DE19827250B4 - Zweitakt-Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Zylindern, mit von einem Kolben gesteuerten Ein- und Auslassschlitzen, die nahe dem Kolbenboden in dessen unterer Totpunktstellung angeordnet sind, mit tangential oder annähernd tangential und schräg nach oben gerichteten Einströmkanälen, die verschiedene Neigungswinkel aufweisen können, die aber so groß sind, dass ein einströmendes Frischgas oberhalb der Auslassschlitze vorbeiströmt und eine schraubenförmige Spülströmung des Frischgases im Zylinder eingeleitet wird, wobei die Einstrtinkanäle (E) in Länge und Querschnitt so ausgelegt sind, dass das durch sie in den Zylinder (1) einströmende Frischgas (4) die gleiche oder zumindest annähernd gleiche Richtung und Neigung (N) aufweist wie die der Mündung des jeweiligen Einströmkanals in den Zylinder und die Einströmkanäle (E) bezüglich des Zylinders tangential oder annähernd tangential und teilweise zur Zylindermitte hin gerichtet (Richtung) sind und gleichzeitig eine Neigung (N) von etwa 15 bis 75 Winkelgrad zur Zylinderachse zum Zylinderkopf hin aufweisen sowie Querschnitt, Querschnittsverlauf, Richtung, Neigung (N) der...

Description

• Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff Anspruch 1. Es ist bekannt, dass der bei Zweitaktmotoren mit kolbengesteuerten Spülschlitzen und äußerer Gemischbildung deutlich höhere Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu Viertaktmotoren, im wesentlichen eine Folge der sogenannten Spülverluste ist, die sich dadurch ergeben, dass ein Teil des Frischgases aus Luft und Kraftstoff während des Spülvorganges direkt von den Einlass- oder Überströmkanälen in den Auslasskanal strömt, ohne an der Verbrennung während des Arbeitsspieles teilzunehmen. Die wirksamste Maßnahme zur Vermeidung dieser Spülverluste ist die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder. Für die Gemischbildung und -aufbereitung im Zylinder steht aber damit nur eine wesentlich kürzere Zeit zur Verfügung als bei Verbrennungsmotoren mit äußerer Gemischbildung, beispielsweise durch einen Vergaser. Bei schnelllaufenden Diesel- und Ottomotoren mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder ist deshalb eine gerichtete Ladungsbewegung, vorzugsweise ein Drall, zur Verbesserung und Beschleunigung der Gemischbildung im Zylinder erforderlich oder zumindest von großem Vorteil [Urlaub, A.: Verbrennungsmotoren; Springer Verlag 2. Aufl. 1994 S. 96-99 # Fraidl, G. u.a.: Direkteinspritzung bei Ottomotoren – Aktuelle Trends und zukünftige Strategien; MTZ Motortechnische Zeitschrift 58 (1997) 2 S. 82-85].
• Das schnelllaufende Dieselmotoren mit direkter Einspritzung nur mit einem Drall der Frischladung im Zylinder möglich sind, zeigen viele Untersuchungen und die bereits in Serie gebauten schnelllaufenden Kraftfahrzeug-Dieselmotoren [Bauder, R. u.a.: Der neue V6-TDI-Motor von Audi; MTZ Motortechnische Zeitschrift 58 (1997) 10 S. 620 # Essers, U.; Prescher, K.-H. u.a.: Dieselmotorentechnik 96, expert Verlag (Kontakt und Studium Bd. 505) S. 9, 20-22]. Bekannte Vielstoffmotoren, Hybridverbrennungsverfahren mit Ladungsschichtung und ungeteiltem Brennraum [Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau; 16. Aufl. P60-P62 und 18. Aufl. P64-P65] sowie verschiedene Magergemisch-Konzepte [Bosch: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch 22. Aufl. S. 434] und Ottomotoren [Frey, J. u.a.: Die neuen Vierzylinder-Ottomotoren für die Mercedes-Benz A-Klasse; Sonderausgabe der ATZ (Automobiltechnische Zeitschrift) und MTZ (Motortechnische Zeitschrift) 1997 S. 66] arbeiten ebenfalls mit einem Drall der Frischladung.
• Bei einer Reihe von bekannten Verbrennungsverfahren ist eine variable Drallsteuerung, beispielsweise ein hoher Drall bei Teillast sowie ein geringer Drall und ein guter Füllungsgrad bei hoher Last, von besonderem Vorteil. Für Viertaktmotoren ist dafür das CBR-Verfahren (Controlled Burn Rate) bekannt, das einen Tangentialkanal für starken Drall und einen drosselbaren Neutralkanal mit geringem Drall aufweist [Sonderausgabe ATZ (Automobiltechnische Zeitschrift)/MTZ (Motortechnische Zeitschrift) – Engineering Partners 94/95 – S. 36:]. Bereits in Serie gebaute Vierventil-Fahrzeugdieselmotoren mit Direkteinspritzung haben dafür im Zylinderkopf einen Drallkanal und einen drosselbaren Füllungskanal [Weltpremiere – Opel stellt Pkw-Diesel mit Direkteinspritzung und Vierventiltechnik vor; Zeitschrift Krafthand 1996 Heft 16 S. 966-969 # Christmann, U. u.a.: Die neuen Ecotec-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung von Opel; MTZ Motortechnische Zeitschrift 58 (1997) 9 S. 472-474 # Klingmann, R u.a.: Der neue Vierzylinder-Dieselmotor OM611 mit Common-Rail-Einspritzung; MTZ 58 (1997) 11 S. 652-654 und 12 S. 760-765]. Bekannte Viertakt-Ottomotoren mit direkter Einspritzung arbeiten ebenfalls mit drosselbaren Füllungskanälen [Kittler, E.: Benzin-Direkteinspritzer aus Japan; Zeitschrift "mot" Nr. 26/1997 S. 82-83]. Beim sogenannten VTEC-System (Variable Valve Timing und Lift Electronic Control) [Zeitschrift "mot" 1/1995 Spezial S. 71 ] wird mit variablen Steuerzeiten und variablem Ventilhub ebenfalls ein starker Drall bei Teillast und ein geringer Drall bei Volllast erreicht, wofür aber ein hoher konstruktiver Aufwand erforderlich ist.
• An sich ist es für die im Motorzylinder ablaufende Gemischbildung und -aufbereitung unerheblich ob der Ladungswechsel nach dem Viertaktprinzip oder durch Spülung im Zweitaktprinzip erfolgt. Entscheidend ist dabei die gerichtete Bewegung der Frischladung (Frischgas plus unvermeidliches Restgas) im Zylinder während der Einspritzung, Gemischbildung und Verbrennung.
• Bei Zweitaktmotoren mit Schlitzspülung konnten diese hinsichtlich Kraftstoffverbrauch sehr günstigen Verbrennungsverfahren bisher jedoch nicht angewandt werden, da es, bedingt durch die für den Ladungswechsel erforderliche Spülströmung, nicht möglich war, mit den bekannten Spülverfahren auch einen Drall der Frischladung zu realisieren [Krämer, M. u.a.: Der 2-Takt DE-Dieselmotor mit Common-Rail-Einspritzung als Antrieb für Personenkraftwagen; 18. Internationales Wiener Motorensymposium 1997, VDI-Fortschrittsberichte Reihe 12 Nr. 306 insb. S. 88, 90, 96, 99].
• Ein Zweitaktmotor benötigt bekanntlich zur Erzeugung des erforderlichen Spülgefälles vom Frischgas zum Abgas eine Spülpumpe zum Vorverdichten des Frischgases, wozu bei den bekannten schnelllaufenden Ottomotoren, bei einer besonders einfachen und häufig verwendeten Ausführung die Kolbenunterseite in Verbindung mit einem hinsichtlich Schadvolumen minimierten Kurbelgehäuse verwendet wird [Bosch 22. Aufl. S. 377]. Diese Motoren mit Kurbelgehäusepumpe können jedoch nicht mit Drucköl geschmiert werden, da immer ein Teil des Schmieröles mit dem Frischgas in den Zylinder befördert wird, so dass eine sogenannte Frischölschmierung erforderlich ist. Durch das unverbrannte oder nur unvollkommen verbrannte Schmieröl im Zylinder, und infolge der Spülverluste auch im Auspuff, wird die Schadstoffemission erhöht und es entsteht der bekannte Blaurauch. Außerdem ist die geförderte Menge Frischgas begrenzt, auch wenn der an sich geringe Liefergrad der Kurbelgehäusepumpe durch Ausnutzung von Schwingungen in der Ansaugleitung deutlich verbessert werden kann.
