DE3808342A1 - Zweitakt-brennkraftmaschine mit selbstzuendung und zweitdehnung - Google Patents

Description

Durch die OS 34 37 302.0 sowie OS 37 25 623.8 sind Zweitakt- Brennkraftmaschinen mit Zweitdehnung bekannt.

Diese Maschinen in Richtung höherer Belastbarkeit mit verbessertem Wirkungs­ grad sowie mit verringertem Aufwand weiterzubilden, hat sich die Erfindung zur Aufgabe gesetzt.

Die erfinderische Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnen­ den Teil der Ansprüche sowie der Beschreibung zum Ausdruck gebracht.

In den Abbildungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei handelt es sich um den Antriebsmotor eines schweren Nutzfahrzeugs mit vier horizontal mit je zwei gegen­ überliegend angeordneten Zylindern.

In Fig. 1 ist die Betätigung der vorderen vier Schwingkolben in einem in Fig. 2 mit A-B gekennzeichneten, durch das Vor­ derteil des Motors gelegten Querschnitt wiedergegeben. Fig. 2 zeigt einen in Fig. 1 mit C-D angegebenen, waagerechten Längs­ schnitt. Fig. 3 veranschaulicht einen in Fig. 2 mit E-F ge­ kennzeichneten Querschnitt durch zwei gegenüberliegende Zylin­ der. Schließlich ist in Fig. 4 ein in der Ebene der Schwing­ kolbenlagerung gelegter vertikaler Längsschnitt durch einen Zylinder dargestellt.

In den Abbildungen sind die Kolben mit 1 bis 4 gekennzeichnet. Sie sind über Pleuel 5 bis 8 über Käfig-Rollenlager 9 mit der in diesem Fall die Kurbelwelle ersetzenden Exzenterwelle 10 mit um 90° versetzt angeordneten Exzentern 11 bis 14 verbunden. Die Pleuel mit ihren Kolbenbolzen 15 sind im Kolben derart ge­ lagert, daß die Axialführung durch den Kolben im Zylinder über­ nommen wird. Je zwei Zylinder 16/17 und 18/19 sind einschließ­ lich Zylinderköpfen zu einem, einen Kühlwassermantel aufweisen­ den Block zusammengegossen und über Zuganker 20 durch das zweiteilige Motorgehäuse 21 und 22 hindurch miteinander ver­ bunden. Das Motorgehäuse wird durch die geteilten, die Ex­ zenterwelle 10 tragenden Lager 23 umfassende, senkrecht zu den die Zylinder verbindenden Zugankern 20 angeordnete Schrauben 24 zusammengehalten. Jede Motorgehäusehälfte 21 und 22 weist auf jeder Längsseite einen angegossenen Teilzylinder auf, welcher durch eingesetzte Zwischenwände 66 bis 69 in je zwei Teilzy­ linder 25/26, 27/28 im Kaltbereich und 29/30 und 31/32 im Warm­ bereich aufgeteilt sind.

Die Zylinderblöcke 16/17 und 18/19 besitzen auf jeder Seite einen angegossenen, auf der den Arbeitszylindern abgewendeten Seite seitlich offenen Zylinder 33 bis 36, dessen Mittenachse seiner durchgehend bearbeiteten Bohrung senkrecht zu den Mitten­ achsen der Motorzylinder verläuft. In die Bohrungen der an die Zylinderblöcke 16/17, 18/19 angegossenen Zylinder 23 bis 36 wird von vorn und hinten je ein Schwingkolben 37 bis 40, welcher jeweils aus einem flachen Flügel 37 ₁ bis 40 ₁ und einem, zur Lagerung dienenden, den Stoffwechsel steuernden zylindrischen Teil 37 ₂ bis 40 ₂ besteht. Der Übersichtlichkeit halber werden hier nur die Spül- und Zweitdehnungseinrichtungen, welche den beiden Zylindern 16 und 18 zugeordnet sind, beschrieben. Die Einrichtungen für die beiden Zylinder 17 und 19 sind dieselben. Ihre Betätigung erfolgt lediglich um 180° versetzt.

