DE60012585T2

DE60012585T2 - Zweitaktbrennkraftmaschine mit vergrössertem wirkungsgrad und niedrigem giftgasausstoss

Info

Publication number: DE60012585T2
Application number: DE60012585T
Authority: DE
Inventors: Vito De Gregorio
Original assignee: Baschieri & Pellagri; Baschieri & Pellagri SpA Marano Di Castenaso
Current assignee: Baschieri & Pellagri; Baschieri & Pellagri SpA Marano Di Castenaso
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: ES2223528T3; EP1282764A1; EP1282764B1; ATE272167T1; AU2000251004A1; WO2001088350A1; DE60012585D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Zweitakt-Brennkraftmaschine mit vergrössertem Wirkungsgrad und niedrigerem Abgasausstoss. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf wechselweise Zweitakt-Brennkraftmaschinen ohne Begrenzung von Leistung, Zylinder-Hubraum und Typ des verwendeten Brennstoffs, ob vom Typ mit Verbrennung oder Einspritzung, ob durch Funken- (wie beim Otto-Zyklus) oder Kompressionszündung (wie beim Diesel-Zyklus) oder ob durch natürliche Ansaugung oder durch Aufladung gespeist.
Bei allen Brennkraftmaschinen muss das Laden von Verbrennungsgas, das heisst des Luft-Brennstoff-Gemischs, am Ende eines jeden thermodynamischen Zyklus erneuert werden. Daher muss das verbrannte Gas ausgestossen und eine neue Ladung von Verbrennungsgas in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingegeben werden.
Der Ausstoss (oder Auspuff) von verbrannten Gasen und das Ansaugen von neuem Gas erfolgt nach dem Ausdehnungshub und vor dem Kompressionshub des Zylinders.
Bei Viertakt-Brennkraftmaschinen wird die Erneuerung der Ladung von Luft-Gas-Gemisch erhalten, indem zwei zusätz liche Kolbenhübe zwischen dem Ausdehnungshub und dem Kompressionshub erfolgen, der erste zum Ausstossen der verbrannten Gase, der zweite zum Ansaugen von neuem Brennstoff. Diese beiden zusätzlichen Hübe reduzieren die Leistung der Brennkraftmaschine, weil die Pumpwirkung des Kolbens während dieser beiden Hübe keine Leistung erzeugt und stattdessen Leistung von der Brennkraftmaschine abzieht.
Um diesen Nachteil zu überwinden, wurden Zweitakt-Brennkraftmaschinen entwickelt. Eine Zweitakt-Brennkraftmaschine erzeugt mehr Motorleistung als eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit demselben Zylinder-Hubraum, weil sie die Häufigkeit der durch den Kolben ausgeführten Arbeitshübe verdoppelt.
Es ist ausgesprochen wichtig, die Luftströme, das Luft-Brennstoff-Gemisch und die verbrannten Gase im Inneren der Brennkraftmaschine unter allen Betriebsbedingungen zu optimieren, und es ist wesentlich, ein wirkungsvolles Schmiersystem zu haben.
Zahlreiche Nachteile haben daher die Zweitakt-Brennkraftmaschinen an einer grösseren Verbreitung gehindert. Die Hauptnachteile sind folgende:

1) Verlust von unverbranntem Gemisch durch den Auspuff;
2) unvollständige Ansaugung und Spülung;
3) Verschmutzung der Zündkerze durch mit dem Benzin gemischtes Öl;
4) Verstopfung und Verschmutzung des Auspuffrohres durch zusammen mit dem Benzin verbranntes Öl;
5) Umweltverschmutzung durch zusammen mit dem Benzin verbranntes Öl;
6) Unzuverlässigkeit der Kurbelelemente;
7) ungleichmässiger Verschleiss des Zylinders, des Kolbens und der Dichtungsringe.

Die Zweitakt-Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung ist vom Typ mit Einrichtungsspülung, das heisst einer mit Überström- oder Einlasskanälen, die an der Basis des Zylinders angeordnet sind, sowie Auspufföffnungen am oberen Ende des Zylinders, dicht an dem Zylinderkopf oder an dem Zylinderkopf selbst. Dies erzeugt einen Spülfluss von der Basis nach oben des Zylinders, ohne jeden Rückfluss. Diese Art von Spülung ist Einrichtungsspülung genannt.
Bei einer vorgezogenen Ausführung der Zweitakt-Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung werden die verbrannten Gase durch ein in dem Zylinderkopf angeordnetes gesteuertes Ventil ausgestossen. Der Auspuffzyklus kann asymmetrisch sein, weil er durch einen Befehl ausgelöst wird, der das Abgasventil öffnet, und der nicht einfach von der Wirkung des Kolbens abhängt. Er ist daher viel leistungsfähiger als der Auspuffzyklus von herkömmlichen Zweitakt-Brennkraftmaschinen.
