DE2844309C2

DE2844309C2 - Zweitakt-Otto-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2844309C2
Application number: DE2844309A
Authority: DE
Inventors: Isao Okazaki Aichi Igarashi; Masaaki Nagoya Aichi Noguchi; Yukiyasu Tanaka
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1978-04-28
Filing date: 1978-10-11
Publication date: 1983-10-27
Also published as: DE2844309A1; GB2021193B; US4287859A; JPS54144514A; JPS5732725B2; GB2021193A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweitakt-Otto-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine solche Brennkraftmaschine ist durch die US-PS 47 444 bekannt. Die bekannte Brennkraftmaschine weist Gleichstromspülung auf, was es im Prinzip ermöglicht, die Gemischverluste durch Mischung zwischen dem Spülgemisch und den Abgasen niedrig zu halten. Ferner ist bei der bekannten Brennkraftmaschine vorgesehen, daß das Spülgemisch — und zwar ausschließlich — von einer Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe in Hubkolbenbauart geliefert wird. Eine solche unabhängige Gebläsebaugruppe, die hier auch kurz als Gebläse bezeichnet wird, ermöglicht es im Prinzip, den Spüldruck zu erhöhen und dadurch wiederum auch bei verhältnismäßig hohen Drehzahlen einen hohen Spülgrad zu erreichen. Die gleichzeitige Anwendung der beiden genannten Maßnahmen, d. h. von Gleichstromspülung und hohem Spüldruck, führt jedoch bei der bekannten Brennkraftmaschine zu verhältnismäßig niedrigem Spülgrad und verhältnismäßig hohen Spülgemischverlusten, was wiederum einen geringen volumetrischen Wirkungsgrad und geringe spezifische Leistung zur Folge hat

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Zweitakt-Otto-Brennkraftmaschine derart auszubilden, daß die Spülung verbessert ist, und zwar daß insbesondere ein hoher volumetrischer Wikrungügrad erreicht wird, ohne daß Spülgemische nennenswert zum Auslaß diirchgeblasen wird, so daß eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die hohe spezifische Leistung hat
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 gelöst

Wesentlich für die Erfindung ist die Kombination sämtlicher im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale miteinander. Die Erhöhung der Spülgemischmenge durch den großen Gesamthubraum der Spüleinrichtung hat nur dann die gewünschte Wirkung, wenn die Ausbildung der Spülschlitze derart getroffen ist, daß sie eine im wessntüchen gleichmäßige, zylindrische Spiralströmung des Spülgemisches entlang der Längsachse des Arbeitszylinders erzeugen, so daß die im Arbeitszylinder vorhandene Abgasschicht in Axialrichtung als Ganzes zu den Auslaßschlitzen geschoben wird und praktisch eine Schichtströmung ohne nennenswerte Mischung zwischen der Abgasschicht und der Frischladung erfolgt. Wenn ein solcher Ablauf der Spülung sichergestellt ist, ist es möglich und zweckmäßig, die Spülgemischmenge wesentlich zu erhöhen und von einer vergrößerten Spülgemischmenge die Abgasschicht herausschieben zu lassen. Ohne einen solchen Ablauf der Spülung wurden die vergrößerte Spülgemischmenge und der verhältnismäßig hohe Spüldruck lediglich zu verstärkter Mischung des Spülgemisches und der Abgase im Arbeitszylinder und dadurch zu einer Erhöhung der Durchblasverluste führen. Verstärkte M ischung des Spülgemisches und der Abgase bedeuten jedoch sowohl niedrigen Spülgrad als auch niedrigen volumetrischen Wirkungsgrad. Die Spülung durch zwei axial hintereinander angeordnete Schichten erfordert wiederum als grundlegende Voraussetzung das Prinzip der Gleichstromspülung. Die Erhöhung der Spülgemischmenge wiederum setzt voraus, daß die Spüleinrichtung eine Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe mit Hubkolben aufweist, die von der Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe synchron zu dieser angetrieben wird, wobei Voraussetzung dafür, daß die erhöhte Spülgemischmenge auch effektiv ausgenutzt wird, die angegebene bestimmte Phasenbeziehung ist

Die erfingungsgemäße Brennkraftmaschine erreicht hohen volumetrischen Wirkungsgrad, sehr geringe Durchblasverluste und hohe spezifische Leistung.

Bei der Erfindung ist vorgeschrieben, daß das Verhältnis des Gesamthubraumes der Spüleinrichtung zu dem der Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe zwischen 135 und 1,85 liegen soll.

Wenn der Gesamthubraum der Spüleinrichtung mehr als 1,85 mal so groß wie der Gesamthubraum des Arbeitszylinders ist, wird der Liefergrad so hoch, daß Spülgemisch stärker als zulässig zum Auspuffkrümmer

durchgeblasen wird, und zwar selbst dann, wenn der volumetrische Wirkungsgrad der Spüleinrichtung und der unwirksame Teil des gelieferten Gemisches, der im Kurbelgehäuse, gegebenenfalls in einem Zwischenspeicher und in Kanälen eingeschlossen bleibt, berücksichtigt wird, und wenn mit Gleichstromspülung gearbeitet wird. Dagegen ist der Wert von 135 für das Verhältnis des Gesamthubraumes der Spüleinrichtung zum Gesamthubraum des Arbeitszylinders unter Berücksichtigung des volumetrischen Wirkungsgrades der Spüleinrichtung und iss unwirksamen Teiles des von der Spüleinrichtung gelieferten Gemisches der untere Grenzwert, der noch zugelassen werden kann, um hohen Spülgrad durch Gleichstromspülung mit hoher Spülgemischmenge und hohem Spülgemischdruck zu erreichen, wozu gemäß einer Ausführungsform der Erfindung Kurbelkastenspülung mit verhältnismäßig kleinem Verdichtungsraum und ein unabhängiges Gebläse kombiniert sind Wenn nicht zusätzlich mit Kurbelkastenspülung gearbeitet wird, können die erforderliche ivlenge und der Druck des Spülgemisches innerhalb des Bereiches zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert freier gewählt werden, als wenn in Kombination mit Kurbelkastenspülung gearbeitet wird.

