DE3902504A1

DE3902504A1 - Zweitaktmotor mit schichtluftspuelung

Info

Publication number: DE3902504A1
Application number: DE3902504A
Authority: DE
Inventors: Charles Henry Tuckey
Original assignee: Individual
Current assignee: Walbro Corp
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1989-01-27
Publication date: 1989-08-17
Also published as: CA1330761C; JPH0433967B2; JPH01227818A; AU2851289A; AU602282B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor mit Drossel steuerung oder Ansaugung von Abgas sowie Luft und Kraft stoff in Schichtformation.

Bei Zweitakt-Verbrennungsmotoren ist es üblich gewesen, Luft und Kraftstoff in das Kurbelgehäuse des Motors einzuleiten und dies in die Zündkammer des Zylinders durch Übertragungsöffnungen entlang der Zylinderseite zu übertragen. Diese Übertragung findet statt, wenn die Abgabe den Zylinder erregen. Kraftstoff und Luft werden somit durch den vom herunterfahrenden Kolben erzeugten Druck aus dem Kurbelgehäuse gedrückt. Luft wird ge drosselt in das Kurbelgehäuse eingeleitet, was zu Kraftverlust und Leistungsverminderung führen kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Zweitakt motor zu schaffen, bei dem der Luft/Kraftstoff-Ansaug zyklus umgekehrt ist, wobei eine Drosselsteuerung des Abgases erfolgt, um den Leistungsausgang des Motors zu steuern.

Es wird auf den Artikel "Active Thermo-Atmosphere Combustion - A New Combustion Process for Internal Combustion Engines" von Shigeru Onishi u.a. verwiesen, der von der Society of Automotive Engineers, Inc. unter der Nr. 7 90 501 veröffentlicht und bei dem Congress and Exposition, Cobo Hall, Detroit, Michigan, USA, vom 26. February bis 2. März 1979 vorgelegt wurde.

Verwiesen wird auch auf die JP-Veröffentlichungen 54-2 89 816 (Patentanmeldung 52-94 133) und 47-23 708 (Patentanmeldung 46-13 382); der Erfinder in beiden Patentanmeldungen ist Shigeru Onishi.

Die oben erwähnten Schriften erläutern die Vorteile und den Verbrennungsprozeß von Ladungen aus Abgasen und Kraft stoff/Luft-Gemischen in Schichtformation mit Drosselung der Abgase.

Weiters soll durch die Erfindung eine Luft- und Kraft stoffzuführung, die eine Schichtung von Abgas, Luft und Kraftstoff/Luft-Gemisch bewirkt, um die Zünd- und Verbrennungsleistung zu verbessern, sowie eine ganze Motorauslegung geschaffen werden, bei der die Schichtformation und Abgas- oder Spülsteuerung verwendet wird, um einen hocheffizienten Betrieb zu ermöglichen.

Des weiteren soll bei einem derartigen Motor die einströmende Verbrennungsluft zum Kühlen der Wandung des Arbeitszylinders verwendet werden, während das Gemisch eine Verwirbelung erfährt, so daß der Kraftstoff neben eine Zündkerze gelangt, um die Zündung zu verbessern. Auch ist ein Einlaßventil und eine Wirbelmuster-Platte am Zylinderkopf vorgesehen, um auch eine Kreisbewegung hervorzurufen, die die Luft und das Luft/Kraftstoff- Gemisch schichtet.

Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen hervor, die die Erfindung im Prinzip zusammen mit Einzelheiten für den Fachmann beschreiben, um die Erfindung in der besten Ausführungs form zu verwirklichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt einer schematischen Darstellung eines Zweitaktmotors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4, 5, 6 ähnliche Ansichten, wobei verschiedene Stadien des Kraftstoffgemisches bezüglich Drosselstellungen dargestellt sind.

Wie Fig. 1 zeigt, stützt ein bei 32 angeflanschtes Kurbel gehäuse 30 einen Flansch 34 eines Zylindergehäuses 36 ab, das ein geschlossenes oberes Ende 38 besitzt, in dem eine Zündkerze 40 befestigt ist. Ein Motorzylinder 50 besitzt ein offenes Ende 52, das zum Kurbelgehäuse 30 hin offen ist, und einen Zylinderkopf 54, an dessen einer Seite die Zündkerze 40 in einen Ansatz 56 eingeschraubt ist.