Die nach der vorliegenden Erfindung hergestellte Zweitakt-Brennkraftmaschine hat ebenfalls eine Ansaug- und Vor kammer, die von dem Kurbelmechanismus getrennt ist, wodurch es dem Kurbelmechanismus erlaubt ist, auf die gleiche Weise wie eine Viertakt-Brennkraftmaschine geschmiert zu werden, und zwar unter Wiedergewinnung des Schmieröls und somit ohne Austreten von Schmieröl durch den Auspuff des Motors.
Die nach der vorliegenden Erfindung hergestellte Brennkraftmaschine kann vorteilhafterweise nicht nur bei Fahrzeugen verschiedener Arten verwendet werden, wie Kraftfahrzeuge, Zwei- oder Dreirad-Fahrzeuge, Mopeds, Motorräder und Roller, sondern auch bei Werkzeugen und Geräten, wie Motorsägen, Rasenmähern usw.
Weiter kann die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise im Bereich der Bootsmotoren verwendet werden, zum Beispiel solche wie Aussenbordmotoren.
Die wichtigsten Vorteile von herkömmlichen Zweitakt-Brennkraftmaschinen sind, dass sie leichter herzustellen sind, ein geringeres Gewicht und ein hohe spezifische Leistung haben.
Die wichtigsten Nachteile sind ein hoher Brennstoffverbrauch, die Tatsache, dass sie eine beachtliche Menge von Abgasen in Form von vorwiegend Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff erzeugen und die begrenzte Lebensdauer der Verbindung zwischen Zylindern, Kolben und anderen beweglichen Teilen.
Diese Nachteile, insbesondere die durch die Auspuffgase hervorgerufene Verschmutzung, sind so schwerwiegend, dass die heutige und die zukünftige Gesetzgebung in Bezug auf Umweltverschmutzung die Verwendung von herkömmlichen Zweitakt-Brennkraftmaschinen praktisch nicht mehr vorsieht. Versuche, diese Probleme zu lösen, sehen die Verwendung von Abgaskatalysatoren oder das Zuführen der Brennstoffmischung in die Verbrennungskammer durch direkte Einspritzung vor.
Diese Lösungen waren jedoch nicht in der Lage, die Nachteile zufriedenstellend zu überwinden.
Tatsächlich sind Abgaskatalysatoren bei der Entsorgung von Abgasen nur zum Teil leistungsfähig, und mit Abgaskatalysatoren versehene Zweitakt-Brennkraftmaschinen können nicht den Anforderungen der strengen Gesetze gegen Umweltverschmutzung entsprechen. Ausserdem hat ein Abgaskatalysator in einer Zweitakt-Brennkraftmaschine nur eine begrenzte Lebensdauer im Hinblick auf die grosse Menge an Öl, die von der Brennkraftmaschine ausgestossen wird, und als Ergebnis muss der Katalysator verhältnismässig häufig ausgetauscht werden. Dies führt zu dem zusätzlichen Problem der Entsorgung der verbrauchten Katalysatoren.
Was die direkte Einspritzung in die Verbrennungskammer betrifft, so ist diese unwirtschaftlich, da sie einen hohen Einspritzdruck erfordert und der Einspritzzyklus in einem wirklich kurzen Zeitraum ausgeführt werden muss, was es schwierig macht, die Menge der der Brennkraftmaschine zugeführten Mischung zu kontrollieren, insbesondere bei kleinen Brennkraftmaschinen mit Teilladungen. Weiter erfolgt der Spülzyklus in Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung durch Luft und Öl, wobei Öl zum Schmieren notwendig ist, und das Problem der durch die Verbrennung des Öls hervorgerufenen Umweltverschmutzung bleibt daher bestehen. Ausserdem ist das Spülen der Verbrennungskammer mit reichlich Luft unvorteilhaft in Bezug auf die Leistungsfähigkeit, da die erforderliche Pumpenleistung im wesentlichen vergeudet ist.
Bei der Zweitakt-Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung wird die Verbrennungskammer wirksam gespült, und zwar ohne unnötigen Verlust an Luft an den Auspuff. Ein noch anderer Nachteil bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen, die mit einem direkten Einspritzsystem des oben erwähnten Typs ausgestattet sind, ist der, dass, auch wenn sie beim Starten geringe Abgase erzeugen, sie nicht in der Lage sind, den gleichen niedrigen Abgaspegel beizubehalten, nachdem sie für eine bestimmte Zeit gelaufen sind, und zwar wegen dem ungleichen Verschleiss an der Kontaktfläche zwischen Zylinder und Kolben. Diese Kontaktfläche ist bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen hauptsächlich wegen der Öffnungen in der Zylinderwand und insbesondere wegen der Grösse der Ausstossöffnung oder -öffnungen einem ungleichen Verschleiss ausgesetzt, und wegen der Tatsache, dass die Schmierung bei den heutigen Zweitakt-Brennkraftmaschinen minimiert werden muss, wobei unter Berücksichtigung der Schwierigkeiten in der Entsorgung von Schmieröl so wenig Öl wie möglich verwendet wird.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Schmierung bei Brennkraftmaschinen sehr wichtig ist, da sie die mechanische Leistung verbessert, wobei sie den erforderlichen Kraftaufwand reduziert, um den passiven Widerstand der sich bewegenden Teile zu überwinden, während deren mechanische Eigenschaften erhalten bleiben, und sie den Verschleiss an den sich im Kontakt miteinander befindlichen Motorteilen verhindert oder reduziert. Bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine wird Öl aus dem Kurbelgehäuse an die verschiedenen zu schmierenden Teile gepumpt, und das überschüssige Öl läuft in das Kurbelgehäuse zurück. Das Kurbelgehäuse der Viertakt-Brennkraftmaschine kann daher mit einer reichlichen Menge an schwerem Öl gefüllt werden.
