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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Doppelzylinder-Zweitakt-Motor.
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Bei einem Zweitaktmotor liegt bei gleicher Zylinderzahl gegenüber einem Viertaktmotor die doppelte Zündfrequenz vor. Es ergibt sich dadurch eine verbesserte Laufruhe.
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Diese Vorteile können jedoch nicht die Nachteile gegenüber dem Viertaktmotor aufwiegen. Dies sind beispielsweise die Schadstoffemissionen und der Verschleiß. Die Schadstoffemissionen entstehen durch die Spülverluste bzw. die unvollkommene Zylinderausspülung der Umkehrspülung.
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Es sind Zweitakt-Motoren bekannt, die als Gegenkolbenmotor ausgelegt sind. Bei solchen Gegenkolbenmotoren befinden sich die Kolben flach gegenüber in einer Linie. Die zwei Kolben arbeiten im selben Zylinder gegeneinander und teilen sich einen gemeinsamen Brennraum in der Mitte des Zylinders. Die Ein- und Auslassschlitze liegen an entgegengesetzten Enden des Brennraums und werden von den Kolben in der Nähe ihrer äußeren Totpunkte freigegeben. Hierdurch erreicht man eine Gleichstromspülung und damit einen Gasaustausch, der praktisch ebenso vollständig ist wie bei einem Viertakt-Motor. Allerdings unterscheidet sich der Aufbau wesentlich von einem konventionellen Hubkolbenmotor. Der Motor verfügt über zwei außen liegende Kurbelwellen. Pro Zylinder sind zwei Pleuel und zwei Kolben vorhanden. Bei dieser Bauart kann also auf eine Nockenwelle samt Ventile verzichtet werden.
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Bei den Gegenkolbenmotoren sind Ausführungen mit einer oder mit zwei Kurbelwellen bekannt. Im ersten Falle muss mindestens einer der beiden Kolben über lange Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden sein. Dies vergrößert die schwingenden Massen und ist ungünstig für die maximale Drehzahl und damit für die Maximalleistung des Motors. Im zweiten Falle müssen die Kurbelwellen aufwendig miteinander verbunden werden. Als Nachteil bei den bekannten Gegenkolbenmotoren ist daher die komplizierte Konstruktion anzusehen.
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Aus der
DE 4228639 A1 ist eine Zylinderläufermaschine bekannt, bei welcher in einem Gehäuse ein Zylinderläufer mit mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Zylindern um eine erste Drehachse rotiert. An einer exzentrisch zur ersten Drehachse angeordneten Kurbelwelle sind drei Paare starr durch Kolbenstangen miteinander verbundener Kolben geführt, deren Hubachsen um 120° gegeneinander versetzt sind.
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Aus der
DE 711136 A ist eine Zweitaktdoppelkolbenbrennkraftmaschine bekannt, die einen gemeinschaftlichen, als Überstromkanal wirkenden Brennraum für zwei zusammenarbeitende Zylinder aufweist.
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Aus der
DE 85 31 243 U1 ist eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einem Doppelkolben und zwei Zylindern mit einem gemeinsamen Brennraum bekannt, wobei jeweils eine Kurbewelle und ein gemeinsames Kurbelgehäuse vorgesehen ist.
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Aus der
EP 1 775 455 A2 ist eine selbstzündende Brennkraftmaschine bekannt, bei der zwischen Brennraum und Zylinderkopf eine gekühlte Platte angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitakt-Motor bereitzustellen, der eine kompakte Bauart erlaubt, ohne die Vorteile von Zweitakt-Motoren einzubüßen.
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Die Aufgabe wird durch einen Zweitaktmotor mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Zweitaktmotor weist mindestens einen ersten Zylinder mit einer Einlassöffnung für Frischluft und mindestens einen parallel neben dem ersten Zylinder angeordneten zweiten Zylinder mit einer Auslassöffnung für Abgas auf. Ferner ist ein in dem ersten Zylinder über eine erste Pleuelstange beweglich angeordneter Einlasskolben vorgesehen, der einen ersten Zylinderraum begrenzt, sowie ein in dem zweiten Zylinder über eine zweite Pleuelstange beweglich angeordneter Auslasskolben, der einen zweiten Zylinderraum begrenzt. Der erfindungsgemäße Zweitaktmotor weist außerdem einen den ersten und zweiten Zylinder abdichtenden und den ersten und zweiten Zylinderraum begrenzenden Zylinderkopf, einen den ersten und zweiten Zylinderraum verbindenden Überströmkanal, einen Kraftstoffeinlass sowie eine Kurbelwelle mit mindestens zwei Kurbelwellenzapfen auf, wobei die parallel angeordneten Zylinder entlang der Längsachse der Kurbelwelle angeordnet sind.
