DE2932627A1

DE2932627A1 - Zwei-takt-verbrennungsmotor mit gleichstromgespuelten zylindern

Info

Publication number: DE2932627A1
Application number: DE19792932627
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Zatecky
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1979-08-11
Filing date: 1979-08-11
Publication date: 1981-02-26
Also published as: JPS6014168B2; JPS5629019A; DK148924B; DK337880A; DK148924C

Description

Die Erfindung betrifft einen Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern mit Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei bekannten und zur Zeit gebauten Konstruktionen gleichstromgespülter Zwei-Takt-Motoren ist eine Reihe mit Spülluftschlitzen vorgesehen, die senkrecht in Bezug auf die Zylinderachse und in einem bestimmten von der Radialrichtung abweichenden Winkel in den Zylinderraum einmünden. Durch diese Maßnahme wird eine Drallbewegung der in den Zylinderraum einströmenden Luft zur Erzeugung eines sogenannten Gaskolbens erzielt, der innerhalb des Zylinders mit gleichbleibender Geschwindigkeit die Abgase vor sich her zum Auslaß schieben und den Zylinderraum mit Frischluft füllen soll. In der Praxis hat sich bei dieser bekannten Anordnung jedoch herausgestellt, daß die Vorstellung eines sogenannten Gaskolbens nicht zutreffend ist, sondern sich innerhalb des Zylinders eine rotierende und sich zum Auslaß hin bewegende Luftsäule bildet, deren Kern sich in entgegengesetzter Richtung bewegt und somit eine relativ starke Gegenströmung in der Mitte der Luftsäule vorhanden ist. Durch dieses Phänomen kommt es zu einer relativ intensiven Vermischung der eintretenden Frischluft mit dem Abgas, mit der Folge, daß durch die bekannte Spülschlitzanordnung keine optimale Spülung des Zylinders möglich ist.

Eine hiervon abweichende Art einer Gleichstromspülung bei Zwei-Takt-Verbrennungsmotoren ist aus der schwedischen Patentschrift 82 653 bekannt. Hierbei sind zwei durch einen Kolben nacheinander freilegbare Reihen hintereinander in der Zylinderwand angeordneter Spülschlitze zur Zuführung von Luft aus einer gemeinsamen

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Spülluftleitung vorgesehen. Die Spülschlitze der ersten, brennraumnäheren Reihe münden sehragstehend mit zum Brennraum hin gerichteter Neigung und von der radialen Richtung abweichend in den Zylinder; die Spülschlitze der zweiten Reihe dagegen münden schrägstehend mit zum unteren Kolbentotpunkt hin gerichteter Neigung und radial in den Zylinder. Um die durch die Spülschlitze der zweiten Reihe zunächst nach unten gerichtet einströmenden Spülluftströme in Richtung Brennraum umlenken zu können, sind an der Kolbenstirnfläche entsprechende ümlenkflachen vorgesehen. Diese Umlenkflächen geben den eintretenden Spülluftströmen eine zumindest annähernd zylinderachsenparallele Richtung zur Bildung eines axial fortschreitenden Spülluftsäulenkernes. Die durch die Spülschlitze der ersten Reihe eintretenden Spülluftströme dagegen sollen eine rohrförmige, rotierende und axial zum zylinderkopfseitigen Auslaß hin fortschreitende Luftsäule bilden.

Es hat sich in der Praxis jedoch gezeigt, daß die durch die zum Brennraum hin geneigten Spülschlitze der ersten Reihe eintretenden Spülluftströme sich nicht zu einer homogenen, rohrförmigen, axial zum Auslaß fortschreitenden Luftsäule vereinigen, sondern sich mehr oder weniger stark mit den noch im Brennraum befindlichen Verbrennungsgasen vermischen und größtenteils mit den Verbrennungsgasen durch den Auslaß abgeführt werden. Dies hat zur Folge, daß die durch die schräg nach oben gerichteten Spülschlitze der ersten Reihe eintretenden

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Spülluftströme nur zu einem relativ geringen Teil zur Zylinderspülung dienen können, welch letztere somit mehr oder minder stark praktisch nur von den durch die Spülschlitze der unteren Reihe und am Kolben umgelenkten Spülluftströme übernommen werden kann. Zusammenfassend bleibt daher festzustellen, daß mit dieser bekannten Lösung eine optimale Ausspülung eines Zylinders nicht möglich ist.

