Die Erfindung betrifft einen mit Verdichtern hoch aufgeladenen Zweitakt- Verbrennungsmotor mit Zylinderkopf und einem ausschließlich pneumatisch betätigten Ventiltriebs für den Lufteinlass.

Stand der Technik

1) Da Zweitakt-Motoren jedes Mal zünden, wenn sich der Kolben vor dem oberen Totpunkt befindet - also doppelt so oft wie Viertakt-Motoren - sind sie einfachere, kompaktere und leichtere Motoren als die Viertakt-Motoren mit vergleichbarer Leistung. Sie werden überall als Antriebe für Land-, Wasser-, Schnee- und Luftfahrzeuge, für Maschinen und auch in der Energieversorgung eingesetzt. Der typische Nachteil der Zweitakt-Motoren ist jedoch, dass Ein- und Auslassschlitze bedingt durch ihre einfache Bauweise nahezu gleichzeitig geöffnet sind. Das führt zu einer unvollständigen Verbrennung und damit zu höheren Schadstoff- Emissionen.

2) Der Zylinderkopf ist oft ein kompliziertes Bauteil des Motors, weil auf kleinstem Raum Luft und Sprit zusammengeführt werden und wegen der von der Zündung resultierenden Hitze mit Wasser und Öl gekühlt wird. Gehäuse und Kopf werden in Sandwichbauweise mit einer Zylinderkopfdichtung verbunden, um das System abzudichten. Zylinderköpfe der älteren Zwei-Takt Motoren waren häufig nur luftgekühlt, während moderne Zylinderköpfe mit Flüssigkeit gekühlt werden. Der Zylinderkopf ist generell von der Geometrie her aufwändig und erfordert damit eine ebenfalls aufwändige Bearbeitung.

3) Der Betrieb von Verbrennungsmotoren unter Volllast über längere Zeiträume führt häufig zu Beschädigungen der Zylinderkopfdichtung oder des Zylinderkopfes. Zu Reparaturzwecken muss der Motor zerlegt werden, was zeitintensiv und für den Kunden kostspielig ist. Im günstigsten Fall wird bei der Reparatur nur der Austausch der Dichtungen zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf fällig. Vielfach muss der Zylinderkopf dabei plan geschliffen werden, weil er sich durch zu hohe Temperaturen verzogen hat. Wurde der Zylinderkopf sehr stark in Mitleidenschaft gezogen, bleibt nur noch die Möglichkeit eines kompletten Austausche.

Zweitakt-Motoren werden laufend optimiert, wie beispielsweise DE 11 2006 003 005 T5 zu entnehmen ist. Diese Schrift behandelt einen Boxermotor, bei welchem der erste und zweite Kolben gekoppelt sind. Wie bei den meisten Zweitakt-Motoren wird hier auch auf ein Ventil für den Einlass des Luft-Treibstoff-Gemischs verzichtet und damit besteht der Nachteil einer unvollständigen Verbrennung.

DE 10 2006 047 515 A1 offenbart eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, vorzugsweise für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Sie zeichnet sich durch eine verbesserte Spülung aus. Dafür werden mindestens 2 Einlasskanäle genutzt, welche knapp oberhalb des unteren Totpunktes in den Zylinder münden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass es viel Platz benötigt und die besondere Geometrie, die für solche Kanäle erforderlich ist, das Gewicht des Motors erhöht.

Ebenfalls mit verbesserter Spülung befasst sich DE 10 2007 051 171 A1 , welche sich auf Zweitakt-Verbrennungsmotoren im Allgemeinen und auf Energiequellen für tragbare Kraftarbeitsmaschinen im Besonderen bezieht. Die Erfindung begegnet dem Problem des sogenannten Vorbeiströmens mit Spülschlitzen, die durch einen Kolben geöffnet und geschlossen werden. Diese Lösung hat den Nachteil, dass der Kolben sehr aufwändig ist.

Einen Zwei-Zylinder-Druckluftmotor, der ohne Kraftstoff arbeiten kann, beschreibt DE 697 12 212 T2. Auch dieser Motor arbeitet weiterhin ohne Einlassventile. Am Zylinderkopf ist jedoch ein Ventil angebracht, welches das Ausströmen der Luft steuert.

