DE102017004598A1 - Two-cylinder two-stroke reciprocating engine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (7) eine gemeinsame Kurbelgehäuse-Ladepumpe nutzen und die Kolben (6) der Zylinder (7) die jeweiligen oberen Totpunkte mit einem Versatz zwischen 15° und 60° Kurbelwellenumdrehung erreichen.The invention relates to a two-cylinder two-stroke reciprocating engine, characterized in that the cylinders (7) use a common crankcase charge pump and the piston (6) of the cylinder (7) reach the respective top dead centers with an offset between 15 ° and 60 ° crankshaft revolution ,

Description

Zweitakt-Hubkolbenmotoren werden als Antriebe häufig in Bereichen eingesetzt, in denen ein geringes Gewicht der Antriebseinheit besonders vorteilhaft ist. Dies ist beispielsweise beim Antrieb von Propellern bemannter und unbemannter Fluggeräte der Fall. Nach Stand der Technik werden hier meist Einzylindermotoren oder Zweizylinder-Boxermotoren mit Kurbelkammer-Ladepumpe verwendet. Bei diesen beiden Motortypen erfolgt nur einmal pro Kurbelwellenumdrehung eine Zündung, und beim Boxermotor erreichen die Kolben der Zylinder die jeweiligen oberen Totpunkte gleichzeitig, indem die Kurbelwelle mehrteilig und mit zwei gegenüberliegenden Hubzapfen ausgeführt ist. Dies führt zu einer ungleichförmigen Drehmomentabgabe, durch die sich auch der Propeller ungleichförmig dreht. Die ungleichförmige Drehbewegung beeinflusst die Strömung am Propeller und reduziert seinen Wirkungsgrad.Two-stroke reciprocating engines are often used as drives in areas where a low weight of the drive unit is particularly advantageous. This is the case, for example, when propellers of manned and unmanned aerial vehicles are propelled. According to the prior art mostly single-cylinder engines or two-cylinder boxer engines with crankcase charge pump are used here. In these two engine types, ignition occurs only once per crankshaft revolution, and in the boxer engine, the pistons of the cylinders reach the respective top dead centers simultaneously by the crankshaft being multi-piece and having two opposed crank pins. This leads to a non-uniform torque output, through which the propeller rotates non-uniformly. The non-uniform rotational movement influences the flow at the propeller and reduces its efficiency.

