DE102010038192A1 - Zweitaktmotor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor mit zumindest einem Zylinder und einem sich darin hin- und her bewegenden Kolben, wobei in einem Bodenbereich des Zylinders, nahe des unteren Totpunkts des Kolbens Einlasskanäle zur Frischluftzufuhr angeordnet sind. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zwei punktsymmetrisch zur Zylinderachse angeordnete Einlasskanäle vorgesehen sind, die jeweils einen äußeren Teilkanal und einen inneren Teilkanal aufweisen und wobei zumindest der innere Teilkanal eine den jeweiligen Strömungsquerschnitt stufenlos variierbare Stelleinrichtung aufweist. Hierdurch können eine optimale Gemischbildung und dadurch eine leistungsstarke Verbrennung sowie eine reduzierte Schadstoffemission erreicht werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor mit zumindest einem Zylinder und einem sich darin hin- und herbewegenden Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einem derartigen Zweitaktmotor ausgestattetes Kraftfahrzeug.
- Aus der
DE 198 27 250 B4 ist ein gattungsgemäßer Zweitaktmotor mit von einem Kolben gesteuerten Ein- und Auslassschlitzen bekannt, die nahe dem Kolbenboden in dessen unterer Totpunktstellung angeordnet sind. Zusätzlich weist der Zweitaktmotor tangential oder annähernd tangential und schräg nach oben gerichtete Einströmkanäle auf, die verschiedene Neigungswinkel aufweisen können, die aber so groß sind, dass ein Einströmen des Frischgas oberhalb der Auslassschlitze vorbeiströmt und eine schraubenförmige Spülbewegung des Frischgases im Zylinder eingeleitet wird. Mit dem bekannten Zweitaktmotor soll eine Teilsteuerung des Frischgases sowie eine effektive Spülströmung erreicht werden. - Aus der
US 4,469,054 B ist ein weiterer Zweitaktmotor mit zumindest einem Zylinder bekannt, der gemäß einer Ausführungsform zwei Einlasskanäle und einen Auslasskanal aufweist. - Weitere Zweitaktmotoren sind bspw. aus der
US 4,249,495 und aus derJP 9-291828 - Schließlich ist aus der
DE 1 576 028 ein Zweitaktmotor mit einer Zündkammer in einem Zylinder bekannt. Eine Umgrenzung der Zündkammer ist dabei durch einen am allgemeinen ringwulstförmigen Hohlraum gebildet, welcher einen Durchgang, der in die Verbrennungskammer führt, umgibt. Hierdurch soll insbesondere ein gleichmäßiges Zünden des Zweitaktmotors unter allen Betriebsbedingungen, vom Leerlauf bis zur Volllast erreicht werden. - Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Zweitaktmotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine optimale Verbrennung und damit einen hohen Wirkungsgrad in unterschiedlichsten Lastbereichen ermöglicht.
- Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Zweitaktmotor mit zumindest einem Zylinder und einem sich darin hin- und herbewegenden Kolben zwei punktsymmetrisch zur Zylinderachse angeordnete Einlasskanäle im Bodenbereich des Zylinders, das heißt nahe des unteren Totpunkts des Kolbens, vorzusehen, die jeweils zwei Teilkanäle, nämlich einen äußeren und einen inneren Teilkanal aufweisen und wobei zumindest der jeweils innere Teilkanal sich hinsichtlich seines Strömungsquerschnittes stufenlos variierbar, das heißt einstellbar ist. Zur Regulierung des Strömungsquerschnittes ist eine Stelleinrichtung vorgesehen, die den Strömungsquerschnitt zumindest der inneren Teilkanäle individuell, stufenlos und insbesondere unabhängig von den anderen Teilkanälen steuern kann. Üblicherweise wird dabei bei geringer Last des Zweitaktmotors die Frischluft zunächst über den äußeren Teilkanal in den Zylinder zugeführt. Mit zunehmender Leistung des Zweitaktmotors wird dann der jeweils innere Teilkanal stufenlos zugeschaltet. Durch die besondere Ausgestaltung der Einlasskanäle wird eine gezielte Drallbewegung der zugeführten Frischluft im Zylinder erzeugt bzw. die Strömung der zugeführten Frischluft an die Zylinderwand gedrückt und dadurch eine besonders homogene Durchmischung des Kraftstoff-Gemischs im Zylinder und damit eine optimale Verbrennung erreicht. Pro Zylinder stehen bei dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor somit insgesamt zumindest vier Frischluftkanäle, nämlich zwei äußere und zwei innere Teilkanäle eines jeden Einlasskanals zur Verfügung, wodurch eine besonders exakte Dosierung der dem Zylinder zuzuführenden Frischluftmenge ermöglicht wird.
- Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist die Stelleinrichtung je Teilkanal eine drehbare Klappe auf, die insbesondere exzentrisch gelagert ist. Die exzentrische Lagerung der Klappe, insbesondere im jeweils inneren Teilkanal der Einlasskanäle ermöglicht es, die zuströmende Frischluft an die Zylinderwand umzulenken und dadurch eine besonders effektive Drallströmung im Zylinder selbst zu erzeugen. Die gewünschte Drallströmung wird dabei zusätzlich dadurch verstärkt, dass die Einlasskanäle tangential in den Zylinder münden und insbesondere eine äußere Wand des jeweils äußeren Teilkanals tangential mit einer Zylinderwand verläuft. Durch den Umstand, dass bspw. die zwischen dem äußeren und inneren Teilkanal angeordnete Wandung ebenfalls auf die äußere Wand des äußeren Teilkanals zuläuft, wird dieser in Richtung der Zylinderwand verengt und dadurch die Drallbewegung im Zylinder nochmals verstärkt. Durch die punktsymmetrisch zur Zylinderachse angeordneten Einlasskanäle kann zudem ein unerwünschter Abriss der Drallströmung im Zylinder zuverlässig vermieden und dadurch eine besonders homogene Durchmischung des zu zündenden Kraftstoff-Luftgemisches erreicht werden.
- Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
- Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
- Dabei zeigen, jeweils schematisch,
-
1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Zylinder eines Zweitaktmotors, -
2 ebenfalls eine Schnittdarstellung, jedoch entlang der Schnittebene A-A gemäß der1 , -
3 eine Darstellung wie in2 , jedoch mit separaten Teilkanälen je Einlasskanal, -
4 eine Darstellung variabler Einlassöffnungsflächen und Steuerzeiten der einzelnen Einlasskanäle, -
5 einen Differenzdruckzylinder zum Schließen einer Klappe im äußeren Teilkanal des jeweiligen Einlasskanals. - Entsprechend der
1 , weist ein erfindungsgemäßer Zweitaktmotor1 zumindest einen Zylinder2 auf, in welchem sich ein Kolben3 hin- und her, im vorliegenden Fall rauf und runter bewegt. Der Kolben oszilliert dabei üblicherweise zwischen einem unteren Totpunkt UT sowie einem oberen Totpunkt OT, wobei im Bodenbereich des Zylinders2 Einlasskanäle4 und4' zur Frischluftzufuhr angeordnet sind (vgl.2 und3 ). Oberhalb des oberen Totpunkts OT ist ein Auslasskanal5 angeordnet, der von einem Ventil6 verschließbar ist. Erfindungsgemäß sind nun die beiden Einlasskanäle4 und4' punktsymmetrisch zur Zylinderachse7 angeordnet und weisen jeweils einen äußeren Teilkanal8 bzw.8' sowie einen inneren Teilkanal9 ,9' auf. Jeder der Teilkanäle8 ,8' ,9 ,9' besitzt dabei eine den jeweiligen Strömungsquerschnitt stufenlos variierbare Stelleinrichtung10 , die im vorliegenden Fall in der Form einer jeweils drehbaren Klappe11 ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist aber zumindest der jeweils innere Teilkanal (9 ,9' ) hinsichtlich seines Strömungsquerschnittes stufenlos variierbar, das heißt einstellbar. - Gemäß den
2 und3 ist erkennbar, dass die Einlasskanäle4 und4' tangential in den Zylinder2 münden und dadurch die einströmende Frischluft12 eine Drallbewegung im Zylinder2 erfährt. Hierdurch kann eine besonders homogene Durchmischung des im Zylinder2 vorhandenen Kraftstoff-Luftgemisches kurz vor der eigentlichen Verdichtung bzw. Zündung erreicht werden, wodurch einerseits eine effektive und andererseits saubere Verbrennung erreicht werden kann. Die Klappen11 der Stelleinrichtungen10 sind dabei üblicherweise exzentrisch gelagert, so dass diese in einer teilweise geöffneten Stellung die einströmende Frischluft12 an eine Zylinderwand drücken und dadurch die Drallströmung im Zylinder2 begünstigen. Gemäß der2 weist dabei der äußere und der innere Teilkanal8 ,9 bzw.8' ,9' des jeweiligen Einlasskanals4 ,4' eine gemeinsame Frischluftzufuhr auf, wogegen gemäß der3 jeder Teilkanal8 ,8' ,9 ,9' eine separate Luftzufuhr aufweist. Stelleinrichtungen10 und damit die Klappen11 sind sowohl stufenlos als auch unabhängig voneinander