Im Gegensatz zu Zweitakt-Motoren sind Ventile bei Viertakter immer notwendig, so dass für diesen Typ verschiedene Lösungen angeboten werden. Diese sind häufig jedoch sehr aufwändig und treiben Gewicht und Kosten sehr hoch. Ein Beispiel ist DE102008015216A1 , in welcher die Ventilsteuerung über eine Nockenwelle beschrieben wird.

Ein Zweitaktmotor mit einem auf Druck ansprechenden Lufteinlassventil ist in DE 600 22 668 T2 beschrieben. Es ist jedoch mit Ventilsitzgehäuse und Schiebeventilkörper relativ aufwändig gebaut. Um eine gleichmäßige Luftströmung und schnellere Zylinderfüllung zu erzeugen, sollen mehrere dieser Ventile in den Zylinderkopf eingebaut werden.

Ein selbsttätigendes Ventil mit federnden Ventilzungen wird bereits in DE 678 570 beschrieben. Die Löcher hinter den Ventilzungen sind wahrscheinlich zu groß, weil sich dadurch die dünne Ventilscheibe unter dem Einfluss des hohen Druckes im Zylinder ausdehnen kann. Das führt dazu, dass das Ventil nicht funktioniert. Wahrscheinlich kam das Patent aus diesem Grunde nicht zur industriellen Verwertung.

Problemstellung und Lösung

Die Herstellung von Zylinderköpfen ist sehr zeitintensiv und verursacht den größten Anteil der Kosten eines Motors. Außerdem führt der Betrieb von Verbrennungsmotoren unter Volllast über längere Zeiträume häufig zu Beschädigungen der Zylinderkopfdichtung oder des Zylinderkopfes. Zu Reparaturzwecken muss der Motor zerlegt werden, was zeitintensiv und für den Kunden kostspielig ist. Im günstigsten Fall wird bei der Reparatur nur der Austausch der Dichtungen zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf fällig. Vielfach muss der Zylinderkopf dabei plan geschliffen werden, weil er sieh durch zu hohe Temperaturen verzogen hat. Wurde der Zylinderkopf sehr stark in Mitleidenschaft gezogen, bleibt nur noch die Möglichkeit eines kompletten Austauschs des Zylinderkopfes oder sogar des ganzen Motors. Daraus ergab sich die Aufgabenstellung, einen flachen Zylinderkopf mit Ventiltrieb zu entwickeln, der geometrisch einfach und besser abgedichtet ist. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 aufgeführten Merkmale eines hoch aufgeladenen Motors gelöst, der ohne mechanischen Ventiltrieb arbeitet. Der erfindungsgemäße pneumatische Ventiltrieb besteht aus einem geometrisch einfachen und günstigen Zylinderkopf in Kombination mit Membran- Ventilen oder Standard-Form Ventilen, die mit aus dem Verdichter fließendem Luftdruck betätigt werden.

Da standardmäßig eine Zylinderkopfdichtung zwischen das Zylinderkurbelgehäuse und einen von oben befestigten Zylinderkopf eingebaut wird, besteht die Möglichkeit, dass diese Zylinderkopfdichtungen während des Betriebs beschädigt werden. Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 3 beschrieben. Der erfindungsgemäße pneumatische Ventiltrieb wird zwischen der Zylinderbuchse und einer Schulter im Zylinderkurbelgehäuse eingebaut. So kann der Zylinderkopf nicht mehr weggedrückt werden, sondern dichtet ganz im Gegenteilt stärker ab. Als zusätzlichen Vorteil beschreibt die Verwendung einer dünnen flüssigen Dichtung an Stelle der üblichen Sandwich-Bauweise der Zylinderkopfdichtung.

Der Zylinderkopf ist ein Drehteil aus Aluminium oder Stahl, mit dem jeder Kolben ausgestattet wird. Dieser Zylinderkopf ist erfindungsgemäß entweder mit einem großen Membran-Ventil oder mehreren Ventiltrieben in standardmäßiger Ausführung versehen. Der Zylinderkopf wird für unterschiedliche pneumatische Ventil-Varianten mit Löcher oder Schlitzen versehen, so dass er Luft durchlässt.

