DE9209897U1 - Two-stroke internal combustion engine - Google Patents

Two-stroke internal combustion engine

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Description

BeschreibungDescription

Zweitakt-Brennkraft- und Zweitakt-Gegenkolben-Brennkraftmaschinen üblicher Bauart weisen fest eingegossene Spül- und Auslaßkanäle auf. (US 4.491.096, DE 28 44 308 C2, 28 50 041, 29 17 764, 29 29 767, 29 11 357, 28 54 346) Die Steuerzeiten dieser Kanäle sind konstruktiv so festgelegt, daß die Brennkraftmaschine bei einer bestimmten Drehzahl die stärkste Leistung abgibt. Dies hat zur Folge, daß ober- und unterhalb dieser Drehzahl die Brennkraftmaschine nicht den optimalen Wirkungsgrad erreicht. Bei den bisherigen Zweitakt-Brennkraftmaschinen befinden sich die Steuerzeiten für Auslaß- und Spülkanäle jeweils zur Hälfte vor und nach dem unteren Totpunkt des Arbeitskolbens. Two-stroke internal combustion engines and two-stroke opposed-piston internal combustion engines of the usual design have cast-in scavenging and exhaust channels. (US 4,491,096, DE 28 44 308 C2, 28 50 041, 29 17 764, 29 29 767, 29 11 357, 28 54 346) The timing of these channels is designed so that the internal combustion engine delivers the greatest power at a certain speed. This means that above and below this speed the internal combustion engine does not achieve optimum efficiency. In previous two-stroke internal combustion engines, the timing of the exhaust and scavenging channels is half before and half after the bottom dead center of the working piston.

Somit ist es nicht möglich den Arbeitszylinder bei geschlossenem Auslaßkanal mit Frischgasen zu laden. Weiterhin arbeiten die Zweitakt-Brennkraftmaschinen üblicher Bauart mit konstruktiv festgelegtem Spüldruck, der bei niedriger Drehzahl ausreichen muß, aber bei hoher Drehzahl nicht zu hoch werden darf, um eine starke Vermischung der Gase im Arbeitszylinder zu vermeiden. Der Spüldruck kann jedoch nicht Last- und Drehzahlunabhängig über Steuersysteme geregelt werden, ohne Frischgasverluste in Kauf zu nehmen.This means that it is not possible to charge the working cylinder with fresh gases when the exhaust port is closed. Furthermore, two-stroke internal combustion engines of the usual design work with a design-specific scavenging pressure, which must be sufficient at low speeds but must not be too high at high speeds in order to avoid excessive mixing of the gases in the working cylinder. However, the scavenging pressure cannot be regulated independently of the load and speed via control systems without accepting fresh gas losses.

Der im Schutzanspruch 1 und 2 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Zweitakt-Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher die Steuerzeiten veränderbar sind, um die Spülung in allen Drehzahlbereichen zu optimieren, ohne dabei Frischgasverluste in Kauf zu nehmen. Dieses Problem wird mit der im Schutzanspruch 1 und 2 aufgeführten verschiebbaren Zylinderbüchse erreicht. Eine weitere Verbesserung wird unter dem Schtzanspruch 3 angegeben.The invention specified in claims 1 and 2 is based on the problem of creating a two-stroke internal combustion engine in which the control times can be changed in order to optimize the scavenging in all speed ranges, without accepting fresh gas losses. This problem is solved with the movable cylinder liner specified in claims 1 and 2. A further improvement is specified in claim 3.

Durch die unter Schutzanspruch 3 angegebenen Ventile in der Gebläsebaugruppe, wird gleichzeitig zur Steuerzeitenverschiebung der Spüldruck angepaßt, was bei üblichen Zweitakt-Brennkraftmaschinen nicht möglich ist.The valves in the blower assembly specified under protection claim 3 allow the flushing pressure to be adjusted at the same time as the timing is shifted, which is not possible with conventional two-stroke internal combustion engines.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß die Zweitakt-Gegenkolbenbrennkraftmaschine mit drehzahloptimierten Steuerzeiten arbeitet. Gleichzeitig wird durch die asymetrische Verschiebung der Steuerzeiten für Spül- und Auslaßkanäle erreicht, daß der Arbeitszylinder bei bereits geschlossenem Auslaßkanal über den Spülkanal mit Frischgasen geladen werden kann.The invention ensures that the two-stroke opposed piston internal combustion engine works with speed-optimized control times. At the same time, the asymmetrical shift of the control times for the scavenging and exhaust channels ensures that the working cylinder can be charged with fresh gases via the scavenging channel when the exhaust channel is already closed.

