DE4229009C2 - Zweitakt-Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweitakt-Verbrennungsmotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Derartige Zweitakt-Verbrennungsmotoren sind in einer Vielzahl von Bauformen bekannt, denen allen gemeinsam ist, daß der Kolben in einem stillstehenden Zylinder auf- und abbewegt wird, wobei der Kolben mit einem Kurbelgetriebe in Form einer Kurbelwelle und einer Pleuelstange verbunden ist und seine Antriebsleistung auf die Kurbelwelle überträgt. Bei Zweitaktmotoren wird in den meisten Fällen auf eine Ventilsteuerung verzichtet und es werden durch den Kolben gesteuerte Überströmkanäle vom Kurbelwellenge­ häuse zum Verbrennungsraum hin verwendet (DE-C2-40 39 372; DE- A1-33 17 716). Hierbei treten unvermeidbar Spülverluste auf. Diese Spülverluste treten beim Einströmen des Gas-Luft-Gemisches in den Zylinder dadurch auf, daß der Ausstoß der Verbrennungs­ gase durch das hinzutretende Gas-Luft-Gemisch nicht exakt ge­ steuert werden kann. In den herkömmlichen Motoren können bei zu kurzer Ausstoßzeit Rückstände der Verbrennungsgase im Zylinder verbleiben, wobei sich die Leistung vermindern kann, oder es bei Verlängerung der Ausstoßzeit durch das hinzutretende Gas-Luft- Gemisch zu Spülverlusten kommen kann. Aufgrund dieser Spülver­ luste sind die Abgaswerte derartiger Zweitaktmotoren schlecht. Weiterhin ist der Wirkungsgrad dieser Motoren nur in einem relativ geringen Drehzahlbereich optimal.

Außerdem treten bei Motoren mit feststehendem Zylinder aufgrund der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens erhebliche, unausge­ glichene Massenkräfte auf, deren Ausgleich erst bei höherer Zylinderzahl gelingt oder mit Hilfe aufwendiger Ausgleichswellen und dergleichen vorgenommen werden muß. Diese unausgeglichenen Massenkräfte bewirken zusätzlich einen erhöhten Kraftstoffver­ brauch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitakt-Ver­ brennungsmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau durch verringerte, unausgeglichene Massenkräfte und Verringerung von Gas-Spülverlusten einen hohen Wirkungsgrad erreicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verbrennungsmotors führt der Zylinder eine reine Drehbewegung aus, und auch die Bewegung des Kolbens erfolgt in Abhängigkeit von den gewählten geometrischen Verhältnissen im wesentlichen auf einer Kreisbahn, so daß nur geringe unausgeglichene Massenkräfte verbleiben.

Diese unausgeglichenen Massenkräfte verringern sich weiterhin dadurch, daß der Kolben aufgrund der Linearführung der Kolben­ stange an dem dem Verbrennungsraum abgewandten Ende des Zylin­ ders mit einer sehr geringen Höhe ausgebildet werden kann, die nur zur Erzielung einer ausreichenden Abdichtung ausreichend sein muß, da auf den Kolben aufgrund dieser Linearführung keine Kippkräfte wirken, die durch den Kolben selbst aufgenommen werden müssen.

Der zur Lagerung des Zylinders verwendete Lagerzapfen weist sowohl Einlaß- als auch Auslaßkanäle auf. Dieser Lagerzapfen ist in einer Lagerhülse um seine Längsachse drehbar gelagert. Die Lagerhülse weist in axialer Richtung Öffnungen auf, die hintereinander oder in Umfangsrichtung des Lagerzapfens versetzt angeordnet sind. Die Öffnungen bilden mit den Kanälen des Lager­ zapfens Drehschieberventile. Durch die Absperrung des Einlaß- und Auslaßvorganges durch den Kolben einerseits und die Dreh­ schieberventile andererseits kommt es zu einer optimalen Gas- Luft-Gemischzufuhr zum Zylinder. Überströmungen, d. h. Gas-Luft- Gemisch-Spülverluste können so vermieden werden. Daraus ergibt sich ein wesentlich verbessertes Abgasverhalten und ein reduzierter Verbrauch des Gas-Luft-Gemisches.

Durch eine weitere Verringerung der unausgeglichenen Massen­ kräfte kann der Verbrauch des Gas-Luft-Gemisches weiter ver­ ringert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Massenschwerpunkt des Kolbens in seinem oberen, dem Verbren­ nungsraum benachbarten Totpunkt im wesentlichen auf der zweiten Achse liegt, da in diesem Fall bei einer Anordnung der Hohlwelle am Mittelpunkt des Zylinders der Kolben eine nur geringfügig von Kreisbahnen abweichende Bewegung ausführt.