Es ist nicht notwendig, daß die Phasendifferenz zwisehen der Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe mit Gleichstromspülung und horizontal angeordneten Gegenkolben und der mit dieser synchronisierten Zylinder-Kolben-Gebläsebaugnippe beim erfindungsgemäßen Motor genau 180° KW beträgt, d. h. daß der Gebläsekoiben an seinem oberen Totpunkt ist, wenn der Arbeitskolben an seinem unteren Totpunkt ist Vielmehr ist es möglich, günstigere Wirkung zu erzielen, indem die Phasendifferenz zwischen dem Arbeitskolben und dem Gebläsekolben etwas von 180° abweichend festgelegt wird. Genauer heißt dies, daß die Spülung während des nach dem unteren Totpunkt des Arbeitskolbens liegenden Teiles der Spülperiode verbessert werden kann, indem die Betriebsphase des Gebläsekolbens relativ zur Betriebsphase des Arbeitskolbens so verschoben wird, daß dann, wenn sich der Arbeitskolben an seinem unteren Totpunkt befindet, der Gebläsekolben etwas vor, beispielsweise ungefähr 15° KW, seinem oberen Totpunkt ist, was bedeutet, daß die Betriebsphase des Gebläsekolbens gegenüber der Betriebsphase des Arbeitskolbens um etwas mehr als 180° nachverstellt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine horizontale Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Zweitakt-Ottomotors;

F i g. 2 und 3 Schnittdarstellungen gemäß H-II und gemäß IH-IlI in Fig. 1;

F i g. 4 ein Steuerdiagramm bzw. Kurbelwinkeldiagramm, das Schließ- und Öffnungszeitpunkte der Spülschlitze und der Ausiaßschlitze der ersten Ausführungsform wiedergibt;

F i g. 5 ein Indikatordiagrarnm, das den Druck im Kurbelgehäuse der ersten Ausführungsforir. wiedergibt;

F i g. 6 eine F i g. 1 entsprechende horizontale Schnittdarstellung einer zweisten Ausführungsform;

Fig. 7 eine Schnittdarstellung gemäß VII-VII in Fig. 6; und

F i g. 8 ein Diagramm, das den Druck in einem Zwischenspeicher in Abhängigkeit von der Stellung des Arbeitskolbens der zweiten Ausführungsform wiedergibt

Zunächst wird auf die F i g. 1 bis 3 eingegangen, die eine erste Ausführungsform einer Zweitakt-Otto-Brennkraftmaschine zeigen, die im folgenden der Einfachheit halber auch a!s Zweitakt-Ottomotor oder Zweitaktmotor bezeichnet wird. Der dargestellte Zweitaktmotor umfaßt einen Zylinderblock 10, der die äußere Form eines verhältnismäßig flachen Blocks mit rechtwinkeligem Grundriß hat Der Zylinderblock kann so eingebaut werden, daß seine zwei größten Oberflächen horizontal verlaufen. Im Zylinderblock sind zwei Kurbelwellen 12 und 14 vorgesehen, die entlang gegenüberliegender Seiten des Zylinderblocks verlaufen und drehbar in Lagern 10a, 106 und 10c bzw. tOd, 1Oe und 10/gelagert sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Kurbelwelle 12 mit Hilfseinrichtungen des Zweitaktmotors verbunden sein, während die Kurbelwelle 14 als Nutzleistung abgebende Abtriebswelle des Zweitaktmotors dient Im Zylinderblock 10 sind eine Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe 100, im folgenden als Arbeitseinheit bezeichnet, sowie eine Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe 300 mit sich horizontal bewegenden Gegenkolben ausgebildet, die auch als Gebläse bezeichnet wird

Im folgenden wird zunächst die Arbeitseinheit 100 beschrieben. Die Arbeitseinheit umfaßt einen Arbeitszylinder 102, der vom Zylinderblock 10 getragen wird. Den Arbeitszylinder umgibt ein Kühlmantel 106, der von einer Kühlmantelwand 104 eingeschlossen ist Im Arbeitszylinder 102 sind zwei Arbeitskolben 108 und 110 angeordnet, wobei sich der eine Arbeitskolben auf der Spülseite bzw. der in F i g. 1 linken Seite und der andere Arbeitskolben auf der Auslaßseite bzw. der in F i g. 1 rechten Seite befindet Die Arbeitskolben 108 und 110 sind jeweils getrennt mit einer Pleuelstange 112 bzw. 114 verbunden, die ihrerseits an einem Kurbelzapfen 116 bzw. 118 angelenkt sind. Der Kurbelzapfen 116 wird von Kurbelwangen 120 getragen, und der Kurbelzapfen 118 wird von Kurbelwangen 122 getragen, wobei die Kurbelwangen 120 und 122 jeweils scheibenförmig ausgebildet sind. Die zwei Kurbelmechanismen, die jeweils die scheibenförmigen Kurbelwangen und den Kurbelzapfen umfassen, sind unabhängig voneinander in einem Kurbelgehäuse 124 bzw. 126 angeordnet Die Kurbelgehäuse 124 und 126 haben eine dem jeweiligen Kurbelmechanismus entsprechende innere Formgebung, so daß unabhängig vom Drehwinkel der Kurbelwelle der Innenraum jedes Kurbelgehäuses weitestgehend vom Kurbelmechanismus ausgefüllt ist, so daß der Verdichtungsraum des Kurbelgehäuses auf einen Minimalwert verringert ist

