DE102015224062A1

DE102015224062A1 - Zweitaktmotor

Info

Publication number: DE102015224062A1
Application number: DE102015224062.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Böhm
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor aufweisend einen Zylinder (10) mit in der Zylinder-Innenfläche (10i) jeweils ausgebildeten Zylinder-Einlassöffnungen (12) und einer Zylinder-Auslassöffnung (13), einen entlang einer Zylinder-Längsachse (L) zwischen einer oberen Totpunktstellung (OT) und einer unteren Totpunktstellung (UT) bewegbaren Kolben (20), eine Einlass-Steuerwalze (70), die drehbar gelagert ist und um eine Einlasswalzen-Längsachse (L70) abhängig von der Bewegung des Kolbens (20) in eine Drehung versetzt ist, wobei die Einlass-Steuerwalze (70) in einem Einlass-Steuerabschnitt (61) angeordnet ist und einen Einlasswalzen-Verschlusskörper (72) aufweist, der während der Bewegung des Kolbens (20) von der oberen Totpunktstellung (OT) zu der unteren Totpunktstellung (UT) eine Einlass-Steueröffnung (63) einmal abdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor.
Gegenüber Viertaktmotoren benötigen Zweitaktmotoren einen geringeren Bauraum und weisen bezogen auf deren Leistung ein geringeres Gewicht auf. Der Ladungswechsel, also der Abfuhr von Abgas aus dem Brennraum und die Zufuhr von Frischgas in diesen hinein, erfolgt bei Zweitaktmotoren üblicherweise durch in der Zylinderwand ausgebildeten Einlass- und Auslassöffnungen, die von dem Kolben während dessen Bewegung von einer oberen zu einer untere Totpunktstellung freigegeben werden. Dabei spült das Frischgas das Abgas aus dem Brennraum. Die Einlass- und Auslassöffnungen sind in der unteren Totpunktstellung des Kolbens maximal geöffnet und werden bei dessen Bewegung von der unteren zu der oberen Totpunktstellung durch den Kolben wieder geschlossen.
Während des Ladungswechsels strömt jedoch eine von der Drehzahl und dem Lastzustand des Motors abhängige Menge von Abgas durch die Einlassöffnungen aus dem Brennraum. Dadurch wird das Frischgas, das dem Brennraum zugeführt wird, durch das Abgas vermischt, wodurch die z.B. die Temperatur des Frischgases ansteigt. Dies kann abhängig von der Drehzahl und dem Lastzustand des Motors zu einem ineffizienten und verbrauchsintensiven Betrieb führen.
Aus der DE 38 21 617 A1 ist ein entlang einer Zylinderlängsachse gespülter Zweitaktmotor mit zwei im Zylinderkopf gelegenen Einlassöffnungen und in einer Zylinderwand gelegenen Auslassöffnungen bekannt, wobei die Einlassöffnungen jeweils mit einem Drehventil verschließbar sind. Bei diesem Zweitaktmotor wird zunächst eines der Drehventile geöffnet, um das Abgas mit einem Spülgas aus dem Brennraum zu spülen. Nach Schließen der Auslassöffnungen durch den Kolben wird das zweite Drehventil geöffnet und dem Brennraum Frischgas zugeführt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Zweitaktmotor bereitzustellen, der über einen großen Drehzahl- und Lastbereich einen hohen Wirkungsgrad aufweist und zuverlässig betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Zweitaktmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den auf diesen rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Zweitaktmotor vorgesehen, der aufweist:

– einen Zylinder mit einer sich entlang einer Zylinder-Längsachse erstreckenden Zylinder-Innenfläche und einer sich an einem oberen Ende derselben an diese anschließende Zylinder-Stirnoberfläche, wobei in der Zylinder-Innenfläche jeweils Zylinder-Einlassöffnungen und eine Zylinder-Auslassöffnung ausgebildet sind,
– einen mit einer Kolben-Anlagefläche an der Zylinder-Innenfläche anliegenden Kolben, entlang der Zylinder-Längsachse zwischen einer oberen Totpunktstellung und einer unteren Totpunktstellung bewegbar ist, wobei in der unteren Totpunktstellung des Kolbens die Kolben-Anlagefläche die Zylinder-Einlassöffnungen und die Zylinder-Auslassöffnung zumindest teilweise freigibt,
– eine Einlass-Steuerwalze, die drehbar gelagert ist und um eine Einlasswalzen-Längsachse abhängig von der Bewegung des Kolbens in eine Drehung versetzt ist,

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Einlasswalzen-Verschlusskörper eine Einlasswalzen-Anlagefläche aufweist, die in Einlasswalzen-Umfangsrichtung durch eine in Bezug auf eine Einlass-Drehrichtung der Einlass-Steuerwalze vordere Anlageflächen-Randlinie sowie durch eine in Bezug auf die Einlass-Drehrichtung hintere Anlageflächen-Randlinie begrenzt ist, wobei die Einlasswalzen-Anlagefläche beim Abdecken der Einlass-Steueröffnung zumindest abschnittsweise an einem die Einlass-Steueröffnung definierenden Auslass-Randabschnitt anliegt.
Weiterhin kann bei dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor vorgesehen sein, dass der Einlasswalzen-Verschlusskörper in einer radialen Steuerwalzen-Richtung von einem Haupt-Walzenkörper absteht, sodass die Einlasswalzen-Anlagefläche in radialer Steuerwalzen-Richtung beabstandet zu dem Haupt-Walzenkörper gelegen und von diesem abgewandt orientiert ist.
Bevorzugt erstreckt sich die Einlasswalzen-Anlagefläche in Einlasswalzen-Umfangsrichtung zwischen der vorderen und der hinteren Anlageflächen-Randlinie über einen Winkelabschnitt zwischen 270° und 90°.
Optional kann der Zweitaktmotor einen in einem Auslass-Steuerabschnitt eines Auslass-Steuerabschnitts eines Auslasskanals drehbar gelagerten Steuerschieber aufweisen, wobei die Auslassöffnung über einen Wandungsabschnitt mit einer Auslass-Steueröffnung verbunden ist, und der Steuerschieber in dem Auslass-Steuerabschnitt zwischen mehreren Steuerschieber-Stellposition bewegbar ist, wobei bei der Steuerschieber bei zumindest einer Steuerschieber-Stellposition die Auslass-Steueröffnung teilweise abdeckt.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Zweitaktmotors kann vorgesehen sein, dass dieser zusätzlich eine Auslass-Steuerwalze aufweist, die drehbar gelagert ist und um eine Auslasswalzen-Längsachse abhängig von der Bewegung des Kolbens in eine Drehung versetzt ist,
wobei die Zylinder-Auslassöffnung über einen Wandungsabschnitt mit einer Auslass-Steueröffnung eines Auslass-Steuerabschnitts eines Auslasskanals verbunden ist, und die Auslass-Steuerwalze in dem Auslass-Steuerabschnitt angeordnet ist,
wobei die Auslass-Steuerwalze einen Auslasswalzen-Verschlusskörper aufweist, der während der Bewegung des Kolbens von der unteren Totpunktstellung zu der oberen Totpunktstellung die Auslass-Steueröffnung einmal abdeckt.
Der Ausdruck „entlang“ kann hierin im Zusammenhang mit den hierin genannten Richtungsangaben, die den Verlauf einer Konturlinie oder einer Oberfläche betreffen können, oder die eine Richtung einer mechanischen Komponente wie einer Achse oder Welle betreffen können, insbesondere bedeuten, dass die Tangente an die jeweilige Konturlinie oder an die jeweilige Oberfläche in deren Verlauf gemäß der Richtungsangabe bzw. die Längserstreckung und z.B. Mittelachse der mechanischen Komponente lokal mit einem Winkel von maximal 45 Grad und vorzugsweise von maximal 30 Grad von einer Bezugsrichtung oder Bezugsachse abweicht, auf die bzw. der die jeweilige Richtungsangabe bezogen ist.
Der Ausdruck „quer“ kann hierin im Zusammenhang mit den hierin genannten Richtungsangaben, die den Verlauf einer Konturlinie oder einer Oberfläche betreffen können, oder die eine Richtung einer mechanischen Komponente wie einer Achse oder Welle betreffen können, insbesondere bedeuten, dass die Tangente an die jeweilige Konturlinie oder an die jeweilige Oberfläche in deren Verlauf gemäß der Richtungsangabe bzw. die Längserstreckung und z.B. Mittelachse der mechanischen Komponente lokal mit einem Winkel von minimal 45 Grad und vorzugsweise von minimal 30 Grad von einer Bezugsrichtung oder Bezugsachse abweicht, auf die bzw. der die jeweilige Richtungsangabe bezogen ist.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigt:
1 Einen erfindungsgemäßen Zweitaktmotor, wobei sich ein Kolben des Zweitaktmotors in einer unteren Totpunktstellung und eine Einlass-Steuerwalze sich in einer ersten Drehstellung befindet,
2 den erfindungsgemäßen Zweitaktmotor der 1, während eines Verdichtungstakts, bei dem der Kolben gegenüber der 1 in einer in Zylinder-Längsrichtung weiter oben gelegenen Arbeitsstellung gelegen ist, wobei die Einlass-Steuerwalze gegenüber der in 1 gezeigten Stellung in einer Drehrichtung weiter gedreht ist,
3 den erfindungsgemäßen Zweitaktmotor der 1, während eines Verdichtungstakts, bei dem der Kolben gegenüber der 2 in einer in Zylinder-Längsrichtung weiter oben gelegenen Arbeitsstellung gelegen ist, wobei die Einlass-Steuerwalze gegenüber der in 2 gezeigten Stellung in Drehrichtung weiter gedreht ist,
4 den Zweitaktmotor der 1, wobei sich der Kolben in der oberen Totpunktstellung befindet und die Einlass-Steuerwalze gegenüber der in 3 gezeigten Stellung in Drehrichtung weiter gedreht ist,
5 den erfindungsgemäßen Zweitaktmotor der 1, während eines Arbeitstakts, bei dem der Kolben gegenüber der 4 in einer in Zylinder-Längsrichtung weiter unten gelegenen Arbeitsstellung gelegen ist, wobei die Einlass-Steuerwalze gegenüber der in 4 gezeigten Stellung in Drehrichtung weiter gedreht ist,
6 den erfindungsgemäßen Zweitaktmotor der 1, während eines Arbeitstakts, bei dem der Kolben gegenüber der 5 in einer in Zylinder-Längsrichtung weiter unten gelegenen Arbeitsstellung gelegen ist, wobei die Einlass-Steuerwalze gegenüber der in 5 gezeigten Stellung in Drehrichtung weiter gedreht ist,
7A eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors gemäß der Darstellung der 5 entlang der Schnittlinie A-A,
7B eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors gemäß der Darstellung der 5 entlang der Schnittlinie B-B,
8 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors mit einer Auslass-Steuerwalze,
9 die Arbeitsposition des Kolbens und die Drehstellungen der Einlass-Steuerwalze und der Auslass-Steuerwalze für eine niedrige Drehzahl bzw. bei geringer Last des Zweitaktmotors in Abhängigkeit von der Drehstellung einer Kurbelwelle,
10 zeigt für die in 9 gezeigte Konfiguration des Zweitaktmotors die durch den Kolben freigegebenen Querschnittsflächen der Zylinder-Einlassöffnungen und der -Auslassöffnung abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle,
11 die Arbeitsposition des Kolbens und die Drehstellungen der Einlass-Steuerwalze und der Auslass-Steuerwalze für eine mittlere Drehzahl bzw. bei geringer Last des Zweitaktmotors in Abhängigkeit von der Drehstellung der Kurbelwelle,
12 zeigt für die in 10 gezeigte Konfiguration des Zweitaktmotors die durch den Kolben freigegebenen Querschnittsflächen der Zylinder-Einlassöffnungen und der -Auslassöffnung abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle,
13 die Arbeitsposition des Kolbens und die Drehstellungen der Einlass-Steuerwalze und der Auslass-Steuerwalze für eine mittlere Drehzahl bzw. bei hoher Last des Zweitaktmotors in Abhängigkeit von der Drehstellung der Kurbelwelle,
14 zeigt für die in 13 gezeigte Konfiguration des Zweitaktmotors die durch den Kolben freigegebenen Querschnittsflächen der Zylinder-Einlassöffnungen und der -Auslassöffnung abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle,
15 die Arbeitsposition des Kolbens und die Drehstellungen der Einlass-Steuerwalze und der Auslass-Steuerwalze für eine Konfiguration des Zweitaktmotors mit maximaler Öffnungszeit von der Zylinder-Einlassöffnungen und der Zylinder-Auslassöffnung in Abhängigkeit von der Drehstellung der Kurbelwelle,
16 zeigt für die in 15 gezeigte Konfiguration des Zweitaktmotors die durch den Kolben freigegebenen Querschnittsflächen der Zylinder-Einlassöffnungen und der -Auslassöffnung abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle,
17 die Arbeitsposition des Kolbens und die Drehstellungen der Einlass-Steuerwalze und der Auslass-Steuerwalze für eine Konfiguration des Zweitaktmotors mit Abgasrückhaltung in Abhängigkeit von der Drehstellung der Kurbelwelle,
18 zeigt für die in 17 gezeigte Konfiguration des Zweitaktmotors die durch den Kolben freigegebenen Querschnittsflächen der Zylinder-Einlassöffnungen und der -Auslassöffnung abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle.
