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Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit Kraftstoffdirekteinspritzung mit wenigstens einem Arbeitszylinder, in dem ein Kolben oszillierend angeordnet ist, wenigstens einen Auslasskanal, welcher oberhalb des oberen Totpunktes des Kolbens in den Arbeitszylinder mündet und wenigstens zwei Einlaßöffnungen, welche oberhalb eines unteren Totpunktes des Kolbens in den Arbeitszylinder münden, sodass sich im Betrieb der Zweitakt-Brennkraftmaschine eine Gleichstromspülung des Arbeitszylinders ergibt.
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Bei Zweitaktmotoren ist das Gleichstromspülverfahren eines der allgemein bekannten Spülverfahren. Beim Gleichstromspülverfahren strömt das Gas im Zylinder nur in einer Richtung. Auslass- und Einlaßkanal liegen an entgegengesetzten Enden des Zylinderraumes. Das Frischgas schiebt das Abgas in immer gleicher Richtung vom Einlass zum Auslass. In der Regel dienen Einlassschlitze im unteren Totpunkt und ein oder mehrere Auslassventile im oberen Totpunkt dem Gaswechsel. Durch eine Spülpumpe wird unter Druck gesetzte Frischluft durch die Einlassschlitze in den Zylinder eingeleitet. Bei geöffnetem Auslassventil bzw. -ventilen wird das Abgas aus dem Zylinder vorher durch das Druckgefälle ausgetrieben.
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Bekannt ist aus der
DE 690 10 865 T2 ein Verbrennungsmotor mit variablen Zylken, der wechselweise im Zweitaktverfahren und im Viertaktverfahren in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit und der Belastung des Motors arbeitet. Der Verbrennungsmotor umfasst einen Zylinder, der mit einem ersten Einlasskanal und einem Auslasskanal versehen ist, die im oberen Bereich des Zylinders festgelegt sind, und mit einem zweiten Einlasskanal, der im unteren Bereich des Zylinders festgelegt ist; eine zylindrische Laufbuchse, die im Zylinder angeordnet ist und mit einem dritten Einlasskanal versehen ist, der im unteren Bereich der Laufbuchse festgelegt ist; einem Hülsenschieber, der um die zylindrische Laufbuchse rundum rotierbar angeordnet ist, um wahlweise den dritten Einlasskanal zu öffnen und zu schließen, wobei der Hülsenschieber mit einem integral ausgebildeten Permanentmagneten versehen ist; Rotationsmittel, um den Hülsenschieber unter Einfluss elektromagnetischer Kräfte, die auf den Permanentmagneten wirken, zu drehen; Einlasskanalöffnungs- und -schließmitteln, um wahlweise den ersten Einlasskanal im oberen Bereich des Zylinders zu öffnen und zu schließen; Auslasskanalöffnungs- und -schließmitteln, um den Abgaskanal im oberen Bereich des Zylinders wahlweise zu öffnen und zu schließen; Überverdichtungsmitteln, um Luft unter Druck zum ersten Einlasskanal und zum zweiten Einlasskanal zu liefern und Zyklenmodus-Auswahlmitteln, um einerseits die Rotationsmittel in Gang zu setzen, um den Hülsenschieber zu drehen, um den dritten Einlasskanal in Abstimmung mit dem zweiten Einlasskanal zu öffnen, und um die Abgaskanalöffnungs- und -schließmittel zu betreiben, und andererseits um die Rotationsmittel in Gang zu setzen, um den Hülsenschieber zu drehen, um den dritten Einlasskanal zu schließen und um die Einlasskanal- und Abgaskanalöffnungs- und -schließmittel zu betreiben, um den Motor im Viertaktmodus zu betreiben.
