AT511879B1 - Motorzylinder und gegenkolbenmotor - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motorzylinder mit einem Kolben (2) und zumindest einem, vorzugsweise zwei oder vier, in den Brennraum führenden, nockengesteuerten Ventil (3), wobei der am Ende eines Einström- oder Auslasskanals (7) liegende Ventilsitz (4) des Ventils (3) seitlich unmittelbar neben der Kolbenlaufbahn (6) bzw. dem Zylinderraum (5) in der Zylinderwand (8) ausgebildet ist, und die Ventilachse (V) mit der Zylinderachse (Z) einen spitzen Winkel (A) von 5° = A = 25°, vorzugsweise 10° = A = 20°, einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (E) des zum Ventilsitz (4) geführten Einström- oder Auslasskanals (7) in einer von der Ventilachse (V) und der Zylinderachse (Z) aufgespannten Ebene unter einem Winkel B von 25° = B = 65°, vorzugsweise 40° = B = 50°, zur Ventilachse (V) geneigt verläuft.

Description

MerreicfcLvche;; pi!:efiSä«t AT511 879B1 2013-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Motorzylinder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Motor mit zumindest einem derartigen Zylinder.

[0002] Aus der WO 200065208 A1 und der WO 200149980 A1 sind vergleichbare Motorzylinder bekannt.

[0003] Ziel der Erfindung ist es, bei derartigen Motorzylindern den Ladungswechsel effizient zu gestalten und den Wirkungsgrad möglichst hoch zu halten. Des weiteren soll der Aufbau des Motorzylinders konstruktiv einfach sein.

[0004] Diese Ziele werden bei einem Motorzylinder der eingangs genannten Art, mit dem im Kennzeichen des Anspruches 1 genannten Merkmalen erreicht. Es ist erfindungsgemäß somit vorgesehen, dass die Achse des zum Ventilsitz geführten Einström- oder Auslasskanals in einer von der Ventilachse und der Zylinderachse aufgespannten Ebene unter einem Winkel B von 25° < B < 65°, vorzugsweise 40° < B < 50°, zur Ventilachse geneigt verläuft.

[0005] Durch die dadurch bedingte Neigung des Ventilsitzes des Ventils in Bezug auf die Zylinderachse werden ein besseres Einströmen von Frischgas, das heißt von Luft oder eines Kraftstoff-Luftgemisches bzw. eine bessere Abfuhr von Abgasen erreicht. Des weiteren steht in der Zylinderwand Platz zur Ausbildung von Kühlkanälen zur Verfügung. Die Strömungsverluste werden reduziert und das Drehmoment bzw. die Leistung werden verbessert. Der Zylinderkopf ist frei zugänglich und die Ventilsteuerung ist einfach zu gestalten. Ferner wird das Einströmen von Frischgas günstig unterstützt.

[0006] Zur Kühlung ist es von besonderem Vorteil, wenn in der Zylinderwand im Bereich zwischen der Kolbenlaufbahn bzw. dem Zylinderraum und der Führung für das Ventil bzw. für den Ventilstößel zumindest ein Kühlkanal verläuft.

[0007] Das Einströmen und die Verwirbelung des Frischgases werden unterstützt, wenn vorgesehen ist, dass der Einström- oder Auslasskanal einen vor seiner Einmündung in den Verbrennungsraum oder vor dem Ventilsitz endenden, gerade verlaufenden Abschnitt aufweist, dessen Länge dem 1,0- bis 5-fachen, vorzugsweise 2- bis 4-fachen, seines Durchmessers entspricht und/oder wenn der dem Zylinderraum naheliegende Bereich, der an den Ventilsitz anschließt, gerundet ist, wobei die Rundung einen Radius von 2 bis 6 mm besitzt.