• Aus der AT 123 722 A ist ein sogenanntes Schlitzspülverfahren für Zweitaktbrennkraftmaschinen mit oder ohne Überladung bekannt, bei welchem dem Spülmittel eine an der Zylinderwand kreisende, gegen die eine Stirnfläche gerichtete, schraubenförmige Strömung erteilt wird, wodurch das Spülmittel in Form eines geschlossenen, sich drehenden Mantels gegen den Zylinderboden strömt, während die Auspuffgase aus der Mitte des Zylinders in der Richtung gegen den Arbeitskolben strömen und am ganzen Zylinderumfang in zur Zylinderachse symmetrischen Strömen abgeleitet werden. Bei der sich dabei ergebenden Spülströmung, d.h. Frischgas schraubenförmig als geschlossener Mantel Richtung Zylinderkopf und ein zentraler Abgasstrom in entgegengesetzter Richtung, entstehen große Berührungsflächen zwischen in entgegengesetzter Richtung strömendem Spülmittel und Abgas, so dass ein gegenseitiges Abbremsen sowie eine starke Verwirbelung und Vermischung von Frischgas und Abgas zu erwarten ist. Damit muss bei diesem Schlitzspülverfahren davon ausgegangen werden, dass zumindest bei geringem Spülgefälle und damit geringer Einströmgeschwindigkeit, z.B. bei Teillast, der schraubenförmige Frischgasstrom den Bereich des Zylinderkopfes nicht erreicht, so dass sich bei einem Ottomotor kein zündfähiges Gemisch im Bereich der Zündkerze bilden kann und bei einem Dieselmotor nicht genügend Luft bzw. Sauerstoff vorhanden ist, um eine einwandfreie Zündung und Verbrennung zu erreichen. Da bei dem in der AT 123 722 A beschriebenen Schlitzspülverfahren außerdem die Spülkanäle früher als die Auspuffkanäle vom Kolben freigelegt werden, muss die Zuleitung d.h. die Steuerung des Spülmittels durch ein oder mehrere selbsttätige oder gesteuerte Öffnungsorgane erfolgen. Dafür ist aber ein erheblicher konstruktiver und baulicher Aufwand erforderlich, so dass die bekannte und vorteilhafte Einfachheit schlitzgesteuerter Zweitaktmotoren nicht mehr gegeben ist, wo die Steuerung des Gaswechsel durch die Kolbenoberkante an den Steuerschlitzen (Einlass und Auslass) erfolgt.. Es darf sicher angenommen werden, dass dies die wesentlichen Gründe sind, warum diese Spülverfahren nie praktisch angewandt wurden. Aus der DE 557 952 ist eine Zweitakt-Brennkraftmaschine bekannt, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine Drehbewegung der Verbrennungsluft auch bei solchen Maschinen zu erreichen, bei denen die Schlitze aus besonderen Gründen, z.B. zwecks Erzielung einer Querspülung, so gerichtet sind, dass die durch diese Schlitze in den Zylinder eintretenden Teilströme einen resultierenden Strom ohne Drehbewegung erzeugen. Gemäß der Erfindung soll die Aufgabe dadurch gelöst werden, dass die die Drehung der Zylinderladung erzeugenden Teilströme durch einen oder mehrere Zusatzschlitze a(1) einströmen, die durch Höherziehen eines oder mehrerer Hauptschlitze gebildet sind. Es wird demnach versucht, bei einer Spülung ohne Drall (Querspülung) mit einem zusätzlichen, zwangsläufig geringen Teilstrom durch höhergezogene Zusatzschlitze a(1) eine Drehbewegung (Drall) der Zylinderfrischladung zu erreichen. Es erscheint strömungstechnisch unmöglich, dass der Teilstrom aus dem Zusatzschlitz a(1) tatsächlich den in den 1 und 2 dargestellten Verlauf nimmt, d.h. quer durch den Zylinder strömt und dann auch noch genügend Geschwindigkeit und kinetische Energie hat, um am Zylinderdeckel umgelenkt zu werden und eine nennenswerte Drehbewegung der Zylinderladung zu bewirken. Denn wenn beim Abwärtsgang des Kolbens der Zusatzschlitz freigegeben wird, ist der Zylinder noch weitgehend mit Verbrennungsgasen mit relativ hohem Druck gefüllt und wenn beim Aufwärtsgang des Kolbens nur mehr durch die zwangsläufig sehr kleinen Zusatzschlitze a(1) Frischgas einströmen kann, ist der Zylinder fast vollständig mit dem durch die Spülung (Querspülung) eingebrachten Frischgas ohne Drehbewegung gefüllt. Es kann mit Sicherheit davon ausgegangen werden, dass es nicht möglich ist, mit einem kleinen Teilstrom wie er durch die Fläche der Zusatzschlitze gegeben ist, die gesamte oder auch nur einen wesentlichen Teil der Zylinderladung in eine nennenswerte Drehbewegung zu versetzen. Auch eine Regelung des Dralles ist mit dieser Anordnung der Einlassschlitze und Einströmkanäle sicher nicht möglich.
• Aus der DE 193 900 B ist eine sogenannte Schrauben-Umkehrspülung bekannt, bei der durch entsprechende Anordnung und Neigung der Einlasskanäle beim Spülvorgang ein geschlossener Frischluftmantel über der ganzen Zylinderfläche, bei gleichzeitigem Verdrängen der Abgase in den Zylinderkern und von dort zu den Auslassschlitzen erreicht werden soll. Nachteilig ist dabei, dass zwischen dem schraubenförmig nach oben strömenden Frischgas und dem in Zylindermitte zusammengedrängten und in Gegenrichtung nach unten strömenden Abgas eine sehr große Berührungszone entsteht, wo sich Frischgas und Abgas wegen der entgegengesetzten Strömungsrichtung zwangsläufig gegenseitig bremsen und mischen werden. Es muss daher davon ausgegangen werden, dass zumindest bei Teillast und geringer Einströmgeschwindigkeit das Frischgas nicht bis zum Zylinderkopf gelangt und somit bei einem Ottomotor kein zündfähiges Gemisch im Bereich der Zündkerze und bei einem Dieselmotor nicht genügend Frischgas bzw. Sauerstoff für eine einwandfreie Zündung und Verbrennung des Kraftstoffes vorhanden ist.
• Der Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff Anspruch 1 die Anordnung und Gestaltung der Spülkanäle und Spülschlitze, der Einströmkanäle und Einlassschlitze sowie eine variable Drallsteuerung des Frischgases so auszuführen, dass mit der damit entstehenden Spülströmung des Frischgases neben einer effektiven Spülung des Zylinders auch ein für die Realisierung der vorgenannten Verbrennungsverfahren für Diesel-, Otto- und Hybridmotoren oder ähnlicher Verbrennungsverfahren erforderliche Drall der Frischladung in allen Lastbereichen (Volllast, Teillast, Leerlauf) dargestellt und realisiert werden kann. Gleichzeitig soll auch die vorerwähnte Frischölschmierung vermieden werden, wozu eine externe Spülluftpumpe verwendet und mit einem Lader oder Aufladesystem zu einer integrierten Aufladung zusammengefasst wird.
• Ausgehend von einer Zweitakt-Brennkraftmaschine der eingangs angeführten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das in den Zylinder einströmende Frischgas durch im wesentlichen tangential oder annähernd tangential und teilweise etwas zur Zylindermitte hin gerichtete und mit etwa 15-75 Winkelgrad nach oben zum Zylinderkopf hin geneigte, ausreichend lange Einströmkanäle so geführt wird, dass es nach Eintritt in den Zylinder die gleiche Richtung und Neigung aufweist wie die Einströmkanäle und infolge der Fliehkraft und Umlenkung mit teilweiser Wandanlehnung an der Zylinderwand, entsprechend der Neigung des Einströmkanals, schraubenförmig direkt in Richtung Zylinderkopf strömt, wobei der Weg in Umfangsrichtung in der Regel kleiner, aber zumindest nicht wesentlich größer ist als der Umfang des Zylinders. Beim Auftreffen auf die Wand des Zylinderkopfes wird der Frischgasstrom zwangsläufig in Umfangsrichtung umgelenkt und damit eine Drehung um die Zylinderachse eingeleitet und der durch die schraubenförmige Strömung gegebene Drall verstärkt. Nachdem das Frischgas mit teilweiser Wandanlehnung an der Zylinderwand und am Zylinderkopf den oberen Teil des Zylinders in Umfangsrichtung durchströmt hat und auf das weiter in der beschriebenen Weise nachströmende Frischgas trifft, wird es sich mit diesem teilweise mischen, in Umfangsrichtung weiter strömen und zunächst den oberen Teil des Zylinders ausfüllen. Durch das weiter wie beschrieben nachströmende Frischgas wird die in einer Drehung befindliche Frischgasmenge stetig vergrößert und sich etwa schraubenförmig nach unten und damit Richtung Auslassschlitz (e) ausbreiten und so den Zylinder von oben nach unten mit Frischgas füllen, das eine Drehbewegung um die Zylinderachse d.h. einen Drall aufweist.
