DE3704635A1 - Pleuelgeblaese mit vorspuelung fuer verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Ladungswechsel von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein Pleuelgebläse spült mittels einer Vorspülung die verbrannten Gase aus dem Zylinder und versorgt den Zylinder mit ausreichend frischer Ladung.

Es ist bekannt, daß der Ladungswechsel bei Verbrennungsmotoren entweder durch die Sogkräfte des Kolbens oder aber durch zusätzlich angeordnete Lader, Fremdaufladung, mechanische Aufladung, Abgasturboaufladung erfolgt. Die Verwendung der Fremdaufladung oder der Abgasturboaufladung erfordern einen hohen konstruktiven Aufwand und daher werden diese nur in besonde­ ren Fällen angewandt.

Mit geringerem technischen Aufwand läßt sich z. B. die mechanische Aufla­ dung einsetzen. Hier werden als Lader meist Drehkolbengebläse verwendet, die - entsprechend der Drehzahl - stets die erforderliche Menge frische Ladung liefern, da die Liefermenge dieser Gebläse proportional der Dreh­ zahl ist.

Bei einfachen Zweitaktmotoren ist das Kurbelkammergebläse das gebräuch­ lichste, und hierbei sind keine zusätzlichen Konstruktionen erforderlich, es sei denn, der Ansaugkanal wird nicht kolbengesteuert, sondern wegen des besseren Füllgrades so in das Kurbelgehäuse gelegt, daß eine Ventil­ oder Membransteuerung erforderlich wird.

Um beim Kurbelkammergebläse die zusätzlichen Verwirbelungen durch die Ausgleichsmassen zu vermeiden, werden diese, zumindest äußerlich, als glatte Scheiben ausgebildet, was gleichzeitig das Kurbelkammervolumen reduziert und dadurch den Ladungswechsel positiv beeinflußt.

Weiterhin ist bekannt, daß z. B. bei Zweitakt-Motoren die Gleichstrom-, Quer- oder Umkehrspülung allgemein gebräuchlich sind und je nach Ver­ wendungszweck zum Einsatz kommen, während beim Viertakt-Motor die ver­ brannten Gase durch den Kolben ausgeschoben werden.

Bei dem vorgenannten Spülverfahren besteht der Nachteil, daß entweder Restabgase im Zylinder verbleiben oder aber es geht frische Ladung, und damit Kraftstoff, verloren. Damit der Kraftstoffverlust vermieden wird, nimmt man in Kauf, daß ein Teil der Restabgase im Zylinder verbleibt.

Dieses Verfahren hat eine weniger gute Verbrennung der frischen Ladung zur Folge, und dadurch werden die Liter-Leistung des Motors sowie die Abgase negativ beeinflußt.

Bei der Anordnung zusätzlicher Lader ist ein erhöhter konstruktiver Aufwand erforderlich, der zusätzliches Gewicht bringt, Platzbedarf er­ forderlich macht, und durch den erforderlichen Antrieb dieser Geräte geht ein nicht unerheblicher Teil der erzeugten Motorleistung verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ladungswechsel so effek­ tiv wie möglich durchzuführen, die frische Ladung so einzugeben, daß keine Kraftstoffverluste auftreten und außerdem eine möglichst vollstän­ dige Verbrennung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Pleuelge­ bläse zuerst Spülluft in den Zylinder drückt und die Abgase aus dem Zylinder spült und erst dann die benötigte Ladung einströmt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch das Pleuelgebläse bei jedem Ladungswechsel ausreichend frische Ladung zur Verfügung steht und daß durch die Vorspülung keine Restabgase im Zylinder verbleiben, so daß eine vollständige Verbrennung, und damit ein besserer Wirkungsgrad, sowie sauberere Abgase erzielt werden und durch die Vorspülung Kraftstoffverluste beim Ladungswechsel nicht ent­ stehen.

Außerdem werden durch die Vorspülung die thermisch hoch belasteten Konstruktionsteile zusätzlich gekühlt.