[0008] Um eine hohe Kompression zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass der vom Zylinderkopf begrenzte Verbrennungsraum nur den dem Ventilsitz und den dem Ventilsitz nahe gelegenen Bereich des Zylinderraumes, vorzugsweise 30% bis 70%, insbesondere 40% bis 60%, der gesamten Querschnittsfläche des Zylinderraumes überspannt.

[0009] Von Vorteil ist es, wenn im Zylinderkopf zumindest eine Zündeinheit angeordnet ist, die vorteilhaft dem Bereich zwischen dem Zylinderraum und dem Ventilsitz gegenüber liegt. Damit wird das Zündverhalten eines derartigen Zylinders begünstigt.

[0010] Es ist möglich, den Zylinder derart zu gestalten, dass in der Zylinderwand zwei einander diametral gegenüberliegende Ventile angeordnet sind und der Zylinder mit den Ventilen einen Aufbau besitzt, der bezüglich einer durch die Zylinderachse und die beiden Ventilachsen verlaufenden Ebene symmetrisch ist. Möglich ist es auch, dass in der Zylinderwand zwei einander gegenüberliegende Paare von Ventilen angeordnet sind und der Zylinder und die Paare von Ventilen zentrische Symmetrie bezüglich der Zylinderachse zeigen.

[0011] Für den Betrieb ist es von Vorteil, wenn in den Verbrennungsraum zumindest eine Zün-deinheit und/oder zumindest eine Kraftstoffzufuhreinheit, vorzugsweise Einspritzeinheit, ragt und/oder wenn die Innenwandfläche des Zylinderkopfes im Mittenbereich der Kolbenlaufbahn bzw. im Bereich der Zylinderachse knapp bzw. nahe dem Niveau der Kolbenfläche in der OT-Lage angenähert ist und/oder wenn bei der Anordnung von zwei Ventilen oder zwei Paaren von Ventilen längs des Umfanges des Zylinders ein Ventil oder ein Ventilpaar an die Einströmöffnungen) für Frischgas und das andere Ventil oder Ventilpaar die Ausströmöffnung(en) für die 1/10

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Abgase verschließt.

[0012] Bei einem Gegenkolbenmotor mit zwei erfindungsgemäßen Motorzylindern, die an ihrem brennraumseitigen Stirnflächen zusammengefügt sind und damit einen Gesamtzylinder ausbilden, in dem zwei Kolben gegenläufig auf- und abbewegbar gelagert sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Zylinderwand bzw. in der Stirnfläche des jeweils einen Zylinders zumindest eine Ausnehmung ausgebildet ist, die dem jeweiligen Ventil, das in der Zylinderwand bzw. der Stirnfläche des jeweils anderen Zylinder ausgebildet ist, gegenüberliegt.

[0013] Bei einem derartigen Motor werden das Verbrennungsverhalten und der Ladungswechsel begünstigt. Es ist des weiteren vorgesehen, dass die Ausnehmung mit dem Zylinderraum kommuniziert bzw. mit diesem einen einheitlichen Verbrennungsraum ausbildet.

[0014] Bei dem erfindungsgemäßen Motorzylinder erfolgt der Ladungswechsel vorteilhaft durch die Zylinderwand bzw. durch einen den Zylinderraum begrenzenden Wandteil. Es handelt sich dabei um eine seitengesteuerte Ventilanordnung mit einer zur Zylinderachse geneigten Ventilachse.

[0015] I m Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielsweise näher erläutert.

[0016] Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Motorzylinder mit einer sei tengesteuerten Ventilanordnung.

[0017] Fig. 2 zeigt einen Gegenkolbenmotor mit einem mit erfindungsgemäßen Motorzy lindern ausgebildeten Gesamtzylinder.

[0018] Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinders.

[0019] Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines, vorzugsweise als 2-Takt-Motor ausgebil deten, Gegenkolbenmotors.

