DE2517813C2

DE2517813C2 - Zweitaktverbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2517813C2
Application number: DE2517813A
Authority: DE
Inventors: James A. Oshkosh Wis. Meyer
Original assignee: Brunswick Corp
Current assignee: Brunswick Corp
Priority date: 1974-04-23
Filing date: 1975-04-22
Publication date: 1983-09-22
Also published as: CA1034872A; US3942489A; JPS5425967B2; BE828287A; JPS50145712A; SE7504373L; GB1457101A; DE2517813A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweitaktverbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Die Erfindung geht von dem aus der DE-AS 10 48 071 bekannten Zweitaktverbrennungsmotor aus. Bei dem bekannten Zweitaktverbrennungsmotor schneiden die in Strömungsrichtung hintersten Abschnitte der Außenwände der Einlaßkanäle die Zylinderwand unter spitzen Winkeln mit einer Querebene zur Zylinderachse. Die Schnittwinkel nehmen mit wachsendem Abstand des jeweiligen Abschnittes der Außenwand von der Auslaßöffnung ab. Die durch die Form der Einlaßkanäle bestimmte Strömungsführung der Frischgasladung des Motors führt zu hohe^r Leistung bei hohem Wirkungsgrad und niedrigen Spülverlusten. Die Einlaßkanäle verlaufen als vom Zylinder durch die Zylinderwand getrennte, schachtförmige Hohlräume im wesentlichen parallel zur Zylinderlängsachse und knicken an ihrem strömungsmäßig hintersten Ende ungefähr rechtwinklig ab. Eine derartige Einlaßkanalform läßt sich nicht mittels einfacher Gußkerne im Spritzgußverfahren herstellen, da die abknickenden Enden der Einlaßkanäle ein Herausziehen der Gußkerne für die Einlaßkanäle ^verhindern würden.

", Aus der DE-OS 15 26 462 ist ein Zweitaktverbrennungsmotor mit zum Zylinder hin offenen Einlaßkanäien bekannt. Der Zylinderblock dieses Zweitaktverbrennungsmotors läßt sich zwar in einfacher Weise in Spritzgußverfahren formen, da die Gußkerne für die Einlaßkanäle in Richtung der Zylinderachsen nach dem Gießen herausgezogen werden können, jedoch bedingt die Anordnung der Einlaßkanäle eine mangelhafte Spülung des Zylinderraumes und somit einen relativ niedrigen Wirkungsgrad dieses Zweitaktmotors.

Kolben mit runden bzw. abgerundeten Kolbenkanten sind für sich bekannt

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Zweitaktverbrennungsmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der einerseits einen hohen Füllungsgr&d hat und andererseits bei Verwendung von einfachen Gußkernen im Spritzgußverfahren hergestellt werden kann.

Dieses technische Problem wird bei einem Zweitaktverbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs durch die Merkmale des kennzeichnenden Te-Is des Hauptanspruchs gelöst

Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Zweitaktverbrennungsmotors liegt darin, daß er bei leichter Herstellbarkeit im Spritzgußverfahren durch den mit den Einlaßkanälen zusammenwirkenden Kolben eine wesentlich bessere Spülung der verbrauchten Ladung im Brennraum durch die einströmende Kraftstoff■ Luft-Ladung erfährt als dies bisher bei spritzgießbaren Zweitaktmotoren der Fall war, und dadurch bei allen Drehzahlen, insbesondere jedoch bei niedrigen Drehzahlen, einen erheblich höheren Füllungsgrad erreicht als bekannte Motoren.

Der erfindungsgemäße Motor erreicht Einströmeigenschaften, die bislang nur von Motoren erreicht wurden, deren Einströmkanäle außerhalb der Zylinderwände liegen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Motors besteht darin, daß er kompakter ist als Motoren mit Zylindern, bei denen die Einlaßöffnungen durch den Zylinderblock gehen, so daß der erfindungsgemäß ausgebildete Motor kleiner und leichter als herkömmlich konstruierte Motoren von gleicher Leistung ist Der Zweitaktmotor hat eine verbesserte Zylinder-Kolben-Anordnung mit Umkehrspülung, bei der sämtliche Einlaßkanäle offene Rinnen in der i.yl'nderwand sind und der obere, ringförmige Rand des Kolbens abgerundet ist. Der abgerundete Rand am Kolben wird mit den Spül- und Einlaß-Kanälen im Sinne einer Verminderung des Strömungswiderstandes zusammen und bewirkt, daß die einströmende Ladung waagerechter über den Kolbenkopf strömt Dadurch werden sowohl die Spülung als auch der Füllungsgrad verbessert.

