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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines 2 Takt Verbrennungsmotors mit verbesserten Emissionen und einen besseren Kraftstoffverbrauch gegenüber der üblichen 2-Takt-Motorentechnik.
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Es ist bekannt, dass 2-Takt-Motoren aufgrund Ihrer Einfachheit in der Konstruktion, der geringen Anzahl an bewegten Bauteilen und der kostengünstigen Herstellung beliebte Motoren für Kleinanwendungen sind. Aufgrund der immer strenger werdenden Abgasgesetzgebung können diese Motoren jedoch häufig nicht mehr eingesetzt werden. So kann beispielsweise diese Motorentechnik in Motorrollern, Motorrädern nicht bzw. nur noch sehr selten verbaut werden. Die meisten Hersteller dieser Motoren schaffen es nicht die strengen Emissionsgesetze für Motorrad- bzw. PKW bzw. anderen Einsatzgebieten einzuhalten. Es gibt Hersteller die anstatt Vergaser schon Einspritztechniken wie Saugrohreinspritzung verwenden. Teilweise gibt es auch 2-Takt-Motoren mit Semi-Direkteinspritzer, das bedeutet, dass das einspritzende Bauteil weder im Ansaugtrakt / Ansaugkanal noch direkt im Zylinderkopf verbaut ist. Bei Semi-Direkteinspritz Motoren ist das Einspritzventil meist im Zylinder verbaut und spritz nach unten Richtung Kolben oder nach oben Richtung Zündkerze. Manche Hersteller verbauen sogar eine Niederdruckdirekteinspritzung (zum Beispiel: BRP-Rotax GmbH & Co KG), das bedeutet dass das einspritzende Bauteil direkt oben auf dem Zylinderkopf sitzt und Richtung Kolben den Kraftstoff einspritzt. Bei allen diesen 2-Takt-Techniken mit verschiedenen Einspritztechnologien ist das ursprüngliche 2-Takt-Konzept beibehalten. Das bedeutet, dass die angesaugte Frischluft durch verschiedene Einlasssteuerungen (Schlitzsteuerung, Drehschiebersteuerung oder Membransteuerung) mit dem Unterdruck, welcher durch das Hochfahren des Kolbens Richtung oberen Totpunkt unter dem Kolben entsteht, angesaugt wird. Aufgabe der Einlasssteuerung ist das Öffnen und Schließen des Einlasskanals, sodass dieser nur geöffnet ist, wenn unter dem Kolben Unterdruck herrscht und somit Frischluft (bei Semi-Direkteingespritzten sowie Direkteingespritzten 2-Takt-Motoren) bzw. ein Kraftstoff-Luftgemisch (bei Vergasermotoren) angesaugt werden kann. Sobald kein Unterdruck mehr unter dem Kolben herrscht, da der Kolben im oberen Totpunkt ist und wieder auf dem Weg nach unten Richtung unteren Totpunkt ist, hat die Einlasssteuerung zur Aufgabe den Einlasskanal zu verschließen um die angesaugte Frischluft im Kurbelgehäuse unter dem Kolben zu halten. Nachdem die Frischluft bzw. das Kraftstoff-Luftgemisch unter dem Kolben eingesperrt ist, entsteht durch das Herunterfahren des Kolbens Richtung unteren Totpunkt ein Überdruck, da das Volumen im Kurbelgehäuse (Raum unter dem Kolben) verkleinert wird. Ab einem bestimmten Zeitpunkt öffnet der Kolben einen oder mehrere Überströmkanäle und/oder Stützkanäle. Durch den im Kurbelgehäuse herrschenden Überdruck, wird das Kraftstoff-Luftgemisch bzw. die Frischluft durch die offenen Überströmkanäle nach oben in den Hubraum/Brennraum Bereich gedrückt. Nachdem der Kolben den unteren Totpunkt überwunden hat, fährt dieser wieder Richtung oberen Totpunkt und verschließt auf dem Weg nach oben zuerst den Überströmkanal und anschließend der Auslasskanal und verdichtet anschließend die Frischluft bzw. das Kraftstoffluftgemisch. Nach dem Verdichtungsvorgang erfolgt die Verbrennung, welche mit dem Zünden der Zündkerze eingeleitet wird. Nach der Verbrennung des Kraftstoff-Öl-Luftgemisches im Brennraum fährt der Kolben aufgrund des Verbrennungsdruckes nach unten und öffnet dabei zuerst den Auslasskanal und anschließend den Überströmkanal. Da sowohl Überströmkanäle als auch der/die Auslasskanal/-kanäle zur gleichen Zeit geöffnet sind, ist es nicht zu verhindern, dass ein Teil der frisch angesaugten Frischluft bzw. des Kraftstoff-Luftgemisch direkt - das heißt ohne vorige Verbrennung - in die Abgasanlage wandert (= Spülverluste).