Durch das Anpassen der Steuerzeiten an der jeweiligen Drehzahl, ist es möglich den Spüldruck ebenfalls zu regeln, um eine optimale Spülung ohne Spülverluste bei jedem Last- und Drehzahlbereich zu erreichen.By adjusting the control times to the respective speed, it is possible to also regulate the flushing pressure in order to achieve optimal flushing without flushing losses at every load and speed range.

Durch das Zusammenwirken der optimierten Steuerzeiten und dem dazugehörigen Spüldruck, wird der bestmögliche volumetrische Wirkungsgrad im jeweiligen Last- und Drehzahlbereich erreicht. Dies hat zur Folge, daß der Treibstoffverbrauch reduziert und die Umweltverträglichkeit verbessert wird.The interaction of the optimized control times and the associated scavenging pressure achieves the best possible volumetric efficiency in the respective load and speed range. This results in reduced fuel consumption and improved environmental compatibility.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur 1 bis 5 erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is explained using Figures 1 to 5. They show:

Fig. 1 einen Schnitt horizontal durch die zwei Arbeits- und GebläsezylinderFig. 1 a horizontal section through the two working and blower cylinders

Pig. 2 bis 4 eine schematische Darstellung der Zylinderbüchse bei bestimmten KolbenstellungenPig. 2 to 4 a schematic representation of the cylinder liner at certain piston positions

Fig. 5 ein SteuerzeitendiagrammFig. 5 a timing diagram

Zur näheren Funktionsbeschreibung wird nur das Zusammenwirken der Zylinder 100 und 300 erläutert, da die Funktionsweise in den Zylindern 200 und 400 parallel um 180° versetzt auf den Kurbelwellen 500 und 600 abläuft. Die Kurbelwellen 500 und 600 sind getriebemäßig über die Stirnräder 501,601 und 701 mit einer übersetzung von 1:1 verbunden. Fig. 1 stellt den Arbeitszylinder 100 im unteren Totpunkt der Arbeitskolben 101 und 102 dar.For a more detailed functional description, only the interaction of cylinders 100 and 300 is explained, since the functionality in cylinders 200 and 400 takes place in parallel, offset by 180°, on crankshafts 500 and 600. Crankshafts 500 and 600 are connected via spur gears 501, 601 and 701 with a gear ratio of 1:1. Fig. 1 shows working cylinder 100 at bottom dead center of working pistons 101 and 102.

Die Zylinderbüchse 104 ist in der Mittelstellung, so daß Auslaß- und Spülkanal voll geöffnet sind. Der Kolben 301 im Gebläsezylinder 300 hat die über den Ansaugkanal 302 angesaugten Frischgase, mit einem über das Ventil 103 eingestellten Druck, durch den Spülkanal 108 in den Arbeitszylinder 100 gespült. Dadurch sind die Abgase vom vorhergehenden Arbeitstakt durch den Auslaßkanal 107 gepreßt worden. Das Ventil 103 wird magnetisch oder über Fliehkraft — Verstellungen so variiert, daß der Spüldruck in jedem Drehzahlbereich optimal eingestellt ist. Das Verstellsystem für das Ventil 103 muß bei der Entwicklung der Brennkraftmaschine festgelegt werden und ist nicht in der Fig. 1 dargestellt. The cylinder liner 104 is in the middle position so that the exhaust and scavenging channels are fully open. The piston 301 in the blower cylinder 300 has scavenged the fresh gases drawn in via the intake channel 302 through the scavenging channel 108 into the working cylinder 100 at a pressure set via the valve 103. As a result, the exhaust gases from the previous working cycle have been pressed through the exhaust channel 107. The valve 103 is varied magnetically or via centrifugal force adjustments so that the scavenging pressure is optimally set in every speed range. The adjustment system for the valve 103 must be determined during the development of the internal combustion engine and is not shown in Fig. 1.

Die Frischgase, die über das Ventil 103 entweichen, gelangen in den Gebläsezylinder 400 und werden zum Spülen des Arbeitszylinders 200 verwendet. The fresh gases escaping through the valve 103 enter the blower cylinder 400 and are used to flush the working cylinder 200.

Nachdem die Arbeitskolben 101 und 102 den unteren Totpunkt überschritten haben, bewegen sie sich wieder in Richtung oberer Totpunkt. Gleichzeitig verschiebt sich die Zylinderbüchse 104 gesteuert über den Excenter 106 in Richtung des Arbeitskolben 101 und entgegen dem Arbeitskolben 102.After the working pistons 101 and 102 have passed the bottom dead center, they move back towards the top dead center. At the same time, the cylinder liner 104 moves in the direction of the working piston 101 and against the working piston 102, controlled by the eccentric 106.