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors 1. Dieser weist einen Zylinder 10 und einen Kolben 20 auf, der in dem Zylinder 10 bewegbar gelagert ist und über einen Pleuel (nicht gezeigt) eine drehbar gelagerte Kurbelwelle K antreibt. Weiterhin weist der Zweitaktmotor 1 eine Einlass-Steuervorrichtung in Form einer Einlass-Steuerwalze 70 auf.
Wie in 1 gezeigt, weist der Zylinder 10 eine Zylinder-Innenfläche 10i auf, die sich entlang einer Zylinder-Längsachse L erstreckt. Insbesondere umschließt die Zylinder-Innenfläche 10i die Zylinder-Längsachse L und bildet eine innere Umfangsoberfläche des Zylinders 10. Die Zylinder-Längsachse L definiert eine Zylinder-Längsrichtung L1. Der Zylinder 10 weist weiterhin eine Zylinder-Stirnoberfläche 10s auf die sich an einem oberen Ende der Zylinder-Innenfläche 10i an diese anschließt. Insbesondere definieren die Zylinder-Stirnoberfläche 10s und die Zylinder-Innenfläche 10i zusammen einen Zylinder-Innenraum ZI.
Der Kolben 20 liegt mit einer Kolben-Anlagefläche 20a an der Zylinder-Innenfläche 10i an und ist in dem Zylinder 10 in der Zylinder-Längsrichtung L1 zwischen einer oberen Totpunktstellung OT und einer unteren Totpunktstellung UT bewegbar. Insbesondere liegt der Kolben 20 mit der Kolben-Anlagefläche 20a an einer variablen Zylinder-Anlagefläche 10a an, deren Lage in Bezug auf die Längsrichtung L1 abhängig von einer Arbeitsstellung des Kolbens zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt ist.
Die Kolben-Anlagefläche 20a weist einen oberen Anlagerand 20r auf, der in Zylinder-Längsrichtung L1 einen äußeren Rand der Anlagefläche 20a bildet und an einem der Zylinder-Stirnfläche 10s zugwandten Ende der Kolben-Anlagefläche 20a gelegen ist. Weiterhin weist der Kolben 20 eine der Zylinder-Stirnoberfläche 10s zugewandte Kolben-Stirnoberfläche 20s auf, wobei die Kolben-Stirnoberfläche 20s, die Zylinder-Innenfläche 10i und die Zylinder-Stirnoberfläche 10s einen Brennraum B als Teilraum des Zylinder-Innenraums ZI definieren.
Weiterhin weist der Kolben 20 in jedem Querschnitt durch den Kolben 20 entlang der Längsrichtung L1 eine lokale Höhe H20 in Längsrichtung L1 auf, sodass die Kolben-Anlagefläche 20a lokal jeweils in an einem Abschnitt der Zylinder-Innenfläche 10i, der die variablen Zylinder-Anlagefläche 10a bildet und sich in der Längsrichtung L1 über dieselbe Höhe H20 erstreckt, anliegt.
Die oberen Totpunktstellung OT des Kolbens 20 ist dadurch definiert, dass der Brennraum B ein minimales Volumen aufweist. In der oberen Totpunktstellung OT des Kolbens 20 ist dieser in einem oberen Endabschnitt E1 des Zylinder-Innenraums ZI gelegen. Insbesondere ist der obere Anlagerand 20r in einem oberen Endabschnitt E1 des Zylinder-Innenraums ZI und an einem oberen Endabschnitt der Zylinder-Innenfläche 10i gelegen.
In der unteren Totpunktstellung UT des Kolbens 20 ist das Volumen des Brennraums B maximal, wobei der Kolben 20 entgegen der Längsrichtung L1 relativ zu der oberen Totpunktlage OT verschoben gelegen ist.
1 zeigt weiterhin, dass in der Zylinder-Innenfläche 10i mehrere Zylinder-Einlassöffnungen 12 und zumindest eine Zylinder-Auslassöffnung 13 ausgebildet sind. Die Zylinder-Einlassöffnungen 12 sind zur Zufuhr von Verbrennungsluft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in den Brennraum B und die Zylinder-Auslassöffnung 13 zum Abführen von Abgasen aus dem Brennraum B heraus vorgesehen. Wird dem Brennraum B lediglich Verbrennungsluft zugeführt, dann weist der Zweitaktmotor 1 zusätzlich eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (nicht gezeigt) zum Zuführen von Kraftstoff in den Brennraum B auf.
Die Zylinder-Einlassöffnungen 12 erstrecken sich jeweils mit einer Höhe H12 in Zylinder-Längsrichtung L1 zwischen einem unteren Rand 12rl und einem oberen Rand 12ru und mit einer Breite B12 entlang der Zylinder-Umfangsrichtung U.
Die Zylinder-Auslassöffnung 13 erstreckt sich mit einer Höhe H13 in Zylinder-Längsrichtung L1 zwischen einem unteren Rand 13rl und einem oberen Rand 13ru und mit einer Breite B13 entlang der Zylinder-Umfangsrichtung U.
Die Zylinder-Einlassöffnungen 12 und die Zylinder-Auslassöffnung 13 sind in Bezug auf die Längsrichtung L1 derart gelegen, dass der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in der unteren Totpunktstellung UT des Kolbens 20 in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 von unterhalb der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und der Zylinder-Auslassöffnung 13 gelegen ist (1) und dass der obere Anlagerand 20r in der oberen Totpunktstellung OT des Kolbens 20 in Längsrichtung L1 oberhalb der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und der Zylinder-Auslassöffnung 13 gelegen ist (4). Dadurch sind die Zylinder-Einlassöffnungen 12 und der Zylinder-Auslassöffnung 13 in der unteren Totpunktstellung UT des Kolbens 20 jeweils durch diesen, wie in 1 gezeigt, freigegeben, sodass allgemein ein Gasströmung durch die Einlassöffnungen 12 und durch die Auslassöffnung 13 aus dem Brennraum B heraus und in diesen hinein erfolgen kann. Insbesondere gibt die Kolben-Anlagefläche 20a in der unteren Totpunktstellung UT des Kolbens 20 die Zylinder-Einlassöffnungen 12 und die Zylinder-Auslassöffnung 13 zumindest teilweise frei.
Insbesondere können die Einlassöffnungen 12 und die Auslassöffnung 13 mit dem unteren Rand 12rl bzw. 13rl in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 jeweils auf einem Niveau gelegen sein.
In Bezug auf die Höhe H13 der Auslassöffnung 13 kann vorgesehen sein, dass diese größer der Höhe H12 der Einlassöffnungen 12 ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Höhe H13 um 1,01 bis 3,5 mal größer ist als die Höhe H12 der Einlassöffnungen 12.
Optional kann eine zusätzliche Zylinder-Auslassöffnung 13z vorgesehen sein, die in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 oberhalb der Zylinder-Einlassöffnungen 12 gelegen ist.
Die Zylinder-Einlassöffnungen 12 sind durch Einlassleitungen 62 mit einem Einlasskanal 60 verbunden sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Einlassleitungen 62 zumindest abschnittsweise und insbesondere jeweils in einem sich an die Zylinder-Einlassöffnungen 12 anschließenden Bereich entlang der Zylinder-Längsachse L verlaufen, sodass eine durch die Zylinder-Einlassöffnungen 12 in den Brennraum B strömende Gasströmung eine Richtungskomponente in Zylinder-Längsrichtung L1 aufweist. Auf diese Weise wird bei geöffneten Zylinder-Einlassöffnungen 12 und geöffneter Zylinder-Auslassöffnung 13 eine Strömung erzeugt, die auf dem Weg von den Zylinder-Einlassöffnungen 12 zu der Zylinder-Auslassöffnung 13 eine Richtungsänderung aufweist.
Die Höhe H20 des Kolbens 20 in Längsrichtung L1 ist größer als die Höhe H12 der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und größer als die Höhe H13 der Zylinder-Auslassöffnung 13, sodass die Kolben-Anlagefläche 20a in einer Arbeitsstellung des Kolbens 20 zwischen der oberen und der unteren Totpunktstellung OT, UT die Zylinder-Einlassöffnungen 12 und die Zylinder-Auslassöffnung 13 jeweils überdeckt.
Eine Bewegung des Kolbens 20 von der oberen Totpunktstellung OT zu der unteren Totpunktstellung UT wird hierin allgemein als Arbeitstakt bezeichnet.
Eine Bewegung des Kolbens 20 von der unteren Totpunktstellung UT zu der oberen Totpunktstellung OT wird hierin allgemein als Verdichtungstakt bezeichnet.
Eine Arbeitsstellung des Kolbens 20 während des Arbeitstakts, bei der die Kolben-Anlagefläche 20a die Auslassöffnung 13 freigibt, insbesondere bei der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 auf dem Niveau eines Querschnitt-Randes Q gelegen ist, wird als „Auslass öffnet“ bezeichnet.
Eine Arbeitsstellung des Kolbens 20 während des Verdichtungstakts, bei der die Kolben-Anlagefläche 20a die Auslassöffnung 13 freigibt, insbesondere bei der der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 das Niveau des Querschnitt-Randes Q erreicht, wird als „Auslass schließt“ bezeichnet.
