DE2923941C2

DE2923941C2 - Zweitaktbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2923941C2
Application number: DE2923941A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 8070 Ingolstadt Büchner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-06-13
Filing date: 1979-06-13
Publication date: 1982-12-30
Also published as: US4296714A; EP0021170B1; EP0021170A1; ATE1253T1; DE2923941A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweitaktbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Doppelkolben, dessen beide Zylinderbohrungen zylinderkopfseitig durch einen Brennraum miteinander verbunden sind und kurbelkammerseitig von einer Aufladeeinrichtung mit Luft oder Brennstoff-Luft-Gemisch aufgeladen werden, wobei der voreilende Kolben des Doppelkolbens sowohl den Überströmvorgang in zumindest einem vom kurbelkammerseitigen Zylinderabschnitt des voreilenden Kolbens zum brennraumseitigen Zylinderabschnitt des nacheilenden Kolbens führenden Überströmkanal als auch den Auslaßvorgang derart steuert, daß der Ausiaßvorgang vor dem öffnen des Überströmkanals beginnt. Die Zweitaktbrennkraftmaschine kann sowohl nach dem Ottoprinzip wie nach dem Dieselprinzip, als auch in Vielstoffbetriebsweise arbeiten.

Eine Zweitaktbrennkraftmaschine der vorstehenden Art ist aus der DE-PS 25 23 712 bekannt. Bei dieser Brennkraftmaschine wird der Überströmvorgang ausschließlich durch den voreilenden Kolben gesteuert und zwar so, daß der dem Auslaßvorgang und der dem Überströmvorgang entsprechende Drehwinkel dieselbe Winkelhalbierende haben und diese gegenüber dem Kurbelkammertotpunkt entgegen der Drehrichtung verschoben ist. Der voreilende Kolben schließt den Überströmkanal vor Beendigung des Auslaßvorgangs. Der Kompressionshub des Doppelkolbens beginnt damit erst nach Abschluß des Überströmvorgangs, so daß kein vom Brennraum zur Kurbelkammer gerichtetes Druckgefälle entstehen kann, welches bei geöffnetem Überströmkanal einen Teil der frischen Ladung des

ίο Brennraums wieder in die Kurbelkammer zurückführen würde. Es ist selbstverständlich, daß auch der nacheilende Kolben eine Überströmöffnung des Ür>erströmkanals überlaufen kann.
Der Überströmvorgang bestimmt die Füllung des Brennraums und damit die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Bei der bekannten Brennkraftmaschine hat es sich herausgestellt, daß bei aufgeladener Kurbeikammer der Brennraum nicht optimal gefüllt werden kann, weil die Steuerzeit für das

Überströmen zu kurz ist, da an dessen Ende immer noch ein Druckgefälle von der Kurbelkammer in den Brennraum vorhanden ist.

Aus der DE-OS 23 47 809 ist weiterhin eine Brennkraftmaschine mit Doppelkolben bekannt, deren Zylinderbohrungen zylinderkopfseitig durch einen Brennraum miteinander verbunden sind. Der Auslaßvorgang wird vom voreilenden Kolben gesteuert, der auch den Eiolaßvorgang des Brennstoff-Luft-Gemisches in den zugeordneten, vom Kurbelkammerraum des

ω nacheilenden Kolbens abgedichteten Kurbelkammerraum steuert. Der nacheilende Kolben steuert den Einlaßvorgang von Spülluft in den ihm zugeordneten Kurbelkarnmerraum. Der nacheilende Kolben steuert ferner die Überströmvorgänge in zwei Überströmkanä-

n len, von denen der eine vom kurbelkammerseitigen Zylinderabschnitt des voreilenden Kolbens zum brennkammerseitigen Zylinderabschnitt des nacheilenden Kolbens und der andere vom kurbelkammerseitigen Zylinderabschnitt des nacheilenden Kolbens ebenfalls zum brennkammerseitigen Zylinderabschnitt dieses Kolbens führt. In Verbindung mit einer geeigneten Formwahl der beiden Überströmkanäle soll bei der bekannten Brennkraftmaschine erreicht werden, daß die Brennkammer zunächst ausschließlich mit Spülluft aus der Kurbelkammer des nacheilenden Kolbens gespült wird, während die Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemisches aus der Kurbelkammer des voreilenden Kolbens so weit verzögert wird, daß sie den vom voreilenden Kolben gesteuerten Auslaß erst nach Abschluß des Auslaßvorgangs erreicht.

