DE10204689A1

DE10204689A1 - Two-stroke IC engine has compression piston for compression of air-fuel gas mixture driven by engine output shaft in synchronism with working piston

Info

Publication number: DE10204689A1
Application number: DE10204689A
Authority: DE
Inventors: Josef Zeitler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-07-17

Abstract

The engine has at least one cylinder (1) having an axially displaced working piston (3), its reciprocating movement converted into rotation of an output shaft (7), with a controlled inlet (13) for entry of an air-fuel mixture and a controlled outlet (14) for exit of the combustion gases. The inlet is provided by an overflow channel (12) coupled to a gas mixture compression space (11), provided by the cylinder space of an axial compression piston (9), driven by the output shaft in synchronism with the movement of the working piston.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor und dabei speziell auf einen nach dem Zweitakt-Prinzip arbeitenden Verbrennungsmotor gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1. The invention relates to an internal combustion engine and specifically to one Internal combustion engine operating according to the two-stroke principle according to the generic term Claim 1.

Zweitakt-Verbrennungs- oder Otto-Motoren sind in unterschiedliche Ausführungen bekannt und können bei kleiner Baugröße mit hoher Motorleistung und unter Vermeidung einer aufwendigen Ventilsteuerung hergestellt werden, finden aber insbesondere aus Gründen des Umweltschutzes, d. h. wegen der Notwendigkeit Schmieröl dem Treibstoff (Benzin) beizumischen, nur noch in beschränktem Maße Verwendung. Two-stroke combustion or Otto engines are available in different versions known and can with small size with high engine power and under Avoiding a complex valve control can be manufactured, however especially for reasons of environmental protection, d. H. because of the need Mixing lubricating oil with the fuel (petrol) only to a limited extent Use.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen nach dem Zweitaktprinzip arbeitenden Verbrennungsmotor aufzuzeigen, der diesen Nachteil vermeidet und eine hohe Lebensdauer aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verbrennungsmotor entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. The object of the invention is to work according to the two-stroke principle To show internal combustion engine that avoids this disadvantage and a high Has lifespan. An internal combustion engine is used to solve this task trained according to claim 1.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verdichterkolben ein Ringkolben, der in einem konzentrisch zum Arbeitszylinder angeordneten ringförmigen Verdichterzylinder vorgesehen und zum Verdichten und zum Zuführen des Luft-Treibstoffgemisches in den Arbeitsraum des Arbeitszylinders gegen die Wirkung von Rückstellmitteln aus einer Ausgangsstellung bewegbar ist, und zwar bevorzugt über an der Kurbel- oder Motorwelle vorgesehene Steuernocken, die mit einer Steuerfläche des Ringkolbens zusammenwirken. In a preferred embodiment of the invention, the compressor piston is on Ring piston, which is arranged in a concentric to the working cylinder annular compression cylinder provided and for compression and for feeding of the air-fuel mixture in the working space of the working cylinder against the Effect of return means is movable from a starting position, namely preferably via control cams provided on the crankshaft or motor shaft, which with interact with a control surface of the annular piston.

Da bei dem erfindungsgemäßen Motor nicht das Kurbelgehäuse zum Verdichten des frischen Luft-Treibstoff-Gemisches dient, sondern der Verdichterkolben, ist eine Beimischung von Schmieröl zum Kraftstoff nicht erforderlich. Die Schmierung der Lager der Motorwelle einschließlich der Pleullager usw. kann wie bei einem Viertaktmotor durch Motoröl erfolgen. Der Verdichterkolben und der zugehörige Zylinder können verschleißarm ausgeführt werden, so daß sich eine hohe Lebensdauer für den Motor ergibt. Since in the engine according to the invention not the crankcase for compressing the fresh air-fuel mixture is used, but the compressor piston is one It is not necessary to add lubricating oil to the fuel. The lubrication of the Bearing of the motor shaft including the connecting rod bearings, etc. can be as with a Four-stroke engine done by engine oil. The compressor piston and the associated one Cylinders can be designed with little wear, so that there is a long service life for the engine.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 und 2, die den Zylinder des Verbrennungsmotors in vereinfachter Darstellung und im Schnitt sowie in zwei 6 unterschiedlichen Betriebszuständen zeigen, näher erläutert. Developments of the invention are the subject of the dependent claims. The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 and 2, which show the cylinder of the internal combustion engine in a simplified representation and in section as well as in two 6 different operating states.