Ausführungsbeispiele

Variante mit Membran-Ventil

Die gedrehte Grundform des Zylinderkopfs ist mit vielen, dünnen Schlitzen versehen, die von einem Membran-Ventil abgedeckt werden. Das Ventil selbst ist eine einfache, kreisförmige Scheibe aus einem flexiblen, temperaturbeständigen Material, beispielweise aus Federstahl oder aus einem Verbundmaterial wie CFK. Im offenen Zustand wird das Membran-Ventil von Druckluft in Richtung der Zylindermitte ausgedehnt, im geschlossenen Zustand dagegen bedeckt es die Zylinderkopfschlitze. Ventile und Zylinderkopf sind so konstruiert, dass sie den durch die Zündung verursachten Drücken und Temperaturen standhalten können. Dazu gehört, dass das Ventilblech dicker sein muss als die Breite der Zylinderkopf- Schlitze. Da der Zylinderkopf keine Ventilführungen und Ventilsitzringe benötigt, wird er vor allem wegen der Gewichtsersparnis aus einer Leichtmetall-, beispielsweise einer Aluminiumlegierung, gefertigt.

Variante mit einem Ventil in handelsüblicher Form

Der erfindungsgemäße pneumatische Zylinderkopf, der beispielsweise aus Stahl gefertigt wird, vereint Zylinderkopf, Ventilsitzringe und Ventilführungen und wird später mit mehreren Ventiltrieben versehen. Erfindungsgemäß wird ein Zylinderkopf pro Kolben verwendet. Da er besonders klein und dadurch handlicher für die Bearbeitung ist, können kleinere Werkzeuge als üblich benutzt werden. Durch die Einzelteilkonstruktion kann der Zylinderkopf mit geringeren Toleranzen und zu niedrigeren Kosten gefertigt werden. Dadurch wird eine automatisierte Fertigung ermöglicht, bei der der Zylinderkopf von Anfang bis Ende in einem Arbeitsgang auf einer CNC-Maschine gefertigt wird. Der Zylinderkopf wird mit mehreren Ventiltrieben bestückt.

Die Funktionsweise des pneumatischen Ventiltriebes ist im Folgenden beschrieben:

Einlass-Takt:

Da dieser Takt unmittelbar auf den Ausstoß-Takt folgt, befindet sich der Kolben auf dem Weg zum oberen Totpunkt und hat die unteren Auslassschlitze bereits zugedeckt. Da der Kolben noch nichts komprimiert hat, herrscht im Zylinder noch ein Niederdruck. Immer wenn der Luftdruck oberhalb des Ventils größer ist als der innerzylindrische Druck, strömt komprimierte Luft aus dem Verdichter durch den Zylinderkopf auf das Ventil. Bei einem Membran-Ventil bedeutet dies, dass es ausgedehnt wird. Weil die Ausdehnung am Rand größer ist als in der Mitte, wo es am Zylinderkopf befestigt ist, prallt die einströmende Luft vom Ventil radial gegen die Zylinderseitenwände und füllt den Zylinder durch die so entstehenden Wirbel schnell auf. Bei einem pneumatischen Ventil in handelsüblicher Form, öffnet die aus dem Verdichter strömende Druckluft die Ventiltriebe, die mit relativ schwachen Federn bestückt sind.

Verdichtungstakt:

Mit relativ hohem Druck strömt weiterhin Luft in den Zylinder und unterstützt den Aufbau der Kompression bis der Luftdruck auf beiden Seiten des Ventils gleich ist. Sobald dieser Zustand erreicht ist, schließt das Ventil wieder bis zum Ende des nächsten Taktes. Beim Membran-Ventil bedeutet dies, dass das flexible Ventil wieder in seine Ursprungsform springt und die Schlitze des Zylinderkopfes bedeckt.

Arbeitstakt:

Ein handelsüblicher Injektor spritzt Treibstoff in kegelförmigen Strahlen in den Zylinder. Der Treibstoff bildet mit der bereits komprimierten Luft eine homogene Mischung und eine Zündung erfolgt kurz vor dem oberen Totpunkt. Dazu brauchen die Otto-Motoren eine Zündkerze und die Selbstzünder-Motoren eine Glühkerze. Das Ventil wird bei dem für die Zündung typischen, hohen Druck stark gegen die Brennmulde des Zylinderkopfes gepresst und der Kolben ist gezwungen, sich nach unten zu bewegen und Arbeit auszuüben.

