AT503127B1 - Zweitakt-verbrennungsmotor - Google Patents

Description

2 AT 503 127 B1

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweitakt-Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder, mit einem über zumindest einen Überströmkanal mit dem Zylinder strömungsverbundenen, mit einer Luftansaugleitung versehenen Kurbelgehäuse und mit wenigstens einer in den Zylinder mündenden, in Abhängigkeit von der Hublage des Kolbens ansteuerbaren Einspritzdüse zum Einträgen von Kraftstoff in den Zylinder und/oder in das Kurbelgehäuse durch eine Mantelöffnung des Kolbens.

Um die Spülverluste von Zweitakt-Verbrennungsmotoren mit einer Gemischbildung durch ein Einspritzen von Kraftstoff in die in das Kurbelgehäuse angesaugte Frischluft zu verringern, kann der Kraftstoff entweder beim Überströmen der in das Kurbelgehäuse angesaugten Luft in den Zylinder im Bereich des Überströmkanals oder unmittelbar in den Zylinder eingespritzt werden. In beiden Fällen ist eine zeitverzögerte Kraftstoffeinspritzung zur Verringerung der Spülverluste möglich. Mit der verzögerten Kraftstoffeinspritzung geht allerdings eine unvollkommene Gemischbildung einher, was zu einer verringerten Drehzahlfestigkeit und einer unvollständigen Verbrennung führt. Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde bereits vorgeschlagen (US 47 79 581 A), den Kraftstoff in Abhängigkeit von der Belastung des Motors bzw. von der Motordrehzahl entweder in die in das Kurbelgehäuse angesaugte Luft oder im Ausströmbereich des Überströmkanals durch diesen in den Zylinder einzuspritzen. Zu diesem Zweck wird je eine Einspritzdüse in der Luftansaugleitung des Kurbelgehäuses und im Mündungsbereich des Überströmkanals angeordnet. Um den damit verbundenen Konstruktionsaufwand zu vermeiden, ist es bereits bekannt (EP 0 980 969 A2), eine einzige im Zylinder mündende Einspritzdüse vorzusehen, die während des Warmlaufens des Zweitakt-Verbrennungsmotors Kraftstoff durch eine Mantelöffnung des Kolbens in das Kurbelgehäuse einträgt, um das sich im Kurbelgehäuse bildende Kraftstoff-Luftgemisch über den Überströmkanal in den Verbrennungsraum zu fördern. Mit steigender Betriebstemperatur wird Kraftstoff zunehmend auch oberhalb des Kolbens direkt in den Verbrennungsraum des Zylinders gespritzt, bis nach dem Erreichen der Betriebstemperatur die Einspritzdüse bezüglich ihrer Einspritzintervalle so angesteuert wird, daß der gesamte Kraftstoffbedarf direkt in den Verbrennungsraum gelangt. Es ist darüber hinaus bei einer ähnlichen Konstruktion bekannt (WO 2006/007614 A1), die Gemischbildung innerhalb oder außerhalb des Kurbelgehäuses in Abhängigkeit von der Motordrehzahl bzw. der Motorbelastung vorzunehmen, um einerseits die Spülverluste klein zu halten und anderseits eine gute Drehzahlfestigkeit sicherzustellen. Untersuchungen haben allerdings gezeigt, daß die angestrebten Ergebnisse hinsichtlich der Spülverluste und der Drehzahlfestigkeit nicht erreicht werden konnten und auch die Emissionswerte unter den Erwartungen zurückblieben.

Zur Kraftstoffeinspritzung mit vergleichsweise niedrigem Druck ist es bei Zweitakt-Verbrennungsmotoren außerdem bekannt (DE 37 44 609 A1), zwei Einspritzdüsen vorzusehen, die im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens Kraftstoff in den Zylinder einspritzen, und zwar über Einspritzkammern, die unmittelbar oberhalb eines Überströmkanales in den Zylinder münden. Durch den Überströmkanal, der in der unteren Totpunktlage des Kolbens über eine Mantelöffnung des Kolbens mit dem Kurbelgehäuse in Strömungsverbindung steht, wird die Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum des Zylinders gefördert. Da die Luftförderung durch eine Mantelöffnung des Kolbens erfolgt, liegt die im Zylinder vorgesehene Einströmöffnung des Überströmkanals in der unteren Totpunktlage des Kolbens der Mantelöffnung des Kolbens gegenüber, was eine Kühlung des Kolbenbodens durch die überströmende Verbrennungsluft mit sich bringt, aber keine Auswirkung auf die Spülverluste und die Emissionswerte hat. Kraftstoff, der nicht aus der Einspritzkammer unmittelbar in den Verbrennungsraum des Zylinders gelangt, kann durch eine Verbindungsbohrung zwischen der Einspritzkammer und dem Überströmkanal in diesen gelangen, um mit der Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum gespült zu werden.