Eine Arbeitsstellung des Kolbens 20 während des Arbeitstakts, bei der die Kolben-Anlagefläche 20a die Einlassöffnungen 13 freigibt, insbesondere bei der der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 das Niveau des oberen Rands 12ru erreicht, und bei der eine durchgehende Stromlinie zwischen einem Einlass-Steuerabschnitt 61 und dem Brennraum B besteht wird hierin allgemein „Einlass öffnet“ bezeichnet.
Eine Arbeitsstellung des Kolbens 20 während des Verdichtungstakts, bei der die Kolben-Anlagefläche 20a die Einlassöffnungen 13 abdeckt, insbesondere bei der der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in Bezug auf die die Zylinder-Längsrichtung L1 das Niveau des oberen Rands 12ru erreicht, oder bei der eine Stromlinie zwischen einem Einlass-Steuerabschnitt 61 und dem Brennraum B unterbrochen wird, wird hierin allgemein „Einlass öffnet“ bezeichnet.
Die Zylinder-Einlassöffnungen 12 sind über die Einlassleitungen 62 mit der Einlass-Steueröffnung 63 des Einlasskanals 60 verbunden. Die Einlass-Steueröffnung 63 ist durch einen Einlass-Randabschnitt 63r definiert. Letzterer weist einen Einlass-Steuerabschnitt 61 auf.
Der erfindungsgemäße Zweitaktmotor 1 weist weiterhin die Einlass-Steuerwalze 70 auf, die um eine Einlasswalzen-Längsachse L70 drehbar gelagert in dem Einlass-Steuerabschnitt 61 angeordnet ist. Wie in 7A gezeigt, weist die Einlass-Steuerwalze 70 einen länglichen Haupt-Walzenkörper 71 und einen Einlasswalzen-Verschlusskörper 72 auf. Die Einlass-Steuerwalze 70 ist in Bezug auf die Einlasswalzen-Längsachse L70 an zueinander beabstandet gelegenen Lagerstellen 70a, 70b mittels Lagern 180a, 180b drehbar, zum Beispiel an einer Rahmenvorrichtung F, gelagert.
Der Einlasswalzen-Verschlusskörper 72 erstreckt sich entlang der Einlasswalzen-Längsachse L70 und steht gemäß der in den 1 bis 8 gezeigten Ausführungsformen in radialer Einlasswalzen-Richtung R70 von dem Haupt-Walzenkörper 71 ab. Entlang der Einlasswalzen-Längsachse L70 gesehen weist der Einlasswalzen-Verschlusskörper 72 eine kreissegmentförmige Querschnittsform mit einer in Bezug auf die radiale Einlasswalzen-Richtung R70 äußeren Einlasswalzen-Anlagefläche 72a auf.
Die Einlasswalzen-Anlagefläche 72a ist in Einlasswalzen-Umfangsrichtung U70 durch eine in Bezug auf eine Einlasslass-Drehrichtung D70 vordere Anlageflächen-Randlinie 72r-f sowie durch eine in Bezug auf eine Einlass-Drehrichtung D70 hintere Anlageflächen-Randlinie 72r-b begrenzt.
Die Einlasswalzen-Anlagefläche 72a erstreckt sich in Einlasswalzen-Umfangsrichtung U70 zwischen der vorderen und der hinteren Anlageflächen-Randlinie 72r-f, 72r-b über einen Winkelabschnitt A72 zwischen 270° und 90°. In diesem Bereich lässt sich für eine Vielzahl von Lastzuständen des Zweitaktmotors 1, die Arbeitsposition „Einlass öffnet“ anpassen. Insbesondere kann sich der Winkelabschnitt A72 zwischen 180° und 90° erstrecken. Dieser Bereich ist insbesondere für schnell laufende Motoren bevorzugt, da die Masse der Einlass-Steuerwalze 70 insgesamt geringer ist. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Winkelabschnitt A72 über 120°. Hierbei ist sowohl die Masse der Einlass-Steuerwalze 70 relativ gering, wobei dennoch für einen sehr großen Bereich an Lastzuständen die Arbeitsposition „Einlass öffnet“ variabel anpassbar ist.
Bei den in den 1 bis 8 gezeigten Ausführungsformen steht der Einlasswalzen-Verschlusskörper 72 in radialer Steuerwalzen-Richtung R70 von dem Haupt-Walzenkörper 71 ab, sodass die Einlasswalzen-Anlagefläche 72a in radialer Steuerwalzen-Richtung R70 beabstandet zu dem Haupt-Walzenkörper 71, insbesondere zu einer Umfangsfläche 71a desselben, gelegen und von dieser abgewandt orientiert ist. Nach einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Umfangsfläche 71a des Haupt-Walzenkörpers 71 und die Einlasswalzen-Anlagefläche 72a des Einlasswalzen-Verschlusskörpers 72 eine durchgehende Fläche bilden, und die kreissegmentförmigen Querschnittsform des Einlasswalzen-Verschlusskörpers 72 durch eine sich in Einlasswalzen-Umfangsrichtung U70 erstreckende Ausnehmung der Umfangsfläche 71a des Haupt-Walzenkörpers 71 gebildet ist, wobei sich diese Ausnehmung in Einlasswalzen-Umfangsrichtung U70 über einen Winkel von 360° minus dem Winkelabschnitt A72 erstreckt.
Die Einlass-Steuerwalze 70 ist in dem Einlass-Steuerabschnitt 61 angeordnet, wobei der Einlasswalzen-Verschlusskörper 72 an der Einlass-Steueröffnung 63 gelegen ist, sodass diese bei jeder Umdrehung des Einlasswalzen-Verschlusskörpers 72 überdeckt wird. Insbesondere liegt die Auslasswalzen-Anlagefläche 72a an dem Einlass-Randabschnitt 63r an, wenn diese die Einlass-Steueröffnung 63 abdeckt.
Im Betrieb des Zweitaktmotors 1 wird die Einlass-Steuerwalze 70 abhängig von der Bewegung des Kolbens 20 in eine Drehung versetzt. Insbesondere dreht sich die Einlass-Steuerwalze 70 in einer Einlass-Drehrichtung D70. Zur Erzeugung der Drehbewegung der Einlass-Steuerwalze 70 kann diese kinematisch an die Kurbelwelle K gekoppelt sein, z.B. mittels eines Kettentriebs. 7B zeigt beispielhaft eine kinematische Kopplung der Auslass-Steuerwalze 30 an die Kurbelwelle K mittels einer Steuerkette 200. Die Einlass-Steuerwalze 70 wird dabei über ein Kettenrad 201 oder Riemenrad durch die Steuerkette 200 oder einen Riemen von der Kurbelwelle K angetrieben. Alternativ kann die Einlass-Steuerwalze 70 auch durch eine separate durch eine Steuervorrichtung angesteuerte Antriebsvorrichtung, wie einen Elektromotor in eine Drehbewegung versetzt werden.
Die Einlass-Steuerwalze 70 wird abhängig von der Bewegung des Kolbens 20 in eine Drehung versetzt. Dabei ist die Drehstellung der Einlass-Steuerwalze 70 generell an die Arbeitsposition des Kolbens 20 gekoppelt, wobei der Einlasswalzen-Verschlusskörper 72 während der Bewegung des Kolbens 20 von der oberen Totpunktstellung OT zu der unteren Totpunktstellung UT (Arbeitstakt) die Einlass-Steueröffnung 63 einmal abdeckt.
Da es sich bei der Einlass-Steuerwalze 70 um ein rotierendes Bauteil handelt mit dem hohe Drehzahlen um die Einlasswalzen-Längsachse L70 möglich sind, kann die Einlass-Steueröffnung 63 sehr schnell abgedeckt oder freigegeben werden. Somit ist bei dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor 1 auch bei extrem hohen Drehzahlen noch eine Anpassung der Steuerzeiten an den Lastzustand möglich. Insbesondere ist auch die mechanische Belastung der Einlass-Steuerwalze 30 auch bei hohen Drehzahlen relativ gering.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass bei dem Arbeitstakt die hintere Anlageflächen-Randlinie 72r-b der Einlasswalzen-Anlagefläche 72a einen in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 unteren Rand 63rl der Einlass-Steueröffnung 63 erreicht, wenn der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 auf Höhe des oder unterhalb des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 gelegen ist, sodass eine durchgehende Stromlinie zwischen dem Einlass-Steuerabschnitt 61 und dem Brennraum B besteht. Auf diese Weise kann durch die Drehstellung der Einlass-Steuerwalze 70 die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ des Kolbens 20 festgelegt werden. Während des Verdichtungstakts wird die Arbeitsstellung „Einlass schließt“ des Kolbens 20 dann erreicht, wenn der oberer Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a den oberen Rand 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12. Somit sind die Arbeitsstellungen „Einlass öffnet“ und „Einlass schließt“ in Bezug auf die untere und die obere Totpunktstellung UT, OT durch die Drehstellung der Einlass-Steuerwalze 70 einstellbar und insbesondere derart einstellbar, dass unsymmetrische Steuerzeiten vorliegen.
Nach einer Ausführungsform des Zweitaktmotors 1 kann vorgesehen sein, dass die Abhängigkeit der Drehstellung der Einlass-Steuerwalze 70 von der Arbeitsstellung des Kolbens 20 durch eine von der Arbeitsstellung des Kolbens 20 unabhängige Stelldrehung der Einlass-Steuerwalze 70 in oder entgegen der Einlass-Drehrichtung D70 einstellbar ist.
Die Stelldrehung der Auslass-Steuerwalze 30 kann z.B. mittels einer Phasen-Stellvorrichtung erfolgen. Bei der in 7A gezeigten die kinematischen Kopplung der Einlass-Steuerwalze 70 an die Kurbelwelle K mittels einer Steuerkette 200 ist zwischen dem Kettenrad 201 und der Einlass-Steuerwalze 70 selbst die Phasen-Stellvorrichtung P angebracht, welche die Drehstellung der Einlass-Steuerwalze 70 relativ zur Kurbelwelle K verdreht. Die Phasen-Stellvorrichtung P kann elektrisch oder hydraulisch betätigt werden. Nach einer alternativen Ausführungsform kann die Einlass-Steuerwalze 70 auch mit einer von der Kurbelwelle K unabhängigen Antriebsvorrichtung angetrieben werden, die selbst eine Phasen-Stellvorrichtung aufweist oder diese bildet.
Durch die Einlass-Steuerwalze 70 kann, wie gezeigt, die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ festgelegt werden. Dies hat den Vorteil, insbesondere, wenn die Einlass-Steueröffnung 63 erst freigegeben wird, wenn der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 bereits unterhalb des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 gelegen ist, dass Eintrag von Verbrennungsabgas aus dem Brennraum B in den Einlasskanal 60 gezielt gesteuert werden kann. Auf diese Weise kann der Anteil von Abgas an dem dem Brennraum B zuzuführenden Frischgas und damit auch dessen Temperatur an den Betriebspunkt des Zweitaktmotors 1 angepasst werden. Insbesondere kann auf diese Weise ein Rückströmen auch größtenteils vermieden werden.
