DE2831860A1

DE2831860A1 - Zweitaktmotor

Info

Publication number: DE2831860A1
Application number: DE19782831860
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Wieser
Original assignee: WIESER DR RUDOLF
Current assignee: WIESER DR RUDOLF
Priority date: 1978-07-20
Filing date: 1978-07-20
Publication date: 1980-02-07

Description

Zweit aktmot or-

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweitaktmotor mit reduziertem spezifischem Treibstoffνerbrauch.

Bei Verbrennungsmotoren bisheriger Bauart betragen die G-esamtwirkungsgrade bei Nennlast 35 - 42 $ bei Dieselmotoren und 25 - 29 % bei Benzinmotoren (Ottomotoren). lür diese schlechten Wirkungsgradwerte sind eine Reihe von Ursachen maßgebend:

Besonders bei schneilaufenden Viertaktmotoren mit Treibstoff einspritzung (z.B. Fahrzeug-Dieselmotoren) treten bei Nennlast Abgastemperaturen von ca. 80O⁰C ,auf, woraus eine beachtliche Verschlechterung des Motorwirkungsgrades (Gesamtwirkungsgrades) resultiert. Dies liegt darin begründet, daß die Treibstoffeinspritzung nicht in jenem Maße verkürzt werden kann, wie dies die hohe Motordrehzahl erfordert und es daher zu einer Verschleppung der Verbrennung kommt. Hier wäre der Übergang zu einem einfachen Zweitaktmotor wünschenswert, da diener - bei gleichen Abmessungen und gleicher Leistung - mit reduzierter Drehzahl (etwa halber Drehzahl) betrieben werden könnte. ■

Viele aufgeladene Motoren (Diesel- und Ottomotoren) arbeiten bezüglich des Antriebes der Abgasturbine nach dem sogenannten "Stoßverfahren", bei dem die Restenergie der Abgase für den Antrieb der Abgasturbine etwas besser ausgenützt wird. Dieses "Stoßverfahren" erfordert- aber eine getrennte Führung der Abgasleitungen einzerlner. Motorzylindergruppen zur Abgasturbine, was eine recht komplizierte Bauart des Motors bedingt. Trotzdem ist die Ausnützung der Energie der Motorabgase zufolge der stoßweisen Beaufschlagung der Abgasturbine nicht optimal.

Andere aufgeladene Motoren arbeiten nach dem einfacheren "Stauverfahren", bei dem die komplizierte Ausbildung der Abgasleitungen entfällt, bei denen aber ein thermodynamischer Verlust dadurch gegeben ist, daß die Druckenergie der Motorabgase nicht vollständig für den Antrieb der Abgasturbine ausgenützt

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werden kann. Hier wäre ein "Stauverfahren¹¹ erwünscht, das ohne thermodynamische Verluste arbeitet und die Energie der Motorabgase optimal ausnützt.

Nachteilig bei den derzeit angewandten Abgasturboladern ist es auch, daß bei-. Drehzahlabsenkung der Motoren der Ladedruck progressiv abfällt, was eine unerwünschte Abnahme des Motordrehmomentes zur Folge hat. Gleichzeitig ist dadurch eine Abnahme des Gesamtkompressionsverhältnisses gegeben, was den Gesamtwirkungsgrad des Motors weiter verringert. Hier wäre ein abgasgetriebenes Entspannungs-Verdichtungsaggregat erwünscht, das bei niedriger Motordrehzahl den Ladedruck wenigstens konstant hält.

Bei Benzinmotoren ist der Gesamtwirkungsgrad deswegen soviel niedriger als bei Dieselmotoren, weil das Verdichtungsverhältnis bei üblichen Motordrehzahlen nur etwa 1:9 betragen darf, da es bei höheren Verdichtungsverhältnissen zufolge der gestiegenen Verdichtungsendtemperaturen zu unzulässigen Frühzündungen kommt. Dabei erfordert schon ein Verdichtungsverhältnis von 1 : 9 den Zusatz von giftigen Additiven (Blei) zum Benzin, was die Umweltbelastung stark vergrößert.

Hier wäre ein Benzinmotor erwünscht, der mit hohem Gesamtverdichtungsverhältnis arbeitet, dessen Treibstoff keine Additive erfordert und der überdies sehr niedrige Schadstoffwerte in den Abgasen besitzt.

Weiters ist es bei den jetzigen Verbrennungsmotoren von Nachteil, daß 20 - 30 ^c/o der Treibätoffwärme in das Kühlwasser abfließen, was den Gesamtwirkungsgrad der Motoren weiter verringert .

