EP0587598B1 - Zweitaktmotor - Google Patents

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EP0587598B1
EP0587598B1 EP92910280A EP92910280A EP0587598B1 EP 0587598 B1 EP0587598 B1 EP 0587598B1 EP 92910280 A EP92910280 A EP 92910280A EP 92910280 A EP92910280 A EP 92910280A EP 0587598 B1 EP0587598 B1 EP 0587598B1
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EP
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cylinder
piston
outlet
spark plug
chamber
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EP0587598A1 (de
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Peter Wahl
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F02B25/04—Engines having ports both in cylinder head and in cylinder wall near bottom of piston stroke
    • F02B25/06—Engines having ports both in cylinder head and in cylinder wall near bottom of piston stroke the cylinder-head ports being controlled by working pistons, e.g. by sleeve-shaped extensions thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/34—Ultra-small engines, e.g. for driving models
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B9/00—Engines characterised by other types of ignition
    • F02B9/06—Engines characterised by other types of ignition with non-timed positive ignition, e.g. with hot-spots
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two

Definitions

  • the invention relates to a two-stroke engine with a piston movable in a cylinder and a cylinder head mounted thereon and channels arranged in the cylinder, which can be released through the upper edge of the piston, the piston being connected to a crankshaft via a connecting rod, an outlet in the cylinder head and a candle chamber, into which a spark or glow plug or an injection nozzle extends, is arranged, the candle communicates with the cylinder chamber and a slide fastened to the piston in its direction of movement, depending on its position, temporarily closes the outlet.
  • two-stroke engine refers to internal combustion engines in which the periodically repeating work cycle, in contrast to four-stroke engines, is squeezed into two cycles, so that each revolution of the crankshaft corresponds to one work cycle.
  • the gas exchange is controlled by channels in the cylinder wall, which each serve the inlet or the outlet and which are opened or closed by the upper, sometimes also the lower piston edge. They are used both as diesel engines, in which air is sucked in via the channels and then fuel is injected into the highly compressed air and therefore ignites, as well as in gasoline engines, which are known to have a fuel / air mixture suck in and the combustion process is initiated via the spark plug.
  • the method of operation is as follows: During the first cycle, shortly before the top dead center of the piston is reached, the intake air (in the case of a gasoline engine) or the fuel / air mixture generated in the combustion chamber by injection (in the case of a diesel engine) is ignited. The piston then performs a downward movement (working stroke) and releases the exhaust duct after a certain distance, so that the burned gases can reach the exhaust and can escape into the open. At about the same time, the inlet is released and the air or the fuel / air mixture is sucked in - often from the crankcase -, flows into the cylinder space and at the same time flushes it out of exhaust gases.
  • the intake air in the case of a gasoline engine
  • the fuel / air mixture generated in the combustion chamber by injection in the case of a diesel engine
  • the piston performs an upward movement, so that after covering the outlet channel, the mixture undergoes compression and then ignites again.
  • the upward movement of the piston creates a negative pressure in the crankcase, which serves as a reservoir for the (fuel) air mixture to be drawn in, which serves for suction from the outside.
  • the known disadvantages of two-stroke engines include the high fuel consumption and the unfavorable use of energy, which is due to the fact that a part of the fresh gases supplied is used to flush out the cylinder space from the combustion gases, which consequently reach the exhaust in part and in an unburned state.
  • the spark plug in the gasoline engine
  • the gasoline injection in the case of the diesel engine
  • a flame front is generated that runs towards the piston, which produces its working movement (working stroke) and at maximum pressure and opens the outlet duct after a certain working stroke, so that the gases currently burning there escape explosively and at high pressure.
  • the result is a high level of noise that can only be reduced and reduced with the help of complex and correspondingly expensive exhaust systems.
  • a two-stroke engine of the generic type is known from DE-OS 29 01 833, in which a stepped piston connected to a crankshaft via a connecting rod is used to control the inlet and outlet channels.
  • the lower part of the piston which is provided with larger radial dimensions, allows fresh mixture at bottom dead center through a channel arranged in the cylinder head, while the upper, tapered part of the stepped piston releases the outlet which runs axially to the cylinder.
  • both the inlet and the outlet are closed, so that the compressed mixture can be ignited by a spark plug which is arranged in a candle chamber connected to the cylinder chamber.
  • a two-stroke engine of the generic type in which the spark plugs are mounted in an opening radially away from the cylinder space and in which the outlet is arranged on the cylinder axis.