[0020] Fig. 1 zeigt einen Motorzylinder 1, in dem ein Kolben 2 auf- und abbewegbar gelagert ist. Der Kolben 2 ist über einen Kolbenbolzen 22 und ein Pleuel 20 mit einer Kurbelkröpfung 21 einer Kurbelwelle verbunden. In der Zylinderwand 8 ist eine Anzahl von Kühlausnehmungen und -kanälen 11 und direkt neben dem oberen Endbereich der Kolbenlaufbahn 6 ist ein Ventilsitz 4 für ein Ventil 3 ausgebildet. Das Ventil 3 wird in einer Führung 9 geführt und von einer Nockenwelle 23 über einen Ventilstößel 10 betätigt. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Ventil 3 um ein Einströmventil für Frischgas, das heißt Luft oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, das die Öffnung eines Einströmkanals 7 verschließt.

[0021] Die Ventilachse V des Ventils 3 schließt mit der Zylinderachse Z einen spitzen Winkel A ein, wobei 5° ^ A < 25°, vorzugsweise 10° ί A < 20°, ist.

[0022] Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass die Möglichkeit besteht, in der Zylinderwand 8 zusätzliche Kühlkanäle 13 anzuordnen. Durch die Neigung der Ventilachse V wird ferner die Möglichkeit geboten, sehr effizient Frischgas in den Verbrennungsraum 15 einzubringen. Das Frischgas wird an der Kante 31 des Einströmkanals 7, die dem Zylinderraum 5 nahe liegt, verwirbelt. Diese Kante 31 ist gerundet ausgeführt und dadurch ergeben sich geringe Strömungsverluste und eine gute Vermischung eines zugeführten Brennstoff-Luftgemisches oder von zugeführter Luft mit eingespritztem Kraftstoff.

[0023] Des weiteren ist vorgesehen, dass die Achse E eines zum Ventilsitz 4 geführten Einström- oder Auslasskanals 7 in einer von der Ventilachse V und der Zylinderachse Z aufgespannten Ebene unter einem Winkel B von 25° < B < 65°, vorzugsweise 40° < B < 50°, zur Ventilachse V geneigt verläuft. Diese Maßnahme verringert die Ladungswechselverluste und verbessert die Vermischung.

[0024] Der Einström- oder Auslasskanal 7 weist einen vor seiner Einmündung in den Verbrennungsraum 15 oder vor dem Ventilsitz 4 endenden, gerade verlaufenden Abschnitt 16 auf, dessen Länge dem 1,0- bis 5-fachen, vorzugsweise 2- bis 4-fachen, seines Durchmessers D entspricht. 2/10 ästeireläfiscises päteü tarnt AT511 879 B1 2013-12-15 [0025] Der Verbrennungsraum 15 erstreckt sich lediglich über einen Teilbereich des Querschnittes des Zylinderraumes 5 und der ventilferne Bereich des Zylinderkopfes 5 kann der Lage der Kolbenfläche 17 im oberen Totpunkt sehr angenähert sein, um das Kompressionsverhältnis des Motorzylinders 1 hoch gestalten zu können.

[0026] Es ist im Zylinderkopf 14 zumindest eine Zündeinheit 27 angeordnet, die dem Bereich 30 zwischen dem Zylinderraum 5 und dem Ventilsitz 4 gegenüber liegt. In der Zylinderwand 8 im Bereich zwischen der Kolbenlaufbahn 6 bzw. dem Zylinderraum 5 und der Führung 9 für das Ventil 3 und/oderfür den Ventilstößel 10 verläuft zumindest ein Kühlkanal 13.

[0027] Es ist möglich, dass in der Zylinderwand 8 zwei einander diametral gegenüberliegende Ventile 3 angeordnet sind und der Zylinder 1 mit den Ventilen 3 einen Aufbau besitzt, der bezüglich einer durch die Zylinderachse Z und die beiden Ventilachsen V verlaufenden Ebene symmetrisch ist. Alternativ können in der Zylinderwand 8 zwei einander gegenüberliegende Paare von Ventilen 3 angeordnet sein und der Zylinder 1 und die Paare von Ventilen 3 bezüglich einer Mittelebene M spiegelbildlich ausgebildet sein.