• Da die Auslassschlitze bereits vor den Einlassschlitzen vom Kolben freigegeben werden, ist nicht nur der Druck im Zylinder weitgehend abgebaut, wenn die Einlassschlitze vom Kolben freigegeben werden, sondern durch die Richtung Auslass strömenden Abgase wird auch eine Sogwirkung vorhanden sein, wodurch das Verdrängen der Verbrennungsgase durch das einströmende Frischgas begünstigt wird. Da dieses sowohl auf seinem Weg zum Zylinderkopf als auch beim weiteren Füllen des Zylinders von oben nach unten die Abgase in etwa der gleichen Richtung verdrängt und somit keine Strömungen von Frischgas und Abgas direkt in Gegenrichtung auftreten, kann man davon ausgehen, dass die Vermischung von Frischgas und Abgas relativ gering ist und die Frischladung nur relativ wenig Abgas (Restgas) enthält, und somit eine bessere Füllung des Zylinders mit Frischgas mit geringen Spülverlusten erreicht werden kann. Während des Spülvorganges ist der Abgasgegendruck nach dem Zylinder nicht konstant, sondern das Abgassystem wird in der Regel so ausgelegt, dass er gegen Ende des Spülvorganges zunimmt und im Zeitraum zwischen Schließen der Einlassschlitze und der Auslassschlitze etwas höher als im Zylinder ist, um ein Ausschieben des Frischgases in die Abgasleitung zu verhindern und ggf. beim Spülvorgang in die Abgasleitung gelangtes Frischgas wieder in den Zylinder zurückzuschieben. Um den gewünschten Verlauf des Abgasgegendruckes zu erreichen, können auch alle an sich bekannten last- und/oder drehzahlabhängigen Auslasssteuerungen wie pneumatische Flachschieber oder Walzensteuerungen eingesetzt werden. Legt man einen solchen Druckverlauf auch der erfindungsgemäßen Ausführung des Spülsystems zugrunde, wird nach UT (Unterer Totpunkt) und Aufwärtsbewegung des Kolbens durch den ansteigenden Abgasgegendruck der Ausströmvorgang langsamer und kommt bei richtiger Auslegung des Systems zum Stillstand bevor nennenswerte Mengen des Frischgases in die Abgasleitung gelangen. Nachdem bei der erfindungsgemäßen Ausführung eines schlitzgespülten Zweitaktmotors vorwiegend eine direkte Einspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder in Frage kommt, sind die dabei noch entstehenden, geringen Spülverluste aber nur insofern von Bedeutung, weil dieses Frischgas vom Spülsystem gefördert und vorverdichtet werden muss. Durch entsprechende Wahl der Parameter, im wesentlichen Neigung, Richtung, Querschnitt und Querschnittsverlauf des Einströmkanals und des Einlassschlitzes, Abstand zwischen Einlass- und Auslassschlitz sowie dem Druck des Frischgases vor Zylinder (Spüldruck), der zusammen mit den Querschnitt des Einströmkanals und Einlassschlitzes die Einströmgeschwindigkeit bestimmt, kann die erfindungsgemäße Ausführung den geometrischen Abmessungen des Zylinders, insbesondere dem Hub-/Bohrungsverhältnis und der Drehzahl angepasst und vor allem die Stärke des Dralles für das jeweilige Gemischbildungs- und Verbrennungsverfahren optimiert werden. Dabei bewirken, bei gleicher Einström- und Strömungsgeschwindigkeit, Einströmkanäle mit großem Neigungswinkel und entsprechendem Auftreffwinkel des Frischgases auf den Zylinderkopf, eine kleinere Geschwindigkeit des Frischgases in Umfangsrichtung als solche mit kleinerem Neigungs- und Auftreffwinkel. Will man beispielsweise einen gleichmäßigen Drall erreichen, muss die Strömungsgeschwindigkeit des Frischgases in Umfangsrichtung nach der Umlenkung am Zylinderkopf entsprechend dem abnehmenden Radius zur Zylindermitte hin abnehmen und somit die Neigung des einströmenden Frischgases und damit des Einströmkanals zur Zylindermitte hin entsprechend zunehmen. Wird dagegen ein zur Zylindermitte hin zunehmend stärkerer Drall gewünscht, beispielsweise um einen stärkeren Drall im Bereich einer Brennraummulde im Zylinderkopf oder Kolben zu erreichen, muss der Einströmkanal eine gleiche oder außen stärkere Neigung (Steigung) aufweisen.
• Wird aber ein stärkerer Drall in der Randzone gewünscht, beispielsweise im Bereich einer außermittig angeordneten, bis nahe an die Zylinderwand reichenden Brennraummulde im Zylinderkopf, muss der Einströmkanal "außen" eine geringere Neigung aufweisen.
• Um eine gleichmäßige Verteilung des Frischgases im Zylinder zu erreichen, soll die Außenwand des Einströmkanals tangential oder annähernd tangential und die Innenwand mehr zur Zylindermitte hin gerichtet sein. Die dadurch zunehmende Breite des Einströmkanals, die bei gleichbleibender Höhe des Einströmkanals eine Vergrößerung des Querschnitts ergeben würde, kann ggf. durch eine entsprechende Verringerung der Höhe des Einströmkanals vermieden und damit die Strömungsgeschwindigkeit etwa konstant gehalten werden.
• Durch unterschiedliche Höhen des Querschnittes des Einströmkanals und des Einlassschlitzes kann der Frischgasstrom, den Erfordernissen des jeweiligen Gemischbildungsverfahrens entsprechend, entweder mehr in Zylindermitte oder zur Zylinderwand hin konzentriert werden. Wird ein verstärkter Frischgasstrom mehr in der Zylindermitte, beispielsweise zur intensiveren Spülung im Bereich einer Brennraummulde im Zylinderkopf oder im Kolben gewünscht, so kann der Kanalquerschnitt mit einer zur Zylindermitte hin gleichen oder zunehmenden Höhe ausgeführt werden. Dementsprechend ergibt sich damit auch ein Einlassschlitz mit unterschiedlicher Höhe, d.h. die Oberkante des Einlassschlitzes ist entsprechend geneigt.
• Um nach diesen Gesichtspunkten einen für die jeweilige Einspritzung und Gemischbildung optimalen Drall und Drallverlauf sowie eine entsprechende Verteilung des Frischgases im Zylinder zu erreichen, kann der Einlasskanal mit verschieden geneigten und gerichteten, sowie gekrümmten und schraubenförmigen Wänden ausgeführt werden, ähnlich wie die sogenannten Drallkanäle von Viertaktmotoren.
• Selbstverständlich ist es unerheblich ob die Einlasskanäle nach "rechts" oder "links" geneigt sind und ein Drall im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn erzeugt wird.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich durch die Anordnung von Trenn- bzw. Zwischenwänden im Einströmkanal, insbesondere im Mündungsbereich in den Zylinder, die wie Leitschaufeln wirken und das Frischgas in die gewünschte Richtung lenken. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist die Anordnung von zwei oder mehr getrennten Einströmkanälen, insbesondere mit verschiedenen Neigungen, Richtungen, Querschnitten und Querschnittsverläufen, die wie beschrieben optimiert werden, um einen optimalen Drall bzw. Drallverlauf und eine entsprechende Verteilung des Frischgases im Zylinder zu erreichen. Dazu können die Einströmkanäle auch mit unterschiedlichen Höhen und damit unterschiedlichen Öffnungszeiten des Einlassschlitzes und in Längsrichtung düsenförmig, d.h. mit einem in Richtung Zylinder kontinuierlich zu- oder abnehmenden Querschnitt ausgeführt werden. So kann beispielsweise bei Anordnung von zwei Einströmkanälen ein Einströmkanal tangential oder nahezu tangential und der andere davon abweichend mehr zur Zylindermitte hin gerichtet und die Einströmgeschwindigkeiten durch entsprechenden Querschnittsverlauf so abgestimmt sein, dass sich die beiden Frischgas-Teilströme ergänzen. Wird der mehr zur Zylindermitte hin gerichtete Einströmkanal mit gleicher oder einer geringerer Neigung und größerem Querschnitt ausgeführt, kann bei entsprechender Anordnung am Umfang des Zylinders, beispielsweise im Bereich einer Brennraummulde im Zylinderkopf oder Kolben eine intensivere Spülung und ein verstärkter Drall erreicht werden.