Weitere Vorteile bestehen darin, daß zusätzliche bewegliche Teile nicht erforderlich sind, daß das Pleuelgebläse mit außerordentlich geringem Aufwand herzustellen ist, keinen zusätzlichen Platzbedarf und keinen zu­ sätzlichen Antrieb erfordert, die Liefermenge proportional zur Drehzahl ist, die Luftsäulen auf der Sogseite ständig strömen und in diesem Be­ reich keine Schwingungen entstehen und daß auf der Druckseite das bei Zweitakt-Motoren so wichtige Schwingungssystem durch das Pleuelgebläse nachhaltig positiv beeinflußt wird.

Das Pleuelgebläse besteht aus dem Kurbelgehäuse 4, dem unteren teil­ kreisförmigen Pleuelauge 3 sowie dem kurvenförmigen Pleuelschaft 2 und ist so gestaltet, daß das Pleuel die Kurbelkammer in eine Sog- und eine Druckseite teilt. Voraussetzung hierfür ist, daß - wie allgemein üblich bei Zweittaktmotoren - die Ausgleichsmassen als glatte Scheiben ausgebil­ det sind und außerdem so genau wie möglich in das Kurbelgehäuse 4 inte­ griert sind, daß das Luftvolumen zwischen Kurbelgehäuse und Ausgleichs­ massen so gering wie möglich ist bzw. sich dem Wert 0 nähert.

Die Vorspülung wird dadurch erreicht, daß von dem Pleuelgebläse nur reine Luft, im nachfolgenden als Spülluft bezeichnet, angesaugt und geliefert wird und daß der Überströmkanal 6 sich in mehrere Kanäle, hier zum Bei­ spiel 7, 8 und 9, teilt, welche dann über die Einlaßschlitze so gesteuert werden, daß zuerst nur Spülluft für die Vorspülung, in Form einer Umkehr­ spülung, durch die Einlaßschlitze 13 einströmen kann und von der ein Teil, ohne Energie- bzw. Kraftstoffverlust, bis in den Auslaßkanal 16 gelangen kann, während die Gemischzugabe etwas später erfolgt, so daß der Auslaß­ schlitz 15 bereits geschlossen ist, bevor das Gemisch, im nachfolgenden als Ladung bezeichnet, diesen erreicht.

Durch weitere Anordnung der Einlaßschlitze 12 wird eine zusätzliche Vor­ spülung in Form einer Querspülung für den unteren Zylinderbereich erreicht, so daß eine vollständige Ausspülung der verbrannten Gase möglich ist.

Da bei Viertakt-Motoren heute bereits viele mit mehr als einem Einlaß­ ventil hergestellt werden, kann die Vorspülung auch hier leicht dadurch erreicht werden, daß ein Einlaßventil mit einem Kanal für die Spülluft versehen wird und dieses Einlaßventil bereits kurz nach dem Öffnen des Auslaßventils öffnet und damit Spülluft mit Überdruck durch das Pleuel­ gebläse während des Ausstoßhubes in den Zylinder gedrückt wird und so die Abgabe vollständig beseitigt werden und zusätzlich die thermisch hoch belasteten Auslaßventile und deren Sitze kühlt.

Das Einlaßventil für die Spülluft ist also fast während des gesamten Ausstoßhubes geöffnet und für die Ausspülung steht demnach eine kom­ plette Ladungswechselmenge zur Verfügung, und da dieses Ventil zwischen dem 4. und 1. Takt nicht zu schließen braucht, steht die volle strömen­ de Luftsäule sofort nach Schließen der Auslaßventile für die neue Zylinderfüllung zur Verfügung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist für einen Zweitakt-Motor in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Es zeigt

Fig. 1 Kurbelgehäuse mit Zylinder, Kolben und Pleuelgebläse in Stellung a, gleich oberer Totpunkt

Fig. 2 Kurbelgehäuse mit Zylinder, Kolben und Pleuelgebläse in Stellung b

Fig. 3 Kurbelgehäuse mit Zylinder, Kolben und Pleuelgebläse in Stellung c

Fig. 4 Kurbelgehäuse mit Zylinder, Kolben und Pleuelgebläse in Stellung d

Fig. 5 Kurbelgehäuse mit Zylinder, Kolben und Pleuelgebläse in Stellung e und Schieber

Fig. 6 Kurbelgehäuse mit Zylinder, Kolben und Pleuelgebläse in Stellung f

Fig. 7 Vertikaler Schnitt eines Zylinders in der Zylinderachse mit Strömungspfeilen für die unterschiedlichen Spülverfahren

Fig. 8 Horizontaler Zylinderschnitt im Bereich der Ein- und Auslaß­ schlitze mit Strömungspfeilen für die unterschiedlichen Spül­ verfahren.