[0028] In Fig. 1 ist lediglich ein Ventil 3 dargestellt, das eine Ventilachse V besitzt, die in der selben Ebene wie die Zylinderachse Z gelegen ist, wobei diese Ebene eine Symmetrieebene für den Zylinder darstellen kann. Es ist aber auch möglich, dass bei der Anordnung von zwei Ventilen 3 oder zwei Paaren von Ventilen längs des Umfanges des Zylinders 1 ein Ventil oder ein Ventilpaar an die Frischgaszufuhr angeschlossen ist und das jeweils andere Ventil oder Ventilpaar die Ausströmöffnung für Abgase verschließt.

[0029] In Fig. 2 ist der Zusammenbau von zwei erfindungsgemäßen Motorzylindern 1, T dargestellt, die zusammengefügt bzw. miteinander längs ihrer Stirnflächen 18 verbunden sind und einen Gegenkolbenmotor ausbilden. Den in den Zylindern 1,1' bzw. deren Zylinderwänden 8 angeordneten Ventilen 3 liegt jeweils in dem jeweils anderen Zylinder eine Ausnehmung 19 gegenüber, die ein gutes Einströmen oder Ausströmen des durch den jeweiligen Kanal 7 zuzuführenden oder abzuführenden Brennstoff-Luftgemisches oder Abgases in den oder aus dem Verbrennungsraum 15 ermöglicht.

[0030] Die Anordnung der Zylinder 1,1' sowie der Ventile 3 ist zentrisch symmetrisch bezüglich der Längsachse Z der beiden zusammengefügten Zylinder 1, T. Auch bei dieser Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn in dem Raum zwischen den Ventilführungen 9 und der Zylinderlaufbahn 6 in der Zylinderwand 8 Kühlkanäle 13 ausgebildet sind.

[0031] In Fig. 2 links ist schematisch dargestellt, wie zu beiden Seiten des Zylinderraumes 5 in der Zylinderwand 8 jeweils zwei Paare von Ventilen 3 gelegen sind, das heißt es sind zwei Einlass- und zwei Auslassventile vorhanden, die jeweils mit ihren Ventilachsen V einen spitzen Winkel A mit der Zylinderachse Z einschließen.

[0032] Es sind auch 3 Ventile möglich bzw. können die Ein- und Auslassventile unterschiedliche Größe aufweisen. Bei 2-Takt-Motor-Zylindern ist die erforderliche Symmetrie des Zylinders 1 zu beachten. Bei 2-Takt-Motoren können alle vorgesehenen Ventile Auslassventile sein.

[0033] Durch die Einströmkanäle 7 kann Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt werden. Wird Luft zugeführt, so erfolgt eine Kraftstoffzufuhr bzw. -einspritzung in den Verbrennungsraum 15, insbesondere nahe einem Ventil 3.

[0034] Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motorzylinders, bei dem eine Krafteinspritzung 35 vorgesehen ist, mit der Kraftstoff in Form von Kraftstoffstrahlen 36 in Richtung auf die vorgesehenen Zündeinheiten 27 bzw. auf die von den Zündeinheiten 27 getragenen Zündelektroden 38 abgegeben wird. Die Einspritzdüsen 37 liegen im Bereich nahe über bzw. zwischen den Ventilen 3 bzw. deren Ventilsitzen 4, insbesondere dann, wenn es sich um zwei nebeneinander liegende Ventile 3 handelt. Es ist auch möglich, die Einspritzdüsen 37 im Bereich der über den Ventilteller hinaus verlängerten Ventilachse V anzuordnen.