Der Zylinderkopf 54 besitzt eine mittige Öffnung 58, unter der ein Käfig 60 befestigt ist, der seitliche Öffnungen 62 und eine konkave mittige Ausnehmung 64 besitzt, die von einer Rückschlagventilplatte 66 geöffnet und geschlossen wird. Die Platte 66 ist begrenzt, damit sie eine senkrechte Bewegung zum Schließen der Öffnung 58 im Zylinderkopf in Abhängigkeit vom Druck innerhalb des Zylinders 50 ausführt. Im Käfig 60 (Fig. 3) befinden sich gekrümmte Schaufeln 68, die die einströmende Luft sowie einströmende Luft und Kraftstoff verwirbeln. Der Käfig 60, die Ventilplatte 66 und die Schaufeln 68 bestehen aus hitzebeständigem Metall, das die Verbren nungshitze des Kraftstoffs während der Verbrennungs zyklen aushält.

In der Ringkammer zwischen dem Gehäuse 36 und dem Äußeren der Zylinderwand 50 befinden sich spiralförmige Schaufelwindungen 70, die einen spiralförmigen Pfad 72 vom Kurbelgehäuse bei 73 bis zur Kammer 74 oberhalb des Zylinderkopfs 54 bilden. Ein Ventilplättchen 76 ist am Eingag des Spiralkanals 72 angeordnet, durch das Luft vom Kurbelgehäuse in den Kanal eintritt.

Der Zylinder 50 weist einen Kolben 80 auf, der im Zylinder 50 gleitend befestigt ist und eine normale Kolbenstange 82 und Kurbel 84 besitzt.

Ein Lufteinlaßrohr 90 öffnet sich bei 92 in das Kurbelgehäuse, und ein Doppel- oder Vierfach-Ventilplättchen 94 besorgt die Einwegsteuerung am Lufteinlaß.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, besitzt die Zylinderwand 50 Öffnungen 100, 102 und 104 mit kurzen Rohren, die zu einer Abgaskammer 106 führen, die sich zu einem Drossel kanal 108 verengt, in dem eine Drosselscheibe 110 ange ordnet ist, die an einer Steuerwelle 112 befestigt ist.

Kurz über dem Eingang 73 des Spiralkanals 72 befindet sich ein Kraftstoffeinspritzvorrichtung 120, die elektronisch betätigt wird, um Kraftstoff in den Spiral kanal einzuspritzen. Die Richtung der durch die Schaufel windungen 70 im Kanal 72 hervorgerufene Verwirbelung ist dieselbe wie die Richtung der Verwirbelung, die durch die Schaufeln 68 im Käfig 60 verliehen wird.

Beim Starten des Motors wird der Kolben 80 im Zylinder 50 auf und ab bewegt. Luft tritt in das Kurbelgehäuse 30 ein, wenn sich der Kolben nach oben bewegt, und dringt nach oben in den Spiralkanal 72 am Ventilplättchen 76 vorbei, wenn sich der Kolben nach unten bewegt. Diese Luftbewegung wird durch das Absenken des Drucks im Zylinder verursacht, wenn sich der Kolben nach unten bewegt sowie der Anstieg des Drucks im Kurbelgehäuse, wenn sich der Kolben nach unten bewegt. Wenn sich der Kolben erneut nach unten bewegt, wird Kraftstoff in den Spiralkanal 72 einge spritzt, und die kombinierte Kraftstoff/Luft-Ladung wird in die Verbrennungskammer abgegeben. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird die Ladung komprimiert. Das Zünden der Zündkerze entflammt das Gemisch während des Aufwärtskompressionshubs des Kolbens und der Zyklus wird wiederholt.

Da sich der Kolben während des Zündens absenkt, werden die Abgasöffnungen 100, 102, 104 geöffnet, wenn sich das obere Ende des Kolbens an ihnen vorbeibewegt, und die Abgase treten in die Kammer 106 und den Kanal 108 aus.

Kurz vor Beendigung des Abwärtshubs werden die Abgas öffnungen also freigelegt, und, je nach der Stellung des Drosselventils, tritt Luft und das Luft/Kraftstoff- Gemisch dosiert in den Zylinder ein. Wenn das Ventil ganz geöffnet ist, werden die Abgase größtenteils durch die Schicht einfließender Luft ausgetrieben. Somit dient die wirbelnde einfließende Luftladung, über der sich das Luft/Kraftstoff-Gemisch befindet, als Schicht-Lage, die im wesentlichen die Form eines Luftkolbens hat.

Die Kraftstoff- und Luftverteilung im Zylinder wird geschichtet, indem Luft aus dem Kanal 72 zur Öffnung 58 gelangt und zuerst den Zylinder betritt. Bei Betätigung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung wird Kraftstoff in die Luft im Kanal 72 abgegeben. Somit folgt der ersten Luft ladung ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft, das dann in den Zylinder gelangt. Die Schaufeln 68 im Käfig 60 verwirbeln die Luft und das Kraftstoff/Luft-Gemisch noch weiter, das aus dem Spiralkanal 72 austritt. Da der Kraftstoff schwerer als Luft ist, bewegt er sich zentrifugal nach außen in den Bereich der Zündkerze, wo er entzündet wird. Eine geschichtete Ladung befindet sich dann oberhalb des Kolbens aus Luft, über der sich ein Luft/Kraftstoff-Gemisch befindet. Die Abgase erwärmen die einströmende Ladung und, in Abhängigkeit von der Stellung des Drosselventils, liegen bis zu einem gewissen Grad in der Ladung vor, die durch den Aufwärts hub des Kolbens kompiminiert wird.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen verschiedene Stadien einer Kraftstoffladung. In jedem Fall befindet sich der Kolben 80 in der unteren Stellung kurz vor dem Aufwärtskompressionshub.

