DE3421779A1

DE3421779A1 - Schlitzgesteuerter zweitaktmotor

Info

Publication number: DE3421779A1
Application number: DE19843421779
Authority: DE
Inventors: Walter Neumarkt am Wallersee Dolzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-08-11
Filing date: 1984-06-12
Publication date: 1985-02-28

Description

Schlitzgesteuerter Zweitaktmotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen schlitzgesteuerten Zweitaktmotor mit Kurbelgehäusepumpe, einer Spülung mittels eines Überströmventils im Kolbenboden und einer Einrichtung zur Verminderung des durch Bewegungsrichtungsumkehr des Kolben bewirkten Uberströmventil-Anpreßdrucks.

Ein derartiger Motor ist bereits bekannt (GB-PS 247 391). Dabei sind um den gesamten Zylinderumfang Auslaßschlitze angeordnet und es ist ein Tellerventil in der Mitte des Kolbenbodens vorgesehen. Das öffnen des Ventils erfolgt zwangsweise über einen Steuerfinger durch die Schwenkbewegung der Pleuelstange. Das Gewicht des Ventilkörpers wird durch ein am Kolben angelenktes, am Ventilschaft angreifendes Gegengewicht ausgeglichen. Dadurch ist verhindert, daß sich das Ventil, bei Umkehr der Bewegungsrichtung des Kolbens öffnet.

Durch das Tellerventil und die über den Zylinderumfang verteilten Auslaßschlitze ist bei dem bekannten Motor jedoch keine kontrollierte Spülunq gegeben.. D. h. das Frischgas strömt, ohne das Abgas auszuschieben, von der Tellerventilöffnung direkt zu den benachbarten Auslaßschlitzen. Auch ist die Anordnung des Gegengewichts durch dessen separate Lagerung im Kolben aufwendig. Nachteilig ist ferner, daß durch die Zwangssteuerung dieselben Steuerzeiten bei allen Drehzahlen und Belastungen vorliegen. Bei Abweichungen von einem relativ schmalen Drehzahlband kann es deshalb zu einer Ventilöffnung kommen, ohne daß im Kurbelgehäuse ein überdruck vorliegt. Weiterhin ist mit dem bekannten Motor keine Ultrakurzhubausführung realisierbar, weil die Schwenkbewegung der Pleuelstange und damit die des Steuerfingers zu gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitaktinotor der eingangs angegebenen Art mit einer einwandfreien,

sich automatisch den sich mit der Drehzahländerung ergehenden Druckverhältnissen anpassenden Spülung zu schaffen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Aufhebung des durch die Bewegungsrichtungsumkehr dos Kolbens bewirkten Uberströmventil-Anpreßdrucks das Überströmventil als sich in den Zylinderraum öffnendes Klappenventil mit einem Gegengewicht an einem Arm auf der anderen Seite der Klappenschwenkachse oder als sich in den Zylinderraum öffnendes Membranventil ausgebildet und die am Kolbenboden angeordnete Schwenkachse der Klappe bzw. der Membran zwischen der Uberströmventilöffnung und dem Auslaßschlitz angeordnet ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Motor wird eine Drehzal- und Leistungssteigerung ohne Beeinträchtigung des Drehmomentes über ein stark erweitertes Drehzahlband erreicht.

Durch die automatische Steuerung, d. h. das Fehlen einer Zwangssteuerung des Überströmventils ist gewährleistet, daß unabhängig von der Drehzahl sich das Überströmventil nur bei einer bestimmten Druckdifferenz zwischen Kurbelgehäuse und Zylinderraum öffnet.

Durch die mit ihrer Schwenkachse zwischen Überströmventil-Öffnung und Auslaßschlitz angeordnete Klappe wird das aus der Ventilöffnung austretende Frischgas überwiegend gegen die dem Auslaßschlitz gegenüberliegende Zylinderwand gerichtet, von dort nach oben abgelenkt und über den Zylinderraum zum Auslaßschlitz hin geführt, so daß der Zylinderraum optimal von den Abgasen befreit und mit Frischgas aufgefüllt wird.

