DE3437302C2

DE3437302C2 - Two-stroke internal combustion engine with supercharging and second expansion, in particular for motor vehicles

Info

Publication number: DE3437302C2
Application number: DE3437302A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Ing Klaue
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-10-11
Filing date: 1984-10-11
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2004-10-12
Also published as: DE3437302A1

Description

Seit Jahrzehnten sind Zweitakt-Otto- und -dieselmotoren bekannt, deren Stoffwechsel schlitzgesteuert vorgenommen wird oder welche hierzu Schlitzein- und Ventilauslaß bzw. Ventilein- und Schlitzauslaß aufweisen. Besonders schlitzgesteuerte Motoren weisen einen einfachen Aufbau und einen guten mechanischen Wirkungsgrad auf, weil die Verlustleistung für den Ventilantrieb entfällt. Jedoch sind symmetrisch gesteuerte Motoren nicht aufladbar und weisen infolge der Spülverluste zusätzliche Nachteile auf. Bei Zweitaktmotoren ist bekannt, eine Aufladung durch getrennte zylindrische Spülkolben vorzunehmen und den Spülkolben selbst zur Einlaßsteuerung zu verwenden. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, eine Zweitdehnung mit Hilfe eines weiteren größeren Niederdruckkolbens vorzunehmen, eine Lösung, deren Bauaufwand den Leistungsgewinn nicht rechtfertigt. Beispielsweise ist durch die DE-AS 10 46 941 eine Zweitaktbrennkraftmaschine mit Aufladung und Zweitdehnung bekannt mit einem den Auslaßbeginn und Einlaßschluß steuernden Kolben mit einem weiteren Zylinder, dessen doppelt beaufschlagter Kolben ebenfalls mit der Kurbelwelle des ersten Zylinders verbunden ist. Der zweite Zylinder steuert über Ventile den Auslaßschluß und den Einlaßbeginn beider Zylinder. Der Stoffwechsel des ersten Zylinders wird durch Schlitze gesteuert. Diese Maschine ist wegen ihres mechanischen Aufwandes sowie infolge ihres, durch die langen Frisch- und Abgaswege reduzierten Wirkungsgrades für einen Kraftfahrzeugantrieb nicht verwendbar.Two-stroke petrol and diesel engines have been around for decades known, whose metabolism is controlled by slits or which slot inlet and valve outlet or valve inlet and have slot outlet. Especially slot controlled Motors have a simple structure and a good one mechanical efficiency because the power loss for the valve drive is omitted. However, they are symmetrically controlled Motors are not rechargeable and show losses due to flushing additional disadvantages. With two-stroke engines known, charging by separate cylindrical rinsing pistons and the flushing piston itself for inlet control to use. It is already suggested been a second stretch with the help of another larger one Low pressure piston to make a solution, the construction effort does not justify the gain in performance. For example is a two-stroke internal combustion engine by DE-AS 10 46 941 with charge and second stretch known with one piston controlling the start and end of the outlet another cylinder, the double-acting piston also connected to the crankshaft of the first cylinder is. The second cylinder controls the exhaust closure via valves and the start of intake of both cylinders. The metabolism of the first cylinder is controlled by slots. This machine is because of its mechanical effort as well due to their reduced through the long fresh and exhaust routes Efficiency for a motor vehicle drive is not usable.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, eine Zweitaktbrennkraftmaschine mit Aufladung und Zweitdehnung zu schaffen, bei der die Vorteile der genannten Motoren bestehen, deren Nachteile jedoch beseitigt werden.The invention has set itself the task of a two-stroke internal combustion engine to create with charge and second stretch, where the advantages of the motors mentioned exist, the disadvantages of which are eliminated.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. This task is characterized by the characteristics of claim 1 solved.

Die Zweitakt-Brennkraftmaschine der Erfindung ist mit einem den Auslaßbeginn und den Einlaßschluß steuernden Kolben, sowie einem in einem senkrecht zur Motorzylinder-Mittenachse angeordneten Teilzylinder, mit dem Motorzylinder abgewendeter Begrenzungsebene, bewegten Schwingkolben ausgerüstet, welcher über die Zylinderfläche des Teilzylinders den Auslaßschluß sowie den Einlaßbeginn steuert und dessen eine, mit den Auslaßgasen des Zylinders beaufschlagte Meridianfläche eine Kraft erzeugt, welche über Verbindungsteile auf die Motor-Kurbelwelle übertragen wird und dessen zweite Meridianfläche das Ansaugen sowie die Vorverdichtung der Luft oder des Luft-Brennstoffgemisches zum Spülen bewirkt.The two-stroke internal combustion engine of the invention is one piston controlling the start of the outlet and the closing of the inlet, and one in a perpendicular to the engine cylinder center axis arranged partial cylinder, with the engine cylinder averted Boundary plane, moving oscillating piston equipped, which over the cylinder surface of the partial cylinder, the exhaust port as well as controls the start of admission and one, with the outlet gases of the cylinder generates a force which acts on the connecting parts Engine crankshaft is transmitted and its second meridian surface the suction as well as the pre-compression of the air or of the air-fuel mixture for purging.