Wie oben erwähnt, haben die heutigen Zweitakt-Brennkraftmaschinen kein Schmiersystem, das mit solch einer reichlichen Menge an Öl gefüllt werden kann, weil das Schmieröl mit dem Brennstoff gemischt und verbrannt wird oder andernfalls in der Verbrennungskammer verloren geht.
Das verbrannte Schmieröl wird durch den Auspuff nach aussen geleitet und trägt dazu bei, die Menge an Abgasen zu erhöhen und eine starke Umweltverschmutzung zu bewirken.
Um die durch das Öl erzeugten Abgase zu verringern, haben die heutigen Zweitakt-Brennkraftmaschinen einen sparsamen Verbrauch an Schmiermitteln, jedoch reduziert diese Notwendigkeit auch bedeutsam die Zuverlässigkeit der Kurbelelemente.
Die vorliegende Erfindung versucht daher, durch eine verbesserte Zweitakt-Brennkraftmaschine die oben erwähnten Nachteile zu vermeiden.
Nach einem Aspekt derselben, sieht die vorliegende Erfindung eine Zweitakt-Brennkraftmaschine vor, wie sie in Anspruch 1 festgelegt ist.
Die anhängenden Ansprüche beziehen sich auf vorgezogene, vorteilhafte Ausführungen der Erfindung.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, welche vorgezogene Ausführungen rein als ein Beispiel zeigen, und in welchen
1 einen Querschnitt der Zweitakt-Brennkraftmaschine zeigt, der nach der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
2 zeigt teilweise im Schnitt den Führungskolben der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine;
3 ist eine Ansicht von oben des Führungskolbens der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine;
4 zeigt einen Querschnitt des Kolbens der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine;
5 ist eine Ansicht von unten des Führungskolbens der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine;
6 zeigt eine andere Ausführung der Brennkraftmaschine, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
7 und 8 zeigen im Querschnitt und in einer Ansicht von unten eine andere Ausführung des Kolbens der in den 1 und 6 gezeigten Brennkraftmaschine;
9 zeigt Details vom unteren Teil der in den anderen Abbildungen dargestellten Brennkraftmaschine, mit einigen Teilen entfernt, um andere besser zu verdeutlichen.
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ist die Zweitakt-Brennkraftmaschine in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet. Die Brennkraftmaschine 1 enthält ein Gehäuse 2, das unten durch eine Wanne 3 verschlossen ist, dazu bestimmt, das Schmieröl 4 aufzunehmen.
Das Kurbelgehäuse 2 enthält eine Kurbelwelle 5, die sich um Zapfen 6 dreht. Die Kurbelwelle 5 hat einen Kurbelzapfen 7, an welchen eine Pleuelstange 8 auf bekannte Weise angeschlossen ist. Das obere Ende der Pleuelstange 8 ist an einen Kolbenbolzen 9 angeschlossen, an welchen ebenfalls ein Führungskolben 10 angelenkt ist.
Der Führungskolben 10 bewegt sich auf und ab in einer zylindrischen Buchse 11 und hat eingearbeitete Rillen 12, um den freien Durchlass von Luft und Schmiermittel in den Bereich oberhalb desselben zu erlauben. Am oberen Ende 13 des Führungskolbens 10 ist eine Stange 14 vorgesehen, welche an dem Führungskolben selbst befestigt oder integrierender Teil desselben ist.
Das Innere der Stange 14 enthält einen hohlen Abschnitt 14a, nicht nur wegen des leichteren Gewichtes, sondern auch um zu erlauben, dass das Öl den Kolben 20 erreicht.
Dies trägt dazu bei, den Kolben 20 zu kühlen; insbesondere hilft es, den oberen Teil des Kolbens 20 zu kühlen.
Oberhalb der Buchse 11 ist ein Zylinder 15 mit einer Achse 15a vorhanden, der von dem Kurbelgehäuse 2 und von dem Bereich der Kurbelwelle 5 durch ein Diaphragma oder eine Trennwand 16 vollkommen getrennt ist, wodurch zwei Abschnitte geschaffen werden: ein oberer heisser Abschnitt und ein unterer kalter Abschnitt. Das Diaphragma oder die Trennwand 16 hat ebenfalls eine Bohrung 17 zum Durchführen der Stange 14.