  • the disadvantage of this two-stroke engine also lies in the large overall height and the problem of flushing the candle space free of burned gases.
  • the invention has set itself the task of creating a two-stroke engine with significantly reduced dimensions and a fluidically more favorable design of the candle chamber.
  • the two-stroke engine according to the invention differs from those known from the prior art in several decisive ways: Since the outlet runs in the radial direction to the cylinder axis, the overall height is significantly reduced. Another advantage is that the outlet is continuously opened when the slide moves downward, so that an exact dimensioning the time of exhaust, as is necessary in the known two-stroke engines, can be omitted. In addition, a variation in the timing of the outlet is facilitated by changing the diameter of the bore of the outlet or its positioning or by modifying the length of the slide. Since the candle chamber, as part of the combustion chamber, creates the connection to the outlet, the flow-physical conditions are significantly improved. When the burned gas is flushed out, there are no undesired burned gases which impair the efficiency and remain in the candle chamber.
  • the direction in which the candle is arranged relative to the cylinder space is basically free within the scope of the invention.
  • One of the possible implementations is that the candle that plunges into the candle chamber that is to be included in the burner chamber points in the radial direction.
  • the slide has the task of temporarily closing the outlet.
  • the form to be chosen for this is basically arbitrary. It can be a solid bar, a plate or, preferably, a tube. In the latter case, the low weight must be emphasized, which allows the realization of higher speeds.
  • the piston (1) is arranged in a conventional manner in a cylinder (2) designed as a sleeve.
  • a slide (3) is rigidly attached, the outer end of which, depending on the respective position of the piston (1), is guided in a more or less large area of the cylinder head (4). The latter closes the combustion chamber at the end remote from the piston.
  • the design of the cylinder head (4) is decisive for the invention, which on the one hand has an outlet (5) pointing outwards in the radial direction, and also a candle (6) which is also inserted in the radial direction into the cylinder head (4) in the example shown. . Not recognizable in the drawing, but for the function it is still crucial that the candle (6) dips inside the cylinder head (4) into a candle chamber which, due to its connection to the cylinder chamber, belongs to the combustion chamber.
  • the slide (3) separates it from the outlet (5) and opens it when the piston (1) moves downwards, so that the burned gases can escape to the outside via the outlet (5).
  • the parts that are still shown are familiar from the known two-stroke engines.
  • the piston ring is located on the outside of the piston (1) (7) and inside the connecting rod (9) is pivotally attached via the piston pin (8), which passes through the cylinder (2), which is located inside a cylinder housing (10) and with its other end on the crank pin (11) Crankshaft (12) is attached.
  • the latter is located in the crankcase (13), which is closed on the left side via a housing cover (14) and on the right side - all by interposing seals - via the carburetor holder (15).
  • the crankshaft (12) is guided in bearings (16) and closed at the outer end, ie at the end, via disks (17).
  • the fuel / air mixture produced by the carburetor passes through the opening (18 ') into the interior of the crankcase (13), from where it is via the inlet channels (18) located in the cylinder (2), provided that the Piston (1) is located with its upper edge below this channel, into the cylinder space formed from the cylinder (2), piston (1) and cylinder head (4) and into the candle space (not shown here).
  • the inlet channels (18) are closed when the piston (1) moves upward, the fuel / air mixture in the cylinder chamber is compressed and is ignited in the area of top dead center via the candle (6). The result is a flame front which extends from the candle chamber to the piston (1) and which causes the piston (1) to move downwards due to the resulting excess pressure.
  • the slide (3) releases the outlet (5) so that the burned gases can escape to the outside.
  • the inlet ducts (18) are opened, the cylinder / air chamber is again charged with the fuel / air mixture from the side opposite the outlet.
  • the result is a two-stroke gasoline engine that is characterized by particularly smooth running and full use of the fuel.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor mit einem in einem Zylinder beweglichen Kolben und einem darauf angebrachten Zylinderkopf und im Zylinder angeordneten Kanälen, die durch die Oberkante des Kolbens freigebbar sind, wobei der Kolben über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle in Verbindung steht, im Zylinderkopf ein Auslaß sowie ein Kerzenraum, in den eine Zünd- oder Glühkerze oder eine Einspritzdüse hineinreicht, angeordnet ist, der Kerzen- mit dem Zylinderraum in Verbindung steht und ein am Kolben in dessen Bewegungsrichtung befestigter Schieber in Abhängigkeit von seiner Stellung den Auslaß zeitweise verschließt.