In den Figuren ist mit 1 allgemein eine Zylinderanordnung eines als Zweitaktmotor ausgebildeten Verbrennungsmotors bezeichnet. Die Zylinderanordnung 1 umfaßt einen Arbeitszylinder 2, in dem ein Kolben 3 axial verschiebbar vorgesehen ist. Der Zylinder 2 ist an seinem oberen Ende durch den in den Figuren schematisch angedeuteten Zylinderdeckel 4 verschlossen, so daß sich zwischen dem Zylinderdeckel 4 und dem Kolben 3 ein im Volumen veränderbarer Arbeits- bzw. Verbrennungsraum 5 gebildet ist. Der Kolben 3 wirkt in üblicher Weise über eine Pleuelstange 6 mit der in dem nicht dargestellten Motorgehäuse drehbar gelagerten Motor- bzw. Kurbelwelle 7 zusammen. In the figures, 1 generally designates a cylinder arrangement of an internal combustion engine designed as a two-stroke engine. The cylinder arrangement 1 comprises a working cylinder 2 , in which a piston 3 is axially displaceable. The cylinder 2 is closed at its upper end by the cylinder cover 4, which is indicated schematically in the figures, so that between the cylinder cover 4 and the piston 3, a volume-adjustable working or combustion chamber 5 is formed. The piston 3 interacts in the usual way via a connecting rod 6 with the engine or crankshaft 7 , which is rotatably mounted in the engine housing (not shown).

Der Zylinder 2 ist von einem weiteren, ringförmigen Verdichterzylinder 8 umschlossen, in welchem ein ringförmiger Verdichterkolben 9 axial verschiebbar ist, und zwar gegen die Wirkung einer Feder 10 aus einer abgesenkten unteren Hubstellung nach oben. Oberhalb des Kolbens 9 bildet der Zylinder 8 einen in seinem Volumen veränderbaren Zylinder- oder Verdichterraum 11, der über Kanäle 12 mit Einlässen 13 am Zylinder 1 in Verbindung steht, die (Einlässe) zum Zuführen des Luft- Treibstoff-Gemisches in den Arbeitsraum 5 dienen. Mit 14 ist in den Figuren auch ein Auslaß angedeutet, der zum Abführen der Verbrennungsgase dient und der mit dem nicht dargestellten Auspuff des Motors verbunden ist. Der Kolben 3 steuert in der bei Zweitaktmotoren üblichen Weise den Einlaß 13 und den bzw. die Auslässe 14. The cylinder 2 is surrounded by a further, annular compressor cylinder 8 , in which an annular compressor piston 9 is axially displaceable, namely against the action of a spring 10 from a lowered lower stroke position upwards. Above the piston 9 , the cylinder 8 forms a cylinder or compressor chamber 11 which can be changed in volume and which is connected via channels 12 to inlets 13 on the cylinder 1 which (inlets) serve to supply the air / fuel mixture into the working chamber 5 , With 14 in the figures, an outlet is also indicated, which serves to discharge the combustion gases and which is connected to the exhaust, not shown, of the engine. The piston 3 controls the inlet 13 and the outlet (s) 14 in the manner customary in two-stroke engines.

Für eine gesteuerte Bewegung des Ringkolbens 9 sind auf der Kurbelwelle 7 beidseitig von der Pleuelstange 6 zwei Nockenscheiben 15 vorgesehen, die beim Umlaufen der Kurbelwelle 7 den Ringkolben 9 gegen die Wirkung der Rückstellfeder 10 nach oben bewegen und anschließend wieder freigeben, so daß der Kolben 9 synchron mit der Bewegung des Kolbens 3, aber entgegengesetzt zu dieser Bewegung des Kolbens 3 die nachstehend noch näher beschriebene Hubbewegung ausführt. In der Fig. 1 befindet sich der Ringkolben 9 in seiner untersten Ausgangsstellung und in der Fig. 2 in einer Stellung zwischen der unteren Ausgangsstellung und einer oberen Hubstellung. For a controlled movement of the annular piston 9 , two cam disks 15 are provided on the crankshaft 7 on both sides of the connecting rod 6 , which move the annular piston 9 upward against the action of the return spring 10 when the crankshaft 7 rotates and then release it again, so that the piston 9 synchronously with the movement of the piston 3 , but opposite to this movement of the piston 3, carries out the lifting movement described in more detail below. In Fig. 1 the annular piston 9 is in its lowest starting position and in Fig. 2 in a position between the lower starting position and an upper stroke position.