Schließlich ist es bekannt (FR 2 545 157 A1), bei einem Zweitakt-Verbrennungsmotor mit einer Kraftstoffansaugung über den Einlaßkanal des Kurbelgehäuses im Kolben auf einander diametral gegenüberliegenden Seiten zwei sich über die volle Mantelhöhe erstreckende Mantelöffnungen vorzusehen, die im Umfangsbereich der Überströmkanäle vorgesehen sind, so daß beim 3 AT 503 127 B1

Arbeitshub des Kolbens zunächst das über den Kolbenboden erhitzte Kraftstoff-Luftgemisch aus dem Bereich des Kolbenbodens durch die Mantelöffnungen in die gegenüber dem Verbrennungsraum durch den Kolben geschlossenen Überströmkanäle und durch diese zurück in das Kurbelgehäuse verdrängt wird, bevor nach dem Öffnen der Überströmkanäle das Kraftstoff-5 Luftgemisch durch die Überströmkanäle und den Kolben in den Verbrennungsraum gelangt. Eine solche Kolbenspülung kann zwar dazu beitragen, die Wärmebelastung des Kolbenbodens zu verringern, doch ist die Anordnung von einander gegenüberliegenden Überströmkanälen hinsichtlich der Spülverluste ungünstig. Außerdem ist diese bekannte Konstruktion auf eine Kraftstoffansaugung in das Kurbelgehäuse beschränkt. 10

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Zweitakt-Verbrennungsmotor der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß das Betriebsverhalten hinsichtlich der Spülverluste, der Drehzahlfestigkeit und der Emissionswerte erheblich verbessert werden kann. 15 Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß der Überströmkanal von einer im Zylinder vorgesehenen Einströmöffnung ausgeht, die im Hublagenbereich des Kolbens für den geöffneten Überströmkanal der Mantelöffnung des Kolbens gegenüberliegt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch das Einspritzen von Kraftstoff in den 20 Kolben sich im Bereich des Kolbenbodens über mehrere Umdrehungen ein kraftstoffreicheres Gemisch ansammelt, das zeitverzögert und ungleichmäßig über den Überströmkanal in den Verbrennungsraum des Zylinders gelangt, was zu einem ungleichmäßigen Lauf und vergleichsweise hohen Spülverlusten sowie einem Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen führt. Wird daher das Kraftstoff-Luftgemisch aus dem Kurbelgehäuse über die Mantelöff-25 nung des Kolbens in den Verbrennungsraum des Zylinders gespült, so stellt sich innerhalb des Kolbens eine erhöhte Gasströmung mit der Wirkung ein, daß sich im Kolbenbereich keine höhere Kraftstoffkonzentration aufbauen kann. Damit entfallen alle mit einer Kraftstoffanreicherung im Kolbenbereich verbundenen Nachteile. Das Überströmen des Kraftstoff-Luftgemisches aus dem Kurbelgehäuse durch den Kolben in den Verbrennungsraum kann in einfacher Weise 30 durch einen Überströmkanal sichergestellt werden, dessen Einströmöffnung im Bereich der unteren Totpunktlage des Kolbens dessen Mantelöffnung gegenüberliegt, so daß im Bereich der Kolbenhublagen, in denen der Überströmkanal zum Verbrennungsraum des Zylinders geöffnet ist, eine Strömungsverbindung vom Kolbeninneren zum Verbrennungsraum besteht. Dieser Überströmkanal kann außerdem hinsichtlich seiner Austrittsströmung so gestaltet wer-35 den, daß sich im Verbrennungsraum Strömungsverhältnisse einstellen, die eine zusätzliche Verringerung der Spülverluste ermöglichen.

Dazu kommt, daß durch die vermehrte Strömung im Bereich des Kolbenbodens in Verbindung mit in diesem Bereich verdampfendem Kraftstoff eine Kühlwirkung auf der Kolbenunterseite 40 erreicht wird, was insbesondere bei Hochleistungsmotoren von Bedeutung ist. Außerdem wird die Schmierung des Kolbens verbessert, weil einerseits bei jedem Überströmvorgang kraftstoffreiches Gemisch aus dem Kolben in den Zylinder gespült wird, wodurch die Gefahr einer Verdünnung des Schmierfilms durch eingespritzten Kraftstoff minimiert werden kann, und anderseits ölhaltige Luft aus dem Kurbelgehäuse in den Kolben gelangt. 45