• Die Anordnung der Einlassschlitze und Einströmkanäle kann aber auch dahingehend variiert und optimiert werden, dass bei Mehrzylindermotoren ein möglichst geringer Zylinderabstand und eine symmetrische Anordnung der Spülschlitze erreicht wird, womit Wärmespannungen vermieden oder zumindest verringert werden können.
• Eine weitere Optimierung der Drallströmung des Frischgases und der Frischladung für verschiedene Belastungen mit unterschiedlichem Luftdurchsatz erfolgt durch Anordnung von zwei oder mehr, verschiedene Richtungen und Neigungen aufweisende Einströmkanäle, die teilweise als sogenannte Drallkanäle mit geringer Neigung für starkem Drall und teilweise als sogenannte Füllungskanäle mit großer Neigung für entsprechend geringen Drall ausgeführt sowie vorzugsweise die Füllungskanäle mit Drosseleinrichtungen, beispielsweise Drosselklappen, versehen werden, womit der Frischgasstrom in den jeweiligen Einströmkanälen ganz oder teilweise gedrosselt werden kann.. Durch Drosselung einzelner Einströmkanäle oder unterschiedliche Drosselung der einzelnen Einströmkanäle kann, mit konstruktiv einfachen Mitteln, der Drallverlauf der gesamten Zylinderladung, der sich nach Vermischung der Frischgasströme aus den verschiedenen Einlasskanälen einstellt, auch den Erfordernissen der Gemischbildung bei verschiedenen Belastungen mit unterschiedlichem Luftdurchsatz optimal angepasst und geregelt werden. So kann beispielweise durch Drosselung des Füllungskanals oder der Füllungskanäle deren Spülströme einen nur geringen Drall aufweisen, ein bei verschiedenen Verbrennungsverfahren erwünschter hoher Drall bei Teillast mit geringem Luftdurchsatz und ein geringerer Drall und eine gute Füllung des Zylinders im Vollastbereich erreicht werden. Um sicher zu verhindern, dass von einem gedrosselten Einströmkanal eine Kurzschlussströmung zum Auslasskanal entsteht, kann zwischen diesen ein ungedrosselter Einströmkanal mit relativ großer Neigung und Einströmgeschwindigkeit als sogenannter Stützkanal angeordnet werden, so dass der gesamte Frischgasstrom sicher oberhalb des Auslasskanals oder der Auslasskanäle vorbeigeführt wird. Durch die Drosselung einzelner Einströmkanäle bei Teillast, geringer Drehzahl und geringem Luftdurchsatz wird aber gleichzeitig erreicht, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit in den ungedrosselten Einströmkanal oder -kanälen erhöht und damit auch eine einwandfreie Spülströmung bei verringertem Luftdurchsatz sichergestellt wird, ohne dass nennenswerte Drosselverluste entstehen.
• In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Integration eines Aufladesystems in das Spülsystem vorgesehen. Dazu können alle, auch bei Viertaktmotoren bekannten Aufladesysteme wie mechanische Aufladung, Abgasturboaufladung, Druckwellenaufladung und dynamische Aufladung durch Ausnutzung der Dynamik der Frischgase und Abgase im Frischgas- und Abgassystem sowie Kombinationen aus diesen Verfahren verwendet werden.
• Da sowohl für die Spülung als auch für die Aufladung eine Vorverdichtung des Frischgases erforderlich ist, ist in der Regel nur ein Gebläse oder Verdichter für das integrierte Spül- und Aufladesystem erforderlich. Dies gilt insbesondere für eine mechanische Aufladung, wobei verschiedene mechanisch vom Motor angetriebene Gebläse- und Verdichterbauarten wie Kolben-, Drehkolben-, Kreisel-, Spiralverdichter verwendet werden können. Auch bei Anwendung der Abgasturboaufladung ist es möglich mit einem Lader auszukommen, wobei falls erforderlich für Start, Leerlauf und sehr kleiner Last ein zusätzlicher, an sich bekannter zu schaltbarem Elektroantrieb für den Turbolader, oder ein zusätzlich zu schaltbares elektrisch oder mechanisch angetriebenes Vorschaltgebläse oder ein parallel geschaltetes mechanisches oder elektrisches Aufladsystem verwendet werden kann, wobei für letzteres ein getrennter Einlasskanal und -schlitz vorgesehen ist oder der Drall- bzw. Stützkanal dafür verwendet wird. Um das in stationäre bzw. Beschleunigungsverhalten des Motors zu verbessern, kann die Aufladung auch in der von Viertaktmotoren bekannten Weise zwei- oder mehrstufig ausgeführt werden.
• Die Abgasturboaufladung, als Kombination von Kolben- und Strömungsmaschine, kann zu einem mechanischen oder elektrischen Turboverbundverfahren erweitert werden, wofür der schlitzgespülte Zweitaktmotor wegen seines einfachen Aufbaues und der Möglichkeit mit der erfindungsgemäßen Ausführung und Anordnung der Einströmkanäle und Einlassschlitze verschiedenste Verbrennungsverfahren zu realisieren, besonders gut geeignet ist.
• Eine Druckwellenaufladung, die auch unter der Bezeichnung Comprex bekannt ist, kann ebenfalls verwendet werden. Um einen sicheren Start und einen einwandfreien Leerlauf bzw. sehr kleine Last zu gewährleisten, ist es vorteilhaft die Druckwellenaufladung mit einer mechanischen Aufladung zu kombinieren, wobei das mechanisch oder elektrisch angetriebene System so ausgelegt wird, dass es die zum Start bzw. Leerlauf erforderliche Luftmenge liefert. Von besonderem Vorteil ist bei Verwendung eines zusätzlichen mechanischen oder elektrischen Aufladesystems die Anordnung von drei oder mehr Einlasskanälen, wobei beispielsweise der sogenannte Drallkanal oder der Stützkanal von dem mechanisch oder elektrisch angetriebenen Zusatzsystem beaufschlagt wird. Denn damit wird sichergestellt, dass das von diesem System geförderte Frischgas bis in den Bereich der Zündkerze geführt wird und eine Kurzschlussströmung von den übrigen Spülluftkanälen zum Auslass während des Startvorganges, bei Leerlauf und sehr kleiner Last vermieden wird.
• Bei der Druckwellenaufladung, der Abgasturboaufladung und dem Turboverbundverfahren sollen, analog der bekannten Stoßaufladung bei Viertaktmotoren, an eine gemeinsame Abgasleitung nur Zylinder angeschlossen werden deren Auslassschlitz-Öffnungszeiten sich nicht oder nur unwesentlich überschneiden. Bei Motoren mit vier oder mehr Zylindern sind demnach zwei oder mehr Abgassammelleitungen erforderlich, die entweder getrennt bis zum Lader bzw. der Abgasturbine oder über einen an sich bekannten Pulse-Converter zusammengeführt werden. Damit wird auch der für die Spülung vorteilhafte Druckverlauf nach Zylinder sichergestellt. Die von den Viertaktmotoren bekannte Stauaufladung kann ebenfalls angewandt werden, wenn durch entsprechende Gestaltung der einzelnen Teilstücke zwischen Zylinder und Abgassammelleitung, beispielsweise in Form von Diffusoren, ein für die Spülung des Zylinders geeigneter Druckverlauf sichergestellt wird. Ein besonderer Vorteil der mechanischen Aufladung mit Kreiselverdichtern ist der mit abnehmender Drehzahl sowie bei der Abgasturbo- oder Druckwellenladern mit abnehmender Drehzahl und Belastung des Motors fallende Lade-/Spüldruck, wodurch bei Teillast der Luftdurchsatz je Arbeitsspiel abnimmt und bei Ottomotoren das Kraftstoff-Luft-Verhältnis "Lambda" nicht so stark zunimmt als bei Motoren ohne Aufladung mit annähernd konstantem Spüldruck und Luftdurchsatz pro Arbeitsspiel. Damit ist bei diesen Motoren nur eine geringere Drosselung erforderlich, wodurch die Drosselverluste verringert und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden kann. Bei Ottomotoren mit Ladungsschichtung, mit dem Ziel bei Teillast eine Entdrosselung zur Vermeidung von Drosselverlusten zu erreichen, ist dann nur eine leichter zu realisierende, geringere Ladungsschichtung erforderlich, da das Luft-Kraftstoff Verhältnis (Lambda) auch durch den geringeren Ladedruck und damit geringeren Luftdurchsatz reduziert wird und mit abnehmender Belastung des Motors nicht so stark zunimmt wie bei Motoren ohne Aufladung.