In Fig. 4 befindet sich die Drossel in der Offen stellung. Dabei liegt eine kleine Restabgasschicht 130 und ein großes Luft- und Kraftstoffvolumen vor, das wie oben beschrieben, in Lagen aus Luft und einem Luft/Kraft stoffgemisch geschichtet werden kann. Das Abgas wird praktisch völlig ausgespült. Aufgrund des Timings entweicht kein Kraftstoff in den Abgaskanal, wie es bei den normalen Zweitaktmotoren üblich ist, da eine Luftladung dem zugeführten Kraftstoff vorausgeht. Die Luft und das Kraftstoff/Luft-Gemisch ist verwirbelt, so daß eine Schichtung und totale Verbrennung sichergestellt wird.

Gemäß Fig. 5, bei teilweise geschlossener Drossel 110, befindet sich ein großes Volumen an Abgas 132 oberhalb des Kolbens, weil die teilweise geschlossene Drossel ein Entweichen behindert hat. Oberhalb des Restabgases befindet sich die Luftladung und das Kraftstoff/Luft- Gemisch. Die einfließende Luft wird nicht gedrosselt (im Gegensatz zu den Standard-Motoren), und demgemäß gibt es keinen Kraftverlust aufgrund einer Pumpwirkung des Kolbens. Wenn das Abgas heruntergedrosselt ist, liegt eine verminderte Kombinationsladung vor, die einen niedrigeren Motorausgang ergibt.

In Fig. 6 befindet sich die Drossel 100 in der Schließ- oder Leerlaufstellung, bei der etwas Abgas entweichen kann. Dabei befindet sich ein große Menge Abgas 134 in dem Zylinder und eine kleine Menge Luft und geschichtetes Kraftstoff/Luft-Gemisch. Das Gemisch enthält nur so viel Luft, damit der Motor läuft, jedoch noch immer eine hohe Konzentration des Kraftstoff/Luft- Gemisches am Zündpunkt. In jedem Fall schließt das Rückschlagventil 66 am Zylinderkopf während der Kom pressionsphase und der Zündphase, um volle Kraft für den Kolben beim Abwärtshub sicherzustellen.

Zusätzlich zur Drosselsteuerung am Auslaß, hat das vor liegende System den weiteren Vorteil, daß Luft und das Luft/Kraft stoff-Gemisch sich spiralförmig um den Zylinder 50 bewegen, um ihn durch Wärmeübertragung an die vorbeiströmende Luft zu kühlen, und daß die Luft und das Kraftstoff/Luft-Gemisch beim Vorbeiströmen an der Zylinderwand erwärmt werden, um die Verbrennungskennlinie zu verbessern. Der Spiralkanal 72 stellt somit eine gute Vermischung von Kraftstoff und Luft sicher und sorgt auch für ein Vorwärmen. Die Ver wirbelung mittels des Spiralkanals 72 wird durch die Schaufeln in dem Käfig 60 erhöht, um die gewünschte Schichtung von Luft und Kraftstoff/Luft, die in den Zylinder gelangen, und die Bewegung des Kraftstoffs in die äußeren Bereiche neben der Zündkerze sicherzustellen.

Das Ergebnis der Kombinatonswirkung der verschiedenen beschriebenen Mittel besteht in einer vollständigeren Verbrennung, Verminderung unerwünschter Abgase und verbesserten Motorleistung. Keine externe Kühlvorrichtung wie z.B. Ventilator oder Kühlmittelpumpe ist vonnöten, und eine Ansaugluftdrosselung wie bei einem normalen Taktmotor ist ebenfalls nicht erforderlich, die einen Pumpverlust des Motors verursacht. Der Motor kann hauptsächlich durch Selbstzündung betrieben werden, außer bei Vollgas, wo eine normale Zündkerzenzündung stattfindet. Der Motor kann mit Kraftstoffgemischen wie auch mit Normalbenzin betrieben werden.