Der Arbeitszylinder 102 weist auf seiner Spülseite mehrere Spülschlitze 128 und auf seiner Auslaßseite mehrere Auslaßschlitze 130 auf. Die Spülschlitze sind mit einer Spülkammer 132 verbunden, und die Auslaßschlitze sind mit einer Auslaßkammer 134 verbunden. Die Auslaßkammer 134 steht in Verbindung mit Auspuffrohren 136. Wie F i g. 3 zeigt, sind zwei verschiedene Gruppen von Spülschlitzen 128 vorgesehen, nämlich eine erste Gruppe aus Spülschlitzen 128a, die in Richtung von Tangenten an einen gestrichelt dargestellten ersten Zylinder Cl weisen, der koaxial zum Arbeitszylinder 102 angeordnet ist und einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser hat, und eine zweite Gruppe aus Spülschlitzen 1286, die in Richtung von Tangenten an einen gestrichelt dargestellten zweiten Zylinder C2 weisen, der koaxial zum Arbeitszylinder 102 angeordnet ist und einen verhältnismäßig größeren Durchmesser als der erste gestrichelt dargestellte Zylinder hat. Ferner sind die Spülschlitze 128a und 1286 zur Auslaßseite des Arbeitszylinders geneigt, so daß die Strömung des aus

den Spülschlitzen austretenden Spülgemisches eine Geschwindigkeitskomponente zu den Auslaßschlitzen 130 hat Die Öffnungszeitpunkte und die Schließzeitpunkte der Spülschlitze 128 und der Auslaßschlitze 130 sind so festgelegt, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist. Das aus den Spülschlitzen 128a und 128/? austretende Spülgemisch strömt durch den Arbeitszylinder 102 entlang spiraliger Bahnen in Richtung zur Auslaßseite. Die Spülkammer 132 ist mit den Kurbelgehäusen 124 und 126 über einen Spülkanal 138 bzw. 140 verbunden. An to der Verbindungsstelle zwischen den Spülkanälen 138 und 140 und der Spülkammer 132 ist ein Zungenventil 142 vorgesehen, das lediglich eine Gemischströmung von den Spülkanälen zur Spülkammer zuläßt, so daß verhindert wird, daß Verbrennungsgase aus dem Arbeitszylinder zurückschlagen. Das Zungenventil kann weggelassen werden, wenn die Gefahr eines solchen Rückschlages nicht besteht.

Im folgenden wird das Gebläse 300 ausführlicher erläutert Das Gebläse umfaßt einen vom Zylinderblock 10 getragenen Gebläsezylinder 302. Den Gebläsezylinder 302 umgibt ein Kühlmantel 306, der von einer Kühlmantelwand 304 begrenzt wird. Der Kühlmantel dient dazu, die im Gebläse 300 erzeugte Verdichtungswärme des Gemisches abzuführen, damit der volume- trische Wirkungsgrad des Gebläses größer ist Ferner dient der Kühlmantel dazu, den Gebläsezylinder zu erwärmen und dadurch die Verdampfung des Benzins bzw. Kraftstoffs zu unterstützen, wenn der Zweitaktmotor bei kaltem Wetter arbeitet Zu diesem Zweck ist der Kühlmantel 306 über nicht dargestellte Kanäle mit dem Kühlmantel 106 des Arbeitszylinders verbunden. Im Gebläsezylinder 302 befinden sich einander zugewandte Gebläsekolben 308 und 310. Der Gebläsekolben 308 ist mit einer Pleuelstange 312 verbunden, die an einen Kurbeizapfen 316 angelenkt ist Der Gebläsekolben 310 ist mit einer Pleuelstange 314 verbunden, die an einen Kurbelzapfen 318 angelenkt ist Der Kurbelzapfen 316 wird von einer Kurbelwange 320 getragen, und der Kurbelzapfen 318 wird von einer Kurbelwange 322 getragen. Die Kurbelwangen 320 und 322 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als einseitig gestützte Kurbelwangen ausgebildet, um das Gewicht des Motors niedrig zu halten. Die Kurbelmechanismen, die jeweils aus der Pleuelstange, dem Kurbelzapfen und der Kurbelwange bestehen, sind jeweils in einem Kurbelgehäuse 324 bzw. 326 untergebracht, die mit dem Inneren eines nicht dargestellten Luftfilerts über ebenfalls nicht dargestellte Ventile in Verbindung stehen, die für eine zwangsläufige Entlüftung der Kurbelgehäuse sorgen.