In den oberhalb des Ringkolbens 9 im Zylinder 8 gebildeten Zylinderraum 11 mündet ein Anschluß 16, über den das Luft-Treibstoff-Gemisch angesaugt bzw. zugeführt wird, und zwar über ein Rückschlagventil 17. Der Kolben 9 dient in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise zur Steuerung der Zuleitung 16, insbesondere aber als Verdichterkolben zum Zuführen des Luft-Treibstoff-Gemisches über die Kanäle 12 und Einlässe 13 in den Zylinder 2 sowie zum Spülen dieses Zylinders. In the cylinder space 11 formed above the annular piston 9 in the cylinder 8 , a connection 16 opens out, via which the air / fuel mixture is sucked in or supplied, specifically via a check valve 17 . The piston 9 serves in the manner described in more detail below to control the feed line 16 , but in particular as a compressor piston for supplying the air / fuel mixture via the channels 12 and inlets 13 into the cylinder 2 and for flushing this cylinder.

Die Arbeitsweise des Verbrennungsmotors bzw. der in den Figuren dargestellten Zylinderanordnung läßt sich, wie folgt, beschreiben:
In der Fig. 1 bewegt sich der Kolben 3 entsprechend dem dortigen Pfeil A vor dem Zünden des in dem Arbeitsraum 5 komprimierten Luft-Treibstoff-Gemisches nach oben. Sobald die Einlässe 13 und Auslässe 14 durch den sich nach oben bewegenden Kolben 3 verschlossen sind, bewegt sich der Ringkolben 9 gesteuert durch die Steuernocken 15 aus einer angehobenen, den Anschluß 16 verschließenden Stellung nach unten, so daß durch die dabei folgende Vergrößerung des Volumens des Zylinderraumes 11 über den Anschluß 16 und das Rückschlagventil 17 frisches Luft- Treibstoff-Gemisch angesaugt wird. In der Fig. 1 sind die Einlässe 13 und Auslässe 14 bereits durch den Kolben 3 verschlossen, der Ringkolben befindet sich in seiner untersten Stellung. Im oberen Totpunkt des Kolbens 3 oder kurz davor erfolgt dann in üblicher Weise des Zünden des im Arbeitsraum 5 komprimierten Luft-Gas-Gemisches. The operation of the internal combustion engine or the cylinder arrangement shown in the figures can be described as follows:
In Fig. 1, the piston 3 moves according to the arrow A there before igniting the compressed air-fuel mixture in the working space 5 upwards. As soon as the inlets 13 and outlets 14 are closed by the piston 3 moving upwards, the annular piston 9 moves downwards in a controlled manner by the control cams 15 from a raised position, which closes the connection 16 , so that the resulting increase in the volume of the Cylinder chamber 11 is sucked in fresh air-fuel mixture via the connection 16 and the check valve 17 . In Fig. 1, the inlets 13 and outlets 14 are already closed by the piston 3 , the annular piston is in its lowest position. At top dead center of the piston 3 or shortly before that, the air-gas mixture compressed in the working space 5 is ignited in the usual way.

In dem darauf folgenden Arbeitstakt bewegt sich der Kolben 3 nach dem Zünden des Luft-Treibstoff-Gemisches im Arbeitsraum 5 entsprechend dem Pfeil B der Fig. 2 nach unten im Sinne eines Vergrößerns des Abstandes zwischen dem Kolben 3 und dem Zylinderdeckel 4. Gleichzeitig wird der Ringkolben 9 in entgegengesetzter Richtung nach oben bewegt (Pfeil A') der Fig. 2, wodurch nach dem Öffnen der Einlässe 13 das frische Luft-Treibstoff-Gemisch unter Druck in den Arbeitsraum 5 eintreten und hierbei auch das in diesem Arbeitsraum 5 vorhandene Verbrennungsgas über den Auslaß 14 verdrängen kann. Bei dem anschließenden Nach-Oben-Bewegen (Pfeil A) des Kolbens 3 werden die Einlässe 13 und Auslässe 14 durch diesen Kolben 3 wieder verschlossen und es erfolgt dann das Komprimieren des Luft-Brennstoff-Gemisches im Arbeitsraum 5. Sobald die Einlässe 13 durch den Kolben 3 verschlossen sind, wird der Ringkolben 9 entsprechend dem Pfeil B' der Fig. 1 wieder nach unten bewegt, um so die Zuführung 16 zu öffnen und erneut frisches Luft-Treibstoff-Gemisch über die Zuführung 16 in den sich im Volumen vergrößernden Zylinderraum 11 anzusaugen. In the subsequent work cycle, the piston 3 moves downward after the ignition of the air-fuel mixture in the working space 5 in accordance with the arrow B in FIG. 2 in the sense of increasing the distance between the piston 3 and the cylinder cover 4 . At the same time, the annular piston 9 is moved upward in the opposite direction (arrow A ') in FIG. 2, as a result of which, after the inlets 13 have been opened, the fresh air / fuel mixture enters the working space 5 under pressure and, in doing so, also in this working space 5 can displace existing combustion gas via the outlet 14 . During the subsequent upward movement (arrow A) of the piston 3 , the inlets 13 and outlets 14 are closed again by this piston 3 and the air / fuel mixture is then compressed in the working space 5 . As soon as the inlets 13 are closed by the piston 3 , the annular piston 9 is again moved downward in accordance with the arrow B 'in FIG. 1, so as to open the feed line 16 and again fresh air / fuel mixture via the feed line 16 in the to suck in the volume-increasing cylinder space 11 .