Claims

1. Zweitaktmotor mit einem Zylinder (50), einem Zylinder kopf (54) mit einem Kraftstoff/Luft-Einlaß (58), einer Zylinderwand (50), einem Kolben (80) in dem Zylinder (50), einer Zündkerze (40) in dem Zylinderkopf (54) und einem Kurbelgehäuse (30), gekennzeichnet durch

a) einen Einweg-Lufteinlaß (94) in das Kurbelgehäuse,
b) einen Verbindungskanal (72) für Luft aus dem Kurbel gehäuse zu der Einlaßöffnung in dem Zylinderkopf,
c) ein Einwegventil (76) zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Verbindungskanal, der eine Strömung vom Kurbelgehäuse zu dem Kanal ermöglicht,
d) eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (120) in dem Ver bindungskanal zum Einspritzen von Kraftstoff in die sich durch den Kanal bewegenden Luft,
e) ein Ventil (66), das in der Kraftstoff/Luft-Einlaßöffnung angeordnet ist und während der Kompressionsphase des Zyiinders schließt,
f) eine Verwirbelungseinrichtung (60), die der Einlaß öffnung in dem Zylinderkopf zugeordnet ist und die Luft und das Kraftstoff/Luft-Gemisch verwirbelt, das durch die Einlaßöffnung in den Zylinder gelangt, um eine Schichtung von restlichen Abgasen, Luft und des Kraftstoff/Luft-Gemischs zu erzeugen,
g) ein Abgaskanal (108) in der Zylinderwand und
h) eine Drosseleinrichtung (110) in dem Abgaskanal, um Austritt von Abgasen direkt und die Luft- und Kraftstoff/Luft-Gemisch-Menge, die in den Zylinder ge langt, indirekt zu steuern, wodurch der Leistungs pegel des Motors gesteuert wird.

2. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff/Luft-Einlaßöffnung im Zylinderkopf im wesentlichen konzentrisch zum Zylinder angeordnet ist.

3. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal die Zylinderwand umgibt, um den Zylinder zu kühlen, wenn sich einströmende Luft durch den Zylinderkopf bewegt.

4. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal den Zylinder umgibt, um den Zylinder zu kühlen, wenn die Kraftstoffeinspritz vorrichtung Kraftstoff in den Kanal einspritzt und das Kraftstoff/Luft-Gemisch sich durch den Zylinder kopf bewegt.

5. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal die Zylinderwand umgibt und daß eine erste Luftladung sowie eine nachfolgende Kraftstoff- und Luftladung sich durch den Kanal bewegen, um den Zylinder zu kühlen.

6. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal als Spiralkanal (72) ausge bildet ist, der die Zylinderwand umgibt und vom Kurbel gehäuse zum Zylinderkopf aufsteigt, um die Luft und das Kraftstoff/Luft-Gemisch in derselben Richtung zu verwirbeln wie die der Einlaßöffnung zugeordnete Einrichtung (60).

7. Zweitaktmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung so angeordnet ist, daß Kraftstoff in die in dem Spiralkanal sich bewegende Luft eingespritzt wird.

8. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder in einem Gehäuse (36) eingeschlossen ist, dessen Zylinderwand von der Wand des Zylinders beabstandet ist, und daß der Verbindungskanal durch Spiraltrennwände zwischen den Wänden des Zylinders und des Gehäuses gebildet wird, wodurch ein Spiralkanal entsteht, der am Kurbelgehäuse beginnt und am Zylinder kopf endet.

9. Zweitaktmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein geschlossenes Ende besitzt, das den Zylinderkopf mit Abstand abdeckt, um oberhalb des Zylinderkopfs eine Kammer zu bilden, die Luft und das Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Spiralkanal empfängt.

10. Zweitaktmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einwegventil am Eingang des Spiralkanals angeordnet ist, der vom Kurbelgehäuse ausgeht.

11. Zweitaktmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung so getaktet ist, daß Kraftstoff dem Kanal zugeführt wird, nachdem eine Luftmenge in den Kanal eingeführt worden ist.

12. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungseinrichtung mehrere Schaufeln (68) unterhalb des Kraftstoff/Luft-Einlasses im Zylinder kopf und Haltemittel zum beabstandeten Halten der Schaufeln aufweist.

13. Zweitaktmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel einen mittigen Träger unterhalb der Einlaßöffnung im Zylinderkopf und ein am Träger angebrachtes Einwegventil aufweist, um den Zylinder kopfeinlaß während einer Kompressions- und Zündphase des Motors zu schließen.

14. Verfahren zum Betätigen eines Zweitaktmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel in eine Stellung verstellt wird, um die aus dem Zylinder austretende Abgasmenge zu steuern, und daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung betätigt wird, um Kraftstoff in den Verbindungskanal nach dem Durchfluß einer Luftmenge durch den Kanal während dem Abwärtshub des Kolbens abzugeben, um eine Schichtung der Abgasmenge, der Luftmenge und der Kraftstoff/Luft menge im Zylinder vor dem Zünden zu erreichen.