Nachfolgend wirr¹ unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Querschnitt durch einen Kolben und Zylinder längs der Linie 1-1 von Fig. 2;

F i g. 2 eine Ansicht des Zylinders von unten;

F i g. 3 einen senkrechten Querschnitt durch den Zusatzkanal des Zylinders gemäß 3-3 in F i g. 2;

F i g. 4 einen senkrechten Schnitt durch einen Einlaßkanal gemäß 4-4 in F i g. 2;

F i g. 5 einen senkrechten Schnitt gemäß 5-5 in F i g. 2, der einen Einlaßkanal zeigt;

F i g. 6 eine Seitenansicht eines Kolbens;

Fig.7a ein sogenanntes Jante-Diagramm einer simulierten Spül- und Ladeströmung in einen ausführungsgemäßen Zylinder, wobei sich der Kolben am unteren Totpunkt befindet; und

F i g. 7b ein sogenanntes Jante-Diagramm des gleichen Zylinders wie bei F i g. 7a, wobei jedoch ein herkömmlicher Kolben mit einem oberen, ringförmigen, scharfen Rand im Zylinder angeordnet ist.

Zunächst wird auf die F i g. 1 und 2 Bezug genommen. Ein Zylinderblock 10 umfaßt einen Zylinderkopf 11, in dem eine Brennkammer 12 ausgebildet ist und der mit einer öffnung 13 für eine Zündkerze versehen ist In eine innere Zylinderwand 18 sind zwei Ladungs-Einlaßkanäle 15 und 16, ein Zusatzkanal 17 sowie eine Auslaßöffnung 14 eingegossen.

Im folgenden wird auf die Fig.2 und 4 Bezug genommen. Dip Einlaßkanäle 15 und 16 sind über ihre gesamte Länge zur Zylinderwand 18 offen, so daß sie offene Rinnen in der Zylinderwand bilden. Seitenwände 20 und 21 jedes Einlaßkanals sind im wesentlichen parallel zueinander und zu einer senkrechten Ebene, die einen Winkel von 58° mit einem die Auslaßöffnung 14 halbierenden Durchmesser des Zylinders bildet, und sind in Radialrichtung so angeordnet, daß sich ihre jeweiligen Längsmittelebenen in einem Bereich schneiden, der ungefähr gleichen Abstand von der Mitte des Zylinders und der Mitte der offenen Seite des Zusatzkanals 17 hat

im folgender, wird auf die Fig.4 und 5 Bezug genommen. Der obere Rand 30 jedes Ladun_es-Einlaßkanals, d. h. die Linie, entlang der das obere Ende des Einlaßkanals die Zylinderwand schneidet verläuft in Umfangsrichtung mit zunehmendem Abstand von der Auslaßöffnung 14 nach oben, und zwar unter einem Winkel von 10° zu einer Querebene, die senkrecht zur Längsachse des Zylinders liegt Die Außenwand 31 jedes Einlaßkanals schneidet die Zylinderwand 18 unter Winkeln bezüglich der Querebene, die von 10° an der von der Auslaßöffnung 14 entferntesten Ecke 32 allmählich bis zur 30° an der der Auslaßöffnung nächsten Ecke 33 zunehmen. Diese winklige Ausbildung und Krümmung ergibt sich aus dem Einsetzen eines Kernes mit konstantem Radius an seinem oberen Ende in die Wand des Zylinders. Diese Kernform erleichtert das Spritzgießen des Zylinderblocks. Alle Wände der Einlaßkanäle und des Zusatzkanals verlaufen konisch, damit das Herausziehen der beim Spritzgießen des Zylinderblock^ 10 benutzten Kerne erleichtert wird.