variierbar, wobei die Klappen11 im äußeren Teilkanal8 ,8' im normalen Motorbetrieb und insbesondere in einem unteren Lastbereich üblicherweise geöffnet sind und die Klappen11 im inneren Teilkanal9 ,9' je nach Leistungsanforderung, insbesondere bei höheren Leistungen, stufenlos geöffnet und damit zugeschaltet werden. Vorzugsweise übernimmt dabei die jeweils im äußeren Teilkanal8 ,8' angeordnete Klappe11 eine reine Öffnungs-Schließfunktion, wogegen die im inneren Teilkanal9 ,9' angeordneten Klappen11 eine Steuerungsfunktion (Kanalquerschnitt, Durchsatz bzw. Strömungsrichtung) übernehmen. Es ist somit möglich, dass die Klappen11 im jeweils äußeren Teilkanal8 ,8' lediglich zwischen einer Offen- und einer Schließstellung verstellbar sind, wogegen die Klappen11 des inneren Teilkanals9 ,9' stufenlos einstellbar sind. Bei abgestelltem Zweitaktmotor1 sind vorzugsweise sämtliche Klappen11 geschlossen, zumindest aber die Klappen11 im jeweils äußeren Teilkanal8 ,8' , um das Abgas im Brennraum, das heißt im Zylinder2 zurückhalten zu können. Tritt ein Überdruck im Zylinder2 auf, bspw. sofern der Zylinderdruck während des Ladungswechsels größer ist als der Ladedruck, schließen die Klappen11 in die jeweils äußeren Teilkanäle8 ,8' , damit kein Abgas in den jeweiligen Einlasskanal4 ,4' strömt. Hierdurch wird insbesondere eine Rückströmung vom Zylinder2 in eine Sauganlage verhindert. Die Klappen11 in den jeweiligen Einlasskanälen4 ,4' können bspw. als Registerklappen ausgebildet sein, die über einen gemeinsamen und nicht dargestellten Mechanismus betätigt werden können, aber auch einzeln ansteuerbar sind. - Der äußere und der innere Teilkanal
8 ,9 ,8' ,9' des Einlasskanals4 ,4' kann selbstverständlich auch wie gemäß der3 dargestellt eine separate Frischluftzufuhr aufweisen, wobei in diesem Fall ein Ladedruck des jeweils äußeren Teilkanal8 ,8' höher ist als im inneren Teilkanal9 ,9' . Zur Steuerung zumindest einer Klappe11 bei einem Überdruck während eines Ladungswechsels kann auch ein gemäß der5 dargestellter Differenzdruckzylinder13 verwendet werden, wobei eine Kolbenstange14 des Differenzdruckzylinders13 mit dem Stellmechanismus zum Verstellen der Klappen11 verbunden ist. Die Kolbenstange14 ist dabei mit einem Kolbenelement15 verbunden, welches den Zylinder2' des Differenzdruckzylinders13 in zwei Kammern16 und16' unterteilt. Die Kammer16 ist dabei mit einem in Strömungsrichtung nach der Klappe11 vorhandenen Druck verbunden, wogegen die Kammer16' druckverbunden mit dem jeweiligen Einlasskanal4 ,4' stromauf der jeweiligen Klappe11 ist. Durch zwei Federn17 und17' wird die Bewegung des Kolbenelements15 unterstützt. Ist somit der Druck stromab der Klappe11 größer als stromauf der Klappe11 , wird der Druck in der Kammer16 größer als in der Kammer16' und damit das Kolbenelement15 und die Kolbenstange14 gemäß der Darstellung in5 nach rechts verschoben. Dies bewirkt ein Schließen zumindest einer der Klappen11 . Fällt der Druck nach der Klappe11 wieder ab, so sorgt die Feder17' dafür, dass das Kolbenelement15 wieder in seine Ausgangslage zurückfährt und dadurch die Klappe11 wieder geöffnet wird. - Bei der Darstellung gemäß der
4 findet bei der Kolbenbewegung zwischen dem oberen Totpunkt OT und einer Einlassöffnung EÖ eine Verbrennung bzw. Expansion des Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinder2 statt, während zwischen der Einlassöffnung EÖ und der Einlassschließung ES ein Ladungswechsel erfolgt. Zwischen Schließen der Einlasskanäle4 ,4' zum Zeitpunkt ES (Einlassschließen) und dem oberen Totpunkt OT findet die Kompression des Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinder2 statt. Die Kurve18 gemäß der4 beschreibt dabei eine Einlassöffnungsfläche des jeweils äußeren Teilkanals8 ,8' , wogegen die Kurve19 eine stufenlos schaltbare Einlassöffnungsfläche des jeweils inneren Teilkanals9 ,9' durch die dort gelagerten Klappen11 beschreibt. Je höher die Kurve19 ist, umso größer