WO2003067049A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

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    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
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    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine and in particular to an internal combustion engine operating according to the two-stroke principle.
  • Two-stroke combustion or gasoline engines are known in different designs and can be manufactured in a small size with high engine power and avoiding complex valve control, but are found in particular for reasons of environmental protection, i.e. due to the necessity to add lubricating oil to the fuel (petrol), only limited use.
  • the object of the invention is to demonstrate an internal combustion engine which operates according to the two-stroke principle, which avoids this disadvantage and has a long service life.
  • an internal combustion engine is designed according to claim 1.
  • the compressor piston is an annular piston which is provided in an annular compressor cylinder which is arranged concentrically with the working cylinder and which can be moved from a starting position against the action of reset to compress and to feed the air / fuel mixture into the working chamber of the working cylinder, and although preferably via control cams provided on the crankshaft or motor shaft, which interact with a control surface of the annular piston.
  • the compressor piston Since in the engine according to the invention it is not the crankcase that is used to compress the fresh air-fuel mixture, but rather the compressor piston, one is It is not necessary to add lubricating oil to the fuel.
  • the lubrication of the bearings of the engine shaft including the connecting rod bearings etc. can be done with engine oil, as with a four-stroke engine.
  • the compressor piston and the associated cylinder can be designed with little wear, so that the engine has a long service life.
  • FIGS. 1 and 2 show the cylinder of the internal combustion engine in a simplified representation and in section and in two different operating states.
  • 1 generally designates a cylinder arrangement of an internal combustion engine designed as a two-stroke engine.
  • the cylinder arrangement 1 comprises a working cylinder 2, in which a piston 3 is axially displaceable.
  • the cylinder 2 is closed at its upper end by the cylinder cover 4, which is indicated schematically in the figures, so that between the cylinder cover 4 and the piston 3, a volume-adjustable working or combustion chamber 5 is formed.
  • the piston 3 interacts in a conventional manner via a connecting rod 6 with the engine or crankshaft 7, which is rotatably mounted in the engine housing (not shown).
  • the cylinder 2 is enclosed by a further, annular compressor cylinder 8, in which an annular compressor piston 9 is axially displaceable, namely against the action of a spring 10 from a lowered lower stroke position upwards.
  • the cylinder 8 forms a cylinder or compressor chamber 11 which can be changed in volume and which is connected via channels 12 to inlets 13 on the cylinder 1 which (inlets) for supplying the air / fuel mixture into the working chamber 5 serve.
  • Outlet is also in the figures Outlet indicated, which serves to discharge the combustion gases and which is connected to the exhaust, not shown, of the engine.
  • the piston 3 controls the inlet 13 and the outlet (s) 14 in the manner customary in two-stroke engines.
  • annular piston 9 For a controlled movement of the annular piston 9, two cam disks 15 are provided on the crankshaft 7 on both sides of the connecting rod 6, which move the annular piston 9 upward against the action of the return spring 10 when the crankshaft 7 rotates and then release it again, so that the piston 9 synchronously with the movement of the piston 3, but opposite to this movement of the piston 3, carries out the lifting movement described in more detail below.
  • the annular piston 9 In Figure 1, the annular piston 9 is in its lowest starting position and in Figure 2 in a position between the lower starting position and an upper stroke position.
  • connection 16 opens out, via which the air / fuel mixture is sucked in or supplied, specifically via a check valve 1 7.
  • the piston 9 serves as described in more detail below Way to control the supply line 16, but in particular as a compressor piston for supplying the air-fuel mixture via the channels 12 and inlets 13 in the cylinder 2 and for rinsing this cylinder.
  • the piston 3 moves upward in accordance with the arrow A there before igniting the compressed air / fuel mixture in the working space 5.
  • the annular piston 9 moves in a controlled manner by the control cams 15 from a raised position closing the connection 16 downwards, so that fresh air-fuel mixture is sucked in by the subsequent increase in the volume of the cylinder space 1 1 via the connection 16 and the check valve 1.
  • the inlets 13 and outlets 14 are already closed by the piston 3, the annular piston is in its lowest position. At the top dead center of the piston 3 or shortly before then, the air-gas mixture compressed in the working space 5 is ignited in the usual way.
