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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zweitakt-Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit Schwinghebel-Triebwerk, bei der die Zylinderteilstücke 1a'/1b' für die Kolben 2a'/2b' eines Gegenkolbenpaars im stumpfen Winkel geknickt zueinander angeordnet sind und die Antriebskräfte mittels an einem Ende gelagerter und symmetrisch gegenläufiger Schwinghebel 3a'/3b' eines Schwinghebelpaars durch Kolbenpleuel 4a'/4b' für Kolben 2a'/2b' eines Gegenkolbenpaars und durch Kurbelwellenpleuel auf um 180° versetzte Hubzapfen 33a/33b einer Kurbelwelle 6' übertragen werden und die Frischluftzuführung über kolbengesteuerte Einlaßschlitze durch beide Kolben 2a'/2b' eines Gegenkolbenpaars erfolgt, wobei der Kraftstoff mittels Direktdosierung dem Brennraum zugeführt wird und die Abgase über ein mittig zu den Kolben 2a'/2b' eines Gegenkolbenpaars angeordnetes Abgasventil 15 abgeführt werden und die eine umweltverträgliche Öl-Umlaufschmierung besitzt.
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Stand der Technik
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Der Nutzwirkungsgrad einer Brennkraftmaschine wird in der Regel mittels einer Drehmomentmessung über den gesamten Drehzahlbereich ermittelt.
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Eine weitere Möglichkeit den Nutzwirkungsgrad einer Brennkraftmaschine mit ausreichender Zuverlässigkeit auch ohne aufwendiger Drehmomentmessung zu erfassen, ergibt sich aus dem Verhältnis von drehzahlbezogenem Kraftstoffverbrauch beim Leerlauf (leer) zu dem dazugehörigen Lastverbrauch (last) und ist durch die Wirkungsgradkennlinie in 7 dargestellt.
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Der jeweilige Leerlaufverbrauch, bezogen auf den dazugehörigen Lastverbrauch, an derzeitigen Otto-Viertaktmotoren variert erheblich und beträgt im Mittel ca. 18%, dabei streut der eff. Nutzwirkungsgrad bezogen auf Last und Drehzahl um Vielfaches mehr als der drehzahlbezogener Leerlaufverbrauch und erreicht bestenfalls einen Größtwert von 0,38.
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Da die neueren Kraftfahrzeuge vorwiegend mit einer Kraftstoffverbrauchsmessung ausgestattet sind und die Kennlinie des Leerlaufverbrauchs, die s. g. „Nullleistung”, einer Motorausführung werkseitig bekannt ist, wäre es möglich, ohne Drehmomentkenntnis den jeweiligen Nutzwirkungsgrad über die Wirkungsgradkennlinie der 7 auch beim Fahren anzuzeigen, was einer verbesserten ökologischen Fahrweise dienen könnte.
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Die überwiegende Ausführungen der Frischgas-Spülsysteme der bekannten Zweitakter sind von dem Wunsch bestimmt, diese ohne zusätzlichen Aufwand zu realisieren. Dementsprechend sind diese mit reichlich Kompromissen überladen, wodurch die Funktionalität beim Starten und im Leerlaufverhalten stark eingeschränkt ist. Im Lastbetrieb arbeiten diese meist unwirtschaftlich, wegen fehlender Funktionszuverlässigkeit der Dosierkontrolle bei der Frischgasspülung und der Homogenität des Kraftstoffgemisches.
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Bei der üblichen Arbeitsweise vor allem beim Otto-Motor mit konstantem Verdichtungs- und Expansionshub durch eine gleichbleibend wirkende Ventilsteuerung bzw. durch schlitzgesteuerten Gaswechsel geht ein wesentlicher Teil der thermodynamischen Energie vor allem im höheren Lastbereich durch vorzeitiges Öffnen des Abgasventils verloren, daher sollte der Expansionshub grundsetzlich deutlich größer sein als der Verdichtungshub, was unter anderem über variable Schließzeit eines Abgasventils realisierbar ist.
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Aufgabenstellung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Lösung für den variablen Schließzeitpunkt des Abgasventils aufzuzeigen, mit dem das erforderliche und schwankungsarme Ladungsvolumen der Zylinder mit Frischluft für Standlauf und die jeweiligen Lastzustände realisierbar ist und der Energieaufwand für den Ladungsvorgang mit Frischluft auf ein Minimum beschränkt bleibt. Desweiteren besteht die Aufgabe darin, einen geeigneten Aufbau einer Zweizylinder-Gegenkolben-Brennkraftmaschime in Bezug auf Teilegestaltung und deren Fertigbarkeit aufzuzeigen, sowie zuverlässige Funktionalität durch hohe Stabilität des Gesamtaufbaus zu realisieren mit einfacher Montierbarkeit sämtlicher Motorkomponenten.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Zweizylinder-Zweitaktvariante ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Es zeigen:
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1 Perspektivische Abbildung des Gesamtaufbaus einer Zweitakt-Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit Schwinghebelstellung beim halben Kolbenhub.