Als Alternative hierzu sind Mehrzylindermotoren bekannt, bei denen die Kolben der Zylinder die jeweiligen oberen Totpunkte auf eine Kurbelwellenumdrehung gleichmäßig versetzt erreichen, beispielsweise Reihen- oder Sternmotoren (z.B. DE2933796A1 ). Dadurch treten gleichmäßigere Tangentialkräfte auf. Die Zylinder solcher Motoren werden jedoch durch unabhängige Ladepumpen gespült. Dies erfordert hintereinander angeordnete und voneinander abgedichtete Kurbelwellensegmente, wodurch die Motoren breiter und schwerer werden.
Als weitere Alternative zeigt DE202015006107U1 einen Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor mit V-förmig angeordneten Zylindern und einem gemeinsamen Hubzapfen für beide Pleuelstangen. Bei diesem Motor wird auf eine Kurbelgehäuse-Ladepumpe verzichtet und stattdessen ein mechanischer Lader eingesetzt. Dadurch kann die Kurbelwelle schmaler und einfacher ausfallen, und der Massenausgleich ist besser als bei einem Einzylindermotor gleichen Hubraums. Das Systemgewicht und die Komplexität werden jedoch durch den Lader erhöht.As an alternative, multi-cylinder engines are known in which the pistons of the cylinder reach the respective top dead centers uniformly offset to one crankshaft revolution, for example, series or radial engines (eg DE2933796A1 ). As a result, more uniform tangential forces occur. The cylinders of such engines, however, are purged by independent charge pumps. This requires successively arranged and sealed crankshaft segments, which makes the engines wider and heavier.
As another alternative shows DE202015006107U1 a two-cylinder two-stroke reciprocating engine with V-shaped cylinders and a common crank pin for both connecting rods. This engine eliminates the need for a crankcase charge pump and instead uses a mechanical loader. This can make the crankshaft narrower and simpler, and the mass balance is better than a single-cylinder engine same displacement. However, system weight and complexity are increased by the loader.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile der Alternativen Motorenkonzepte zu vermeiden und einen Motor darzustellen, der Vorteile hinsichtlich Drehmomentabgabe, Gewicht und Komplexität hat.The object of the invention is to avoid the above-described disadvantages of the alternatives engine concepts and to present an engine that has advantages in terms of torque output, weight and complexity.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor, dessen Zylinder eine gemeinsame Kurbelgehäuse-Ladepumpe nutzen, und bei dem die Kolben der Zylinder die jeweiligen oberen Totpunkte mit einem Versatz zwischen 15° und 60° Kurbelwellenumdrehung erreichen.
Je größer der Versatz zum Erreichen der jeweiligen oberen Totpunkte zwischen den Kolben der Zylinder ist, desto besser werden Drehmomentspitzen abgedämpft und die Leistung in einem größeren Bereich der Kurbelwellenumdrehung abgegeben. Daher ist nur ein Versatz zum Erreichen der oberen Totpunkte um mindestens 15° Kurbelwellenumdrehung sinnvoll. Umgekehrt nimmt der Füllungsgrad der Zylinder durch die gemeinsame Kurbelkammer-Ladepumpe mit zunehmendem Versatz ab. Maßgebend für die Erfindung ist dabei, dass im Bereich um die Totpunkte bis 60° Kurbelwellenumdrehung die Änderung des Volumens in den Zylindern gering ist. Daher sind die Zylinder erfindungsgemäß nicht zu einander abgedichtet und nutzen eine gemeinsame Kurbelgehäuse-Ladepumpe, ohne dass dies zu signifikanten Effizienzverlusten führt.The object is achieved by a two-cylinder two-stroke reciprocating engine whose cylinder use a common crankcase charge pump, and in which the pistons of the cylinder reach the respective top dead centers with an offset between 15 ° and 60 ° crankshaft revolution.
The greater the offset to reach the respective top dead centers between the pistons of the cylinders, the better torque peaks are damped and power delivered over a greater range of crankshaft revolution. Therefore, only one offset to reach the top dead center by at least 15 ° crankshaft revolution makes sense. Conversely, the degree of filling of the cylinders by the common crank chamber charge pump decreases with increasing offset. Decisive for the invention is that in the range around the dead center to 60 ° crankshaft revolution, the change in the volume in the cylinders is low. Therefore, the cylinders are not sealed to each other according to the invention and use a common crankcase charge pump, without this leading to significant efficiency losses.

Um den Motor besonders kompakt zu gestalten, ist es erfindungsgemäß möglich und sinnvoll, die Kurbelwelle mit nur einem Hubzapfen zu versehen und damit im Vergleich zu einem Zweitakt-Boxermotor auf eine Hubscheibe zu verzichten. Die Ausführung der Pleuel kann dabei nach Stand der Technik erfolgen. So können die Pleuel nebeneinander auf dem Hubzapfen angeordnet werden, aber sie können auch auf einer Ebene angeordnet und kombiniert werden, beispielsweise als Anlenk- oder Gabelpleuel, wie sie teilweise auch bei sog. Doppelkolbenmotoren (zwei Kolben mit einem gemeinsamen Brennraum) oder Viertakt-V-Motoren eingesetzt werden.
Durch den Verzicht auf eine Hubscheibe und Ausführung der Kurbelwelle mit nur einem Hubzapfen kann der Motor, insbesondere der Kurbeltrieb, besonders schmal ausgeführt werden. Darüber hinaus kann der Kurbeltrieb den geringeren Gaskräften und der geringeren Biegebelastung des Hubzapfens entsprechend ausgeführt werden, um eine weitere Gewichtsreduzierung des Motors zu erreichen.To make the engine very compact, it is inventively possible and useful to provide the crankshaft with only one crank pin and thus to dispense with a lifting disc compared to a two-stroke boxer engine. The design of the connecting rod can be done according to the prior art. Thus, the connecting rods can be arranged side by side on the crank pin, but they can also be arranged and combined on one level, for example as articulated or Gabelpleuel, as they sometimes in so-called. Double piston engines (two pistons with a common combustion chamber) or four-stroke V Motors are used.
By dispensing with a lifting disc and execution of the crankshaft with only one crank pin, the engine, especially the crank mechanism, can be made very narrow. In addition, the crank mechanism can be performed according to the lower gas forces and the lower bending load of the crank pin in order to achieve a further reduction in the weight of the engine.