Es ist daher demgegenüber Aufgabe der Erfindung, bei einem Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern eine solche Spülschlitzanordnung zu schaffen, bei der durch die eintretende Spülluft eine möglichst vollständige Abführung der im Brennraum befindlichen Verbrennungsgase sowie eine optimale Nachführung von Frischluft für den nächsten Verbrennungsvorgang möglich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern mit Merkmalen entsprechend dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Spülschlitze in den beiden Spülschlitzreihen wird der Spülvorgang in drei Phasen geteilt. Während der ersten Phase, nach Freilegung der ersten brennraumnäheren Reihe von Spülschlitzen durch den Kolben bei dessen Abwärtsgang, bildet sich infolge der durch die Spülschlitze der ersten Reihe eintretenden Spülluftströme im Zylinderraum ein ebenes, scheibenförmiges, rotierendes Spülluftpolster. Dieses scheibenförmige

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Luftpolster schreitet unter dem Sog der aus dem Zyliltderraum austretenden Verbrennungsgase in Richtung Auslaß. Mit fortschreitender Annäherung dieses rotierenden Luftpolsters würde auch hier das Phänomen einer mehr oder weniger trichterförmigen Verformung desselben infolge des auf das Zentrum des Luftpolsters einwirkenden Gegendruckes auftreten. Die Wirkung dieses Phänomens wird nach der Erfindung jedoch durch die besondere Ausgestaltung der Einlaßkanäle der zweiten Reihe kompensiert, da die nach Freilegung der Einlaßkanäle der zweiten Reihe durch den nach unten gehenden Kolben eintretenden Spülluftströme in Richtung Auslaß gerichtet sind und so einen Gegendruck aufbauen, der eine Verformung des scheibenförmigen Luftpolsters verhindert. Letzteres gelangt somit nahezu unverändert in den Bereich des Auslasses des Zylinders. In der dritten Phase nach Umkehr der Kolbenbewegungsrichtung, mithin bei der erneuten Aufwärtsbewegung des Kolbens und nach Verschließung der Einlaßkanäle der zweiten Reihe bildet sich infolge der nunmehr nur noch durch die Einlaßkanäle der ersten Reihe eintretenden Spülluft wiederum ein homogenes, rotierendes Luftpolster, das vom Kolben in Richtung Auslaß mitgenommen wird. Dieses rotierende, homogene Frischluftpolster ermöglicht in der Kompressionsphase eine innige Vermischung mit dem eingespritzten Brennstoff, so daß durch die erfindungsgemäße Einlaßkanalanordnung neben einer vollständigen Ausspülung des Zylinderraumes und Abführung der Verbrennungsgase auch hervorragende Verbrennungsergebnisse erzielt sind.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinder,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erste Reihe

von Einlaßkanälen entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Linie II-II,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Reihe

von Einlaßkanälen entlang der in Fig. eingezeichneten Linie III-III,

Fig. 4 eine Detailansicht von zwei hintereinander angeordneten Einlaßkanälen entsprechend einer Variante von Fig. 1,

Fig. 5 einen Detailquerschnitt durch die Zylinderwand und zwei Einlaßkanäle entsprechend der in Fig. 4 eingezeichneten Schnittlinie V-V,

Fig. 6 eine erste Phase eines Spülvorganges, Fig. 7 eine zweite Phase eines Spülvorganges, Fig. 8 eine dritte Phase eines Spülvorganges.

In den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Zylinder eines Zwei-Takt-Verbrennungsmotors, mit 2 eine Zylinderwand, mit 3 ein Zylinderraum, mit 4 eine Auslaßöffnung, mit 5 ein Auslaßelement, hier ein Auslaßventil, mit 6 ein Kolben und

