DE102010038192A1

DE102010038192A1 - Zweitaktmotor

Info

Publication number: DE102010038192A1
Application number: DE102010038192A
Authority: DE
Inventors: Van-Khanh Tran
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2012-04-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor mit zumindest einem Zylinder und einem sich darin hin- und her bewegenden Kolben, wobei in einem Bodenbereich des Zylinders, nahe des unteren Totpunkts des Kolbens Einlasskanäle zur Frischluftzufuhr angeordnet sind. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zwei punktsymmetrisch zur Zylinderachse angeordnete Einlasskanäle vorgesehen sind, die jeweils einen äußeren Teilkanal und einen inneren Teilkanal aufweisen und wobei zumindest der innere Teilkanal eine den jeweiligen Strömungsquerschnitt stufenlos variierbare Stelleinrichtung aufweist. Hierdurch können eine optimale Gemischbildung und dadurch eine leistungsstarke Verbrennung sowie eine reduzierte Schadstoffemission erreicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor mit zumindest einem Zylinder und einem sich darin hin- und herbewegenden Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einem derartigen Zweitaktmotor ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Aus der DE 198 27 250 B4 ist ein gattungsgemäßer Zweitaktmotor mit von einem Kolben gesteuerten Ein- und Auslassschlitzen bekannt, die nahe dem Kolbenboden in dessen unterer Totpunktstellung angeordnet sind. Zusätzlich weist der Zweitaktmotor tangential oder annähernd tangential und schräg nach oben gerichtete Einströmkanäle auf, die verschiedene Neigungswinkel aufweisen können, die aber so groß sind, dass ein Einströmen des Frischgas oberhalb der Auslassschlitze vorbeiströmt und eine schraubenförmige Spülbewegung des Frischgases im Zylinder eingeleitet wird. Mit dem bekannten Zweitaktmotor soll eine Teilsteuerung des Frischgases sowie eine effektive Spülströmung erreicht werden.
Aus der US 4,469,054 B ist ein weiterer Zweitaktmotor mit zumindest einem Zylinder bekannt, der gemäß einer Ausführungsform zwei Einlasskanäle und einen Auslasskanal aufweist.
Weitere Zweitaktmotoren sind bspw. aus der US 4,249,495 und aus der JP 9-291828 bekannt.
Schließlich ist aus der DE 1 576 028 ein Zweitaktmotor mit einer Zündkammer in einem Zylinder bekannt. Eine Umgrenzung der Zündkammer ist dabei durch einen am allgemeinen ringwulstförmigen Hohlraum gebildet, welcher einen Durchgang, der in die Verbrennungskammer führt, umgibt. Hierdurch soll insbesondere ein gleichmäßiges Zünden des Zweitaktmotors unter allen Betriebsbedingungen, vom Leerlauf bis zur Volllast erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Zweitaktmotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine optimale Verbrennung und damit einen hohen Wirkungsgrad in unterschiedlichsten Lastbereichen ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Zweitaktmotor mit zumindest einem Zylinder und einem sich darin hin- und herbewegenden Kolben zwei punktsymmetrisch zur Zylinderachse angeordnete Einlasskanäle im Bodenbereich des Zylinders, das heißt nahe des unteren Totpunkts des Kolbens, vorzusehen, die jeweils zwei Teilkanäle, nämlich einen äußeren und einen inneren Teilkanal aufweisen und wobei zumindest der jeweils innere Teilkanal sich hinsichtlich seines Strömungsquerschnittes stufenlos variierbar, das heißt einstellbar ist. Zur Regulierung des Strömungsquerschnittes ist eine Stelleinrichtung vorgesehen, die den Strömungsquerschnitt zumindest der inneren Teilkanäle individuell, stufenlos und insbesondere unabhängig von den anderen Teilkanälen steuern kann. Üblicherweise wird dabei bei geringer