Mit der Brennkraftmaschine der Erfindung wird der Druck der Brenngase des Zylinders bis zu einem dem Atmosphärendruck angenäherten Auslaßdruck benutzt, wodurch der mittlere Druck somit der Wirkungsgrad erhöht und das Auslaßgeräusch ohne, den Wirkungsgrad erniedrigende Schalldämpfer beseitigt wird. Durch entsprechende Bemessung des Schwingkolbens kann eine beliebige Aufladung der Brennkraftmaschine erzielt werden. Das zusätzlich für die Zweitdehnungs- und Aufladeeinrichtung erforderliche Gewicht und Volumen ist im Verhältnis zum erzielbaren Gewinn an spezifischer Leistung und Wirkungsgrad gering. With the internal combustion engine of the invention, the pressure of the Fuel gases from the cylinder up to atmospheric pressure approximate outlet pressure is used, reducing the mean pressure thus increasing efficiency and exhaust noise without, the efficiency-reducing silencer is eliminated. By appropriately dimensioning the oscillating piston, a arbitrary charging of the internal combustion engine can be achieved. This is also for the second expansion and charging device required weight and volume is in relation to the achievable Gain in specific performance and efficiency low.

In weiterer Ausbildung der Erfindung erfolgt die Auslaßöffnung und der Einlaßschluß bei halbem Kolbenhub mit der Auslaßschließung und der Einlaßöffnung durch den Schwingkolben am unteren Totpunkt der Kurbelwelle.In a further embodiment of the invention, the outlet opening takes place and the inlet end at half the piston stroke with the outlet end and the inlet opening through the oscillating piston at the bottom dead center of the crankshaft.

In noch weiterer Ausbildung der Erfindung werden je zwei in Reihe angeordnete Zylinder der Brennkraftmaschine auf jeder Seite mit einer Zweitdehnungs- und Aufladeeinrichtung ausgerüstet.In yet another embodiment of the invention, two in Row of internal combustion engine cylinders on each Side equipped with a second expansion and charging device.

In den Abbildungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Als Beispiel ist ein Zweizylinder-Dieselmotor gewählt, der in Fig. 1 und 2 in den in Fig. 3 angegebenen, quer zur Kurbelwellenmittenachse gelegten Querschnitten A-B sowie C-D wiedergegeben ist. In Fig. 3 ist ein in Fig. 1 und 2 mit E-F gekennzeichneter, parallel zur Kurbelwellenachse verlaufender Querschnitt durch den Motor mit der Schwingkolbenzweitdehnungs- und Aufladeeinrichtung dargestellt. Schließlich ist in Fig. 4 ein Steuerdiagramm des Motors veranschaulicht.An embodiment of the invention is shown in the figures. As an example, a two-cylinder diesel engine is selected, which is shown in FIGS. 1 and 2 in the cross sections AB and CD shown in FIG. 3 and placed transversely to the central axis of the crankshaft. FIG. 3 shows a cross section through the engine with the oscillating piston second expansion and supercharging device, identified by EF in FIGS. 1 and 2 and running parallel to the crankshaft axis. Finally, a control diagram of the engine is illustrated in FIG. 4.

In den Abbildungen ist mit 1 der Kolben bezeichnet, der mit einer Brennkammer 1₁ ausgerüstet ist, in die im oberen Totpunkt der Zündluftspeicher 2 eingreift, in den ein Teil des von der Einspritzdüse 3 eingespritzten Brennstoffes gelangt, welcher eine Verpuffung auslöst,die den danach eingespritzten Hauptbrennstoffanteil verwirbelt und zündet. Der Kolben bewegt sich im durch den Zylinderkopf 5 abgeschlossenen Zylinder 4 und überträgt bei Abwärtsbewegung den Verbrennungsdruck über die der Übersichtlichkeit halber als Linie dargestellte Pleuelstange 6 auf die ebenso dargestellte Kurbelwelle 7, auf welcher auch die Pleuelstange 8 des in Fig. 2 dargestellten zweiten Zylinders einwirkt. An ihrer Frontseite besitzt die Kurbelwelle zwei weitere Kröpfungen oder Exzenter 7₁ und 7₂, welche über die Pleuelstangen 9 und 10 die Kurbeln 11 und 12 der beiden in den Zweitdehnungs- und Aufladeeinrichtungen angeordneten Schwingwellen 16 und 17 und die mit ihnen verschraubten Schwingkolben 13 und 14 antreiben bzw. von diesen angetrieben werden.In the figures, 1 denotes the piston, which is equipped with a combustion chamber 1 ₁, which engages in the top dead center of the pilot air reservoir 2 , into which a part of the fuel injected from the injector 3 passes, which triggers a deflagration, which then injected main fuel swirls and ignites. The piston moves in the cylinder 4 closed by the cylinder head 5 and, when moving downward, transfers the combustion pressure via the connecting rod 6 , which is shown as a line for the sake of clarity, to the crankshaft 7 , also shown, on which the connecting rod 8 of the second cylinder shown in FIG. 2 also acts . On its front side, the crankshaft has two further cranks or eccentrics 7 ₁ and 7 ₂, which via the connecting rods 9 and 10, the cranks 11 and 12 of the two arranged in the Zweitdehnungs- and charging devices swing shafts 16 and 17 and screwed with them oscillating piston 13 and 14 drive or be driven by these.

