DE4337670C2 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Ein derartiger Verbrennungsmotor ist aus der GB-PS 1 467 394 (Fig. 6) bzw. US-PS 3 981 280 bekannt. Bei diesem bekannten Verbrennungsmotor ist ein Zylinderkörper durch einen Zylinderkopf verschlossen und durch erste und zweite Trennwände in einen Arbeitszylinder, einen Laderzylinder und ein Kurbelwellengehäuse unterteilt, wobei in dem Arbeitszylinder und dem Laderzylinder an Kolbenstange mit dem Kurbelgetriebe verbunden sind. Hierbei sind dem Laderzylinder in der Nähe des oberen Totpunktes eine mit einem eine Strömung in den Laderzylinder ermöglichenden Ventil versehene Lufteinlaßöffnung und eine Luftauslaßleitung vorgesehen, die über eine Verbindungsleitung mit dem Arbeitszylinder an einer derartigen Stelle verbunden ist, daß die Lufteinlaßöffnung in den Arbeitszylinder am unteren Totpunkt des Arbeitskolbens freigegeben wird, und zwar ebenso wie ein Auspuffkanal, der ebenfalls in dem Arbeitszylinder angeordnet ist. Bei der Aufwärtsbewegung der beiden Kolben wird oberhalb des Kolbens des Laderzylinders vorher eingesaugte Luft komprimiert und unterhalb des Arbeitskolbens zum Verdünnen der noch verbliebenen Verbrennungsgase in dem Auspuffsystem verwendet. Gleichzeitig wird über ein eine Strömung in den Laderzylinder hinein ermöglichendes Rückschlagventil ein Frischgasgemisch in den Laderzylinder unterhalb des Laderkolbens eingesaugt. Diese Einlaßöffnung für das Gemisch ist in der Nähe des unteren Totpunktes des Laderkolbens angeordnet und wird von diesem im unteren Totpunkt verschlossen. Die Einlaßöffnung ist weiterhin über eine Leitung mit dem den Raum oberhalb des Laderkolbens mit der Einlaßöffnung des Arbeitszylinders verbindenden Leitung verbunden. Bei der Abwärtsbewegung der beiden Kolben im Arbeitshub nach der Zündung wird in dem Raum unterhalb des Laderkolbens befindliches Frischgasgemisch über die Verbindungsleitung gedrückt, die in ihrem oberen Bereich noch eine Luftsäule enthält, die bei der Freigabe der Einlaßöffnung in den Arbeitszylinder durch den Arbeitskolben zunächst die bereits ausströmenden Verbrennungsgase verdünnt und ausspült, worauf die nachfolgende Gemischsäule in den Raum oberhalb des Arbeitszylinders gelangt und beim nächsten Hub wiederum verdichtet wird. Auf diese Weise soll ein besseres Abgasverhalten des Zweitaktmotors erreicht werden. Bei diesem bekannten Verbrennungsmotor ist jedoch zusätzlich zu den durch die Kolben gesteuerten Schlitzen und Einlaßöffnungen noch eine Anzahl von Ventilen erforderlich und weiterhin erscheint auch das Abgasverhalten noch wesentlich verbesserungsfähig.