Last des Zweitaktmotors die Frischluft zunächst über den äußeren Teilkanal in den Zylinder zugeführt. Mit zunehmender Leistung des Zweitaktmotors wird dann der jeweils innere Teilkanal stufenlos zugeschaltet. Durch die besondere Ausgestaltung der Einlasskanäle wird eine gezielte Drallbewegung der zugeführten Frischluft im Zylinder erzeugt bzw. die Strömung der zugeführten Frischluft an die Zylinderwand gedrückt und dadurch eine besonders homogene Durchmischung des Kraftstoff-Gemischs im Zylinder und damit eine optimale Verbrennung erreicht. Pro Zylinder stehen bei dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor somit insgesamt zumindest vier Frischluftkanäle, nämlich zwei äußere und zwei innere Teilkanäle eines jeden Einlasskanals zur Verfügung, wodurch eine besonders exakte Dosierung der dem Zylinder zuzuführenden Frischluftmenge ermöglicht wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist die Stelleinrichtung je Teilkanal eine drehbare Klappe auf, die insbesondere exzentrisch gelagert ist. Die exzentrische Lagerung der Klappe, insbesondere im jeweils inneren Teilkanal der Einlasskanäle ermöglicht es, die zuströmende Frischluft an die Zylinderwand umzulenken und dadurch eine besonders effektive Drallströmung im Zylinder selbst zu erzeugen. Die gewünschte Drallströmung wird dabei zusätzlich dadurch verstärkt, dass die Einlasskanäle tangential in den Zylinder münden und insbesondere eine äußere Wand des jeweils äußeren Teilkanals tangential mit einer Zylinderwand verläuft. Durch den Umstand, dass bspw. die zwischen dem äußeren und inneren Teilkanal angeordnete Wandung ebenfalls auf die äußere Wand des äußeren Teilkanals zuläuft, wird dieser in Richtung der Zylinderwand verengt und dadurch die Drallbewegung im Zylinder nochmals verstärkt. Durch die punktsymmetrisch zur Zylinderachse angeordneten Einlasskanäle kann zudem ein unerwünschter Abriss der Drallströmung im Zylinder zuverlässig vermieden und dadurch eine besonders homogene Durchmischung des zu zündenden Kraftstoff-Luftgemisches erreicht werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Zylinder eines Zweitaktmotors,
2 ebenfalls eine Schnittdarstellung, jedoch entlang der Schnittebene A-A gemäß der 1,
3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit separaten Teilkanälen je Einlasskanal,
4 eine Darstellung variabler Einlassöffnungsflächen und Steuerzeiten der einzelnen Einlasskanäle,
5 einen Differenzdruckzylinder zum Schließen einer Klappe im äußeren Teilkanal des jeweiligen Einlasskanals.
Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Zweitaktmotor 1 zumindest einen Zylinder 2 auf, in welchem sich ein Kolben 3 hin- und her, im vorliegenden Fall rauf und runter bewegt. Der Kolben oszilliert dabei üblicherweise zwischen einem unteren Totpunkt UT sowie einem oberen Totpunkt OT, wobei im Bodenbereich des Zylinders 2 Einlasskanäle 4 und 4' zur Frischluftzufuhr angeordnet sind (vgl. 2 und 3). Oberhalb des oberen Totpunkts OT ist ein Auslasskanal 5 angeordnet, der von einem Ventil 6 verschließbar ist. Erfindungsgemäß sind nun die beiden Einlasskanäle 4 und 4' punktsymmetrisch zur Zylinderachse 7 angeordnet und weisen jeweils einen äußeren Teilkanal 8 bzw. 8' sowie einen inneren Teilkanal 9, 9' auf. Jeder der Teilkanäle 8, 8', 9, 9' besitzt dabei eine den jeweiligen Strömungsquerschnitt stufenlos variierbare Stelleinrichtung 10, die im vorliegenden Fall in der Form einer jeweils drehbaren Klappe 11 ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist aber zumindest der jeweils innere Teilkanal (9, 9') hinsichtlich seines Strömungsquerschnittes stufenlos variierbar, das heißt einstellbar.