Ausstoßtakt:

Im Ausstoßtakt ist zunächst nur der Auslass offen. Wenn der Kolben schließlich im Bereich des unteren Totpunktes angekommen ist und die für 2-Takter typischen Auslassschlitze offen sind, kann das verbrannte Gemisch frei ausströmen. Sobald sich der Zylinderdruck abgebaut hat und im Zylinder wieder Niederdruck herrscht, kann die Druckluft aus dem Verdichter durch den Zylinderkopf wieder einströmen. Das verhilft dem Zylinder ganz automatisch zu einer sehr effizienten Auspuffspülung. Weil verbranntes Gemisch durch den nur von oben nach unten fließende Druckluft nie mit frischem Treibstoff gemischt wird, werden umweltfreundlichere Emissionen als im normalen 2-Takter erreicht.

Von besonderem Vorteil ist, dass das Ventil als pneumatisches Membranventil ausgebildet ist, das in die Brennmulde des Zylinderkopfes eingebaut wird und dass der Zylinderkopf mit mehreren Schlitzen versehen ist, wobei die Schlitze des Zylinderkopfes von Innen zum größten Teil von dem pneumatischen Membranventil zum Aufbau eines Luftdrucks bedeckbar sind, dergestalt, dass im offenen Zustand das Membranventil durch Druckluft in Richtung der Zylindermitte ausgedehnt wird, während es im geschlossenen Zustand die Schlitze bedeckt.

Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, besteht die Möglichkeit, dass der das pneumatische Membranventil beinhaltende Zylinderkopf zwischen einer Zylinderbuchse und einer Schulter des Zylinderkurbelgehäuses eingebaut ist, wobei die Abdichtung durch eine Flüssigdichtung erfolgt.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 Pneumatischer Ventiltrieb eines 2-Takt-Motors. Dargestellt sind:

Zylinderkopf, Membran-Ventil, Injektor und Glüh- oder Zündkerze, Zylinder und Membran-Ventil Befestigungsschrauben;

Figur 2 Ansichten eines Zylinderkopfs zur Verwendung eines pneumatisch betätigten Membran-Ventils, das als einfacher, geschlitztes Drehteil gefertigt wird; Figur 3 Membran-Ventil mit Befestigungen und Schlitzen, die ab der Biegekante (mit Pfeil symbolisiert) das Öffnen der Spitzen auf Schraubenlinien ermöglichen (rechtes Bild);

Figur 4 Variation des Membran-Ventils und Zylinderkopfs für Motoren mit üblichem Otto-Kolben. Der komplette Ventiltrieb ist nach oben gewölbt für eine ordnungsgemäße Otto-Kompression;

Figur 5 Membran-Ventil im geöffneten Zustand, mittig montiert auf einem mit

Schlitzen versehenen Zylinderkopf, wodurch die Einlassöffnung in einer Bewegung wie bei Libellenflügeln geöffnet wird. In der dargestellten Ansicht liegen die Befestigungen vor und hinter dem Injektor-Schacht;

Figur 6 Membran-Ventil, Befestigung, mit hitzebeständiger, dickerer

Verstärkung, und beidseitig mit einer Vorspannungs-Welle ausgestattet;

Figur 7 Pneumatischer Ventiltrieb, der auf handelsüblichen Ventilen basiert mit Zylinderkopf, Injektor und Glüh- oder Zündkerze, Ventil, Feder, Federtellern und Öffnungen zum Ventilschacht im Zylinderkopf.