Zum Bewegen der Schwingkolben besitzt die Exzenterwelle 10 vor und hinter den Exzentern 11 bis 14 der Arbeitszylinder je einen weiteren Exzenter 41 und 42, auf welchen die, die Schwingkol­ ben bewegenden Hauptpleuel 43 und 44 gelagert sind. Die vier Schwingkolben 37 bis 40 der beiden vorderen, wie die Schwing­ kolben, welche den beiden hinteren Arbeitskolben 3 und 4 zuge­ ordnet sind, werden von je einem Exzenter 41 und 42 aus betä­ tigt. Zu diesem Zweck weist das an den Schwingkolben 37 ange­ lenkte Hauptpleuel 43 einen Fortsatz 43 ₁ auf, an dem das Neben­ pleuel 45 schwenkbar aufgehängt ist und den Schwingkolben 38 in eine gegenüber dem Schwingkolben 37 um 90° versetzt ablaufende Bewegung versetzt. Die um annähernd 180° versetzt gegenüber den Schwingkolben 37 und 38 arbeitenden Schwingkolben 39 und 40 werden durch die Lenker 46 und 47 bewegt.

Bevor die Gesamtfunktion der Maschine der Erfindung und dessen Stoffwechselvorgänge beschrieben wird, müssen noch einige, sich aus dem Grundgedanken der Erfindung ergebenden Merkmale erläutert werden, welche die gesamte Thermik der Maschine er­ heblich beeinflussen.

Bei einer Zweitakt-Brennkraftmaschine ist der Kolben hoch be­ lastet, zumal er auch zur Steuerung der Gaswechselvorgänge dient. Deshalb der erfinderische Vorschlag, ihn in der Kolben­ ringpartie durch einen von Kühlwasser durchflossenen Kanal zu kühlen. Dadurch kann die Maschine mit kurzem Hub und großer Bohrung arbeiten, wodurch sich bezüglich der Schlitzabmessungen Vorteile ergeben und eine Exzenter- statt einer Kurbelwelle Verwendung finden kann. Durch die Wasserkühlung im Ringkanal 48, dem durch Schlauch 49 mit zwei Bohrungen Wasser zu- und abgeleitet wird, ist auch bei extremen Bohrungs/Hub-Verhältnis gewährleistet, daß das Kolbenspiel über den gesamten Betriebs­ bereich praktisch gleich bleibt, was noch dadurch unterstützt werden kann, daß für Zylinder und Kolben ein Werkstoff mit gleicher Wärmedehnung Verwendung findet. Also kann beispeils­ weise der Zylinder aus normalem Grauguß mit Lamellargraphit und Kolben aus Sphäroguß mit Kugelgraphit benutzt werden.

Die im Motorgehäuse untergebrachten Kühlwasserschläuche 49 und 50 sind im Oberteil des Motorgehäuses befestigt und in an den Zylindern befestigten Gleitschienen 51 und 52 seitlich geführt.

Der Motor saugt aus dem, im Raum 53 über dem Motorgehäuse an­ geordneten Luftfiltergehäuse über die Membransteuerungen 54 und 55 Luft an, welche von den Schwingkolben 39 und 40 vorver­ dichtet und bei durch die Steuerkanten der am zylindrischen Teil der Schwingkolben angebrachten Ausnehmungen geöffneten Einlaßkanälen 56 und 57 in den zugeordneten Arbeitszylinder 17 oder 19 gefördert wird.