Die restlichen unausgeglichenen Massenkräfte können durch eine entsprechende Gewichtsverteilung auf dem Zylinder und/oder dem Kurbelgetriebe leicht kompensiert werden.

Für die Konstruktion von Kolben und Zylinder können hierbei die beim Bau von konventionellen Verbrennungsmotoren entwickelten Verbesserungen hinsichtlich Kolben- und Zylinderkopf-Form be­ nutzt werden, um eine Optimierung des Wirkungsgrades zu erzie­ len. Der Kurbelarm des Kurbelgetriebes kann vorzugsweise die Form einer Schwungscheibe aufweisen, an deren Umfangsbereich das freie Ende der Kolbenstange an einem Drehpunkt drehbar befestigt ist. Diese Schwungscheibe kann gleichzeitig ein Lüfterrad für die Zuführung von Kühlluft an den Zylinder bilden, wobei selbst­ verständlich auch ein getrenntes Lüfterrad verwendbar ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es weiterhin mög­ lich, mehrere Zylinder um den Umfang der Hohlwelle verteilt anzuordnen, wobei die freien Enden der Kolbenstangen dieser Zylinder mit einem gemeinsamem Kurbelgetriebe zusammenwirken.

In jedem Fall ist die Baulänge des erfindungsgemäßen Motors sehr gering, was in vielen Fällen von hoher Bedeutung ist.

Gleichzeitig ergibt sich aufgrund des vergleichsweise großen Kolbenhubes eine hohe Leistungsdichte.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors, die die Grundprinzipien dieses Motors zeigt,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Bewegungsablaufes des Verbrennungsmotors nach Fig. 1,

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht des Zylinders, des Lagerzapfens und der Lagerhülse mit ihrer Lagerung, die weitere Einzelheiten der Verbrennungsgemisch- und Abgasführung zeigt,

Fig. 4 eine Ansicht entlang der Linie IV-IV nach Fig. 3,

Fig. 5 bis 12 Ansichten, die ein Beispiel für den Bewegungsablauf des Kolbens und des Zylinders sowie der Drehschieberventile zeigen,

Fig. 13 eine der Fig. 3 im wesentlichen entsprechende, teil­ weise geschnittene Ansicht des Zylinders, des Lagerzapfens und der Lagerhülse mit ihrer Lagerung, die eine weitere Ausführungs­ form der Drehschieberventile sowie der Verbrennungsgemisch- und Abgasführung zeigt.

In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des Verbrennungsmotors gezeigt, um das Grundprinzip dieses Motors zu verdeutlichen.

Der Verbrennungsmotor weist einen Zylinder 1 auf, in dem ein Kolben mit einer Kolbenstange 3 geradlinig verschiebbar ange­ ordnet ist. Der Zylinder weist einen Zylinderkopf 21 auf, der beispielsweise mit einer Öffnung für eine Zündkerze 9 versehen sein kann, sofern es sich um einen fremdgezündeten Verbrennungs­ motor handelt. Das dem Zylinderkopf 21 gegenüberliegende Ende des Zylinders 1 ist durch eine Bodenwand 20 verschlossen, die eine Bohrung mit einer Führung für die Kolbenstange 3 aufweist.

Der Zylinder 1 ist über einen mit seiner Seitenwand verbundenen Lagerzapfen 4 in einem Lagerbock 5 um eine erste Achse A dreh­ bar, die die Längsachse des Zylinders schneidet und vorzugsweise in der Nähe des Massenschwerpunktes dieses Zylinders angeordnet ist.

Der Lagerbock 5 ist auf einer Halterungsstruktur, beispiels­ weise einer Grundplatte 10 befestigt, die einen zweiten Lager­ bock 7 trägt, der die Abtriebswelle 6 des noch näher zu er­ läuternden Kurbelgetriebes des Verbrennungsmotors lagert.

Dieser Kurbeltrieb weist außer der Abtriebswelle 6 auch einen Kurbelarm 8 auf, der bei der schematischen Darstellung in Form einer Schwungscheibe dargestellt ist, an deren Umfang das freie Ende der Kolbenstange 3 über ein Schwenklager 30 drehbar befe­ stigt ist. Die Abtriebswelle 6 und damit die Schwungscheibe 8 drehen sich um eine zweite Achse B, die parallel zur ersten Achse A verläuft, jedoch gegenüber dieser versetzt ist. Das Ausmaß dieser Versetzung ist durch den gewünschten Kolbenhub des Kolbens 2 bestimmt, da dieser Kolbenhub gleich der doppelten Versetzung ist, wie anhand der Fig. 2 noch näher erläutert wird.