Die Zylinder-Auslassöffnung 13 ist mit einem in einer Auslasswandung W ausgebildeten Auslasskanal 40 verbunden. Dieser kann einen Auslass-Steuerabschnitt 41 mit einer Auslass-Steueröffnung 42 aufweisen, die durch einen Auslass-Randabschnitt 42r definiert ist. Wie in 1 gezeigt, sind die Auslass-Steueröffnung 42 und die Zylinder-Auslassöffnung 13 durch einen durch eine Zylinderwand 14 ausgebildeten Wandungsabschnitt 41z miteinander verbunden.
Wie in 8 gezeigt, kann bei dem Zweitaktmotor 1 weiterhin eine in dem Auslass-Steuerabschnitt 41 angeordnete Auslass-Steuerwelle 30 vorgesehen sein.
Die Auslass-Steuerwalze 30, die um eine Auslasswalzen-Längsachse L30 drehbar gelagert ist, ist in dem Auslass-Steuerabschnitt 41 angeordnet. Die Auslass-Steuerwalze 30 kann identisch zu der Einlass-Steuerwalze 70 aufgebaut sein. Insbesondere weist die Auslass-Steuerwalze 30 einen länglichen Haupt-Walzenkörper und einen Auslasswalzen-Verschlusskörper 32 auf. Die Auslass-Steuerwalze 30 ist an in Bezug auf die Auslasswalzen-Längsachse L30 zueinander beabstandet gelegenen Lagerstellen mittels Lagern drehbar, zum Beispiel an einer Rahmenvorrichtung, gelagert. Die Rahmenvorrichtung kann beispielsweise durch die Auslasswandung W gebildet sein.
Der Auslasswalzen-Verschlusskörper 32 erstreckt sich entlang der Auslasswalzen-Längsachse L30 und steht gemäß der in 8 gezeigten Ausführungsform in radialer Auslasswalzen-Richtung R30 von dem Haupt-Walzenkörper ab. Entlang der Auslasswalzen-Längsachse L30 gesehen weist der Auslasswalzen-Verschlusskörper 32 eine kreissegmentförmige Querschnittsform mit einer in Bezug auf die radiale Auslasswalzen-Richtung R30 äußeren Auslasswalzen-Anlagefläche 32a auf.
Die Auslasswalzen-Anlagefläche 32a ist in Auslasswalzen-Umfangsrichtung U30 durch eine in Bezug auf eine Auslass-Drehrichtung D30 vordere Anlageflächen-Randlinie 32r-f sowie durch eine in Bezug auf eine Auslass-Drehrichtung D30 hintere Anlageflächen-Randlinie 32r-b begrenzt. Bei der in 1 gezeigten Drehstellung der Auslasswalze 30 bildet die vordere Anlageflächen-Randlinie 32r-f den Querschnitt-Rand Q.
Die Auslasswalzen-Anlagefläche 32a erstreckt sich in Auslasswalzen-Umfangsrichtung U30 zwischen der vorderen und der hinteren Anlageflächen-Randlinie 32r-f, 32r-b über einen Winkelabschnitt A32 zwischen 270° und 90° erstreckt. In diesem Bereich lässt sich für eine Vielzahl von Lastzuständen des Zweitaktmotors 1, die Arbeitsposition „Auslass öffnet“ anpassen. Insbesondere kann sich der Winkelabschnitt A32 zwischen 180° und 90° erstrecken. Dieser Bereich ist insbesondere für schnell laufende Motoren bevorzugt, da die Masse der Auslass-Steuerwalze 30 insgesamt geringer ist. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Winkelabschnitt A32 über 120°. Hierbei ist sowohl die Masse der Auslass-Steuerwalze 30 relativ gering, wobei dennoch für einen sehr großen Bereich an Lastzuständen die Arbeitsposition „Auslass öffnet“ variabel anpassbar ist.
Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform steht der Auslasswalzen-Verschlusskörper 32 von dem in radialer Steuerwalzen-Richtung R30 von dem Haupt-Walzenkörper ab, sodass die Auslasswalzen-Anlagefläche 32a in radialer Steuerwalzen-Richtung R30 beabstandet zu dem Haupt-Walzenkörpers, insbesondere zu einer Umfangsfläche desselben, gelegen und von dieser abgewandt orientiert ist. Nach einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Umfangsfläche des Haupt-Walzenkörpersund die Auslasswalzen-Anlagefläche 32a des Auslasswalzen-Verschlusskörpers 32 eine durchgehende Fläche bilden, und der kreissegmentförmigen Querschnittsform des Auslasswalzen-Verschlusskörpers 32 durch eine sich in Auslasswalzen-Umfangsrichtung U30 erstreckende Ausnehmung der Umfangsfläche des Haupt-Walzenkörpers gebildet ist, wobei sich diese Ausnehmung in Auslasswalzen-Umfangsrichtung U30 über einen Winkel von 360° minus dem Winkelabschnitt A32 erstreckt.
Die Auslass-Steuerwalze 30 ist in dem Auslass-Steuerabschnitt 41 angeordnet, wobei der Auslasswalzen-Verschlusskörper 32 an der Auslass-Steueröffnung 42 gelegen ist, sodass diese bei jeder Umdrehung des Auslasswalzen-Verschlusskörpers 32 überdeckt wird. Insbesondere liegt die Auslasswalzen-Anlagefläche 32a zumindest abschnittsweise an dem Auslass-Randabschnitt 42r an, wenn diese die Auslass-Steueröffnung 42 abdeckt.
Im Betrieb des Zweitaktmotors 1 wird die Auslass-Steuerwalze 30 abhängig von der Bewegung des Kolbens 20 in eine Drehung versetzt. Insbesondere dreht sich die Auslass-Steuerwalze 30 in einer Auslass-Drehrichtung D30. Zur Erzeugung der Drehbewegung der Auslass-Steuerwalze 30 kann diese kinematisch an die Kurbelwelle K gekoppelt sein, z.B. mittels eines Kettentriebs. Alternativ kann die Auslass-Steuerwalze 30 auch durch eine separate durch eine Steuervorrichtung angesteuerte Antriebsvorrichtung, wie einen Elektromotor in eine Drehbewegung versetzt werden. Generell ist die Drehstellung der Auslass-Steuerwalze 30 an die Arbeitsposition des Kolbens 20 gekoppelt.
Die Auslass-Steuerwalze 30 wird abhängig von der Bewegung des Kolbens 20 in eine Drehung versetzt. Dabei ist die Drehstellung der Auslass-Steuerwalze 30 generell an die Arbeitsposition des Kolbens 20 gekoppelt, wobei der Auslasswalzen-Verschlusskörper 32 während der Bewegung des Kolbens 20 von der unteren Totpunktstellung UT zu der oberen Totpunktstellung OT (Verdichtungstakt) die Auslass-Steueröffnung 42 bzw. die Auslassöffnung 13 einmal abdeckt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Drehstellung der Auslass-Steuerwalze 30 derart von der Arbeitsstellung des Kolbens 20 abhängig ist, dass der obere Anlagerand 20r und die vordere Anlageflächen-Randlinie 32r-f des Auslasswalzen-Verschlusskörper 32 während des Verdichtungstakts in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 innerhalb der Auslassöffnung 13 in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 einmal auf einem Niveau gelegen sind.
Nach einer Ausführungsform des Zweitaktmotors 1 kann vorgesehen sein, dass die Drehstellung der Auslass-Steuerwalze 30 derart von der Arbeitsstellung des Kolbens 20 abhängig ist, dass der obere Anlagerand 20r und die vordere Anlageflächen-Randlinie 32r-f des Auslasswalzen-Verschlusskörper 32 während des Verdichtungstakts in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 innerhalb der Auslassöffnung 13 in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 einmal auf einem Niveau gelegen sind, wobei das Niveau durch eine von der Arbeitsstellung des Kolbens 20 unabhängige Stelldrehung der Auslass-Steuerwalze 30 in oder entgegen der Auslass-Drehrichtung D30 einstellbar ist.
Die Stelldrehung der Auslass-Steuerwalze 30 kann z.B. mittels einer Phasen-Stellvorrichtung erfolgen. Diese kann insbesondere auf die gleiche Weise aufgebaut sein wie die für die Einlass-Steuerwalze 70 beschriebene Phasen-Stellvorrichtung P. Nach einer alternativen Ausführungsform kann die Auslass-Steuerwalze 30 auch mit einer von der Kurbelwelle K unabhängigen Antriebsvorrichtung angetrieben werden, die selbst eine Phasen-Stellvorrichtung aufweist oder diese bildet.
Durch die Stelldrehung der Auslass-Steuerwalze 30 kann das effektive Verdichtungsverhältnis, also das Verhältnis des Volumens des Brennraums B bei der Arbeitsstellung des Kolbens 20, bei der während des Verdichtungstakts sowohl die Einlass- als auch die Auslassöffnungen 12, 13 geschlossen werden, zu dem Volumen des Brennraums B in der oberen Totpunktstellung OT des Kolbens 20, variabel und in Abhängigkeit von dem Betriebs- oder Lastzustand des Zweitaktmotors 1 gestaltet werden.
Da es sich bei der Auslass-Steuerwalze 30 um ein rotierendes Bauteil handelt mit dem hohe Drehzahlen um die Auslasswalzen-Längsachse L30 möglich sind, kann die Auslass-Steueröffnung 42 sehr schnell abgedeckt oder freigegeben werden. Somit ist bei dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor 1 auch bei extrem hohen Drehzahlen noch eine Anpassung der Steuerzeiten an den Lastzustand möglich. Insbesondere ist auch die mechanische Belastung der Auslass-Steuerwalze 30 auch bei hohen Drehzahlen relativ gering.
In 1 befindet sich der Kolben 20 in der unteren Totpunktstellung UT und der Einlasswalzen-Verschlusskörper 72, befindet sich in einer Drehstellung, in der die hintere Anlageflächen-Randlinie 72r-f in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 oberhalb des unteren Rands 63rl der Einlass-Steueröffnung 63 gelegen ist. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform weist der Zweitaktmotor 1 einen optionalen Steuerschieber 50 auf, der nachfolgend noch im Detail beschrieben wird. In 1 ist der Steuerschieber 50 in einer Stellposition angeordnet, bei der ein Abschnitt eines Abdeckungsabschnitt 51 des Steuerschiebers 50 in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 unterhalb des oberen Rands der Auslass-Steueröffnung gelegen ist und somit den Querschnitts-Rand Q bildet. Ein in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 oberer Teil der Auslass-Steueröffnung 42 ist durch den Abschnitt der Abdeckungsabschnitts 51 des Steuerschiebers 50 überdeckt. Dadurch ist die Querschnittsfläche der Auslassöffnung 13 bzw. der Auslass-Steueröffnung 42 verringert.
Bei dem in 1 gezeigten Zustand strömt Gas von einem Einlasskanal 60, der durch Einlassleitungen 62 mit den Einlassöffnungen 12 verbunden ist, durch diese in den Brennraum B. Sich in dem Brennraum B befindliches Abgas oder Restgas strömt durch die Auslassöffnung 13 in den Auslasskanal 40. Dieser Vorgang wird allgemein als Ladungswechsel bezeichnet.