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Dies bedeutet, dass, wenn der Verbrennungsmotor im Viertaktmodus betrieben wird, der Gaswechsel über die im oberen Bereich des Zylinders angeordneten Auslasskanal- und Einlasskanalöffnungs- und Schließmittel gesteuert wird. Wenn der Verbrennungsmotor im Zweitaktmodus betrieben wird, erfolgt der Gaswechsel über die im oberen Bereich des Zylinders angeordneten Auslassöffnungs- und Schließmittel und über die im unteren Bereich im Zylinder angeordneten Einlasskanäle, die in diesem Fall durch Verdrehen des Hülsenschiebers freigegeben werden. Die Einlaßkanäle im oberen Bereich des Zylinders bleiben dabei geschlossen.
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Im Zweitaktmodus erfolgt der Gaswechsel als reine Gleischstromspülung. Der Hülsenschieber steuert hierbei nicht den eigentlichen Gaswechsel. Das Öffnen und Schließen der Einlasskanäle erfolgt durch die Kolbenoberkante.
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Aus der
DE 865 237 B ist eine Steuerung für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Gleichstromspülung bekannt, die dadurch erreicht wird, dass im Boden des Arbeitszylinders Auslassbohrungen vorgesehen sind, die bei der Drehbewegung des Arbeitszylinders abwechselnd Öffnungen einer Auspuffplatte freigeben und verschließen, und dass am inneren Ende des Zylinders Einlassschlitze vorgesehen sind, die abwechselnd Öffnungen eines den Zylinder umschließenden Einlassring freigeben und wieder verschließen, der zwecks Regelung des Einlasszeitpunktes verstellbar am Kurbelgehäuse angeordnet ist.
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Der Ladungswechsel erfolgt durch den sich drehenden Zylinder, wodurch die Auslassbohrungen und die Einlaßschlitze freigegeben und verschlossen werden. Zur Regelung des Einlasszeitpunktes ist der Einlassring verstellbar am Kurbelgehäuse angeordnet.
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Die
DE 197 00 412 A1 beschreibt einen Zweitakt-Dieselmotor mit Gleichstromspülung, mit Einlaßschieber und Auslassventilen vom Arbeitskolben gesteuert. Der Einlassschieber ist in der Bohrung des Zylinders und des Zylinderdeckels gelagert, mit seiner Konusfläche von mindestens drei Zugstangen, welche im Zylindermantel gelagert sind, in Achsrichtung des Zylinders mit Federn gegen Konusflächen des Zylinders gepresst wird, und beim Verschieben des Kolbens kurz vor Erreichen des unteren Totpunktes von diesem mitgerissen wird, so dass ein ringförmiger Luftspalt entsteht, und gleichzeitig von den drei Zugstangen über den Federträger die drei Auslassventile im Zylinderkopf öffnet. Die Zylinderbohrung und die Einlassschieberbohrung haben den gleichen Durchmesser. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens (Arbeitshub) stößt die Kolbenringfläche gegen die innere Ringfläche des Einlassschiebers nach etwa 9/10 des Kolbenhubes und öffnet den Einlassquerschnitt. Dabei werden die Federträger mit den Federn und der Federhülse gespannt. Bei Aufwärtsbewegung des Kolbens wird der Einlassschieber über die Zugstangen mittels der gespannten Federn mit seiner Konusfläche gegen die Konusfläche des Zylinders gezogen und der Einlassquerschnitt geschlossen.
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Aus der
DE 697 31 984 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Energiezentrale mit niedriger Emission bekannt. Die Erfindung betrifft im allgemeinen mechanische Kraftanlagen und im besonderen befaßt sich die Erfindung mit einer Kraftanlage mit niedriger Emission, die eine abgewandelte Dieselmotorbaugruppe und eine abgewandelte Turboladerbaugruppe umfasst. Die Dieselmotorbaugruppe ist als Zweitakt-Dieselmotor mit Gleichstromspülung ausgebildet und umfasst einen Auslaßventilnocken mit einer besonderen Konstruktion, die ein Nockenprofil aufweist, das zu einer Auslaßventilöffnung, die später als normal liegt, und zu einer Ventilschließung führt, die früher als normal liegt, so dass die Zeit, während der das Auslaßventil offen bleibt, kürzer ist als normal, wodurch bewirkt wird, dass im Anschluss an den Spültakt ein wesentlich größeres Volumen an Restgasen in der Brennkammer verbleibt.