• Bei der integrierten Aufladung mit Abgasturbolader oder Druckwellenlader wird die Energie für die Vorverdichtung der Spülluft bzw. des Frischgases zur Herstellung des Spülgefälles und zur Aufladung im wesentlichem aus dem Abgas gewonnen, womit auch gute Voraussetzungen für einen niedrigen Kraftstoffverbrauch gegeben sind.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, insbesondere bei Motoren mit höherer Aufladung und damit höherer Frischgastemperatur nach Verdichter, durch Anordnung eines dem Verdichter nachgeschalteten Ladeluftkühlers.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass damit bei schlitzgespülten Zweitaktmotoren nicht nur eine effektive Spülung des Zylinders, sondern auch eine Rotationsbewegung der Frischladung um die Zylinderachse, d.h. ein Drall und eine variable Drallsteuerung mit geringem Aufwand realisiert werden kann. Damit ist es möglich, alle von Viertaktmotoren bekannten, mit Drall arbeitenden Gemischbildungs- und Verbrennungsverfahren wie Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, Ottomotoren mit Direkteinspritzung und Ladungsschichtung mit weitgehender Entdrosselung bei Teillast, Ottomotoren mit homogenem Magergemisch, Vielstoff- und Zündstrahl- sowie Hybridverfahren auch mit schlitzgespülten Zweitaktmotoren zu realisieren.
• Mit der integrierten Aufladung ergibt sich nicht nur ein höheres Leistungspotential, sondern es kann auch die Kurbelgehäusepumpe und die Frischölschmierung entfallen und der Motor mit Gleitlagern ausgeführt und der Kolben wirksam mit Öl(Ölanspritzung) gekühlt werden. Die integrierte Aufladung kann aber auch zu einem Turboverbundverfahren erweitert werden, wozu dieser Motor wegen seines einfachen Aufbaues besonders geeignet ist.
• Im Vergleich mit Viertaktmotoren ergeben sich mit einem schlitzgespülten Zweitaktmotor mit der erfindungsgemäßen Anordnung und Gestaltung der Einströmkanäle und Einlassschlitze und der integrierten Aufladung nicht nur die bekannten Vorteile wie ein kompletter Arbeitszyklus pro Umdrehung, Wegfall der Ventile und des Steuerungsantriebes sowie innere Abgasrückführung, sondern noch eine Reihe weiterer Vorteile und Entwicklungsmöglichkeiten. So kann die Form des Brennraumes oder einer Brennraummulde im Zylinderkopf und bei Otto- und Hybridmotoren mit Direkteinspritzung die Zuordnung von Kraftstoff-Einspritzdüse und Zündkerze optimal gewählt werden, da keine Ein- und Auslasskanäle und Ventile vorhanden sind. Die bei Viertakt-Dieselmotoren meist erforderlichen Ventiltaschen im Kolbenboden, die die Drallströmung stören, können entfallen. Auch die Verwendung von hitzebeständigen Keramiken für die brennraumbegrenzenden Bauteile, insbesondere für den Zylinderkopf, ist durch dessen einfache Form ohne Ein- und Auslasskanäle wesentlich leichter möglich. Bei Ottomotoren ist durch den niedrigeren Ladedruck bei Teillast bereits eine teilweise Entdrosselung gegeben und auch im Vollastbereich ist ein Magerbetrieb mit hoher Leistung und günstigem Kraftstoffverbrauch möglich.
• Weitere Einzelheiten und die Arbeitsweise der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
• Es zeigen in schematischer Darstellung:
• 1 bis 3 die grundsätzliche Anordnung eines Einströmkanals und eines Auslasskanals am Zylinder in Ansicht, Draufsicht und isometrischer Darstellung.
• 4 den prinzipiellen Hauptströmungsverlauf der gesamten Spülströmung des Frischgases mit einer Anordnung des Einström- und Auslasskanals nach 1-3 in Ansicht in einem mittig längs geschnittenen und vor der Schnittebene durchsichtig gedachten Zylinder.
• 5 den prinzipiellen Hauptströmungsverlauf der gesamten Spülströmung des Frischgases wie 4 in Draufsicht, in einem in Höhe der Spülschlitze und Spülkanäle quer geschnittenen und darüber durchsichtig gedachten Zylinder.
• 6 den prinzipiellen Hauptströmungsverlauf der Spülströmung des Frischgases entsprechend 4 und 5 in isometrischer Darstellung, in einem durchsichtig gedachten Zylinder.
• 7 den prinzipiellen Hauptströmungsverlauf der Spülströmung des Frischgases nach den 4-6 in Wandnähe einer Abwicklung des Zylinders.
• 8 den prinzipiellen Hauptströmungsverlauf der Spülströmung des Frischgases einer Anordnung mit zwei Einströmkanälen in Draufsicht, in einem in der Höhe der Spülschlitze und Spülkanäle geschnittenen und darüber durchsichtig gedachten Zylinder.
• 9 eine Schlitzkonfiguration, wobei Ein- und Auslassschlitz bzw. Ein- und Auslasskanal teilweise übereinander angeordnet sind, in einer Abwicklung des Zylinders.
• 10 den prinzipiellen Hauptströmungsverlauf der Spülströmung des Frischgases in einem Zylinder mit teilweise übereinander angeordneter Einström- und Auslasskanal ähnlich 9 in Draufsicht, in einem in der Höhe der Spülschlitze in der Schnittebene I-I geschnittenen und darüber durchsichtig gedachten Zylinder.
• 11 eine Anordnung von drei Einströmkanälen und eines Auslasskanals in Draufsicht, in einem in der Höhe der Spülschlitze und Spülkanäle geschnittenen Zylinder. 12 die Abwicklung des Zylinders mit drei Einlassschlitzen und einem Auslassschlitz entsprechend 11, mit den Neigungswinkeln der Einströmkanäle und der jeweiligen Einströmrichtung des Frischgases.
• 13 eine integrierte Aufladung mit Turbolader oder Druckwellenlader (Comprex).
• 14 ein Turboverbund-System mit mechanisch angetriebenem Verdichter und Nutzturbine
• Bei der in den 1 bis 3 schematisch in Ansicht, Draufsicht und isometrischer Projektion dargestellten grundsätzlichen Anordnung eines Einströmkanals E und eines Auslasskanals A am Zylinder 1, ist der Einströmkanal E in Bezug auf den Zylinder 1 in Umfangsrichtung tangential und gleichzeitig zum Zylinderkopf 3 hin schräg nach oben mit dem Winkel N geneigt angeordnet und hat in der dargestellten geometrisch und konstruktiv einfachsten Form einen rechteckigen Querschnitt, konstante Steigung N und Höhe sowie parallele gerade Wände. Der Auslassschlitz A' und der Auslasskanal A, der aber keinen wesentlichen Einfluss auf den Verlauf der Spülströmung hat, ist radial angeordnet. Die Einströmrichtung des Frischgases 4 ist durch doppelte offene Pfeile und die Ausströmrichtung der Verbrennungsgase 5 ist mit einfachen Pfeilen dargestellt. Der Einströmkanal E ist bei einer realen Ausführung teilweise im Zylinderblock integriert und ggf. Einlassschlitz E' (Steueröffnung) in der Zylinderbuchse sowie Teil einer entsprechend geformten Frischgas- bzw. Ladeluftleitung. Länge und Querschnitt sind dabei insbesondere im Mündungsbereich in den Zylinder 1 so ausgelegt, dass das in den Zylinder 1 einströmende Frischgas 4 die gleiche oder zumindest annähernd gleiche Richtung und Neigung N aufweist wie der Einströmkanal E. Bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit, die im wesentlichen durch den Querschnitt des Einströmkanals E und des Einlassschlitzes E' sowie dem Druck des Frischgases 4 vor dem Zylinder bestimmt wird, ergibt sich der in den
• 4-7 vereinfacht durch "offene doppelte Pfeile" dargestellte prinzipielle Hauptströmungsverlauf der Spülströmung des Frischgases 4. Dabei zeigt die 4 diese in einem mittig (Schnittebene II-II) geschnittenen und davor durchsichtig gedachten Zylinder, die 5 die Draufsicht in einem in Höhe der Spülschlitze (Schnittebene I-I) geschnittenen und darüber durchsichtig gedachten Zylinder, die 6 die isometrische Darstellung in einem durchsichtig gedachten Zylinder und 7 die wandnahe Strömung an einem abgewickelten Zylindermantel.