Figur 1 zeigt ein pneumatisches Membran-Ventil 2, das in die Brennmulde eines Zylinderkopfes 1 eingebaut ist. Weiterhin sind ein Injektor 3, je nach Treibstoffart und Motortyp eine Glüh- (Selbstzündermotor) oder Zündkerze 4 (Ottomotor) und die Befestigungsschrauben 6 für das Ventil 2 dargestellt. In den Zylinderkopf 1 sind viele dünne Schlitze 8 eingearbeitet, wie in Figur 2 gezeigt. Auf Basis des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs 1 und Ventils 2 können Kolbenmotoren weiterhin mit handelsüblichem, elektronisch geregeltem Injektor 3 betrieben werden, wie Figur 1 zeigt. Gerade weil das erfindungsgemäße, pneumatisch betätigte Ventil 2 jede Zwei-Takter-Motorkonstruktion weiter vereinfacht und gut zu der in der Automobil- und Luftfahrtindustrie üblichen Kolben- und Injektor-Lösung passt, ermöglicht diese Erfindung die Herstellung viel kleiner, stärker, robusterer, zuverlässigerer und kostengünstigerer Motoren für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete.

Eine besondere Ausgestaltung beschreibt Anspruch 6, nämlich die Ausbildung des Ventils 2 als kreisförmige Scheibe mit Konturen. Das in Figur 3 gezeigte Ventil 2 mit nur zwei schlitzartigen Halbinsel-Konturen 7 gewährleistet die volle Funktionalität. Die Konturen des Ventils 2 in der Ruhelage bedecken die dünnen Schlitze 7 im Zylinderkopf 1 , um die Zylinderkompression zu gewährleisten. Beim Öffnen bewegen sich die freien Enden auf einer Schraubenlinie (Helix). Die Biegekante befindet sich in der Nähe der Verschraubung und ist in Figur 3 durch einen Pfeil symbolisiert. In Kombination mit einem flachen Zylinderkopf passt dieses flache Membran-Ventil 2 zum Standard-Diesel-Kolben, der mit einer Mulde nach unten versehen ist.

Eine besondere Ausgestaltung beschreibt Anspruch 7 und ist in Figur 4 dargestellt, in welcher dieser Membran-Ventiltrieb für Otto-Motoren optimiert ist. Da der Standard-Otto-Kolben oben flach ist oder nur eine kleine Mulde hat, ist die Zylinderkopf-Brenn-Mulde tendenziell nach oben gewölbt. Die auf Standard-Otto- Kolben optimierte pneumatische Ventiltrieb-Kombination, bestehend aus einem Zylinderkopf und einem Membran-Ventil, ist ebenfalls nach oben gewölbt, um eine ordnungsgemäße Kompression zu ermöglichen.

Die Variante gemäß Anspruch 8 besitzt die Membran 2 keine Schlitze. Sie wird aus einem dickeren Blech gefertigt, welches im mittleren Teil dünner gearbeitet wird und mit dem Zylinderkopf 1 verschraubt wird. Dadurch ist das Blech an beiden Seiten steif, es kann jedoch die Lufteinlassschlitze 8 in einer Bewegung, welche der von Libellenflügeln gleicht, öffnen wie im Figur 5 dargestellt. Lediglich angedeutet ist das Zylinderkurbelgehäuse 1'. Der das pneumatische Membranventil 2 beinhaltende Zylinderkopf 1 ist zwischen einer Zylinderbuchse 1" und einer Schulter 1 "' des Zylinderkurbelgehäuses 1' eingebaut, wobei die Abdichtung durch eine nicht weiter dargestellte Flüssigkeitsdichtung erfolgt. Anspruch 9 und Figur 6 beziehen sich auf eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung hiervon. Sie besteht darin, dass auf beiden Seiten neben dem Befestigungssteg 6 eine Welle 10 in die obere Membran 2 eingebracht ist, die gemäß Anspruch 10 das Einbringen einer Vorspannung ermöglicht. So werden schnellere Ventil-Reaktionszeiten erreicht, die Motordrehzahl optimal erhöht und die Lebensdauer des Ventils 2 verlängert.

In einer weiteren Ausgestaltung gemäß Anspruch 1 bis 13 wird ein dünneres Blech beidseitig der Verschraubung mit leichtem und hitzeresistenten Blechen 9 verstärkt ist z.B. aus Titan. Diese werden beispielsweise durch Punktschweißen aufgebracht. Das Membran-Ventil 2 öffnet ebenfalls mit einer Bewegung, welche der von Libellenflügeln gleicht, wie in Figur 6 gezeigt.