In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist noch eine ge­ kröpfte Welle 12 dargestellt, deren einer Wellenstummel entlang der Achse A an dem Zylinder 1 gelagert ist, während der andere Wellenstummel entlang der Achse B in der Abtriebswelle 6 und/ oder damit verbundenen Teilen drehbar gelagert ist. Diese gekröpfte Welle 12 ermöglicht eine Abstützung der des Lager­ zapfens 4 gegenüberliegenden Seite des Zylinders 1, sie kann jedoch vollständig entfallen, wenn die Lagerung des Lagerzapfens 4 in dem Lagerbock 5 entsprechend lang und damit biegesteif ausgebildet ist.

In Fig. 2 ist ein Diagramm dargestellt, das die Drehbewegung des Zylinders und des Kolbens zeigt. Die Drehrichtung des Kurbelarms 8 ist hierbei durch den Pfeil P angedeutet, wobei diese Drehung wiederum um die Achse B erfolgt. Der Zylinder 1 kann sich um die Achse A drehen und die Kolbenstange 3 des Kolbens 2 ist am Punkt 30 mit dem freien Ende des Kurbelarmes verbunden. Die zweite Achse B fällt bei der dargestellten schematischen Ausführungsform im wesentlichen mit dem Massen­ schwerpunkt des Kolbens 2 zusammen.

Bei einer Drehung des Kurbelarms in Richtung des Pfeils P bewegt sich dieser Massenpunkt zunächst auf dem mit C0 bezeichneten Kreisbogenabschnitt, der dem Winkelbereich C am Umfang des Drehkreises des Kurbelarmes entspricht. Beim Weiterdrehen des Kurbelarmes bewegt sich der Massenschwerpunkt des Kolbens dann entlang der Kurbel D0 entsprechend dem Winkelbereich D am Drehkreis des Kurbelarmes und nachfolgend über den Bogenabschnitt A0 und den Bogenabschnitt B0, die den Anfangsabschnitten A beziehungsweise B entsprechen, zum Ausgangspunkt zurück.

Es ist zu erkennen, daß die Bewegung des Massenmittelpunkts des Kolbens damit im wesentlichen auf Kreisbahnen verläuft, wobei die verbleibenden geringen Abweichungen zwischen den Kreisbahnen durch entsprechende Ausgleichsmassen kompensierbar sind.

In den Fig. 3 und 4 ist ein Beispiel einer Ausführungsform eines Zylinders gezeigt, der bei der Ausführungsform nach Fig. 1 Verwendung finden kann.

Der Kolben 1 ist an seiner Außenwand mit einem insgesamt mit 4 bezeichneten Lagerzapfen verbunden, der in dem Lagerbock 5 durch nur schematisch angedeutete Lager 51 gelagert ist. An der Verbindungsstelle zwischen dem Zylinder und dem Lagerzapfen 4 sind Durchbrechungen angeordnet, die von dem Kolben ausgehende Auslaßkanäle 40 bzw. in diesen mündende Einlaßkanäle 41 des Lagerzapfens bilden. Der Lagerzapfen weist eine Bohrung 42 auf, in die ein weiterer durch eine Trennwand 46 unterteilter Lager­ zapfen 45 eingesteckt ist, der im wesentlichen stationär gehal­ ten ist und um den sich der Lagerzapfen 4 unter Abdichtung drehen kann. Der weitere Lagerzapfen 45 weist Ventilschlitze 43, 44 auf, die in der insbesondere aus den Fig. 5 bis 12 er­ sichtlichen Weise benachbart zu einer radialen Kante der Trenn­ wand 46 angeordnet sind, und die mit der Mündung des Auslaß­ kanals 40 bzw. des Einlaßkanals 41 des Lagerzapfens bei vorge­ gebenen Drehstellungen des Lagerzapfens ausrichtbar sind. Der weitere Lagerzapfen 45 bildet durch die Trennwand 46 getrennte Fortsetzungen 47 bzw. 48 der Auslaß- bzw. Einlaßkanäle.

Selbstverständlich ist es auch möglich, den mit dem Zylinder 1 verbundenen Lagerzapfen 4 von innen her zu lagern und die zu den Auslaßleitungen und Einlaßleitungen führenden Ventilschlitze in dem Lagerbock 5 auszubilden, wobei selbstverständlich dann die freien Enden der Auslaß- und Einlaßkanäle 40 bzw. 41 des Lagerzapfens 4 radial nach außen hin münden.