Besonders vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn die Mantelöffnung des Kolbens in der den Überströmkanal freigebenden Totpunktlage über die Einströmöffnung des Überströmkanals gegen das Kurbelgehäuse hin erweitert ist. In diesem Falle wird nämlich nicht nur für eine frühzeitige Öffnung der Einströmöffnung des Überströmkanals gesorgt, sondern so auch das mögliche Einspritzintervall der Einspritzdüse für einen Kraftstoffeintrag in das Kurbelgehäuse verlängert. Voraussetzung hiefür ist, daß die Mündungsöffnung im Zylinder für die Einspritzdüse gegen die untere Totpunktlage des Kolbens hin verlagert wird. Liegt die Mündungsöffnung im Zylinder für die Einspritzdüse höchstens um die Höhe der Ausströmöffnung des Überströmkanals über dem oberen Rand des Auspuffkanals, so wird den üblichen Anforde-55 rungen vorteilhaft Rechnung getragen, zumal in diesem Fall der Verdichtungsdruck beim 4 AT 503 127 B1

Einspritzen von Kraftstoff unmittelbar in den Verbrennungsraum des Zylinders noch ausreichend beschränkt ist.

Beim Vorsehen mehrerer Überströmkanäle muß davon ausgegangen werden, daß sich im 5 Hinblick auf die Spülverluste unterschiedliche Strömungsbedingungen im Bereich der einzelnen Überströmkanäle ergeben, so daß es vorteilhaft ist, von den Überströmkanälen für die Kraftstoffvorlage jene mit den geringsten Spülverlusten auszuwählen. Beim Vorsehen mehreren Überströmkanälen kann daher vorteilhaft für das Überströmen des Kraftstoff-Luftgemisches aus dem Kurbelgehäuse in den Verbrennungsraum des Zylinders nur eine Gruppe aus wenigstens io einem Überströmkanal über die Mantelöffnung des Kolbens freigegeben werden. Die übrigen Überströmkanäle dienen somit nur für die Luftvorlage.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen 15

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zweitakt-Verbrennungsmotor ausschnittsweise in einem vereinfachten Axialschnitt mit einer Kolbenhublage für einen Kraftstoffeintrag in das Kurbelgehäuse,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung des Zweitakt-Verbrennungsmotors mit einer 20 Kolbenhublage für eine unmittelbare Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum und

Fig. 3 den Zweitakt-Verbrennungsmotor nach den Fig. 1 und 2 mit dem Kolben in der unteren Totpunktlage.

Der dargstellte Zweitakt-Verbrennungsmotor weist wenigstens einen Zylinder 1 auf, dessen 25 Zylinderkopf 2 mit einer Gewindebohrung 3 zur Aufnahme einer Zündkerze versehen ist. Der Zylinder 1 ist mit einem Kurbelgehäuse 4 zu einem Motorblock verbunden. Zwischen dem Kurbelgehäuse 4 und dem Verbrennungsraum 5 des Zylinders 1 sind Überströmkanäle 6, 7 vorgesehen, die über den Kolben 8 bei einer Umdrehung der Kurbelwelle 9 in Abhängigkeit von der Hublage des Kolbens 8 geöffnet und geschlossen werden. Von den Überströmkanälen 6, 7 30 weist der dem Auslaßkanal 10 des Zylinders 1 gegenüberliegende Überströmkanal 6 einen besonderen Verlauf auf, weil er von einer vom Zylinder 1 vorgesehenen Einströmöffnung 11 ausgeht, die in einem Kolbenhublagenbereich, in dem die Ausströmöffnung 12 des Überström-kanals 6 vom Kolben 8 freigegeben wird, einer Mantelöffnung 13 des Kolbens 8 gegenüberliegt, wie dies insbesondere der Fig. 3 entnommen werden kann. Aus der Fig. 3, die den Kolben 8 in 35 seiner unteren Totpunktlage zeigt, wird außerdem ersichtlich, daß die Mantelöffnung 13 des Kolbens 8 über die Einströmöffnung 11 des Überströmkanals 6 gegen das Kurbelgehäuse 4 hin erweitert ist, und zwar in einem Ausmaß, das angenähert der in Richtung der Zylinderachse gemessenen Höhe der Ausströmöffnung 12 des Überströmkanals 6 entspricht. 40 Zum Einspritzen von Kraftstoff dient eine Einspritzdüse 14, die über eine nicht dargestellte Steuereinrichtung angesteuert wird. Der Zylinder 1 bildet für die Einspritzdüse 14 eine Mündungsöffnung 15, die im Ausführungsbeispiel unmittelbar über der Ausströmöffnung 12 des Überströmkanals 6 liegt, aber nicht höher als der um die Höhe der Ausströmöffnung 12 in Richtung der Zylinderachse verlängerte obere Rand des Auslaßkanals 10 liegen soll, um die zum 45 Einspritzen des Kraftstoffes zu überwindenden Drücke im Verbrennungsraum beschränkt zu halten. Dies bedeutet, daß in einem vergleichsweise großen oberen Hublagenbereich des Kolbens 5 Kraftstoff durch die Mantelöffnung 13 in den Kolben 8 eingetragen werden kann, wie dies aus der Fig. 1 erkennbar ist. Aufgrund der eingezeichneten Drehrichtung der Kurbelwelle 9 ist das Einlaßventil 16 in der Luftansaugleitung 17 des Kurbelgehäuses 4 geöffnet, so daß so durch die sich durch den Kolben 8 ergebende Kurbelgehäusepumpe Frischluft in das Gehäuse 4 angesaugt wird, die mit dem eingespritzten Kraftstoff gemischt wird, so daß während des anschließenden Arbeitshubes des Kolbens 8 das Kraftstoff-Luftgemisch bei geschlossenem Einlaßventil 16 verdichtet wird, um im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens 8 aus dem Kurbelgehäuse 4 in den Verbrennungsraum 5 des Zylinders 1 gespült zu werden. Entsprechend 55 der Fig. 3 erfolgt diese Gemischförderung durch den Überströmkanal 6 der zu diesem Zweck