Eine Variante mit Standard-Ventilen ist in Anspruch 3 beschrieben und in Figur 7 dargestellt. Dabei wird jeder Kolben mit einem kleinen Zylinderkopf 1 ausgestattet. Im Vergleich zu handelsüblichen Zylinderköpfen ist dieser einfacher gebaut und dadurch handlicher zum Bearbeiten. Weitere Vorteile sind dadurch bedingt, dass kleinere Werkzeuge für die Bearbeitung ausreichen und dass der Zylinderkopf 1 für die Bearbeitung handlicher ist. Dadurch wird eine automatisierte Fertigung ermöglicht, bei der der Zylinderkopf 1 von Anfang bis Ende in einem Arbeitsgang auf einer CNC-Maschine gefertigt wird. Der Zylinderkopf 1 wird nachträglich mit mehreren Ventiltrieben bestückt.

Weitere Vorteile sind höhere Genauigkeiten und dadurch günstigere Produktionskosten. Im üblichen Produktionsverfahren, werden Stahl-Ventilsitzringe und Ventilführungen durch mehrere Stufen aufwändig bearbeitet und in einen Zylinderkopf 1 aus einer Aluminiumlegierung eingepresst. In dem erfindungsgemäßen pneumatischen Zylinderkopf 1 , der beispielsweise aus solidem Stahl gedreht oder aus Stahlschaum gefertigt ist, sind alle diese Teile bereits integriert. Er wird später mit mehreren Ventiltrieben versehen, die einzeln mit Ventilen 11 , relativ schwache Federn 12 und Federtellern 13 bestückt sind. Weiterhin sind in Figur 7 der Injektor 3 und je nach Treibstoffart und Motortyp eine Glüh- (Selbstzünder) oder Zündkerze (Ottoprinzip) 4 dargestellt.

Wie in Anspruch 11 beschrieben besteht eine Ausgestaltung der Membran 2 darin, dass sie aus günstigem Federstahl hergestellt wird und beschichtet ist. Als Beschichtung kommen gemäß Ansprüchen 11 bis 13 z.B. Titanpulver oder andere hitzebeständige Werkstoffe in Frage.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in den Ansprüchen 14 und 15 beschrieben und betrifft die Möglichkeit, den Treibstoffverbrauch noch weiter zu reduzieren. Durch die Druckluft und das pneumatischem Membran-Ventil 2 wird immer am oberen Totpunkt des Kolbens eine Zylinderkompression aufgebaut, aber durch eine kontrollierte Einspritzung wird Treibstoff nur bei jeder zweiten Zündung in den Zylinder gespritzt. Damit wird der Verbrauch der einzelne Zylinder auf die Hälfte reduziert, in einem Mehrzylinder-Motor aber auf bis zu einem Zehntel reduziert. Dieses Ventil 2 passt zu allen Motoren, die nach dem Ottoprinzip arbeiten, genauso wie zu Selbstzündern, z.B. Diesel- und Schwerölmotoren.

Nur mittels einer Einspritzung geregelt, aber ohne die Vielfalt von weiteren elektronisch gesteuerten Teilen wie: Drosselklappen, Drallklappen, Zündkerzen, geregelten Turbos bzw. Kompressoren oder Flüssigkeitskühlung, wird dieser 2- Takt-Dieselmotor zuverlässiger als jeder 4-Takt-Motor. Dadurch wird der in Patentanspruch 1 angegebenen Zwei-Takt-Motor in allen zivilen und militärischen Anwendungen auf der Straße, in der Luft, im Wasser und auf Eis, wie sie in den Ansprüchen 16 bis 19 beschrieben sind, effizienter, stärker und doch kostengünstiger als Standardmotoren. Bezugszeichenliste

1 Zylinderkopf

1' Zylinderkurbelgehäuse

1" Zylinderbuchse

2 Membran-Ventil

3 Injektor

4 Zündkerze/Glühkerze

5 Zylinder

6 Befestigungsschraube

7 Schlitz

8 Schlitz

9 Verstärkung

10 Vorspannungswelle

11 Ventil

12 Feder

13 Federteller

14 Ventilschacht