Die Bohrung 17 ist von einem Kragen 18 umgeben, welcher, falls notwendig, mit Dichtungen (nicht gezeigt) versehen werden kann, eingesetzt zwischen diesem und der Stange 14. Zwischen den Seiten der Bohrung 17 und der Stange 14 ist ein nur sehr kleiner Spalt vorhanden. Auch wenn der Kragen 18 nicht mit Dichtungen versehen ist, wird trotzdem eine gute Dichtung während der wechselweisen Bewegung der Stange 14 in der Bohrung 17 und dem Kragen 18 erhalten. Der Kragen 18 enthält ein oberes Ende 18a, das zu der Bohrung 17 hin abgeschrägt ist.
Das abgeschrägte Ende 18a ist dazu bestimmt, das Schmieröl zu sammeln, das bis über die Bohrung 17 hinaus gedrungen ist, und den Rückfluss desselben in das Kurbelgehäuse 2 zu erleichtern.
Ein Zylinderkopf 19 verschliesst den Zylinder 15 oben, in welchem ein im wesentlichen scheibenförmiger Kolben 20 läuft. Der Kolben 20 ist an die Stange 14 angeschlossen und hat einen oberen Dichtungsring 21a und einen unteren Dichtungsring 21b, um ein Durchsickern zwischen Kolben und Zylinder zu verhindern. Es sind keine Ölabstreifringe vorhanden.
Der Kolben 20 teilt den Zylinder 15 in einen oberen Abschnitt 22, in welchem sich die Verbrennungskammer befindet, und einen unteren Abschnitt 23, wo eine Ansaug- und Vorkammer ist, zum Beispiel ein Gehäuse/Pumpen-System. Die beiden Abschnitte stehen durch eine Anzahl von Überströmkanälen 24 miteinander in Verbindung, auch einfach als Kanäle 24 bezeichnet, die in die Seitenwand 25 an der Basis des Zylinders 15 eingearbeitet sind.
Der Zylinderkopf 19 enthält eine Zündkerze 26 und wenigstens ein Auspuffrohr 27, versehen mit einem Absperrventil 28, welches durch herkömmliche Mittel ausgelöst werden kann, beispielsweise durch eine Welle mit Nocke 29.
Wenn sich der Kolben 20 seinem unteren Totpunkt nähert, erhöht sich der Druck in dem unteren Abschnitt 23 des Zylinders 15, bis er höher ist als der Druck in dem Kurbelge häuse 2. Als Ergebnis wird alles Öl, das eventuell durch den Spalt zwischen der Stange 14 und dem Kragen 18 in den unteren Abschnitt 23 eingetreten ist, in das Kurbelgehäuse 2 zurück gesaugt.
Der Kolben 20 hat keinen Mantel und erfordert daher viel weniger Schmierung, um ihn im Inneren des Zylinders 15 auf und ab zu bewegen.
Um den Schmierbedarf noch weiter zu reduzieren, kann zwischen dem Kolben 20 und dem Zylinder 15 ein verhältnismässig grosses Spiel vorhanden sein, da ja die Abdichtung durch die Dichtungsringe 21a und 21b gewährleistet ist, welche die einzigen Teile im Kontakt mit der Zylinderwand sind.
Bei der Zweitakt-Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung ist der Kolbenmantel nicht notwendig, weil der Kolben 20 nicht mehr die seitlichen Schübe durch den Kurbelmechanismus aushalten muss und somit nicht mehr als Führung für die Pleuelstange 8 und die Kurbelwelle 5 zu dienen braucht, da die Schubwirkung von dem Führungskolben 10 aufgenommen wird. Da letzterer im Bereich des Kurbelgehäuses 2 angeordnet ist, wird er reichlich mit Öl versehen, entweder durch Tauchschmierung oder durch Druckschmierung mit Hilfe einer Pumpe (nicht gezeigt).
Das Fehlen der seitlichen Schübe durch den Kolben 20 hat auch einen anderen wichtigen Vorteil, das heisst, dass der Zylinder 15 nicht oval verformt wird, was bedeutet, dass auch über eine viel längere Zeit eine feste, abdichtende Verbindung zwischen Zylinder 15 und Kolben 20 beibehalten wird.
Dies ist ein sehr wichtiger Vorteil, der sich in einer Reduzierung der Abgase durch den Motor auch nach langen Betriebszeiten auswirkt, da praktisch kein Verschleiss durch den Kontakt zwischen Zylinder 15 und Kolben 20 entsteht, was bedeutet, dass die verbrannten Gase nicht in den unteren Abschnitt 23 des Zylinders 15 eindringen können.
Der Kolben 20 gelangt niemals in direkten Kontakt mit dem Zylinder 15, auch nicht bei hohen Temperaturen, da die Toleranz zwischen den beiden Teilen viel grösser ist als bei herkömmlichen Zweitakt-Brennkraftmaschinen.