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Das Problem dieser 2-Takt-Motorentechnik ist, dass der Frischluft bzw. dem Kraftstoff-Luftgemisch, welches zuerst durch das Kurbelgehäuse gepumpt wird, ein hoher Anteil an Schmieröl beigemischt werden muss, da die Kurbelwellenlager, Pleuellager, Kolben und Zylinderwand geschmiert werden müssen. Besonders schlimm ist dieses Problem bei Saugrohreingespritzten und mit Vergaser betriebenen Motoren, da hier unverbrannter Kraftstoff in die Abgasanlage gelangt. Bei der Variante mit Vergaser oder Ansaugeinspritzung ist dieses Problem noch schlimmer, da durch das Kraftstoffgemisch das Öl leichter weggewaschen wird, als wenn es nur der Frischluft beigemischt ist und somit in diesem Fall mehr Öl beigemischt werden muss. Die hohe Ölverbrennungsrate, die hohen Spülverluste und teilweise der hohe Anteil an unverbranntem Kraftstoff machen es mit dieser Motorentechnik sehr schwierig bzw. unmöglich die aktuellen Emissionsgrenzen für PKW / Motorrad einzuhalten. In anderen Sektoren ist dies jedoch noch möglich, da dort keine so strengen Emissionsgrenzen gelten.
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Aufgabe der Erfindung ist es die Hauptprobleme dieser 2-Takt-Motorentechnik zu verbessern und es zu ermöglichen bessere Emissionswerte zu erreichen.
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Dies wird erreicht durch das Zusammenspiel von mehreren Änderungen am bisherigen 2-Takt-Motorenkonzept. Bei dieser Erfindung wird das Kraftstoff-Luftgemisch bzw. die Frischluft nicht mehr durch das Kurbelgehäuse angesaugt und der Kolben nicht mehr als Pumpe (zum Ansaugen und anschließendem Hochpumpen in den Brennraum) verwendet. Das Kurbelgehäuse, sprich die Kurbelwelle, Kurbelwellenlagerung, Pleuellagerung haben keinen Kontakt mehr mit der Frischluft bzw. dem Kraftstoff-Luftgemisch, welches in Brennraum verbrannt wird. Dies ermöglicht es, bessere Schmierungskonzepte, wie zum Beispiel bei 4-Takt-Ottomotoren umzusetzen. Dies kann durch eine Öldruckschmierung mit Gleitlagerung, Ölschmierung von Kugel-/Rollenlagern oder ähnlichem umgesetzt werden.
