DE102017009089A1 - Two-stroke engine with oil sump lubrication - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor mit Ölsumpfschmierung..
Er ist kostengünstiger zu fertigen hat weniger Treibstoffverbrauch sowie Abgasemissionen und ist kleiner und leichter als ein entsprechender Viertaktmotor.
Die erfindungsgemäße Lösung hat ein speziell ausgebildetes Abgasrohr in Verbindung mit einem Flatterventil am Gaseingang des/der Zylinder. Das Abgasrohr ist derart ausgebildet daß die im Abgas noch vorhandene adiabatisch nutzbare Energie in kinetische Energie der Gassäule umgewandelt wird. So wird nach dem Auspuffvorgang ein Unterduck im Zylinder erzeugt welcher Frischgas nachsaugt.
The invention relates to a two-stroke engine with oil sump lubrication.
It is less expensive to produce, has less fuel consumption and exhaust emissions and is smaller and lighter than a corresponding four-stroke engine.
The solution according to the invention has a specially designed exhaust pipe in conjunction with a flutter valve at the gas inlet of the cylinder (s). The exhaust pipe is designed such that the adiabatically usable energy remaining in the exhaust gas is converted into kinetic energy of the gas column. Thus, after the exhaust process, a Unterduck generated in the cylinder which sucks fresh gas.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine mit Ölsumpfschmierung. Herkömmliche Zweitaktmaschinen arbeiten mit sog. Kurbelkastenspülung. Dem Benzin wird Öl beigemischt um die Schmierung zu gewährleisten. Solche Motoren können die Emissionsgrenzen für Fahrzeuge nicht mehr einhalten. Darüber hinaus sind andere Konstruktionen bekannt geworden.The present invention relates to a two-stroke internal combustion engine with oil sump lubrication. Conventional two-stroke engines work with so-called crankcase scavenging. The petrol is mixed with oil to ensure lubrication. Such engines can no longer meet the emission limits for vehicles. In addition, other constructions have become known.
Der Gegenkolbenmotoren (OPOC) erstmals von der Firma Junkers gebaut ist ein Zweitaktmotor mit Ölsumpfschmierung. In der Patentschrift Nr. 550 695 des Reichspatentamtes ist u.a. eine solche Konstruktion beschrieben wobei in unmittelbarer Nähe des Auslatzschlitzes sich ein Flatterventil befindet so daß rückschlagende Abgase nicht in den Zylinder zurück gelangen können. In einer anderen Ausführungsform ist auch vor den Einlaßschlitzen ein Flatterventil vorgesehen so daß am UT (unterer Totpunkt) durch den Überdruck im Zylinder kein Abgas in den Einlaß zurückströmt. Die Einlaßöffnungen sind rund um den Zylinder am UT (unterer Totpunkt) angebracht, während die Auslaßöffnungen rund um den Zylinder am UT des gegenüberliegenden Kolbens angeordnet sind. Solche Motoren arbeiten nur in einem engen Drehzahl- und Leistungsband optimal, so wie es bei Flug- oder stationären Motoren gegeben ist. Darüber hinaus gibt es Probleme mit der Schmierung und Wärmeableitung am Auslassbereich.The Opkolben engines (OPOC) built for the first time by the company Junkers is a two-stroke engine with oil sump lubrication. The Patent No. 550 695 of the Reich Patent Office is u.a. described such a construction is in the immediate vicinity of the Auslatzschlitzes a flutter valve so that kickback exhaust gases can not get back into the cylinder. In another embodiment, a flutter valve is provided in front of the inlet slots so that at the UT (bottom dead center) no exhaust gas flows back into the inlet by the pressure in the cylinder. The inlet ports are mounted around the cylinder at BDC (bottom dead center), while the exhaust ports around the cylinder are located at the BDC of the opposite piston. Such engines operate optimally only in a narrow speed and power band, as is the case with aircraft or stationary engines. In addition, there are problems with lubrication and heat dissipation at the outlet area.
In weiteren Ausführungsformen werden Konstruktionen mit entweder einem fremdbetätigten Einlaß- oder Auslaßventil beschrieben.
Schiffsdieselmotoren sind oft als Zweitaktmotoren ausgeführt wobei der Auslaß durch Ventile am Zylinderkopf erfolgt wobei die Spülung durch Einlaßschlitze am UT gewärleisted ist. Daihatsu hat einen Zweitaktmotor vorgestellt (2CDDI-II) der mit einer Frischluftzufuhr am UT der Kolben ausgestattet ist und mit Auslaßventilen am Zylinderkopf. Die Spülung wird durch einen Rootslader in Serie mit einem Turbolader unterstützt. Die Spülung durch notwendige Fremdaggregate macht den Vorteil zunichte.
In der Patentschrift Nr. 908 314 wird ein Zweitaktmotor vorgestellt dessen Abgasrohr aus einem Vorderteil mit konstanter Querschnittsfläche und einem Reflektionsanteil mit variierender Querschnittsfläche besteht.