Das Risiko des Festfressens des Kolbens 20 ist daher nicht nur aus den oben erwähnten Gründen beseitigt, sondern auch deshalb, dass der Kolben 20 keinen Mantel hat und seine Führungsaufgabe stattdessen durch den Führungskolben 10 ausgeführt wird.
Um die Kühlung des oberen Teils des Kolbens 20 noch weiter zu verbessern, und zwar zusätzlich zu der durch die Stange 14 vorgesehene Kühlwirkung, und zum Erzeugen der nötigen Turbulenzen zum Erleichtern des Mischens in dem unteren Abschnitt 23, enthält die Unterseite des Kolbens 20 eine Anzahl von radialen Flügeln 20c, über welche während einem jeden Motorzyklus frische Luft geblasen wird, und welche Hitze von der Krone des Kolbens 20 an den unteren Abschnitt 23 leiten, um die an der Krone des Kolbens 20 erreichten hohen Temperaturen zu reduzieren.
Der untere Abschnitt 23 steht über ein Ansaugrohr 30, das mit Lamellenventilen 31 versehen ist, direkt mit einem Vergaser 32 bekannten Typs in Verbindung, dazu bestimmt, die gewünschte Mischung von Luft und Brennstoff zuzuführen. Der Vergaser 32 ist mit einem Filter 33 versehen, der über ein Anschlussrohr 34 mit dem Kurbelgehäuse 2 in Verbindung steht. Der Öldampf in dem Kurbelgehäuse 2 wird in den Zylinder 15 abgesaugt und trägt ausreichend zur Schmierung des Kolbens bei. Somit ist der obere Teil der Brennkraftmaschine, auch bekannt als "Trockenbereich", in der gleichen Weise geschmiert wie bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine.
Der Kolben 20 kann somit durch den aus dem Kurbelgehäuse 2 abgesaugten Öldampf geschmiert werden und/oder durch einen Ölfilm, der von der Stange 14 während ihrer wechselweisen Bewegung durch das Kurbelgehäuse 2 übertragen wird.
Durch Veränderung von nur einigen einfachen Merkmalen der Brennkraftmaschine, das heisst des Öldampfflusses und des Spaltes zwischen der Bohrung 17 und der Stange 14, kann die Schmierung des oberen Teils der Brennkraftmaschine den verschiedenen Anforderungen angepasst werden. Ausserdem, wie oben erwähnt, kann die Toleranz in der Verbindung zwischen dem Kolben 20 und dem Zylinder 15 sehr gross sein, weshalb der Ölbedarf viel geringer ist als der bei anderen Typen von Kolben, und zwar mit dem bedeutenden Vorteil des geringeren Abgasausstosses.
Es sollte ebenfalls bemerkt werden, dass, da das Ventil 28 ein Abgasventil ist, das stets mit verhältnismässig hohen Drücken arbeitet und daher das Schmieröl an dem Ventilschaft nicht dazu neigt, durch die Ventilführung zu dringen. Nachstehend erfolgt eine Beschreibung des Zweitakt-Betriebes der Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung.
Das Luft-Brennstoff-Gemisch wird von dem Vergaser 32 abgesaugt und geht durch das Ventil 31 in den unteren Abschnitt 23. Wenn sich der Kolben 20 in Richtung seines unteren Totpunktes bewegt, führt er das Luft-Brennstoff-Gemisch aus dem unteren Abschnitt 23 in den oberen Abschnitt 22 durch die Kanäle 24. Gleichzeitig wird das Abgasventil 28 durch die Nocke 29 geöffnet. Die Zufuhr von frischem Luft-Brennstoff-Gemisch verdrängt die während des vorangegangenen Verbrennungszyklus verbrannten Gase und leitet sie zu dem Auspuffrohr 27, jedoch ohne sich mit diesen zu vermischen. Wenn sich das Luft-Brennstoff-Gemisch dicht an dem Abgasventil 28 befindet, schliesst sich letzteres und verhindert, dass Brennstoff durch den Auspuff austritt.
Ein für die vorliegende Brennkraftmaschine typisches Taktdiagramm zeigt einen symmetrischen Überströmzyklus um den unteren Totpunkt. Das Überströmen ist auf jeden Fall sehr wirkungsvoll, weil der untere Abschnitt 23, der als Pumpe dient, einen kleinen Totraum hat und fast vollkommen von dem Kolben 20 bestrichen wird.
Da der untere Abschnitt eine sehr hohe Vorverdichtung erreichen kann, können die Überströmkanäle 24 zahlenmässig erhöht werden, und sie können sehr schmal und verhältnismässig unterbemessen sein, wie in 9 gezeigt ist. Auch ist es leichter, die Zahl der Überströmkanäle zu erhöhen, da keine Auspufföffnung in der Wand des Zylinders 15 notwendig ist.
