luftmischung zum Spülen der Verbrennungsgase aus dem Zylinder verwendet wird, und daß ein Teil der Brennstoff-Luftmischung unverbrannt durch den Auslaßkanal in die Umgebung verlorengeht, was die Abgasemissionen und den Brennstoffverbrauch erhöht und die vorhandene Leistung der Anlage verringert.
Weitere Nachteile bestehen darin, daß sich die Schmierung der Zylinderwände und der Kurbelwellen- und Kolbenlager auf einem Schmierssystem beruht, bei dem das Schmiermittel vollständig verlorengeht, das heißt, daß das Schmieröl mit der Brennstoff-Luftfüllung verbrannt und durch den Auslaßkanal in die Umgebung heräusgetrieben wird. Das wiederum erhöht die Abgasemissionen, verunreinigt etwaige in der Anlage vorhandenen katalytischen Umwandler und macht periodische Überprüfungen erforderlich, um zu sichern, daß ausreichend Öl in den jeweiligen Tanks vorhanden ist. Außerdem ist der Kolben nicht in der Lage, seine Wärme vom Kolbenboden über eine Spritzölkühlung abzuführen, wie es bei den meisten heutigen Tauchkolbenmotoren der Fall ist. Folglich muß das Spiel zwischen Kolben und Zylinderbohrung größer als das bei einem Tauchkolbenmotor sein, um ausreichende Spiele zu sichern, wenn die Zylinderbohrung kalt (morgendlicher Kaltstart im Winter) und der Kolben heiß ist. Das vergrößerte Spiel zwischen Kolben und Zylinderbohrung führt zu einem lärmintensiven Motor und möglicherweise zu höheren Kompressions- und Expansionsverlusten. In einem konventionellen Zweitaktmotor mit Trockensumpfschmierung ist die Temperatur des Kolbenbodens begrenzt, da ja keine Kühlung verfügbar ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist einen Drehschieber auf. Bekannte Drehschieber beziehen in erster Linie zwei grundsätzliche Typen ein, den "Aspin-Typ", bei dem die Drehschieberachse parallel zur zylinderachse liegt, und der Drehschieber rotiert, indem er einen Einlaß freilegt und infolgedessen sich die Auslaßkanäle in Phase mit dem Kolben befinden. Das andere Konzept ist der "Kreuz-Typ", bei dem die Drehschieberachse senkrecht zur Zylinderachse liegt und der Drehschieber selbst sowohl die Einlaßfüllung als auch das Abgas durch seinen eigenen Drehschieberkörper fördert.
Ein Drehschieber nach dem Stand der Technik ist in der EP 0 112 069 beschrieben. Der beschriebene Drehschieber ist zur Steuerung der Durchflußmenge des Brennstoffes in den Zylinder einer Brennkraftmaschine und der Abgase daraus vorgesehen. Die Druckschrift EP 0 112 069 beschreibt einen zusammengesetzten, zylindrischen Drehschieber mit zwei Kammern, von denen jede eine Öffnung aufweist, die eine Kommunikation der Kammer mit einem Zylinder des Motors für einen Teil des Maschinentaktes zuläßt. Der zylindrische Drehschieber wird relativ zu dem Motorblock und dem Zylinderkopi in zeitlicher Abstimmung zur Kolbenbewegung im Zylinder gedreht. Radiale und seitliche Abdichtungen trennen den zylindrischen, zusammengesetzten Drehschieber vom Zylinderkopf, bleiben aber in Bezug dazu unbeweglich.
Die Druckschriften GB 530 934 und GB 100 761 offenbaren beide einen Drehschieber mit einer Hülse, die sich relativ zu einem inneren zylindrischen Bauteil dreht, bei dem die Hülse Öffnungen aufweist, die mit Öffnungen zu Kanälen im zylindrischen Bauteil fluchten, damit einer der Kanäle mit einer Einlaßöffnung der Brennkraftmaschine kommunizieren kann.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Brennkraftmaschine vor mit: mindestens einem Arbeitszylinder, einer Einlaßöffnung in den Zylinder, und einer mit der Einlaßöffnung verbundenen Einlaßventilanordnung, umfassend ein inneres Element mit zylindrischer Außenform und einer Anzahl von Strömungskanälen darin und einer Anzahl von Öffnungen, die die Kommunikation jedes der Strömungskanäle mit dem Äußeren des ersten Elements ermöglichen, eine das erste Element umgebende Hülse mit mindestens einer Öffnung, und Mittel zum Drehen der Hülse relativ zu dem ersten Element um eine gemeinsame Achse, wobei die Öffnung der Hülse über einen gewünschten Bereich der Relativdrehung mit einer oder mehreren der Öffnungen des ersten Elements fluchtet, um die Kommunikation eines Strömungskanals in dem ersten Element mit dem Arbeitszylinder über die Einlaßöffnung zu ermöglichen, wobei die Hülse den Strömungskanal von dem Arbeitszylinder abdichtet, wenn die Öffnungen nicht fluchten, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Drehen des ersten Elements um die gemeinsame Achse vorgesehen sind.
