Nach dem Zwei ta tverfah ren arbeitende Verbrennungskraftmasc ine

Die Erfindung bezieht sich auf eine nach dem Zweitaktver¬ fahren arbeitende Verbrennungskraftmaschine, bei der die Frischgase tangential und schräg nach oben in den Zylin¬ der geführt werden und bei der zum Fördern der Frisch¬ gase in den Zylinder statt einer Kurbelkastenpumpe eine zusätzliche Auf ladee nri chtung vorgesehen ist. Eine solche Verbrennungskraftmaschine ist Gegenstand der DE-PS 454 473.

Bei der bekannten Verbrennungskraftmaschi πe handelt es sich um eine langsam laufende, großvolu ige Zweitakt- di ese Imaschi ne. Die Spülluft wird bei ihr über mehrere Spül luftkanäle tangential in den Zylinder hineingeführt. Das verbrannte Gas verläßt den Zylinder entsprechend über mehrere, an der den Spül luftkanä len gegenüberliegen¬ den Seite angeordnete Auslaßkan le.

Die vorbekannte Verbrennungskraftmaschine kann nicht optimal arbeiten, da ein hoher Anteil der einströmenden Luft statt im Zylinder zu rotieren, unmittelbar zu den Auslaßkanälen gelangt. Dadurch entstehen relativ hohe Kurzschlußverluste. Die Ausbildung einer rotierenden Ladung wird bei der vorbekannten Verbrennungskraft- maschine durch Turbulenzen und die Rückströmung in der Zylindermitte behindert.

Der in Abb. 3 und 4 der DE-PS 454 473 gezeigte Nasen- •kolben beweist, daß der Erfinder den Effekt der Kurz¬ schlußverluste zumindest vermutet hat. Erfahrungsgemäß vermag aber eine Ablenknase auf dem Kolben eine schlech¬ te Spülung nicht zu verbessern. Das gilt im gleichen Umfang auch für die Brennkraftmasc ine nach dem öster-

reichischen Paf'ent Nr. 113 633.

Bis in die Nachkriegsjahre hinein waren nach dem Zwei- taktverfah ren arbeitende, fremdgezündete Brennkraft¬ maschinen wegen ihres einfachen Aufbaus und ihrer hohen spezifischen Leistung verbreitet. Weiterhin ist bei sol¬ chen allgemein als Zweitakter bezeichneten Motoren der NO -Anteil im Abgas wesentlich geringer als bei ver ^¬ gleichbaren Viertaktmotoren, was eine Folge der Vermi¬ schung von Frisch- und Abgas im Zylinder ist. Diese Vor¬ teile müssen jedoch bislang mit einem sehr hohen Kraft¬ stoffverbrauch und hohem Gehalt von C0 und HC im Abgas bei Leerlauf und im Tei l lastbe rei ch erkauft werden. Störend ist auch, daß bisher kein einwandfreier Leerlauf mit Zündung bei edem Hub zu erreichen ist. Das führt bei Leer laufdrehzah len zu einem unangenehmen Schütteln. Wegen dieser Nachteile werden Zweitakter seit etwa drei Jahrzehnten als Antrieb für Automobile nicht mehr ver¬ wendet .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach dem Zwei taktverfah ren arbeitende Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart zu gestalten, daß sie als Dieselmotor mit gleichmäß gem Lauf und hohem Wir¬ kungsgrad, aber auch als fremdgezündete Brennkraftma¬ schine ⁽ Ottomotor) zu arbeiten vermag und hinsichtlich ihres Kraftstoffverbrauches und Schadstoffanteiles im Abgas vor ei lhafter ist als konventionelle Diesel-, fremdgezündete Zweitakt- und Viertaktverbrennungskraft- aschinen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nur ein einziger Spülkanal mit einem in den Zylinder mündenden Spülschlitz vorgesehen und der Spülkanal auf derselben Zylinderseite neben dem Auslaßschlitz angeord¬ net ist.

Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung bilden die ein¬ strömenden Frischgase an der Zylinderwand eine rotieren¬ de Walze. Die Einströmgeschwindigkeit kann nahezu voll¬ ständig in Drehbewegung umgewandelt werden, so daß die Frischgaswalze mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Da der Einlaßkanal in Richtung des Brennraumes angestellt ist, gelangt das Frischgas auch bei niedrigen Drehzahlen auf definiertem Weg in den Brennraum und kann bei Benzinbe¬ trieb sicher gezündet werden. Versuche mit dieser Spü¬ lung ergaben einen gleichmäßigen Leerlauf bei sehr nied¬ riger Drehzahl und einwandfreie Zündung bei jedem Hub.

Trotz ihrer funktionellen Vorteile ist die erfindungs¬ gemäße Verbrennungskraftmaschine im Aufbau wesentlich einfacher als konventionelle Zweitaktmotoren, da sie den Unterbau - Kurbelwelle, ölwanne, Schmierung - von Vier¬ taktmotoren besitzt und die Zylinderwand nur durch zwei Öffnungen durchbrochen wird, eine als Auslaßschlitz und die andere als Spülschlitz. Dadurch kann auch ein Mehrzy lindermotor in einfacher Gußtechnik mit engen Zylinder¬ abständen hergestellt werden.

Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung wird nicht wie bei Stand der Technik insbesondere im Tei llastbereich für eine optimale Ausspülung der verbrannten Gase oder gar Vermischung der Frisch- und Restgase gesorgt. Auf¬ gabe der Erfindung ist es im Gegenteil, Frisch- und Rest- gase streng voneinander zu trennen, um eine ausgeprägte Ladungsschichtung und Magerbetrieb auch bei niedriger Teillast zu erreichen. Die erfindungsgemäße Gestaltung ist der einzige Weg, um di ses Ziel auf einfachste Weise zu erreichen.

Die Strömungsverluste in den Spülkanälen sind besonders gering, wenn diese gemäß einer vorteilhaften Ausgestal ^¬ tung der Erfindung weitgehend geradlinig und sich zum Zylinder hin verjüngend verlaufen. Weiterhin wird durch diese Gestaltung eine besonders hohe Rotationsgeschwin¬ digkeit der Frischgaswalze erreicht.

Vorteilhaft ist es auch, wenn zwischen der Aufladeein¬ richtung und dem Spülkanal eine Rückschlageinrichtung in Form von Rückschlagventilen vorgesehen ist. Dadurch kann ein Zurückschlagen von verbrannten Gasen aus dem Zylin¬ der in die Aufladeeinrichtung verhindert werden. Solche Rückschlagventile können zum Beispiel als an sich be¬ kannte Zungenventile ausgebildet sein, wie sie heute auf der Einlaßseite mancher konventionellen Zweitaktmotoren üblich sind. Sie öffnen automatisch, sobald der Druck im Zylinder unter jenen der Aufladeeinrichtung fällt. Sie lassen sich zudem so strömungsgünstig ausbilden, daß sie den Gasstrom nicht behindern und keinen zusätzlichen Leistungsbedarf erfordern.

Statt eines Rückschlagventils kann man gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch eine von der Verbrennungskraftmaschine direkt oder nach einem Programm angetriebene Absperreinrichtung vorsehen. Besonders günstig ist es, wenn die Absperreinrichtung ein Drehsch eber ist. Solche Drehschieber sind insbeson¬ dere bei Mehrzylindermotoren vortei lhaft. Dieser Dreh¬ schieber wird in bekannter Weise so ausgebi ldet, daß die Frischgase an einer Stirnseite ins Rohr eintreten und dieses zu den Steueröffnungen durchströmen. Der Dreh¬ schieber kann durch Zahnπ ^' emen, Kette oder Zahnräder angetrieben werden.

Der Antrieb des Drehschiebers ist besonders einfach, wenn der Drehschieber parallel zur Kurbelwelle angeord¬ net ist.

Zwischen dem Drehschieber und dem Antrieb wird ein Ver¬ stellorgan eingefügt, wie es zum Beispiel von der Firma Pierburg zur Verstellung von Nockenwellen entwickelt wurde. Dadurch wird die geförderte Luftmenge dem jewei¬ ligen Bedarf des Motors optimal angepaßt und eine üb¬ liche Drosselklappe kann entfallen.