In Fig. 5 ist das Steuerdiagramm vorstehend beschriebener Brennkraftmaschine dargestellt. Sein Ablauf wird nachfolgend anhand Fig. 3 beschrieben:

Bei 90° Kurbelwinkel öffnen der Auslaßschlitz 58 sowie der gleich hohe Einlaßschlitz 59 des Zylinders 18. Während die bei dieser Kolbenstellung bei Vollast noch hochgespannten Brenngase durch den zylindrischen Teil 39 ₂ des Schwingkolbens 39 am Ausströmen gehindert werden, steht den sich schnell weiter öffnenden Auslaßschlitzen 58 der offene Kanal 37 ₃ im Schwingkolben 37 gegenüber. Bis zu diesem Moment hatte der Schwingkolben 37 in seinem Teilzylinder die Vorverdichtung er­ zeugt, welche eine optimale Zweitdehnungs-Ausbeute in Haupt- und Teilzylinder gewährleistet.

Um auch bei Teillast einen möglichst guten Wirkungsgrad zu erreichen, kann wie am Zylinder 18 veranschaulicht ist, der Verdichtungsraum des Teilzylinders für die Zweitdehnung ver­ größert werden. Der die Einspritzungsmenge sowie den Ein­ spritzungsabschluß steuernde Mikroprozessor der Maschine be­ tätigt dabei von einer bestimmten Minderbelastung ab den Mag­ net 62 und löst den bei hoher Last eingeschalteten Magnet 63. Dadurch gibt der Ventilschieber 65 den Durchgang zum zusätz­ lichen Verdichtungsvolumen 64 frei und die Vorverdichtung wird entsprechend reduziert. Diese Maßnahme kann auch da­ durch stufenlos erzielt werden, daß das als Zylinder ausge­ bildete Zusatzvolumen einen Kolben aufweist, dessen Stellung über ein elektrisch angetriebenes Spindelgetriebe verändert wird.

Im vorliegenden Beispiel dehnen sich die gespannten Verbren­ nungsgase vom Zeitpunkt des Öffnens der Auslaßkanäle ab im Arbeits- und Teilzylinder zusammen aus, bis die Vorderkante des Schwingkolbens 37, 38 den entsprechend groß bemessenen Auslaß 66 und 67 in die Atmosphäre bzw. die Auspufftöpfe freigibt. Die erhebliche Entspannung der Auslaßgase gibt die Gewähr dafür, daß mit dieser Maschine eine bisher nicht er­ reichbare Geräuschminderung durch die Abgase erzielt werden kann.

Der Vorgang im unteren Totpunkt (UT) ist in Fig. 3 beim vor­ dersten Zylinder 15 zu erkennen. Dort sind sowohl Ein- wie Auslaß noch geöffnet, d.h. in diesem Bereich spielt sich der Spülvorgang ab, der anschließend in den Ladevorgang mit Frischluft übergeht, wobei der Auslaß durch den Zylinderteil 32 ₂ des Schwingkolbens 38 geschlossen wird und die vom Schwing­ kolben 40 vorverdichtete Luft über die Aussparung 40 ₃ in den Zylinder 16 eindringen kann.

Zu der Geräuschminderung durch eine bisher unerreichbare Ab­ gasentspannung kommt hinzu, daß auch ihre mechanischen Ge­ räusche durch Fortfall des Ventilantriebs erheblich vermindert sind. Bei einem Vergleich mit durch Turbolader aufgeladene Viertaktmaschinen ist weiterhin festzustellen, daß die in den Zuleitungen zum Turbolader sowie in den Leitungen zum Lade­ luftkühler und zum Motor auftretenden zusätzlichen Pfeif- und Dröhngeräusche bei der Maschine der Erfindung nicht entstehen können, weil der Stoffwechselkreislauf ohne Leitungen abläuft und eine den Wirkungsgrad verringernde Ladeluftkühlung wegen der Aufteilung in Kalt- und Warmbereich überflüssig ist.

Claims (5)

1. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Selbstzündung und Zweit­ dehnung, mit beidseitig des Arbeitszylinders angeordneten Teilzylindern, in denen Schwingkolben um Achsen, welche senkrecht zur Mittenachse des Arbeitszylinders liegen, von der Kurbelwelle aus bewegt werden, wobei der Schwingkolben der einen Seite die Spülung und Ladung des Arbeitszylin­ ders und der Schwingkolben der gegenüberliegenden Seite eine Zweitdehnung der Arbeitsgase vornimmt, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:.

