DE4007466A1 - Spuel- und schmierverfahren fuer hubkolbenmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spül- und Schmierverfahren für Hubkolbenmotoren mit Kurbelkammergebläse.

Derartige Zweitaktmotoren mit Schlitzsteuerung haben nur drei bewegte Teile (Kolben, Pleuel, Kurbelwelle) und finden deshalb vielfältige Verwendung.

Zwei Kriterien machen ihm jedoch im Besonderen zu schaffen. Zum Einen erhöhen die Spülverluste den Kraftstoffverbrauch und bescheren einen hohen Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas, zum Anderen ist da die Verlustschmierung. Das Öl zur Schmierung muß dem Benzin beigemengt werden, weil das Kurbel­ gehäuse vom Frischgas durchflossen wird. Es gelangt somit auch in den Brennraum und verbrennt aber nicht vollständig.

Aus der Sicht des Erfinders gilt es im Besonderen in diesen Bereichen Verbesserungen oder Lösungen zu suchen, ohne daß dabei das einfache Grundprinzip, wo ein Kolben in zwei Maschinen -, im Brennraum und im Spülgebläse Arbeit verrichtet, aufgegeben wird.

Es läßt sich beim Ladungswechsel nicht vermeiden, daß dort wo die Gasströme aufeinander treffen, sich Frischgas und Abgas vermischt und somit entweder Restgas der vorigen Verbrennung im Brennraum verbleibt oder Frischgas unverbrannt den Auslaß verläßt. Ein Lösungsvorschlag wäre hierfür eine Art Schicht­ spülung, d.h. daß einströmende Frischluft eine Zwischenschicht zum Restgas und dem nachfolgenden Kraftstoff-Luftgemisch bildet und teils mit dem Restgas ausströmt und teils im Brennraum verbleibt, wo es sich mit dem Gemisch vermengt.

Es ist bekannt, daß bei gemischverdichteten Zweitaktmotoren schon eine Schichtung der Gase angewandt wurde, welche je eine Ladepumpe für Luft und Gemisch vorsah, wobei die Luftladepumpe mit zeitlichem Vorsprung füllte bzw. spülte.

Bei der zugrunde liegenden Erfindung sollte hierfür das Kurbel­ kammergebläse ausreichen, welches jedoch bei gleichem Hub mehr Luft und Gemisch liefern muß, als die normale Kolbenunterseite fördern kann. Hierfür bietet sich der Stufenkolben an. Er glei­ tet in einem Zylinder mit zwei verschiedenen Bohrungen auf und ab und verrichtet hierbei in drei Räumen -, im oberen Brennraum, im unteren Spülgebläse und im mittleren Ringzylinder Arbeit.

Das Zweitaktspiel im Brennraum und im Ringzylinder läuft dabei phasengleich - und zum Spülgebläse 180 Grad phasenversetzt ab. Der Zylinder mit der kleineren Bohrung und einer Anzahl von Einlaß- bzw. Auslaßschlitzen bildet den Brennraum, welcher oben durch den Zylinderkopf begrenzt ist. Die größere Zylinderöffnung weist zur Kurbelkammer und der mittlere Übergang von der größeren zur kleineren Bohrung ist der Ringzylinderkopf. Das Verhältnis beider Zylinderbohrungen zueinander und zum Hub wird bei der Konstruktion den motortypischen Erfordernissen angepaßt. Da der Zweitaktkolben von Haus aus höher ist als der Hub, um bei OT die Schlitze noch genügend abdecken zu können, wird der Stufenkolben und damit der Zylinder nur geringfügig länger.

Werden die Wälzlager für Kurbelwelle und Pleuel gekapselt, bietet dieses Dreikammerprinzip eine weitere Lösung, indem im Ringzylinder die Schmierung und eine zusätzliche Kühlung von Kolben und Zylinder erfolgt und dem Vergasergemisch kein Öl beigemengt wird. Nachdem sich das Schmiervolumen im Ringzylinder fortwährend zwischen seinem Minimal- und Maximalwert verändert, erscheint eine Gemischschmierung aus Öl und Luft, welche im Ringzylinderkopf aus- und zwischengekühlt einströmt von Vorteil.