Aus der US-PS 3 053 242 ist weiterhin ein Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art bekannt, bei dem der Arbeitszylinder und der Laderzylinder einen gemeinsamen Raum bilden, wobei der zweite Kolben durch einen einen vergrößerten Durchmesser aufweisenden Ansatz am unteren Ende des Arbeitskolben gebildet ist. Unterhalb dieses zweiten Kolbens ist noch ein dritter Kolben angeordnet, der sich in einem einen geringeren Durch­ messer aufweisenden dritten Zylinder bewegt, und die Aufgabe eines Ventilelementes aufweist, das das untere Ende des Ver­ dichtungszylinders am unteren Totpunkt des Arbeitskolbens frei­ gibt. Dadurch, daß sich der dritte Kolben zusammen mit dem zweiten Kolben abwärts bewegt, und der zweite Kolben einen ver­ glichen mit dem Arbeitskolben nur geringfügig größeren Durch­ messer aufweist, ergibt sich keine wesentliche Vorverdichtung des in den Arbeitszylinder eingeleiteten Gemisches. Weiterhin ergibt sich auch bei Zweitaktmaschinen bei dieser bekannten Konstruktion ein erheblicher Spülverlust.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der ein weiter verbessertes Abgasverhalten aufweist. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verbrennungsmotors wird eine einwandfreie Spülung des verbrannten Gemisches am unteren Totpunkt des Arbeitskolbens durch das mit erhöhtem Druck von dem Laderzylinder in den Arbeitszylinder überströmende Frischgasgemisch erreicht. Da das Frischgasgemisch mit erhöhtem Druck dem Arbeitszylinder zugeführt wird, werden Saugverluste vermieden, und der Einlaßschlitz des Arbeitskolbens, der durch den Arbeitskolben verschlossen und geöffnet wird, kann eine sehr geringe Höhe und damit eine verbesserte Steuerbarkeit aufweisen. Da der Einlaßschlitz des Laderzylinders erst am Ende der Bewe­ gung des Laderkolbens in Richtung auf seinen oberen Totpunkt freigegeben wird, entsteht bei dieser Bewegung unterhalb des Laderkolbens ein Unterdruck, durch den das dem Laderzylinder zugeführte Frischgasgemisch schlagartig eingesaugt wird, so daß auch der Einlaßschlitz des Laderkolbens nur eine geringe Höhe aufweisen muß und damit gut steuerbar ist.

Der Einlaßschlitz des Frischgas-Verbindungskanals zwischen dem Laderzylinder und dem Arbeitszylinder ist vorzugsweise diametral gegenüberliegend zum Auslaßschlitz des Auspuffkanals des Arbeitszylinders angeordnet.

Vorzugsweise ist der unterhalb des Arbeitskolbens liegende Bereich des Arbeitszylinders über einen Verbindungskanal und einen Ölzerstäuber mit dem Kurbelgetrieberaum verbunden, der mit einer Lufteinlaßöffnung versehen ist, über die bei der Bewegung des Arbeitskolbens in Richtung auf den oberen Totpunkt Luft angesaugt und eine entsprechende Luftmenge über den Verbindungskanal unter Anreicherung mit Öl in den unterhalb des Arbeitskolbens liegenden Raum eingeleitet wird. Dieser unterhalb des Arbeitskolbens liegende Raum ist über einen Überströmkanal mit dem Verbrennungsraum verbindbar ist, wenn der Arbeitskolben den Auslaßschlitz bei seiner Bewegung in Richtung auf den unteren Totpunkt freigibt. Hierdurch ergibt sich eine zusätzliche Spülung des Arbeitszylinders mit lediglich mit einer geringen Ölmenge angereicherten Frischluft, bevor das Frischgasgemisch in den Arbeitszylinder eingeleitet wird.

Weiterhin ist es auf diese Weise möglich, auf die sonst erforderliche Zumischung von Schmieröl zum Frischgasgemisch zu verzichten, weil die zum Spülen verwendete Luft aus dem Kurbelgetriebegehäuse abgesaugt wird und über den darin angeordneten Ölzerstäuber mit Öl aus dem Kurbelgetriebegehäuse vermischt wird und den Arbeitskolben schmiert.

Dieser Verbindungskanal von dem Kurbelgetriebegehäuse kann außerdem mit dem Laderzylinder über einen weiteren Einlaßschlitz verbunden sein, der im Bereich des oberen Endes des Laderzylinders in diesen mündet und die Schmierung des Laderkolbens bewirkt.

Bei üblichen Zweitaktmotoren wird das das Frischgasgemisch bildende Treibstoff/Luftgemisch in das Kurbelgehäuse gesaugt.

Bei der hier vorliegenden Erfindung strömt das Frischgasgemisch schlagartig in den vom Laderkolben gebildeten Unterdruckraum. Dadurch ergibt sich eine effektivere und verlustarme Frischgasversorgung des Arbeits-Zylinders.

Außerdem wird das Frischgasgemisch zweimal verwirbelt, wodurch der Zündwirkungsgrad wesentlich erhöht wird und eine bessere Verbrennung erfolgt, so daß kaum unverbrannte Brennstoff/Öl- Partikel in den Abgaskanal gelangen.