2 zeigt eine weitere Arbeitsstellung des Kolbens 20 während des Verdichtungstakts, wobei sich die Einlass-Steuerwalze 70 in einer auf die in 1 gezeigte Drehstellung folgende Drehstellung befindet, bei der die hintere Anlageflächen-Randlinie 72r-b in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 oberbalb des oberen Rands 63ru der Einlass-Steueröffnung 63 gelegen ist. Somit ist die Einlass-Steueröffnung 63 durch freigegeben, wobei die Einlassöffnungen 12 durch die Kolben-Anlagefläche 20a überdeckt sind. Insbesondere ist der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 auf dem Niveau der oberen Ränder 12ru der Einlassöffnungen 12 gelgen. 2 zeigt somit die Arbeitsstellung „Einlass schließt“ des Kolbens 20. In 2 ist der obere Anlagerand 20r in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 unterhalb der vorderen Randlinie 51r-f des optionalen Steuerschiebers 50 gelgen, sodass weiterhin Gas aus dem Brennraum B in den Auslasskanal 40 strömt.
3 zeigt eine weitere Arbeitsstellung des Kolbens 20 während des Verdichtungstakts, bei der der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 noch nicht oberhalb der des oberen Rands 13ru der Auslassöffnung 13 gelegen ist. Insbesondere ist der obere Anlagerand 20r auf dem Niveau der vorderen Randlinie 51r-f des optionalen Steuerschiebers 50 gelgen. 3 zeigt damit die Arbeitsstellung „Auslass schließt“ des Kolbens 20.
In 4 befindet sich der Zylinder in der oberen Totpunktstellung OT. Bevorzugt erfolgt in diesem Zustand eine Zündung des sich im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemischs, wobei der Kraftstoff entweder kurz vor Erreichen der der oberen Totpunktstellung OT oder bereits während des Ladungswechsels ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt werden kann.
5 zeigt eine Arbeitsposition des Kolbens 20 währen des Arbeitstakts, wobei der der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 bereits unterhalb des oberen Rands 13ru der Zylinder-Auslassöffnung 13 aber noch oberhalb der vorderen Randlinie 51r-f gelegen ist. Bei dem in 5 gezeigten Zustand von Kolben 20, Auslass-Steuerwalze 30 und dem optional vorgesehenen Steuerschieber 50 ist der Brennraum B somit noch gegenüber dem Auslasskanal 40 und dem Einlasskanal 60 abgedichtet. Die Einlass-Steuerwalze 70 ist gegenüber der in 4 gezeigten Drehstellung weiter in Drehrichtung D70 gedreht. In dieser Drehstellung deckt der Einlasswalzen-Verschlusskörper 72 die Einlass-Steueröffnung 63 vollständig ab.
In 6 befindet sich der Kolben 20 in einer Arbeitsstellung während des Arbeitstaktes, bei dem die Auslassöffnung 13 bereits teilweise durch die Kolben-Anlagefläche 20a freigegeben ist. Insbesondere ist der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a in Bezug auf die die Zylinder-Längsrichtung L1 unterhalb des Querschnitt-Rands Q gelegen, der in diesem Fall durch die vordere Randlinie 51r-f der Anlagefläche 51a des Abdeckungsabschnitts 51 gebildet ist. Weiterhin ist der obere Anlagerand 20r in Bezug auf die die Zylinder-Längsrichtung L1 unterhalb des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 gelegen. Der Einlasswalzen-Verschlusskörper 72 befindet sich in einer Drehstellung, in der die dieser die Einlass-Steueröffnung 63 weiterhin abdeckt. Die Auslassöffnung 13 ist somit teilweise freigegeben, während die Einlass-Steueröffnung 63 noch von der abgedeckt sind, sodass sich im Brennraum B befindliches Gas (Abgas) durch die Auslassöffnung 13 in den Auslasskanal 40 strömen kann, jedoch noch kein Frischgas durch die Einlasöffnungen 12 in den Brennraum B hinein strömen kann.
Auf die in 6 gezeigte Stellung von Kolben 20 und Einlasswalzen-Verschlusskörper 72 folgt wieder die in 1 gezeigte Stellung, wobei während des Arbeitstakts die hintere Randline 72r-f der Einlasswalzen-Anlagefläche 72a bei der weiteren Drehung des Einlasswalzen-Verschlusskörper 72 in Einlass-Drehrichtung D70 den unteren Rand 63ru der Einlass-Steueröffnung 63 erreicht. Dies entspricht der Arbeitsstellung „Einlass öffnet“. Dabei ist der obere Anlagerand 20r in Bezug auf die die Zylinder-Längsrichtung L1 unterhalb des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 gelegen. Somit wird die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ in diesem Fall durch die Drehstellung der Einlass-Steuerwalze 70 festgelegt.
Ein Vergleich der 3 und 6 bzw. 1 zeigt, dass die Arbeitspositionen „Einlass öffnet“ (Drehung von 6 zu 1) und „Einlass schließt“ (3) in Bezug auf die untere und die obere Totpunktstellung UT, OT nicht identisch sind. Dies wird allgemein als unsymmetrische Steuerzeiten bezeichnet. Insbesondere wird die Einlass-Steueröffnung 63 während des Arbeitstakts in einer Arbeitsstellung des Kolbens 20 erst freigegeben, nachdem der obere Anlagerand 20r in Bezug auf die Zylinder-Längsrichtung L1 bereits unterhalb der des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 gelegen ist.
Dadurch wird die Zeitspanne die für sich im Brennraum B befindliches Abgas zum Ausströmen durch die bereits freigegebene Auslassöffnung 13 in den Abgaskanal 40 zur Verfügung steht, ohne dass bereits Frischgas in den Brennraum B strömt, verlängert. Insbesondere wird dadurch liegt damit der Druck im Brennraum B bei der Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ bereits niedrieger, als bei der Arbeitsstellung des Kolbens 20, bei der dieser auf dem Niveau des oberen Rands 12ru der Einlassöffnungen 12 gelegen ist. Auf diese Weise kann ein Zurückströmen von Abgas durch die Einlassöffnungen 12 in den Einlasskanal 60 durch die Einlass-Steuerwalze 70 präzise gesteuert und größtenteils verhindert werden. Auf diese Weise kann die Frischgasverdünnung und -temperatur im Brennraum B variabel an den Betriebspunkt des Zweitaktmotors angepasst werden.
Optional kann bei dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor 1 ein Steuerschieber 50 vorgesehen sein, der in dem Auslass-Steuerabschnitt 41 gelegen ist. Der Steuerschieber 50 weist einen Abdeckungsabschnitt 51 auf. Der Abdeckungsabschnitt 51 weist eine der Auslasskanal-Innenfläche 40i zugewandte Steuerschieber-Anlagefläche 51a und eine entgegengesetzt zu der Steuerschieber-Anlagefläche 51a orientierte Steuerschieber-Innenfläche 51b auf, wobei die Steuerschieber-Anlagefläche 51a im Bereich des Auslass-Randabschnitt 42r an der Auslasskanal-Innenfläche 40i anliegt. Die Steuerschieber-Anlagefläche 51a ist in Bezug auf eine Steuerschieber-Stellrichtung S50 vordere Randlinie 51r-f begrenzt.
Der Steuerschieber 50 weist mit dem Abdeckungsabschnitt 51 verbundene Tragabschnitte 52a, 52b, die sich quer zu dem Abdeckungsabschnitt 51 erstrecken, und sich an diese anschließende Lagerabschnitte 53a, 53b auf, die sich entlang einer Steuerschieber-Längsachse L50 verlaufen.
Der Steuerschieber 50 ist mit den Lagerabschnitten 53a, 53b mittels Lagern 90a, 90b um die Steuerschieber-Längsachse L50 drehbar, zum Beispiel an einer Rahmenvorrichtung gelagert und dadurch in und entgegen der Steuerschieber-Stellrichtung S50, bewegbar oder verschiebbar. Die Steuerschieber-Stellrichtung S50 verläuft im Bereich der Auslass-Steueröffnung 42 entlang der Zylinder-Längsrichtung L1. Der Steuerschieber 50 ist in dem Auslass-Steuerabschnitt 41 zwischen mehreren Steuerschieber-Stellpositionen bewegbar, wobei bei der Steuerschieber 50 bei zumindest einer Steuerschieber-Stellposition die Auslass-Steueröffnung 42 teilweise abdeckt. Insbesondere ist der Steuerschieber 50 in Bezug auf die Auslass-Steueröffnung 42 bzw. die Zylinder-Auslassöffnung 13 insbesondere in Bezug auf den unteren Rand der Zylinder-Auslassöffnung 13rl in der Steuerschieber-Stellposition positionierbar ist.
Zur Einstellung der Steuerschieber-Stellposition kann der Steuerschieber 50 mit einem von einem Motor-Steuergerät gesteuerten Stellantrieb gekoppelt sein, mit dem der Steuerschieber 50 positioniert wird.
Durch die Steuerschieber-Stellposition wird eine jeweilige effektive Höhe H13e in Zylinder-Längsrichtung L1 des durch Auslass-Steueröffnung 42 definierten Querschnitts eingestellt. Da die Breite der Auslass-Steueröffnung 42 in Umfangsrichtung U nicht variabel einstellbar ist und die Auslass-Steueröffnung 42 durch den Wandungsabschnitt 41z verbunden mit der Auslassöffnung 13 ist, ist die tatsächlich freigegebene Querschnittsfläche der Zylinder-Auslassöffnung 13 abhängig von effektive Höhe H13e und damit von der Steuerschieber-Stellposition.
Durch Einstellen einer Steuerschieber-Stellposition, bei der der Steuerschieber 50 die Auslass-Steueröffnung 42 teilweise abdeckt, wie in den 1 bis 6 gezeigt, wird die Strecke, die der Kolben 20 während des Arbeitstakts in Bezug auf die obere Totpunktstellung OT zurücklegt bis zur Arbeitsstellung „Auslass öffnet“ des Kolbens, relativ zu einer Steuerschieber-Stellposition, bei der der Steuerschieber 50 die Auslass-Steueröffnung 42 nicht abdeckt (offene Steuerschieber-Stellposition), vergrößert. Damit wird das Expansionsverhältnis der Verbrennungsgase, vergrößert wodurch der Wirkungsgrad des Motors erhöht wird.
Umgekehrt ermöglicht der Auslassschieber 50 auch, dass die Auslassöffnung 13 der Kolben 20 während des Verdichtungstakts bis zur Arbeitsstellung „Auslass schließt“ des Kolbens 20 in Bezug auf den unteren Totpunkt UT nur eine geringe Strecke in Zylinder-Längsrichtung L1 zurückgelegt hat, relativ zu der offenen Steuerschieber-Stellposition verringert. Die für die Verdichtung des Gases zur Verfügung stehende Strecke in Bezug auf die obere Totpunktstellung OT wird damit, relativ zu der offenen Steuerschieber-Stellposition, vergrößert. Damit wird das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungsgase vergrößert wodurch der Wirkungsgrad des Motors erhöht wird.
Durch den Steuerschieber 50 können somit allgemein die Arbeitsposition „Auslass öffnet“ des Kolbens 20 in Bezug auf die Längsrichtung L1 abhängig vom Lastzustand des Zweitaktmotors 1 festgelegt werden. Auch kann die Arbeitsposition „Auslass schließt“ durch den Steuerschieber 50 beeinflusst werden. Somit ist eine betriebspunktabhängige Einstellung Auslasssteuerzeiten möglich, die an die jeweiligen Randbedingungen angepasst werden können. Insbesondere kann der Restgasgehalt und Temperatur zum Zündzeitpunkt können an den Betriebspunkt angepasst werden, da durch Einstellung der effektiven Höhe H13e bei einer bestimmten Drehzahl die für die Gasströmung aus Brennraum B in den Auslasskanal 40 zur Verfügung stehende Zeit bestimmt wird.
