DE3718211A1 - Zweitaktmotor mit spuelung und ladung - Google Patents

Description

Zweitaktmotoren verwenden im allgemeinen eine Vorkompression des Brennstoff-Luft-Gemisches im Kurbelgehäuse. Die so leicht vorkomprimierte Luft strömt in den Zylinder ein, nachdem die Abgase durch die Auspuffschlit­ ze entwichen sind. Bei Viertaktmotoren verwendet man Turbo-Lader, um deren Leistung pro Gewicht und Abmessung zu erhöhen.

Die Zweitaktmotoren haben den Nachteil, daß ihre Wirkungsgrade meistens geringer, als die der Viertaktmotoren sind. Durch die gegenwärtige Erfindung wird erkannt, daß ein besonderer Mangel der Zweitaktmotoren ist, daß ein Lader oder Turbo-Lader dazu führen kann, daß Übermengen an Kraft­ stoff-Luft-Gemisch unverbraucht in den Auspuff entweichen und dort zu Explosi­ onen führen können, während der Überverbrauch an Kraftstoff im Brenn­ stoff-Luft-Gemisch eine Verschwendung des Kraftstoffs ist. Außerdem fehlt es bis heute an einem Verbrennungsmotor, der so leicht, aber auch so lei­ stungsstark, wie Gasturbinen ist, für billige, insbesondere senkrecht auf­ steigende Flugzeuge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einfachen, billigen Zweitaktmotor auch für die Verwendung zum direkten oder indirekten Propellerantrieb für Flugzeuge zu schaffen und den Wirkungsgrad, sowie die betriebliche Zuverlässigkeit des Zweitaktmotors zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird im Gattungsbegriff des Anspruchs 1 nach dem kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Verbe­ sserungen ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 8.

In der Zeichnung zeigt die

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Zweitaktmotor der Erfindung, wobei innere Teile teilweise in Ansicht dar­ gestellt sind.

In Fig. 1 ist der Zylinderraum 1 durch den Zylinderkopf, die Zy­ linderwand 3 und den Kolben 2 gebildet. Dieser Zylinderraum verkleinert und vergrößert durch den Kolbenhub im Zylinder periodisch sein Volumen. Die Kolbenbewegung - der Kolbenhub - wird durch die Kurbelwelle 5 gesteuert, indem diese im Kurbelgehäuse 14 rotiert und die Rotationsbewegung durch das im Exzenterlager 6 und im Kolbenlager 42 gelagerte Pleuel 4 auf den Kol­ ben 2 überträgt und so dessen Hub steuert.

Die Zylinderwand 43 ist unten mit den Auslaß-Schlitzen 12 versehen, durch die die Abgase aus dem Zylinder 1 entweichen, wenn der Kolben nahe seiner unteren Totpunktlage die Auslaß-Schlitze 12 freigibt. Die Kolben­ ringe 8 dichten den Kolben 2 zur Zylinderlauffläche 3 ab. Die Zündkerze 35 ist in herkömmlicher Weise angeordnet, kann aber durch eine Kraftstoff- Einspritzdüse ersetzt werden. In ebenfalls bekannter Weise ist die Zylinder­ wand 43 gekühlt, und so der Zylinderkopf 44, zum Beispiel durch die Kühl­ räume 9, 10, 11 für Flüssigkeitskühlung oder durch nicht eingezeichnete Kühlrippen für Luftkühlung.

Erfindungsgemäß hat dieser Motor der Erfindung voneinander getrennte Einlaßmittel, die zeitlich derartig nachein­ ander arbeiten, daß zunächst Spülluft durch den Spülluft-Einlaß in den Zylinder geleitet wird und dann zeitlich danach Ladeluft oder Ladeluft-Brenn­ stoff-Gemisch in den Zylinder geleitet wird, um den Zylinder 1 mit einem Vordruck zur Leistungserhöhung aufzuladen. Der Vorteil dieser erfindungsge­ mäßen Ausbildung ist, daß kein Brennstoff in den Auslaß (Auspuff) gelan­ gen kann und das Entweichen von vorkomprimierter Ladeluft in den Auslaß vermieden wird. Dadurch wird einmal Brennstoff-Verlust und zum anderen der Verluft von vorkomprimierter Ladeluft verhindert und somit wird der Wirkungs­ grad des Motors erhöht. Gleichzeitig erhöht sich dabei die Leistung des Motors und die Wirkungsweise nähert sich der sauberen Reinigung und Füllung des Viertaktmotor-Systems an. Unter diesen Umständen wird es möglich, Lader und Turbolader wirkungsgradhoch für Zweitaktmotoren einzusetzen und die Leistung ggf. so hoch pro gegebenem Gewicht des Motors zu steigern, daß dieser der gleichwiegenden Gasturbine an Leistung nahezu gleich kommt. Man erhält so einen billigen, leichten, betriebssicheren Motor für Fahrzeug- Rennen, für den allgemeinen Antrieb und auch für Flugzeuge, insbesondere für senkrecht aufsteigende Flugzeuge.