Die spezielle Form der Überströmkanäle 24 begünstigt die Turbulenz in der Verbrennungskammer. Bei einer anderen Ausführung (nicht gezeigt) können die Überströmkanäle 24 aus einer Anzahl von kleinen Bohrungen bestehen, die gleichmässig in einer Reihe rund um die Wand des Zylinders 15 verteilt sind.
Aufgrund der kleinen Abmessungen der Überströmkanäle und des Fehlens der Auspufföffnung entsteht praktisch kein Verschleiss an der Kontaktfläche zwischen dem Zylinder 15 und dem Kolben 20 und an den Dichtungsringen 21a und 21b.
Diese Konfiguration verbessert beachtlich den Betrieb der Brennkraftmaschine, verglichen mit dem Gehäuse/Pumpe-System einer herkömmlichen Zweitakt-Brennkraftmaschine, die einen grossen Totraum durch das Vorhandensein der Kurbelwelle hat. Sie hat ebenfalls den Vorteil der Beschleu nigung der Gasströmungen, was bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen sehr nützlich ist, bei denen die verschiedenen Zyklen in einer sehr begrenzten Zeitspanne ausgeführt werden müssen.
Die Überströmkanäle 24 können in einem gleichbleibenden Winkel im Verhältnis zu der Zylinderwand 25 angeordnet sein, und es sind genug Kanäle vorhanden, um die Grösse eines jeden einzelnen Kanals reduzieren zu können. Der Überströmkanal 24 auf der Seite des Ansaugrohres 30 kann mit letzterem verbunden sein.
Um die Turbulenz zu verbessern und dem von den Überströmkanälen 24 kommenden Luft-Brennstoff-Gemisch eine Drehbewegung zu verleihen, können die Überströmkanäle im Verhältnis zu der Achse 15a des Zylinders 15 in einer schrägen Richtung (nicht gezeigt) ausgerichtet sein.
Der Auspuffzyklus ist asymmetrisch, weil er durch das Öffnen des Abgasventils 28 bestimmt wird, dessen Betrieb unabhängig von der Position des Kolbens 20 ist.
Da er asymmetrisch ist, ist der Auspuffzyklus viel wirkungsvoller als jener einer herkömmlichen Zweitakt-Brennkraftmaschine.
Tatsächlich kann das Schliessen des Abgasventils 28 ausreichend vorgezogen werden, um das Austreten des durch die Überströmkanäle 24 zugeführten Luft-Brennstoff-Gemischs zu verhindern.
Um noch weiter die Leistung des Spül- und Auspuffzyklus zu verbessern, kann das Abgasventil 28 auf solche Weise betätigt werden, dass es zu einem mehr oder weniger grossen Grad geöffnet wird, um Brennkraftmaschinen mit unterschiedlichen Betriebseigenschaften zu erhalten, so wie ein Drehmoment bei niedrigen Umdrehungen pro Minute oder eine grössere Höchstleistung. Das Abgasventil 28 kann ebenfalls auf solche Weise betätigt werden, dass es mit unterschiedlichem Takt geöffnet oder geschlossen wird, das heisst das Abgasventil 28 öffnet oder schliesst sich zu verschiedenen Zeiten im Verhältnis zu der Position des Kolbens 20 und der betreffenden Kurbelwelle 5. Dies wird erreicht durch eine Vorrichtung zur Veränderung des Taktes der Nocke 29. Bei niedrigen Umdrehungen pro Minute und hohen Ladungen kann der Auspufftakt um einige Grade vorgezogen werden, um das Ausstossen von verbrannten Gasen zu erleichtern, oder vorzeitig geschlossen werden, um das Austreten von frischen Gasen zu verhindern.
Die 2 und 3 zeigen den Führungskolben 10 der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine, bei welchem die Stange 14 mit dem Führungskolben selbst fest verbunden ist. Es sind keine Rillen vorhanden, weil der Führungskolben 10 zusätzliche Funktionen ausübt, wie nachstehend erklärt wird.
Die 4 und 5 zeigen den Kolben 20 der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine. Der Kolben hat keinen Mantel und weist Kühlflügel 20c auf. Die 7 und 8 zeigen eine andere Ausführung des in den 4 und 5 gezeigten Kolbens.
Bei dieser Ausführung enthält der Kolben 20 ein oder mehrere Einrichtungsventile, bestehend aus Bohrungen 51, die durch entsprechende Tellerventile verschlossen sind. Jedes Tellerventil hat einen Schaft 53, der sich in einem in die Krone 55 des Kolbens 50 eingearbeiteten Sitz 54 auf und ab bewegt, und es kann mit einer Rückholfeder 56 versehen sein. Die Bohrungen 51 und die entsprechenden Ventile 52 machen es möglich, die Notwendigkeit der Überströmkanäle 24 vollkommen zu vermeiden.
Mit dem mit Ventilen 52 ausgestatteten Kolben 50 hat der Überströmzyklus keinen festen Takt. Das Überströmen erfolgt nur, wenn der Druck in dem unteren Abschnitt 23 des Zylinders 15 den Druck in dem oberen Abschnitt 22 des Zylinders 15 um einen bestimmten Wert über überschreitet.