Das Abgasrohr ist so bemessen, dass sich eine Welle ausbreiten kann die am Ende eine rücklaufende Welle mit Saugwirkung erzeugt. Das Konstruktionsprinzip erlaubt einen Betrieb in einem begrenzten Drehzahlbereich. Die Energie des Abgases wird schlecht genutzt und erlaubt keine gute Spülung.In other embodiments, constructions will be described with either an externally operated intake or exhaust valve.
Marine diesel engines are often designed as two-stroke engines wherein the outlet is made by valves on the cylinder head wherein the purge is gewärleisted through inlet slots at the UT. Daihatsu has introduced a 2-stroke engine (2CDDI-II) equipped with a fresh air intake at the UT of the pistons and with exhaust valves on the cylinder head. The flush is supported by a Rootslader in series with a turbocharger. The flushing by necessary external aggregates nullifies the advantage.
In the patent no. 908 314 a two-stroke engine is presented whose exhaust pipe consists of a front part with a constant cross-sectional area and a reflection portion with a varying cross-sectional area.
The exhaust pipe is sized so that a wave can propagate which generates a return wave with suction at the end. The design principle allows operation in a limited speed range. The energy of the exhaust gas is used poorly and does not allow a good flushing.
Aus der Patentschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Motor zu schaffen der diese Nachteile nicht hat.The invention has for its object to provide a motor which does not have these disadvantages.
Ein solcher Zweitaktmotor kann als Diesel- Otto- oder Disotomotor ausgeführt seinSuch a two-stroke engine can be designed as a diesel Otto or Disotomotor
Desweiteren soll er keine Einbußen in der Laufkultur und Leistungsentfaltung haben, robust und störungsarm sein. Der Gaswechsel erfolgt mittels Ein- und Auslaßschlitzen am UT, unterer Totpunkt (
Um das Rückströmen von Abgas in die Ansaugleitung zu verhindern ist in der Nähe des Einlaßschlitzes ein Rückschlagventil (
In order to prevent the backflow of exhaust gas into the suction line is in the vicinity of the inlet slot, a check valve (
Dazu kommt der Geometrie der Abgasleitung pro Zylinder eine besondere Bedeutung zu. Der Innenquerschnitt einer angeflanschten Abgasleitung hat am Flansch exakt die gleiche Geometrie als der Abgasausgangsschlitz (
Die Länge dieses Teils der Abgasleitung ist gering zu halten um keine Wellenausbreitung zu ermöglichen. Im allgemeinen nicht länger als 30 cm.The length of this part of the exhaust pipe is to be kept low in order to prevent wave propagation. Generally not more than 30 cm.
Der Druck im Abgasrohr auf die Wandung spaltet sich in zwei Komponenten auf. Eine Normalkraft aud die Wandung und eine logngitule Kraft auf die Gassäule. Diese wandelt sich in kinetische Energie der Gassäule um. Die adiabatisch nutzbare Abgasenergie wird also möglichst effizient in kinetische Energie des Abgasstromes umgewandelt. Diese Energie ist groß genug um z.B. eine Abgasturbine für eine Turboaufladung anzutreibenThe pressure in the exhaust pipe on the wall is split into two components. A normal force on the wall and a logngitule force on the gas column. This transforms into kinetic energy of the gas column. The adiabatically usable exhaust gas energy is therefore converted as efficiently as possible into the kinetic energy of the exhaust gas flow. This energy is large enough, e.g. to drive an exhaust gas turbine for a turbocharger
Durch die kinetische Energie der Abgase in der Abgasleitung erfolgt eine Sogwirkung die groß genug ist um genügend Frischgas in den jeweiligen Zylinder zu saugen und die Strömungswidersände in den Abgasleitungen und Ansaugleitungen zu überwinden. Die adiabatisch nutzbare Energie im Abgas beträgt bei Dieselmotoren ca. 12 % der Motorleistung und bei Ottomotoren ca. 30%.Due to the kinetic energy of the exhaust gases in the exhaust pipe is a suction effect which is large enough to suck enough fresh gas into the respective cylinder and overcome the Strömungswidersände in the exhaust pipes and intake pipes. The adiabatically usable energy in the exhaust gas is about 12% of the engine power for diesel engines and about 30% for gasoline engines.
Die Abgasleitungen pro Zylinder gelangen bei mehreren Zylinder in ein Sammelrohr welches gegebenenfalls zu einer Abgasreinigungsanlage führt. Die adiabatisch nutzbare Abgasenergie wird möglist vollständig zum Gaswechsel ausgenutzt.The exhaust pipes per cylinder reach several cylinders in a collecting pipe which optionally leads to an emission control system. The adiabatically usable exhaust gas energy is possibly fully utilized for gas exchange.
Der Kolben (
Die Gaswechselschlitze (3,4) sind in Richtung der Kurbelwelle angebracht Dadurch drückt der Kolben an die Zylinderwandung wo keine Gaswechselschlitze angebracht sind. Dort ist die Schmierung besser.The gas exchange slots (3,4) are mounted in the direction of the crankshaft Thus, the piston presses on the cylinder wall where no gas exchange slots are mounted. There the lubrication is better.