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Die
DE 40 22 705 C2 beschreibt eine Brennkraftmaschine umfassend einen Zylinderblock, mit in Bohrung zur Bildung von Zylindern eingepaßten Laufbuchsen, unterhalb des Zylinderblocks vorgesehenen Kurbelkammern, einen Zylinderkopf mit Ventilen zum öffnen und Schließen der Auslaßöffnungen, an den unteren Umfangsteilen der Zylinderlaufbuchsen ausgebildeten Einlaßschlitze, die durch die Kolbenkante des oszillierend bewegbaren Kolben gesteuert werden, und Überstromkanäle, die eine Verbindung zwischen den Einlaßschlitzen und den Kurbelkammern ermöglichen. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist eine Brennstoff-Versorgungseinrichtung für Alkohol als Brennstoff auf, sowie keramische Zylinderlaufbuchsen und Lager für Kurbelwelle, Pleuel, und Kolbenbolzen, die als Rollenlager mit keramischen Rollelementen ausgebildet sind.
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Aus der
DE 528 407 A ist ein Zweitaktbrennkraftmotor mit gegenläufigen Kolben und Rohrschieber bekannt, bei welchem der Einlass durch einen außen auf dem Kühlwassermantel liegenden Rohrschieber sowie durch den Kolben gesteuert wird, wobei der zwischen Kolben und Schieber befindliche Schlitzkranz während des Arbeitstaktes nur mit Luft gefüllt ist, um den Schieber zu kühlen. Auf den äußeren Umfang des Zylinders ist der Schieber mit einem Schlitzkranz, dessen Schlitze denjenigen des Schlitzkranzes des Zylinders entsprechen, versehen. Der Schieber steuert die Verbindung zwischen dem Luftraum des Schieberkastens und dem Schlitzkranz des Zylinders. Geben der Kolben und der Schieber gleichzeitig den Schlitzkranz frei, strömt die Luft aus dem Schieberkasten in den Zylinder. Bei allen anderen Stellungen des Kolbens ist der Schlitzkranz mit Luft gefüllt, die bei Freigabe des Einlasses durch den Kolben am Ende des Arbeitsganges zu einer Zeit, wo der Schieber noch nicht die Öffnung freigibt, ein isolierendes Luftkissen zum Schutz des Schiebers vor den heißen Verbrennungsgasen bildet.
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Zweitaktmotoren mit Gleichstromspülung, mit Spül- oder Ladeschlitzen in der Zylinderwand und Abgasventilen in Zylinderdeckeln sind hinreichend bekannt. Sie sind meist als langsam laufende Großmotoren ausgebildet und besitzen gute Wirkungsgrade. Sie haben jedoch einen entscheidenden Nachteil aufgrund ihrer langen Kolben und Zylinder und besitzen deshalb aufwendige Baumaße und große Gewichte.
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Bei den mittelschnell laufenden Zweitaktmotoren werden Kolben mit einem sehr langen Kolbenhemd, an dessen unteren Rand ein bis zwei Kolbenringe angeordnet sind, verwendet, die verhindern, dass die Spülluft ungehindert in den Kurbelgehäuseraum eindringen kann. Dies wirkt sich ebenfalls nachteilig in Bezug auf die Bauraumgröße des Motors und auf den konstruktiven Aufwand aus.
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Ausgehend vom vorbekannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Gleichstromspülung zu schaffen, bei der bei gleicher Leistung von bekannten Kraftfahrzeugmotoren die Anzahl der Zylinder reduziert oder das Zylindervolumen erhöht werden kann, den besseren Wirkungsgrad des Zweitaktverfahrens nutzt, um das Gewicht und die Baugröße der Brennkraftmaschine zu senken.