Der Überströmzyklus wird somit automatisch durch die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine reguliert. Daraus folgt, dass der Überströmzyklus auch asymmetrisch im Verhältnis zu dem unteren Totpunkt sein kann. Der Überströmzyklus ist somit Funktion des Druckes in dem oberen Abschnitt 22, des Druckes in dem unteren Abschnitt 23, der Kraft der Rückholfedern 56 der Tellerventile 52 und des Druckverlustes durch die Bohrungen 51.
6 zeigt eine Ausführung der Brennkraftmaschine, wo der untere Abschnitt als wechselweiser Kompressor wirkt. Der Führungskolben 10 hat keine Rillen 12 eingearbeitet und arbeitet somit wie ein gewöhnlicher Kolben, der sich in der wie ein Zylinder ausgearbeiteten Buchse 11 bewegt, wobei er durch ein erstes Rohr 40 Luft ansaugt und durch ein zweites Rohr 41 Luft zu dem Auspuffrohr 27 der Brennkraftmaschine herausdrückt. Das erste Rohr 40 ist mit einem Filter 42 versehen.
Während des Betriebes der in 6 gezeigten Brennkraftmaschine wird die durch den Führungskolben 10 komprimierte Luft durch das Rohr 41 zu dem Auspuffrohr 27 gedrückt, wobei die Oxidation der Verbrennungssubstanzen begünstigt wird. Dies erlaubt eine beachtliche Reduzierung des Abgasausstosses, ohne einen Katalysator verwenden zu müssen.
Bei einer anderen Ausführung der Brennkraftmaschine, die nicht gezeigt ist, wird die durch den Führungskolben 10 komprimierte Luft auf solche Weise an die Ansaugung des Zylinders 15 geleitet, dass der Motor aufgeladen wird.
Bei einer noch anderen Ausführung der Brennkraftmaschine, hier nicht gezeigt, wirkt der untere Abschnitt als Druckluftpumpe zum Einspritzen des Brennstoffs direkt in die Verbrennungskammer.
Wie oben beschrieben, können der Führungskolben 10 und die entsprechende Buchse 11 daher die unterschiedlichen Funktionen des Kompressors, Aufladers und der pneumatischen Einspritzpumpe ausführen, ohne das Hinzufügen einer Zahl von anderen Teilen zu erfordern, was die Auslegung der Brennkraftmaschine weitestgehend vereinfacht.
Die Erfindung hat wichtige Vorteile.
Die Tatsache, dass der Kolben keinen Mantel hat, der als Führung für den Kurbelmechanismus wirkt, erlaubt es diesem, mit einer grösseren Toleranz in dem Zylinder befestigt zu werden, wobei der Kontakt zwischen dem Kolben und dem Zylinder vermieden wird und das Risiko des Festfressens beseitigt ist.
Der Kolben bewegt sich im Inneren des Zylinders nur in einer geraden, axialen Richtung, was grösstenteils die Reibung reduziert und wodurch die Notwendig der Schmierung folglich viel geringer ist.
Ein anderer Vorteil ist, dass, verglichen mit einer gleichwertigen Viertakt-Brennkraftmaschine, weniger Teile vorhanden sind. Tatsächlich muss eine Viertakt-Brennkraftmaschine, welche die gleiche Leistung wie die Brennkraftmaschine nach der Erfindung liefert, doppelt so viele Zylinder und Kolben sowie entsprechende Kurbelmechanismen haben. Ausserdem erfordert die hier offengelegte Zweitakt-Brennkraftmaschine nur ein Abgasventil für jeden Zylinder, während eine Viertakt-Brennkraftmaschine auch ein Ansaugventil erfordert.
Wie oben beschrieben, kann der untere Abschnitt der Zweitakt-Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung als Kompressor, als Auflader und als pneumatische Einspritzpumpe dienen, praktisch ohne weitere Teile hinzuzufügen, was die Auslegung des Motors stark vereinfacht. Noch ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass das Schmieröl wie bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine aufgefangen und wiederverwendet wird, was die Zuverlässigkeit der Brennkraftmaschine erhöht und die Verschmutzung durch verbranntes Öl reduziert.