• Der dementsprechende Spülverlauf bzw. der Verlauf der Spülströmung des Frischgases 4 kann am besten in mehreren Phasen beschrieben werden. Das durch den Einströmkanal E in den Zylinder einströmende Frischgas 4 wird zunächst infolge der Umlenkung durch die Zylinderwand 2 und der sich daraus ergebenden Fliehkraft mit teilweiser Wandanlehnung schraubenförmig direkt Richtung Zylinderkopf 3 strömen, wobei der Weg des Frischgases in Umfangsrichtung kleiner ist als der Umfang des Zylinders 1. Ausreichende Strömungsgeschwindigkeit vorausgesetzt, wird dann das Frischgas 4 beim Auftreffen am Zylinderkopf 3 zwangsläufig in Umfangsrichtung umgelenkt, wodurch eine Drehbewegung des Frischgases 4' eingeleitet und der infolge der schraubenförmigen Strömung vorhandene Drall verstärkt wird. Im weiteren Verlauf wird das Frischgas 4', 4'' mit Wandanlehnung am Zylinderkopf 3 und Zylindermantel 2 in Umfangrichtung weiter strömen, bis es auf das ebenfalls in der beschriebenen Weise nachströmende Frischgas 4 trifft. Dann wird sich ein Teil mit dem nachströmenden Frischgas 4 vermischen und ein Teil zur Zylindermitte hin und/oder nach unten abgedrängt werden. Beide Frischgasströme werden nunmehr zusammen als vergrößerter Frischgasstrom 4b weiter in Umfangrichtung strömen, so dass das Frischgas in Rotation gehalten wird. Durch die sich dabei stetig vergrößernde Frischgasmenge wird der Zylinder von oben her mit Frischgas gefüllt. Da bereits vor der Freigabe des Einlassschlitzes E' der Auslassschlitz A' freigegeben wird, werden die Verbrennungsgase 5, dargestellt als einfache Pfeile, bereits bei Beginn des Einströmvorganges in Richtung Auslass A' strömen und können daher leicht durch das in der beschriebenen Weise einströmende Frischgas 4 weiter in Richtung Auslass A' verdrängt werden. Gegen Ende des Spülvorganges, bei vollständig oder nahezu vollständig vom Kolben K freigegebenen Spülschlitzen (Steueröffnungen) E' und A' wird sich infolge der beschriebenen Einström- und Strömungsverhältnisse und der Sogwirkung der Richtung Auslass A' strömenden Verbrennungsgase 5 zwangläufig die in den 4 bis 7 der durch "offene doppelte" Pfeile vereinfacht dargestellte schraubenförmige Hauptströmungsverlauf des Frischgases 4, 4', 4'', 4b, 4b' einstellen.
• 8 zeigt in Draufsicht eine Anordnung von zwei Einströmkanälen E11, E12, die zum Zylinderkopf hin mit dem Winkel N11, N12 geneigt sind, und einem Auslassschlitz A1' in einem in Höhe der Spülschlitze und Spülkanäle geschnittenen und darüber durchsichtig gedachten Zylinder. Dabei ist die Außenwand 6 des Einströmkanals E11 genau tangential und die Innenwand 7 parallel dazu. Die Seitenwände 8 und 9 des Einlasskanals E21 sind mehr zur Zylindermitte hin gerichtet und im Gegensatz zu den Seitenwänden des Einlasskanals E11 gekrümmt ausgeführt, womit im Zentrum des Zylinders, beispielsweise im Bereich einer Brennraummulde, Einspritzdüse oder Zündkerze, ein stärkerer Drall erreicht werden kann. Die beiden Einströmkanäle E11 und E21 sind auch so angeordnet, dass sich die beiden Teilströme des Frischgases 411, 411' und 421, 421' ergänzen.
• 9 zeigt die Abwicklung einer Schlitzkonfiguration bei der ein Einlassschlitz E2' und ein Auslassschlitz A2' teilweise übereinander angeordnet sind.
• 10 zeigt einen entsprechend der Schnittebene I-I der Schlitzkonfiguration 9 geschnittenen und darüber durchsichtig gedachten Zylinder in Draufsicht, mit dem vereinfacht als Pfeile dargestellten Verlauf der gesamten Spülströmung des Frischgases 42, 42', 42'', 42b, 42b', 42b'' und der Verbrennungsgase 52. Eine solche Anordnung ist dann von Vorteil, wenn beispielsweise aus konstruktiven Gründen Einström- und Auslasskanal auf der gleichen Seite des Motors angeordnet werden müssen.
• In 11 ist eine Anordnung mit drei Einlasskanälen E13, E23, E33, die zum Zylinderkopf hin mit dem Winkeln N13, N23, N33 geneigt sind, in Draufsicht in einen in der Höhe der Spülschlitze und Spülkanäle aufgeschnittenen Zylinder vereinfacht dargestellt.
• 12 zeigt den abgewickelten Zylindermantel zu 11 und die Anordnung der den Einströmkanälen E13, E23, E33 zugeordneten Spülschlitze E13', E23', E33', sowie die Neigungswinkel der Einströmkanäle und des einströmenden Frischgases N13, N23, N33. Dabei weist der Einströmkanal E13 einen relativ kleinen Neigungswinkel N13 auf, so dass das durch diesen einströmende Frischgas 413 bei entsprechender Einström- und Strömungsgeschwindigkeit beim Spülvorgang einen starken Drall bekommt und dementsprechend der Einströmkanal E13 als Drallkanal bezeichnet wird. Der Einströmkanal E23 weist einen wesentlich größeren Neigungswinkel N23 auf, d.h. er ist steil zum Zylinderkopf 3 hin gerichtet und erzeugt eine Spülströmung mit nur geringem Drall und wird als Füllungskanal bezeichnet. Der Einströmkanal E33 mit dem Neigungswinkel N33 ist ebenfalls relativ steil nach oben ausgerichtet und in Umfangs-Strömungsrichtung vor dem Auslass angeordnet, so dass er auch als Stützkanal wirksam werden kann. In dem als Füllungskanal vorgesehenen Einströmkanal E23 ist eine steuerbare bzw. regelbare Drosselklappe D angeordnet, womit der Frischgasstrom 423d, 423f teilweise oder ganz gedrosselt, d.h. die einströmende Frischgasmenge gesteuert bzw. geregelt werden kann. Da der Neigungswinkel N23 des bei geöffneter Drosselklappe D aus dem als Füllungskanal bezeichneten Einströmkanal E23 einströmenden Frischgases 423d, 423f größer ist als der Neigungswinkel N13 des Frischgases 413 aus dem als Drallkanal bezeichneten Einströmkanals E13, werden sich die beiden Teilströme des Frischgases 413 und 423d, 423f teilweise mischen und sich insbesondere hinsichtlich ihrer Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit in Umfangsrichtung gegenseitig beeinflussen. Da die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung des Frischgases 423d, 423f aus dem sogenannten Füllungskanal E23 wesentlich kleiner ist als die des Frischgasstromes aus dem sogenannten Drallkanal E13, muss sich nach dem Mischvorgang für den gesamten Frischgasstrom aus 413 und 423d, 423f eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung einstellen die kleiner ist als die des Frischgasstromes aus E13. Damit wird auch der Neigungswinkel N123 und der entsprechende Auftreffwinkel N123' des Frischgasstromes 4123 am Zylinderkopf größer und die Umfangsgeschwindigkeit nach der Umlenkung am Zylinderkopf kleiner und damit der Drall der Frischladung geringer sein als der Drall, der sich dann einstellt, wenn kein Frischgas bei E23 einströmt. Demnach ergibt sich bei voll geöffneter Drosselklappe D der geringste Gesamtdrall und eine maximale Füllung des Zylinders. Der Effekt, den Drall des Frischgasstromes aus dem Drallkanal E13 zu verringern, nimmt naturgemäß mit abnehmendem Frischgasstrom 423d, 423f aus dem Füllungskanal E23 ebenfalls ab. Demnach nimmt mit zunehmender Drosselung des Füllungskanals E23 mit Hilfe der Drosselklappe D, die Wirkung des Drallkanals zu und der Drall der Frischladung wird stärker und erreicht sein Maximum wenn der Füllungskanal E23 vollständig gedrosselt ist. Damit ist es möglich, durch einfache Drosselung des Füllungskanals E23 bei Teillast und vermindertem Frischgasdurchsatz einen starken Drall und durch Öffnen der Drosselung im Füllungskanal E23 im Vollastbereich eine gute Füllung des Zylinders mit geringem Drall zu erreichen.