Im folgenden wird auf die Fig.2, 3 und 4 Bezug genommen. Der Zusatzkanal 17 liegt diametral gegenüber der Auslaßöffnung 14 und hat Seitenwände 40 und 41, die im wesentlichen parallel zueinander und zu einer senkrechten Ebene liegen, die den Zylinder 10 und den Zusatzkanai 17 halbiert. Der obere Rand 42 des Zusatzkanals 17 liegt auf einem Umfang 39 des Zylinders 10, und die Außenwand 43 des Zusatzkanals 17 schneidet eine Querebene durch diesen Umfang unter konstantem Winkel von ungefähr 60°.

Der obere Rand 62 des Zusatzkanals 17 und die oberen Ränder 30 der Einlaßkanäle sind grundsätzlich mit dem die Auslaßöffnung 14 halbierendem Umfang des Zylinders mit Ausnahme der 10°-Neigung des Randes 30 gerichtet. Sowohl die Einlaßkanäle als auch der Zusatzkanal verlaufen vollständig bis in einen Kurbelkasten 49 des Motors, wo die einzuspeisende Kraftstoff-Luft-Ladung im Laufe der üblichen Betriebsweise eines Zweitaktmotors verdichtet wird.
. Lm. folgenden wird auf Fig,6 eingegangen. Ein ausführungsgemäßer Kolben 50 'kann Ringnuten 51 für übliche Kolbenringe aufweisen, die in diesen Ringnuten in bestimmter Stellung sitzen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Stirn- bzw. Oberseite 52 des Kolbens etwas gewölbt, damit sie der Form des Brennraumes entspricht. Diese Wölbung ist jedoch zur Erzielung der Vorteile der Erfindung nicht erforderlich. Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist der abgerundete

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50 Übergang von der Seitenwand 53 des Kolbens zur Oberseite 52 des Kolbens. Diese Rundung braucht keinen bestimmten Radius zu haben, sollte jedoch die Seitenwand 53 und die Oberseite 52 mit einer deutlichen Kurve verbinden, die sowohl zur Oberseite 52 als auch zur Seitenwand 53 an den Schnittpunkten tangential verläuft Bei einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Kolben von 3937 mm Durchmesser wurden sehr günstige Ergebnisse erzielt wobei die Krümmung am oberen Rand 54 der oberen Ringnut 51 begann und sich über eine Strecke von ungefähr 2,794 mm nach oben erstreckte, wo sie in die etwas gewölbte Oberseite 52 des Kdbens überging. Obwohl keine Untersuchungen zur Beantwortung der Frage durchgeführt wurden, ob die genaue Natur dieser Krümmung in Beziehung zur Krümmung der Außenwände 31 der Einlaßkanäle im Sinne einer optimalen Anordnung gesetzt werden kann, ist es möglich, daß eine solche Beziehung bestimmt werden kam.

Es ist zu beachten, daß bei der Anwendung herkömmlicher Verfahren auf die A'.siegung eines erfindungsgemäßen Motors, d. h. bei der Entscheidung über die Abstände der Einlaß- und Auslaßöffnungen mit dem Ziel einer gewünschten Leistung in einem bestimmten Drehzahlbereich, als Steuerkante des Kolbens der Punkt genommen werden soll, an dem der gekrümmte obere Rand des Kolbens die Zylinderwand 18 verläßt und nicht der höchste Punkt einer seitlichen Projektion des Kolbens.

Die F i g. 7a und 7b zeigen Strömungsdiagramme, die in Fuß je Sekunde (feet-per-second) die Geschwindigkeiten der einströmenden Ladung an verschiedenen Stellen in einer bestimmten Ebene im oben beschriebenen Zylinder angeben. Dieses Verfahren zur Bestimmung der Strömung ist in der Abhandlung 6 80 468 von Alfred Jante, veröffentlicht von der »Society of Automotive Engineers« im Mai 1968, beschrieben und besteht im wesentlichen darin, eine Anordnung aus Druckfühlrohren quer zum Zylinder zu verteilen bzw. zu verschieben, während für einen konstanten Druckabfall über den Zylinder gesorgt wird. Die Wirksamkeit wird nicht nur durch die Kurvenverläufe und die erreichten Strömungsgeschwindigkeiten gezeigt sondern auch durch die Energie, die zum Antrieb des Gebläses erforderlich ist, damit ein bestimmter Druckabfall, — in diesem Fall 304.8 mm Wassersäule —, im Zylinder beibehalten wird. Die zur Beibehaltung dieses Druckabfalls von 304,8 mm Wassersäule im Zylinder erforderliche Energie ist in den Zeichnungen durch die Eingangsleistung d-^s Gebläses, beispielsweise als Stromstärke bei konstanter Spannung, am unteren Ende der F i g. 7a und 7b wiedei gegeben.