Schließlich wäre bei den Verbrennungsmotoren eine weitere Verringerung ihrer Gewichte, Abmessungen und Preise wünschens_T wert.

Zur Vermeidung dieser Nachteile und um den genannten Forderungen zu entsprechen, wird ein Zweitaktmotor mit wenigstens einem abgasgetriebenen Entspannungs-Verdichtungsaggregat vorge-

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schlagen, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß er in jeder Zylindereinheit im Zylinderkopf wenigstens ein Einlaßventil und kurbelseitig Auslaßschlitze in der Zylinderwand bzw. Zylinderlaufbüchse besitzt und daß das Einlaßventil bzw. die Einlaßventile beim Verdichtungshub wenigstens fünf Kurbelwinkelgrade, vorzugsweise aber fünfzehn bis fünfundvierzig Kurbelwinkelgrade nach dem Verschluß der Auslaßschlitze durch den Kolben schließt bzw. schließen (Schließverzögerung des Einlaßventils).

Dieser Zweitaktmotor hat den Vorteil, daß er durch eine Nachexpansion am Ende des Arbeitshubes einen zusätzlichen Gewinn an mechanischer Arbeit bringt, wodurch ein optimaler Antrieb des abgasgetriebenen Entspannungs-Verdichtungsaggregates im "Stauverfahren" möglich ist, und daß er als Dieselmotor (bei gleicher Leistung und annähernd gleichen Abmessungen) mit reduzierter Drehzahl (etwa halber Drehzahl) betrieben werden kann, wodurch die Verschleppung der Verbrennung reduziert und so die Abgastemperatur gesenkt und der Motorwirkungsgrad gesteigert werden können. Als Benzinmotor hoher Drehzahl erlaubt der neue Motor die Reduktion von Motorgewicht, Motorabmessungen und Breis.

Nach einem anderen, wesentlichen Merkmal der Erfindung ist der neue Zweitaktmotor für Benzinverbrennung dadurch gekennzeichnet, daß in jeden Zylinder während der Verdichtungshübe Benzin oder ein Benzin enthaltendes Treibstoffgemisch eingespritzt wird, wobei diese Einspritzungen jeweils - d.h., während eines Verdichtungshubes - spätestens dreißig Kurbelwinkelgrade ,vor zylinderkopfseitigem Totpunkt, vorzugsweise aber unmittelbar nach dem Schließen des Einlaßventils bzw. der Einlaßorgane beginnen. Die Zündung des eingespritzten Benzins bzw. Benzingemisches erfolgt am Ende des Verdichtungshubes in der Nähe des zylinderkopfseitigen Totpunktes mittels elektric sehen Zündfunkens.

Durch dieee Art der Benzineinspritzung ist es gewährleistet, daß während der Zylinderspülung kein unverbrannter Treibstoff in die Abgasleitung des Zylinders gelangt - was einen Verlust darstellen würde -" und daß eine gezielte Einspritzung in einen bestimmten Teilraum des Zylinders möglich

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ist. Weiters ist es bei dieser Art der Benzineinspritzung vorteilhaft, daß ein ausreichender Zeitabschnitt für den Einspritzvorgang gegeben und die Vorverdampfung des Benzins bei gleichzeitiger Kühlung der Zylinderwände durch dieselbe möglich ist.

Nach einem weiteren Merkmal besitzt jede Zylindereinheit in an sich bekannter Weise nur ein Einlaßventil, das im zugegörigen Zylinderkopf vorzugsweise koaxial oder annähernd koaxial zur Zylinderachse angeordnet ist. Dies ermäglicht die Anwendung eines besonders großen Einlaßventils, durch das die vorkomprimierte Ladeluft .ohne große Drosselverluste in den Zylinder eintritt. Durch diese Anordnung sind auch sehr hohe Motordrehzahlen erreichbar.