Bei dieser gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Konstruktion eines Verbrennungsmotors führt die gemeinsame Kolbenstange des Arbeits- und des Lader-Kolbens gut abgedichtet durch zwei Bohrungen der Trennwände zwischen Arbeits- und Laderzylinder, bzw. zwischen Laderzylinder und Kurbelgehäuse, während sie mit den beiden Kolben starr verbunden ist.

Dadurch unterliegen die Kolben keiner "Kippbewegung" wie bei üblichen Kolbenmaschinen, wodurch die Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder-Wand wesentlich verbessert und der Verschleiß wie auch das Laufgeräusch vermindert wird. Dadurch können die Kolben und Zylinder wesentlich niedriger gehalten werden, was zu einer Gewichtsverminderung führt.

Die Öffnungen der Kanäle für die Frischluftzuführung aus dem Kurbelgehäuse in den Arbeits- und Laderzylinder sind so gelegt, daß ein Teil dieser mit Öl vermischten Frischluft wieder in das Kurbelgehäuse zurückgedrückt wird.

Die für die Schmierung der Zylinder/Kolben unbedingt erforderliche Ölmenge läßt sich durch den Ölzerstäuber bzw. Ölabscheider steuern.

Diese Konstruktion des Verbrennungsmotors eignet sich auch in vorteilhafter Weise zur Anwendung bei einem Verbrennungsmotor mit umlaufenden Zylindern, wie er in der DE 43 37 668 A1 des gleichen Anmelders mit dem gleichen Anmeldetag beschrieben ist, wobei vorzugsweise zwei zur Zylinderdrehachse symmetrisch angeordnete Zylinder mit zugeordnetem Arbeitskolben vorgesehen sind, die auf einer gemeinsamen Kolbenstange mit dem zwischen den Arbeitskolben in einer Laderkammer angeordneten Laderkolben verbunden sind. Der Laderkolben ist dann über ein Abtriebsglied mit der Kurbel des Kurbelgetriebes dieses Verbrennungsmotors verbunden. Dieses Abtriebsglied kann entweder ein durch einen sich durch einen Schlitz in der Laderzylinderwand erstreckender Zapfen sein, wobei der Schlitz normalerweise durch den Laderkolben in jeder seiner Positionen verschlossen ist, oder es kann bei entsprechend großem Durchmesser des Laderzylinders eine weitere Kolbenstange mit dem Laderkolben verbunden sein, wobei sich die weitere Kolbenstange durch eine abgedichtete Bohrung in den Stirnseiten des Laderzylinders erstreckt und mit dem Kurbelgetriebe in Verbindung steht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

In der Zeichnung ist eine schematische teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors gezeigt.

Die in der Zeichnung gezeigte Ausführungsform des Verbrennungs­ motors umfaßt einen insgesamt mit I bezeichneten Arbeitszylin­ der, einen insgesamt mit II bezeichneten Laderzylinder und ein insgesamt mit III bezeichnetes Kurbelgehäuse, die übereinander angeordnet sind.

In dem Arbeitszylinder I ist ein Kolben 2 angeordnet, der über eine Kolbenstange 3 mit einem in dem Laderzylinder II angeordneten Kolben 10 und dann über ein Lager 18 mit der Pleuelstange 16 eines Kurbelgetriebes 14 mit dem Ausgleichsgewicht 15 verbunden ist.

Der Laderzylinder II weist vorzugsweise eine Zylinderbohrung mit größerem Durchmesser als die Zylinderbohrung des Arbeitszylinders I auf, um eine bessere Verdichtung und einen verbesserten Ansaugvorgang in der nachfolgend beschriebenen Weise zu erzielen.

Im Arbeitszylinder ist ein Auslaßkanal 4 für Verbrennungsgase angeordnet, der von dem Arbeitskolben 2 solange verschlossen ist, bis dieser nahezu seinen unteren Totpunkt erreicht hat. In etwa in der gleichen Höhe wie der Auslaßkanal 4 mündet die Auslaßöffnung eines ebenfalls von im Arbeitskolben 2 verschließbaren Spülkanals 8, dessen anderes Ende am unteren Ende des Arbeitszylinders I in diesen mündet.