Ii dc.i F i g. 7a und 7b werden die Auswirkungen eines Kolbens mit scharfer, umlaufender Kante (Fig. 7b) mit den Auswirkungen eines ausführungsgemäßeir Kolbens (Fig. 7a) im gleichen, oben beschriebenen Zylinder verglichen. In beiden Fällen befand sich der Kolben am unteren Totpunkt. Fin Vergleich dieser zwei Figuren zeigt, daß dann, wenn vom scharfen, umlaufenden Rand des Kolbens zu einer ausführungsgemäßen, gekrümmten Fläche übergegangen wird, zwei Änderungen auftreten:

Die einströmende Ladung bewegt sich mit gleichmäßigerer Front durch den Zylinder; dieser experimentell festgestellte Verlauf wird allgemein für am wirksamsten gehalten; und
bei dem Kolben mit abgerundetem Ranri wirr) mphr

wird mehr Energie benötigt, um den Druckabfall von 304,8 mm Wassersäule über den Zylinder beizubehalten, was für einen geringeren Strömungswiderstand gegen die einströmende Ladung beim ausführungsgemäßen Kolben spricht.

Diese beiden Änderungen zeigen eine Verbesserung der Spülwirkung und des Spül wirkungsgrades an.

Die hier beschriebene Konstruktion kann bei einem spritzgegossenen Zylinderblock, aus übereutektischer Si-Äl-Legierung angewendet werden, wobei die Zylinderoberfläche in in der US-PS Re 27 081 beschriebenen Weise behandelt wird oder ein mit Chrom plattierter Aluminiumzylinder benutzt wird, wobei in beiden Fällen ein passendes Kolbenmaterial zur Anwendung kommt.

Es ist zu beachten, daß der Druckverlauf im ausführungsgemäßen Zylinder, wie er in F ig. 7a gezeigt ist, im Vergleich mit Druckverläufen in Motoren mit Einlaßkanälen, die gekrümmt durch den Zylinderblock verlaufen, günstig abschneidet, obwohl er mit einer einfacheren und billigeren Konstruktion erreicht wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Zweitaktverbrennungsmotor mit einem spritzgießbaren Zylinderblock, zu dem ein Kurbelkasten gehört, einem Zylinder und einem Zylinderkopf und einer Zylinderwand, die vom Kurbelkasten zum Zylinderkopf verläuft, einem Kolben, der im Zylinder hin- und herbewegt werden kann, einer durch die Zylinderwand gehenden Auslaßöffnung, mehreren Ladungs-Einlaßkanälen, die vom Kurbelkasten in den Zylinder führen, und mit einer Außenwand eines Einlaßkanales, deren in Strömungsrichtung hinterste Abschnitte die Zylinderwand unter spitzen Winkeln mit einer Querebene zur Zylinderachse schneiden, wobei diese Winkel mit wachsendem Abstand des jeweiligen Abschnittes der Außenwand von der Auslaßöffnung abnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einlaßkanal (15,16,17) eine zum Zylinder offene Rinne in der Zyltntierwand (18) mit einer sich vom Kurbeikasten (49) zum Zylinderkopf (ί 1) verjüngenden Wand (31,43) hat daß die spitzen Schnittwinkel kontinuierlich von ungefähr 30° an der der Auslaßöffnung nächsten Stelle auf ungefähr 10° an der von der Auslaßöffnung (14) entferntesten Stelle abnehmen, und daß der Kolben (50) eine Fläche aufweist, die benachbarte Randabschnitte der Seitenwand und der Oberseite des Kolbens miteinander verbindet, die gekrümmt von der Seitenwand nach oben wegläuft und nach innen zur Mitte des Kolbens verläu.. und sich an den Verbindungsstellen mit der Seitenwand und der Ob^-seite tangential zu diesen erstreckt.