In vorteilhafter Weise ist jedem Einlaßventil ein drallerzeugendes Flügelgitter zugeordnet, das seine Spindel umgibt und das vorzugsweise als separater Bauteil ausgebildet und in den Zylinderkopf eingepreßt ist. Durch die drallbehaftete Einströmung der Ladeluft in den Zylinder ist eine sehr effektive Spülung desselben möglich. Der Außenkranz des drallerzeugenden Flügelgitters enthält auch die Sitzfläche für das Einlaßventil.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist·in jedem Zylinderkopf eine zum Kolben hin offene Einspritzkammer angeordnet, die vorzugsweise scheibenähnliche Gestalt besitzt und koaxial oder annähernd koaxial zur Zylinderachse angeordnet ist. Ihr (mittlerer) Druchmesser (d) beträgt höchstens das 0,9-fache des Zylinderdurchmessers (D). Die Einspritzkammer besitzt zum Kolben hin eine Einschnürung, die vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist. In der zylinderkopfseitigen Stirnwand der Einspritzkammer ist wenigstens ein Einlaßventil angeordnet. Die Einspritzdüse und/oder die Zündkerze sind bzw. ist in der peripheren Begrenzungswand der Einspritzkammer angeordnet. Dabei ist die Achse der Einsprizdüse auf die Zündkerze hin gerichtet.

Diese Art der Einspritzkammer hat besonders für Benzinmotoren Bedeutung. Sie ermöglicht einerseits eine örtlich

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höhere ßenzinanreicherung vor dein Zünk er ze (Schicht ladung), was die Zünverhältnisse - besonders bei Teillast - sehr verbessert, andererseits ermöglicht sie die Einhaltung eines nahstöchiometrischen Treibstoff-Luftverhältnisses, was den Gesamtwirkungsgrad steigert und den Schadstoffgehalt der Abgase reduziert. Die Spülung der Einspritzkammer ist besonders gut.

Bei Ausführung des neuen Zweitaktmotors als Benzinmotor ist diesem in an sich bekanimter Weise wenigstens ein Entspannungs-Verdichtungsaggregat und wenigstens ein Ladeluftkühler zugeordnet. Dies ermöglicht die Errichtung eines G-e samt Verdichtungsverhältnisses (dies ist das Verhältnis des Kompressionsvolumens in den Zylindern zum Ansaugevolumen vor dem Ladeluftverdichter) von wenigstens 1 : 15, vorzugsweise aber von 1 : 18 bis 1 : 22, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Motors stark zunimmt. Dabei ist durch die Vorverdichtung der Ladeluft auf etwa 1 : 3>5 und anschließender Ladeluftkühlung die Gefahr von Frühzündungen beseitigt. Da die Verdichtung in den Zylindern des Motors nur etwa 1 : 5,5 bis 1 : 6,5 beträgt, kann auch auf die Beimischung von Additiven zum Benzin verzichtet werden was die Umwelt sehr entlastet.

Um auch bei abgesenkten Drehzahlen des neuen Zweitaktmotors das volle Drehmoment durch volle Ladeluftverdichtung zu erreichen, besteht das Entspannungs-Verdichtungsaggregat vorteilhaft aus einem Schraubenspindel-Entspannungsgerät für die Motorabgase und einem Schraubenspindelverdichter für die Ladeluft.

Um die Kühlwasserverluste des kobors zu reduzieren ,sind nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Außenflächen der Zylinderlaufbüchsen mit Isolierschichten versehen, die vorzugsweise aus Emailglas bestehen oder als luftgefüllte Kammern ausgebildet sind. Diese Isolierstärken sind so zu dimensionieren, daß die Maximaltemperaturen an den Innenseiten der Zylinderlaufbüchsen die im Hinblick auf die Ölschmierung zulässigen Werte nicht überschreiten.

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Bei dem neuen Zweitaktmotor* kann während verschiedener Belastungen desselben der Schließzeitpunkt der Einlai3ventile in an sich bekannter Weise variiert werden um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen.

Zu einer anderen, sehr vorteilhaften Art der Teillastregelung gelangt man, wenn - nach einem weiteren Merkmal der Erfindung - das Übersetzungsgetriebe zwischen Kurbelwelle und Entspannungs-Verdichtungsaggregat eine variable Übersetzung besitzt, die während unterschiedlicher Belastungszustände des Motors verändert wird.

Gegenüber Viertaktmotoren haben Zweitaktmotoren auch kleinere mechanische Verluste, da bei letzteren Saug- und Ausschubhub entfallen. Da Zweitaktmotoren meist etwas niedrigere Drehzahlen als Viertaktmotoren besitzen, ist bei ihnen auch die Beherrschung der Massenkräfte einfacher.

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In der Zeichnung ist eine Ausführungsförm des Erfindungsgegenstandes beispielhaft dargestellt. (Einzylindermaschine)

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den neuen Motor mit Steuerdiagramm sowie mit ErtBpannungs-Verdichttsngsaggregat und Ladeluftkühler.