Claims (4)

1. 5 AT 503 127 B1 über die Mantelöffnung 13 des Kolbens 8 freigegeben wird. Durch die schematischen Strömungspfeile der Fig. 3 wird veranschaulicht, daß zufolge dieser Maßnahmen auch im Bereich des Kolbenbodens eine verstärkte Gasbewegung während des Überströmvorgangs auftritt, so daß kraftstoffreicheres Gemisch auf der Unterseite des Kolbens 8 bei jedem Überströmvorgang 5 aus dem Kolben in den Verbrennungsraum 5 des Zylinders 1 gespült wird. Dies bedeutet, daß keine Kraftstoffanreicherung über mehrere Umdrehungen in diesem Kolbenbereich auftreten kann, so daß die mit einer solchen Kraftstoffanreicherung verbundenen Nachteile vermieden werden, was sich insbesondere auf die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe vorteilhaft auswirkt. Außerdem wird aufgrund des Verlaufs des Überströmkanals 6 im Zusammenwirken io mit den zeitlichen Einspritzintervallen der Einspritzdüse 14 eine Ladung des Zylinders 1 ermöglicht, die Spülverluste minimiert, zumal über die übrigen Überströmkanäle kein Kraftstoff-Luftgemisch in den Verbrennungsraum 5 gelangt. Der dargestellte Zweitakt-Verbrennungsmotor kann aber auch entsprechend der Fig. 2 mit einer 15 unmittelbaren Kraftstoffeinspritzung betrieben werden, wenn das Einspritzintervall der Einspritzdüse 14 so gewählt wird, daß der Kraftstoff gegen die Oberseite des Kolbens 8 gespritzt wird. Da die Einspritzdüse 14 gegen den Ausströmbereich des Überströmkanals 6 gerichtet ist, können wiederum die durch diesen Überströmkanal 6 bedingten Strömungsverhältnisse für eine Minimierung der Spülverluste genützt werden. Ein erfindungsgemäßer Zweitakt-Verbrennungs-20 motor kann somit in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von der Drehzahl bzw. von der Motorbelastung mit einer Gemischbildung innerhalb und/oder außerhalb des Kurbelgehäuses 4 betrieben werden, um eine Anpassung an die jeweiligen Betriebsbedingungen zu erreichen. 25 Patentansprüche: 1. Zweitakt-Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder, mit einem über zumindest einen Überströmkanal mit dem Zylinder strömungsverbundenen, mit einer Luftansaugleitung versehenen Kurbelgehäuse und mit wenigstens einer in den Zylinder mündenden, in 30 Abhängigkeit von der Hublage des Kolbens ansteuerbaren Einspritzdüse zum Einträgen von Kraftstoff in den Zylinder und/oder in das Kurbelgehäuse durch eine Mantelöffnung des Kolbens, dadurch gekennzeichnet, daß der Überströmkanal (6) von einer im Zylinder (1) vorgesehenen Einströmöffnung (11) ausgeht, die im Hublagenbereich des Kolbens (8) für den geöffneten Überströmkanal (6) der Mantelöffnung (13) des Kolbens (8) gegenüberliegt. 35
2. 2. Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelöffnung (13) des Kolbens (8) in der den Überströmkanal (6) freigebenden Totpunktlage über die Einströmöffnung (11) des Überströmkanals (6) gegen das Kurbelgehäuse (4) hin erweitert ist. 40
3. 3. Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsöffnung (15) im Zylinder (1) für die Einspritzdüse (14) höchstens um die Höhe der Ausströmöffnung (12) des Überströmkanals (6) über dem oberen Rand des Auslaßkanals (10) liegt. 45
4. 4. Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Überströmkanälen für das Überströmen des Kraftstoff-Luftgemisches aus dem Kurbelgehäuse (4) in den Verbrennungsraum (5) des Zylinders (1) nur eine Gruppe aus wenigstens einem Überströmkanal (6) über die Mantelöffnung (13) des Kolbens (8) so freigebbar ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 55