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Erfindungsgemäß weist eine derartige Zweitakt-Brennkraftmaschine die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 auf. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Die Zweitakt-Brennkraftmaschine kann sowohl nach dem Dieselverfahren als auch nach dem Ottoverfahren arbeiten, wobei hier zusätzlich eine Zündkerze vorzusehen ist.
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Die erfindungsgemäße Zweitakt-Brennkraftmaschine kann aus einem oder mehreren Zylindern mit Kurbelgehäuse bestehen. Oberhalb des oberen Totpunktes des Kolbens ist wenigstens ein Auslasskanal und oberhalb des unteren Totpunktes des Kolbens sind mindestens zwei Einlassöffnungen vorgesehen. Das Freigeben bzw. Schließen der Einlaßöffnungen und damit die Zufuhr der Spülkraft in den Arbeitszylinder wird mittels eines die Laufbuchse des Arbeitszylinders umfassenden Rohrschiebers mit geschlossenen Mantel, der sich oszillierend in Längsrichtung des Arbeitszylinders auf der Außenwandung der Laufbuchse bewegt. Zur Abdichtung des Spalts zwischen der Innenwandung des Rohrschiebers und der Außenwandung der Laufbuchse ist mindestens ein ringförmiges Dichtelement angeordnet. Die ringförmigen Dichtelemente sind vorzugsweise in Form von Kolbenringen ausgebildet und in Richtung des Kurbelgehäuses gesehen unterhalb der Einlassöffnungen vorgesehen.
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Die oszillierende Bewegung des Rohrschiebers während des Ladungswechsels auf der Außenwand der Laufbuchse erfolgt durch eine Steuereinrichtung. Diese kann entweder als desmodromische Steuereinrichtung in Form einer Nockensteuerung mit einem am äußeren Umfang des Rohrschiebers angreifenden Hebel, der vorzugsweise gegabelt ausgeführt ist, als elektromagnetische oder als hydraulische Steuereinrichtung ausgebildet sein.
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Zusätzlich zum Rohrschieber kann auf seiner Außenwandung ein dazu beabstandeter Drallring angeordnet sein. Der vorgelagerte Drallring weist Strömungskanäle mit verschiedenen tangentialen Einströmwinkeln auf, die es erlauben, den Spülvorgang im Arbeitszylinder zu beeinflussen. Der Drallring sorgt dafür, dass der Luftstrom durch die Einlassöffnung in eine Richtung strömt, die tangential zum Umfang des Arbeitszylinders verläuft. Ein derartiger in einer Richtung verlaufender nicht verwirbelter Strom versorgt den Arbeitszylinder während des Spülvorganges über jede Spülöffnung gleichmäßig mit Frischluft.
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Weiter vorteilhaft kann die Zweitakt-Brennkraftmaschine ausgeführt sein, wenn diese in Monoblockbauweise ausgebildet ist bzw. wenn die Arbeitszylinder als Sackzylinder ausgebildet sind.
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Die Vorteile sind eine optimierte Kühlung im Bereich des oberen Totpunktes, der Entfall der Zylinderkopfdichtung und keine Verzüge, da auch die Zylinderkopfschrauben entfallen.
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Insgesamt liegen die Vorteile bei der erfindungsgemäßen Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Gleichstromspülung in einem optimalen Spülwirkungsgrad gegenüber den bekannten Spülungsarten, wie z. B. Umkehrspülung, Querstromspülung.
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Durch die Verwendung von vier Auslassventilen ergeben sich geringere Drosselverluste beim Ausstoß der Abgase und somit ein geringerer Restgasanteil im Arbeitszylinder. Die Verwendung der Vierventiltechnik für den Auslass in Verbindung mit der Gleichstromspülung-Einlaßöffnungen im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens lassen unsymmetrische Steuerdiagramme für den Ladungswechsel zu, wobei der Vorauslass das notwendige Spülgefälle erzeugt.