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2 Schwinghebeldarstellung in Draufsicht mir Angabe des Verlaufs der Belastungs-Hebellinie bedingt durch den seitlichen Versatz der Koppelstellung von Kolbenpleuel zu Kurbelwellenpleuel auf dem Schwinghebel.
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3 Betätigungshebel für Ventilhubausführung in Draufsicht mit Darstellung der Schaltnocke der Kurbelwelle und der Nockenwelle für Realisierung der variablen Schließzeit des Abgasventils.
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4 Darstellung wie 5 jedoch in Seitenansicht teilweise geschnitten, mit Stellung der Nockenwelle 29 bei Standlauf für kleinstmögliche Drehzahl.
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5 Wirkungsgradkennlinie resultierend aus dem Verhältnis des drehzahlbezogenen Kraftstoffverbrauchs von Leerlauf zu Lastlauf.
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Die Ausführung einer Zweizylinder-Zweitakt-Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit Schwinghebel-Triebwerk wird gebildet aus zwei identischen vorzugsweise einstückig gefertigten Komlett-Teilen 16a/16b, die um 180° gedreht aneinander gefügt sind, wovon ein jedes aus einem Zylinderblock 17 mit zwei Zylinderteilstücken 1a'/1b' für ein Gegenkolbenpaar, einem Ventilblock 18 mit dem Abgasventil 15 und einem mit Lagern für Kurbelwelle 6' und Schwinghebelpaar versehenen Lagerblock 19 bestehen. Lediglich die Betätigungselemente des Abgasventils 15 sind zueinander spiegelbildlich in den zwei Komplett-Teilen 16a/16b angeordnet.
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Für die Schaffung des erforderlichen Freiraums zur Unterbringung eines Abgasventils 15 sowie einer Zündkerze, sind die Zylinderteilstücke 1a'/1b' für ein Gegenkolbenpaar im stumpfen Winkel zueinander geknickt ausgebildet.
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Die zwei aneinander gefügten Komplett-Teile 16a/16b ergeben zusammen mit den seitlich entsprechend der überstehenden Anteile der zwei Schwinghebelpaare ausgebildeten Abdeckschalen 20a/20b zugleich auch die äusseren Konturen der Zweizylinder-Zweitakt-Gegenkolben-Brennkraftmaschine. Die seitliche Konturfläche der zwei Komplett-Teile 16a/16b ist im oberen Bereich durch die erforderliche Mindestlänge für volle Kolbenführung in den Zylinderteilstücken 1a'/1b' bestimmt und verläuft weiter nach unten keilförmig, die Stirnseite der Komplett-Teile 16a/16b verjüngend. Im unteren Bereich wird die stirnseitige Konturbreite der Komplett-Teile 16a/16b von den Erfordernissen für die Ausbildung der Lagerungsbereiche der Führungsachsen 10a'/10b' für ein Schwinghebelpaar bestimmt und verläuft mit gleich großem Winkel keilförmig verjüngend nach oben. Der Schnittpunkt beider keilförmig verjügend laufenden seitlichen Konturflächen bilden einen Knickwinkel in der stirnseitigen Aussenkontur der Komplett-Teile 16a/16b, der identisch ist mit dem Winkel der geknickt zueinander ausgebildeten Zylinderteilstücke 1a'/1b'.
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Durch Anschrägen der Kolbenböden eines Gegenkolbenpaares, vorzugsweise dachförmig im halben Winkel der Knickstellung der Zylinderteilstücke 1a'/1b', entsteht im geschlossenen Zustand ein vorteilhafter keilförmiger Brennraum, der im Bereich der Platzierung des Abgasventils 15 und einer Zündkerze eine mit größtmöglichem Radius ausgeführte Abflachung aufweist, die im geschlossenen Zustand bis an den Rand der Kolbenböden eines Gegenkolbenpaares reicht.
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Die Zylinderteilstücke 1a'/1b' für ein Gegenkolbenpaar sind versatzfrei zueinander angeordnet.
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Auf der senkrechten zwischen den Zylinderteilstücken 1a'/1b' verlaufenden Symmetrielinie und unterhalb der beiden Zylinderteilstücke 1a'/1b' befindet sich die Kurbelwelle 6' in einem hierfür gestalteten Freiraum zwischen den beiden Komplett-Teilen 16a/16b und lagert mit je einem Ende in der stirnseitigen Wandung der beiden Komplett-Teile 16a/16b und wird zusätzlich in der Mitte zwischen den Komplett-Teilen 16a/16b in einem geteilten Lager geführt.