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Die Frischluft bzw. das Kraftstoff-Luftgemischt wird mit diesem neuartigen Motorenkonzept über externe Überströmkanäle dem Brennraum beigefügt. Hierzu enden die Überström- bzw. Stützkanäle nicht wie üblich unten im Kurbelgehäuse, sondern haben externe Anschlüsse zu einer Ladevorrichtung. Diese Ladevorrichtung hat zur Aufgabe die Strömung der Frischluft / des Kraftstoff-Luftgemisches Richtung Brennraum herzustellen und den Brennraum von den Abgasen zu spülen und mit Frischluft bzw. Kraftstoff-Luftgemisch zu versorgen. Dies erfolgt meist auf einer Überdruckbasis und kann mittels Turbolader, Kompressor, Roots-Gebläse, elektrisch unterstütztem Turbolader oder einer rein elektrischen Ladevorrichtung erfolgen. Zwischen der Ladevorrichtung und den Überströmkanälen ist zur besseren und schnelleren Steuerbarkeit eine Drosseleinrichtung zu verbauen. Dies kann in Form einer Drosselklappe, Drosselwalze, Drosselschieber oder anderen Drosselvorrichtungen durchgeführt werden. Der Überströmkanal wird wie bei der üblichen 2-Takt-Motorentechnik vom Kolben verschlossen und freigelegt. Zur besseren Steuerbarkeit der Öffnungszeiten dieses Frischluftkanals kann eine weitere rotierende Drehschiebersteuerung zwischen Drosselklappe und Brennraum verbaut sein. Diese rotierende Kreisplatte ist in einem bestimmten Kreissegment geöffnet und ermöglicht es, den oder die Überströmkanäle besser zu steuern. Dies kann beispielsweise zum früheren Schließen oder späteren Schließen der Überströmkanäle verwendet werden und kann Drehzahl- und Lastabhängig eingestellt werden. Der Antrieb dieser rotierenden Kreisplatte erfolgt über eine Verbindung zur Kurbelwelle. Dies kann über einen Kettentrieb, Zahnriementrieb oder anderen Verbindungsarten durchgeführt werden. Die Kraftstoffzufuhr für dieses Motorenkonzept kann über einen Vergaser, eine Saugrohreinspritzung oder über eine Direkteinspritzung (Hoch- sowie Niederdruckdirekteinspritzung erfolgen). Desweiteren kann der Auslasskanal in diesem Betriebskonzept auf verschiedene Arten gesteuert werden -je nach Einsatzzweck. Zum einen wird im Auslasskanal eine Auslasssteuerung verbaut, welche mittels eines Auslassschiebers die Öffnungszeit des Auslasskanals vergrößern bzw. verkleinern kann. Als zweite Option steht eine rotierende Welle, welche einseitig zu einem gewissen Teil ausgespart ist und den Auslasskanal abbildet, sodass in einem bestimmten Winkelbereich der Auslasskanal komplett geöffnet ist und sich dann langsam verschließt bis der Auslasskanal komplett verschlossen ist. Dies ist nötig, um den Auslasskanal früher zu Schließen als den Überströmkanal, was technisch mit einer Änderung der Geometrie bzw. der Steuerzeiten des Zylinders nicht möglich ist. Dies hat den Vorteil, die Spülverluste zu minimieren bzw. zu eliminieren. Die Schmierung des Zylinders und des Kolbens erfolgt von der Kurbelgehäuse Seite aus - analog zum 4-Takt-Motor. Diese Schmierung kann über Spritzdüsen erfolgen oder auf andere Arten. Der Kolben kann Ölabstreifringe haben - wie bei 4-Takt-Ottomotoren - muss allerdings einen Stift zur Verdrehsicherung wie bei 2-Takt-Kolbenringen besitzen. Falls keine Ölabstreifringe eingesetzt werden, kann ein normaler 2-Takt-Kolben verwendet werden. Dieser kann einen oder mehrere Kolbenringe haben, welche je einen Stift zur Verdrehsicherung besitzen. Um bestmögliche Emissionsergebnisse zu erzielen ist eine Hochdruckdirekteinspritzung zu verwenden. Diese Hochdruckeinspritzung kann aus einer Einspritzeinheit oder einem mehrteiligem System bestehen. Bei externen Hochdruckpumpen ist ein Antrieb über Kettentrieb, axialer Antrieb über die Kurbelwelle oder ein radialer Antrieb über einen Exzenter auf der Kurbelwelle realisierbar. Die Einspritzeinheit sitzt oben im Brennraum und spritzt Richtung Kolben. Die Abstimmung des Einspritzdruckes muss auf die jeweilige Einspritzzeit und die jeweilige Kolbenposition abgestimmt sein, da der eingespritzte Kraftstoff nicht den Kolben berühren darf, da dies sonst hohe Emissionen verursacht.
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Der Vorteil dieser Erfindung ist, dass die Hauptprobleme der 2-Takt-Motorentechnik- je nach Umsetzung vollständig beseitigt werden können. Die Ölverbrennungsrate wird auf ein Minimum reduziert. Der einzige Bestandteil am restlichen Öl, welches an der Verbrennung teilnimmt, ist der Teil, der durch die Zylinderwand nach oben in den Brennraum kommt. Nachdem dieser Anteil aber auch bei 4-Takt-Motoren - welche die aktuellen, sehr strengen Emissionsgrenzen einhalten - vorherrscht, ist dies zu vernachlässigen.