Durch die geringe Masse der im Durchmesser kleiner als die Zylinderbohrung dimensionierten Klappe, reagiert diese sofort durch Schließen der Uberströmventilöffnung, wenn der Druck im Zylinderraum durch den sich nach oben bewegenden

Kolben ansteigt. Die Steuerzeit des Uberströmens vom Kurbelgehäuse in den Zylinderraum paßt sich somit: automatisch den bei verschiedenen Drehzahlen und Motorbelastungen auftretenden Gegebenheiten an.

Durch das Gegengewicht der Klappe an dem Arm, der der Klappenschwenkachse gegenüberliegt, läßt sich der Anpreßdruck der Klappe gegen den Kolbenboden durch Massekräfte gezielt verringern oder ganz aufheben. Durch einen Ausgleich der Massekräfte durch das Gegengewicht von weniger als 100 % ist auf diese Weise ein Drosseleffekt des Überströmventils einstellbar. Das Gegengewicht wird also derart ausgelegt, daß die Motordrehzahl auch bei Entlastung auf einen maximalen Höchstwert begrenzt wird. Ein durch Fliehkräfte gesteuerter Drehzahlregler ist somit in vielen Fällen nicht mehr erforderlich, da auch der entlastete Motor nicht mehr wesentlich überdreht werden kann.

Je nach gewünschLer Höchstdrehzahl des Motors kann auch das Material für die Klappe und für das Gegengewicht ausgebildet werden. Dadurch orhöht sich das Kolbengewicht nicht wesentlich, zumal durch die Frischgas-Innenkühlung der Kolben relativ leicht gestaltet werden kann und er diegewichtssparende Ventilöffnung aufweist.

Da der kühle Frischgasstrom durch den Kolben am Kolbenbolzen vorbeigeführt wird, sinktauch die thermische Beanspruchung dieser mechanisch hoch beanspruchten Komponenten des Motors.

Die wenigstens zwei sich durch den Kolbenboden erstreckenden Lagerbolzen der Klappe werden bei der Montage durch die auf der Seite des Auslaßschlitzes im Kolbenboden liegenden Bohrungen eingeführt und nach dem Aufschieben je einer Druckfeder so fixiert, daß ein begrenztes öffnen der Klappe möglich ist.

Durch die Federbelastung der Klappe in Schließstellung wird eine Dämpfung der Klappe beim Öffnen sichergestellt und damit ihr Verschleiß vermindert.

Der erfindungsgemäße Motor kommt dem Bau von infolge der geringeren Kolbengeschwindigkeit sehr drehfreudigen Ultrakur zmotoren entgegen, da dadurch bei größerer Zylinderbohrung ohne Nachteile das Überströmventil größer dimensioniert und auch noch leichter montiert werden kann. Der Auslaßschlitz wird dann schmäler.

Durch die automatische Steuerung des Überströmventils läßt sich der erfindungsgemäße Motor weitgehend als Strömungsmaschine ausgestalten.

Zu diesem Zweck ist einerseits ein spezielles Auspuffsystem vorgesehen, mit dem an den Auslaßschlitz ein Unterdruck bis zum erneuten öffnen angelegt wird, und andererseits ein Membranventil am Einlaß des Kurbelgehäuses sowie im Ansaugweg ein Resonanzraum, dessen Länge entsprechend der jeweiligen Drehzahl und den jeweiligen Belastungsvorhältnisson einstellbar ist.

Das Auspuffsystem kann dazu eine Auslaßleitung aufweisen, die tangential in einen Auspufftopf mündet. Durch die tangentiale Anordnung der Mündung der Auslaßleitung in den Auspufftopf wird eine Rotation der Abgase im Auspufftopf erzielt.

Dies führt zu einem Nachladeeffekt durch einen Sog am Auslaßschlitz nach dem Ende der eigentlichen Auspuffzeit mit der Folge, daß durch das automatisch und unsymmetrisch gesteuerte Überströmventil des erfindungsgemäßen Motors mehr Frischgas in den Zylinderraum gelangt. Unter unsymmetrischer Steuerung ist dabei das Gegenteil einer Zwangssteuerung zu verstehen, bei der sich die Überströmöffnungen bei einem bestimmten Drohwinkel der Kurbelwelle öffnen und schließen.

IJurcli das Überströmventil im Zusammenwirken nit dem geschilderten Auspuffsy:;tem wird also bei dem erfindungsgemäßen Motor sichergestellt, das der Zylinderraum mit Frischgas nachgeladen wird und nicht mit einem Gemisch aus Frischgas und Abgas.