Da sich bei einem erfindungsgemäßen Motor die Druck- und Strömungsverhältnisse in den Zylindern unterscheiden, können sich auch die Zylinder selbst hinsichtlich Bohrung, Hub, Verdichtung, Steuerzeiten, sowie Desachsierung und Schränkung unterscheiden. Dadurch können die Zylinder optimal auf die jeweiligen Arbeitsbedingungen angepasst werden, während Spülverluste minimiert werden können.Since the pressure and flow conditions in the cylinders differ in an engine according to the invention, the cylinders themselves may also differ with respect to bore, stroke, compression, timing, as well as offsetting and setting. As a result, the cylinders can be optimally adapted to the respective working conditions, while flushing losses can be minimized.

Der Massenausgleich ist bei einem erfindungsgemäßen Motor besser als bei einem Einzylinder-Motor gleichen Hubraums. Dennoch kann es sinnvoll sein, die freien Massenkräfte zu minimieren. Dies kann nach Stand der Technik erfolgen, beispielsweise durch eine gegenläufig zur Kurbelwelle rotierende Ausgleichswelle. Je nach Gestaltung des Motors und seiner Peripherie bietet es sich dabei an, die Ausgleichwelle zwischen den Zylindern zu positionieren. Auch ein Anlasser und/oder eine Welle für ein (Riemen-) Untersetzungsgetriebe kann zwischen den Zylindern untergebracht sein. Dabei kann der Anlasser statt der Kurbelwelle auch die Ausgleichswelle antreiben oder in das Untersetzungsgetriebe eingreifen, um ein in den Außenabmessungen möglichst kompaktes System zu erhalten.The mass balance is better in an engine according to the invention than in a single-cylinder engine of the same displacement. Nevertheless, it may make sense to minimize the free mass forces. This can be done according to the prior art, for example, by a counter-rotating to the crankshaft balancer shaft. Depending on the design of the engine and its periphery, it makes sense to position the balance shaft between the cylinders. Also, a starter and / or a shaft for a (belt) reduction gear may be housed between the cylinders. The starter can drive the balance shaft instead of the crankshaft or in the reduction gear intervene to obtain a compact as possible in the outer dimensions system.

Im Folgenden werden in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.Embodiments of the invention illustrated in the drawings are explained below.

In allen Figuren werden für gleiche bzw. gleichartige Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet. Es ist verständlich, dass die dargestellten Bauteile und Konturen lediglich beispielhaft und zur übersichtlicheren Darstellung vereinfacht sind.In all figures the same reference numerals are used for identical or similar components. It is understandable that the illustrated components and contours are simplified merely by way of example and for a clearer representation.

Es zeigen:

  • 1 einen erfindungsgemäßen Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor in senkrecht zur Mittelachse des Motors geschnittener Ansicht mit gleichen Zylindern in V-Anordnung.
  • 2 einen erfindungsgemäßen Zweizylinder Zweitakt- Hubkolbenmotor in senkrecht zur Mittelachse des Motors geschnittener Ansicht mit unterschiedlichen Zylindern in V-Anordnung.
  • 3 einen erfindungsgemäßen Zweizylinder Zweitakt- Hubkolbenmotor in senkrecht zur Mittelachse des Motors geschnittener Ansicht mit gleichen Zylindern in Boxer-Anordnung.
  • 4 einen erfindungsgemäßen Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor in Ansicht senkrecht zur Mittelachse des Motors mit einer Ausgleichswelle.
Show it:
  • 1 a two-cylinder two-stroke reciprocating engine according to the invention in a view perpendicular to the central axis of the engine cut view with the same cylinders in V-arrangement.
  • 2 a two-cylinder two-stroke reciprocating engine according to the invention in a view perpendicular to the central axis of the engine cut view with different cylinders in V-arrangement.
  • 3 a two-cylinder two-stroke reciprocating engine according to the invention in a view cut perpendicular to the central axis of the engine with the same cylinders in a boxer arrangement.
  • 4 a two-cylinder two-stroke piston engine according to the invention in view perpendicular to the central axis of the engine with a balancer shaft.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor in senkrecht zur Mittelachse des Motors geschnittener Ansicht mit gleichen Zylindern in V-Anordnung, bei dem die Kolben die oberen Totpunkte mit einem Versatz von 45° Kurbelwellenumdrehung erreichen. Zu sehen sind das Kurbelgehäuse (1) und die Kurbelwelle (2) mit einem Hubzapfen (3). Auf dem Hubzapfen gelagert sind die beiden Pleuel (4A, 4B), die über die Kolbenbolzen (5A, 5B) mit den Kolben (6A, 6B) verbunden sind. Die Kolben (6A, 6B) laufen in den Zylindern (7A, 7B). Die Zylinderköpfe sind nicht dargestellt. Die Mittelachsen der Zylinder schneiden die Mittelachse der Kurbelwelle. Es liegt also keine Desachsierung oder Schränkung vor. Der Winkel α zwischen den Zylindern beträgt 45°. Im V der Zylinder ist eine Skala dargestellt, die den Hub in 25%-Schritten zeigt. 1 shows a two-cylinder two-stroke piston engine according to the invention in a view perpendicular to the central axis of the engine cut view with the same cylinders in V-arrangement, in which the pistons reach the top dead centers with an offset of 45 ° crankshaft revolution. You can see the crankcase ( 1 ) and the crankshaft ( 2 ) with a crankpin ( 3 ). Mounted on the crank pin are the two connecting rods ( 4A . 4B ), which via the piston pin ( 5A . 5B ) with the pistons ( 6A . 6B ) are connected. The pistons ( 6A . 6B ) run in the cylinders ( 7A . 7B ). The cylinder heads are not shown. The central axes of the cylinders intersect the central axis of the crankshaft. So there is no desachsierung or restriction. The angle α between the cylinders is 45 °. In the cylinder's V, a scale is shown showing the stroke in 25% increments.