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Weiter von Vorteil ist, dass die Spülverluste mit den Überström- und Auslasssteuerungen vollständig vermieden werden. Diese Kombination aus Überström- und Auslasssteuerung ermöglicht es, das Motorenkonzept auf verschiedene Einsatzgebiete bzw. verschiedene Lastpunkte bestmöglich und flexibel anzupassen. Bei Verwendung eines 3-Wege-Katalysators kann zur schnellen Erwärmung des Katalysators Frischluft direkt zum Auslasskanal durchgepumpt werden und eine Nachverbrennung von Kraftstoff im Katalysator erfolgen, damit dieser schnell auf Betriebstemperatur kommt (vgl. Sekundärluftsystem oder Software Funktion „Katalysator Heizen“ bei 4-Takt-Ottomotoren).
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Weiter von Vorteil ist, dass das Kurbelgehäuse nicht mehr von Kraftstoff-Luftgemisch oder nur Luftgemisch durchgespült wird und so mit die Schmierung vereinfacht und den Kraftstoffverbrauch dadurch enorm senkt.
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Zudem bewirkt ein sinnvoller Einsatz einer Ladevorrichtung einen extrem guten Wirkungsgrad. So ist beispielsweise ein Abgasturbolader mit elektrischer Unterstützung zu verwenden.
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Weiter von Vorteil ist, dass Drosselverluste durch die Kombination von Überströmersteuerung und Auslasssteuerung vermieden werden können. Drosselverluste haben einen großen Anteil an den Verlusten bei Kolbenmotoren.
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Das Gesamtkonzept dieser Betriebsart für 2-Takt-Motoren bietet enormes Potential für einen emissionsarmen, kraftstoffverbrauchsoptimierten 2-Takt-Motor mit extrem hohen Wirkungsgrad.
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Die Grundlegenden Vorteile der einfachen 2 Takt Motorentechnik bleiben trotz der Überströmer- bzw. Auslasssteuerung erhalten, da diese Techniken einfach und kostengünstig zu realisieren sind und gegenüber einem Ventiltrieb bei 4-Takt-Ottomotoren um ein vielfaches einfacher aufgebaut, kostengünstiger und reibungsärmer sind.
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Beispielbeschreibung der Patentanmeldung
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Herkömmliche 2-Takt Motoren saugen das Kraftstoff Luftgemisch vor der Verbrennung erst in das Kurbelgehäuse (=Raum unter dem Kolben + Raum in dem die Kurbelwelle läuft -siehe 1 - 2) an. Durch einen entstehenden Überdruck im Kurbelgehäuse, wenn der Kolben runter fährt, wird das Gemisch durch die Überströmkanäle (siehe Figure 1 - 1) nach oben gedrückt. 1-3 zeigt ein herkömmliches Einlasssystem in das Kurbelgehäuse.
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Bei dieser Erfindung wird die Ansaugluft nicht in das Kurbelgehäuse angesaugt, sondern es werden die Überströmkanäle von extern gespeist (siehe Figure 2 - 4). Da hier die Pumpenwirkung des Kolbens entfällt, müssen die Überströmkanäle mit einer Strömungsmaschine bzw. Ladevorrichtung mit Druck beaufschlagt werden, da sonst die Strömung Richtung Zylinder nicht stattfinden kann. Wie in Figure 2 - 5 und Figure 2 - 6 zu erkennen ist, werden das herkömmliche Einlassystem sowie die Überströmkanäle nicht mehr benötigt.
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3 beschreibt das Konzept mit dem extern gespeisten Überström- bzw. Einlasskanal (siehe Figure 3 - 7), der nicht wie bei üblichen Zweitaktkonzepten über das Kurbelgehäuse mit Frischgas versorgt wird, sondern über eine externe Speisung.