Überströmkanäle bilden die Gasstromverbindungen zwischen dem Kurbelkammergebläse und den Einlaßschlitzen und sind außerhalb des Zylinders angeordnet. Das Gemisch vom Vergaser gelangt über Membranen in die Kurbelkammer. Für die Schichtspülung sind in den Kanälen unmittelbar bei den Brennraumeinlässen Lufteinlaßschächte mit nach innen gerichteten Membranzungen angebracht. Während des Ansaughubes im Gebläse gelangt somit Gemisch in die Kurbelkammer und Luft in die Kanäle, welche dem zurückweichenden Gemisch der vorherigen Spülung bzw. Ladung Richtung Kurbelkammer folgt. Nach Freigabe der Einlaßschlitze durch den abwärts gleitenden Kolben, wird diese vorverdichtete, mehr oder weniger lange Luftsäule als Zwischenschicht vor dem nachströmenden Gemisch in den Brennraum gedrückt. Anordnung, Einströmwinkel, Querschnitt etc. der Überströmkanäle sind auf den Motor mit Gebläse abgestimmt. Stau-, Drosselklappen o.ä. regeln an den Lufteinlässen bzw. am Vergaser die Gemischqualität, Gasstrommenge, das Volumenverhältnis von Luft zu Gemisch u.a.m.

Bei Dieselmotoren oder Ottomotoren mit Benzineinspritzung fördert das Gebläse statt des Gasstromes aus Luft und Gemisch nur Luft. Das Stufenkolben-Konstruktionsprinzip mit Kurbelkammergebläse eignet sich durch die optimal zu bestimmenden Luftdurchsätze im Besonderen auch für die Gleichstromspülung und zwar sowohl nach dem gemischverdichteten Schichtspülverfahren wie für Einspritzer.

Es ist zu berücksichtigen, daß im Ringzylinder andere Druck­ verhältnisse herrschen als in der Kurbelkammer. Ein besonderes Augenmerk gilt deshalb der Gasabdichtung im untersten Bereich des Brennraumzylinders, zwischen den Ein- bzw. Auslässen und dem Ringzylinder, um ein Entweichen von Öl zwischen dem Kolbenschaft und der Zylinderbüchse in die Schlitze zu verhindern.

Die Schmierung als auch Kühlung im Ringzylinder, gepaart mit dem höheren Luftaufwand beim Ladungswechsel, hebt die Grenze für die Höchstleistung, welche ja beim Zweitaktmotor in hohem Maße von der höchstzulässigen Kolbentemperatur abhängt.

Auslaßsteuerungen oder unsymmetrische Gaswechseldiagramme durch Dreh- oder Nachladeschieber können das Drehzahl-Drehmoment­ verhalten verbessern und ermöglichen ein Nachladen.

Das Spül- bzw. Schichtspülverfahren mit doppelwirkendem Stufen­ kolben ist natürlich auch auf Motoren mit starrer Kolbenstange und Stopfbuchsenabdichtung im unteren Zylinder übertragbar, beispielsweise als Einzylinder mit Gleitschuh und Kreuzkopf oder in 180 Grad-V-Anordnung mit Kulissen- bzw. Kurbelschlaufentrieb, indem der untere und größere Arbeitsraum mit der Kolbenstange die Funktion des Kurbelkammergebläses übernimmt und für alle unter Anspruch 1-7, beschriebenen Verfahren Anwendung finden kann. Der Ringzylinder dann sowohl als Schmiervolumen, als auch als Spülluftgebläse dient.