Fig. 2a ein Druck-Volumendiagramm über dem Kolbenhub

Fig. 2b dasselbe Druck-Volumendiagramm über dem Steuerdiagramm (Kurbelkreis). "

In der Zylinderwand 1 ist die Zylinderlaufbüchse 2 angeordnet, die an ihrer Außenseite eine Isolierschicht 3 trägt, die aus Emailglas besteht und den Wärmefluß zum Kühlkanal 4 vermindert.

Durch die Zylinderlaufbüchse 2 und die Zylinderwand 1. führen Auslaßschlitze 5 in einen Ringraum 6, welche vom Kolben 7 geöffnet und verschlossen werden. Der Kolben 7 überträgt seine Kraft über die Pleuelstande 8 auf die Kurbelwelle 8a (verdreht gezeichnet).

Über der Zylinderwand 1 sitzt der Zylinderkopf 9 mit Kühlwasserräumen 10. Im Zylinderkopf 9 ist zentral ein Einlaßventil 11 angeordnet. Seine Spindel 11a ist von einem drallerzeugenden Flügelgitter 12 umgeben, dessen Außenkranz 12a auch die Sitzfläche 12b für das Einlaßventil 11 enthält. Das drallerzeugende Flügelgitter 12 mit Außenkranz 12a ist in den Zylinderkopf 9 eingepreßt.

Im Zylinderkopf 9 befindet sich unter dem Einlaßventil 11 die scheibenförmige Einspritzkammer 13, die zum Kolben 7 hin offen ist und eine ringförmige Einschnürung 14 besitzt. Das Einlaßventil 11 bildet gleichzeitig die zylinderkopfseitige Stirnwand der Einspritzkammer 13·

In der peripheren Wandung der Einspritzkammer 13 sind die Einspritzdüse 16 (für Benzineinspritzung) und die Zünd-

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. /18·

kerze 17 angeordnet. Dabei ist die Achse der Einspritzdüse 16 auf die Zündkerze 17 hin gerichtet.

Der dargestellte Zweitaktmotor besitzt ein Entspannungs-Verdichtungsaggregat 18, das aus dem Schraubenspindel-Entspannungsgerät 18a und dem Schraubenspindelverdichter 18b besteht, die auf gemeinsamer Welle 19 sitzen. Letztere steht mittels eines Übersetzungsgetriebes 20 von veränderliche? Übersetzung mit der Kurbelwelle 8a in Verbindung.

Vom Ringraum 6 der Abgase führt eine Abgasleitung 21 zum Schraubenspindel-Entspannungsgerät 18a, wo die Rest expansion der Motorabgase erfolgt.

Vom Schraubenspindelverdichter 18b führen die Ladeluftleitungen 22a und 22b über den Ladeluftkühler 23 zum Einlaßventil 11 .

. Im Steuerdiagramm sind die öffnungswinkel (üffnungsZeitpunkte) der Auslaßschlitze 5 und des Einlaßventils 11 eingetragen. Das Einlaßventil 11 öffnet und schließt später als die Auslaßschlitze 5· Von besonderer Bedeutung ist dabei die Schließverzögerung des Einlaßventils 11 (dies ist der Winkel zwischen dem Schließpunkt der Auslaßschlitze 5 und dem Schließpunkt des Einlaßventils 11), durch welche - wie in Fig. 2a und Pig. 2b dargestellt - am Ende des Arbeitshubes eine Naohexpansion der Zylindergase ermöglicht wird. Die Zylindergase expandieren unter zusätzlicher Abgabe von mechanischer Arbeit (diese entspricht der schraffierten Fläche in Fig. 2a und Fig. 2b) bis auf einen Druck, der unter dem Druck der Ladeluft liegt, wodurch die einwandfreie Spülung des Zylinders gewährleistet ist. Die Schließverzögerung beträgt mindestens fünf, vorzugsweise aber fünfzehn bis fünfundvierzig Kurbelwinkelgrade.

Im Steuerdiagramm sind auch Beginn und Ende der Benzin-· einspritzung (BE) eingetragen. Die Benzineinspritzung beginnt unmittelbar nach dem Schließen des Einlaßventils 11, was auch in Fig. 2a und Fig. 2b erkennbar ist. Bei sehr raschlaufenden Motoren kann die Benzineinspritzung auch erst kurz vor zylinderkopf seitigem Totpunkt enden.