  • Mit dem Begriff "Zweitaktmotor" werden Verbrennungsmotore bezeichnet, bei denen das sich periodisch wiederholende Arbeitsspiel im Gegensatz zu Viertaktmotoren auf zwei Takte zusammengedrängt ist, so daß jeder Umdrehung der Kurbelwelle ein Arbeitstakt entspricht. Die Steuerung des Gaswechsels erfolgt durch Kanäle in der Zylinderwand, die jeweils dem Einlaß oder dem Auslaß dienen und die durch die obere, mitunter auch untere Kolbenkante geöffnet oder geschlossen werden. Sie finden Verwendung sowohl als Dieselmotoren, bei denen über die Kanäle Luft angesaugt und anschließend Kraftstoff in die hochverdichtete Luft eingespritzt wird und sich deshalb entzündet als auch bei Ottomotoren, die bekanntlich ein Kraftstoff/Luft-gemisch ansaugen und der Verbrennungsvorgang über die Zündkerze eingeleitet wird. Die Arbeitsweise ist wie folgt: Während des ersten Taktes erfolgt kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens das Zünden des angesaugten (im Falle des Ottomotors) oder des im Verbrennungsraum durch Einspritzen (beim Dieselmotor) erzeugten Kraftstoff/Luft -Gemisches. Der Kolben führt daraufhin eine Abwärtsbewegung durch (Arbeitshub) und gibt nach einer gewissen Wegstrecke den Auslaßkanal frei, so daß die verbrannten Gase zum Auspuff gelangen und ins Freie übertreten können. Etwa gleichzeitig wird der Einlaß freigegeben und die Luft oder das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird - häufig vom Kurbelgehäuse her - angesaugt, strömt in den Zylinderraum ein und spült diesen gleichzeitig von Abgasen frei. Im zweiten Takt vollführt der Kolben eine Aufwärtsbewegung, so daß nach Abdeckung des Auslaßkanales das Gemisch eine Verdichtung erfährt und anschließend wieder zündet. Gleichzeitig entsteht bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens in dem als Reservoir für das anzusaugende (Kraftstoff-)-Luft-Gemisch dienende Kurbelgehäuse ein Unterdruck, der dem Ansaugen von außen dient.
    Zu den bekannten Nachteilen von Zweitaktmotoren gehören der hohe Kraftstoffverbrauch und die ungünstige Energieausnutzung, die dadurch bedingt ist, daß zum Ausspülen des Zylinderraumes von den Verbrennungsgasen ein Teil der zugeführten Frischgase verwendet wird, die folglich zum Teil und in unverbranntem Zustand zum Auspuff gelangen. Aufgrund der Tatsache, daß sich die Ein- und Auslaßkanäle in der Zylinderwandung etwa auf gleicher Höhe befinden, hingegen die Zündkerze (beim Ottomotor) oder die Benzineinspritzung (im Falle des Dieselmotors) im dem dem Kolben gegenüber liegenden Teil des Zylinderraumes befindlich sind, wird eine Flammfront erzeugt, die auf den Kolben zu läuft, dessen Arbeitsbewegung erzeugt (Arbeitshub) und bei maximalem Druck und nach einem gewissen Arbeitshub den Auslaßkanal öffnet, so daß explosionsartig und mit hohem Druck die gerade dort momentan verbrennenden Gase austreten. Die Folge ist eine hohe Lärmentwicklung, die sich nur mit Hilfe aufwendiger und entsprechend kostspieliger Auspuffanlagen vermindern und reduzieren lassen.
  • Aus der DE-OS 29 01 833 ist ein Zweitaktmotor gattungsgemäßer Art bekannt, bei dem ein über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbundender Stufenkolben der Steuerung der Ein- und Auslaßkanäle dient. Der untere, mit größeren radialen Abmessungen versehene Teil des Kolbens läßt im unteren Totpunkt frisches Gemisch durch einen im Zylinderkopf angeordneten Kanal ein, während der obere, verjüngte Teil des Stufenkolbens den axial zum Zylinder verlaufenden Auslaß freigibt. Im oberen Totpunkt sind sowohl der Einlaß als auch der Auslaß verschlossen, so daß das komprimierte Gemisch durch eine Zündkerze, die in einem mit dem Zylinderraum verbundenen Kerzenraum angeordnet ist, gezündet werden kann.