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Der erfindungsgemäße Zweitaktmotor erlaubt eine kompakte Bauweise. Die Vorteile eines Zweitakt-Gegenkolbenmotors bleiben erhalten. Die nachteilige zweite Kurbelwelle entfällt. Die Ausrichtung der Kurbelwelle relativ zu den zu einem Zylinderpaar angeordneten Zylinder ermöglicht die Verwendung gleicher Bauteile für beide Zylinder und somit eine hohe Flexibilität bei der Auslegung des Motors.
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Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Zweitaktmotor ein Flugzeugmotor. Der Motor kann auch in anderen Fahrzeugen Verwendung finden sowie stationär betrieben werden.
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Die Kurbelwellenzapfen umfassen zumindest einen dem ersten Zylinder zugeordneten Einlasskurbelwellenzapfen und einen dem zweiten Zylinder zugeordneten Auslasskurbelwellenzapfen.
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Bevorzugt steuert der Einlasskolben den Einlass und der Auslasskolben den Auslass des Frisch- bzw. Abgases. Dies ist realisierbar, indem der Auslasskolben dem Einlasskolben vorauseilt, was bewirkt, dass der Auslasskolben beim Arbeitshub zum unteren Totpunkt zuerst die Auslassöffnung freigibt, wodurch eine Druckentlastung der Zylinder erfolgt. Ein Spülvorgang mit Frischluft beginnt. Folglich schließt auch der Auslasskolben den Auslass zuerst, so dass eine vorgegebene Aufladung der Zylinder erfolgen kann. Eine solche Gleichstromspülung verringert beim Zweitaktmotor die Probleme mit der Spülung, indem sie den Auslasskanal nach dem Arbeitstakt früher öffnen und beim Füllen des Zylinders früher schließen lässt. Es entsteht ein unsymmetrisches Steuerdiagramm. Hierzu sind der Einlasskurbelwellenzapfen und der Auslasskurbelwellenzapfen um etwa 5° bis 20°, bevorzugt 10° versetzt zueinander in der Kurbelwelle angeordnet.
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Der Zylinderkopf kann an einem oberen Flansch mit den Zylindern verschweißt sein. Der obere Flansch kann den Zylindern, dem Zylinderkopf oder einem Zylindergehäuse zugeordnet sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Zylinderkopf mit Rippen zur Verstärkung und Kühlung versehen. Alternativ oder zusätzlich können an den Zylindern derartige Rippen angeordnet sein.
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Die Zylinder können an einem unteren Flansch mit einem Kurbelgehäuse verbunden sein.
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Bevorzugt ist der Kraftstoffeinlass in dem Zylinderkopf angeordnet. So kann der Kraftstoffeinlass zu keiner Zeit von einem der Kolben verschlossen werden. Auch die Anordnung kann so gewählt werden, dass der Kraftstoff im Wesentlichen in die Mitte der Brennkammer eingespritzt wird. Hierzu kann der Kraftstoffeinlass bevorzugt in dem Überströmkanal angeordnet sein. Der Kraftstoffeinlass kann eine Muffe für eine Kraftstoffeinspritzung sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Überströmkanal an einem Ende der Zylinder durch einen gewölbten Zylinderkopf gebildet. Dies vereinfacht die Konstruktion und das Volumen der durch den ersten und zweiten Zylinderraum und den Überströmkanal gebildeten Brennkammer kann in der gewünschten Größe definiert werden.
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Der erste Zylinder und der zweite Zylinder können in einem gemeinsamen Doppelzylindergehäuse gebildet sein. Das Gehäuse kann einteilig geformt sein. Durch eine solche Bauweise kann für die parallelen Zylinder eine gemeinsame Trennwand zwischen den Zylindern gebildet sein. Die Stabilität eines solchen Doppelzylinders kann so erhöht werden.