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belwellen sitzenden Kettenräder 16 und 18 sowie eine um die Kettenräder geführte Endloskette 20 in kraftschlüssiger Verbindung miteinander, so daß sich die Kurbelwellen mit gleicher Drehzahl und gleichem Drehsinn drehen. Die Phasenbeziehung zwischen den Kurbelwellen ist so festgelegt, daß zwischen den dem Arbeitskolben 108 bzw. 110 zugeordneten Kurbelzapfen 116 und 118 eine Phasendifferenz von 180° besteht Entsprechend dieser Phasenbeziehung zwischen den Kurbelwellen 12 und 14 ist die Phasenbeziehung zwischen den dem Gebläsekolben 308 bzw. 310 zugeordneten Kurbelzapfen 316 und 318 so festgelegt daß zwischen diesen Kurbelzapfen eine Phasendifferenz von 180° besteht Ferner ist die Phasenbeziehung zwischen dem dem Arbeitskolben 108 zugeordneten Kurbelzapfen 116 einerseits und dem dem Gebläsekolben 308 zugeordneten Kurbelzapfen 316 andererseits sowie die Phasenbeziehung zwischen dem dem Arbeitskolben 110 zugeordneten Kurbelzapfen 118 einerseits und dem dem Gebläsekolben 310 zugeordneten Kurbelzapfen 318 andererseits so festgelegt, daß jeweils eine Phasendifferenz von zumindest 180° besteht. Wie noch ausführlich erläutert werden wird, ist es in gewissen Fällen zweckmäßig, diese Phasendifferenz so festzulegen, daß dann, wenn der Arbeitskolben sich an seinem unteren Totpunkt befindet, der Gebläsekolben kurz vor seinem oberen Totpunkt ist. Das Ausmaß dieser zusätzlichen Verzögerung des Gebläsekolbens relativ zum Arbeitskolben beträgt bis zu ungefähr 15°, wobei die gegenseitige Beeinflussung zu berücksichtigen ist, die durch die Phasendifferenz zwischen dem Verdichtungstakt und dem Ansaugtakt des Gebläses 300 und der Kurbelgehäuse 124 und 126 entsteht Durch die Verzögerung des oberen Totpunktes der Gebläsekolben 308 und 310 relativ zum unteren Totpunkt der Arbeitskolben 108 und 110 in vorstehend beschriebener Weise kann die nach dem unteren Totpunkt der Arbeitskolben liegende Spülperiode, die ohne eine solche Verzögerung nicht wirksam ausgenutzt wird, wirksam in der Weise ausgenutzt werden, daß die Spülung auch während dieses Zeitraumes fortgesetzt wird.

Der dargestellte Zweitaktmotor umfaßt einen Vergaser 40 mit einer Mischkammer 42, einer Hauptspritzdüse 44, die in die Einschnürung der Mischkammer mündet, und einer Drosselklappe 46. Der Vergaser 40 saugt über seinen in F i g. 1 oben liegenden Lufteinlaß Luft an und erzeugt auf übliche Weise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch. Der Gemischauslaß des Vergasers 40 ist über einen Kanal 48 mit einem Einlaß 328 des Gebläses 300 sowie über Kanäle 50 und 52 mit einem Einlaß 144 bzw. 146 des Kurbelgehäuses 124 bzw. 136 verbunden. Im Einlaß 328 ist ein Zungenventil 330 vorgesehen, das eine Strömung nur in Richtung zur Gebläsekammer bzw. zum Gebläsezylinder zuläßt Auf ähnliche Weise sind in den Einlassen 144 und 146 Zungenventile 148 und 150 vorgesehen, die jeweils eine Strömung nur in Richtung zum zugehörigen Kurbelgehäuse zulassen. Ein Auslaß 332 des Gebläses 300 ist über einen gemeinsamen Kanal 334 sowie Zweigkanäle 152 und 154 mit den Kurbelgehäusen 124 und 126 verbunden. Im Auslaß 332 oder in der Mitte des Kanales 334 befindet sich ein Zungenventil 336, das eine Strömung nur in Richtung zu den Kurbelgehäusen zuläßt

Obwohl in F i g. 1 der Vergaser 40, die Kanäle 50 und 52, die Einlasse 144 und 146, der Kanal 334 und die Zweigkanäle 152 und 154 sowie die Spülkanäle 138 und 140 zur Vereinfachung in der Zeichnungsebene dargestellt sind, äst es zweckmäßig, diese Teile und Elemente bei einem praktisch ausgeführten Motor in folgender Weise dreidimensional anzuordnen. Die Spülkanäle 138 und 140 gehen zweckmäßigerweise jeweils von einer Stelle zwischen den zwei Kurbelwangen 120 bzw. 122 aus, so daß die in die Kanäle eintretende Gemischströmung nicht von den Kurbelwangen 120 bzw. 122 sowie dem Arbeitskolben 108 bzw. 110 behindert wird. Wenn der Motor kalt ist sammelt sich flüssiger Kraftstoff am Boden des jeweiligen Kurbelgehäuses. Daher ist es zweckmäßig, wenn die Spülkanäle 138 und 140 von den Böden der Kurbelgehäuse ausgehen, so daß sie leicht den angesammelten Kraftstoff aufnehmen können. Ferner ist es zweckmäßig, wenn die Einlasse 144 und 146 zwischen den zwei Kurbelwangen 120 bzw. 122 münden, damit die Gemischströmung nicht von den Kurbelwangen 120 bzw. 122 behindert wird. Wenn der Motor kalt ist, sorgt der Vergaser 40 nur für schlechte

Zerstäubung des Kraftstoffs, so daß auch Kraftstofftropfen in die Kanäle 48, 50 und 52 gelangen. Daher ist es zweckmäßig, den Vergaser oberhalb des Gebläses und oberhalb der Kurbelgehäuse der Arbeitseinheit so anzuordnen, daß die Kraftstofftropfen aufgrund ihres Gewichtes in die Gebläsekammer und die Kurbelgehäuse strömen. Eine derartige Ausbildung ist in F i g. 2 dargestellt. Wie F i g. 1 zeigt, ist es ferner zweckmäßig, die Arbeitseinheit 100 und das Gebläse 300 so dicht wie möglich beeinander anzuordnen. Daher ist es zweckmäßig, die Zweigkanäle 152 und 154 in dem zwischen der Arbeitseinheit 100 und dem Gebläse 300 verbliebenen Zwischenraum anzuordnen. Die Einlasse, über die die Zweigkanäle 152 und 154 jeweils in die Kurbelgehäuse 124 und 126 münden, können so angeordnet sein, daß sie den Kurbelwangen 120 bzw. 122 oder den Arbeitskolben 108 bzw. 110 gegenüberliegen, wenn die Einlasse so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie nicht zu stark gedrosselt werden, da das über die Zweigkanäle 152 und 154 zugeführte Gemisch vom Gebläse unter Druck gesetzt worden ist

In der Längsmitte des Arbeitszylinders 102 ist eine Zündkerze 156 angeordnet.