Die Vorteile des beschriebenen Zweitakt-Motors bestehen u. a. darin, daß abweichend von der üblichen Konstruktion des Zuführen des frischen Luft-Treibstoff-Gemisches nicht über einen mit einem geschlossenen Kurbelgehäuse in Verbindung stehenden Überströmkanal erfolgt, der Verbrennungsmotor also mit dem üblichen Treibstoff (z. B. Benzin) ohne Zusätze von Öl betrieben werden kann, die Schmierung der Lager für die Kurbelwelle 7, der Pleuellager, der mit dem Ringkolben 9 zusammenwirkenden Flächen der Steuernoppen 15 usw. in der bei Viertaktmotoren üblichen Form durch Motoröl erfolgen kann. Weiterhin werden durch den als Verdichterkolben wirkenden Ringkolben 9 auch ein besonders effektives Zuleiten des frischen Luft-Brennstoff- Gemisches in den Arbeitsraum 5 sowie ein optimales Spülen dieses Arbeitsraumes erreicht. The advantages of the two-stroke engine described are, among other things, that, in deviation from the usual design of supplying the fresh air-fuel mixture, it does not take place via an overflow channel connected to a closed crankcase, so that the internal combustion engine uses the usual fuel (e.g. . Gasoline) can be operated without the addition of oil, the lubrication of the bearings for the crankshaft 7 , the connecting rod bearings, the surfaces of the control knobs 15 , which interact with the annular piston 9 , etc. can be carried out in the form customary in four-stroke engines by engine oil. Furthermore, the ring piston 9 , which acts as a compression piston, also provides a particularly effective feeding of the fresh air-fuel mixture into the working space 5 and optimal flushing of this working space.

Weiterhin sind auch elastischen Elemente, wie beispielsweise Gummimembranen zum Einbringen des frischen Luft-Treibstoff-Gemisches in dem Arbeitsraum 5 vermieden die (Membranen) einen erhöhten Verschleiß unterliegen. Furthermore, elastic elements, such as rubber membranes for introducing the fresh air-fuel mixture into the working space 5, are also avoided, which (membranes) are subject to increased wear.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung tragende Gedanke verlassen wird. So ist es möglich, anstelle mehrerer Kanäle 12 einen die Achse der Zylinderanordnung 1 zumindest teilweise umschließenden Ringkanal vorzusehen, der dann über eine oder mehrere Einlaßöffnungen 13 in den Arbeitsraum 5 mündet. The invention has been described above using an exemplary embodiment. It goes without saying that numerous changes and modifications are possible without departing from the concept underlying the invention. It is thus possible, instead of a plurality of ducts 12, to provide an annular duct which at least partially surrounds the axis of the cylinder arrangement 1 and which then opens into the working space 5 via one or more inlet openings 13 .