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Der erste und zweite Zylinder können gemeinsam von einer Wandung, beispielsweise einem Blechmantel, umschlossen sein, wobei zwischen der Wandung und den Zylindern ein Hohlraum für eine Flüssigkeitskühlung gebildet ist. Bevorzugt wird dann auch der Raum zwischen den Zylindern von Flüssigkeit durchspült.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert:
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1 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemäßen Zweitaktmotor
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2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Zweitaktmotor mit zwei Zylinderpaaren
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3a zeigt im Schnitt einen Zylinderkopf nach der Erfindung
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3b zeigt im Schnitt den Zylinderkopf aus 3a in einer Seitenansicht
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3c zeigt den Zylinderkopf aus 3a in einer Draufsicht
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Der in 1 dargestellte Zweitaktmotor, beispielsweise ein Dieselmotor, weist einen ersten Zylinder 10 und einen zweiten Zylinder 20 auf, die parallel nebeneinander angeordnet sind. Die Zylinder 10, 20 sind durch einen gemeinsamen Zylinderkopf 31 miteinander verbunden. In dem ersten Zylinder 10 ist ein Einlasskolben 11 geführt, der über eine erste Pleuelstange 14 (nur zum Teil angedeutet) mit einer Kurbelwelle 4 verbunden ist. Analog ist in dem zweiten Zylinder 20 ein Auslasskolben 21 geführt und über eine zweite Pleuelstange 24 mit der Kurbelwelle 4 verbunden.
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Die Kurbelwelle 4 weist einen Einlasskurbelwellenzapfen 41 auf, an dem die erste Pleuelstange 14 des Einlasskolbens 11 geführt ist. Entsprechend ist die zweite Pleuelstange 24 des Auslasskolbens 21 an einem Auslasskurbelwellenzapfen 42 der Kurbelwelle 4 geführt. Die Kurbelwellenzapfen 41, 42 sind im gleichen Radius von der Drehachse der Kurbelwelle 4 angeordnet, jedoch ist der Auslasskurbelwellenzapfen 42 gegenüber dem Einlasskurbelwellenzapfen 41 um einige Winkelgrade versetzt auf einem durch den Radius beschriebenen Kreis in der Kurbelwelle 4 angeordnet. Dies bewirkt, dass der Auslasskolben 21 dem Einlasskolben 11 im Betrieb vorauseilt. Die Zylinder 10, 20 weisen an einem der Kurbelwelle zugewandten Ende je zwei Ausnehmungen 37 auf, die den Pleuelstangen 14, 24 Platz bieten, wenn die Kolben 11, 21 sich auf halbem Wege zwischen ihrem oberen und unteren Totpunkt befinden, die zugeordneten Kurbelwellenzapfen 41, 42 also aus der Figurenebene hinaus oder in diese hinein bewegt werden. Alternativ kann auch der Zapfen für das obere Pleuellager im Kolben 11, 21 zum inneren Totpunkt hin versetzt werden, wodurch auf die Ausnehmungen 37 verzichtet werden kann.
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In dem ersten Zylinder 10 ist ein erster Zylinderraum 12 definiert, der zur Kurbelwelle 4 hin, in der Figur nach unten, durch den Einlasskolben 11 begrenzt ist. Der Auslasskolben 21 begrenzt einen in dem zweiten Zylinder 20 definierten zweiten Zylinderraum 22. Zu einer der Kurbelwelle 4 fernen Seite der Zylinder 10, 20 hin, in der Figur nach oben, sind der erste Zylinderraum 12 und der zweite Zylinderraum 22 durch den Zylinderkopf 31 begrenzt. In dem Zylinderkopf 31 ist ein Überströmkanal 32 vorgesehen, der den ersten Zylinderraum 12 mit dem zweiten Zylinderraum 22 verbindet, so dass die beiden Kolben 11, 21 in ihrem oberen Totpunkt mit dem Zylinderkopf 31 eine gemeinsame Brennkammer bilden.