Der Excenter 106 kann konstruktiv festgelegt werden, oder wie in Schutzanspruch 2 beschrieben, über Fliehkraft- oder Hydraulikverstellungen dem jeweiligen Last- und Drehzahlbereich angepaßt werden, um eine optimale Spülung drehzahlabhängig zu erreichen. Je weiter sich die Zylinderbüchse 104 verschiebt, desto langer sind die Steuerzeiten der Spül- und Auslaßkanäle.The eccentric 106 can be structurally fixed or, as described in claim 2, adapted to the respective load and speed range via centrifugal or hydraulic adjustments in order to achieve optimum scavenging depending on the speed. The further the cylinder liner 104 is displaced, the longer the control times of the scavenging and exhaust channels are.

Die Arbeitskolben 101 und 102 bewegen sich weiter in Richtung oberer Totpunkt. Der Excenter 106 hat die Zylinderbüchse 104 soweit in Bewegungsrichtung des Arbeitskolben 101 verschoben, daß der Auslaßkanal 107 bereits geschlossen ist und der Spülkanal 108 noch offen bleibt. (Fig 4 und 5) Der Gebläsezylinder 300 erreicht über den entsprechenden Winkelversatz an der Kurbelwelle 500 jetzt den oberen Totpunkt und somit den höchsten Spüldruck, dadurch kann der Arbeitszylinder 100 mit Frischgasen geladen werden, ohne Verluste derselben über den Auslaßkanal 107 in Kauf nehmen zu müssen.The working pistons 101 and 102 continue to move towards top dead center. The eccentric 106 has moved the cylinder liner 104 so far in the direction of movement of the working piston 101 that the exhaust channel 107 is already closed and the scavenging channel 108 remains open. (Fig. 4 and 5) The blower cylinder 300 now reaches top dead center and thus the highest scavenging pressure via the corresponding angular offset on the crankshaft 500, which means that the working cylinder 100 can be charged with fresh gases without having to accept losses of the same via the exhaust channel 107.

90° nach dem unteren Totpunkt der Arbeitskolben 101 und 102 befindet sich die Zylinderbüchse 104 am Scheitelpunkt ihrer Verschiebung und wird über den Excenter 106 zurückgezogen. Die Arbeitskolben 101 und 102 bewegen sich weiter in Richtung oberer Totpunkt. Die Zylinderbüchse 104 bewegt sich nun entgegen der Bewegungsrichtung des Arbeitskolben 101. Dies hat zur Folge, daß sich der Spülkanal 108 schließt und die Arbeitskolben 101 und 102 die Frischgase im Zylinder 100 verdichten.90° after the bottom dead center of the working pistons 101 and 102, the cylinder liner 104 is at the apex of its displacement and is retracted via the eccentric 106. The working pistons 101 and 102 continue to move towards the top dead center. The cylinder liner 104 now moves in the opposite direction to the movement of the working piston 101. This results in the scavenging channel 108 closing and the working pistons 101 and 102 compressing the fresh gases in the cylinder 100.

Gleichzeitig wenn die Arbeitskolben 101 und 102 den oberen Totpunkt erreicht haben, befindet sich die Zylinderbüchse 104 in ihrer Mittelstellung, so daß über das Zündelement 105 die verdichteten Frischgase gezündet, oder Dieselkraftstoff eingeeingespritzt werden kann.At the same time when the working pistons 101 and 102 have reached the top dead center, the cylinder liner 104 is in its center position so that the compressed fresh gases can be ignited or diesel fuel can be injected via the ignition element 105.

Die Zündkerze oder Einspritzdüse 105 befindet sich in der Zylinderbüchse 104 und bewegt sich synchron mit dieser. Das Zündelement 105 und die Kanäle 107 und 108 werden mit Kolbenringen 120 an der Zylinderbüchse 104 gegen den Trägerzylinder 100 abgedichtet.The spark plug or injection nozzle 105 is located in the cylinder liner 104 and moves synchronously with it. The ignition element 105 and the channels 107 and 108 are sealed against the carrier cylinder 100 with piston rings 120 on the cylinder liner 104.