Die angenommene Drehrichtung der Kurbelwelle ist im Uhrzeigersinn. Der somit vorlaufende Kolben (6A) befindet sich am oberen Totpunkt. Der nachlaufende Kolben (6B) befindet sich folglich 45° Kurbelwellenumdrehung vor dem oberen Totpunkt. Dennoch ist das vom nachlaufenden Kolben (6B) noch zu komprimierende Volumen sichtbar gering. Es beträgt im dargestellten Beispiel nur noch ca. 18% des gesamten Hubvolumens. Die gleichen Verhältnisse ergeben sich, wenn die Kolben im Bereich der unteren Totpunkte sind, sodass die Verluste der Kurbelgehäuse-Ladepumpe insgesamt gering ausfallen.The assumed direction of rotation of the crankshaft is clockwise. The thus preceding piston ( 6A ) is at top dead center. The trailing piston ( 6B ) is thus 45 ° crankshaft revolution before top dead center. Nevertheless, that of the trailing piston ( 6B ) yet to be compressed volume visible low. It is in the example shown only about 18% of the total stroke volume. The same conditions arise when the pistons are in the range of the bottom dead centers, so that the losses of the crankcase charge pump are overall low.

2 zeigt analog zu 1 einen erfindungsgemäßen Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor in senkrecht zur Mittelachse des Motors geschnittener Ansicht, jedoch mit unterschiedlichen Zylindern in V-Anordnung. Zweck der Darstellung ist es, am vorlaufenden Zylinder (7C) und Kolben (6C), einige Variationen zu zeigen, durch die sich die Zylinder unterscheiden können, während der nachlaufende Zylinder (7B) und Kolben (6B) zu 1 unverändert sind. So ist der Bohrungsdurchmesser des vorlaufenden Zylinders (7C) kleiner als der des nachlaufenden Zylinders (7B). Außerdem ist der vorlaufende Zylinder (7C) geschränkt, seine Mittelachse schneidet also nicht die Mittelachse der Kurbelwelle. Des Weiteren ist der Kolbenbolzen (5C) des Kolbens (6C) desachsiert, seine Mittelachse schneidet also nicht die Mittelachse des Zylinders. Durch solche Maßnahmen und weitere nach Stand der Technik (z.B. unterschiedliche Verdichtung) ist es möglich, beide Zylinders des Motors optimal auszulegen. Außerdem kann der Motor auf diese Weise noch kompakter gestaltet werden. 2 shows analogously to 1 a two-cylinder two-stroke piston engine according to the invention in a view perpendicular to the central axis of the engine cut view, but with different cylinders in V-arrangement. The purpose of the representation is to use the leading cylinder ( 7C ) and pistons ( 6C ) to show some variations that can distinguish the cylinders while the trailing cylinder ( 7B ) and pistons ( 6B ) too 1 unchanged. So is the bore diameter of the leading cylinder ( 7C ) smaller than that of the trailing cylinder ( 7B ). In addition, the leading cylinder ( 7C ) so its central axis does not intersect the central axis of the crankshaft. Furthermore, the piston pin ( 5C ) of the piston ( 6C ) desachsiert, so its central axis does not intersect the central axis of the cylinder. By such measures and more according to the prior art (eg different compression), it is possible to optimally interpret both cylinders of the engine. In addition, the engine can be made even more compact in this way.