Bei dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Spüleinrichtung aus den Kurbelgehäusen 124 und 126 der Arbeitseinheit und dem unabhängigen Gebläse 300. Der Gesamthubraum der Spüleinrichtung ist 1,35 bis 1,85 mal so groß wie der Gesamthubraum der Arbeitseinheit 100. Der Hubraum des Gebläses 300 ist daher 0,35 bis 0,85 mal so groß wie der Gesamthubraum der Arbeitseinheit Ein bestimmter Wert des Verhältnisses des Hubraumes des Gebläses 300 zum Hubraum der Arbeitseinheit innerhalb des genannten Bereiches wird in folgender Weise bestimmt Zunächst wird die Drehzahl geschätzt, bei der der Motor am häufigsten bei Vollastbetrieb arbeitet. Dann wird unter Zugrundelegung dieser Drehzahl der Hubraum des Gebläses 300 so festgelegt, daß die Auslaßschlitze vom auslaßseitigen Arbeitskolben 100 gerade dann geschlossen werden, wenn das Spülgemisch die Abgase durch die Auslaßschlitze 130 herausgedrückt hat Das vom Gebläse 300 gelieferte Gemisch wird in die Kurbelgehäuse 124 und 126 eingeleitet, in denen eine solche Pumpwirkung ausgeübt wird, daß sich der Druck in den Kurbelgehäusen entsprechend F i g. 5 in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung der Arbeitskolben 108 und 110 ändert In F i g. 5 ist der Druck im Kurbelgehäuse als Überdruck angegeben. Das in den Kurbelgehäusen verdichtete Gemisch wird durch die Spülschlitze 128 in den Arbeitszylinder 102 bei einem dem Punkt So (siehe auch Fig.4) entsprechenden Druck eingeleitet Der Punkt So ist der Spüiung-Öffnungszeitpunkt Während das Gemisch durch die Spülschlitze strömt, wird es etwas gedrosselt, wonach das Gemisch entlang spiraliger Bahnen in Richtung zu den Auslaßschlitzen 130 strömt, durch die es, sofern diese noch offen sind, abströmt Die Zeit die das Spülgemisch benötigt, um die Auslaßschlitze zu erreichen, hängt ab von der Druckdifferenz zwischen dem Spülgemisch und den Verbrennungsgasen im Arbeitszylinder und der Wegstrecke, die das Spülgemisch von den Spülschlitzen zu den Auslaßschlitzen entlang der spiraligen Bahnen zurücklegt Diese Zeit steht nicht in direkter Beziehung zur Drehzahl des Zweitaktmotors. Wenn die Form und Anordnung der Spülschlitze und der Auslaßschlitze festliegen, hängt diese Zeit vom Druck des Spülgemisches zum Zeitpunkt So und von den nachfolgenden Druckänderungen ab. Bei unveränderter Verdichtung in den Kurbelgehäusen nimmt der Spüldruck zum Zeitpunkt So zu, wenn der Hubraum des unabhängigen Gebläses 300 vergrößert wird. Wenn in diesem Fall der Verdichtungsraum des Kurbelgehäuses verhältnismäßig groß ist, wird der Spüldruck zum Zeitpunkt So nicht stark erhöht, während andererseits die Zeitdauer, während der verhältnismäßig hoher Spüldruck herrscht, länger wird. Wenn die Massenträgheit beim Ansaugen durch das Gebläse vernachlässigt wird, wird der volumetrische Wirkungsgrad eines Gebläses höher mit abnehmender Drehzahl. Wenn der Zweitaktmotor so ausgelegt ist, daß bei einer bestimmten Drehzahl, die hier als Auslegungsdrehzahl bezeichnet wird, das Spülgemisch die Abgase gerade zu dem Zeitpunkt aus den Auslaßschlitzen gedrück hat, zu dem die Auslaßschlitze geschlossen werden, ergibt sich, daß dann bei Betrieb unterhalb der Auslegungsdrehzahl Gemisch bis in die Auslaßkammer bzw. den Auspuffkrümmer durchgeblasen wird, während andererseits bei Betrieb oberhalb der Auslegungsdrehzahl Abgase im Arbeitszylinder zurückbleiben. Wenn der Zweitaktmotor bei hoher Drehzahl hohes Drehmoment erzeugen soll, muß daher der Hubraum des Gebläses 300 vergrößert werden, um dadurch den Spüldruck zu erhöhen. Wenn in diesem Fall der Motor bei niedriger Drehzahl mit voll geöffneter Drosselklappe betrieben wird, wird dadurch allerdings mehr Gemisch zum Auspuffkrümmer durchgeblasen. Wenn sich im Auspuffrohr die Massenträgheit des Abgases auswirkt, wird auch dadurch die Zeit beeinflußt, die das Spülgemisch bis zum Erreichen der Auslaßschlitze benötigt Wenn der Spüldruck zu hoch ist, führt dies dazu, daß sich das Spülgemisch mit den Abgasen mischt, so daß dadurch mehr Gemisch zum Auspuffkrümmer durchgeblasen wird und dadurch der Spülgrad sinkt Unter Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Einflußgrößen wird zunächst der Hubraum der Spüleinrichtung geschätzt, wonach Versuche durchgeführt werden, während derer der Hubraum so verändert wird, daß die Anforderungen hinsichtlich des Leistungsverhaltens des Motors und hinsichtlich der Abgasreinigung erfüllt werden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform beschrieben. Während sich die Arbeitskolben 108 und 110 jeweils von ihrem unteren Totpunkt zu ihrem oberen Totpunkt bewegen, bewegen sich die Gebläsekolben 308 und 310 jeweils von ihrem oberen Totpunkt zu ihrem unteren Totpunkt Wenn die Druckdifferenz am Zungenventil 330 größer als die Federkraft des Zungenventils wird, beginnt das Gebläse 300, Gemisch durch das Zungenventil anzusaugen. In ähnlicher Weise beginnen die Kurbelgehäuse 125 und 126, Gemisch anzusaugen, wenn die Druckdifferenz am Zungenventil 148 und am Zungenventil 150 größer als die Federkräfte dieser Zungenventile wird. Während sich danach die Arbeitskolben 108 und 110 jeweils von ihrem oberen Totpunkt zu ihrem unteren Totpunkt bewegen, bewegen sich die Gebläsekolben 308 und 310 jeweils von ihrem unteren Totpunkt zu ihrem oberen Totpunkt, so daß der Druck in den Kurbelgehäusen 124 und 126 sowie der Druck im Gebläsezylinder 302 steigt In diesem Zusammenhang ist erwähnenswert, daß selbst dann, wenn die Gebläsekolben 308 und 310 ihren unteren Totpunkt passiert haben, die Zungenventile 330, 148 und 150 aufgrund des Trägheitseffektes beim Ansaugen während einer gewissen Zeitdauer noch offen bleiben, so daß während dieser Zeitdauer das Ansaugen von Gemisch fortgesetzt wird. Da das Verdichtungsverhältnis des Gebläses