Bei der aus der DE-OS 23 47 809 bekannten Brennkraftmaschine werden beide Überströmvorgänge ausschließlich durch den nacheilenden Kolben gesteuert, während der voreilende Kolben ausschließlich den Auslaßvorgang und den Gemischeinlaßvorgang steuert. Bei einer derartigen Steuerung beginnt der Einlaßvorgang zu spät und endet zu spät und zwar zu einem Zeitpunkt, zu welchem in der Kurbelkammer längst Überdruck vorhanden ist. Dies führt dazu, daß ein wesentlicher Teil der gerade angesaugten Ladung zum Spüllufteinlaß zurückgedrückt wird. Hierbei wird nicht nur Luft zurückgedrückt, sondern auch Brennstoff-Luft-Gemisch, da die Aufteilung der Kurbelkammer in zwei getrennte Kurbelkammerräume für Luft und Gemisch

b-5 in der Praxis nicht oder nur mit außerordentlich großem Aufwand möglich ist und der Raum zwischen den beiden Hubscheiben, in welchem das Pleuel läuft, über weite Bereiche zwischen den beiden Kurbelkammerräumen

offen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zweitaktbrennkraftmaschine mit Doppelkolben anzugeben, bei welcher auch bei Aufladung mittels einer Aufladeeinrichtung einerseits sichergestellt ist. daß keine Brenngase aus dem Brennraum in die Kurbelkam.ner zurückströmen können und andererseits trotzdem eine optimale Füllung des Brennraums erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß derselbe Überströmkanal auch vom kurbelkammerseitigen Zylinderabschnitt des nacheilenden Kolbens zum brpnnkammerseitigen Zylinderabschnitt dieses Kolbens führt und kurbelkammerseitig außer von dem voreilenden Kolben auch von dem nacheilenden Kolben gesteuert wird, und daß der nacheilende Kolben kurbelkammerseitig den Überströmkanal frühestens mit dem voreilenden Kolben öffnet und kurbelkammerseitig später als der voreilende Kolben schließt.

Der voreilende Kolben steuert nach wie vor den Ausiaßvorgang und den Beginn des Überströmvorgangs. Der nacheilende Kolben öffn t nachfolgend seinerseits den Überströmkanal, wodurch der wirksame Kanalquerschnitt erhöht wird. Das Ende des Überströmvorgangs wird ausschließlich durch den nacheilenden Kolben gesteuert. Beide Kolben steuern denselben Überströmkanal, wodurch dessen Volumen klein gehalten werden kann und sein schädlicher Einfluß auf die Höhe der Kurbelkammerverdichtung gering bleibt. Durch die kombinierte Steuerung des Überströmkanals durch beide Kolben kann der Überströmvorgang über einen Kurbelwinkel von etwa 2 · 90° um den unteren Totpunkt ausgedehnt werden. Dieser Winkel wird lediglich durch das Druckgefälle zwischen der Kurbelkammer und dem brennraumseitigen Zylinderabschnitt des nacheilenden Kolbens bestimmt, je nach dem Aufladegrad der Kurbelkammer.

Die Aufladeeinrichtung erzeugt vorzugsweise ein Kurbelkammerverdichtungsverhältnis von wenigstens 1,5. Bei der Aufladeeinrichtung kann es sich um eine Kurbelkammcrpumpe hoher Leistung handeln, die zweckmäßigerweise auch den kurbelkammerseitigen Einlaßvorgang steuert. Dies kann beispielsweise durch Limfangsflächen eines das Pleuel des Doppelkolbens tragenden Kurbelwangen-Drehschiebers oder Drehschieber-Paares erfolgen, dessen Umfangsfläche berührungsfrei oder leicht touchierend und damit wirkungsgradgünstig umläuft. Geeignet sind aber auch Einrichtungen zur gasdynamischen Schwingaufladung, beispielsweise Resonanzrohre, Resonanzvolumina oder dergl., die au^r einen bestimmten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine abgestimmt sind.