  • Als nachteilig ist anzusehen, daß die Zündkerze radial und axial vom Zylinderraum getrennt ist, so daß ein beim Ausstoßtakt nur schwer von verbrannten Gasen freispülbarer Hohlraum entsteht. Weiterhin bedingt die axiale Anordnung des Auslasses relativ hohe vertikale Abmessungen des Motors und erfordert eine präzise Dimensionierung des Auslaßzeitpunktes.
  • Auch aus der FR-A-25 90 936 ist ein Zweitaktmotor gattungsgemäßer Art bekannt, bei dem die Zündkerzen in einer radial vom Zylinderraum entfernten Öffnung montiert sind und bei dem der Auslaß auf der Zylinderachse angeordnet ist. Der Nachteil dieses Zweitaktmotors besteht ebenfalls in der großen Bauhöhe und in der Problematik, den Kerzenraum von verbrannten Gasen freizuspülen.
  • Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaffung eines Zweitaktmotors mit wesentlich reduzierten Abmessungen und einer strömungstechnisch günstigeren Gestaltung des Kerzenraums zur Aufgabe gemacht.
  • Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Auslaß in radialer Richtung zur Zylinderachse verläuft und daß der Kerzenraum als Teil des Brennraumes die Verbindung zum Auslaß herstellt.
  • Der erfindungsgemäße Zweitaktmotor unterscheidet sich von den aus dem Stande der Technik bekannten durch mehrere Merkmale in entscheidender Weise: Da der Auslaß in radialer Richtung zur Zylinderachse verläuft, ist die Bauhöhe entscheidend reduziert. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß der Auslaß bei einer Abwärtsbewegung des Schiebers kontinuierlich geöffnet wird, so daß eine exakte Dimensionierung des Auslaßzeitpunktes, wie sie bei den bekannten Zweitaktmotoren notwendig ist, entfallen kann. Außerdem ist eine Variation der Steuerzeiten des Auslasses durch ein Änderung des Durchmessers der Bohrung des Auslasses oder ihrer Positionierung bzw. eine Modifikation der Länge des Schiebers erleichtert. Da der Kerzenraum als Teil des Brennraums die Verbindung zum Auslaß herstellt, sind die strömungsphysikalischen Verhältnisse entscheidend verbessert. Beim Ausspülen des verbrannten Gases verbleiben keine unerwünschten, den Wirkungsgrad verschlechternden, verbrannten Gase im Kerzenraum.
  • In der baulichen Gestaltung steht im Rahmen der Erfindung grundsätzlich frei, in welcher Richtung die Kerze relativ zum Zylinderraum angeordnet ist. Eine der Realisierungsmöglichkeiten besteht darin, daß die in den zum Brennerraum zuzurechnenden Kerzenraum eintauchende Kerze in radiale Richtung weist.
  • Der Schieber nat in funktioneller Hinsicht die Aufgabe, den Auslaß zeitweilig zu verschließen. Die dafür zu wählende Form ist grundsätzlich beliebig. Es kann sich um eine Vollstange, eine Platte oder, was bevorzugt ist, um ein Rohr handeln. Im letzteren Fall ist das geringe Eigengewicht hervorzuheben, welches die Realisierung höherer Drehzahlen erlaubt.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird. In einer Explosionsdarstellung ist ein Zweitaktmotor gemäß der Erfindung dargestellt.
  • Der Kolben (1) ist in an sich üblicher Weise in einem als Buchse ausgebildeten Zylinder (2) verschieblich angeordnet. Am Kolben (1) ist in axiale Richtung weisend ein Schieber (3) starr befestigt, dessen äußeres Ende in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Kolbens (1) in einem mehr oder minder großen Bereich des Zylinderkopfes (4) geführt wird. Letzterer verschließt den Brennraum am kolbenfernen Ende.
  • Für die Erfindung ist die Gestaltung des Zylinderkopfes (4) entscheidend, die einerseits einen in radiale Richtung nach außen weisenden Auslaß (5) aufweist, sowie des weiteren eine im gezeigten Beispiel ebenfalls in radiale Richtung in den Zylinderkopf (4) eingebrachte Kerze (6). In der Zeichnung nicht zu erkennen, für die Funktion jedoch nach wie vor entscheidend ist, daß die Kerze (6) im Inneren des Zylinderkopfes (4) in einen Kerzenraum eintaucht, der aufgrund seiner Verbindung zum Zylinderraum dem Brennraum zugehört. Über den Schieber (3) wird dieser vom Auslaß (5) getrennt und bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens (1) geöffnet, so daß die verbrannten Gase über den Auslaß (5) ins Freie gelangen können.