  • the piston 3 moves downward after the ignition of the air-fuel mixture in the working space 5 in accordance with the arrow B in FIG. 2 in the sense of increasing the distance between the piston 3 and the cylinder cover 4.
  • the annular piston becomes 9 moves in the opposite direction upward (arrow A ') of Figure 2, whereby after opening the inlets 13, the fresh air-fuel mixture enter the working space 5 under pressure and thereby also the combustion gas present in this working space 5 via the outlet 14 can displace.
  • the inlets 13 and outlets 14 are closed again by this piston 3 and the air / fuel mixture is then compressed in the working space 5.
  • the annular piston 9 is moved downward again in accordance with the arrow B 'in FIG. 1, so as to open the feed 16 and fresh air / fuel mixture again via the feed 16 into the volume-increasing cylinder space 11 to suck.
  • the advantages of the two-stroke engine described include that, deviating from the usual design of supplying the fresh air-fuel mixture, it does not take place via an overflow channel connected to a closed crankcase, that is, the internal combustion engine uses the usual fuel (for example gasoline).
  • the usual fuel for example gasoline
  • Surfaces of the control knobs 15, etc. in the form customary in four-stroke engines can be done by engine oil.
  • the ring piston 9, which acts as a compression piston also provides a particularly effective feeding of the fresh air / fuel mixture into the working space 5 and optimal flushing of this working space.
  • elastic elements such as, for example, rubber membranes for introducing the fresh air / fuel mixture into the working space 5, are avoided, which (membranes) are subject to increased wear.
  • annular piston 9 and / or its control in such a way that after the outlet 14 has been closed via the annular piston 9, the air-fuel mixture is compressed or the engine is charged before the piston 3 moves into the has moved the upper stroke position.
  • This can be achieved, for example, by the outlet 14 being controlled by a control edge of the annular piston, specifically with the appropriate configuration and arrangement of the annular piston and with the appropriate configuration of the control cams 15.
  • Cylinder arrangement of a two-stroke engine working cylinder, working piston, cylinder cover, working or combustion chamber, connecting rod, crankshaft, compression cylinder, ring piston or compressor piston, return spring, cylinder chamber or compressor chamber, channel inlet, outlet, control cam, connection, check valve

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Zylinderanordnung (1) mit einem Arbeitszylinder (2) und mit einem in dem Arbeitszylinder (2) axial verschiebbaren Kolben (3), dessen Hubbewegung in eine Drehbewegung einer Motorwelle (7) umgesetzt wird, mit wenigstens einem gesteuerten Einlass (13) zum Einbringen von frischen Luft-Treibstoff-Gemisch in dem Arbeitsraum (5) sowie mit wenigstens einem gesteuerten Auslass (14) zum Abführen der Verbrennungsgase, wobei der wenigstens eine Einlass (13) von wenigstens einer Öffnung zumindest eines Überströmkanals (12) gebildet ist, der mit einem das Luft-Gas-Gemisch verdichtenden Raum (11) in Verbindung steht.

Description

Verbrennungsmotor
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor und dabei speziell auf einen nach dem Zweitakt-Prinzip arbeitenden Verbrennungsmotor gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Zweitakt-Verbrennungs- oder Otto-Motoren sind in unterschiedliche Ausführungen bekannt und können bei kleiner Baugröße mit hoher Motorleistung und unter Vermeidung einer aufwendigen Ventilsteuerung hergestellt werden, finden aber insbesondere aus Gründen des Umweltschutzes, d.h. wegen der Notwendigkeit Schmieröl dem Treibstoff (Benzin) beizumischen, nur noch in beschränktem Maße Verwendung.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen nach dem Zweitaktprinzip arbeitenden Verbrennungsmotor aufzuzeigen, der diesen Nachteil vermeidet und eine hohe Lebensdauer aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verbrennungsmotor entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verdichterkolben ein Ringkolben, der in einem konzentrisch zum Arbeitszylinder angeordneten ringförmigen Verdichterzylinder vorgesehen und zum Verdichten und zum Zuführen des Luft-Treibstoffgemisches in den Arbeitsraum des Arbeitszylinders gegen die Wirkung von Rückstell mittein aus einer Ausgangsstellung bewegbar ist, und zwar bevorzugt über an der Kurbel- oder Motorwelle vorgesehene Steuernocken, die mit einer Steuerfläche des Ringkolbens zusammenwirken.