Der nacheilende Kolben schließt den Überströmkanal bevorzugt gleichzeitig mit Beendigung des vom voreilenden Kolben gesteuerten Auslaßvorgangs. In Verbindung mit einem hohen Kurbelkammerverdichtungsverhältnis ist jedoch auch eine Nachladung des Brennraums möglich, wenn der nacheilende Kolben den Überströmkanal erst nach Beendigung des Auslaßvorgangs schließt, was durch die vorliegende Erfindung erst ermöglicht wird. Die Absteuerung des Überströmkanal durch den nacheilenden Kolben muß so bemessen sein, daß der kurbelkammerseitige Ladedruck noch ausreichend höher als der Druck der beginnenden Verdichtung in den Zylindern ist. Der Ladedruck sollte noch bis zu 0,5 atü höher als der beginnende Verdichtungsdruck im Zylinder sein.

Der nacheilende Kolben und der voreilende Kolben öffnen den Überströmkanal bevorzugt zu unterschiedlichen Zeiten. Auf diese Weise kann eine gewisse Voraufladung oder auch Voren'. ladung des Überströmkanals, abgestimmt auf das gewünschte Drehzahlniveau der Maschine, erreicht werden.

Als günstig hat es sich erwiesen, wenn der nacheilende Kolben den Überströmkanal während des Aufladevoraangs der kurbelkammerseitigen Zylinderabschnitte schließt. Die frischen Gase werden kurz vor dem Schließen des Überströmkanals mit hohem ίο Anfangsdruck zugeführt. Dies bewirkt eine sofortige kurbelkammerseitige Druckerhöhung, so daß der Überströmvorgang weiter verlängert werden kann. Darüber hinaus wird ein Zurücksaugen der gerade zuvor in den Brennraum eingebrachten Frischladung in die Kurbelkammer vermieden.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen die Zylinderachsen enthaltenden schematischen Schnitt durch eine Zweitaktbrennkraftmaschineund

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie U-II in F i g. 1. Die F i g. 1 und 2 zeigen eine Zweitaktbrennkraftmaschine 10, deren Zylinderblock 12 zwei Zylinderbohrungen 14 und 16 nachfolgend kurz als Zylinder bezeichnet, aufweist. Die Zylinder 14 und 16 sind durch einen Zylinderkopf 20 verschlossen, welcher einen die Zylinder 14, 16 verbindenden Brennraum 18 enthält. In den Zylindern 14, 16 ist je ein Kolben 22 bzw. 24 verschiebbar geführt. Die Kolben 22, 24 sind über ein i.) gemeinsames Pleuel 26 mittels eines Kurbelzapfens 27 exzentrisch an einer auf einem Wellenzapfen 28 gelagerten Hubscheibe 30 angelenkt. Die Hubscheibe 30 rotiert in einer von einer Wanne 32 geschlossenen Kurbelkammer 34.

Die Zylinder 14 und 16 werden durch Kolbenböden 36 bzw. 38 der Kolben 22, 24 jeweils in einen brennraumseitigen Zylinderabschnitt und einen kurbeikammerseitigen Zylinderabschnitt unterteilt. Die kurbelkammerseitigen Zylinderabschnitte bilden zusammen mit der •»ο Kurbelkammer 34 und den hin- und hergleitenden Kolben 22, 24 eine Kurbelkammerpumpe, welche zum Ansaugen der Verbrennungsluft oder des Luft-Brennstoff-Gemisches durch einen in die Kurbelkammer 34 hineinreichenden Ansaugstutzen 40 dient. Damit das angesaugte Gemisch aus der Kurbelkammer 34 in die brennraumseitigen Zylinderabschnitte und den Brennraum 18 gelangen kann, ist beiderseits einer die Zylinder 14, 16 voneinander trennenden Zwischenwand 42 des Zylinderblocks 12 je ein Überströmkanal so 44 gebildet. Diese Überströmkanäle 44 haben je einen Eintrittsschlitz 46 bzw. 48 in den kurbelkammerseitigen Zylinderabschnitten der Zylinder 14, 16 und einen Austrittsschlitz 50 im brennraumseitigen Zylinderabschnitt des Zylinders 16. Die Eintrittsschlitze 46, 48 werden durch Fenster 52 bzw. 54 im kurbelkammerseitigen Kolbenhemd der Kolben 22 bzw. 24 geöffnet und geschlossen. Die Austrittsschlitze 50 der Überströmkanäle 42 werden von der Oberkante 56 des nacheilenden Kolbens 16 gesteuert. Die Oberkante 58 des Kolbens 22 fen steuert einen Auslaßschlitz 60 im brennraumseitigen Zylinderabschnitt des Zylinders 14. Der Einlaßvorgang wird von der Hubscheibe 30 gesteuert, deren Umfang 62 berührungsfrei oder leicht touchierend die Mündung des Ansaugstutzens 40 öffnet bzw. schließt. ^ Die Brennkraftmaschine arbeitet wie folgt. Wenn sich die Hubscheibe 30 in Richtung des Pfeils A dreht, eilt der Kolben 22 stets dem Kolben 24 voraus. In F i g. 1 ist der Einlaßvorgang bereits beendet; die Hubscheibe 30