    Die weiterhin gezeigten Teile sind von den bekannten Zweitaktmotoren her geläufig. Auf der Außenseite des Kolbens (1) befindet sich der Kolbenring (7) und im Inneren ist über den Kolbenbolzen (8) das Pleuel (9) schwenkbar befestigt, das den Zylinder (2) durchgreift, der sich im Inneren eines Zylindergehäuses (10) befindet und mit seinem anderen Ende am Kurbelzapfen (11) der Kurbelwelle (12) befestigt ist. Letzteres befindet sich im Kurbelgehäuse (13), welches auf der linken Seite über einen Gehäusedeckel (14) und auf der rechten Seite - sämtliche durch Zwischenschalten von Dichtungen - über die Vergaseraufnahme (15) verschlossen ist. Die Kurbelwelle (12) wird in Lagern (16) geführt und am äußeren Ende, d.h.stirnseitig, über Scheiben (17) verschlossen. Auf der Vergaseraufnahme (15) befindet sich eine die Verbindung zu dem hier nicht gezeigten Vergaser herstellende Öffnung (18'). Aufgrund der Existenz der der Aufnahme des Vergasers dienenden Öffnung (18') ist zu schließen, daß das gezeigte Ausführungsbeispiel einen Zweitakt-Ottomotor darstellt.
  • Die Funktion ist wie folgt:
  • Das durch den hier nicht gezeigten Vergaser hergestellte Kraftstoff/Luft-Gemisch gelangt über die Öffnung (18') ins Innere des Kurbelgehäuses (13), von wo es über im Zylinder (2) befindliche Einlaßkanäle (18) unter der Voraussetzung, daß sich der Kolben (1) mit seiner Oberkante unterhalb dieses Kanales befindet, in den aus Zylinder (2), Kolben (1) und Zylinderkopf (4) gebildeten Zylinderraum und in den hier nicht wiedergegebenen Kerzenraum gelangt.
  • In an sich üblicher Weise werden die Einlaßkanäle (18) bei Aufwärtsbewegen des Kolbens (1) verschlossen, das im Zylinderraum befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch erfährt eine Kompression und wird etwa im Bereich des oberen Totpunktes über die Kerze (6) gezündet. Es entsteht eine vom Kerzenraum ausgehende auf den Kolben (1) zu verlaufende Flammfront, durch die aufgrund des entstehenden Überdruckes eine Abwärtsbewegung des Kolbens (1) erzeugt wird. Der Schieber (3) gibt den Auslaß (5) frei, so daß die verbrannten Gase nach außen gelangen können. Mit Freigabe der Einlaßkanäle (18) wird der Zylinderraum erneut, und zwar von der dem Auslaß entgegengesetzt liegenden Seite her mit dem Kraftstoff/Luft-Gemisch beaufschlagt.
  • Im Ergebnis erhält man einen Zweitakt-Ottomotor, der sich durch besonders hohe Laufruhe und durch vollständige Ausnutzung des Treibstoffes auszeichnet.

Claims (3)

  1. Zweitaktmotor mit einem in einem Zylinder beweglichen Kolben und einem darauf angebrachten Zylinderkopf und im Zylinder angeordneten Kanälen, die durch die Oberkante des Kolbens freigebbar sind, wobei der Kolben über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle in Verbindung steht, im Zylinderkopf (4) ein Auslaß (5) sowie ein Kerzenraum, in den eine Zünd- oder Glühkerze (6) oder eine Einspritzdüse hineinreicht, angeordnet ist, der Kerzen- mit dem Zylinderraum in Verbindung steht und ein am Kolben (1) in dessen Bewegungsrichtung befestigter Schieber (3) in Abhängigkeit von seiner Stellung den Auslaß (5) zeitweise verschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (5) in radialer Richtung zur Zylinderachse verläuft und daß der Kerzenraum als Teil des Brennraumes die Verbindung zum Auslaß herstellt.
  2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerze (6) oder die Einspritzdüse in radialer Richtung zur Zylinderachse verläuft.
  3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (3) ein hohles Rohr ist.
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EP0587598A1 EP0587598A1 (de) 1994-03-23
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AT (1) ATE143461T1 (de)
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ES (1) ES2095471T3 (de)
WO (1) WO1992021868A1 (de)

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ATE143461T1 (de) 1996-10-15
DE59207264D1 (de) 1996-10-31
DE4117893A1 (de) 1992-12-03
WO1992021868A1 (de) 1992-12-10
ES2095471T3 (es) 1997-02-16

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