In Fig. 1 ist das Pleuelgebläse, in der Stellung a, gleich oberer Totpunkt, dargestellt. Bei der Drehung der Kurbelwelle entgegengesetzt des Uhrzeiger­ sinnes bewegt sich das untere Pleuelauge 3 nach links und damit schließt das Pleuelauge 3 mit dem Kurbelgehäuse 4 am Punkt 19 den Zylinder 14 ab.

Der kurvenförmige Pleuelschaft 2 und das teilkreisförmige Pleuelauge 3 sind so breit ausgebildet, daß diese genau zwischen die Ausgleichsmassen passen und dadurch die seitliche Begrenzung der Sog- und Druckseite bil­ den und während der gesamten Kurbelwellenumdrehung auch aufrecht erhalten. In der Stellung b des Pleuelgebläses, Fig. 2, entsteht bei der Abwärts­ bewegung des Pleuelauges 3, zwischen dem Punkt 19 und dem Anlagepunkt an dem kurvenförmigen Pleuelschaft 2, sowie zwischen dem Anlagepunkt des Pleuelauges 3 und dem Kurbelgebläse 4 ein sich vergrößerndes Volumen, das sich durch den am Kurbelgehäuse 4 angeordneten Ansaugkanal 1 auf­ füllt, so daß auf der linken Seite die Sogseite entsteht.

Da sich gleichzeitig durch die Bewegung des Pleuelauges 3 das Volumen auf der rechten Seite verringert, entsteht hier die Druckseite. Diese wird noch dadurch unterstützt, daß durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 17 zusätzlich das Volumen aus dem Zylinder 14 gedrückt wird.

Durch den Ansaugkanal 1 wird nur Spülluft angesaugt, so daß in der Kurbelkammer keine Ladung vorhanden ist.

Durch die Anordnung des Oberströmkanals 6, der sich in die Einlaßkanäle 7, 8 und 9 teilt, und da nur an dem Einlaßkanal 9 ein Vergaser 10 angeordnet ist und die Einlaßschlitze 13 im Zylinder 14 so angeordnet sind, daß in der Stellung c, Fig. 3, bereits der Auslaßschlitz 15 geöffnet, der Einlaß­ schlitz 13 geöffnet, der Einlaßschlitz 11 für die Ladung aber noch ge­ schlossen ist, kann in dieser Zeit bis zum Öffnen des Einlaßschlitzes 11 für die Ladung eine Vorspülung mit Spülluft in Form der Umkehrspülung er­ folgen.

In Fig. 4, Stellung d des Pleuelgebläses, gleich unterer Totpunkt, ist erkennbar, wie sich das Volumen auf der Sogseite vergrößert und gleich­ zeitig auf der Druckseite verringert und zusätzlich das gesamte Volumen des Abwärtshubes des Kolbens 17 mit zur Füllung des Zylinders 14 zur Verfügung steht.

In dieser Kolbenstellung sind sämtliche Aus- und Einlaßschlitze geöffnet. Die Füllung des Zylinders 14 erfolgt nun über die Einlaßschlitze 13 mit Spülluft als Vorspülung in Form der Umkehrspülung über die Einlaßschlitze 12 als Vorspülung in Form der Querspülung, und über den Einlaßschlitz 11 wird die erforderliche Ladung beigegeben, die sich während des Aufwärtshubes des Kolbens 17 durch die Wirbelbildung der Umkehrspülung gleichmäßig mit der Spülluft vermischt.

Die Anordnung der Einlaßschlitze 11, 12 und 13 muß so erfolgen, daß die Einlaßschlitze 13 für die Umkehrspülung mit dem längsten Weg zuerst öffnen, dann die Einlaßschlitze 11 für die Ladung und danach die Einlaß­ schlitze 12 für die Querspülung mit dem kürzesten Weg zum Auslaßschlitz 15, bzw. so daß durch die Querspülung beim Vorspülen keine Ladung mitgerissen wird. Die Auslaßschlitze 15 schließen, während die Spülluft aus den Ein­ laßschlitzen 12 und 13 bereits im Auslaßkanal 16 sind, die Ladung aus dem Einlaßschlitz 11 aber die Auslaßschlitze 15 noch nicht erreicht haben.