1: Brennkraftmaschine
2: Kurbelgehäuse
3: Ölpumpe
4: Schmieröl
5: Kurbelwelle
6: Zapfen der Welle 5
7: Kurbelzapfen
8: Pleuelstange
9: Kolbenbolzen
10: Führungskolben
11: Buchse
12: Rillen
13: Oberer Teil des Führungskolbens
14: Stange
14a: Hohler Abschnitt der Stange 14
15: Zylinder
15a: Zylinderachse
16: Diaphragma oder Trennwand
17: Bohrung zum Durchführen der Stange 14
18: Kragen
19: Zylinderkopf
20: Kolben
20c: Flügel
21a, 21b: Dichtungsringe
22: Oberer Abschnitt des Zylinders 15
23: Unterer Abschnitt des Zylinders 15
24: Überströmkanäle
25: Wand des Zylinders 15
26: Zündkerze
27: Auspuffrohr
28: Abgasventil
29: Nocke
30: Ansaugrohr
31: Lamellenventil
32: Vergaser
33: Luftfilter
34: Anschlussrohr
40: Erstes Rohr
41: Zweites Rohr
42: Filter
43, 44: Einrichtungsventil
50: Kolben
51: Bohrungen im Kolben
52: Tellerventil
53: Schaft
54: Sitz für Schaft 53
55: Krone des Kolbens 50
56: Rückholfeder des Ventils 52

Claims

Zweitakt-Brennkraftmaschine (1) mit Einrichtungsspülung, enthaltend einen Kurbelmechanismus (5, 6, 7, 8, 9), angeschlossen an einen Führungskolben (10), der in einer Buchse (11) läuft, einen Kolben (20; 50), dessen unteres Ende über eine Stange (14) an den Führungskolben (10) angeschlossen ist, wobei der Kolben (20; 50) im wesentlichen scheibenförmig ist und sich in einem Zylinder (15) bewegt, der eine Achse (15a) hat, wobei der Zylinder (15) vollkommen von dem Bereich des Kurbelmechanismus (5, 6, 7, 8, 9) durch ein Diaphragma oder eine Trennwand (16) getrennt ist, und wobei die Maschine dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kolben (20; 50) eine Anzahl von radialen Kühlrippen (20c) enthält, die von der Unterseite des Kolbens (20; 50) hervorstehen.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Zylinderkopf (19) enthält, angeordnet oberhalb des Zylinders (15) und dazu bestimmt, letzteren zu verschliessen, wobei der Zylinderkopf (19) ein Auspuffrohr (27) und ein Auspuffventil (28) enthält, um das Abgas auszustossen.
Maschine nach einem beliebigen der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (20; 50) in dem Zylinder (15) einen unteren Abschnitt (23) bildet, der als Einlass und Vorkammer wirkt, getrennt von dem Kurbelmechanismus (5, 6, 7, 8, 9), und das Öl, das zum Schmieren des Kurbelmechanismus verwendet wurde, in die Lage versetzt, aufgefangen und wiederverwendet zu werden, ohne dass es in die Umwelt abgelassen wird.
Maschine nach einem beliebigen der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskolben (10) abdichtend in der Buchse (11) läuft, welche wie ein Zylinder ausgeformt ist, wobei die Buchse (11) mit einem ersten Rohr (40) in Verbindung steht, versehen mit einem Einrichtungsventil (43), durch welches Luft in die Buchse (11) angesaugt wird, und mit einem zweiten Rohr (41), versehen mit einem Einrichtungsventil (44), durch welches Luft in das Auspuffrohr (27) der Maschine gepresst wird, um die Oxidation der durch das Auspuffrohr (27) strömenden Abgase zu erleichtern.
Maschine nach einem beliebigen der vorstehenden Patentansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskolben (10) abdichtend in der Buchse (11) läuft, welche wie ein Zylinder ausgeformt ist, wobei die Buchse (11) mit einem ersten Rohr (40) in Verbindung steht, versehen mit einem Einrichtungsventil (43), durch welches Luft in die Buchse (11) angesaugt wird, und mit einem zweiten Rohr (41), durch welches die durch den Führungskolben (10) komprimierte Luft in den Einlass (30, 31, 32, 33) des Zylinders (15) gepresst wird, um die Maschine vorzuverdichten.
Maschine nach einem beliebigen der vorstehenden Patentansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskolben (10) abdichtend in der Buchse (11) läuft, welche wie ein Zylinder ausgeformt ist, wobei die Buchse (11) mit einem ersten Rohr (40) in Verbindung steht, versehen mit einem Einrichtungsventil (43), durch welches Luft in die Buchse (11) angesaugt wird, und mit einem zweiten Rohr (41), durch welches die durch den Führungskolben (10) komprimierte Luft an eine Druckluftpumpe geliefert wird, welche den Brennstoff direkt in die Verbrennungskammer einspritzt.
Maschine nach einem beliebigen der vorstehenden Patentansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auspuffventil (28) durch eine Nocke (29) geöffnet wird, deren Öffnungs- und Schliesstakt im Verhältnis zu der Position des Kolbens (20; 50) und der entsprechenden Nockenwelle (5) verändert werden kann.
Maschine nach einem beliebigen der vorstehenden Patentansprüche von 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Auspuffzyklus asymmetrisch ist.
Maschine nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (50) eine Anzahl von Bohrungen (51) enthält, jede verschlossen durch ein Ventil (52), wobei die genannten Ventile (52) die Durchführung des Transferzyklus befähigen, wenn der Druck in dem unteren Abschnitt (23) des Zylinders (15) grösser ist als der in dem oberen Abschnitt (22) des Zylinders (15).