Da bei dem erfindungsgemäßen Motor nicht das Kurbelgehäuse zum Verdichten des frischen Luft-Treibstoff-Gemisches dient, sondern der Verdichterkolben, ist eine Beimischung von Schmieröl zum Kraftstoff nicht erforderlich. Die Schmierung der Lager der Motorwelle einschließlich der Pleullager usw. kann wie bei einem Viertaktmotor durch Motoröl erfolgen. Der Verdichterkolben und der zugehörige Zylinder können verschleißarm ausgeführt werden, so daß sich eine hohe Lebensdauer für den Motor ergibt.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 und 2, die den Zylinder des Verbrennungsmotors in vereinfachter Darstellung und im Schnitt sowie in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen zeigen, näher erläutert.
In den Figuren ist mit 1 allgemein eine Zylinderanordnung eines als Zweitaktmotor ausgebildeten Verbrennungsmotors bezeichnet. Die Zylinderanordnung 1 umfaßt einen Arbeitszylinder 2, in dem ein Kolben 3 axial verschiebbar vorgesehen ist. Der Zylinder 2 ist an seinem oberen Ende durch den in den Figuren schematisch angedeuteten Zylinderdeckel 4 verschlossen, so daß sich zwischen dem Zylinderdeckel 4 und dem Kolben 3 ein im Volumen veränderbarer Arbeits- bzw. Verbrennungsraum 5 gebildet ist. Der Kolben 3 wirkt in üblicher weise über eine Pleuelstange 6 mit der in dem nicht dargestellten Motorgehäuse drehbar gelagerten Motor- bzw. Kurbelwelle 7 zusammen.
Der Zylinder 2 ist von einem weiteren, ringförmigen Verdichterzylinder 8 umschlossen, in welchem ein ringförmiger Verdichterkolben 9 axial verschiebbar ist, und zwar gegen die Wirkung einer Feder 10 aus einer abgesenkten unteren Hubstellung nach oben. Oberhalb des Kolbens 9 bildet der Zylinder 8 einen in seinem Volumen veränderbaren Zylinder- oder Verdichterraum 1 1 , der über Kanäle 12 mit Einlassen 13 am Zylinder 1 in Verbindung steht, die (Einlasse) zum Zuführen des Luft- Treibstoff-Gemisches in den Arbeitsraum 5 dienen. Mit 14 ist in den Figuren auch ein Auslaß angedeutet, der zum Abführen der Verbrennungsgase dient und der mit dem nicht dargestellten Auspuff des Motors verbunden ist. Der Kolben 3 steuert in der bei Zweitaktmotoren üblichen Weise den Einlaß 13 und den bzw. die Auslässe 14.
Für eine gesteuerte Bewegung des Ringkolbens 9 sind auf der Kurbelwelle 7 beidseitig von der Pleuelstange 6 zwei Nockenscheiben 15 vorgesehen, die beim Umlaufen der Kurbelwelle 7 den Ringkolben 9 gegen die Wirkung der Rückstellfeder 10 nach oben bewegen und anschließend wieder freigeben, so daß der Kolben 9 synchron mit der Bewegung des Kolbens 3, aber entgegengesetzt zu dieser Bewegung des Kolbens 3 die nachstehend noch näher beschriebene Hubbewegung ausführt. In der Figur 1 befindet sich der Ringkolben 9 in seiner untersten Ausgangsstellung und in der Figur 2 in einer Stellung zwischen der unteren Ausgangsstellung und einer oberen Hubstellung.
In den oberhalb des Ringkolbens 9 im Zylinder 8 gebildeten Zylinderraum 1 1 mündet ein Anschluß 16, über den das Luft-Treibstoff-Gemisch angesaugt bzw. zugeführt wird, und zwar über ein Rückschlagventil 1 7. Der Kolben 9 dient in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise zur Steuerung der Zuleitung 16, insbesondere aber als Verdichterkolben zum Zuführen des Luft-Treibstoff-Gemisches über die Kanäle 12 und Einlasse 13 in den Zylinder 2 sowie zum Spülen dieses Zylinders.