Weiterhin ist es möglich, den Ringkolben 9 und/oder dessen Steuerung so auszuführen, daß nach dem Verschließen des Auslasses 14 über den Ringkolben 9 eine Verdichtung des Luft-Kraftstoff-Gemisches bzw. eine Aufladung des Motors erfolgt, bevor sich der Kolben 3 in die obere Hubstellung bewegt hat. Erreicht werden kann diese z. B. dadurch, daß der Auslaß 14 durch eine Steuerkante des Ringkolbens gesteuert wird, und zwar bei entsprechender Ausbildung und Anordnung des Ringkolbens und bei entsprechender Ausbildung der Steuernocken 15. Bezugszeichenliste 1 Zylinderanordnung eines Zweitakt-Motors
2 Arbeitszylinder
3 Arbeitskolben
4 Zylinderdeckel
5 Arbeits- oder Verbrennungsraum
6 Pleuelstange
7 Kurbelwelle
8 Verdichtungszylinder
9 Ringkolben oder Verdichterkolben
10 Rückstellfeder
11 Zylinderraum oder Verdichterraum
12 Kanal
13 Einlaß
14 Auslaß
15 Steuernocken
16 Anschluß
17 Rückschlagventil
Furthermore, it is possible to design the annular piston 9 and / or its control in such a way that after the outlet 14 is closed by the annular piston 9, the air-fuel mixture is compressed or the engine is charged before the piston 3 moves into the has moved the upper stroke position. Can be achieved z. B. in that the outlet 14 is controlled by a control edge of the annular piston, with the appropriate design and arrangement of the annular piston and with the appropriate design of the control cam 15th REFERENCE NUMERALS 1 cylinder assembly of a two stroke engine
2 working cylinders
3 working pistons
4 cylinder covers
5 work or combustion room
6 connecting rod
7 crankshaft
8 compression cylinders
9 ring pistons or compressor pistons
10 return spring
11 cylinder chamber or compressor chamber
12 channel
13 inlet
14 outlet
15 control cams
16 connection
17 check valve

Claims

1. Internal combustion engine with at least one cylinder arrangement ( 1 ) with a working cylinder ( 2 ) and with a piston ( 3 ) axially displaceable in the working cylinder ( 2 ), the stroke movement of which is converted into a rotary movement of a motor shaft ( 7 ), with at least one controlled inlet ( 13 ) for introducing fresh air / fuel mixture into the working space ( 5 ) and with at least one controlled outlet ( 14 ) for removing the combustion gases, the at least one inlet ( 13 ) from at least one opening of at least one overflow channel ( 12 ) is formed which is connected to a space ( 11 ) compressing the air-gas mixture, characterized in that the space compressing the air-fuel mixture is formed by the cylinder space ( 11 ) of a compressor cylinder ( 8 ), in which a compressor piston is provided (9) an axially displaceable manner, and that the compressor piston (9) in synchronism over the motor shaft (7) with the movement of the a Working piston ( 3 ) is movable.

2. Engine according to claim 1, characterized by its training as a two-stroke engine.

3. Motor according to claim 1 or 2, characterized by at least one through the piston ( 3 ) controlled inlet ( 13 ) for introducing fresh air-fuel mixture in the working space ( 5 ) and at least one through the piston ( 3 ) also controlled outlet ( 14 ) for removing the combustion gases.

4. Motor according to one of the preceding claims, that the compressor cylinder is an annular cylinder enclosing the working cylinder in a partial area ( 8 ) and the compressor piston is an annular piston ( 9 ).

5. Motor according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor piston ( 9 ) is actuated by at least one cam ( 15 ) on the motor shaft ( 7 ).

6. Motor according to claim 5, characterized by return means (10) for resetting of the compressor piston (9) in an initial position, in which the limited in the compressor cylinder (8) through the compressor piston (9) cylinder space (11) has the largest volume.

7. Motor according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor piston bears with at least one control surface against the at least one control cam ( 15 ).

8. Motor according to claim 7, characterized in that the control surface is provided on a side facing away from the compressor chamber ( 11 ) of the compressor piston ( 9 ).

9. Motor according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor piston ( 9 ) is moved in the opposite direction to the working piston ( 3 ).

10. Motor according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor piston ( 9 ) causes a charging of the working space ( 5 ) with the air-fuel mixture.

11. Engine according to claim 10, characterized in that the compressor piston ( 9 ) after closing the outlet ( 14 ) for removing the combustion gases causes a compression of the working space ( 5 ) supplied air-fuel mixture before the piston ( 3 ) the engine has reached its upper stroke position corresponding to the smallest volume of the working space ( 5 ).

12. Motor according to claim 10 or 11, characterized in that the compressor piston ( 5 ) leads the piston ( 3 ) of the engine.

13. Engine according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor piston ( 9 ) controls the outlet ( 14 ) for removing the combustion gases.