3 zeigt analog zu 1 einen erfindungsgemäßen Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor in senkrecht zur Mittelachse des Motors geschnittener Ansicht mit gleichen Zylindern in Boxer-Anordnung. Dies verdeutlicht, dass ein erfindungsgemäßer Motor auch mit einer solchen Anordnung der Zylinder realisierbar ist, falls dies für den verfügbaren Bauraum sinnvoller sein sollte. Erforderlich ist jedoch eine Kurbelwelle mit zusätzlicher Hubscheibe und zwei Hubzapfen (3A, 3B). 3 shows analogously to 1 a two-cylinder two-stroke piston engine according to the invention in a view perpendicular to the central axis of the engine cut view with the same cylinders in a boxer arrangement. This makes it clear that an engine according to the invention can also be implemented with such an arrangement of the cylinders, if this makes more sense for the available installation space. However, a crankshaft with additional lifting disc and two crank pins ( 3A . 3B ).

4 zeigt analog zu 1 einen erfindungsgemäßen Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor in einer Ansicht senkrecht zur Mittelachse. Die Kurbelwelle ist mit einem Zahnrad (9) versehen, das eine Ausgleichswelle (10) antreibt. Die Ausgleichswelle (10) ist im V der Zylinder (7A, 7B) untergebracht. Sie kann dabei wie dargestellt besonders platzsparend ausgeführt werden, indem die Ausgleichsmasse auf zwei Ausgleichsgewichte verteilt wird, von denen ein Ausgleichsgewicht (hier nicht sichtbar) hinter den Zylindern (7A, 7B) und ein Ausgleichsgewicht (11B) vor den Zylindern angeordnet ist, und indem ein Ausgleichsgewicht (11B) als Zahnrad ausgeführt ist. 4 shows analogously to 1 a two-cylinder two-stroke piston engine according to the invention in a view perpendicular to the central axis. The crankshaft is equipped with a gear ( 9 ), which has a balance shaft ( 10 ) drives. The balance shaft ( 10 ) in the V is the cylinder ( 7A . 7B ) housed. As shown, it can be carried out in a particularly space-saving manner by distributing the balancing mass to two balancing weights, of which one balancing weight (not visible here) behind the cylinders ( 7A . 7B ) and a balance weight ( 11B ) is arranged in front of the cylinders, and by a balance weight ( 11B ) is designed as a gear.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 202015006107 U1 [0002]DE 202015006107 U1 [0002]

Claims (7)

Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (7) eine gemeinsame Kurbelgehäuse-Ladepumpe nutzen und die Kolben (6) der Zylinder (7) die jeweiligen oberen Totpunkte mit einem Versatz zwischen 15° und 60° Kurbelwellenumdrehung erreichen.Two-cylinder two-stroke reciprocating engine, characterized in that the cylinders (7) use a common crankcase charge pump and the piston (6) of the cylinder (7) reach the respective top dead centers with an offset between 15 ° and 60 ° crankshaft revolution. Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (2) nur einen Hubzapfen (3) hat.Two-cylinder two-stroke reciprocating engine according to the preceding claim, characterized in that the crankshaft (2) has only one crank pin (3). Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beide Pleuel (4) auf einer Ebene angeordnet sind.Two-cylinder two-stroke piston engine according to the preceding claim, characterized in that both connecting rods (4) are arranged on one plane. Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (7) nicht gleich sind.Two-cylinder two-stroke piston engine according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cylinders (7) are not equal. Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit einer Ausgleichswelle (10) versehen ist.Two-cylinder two-stroke reciprocating engine according to at least one of the preceding claims, characterized in that the motor is provided with a balance shaft (10). Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichswelle (10) zwischen den Zylindern (7) angeordnet ist.Two-cylinder two-stroke reciprocating engine according to the preceding claim, characterized in that the balancing shaft (10) between the cylinders (7) is arranged. Zweizylinder Zweitakt-Hubkolbenmotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichswelle mit zwei Ausgleichsgewichten (11) versehen ist, die sich jeweils seitlich neben den Zylindern (7) befinden.Two-cylinder two-stroke reciprocating engine according to the preceding claim, characterized in that the balancing shaft is provided with two balancing weights (11) which are located laterally next to the cylinders (7).
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