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Legende:
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- 3 - 7: Extern gespeister Überström- bzw. Einlasskanal
- 3 - 8: Zylinderkopf
- 3 - 9: Zündkerze
- 3 - 10: Einspritzventil / Hochdruckeinspritzventil
- 3 - 11: Kolben
- 3 - 12: Auslasskanal
- 3 - 13: Pleuel
- 3 - 14: Kurbelwelle
- 3 - 15: Zylinder
- 3 - 16: Grundmotor
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4 beschreibt eine mögliche Variante zur Drehschiebersteuerung für die Überström- bzw. Einlasskanäle. Dabei rotiert ein Drehschieber (siehe 4 - 18 und 4 - 23) in einem nach außen dichten Gehäuse (siehe 4 - 21). Der Antrieb des Drehschiebers erfolgt direkt oder indirekt über die Kurbelwelle, als einfachstes Beispiel sei ein Kettentrieb zwischen der Kurbelwelle und dem Einlassdrehschieber erwähnt. 4 - 22 und 4 - 19 zeigen den extern gespeisten Überström bzw. Einlasskanal, welcher vom Drehschieber geöffnet und verschlossen wird. 4 - 17 zeigt eine Drosselvorrichtung vor dem Einlassdrehschieber. Diese muss mit unter Druck stehender Frischluft beaufschlagt werden. Dies kann beispielsweise durch einen Kompressor, elektrisch unterstützten Turbolader oder einer anderen Ladevorrichtung geschehen. Die Drosselvorrichtung ist für die Regelung der Last nötig. Die Einlassdrehschiebersteuerung ermöglicht es die Öffnungsdauer und den Öffnungszeitpunkt der Überström- bzw. Einlasskanäle genauer einzustellen.
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Legende:
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- 4 -17: Drosselvorrichtung, hier:Drosselklappe
- 4 -18: Drehschieber
- 4 -19: Extern gespeister Überström- bzw. Einlasskanal
- 4 - 20: Zylinderwand
- 4 - 21: Drehschiebergehäuse
- 4 - 22: Extern gespeister Überström- bzw. Einlasskanal
- 4 - 23: Drehschieber
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Durch die Erfindung sind verschiedene Techniken miteinander kombinierbar. Das neue Motorenkonzept ermöglicht es einige Vorteile aus der 4-Takt-Motorentechnik zu übernehmen und dennoch die Vorteile der 2-Takt-Motorentechnik beizubehalten. Desweiteren ermöglicht dieses neue Verfahren neue Möglichkeiten zur Positionierung und Anordnung der Überströmkanäle - welche im diesem neuartigen Konzept als Einlasskanäle fungieren, da diese Kanäle kein Überströmen vom Kurbelgehäuse mehr in den Brennraum übernehmen müssen, sondern direkt den Zylinder mit Luft oder einem Kraftstoff-Luftgemisch füllen. Durch die neuartige Positionierungs- und Anordnungsmöglichkeit dieser Kanäle kann beispielsweise eine Drallströmung (Kreisströmung) im Zylinder (siehe 5-27) erzeugt werden, welche eine gute Homogenisierung (Durchmischung) des Gemisches und damit eine gute und emissionsarme Verbrennung ermöglicht. Zur besseren Steuerbarkeit dieses neuartigen Motorenkonzeptes kann das Grundkonzept mit den extern eingespeisten Überströmkanälen mit weiteren Einlass- und Auslasssteuerungen kombiniert werden. Der Einsatz dieser Steuerungsmöglichkeiten ist je nach Einsatzzweck und je nach Art der Einspritztechnik nötig.
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5 zeigt einen Schnitt durch den Zylinder in Höhe des Überström- bzw. Einlasskanals und des Auslasskanals. Figure 5 - 24 zeigt den extern gespeisten Überström- bzw. Einlasskanal und dessen neue Kanalanordnung um eine Drallströmung im Zylinder (Figure 5-27) zu ermöglichen. 5 - 26 zeigt die Zylinderwand. 5 - 25 zeigt den Auslasskanal. Die Drallströmung ermöglicht eine Vermeidung von Partikel bei Verwendung einer Direkteinspritztechnik. Durch die Drallströmung ist eine gute Homogenisierung gewährleistet, welches hohe Leistungen und gute Emissionswerte zur Folge hat.