Die Verstellung geschieht vollautomatisch durch ein elek¬ tronisches Steuergerät, von dem Last, Drehzahl, Druck und Temperatur verarbeitet werden. Das Steuergerät kann mit jenem für Zündzeitpunkt und Kraftstoffeinspritzung kombiniert werden, so daß dann auch Luftmenge und Luft¬ masse als Einflußgröße zur Verfügung stehen. Der Ersatz der üblichen Drosselklappe durch die Steuerkante des Drehschiebers stellt sicher, daß beim öffnen der Dreh¬ schi ebersteuerkante stets der volle Ladedruck für hohe Frischgasgeschwindigkeit im Überströmkanal sorgt. Zudem ist es im Schiebebetrieb möglich, die Steueröffnung voll¬ ständig zu schließen, so daß der Effekt der Schubabscha l- tuπg mit KraftStoffersparung erzielt wird.

Bei Benzineinspπ ^' tzung und deren Abschaltung während der Schubphase kann die Elektronik jedoch auch für höheren Luftdurchsatz sorgen und durch höhere Verdichtungsarbeit im Zylinder und im Lader für schnelleres Abbremsen der Motordrehzahl.

Vorteilhaft ist es auch, wenn der Spülschlitz über einen größeren Kurbelwinkel geöffnet st als der Auslaßschlitz und wenn d e Spülschl tzunterkante wesentlich höher liegt als die steuernde Kolbenoberkante im unteren Tot¬ punkt. Bei einer solchen Ausgestaltung kann das Frisch¬ gas über eine längere Zeit unbeeinflußt von der oberen

Kolbenkante in den Zylinder strömen.

Zwar sind im schweizerischen Patent Nr. 268 279 über¬ strömschlitze gezeigt, deren Oberkanten höher angeordnet sind als die Oberkanten der Auslaßschlitze, doch dieser Motor kann nicht laufen, da eine solche Schlitzanordnung ausschließlich bei Fremdaufladung sinnvoll ist. Der im gleichen Patent beschriebene Überströmschieber ist eben ^¬ so sinnlos, da es sich ausdrücklich um einen Zweitakt¬ motor mit Kurbe l kastenspü lung handelt. Zweitaktmotoren mit Kurbelkastenspülung sind darauf angewiesen, daß bei herabgehendem Kolben nach ffnen der überströmschlitze verbranntes Gas in den Kurbelkasten drückt und hier ein¬ mal für Druckerhöhung sorgt, andererseits aber auch für späteres überströmen. Zwe taktmotoren mit Kurbelkasten¬ pumpe und mechanisch ungesteuertem überströmen arbeiten beim Gaswechsel ohnehin "unsymmetrisch" und können durch die im Patent 268 279 gezeigten Einrichtungen bis zur Eigenlauf-Unfähigkeit verschlechtert werden.

Die Ausbildung des Breπnraumes als Ringkanal führt zu einem konstruktiv einfachen Aufbau der Verbrennungskraft¬ maschine und verhindert unerwünscht hohe thermische Be¬ lastungen. Der Brennraum kann jedoch auch scheibenförmig oder als Zwischenform ausgestaltet se n.--

Vorteilhaft ist es auch, wenn bei der Ausgestaltung als Ottomotor die Zündkerze außen am Brennraumumfang vorge¬ sehen ist, da dort ein besonders leicht zündfähiges Ge¬ misch rotiert, so daß es zu einem zuverlässigen Zünden auch bei niedrigen Drehzahlen kommt. Durch diese Ma߬ nahme wird ein Zweitakt-Ottomotor verwirklicht, der die Vorteile eines üblichen Zweitakters aufweist, jedoch nicht die Nachteile eines schlechten Wirkungsgrades, eines schlech en Rundlaufs im Teillastbereich und eines hohen Schadstαffgeha 11es im Abgas hat.

Besonders zuverlässig wird gezündet, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung zwei Zündkerzen um 180 Grad versetzt außen am Brennraumumfang vorgesehen sind.

Um Restunwuchten des Kurbeltriebs zu beseitigen, kann der Drehschieber gleichzeitig als Ausgleichswelle ausgebildet sein.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Mehrere davon sind in der Zeichnung stark schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. In ihr zeigen die

Fig. 1 einen horizontalen Schnitt durch eine Ver¬ brennungskraftmaschine nach der Erfindung, wobei Einlaß- und Auslaßkanal für besseres Verständnis in die Schnittebene gekippt wurden,

Fig. 2 einen Vert kalschnitt im Bereich des Einla߬ kanals durch eine Verbrennungs k raftmasch i ne nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Abschnitt einer Zyliπderabwicklung im Bereich der Schlitze des Zylinders der Ver¬ brennungskraftmasch ne,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch eine zweite Aus¬ führungsform eines Zylinders der Verbren- πungskraftmaschine nach der Erfindung,

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch einen Zylinder der erfindungsgemäßen Verbrennungskraft- maschine mit einem Drehschieber.