Das mit dem automatisch und unsymmetrisch gesteuerten Überströmventil in vorteilhafter Weise zusammenwirkende Auspuffsystem des erfindungsgemäßen Motors unterscheidet sich dabei grundlegend vom bekannten Resonanz-Auspuffsystem, bei dem eine auf den Auslaßschlitz: gerichtete Druckwelle aufgebaut wird, um Frischgasverluste durch den Auslaßschlitz zu verhindern.

Ebenso wird durch das Membranventil und den abstimmbaren Resonanzraum im Ansaugweg im Zusammenwirken mit dem Überströmventil des erfindungsgemäßon Motors eine von der momentanen Drehzahl weitgehend unabhängige Nachladung mit Frischgas erreicht. Durch da:.; automatisch gesteuerte Überströmventil wird nämlich ein Nachladen des Zylinderraums mit Frischgas selbst bei schon geschlossenem Auslaßschlitz erreicht, da das Frischgas gewissermaßen vom Kurbelgehäuse in den Zylinderraum über das sich öffnende Überströmventil nachgeschoben wird.

Die Abstimmung des Resonanzraums kann durch eine mit der Drehzahl veränderliche Längenänderung des Ansaugrohres erfolgen. Auch ist es möglich, diese Abstimmung automatisch durch einen Drehzahlregler oder durch die sich ändernden Strömungsverhältnjsse im Ansaugweg zu erreichen, wobei mehrere, gegebenenfalls toleskopartig ineinander verschiebbare Rohre oder andere Hohlkörper vorgesehen sein können. Die Längenänderung des Ansaugrohres kann auch von den Druck- oder Strömungsverhältnissen im Auspufftopf gesteuert werden. Zu diesem Zweck kann im Rotationsraum des Auspufftopfs auch eine Gasturbine mit Fliehkraftregler angeordnet sein.

Die Verwendung des automatisch und unsymmetrisch gesteuerten Überströmventils des erfindungsgemäßen Motors steht daher in unmittelbarer Wechselwirkung mit dem automatisch abstimmbaren Ansaugkanal und dem geschilderten Abgasrotationsauspuffsystem. Insgesamt wird dadurch eine höhere Laufkultur, mehr Elastizität und ein geringerer spezifischer Treibstoffverbrauch des Motors erreicht.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Motors anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch einen Motor;

Figuren

2a und 2b eine Draufsicht bzw. Seitenansicht der Klappe des

überströmenden Ventils mit Gegengewicht; Figur 3 eine Draufsicht auf den Kolbenboden; und

Figur 4 einen Querschnitt durch das Auspuffsystem entlang der Linie IV-IV in Figur 5; und

Figur 5 einen Längsschnitt durch das Auspuffsystem gemäß Figur 4.

Gemäß Figur 1 wird über einen durch ein nicht dargestelltes Flatterventil gesteuerten Ansaugschlitz 1 das Benzin-Luft-Gemisch (Frischgas) in das Kurbelgehäuse 2 eingebracht, wo es durch den sich abwärts bewegenden Kolben 3 vorvordichtet wird.

Vor dem unteren Totpunkt öffnet sich der Auslaßschlitz 4, wodurch der Druck im Zylinderraum 5 abnimmt. Durch den im Kurbelgehäuse 2 herrschenden Überdruck öffnet sich das Überströmventil 6. Das Überströmventil 6 besteht im wesentlichen aus einer Ventilöffnung 7, einer Klappe 8 und einem Gegengewicht 9.

Die Ventilöffnung 7 ist auf der dem Auslaßschlitz 4 abgewandten Seite des Kolbenbodens 10 angeordnet und nimmt dabei den größten Teil dieser Hafte des Kolbenbodens ein, wie insbesondere aus Figur 2 ersichtlich. Ein tragender Steg 11 erstreckt sich in radialer Richtung über die Ventilöffnung 7.

Die sich in den Zylinderraum 5 öffnende Klappe 8, die entsprechend der Ventilöffnung 7 ausgebildet ist, ist in der Mitte des Kolbenbodens 10 angelenkt, und zwar mittels zweier sich durch Bohrungen 12 und 13 im Kolbenboden 10 erstreckender Lagerbolzen 14 und 15. Auf diese Weise befindet sich die Schwenkachse der Klappe 8 zwischen der Uberströmventilöffnung 7 und dem Auslaßschlitz 4.