[0035] Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um eine optimierte Ausführungsform bezüglich des Einström- oder Auslasskanales 7. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist im 3/10

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Bereich des Einströmkanals 7 eine Direkteinspritzdüse 37 angeordnet und es erfolgt eine Doppelzündung, wobei die Zündelektroden 38 in Reihe bzw. hintereinander in Richtung der Einspritzstrahlen 36 ausgerichtet sind. Bei einer starken Einströmgeschwindigkeit oder einer Tumble-Ladungsbewegung werden die Einspritzstrahlen 36 zur Brennraumwand gedrückt und somit wird auch die von der Einspritzdüse 37 entfernter gelegene Zündelektrode 38 von den Einspritzstrahlen 36 getroffen. Es ist bei dieser Ausführungsform von Vorteil, wenn die Zündkerzen eine Mehrfachzündung aufweisen. Die Zündkerzen 27 sitzen in einem in Fig. 3 nicht dargestellten, sondern nur angedeuteten Zylinderkopf.

[0036] Der spitze Winkel S zwischen der Innenwandfläche 6 des Zylinders 1 und der Hauptaus-strömrichtung H der Einspritzdüse 27 beträgt etwa 50 bis 70°.

[0037] Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt einer Ausführungsform eines Gegenkolbenmotors, ähnlich dem, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Die beiden Ventile 3 dienen hier zum Verschluss von Auslasskanälen 7; im Bereich des unteren Totpunktes sind in der Zylinderwand 8 Überströmfenster 41 ausgebildet, die von Überströmkanälen 40 versorgt werden, die mit dem Kurbelwellengehäuse 42 kommunizieren und vorverdichtetes Gemisch aus dem Kurbelwellengehäuse 42 in den Zylinderraum 42 einströmen. Die Zündeinheit 27 liegt in der Mittelebene zwischen den beiden zu dem Gesamtzylinder 1 zusammengefügten Einzelzylindern 1, T. Dieser Motor ist bezüglich einer senkrecht zu den Kolbenbolzen 22 verlaufenden Ebene symmetrisch aufgebaut. Dieser Gegenkolbenmotor wird als 2-Takt-Motor betrieben. 4/10

Claims (4)