Wie dies insbesondere aus Fig. 4 zu erkennen ist, ist der Zylinder 1 mit einem Überströmkanal 31 versehen, der im Bereich der unteren Totpunktstellung des Kolbens ein Überströmen des in den Ansaugraum angesaugten Verbrennungsgemisches in den Verbrennungsraum ermöglicht.

In Fig. 5 ist eine in etwa der Fig. 1 entsprechende Ausgangs­ stellung dargestellt, wobei sich der Kolben 2 an seinem unteren Totpunkt befindet und sich die Auslaß- und Einlaßkanäle 40, 41 des Lagerzapfens 4 an gegenüber den Auslaß- bzw. Einlaßschlitzen 43 bzw. 44 der Lagerhülse 5 versetzten Stellungen befinden, so daß die Drehschieberventile geschlossen sind.

Bei einer Weiterdrehung des Kurbelarmes 8 und des Zylinders 1 auf die in Fig. 6 gezeigte Stellung gelangt der Einlaßkanal 41 in Ausrichtung mit dem Einlaßschlitz 44, wobei der Überström­ kanal 31 geschlossen ist, wodurch ein Unterdruck in dem Ansaug­ raum erzeugt wird.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Stellung ist der Einlaßkanal 41 noch weitgehend mit dem Einlaßschlitz 44 ausgerichtet, und der hinter dem Kolben entstandene Unterdruck saugt das Verbrennungs­ gemisch in den unteren, dem Verbrennungsraum abgewandten Ansaug­ raum des Zylinders 1 ein.

Gleichzeitig wird in dem Verbrennungsraum befindliches Verbren­ nungsgemisch komprimiert.

In Fig. 8 ist eine Stellung gezeigt, in der die Komprimierung des in dem Verbrennungsraum befindlichen Verbrennungsgemisches weitgehend abgeschlossen ist, wobei zu diesem Zeitpunkt der Einlaßkanal 41 gegenüber dem Einlaßschlitz 44 in dem weiteren Lagerzapfen 45 versetzt ist, so daß das Einlaßventil geschlossen ist.

Bei nachfolgender Weiterdrehung auf die Stellung nach Fig. 9 wird das in dem Verbrennungsraum befindliche Gemisch gezündet, wobei zu diesem Zeitpunkt ersichtlich beide Ventile geschlossen sind.

Der hierbei entstehende Verbrennungsdruck drückt den Kolben 2 in dem Zylinder 1 gemäß Fig. 10 nach unten, wobei zunächst noch beide Ventile geschlossen sind. Im Verlauf dieser Bewegung des Kolbens von Fig. 10 nach Fig. 11 gelangt die Mündung des Auslaß­ kanals 40 in Ausrichtung mit dem Auslaßschlitz 43 des weiteren Lagerzapfens 45, so daß die verbrannten Gase ausströmen können.

Während der gesamten Bewegung des Kolbens 2 ausgehend von der Stellung nach Fig. 9 bis zur Stellung nach Fig. 11 wird weiterhin das in dem Ansaugraum befindliche neu angesaugte Verbrennungsgemisch komprimiert, und wenn die Kolben- Zylinderanordnung die Stellung nach Fig. 12 erreicht, so wird der Überstromkanal 31 zunehmend von dem Kolben 2 freigegeben, so daß das im Ansaugraum komprimierte Verbrennungsgemisch in den Verbrennungsraum einströmen kann. Gleichzeitig wird das durch den Auslaßkanal 40 und den Auslaßschlitz 43 gebildete Dreh­ schieberventil zunehmend geschlossen, so daß das Überströmen unverbrannter Gase in den Auslaßkanal vermieden wird, insbe­ sondere dann, wenn bei vollständiger Öffnung des Überström­ kanals 31 das Auslaßventil 40, 43 bereits geschlossen ist.

Bei einer Weiterdrehung ausgehend von der Stellung nach Fig. 12 wird dann wieder die Ausgangsstellung nach Fig. 5 erreicht.

Die genaue Lage und Form der Auslaß- und Einlaßschlitze 43, 44 in dem weiteren Lagerzapfen 45 sowie die Drehstellung dieses Lagerzapfens kann entsprechend optimiert werden, wobei es ggf. durch eine Verstelleinrichtung möglich ist, die Winkelstellung des weiteren Lagerzapfens 45 zu ändern, wenn sich dies zur Er­ zielung eines optimalen Betriebsverhaltens des Verbrennungsmo­ tors als zweckmäßig erweist.