höher als das Verdichtungsverhältnis der Kurbelgehäuse 124 und 126 ist, kommt es bald nach Beginn des Verdichtungstaktes im Gebläse 300 dazu, daß das vom Gebläse 300 verdichtete Gemisch das Zungenventil 336 aufdrückt und in die Kurbelgehäuse 124 und 126 strömt Wenn sich die Arbeitskolben 108 und 110 ihren unteren Totpunkten nähern, werden zunächst die Auslaßschlitze 130 geöffnet (siehe F i g. 4), so daß die im Arbeitszylinder 102 vorhandenen Abgase durch die Auslaßschlitze in die Auslaßkammer 134 abströmen, aus der sie durch die Auspuffrohre 136 abgeleitet werden, so daß der Druck der im Arbeitszylinder 102 verbliebenen Abgase schnell sinkt. Wenn sich dann die Arbeitskolben weiterhin in Richtung auf ihre unteren Totpunkte bewegen, werden die Spülschlitze 128 geöffnet, so daß verdichtetes Gemisch durch die Spülschiitze in den Arbeitszylinder 102 eintritt und entlang spiraliger Strömungsbahnen zu den Auslaßschlitzen 130 strömt, wobei dieses Gemisch die im Arbeitszylinder zurückgebliebenen Gase durch die Auslaßschlitze austreibt. Dabei sinkt der Spüldruck, und zwar im wesentlichen proportional zum Kurbelgehäusedruck gemäß Fig.5. Nachdem die Arbeitskolben 108 und 110 ihre unteren Totpunkte durchlaufen haben, strömt Spülgemisch aufgrund des Trägheitseffektes während einer gewissen Zeitdauer weiterhin in den Arbeitszylinder 102 ein, wobei allerdings die aufgrund dieses Trägheitseffektes einströmende Gemischmenge sehr klein ist Während sich die Arbeitskolben 108 und UO in Richtung zu ihren oberen Totpunkten bewegen, werden vom Arbeitskolben 108 auf der Spülseite zunächst die Spülschlitze 128 und dann vom Arbeitskolben 110 auf der Auslaßseite die Auslaßschlitze 130 geschlossen. Danach beginnt die Verdichtung des Gemischs. Gewisse Zeit bevor die Arbeitskolben ihre oberen Totpunkte erreichen, wird das verdichtete Gemisch mittels der Zündkerze 156 gezündet, so daß das Gemisch verbrennt Nachdem die Arbeitskolben ihre oberen Totpunkte durchlaufen haben, läuft der Arbeitstakt ab und wird Leistung erzeugt Dann werden erneut die Auslaßschlitze 130 geöffnet, so daß ein Arbeitsspiel des Motors durchlaufen ist Die Zungenventile 330, 148 und 150 sind notwendig, damit das Gebläse 300 und die Kurbelgehäuse 124 und 126 die Verdichtung durchführen können, wogegen das Zungenventil 336 nicht unbedingt notwendig ist Ohne dieses Zungenventil wird allerdings der Druck in den Kurbegehäusen 124 und 126 in unerwünschter Weise niedriger, da das Gebläse 300 seinen Saugtakt beginnt, nachdem die Arbeitskolben 108 und 110 ihren unteren Totpunkt durchlaufen haben. Zweckmäßigerweise sind die Zungenventile 148 und 150 nahe der Wand der Kurbelgehäuse angeordnet, damit der Verdichtungsraum der Kurbelgehäuse geringer ist