Ein weiteres Schichtspülverfahren bietet das Dreikammerprinzip, indem der Ringzylinder als Gebläse für die Spülluft - und die Kurbelkammer als Gebläse für die Gemischschmierung dient. Der Kolben ist hierbei nahe der Bolzenlagerung mit einem zweiten Boden versehen, welcher den oberen Kolbeninnenraum zur Kurbel­ kammer abdichtet. Dieser Raum dient als Tot- bzw. Pufferraum, und steht über eine Anzahl von Öffnungen (Schlitzen) im Kolben­ schaft mit dem Ringzylinder in Verbindung. Durch Membraneinlässe gelangt Gemisch vom Vergaser in die Kurbelkammer und Luft in den Ringzylinder. Die Kolbenschlitze passen nach Anzahl und Platz­ ierung bei OT auf die Brennraum-Einlaßschlitze. Nachdem das Arbeitsspiel in beiden Gebläsen 180 Grad phasenversetzt abläuft, wird bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens in der Kurbelkammer bis kurz vor OT Gemisch angesaugt, während im Ringzylinder Luft vorverdichtet wird und in den Kolbeninnenraum entweicht. Zu Anfang der Überschneidung von Kolben- und Einlaßschlitzen beginnt die Luft aus dem Kolben in die Einlässe zu strömen und drängt das entspannte Gemisch in den Überströmkanälen Richtung Kurbelkammer zurück. Bei der Abwärtsbewegung wird im Ringzylinder Luft angesaugt. In der Kurbelkammer erfolgt die Vorverdichtung des Gemisches und der Luft in den Kanälen. Nach Freigabe der Einlaßschlitze erfolgt die Spülung, wobei zuerst die Luft als Zwischenschicht vor dem Gemisch einströmt. Dieses Verfahren, für Umkehr-, Quer- und Gleichstromspülung geeignet, sollte das Ausströmen unverbrannten Gemisches verhindern, während die Schmierung nach der Mischungsschmierung erfolgt.

Schließlich wäre da noch die Überlegung, das Schmier- und Spül­ verfahren auf den kleineren Viertaktmotor mit ein bis zwei Zylindern zu übertragen, d.h. für solche Motoren, wo eine andere Aufladung aus verschiedenen Gründen nicht sinnvoll erscheint. Das Konstruktionsprinzip ist wie beim luftgespülten Zweitakt­ motor mit Gleichstromspülung und Ringzylinderschmierung. Das Kurbelkammergebläse drückt während eines Viertaktspieles von 720 Grad KW, neben dem ventilgesteuerten Gaswechsel, zweimal Luft im UT durch die Schlitze in den Brennraum. Bei entsprechender Abstimmung der Ventil-Steuerzeiten sollte dabei die Spülung, innere Kühlung und insbesondere die Füllung im niedrigen Drehzahlbereich verbessert werden.

Beim Vergasermotor ließe sich nach Einschätzung des Erfinders hierbei eine Schichtladung ohne Einspritzung ableiten, indem gut entzündbares Gemisch vom Vergaser durch die Ventile - und Luft von unten durch die Schlitze einströmt.

Bei entsprechender Gasführung und Ausbildung des Verbrennungs­ raumes z.B. mit einem Nebenbrennraum in welchem sich das Einlaß­ ventil und die Zündkerze befindet, könnte das Luftverhältnis des Gesamtgemisches reichlich abgemagert werden. Durch tangential gerichtete Einlaßschlitze und den dadurch erzeugten Luftwirbel, würde sich die Luft mit dem Gemisch im Hauptbrennraum gut vermischen, während das Gemisch im Nebenbrennraum von dieser Vermischung weitgehend unberührt bliebe.

Derartige Viertaktmotoren könnten natürlich statt des Stufen­ kolbens, der Ringzylinderschmierung und des Kurbelkammergebläses mit normalen Kolben und Druckumlaufschmierung unter Verwendung einer separaten Ladepumpe betrieben werden.

Dies gilt auch im Besonderen für die Schichtspülung beim Zwei­ taktmotor, wobei hier ein Hubkolbengebläse erforderlich ist.

Fundstellen über den Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht.

• a) Fachliteratur: Brockhaus - Naturwissenschaften und Technik.