Die vorliegende Erfindung sieht eine neue Ventilanordnung vor, die eine Anzahl von Kanälen aufweist, von denen jeder dafür verwendet werden kann, um einem Zylinder für ein bestimmtes Zeitintervall im Maschinentakt ein Gas oder eine Flüssigkeit oder ein Mischung von beiden zuzuführen.
Das erste Element kann um die gemeinsame Achse gedreht werden, um den Zeitpunkt der Kommunikation zwischen dem Arbeitszylinder und den Kanälen in dem ersten Element oder dem Einlaßventil zu verändern. Alternativ dazu oder zusätzlich kann das erste Element gedreht werden, um den Bereich der Relativdrehung zwischen der Hülse und dem ersten Element zu verändern, währenddessen die Öffnung in der Hülse eine Kommunikation von jedem der Kanäle im ersten Element mit dem Arbeitszylinder ermöglicht.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine der Erfindung ferner eine Meßeinrichtung zum Messen der Motordrehzahl auf, und das Mittel zum Drehen des ersten Elements um die gemeinsame Achse verdreht das erste Element in Abhängigkeit von der Motordrehzahl.
Die Einlaßventilanordnung kann verwendet werden, um mit der Motordrehzahl die relativen Mengen von flüssigem oder gasförmigem Medium und/oder Gas und/oder einer Mischung zu verändern, die dem Zylinder von den Zuführkanälen zugeführt werden.
Die Brennkraftmaschine könnte außerdem eine Meßeinrichtung zur Messung der Motortemperatur aufweisen, wobei in diesem Falle die Mittel zum Drehen des ersten Elements um die gemeinsame Achse das erste Element in Abhängigkeit von der Motortemperatur verdrehen könnten, und/oder Mittel zum Messen der auf den Motor wirkenden Last aufweisen, wobei in diesem Falle die Mittel züm Drehen des ersten Elements um die gemeinsame Achse das erste Element in Abhängigkeit von der Motorbelastung verdrehen könnten.
Vorzugsweise ist das erste Element und die Hülse der Einlaßventilanordnung in einem Hohlraum angeordnet, der im Zylinderkopf oder Zylinderblock des Motors definiert ist, und ein ringförmiger Hohlraum ist zwischen der Außenfläche der Hülse und dem Zylinderkopf oder Zylinderblock längs eines Abschnitts der Hülsenlänge definiert, wobei die Hülse und das erste Element Öffnungen aufweisen, die für einen Bereich von Drehstellungen der Hülse miteinander fluchten, um eine Kommunikation zwischen einem Kanal in dem ersten Element und dem ringförmigen Hohlraum zu ermöglichen, der mit Mitteln zum Zuführen einer Brennstoff- und Gasmischung kommuniziert, wodurch die Brennstoff- und Gasmischung in dem ringförmigen Hohlraum durch von der Drehung der Hülse verursachte Turbulenz gemischt wird.
Das turbulente Mischen der Brennstoff- und Gasmischung unterstützt die Verbrennung durch Sicherung einer wirksamen Mischung.
Vorzugsweise weist das Mittel zum Zuführen einer Brennstoff- und Gasmischung einen Gasverdichter und eine Brennstoffeinspritzung auf, die Brennstoff in das Gas einspritzt, und vorzugsweise ist die Brennstoffeinspritzung im Zylinderkopf oder Zylinderblock derart angeordnet, daß sie Brennstoff auf die Hülse der Einlaßventilanordnung aufspritzt.
Die Hülse wird bei Betrieb des Motors heiß, da sie der Verbrennung im Zylinder ausgesetzt ist. Die heiße Oberfläche der Hülse unterstützt die Verdampfung des Brennstoffes.
Vorzugsweise wird dem Zylinder durch einen ersten Kanal in dem ersten Element Spülgas zugeführt, wenn die dem Kanal zugehörige Öffnung im ersten Element mit einer Öffnung in der Hülse fluchtet, und durch einen zweiten Kanal im ersten Element wird dem Zylinder eine Brennstoff- und Gasmischung zugeführt, wenn die zu dem zweiten Kanal gehörende Öffnung im ersten Element mit einer Öffnung in der Hülse fluchtet.
Die Erfindung sieht einen Drehschieber vor, der durch eine Zylinderöffnung sowohl reines Gas als auch eine Brennstoffund Gasmischung getrennt zuführen kann. Deshalb kann eine Öffnung im Motor verwendet werden, um sowohl für reine Luft zu Spülzwecken als auch für eine Brennstoff- und Gasmischung zu sorgen, die sowohl für das entscheidende Spülen als auch zur Verbrennung notwendig ist.