Die Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die praktische Ausführung des Motors der Erfindung.

In dieser praktischen Ausführung, etwa im Maßstab 1 : 1 des Proto­ types, wird die Ladeluft von einem in der Figur nicht eingezeichneten Spül- Luft-Fördergerät, oder, wie in der Figur gezeichnet, über Ventil 45 in das Kurbelgehäuse angesaugt, beim Abwärtshub des Kolbens 2 im Kurbelgehäu­ se leicht verdichtet und über die Spülluft-Leitung 15, in der ein Einweg­ ventil 16 angeordnet sein kann, zum Spülluft-Einlaßventil 18 geleitet. Dieses Ventil 18 öffnet, wenn der Kolben 2 etwas über die Oberkante der Auslaß-Schlitze (Bohrungen) 12 nach unten gelaufen ist. Solange das Spül­ ventil 18 noch verschlossen ist, erfolgt die Verbrennung des Brennstoffs und die Entspannung des Arbeitsgases, das dabei den Kolben 2 im Arbeitshub nach unten drückt und die Leistung über die Kurbelwelle aus dem Motor ab­ gibt. Sobald der Kolben die Oberkante der Auslaßöffnungen 12 nach unten hin überlaufen hat, expandieren die Auspuffgase in die Abgas-Sammel-Leitung 13 hinein. Die kinetische Energie der dabei noch beschleunigten Abgase kö­ nnen im Zylinder einen Unterdruck erzeugen. Nach Ende dieses Auspuffs, also dann, wenn der Kolben 2 weit genug nach unten gelaufen ist und einen weiteren Teil der Abgasöffnungen 12 freigegeben hat, öffnet das Spülventil 18 und die dann in den Zylinderraum einströmende Spülluft spült den Zylinder­ raum von Abgasen frei, wobei sie den Zylinderraum mit frischer Luft füllt. Sobald dann der Kolben 2 wieder nach oben zu laufen begonnen hat und die Abgasöffnungen 12 verschlossen hat, schließt das Spülventil 18 und das Ladeluft-Ventil 19 öffnet. Danach strömt Ladeluft, zum Beispiel mit 1 bis 2 atü, durch das geöffnete Ladeluftventil 19 in den Zylinderraum 1 ein und füllt diese mit der Ladeluft. Die Ladeluft kann auch ein Kraftstoff-Luft-Ge­ misch sein und ist es in der Fig. 1, weil hier statt einer Brennstoff-Ein­ spritzdüse die Zündkerze 35 eingezeichnet ist. Die Ventile sind in der Figur im geschlossenen Zustand gezeichnet. Nach kurzer Zeit, nachdem der Zy­ linderraum 1 voll mit der Ladeluft gefüllt ist, schließt das Ladeluftventil 19 und die Kompression der Luft oder des Brennstoff-Luft-Gemisches beginnt im Zylinderraum und dauert an bis der Kolben 2 seine obere Totpunktlage nahe dem Zylinderdeckel 44 erreicht hat. Danach erfolgt die Zündung durch die Zündkerze 35 oder die Einspritzung des Brennstoffs durch eine Einspritzdüse, die die Zündkerze 35 ersetzen würde. Anschließend drücken die gezünde­ ten Arbeitsgase auf den Kolben 2 und treiben ihn im Arbeitshub nach unten, bis er so weit nach unten gelaufen ist, daß er die oberen Kanten der Abgas­ öffnungen 12 freigibt und das Abgas durch die Auslässe 12 in den Sammelraum 13 entweicht. Danach wiederholt sich der beschriebene Arbeitslauf bei der nächsten Umdrehung der Kurbelwelle 5. Die Rotation der Kurbelwelle wird durch die Massen oder Gegengewichte 17 aufrechterhalten.

Durch die beschriebene Arbeitsweise und die beschriebenen Anordnun­ gen ist erfindungsgemäß sichergestellt, daß der Spülvorgang und der Lade­ vorgang zeitlich und räumlich voneinander getrennt sind. Dadurch wird das Entweichen von Ladeluft und das Entweichen von Brennstoff in der Ladeluft vermieden. Die Spülung und Füllung des Zylinderraumes ist jetzt praktisch so perfekt, wie beim Viertaktmotor, doch erreicht der Zweitaktmotor fast die doppelte Leistung des Viertaktmotors mit Turbolader, wenn der Zweitaktmo­ tor nach der Arbeitsweise oder den Merkmalen der Erfindung ausgebildet ist.