Der Schwingkolben 13 vollzieht den Stoffwechsel des Zylinders 4 und der Schwingkolben 14 den des Zylinders 15. Sowohl Kolben 1 des Zylinders 4 wie Kolben 18 des Zylinders 15 sind in Horizontalstellung der Kurbelwelle 7 wiedergegeben. In dieser Stellung hat die Oberkante des Kolbens 1 die Schlitzoberkante des Auslaßschlitzes 4₁ des Zylinders 4 erreicht und die Oberkante des Kolbens 18 schließt gerade den Einlaßschlitz 15₂ des Zylinders 15 ab. Während sich der Schwingkolben 13 in seiner oberen und der Schwingkolben 14 in seiner unteren Endlage befindet, wird auf der Auslaßseite des Zylinders 4 der Auslaßschlitz 4₁ über den Kanal 13₁ mit dem Druckraum 13₃ verbunden. Beim weiteren Abwärtsgehen des Kolbens 1 dringen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder 4 über den Schlitz 4₁ und den Kanal 13₁ in den vom Halbzylinder 19 und dessen Rückwand 19₁ gebildeten Druckraum 13₃, in welchem eine Vorverdichtung stattgefunden hat, ein. Der Schwingkolben 13 bewegt sich zusammen mit dem Motorkolben 1. Beide Kolben leiten ihre Druckkräfte in die Kurbelwelle 7 über die Pleuelstangen 6 und 9. Dabei öffnet sich der Kanal 13₁ weiter, bis der Kolben den unteren Totpunkt erreicht. Dann hat die Wand 13₂ des Kanals 13₁ den Schlitz 4₁ abgedeckt. Kurz vor dem unteren Totpunkt des Motorkolbens 1 hat der Schwingkolben 13 auf seiner der Kurbel 11 gegenüberliegenden Stirnseite im Teilzylinder 19 die Auslaßöffnung 19₂ geöffnet, aus der das entladene Abgas abströmt.The oscillating piston 13 carries out the metabolism of the cylinder 4 and the oscillating piston 14 that of the cylinder 15 . Both the piston 1 of the cylinder 4 and the piston 18 of the cylinder 15 are shown in the horizontal position of the crankshaft 7 . In this position, the upper edge of the piston 1 has reached the slot upper edge of the outlet slot 4 ₁ of the cylinder 4 and the upper edge of the piston 18 just closes the inlet slot 15 ₂ of the cylinder 15 . While the oscillating piston 13 is in its upper and the oscillating piston 14 in its lower end position, on the outlet side of the cylinder 4 the outlet slot 4 1 is connected via the channel 13 1 to the pressure chamber 13 3. When the piston 1 goes further down, the combustion gases penetrate from the cylinder 4 through the slot 4 1 and the channel 13 1 into the pressure chamber 13 3 formed by the half cylinder 19 and its rear wall 19 1 , in which a pre-compression has taken place. The oscillating piston 13 moves together with the engine piston 1 . Both pistons conduct their pressure forces into the crankshaft 7 via the connecting rods 6 and 9 . The channel 13 ₁ opens further until the piston reaches bottom dead center. Then the wall 13 ₂ of the channel 13 ₁ covered the slot 4 ₁. Shortly before the bottom dead center of the engine piston 1 , the oscillating piston 13 on its end face opposite the crank 11 in the partial cylinder 19 has opened the outlet opening 19 ₂ from which the discharged exhaust gas flows out.

