DE3736633A1 - Zweitaktverbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktverbrennungs­ motor mit in Zylindern geführten Kolben, die über Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden sind.

Derartige Motoren sind seit Jahrzehnten bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, einen Zweitaktmotor dahingehend weiterzu­ entwickeln, daß er eine geringere Reibung sowie weitgehend rückstandsfreie Abgase aufweist und einen geringeren Kraftstoffverbrauch erfordert.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen be­ schriebenen Merkmale gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweitaktverbrennungsmotors ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Dabei ist mit 1 allgemein ein Zweitaktverbrennungs­ motor bezeichnet, der ein Kurbelgehäuse 2 mit einer darin gelagerten Kurbelwelle 3 aufweist. Von der Kurbelwelle 3 führt ein Pleuel 4 zu einem unteren Kolben 5, welcher über eine angeformte Führungs­ stange 6 mit einem über dem unteren Kolben 5 ange­ ordneten oberen Kolben 7 fest verbunden ist. Die Führungsstange 6 läuft in einem rohrartigen und mit Dichtungen versehenen Gehäuseabschnitt. Die beiden Kolben 5 und 7 weisen jeweils einen eigenen Zylin­ der mit den entsprechend eigenen Verdichtungs- und Brennräumen auf, wobei der Kolben 5 in einem Zylinder 8 und der Kolben 7 in einem Zylinder 9 ge­ führt ist.

Der Abstand der beiden Kolben 5 und 7 zueinander gewährleistet eine sichere axiale Führung der beiden Kolben 5 und 7, so daß nicht ein einzelner Kolben über seine Bauhöhe diese Führung erzielen muß, son­ dern jeder einzelne Kolben kann so flach ausgebildet sein, wie es gerade zur Aufnahme der einzelnen Kol­ benringe erforderlich ist. Die Aufnahme des Pleuels 4 am unteren Kolben 5 kann ebenfalls sehr material- und platzsparend und damit leichtgewichtig ausge­ führt werden, indem ein Kolbenbolzen 10 direkt an das Pleuel 4 angeformt ist, wobei zwei Halblager 11 den Kolbenbolzen 10 am Boden des Kolbens 5 lagern.

Der untere Zylinder 8 wird über eine Frischgaszufuhr 12 mit Luft beschickt, wobei die Frischgaszufuhr 12 zunächst aus einer Leitung außerhalb des Kurbelge­ häuses 2 besteht. Die Kurbelwelle 3 ist teilweise hohlgebohrt und weist eine Mündung 14 auf, welche eine Verbindung zu der Frischgaszufuhr 12 herstellt und eine Verlängerung der Frischgaszufuhr 12 durch die Kurbelwelle 3 in das Kurbelgehäuse 2 bewirkt.

Die Kolben 5 und 7 befinden sich in ihrer in der Zeichnung dargestellten Lage in ihrem unteren Tot­ punkt. Die Mündung 14 öffnet gerade und stellt eine Verbindung zwischen der äußeren Frischgaszufuhr 12 und dem Innenraum des Kurbelgehäuses 2 her. Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 5 wird durch den Unterdruck im Kurbelgehäuse 2 Frischluft durch die Frischgaszufuhr 12 in das Kurbelgehäuse eingesogen, bis der Kolben 5 den Bereich seines oberen Tot­ punktes erreicht und die Mündung 14 die Verbindung zu dem äußeren Teil der Frischgaszufuhr 12 unter­ bricht.

Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 5 entsteht ein Überdruck im Inneren des Kurbelgehäuses 2 und in Frischgaskanälen 15, die vom Kolbenboden durch den Kolben 5 und durch einen Teil der Führungs­ stange 6 verlaufen. Sobald der Kolben 5 eine vor­ bestimmte Stelle nahe seinem unteren Totpunkt er­ reicht hat, schaffen die oberen Mündungen der Führungskanäle 15, die in der Führungsstange 6 angeordnet sind, eine Verbindung zu dem Verdich­ tungs- bzw. Brennraum und der im Kurbelgehäuse ge­ bildete Überdruck entweicht in den Zylinder 8. Der Brennraum ist ringförmig um die Führungsstange 6 herum angeordnet und weist einen dreieckigen Quer­ schnitt auf. Bei der anschließenden Aufwärtsbe­ wegung des Kolbens 5 erfolgt eine Verdichtung die­ ser Frischluft, wobei gleichzeitig durch eine Ein­ spritzdüse 16 Kraftstoff in den Zylinder 8 einge­ spritzt wird. Im Bereich der oberen Totpunktstel­ lung des Kolbens 5 kann die Zündung mittels zweier Zündkerzen 17 erfolgen.

Die Einspritzdüse 16 ist dabei in einer solchen Höhe im Zylinder 8 angeordnet, daß sie unter den Kolben 5 Kraftstoff einspritzen kann, wenn dieser sich im Be­ reich seiner oberen Totpunktstellung befindet. Da­ durch gelangt der Kraftstoff in einen Vorverdich­ tungsraum, der durch einen Teil des Zylinders 8 und den Raum im Kurbelgehäuse 2 gebildet wird.

Bei der anschließenden Abwärtsbewegung des Kolbens 5 wird im Kurbelgehäuse 2 wiederum dieses Gemisch aus Kraftstoff und Frischluft verdichtet und wenn es durch die Frischgaskanäle 15 in den Zylinder 8 strömt, drückt es die verbrannten Abgase durch eine ringförmig um den Zylinder 8 verlaufende Auslaß­ öffnung 18 aus diesem heraus. Zu diesem Zweck gibt ein Ringventil 19 die Auslaßöffnung 18 frei, wobei das Ringventil 19 gegen die Wirkung von Federn 20 von dem Kolben 5 nach unten gedrückt wird. Dabei wirkt der Kolben 5 auf eine im Querschnitt des Ring­ ventiles 19 vorspringende Kante und beaufschlagt das Ringventil 19 so lange, bis er im Laufe seiner Aufwärtsbewegung eine Höhe einnimmt, bei der die Oberkante des Ringventiles 19 gegen die Wandung des Zylinders 8 anstößt und die Auslaßöffnung 18 ver­ schließt. Bei einer weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens 5 kann trotz der kurzen Bauform des Kolbens kein Kurzschluß zwischen dem im Kurbelraum vorhan­ denen Frischgas und der Auslaßöffnung 18 auftreten, da die Federn 20 das Ringventil 19 in der geschlos­ senen Stellung halten.

Die Mündungen der Frischgaskanäle 15 in die Brenn­ räume sind dabei so in der Führungsstange 6 angeord­ net, daß während der Abwärtsbewegung des Kolbens 5 zunächst das Ringventil 19 vom Kolben 5 beaufschlagt wird und die Auslaßöffnung 18 freigibt, so daß das verbrannte Gas, welches im Zylinder 8 unter einem Überdruck steht, zunächst in die Auslaßöffnung 18 entweicht, wobei dann durch das aus den Frischgas­ kanälen 15 strömende Frischgas eine Spülwirkung im Zylinder 8 bewirkt und das restliche, noch im Zy­ linder 8 befindliche Abgas in die Auslaßöffnung 18 drückt.