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mit 7 dessen Kolbenboden bezeichnet. Mit 8 ist ein ringförmiger Spülluftzuführkanal bezeichnet, der in nicht dargestellter Weise an eine Spülluftzufuhrleitung angeschlossen ist. Zur Einführung der Spülluft in den Zylinderraum 3 ist erfindungsgemäß eine erste, brennraumnähere Reihe A von Einlaßkanälen A1 , A2, A3 bis An sowie eine axial dahinterliegende zweite Reihe B mit Einlaßkanälen B1 , B2, B3 bis Bn eingeformt. Die zylinderraumseitigen Mündungen der Einlaßkanäle der beiden Reihen A und B liegen, wie insbesondere aus Fig. 1 hervorgeht, axial fluchtend mit geringfügigem Abstand hintereinander, so daß zwischen den Mündungen zweier hintereinander liegender Einlaßkanäle jeweils ein Steg 9 als Teil der Zylinderwand 2 verbleibt. Alternativ hierzu könnten die zylinderraumsextigen Mündungen der Einlaßkanäle der beiden Reihen jedoch auch direkt aneinander angrenzend oder teilweise ineinander übergehend in der Zylinderwand 2 - wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt angeordnet sein. Durch die in den Fig. 4 und 5 gezeigte, äußerst gedrängte Anordnung der Einlaßkanäle der beiden Reihen A und B ist zur Steuerung des Spülvorganges ein minimaler Kolbenhubweg erforderlich. Die Einlaßkanäle der ersten Reihe A sowie der zweiten Reihe B werden aus dem ihnen gemeinsamen ringförmigen Spülluftzuführkanal 8 mit Spülluft versorgt. Erfindungsgemäß sind die Einlaßkanäle A1, A2, A3 bis An der ersten Reihe A in einer senkrecht zur Zylinderachse 10 stehenden Ebene, jedoch mit einer von der radialen Richtung abweichenden Richtung in die Zylinderwand 2 eingeformt. Die Richtungen der Einlaßkanäle der ersten Reihe 7 sind aus Fig. 2 deutlich ersichtlich und durch ihre in den Zylinderraum mit Pfeilen weisende Mittellinien gekennzeichnet. Die Einlaßkanäle der ersten Reihe A sind

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außerdem, wie aus Fig. 1 ersichtlich, düsenförmig ausgebildet und dienen zur Erzeugung eines ebenen, scheibenförmigen, rotierenden Luftpolsters. Letzteres wird dadurch erreicht, daß die Mittellinien der einzelnen Einlaßkanäle der ersten Reihe A nacheinander jeweils einen anderen Eintrittswinkel bezüglich einer Tangente - angelegt an der zylinderseitigen Mündung eines jeweiligen Einlaßkanales - bilden und auf mehrere, hier drei, konzentrische, strichpunktiert dargestellte Spülluftkreise gerichtet sind. Der innerste Spülluftkreis mit dem kleinsten Durchmesser ist mit 11, der mittlere Spülluftkreis mit 12 und der äußere, den größten Durchmesser aufweisende Spülluftkreis mit 13 bezeichnet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind am umfang des Zylinders in der ersten Reihe η = 18 Einlaßkanäle in bestimmter Reihenfolge und winkelmäßiger Anordnung vorgesehen. Dabei sind die Einlaßkanäle in drei Gruppen aufgeteilt, wobei die erste Gruppe die Einlaßkanäle A1 bis A6, die zweite Gruppe die Einlaßkanäle A7 bis A12 und die dritte Gruppe die Einlaßkanäle A13 bis A18 umfaßt. Der erste Einlaßkanal jeder Gruppe, mithin die Einlaßkanäle A1, A7 und A13, sowie die jeweils letzten Einlaßkanäle jeder Gruppe, mithin die Einlaßkanäle A6, A12 und A18, sind dabei jeweils derart in die Zylinderwand 2 eingeformt, daß eintretende Spülluftströme auf den innersten Spülluftkreis 11 gerichtet sind. Der zweite Einlaßkanal jeder Gruppe, mithin die Einlaßkanäle A2, A8, A14, sowie jeder fünfte Einlaßkanal einer Gruppe, mithin die Einlaßkanäle A5, A11 und A17, sind derart in der Zylinderwand 2 eingeformt, daß durch diese besagten Einlaßkanäle eintretende Spülluftströme auf den mittleren Spülluftkreis 12 gerichtet sind. Darüber hinaus sind die jeweils dritten und vierten Einlaßkanäle jeder

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Gruppe, mithin die Einlaßkanäle A3, A4, A9, A10, A15 und A16 derart in der Zylinderwand 2 eingeformt, daß durch diese besagten Einlaßkanäle hindurchtretende Spülluftströme auf den äußeren, wandnahen Spülluftkreis 13 gerichtet sind. Durch eine derartige Anordnung der in der ersten Reihe A befindlichen Einlaßkanäle ist ein rotierendes, scheibenförmiges Spülluftpolster mit größtmöglicher Dichte und Homogenität erzielbar.