Nach dem Schließen der Einlaßschlitze 11, 12 und 13 durch den Kolben 17, Fig. 5, Stellung e des Pleuelgebläses, wird im Bereich des Überströmkanals 6 keine Spülluft mehr benötigt und daher strömt die bis dahin unter Druck stehende Spülluft in den durch den aufwärtsgehenden Kolben 17 freiwerdenden Zylinder 14.

Da der aufwärts gehende Kolben 17 einen Sog erzeugt, ist das Pleuelauge 3 so ausgebildet, daß es sich etwa zum Zeitpunkt des Schließens der Einlaß­ schlitze 11, 12 und 13 von dem Kurbelgehäuse 4 löst, so daß die Spülluft auf diesem Wege, Fig. 6, Stellung f des Pleuelgebläses, in den Zylinder 14 strömen kann und ebenso durch die entstehende Öffnung zwischen Punkt 19 und dem kurvenförmigen Pleuelschaft 2.

Hierdurch entsteht auf der Sogseite ein ständiger Unterdruck, so daß die Spülluft ständig durch den Ansaugkanal 1 strömt und durch die Führung des Pleuelauges 3 die Spülluft in der Kurbelkammer auf der Sogseite immer in gleicher Richtung in Bewegung ist.

Während des Aufwärtshubes des Kolbens 17 bis zum oberen Totpunkt füllt sich das Kurbelgehäuse 4 sowie der Zylinder 14 unterhalb des Kolbens 17 mit Spülluft auf, so daß für jeden Ladungswechsel die gleiche Liefermenge zur Verfügung steht.

Um einen evtl. Kurzschluß der Spülluft zwischen der Sog- und Druckseite im Bereich Punkt 19 und dem kurvenförmigen Pleuelschaft 2 ab unteren Totpunkt, Stellung d bis Stellung e des Pleuelgebläses, zu unterbinden, ist ein Schieber 21 angeordnet, der durch einen Dorn 20, der am Kolben 17 befestigt ist, gesteuert wird.

Um die Schieberbewegung so gering wie möglich zu halten, wird der Schieber 21 wieder mit einer Rückholfeder 26 in die Ausgangsstellung gebracht.

In den Fig. 7 und 8 ist die Vorspülung durch die unterschiedlichen Strömungspfeile dargestellt.

Die Strömungspfeile 22 zeigen die Abgase, die nur mit der Spülluft, Strömungspfeile 23 und 24, in Berührung kommen.

Die Strömungspfeile 23 zeigen die Umkehrspülung, die im wesentlichen den oberen Teil des Zylinders 14 spülen, und daher wird die Spülluft unter ca. 60° nach oben eingeleitet.

Die Strömungspfeile 24 zeigen die Querspülung, die den unteren Zylin­ derteil und den Kolbenboden bestreicht, und daher kann die Spülluft sehr flach einströmen.

Die Strömungspfeile 25 zeigen in etwa in der Form der Umkehrspülung die Zuführung der Ladung, die sich durch die Wirbelbildung der ein­ zelnen Spülluftströme während des Aufwärtshubes mit diesen vermischt.

Claims (3)

1. Pleuelgebläse mit Vorspülung für den Ladungswechsel von Ver­ brennungsmotoren mit einem teilkreisförmigen Pleuelauge und einem kurvenförmigen Pleuelschaft sowie mehrere Überströmka­ näle mit unterschiedlicher Funktion für die Vorspülung, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuelauge (3) und der Pleuelschaft (2) so ausgebildet sind, daß die Kurbelkammer während des gesamten Umlaufes des Pleuels in eine Sog- und eine Druckseite geteilt wird.

2. Pleuelgebläse mit Vorspülung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Spülluft mit dem erforderlichen Überdruck durch das Pleuelgebläse die Abgase mit unterschiedlichen Spülverfah­ ren als Vorspülung aus dem Zylinder spült und die erforderliche Ladung zeitverzögert einströmt und so ohne Spülverluste energe­ tisch erhalten bleibt.

3. Pleuelgebläse mit Vorspülung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein kolbengesteuerter Schieber (21) so ausgebil­ det ist, daß ein Kurzschluß der Spülluft zwischen der Sog- und Druckseite vermieden wird.