Vorstehend wird beschrieben, daß zwischen den Arbeitskolben 108 und UO sowie den Gebläsekolben 308 und 310 eine Phasendifferenz von 180° bestehen kann, so daß dann, wenn ein Arbeitskolben an seinem oberen Totpunkt ist, der entsprechende Gebläsekolben an seinem unteren Totpunkt ist Dieser Phasenunterschied muß jedoch nicht unbedingt 180° betragen. Bei einem solchen Kurbelmechanismus ist die Stellungsänderung des Kolbens im Vergleich zur Kurbelwinkeländerung sehr klein, wenn sich der Kolben am oberen oder unteren Totpunkt oder in der Nähe eines Totpunktes befindet Im Hinblick auf die Tatsache, daß der Druck im Kurbelgehäuse beträchtlich sinkt, nachdem der Arbeitskolben seinen unteren Totpunkt passiert hat, wie dies F i g. 5 zeigt kann die Spülung in der zweiten Hälfte der Spülperiode, d. h. nachdem der Arbeitskolben seinen unteren Totpunkt passiert hat, etwas verbessert werden, indem die Betriebsphase des Gebläsekolbens relativ zur Betriebsphase des Arbeitskolbens zusätzlich zur Phasendifferenz von 180° um einen Kurbelwinkel im Bereich von bis zu ungefähr 15° verzögert wird, d.h. indem die Betriebsphase des Gebläsekolbens um 180° bis 195° bezüglich der Betriebsphase des Arbeitskolbens verzögert wird.

Fig.6 zeigt in einer Fig.3 ähnlichen Darstellung eine zweite Ausfühningsform der Erfindung. F i g. 7 gibt eine F i g. 2 ähnliche Schnittdarstellung gemäß VIl-VH in Fig.6 wieder. In den Fig.6 und 7 sind diejenigen Teile und Elemente, die Teilen und Elementen der Aus führungsformen gemäß den F i g. 1 bis 3 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet Bei der zweiten Ausführungsform sind die Kurbelgehäuse 124 und 126 der Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe 100 nicht so ausgelegt, daß in ihnen eine Verdichtung des Spülgemi sches durchgeführt werden kann. Bei dieser Ausfüh rungsform wird die Verdichtung des Spülgemisches ausschließlich vom Gebläse 300 bewirkt, das bei dieser Ausführungsform ebenfalls als Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe mit horizontal gegenüberliegenden Gegen- kolben wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet ist Wie F i g. 7 zeigt, sind die Kurbelwangen 120 und 122 nicht scheibenförmig wie beim ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet; vielmehr sind sie so geformt, daß sie ein System mit exzentrischen Massen ergeben, was einen besseren Massenausgleich der Kurbelmechanismen aus den Arbeitskolben 108 und 110, Pleuelstangen ' 112 und 114 und Kurbelzapfen 116 und 118 ergibt Die Kurbelgehäuse 124 und 126 sind bei diesem Ausführungsbeispiel nicht so geformt, daß sie scheibenförmige Kurbelwangen wie beim ersten Ausführungsbeispiel dicht umgeben, da die Kurbelgehäuse einen Verdichtungsraum beliebiger Größe haben können.

Das Gebläse 300 der zweiten Ausführungsform hat im Prinzip gleichen Aufbau wie das Gebläse der ersten Ausführungsform. Da jedoch bei der zweiten Ausführungsform nicht mit Kurbelkastenspülung gearbeitet wird, muß der Hubraum des Gebläses 300 der zweiten Ausführungsform verhältnismäßig groß sein, damit er 1^5 bis 1,85 mal so groß wie der Hubraum der Arbeits einheit 100 ist Wenn der Hub der Gebläsekolben gleich dem Hub der Arbeitskolben gewählt wird, wie dies in F i g. 6 gezeigt ist, muß daher der Innendurchmesser des Gebläsezylinders 302 die Quadratwurzel aus 135 bis 1,85 mal so groß wie der Innendurchmesser des Arbeitsso Zylinders 102 sein. In diesem Fall werden die Gebläsekolben 308 und 310 sowie die Pleuelstangen 312 und 314 verhältnismäßig groß. Daher sind die Kurbeiwangen 320 und 322 jeweils paarweise vorgesehen, damit dieses System verhältnismäßig großer beweglicher Mas sen stabil und gut ausgeglichen getragen wird. Die Träg heitskräfte des Systems sich bewegender Massen einschließlich der Kurbelwangen können aufgrund der horizontal gegenüberliegenden Kolben der Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe innerlich ausgeglichen werden, so daß keine Wirkung nach außen hervorgerufen wird. Allerdings werden die Lagerabschnitte der Kurbelwellen verhältnismäßig stark belastet Auch im Hinblick darauf ist es zweckmäßig, jeweils zwei Kurbelwangen 320 und 322 vorzusehen, wobei jede Kurbelwange eines Kurbelwangenpaares für sich auf zueinander gegenüberliegenden Seiten gelagert ist Bei der zweiten Ausführungsform sind die Kurbelwellen 12 und 14, von denen die eine beispielsweise als Antriebswelle für

Hilfseinrichtungen des Motors und die andere als Abtriebswelle für die Nutzleistung dienen kann, auf der Seite des Gebläses verlängert. Die verlängerten Abschnitte der Kurbelwellen 12 und 14 tragen jeweils ein Kettenrad 16 bzw. 18 und sind über eine Endloskette 20 kraftschlüssig so miteinander verbunden, daß sie sich synchron zueinander mit gleichem Drehsinn drehen.

Die Kurbelgehäuse 324 und 326 des Gebläses 300 sind jeweils einzeln mit dem Kurbelgehäuse 124 bzw. 126 der Arbeitseinheit 100 verbunden, so daß die Druckpulsationen im Kurbelgehäuse aufgrund der Hin- und Herbewegung der Gebläsekolben 308 und 310 ausgeglichen sind. Ferner sind die Kurbelgehäuse 124 und 126 mit dem Innenraum eines nicht dargestellten Luftfilters über ebenfalls nicht dargestellte Ventile verbunden, die für zwangsläufige Entlüftung der Kurbelgehäuse sorgen, wie dies für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.