Da sowohl die verdichtete Luft als auch die Brennstoff- und Gasmischung durch eine Öffnung im Zylinder zugeführt werden kann, sind die Überströmkanäle der traditionellen Zweitaktmotore nicht länger notwendig. Das hat den weiteren Vorteil, daß eine Tauchschmierung angewendet werden kann, wie sie in Viertaktmotoren verwendet wird, da das Schmieröl nicht mit der Brennstoff- und Gasfüllung verbrannt zu werden braucht, wie es bei Zweitaktmotoren normal gewesen ist.
Offensichtlich sind die Motoremissionen durch die Verwendung der nicht durch Schmieröl verschmutzten Zuführung einer Brennstoff- und Gasmischung vorteilhaft verändert.
In dem einen Ausführungsbeispiel ist die zugeführte Gasund Brennstoffmischung eine Luft- und Brennstoffmischung. Das ist konventionell.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die dem Zylinder zugeführte Gas- und Brennstoffmischung eine Mischung aus Brennstoff, Luft und der vom Arbeitszylinder abgegebenen Verbrennungsgase. Die Verwendung von heißen Abgasen als Teil der Gesamtmischung verbessert die Zerstäubung und die Verdampfung des Brennstoffes und kann auch für die Verringerung von Motoremissionen vorteilhaft sein.
Vorzugsweise enthält die Brennkraftmaschine: Mittel zum Zuführen von Gas unter Druck, Mittel zum Zuführen einer Brennstoff- und Gasmischung, eine Auslaßventilanordnung, die in zeitlicher Abstimmung zum Maschinentakt derart arbeitet, daß Gase für einen Teil des Maschinentaktes aus dem Arbeitszylinder ausströmen können, und die Einlaßventilanordnung vorzugsweise in zeitlicher Abstimmung zum Maschinentakt arbeitet und den Arbeitszylinder mit dem Mittel zum Zuführen von Gas unter Druck an einem ersten Punkt des Maschinentaktes verbindet, und den Zylinder mit dem Mittel zum Zuführen einer Brennstoff- und Gasmischung an einem zweiten, späteren Punkt im Maschinentakt verbindet, wobei die Einlaßventilanordnung außerdem so arbeitet, daß sie die Mittel zum Zuführen von Gas unter Druck mit dem Arbeitszylinder für mindestens einen Teil des Zeitintervalls verbindet, währenddessen die Auslaßventilanordnung das Ausströmen von Gasen aus dem Arbeitszylinder derart ermöglicht, daß das dem Zylinder zugeführte Gas unter Druck die Verbrennungsgase aus dem Arbeitszylinder treibt.
Die vorliegende Erfindung sieht deshalb eine Brennkraftmaschine vor, in der eine Gaszuführung zur Unterstützung des Spüiens von Verbrennungsgasen aus dem Zylinder verwendet wird. Das ist in Bezug auf Emissionen und eine Brennstoffersparnis vorteilhaft.
Vorzugsweise arbeitet der Motor im Zweitaktbetrieb, und die Auslaßventilanordnung weist in der zylindrischen Wand des Arbeitszylinders eine Auslaßöffnung auf, die in Axialrichtung längs des Arbeitszylinders im Abstand von der Einlaßventilanordnung angeordnet ist, wobei die Auslaßöffnung durch den Kolben während seiner hin- und hergehenden Bewegung geöffnet und geschlossen wird.
Vorzugsweise führt die Einlaßventilanordnung dem Zylinder sowohl das Gas unter Druck als auch die Brennstoff- und Gasmischung über eine einzige Öffnung im Zylinder zu. Dadurch, daß sowohl Gas unter Druck als auch die Brennstoffund Gasmischung über eine Einlaßöffnung zugeführt werden, ist die Anzahl der Öffnungen im Motor auf zwei beschränkt, was einen Bedarf nach zusätzlichen, die Leistungsfähigkeit des Motors vermindernde Öffnungen vermeidet.
Vorzugsweise führt die Ventilanordnung dem Zylinder gleichzeitig für einen Teil des Maschinentaktes sowohl das Gas unter Druck als auch die Brennstoff- und Gasmischung zu.
Die schrittweise Einleitung von verdichteter Luft, und danach von sowohl verdichteter Luft als auch der Brennstoffund Gasmischung, ist für eine geschichtete Ladung vorteilhaft und unterstützt deshalb die Verbrennung.
Die Erfindung ist geeignet für eine Brennkraftmaschine, die im Zweitaktbetrieb arbeitet und bei der die Zuführung von Gas unter Druck mit dem Zylinder während der Abwärtsbewegung eines Kolbens verbunden ist, der sich innerhalb des Zylinders bewegt, während eine zur Umgebung öffnende Auslaßöffnung zum Zylinder derart geöffnet ist, daß die Verbrennungsgase aus dem Zylinder gespült werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden jetzt mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig 2A bis 6A vereinfachte schematische Schnitte einer Kolben- und Zylinderanordnung in verschiedenen Stufen während eines Maschinentaktes.