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Claims

Pat entansprüche

π J Zweitaktmotor mit wenigstens einem abgasgetriebenen Entspannungs-Verdichtungsaggregat, dadurch gekennzeichnet, daß er in jeder Zylindereinheit im Zylinderkopf (9) wenigstens ein Einlaßventil (11) und kurbelseitig Auslaßschlitze (5) in der Zylinderwand (1) bzw. Zylinderlaufbüchse (2) besitzt und daß das Einlaßventil (11) bzw. die Einlaßorgane beim Verdichtungshub wenigstens fünf Kurbelwinkelgrade, vorzugsweise aber fünfzehn bis fünfundvierzig Kurbelwinkelgrade nach dem Verschluß der Auslaßschlitze (5) durch den Kolben (7) schließt bzw. schließen.

2. Zweitaktmotor für Benzinverbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß in jede Zylindereinheit während der Verdichtungshübe Benzin oder ein Benzin enthaltendes Treibstoffgemisch eingespritzt wird, wobei diese Einspritzungen jeweils spätestens dreißig' Kurbelwinkelgrade vor zylinderkopfseitigem Totpunkt, vorzugsweise aber unmittelbar nach dem Schließen des Einlaßventils (11) bzw. der Einlaßorgane beginnen, und daß die Zündung dieses Benzins bzw. Benzingemisches in der Nähe des zylinderkopfseitigen Totpunktes mittels elektrischen Zündfunkens erfolgt.

5. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zylindereinheit in an sich bekannter Weise nur ein Einlaßventil (11) besitzt, das im zugehörigen Zylinderkopf (9) vorzugsweise koaxial oder annähernd . •koaxial zur Zylinderachse angeordnet ist.

4. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß um die Spindel (11a) jedes Einlaßventils (H)

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ORiGlNALINSPECTED

ein drallerzeugendes Plügelgitter* (12) angeordnet ist,das vorzugsweise als separater Bauteil ausgebildet und in den Zylinderkopf (9) eingepreßt ist.

5· Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, sowie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenkranz (12a) des drallerzeugenden Flügelgitters (12) die Sitzfläche (12b) für das Einlaßventil (11) enthält.

6.Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zylinderkopf (9) eine zum Kolben (7) hin offene Einspritzkammer (13) angeordnet ist.

7· Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, sowie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzkammer (13) scheibenähnliche Gestalt besitzt, wobei ihr (mittlerer) Durchmesser (d) höchstens das 0,9-fache des Zylinderdurchmessers (D) beträgt, und daß sie vorzugsweise koaxial oder annähernd koaxial zur Zylinderachse angeordnet ist.

8. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder nach Anspruch 2, sowie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzkammer (13) zum Kolben (7) hin eine Einschnürung (14) besitzt, die vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist.

9. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, sowie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der zylinderkopf seit igen Stirnwand (15) der Einspritzkammer (13) wenigstens ein Einlaßventil (11) angeordnet ist.

10. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, sowie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (16)

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und/oder die Zündkerze (17) in der peripheren Begrenzungswand der Einspritzkammer (13) angeordnet sind bzw. ist.

11. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, sowie nach den Ansprüchen 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Einspritzdüse (16) auf die Zündkerze (17) oder annähernd auf die Zündkerze (17) hin gerichtet ist.

12. Zweitaktmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er in an sich bekannter Weise wenigstens ein Entspannungs-Verdichtungsaggregat (18) (z.B. eine Abgasturbine mit ladeluftverdichter) besitzt.

15· Zwietaktmotor nach Anspruch 2, sowie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Entspannungs—Verdichtungsaggregat (18) in an sich bekannter Weise wenigstens ein Ladeluftkühler (23) nachgeschaltet ist. .

14. Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß das Entspannungs-Verdichtungsaggregat (18) aus einem Schraubenspindel-Entspannungsgerät (18a) für die Motorabgase und einem Schraubenspindelverdichter (18b) für die Ladeluft besteht.

15. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, sowie nach den Ansprüchen 12 und 13, ausgebildet als Benzinmotor, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtverdichtungsverhältnis wenigstens 1 : 15, vorzugsweise aber 1 : 18 bis 1 : 22 beträgt .

16. Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Zylinderlaufbüchsen (2) mit Isolierschichten (3) abgekleidet sind, die vorzugsweise aus Emailglas bestehen oder

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als luftgefüllte Kammern ausgebildet sind.

17· Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes der Schließzeitpunkt der Einlaßventile (11) in an sich bekannter Weise verändert wird.

18. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsgetriebe (20) zwischen Kurbelwelle (8a) und Entspannungs-Verdichtungsaggregat (18) eine variable Übersetzung besitzt, die während unterschiedlicher Belastungszustände des Motors verändert wird.

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