Durch die Verbrennung der Frischgase werden die Arbeitskolben 101 und 102 auseinander in Richtung unterer Totpunkt getrieben. Gleichzeitig bewegt sich die Zylinderbüchse 104 in Bewegungsrichtung der Arbeitskolben 101 und öffnet somit aufgrund der Kolbenstellung den Auslaßkanal 107 (Fig. 2 und 5). Durch die Verstellbarkeit der maximalen Verschiebung der Zylinderbüchse 104 im Schutzanspruch 2 beschrieben, kann der Zeitpunkt vom öffnen des Auslaßkanals 107 drehzahlabhängig gesteuert werden, um den Verbrennungsdruck im Arbeitszylinder 100 optimal im jeweiligen Drehzahlbereich auszunutzen. Nachdem der Auslaßkanal 107 geöffnet ist und der Verbrennungsdruck abgenommen hat, öffnet auch der Spülkanal 108. Der Spüldruck ist über das Ventil 103 gerade so hoch geregelt, um die Abgase ohne große Vermischung mit den Frischgasen aus den Arbeitszylinder 100 zu treiben.The combustion of the fresh gases drives the working pistons 101 and 102 apart in the direction of bottom dead center. At the same time, the cylinder liner 104 moves in the direction of movement of the working pistons 101 and thus opens the exhaust port 107 based on the piston position (Fig. 2 and 5). By adjusting the maximum displacement of the cylinder liner 104 described in claim 2, the time of opening the exhaust port 107 can be controlled depending on the speed in order to optimally utilize the combustion pressure in the working cylinder 100 in the respective speed range. After the exhaust port 107 is opened and the combustion pressure has decreased, the scavenging port 108 also opens. The scavenging pressure is regulated via the valve 103 at just enough to drive the exhaust gases out of the working cylinder 100 without mixing too much with the fresh gases.

Wenn die Arbeitskolben 101 und 102 den unteren Totpunkt erreicht haben, hat gleichzeitig die Zylinderbüchse 104 ihre Mittelstellung erreicht, so daß sich der Vorgang wiederholt.When the working pistons 101 and 102 have reached the bottom dead center, the cylinder liner 104 has simultaneously reached its center position, so that the process is repeated.

Claims (3)

-A &tgr;- Schutzansprüche-A &tgr;- Protection claims 1. Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei parallel liegenden Zweitakt-Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppen und dazwischen zwei Spülgebläse in Form einer Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe, welche synchron zu den Arbeitszylindern angetrieben werden. Die Vorverdichterkolben ($01/401) der Gebläsebaugruppe weisen einen Kurbelwellenwinkelabstand von 180° auf. Die Kolben (101/102) im Arbeitszylinder (100) sind ebenfalls 180° versetzt zu den Kolben (201/202) im Arbeitszylinder (200).1. Opposed piston internal combustion engine with at least two parallel two-stroke working cylinder-piston assemblies and between them two scavenging blowers in the form of a cylinder-piston-blower assembly, which are driven synchronously with the working cylinders. The pre-compressor pistons ($01/401) of the blower assembly have a crankshaft angular distance of 180°. The pistons (101/102) in the working cylinder (100) are also offset by 180° to the pistons (201/202) in the working cylinder (200). dadurch gekennzeichnet,characterized, daß die Arbeitszylinderbaugruppen (100/200) eine Zylinderbüchse (104/204) aufweisen, welche sich über einen Excenter mit Zwangsführung (106/206) die sich direkt auf den Kurbelwellen (500/600) befinden, in Richtung der Arbeitskolbenbewegung verschieben lassen und somit die Steuerzeiten der Spülkanäle und Auslaßkanäle verändert.that the working cylinder assemblies (100/200) have a cylinder liner (104/204) which can be moved in the direction of the working piston movement via an eccentric with positive guide (106/206) located directly on the crankshafts (500/600), thus changing the control times of the scavenging channels and exhaust channels. 2. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Schutzanspruch 12. Opposed piston internal combustion engine according to claim 1 dadurch gekennzeichnet,characterized, daß die Excenter (106/206) wie beschrieben im Schutzanspruch 1 sich und somit der Grad der Verschiebung der Zylinderbüchsen (104/204), über Fliehkraft- oder Hydraulikverstellungen, dem jeweiligem Last- und Drehzahlbereich anpassen lassen.that the eccentrics (106/206) as described in claim 1 and thus the degree of displacement of the cylinder liners (104/204) can be adjusted to the respective load and speed range via centrifugal force or hydraulic adjustments. 3. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Schutzanspruch 1 und3. Opposed piston internal combustion engine according to claim 1 and dadurch gekennzeichnet,characterized, daß die Zylinder der Gebläsebaugruppen über zwei gesteuerte Ventile (103/203) verbunden sind und sich so der Spüldruck im Jeweiligen Last- und Drehzahlbereich optimieren läßt.that the cylinders of the blower assemblies are connected via two controlled valves (103/203) and thus the flushing pressure can be optimized in the respective load and speed range.
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