Fig. 2B bis 6B vereinfachte schematische Schnitte einer Kolben- und Zylinderanordnung nach der Erfindung, die dieselbe Reihenfolge wie in den Fig. 2A bis 6A darstellt, aber mit der eingestellten Anordnung, die eine Änderung der Motordrehzahl und/oder der Belastung und/oder der Temperatur berücksichtigt.
Fig. 7 eine Querschnittsansicht eines Drehschiebers des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig 8 eine axiale Längsschnittsansicht des Drehschiebers der Fig. 7.
Die Fig. 1 zeigt ein erstes Element 1, eine Hülse 2, Lager 3, eine Riemenscheibe 4, einen vom Ausgang der Kurbelwelle (nicht dargestellt) angetriebenen Treibriemen 5, einen Zylinder 6, einen Zylinderkopf 7, einen Verdichter 8, eine Brennstoffeinspritzung 9, einen Servomotor 10, eine Regeleinrichtung 11, einen Drehzahlsensor 12, einen Drucksensor 12a und einen Temperatursensor 13.
Der Temperatursensor 13 ist im Kühlsystem des Motors angeordnet, um die Temperatur des Kühlmittels darin zu messen. Der Sensor sendet ein Signal über eine Leitung 14 zur Regeleinrichtung 11.
Der Motordrehzahlsensor 12 mißt die Drehzahl des Motors, in welchem die Anordnung vorhanden ist. Der Motordrehzahlsensor 12 sendet über die Leitung 15 ein Signal an die Regeleinrichtung 11.
Der Drucksensor 12a mißt den Druck im Ansaugstutzen und sendet über die Leitung 15b ein entsprechendes Signal an die Regeleinrichtung 11. Der Sensor ist eine Option, die vom Anmelder in Betracht gezogen wird.
Die Regeleinrichtung 11 vergleicht und kombiniert die Signale, die sie empfängt, gemäß vorprogrammierten Befehlen. Die Regeleinrichtung 11 sendet über die Leitungen 16 ein Befehlssignal an den Servomotor 10. Das Signal weist den Servomotor an, das erste Element 1 über Zahnräder 18 um einen erforderlichen Winkel bezüglich einer willkürlich festgelegten Referenzlage zu drehen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erste Element 1 zylindrisch und in zwei Kanäle 30 und 31 unterteilt, um eine Brennstoff-/Luft- oder Lademischung von der verdichteten Spülluft zu trennen. In einem ersten Ausführungsbeispiel weist das erste Element zwei Öffnungen 26 und 27 auf, die der Einlaßöffnung der Brennkammer benachbart sind. Das erste Element hat außerdem eine Öffnung 23, die es ermöglicht (wenn sie freigelegt ist), dem Kanal 31 verdichtete Luft zuzuführen.
Von einem Verdichter wird verdichtete Spülluft in axialer Richtung längs des ersten Elements durch dessen einen Kanal 30 zugeführt. Der Verdichter kann ein Vorverdichter oder ein Abgasturbolader sein, oder eine Verdichtung der Luft kann im Kurbelgehäuse stattfinden. Die verdichtete Luft ist im Kanal 30 des ersten Elements enthalten, bis die Öffnung 25 der Hülse 2 mit der Öffnung 26 des ersten Elements 1 und der Brennkammer-Einlaßöffnung 24 übereinstimmt, typischerweise 113º nach dem oberen Totpunkt. Nach Erreichung dieses Zustandes wird frische Spülluft, d.h. ohne Zusatz von Brennstoff, aus der Druckgasquelle über das erste Element 1 in den Zylinder 6 übertragen, bei dem der Zylinder-Spültakt beginnt, der die verbrannten Gase durch die Auslaßöffnung 28 in die Umgebung drückt.
Nachdem sich die Hülse 2 ungefähr um weitere 30º gedreht hat, stimmen eine Öffnung 22 der Hülse 2 und eine zum zweiten Kanal 31 des ersten Elements 1 führende Öffnung 23 überein, und verdichtete Luft wird von einer externen Quelle über den Kanal 34 von der Kompressionsluft-Versorgung 8 in den zweiten Kanäl 31 zugeführt. Die verdichtete Luft wird in den Kanal 31 des ersten Elements eingeleitet, die mit Brennstoff gemischt wird, wobei dieser Brennstoff durch die Brennstoffeinspritzung 9 in den durchströmenden Luftstrom eingespritzt wird.
Bei ungefähr 165º nach dem oberen Totpunkt stimmt die Öffnung 25 in der Hülse mit der Öffnung 27 im ersten Element überein, und die Brennstoff-Luftmischung wird in den Zylinder eingebracht. Wenn sich die Hülse weiterdreht, wird der Spülluftstrom durch die Verringerung der Fläche der zum Zylinder 6 offenen Öffnung 26 stufenweise fortschreitend reduziert, bis ungefähr 230º nach dem oberen Totpunkt, wenn die Hülse 2 die Spülluftöffnung 26 schließt, wobei nur die Ladeluftöffnung 27 geöffnet bleibt. Die Absicht dieser Erfindung ist es, daß das Positionieren der Ladeluftöffnung 27 ein gewisses Ausmaß vin "Ladungsschichtung" erzeugen sollte, d.h. einer überwiegend um die Zündquelle herum verhältnismäßig reichen Mischung.