In Fig. 13 ist eine gegenüber Fig. 3 abgeänderte Ausführungs­ form der Lagerzapfen und der mit dieser die Drehschieberventile bildenden Teile gezeigt.

Bei dieser Ausführungsform umfaßt der Lagerzapfen einen massiven inneren Abschnitt oder Kern 64, der über eine Flanschplatte 68 und ggfs. über eine Antiwärmescheibe 69 mit dem Außenumfang des Zylinders 1 über Schrauben 70 verschraubt ist. Der massive Lagerzapfenabschnitt 64 ist über Lager 62 in dem Lagerbock 5 gelagert. Die Flanschplatte 68 und ggf. die Antiwärmescheibe 69 sind von den vom Zylinder i ausgehenden Ansaug- bzw. Auslaß­ kanälen 60 bzw. 61 durchquert, die sich in einem den Kern 64 konzentrisch umgebenden Hohlteil 66 des Lagerzapfens fortsetzen und sich zur Außenfläche dieses Hohlteils erstrecken, an der sie in Form von zweckmäßig geformten Öffnungen oder Schlitzen münden.

Der Hohlteil 66 ist drehbar in einem stationär, beispielsweise an dem Lagerbock 5 gehalterten Drehschieberventilteil 65 unter Abdichtung gelagert, wobei dieser Drehschieberventilteil mit den Mündungen der Einlaß- bzw. Auslaßkanäle 60 bzw. 61 an der Außen­ fläche des Hohlteils 66 zusammenwirkende Schlitze und Ansaug­ bzw. Abgasöffnungen 63, 67 aufweist, die in Axialrichtung des Lagerzapfens 4 hintereinander versetzt angeordnet sind.

Der Hohlteil 66 umgibt den massiven Lagerzapfenabschnitt oder Kern 64 vorzugsweise unter Bildung eines Luftspaltes, um die thermische Beanspruchung dieses massiven Lagerzapfenabschnitts 64 zu verringern.

Claims (7)

1. Zweitakt-Verbrennungsmotor mit mindestens einem rotierenden Zylinder, der um eine erste quer zu seiner Längsachse verlau­ fende Achse (A) mit Hilfe eines hohl ausgebildeten Lagerzapfens drehbar gelagert ist, mit einem Kolben mit einer Kolbenstange, der linear entlang der Längsachse des Zylinders beweglich angeordnet ist, mit einem Kurbelgetriebe, das eine Abtriebswelle und einen mit dieser verbundenen Kurbelarm aufweist, dessen freies Ende mit dem freien Ende der Kolbenstange verbunden ist, wobei die Abtriebswelle um eine zweite Achse (B) drehbar ist, die parallel zur ersten Achse verläuft, jedoch gegenüber dieser versetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerzapfen (4, 66) sowohl mindestens einen Einlaßkanal (41; 60) als auch mindestens einen Auslaßkanal (40; 61) aufnimmt, die jeweils radial ausgerichtete Endabschnitte aufweisen und mit radialen Öffnungen (44, 43) einer den Lagerzapfen lagernden Lagerhülse (45, 65) Drehschieberventile ausbilden.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mündungen der Einlaß- und Auslaß­ kanäle in der Außenfläche des Lagerzapfens (4, 66) in Axialrich­ tung des Lagerzapfens hintereinander angeordnet sind.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerzapfen (4, 66) einen innen­ liegenden massiven Lagerzapfenabschnitt (64) aufweist, der in Lagern (62) um die erste Achse (A) drehbar gelagert ist, daß der massive Lagerzapfenabschnitt (64) im Bereich zwischen dem Zylinder (1) und den Lagern (62) von einem Hohlteil (66) umgeben ist, in dem die Einlaß- und Auslaßkanäle (60, 61) ausgebildet sind, die zum Außenumfang des Hohlteils hin münden, und daß der Außenumfang des Hohlteils (66) abgedichtet drehbar in einer stationären Lagerhülse (65) angeordnet ist, die zusammen mit dem Hohlteil (66) die Drehschieberventile bildet.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlteil (66) den massiven Lagerzapfenabschnitt (64) unter Bildung eines radialen ring­ förmigen Luftspaltes umgibt.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehschieberventil so steuerbar sind, daß ein Teil der am Ende des Ausstoßvorganges ausgestoße­ nen verbrannten Gase erneut angesaugt und nachverbrannt wird.

6. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelarm (8) des Kurbelgetrie­ bes die Form einer Schwungscheibe aufweist.

7. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Kolben-Zylinderbau­ gruppen am Umfang eines gemeinsamen Lagerzapfens angeordnet ist.