An den durch den Kolbenboden 10 ragenden Lagerbolzen 14 und 15 ist kurbelgehäuseseitig ein Arm 16 angeordnet, an dessen von der Klappe 8 abgewandten Ende einstückig das Gegengewicht 9 vorgesehen ist.

Durch diese Ausbildung des Überströmventils 6 wird beim öffnen der Klappe 8 eine kugelsegmentförmige Uberströmöffnung gebildet, durch welche ein hauptsächlich gegen die dem Auslaßschlitz 4 gegenüberliegende Zylinderwand gerichteter Frischgasstrom erzeugt wird, der eine praktisch vollständige Spülung des Zylinderraumes 5 von Abgas durchführt. Gleichzeitig wird eine optimale Füllung mit vorverdichtetem Frischgas aus dem Kurbelgehäuse 2 über das Überströmventil 6 erreicht.

Durch den sich jetzt nach oben bewegenden Kolben 3 wird der Auslaß schlitz 4 geschlossen und durch den schnell zunehmenden Verdichtungsdruck die Klappe 8 geschlossen. Gleichzeitig wird in der bei Zweitaktmotoren üblichen Weise im Kurbelgehäuse 2 Frischgas mit Ölzusatz angesaugt.

Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes wird das Gemisch im Zylinderraum 5 mit einer Zündeinrichtung 17 gezündet. Das
expandierende Verbrennungsgas treibt den Kolben 3 nach unten und eine neuerliche Umdrehung der Kurbelwelle 18 mit der
Sprungmasse 19 bewirkt wieder eine Vorvei~dichtun<j im Kurbelgehäuse 2.

Die sehr hoch beanspruchte Lagerung der Pleuelstange 20 mit dem Kolbenbolzen 21 liegt direkt im Schmieröl vermischten Frischgasstrom.

Zusammen mit einer Verkürzung dos Kolbenhubes bei größerer Zylinderbohrung ist damit eine wesentliche Steigerung der Höchstdrehzahl mit einer höheren Motorleistung möglich.

Zwischen dem Kolbenboden 10 und dem Arm 16 ist eine nicht dargestellte Druckfeder um die Bolzen 14 und 15 angeordnet. Dadurch wird die Öffnungsbewegung der Klappe 8 gedämpft.

Das Auspuffsystem besteht gemäß Figuren 4 und 5 aus einer in einen Rotationsraum 23 tangential einmündenden Auslaßleitung 24, die an den Auslaßschlitz 4 angeschlossen ist. Von einer
Seite des Rotationsraums 23 erstrecken sich vom mittleren Bereich in axialer und radialer Richtung Kanäle 25 in einen
Dämpfungsraum 26, der mit einem Endrohr 27 versehen ist.

Auf diese Weise wird das hochgespannte, tangential in den
kreisförmigen Rotationsraum 23 nintretende Abgas in schnelle Rotation versetzt, so daß durch Injektorwirkung mittels der
Düse 2 6 an der Mündung der Auslaßleitung 24 am Auslaßschlitz ein Unterdruck erzeugt und der Gaswechsel im Zylinderraum 5
beschleunigt wird. Durch die schräg nach außen und in radialer Richtung führenden Kanäle 25 wird die Abgasrotation im Dämpfungsraum 2 6 fortgesetzt. Durch das Prallblech 2 9 an dem den Kanälen 2 5 gegenüberliegenden Ende des Dämpfungsraumes 2 6

kann die Restresonanz abgestimmt werden. Dazu ist das Prallblech 29 entlang einer Stange 30 im Dämpfungsraum 26 verschieblich geführt, über Bohrungen 31 gelangt das weitgehend entspannte Abgas dann in das Endrohr 27. Statt der Führungsstange 3 kann das am Endrohr befestigte Prallblech 29 auch ausschließlich durch das verschiebliche Endrohr 2 7 geführt sein.

Statt dos in Figur 1 sowie 2a und 2b dargestellten Klappenventils kann das Überströmventil auch durch ein Membranventil gebildet sein. Ein Gegengewicht ist dann aufgrund des
geringen Gewichts der Membran nicht erforderlich. Die Membran ist dazu am Kolbenboden zylinderraumseitig befestigt/
z. B. mit Bolzen oder angeschweißt.