Bei ungefähr 250º nach dem oberen Totpunkt ist die Ladeluftöffnung 27 im ersten Element durch die Hülse 2 vollständig geschlossen. Wenn der Kolben die Auslaßöffnung 28 schließt, beginnt der Kompressionstakt.
Es sollte angemerkt werden, daß die Drehstellungen des Motors, auf die obenstehend und in den Zeichnungen durch Ausdrücke in Grad nach dem oberen Totpunkt hingewiesen ist, ausschließlich veranschaulichend sind, und daß der Zeitpunkt zum Öffnen der Öffnungen 26 und 27 zu dem Zylinder 6 wesentlich variieren kann. Tatsächlich ermöglicht das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung die Variierung des Zeitpunktes, wie es nachstehend beschrieben wird.
Durch die Drehung des ersten Elements 1 kann der Winkel/die Fläche der Brennstoff-Luftöffnung 27, die zur Brennkammer geöffnet ist, verringert/vergrößert werden. Es wird deshalb vorgeschlagen, daß diese Erfindung einen Servomotor enthält oder durch eine, eine elektronische Schaltung aufweisende Regeleinrichtung ähnlich angetrieben wird, die die Signale vergleicht und kombiniert, die sie von den Drehzahl-, Temperatur-, und Drucksensoren in Abhängigkeit von den vorprogrammierten Befehlen erhält. Diese variable Zeiteinstellung des Ventils würde es ermöglichen, den Brennstoffbedarf für unterschiedliche Laufbedingungen, d.h. Drehzahl/ Belastung/ Temperatur zu optimieren.
Mit Bezug auf die Fig. 2A bis 6A ist die Betriebsart der Erfindung während eines Maschinentaktes zu sehen. Die Fig. 2A zeigt einen Kolben 19, den Zylinder 6, eine Einlaßöffnung 21 im Zylinderkopf, eine Hülsen-Einlaßöffnung 22, eine Einlaßöffnung 23 für das erste Element, eine Überströmöffnunq 24 im Zylinderkopf, eine Überströmöffnung 25 für das drehbare Element, eine Spülöffnung 26 für das erste Element, eine Ladeluftöffnung 27 des ersten Elements und eine Auslaßöffnung 28. Zur Klarheit ist die Figur vereinfacht und zeigt nicht den Servomotor 10, die Regeleinrichtung 11, die elektrischen Sensoren 12 und 13, die Zahnräder 18 oder die Riemenscheibe. Die Figuren zeigen eine Reihenfolge für einen Betrieb mit niedriger Motordrehzahl und/oder niedriger Motorbelastung.
Die Fig. 2A zeigt den Kolben 19 an einem Punkt des Auslaßtaktes, bei dem der Zylinderdruck auf eine Größe abgefallen ist, die gleich dem Ladedruck ist oder gerade noch darunter liegt, bei ungefähr 115º nach dem oberen Totpunkt (nach O.T.). Die Hülse wird durch den Treibriemen 5 gegen den Uhrzeigersinn gedreht. In der Fig. 2A ist die Vorderkante der Überströmöffnung 25 in der Hülse bündig mit den Vorderkanten sowohl der Spülüberströmöffnung 26 im ersten Element als auch der Überströmöffnung 24 im Zylinderkopf. Die Einlaßöffnung 23 des ersten Elements ist durch die Hülse 2 bedeckt. Der Spülkanal 30 des Zuführungselements enthält verdichtete Luft, die von der Kompressionsluft-Versorgung 8 zugeführt wird. Der Brennstoff-Luftkanal 31 wird durch die Hülse 2 gegen eine Kommunikation mit der Außenfläche des ersten Elements 1 abgedichtet.
Die Fig. 3A stellt den Kolben 19 an einem Punkt im Spültakt dar, bei dem die Auslaßöffnung 28 noch geöffnet ist und die Hülse 2 sich derart gedreht hat, daß die Vorderkante die Öffnung 26 in dem ersten Element an einem Punkt genau vor dem Freilegen der Ladeluftöffnung 27 freigelegt hat. Die Einlaßöffnung 23 ist gerade noch durch die Hülsen-Einlaßöffnung 22 freigelegt, und durch den Kanal 34 strömt zum Kanal 31 verdichtete Luft, die mit Brennstoff gemischt ist, der durch die Brennstoffeinspritzung 9 zugeführt wird. Dieser Punkt tritt typischerweise bei einer niedrigen Motordrehzahl und/oder Belastung an einem Punkt auf, ungefähr 145º nach O.T. Der Kanal 30 steht mit dem Zylinder 6 in Verbindung und führt ihm unter Druck befindliche Luft zu, um die verbleibenden Verbrennungsgase herauszudrücken. Der Brennstoff- Luftkanal 31 steht über die Einlaßöffnung 23 mit einer Kompressionsluft-Versorgung in Verbindung, der Brennstoff durch die Brennstoffeinspritzung beigemischt worden ist.