Die Figur 1 zeigt von einer Verbrennungs raftmaschine einen Zyl nder 1, in den durch einen Spülschlitz 2 ein geradliniger, sich zum Zylinder 1 hin verjüngender Spül¬ kanal 3 tangential hineinführt. Neben dem Spülschlitz 2 ist ein Auslaßschlitz 4 vorgesehen, über den verbrannte Gase den Zylinder 1 verlassen, um über einen Auslaßkanal 5 zum nicht gezeigten Auspuff zu gelangen. Nahe der In- nenumfangsfläche des Zylinders 1 ist gestrichelt eine Zündkerze 6 dargestellt, die im Zylinderkopf sitzt und deshalb in der Schnittdarstellung eigentlich nicht zu sehen ist. Nicht gezeigt ist eine Auf ladeei nri chtung, von der aus Frischgas über den Spülkaπal 3 in den Zylin¬ der 1 eintritt, um dort eine durch einen Pfeil 7 angedeu¬ tete Frischgaswalze zu bilden.

Die Figur 2 zeigt, daß der Spülkanal 3 schräg nach oben in den Zyl nder 1 hineingerichtet i-st. Dadurch bi ldet sich eine entsprechend nach oben gerichtete, entlang der Innenmantelfläche des Zylinders 1 ausgerichtete, schrau¬ benförmig nach oben gerichtete Strömung aus, was wieder¬ um durch den Pfeil 7 veranschaulicht wurde. Zu erkennen ist am Eingang des Spülkanals 3 eine Rückschlage nrich- tung 10, die als Zungeπventil ausgeb ldet ist und zwei in Richtung des Zylinders 1 weisende, an ihren Enden auf¬ einanderstoßende Zungen 11, 12 hat.

Weiterhin gezeigt ist in der Figur 2 ein Kolben 13, welcher sich in der dargestellten untersten Stellung mit seiner Oberkante 14 unterhalb des Spülschlitzes 2 befin¬ det, in den der Spülkanal 3 mündet.

In der Ausführungsform gemäß der Figur 3 ist der Spül¬ schlitz 2 höher angeordnet als der Auslaßschlitz 4, so daß sowohl seine Oberkante 15 als auch seine Unterkante

17 in Bezug auf die Oberkante 14 des Kolbens höher liegen als die entsprechende Oberkante 16 und Unterkante

18 des Auslaßschlitzes 4.

Bei der Ausführungsform gemäß der Figur 4 ist der Brenn- raum 19 als Ringkanal ausgebi ldet.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 ist im Spülkanal 3 ein Drehschieber 21 parallel zur nicht dargestellten Kurbelwelle angeordnet. Dieser Drehschieber 21 wird von der Kurbelwelle angetrieben und steuert über eine Steuer¬ öffnung 22 das eintretende Spülgas. Zu erkennen ist wei¬ terhin, daß auch bei dieser Ausführungsform der Spül¬ schlitz 2 höher angeordnet ist als der Auslaßschlitz 4. Dargestellt und positioniert sind in Figur 5 weiterhin der Auslaßkanal 5 und der Kolben 13 mit der Kolbenober¬ kante 14, welche sich in der gezeigten Kolbenstellung im unteren Totpunkt befindet.

Aufl stung der verwendeten Bezugszeichen

1 Zy l i πder

2 Spülschl tz

3 Spü l kana l

4 Auslaßschi itz

5 Auslaßkaπal

6 Zündkerze

7 Pfeil (=Dre ri chtung der Ladung ⁾

10 Rückschlageinrichtung

11 Zunge

12 Zunge

13 Kolben

14 Oberkante

15 Oberkante

16 Oberkante

17 Unterkaπte

18 Unterkante

19 Brennraum

20 E nspritzdüse

21 Drehschi eber

22 Steueröffnung