Gemäß den 2 und 3 ist erkennbar, dass die Einlasskanäle 4 und 4' tangential in den Zylinder 2 münden und dadurch die einströmende Frischluft 12 eine Drallbewegung im Zylinder 2 erfährt. Hierdurch kann eine besonders homogene Durchmischung des im Zylinder 2 vorhandenen Kraftstoff-Luftgemisches kurz vor der eigentlichen Verdichtung bzw. Zündung erreicht werden, wodurch einerseits eine effektive und andererseits saubere Verbrennung erreicht werden kann. Die Klappen 11 der Stelleinrichtungen 10 sind dabei üblicherweise exzentrisch gelagert, so dass diese in einer teilweise geöffneten Stellung die einströmende Frischluft 12 an eine Zylinderwand drücken und dadurch die Drallströmung im Zylinder 2 begünstigen. Gemäß der 2 weist dabei der äußere und der innere Teilkanal 8, 9 bzw. 8', 9' des jeweiligen Einlasskanals 4, 4' eine gemeinsame Frischluftzufuhr auf, wogegen gemäß der 3 jeder Teilkanal 8, 8', 9, 9' eine separate Luftzufuhr aufweist. Stelleinrichtungen 10 und damit die Klappen 11 sind sowohl stufenlos als auch unabhängig voneinander variierbar, wobei die Klappen 11 im äußeren Teilkanal 8, 8' im normalen Motorbetrieb und insbesondere in einem unteren Lastbereich üblicherweise geöffnet sind und die Klappen 11 im inneren Teilkanal 9, 9' je nach Leistungsanforderung, insbesondere bei höheren Leistungen, stufenlos geöffnet und damit zugeschaltet werden. Vorzugsweise übernimmt dabei die jeweils im äußeren Teilkanal 8, 8' angeordnete Klappe 11 eine reine Öffnungs-Schließfunktion, wogegen die im inneren Teilkanal 9, 9' angeordneten Klappen 11 eine Steuerungsfunktion (Kanalquerschnitt, Durchsatz bzw. Strömungsrichtung) übernehmen. Es ist somit möglich, dass die Klappen 11 im jeweils äußeren Teilkanal 8, 8' lediglich zwischen einer Offen- und einer Schließstellung verstellbar sind, wogegen die Klappen 11 des inneren Teilkanals 9, 9' stufenlos einstellbar sind. Bei abgestelltem Zweitaktmotor 1 sind vorzugsweise sämtliche Klappen 11 geschlossen, zumindest aber die Klappen 11 im jeweils äußeren Teilkanal 8, 8', um das Abgas im Brennraum, das heißt im Zylinder 2 zurückhalten zu können. Tritt ein Überdruck im Zylinder 2 auf, bspw. sofern der Zylinderdruck während des Ladungswechsels größer ist als der Ladedruck, schließen die Klappen 11 in die jeweils äußeren Teilkanäle 8, 8', damit kein Abgas in den jeweiligen Einlasskanal 4, 4' strömt. Hierdurch wird insbesondere eine Rückströmung vom Zylinder 2 in eine Sauganlage verhindert. Die Klappen 11 in den jeweiligen Einlasskanälen 4, 4' können bspw. als Registerklappen ausgebildet sein, die über einen gemeinsamen und nicht dargestellten Mechanismus betätigt werden können, aber auch einzeln ansteuerbar sind.
Der äußere und der innere Teilkanal 8, 9, 8', 9' des Einlasskanals 4, 4' kann selbstverständlich auch wie gemäß der 3 dargestellt eine separate Frischluftzufuhr aufweisen, wobei in diesem Fall ein Ladedruck des jeweils äußeren Teilkanal 8, 8' höher ist als im inneren Teilkanal 9, 9'. Zur Steuerung zumindest einer Klappe 11 bei einem Überdruck während eines Ladungswechsels kann auch ein gemäß der 5 dargestellter Differenzdruckzylinder 13 verwendet werden, wobei eine Kolbenstange 14 des Differenzdruckzylinders 13 mit dem Stellmechanismus zum Verstellen der Klappen 11 verbunden ist. Die Kolbenstange 14 ist dabei mit einem Kolbenelement 15 verbunden, welches den Zylinder 2' des Differenzdruckzylinders 13 in zwei Kammern 16 und 16' unterteilt. Die Kammer 16 ist dabei mit einem in Strömungsrichtung nach der Klappe 11 vorhandenen Druck verbunden, wogegen die Kammer 16' druckverbunden mit dem jeweiligen Einlasskanal 4, 4' stromauf der jeweiligen Klappe 11 ist. Durch zwei Federn 17 und 17' wird die Bewegung des Kolbenelements 15 unterstützt. Ist somit der Druck stromab der Klappe 11 größer als stromauf der Klappe 11, wird der Druck in der Kammer 16 größer als in der Kammer 16' und damit das Kolbenelement 15 und die Kolbenstange 14 gemäß der Darstellung in 5 nach rechts verschoben. Dies bewirkt ein Schließen zumindest einer der Klappen 11. Fällt der Druck nach der Klappe 11 wieder ab, so sorgt die Feder 17' dafür, dass das Kolbenelement 15 wieder in seine Ausgangslage zurückfährt und dadurch die Klappe 11 wieder geöffnet wird.