Die Fig. 4A stellt den Kolben 19 an einem Punkt dar, der sich ungefähr auf halbem Wege des Spültaktes und am Anfang des Ladeeinlaßtaktes befindet. Die Vorderkante der Überströmöffnung 25 der Hülse ist bündig mit der Kante der Ladeluftöffnung 27. Die Einlaßöffnung 23, die den Kanal 31 mit der Zuführung der Brennstoff-Luftmischung verbindet, ist durch die Einlaßöffnung 22 des Hülsenelements freigelegt, und die Brennstoffeinspritzung 9 hat ihren Einspritztakt begonnen. Typischerweise tritt dieser Punkt bei ungefähr 165º nach O.T. auf.
Die Fig. 5A zeigt den Kolben 19 an einem Punkt in Richtung auf das Ende des Ladeüberströmtaktes. Die Hinterkante der Hülsen-Überströmöffnung 25 ist bündig mit der Kante der Ladeluftöffnung 27 des ersten Elements. Die Einlaßöffnung 23 des ersten Elements ist vollständig geöffnet. Typischerweise tritt dieser Punkt bei ungefähr 230º nach O.T. auf. Der Spülkanal 30 ist abgedichtet und hört deshalb auf, dem Zylinder 6 Spülluft unter Druck zuzuführen. Der Brennstoff- Luftkanal 31 steht in Verbindung mit dem Zylinder 6 und führt ihm eine Brennstoff-Luftmischung zu.
Die Fig. 6A zeigt die Hülse 2, die zum Abdichten beider Kanäle 30 und 31 gegen den Zylinder 6 gedreht ist. Die Kanäle bleiben gegen den Zylinder 6 abgedichtet, bis die Hülse wieder die Position der Fig. 2A erreicht hat, während in dieser Zeit die Brennstoff-Luftmischung des Zylinders 6 verdichtet und dann verbrannt wird.
Die Fig. 2A bis 6A stellen die Wirkungsweise eines Drehschiebers nach der Erfindung in einem Motor dar, der bei niedrigen Belastungen und/oder mit niedrigen Drehzahlen betrieben wird. Der Winkel, um den sich die Hülse zwischen dem Öffnen und Schließen der Öffnung 26 dreht, ist größer als der Winkel, um den sich die Hülse zwischen dem Öffnen und Schließen der Öffnung 27 dreht. Deshalb wird dem Spülen mit verdichteter Luft ein größerer Teil jedes Maschinentaktes als beim Spülen durch die Brennstoff-Luftmischung und der Zuführung einer derartigen Mischung zur Verbrennung gewidmet. Da die Motordrehzahl und/oder die Belastung niedrig sind, kann dem Zylinder ausreichend Brennstoff zugeführt werden, selbst wenn dem Zylinder die Brennstoff-Luftmischung nur für einen kleinen Teil jedes Maschinentaktes zugeführt wird.
Die Fig. 2B bis 6B stellen dieselben Maschinentakte dar, wie in den Fig. 2A bis 6A Jedoch stimmt die Position des ersten Elements nicht mit der in den Fig. 2A bis 6A überein. Die Regeleinrichtung hat darauf angesprochen, eine hohe Motordrehzahl und/oder Belastung zu berücksichtigen und hat bewirkt, daß der Servomotor das erste Element in Richtung des Uhrzeigersinns derart dreht, daß die Vorderkante der Hülsen-Überströmöffnung 25 die Ladeluftöffnung 27 des ersten Elements im Maschinentakt früher als in den Fig. 2A bis 6A freilegt. Es wird erwartet, daß dieses Vorrücken der Ladung bei der Größe von 20º liegen könnte. Der Winkel, um den sich die Hülse 2 zwischen dem Öffnen und Schließen der Spülluftöffnung 26 dreht, ist geringer als der Winkel, um den sie sich zwischen dem Öffnen und Schließen der Öffnung 27 dreht. Deshalb wird dem Zylinder 6 mit dem ersten Element 1, das wie in den Fig. 2B bis 6B gedreht ist, die Brennstoff-Luftmischung für einen größeren Teil jedes Maschinentaktes als mit dem in den Fig. 2A bis 2B gedrehten Element zugeführt.
Bei höheren Motordrehzahlen und/oder Belastungen ist die für die Zuführung einer ausreichenden Brennstoff-Luftmischung in den Zylinder 6 verfügbare Zeit geringer als bei niedrigen Motordrehzahlen und/oder Belastungen, und deshalb ist es notwendig, bei hohen Drehzahlen und/oder Belastungen der Zuführung einer Brennstoff-Luftmischung einen größeren Teil jedes Maschinentaktes zu widmen. Die Regeleinrichtung 11 wird die von den Sensoren 12 und 12a empfangenen Signale der Belastung und der Drehzahl in eine Tabelle optimaler Drehpositionen des ersten Eleinents 1 aufnehmen, die im Speicher gespeichert sind.
Die Regeleinrichtung 11 wird ferner die Drehung des ersten Elements in Abhängigkeit von der durch den Meßfühler 13 abgetasteten Motortemperatur steuern. Die Regeleinrichtung wird das Signal der Motortemperatur zusammen mit Signalen in die Aufnahmetabelle aufnehmen, die Hinweis auf Drehzahl und Belastung des Motors geben, um dadurch die optimale Drehung des ersten Elements 1 zu bestimmen. Allgemein gesagt, das erste Element 1 wird in Abhängigkeit von der Motortemperatur derart gedreht, daß bei niedrigeren Motortemperaturen der Zuführung der Brennstoff-Luftmischung ein größerer Teil jedes Maschinentaktes gewidmet wird als bei hohen Motortemperaturen. Deshalb wird bei niedrigen Temperaturen im Zylinder 6 ein höheres Brennstoff-Luftverhältnis vorhanden sein, das die Energie verringert, die für die Ausbreitung einer Flamme erforderlich ist.