Die 9, 11, 13, 15 und 17 zeigen jeweils für die Ausführungsform des Zweitaktmotors 1, nach der dieser sowohl eine Einlass- als auch eine Auslass-Steuerwalze 70, 30 aufweist (8), die Arbeitsposition des Kolbens 20 und die Drehstellungen der Einlass-Steuerwalze 70 und der Auslass-Steuerwalze 30 in Abhängigkeit von einer Drehstellung der Kurbelwelle K. Die Drehstellung der Kurbelwelle K ist in Grad angegeben, wobei der Kolben 20 bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von 90 Grad in der oberen Totpunktstellung OT und bei 270 Grad in der unteren Totpunktstellung UT gelegen ist. Bei einer Drehung der Kurbelwelle K um 360 Grad bewegt sich der Kolben 20 somit einmal zwischen der oberen und der unteren Totpunktstellung OT, UT und wieder zurück. Die Arbeitsposition des Kolbens 20 ist als relativer Kolbenhub angegeben, wobei ein relativer Kolbenhub von 1 der oberen Totpunktstellung OT des Kolbens 20 und ein relativer Kolbenhub von 0 der unteren Totpunktstellung UT des Kolbens 20 entspricht. Bei einer Drehung der Kurbelwelle K um 360 Grad führen die Einlass- und die Auslass-Steuerwalze 70, 30 jeweils ebenfalls eine Drehung um 360 Grad in Drehrichtung D70, D30 aus.
Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform des Zweitaktmotors 1, auf die sich die 9 bis 18 beziehen, entspricht die Höhe H13 der Zylinder-Auslassöffnung 13 der Höhe der Auslass-Steueröffnung 42 in Zylinder-Längsrichtung L1. Weiterhin entspricht die Höhe der Einlass-Steueröffnung 63 in Zylinder-Längsrichtung L1 der Höhe H12 der Zylinder-Einlassöffnungen 12. Folglich sind in den 9, 11, 13, 15 und 17 jeweils lediglich die unteren Ränder 12rl, 13rl der Zylinder-Einlassöffnungen 12 bzw. der Zylinder-Auslassöffnungen 13 eingetragen.
9 zeigt die Arbeitsposition des Kolbens 20 und die Drehstellungen der Einlass-Steuerwalze 70 und der Auslass-Steuerwalze 30 für eine niedrige Drehzahl bzw. bei geringer Last des Zweitaktmotors 1. Bei niedriger Last, wird an der Kurbelwelle K nur ein geringes Drehmoment abgenommen.
Bei der in 9 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 ist der Steuerschieber 50 in einer Steuerschieber-Stellposition angeordnet, bei der dieser die Auslass-Steueröffnung 42 und damit die Zylinder-Auslassöffnung 13 größtenteils abdeckt. Insbesondere liegt die vordere Randlinie 51r-f der Anlagefläche 51a des Abdeckungsabschnitts 51 bei einem relativen Kolbenhub von etwa 0,05.
Während des Arbeitstakts erreicht der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 230 Grad die vordere Randlinie 51r-f. Damit liegt die Arbeitsstellung „Auslass öffnet“ des Kolbens 20 vor, wenn der obere Anlagerand 20r die vordere Randlinie 51r-f erreicht, also bei einem relativen Kolbenhub von etwa 0,05. Damit wird für die Expansion der Verbrennungsgase im Brennraum B fast die gesamte Strecke zwischen oberem und unterem Totpunkt OT, UT genutzt zur Erzeugung von Drehmoment an der Kurbelwelle K genutzt. Somit kann bei niedrigen Drehzahlen ein sehr hoher Anteil der durch die Verbrennung freigesetzten Energie genutzt werden.
Während des Verdichtungstakts erreicht der obere Anlagerand 20r bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 290 Grad die vordere Randlinie 32r-f der Auslasswalzen-Anlagefläche 32a. Damit liegt die Arbeitsstellung „Auslass schließt“ des Kolbens 20 bei dem relativen Kolbenhub von etwa 0,03, bei dem der obere Anlagerand 20r die vordere Randlinie 32r-f erreicht. Die relative Kolbenposition ist bei der Arbeitsstellung „Auslass schließt“ folglich geringer als bei der Arbeitsstellung „Auslass öffnet“. Somit liegen für die Auslassöffnung 13 unsymmetrische Steuerzeiten vor.
Während des Arbeitstakts deckt die Einlasswalzen-Anlagefläche 72a die Einlass-Steueröffnung 63 bei den Arbeitsstellungen des Kolbens 20, bei denen sich der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a unterhalb des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 befindet, ab. Bei Erreichen der unteren Totpunktstellung UT erreicht die hintere Anlageflächen-Randlinie 72r-b der Einlasswalzen-Anlagefläche 72a den unteren Rand 63rl der Einlass-Steueröffnung 63. Damit liegt die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ des Kolbens 20 vor, wenn die hintere Randlinie 72r-b den unteren Rand 63rl erreicht. Bei niedriger Last oder Drehzahl kann die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ des Kolbens 20, wie in 9 gezeigt, in der unteren Totpunktstellung UT vorliegen. Damit können die Zylinder-Einlassöffnungen 12 bis zum Erreichen der unteren Totpunktstellung UT geschlossen gehalten werden. Damit wird die für die Zufuhr von Frischgas in den Brennraum zur Verfügung stehende Zeitraum verkürzt, sodass bei niedriger Last oder Drehzahl insgesamt weniger Frischgas zugeführt wird.
Während des Verdichtungstakts wird die Arbeitsstellung „Einlass schließt“ erreicht, wenn der obere Anlagerand 20r den oberen Rand 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 erreicht.
9 zeigt insbesondere, dass die Zylinder-Einlassöffnungen 12 und die Zylinder-Auslassöffnung 13 nur während eines durch das Bezugszeichen X gekennzeichneten Überschneidungsbereichs für die Drehstellungen der Kurbelwelle K gleichzeitig geöffnet sind. Dieser Bereich ist bei der in 9 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 relativ klein. Dadurch können die Spülverluste beim Ladungswechsel gering gehalten werden.
10 zeigt für die in 9 gezeigte Konfiguration des Zweitaktmotors 1 die durch den Kolben 20 freigegebenen Querschnittsflächen A12 und A13 der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und -Auslassöffnungen 13 abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle K in Grad. Weiterhin sind in 10 die tatsächlich freigegebenen Querschnittsflächen A12e und A13e der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und -Auslassöffnungen 13 gezeigt. Durch den Steuerschieber 50 und die Auslass-Steuerwalze 30 wird bei niedriger Last und Drehzahl insgesamt während des Verdichtungs- und des Arbeitstakts jeweils nur ein geringer Anteil der Querschnittsfläche A13 freigegeben. Die Arbeitsposition „Einlass öffnet“ wird erst in der unteren Totpunktstellung UT erreicht, da erst dann die Einlass-Steuerwalze 70 die Einlass-Steueröffnung 63 und somit die Zylinder-Einlassöffnungen 12 freigibt.
11 zeigt die Arbeitsposition des Kolbens 20 und die Drehstellungen der Einlass-Steuerwalze 70 und der Auslass-Steuerwalze 30 für eine mittlere Drehzahl bzw. bei mittlerer Last des Zweitaktmotors 1.
Bei der in 11 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 ist der Steuerschieber 50 in einer Steuerschieber-Stellposition angeordnet, bei der dieser die Auslass-Steueröffnung 42 und damit die Zylinder-Auslassöffnung 13 teilweise abdeckt. Insbesondere liegt die vordere Randlinie 51r-f der Anlagefläche 51a des Abdeckungsabschnitts 51 bei einem relativen Kolbenhub von etwa 0,18.
Während des Arbeitstakts erreicht der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 220 Grad die vordere Randlinie 51r-f. Dort liegt dementsprechend die Arbeitsstellung „Auslass öffnet“ des Kolbens 20 vor, also bei einem relativen Kolbenhub von etwa 0,18. Damit wird für die Expansion der Verbrennungsgase im Brennraum B ein großer Teil der Strecke zwischen oberem und unterem Totpunkt OT, UT zur Erzeugung von Drehmoment an der Kurbelwelle K genutzt.
Während des Verdichtungstakts erreicht der obere Anlagerand 20r bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 290 Grad die vordere Randlinie 32r-f der Auslasswalzen-Anlagefläche 32a. Damit liegt die Arbeitsstellung „Auslass schließt“ des Kolbens 20 bei dem relativen Kolbenhub von etwa 0,03, bei dem der obere Anlagerand 20r die vordere Randlinie 32r-f erreicht. Die relative Kolbenposition ist bei der Arbeitsstellung „Auslass schließt“ folglich geringer als bei der Arbeitsstellung „Auslass öffnet“. Somit liegen für die Auslassöffnung 13 unsymmetrische Steuerzeiten vor.
Während des Arbeitstakts deckt die Einlasswalzen-Anlagefläche 72a die Einlass-Steueröffnung 63 bei den Arbeitsstellungen des Kolbens 20, bei denen sich der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a unterhalb des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 befindet, ab. Kurz vor Erreichen der unteren Totpunktstellung UT erreicht die hintere Anlageflächen-Randlinie 72r-b der Einlasswalzen-Anlagefläche 72a den unteren Rand 63rl der Einlass-Steueröffnung 63, sodass die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ des Kolbens 20 vorliegt. Gegenüber der in 9 gezeigten Konfiguration wird gemäß der 11 die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ somit in Bezug auf die Drehstellung der Kurbelwelle bereits früher erreicht. Dies ist dadurch realisiert, dass an der Einlass-Drehwelle 70 eine Stelldrehung in der Einlass-Drehrichtung D70 durchgeführt wurde.
Während des Verdichtungstakts wird die Arbeitsstellung „Einlass schließt“ erreicht, wenn der obere Anlagerand 20r den oberen Rand 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 erreicht.
Bei der in 11 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 ist insbesondere der Überschneidungsbereichs X, bei dem sowohl die Zylinder-Einlassöffnungen 12 als auch die Zylinder-Auslassöffnung 13 freigegeben sind, gegenüber der in 9 gezeigten Konfiguration vergrößert.
12 zeigt für die in 11 gezeigte Konfiguration des Zweitaktmotors 1 die durch den Kolben 20 freigegebenen Querschnittsflächen A12 und A13 der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und -Auslassöffnungen 13 abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle K in Grad. Weiterhin sind in 11 die tatsächlich freigegebenen Querschnittsflächen A12e und A13e der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und -Auslassöffnungen 13 gezeigt. Durch den Steuerschieber 50 und die Auslass-Steuerwalze 30 wird bei mittlerer Last und Drehzahl insgesamt während des Verdichtungs- und des Arbeitstakts jeweils nur ein Teil der Querschnittsfläche A13 freigegeben. Die Arbeitsposition „Einlass öffnet“ wird bereits kurz vor der unteren Totpunktstellung UT erreicht. Gegenüber der in 9 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 ist sind die tatsächlich freigegebenen Querschnittsflächen jedoch vergrößert, sodass insgesamt ein größerer Gasmassenstrom in den Brennraum B hinein bzw. aus diesem heraus möglich ist.