Buschmann/Koessler - Handbuch der Kraftfahrzeugtechnik.

H. Th. Wagner, K. J. Fischer, J.-D. v. Frommann - Strömungs- und Heinz Grohe - Otto- und Dieselmotoren. (Kolbenmaschinen.)

W.-D. Bensinger - Rotationskolben-Verbrennungsmotoren.

• b) Fachpresse.
• c) Fachmessen.
• d) Information der Patentanmeldungen des Deutschen Patentamtes.

Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik.

Mit dem Spül- und Schmierverfahren sollen bei Hubkolbenmotoren mit innerer Verbrennung die Schadstoffe im Abgas bei deren Entstehung verringert werden, bei gleichzeitiger Senkung des Kraftstoffverbrauches.

Das Schmierverfahren ist hierbei nur Mittel zum Zweck.

Claims (9)

1. Spül- und Schmierverfahren für Hubkolbenmotoren mit innerer Verbrennung, Stufenkolben und Kurbelkammergebläse nach dem Zweitakt- und Viertaktverfahren in Ein- oder Mehrzylinder­ anordnung. Der Stufenkolben gleitet hierbei in einem Zylinder mit zwei verschiedenen Bohrungen auf und ab und verrichtet im oberen Brennraum, im unteren Spülgebläse und im mittleren Ringzylinder (Mantelring) Arbeit. Das Arbeitsspiel im Brenn­ raum und im Ringzylinder läuft dabei phasengleich - und zum Spülgebläse 180 Grad phasenversetzt ab. Der Zylinder mit der kleineren Bohrung und einer Anzahl von Schlitzen bildet den Brennraum, welcher oben durch den Zylinderkopf begrenzt ist. Die größere Zylinderöffnung weist zur Kurbelkammer und der mittlere Übergang von der größeren zur kleineren Bohrung ist der Ringzylinderkopf. Die Spülung läuft nach der Dreikanal- Konstruktion mit Membraneinlaß zur Kurbelkammer ab. Das Verhältnis beider Zylinderbohrungen zueinander und zum Hub wird konstruktionsmäßig den motortypischen Erfordernissen angepaßt. Der Ladungswechsel kann somit bezüglich Luftdurch­ satz den jeweiligen Anforderungen optimal angeglichen werden. Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringzylinder bzw. über selbigen die Schmierung von Kolben, Zylinder und Kolbenbolzenauge (evtl. auch des Pleuellagers) erfolgt und die Kurbelwellenlager bzw. das Pleuellager aus abgedichteten druckölgeschmierten Gleitlagern - oder gekap­ selten Wälzlagern bestehen. Dem Vergasergemisch somit kein Öl beigemengt zu werden braucht, und das Kurbelkammergebläse auch für luftverdichtete oder luftgespülte Motoren - wie auch als Ladepumpe Anwendung finden kann. Das Schmiervolumen sich im Ringzylinder durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens fortwährend zwischen seinem Minimal- und Maximalwert verändert und deshalb eine Gemischschmierung aus Öl und Luft sinnvoll erscheint. Dieses Gemisch durch Zerstäuben mittels Unterdruck, Einspritzung, mechanische Einwirkung o.ä. aufbereitet wird, zwischen dem Ringzylinder und einem Ölbehälter, Gemisch­ aufbereiter etc. zirkuliert und zwischengekühlt wird.

2. Luftverdichteter Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Dieselmotoren und Ottomotoren mit Benzineinspritzung nach dem Umkehr-, Quer- oder Gleichstromspülverfahren in Verbindung mit der Ringzylinderschmierung auch mit Kurbelkammergebläse betrieben werden, indem das Gebläse über Membranen Luft ansaugt und in die Einlaßschlitze drückt.