verschließt den Einlaßstutzen 40. Das in die Kurbelkammer 34 eingeführte Gemisch wird durch die nach unten gehenden Kolben 22,24 verdichtet. Die Eintrittsschlitze 46,48 der Überströmkanäle sind geschlossen. Bevor die Fenster 52 des voreilenden Kolbens 22 die Eintrittsschlitze 46 der Überströmkanäle 44 erreichen, öffnet die Oberkante 58 des voreilenden Kolbens 22 den Auslaßschlitz 60, so daß die verbrannten Gase aus den brennraumseitigen Zylinderabschnitten und dem Brennraum 18 ausströmen können. Dann öffnet der voreilende Kolben 22 die Eintrittsschlitze 46 der Überströmkanäle 44. Kurz zuvor, spätestens jedoch gleichzeitig, hat die Oberkante 56 des nacheilenden Kolbens 24 die Austrittsschlitze 50 der Überströmkanäle 44 geöffnet. Die verdichteten Gase der Kurbelkammer 34 strömen über die Überströmkanäle 44 in die brennraumseitigen Zylinderabschnitte der Zylinder 14, 16 und in den Brennraum 18. Sie kühlen hierbei die Zwischenwand 42, die gegebenenfalls mit zusätzlichen Kühlwasserkanälen 64 versehen sein kann. Die Fenster 54 des nacheilenden Kolbens 24 erreichen die Eintrittsschlitze 48 der beiden Überströmkanäle 44 erst nachdem der voreilende Kolben 22 die Eintrittsschlitze 46 bereits geöffnet hat. Der Kolben 22 schließt die Eintrittsschlitze 46 zu einem Zeitpunkt, zu dem der Auslaßschlitz 60 noch geöffnet ist. Die vom Kolben 24 gesteuerten Eintrittsschlitze 48 bleiben über diesen Zeitpunkt hinaus geöffnet. Die Eintrittsschlitzc 48 werden geschlossen, wenn der Kolben 22 den Auslaßschlitz 60 schließt. Sie können aber bei ausreichend hohem kurbelkammerseitigen Ladedruck auch über das Ende des Auslaßvorgangs hinaus geöffnet bleiben, so daß die brennraumseitigen Zylinderabschnitte 14, 16 und der Brennraum 18 auch bei bereits beginnendem Verdichtungshub noch über die Überströmkanäle 44 nachgeladen werden können.

Der Überströmvorgang kann über einen Kurbelwinkel von etwa 2 · 90° um den unteren Totpunkt ausgedehnt werden. Er ist im wesentlichen nur durch die Höhe des Druckgefälles von der Kurbelkammer 34 über die Überströmkanäle 44 in den brennraumseitigen Zylinderabschnitt des Zylinders 16 begrenzt. Der Druckunterschied zwischen dem Ladedruck und dem Druck der beginnenden Verdichtung in dem brennraumseitigen Zylinderabschnitt des Zylinders 16 sollte etwa zwischen 0,5 und 1,5 atü betragen.