13 zeigt die Arbeitsposition des Kolbens 20 und die Drehstellungen der Einlass-Steuerwalze 70 und der Auslass-Steuerwalze 30 für eine hohe Drehzahl bzw. bei hoher Last des Zweitaktmotors 1. In dieser Konfiguration wird ein großes Drehmoment an der Kurbelwelle K abgenommen.
Bei der in 13 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 ist der Steuerschieber 50 in einer Steuerschieber-Stellposition angeordnet, bei der dieser die Auslass-Steueröffnung 42 und damit die Zylinder-Auslassöffnung 13 vollständig freigibt.
Während des Arbeitstakts erreicht der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 200 Grad den oberen Rand 13ru der Zylinder-Auslassöffnung. Dort liegt dementsprechend die Arbeitsstellung „Auslass öffnet“ des Kolbens 20 vor, also bei einem relativen Kolbenhub von etwa 0,35. Damit ist der für die Expansion der Verbrennungsgase im Brennraum B genutzte Teil der Strecke zwischen oberem und unterem Totpunkt OT, UT gegenüber den in den 9 und 11 gezeigten Konfigurationen des Zweitaktmotors 1 deutlich verringert.
Während des Verdichtungstakts erreicht der obere Anlagerand 20r bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 300 Grad die vordere Randlinie 32r-f der Auslasswalzen-Anlagefläche 32a. Damit liegt die Arbeitsstellung „Auslass schließt“ des Kolbens 20 bei dem relativen Kolbenhub von etwa 0,08, bei dem der obere Anlagerand 20r die vordere Randlinie 32r-f erreicht. Die relative Kolbenposition ist bei der Arbeitsstellung „Auslass schließt“ folglich geringer als bei der Arbeitsstellung „Auslass öffnet“. Somit liegen für die Auslassöffnung 13 unsymmetrische Steuerzeiten vor. Insbesondere wird die Arbeitsstellung „Auslass schließt“ in Bezug auf die Drehstellung der Kurbelwelle K später erreicht als bei den in den 9 und 11 gezeigten Konfigurationen des Zweitaktmotors 1. Hierzu wurde an der Auslass-Steuerwelle 30 eine Stelldrehung entgegen der Auslass-Drehrichtung D30 durchgeführt.
Insgesamt ist die Auslassöffnung so über einen größeren Bereich von Drehstellungen der Kurbelwelle K und damit auch für einen größeren Bereich von Arbeitspositionen des Kolbens 20 freigegeben. Dadurch kann auch bei hohen Drehzahlen, eine ausreichend lange Zeitspanne für eine Gasströmung zwischen dem Brennraum B und dem Auslasskanal 40 bereitgestellt werden.
Während des Arbeitstakts deckt die Einlasswalzen-Anlagefläche 72a die Einlass-Steueröffnung 63 bei den Arbeitsstellungen des Kolbens 20, bei denen sich der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a unterhalb des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 befindet, ab. Kurz nach Erreichen des oberen Rands 12ru, etwa bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von 230 Grad, erreicht die hintere Anlageflächen-Randlinie 72r-b der Einlasswalzen-Anlagefläche 72a den unteren Rand 63rl der Einlass-Steueröffnung 63, sodass die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ des Kolbens 20 vorliegt. Gegenüber den in den 9 und 11 gezeigten Konfigurationen wird gemäß der 13 die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ somit in Bezug auf die Drehstellung der Kurbelwelle deutlich früher erreicht. Dies ist dadurch realisiert, dass an der Einlass-Drehwelle 70 eine Stelldrehung in der Einlass-Drehrichtung D70 durchgeführt wurde.
Während des Verdichtungstakts wird die Arbeitsstellung „Einlass schließt“ erreicht, wenn der obere Anlagerand 20r den oberen Rand 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 erreicht.
Bei der in 13 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 ist insbesondere der Überschneidungsbereichs X, bei dem sowohl die Zylinder-Einlassöffnungen 12 als auch die Zylinder-Auslassöffnung 13 freigegeben sind, gegenüber den in den 9 und 11 gezeigten Konfigurationen vergrößert. Damit wird auch bei hoher Drehzahl eine nahezu vollständige Spülung des Brennraums B erreicht.
14 zeigt für den in 13 gezeigte Konfiguration des Zweitaktmotors 1 die durch den Kolben 20 freigegebenen Querschnittsflächen A12 und A13 der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und -Auslassöffnungen 13 abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle K in Grad. Weiterhin sind in 14 die tatsächlich freigegebenen Querschnittsflächen A12e und A13e der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und -Auslassöffnungen 13 gezeigt. Während des Arbeitstakts steht bis kurz vor Erreichen der unteren Totpunktstellung UT die maximal mögliche Querschnittsfläche A13 zur Verfügung, die während des restlichen Arbeitstakts und dem sich anschließenden Verdichtungstakt durch die Auslasswalzen-Anlagefläche 32a zunehmend verringert wird. Die Arbeitsposition „Einlass öffnet“ wird bereits deutlich vor der unteren Totpunktstellung UT erreicht. Gegenüber den in den 9 und 11 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 ist sind die tatsächlich freigegebenen Querschnittsflächen stark vergrößert, sodass insgesamt ein größerer Gasmassenstrom in den Brennraum B hinein bzw. aus diesem heraus möglich ist.
15 zeigt eine spezielle Konfiguration des Zweitaktmotors 1, bei der der Steuerschieber 50 in einer Steuerschieber-Stellposition angeordnet, bei der dieser die Auslass-Steueröffnung 42 und damit die Zylinder-Auslassöffnung 13 vollständig freigibt.
Während des Arbeitstakts erreicht der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 200 Grad den oberen Rand 13ru der Zylinder-Auslassöffnung. Dort liegt dementsprechend die Arbeitsstellung „Auslass öffnet“ des Kolbens 20 vor, also bei einem relativen Kolbenhub von etwa 0,35.
Während des Verdichtungstakts erreicht der obere Anlagerand 20r bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 350 Grad den oberen Rand 13ru der Zylinder-Auslassöffnung 13. Damit liegt die Arbeitsstellung „Auslass schließt“ des Kolbens 20 bei demselben relativen Kolbenhub vor wie die Arbeitsstellung „Auslass öffnet“. Somit liegen für die Auslassöffnung 13 symmetrische Steuerzeiten vor. Insbesondere wird die Arbeitsstellung „Auslass schließt“ in Bezug auf die Drehstellung der Kurbelwelle K später erreicht als bei den in den 9, 11 und 13 gezeigten Konfigurationen des Zweitaktmotors 1. Hierzu wurde an der Auslass-Steuerwelle 30 eine Stelldrehung entgegen der Auslass-Drehrichtung D30 durchgeführt.
Insgesamt ist der Bereich von Drehstellungen der Kurbelwelle K, bei denen die Auslassöffnung 13 freigegeben ist, maximal. Dadurch steht eine maximale Zeitspanne für eine Gasströmung zwischen dem Brennraum B und dem Auslasskanal 40 zur Verfügung.
Während des Arbeitstakts deckt die Einlasswalzen-Anlagefläche 72a die Einlass-Steueröffnung 63 bei den Arbeitsstellungen des Kolbens 20, bei denen sich der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a unterhalb des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 befindet, nicht ab. Die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ des Kolbens 20 liegt somit vor, wenn der obere Anlagerand 20r den des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 erreicht. Dies ist dadurch realisiert, dass an der Einlass-Drehwelle 70 eine Stelldrehung in der Einlass-Drehrichtung D70 durchgeführt wurde.
Während des Verdichtungstakts wird die Arbeitsstellung „Einlass schließt“ erreicht, wenn der obere Anlagerand 20r den oberen Rand 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 erreicht.
Bei der in 15 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 ist insbesondere der Überschneidungsbereichs X, bei dem sowohl die Zylinder-Einlassöffnungen 12 als auch die Zylinder-Auslassöffnung 13 freigegeben sind maximal.
16 zeigt für den in 15 gezeigte Konfiguration des Zweitaktmotors 1 die durch den Kolben 20 freigegebenen Querschnittsflächen A12 und A13 der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und -Auslassöffnungen 13 abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle K in Grad. Dabei wird während immer die maximal mögliche Querschnittsfläche A12 bzw. A13 freigegeben.
17 zeigt die Arbeitsposition des Kolbens 20 und die Drehstellungen der Einlass-Steuerwalze 70 und der Auslass-Steuerwalze 30 für einen Betriebspunkt des Zweitaktmotors 1 mit Abgasrückhaltung.
Bei der in 17 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 ist der Steuerschieber 50 in einer Steuerschieber-Stellposition angeordnet, bei der dieser die Auslass-Steueröffnung 42 und damit die Zylinder-Auslassöffnung 13 größtenteils abdeckt. Insbesondere liegt die vordere Randlinie 51r-f der Anlagefläche 51a des Abdeckungsabschnitts 51 bei einem relativen Kolbenhub von etwa 0,05.
Während des Arbeitstakts erreicht der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 230 Grad die vordere Randlinie 51r-f. Damit liegt die Arbeitsstellung „Auslass öffnet“ des Kolbens 20 vor, wenn der obere Anlagerand 20r die vordere Randlinie 51r-f erreicht, also bei einem relativen Kolbenhub von etwa 0,05.
In der unteren Totpunktstellung UT erreicht der obere Anlagerand 20r die vordere Randlinie 32r-f der Auslasswalzen-Anlagefläche 32a. Dementsprechend wird liegt die Arbeitsstellung „Auslass schließt“ in der unteren Totpunktstellung UT vor. Damit liegen für die Auslassöffnung 13 unsymmetrische Steuerzeiten vor.
Während des Arbeitstakts deckt die Einlasswalzen-Anlagefläche 72a die Einlass-Steueröffnung 63 bei den Arbeitsstellungen des Kolbens 20, bei denen sich der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a unterhalb des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 befindet, ab. Auch zu Beginn des Verdichtungstakts deckt die Einlasswalzen-Anlagefläche 72a die Einlass-Steueröffnung 63 bei den Arbeitsstellungen des Kolbens 20, bei denen sich der obere Anlagerand 20r der Kolben-Anlagefläche 20a unterhalb des oberen Rands 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 befindet, bis zu einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 300 Grad ab. Bei der dieser Drehstellung der Kurbelwelle K entsprechenden Arbeitsposition des Kolbens 20 (relativer Kolbenhub von etwa 0,1) erreicht die hintere Anlageflächen-Randlinie 72r-b der Einlasswalzen-Anlagefläche 72a den unteren Rand 63rl der Einlass-Steueröffnung 63, sodass dementsprechend die Arbeitsstellung „Einlass öffnet“ des Kolbens 20 vorliegt.
Während des Verdichtungstakts wird die Arbeitsstellung „Einlass schließt“ erreicht, wenn der obere Anlagerand 20r den oberen Rand 12ru der Zylinder-Einlassöffnungen 12 erreicht. Bei der in 17 gezeigten Konfiguration des Zweitaktmotors 1 ist dies bei einer Drehstellung der Kurbelwelle K von etwa 310 Grad der Fall.