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Die Kurbelwelle 6' besitzt pro Gegenkolbenpaar zwei um 180° versetzte Kurbelzapfen 33a/33b, die symmetrisch nach beiden Seiten zu den Zylinderteilstücken 1a'/1b' ausgerichtet sind, so daß sich der seitlicher Versatz der Koppelpunkte der beiden Pleuel auf den Schwinghebeln 3a'/3b' eines Schwinghebelpaars gegenüber dem Abstand zweier für ein Gegenkolbenpaar bestimmter Kurbelzapfen 33a/33b vorteilhaft halbiert.
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Beidseitig mit gleich großem Abstand zur Symmetrielinie unterhalb und parallel zu der Kurbelwelle 6' lagert das Schwinghebelpaar für ein Gegenkolbenpaar mittels Führungsachsen 10a'/10b', die beide Schwinghebelpaare mit insgesamt drei Lagerstellen pro Seite in den beiden Komplett-Teilen 16a/16b fixieren, wobei die mittlere Lagerstelle 31 zwischen den zwei Schwinghebelpaaren Bestandteil jeweils nur eines Komplett-Teils 16a/16b ist und auch den Abstand der zwei Schwinghebepaare zueinander bestimmt dahingehend, daß der Lagerschlitz der Schwinghebel 3a'/3b' für Kolbenpleuel 4a'/4b' zentrisch zu den jeweiligen Zylinderteilstücken 1a'/1b' ausgerichtet sind und an den äusseren Stirnseiten der Schwinghebelnabe 21 in dieser Lage zwischen den Komplett-Teilen 16a/16b gehalten werden.
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Um der Kraftbelastung der zwei zueinander mit Versatz wirkenden Pleuel auf die einzelnen Schwinghebel 3a'/3b' durch die Triebkräfte standzuhalten, sind die baugleichen Schwinghebel 3a'/3b' der Schwinghebelpaare aus zwei im Abstand der Pleuelbreite schräg verlaufenden untereinander mit Stegen verbundenen länglichen Plattensegmenten 22 gebildet, die abstandverjüngend auf ein Ende der Schwinghebelnabe 21 auslaufen, wobei die Schrägstellung der Plattensegmente 22 weitgehend der schräg verlaufenden Belastungs-Hebellinie 34 resultierend aus dem Versatz der Koppelpunkte von Kolbenpleuel 4a'/4b' zum Kurbelwellenpleuel auf den einzelnen Schwinghebeln 3a'/3b' entspricht, wodurch nahezu keine Torsionsbelastungen durch die zwischen den zwei Plattensegmenten 22 gelagerten Pleuel auf die Schwinghebel 3a'/3b' wirksam sind. Die Weiterleitung der Kraftbelastung auf einen Rand der Schwinghebelnabe 21 ist weitgehend belastungsneutral, da die Kräfte wegen der Hebelübersetzung an den Schwinghebeln 3a'/3b' auf die Lagerachsen 10a'/10b' max. nur 1/3 der Kolbenkraft betragen. Als Versteifung dient ein zusätzliches Stützplattensegment 23, daß das gegenüber liegende Ende der Schwinghebelnabe 21 der Schwinghebel (3a'/3b') mit den doppelt verlaufenden Plattensegmenten 22 zu einem betastungssteifen Dreieckskörper verbindet und dabei die bewegungsstabile Führungslänge der Schwinghebelnabe 21 auf die Lagerachse 10a'/10b' eine Weite von min. der Hälfte der Abstandslänge der Lagerachse 10a'/10b' zu dem Pleuelbolzen 9' des Kurbelwellenpleuels aufweist.
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Mittels Pleuelbolzen verbinden Kolbenpleuel 4a'/4b' das freie bewegliche Ende der Schwinghebel 3a'/3b' zentrisch die Kolben 2a'/2b' dahingehend, daß ein Gegenkolbenpaar keinerlei bzw. nur minimale Stützkräfte während des gesamten Hubweges auf die Zylinderwand ausüben.
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Die Schwinghebel 3a'/3b' eines Schwinghebelpaars wiederum koppeln über kurze Kurbelwellenpleuel mit der Kurbelwelle 6' und leiten sämtliche Stützkräfte der Kurbelwellenpleuel auf die mit extrem kleinen Reibwegen behafteten Lagerachsen 10a'/10b' durch die Schwinghebel (3a'/3b'), wodurch an den Schwinghebeln (3a'/3b') nur sehr kleine Reibverluste entstehen.