Die Einlaßkanäle B1, B2, B3 bis Bn der zweiten Reihe B sind radial gerichtet, jedoch gegenüber der Zylinderachse schrägstehend mit zum Brennraum hin gerichteter Neigung in der Zylinderwand 2 eingeformt. In vorteilhafter Weise sind die Einlaßkanäle der zweiten Reihe dabei untereinander abwechselnd unterschiedlich gegenüber der Zylinderachse 10 zum Brennraum hin geneigt. Hierdurch ist folgender Effekt erzielbar, nämlich, daß ein Teil der durch die Einlaßkanäle B1, B2 bis Bn eintretenden Spülluftströme relativ weit innen, der andere Teil jedoch weiter außen auf das vorstehende scheibenförmige Spülluftpolster auftrifft und hierdurch ein homogener Spülluftkern im Bereich der Zylinderachse gebildet wird, der zentral am scheibenförmigen Spülluftpolster angreift, so dessen Einbruch im Zentrum unterbindet und überdies eine Ausspülung des Zylinderraumes auch im Bereich der Zylinderachse bewirkt.

Nachstehend ist ein vollständiger Spülvorgang anhand der Fig. 6 bis 8 beschrieben.

In der ersten Phase - entsprechend Fig. 6 - wird durch den nach unten gehenden Kolben 6 zunächst die erste brennraumnähere Reihe A mit den Einlaßkanälen Al, A2

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bis An freigelegt. Im ringförmigen Spülluftzuführkanal 8 anstehende Spülluft wird durch die Einlaßkanäle A1 bis An mit Überdruck in den Zylinderraum 3 eingespeist, wodurch sich über dem Kolbenboden 7 das anhand von Fig. 2 beschriebene scheibenförmige, rotierende Spülluftpolster ausbildet. Dieses Spülluftpolster ist durch mit Richtungspfeilen versehene Schleifen in den Fig. 6 bis 8 dargestellt.

In der zweiten Phase - entsprechend Fig. 7 - wird zusätzlich die zweite Reihe B mit den Einlaßkanälen B1 , B2 bis Bn durch den weiter nach unten gehenden Kolben freigelegt. Die nunmehr auch durch die Einlaßkanäle B1 bis Bn aus dem ringförmigen Spülluftzuführkanal 8 mit Überdruck in den Zylinderraum 3 eingespeiste Spülluft bildet den anhand von Fig. 3 beschriebenen homogenen Spülluftkern, der das in der ersten Phase gebildete scheibenförmige Spülluftpolster vor sich her in Richtung Auslaßöffnung 4 treibt und gleichzeitig eine Rückströmbewegung in der Mitte des rotierenden Luftpolsters verhindert.

In der dritten Phase - entsprechend Fig. 8 - wird beim Aufwärtshub des Kolbens 6 die zweite Reihe B und deren Einlaßkanäle B1 bis Bn wieder verschlossen, so daß dann Spülluft nurmehr durch die Einlaßkanäle A1 bis An der ersten Reihe A in den Zylinderraum 3 eintreten kann, wodurch sich direkt vor dem Kolbenboden 7 wiederum ein scheibenförmiges, rotierendes Luftpolster bildet, dessen Wirbelkraft in diesem Stadium jedoch nicht mehr so intensiv ist wie in der ersten Phase, da das Druckgefälle zwischen der Spülluftleitung und dem Zyliriderraum zu diesem Zeitpunkt bereits niedriger ist. Die Rotations-

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geschwindigkeit dieses rotierenden Luftpolsters nimmt mit fortschreitender Aufwärtsbewegung des Kolbens während der Kompressionsphase noch etwas ab, besitzt im oberen Bereich des Zylinders jedoch noch hinreichend Bewegungsenergie, um mit dem eingespritzten Brennstoff ein inniges Gemisch zu bilden.