17 zeigt insbesondere, dass bei dieser Konfiguration kein Überschneidungsbereichs für die Drehstellungen der Kurbelwelle K existiert, bei dem die Zylinder-Einlassöffnungen 12 und die Zylinder-Auslassöffnung 13 gleichzeitig geöffnet sind. In zeitlicher Hinsicht strömt also zuerst die Zylinder-Auslassöffnung 13 freigegeben und erst nachdem diese wieder abgedeckt ist, die Zylinder-Einlassöffnung 12 freigegeben. Dadurch strömt während die Zylinder-Auslassöffnung 13 freigegeben ist nur eine Teilmenge des sich im Brennraum B befindlichen Abgases in den Abgaskanal, sodass bei der Arbeitsposition „Auslass schließt“ noch eine Restmenge von Abgas in dem Brennraum B vorliegt, was als Abgasrückhaltung bezeichnet wird.
18 zeigt für die in 17 gezeigte Konfiguration des Zweitaktmotors 1 die durch den Kolben 20 freigegebenen Querschnittsflächen A12 und A13 der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und -Auslassöffnungen 13 abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle K in Grad. Weiterhin sind in 18 die tatsächlich freigegebenen Querschnittsflächen A12e und A13e der Zylinder-Einlassöffnungen 12 und -Auslassöffnungen 13 gezeigt. Durch den Steuerschieber 50 und die Auslass-Steuerwalze 30 insgesamt während des Verdichtungs- und des Arbeitstakts jeweils nur ein geringer Anteil der Querschnittsfläche A13 freigegeben. Die Arbeitsposition „Einlass öffnet“ wird erst während des Verdichtungstakts erreicht, da erst dann die Einlass-Steuerwalze 70 die Einlass-Steueröffnung 63 und somit die Zylinder-Einlassöffnungen 12 freigibt. Die tatsächlich freigegebenen Querschnittsflächen A12e und A13e sind bei dieser Konfiguration des Zweitaktmotors 1 sehr klein, sodass nur ein geringer Gasaustausch zwischen Einlasskanal 60 und Brennraum B bzw. Brennraum B und Auslasskanal 40 stattfindet.
Bezugszeichenliste

1: Zweitaktmotor
10: Zylinder
10a: Zylinder-Anlagefläche
10i: Zylinder-Innenfläche
10s: Zylinder-Stirnoberfläche
11: Endabschnitt der Zylinder-Innenfläche
12: Zylinder-Einlassöffnungen
12rl: unterer Rand der jeweiligen Zylinder-Einlassöffnung
12ru: oberer Rand der jeweiligen Zylinder-Einlassöffnung
13: Zylinder-Auslassöffnung
13rl: unterer Rand der Zylinder-Auslassöffnung
13ru: oberer Rand der Zylinder-Auslassöffnung
13z: zusätzliche Zylinder-Auslassöffnung
14: Zylinderwand
20: Kolben
20a: Kolben-Anlagefläche
20r: oberer Anlagerand der Kolben-Anlagefläche
20s: Kolben-Stirnoberfläche
30: Auslass-Steuerwalze
32: Auslasswalzen-Verschlusskörper
32a: Auslasswalzen-Anlagefläche
32r-f: vordere Anlageflächen-Randlinie
32r-b: hintere Anlageflächen-Randlinie
40: Auslasskanal
40i: Auslasskanal-Innenfläche
41: Auslass-Steuerabschnitt
41z: Wandungsabschnitt
42: Auslass-Steueröffnung
42r: Auslass-Randabschnitt
42rl: unterer Rand der Auslass-Steueröffnung
42ru: oberer Rand der Auslass-Steueröffnung
50: Steuerschieber
51: Abdeckungsabschnitt
51a: Anlagefläche des Abdeckungsabschnitts des Steuerschiebers
51b: Innenfläche des Abdeckungsabschnitts des Steuerschiebers
51r-f: vordere Randlinie der Anlagefläche des Abdeckungsabschnitts des Steuerschiebers
52a, 52b: Tragabschnitte
53a, 53b: Lagerabschnitte
60: Einlasskanal
61: Einlass-Steuerabschnitt
61i: Einlass-Innenfläche des Einlass-Steuerabschnitts
62: Einlassleitungen
63: Einlass-Steueröffnung
63r: Randabschnitt
63rl: unterer Rand der Einlass-Steueröffnung
70: Einlass-Steuerwalze
70a, 70b: Lagerstellen
71: Haupt-Walzenkörper der Einlass-Steuerwalze
71a: Umfangsfläche des Haupt-Walzenkörpers
72: Einlasswalzen-Verschlusskörper
72a: Einlasswalzen-Anlagefläche
72r-f: vordere Anlageflächen-Randlinie der Einlasswalzen-Anlagefläche
72r-b: hintere Anlageflächen-Randlinie der Einlasswalzen-Anlagefläche
90a, 90b: Lager
180a, 180b: Lager
200: Steuerkette
201: Kettenrad
A32: Winkelabschnitt
B12: Breite der Zylinder-Einlassöffnungen
B13: Breite der Zylinder-Auslassöffnung
D30: Auslass-Drehrichtung der Auslass-Steuerwalze
D70: Einlass-Drehrichtung der Einlass-Steuerwalze
E1: oberer Endabschnitt des Zylinder-Innenraums
E2: unterer Endabschnitt des Zylinder-Innenraums
F: Rahmenvorrichtung
H12: Höhe der Zylinder-Einlassöffnungen
H13: Höhe der Zylinder-Auslassöffnung
K: Kurbelwelle
L: Zylinder-Längsachse
L1: Zylinder-Längsrichtung
L50: Steuerschieber-Längsachse
L30: Auslasswalzen-Längsachse
L70: Einlasswalzen-Längsachse
OT: obere Totpunktstellung
Q: Querschnitt-Rand
R30: radiale Auslasswalzen-Richtung
R70: radiale Einlasswalzen-Richtung
S50: Steuerschieber-Stellrichtung
UT: untere Totpunktstellung
U: Zylinder-Umfangsrichtung
U30: Auslasswalzen-Umfangsrichtung
U70: Einlasswalzen-Umfangsrichtung
W: Auslasswandung
X: Überschneidungsbereich
ZI: Zylinder-Innenraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3821617 A1 [0004]

Claims

Zweitaktmotor, aufweisend: – einen Zylinder (10) mit einer sich entlang einer Zylinder-Längsachse (L) erstreckenden Zylinder-Innenfläche (10i) und einer sich an einem oberen Ende derselben an diese anschließende Zylinder-Stirnoberfläche (10s), wobei in der Zylinder-Innenfläche (10i) jeweils Zylinder-Einlassöffnungen (12) und eine Zylinder-Auslassöffnung (13) ausgebildet sind, – einen mit einer Kolben-Anlagefläche (20a) an der Zylinder-Innenfläche (10i) anliegenden Kolben (20), entlang der Zylinder-Längsachse (L) zwischen einer oberen Totpunktstellung (OT) und einer unteren Totpunktstellung (UT) bewegbar ist, wobei in der unteren Totpunktstellung (UT) des Kolbens (20) die Kolben-Anlagefläche (20a) die Zylinder-Einlassöffnungen (12) und die Zylinder-Auslassöffnung (13) zumindest teilweise freigibt, – eine Einlass-Steuerwalze (70), die drehbar gelagert ist und um eine Einlasswalzen-Längsachse (L70) abhängig von der Bewegung des Kolbens (20) in eine Drehung versetzt ist, wobei die Zylinder-Einlassöffnungen (12) über Einlassleitungen (62) mit einer Einlass-Steueröffnung (63) eines Einlass-Steuerabschnitts (61) eines Einlasskanals (60) verbunden sind, und die Einlass-Steuerwalze (70) in dem Einlass-Steuerabschnitt (61) angeordnet ist, wobei die Einlass-Steuerwalze (70) einen Einlasswalzen-Verschlusskörper (72) aufweist, der während der Bewegung des Kolbens (20) von der oberen Totpunktstellung (OT) zu der unteren Totpunktstellung (UT) die Einlass-Steueröffnung (63) einmal abdeckt.
Zweitaktmotor (1) nach Anspruch 1, wobei der Einlasswalzen-Verschlusskörper (72) eine Einlasswalzen-Anlagefläche (72a) aufweist, die in Einlasswalzen-Umfangsrichtung (U70) durch eine in Bezug auf eine Einlass-Drehrichtung (D70) der Einlass-Steuerwalze (70) vordere Anlageflächen-Randlinie (72r-f) sowie durch eine in Bezug auf die Einlass-Drehrichtung (D70) hintere Anlageflächen-Randlinie (72r-b) begrenzt ist, wobei die Einlasswalzen-Anlagefläche (72a) beim Abdecken der Einlass-Steueröffnung (63) zumindest abschnittsweise an einem die Einlass-Steueröffnung (63) definierenden Auslass-Randabschnitt (63r) anliegt.
Zweitaktmotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Einlasswalzen-Verschlusskörper (72) in einer radialen Steuerwalzen-Richtung (R70) von einem Haupt-Walzenkörper (71) absteht, sodass die Einlasswalzen-Anlagefläche (72a) in radialer Steuerwalzen-Richtung R70 beabstandet zu dem Haupt-Walzenkörper (71) gelegen und von diesem abgewandt orientiert ist.
Zweitaktmotor (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei sich die Einlasswalzen-Anlagefläche (72a) in Einlasswalzen-Umfangsrichtung (U70) zwischen der vorderen und der hinteren Anlageflächen-Randlinie (72r-f, 72r-b) über einen Winkelabschnitt (A72) zwischen 270° und 90° erstreckt.
Zweitaktmotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Zweitaktmotor (1) einen in einem Auslass-Steuerabschnitt (41) eines Auslass-Steuerabschnitts (41) eines Auslasskanals (40) drehbar gelagerten Steuerschieber (50) aufweist, wobei die Auslassöffnung (13) über einen Wandungsabschnitt (41z) mit einer Auslass-Steueröffnung (42) verbunden ist, und der Steuerschieber (50) in dem Auslass-Steuerabschnitt (41) zwischen mehreren Steuerschieber-Stellposition bewegbar ist, wobei bei der Steuerschieber (50) bei zumindest einer Steuerschieber-Stellposition die Auslass-Steueröffnung (42) teilweise abdeckt.
Zweitaktmotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Zweitkatmotor (1) eine Auslass-Steuerwalze (30) aufweist, die drehbar gelagert ist und um eine Auslasswalzen-Längsachse (L30) abhängig von der Bewegung des Kolbens (20) in eine Drehung versetzt ist, wobei die Zylinder-Auslassöffnung (13) über einen Wandungsabschnitt (41z) mit einer Auslass-Steueröffnung (42) eines Auslass-Steuerabschnitts (41) eines Auslasskanals (40) verbunden ist, und die Auslass-Steuerwalze (30) in dem Auslass-Steuerabschnitt (41) angeordnet ist, wobei die Auslass-Steuerwalze (30) einen Auslasswalzen-Verschlusskörper (32) aufweist, der während der Bewegung des Kolbens (20) von der unteren Totpunktstellung (UT) zu der oberen Totpunktstellung (OT) die Auslass-Steueröffnung (42) einmal abdeckt.