In der Fig. 1 ist der Lader 33 durch die Ladeleitung 34 zum Lade­ ventil 19 verbunden und die Abgasleitung 32 verbindet den Abgassammelraum 13 mit dem Lader 33. Das Abgas treibt dabei im Lader 33 einen Motor oder eine Turbine, wodurch innerhalb des Laders 33 ein Verdichter betrieben wird. Der Lader 33 kann daher auch ein Abgas-Turbo-Lader sein, heute meistens einfach "Turbo" genannt. Der Spülluftleitung 15 kann ein insbesondere durch Drehzahl der Kurbelwelle 5 geregeltes Ablaßventil 39 mit Feder 40 unter dem Regler 41 zugeordnet werden, um den Spülluftdruck im Verhältnis zur zeitlichen Drehzahl der Kurbelwelle zu steuern, damit rationeller Betrieb erreicht werden kann. Die Einlaßventile 18 und 19 sind meistens federbela­ stet, wie die Federn 30 unter der Halterung 20 zeigen, wobei durch die Feder­ kraft die Einlaßventile geschlossen gehalten werden, bis sie durch eine die Federkraft überwiegende Öffnungskraft geöffnet werden. Die Öffnungskraft muß zur richtigen Zeit in Tätigkeit treten und in der Fig. 1 ist das bei­ spielsweise durch je eine Nockenwelle 20 oder 21, pro Ventil, sichergestellt. Die Nockenwellen werden durch die Kurbelwelle mit zur Kurbelwellendrehzahl gleicher Drehzahl angetrieben und haben die Nocken 22 bzw. 23. Die Drehrich­ tung der Nockenwellen ist durch die Pfeile gezeigt. Wichtig ist im Rahmen der Erfindung, daß der Nocken 23 für das Ladeventil relativ zum Nocken 22 des Spülventils 18 um den Winkel 24 zurück versetzt ist, damit das Lade­ ventil 19 erst nach dem Spülventil 18 öffnet und schließt.

Statt der Ventile können Schlitzsteuerungen oder Drehschieber als Spülluft- und Ladeluft-Einlässe verwendet werden. Wichtig ist dabei, daß auch dann die Trennung der Spülluft von der Ladeluft und der relativ zur Spülluft spätere Einlaß der Ladeluft gesichert sein muß. Statt die Venti­ le durch Federn zu schließen, ist es oft praktischer, den Ventilen 18, 19 einen pneumatisch oder hydrostatisch betätigten Kolben in einem Zylinder zwecks Öffnen und Schließen der Ventile zuzuordnen. Die Anordnungen der Erfindung können auch an Doppelkolbenmotoren verwendet werden und dadurch bei ihnen ähnlich vorteilhafte Erfindungseffekte bewirken.

Die Nockenwellen 20 und 21 sind in bekannter Weise von der Kurbelwelle 5 über Getriebe oder Ketten angetrieben, was in der Fig. 1 nicht gezeigt wird, weil es allgemein bekannt ist. Die Nockenwellen sind in dem Nockenwellenhalter 25 gelagert. Das Spülventil 18 bildet mit dem Zylinderkopf 44 den Sitz 26 und das Ladeventil 19 den entsprechenden Sitz 27. Die Ventile 18 und 19 haben im Zylinderkopf 44 geführte Ventil­ schäfte 28 mit den Enden 31, gegen die die Nocken 22 bzw. 23 zum Öffnen der Ventile drücken und dadurch die Schäfte 28 nach unten drücken und die Ventile 18 bzw. 19 öffnen. Die Feder 37 kann gegen das Ventil 45 wirken und ein Luftfilter 38 mag dem Ventil 45 vorgeschaltet werden.

Für die Konstruktion eines Motors der Erfindung ist es zweckdien­ lich, die Auslaßöffnungen, den Spülbeginn, das Spülende, den Beginn des Ladens und das Ende des Ladevorganges genau dem Hubweg des Kolbens anzupas­ sen. Wenn eine Kurbelwelle verwendet wird, verwendet man die entsprechenden Umdrehungs-Gradzahlen und wandelt sie auf Kolbenweg um. Wird der Motor im Maßstab 1 : 1 nach der Fig. 1 gebaut, dann setzt man für senkrecht aufstei­ gende Flugzeuge praktischerweise zwei Einheiten in ein gemeinsames Gehäuse mit gemeinsamem Startermotor und gemeinsamem Turbolader. Die Leistung wird dann gegenüber einem Rennmotor, der bei zwei Zylindern etwa 55 PS hätte, auf 110 PS in vier Zylindern bei Selbstansaugbetrieb und auf über 150 PS bei Betrieb nach den Mitteln der Erfindung in Verbindung mit dem gemeinsamen Turbolader gesteigert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich noch aus den Patentansprüchen, die daher auch als Teil der Beschreibung der Aus­ führungsbeispiele der Erfindung gelten sollen.