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Die Verteilung der Einlaßöffnungen über dem Zylinderumfang ermöglicht für den Ladungswechsel große zeit- und geometrische Querschnitte. Dadurch, dass sich die Einlaßöffnungen im sogenannten ”kalten” Bereich befinden, verringert sich die Verkokungsneigung gegenüber im Zylinderkopf liegenden Einlassbereichen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zweitakt-Brennkraftmaschine gegenüber einer Viertakt-Brennkraftmaschine liegt darin, dass bei gleicher Belastung (Mitteldruck) die Anzahl der Zylinder verringert werden kann, was mit einer Senkung des Motorgewichts und der Kosten für die Herstellung einhergeht.
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Durch kleinere bewegte Triebswerksmassen hat die Brennkraftmaschine ein wesentlich besseres Ansprechverhalten.
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Durch die Verwendung von Einrichtungen zur Aufladung, z. B. Abgasturbolader und einem elektrisch zuschaltbaren Verdichter, insbesondere für den Startbereich der Brennkraftmaschine, lässt sich dieser sofort hochfahren. Eine gewünschte höhere Motorleistung läßt sich beliebig durch Zuschalten des elektrischen Verdichters erreichen, wodurch ein zusätzlicher zweiter Abgasturbolader entfallen kann.
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Die Vorteile des Rohrschiebers gegenüber von anderen im Abstand zu den Einlassöffnungen angeordneten Schiebern, wie z. B. Walzenschieber, liegen darin, dass der Rohrschieber unmittelbar gleitend auf der Außenwandung der Laufbuchse angeordnet ist,
wodurch sich ein geringes Schadvolumen ergibt. Der Rohrschieber folgt der Kolbenbewegung, deckt die Kolbenringe ab und ist gleichzeitig Dichtelement, dass den Spülluftraum zum Kurbelkastenraum hin abdichtet, und beeinflußt somit die Bauhöhe der Brennkraftmaschine.
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Ein weiterer Vorteil in der Verwendung eines Rohrschiebers liegt darin, dass das Kolbenhemd wesentlich kürzer ausgeführt werden kann, ähnlich wie bei Kolben für Viertakt-Brennkraftmaschinen, da das Kolbenhemd mit seinen Dichtringen die Einlaßöffnungen nicht mehr abdecken muss.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 – Prinzipdarstellung des Arbeitszylinders einer Zweitakt-Brennkraftmaschine
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2 – Einlassbereich mit Rohrschieber
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Die 1 zeigt eine Prinzipdarstellung des Arbeitszylinders 1 einer Zweitakt-Brennkraftmaschine. Zum einfachen Verständnis wird nachfolgend nur auf einen Arbeitszylinder Bezug genommen und der Arbeitszylinder 1 als Laufbuchse in Sacklochbauform dargestellt.
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Die Zweitakt-Brennkraftmaschine – im Weiteren als Zweitakt-Dieselmotor bezeichnet – besteht im Wesentlichen aus dem Kurbelgehäuse mit der Kurbelwelle, einem Arbeitszylinder 1 mit im Bereich des oberen Totpunktes angeordneter Einspritzdüse 9 und vier ventilgesteuerten Auslasskanälen 2, einem im Arbeitszylinder 1 oszillierend bewegbaren und über ein Pleuel 3 mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben 6.
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Der Arbeitszylinder 1 mit einer sacklochförmigen Laufbuchse weist im Bereich des unteren Totpunktes über den Umfang verteilt Einlassöffnungen 5 auf. Auf der Außenwandung der Laufbuchse ist ein Rohrschieber 4 mit einem geschlossenen Mantel angeordnet, der oszillierend die Einlassöffnungen 5 verschließt oder freigibt.
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Die Anordnung der Einlassöffnungen 5 im Bereich des unteren Totpunktes in Verbindung mit dem Rohrschieber 4 zeigt die 2.
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Über den Umfang der Laufbuchse verteilt sind mit gleichmäßigem Abstand zueinander die Einlassöffnungen 5 angeordnet. Auf der Außenwandung der Laufbuchse des Arbeitszylinders 1 sind ober- und unterhalb der Einlassöffnungen 5 in umlaufenden Nuten Dichtringe 7 gehalten. Diese dichten den Spalt zwischen Laufbuchse des Arbeitszylinders 1 und Rohrschieber 4 ab.