Weiterhin mündet in den Arbeitszylinder ein Überströmkanal 6 über eine Einlaßöffnung 5 an einer Stelle, die erst bei Erreichen des unteren Totpunktes durch den Arbeitskolben 2 freigegeben wird. Dieser Spülkanal 6 ist mit seinem anderen Ende mit dem unteren Ende des Laderzylinders II verbunden.

Schließlich mündet ein weiterer Überströmkanal 7 an einer Stelle in den Arbeitszylinder I, die in einem gewissen Abstand unterhalb der Unterkante des Arbeitskolbens 2 liegt, wenn sich dieser in seinem oberen Totpunkt befindet. Dieser weitere Überströmkanal 7 mündet mit seinem anderen Ende in das Kurbelgehäuse III, wobei an diesem Ende ein Ölzerstäuber angeordnet ist, der einen Teil des in dem Kurbelgehäuse III befindlichen Öls zusammen mit Luft in den Arbeitszylinder I und über eine weitere noch zu erläuternde Leitung in den Laderzylinder II einleitet.

Schließlich mündet in den Laderzylinder II ein Einlaßkanal 11 für das Frischgasgemisch, wobei dieser Einlaßkanal 11 an einer Stelle angeordnet ist, die von dem Laderkolben 10 lediglich in dessen oberer Totpunktstellung freigegeben wird.

Die Arbeitsweise des soweit beschriebenen Verbrennungsmotors ausgehend von der in Fig. 1 gezeigten Stellung vor der Zündung ist wie folgt: nach der Zündung wird das oberhalb des Arbeitskolbens 2 befindliche Frischgasgemisch verbrannt und drückt die beiden Kolben 2, 10 nach unten, wobei unterhalb des Arbeitskolbens 2 befindliche Luft und unterhalb des Laderkolbens 10 befindliches Frischgasgemisch verdichtet wird. Sobald der Arbeitskolben 2 den Auslaßkanal 4 sowie den Spülkanal 8 freigibt, treten einerseits die verbrannten Gase aus dem Auslaßkanal 4 aus und gleichzeitig wird die unterhalb des Arbeitskolbens 2 verdichtete Luft über den Kanal 8 in den Raum oberhalb des Arbeitskolbens 2 bewegt und führt zu einem Spülen des Verbrennungsraums. Das unterhalb des Laderkolbens verdichtete Frischgasgemisch kann bei in der Nähe des unteren Totpunktes befindlichem Arbeitskolben 2 über den Überströmkanal 6 und den Einlaßkanal 5 in den Verbrennungsraum gelangen, wobei dieses Frischgasgemisch mit hohem Druck in die Brennkammer eingeleitet wird. Bei der Abwärtsbewegung des Laderkolbens 10 wurde weiterhin oberhalb dieses Laderkolbens 10 ein Vakuum erzeugt, das nach Freigabe der Einlaßöffnung zum Kurbelgehäuse dazu führt, daß mit Öl versetzte Luft in diesen Raum eingesaugt wird und zur Schmierung des Laderkolbens 10 dient.

Bei der erneuten Aufwärtsbewegung der beiden Kolben 2, 10 entsteht unterhalb des Laderkolbens 10 ein Unterdruck, der nach Freigabe des Einlaßkanals 11 schlagartig zum Einsaugen neuen Frischgasgemischs führt, während unterhalb des Arbeitskolbens 2 Luft aus dem Kurbelgehäuse III eingesaugt ist, das wiederum mit Öl aus dem Kurbelgehäuse versetzt ist und zur Schmierung des Arbeitskolbens 2 gegenüber dem Arbeitszylinder I dient. Nach Erreichen des oberen Totpunktes ist der Verbrennungsmotor für eine erneute Zündung bereit.

Dadurch, daß der Laderzylinder 10 einen erheblich größeren Durchmesser als der Arbeitszylinder 2 hat, wird eine beträchtlich erhöhte Menge an Frischgasgemisch eingesaugt, das beim Überführen in den Verbrennungsraum bereits erheblich vorkomprimiert ist. Anschließend wird das vorkomprimierte Frischgasgemisch nochmals durch den Arbeitskolben 2 verdichtet, wodurch sich eine Kompressorwirkung ergibt, die zu einem hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors führt.