3. Gemischverdichteter Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzylinderschmierung eine Schichtspülung nach der Umkehr-, Quer- oder Gleichstromspülung mit dem Kurbelkammer­ gebläse ermöglicht. Dieses Verfahren während des Spülvorganges eine Vermischung von Vergasergemisch und Abgas verhindern soll, da zu Beginn des Ladungswechsels durch die Einlaßschlitze erst eine zu bestimmende Menge Frischluft einströmt und eine Zwischenschicht zum nachströmenden Gemisch bildet. Dies erfin­ dungsgemäß dadurch erreicht werden soll, indem in das Kurbel­ kammergebläse über Membranen Gemisch vom Vergaser einströmt und gleichzeitig durch unmittelbar bei den Einlaßschlitzen angebrachte Lufteinlässe mit Membranen Luft in die Überström­ kanäle gelangt. Nach Abschluß des Ansaughubes im Gebläse somit die Kanäle mit Luft und die Kurbelkammer mit Gemisch gefüllt sind. Der abwärtsgleitende Kolben nun diese frische Ladung vorverdichtet und bei Freigabe der Einlaßschlitze der Reihe nach in den Brennraum drückt. Anordnung, Einströmwinkel, Quer­ schnitt etc. der Überströmkanäle auf den Motor mit Gebläse abgestimmt sind. Stau-, Drosselklappen o.ä. an den Luftein­ lässen bzw. am Vergaser die Gemischqualität, Gasstrommenge, das Volumenverhältnis von Luft zu Gemisch u.a.m. regeln.

4. Spül- und Ladeverfahren für Viertaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreikammer-Stufenkolbenprinzip mit Ringzylinderschmierung und "trockenem" Kurbelkammergebläse neben bzw. zu dem ventil­ gesteuerten Gaswechsel eine Spülung und Ladung (Aufladung) des Zylinders ermöglicht, indem nach dem Prinzip der Gleichstrom­ spülung während eines Viertaktspieles von 720 Grad KW durch die Einlaßschlitze im UT zweimal Luft in den Brennraum gedrückt wird. Die Ventilsteuerzeiten auf dieses Verfahren abgestimmt sind und dem höheren Luftaufwand durch entsprechende Auslaßventile Rechnung getragen wird. Unter Inkaufnahme eines längeren Stufenkolbens und somit einer etwas größeren Bauhöhe, eine gute Spülung und innere Kühlung, sowie eine bessere Füllung insbesondere bei niedriger Drehzahl erreicht wird und als Dieselmotor, Ottomotor mit Benzineinspritzung und Vergasermotor betrieben werden kann.

5. Schichtladungsverfahren für Viertaktmotor nach Anspruch 1 u. 4, dadurch gekennzeichnet, daß das beschriebene Spül- und Ladeverfahren eine Schichtladung für Vergasermotoren und Gasmotoren ohne Kraftstoffeinspritzung gewährt, dadurch daß ein gut entzündbares Gemisch von oben durch die Ventile - und Luft von unten durch die Schlitze ein­ strömt. Bei fachgerechter Ausbildung des Verbrennungsraumes z.B. durch Unterteilung in einen Haupt- und Nebenbrennraum, entsprechender Ventil-, Schlitz- und Schußkanalanordnung und -Ausbildung, sowie gerichteter Gasführung und Mischung das Luftverhältnis des Gesamtgemisches reichlich abgemagert - und der Schadstoffausstoß als auch der Kraftstoffverbrauch vermindert werden kann. Erfindungsgemäß dies so geschieht, indem sich im Nebenbrennraum die Zündkerze und das Einlaß­ ventil (zur besseren Ausspülung evtl. auch ein Auslaßventil) befindet und die Einlaßschlitze tangential gerichtet sind. Beim Verdichtungshub eine stabile Strömung mit Luftwirbel für gute Vermischung von Luft und Gemisch im Hauptbrennraum sorgt, während der Nebenbrennraum davon weitgehend unberührt bleibt.