Für den oberen Zylinder 9 gilt ähnliches wie für den unteren Zylinder 8. Zum oberen Zylinder 9 führt ein Frischluftkanal 21, der über ein Flatterventil 22 mit dem Vorverdichtungsraum oberhalb des oberen Kolbens 7 verbunden ist. Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 7 gelangt daher durch den Frischluft­ kanal 21 und das Flatterventil 22 Frischluft in den Vorverdichtungsraum. Im Bereich der unteren Tot­ punktstellung des Kolbens 7 wird in den darüber an­ geordneten Vorverdichtungsraum Kraftstoff durch eine Einspritzdüse 16 a eingespritzt. Sobald sich der Kolben 7 aufwärtsbewegt, wird der Druck in dem Vor­ verdichtungsraum größer als der in dem Frischluft­ kanal 21 und dementsprechend schließt das Flatter­ ventil 22. Die Luft und der Kraftstoff in dem Vor­ verdichtungsraum werden bei einer weiteren Auf­ wärtsbewegung des Kolbens 7 weiter verdichtet, bis die Stellung des Kolbens 7 ein Entweichen des Über­ druckes durch Frischgaskanäle 15 a in den Verdich­ tungs- und Brennraum innerhalb des Zylinders 9 er­ möglicht. In dieser Stellung beaufschlagt der Kolben 7 ein oberes Ringventil 19 a gegen die Wirkungskraft der Federn 20 a, so daß eine ringförmige Auslaß­ öffnung 18 a geöffnet ist und die Abgase durch das Frischgas aus dem Zylinder 9 und in die Auslaßöff­ nung 18 a gedrückt werden.

Bei der anschließenden Abwärtsbewegung wird das Ringventil 19 a dadurch geschlossen, daß es nicht länger vom Kolben 7, sondern nur noch von Federn 20 a beaufschlagt wird. Zum zweiten werden durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 7 und der damit verbundenen Führungsstange 6 die Mündungen der Frischgaskanäle 15 a gegenüber dem Brenn- und Ver­ dichtungsraum im Zylinder 9 verschlossen, so daß nun in diesem Zylinder 9 das Frischgas verdichtet und mit Hilfe von Zündkerzen 17 a gezündet werden kann.

Die Auslaßöffnungen 18 und 18 a weisen Anschlüsse 23 und 23 a zu einem gemeinsamen Abgasrohr 24 auf. Das Abgasrohr 24 leitet die Abgase zu einer Nachbrenn­ kammer 25, die eine eigene Einspritzdüse 16 b und eine eigene Zündkerze 17 b aufweist. Hier kann - falls erforderlich - eine Nachverbrennung noch un­ verbrannter Restanteile im Abgas erfolgen, so daß das Abgas möglichst sauber aus dem Abgasrohr 24 entlassen wird. Der Nachbrennkammer 25 nachgeschal­ tet befindet sich ein Turbolader 26, welcher an einer gemeinsamen Welle 27 eine im Abgasstrom an­ geordnete Abgasturbine 28 sowie am anderen Ende der Welle 27 einen im Frischgasstrom angeordneten Frischgasverdichter 29 aufweist. Der Frischgasver­ dichter 29 ist in einem wassergekühlten Gehäuse 30 angeordnet. Die Möglichkeit, in die Nachbrennkammer 25 Kraftstoff durch die Einspritzdüse 16 b einzu­ spritzen, stellt die für den Betrieb der Abgastur­ bine 28 nötigen hohen Temperaturen sicher.

Ein lediglich schematisch angedeutetes Getriebe 31 verbindet die Kurbelwelle 3 und die Welle 27 des Turboladers 26 miteinander, so daß über den Abgas­ strom und die damit sich kontinuierlich drehende Ab­ gasturbine 28 eine gleichförmige Drehbewegung der Kurbelwelle 3 erreicht wird und ein dementsprechend runder Lauf des Motors die Folge ist.

Vom Frischgasverdichter 29 gelangt das Frischgas in einen Luftkanal 35, der sich zum einen in die Frischgaszufuhr 12 und den Frischluftkanal 21 auf­ teilt, der darüberhinaus jedoch auch Frischgas in einen Kühlluftkanal 32 fördert. Der Kühlluftkanal 32 schließt an ein Gehäuse 33 an, welches den Be­ reich der Führungsstange 6 und der beiden Zylinder 8 und 9 umgibt.