Die Arbeitsweise des Verbrennungsmotors bzw. der in den Figuren dargestellten Zylinderanordnung läßt sich, wie folgt, beschreiben:
In der Figur 1 bewegt sich der Kolben 3 entsprechend dem dortigen Pfeil A vor dem Zünden des in dem Arbeitsraum 5 komprimierten Luft-Treibstoff-Gemisches nach oben. Sobald die Einlasse 13 und Auslässe 14 durch den sich nach oben bewegenden Kolben 3 verschlossen sind, bewegt sich der Ringkolben 9 gesteuert durch die Steuernocken 15 aus einer angehobenen, den Anschluß 16 verschließenden Stellung nach unten, so daß durch die dabei folgende Vergrößerung des Volumens des Zylinderraumes 1 1 über den Anschluß 16 und das Rückschlagventil 1 7 frisches Luft- Treibstoff-Gemisch angesaugt wird. In der Fig. 1 sind die Einlasse 13 und Auslässe 14 bereits durch den Kolben 3 verschlossen, der Ringkolben befindet sich in seiner untersten Stellung. Im oberen Totpunkt des Kolbens 3 oder kurz davor erfolgt dann in üblicher weise des Zünden des im Arbeitsraum 5 komprimierten Luft-Gas-Gemisches.
In dem darauf folgenden Arbeitstakt bewegt sich der Kolben 3 nach dem Zünden des Luft-Treibstoff-Gemisches im Arbeitsraum 5 entsprechend dem Pfeil B der Figur 2 nach unten im Sinne eines Vergrößerns des Abstandes zwischen dem Kolben 3 und dem Zylinderdeckel 4. Gleichzeitig wird der Ringkolben 9 in entgegengesetzter Richtung nach oben bewegt (Pfeil A') der Figur 2, wodurch nach dem Öffnen der Einlasse 13 das frische Luft-Treibstoff-Gemisch unter Druck in den Arbeitsraum 5 eintreten und hierbei auch das in diesem Arbeitsraum 5 vorhandene Verbrennungsgas über den Auslaß 14 verdrängen kann. Bei dem anschließenden Nach-Oben-Bewegen (Pfeil A) des Kolbens 3 werden die Einlasse 13 und Auslässe 14 durch diesen Kolben 3 wieder verschlossen und es erfolgt dann das Komprimieren des Luft-Brennstoff-Gemisches im Arbeitsraum 5. Sobald die Einlasse 13 durch den Kolben 3 verschlossen sind, wird der Ringkolben 9 entsprechend dem Pfeil B' der Figur 1 wieder nach unten bewegt, um so die Zuführung 16 zu öffnen und erneut frisches Luft-Treibstoff-Gemisch über die Zuführung 16 in den sich im Volumen vergrößernden Zylinderraum 1 1 anzusaugen.
Die Vorteile des beschriebenen Zweitakt-Motors bestehen u.a. darin, daß abweichend von der üblichen Konstruktion des Zuführen des frischen Luft-Treibstoff-Gemisches nicht über einen mit einem geschlossenen Kurbelgehäuse in Verbindung stehenden Überströmkanal erfolgt, der Verbrennungsmotor also mit dem üblichen Treibstoff (z.B. Benzin) ohne Zusätze von Öl betrieben werden kann, die Schmierung der Lager für die Kurbelwelle 7, der Pleuellager, der mit dem Ringkolben 9 zusammenwirkenden Flächen der Steuernoppen 15 usw. in der bei Viertaktmotoren üblichen Form durch Motoröl erfolgen kann. Weiterhin werden durch den als Verdichterkolben wirkenden Ringkolben 9 auch ein besonders effektives Zuleiten des frischen Luft-Brennstoff- Gemisches in den Arbeitsraum 5 sowie ein optimales Spülen dieses Arbeitsraumes erreicht.
Weiterhin sind auch elastischen Elemente, wie beispielsweise Gummimembranen zum Einbringen des frischen Luft-Treibstoff-Gemisches in dem Arbeitsraum 5 vermieden die (Membranen) einen erhöhten Verschleiß unterliegen.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung tragende Gedanke verlassen wird. So ist es möglich, anstelle mehrerer Kanäle 12 einen die Achse der Zylinderanordnung 1 zumindest teilweise umschließenden Ringkanal vorzusehen, der dann über eine oder mehrere Einlaßöffnungen 13 in den Arbeitsraum 5 mündet.