• Um sicher zu vermeiden, dass bei teilweise gedrosseltem Füllungskanal E23 infolge der dann geringeren Einströmgeschwindigkeit das Frischgas 423d, 423f nicht Richtung Zylinderkopf 3 sondern direkt zum Auslass strömt, ist der Einströmkanal E33 mit relativ großem Neigungswinkel N33 und kleinem Querschnitt ausgeführt, d.h. das hier mit höherer Geschwindigkeit als aus dem gedrosselten Füllungskanal E23 einströmende Frischgas 433 soll das bereits im Zylinder befindliche Frischgas vom Auslass weg in Richtung Zylinderdeckel 3 drängen bzw. die Spülströmung stützen, und so eine Kurzschlussströmung vom gedrosselten Füllungskanal E23 zum Auslass A' verhindern. Es war daher naheliegend, den Einströmkanal E13 als Drallkanal, den drosselbaren Einströmkanal E23 als Füllungskanal und den Einströmkanal E33 als Stützkanal zu bezeichnen. Da die Stützwirkung des Einströmkanals E33 vorwiegend zu Beginn des Einströmvorganges erforderlich ist, kann dieser mit kleinem Querschnitt bzw. geringer Höhe ausgeführt und die Unterkante des Einlassschlitzes und Einströmkanals E33 höher gesetzt werden als die der Einströmkanäle E13 und E23.
• Damit kann erreicht werden, dass die Stützwirkung bereits bei Beginn des Spülvorganges ausreichend wirksam ist, aber die Frischgasmenge der Stützströmung begrenzt bleibt.
• Die Optimierung des Dralles für das jeweilige Verbrennungsverfahren kann somit für den Vollastbereich im wesentlichen durch entsprechende Wahl der einzelnen Querschnitte, sowie der Neigungen und Richtungen der Einströmkanäle erfolgen. Die Optimierung für den Teillastbereich kann im wesentlichen durch die Charakteristik der Drosselung gesteuert und geregelt werden. Selbstverständlich können bei größeren Motoren zur besseren Führung des einströmenden Frischgases die Einströmkanäle, wie bereits beschrieben, mit Trenn- bzw. Zwischenwänden ausgeführt oder in mehrere Teilkanäle aufgeteilt werden.
• Um sicherzustellen das beim Starten, Leerlauf und ggf. bei sehr kleiner Last des Motors und damit sehr geringem Frischgasdurchsatz das Frischgas bis zum Zylinderkopf strömt und eine einwandfreie Zündung und Verbrennung ermöglicht, kann ein zusätzliches Drosselorgan entweder im Stützkanal E33 oder Drallkanal E13 vorgesehen werden. So kann beispielsweise durch Drosselung des Stützkanals E33 zusätzlich zum Füllungskanal E23, eine Erhöhung der Einströmgeschwindigkeit beim Drallkanal E13 erreicht und damit eine gute Spülung mit Frischgas und ein starker Drall, zumindest im oberen Teil des Zylinders, beispielsweise im Bereich einer Brennraummulde im Zylinderkopf oder Kolben, bzw. von Einspritzdüse und ggf. Zündkerze sichergestellt werden. Umgekehrt bewirkt eine Drosselung des Drallkanals E13 zusätzlich zum Füllungskanal E23 eine Erhöhung der Einströmgeschwindigkeit bei E33, womit eine einwandfreie Spülung mit geringem Drall, zumindest im Bereich des Zylinderkopfes, sichergestellt wird.
• Querschnitt und Richtung der Einströmkanäle E13 und E33 sind so ausgelegt, dass auch bei gedrosseltem Einströmkanal E23 eine ausreichende Verteilung des Frischgases 413 und 433 im Zylinder erreicht wird. Mit der anhand der 11 und 12 beschriebenen Anordnung kann somit eine variable Drallsteuerung bzw. -regelung, die zur Optimierung verschiedener effektiver Verbrennungsverfahren von Diesel- und Ottomotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung erforderlich ist, mit einfachen Mitteln und geringem konstruktiven Aufwand auch bei schlitzgespülten Zweitaktmotoren realisiert werden.
• 13 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine integrierte Aufladung für eine erfindungsgemäße Ausführung der Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader ATL oder Druckwellenlader DWL und einem getrennten Aufladesystem mit einem von der Brennkraftmaschine über ein Getriebe G mechanisch angetriebenen Verdichter MV bei einem Mehrzylindermotor, wobei jeder Zylinder Z einen Drallkanal E14, einen drosselbaren Füllungskanal E24 mit einer Drosselklappe D24 zur variablen Drallregelung und einen Stützkanal E34 aufweist. Die Drallkanäle E14 und die drosselbaren Füllungskanäle E24 werden über die Leitungen LL, LL14 und LL24 vom Druckwellenlader DWL oder dem Abgasturbolader ATL bestehend aus Verdichter V und Turbine T, mit Frischgas bzw. Ladeluft beaufschlagt, wobei nach diesem bzw. vor der Brennkraftmaschine ein sogenannter Ladeluftkühler LLK angeordnet ist. Der Abgasturbolader ATL ist dabei so angeordnet, dass seine Turbine T unmittelbar von den Abgasen aus den Zylindern beaufschlagt wird, um auch die kinetische Energie der Abgase möglichst vollständig auszunützen.
• Die Stützkanäle E34 werden über die Leitung LL34 vom Verdichter MV4 mit Frischgas versorgt, der über ein Getriebe G mechanisch von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Nach dem Verdichter bzw. vor Motor ist hier ebenfalls ein Ladeluftkühler LLK34 angeordnet. Diese Anordnung bietet den besonderen Vorteil, dass beim Anlassen der von der Brennkraftmaschine mechanisch angetriebene Verdichter MV sofort Frischgas in den Zylinder fördert, wobei dieses System die für einen sicheren Start und ggf. Leerlauf notwendige Frischgasmenge liefert.
• 14 zeigt ein sogenanntes Turboverbundsystem, d.h. eine Kombination aus Kolben- und Strömungsmaschinen, mit einer erfindungsgemäßen Ausführung der Zweitakt-Brennkraftmaschine mit drei Einströmkanälen, einem Drallkanal E15, einem drosselbaren Füllungskanal E25 mit einer regelbaren Drosselklappe D25 zur variablen Drallregelung und einem Stützkanal E33 je Zylinder, mit einem mechanisch von der Brennkraftmaschine über eine entsprechende Getriebestufe G25 angetriebenen Verdichter MV5 und einer Abgas-Nutzturbine NT die über eine entsprechende Getriebestufe G15 auf die Antriebswelle der Brennkraftmaschine arbeitet. Diese Anordnung für ein Turboverbundsystem hat den besonderen Vorteil, dass nur ein Verdichter und eine Abgasturbine benötigt wird. Durch Drosselung der Füllungskanäle E25 und Drallkanäle E15 kann zudem beim Start des Verbrennungsmotors ein verstärkter Frischgasstrom im Stützkanal erreicht werden, der damit gleichzeitig als Anlasskanal benutzt werden kann. Alternativ kann durch Drosselung der Stützkanäle E35 und der Füllungskanäle E25 ein verstärkter Frischgasstrom und damit eine höhere Eintrittgeschwindigkeit in den Drallkanälen E15 erreicht werden, so dass diese als Anlasskanäle verwendet werden können, wenn für den Anlassvorgang ein Frischgas-Spülstrom mit starkem Drall gefordert wird.