Dadurch, daß das vorkomprimierte Frischgasgemisch mit hohem Druck in die Brennkammer gepreßt wird, können die Einlaßschlitze 5 von geringer Höhe sein, so daß sich eine genauere Steuerungsmöglichkeit ergibt.

Durch das Ansaugen der Spülluft aus dem Kurbelgehäuse unter Beifügung dosierbarer Mengen von Öl mit Hilfe des Ölzerstäubers und eines ggf. vorgesehenen Ölabscheiders kann eine sehr genaue Dosierung der Ölbeimengung erreicht werden, so daß es nicht erforderlich ist, dem Frischgasgemisch Öl zur Schmierung beizufügen. Gleichzeitig verbessert die aus dem Kurbelgehäuse angesaugte Luft die Spülung des Arbeitszylinders, was wiederum den Wirkungsgrad erhöht und den Wirkungsgrad und das Abgasverhalten verbessert.

Claims (4)

1. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Arbeitszylinder, in dem ein Arbeitskolben auf- und abbeweglich ist, der über eine Kolbenstange mit einem zweiten Kolben verbunden ist, der in einem Laderzylinder von erheblich größerem Durchmesser auf- und abbeweglich ist, wobei die gemeinsame Kolbenstange mit dem Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors verbunden ist und Einlaß-, Auslaß- und Verbindungskanäle an dem Arbeitszylinder und dem Laderzylinder vorgesehen sind, von denen der Einlaßkanal in der Wandung des Laderzylinders an einer Stelle in diesen mündet, die am oberen Totpunkt des Arbeitskolbens bzw. des zweiten Kolbens durch den zweiten Kolben freigegeben wird, wobei zwischen dem Arbeitszylinder und dem Laderzylinder ein Frischgasgemisch- Verbindungskanal vorgesehen ist, der eine Auslaßöffnung an dem dem unteren Totpunkt entsprechenden Ende des Laderzylinders mit einem in dem Arbeitszylinder angeordneten Einlaßschlitz verbin­ det, der am unteren Totpunkt des Arbeitskolbens freigegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder und der Ver­ dichtungszylinder durch eine Trennwand (9) voneinander ge­ trennt sind, in der die Kolbenstange unter Abdichtung geführt ist, daß der unterhalb des Arbeitskolbens (2) liegende Bereich des Arbeitszylinders (I) eine Lufteinlaßöffnung aufweist, über die bei der Bewegung des Arbeitskolbens (2) in Richtung auf den oberen Totpunkt Außenluft angesaugt und eine entsprechende Luftmenge in den unterhalb des Arbeitskolbens (2) liegenden Raum eingeleitet wird, und daß dieser unterhalb des Arbeitskolbens (2) liegende Raum über einen Überströmkanal (8) mit dem Verbrennungsraum verbindbar ist, wenn der Arbeitskolben (2) den Auslaßschlitz (4) bei seiner Bewegung in Richtung auf den unteren Totpunkt freigibt, und bevor der Einlaßschlitz (5) freigegeben wird.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unterhalb des Arbeitskolbens (2) liegende Bereich des Arbeitszylinders (I) über einen Verbindungskanal (7) und einen Ölzerstäuber (19) mit dem Kurbelgetrieberaum (III) verbunden ist, daß der Kurbelgetrieberaum (III) mit einer Lufteinlaßöffnung (21) versehen ist, über die bei der Bewegung des Arbeitskolbens (2) in Richtung auf den oberen Totpunkt Luft angesaugt und eine entsprechende Luftmenge über den Verbindungskanal (7) unter Anreicherung mit Öl in den unterhalb des Arbeitskolbens (2) liegenden Raum eingeleitet wird, und daß dieser unterhalb des Arbeitskolbens (2) liegende Raum über einen Überströmkanal (8) mit dem Verbrennungsraum verbindbar ist, wenn der Arbeitskolben (2) den Auslaßschlitz (4) bei seiner Bewegung in Richtung auf den unteren Totpunkt freigibt.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (7) weiterhin mit dem Laderzylinder (II) über einen Einlaßschlitz (22) verbunden ist, der im Bereich des oberen Endes des Laderzylinders (II) in diesen mündet.

4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor eine Zylinder­ anordnung mit zwei auf den beiden Seiten eines Laderzylinders angeordneten Arbeitszylindern aufweist.