ist die Öffnungsstellung der Klappen im äußeren Teilkanal9 ,9' und desto größer ist der dort frei gegebene Strömungsquerschnitt zur Frischluftzufuhr. Üblicherweise werden dabei die Klappen11 im jeweils äußeren Teilkanal8 ,8' lediglich zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung verstellt, wogegen die Klappen11 im jeweils inneren Teilkanal9 ,9' stufenlos verstellt werden, um dadurch die Frischluftzufuhr individuell steuern und anpassen zu können. Denkbar ist aber selbstverständlich auch, dass auch die Klappen im jeweils äußeren Teilkanal8 ,8' stufenlos ansteuerbar und verstellbar sind. Die Ansteuerung der Klappen11 erfolgt dabei in Abhängigkeit eines Belastungszustandes und einer Drehzahl des Zweitaktmotors1 . Durch die gewählte Form und insbesondere ein Verjüngen der Teilkanäle8 ,8' ,9 ,9' wird die gewünschte Drallbewegung des einströmenden Frischluftstromes12 sowie deren Intensität zusätzlich gezielt beeinflusst. Eine äußere Wand des äußeren Teilkanals8 ,8' verläuft dabei tangential zum Zylinder2 , wogegen eine Trennwand20 ,20' zwischen dem jeweiligen äußeren Teilkanal8 ,8' und dem jeweils zugehörigen inneren Teilkanal9 ,9' auf die äußere Wand des äußeren Teilkanals8 ,8' zuläuft und damit den jeweils äußeren Teilkanal8 ,8' verengt und die Frischluftströmung12 auf die Zylinderwand drückt. In gleicher Weise kann auch eine innere Wand des jeweils inneren Teilkanals9 ,9' geformt bzw. ausgebildet sein. - Mit dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor
1 sind somit eine optimale Frischluftzufuhr und damit eine optimale Verbrennung, ein hoher Wirkungsgrad und eine geringe Schadstoffemission erzielbar. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19827250 B4 [0002]
- US 4469054 B [0003]
- US 4249495 [0004]
- JP 9-291828 [0004]
- DE 1576028 [0005]
Claims (10)
- Zweitaktmotor (
1 ) mit zumindest einem Zylinder (2 ) und einem sich darin hin- und her bewegenden Kolben (3 ), wobei in einem Bodenbereich des Zylinders (2 ), nahe des unteren Totpunkts des Kolbens (3 ) Einlasskanäle (4 ,4' ) zur Frischluftzufuhr (12 ) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwei punktsymmetrisch zur Zylinderachse (7 ) angeordnete Einlasskanäle (4 ,4' ) vorgesehen sind, die jeweils einen äußeren Teilkanal (8 ,8' ) und einen inneren Teilkanal (9 ,9' ) aufweisen und wobei zumindest der innere Teilkanal (9 ,9' ) eine den jeweiligen Strömungsquerschnitt stufenlos variierbare Stelleinrichtung (10 ) aufweist. - Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (
4 ,4' ) tangential in den Zylinder (2 ) münden und dadurch die einströmende Frischluft eine Drallbewegung erfährt. - Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Teilkanal (
8 ,8' ) einen geringeren Strömungsquerschnitt aufweist als der innere Teilkanal (9 ,9' ). - Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (
10 ) eine drehbare Klappe (11 ) aufweist. - Zweitaktmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (
11 ) exzentrisch gelagert ist. - Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere und der innere Teilkanal (
8 ,8' ,9 ,9' ) eines Einlasskanals (4 ,4' ) eine gemeinsame oder eine separate Frischluftzufuhr (12 ) aufweisen. - Zweitaktmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere und der innere Teilkanal (
8 ,8' ,9 ,9' ) eines Einlasskanals (4 ,4' ) eine separate Frischluftzufuhr (12 ) aufweisen und ein Ladedruck im äußeren Teilkanal (8 ,8' ) höher ist als im inneren Teilkanal (9 ,9' ). - Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzdruckzylinder (
13 ) zur Steuerung zumindest einer Klappe (11 ) bei einem Überdruck während eines Ladungswechsels vorgesehen ist. - Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der äußere und/oder der innere Teilkanal (
8 ,8' ,9 ,9' ) in Richtung des Zylinders (2 ) verjüngen. - Kraftfahrzeug mit einem Zweitaktmotor (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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