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Über an beiden Zylinderteilstücken 1a'/1b' ausgebildeten und durch die Kolben 2a'/2b' eines Gegenkolbenpaars gesteuerte Einlaßschlitze erfolgt die Frischluftzuführung. Die Spülung der Zylinder mit Frischluft erfolgt mittels Überdruck, erzeugt von einem separaten Gebläse. Die Einlaßschlitze sind über Verbindungskanäle mit dem Gebläse verbunden, die in der Hauptsache auf der Innenseite zwischen den zwei Komplett-Teilen 16a/16b eingearbeitet sind. Ebenso befinden sich entsprechende Freiräume für die Wasserkühlung überwiegend zwischen den Komplett-Teilen 16a/16b im Bereich des Zylinderblocks 17 und weiter in dem Ventilblock 18.
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Betätigt wird das Abgasventil 15 über einen im Kanal des jeweiligen Komplett-Teils 16a/16b frei geführte Zugstange 24, die mit einem im Lagerblock 19 und mit einem im Ventilblock 18 gelagerten Betätigungshebel 25/26 gekoppelt ist, wobei der im Lagerblock 19 gelagerte Betätigungshebel 25 mit einer Schaltnocke 27 der Kurbelwelle 6' betätigt wird. Mit der Schaltnocke 27 der Kurbelwelle 6' wird jedoch nur das Öffnen des Abgasventils 15 zum erforderlichen Zeitpunkt gleichbleibend für Standlauf und sämtliche Laufzustände der Last durchgeführt. Das Schließen des Abgasventils 15 erfolgt lediglich bei Voll-Last auch von der Schaltnocke 27 der Kurbelwelle 6'.
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Bei übrigen Laufzuständen, beginnend mit Standlauf und weiter über den gesamten Teillastbereich, wird der Schließvorgang des Abgasventils 15 durch eine mittels Zahnradkopplung 28 mit der Kurbelwelle 6' synchron ausgeführte Rotation einer separaten Nockenwelle 29 ausgeführt, die unterhalb der Kurbelwelle 6' und parallel zu dieser verlaufend lagert und mit seiner Betätigungsnocke 30 ebenfalls im Eingriff mit dem im Lagerblock 19 gelagerten Betätigungshebel 25 steht.
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Die Betätigungsnocke 30 der Nockenwelle 29 ist dahingehend ausgebildet und zu der Schaltnocke 27 der Kurbelwelle 6' ausgerichtet, daß erst am Ende des vollständigen Öffnungshubs des Abgasventils 15 durch die Schaltnocke 27 die Betätigungsnocke 30 der Nockenwelle 29 den weiteren Betätigungsvorgang des Betätigungshebels 25 mit kleinstmöglichen „Spiel” übernimmt und danach den gesamten Schließhub des Abgasventils 15 ausführt.
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Über eine entsprechend kegelförmige Ausbildung der Schaltnocke 30 der Nockenwelle 29 zusammen mit einer Schrägstellung der Schaltnocke 30, ähnlich einer Zahnflanke eines schrägverzahnten Ritzels, wird erreicht, daß die Gleitflächen der Schaltnocke 30 stets mit gleichbleibender Koppelbedingung bei Ausführung des Schließhubs des Abgasventils 15 den Betätigungshebe 25 kontaktieren. Da die Nockenwelle 29 lediglich den Schließvorgang des Abgasventils bewirkt, wird diese nicht von Beschleunigungskräften der Betätigungselemente tangiert und ist daher festigkeitsreduziert ausgeführt.
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Die einzelnen Laufzustände erfordern abgestimmte Füllgrade der Zylinder mit Frischluft und werden über eine zusätzliche Axialverschiebung 32 der rotierenden Nockenwelle 29 erreicht, dahingehend, daß das Abgasventil 15 für Standlauf am längsten offen bleibt und bei Steigerung der Teillast kontinuierlich früher schließt, wobei der jeweilige Überschuß an Frischluft durch die Hübe eines Gegenkolbenpaars über das offenstehende Abgasventil 15 entweicht und sich dadurch bei den gewählten Laufzuständen ein schwankungsarmer Ladungszustand mit Frischluft einstellt.
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Das Einströmen der Frischluft über die Einlaßschlitze erfolgt mit Überdruck, erzeugt von dem separaten Gebläse, wobei dieser Ladedruck in der Hauptsache nicht ausschließlich bestimmend ist für den angestrebten Füllgrad der Zylinder mit Frischluft und größere Schwankungen des Ladedrucks daher möglich sind. Der Ladedruck mit Frischluft muß lediglich eine Mindesthöhe aufweisen, um nach dem Schließen des Abgasventils 15 eine vollständige Frischluftladung entsprechend der einzelnen Laufzustände im Zylinder zu erhalten.
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Da eine entsprechende Anreicherung der Luftladung mit Kraftstoff erst nach dem Schließen des Abgasventils 15 mittels der Direktdosierung in den Brennraum erfolgt, werden beste Voraussetzungen für verlustfreie Verbrennung erreicht.