Claims (15)

1. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Zylindern, mit von einem Kolben gesteuerten Ein- und Auslassschlitzen, die nahe dem Kolbenboden in dessen unterer Totpunktstellung angeordnet sind, mit tangential oder annähernd tangential und schräg nach oben gerichteten Einströmkanälen, die verschiedene Neigungswinkel aufweisen können, die aber so groß sind, dass ein einströmendes Frischgas oberhalb der Auslassschlitze vorbeiströmt und eine schraubenförmige Spülströmung des Frischgases im Zylinder eingeleitet wird, wobei die Einstrtinkanäle (E) in Länge und Querschnitt so ausgelegt sind, dass das durch sie in den Zylinder (1) einströmende Frischgas (4) die gleiche oder zumindest annähernd gleiche Richtung und Neigung (N) aufweist wie die der Mündung des jeweiligen Einströmkanals in den Zylinder und die Einströmkanäle (E) bezüglich des Zylinders tangential oder annähernd tangential und teilweise zur Zylindermitte hin gerichtet (Richtung) sind und gleichzeitig eine Neigung (N) von etwa 15 bis 75 Winkelgrad zur Zylinderachse zum Zylinderkopf hin aufweisen sowie Querschnitt, Querschnittsverlauf, Richtung, Neigung (N) der Einströmkanäle (E) und das Spülgefälle, d.h. die mittlere Differenz zwischen dem Druck des Frischgases (4) vor Eintritt in den Zylinder (1) und dem Druck des Verbrennungsgases nach dem Zylinder, so ausgelegt und abgestimmt sind, dass das einströmende Frischgas (4) mit der dem Einströmkanal (E) entsprechenden Richtung und Neigung (N) sowie ausreichend hoher Strömungsgeschwindigkeit infolge der Umlenkung an der Zylinderwand (2) und der Fliehkraft mit teilweiser Wandanlehnung schraubenförmig direkt zu einem Zylinderkopf (3) strömt, wobei es den Zylinder in Umfangsrichtung vorzugsweise weniger als einmal, aber zumindest nicht wesentlich mehr als einmal durchströmt, am Zylinderkopf (3) zwangsläufig in Umfangsrichtung umgelenkt und damit ein durch die schraubenförmige Strömung gegebener Vordrall verstärkt wird, anschließend mit teilweiser Wandanlehnung an der Zylinderwand und am Zylinderkopf in Umfangrichtung weiter strömt bis es auf das in gleicher Weise nachströmende Frischgas (4) trifft, sich mit diesem teilweise mischt und zusammen mit diesem als sich stetig vergrößernder Frischgasstrom (4b) annähernd schraubenförmig nach unten in Richtung des Auslasses ausbreitet und so den Zylinder von oben nach unten mit Frischgas füllt, das einen Drall aufweist, der auch während der Verdichtung der Frischladung, d.h. das Frischgas plus unvermeidliches Restgas, weitgehend erhalten bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Einströmkanäle (E13, E23) mit unterschiedlichen Neigungen (N13, N23) angeordnet sind, wobei ein Einströmkanal (E13) als sogenannter Drallkanal mit geringer Neigung (N13) ausgeführt ist, so dass der entsprechende Teilstrom (413) des Frischgases einen starken Drall bekommt und mindestens ein, in Umfangs-Strömungsrichtung dem ersten Einströmkanal nachgeordneter und dem Auslasskanal vorgeordneter Einströmkanal (E23), der sogenannte Füllungskanal, mit einer deutlich größeren Neigung (N23) ausgeführt ist und dessen entsprechender Teilstrom (432) dadurch einen wesentlich geringeren Drall bekommt, ein steuerbares Drosselorgan, beispielsweise eine Drosselklappe (D), angeordnet ist, womit in einem Teillastbereich die Frischgasmenge mit geringem Drall gedrosselt werden kann, wodurch der Einfluss des Frischgases mit geringem Drall abnimmt und dementsprechend der Drall im Zylinder zunimmt, was nach dadurch verstärkt wird, dass durch die Drosselung im Füllungskanal auch der Frischgasstrom im Drallkanal zunimmt, und dadurch mit einfachen konstruktiven Mitteln eine variable Drallsteuerung/ -regelung erreicht wird (11,12).
2. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung der Frischgasströmung zwischen den drosselbaren Füllungskanal oder – kanälen (E23) und dem Auslasskanal oder -kanälen als sogenannter Stützkanal ein zusätzlicher Einströmkanal (E33) mit relativ großem Neigungswinkel (N33) angeordnet ist, dessen relativ steil nach oben gerichteter Teilstrom des Frischgases (433) verhindert, dass bei gedrosseltem Füllungskanal wegen zu geringer Einströmgeschwindigkeit, Frischgas aus diesem direkt in den Auslass strömt.
3. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallkanal und/oder der Füllungskanal und/oder der Stützkanal in mehrere Teilkanäle vorzugsweise mit unterschiedlichem Querschnitten, Querschnittsverläufen, Richtungen und Neigungen aufgeteilt wird, um den Drallverlauf, die Frischgasverteilung und die variable Drallsteuerung bzw. Drallregelung für das jeweilige Gemischbildungsverfahren zu optimieren.
4. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmkanäle (E), insbesondere im Bereich der Mündung in den Arbeitszylinder mit annähernd parallel zu den Wänden angeordneten Trenn- oder Zwischenwänden versehen sind, die als Leitflächen den Frischgasstrom in Richtung und Neigung der Einströmkanäle führen.
5. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände der Einströmkanäle (E) ganz oder teilweise gekrümmte oder schraubenförmige Flächen sind.
6. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassschlitze symmetrisch zu einer durch die Mitte der Auslassschlitze oder des Auslassschlitzes und der Zylindermitte gedachten Linie oder Ebene angeordnet sind, um die Wärmespannungen gering zu halten und bei Mehrzylindermotoren einen geringen Zylinderabstand zu ermöglichen.
7. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Spülung erforderliche Spülpumpe mit einem an sich bekannten Aufladesystem zu einer integrierten Spül- und Aufladesystem zusammengefasst wird.
8. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasturbolader (ATL) verwendet wird, dessen Abgasturbine (T) entweder nach dem bekannten Prinzip der Stauaufladung oder der Stoßaufladung und Zusammenfassung von Zylindern deren Auslass-Öffnungszeiten sich nicht oder nur geringfügig überschneiden, über entsprechende Abgasleitungen mit dem Motor gekoppelt ist.
9. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für Start, Leerlauf und kleine Last oder Teillast ein an sich bekanntes, elektrisch oder mechanisch angetriebenes Vorschaltgebläse zum Verdichter des Abgasturboladers angeordnet ist.
10. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für Start, Leerlauf und kleine Last oder Teillast der Turbolader mit einem an sich bekannten elektrischen oder hydraulischen Zusatzantrieb ausgerüstet ist.
11. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Nutzleistungs-Abgasturbine angeordnet ist, deren Leistung mechanisch oder mit elektrischem Generator und Elektromotor auf die Arbeitswelle übertragen wird, womit das System zu einem mechanischen oder elektrischen Turboverbundsystem erweitert wird.
12. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass für Start, Leerlauf und ggf. kleine Last oder Teillast ein elektrisch oder mechanisch vom Motor angetriebener zusätzlicher Verdichter angeordnet ist und das von diesem geförderte Frischgas durch getrennte Einströmkanäle und -schlitze, vorzugsweise durch die Drall- oder Stützkanäle in den Zylinder geführt und damit für den Start, Leerlauf und sehr kleine Last eine stabile Spülung des Zylinders sichergestellt wird. (13)
13. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur integrierten Aufladung ein Verdichter verwendet wird, der über eine mechanische oder elektrische Drehmoment-/Leistungsübertragung von der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
14. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine durch Anordnung einer Abgas-Nutzturbine, die ihre Leistung über ein mechanisches Getriebe oder über einen Generator und Elektromotor auf die Motorwelle abgibt, zu einem Turboverbundsystem erweitert wird. (14)
15. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 oder 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im integrierten Spülluft- und Aufladesystem nach dem Verdichter oder vor dem Eintritt des Frischgases in den Motor ein sogenannter, an sich bekannter Ladeluftkühler angeordnet ist.