Die Kühlluft gelangt in das Gehäuse 33 zunächst im Bereich um die Führungsstange 6 und wird von da beiderseitig entlang der jeweiligen Zylinderköpfe und von dort entlang der Zylinder 8 und 9 geführt. Im Bereich der Anschlüsse 23 und 23 a der Auslaß­ öffnungen 18 und 18 a an das gemeinsame Abgasrohr 24 mündet auch das Gehäuse 33 in das Abgasrohr 24. Hier wird die erwärmte Kühlluft zunächst vom Zylinder 8 bzw. 9 weggeführt, so daß sie in etwa die gleiche Strömungsrichtung aufweist, wie das aus den Aus­ laßöffnungen 18 und 18 a kommende Abgas.

Bei 34 und 34 a gelangt die erwärmte Kühlluft injek­ torartig in das Abgasrohr 24. Hierdurch wird ein sehr sauerstoffhaltiges Abgas erreicht, was insbe­ sondere in Zusammenwirkung mit der Nachbrennkammer 25 für ein vollständig verbranntes und damit sau­ beres Abgas sorgt. Außerdem wird dadurch die Strö­ mung des Abgases unterstützt und ein schneller Gas­ wechsel im Zylinder 8 bzw. 9 unterstützt.

Daß das Frischgas durch Bereiche des Motors, insbe­ sondere durch die Frischgaskanäle 15 und 15 a ge­ führt wird, bewirkt seine Erwärmung und eine in­ tensive Wirbelbildung, so daß der Kraftstoff inten­ siv verwirbelt und an den warmen Motorbauteilen verdampft wird. Damit ist ein Magerbetrieb des be­ schriebenen Motors möglich.

Durch die Verwendung nur eines Pleuels und der sehr kurz ausgebildeten Kolben wird die innermotorische Reibung des beschriebenen Motors gegenüber herkömm­ lichen Konstruktionen stark verringert. Kippbewe­ gungen der Kolben werden dadurch minimiert, daß deren axiale Führung über einen sehr weiten Bereich, nämlich vom Kolben 5 bis zum Kolben 7, erfolgt und bei jedem Hub auf einen Großteil der Kolbenbaugruppe Zugkräfte einwirken. Diese Einschränkung der Kipp­ bewegungen trägt wesentlich zur Verringerung der innermotorischen Reibung bei.

Dadurch, daß jede Auf- und Abwärtsbewegung des Kol­ benpaares durch eine Zündung in entweder der oberen oder der unteren Brennkammer unterstützt wird, wird ein sehr gleichmäßiger Motorlauf erreicht. Unter­ stützt wird dieser gleichmäßige Motorlauf durch das Getriebe 31, welches die Kurbelwelle mit dem Turbo­ lader 26 verbindet, dabei wirkt das Getriebe 31 selbst als Schwungmasse und stabilisiert den Motor­ lauf und zum zweiten bewirkt der ständige Antrieb der Abgasseite des Turboladers eine gleichförmige Drehbewegung des Turboladers und damit des Getrie­ bes und damit der Kurbelwelle, so daß auch hier­ durch ein gleichmäßiger Motorlauf auch in niedrig­ sten Drehzahlen gewährleistet ist.

Claims (21)

1. Zweitaktverbrennungsmotor mit in Zylindern geführten Kolben, die über Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden sind, gekennzeichnet durch jeweils zwei übereinander angeordnete Kolben (5, 7), die durch eine Führungsstange (6) fest miteinander verbunden sind, wobei dem unteren Kolben (5) ein zu der Kurbel­ welle (3) führendes Pleuel (4) zugeordnet ist und wobei der Brennraum für den unteren Kolben (5) oberhalb dieses Kolbens angeord­ net ist.

2. Zweitaktverbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum des oberen Kolbens (7) unterhalb dieses Kolbens (7) angeordnet ist.

3. Zweitaktverbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Frischgas­ zufuhr (12), die teilweise sich längs durch einen Teil der Kurbelwelle (3) erstreckt, wo­ bei diese Zufuhr (12) von einer radialen Mün­ dung (14) in der Oberfläche der Kurbelwelle (3), die sich außerhalb des Kurbelgehäuses (2) befindet, in das Innere des Kurbelge­ häuses (2) verläuft und dort eine zweite Mün­ dung in der Oberfläche der Kurbelwelle (3) aufweist.

4. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeich­ net durch Frischgaskanäle (15, 15 a), die sich von der Unterseite der Kolbenböden durch die Kolben (5, 7) und einen Teil der Führungsstange (6) erstrecken und im mitt­ leren Bereich der Führungsstange (6) zu Öff­ nungen an deren Oberfläche führen.

5. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch Auslaßöffnungen (18, 18 a) im jeweils brennraumfernen Bereich der Zy­ linderwandung der Verdichtungsräume.

6. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch Ringventile (19, 19 a), die im Bereich der Auslaßöffnungen (18, 18 a) in der Zylinderwandung angeordnet sind mit einem im wesentlichen L-förmigen Quer­ schnitt, wobei der Innendurchmesser des schmalen Querschnittbereiches dem Innendurch­ messer des Zylinders (8, 9) entspricht und wobei der Innendurchmesser des breiteren Querschnittsbereiches kleiner ist als der Außendurchmesser des zugeordneten Kolbens (5, 7) und wobei die Ringventile (19, 19 a) aus einer die Auslaßöffnungen (18, 18 a) ver­ schließenden Stellung gegen die Wirkung von Federn (20, 20 a) verschiebbar gelagert sind.

7. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine flache Ausbildung der Kolben (5, 7), deren Höhe die Gesamthöhe der vom Kolben (5, 7) getragenen Kolbenringe nur geringfügig überschreitet.

8. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch ein den Kolbenbolzen bil­ dendes T-förmiges kolbenseitiges Ende des Pleuels (4), wobei die beiden Endbereiche des Kolbenbolzens (10) in jeweils einem Halb­ lager (11) an der Unterseite des Kolbenbo­ dens gelagert sind.

9. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch ein Ventil (22) in einem Frischluftkanal (21), der in dem oberhalb des oberen Kolbens (7) befindlichen Raum mündet.

10. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ventil (22) als Flatterventil ausgebildet ist.

11. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch zwei Zündkerzen (17, 17 a) für jeden der ringförmig um die Führungs­ stange (6) verlaufenden Brennräume.

12. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch einen Luftkanal (35), der sich in die Frischgaszufuhr (12) zu der Kur­ belwelle (3) in den Frischluftkanal (21) zu dem Raum oberhalb des oberen Kolbens (7) so­ wie in einen Kühlluftkanal (32) aufteilt.

13. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kühlluftkanal (32) sich zwischen den beiden Brennräumen ringförmig erweitert und um den Bereich der Führungsstange (6) herum führt.

14. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sich der Kühlluft­ kanal über die Zylinderköpfe und um die Ver­ dichtungs- und Brennräume erstreckt.

15. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich von An­ schlüssen (23, 23 a) der Auslaßöffnungen (18, 18 a) an ein Abgasrohr (24) auch der Kühl­ luftkanal (32) in das Abgasrohr (24) mündet.

16. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kühlluft­ kanal (32) im Bereich der Anschlüsse (23, 23 a) injektorartig in Strömungsrichtung des Abgases in das Abgasrohr (24) mündet.

17. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch wenigstens eine Einspritz­ düse (16, 16 a) in jedem Zylinder (8, 9), die mit einer Kraftstoffversorgung verbunden sind und in einem Abstand unter dem Zylinderkopf angeordnet sind, der wenigstens der Bauhöhe der Kolben (5, 7) entspricht.

18. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch einen Turbolader (26), dessen Abgasturbine (28) im Abgasrohr (24) und dessen Frischgasverdichter (29) im Luft­ kanal (35) vor dessen Verzweigung angeordnet ist.

19. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Frischgasver­ dichter (29) flüssigkeitsgekühlt ist.

20. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch ein Getriebe (31) zwi­ schen der Kurbelwelle (3) und der Welle (27) des Turboladers (26).

21. Zweitaktverbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine Nachbrennkammer (25) im Abgasrohr (24).