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Zum Verdichten laufen die zwei Kolben 11, 21 auf den Zylinderkopf 31 zu, bis die dieseltypische Kompressionshitze erreicht ist. Dann wird Kraftstoff durch eine in dem Zylinderkopf 31 angeordnete Muffe 33 in die Brennkammer geleitet, und der Arbeitstakt beginnt. Nach der Zündung laufen beide Kolben 11, 21 nach unten und vollziehen den Arbeitshub. Der Auslasskolben 21 öffnet zuerst die Auslassöffnung 23, so dass sich der Restdruck abbauen kann. Erst dann öffnet der Einlasskolben 11 die Einlassöffnung 13, und Frischgas strömt, z. B. durch einen Ladedruck getrieben, in den ersten Zylinder 10 hinein und schiebt das Altgas hinaus. Bei immer noch freigegebner Einlassöffnung 13 wird die Auslassöffnung 23 geschlossen, wodurch vermieden wird, dass Frischgase verloren gehen, was beim normalen Zweitakter der Fall ist und dort zu höherem Verbrauch führt. Es wird weiter Frischgas in die Zylinder 10, 20 gedrückt, was zur Aufladung führt. Nachdem auch die Einlassöffnung 13 wieder durch den Einlasskolben 11 verdeckt wurde, beginnt die Verdichtung.
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Die Zylinder 10, 20 sind an einem unteren Flansch 36 mit dem Kurbelgehäuse 5 verbunden. Die Zylinder 10, 20 sind ferner von einer an dem unteren Flansch 36 und einem oberen Flansch 35 angeschweißten Wandung 38 umgeben. Zwischen Außenwänden der Zylinder 10, 20 und der Wandung 38 ist ein Hohlraum 39 gebildet, der zur Kühlung des Motors mit einem Kühlmittel gefüllt ist oder durchspült wird.
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In 2 ist schematisch eine Anordnung mit zwei Zylinderpaaren dargestellt, die je einen ersten Zylinder 10 und einen zweiten Zylinder 20 aufweisen. Hierbei sind die Kurbelwellenzapfen 41, 42 so an der Kurbelwelle 4 angeordnet, dass sich die Kolben 11, 21 (in 2 nicht dargestellt) eines Zylinderpaares 10, 20 nahe ihrem unteren Totpunkt befinden während sich die Kolben 11, 21 des anderen Zylinderpaares 10, 20 nahe ihrem oberen Totpunkt befinden. Die versetzte Anordnung der Auslasskurbelwellenzapfen 42 zu den Einlasskurbelwellenzapfen 41 ist auch zu erkennen. Es wird auch klar, dass die Anzahl der Zylinderpaare 10, 20 beliebig erweitert werden kann. Die Reihenfolge der Zylinder 10, 20 kann dann auch vertauscht werden, so dass beispielsweise die ersten bzw. zweiten Zylinder 10, 20 zweier Zylinderpaare benachbart sind und die Einlass- bzw. Auslassöffnungen 13, 23 gegenüberliegen. Gezeigt ist in 2 eine spiegelbildliche Anordnung der Zylinderpaare mit einander zugewandten Einlassöffnungen, so dass zwischen den ersten Zylindern 10 ein gemeinsamer Sammler (nicht dargestellt) für die Ladeluft angebracht werden kann. Auch die Ausrichtung der Zylinderpaare kann variiert werden, indem die Zylinderpaare in beliebigen Winkeln radial um die Drehachse der Kurbelwelle 4 herum angeordnet werden, z. B. zu einem Sternmotor bzw. Doppelsternmotor.
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Die 3a, 3b und 3c zeigen einen Zylinderkopf 31 gemäß der Erfindung. Der Zylinderkopf 31 schließt die nur angedeutet dargestellten Zylinder 10, 20 auf der der Kurbelwelle 4 abgewandten Seite ab. Er kann einen halbovalen oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen. In dem Zylinderkopf 31 können eine oder mehrere Muffen 33 zur Kraftstoffeinspritzung vorgesehen sein. Auch eine nicht dargestellte Zündeinrichtung kann darin angeordnet sein. Ferner ist der Zylinderkopf mit Rippen 34 versehen, die seine Oberfläche vergrößern und somit eine Kühlung begünstigen. Außerdem tragen die Rippen 34 zur Stabilität bei. An dem oberen Flansch 35 ist der Zylinderkopf 31 mit den Zylindern 10, 20 oder mit einem die Zylinder 10, 20 bildenden Doppelzylindergehäuse 3 verbunden.