Sinnvollerweise sind die Kolben leicht tailliert, so daß weniger Reibung auftritt und durch ungleichmäsige Wärmeausdehnung keine Kolbenklemmer auftreten.It makes sense that the pistons are slightly waisted, so that less friction occurs and uneven thermal expansion no Kolbenklemmer occur.
Die Kolbenringe im oberen Bereich des Kolbens sind soweit vor Verdrehung zu sichern daß der Stoß der Kolbenringe nicht die Gaswechselschlitze überstreicht.The piston rings in the upper area of the piston are to be secured against rotation so far that the collision of the piston rings does not cover the gas exchange slots.
Das Expansionsstück des Abgasrohres (
Eine gesteuerte Abgaszurückhaltung wird dadurch erreicht daß im Ansaug- oder Abgasleitungstrakt eine steuerbare Klappe angebracht ist die gezielt Abgas im Zylinder zurückhält.A controlled exhaust gas retention is achieved in that a controllable flap is mounted in the intake or exhaust pipe tract which selectively restrains exhaust gas in the cylinder.
Um beim Ottoprinzip eine sichere Zündug zu gewähleisten soll duch geeignete Ausbildung der Strömung im Zylinder eine Schichtladung erzeugt werden. Gegebenenfalls kann auch bei schwacher Last nur bei jedem zweiten Arbeitstakt Treibstoff eingespritzt werden.In order to ensure safe ignition during the Otto principle, a stratified charge should be generated by suitable formation of the flow in the cylinder. Optionally, fuel can be injected even at low load only every second power stroke.
Die Strömung im Zylinder wird durch den horizontalen und vertikalen Anstellwinkel der Frischgasleitung am Zylinder eingestellt. Ein Drallrohr zwischen Rückschlagventil und Zylinder kann für für eine zusätzliche Verwirbelung des Frischgases im Zylinder sorgen.The flow in the cylinder is set by the horizontal and vertical angle of attack of the fresh gas line on the cylinder. A swirl pipe between check valve and cylinder can provide for an additional swirling of the fresh gas in the cylinder.
Desweiteren soll eine starke Rotationskomponente des Gases im Zylinder ausgebildet werden um eine gleichmäsigere Kraftstoffverteilung zu erreichen und Wandeffekte zu verringern. Dies wird erreicht daß die Eingangsleitung in Seite und/oder Hohe nicht radial angeflanscht ist sondern andere Anstellwinkel hat.Furthermore, a strong rotational component of the gas in the cylinder to be formed in order to achieve a gleichmäsigere fuel distribution and reduce wall effects. This is achieved that the input line in side and / or height is not flanged radially but has different angles of attack.
Die Reibung eines solchen Motors ist stark reduziert da er für die gleiche Laufkultur nur die halbe Zylinderzahl benötigt, pro Umdrehung und Zylylinder ein Arbeitstakt erfolgt, die Gaswechseltakte entfallen, sowie der Ventilantrieb und eine kleinere Ausgestaltung der Nebenaggregate. Das entfallende Reibmoment steht als zusätzliches Drehmoment zur Verfügung. Der Treibstoffverbrauch ist entsprechend reduziert sowie auch die Emission von Co2 und NOx Gasen.The friction of such an engine is greatly reduced because it requires only half the number of cylinders for the same running culture, per revolution and Zylylinder a power stroke takes place, the gas cycle change accounts, as well as the valve drive and a smaller design of the ancillaries. The attributable frictional torque is available as additional torque. The fuel consumption is correspondingly reduced as well as the emission of Co2 and NOx gases.
Ein solcher Motor ist kleiner, leichter und kostengünstiger herzustellen. Die Produktion kann auf herkömmlichen Fertigungseinrichtungen erfolgen, so daß keine Umstellung in Produktionsbetrieben erfolgen muß.Such a motor is smaller, lighter and cheaper to manufacture. The production can take place on conventional production facilities, so that no conversion must be made in production plants.
Das System soll so eingestellt werden daß mindestens eine 20% Überspülung stattfinden kann. Im Leerlauf oder Teillastbereich ist dann auch ausreichend Frischgas im Zylinder (
So ein Motor ist auch gut geeignet für Hybridantriebe, da das Gewicht des Gesamtantriebes nicht erhöht ist und die Herstellungskosten auch nicht wesentlich.
Vorteile einer solchen Konstruktion sind weniger Treibstoffverbrauch, weniger CO2 und NOx Emissionen sowie eine kleinere Bauweise und geringeres Gewicht. Der nun einfachere Zylinderkopf kann aus Keramik hergestellt werden. wodurch sich auch der Wärmeverlust reduziert.Such a motor is also well suited for hybrid drives, since the weight of the overall drive is not increased and the manufacturing cost is not essential.
Advantages of such a construction are less fuel consumption, less CO2 and NOx emissions, as well as a smaller construction and lighter weight. The now simpler cylinder head can be made of ceramic. which also reduces the heat loss.
Bei Erhöhung des Hubvolumens um den Faktor 1,5 wird die gleiche Leistung wie die eines Turbomotores erzielt. Es entfällt allerdings der Turbolader und Ladeluftkühler.Increasing the stroke volume by a factor of 1.5 achieves the same performance as a turbo engine. However, it eliminates the turbocharger and intercooler.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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