Die geometrisch-mathematischen Formelentwicklungen befinden sich in den entsprechenden Rotary Engine Kenkyusho Forschungsberichten = RER- Berichten des Erfinders.

Claims (8)

1. Verbrennungsmotor mit in einem Zylinder mittels einer Kolbenhubvor­ richtung hin und her bewegtem Kolben, der im Zylinder periodisch Luft (oder Brennstoff-Luft-Gemisch) komprimiert und nach Zündung des Brennstoffs in der Luft mittels der dabei entstehenden hoch temperierten Gase die Expansionskraft der Gase auf den Kolben über­ trägt, während der Kolben diese Expansionskraft auf die Kolbenhub- Vorrichtung überträgt und teilweise als Leistung, bevorzugterweise mittels einer Kurbelwelle, abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens folgende Merkmale in Kombination angeordnet sind:

• a) Eine Mehrzahl von Auslaßöffnungen am unteren Teile des Zylinders,
• b) ein Kolbenhub von unterhalb der genannten Auslaßöffnungen bis in die Nähe des oberen Zylinderkopfes,
• c) eine Spülvorrichtung zur Ausspülung der Brenngase aus dem Zylinder,
• d) eine Ladevorrichtung zur Erzeugung eines Vordrucks im Zylinder zu einer Zeit, da der Kolben weniger als 25 Prozent seines Aufwärts- Kompressionsweges zurückgelegt hat,
• e) eine Zünd- oder Brennstoff-Einspritz-Vorrichtung,
• f) getrennte Zeiten für die Spülung des Zylinders und die Aufladung des Zylinders mittels der Ladevorrichtung,
• g) eine Steuerung zur Betätigung der Spülvorrichtung zeitlich vor dem Inkrafttreten der Ladevorrichtung,
• h) eine Steuerung für die zeitlich nach der genannten Spülung erfol­ gende Ladung des Zylinders mittels der genannten Ladevorrichtung, und dadurch
• i) Betrieb des Motors mit hohem Wirkungsgrad und mit hoher Leistung infolge der Verhinderung von Entweichen von vorkomprimierter Lade­ luft oder von Brennstoffteilen in der Ladeluft, wie es bei Zweitakt­ motoren bisher noch vorkam.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladevorgang erst dann beginnt, wenn die genannten Auslaß­ öffnungen beim Aufwärts-Kompressions-Hub des Kolbens bereits durch den Kolben (und dessen Dichtringe) verschlossen sind.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kopfteil des Zylinders zwei Einlaß-Ventile angeordnet sind und die Zuleitung zum einen der Ventile mit der Spülvorrich­ tung verbunden ist, während die Zuleitung des anderen der Ventile mit der Ladevorrichtung verbunden ist.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebsvorrichtung den beiden Ventilen zugeordnet ist, die Antriebsvorrichtung mindestens indirekt durch oder parallel zum Hube des Kolbens gesteuert wird und eine Vorrichtung den Venti­ len zugeordnet ist, durch die das Spülluftventil vor dem Ladeven­ til und das Ladeventil nach dem Schließen des Spülventils ge­ öffnet wird.

5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben mittels eines Pleuels mit einer in einem Kurbelge­ häuse umlaufender Kurbelwelle verbunden ist, die beim Abwärtshub (Expansionshub) des Kolbens im Kurbelgehäuse entstehende Ver­ dichtung der Luft im Kurbelgehäuse während der Öffnung des Lade­ luft-Einlasses in den Zylinder geleitet wird und ein gesonderter Lader die Ladeluft erzeugt, die während der Öffnung des Ladeluft- Einlasses die Ladeluft in den Zylinder leitet.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Auslaßöffnungen strömenden Abgase in einen An­ trieb (zum Beispiel eine Turbine oder einen Expansionsmotor) gelei­ tet wird und der genannte Antrieb den Lader zur Erzeugung der Lade­ luft antreibt.

7. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Antriebsvorrichtung zum Betrieb des Öffnens und Schließens der genannten Ventile mechanisch, hydrostatisch oder pneumatisch wirkt.

8. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlässe für die Spül-Luft und für die Lade-Luft als in Führungen laufende Schlitze oder Ausnehmungen ausgebildet sind, die zusammen mit den Führungen öffnen und schließen.