• a) Die Schwingkolben (37 bis 40) bestehen aus einem zur Lagerung am Arbeitszylinder (16, 18) sowie zum Steuern der Stoffwechselvorgänge dienenden zylindrischen Teil (37 ₂ bis 40 ₂) sowie dem Schwingkolbenflügel (37 ₁ bis 40 ₁)
• b) Die Rückseite des Schwingkolbenflügels (37 ₁ bis 40 ₁) bewegt sich im ölbenetzten Raum des Kurbelgehäuses (21, 22)
• c) Der Einlaßbeginn der durch einen Schwingkolben (39, 40) vorverdichteten Luft wird durch eine Aussparung (39 ₃, 40 ₃) im zylindrischen Teil (39 ₂, 40 ₂) des Schwingkolbens gesteuert, das Einlaßende durch die Oberkante des Ar­ beitskolbens (1, 2)
• d) Der Auslaßbeginn, welcher gleichzeitig den Beginn des Überströmens eines Teiles des noch gespannten Arbeits­ gases darstellt, geschieht durch das Zusammenwirken von Auslaßschlitzen (58, 60) im Arbeitszylinder (16, 18) und Oberkante des Arbeitskolbens (1, 2); der Auslaß­ schluß erfolgt nach vorausgegangenem Freigeben der Auslaßöffnung (66, 67) im Zweitdehnungs-Teilzylinder des Schwingkolbens (37, 38) durch den zylindrischen Fortsatz (37 ₄, 38 ₄) des Schwingkolbens (37, 38).

2. Zweitakt-Brennkraftmaschine, nach Anspruch 1, dadurch ge­ gekennzeichnet, daß die Motor-Bohrung ≧1,2 x Hub beträgt und der aus gleichem Grundwerkstoff wie dem des Zylinders (16, 18) bestehende Kolben (1, 2) einen Ringkanal (50) aufweist, in welchen durch einen am Kurbelgehäuse (22) be­ festigten Schlauch (49) Kühlwasser zu- und abgeführt wird.

3. Zweitakt-Brennkraftmaschine, nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein mit dem an der Zweitdehnung teil­ nehmenden Schwingkolben (37, 38) verbundenes Pleuel (43, 45) die durch den Druck des Brenngases aufgenommene Kraft auf die Motorwelle (10) überträgt und der gegenläufige Schwingkolben (39, 40) zur Vorverdichtung und zum Spülen und Laden durch einen zwischen Zweitdehnungs-Schwingkolben (37, 38) und Ladeschwingkolben (39, 40) angebrachten Lenker (46, 47) angetrieben wird.

4. Zweitakt-Brennkraftmaschine, nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die von dem an der Zweitdehnung teil­ nehmenden Schwingkolben (37, 38) erzeugte Vorverdichtung durch automatische Zuschaltung von zusätzlichem Kompressions­ volumen verändert wird.

5. Zweitakt-Brennkraftmaschine, nach Anspruch 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß vier horizontal angeordnete Zylinder (16 bis 19), bei denen sich je zwei Zylinder gegenüberliegen verwenden werden, wobei deren Kolben (1 bis 4) mit einer mit vier um 90° gegeneinander versetzt angeordneten Exzentern (11 bis 14) ausgerüsteten Motor­ welle (10) verbunden sind und vor und hinter den Arbeits­ zylinder-Exzentern (11 bis 14) je ein Exzenter (42, 43) zur Betätigung von jeweils zwei im oberen Bereich der Ma­ schine angeordneten Schwingkolben (39, 40) zum Spülen und Laden und zwei im unteren Bereich der Maschine angeord­ neten Schwingkolben (37, 38) zur Zweitdehnung dienen.