Das zweite Ausführungsbeispiel eines Zweitaktmotors nach der Erfindung ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel ist in den meisten Beziehungen mit dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel identisch, und auf die Einzelteile wird entsprechend hingewiesen.
Das zusätzliche charakteristische Kennzeichen des zweiten Ausführungsbeispiels besteht in dem ringförmigen Hohlraum 35. Die verdichtete Luft wird ununterbrochen in den ringförmigen Hohlraum 35 eingeführt. Durch die Brennstoffeinspritzung 9 wird in den Luftstrom Brennstoff eingespritzt.
Die Hülse 2 dreht sich gegen den Uhrzeigersinn, wie es in der Fig. 7 zu sehen ist, und deshalb verläuft der Luftstrom vom Kanal 34 tangential zur Hülse und in demselben Drehsinn der Hülse. Die sich drehende Hülse bewirkt eine Turbulenz in der Brennstoff-Luftmischung im ringförmigen Hohlraum 35, die die Mischung verbessert. Darüber hinaus wird Verbrennungswärme längs der Hülse 2 von dem Abschnitt übertragen, wo die Hülse 2 den Arbeitszylinder 6 des Motors abdichtet und öffnet. Die heiße Oberfläche der Hülse 2 unterstützt die Verdampfung des durch die Brennstoffeinspritzung 9 auf sie aufgesprühten Brennstoffes.
Wenn die Öffnung 22 in der Hülse 2 mit der Öffnung 23 in dem Element 1 fluchtet, dann strömt die verdichtete turbulente Brennstoff-Luftmischung aus dem ringförmigen Hohlraum 35 in den Kanal 31, um dem Zylinder 6 zugeführt zu werden.
Während in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen die verdichtete Luft vor der Einführung in den Zylinder mit Brennstoff gemischt wird, stellt sich der Anmelder vor, daß die Abgase sowohl mit Brennstoff als auch mit Luft gemischt werden könnten. Unter diesen Umständen würde der Kanal 34 über eine geeignete Pump- oder Gebläseradeinrichtung mit einem Teil des Auslaßkanals für Verbrennungsgase als Ergänzung oder Ersatz für eine Luftzufuhr verbunden sein. Die Verbrennungsgase werden -heiß sein und die Verdampfung des Brennstoffes unterstützen. Darüber hinaus werden Emissionen in die Umgebung, beispielsweise Emissionen von NOx, durch die Wiederverwendung des Abgases verringert.
Die Vorteile der Erfindung bestehen in einer möglichen Reduzierung der Abgasemissionen und des Brennstoffverbrauches in erster Linie infolge der Spülung mit Frischluft, zum Teil aber auch durch die teilweise Ladungsschichtung. Außerdem ist die zum Spülen des Zylinders erforderliche Energie durch die Einführung der Spülluft in dieselbe Richtung wie die des Mengenflusses des Abgases, d.h. durch "Gleichstromspülung", prinzipiell geringer als die, die für einen mit Umkehrspülung oder Querspülung versehenen Zylinder erforderlich ist, und die für den Spültakt benötigte Zeit ist prinzipiell ebenfalls verringert. Ein weiterer Vorteil der "Gleichstromspülung" ist auf die Vergrößerung des "kurzschlußweges" zurückzuführen, d.h. des Abstandes des Eintrittspunktes der Ladung von der Auslaßöffnung. Diese Vergrößerung wird sich in einer verbesserten Leerlaut- und Niedrigdrehzahl/Niedriglast-Stabilität widerspiegeln, die auf die verbesserten Einschließ- und Spülwirkungsgrade zurückzuführen sind.
Die Erfindung sieht ferner einen Drehschieber für eine Brennkraftmaschine vor, der leicht gesteuert werden kann, um den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens der Ventilöffnungen eines Zylinders in Abhängigkeit von veränderlichen Motorparametern zu variieren.
Das oben beschriebene spezifische Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Verwendung der Erfindung in einem Zweitaktmotor. Es ist ganz klar, daß der Drehschieber der Erfindung in jedem Motor verwendet werden könnte und notwendigerweise nicht auf die Zufuhr einer Brennstoff-Luftmischung und von Luft unter Druck zum Zylinder eingeschränkt zu sein braucht. Der hier beschriebene Drehschieber könnte auch zum Fördern einer Brennstoff-Luftmischung in einen Zylinder und der Abgase aus einem Zylinder verwendet werden, wie er im Dokument EP 0 112 069 des Standes der Technik erwähnt ist.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit

mindestens einem Arbeitszylinder (6),

einer Einlaßöffnung (24) in den Zylinder, und

einer mit der Einlaßöffnung verbundenen Einlaßventilanordnung, umfassend

ein erstes inneres Element (1) mit zylindrischer Außenform und einer Anzahl von Strömungskanälen (30,31) darin und einer Anzahl von Öffnungen (26,27), die die Kommunikation jedes der Strömungskanäle (30,31) mit dem Äußeren des ersten Elements (1) ermöglichen,

eine das erste Element (1) umgebende Hülse (2) mit mindestens einer Öffnung (25), und

Mittel (4,5) zum Drehen der Mülse (2) relativ zum ersten Element (1) um eine gemeinsame Achse, wobei

die Öffnung (25) der Hülse (2) über einen gewünschten Bereich der Relativdrehung mit einer oder mehreren der Öffnungen (26,27) des ersten Elements (21) fluchtet, um die Kommunikation eines Strömungskanals (30,31) in dem ersten Element (1) mit dem Arbeitszylinder (6) über die Einlaßöffnung (24) zu ermöglichen, wobei die Hülse (2) die Strömungskanäle (30,31) von dem Arbeitszylinder (6) abdichtet, wenn die Öffnungen (30,31) nicht fluchten,

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (18,10,11, 12,13) zum Drehen des ersten Elements (1) um die gemeinsame Achse vorgesehen sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei der die Drehung des ersten Elements (1) um die gemeinsame Achse den Zeitpunkt der Kommunikation zwischen dem Arbeitszylinder (6) und den Strömungskanälen (30,31) in dem ersten Element (1) der Einlaßventilanordnung ändert.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Drehung des ersten Elements (1) um die gemeinsame Achse den Bereich von relativen Drehstellungen zwischen der Hülse (2) und dem ersten Element (1) ändert, in welchem die Öffnung (25) in der Hülse die Kommunikation jedes der Strömungskanäle (30,31) in dem ersten Element (1) mit dem Arbeitszylinder (6) ermöglicht.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Meßeinrichtung (12) zum Messen der Motordrehzahl aufweist, wobei die Mittel zum Drehen des ersten Elements (1) um die gemeinsame Achse das erste Element (1) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl verdrehen.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Meßeinrichtung (13) zum Messen der Motortemperatur aufweist, wobei die Mittel zum Drehen des ersten Elements (1) um die gemeinsame Achse das erste Element (1) in Abhängigkeit von der Motortemperatur verdrehen.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner Mittel (12a) zum Messen der auf den Motor wirkenden Last aufweist, wobei die Mittel zum Drehen des ersten Elements (1) um die gemeinsame Achse das erste Element (1) in Abhängigkeit von der Maschinenlast drehen.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Element (1) und die Hülse (2) der Einlaßventilanordnung in einem Hohlraum angeordnet sind, der in einen Zylinderkopf oder Zylinderblock der Maschine definiert ist, und daß ein ringförmiger Hohlraum (35) zwischen dem Äußeren der Hülse (2) und dem Zylinderkopf oder Zylinderblock längs eines Teils der Länge der Hülse (2) definiert ist, wobei die Hülse (2) und das erste Element (1) Öffnungen (22,23) haben, die über einen Bereich von Drehstellungen der Hülse (2) miteinander fluchten, um die Kommunikation zwischen einem Strömungskanal in dem ersten Element (1) und dem ringförmigen Hohlraum (35) zu ermöglichen, und wobei der ringförmige Hohlraum (35) mit Mitteln (9,34) zum Zuführen einer Brennstoff-Gasmischung unter Druck kommuniziert, so daß die Brennstoff-Gasmischung in dem ringförmigen Hohlraum (35) durch von der Drehung der Hülse (2) verursachte Turbulenz gemischt werden.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, bei der die Einrichtung zum Zuführen von Brennstoff-Gasmischung unter Druck einen Gaskompressor und eine den Brennstoff in das Gas einspritzende Brennstoffeinspritzung (9) aufweisen.

9 Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, bei der die Brennstoffeinspritzung (9) in dem Zylinderkopf oder Zylinderblock derart angeordnet ist, daß sie Brennstoff auf die Hülse der Einlaßventilanordnung spritzt.

10. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, die im Zweitaktbetrieb arbeitet.

11. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der eine Gas- und Luftmischung dem Arbeitszylinder (6) durch einen Strömungskanal (31) in dem ersten Element (1) zugeführt wird, wenn die zugehörige Öffnung (27) in dem ersten Element (1) mit der Öffnung (25) in der Hülse (2) fluchtet.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, bei der die dem Arbeitszylinder (6) zugeführte Gas- und Brennstoffmischung eine Luft- und Brennstoffmischung ist.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, bei der die dem Arbeitszylinder (6) zugeführte Gas- und Brennstoffmischung eine Mischung aus Brennstoff, Luft und aus dem Arbeitszylinder (6) ausgestoßenen Verbrennungsgasen ist.

14 Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein Gas unter Druck den Zylinder (6) durch einen ersten Strömungskanal (30) in dem ersten Element (1) zugeführt wird, wenn die zugehörige Öffnung (25) in dem ersten Element (1) mit einer Öffnung (25) in der Hülse (2) fluchtet.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, umfassend:

Mittel (8) zum Zuführen von Gas unter Druck,

Mittel (8,9) zum Zuführen einer Brennstoff- und Gasmischung,

eine Auslaßventilanordnung (28), die in zeitlicher Abstimmung zum Maschinentakt arbeitet, um das Ausströmen von Gasen aus dem Arbeitszylinder (6) während eines Teils des Maschinentaktes zu ermöglichen, wobei

die Einlaßventilanordnung in zeitlicher Abstimmung zu dem Maschinentakt derart arbeitet, daß sie den Arbeitszylinder (6) mit den Mitteln (8) zum Zuführen von Gas unter Druck an einem ersten Punkt des Maschinentaktes verbindet und daß sie den Zylinder (6) mit den Mitteln (8,9) zum Zuführen der Brennstoff- und Gasmischung an einem zweiten, späteren Punkt in dem Maschinentakt verbindet, und

wobei die Einlaßventilanordnung so arbeitet, daß sie die Mittel (8) zum Zuführen von Gas unter Druck während mindestens eines Teils des Zeitintervalls verbindet, in dem die Auslaßventilanordnung (28) das Ausströmen von Gasen aus dem Arbeitszylinder (6) ermöglicht derart, daß dem Arbeitszylinder (6) unter Druck zugeführtes Gas die Verbrennungsgase aus dem Arbeitszylinder (6) austreibt.

16. Brenntaktmaschine nach Anspruch 15, die im Zweitaktbetrieb arbeitet und bei der die Auslaßventilanordnung eine Auslaßöffnung (28) in der zylindrischen Wand des Arbeitszylinders (6) aufweist, die in Axialrichtung des Arbeitszylinders im Abstand von der Einlaßventilanordnung angeordnet ist, wobei die Auslaßöffnung (28) durch einen in dem Zylinder (6) hin- und hergehenden Kolben (19) geöffnet und geschlossen wird.

17 Brennkraftmaschine nach Anspruch 15 oder 16, bei der die Einlaßventilanordnung sowohl das Gas unter Druck als auch die Brennstoff- und Gasmischung dem Zylinder (6) über eine einzige Öffnung zuführt.

18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15, 16 oder 17, bei der die Einlaßventilanordnung während eines Teiles des Maschinentaktes dem Zylinder gleichzeitig sowohl Gas unter Druck als auch Brennstoff- und Gasmischung zuführt.