Die erfindungsgemäße Einlaßkanalanordnung ist sowohl bei Zwei-Takt-Motoren mit zylinderkopfseitig angeordneten Auslaßventilen als auch bei Zwei-Takt-Gegenkolben-Motoren anwendbar.

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Claims

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft Stadtbachstraße 1, 8900 Augsburg

PB 3000/1411 07.08.79

Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit
gleichstromgespülten Zylindern

Patentansprüche:

1/ Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern, mit Auslaßelementen zur Abführung der Verbrennungsgase und mit zwei durch einen Kolben nacheinander freilegbaren Reihen hintereinander in der Zylinderwand angeordneter Einlaßkanäle zur Zuführung von Luft aus einer gemeinsamen Spülluftleitung, wobei die Einlaßkanäle bei der ersten, brennraumnäheren Reihe von der radialen Richtung abweichend, die Einlaßkanäle der zweiten Reihe dagegen radial gerichtet und gegenüber der Zylinderachse schrägstehend in den Zylinderraum einmünden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkanäle (A1, A2 bis An) der ersten Reihe (A) in einer senkrecht zur Zylinderachse (10) stehenden Ebene, jedoch von der radialen Richtung abweichend, und die Einlaßkanäle (B1, B2 bis Bn) der zweiten Reihe (B) radial gerichtet, jedoch gegenüber der

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Zylinderachse schrägstehend mit zum Brennraum hih gerichteter Neigung in den Zylinderraum (3) einmünden.
2. Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkanäle (A1, A2 bis An) der ersten Reihe (A) zur Bildung eines ebenen rotierenden Spülluftpolsters nacheinander in jeweils einem anderen Winkel bezüglich einer an die zylinderraumseitige Mündung eines Einlaßkanales angelegten Tangente in den Zylinderraum (3) einmündend in der Zylinderwand (2) eingeformt sowie auf mehrere konzentrische Spülluftkreise (11, 12, 13) gerichtet sind.
3. Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Reihe (A) achtzehn Einlaßkanäle (A1, A2 bis A18) angeordnet sind, die in drei Gruppen zu jeweils sechs Einlaßkanälen (A1 bis A6; A7 bis A12; A13 bis A18) zusammengefaßt sind, daß der erste und letzte Einlaßkanal (A1, A6; A7, A12; A13, A18) jeder Gruppe tangential auf den innersten Spülluftkreis (11) gerichtet ist, ferner jeder zweite und fünfte Einlaßkanal (A2, A5; A8, A11; A14, A17) jeder Gruppe tangential auf den mittleren Spülluftkreis (12) gerichtet ist und schließlich jeder dritte und vierte Einlaßkanal (A3, A4; A9, A10; A15, A16) jeder Gruppe tangential auf den äußeren, wandnahen Spülluftkreis (13) gerichtet ist.
4. Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

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dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkanäle der beiden Reihen (A, B) düsenförmig ausgebildet sind.
5. Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderraumseitigen Mündungen der Einlaßkanäle (A1 bis An; B1 bis Bn) beider Reihen (A, B) in Richtung der Zylinderachse jeweils unversetzt hintereinander in der Zylinderwand (2) angeordnet sind.
6. Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderinternen Mündungen der Einlaßkanäle (A1 bis An; B1 bis Bn) beider Reihen (A, B) geringfügig beabstandet in der Zylinderwand (2) angeordnet sind.
7. Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderinternen Mündungen der Einlaßkanäle (A1 bis An; B1 bis Bn) beider Reihen (A, B) direkt aneinander angrenzend in der Zylinderwand (2) angeordnet sind.
8. Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderinternen Mündungen der Einlaßkanäle (A1 bis An; B1 bis Bn) beider Reihen (A, B) teilweise ineinander übergehend in der Zylinderwand (2) angeordnet sind.

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9. Zwei-Takt-Verbrennungsmotor mit gleichstromgespülten Zylindern nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die schrägstehenden Einlaßkanäle (B1 bis Bn) der zweiten Reihe (B) untereinander abwechselnd unterschiedlich gegenüber der Zylinderachse (10) zum Brennraum hin geneigt in der Zylinderwand (2) angeordnet sind.

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