1. AT511 879B1 2013-12-15 Patentansprüche Motorzylinder mit einem Kolben (2) und zumindest einem, vorzugsweise zwei oder vier, in den Brennraum führenden, nockengesteuerten Ventil (3), wobei der am Ende eines Einström- oder Auslasskanals (7) liegende Ventilsitz (4) des Ventils (3) seitlich unmittelbar neben der Kolbenlaufbahn (6) bzw. dem Zylinderraum (5) in der Zylinderwand (8) ausgebildet ist und die Ventilachse (V) mit der Zylinderachse (Z) einen spitzen Winkel (A) von 5° < A < 25°, vorzugsweise 10° i Ai 20°, einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Einström- oder Auslasskanal (7) einen vor seiner Einmündung in den Verbrennungsraum (15) oder vor dem Ventilsitz (4) endenden, gerade verlaufenden Abschnitt (16) aufweist, dessen Länge dem 1,0- bis 5-fachen, vorzugsweise 2- bis 4-fachen, seines Durchmessers (D) entspricht und dass die Achse (E) des zum Ventilsitz (4) geführten Einström- oder Auslasskanals (7) in einer von der Ventilachse (V) und der Zylinderachse (Z) aufgespannten Ebene unter einem Winkel B von 25° < B < 65°, vorzugsweise 40° < B < 50°, zur Ventilachse (V) geneigt verläuft. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Motorzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zylinderwand (8) im Bereich zwischen der Kolbenlaufbahn (6) bzw. dem Zylinderraum (5) und der Führung (9) für das Ventil bzw. für den Ventilstößel (10) zumindest ein Kühlkanal (13) verläuft. Motorzylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (14) zumindest eine Zündeinheit (27) angeordnet ist, die dem Bereich (30) zwischen dem Zylinderraum (5) und dem Ventilsitz (4) gegenüber liegt. Motorzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Zylinderraum (5) naheliegende und an den Ventilsitz (4) anschließende Bereich des Einström- oder Auslasskanals (7) gerundet ist, wobei die Rundung einen Radius von 2 bis 6 mm besitzt. Motorzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zylinderwand (8) zwei einander diametral gegenüberliegende Ventile (3) angeordnet sind und der Zylinder (1) mit den Ventilen (3) einen Aufbau besitzt, der bezüglich einer durch die Zylinderachse (Z) und die beiden Ventilachsen (V) verlaufenden Ebene symmetrisch ist oder dass in der Zylinderwand (8) zwei einander gegenüberliegende Paare von Ventilen (3) angeordnet sind und der Zylinder (1) und die Paare von Ventilen (3) gegebenenfalls spiegelbildlich zu einer senkrecht zur Kurbelwelle stehenden Mittelebene (M) ausgebildet sind. Motorzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbrennungsraum (15) zumindest eine Zündeinheit (27) und/oder zumindest eine Kraftstoffzufuhreinheit, vorzugsweise Einspritzeinheit, ragt und/oder dass die Innenwandfläche (26) des Zylinderkopfes (14) im Mittenbereich der Kolbenlaufbahn bzw. im Bereich der Zylinderachse (Z) knapp bzw. nahe dem Niveau der Kolbenfläche (17) in der OT-Lage angenähert ist. Motorzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anordnung von zwei Ventilen (3) oder zwei Paaren von Ventilen längs des Umfanges des Zylinders (1) ein Ventil oder ein Ventilpaar an die Frischgaszufuhr angeschlossen ist und das andere Ventil oder Ventilpaar die Ausströmöffnung für Abgase verschließt. Motorzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich vor einem und/oder oberhalb eines Ventils(s) (3) oder Ventilsitz(es) (4) oder im Raum zwischen bzw. oberhalb zweier nebeneinander liegender Ventile (3) oder Ventilsitze (4) die Einspritzdüse (37) einer Kraftstoffeinspritzung (35) gelegen ist, wobei die Einspritzrichtung auf die Zündelektroden (38) zumindest einer Zündeinheit (27) ausgerichtet ist. Motor, insbesondere 2-Takt-Motor, mit zumindest einem Motorzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8. 5/10 9.

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2. 10. Gegenkolbenmotor, insbesondere 2-Takt-Gegenkolben-Motor, mit zwei Motorzylindern (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die an ihren brennraumseitigen Stirnflächen (18) zusammengefügt sind und einen Gesamtzylinder bilden, in dem zwei Kolben (2) gegenläufig auf- und abbewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zylinderwand (8) bzw. in der Stirnfläche (18) des jeweils einen Zylinders (1) zumindest eine Ausnehmung (19) ausgebildet ist, die dem jeweiligen Ventil (3), das in der Zylinderwand (8) bzw. in der Stirnfläche (18) des jeweils anderen Zylinder (1') ausgebildet ist, gegenüberliegt.
3. 11. Motorzylinder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (19) in dem jeweiligen Motorzylinder (1, 1') mit dem Zylinderraum (5) und dem Verbrennungsraum (15) dieses Motorzylinders (1, 1') kommuniziert.
4. 12. Gegenkolbenmotor, insbesondere 2-Takt-Gegenkolben-Motor, mit zwei Motorzylindern (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die an ihren brennraumseitigen Stirnflächen (18) zusammengefügt sind und einen Gesamtzylinder bilden, in dem zwei Kolben (2) gegenläufig auf- und abbewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zylinderwand (8) im Bereich des unteren Totpunktes der beiden Kolben (2) Überströmfenster (41) ausgebildet sind, dass im Längsmittenbereich des Gesamtzylinders eine Zündeinheit (27) liegt und dass die Ventile (3) Auslasskanäle (7) verschließen bzw. die Kanäle (7) zu einem Auspuff geführt sind. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 6/10