6. Zweitaktmotor mit Gleichstromspülung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß Einspritz- und Schichtspül-Vergasermotoren nach dem Stufen­ kolbenprinzip mit einer Gleichstromspülung mit Spülrichtung von OT nach UT und ohne Ventiltrieb arbeiten. Dies erfindungs­ gemäß dadurch erreicht wird, indem eine Anzahl leichter und flinker - selbsttätig öffnender und schließender Einlaß­ ventile im Zylinderkopf untergebracht sind, welche durch den Überströmkanal mit dem Kurbelkammergebläse in Verbindung stehen. Diese Ventile in der Nähe von Kolben-UT unter reich­ lichem Außendruck stehen, so daß nach Freigabe der Auslaß­ schlitze und dem damit verbundenen Druckabfall im Zylinder die Spülung ohne wesentlichen Zeitverzug einsetzt und einen großen Luftdurchsatz zur Kühlung der Auslässe und des Kolbenbodens ermöglicht. Dieses Verfahren ein Nachladen gewährt, solange nach Auslaß-schließt der Außendruck größer ist als der Innere.

7. Gemischverdichteter Zweitaktmotor nach Oberbegriff 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtspülung nach dem Stufenkolben-Dreikammerprinzip dahingehend Anwendung findet, indem der Ringzylinder anstatt zur Schmierung, als Gebläse für die Spülluft verwendet wird und das Kurbelkammergebläse "naß", d.h. von Gemischschmierung durchströmt wird. Der Kolben hierbei über der Bolzenlagerung mit einem zweiten Boden versehen ist, welcher den oberen Kolbeninnenraum von der Kurbelkammer trennt. Dieser Innenraum als Sammler, Tot- oder Pufferraum dient und über eine Anzahl von Öffnungen (Schlitzen) mit dem Ringzylinder in Verbindung steht. Über Membranen das Gemisch vom Vergaser in die Kurbel­ kammer - und Luft in den Ringzylinder gelangt. Die Kolben­ schlitze nach Anzahl und Platzierung bei OT auf die Brennraum­ schlitze passen und das Arbeitsspiel in beiden Gebläsen 180 Grad phasenversetzt abläuft. Die Schichtspülung sich folgendermaßen vollzieht: Bei der Kolbenaufwärtsbewegung in der Kurbelkammer bis kurz vor OT Gemisch angesaugt wird, während der Ringzylinder gleichzeitig Luft vorverdichtet indem sie in den Kolben entweicht. Zu Anfang der Überschneidung von Kolben- und Einlaßschlitzen die Luft aus dem Kolben in die Einlaßschlitze zu strömen beginnt und das entspannte Gemisch in den Überströmkanälen Richtung Kurbelkammer zurückdrängt. Bei der Abwärtsbewegung der Ring­ zylinder Luft ansaugt, während in der Kurbelkammer die Vorverdichtung des Gemisches und der Luft in den Kanälen geschieht, und die Luft somit als Zwischenschicht nach Freigabe der Einlässe die Spülung einleitet.

8. Motoren mit doppelwirkenden Kolben, deren Kolbenstange (Schubstange) starr, in Gleitlagern (Stopfbuchsenabdichtung oder Trennwandlager) geführt wird, welche den Arbeitsraum nach Außen bzw. zum Triebwerksraum abdichten und als Einzylinder mit Gleitschuh und Kreuzkopf, oder in 180 Grad-V- Anordnung mit Kulissen- bzw. Kurbelschlaufentrieb arbeiten, benötigen kein Kurbelkammergebläse. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor nach dem Dreikammer-Stufenkolbenprinzip betrieben wird und die Kolbenunterseite mit der Kolbenstange die Funktion des Kurbelkammergebläses übernimmt.

9. Viertakt-Einspritz- und Vergasermotor mit herkömmlichen, einfachwirkenden Kolben und Druckumlaufschmierung, nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß selbiger unter Verwendung eines Zylinders mit Einlaß­ schlitzen, eines Kolbens mit längerer Schürze, einer separaten Ladepumpe, entsprechenden Leitungen und Regel­ einrichtungen etc. nach dem beschriebenen Spül-, Lade- und Schichtladungsverfahren betrieben wird.