Für die zweite Ausführungsform, die ohne Kurbelkastenspülung arbeitet, erfolgt die Bestimmung des Hubraumes des Gebläses relativ zum Hubraum der Arbeitseinheit auf einen Wert innerhalb des Verhältnisses von 1,35 bis 1,85 auf gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform. Da jedoch bei der zweiten Ausführungsform die Spüleinrichtung keinen so großen Verdichtungsraum aufweist, wie er bei Kurbelkastenspülung vorhanden ist, muß auf andere Weise für einen geeigneten Verdichtungsraum gesorgt werden, da andernfalls der Spüldruck so hoch werden würde, daß es zu unerwünschter Mischung des Spülgemisches und der Verbrennungsgase kommt, wodurch der Spülgrad verringert werden würde. Bei der zweiten Ausführungsform ist daher ein Zwischenspeicher 22 für das Gemisch vorgesehen, der zwischen dem Gebläse und der Arbeitseinheit so angeordnet ist, daß das aus dem Auslaß 332 des Gebläses austretende Gemisch zunächst über einen Kanal 334 in den Zwischenspeicher eingeleitet wird, aus dem das Gemisch dann über einen Kanal 153 den Spülschlitzen 128 zugeführt wird. Durch geeignete Dimensionierung des Zwischenspeichers 22 wird der Spüldruck richtig eingestellt Statt den Zwischenspeicher 22 vorzusehen, kann alternativ für den erforderlichen Verdichtungsraum des Gebläsesystems dadurch gesorgt werden, daß der Abstand zwischen den Köpfen der Gebläsekolben 308 und 310 entsprechend vergrö-

ßert wird. Der Druck im Zwischenspeicher 22 hat in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung der Arbeitskolben 108 und 110 den in Fi g. 8 dargestellten Verlauf. Nachdem die Arbeitskolben 108 und 110 ihre unteren Totpunkte durchlaufen haben, sinkt der Druck des Gemisches nicht so stark wie dann, wenn auch Kurbelkastenspülung vorliegt Der Spülgrad ist daher besser, wenn keine Kurbelkastenspülung vorgesehen ist Da das Zungenventil 336 nicht vollständig geschlossen werden kann, wird der Druck im Zwischenspeicher 22 vom

Gebläse 300 etwas gesenkt, während dieses den Saugtakt durchführt Wie bei der ersten Ausführungsform werden bei der zweiten Ausführungsform der Hubraum des Gebläses 300 und das Volumen des Zwischenspeichers 22 so festgelegt, daß bei der Auslegungsdrehzahl

und vollständig geöffneter Drosselklappe die Auslaßschlitze 130 genau dann geschlossen werden, wenn das Spülgemisch die Verbrennungsgase vollständig durch die Auslaßschlitze herausgedrückt hat Danach werden Untersuchungen mittels eines Testmotors durchge-

führt, während der der Hubraum des Gebläses so modifiziert wird, daß die Anforderungen hinsichtlich des Leistungsverhaltens des Motors und hinsichtlich der Abgasreinigungsvorschriften erfüllt werden. Es hat sich bei dieser zweiten Ausführungsform gezeigt, daß die vorgenannte Bedingung, daß nämlich der Gesamthubraum des Gebläses 1,35 bis 1,85 mal so groß wie der Gesamthubraum der Arbeitseinheit sein soll, zu einem Zweitakt-Ottomotor führt, der die genannten Anforderungen erfüllt

Bei der zweiten Ausführungsform kann die Betriebsphase der Gebläsekolben 308 und 310 relativ zur Betriebsphase der Arbeitskolben 108 und 110 um eine Phasendifferenz verschoben sein, die um bis zu ungefähr 15° größer als 180° ist, wobei durch eine derartige Ver-

zögerung die Spülung während der zweiten Hälfte der Spül periode verbessert werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zweitakt-Otto-Brennkraftmaschine mit zumindest einer Zweitakt-Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe mit Gleichstromspülung und zwei horizontal angeordneten Gegenkolben und mit einer Spüleinrichtung, die zumindest eine Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe mit Hubkolben aufweist, die von der Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe synchron zu dieser angetrieben wird, wobei die Phasenbeziehung zwischen der Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe und der Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe so festgelegt ist, daß die Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe an oder nahe ihrem oberen Totpupkt ist, wenn die Arbeitszylinder-Ko!ben-Baugruppe an ihrem unteren Totpunkt ist, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß zwei Gruppen von Spülschlitzen (128a; 12Sb) vorgesehen sind, die gegen die Auslaßseite geneigt sind und in Richtung von Tangenten an zwei fiktive Zylinder (Q; C₂) weisen, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen und koaxial zum Arbeitszylinder in diesem angeordnet sind, daß der Gesamthubraum der Spüleinrichtung (124, 126, 300) zwischen 135 und 1,85 mal so groß wie der Gesamthubraum der ArbeitszylinderKolben-Baugruppe (100) ist und daß die Betriebsphase der Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe der Betriebsphase der Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe um nicht weniger als 180° KW nacheilt

2. Zweitakt-Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spüleinrichtung (124, 126) auch Kurbelgehäuse (124, 126) der Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe (100) gehören.

3. Zweitakt-Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe (300) in die zur Spüleinrichtung (124, 126, 300) gehörenden Kurbelgehäuse (124, 126) fördert und daß die beiden Gruppen von Spülschlitzen (128a, 128Z») aus den Kurbelgehäusen mit Spülgemisch gespeist werden.

4. Zweitakt-Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsphase der Zylinder-Kolben-Gebläsebaugruppe (300) relativ zur Betriebsphase der Arbeitszylinder-Kolben-Baugruppe (100) um zwischen 180° und 195° KW nacheilt.