Die den Kolbenboden 36, 38 gegenüberliegende Wand 66 des Brennraums 18 ist durch einer Gegenkolben 68 gebildet, der in einem Hydraulikzylinder 70 abgedichtet verschiebbar geführt ist. Dei Hydraulikzylinder 70 ist über eine Druckmittelzuleitung 72 an eine Steuerung angeschlossen, die den Gegenkolben 68 abhängig von der Drosselstelking der Brennkraftmaschine verschiebt. Durch Verschieben de: Gegenkolbens 68 kann das Verdichtungsverhältnis dei beiden Zylinder 14,16 abhängig von der Drosselstellung verändert werden. Die Steuerung erhöht das Verdich tungsverhältnis in den Teillastbereich hinein; beispielsweise im Verhältnis 1 :2. Auf diese Weise kann ingesamten Lastbereich der Brennstoffverbrauch optimiert und deutlich verringert werden.

Bei der Brennkraftmaschine der F i g. 1 und 2 münder in die Überströmkanäle 44 Brennstoffeinspritzdüsen 74 die entgegen der Strömungsrichtung in den Überstrom kanälen 44 kontinuierlich Brennstoff einspritzen. Diese sowohl für Otto- wie auch für Dieselmotoren geeignet« Einspritzweise erlaubt sowohl eine qualitative Regelung des Betriebs, bei welcher lediglich die Brennstoffzufuhi bei gleichbleibend vollständiger Luftfüllung des Brennraums geregelt wird, als auch eine quantitative Regelung, bei welcher die Füllung insgesamt veränder wird.

Der Brennraum 18 ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist im Querschnitt zwei einandei diametral gegenüberliegende Bereiche auf, die sich vorr zylinderfernen Brennraumende zu den Zylindern 14, K hin erweitern. Die dadurch entstehenden Ausbuchtun gen 76 sind jeweils durch eine sphärische Dreiecksfläche begrenzt. Durch diese Ausbildung des Brennraums IJ strömt das Gemisch aus den Zylindern 14, 16 tangentia in den Brennraum 18 ein und wird durch den dabe erzeugten, sehr hohen Drall sehr wirksam verwirbelt, zi einem Zeitpunkt also, wo die Erzeugung des Drall: keine Leistung mehr kostet.

Die im Brennraum 18 entstehenden Ausbuchtunger 76 müssen nicht durch eine sphärische Dreieckfläch« begrenzt sein, sie können auch durch gerade Ramper gebildet werden, die über die Mitten der Zylinderachse! 14 und 16 hinausreichen können und in F i g. 1 bei T, gestrichelt angedeutet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zweitaktbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Doppelkolben, dessen beide Zylinderbohrungen zylinderkopfseitig durch einen Brennraum miteinander verbunden sind und kurbelkammerseitig von einer Aufladeeinrichtung mit Luft oder Brennstoff-Luft-Gemisch aufgeladen werden, wobei der voreilende Kolben des Doppelkolbens sowohl den Überströmvorgang in zumindest einem vom kurbelkammerseitigen Zylinderabschnitt des voreilenden Kolbens zum brennraumseitigen Zylinderabschnitt des nacheilenden Kolbens führenden Überströmkanal als auch den Auslaßvorgang derart steuert, daß der Auslaßvorgang vor dem öffnen des Überströmkanals beginnt, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe ÜberströmkanaJ (44) auch vom kurbelkammerseitigen Zylinderabschnitt des nacheilenden Kolbens (24) zum brennkammerseitigen Zylinderabschnitt dieses Kolbens (24) führt und kurbelkammerseitig außer von dem voreilenden Kolben (22) auch von dem nacheilenden Kolben (24) gesteuert wird und daß der nacheilende Kolben (24) kurbelkammerseitig den Überströmkanal (44) frühestens mit dem voreilenden Kolben (22) öffnet und kurbelkammerseitig später als der voreilende Kolben (22) schließt.

2. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladeeinrichtung (22; 24; 30) ein Kurbelkammerverdichtungsverhältnis von wenigstens 1,5 hat.

3. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nacheilende Kolben (24) den Überströmkanal (44) gleichzeitig mit Beendigung oder nach Beendigung des vom voreilenden Kolben (22) gesteuerten Auslaßvorgangs schließt.

4. Zweitaktbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daü der nacheilende Kolben (24) den Überströmkanal (44) während des Aufladevorgangs des kurbelkammerseitigen Zylinderabschnitts schließt.