Bei der Darstellung gemäß der 4 findet bei der Kolbenbewegung zwischen dem oberen Totpunkt OT und einer Einlassöffnung EÖ eine Verbrennung bzw. Expansion des Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinder 2 statt, während zwischen der Einlassöffnung EÖ und der Einlassschließung ES ein Ladungswechsel erfolgt. Zwischen Schließen der Einlasskanäle 4, 4' zum Zeitpunkt ES (Einlassschließen) und dem oberen Totpunkt OT findet die Kompression des Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinder 2 statt. Die Kurve 18 gemäß der 4 beschreibt dabei eine Einlassöffnungsfläche des jeweils äußeren Teilkanals 8, 8', wogegen die Kurve 19 eine stufenlos schaltbare Einlassöffnungsfläche des jeweils inneren Teilkanals 9, 9' durch die dort gelagerten Klappen 11 beschreibt. Je höher die Kurve 19 ist, umso größer ist die Öffnungsstellung der Klappen im äußeren Teilkanal 9, 9' und desto größer ist der dort frei gegebene Strömungsquerschnitt zur Frischluftzufuhr. Üblicherweise werden dabei die Klappen 11 im jeweils äußeren Teilkanal 8, 8' lediglich zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung verstellt, wogegen die Klappen 11 im jeweils inneren Teilkanal 9, 9' stufenlos verstellt werden, um dadurch die Frischluftzufuhr individuell steuern und anpassen zu können. Denkbar ist aber selbstverständlich auch, dass auch die Klappen im jeweils äußeren Teilkanal 8, 8' stufenlos ansteuerbar und verstellbar sind. Die Ansteuerung der Klappen 11 erfolgt dabei in Abhängigkeit eines Belastungszustandes und einer Drehzahl des Zweitaktmotors 1. Durch die gewählte Form und insbesondere ein Verjüngen der Teilkanäle 8, 8', 9, 9' wird die gewünschte Drallbewegung des einströmenden Frischluftstromes 12 sowie deren Intensität zusätzlich gezielt beeinflusst. Eine äußere Wand des äußeren Teilkanals 8, 8' verläuft dabei tangential zum Zylinder 2, wogegen eine Trennwand 20, 20' zwischen dem jeweiligen äußeren Teilkanal 8, 8' und dem jeweils zugehörigen inneren Teilkanal 9, 9' auf die äußere Wand des äußeren Teilkanals 8, 8' zuläuft und damit den jeweils äußeren Teilkanal 8, 8' verengt und die Frischluftströmung 12 auf die Zylinderwand drückt. In gleicher Weise kann auch eine innere Wand des jeweils inneren Teilkanals 9, 9' geformt bzw. ausgebildet sein.
Mit dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor 1 sind somit eine optimale Frischluftzufuhr und damit eine optimale Verbrennung, ein hoher Wirkungsgrad und eine geringe Schadstoffemission erzielbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19827250 B4 [0002]
US 4469054 B [0003]
US 4249495 [0004]
JP 9-291828 [0004]
DE 1576028 [0005]

Claims

Zweitaktmotor (1) mit zumindest einem Zylinder (2) und einem sich darin hin- und her bewegenden Kolben (3), wobei in einem Bodenbereich des Zylinders (2), nahe des unteren Totpunkts des Kolbens (3) Einlasskanäle (4, 4') zur Frischluftzufuhr (12) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwei punktsymmetrisch zur Zylinderachse (7) angeordnete Einlasskanäle (4, 4') vorgesehen sind, die jeweils einen äußeren Teilkanal (8, 8') und einen inneren Teilkanal (9, 9') aufweisen und wobei zumindest der innere Teilkanal (9, 9') eine den jeweiligen Strömungsquerschnitt stufenlos variierbare Stelleinrichtung (10) aufweist.
Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (4, 4') tangential in den Zylinder (2) münden und dadurch die einströmende Frischluft eine Drallbewegung erfährt.
Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Teilkanal (8, 8') einen geringeren Strömungsquerschnitt aufweist als der innere Teilkanal (9, 9').
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (10) eine drehbare Klappe (11) aufweist.
Zweitaktmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (11) exzentrisch gelagert ist.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere und der innere Teilkanal (8, 8', 9, 9') eines Einlasskanals (4, 4') eine gemeinsame oder eine separate Frischluftzufuhr (12) aufweisen.
Zweitaktmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere und der innere Teilkanal (8, 8', 9, 9') eines Einlasskanals (4, 4') eine separate Frischluftzufuhr (12) aufweisen und ein Ladedruck im äußeren Teilkanal (8, 8') höher ist als im inneren Teilkanal (9, 9').
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzdruckzylinder (13) zur Steuerung zumindest einer Klappe (11) bei einem Überdruck während eines Ladungswechsels vorgesehen ist.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der äußere und/oder der innere Teilkanal (8, 8', 9, 9') in Richtung des Zylinders (2) verjüngen.
Kraftfahrzeug mit einem Zweitaktmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.