Bei einem 10-cm³-Motor hat sich beispielsweise eine Membran mit einer Dicke von 0,2 mm aus rostfreiem Stahl als geeignet erwiesen. Durch die ständige Kühlung mit Frischgas kann jedoch auch ein anderes Material verwendet werden, sofern es
einer Durchschnittstemperatur von ca. 600⁰C standhält.

Falls ein Membranventil vorgesehen ist, ist die Ventilöffnung vorzugsweise durch eine Vielzahl von Bohrungen gebildet, so daß der Kolbenboden bei geschlossenem Ventil die Membran trägt.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor können außer dem Überströmventil auch überströmkanal vorhanden sein, wie sie üblicherweise zur Kurbelkastenspülung verwendet werden. Dadurch ist ein besonders breites Drehzahlband erzielbar.

Bei der Kombination mit Überströmkanälen übernimmt das vorzugsweise als Membranventil ausgebildete Überströmventil die Steuerfunktion vor allem im unteren Drehzahlbereich, in dem die Massenkräfte relativ gering sind. Im höchsten Drehzahlbereich übernehmen dann durch die automatische Drosselung des Membranventils die Überströmkanäle die Steuerfunktion.

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Claims

Haft - Berngruber - Czybüjka Γ Patentanwalt«

Walter DOLZER 11180

02 Neumarkt

reich

Schiit ζ gesteuert er Zweitaktmotor

Patentansprüche

./Schlitzgesteuerter Zweitaktmotor mit Kurbelgehäusepumpe, einer Spülung mittels eines Überströmventils im Kolbenboden und einer Einrichtung zur Verringerung des durch Bewegungsrichtungsumkehr des Kolbens bewirkten Uberströmventil-Anpreßdrucks, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufhebung des durch die Bewequnqsrichtunqsumkehr des Kolbens (3) bewirkten Überströmventil-Anpreßdrucks das Überströmventil (6) als sich in dem Zylinderraum (5) öffnendes Klappenventil mit einem Gegengewicht (⁽J) an einem Arm (16) auf der anderen Seite der Klappenschwenkachse odor als sich in den Zylinderraum (5) öffnendes Membranventil ausgebildet und die am Kolbenboden (10) angeordnete Schwenkachse der Klappe (8) bzw. der Membian zwischen der Überström-Ventilöffnung (7) und dem Au<;laßschlitz (4) angeordnet ist.
2. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmventilöffnung (7) ganz odor überwiegend auf der dem Auslaßschlitz (4) abgewandton Seite im Kolbenboden (10) vorgesehen ist.
3. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (8) mittels wenigstens zwei sich durch den Kolbenboden (10) erstreckenden Bolzen (14 und 15) gelagert und der Arm (16) mit dem Gegengewicht (9) auf der von der Überströmventilöffnung (7) abgewandten Seite im Kolben angeordnet ist.
4. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (8) in Schließstellung federbelastet ist.
5. Zweitaktmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmventilöffnung (7) des Klappenventil eine oder mehrere tragende Stege (11) aufweist.
6. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichncit, daß die Uberströmventilöffnung des Membranventils durch eine Vielzahl von Bohrungen im Kolbenboden gebildet ist.
7. Zweitaktmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auspuffsystem vorgesehen ist, mit dem an den Auslaßschlitz (4)

ein Unterdruck angelegt wird.
8. Zweitaktmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ziir Erzeugung des Unterdrucks die Auslaßleitung (2 4) tangential in einen Raum (23) mündet, in dem die Abgase in Rotation versetzt werden.
9. Zweitaktmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationsraum (23) seitlich mit sich vom mittleren Bereich axial und radial erstreckenden Kanälen (25)

versehen ist, die in einen Dämpfungsraum (26) mit dem
Endrohr (27) münden.
10. Zweitaktmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaßschlitz (1) ein Membranventil und im Ansaugweg ein Resonanzraum vorgesehen ist, dessen Länge entsprechend der jeweiligen Drehzahl
und den Belastungsverhältnissen einstellbar ist.
11. Zweitaktmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Länge des Resonanzraumes mittels eines Fliehkraftreglers oder eines Strömungswächters im Ansaugweg und/oder entsprechend den im Auslaßweg herrschen den Druck- oder Strömungsverhältnissen erfolgt.