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Der Rohrschieber 4 weist einen geschlossenen Mantel auf und steuert somit das Freigeben oder Schließen der Einlassöffnungen 5 durch seine oszillierende Bewegung mittels der Steuerkante 4a.
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Damit entfällt die eigentliche Steuerung der Einlassöffnungen 5 durch die Oberkante des Kolbens 6 und die Abdichtung in Richtung Kurbelgehäuse durch ein wesentlich längeres Kolbenhemd und dem entsprechenden Kolbenring.
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Im vorliegenden Beispiel erfolgt die Steuerung des Rohrschiebers 4 mit Hilfe einer desmodromischen Steuereinheit in Form einer Nockensteuerung mit einem am äußeren Umfang des Rohrschiebers 4 drehbeweglich angreifenden und gabelförmig ausgebildeten Hebels 8.
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Die dargestellte Zweitakt-Dieselmotor arbeitet wie folgt:
Nach Beenden des Verdichtungshubes und dem Einspritzen des Kraftstoffes zündet das Kraftstoff-Luftgemisch. Die Auslasskanäle 2 sind geschlossen, die Einlassöffnungen 5 sind mittels des Rohrschiebers 4 ebenfalls geschlossen. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 6 (Arbeitstakt) öffnen zu einem vorgegebenen Zeitpunkt die Auslasskanäle 2 teilweise und es beginnt der Vorauslass. Beim Erreichen der Einlassöffnungen durch die Oberkante des Kolbens 6 beginnt der Rohrschieber 4 durch Bewegen in die gleiche Richtung wie der Kolben 6 die Einlassschlitze 5 mit seiner Steuerkante 4a freizugeben und die Frischluft tritt über die Einlassschlitze in den Zylinderraum ein. Gleichzeitig sind die Auslasskanäle 2 vollständig geöffnet. Den Überdruck der Frischluft erzeugt ein nicht näher dargestellter Abgasturbolader und ein elektrisch angetriebener Verdichter.
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Für eine einwandfreie Spülung tritt die Spülluft zweckmäßig in bekannter Weise in tangentialer Richtung in den Zylinder ein und bildet eine auf dem Kolbenboden stehende Wirbelsäule, die durch wendelartiges Ansteigen an Höhe zunimmt, einen Pfropfen bildet und die Verbrennungsgase verdrängt. Diese werden durch die voll geöffneten Auslasskanäle ausgetrieben.
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In der Kolbenstellung unterer Totpunkt sind die Auslasskanäle 2 und die Einlassöffnungen 5 vollständig geöffnet.
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Gleichzeitig mit der Bewegung des Kolbens 6 wird der Rohrschieber 4 über die desmodromische Steuerung auf der Außenwand der Laufbuchse des Arbeitszylinders 1 in die gleiche Richtung bewegt und schließt die Einlassöffnungen 5.
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Im weiteren Verlauf der Aufwärtsbewegung des Kolbens 6 wird die Frischluft weiter verdichtet. Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes wird über die Einspritzdüse 9 der Kraftstoff eingespritzt und gezündet. Der Vorgang beginnt von Neuem.
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Im Falle des Anlassens der Zweitakt-Brennkraftmaschine erfolgt die Erzeugung des Überdrucks der Frischluft zur Spülung mittels eines zuschaltbaren elektrischen Verdichters, der nach Anlauf des Abgasturboladers wieder abgeschaltet wird.
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Der zuschaltbare elektrische Verdichter kann aber auch gleichzeitig mit dem Abgasturbolader arbeiten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Arbeitszylinder
- 2
- Auslasskanal
- 3
- Pleuel
- 4
- Rohrschieber
- 4a
- Steuerkante
- 5
- Einlassöffnungen
- 6
- Kolben
- 7
- ringförmiges Dichtelement
- 8
- Hebel
- 9
- Einspritzdüse