Weiterhin ist es möglich, den Ringkolben 9 und/oder dessen Steuerung so auszuführen, daß nach dem Verschließen des Auslasses 14 über den Ringkolben 9 eine Verdichtung des Luft-Kraftstoff-Gemisches bzw. eine Aufladung des Motors erfolgt, bevor sich der Kolben 3 in die obere Hubstellung bewegt hat. Erreicht werden kann diese z.B. dadurch, daß der Auslaß 14 durch eine Steuerkante des Ringkolbens gesteuert wird, und zwar bei entsprechender Ausbildung und Anordnung des Ringkolbens und bei entsprechender Ausbildung der Steuernocken 15. Bezugszeichenliste
Zylinderanordnung eines Zweitakt-Motors Arbeitszylinder Arbeitskolben Zylinderdeckel Arbeits- oder Verbrennungsraum Pleuelstange Kurbelwelle Verdichtungszylinder Ringkolben oder Verdichterkolben Rückstellfeder Zylinderraum oder Verdichterraum Kanal Einlaß Auslaß Steuernocken Anschluß Rückschlagventil

Claims

Patentansprüche
1 . Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Zylinderanordnung (1) mit einem Arbeitszylinder (2) und mit einem in dem Arbeitszylinder (2) axial verschiebbaren Kolben (3), dessen Hubbewegung in eine Drehbewegung einer Motorwelle (7) umgesetzt wird, mit wenigstens einem gesteuerten Einlaß (13) zum Einbringen von frischen Luft-Teibstoff-Gemisch in dem Arbeitsraum (5) sowie mit wenigstens einem gesteuerten Auslaß (14) zum Abführen der Verbrennungsgase, wobei der wenigstens eine Einlaß (13) von wenigstens einer Öffnung zumindest eines Überströmkanals (12) gebildet ist, der mit einem das Luft-Gas-Gemisch verdichtenden Raum (1 1) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der das Luft-Brennstoff-Gemisch verdichtende Raum von dem Zylinderraum (1 1) eines Verdichter-Zylinders (8) gebildet ist, in welchem ein Verdichter-Kolben (9) axial verschiebbar vorgesehen ist, und daß der Verdichterkolben (9) über die Motorwelle (7) synchron mit der Bewegung des Arbeitskolbens (3) bewegbar ist.
2. Motor nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Zweitaktmotor.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens einen durch den Kolben (3) gesteuerten Einlaß (13) zum Einbringen von frischen Luft-Teibstoff- Gemisch in dem Arbeitsraum (5) sowie durch wenigstens einen durch den Kolben (3) ebenfalls gesteuerten Auslaß (14) zum Abführen der Verbrennungsgase.
4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß der Verdichterzylinder ein ringförmiger, den Arbeitszylinder in einem Teilbereich umschließender Zylinder (8) und der Verdichterkolben ein Ringkolben (9) ist.
5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (9) durch wenigstens einen Nocken (15) auf der Motorwelle
(7) betätigt wird.
6. Motor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Rückstell mittel (10) zum Rückstellen des Verdichterkolbens (9) in eine Ausgangsstellung, in der der im Verdichterzylinder
(8) durch den Verdichterkolben (9) begrenzte Zylinderraum (1 1) das größte Volumen aufweist.
7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben mit wenigstens einer Steuerfläche gegen den wenigstens einen Steuernocken (15) anliegt.
8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfläche an einer dem Verdichterraum (1 1) abgewandten Seite des Verdichterkolbens (9) vorgesehen ist.
9. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (9) entgegengesetzt zu dem Arbeitskolben (3) bewegt wird.
10.Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (9) eine Aufladung des Arbeitsraumes (5) mit den Luft- Treibstoff-Gemisch bewirkt.
1 1 .Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (9) nach dem Verschließen des Auslasses (14) zum Abführen der Verbrennungsgase eine Verdichtung des dem Arbeitsraum (5) zugeführten Luft-Treibstoff-Gemisches bewirkt, bevor der Kolben (3) des Motors seine obere, dem kleinsten Volumen des Arbeitsraumes (5) entsprechende Hubstellung erreicht hat.
12. Motor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (5) dem Kolben (3) des Motors vorauseilt.
13. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (9) den Auslaß (14) zum Abführen der Verbrennungsgase steuert.
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