Während des Arbeits-Schwinghubes des Schwingkolbens 13 wird die auf der Unterseite des Schwingkolbens 13 über die Membran 20 angesaugte Luft verdichtet und in den Hubraum des Zylinders 4 geführt. Das Ende dieses Vorgangs ist im Halbzylinder 21 des zweiten Zylinders 15 in Fig. 2 veranschaulicht. Der dem Zylinder 15 zugeordnete Schwingkolben 14 hat seine Endstellung, bei der der Kolben 18 dieses Zylinders den Einlaßschlitz 15₂ bereits geschlossen hat, erreicht, nachdem die vorverdichtete Luft über den Luftkanal 14₂ über den Einlaßschlitz 15₂ in den Innenraum des Zylinders 15 gedrückt wurde. Bei der Endstellung des Schwingkolbens ist im darüber befindlichen Zweitdehnungsraum des Halbzylinders 21 der Auslaßkanal 21₂, aus welchem die Abgase des Zylinders 15 ins Freie dringen, geöffnet.During the working oscillation stroke of the oscillating piston 13 , the air sucked in on the underside of the oscillating piston 13 via the membrane 20 is compressed and guided into the displacement of the cylinder 4 . The end of this process is illustrated in the half cylinder 21 of the second cylinder 15 in FIG. 2. The oscillating piston 14 assigned to the cylinder 15 has reached its end position, in which the piston 18 of this cylinder has already closed the inlet slot 15 ₂ after the pre-compressed air has been pressed via the air channel 14 ₂ via the inlet slot 15 ₂ into the interior of the cylinder 15 . In the end position of the oscillating piston in the second expansion chamber of the half cylinder 21 located above the outlet channel 21 ₂, from which the exhaust gases of the cylinder 15 penetrate into the open.

Die Wirkungsweise des Motors geht aus dem in Fig. 4 dargestellten Schema für den Zylinder 4 hervor. Im mit OT gekennzeichneten oberen Totpunkt des Kolbens 1 des Zylinders 4, in welchem sich der Kolben 18 des Zylinders 15 im UT befindet, ist der Brennstoff durch die Düse 3 dieses Zylinders eingespritzt. Die Verbrennungsgase treiben den Kolben 1 nach unten, bis der Punkt A₁ö, also die obere Kante des Auslaßschlitzes 4₁, erreicht ist. Von diesem Steuerpunkt ab dehnen sich die Verbrennungsgase im Hauptzylinder 4 und im Halbzylinder 19 zusammen aus und führen ihre Kolbenkräfte über ihre Pleuelstangen in die Kurbelwelle. Im unteren Totpunkt UT schließt der Schwingkolben 13 den Auslaßschlitz 4₁, gleichzeitig öffnet der Schwingkolben den Einlaßschlitz 4₂. Dieser Vorgang ist in Fig. 2 für den zweiten Zylinder veranschaulicht. Die den Einlaß steuernde Kante des Schwingkolbens 14 ist mit 14₃ gekennzeichnet. Bis zum Punkt Es wird dann die im Halbzylinder befindliche Verbrennungsluft über den Einlaßschlitz in den Zylinder 4 geführt. Dann schließt, wie es für den Zylinder 15 in Fig. 2 veranschaulicht ist, die Kolbenoberkante den Einlaßschlitz. Von hier ab erfolgt die Vorverdichtung im Hauptzylinder allein und bei OT beginnt derselbe Vorgang erneut. Die Steuerpunkte A₂ö und A₂s geben den Öffnungs- und Schließpunkt des Auslaßschlitzes 19₂ in der Stirnwand des Halbzylinders 19 an.The mode of operation of the engine is evident from the diagram for the cylinder 4 shown in FIG. 4. At the top dead center of the piston 1 of the cylinder 4 , identified by TDC, in which the piston 18 of the cylinder 15 is at the bottom, the fuel is injected through the nozzle 3 of this cylinder. The combustion gases drive the piston 1 down until the point A₁ö, ie the upper edge of the outlet slot 4 ₁, is reached. From this control point, the combustion gases in the master cylinder 4 and in the half cylinder 19 expand together and guide their piston forces via their connecting rods into the crankshaft. At bottom dead center UT, the oscillating piston 13 closes the outlet slot 4 ₁, at the same time the oscillating piston opens the inlet slot 4 ₂. This process is illustrated in Fig. 2 for the second cylinder. The inlet controlling edge of the oscillating piston 14 is marked with 14 ₃. Up to the point, the combustion air in the half-cylinder is then guided into the cylinder 4 via the inlet slot. Then, as illustrated for cylinder 15 in FIG. 2, the top of the piston closes the inlet slot. From here, the pre-compression takes place in the master cylinder alone and the same process starts again at TDC. The control points A₂ö and A₂s indicate the opening and closing point of the outlet slot 19 ₂ in the end wall of the half cylinder 19 .

Der beschriebene Motor kann sowohl als Ottomotor, zweckmäßigerweise mit Einspritzung ausgerüstet, als auch als Dieselmotor für Personen- und Lastkraftwagen Verwendung finden. Der Motor kann mit 2n in Reihe, im V oder gegenüberliegend angeordneten Zylindern ausgerüstet werden.The engine described can be conveniently both as a gasoline engine equipped with injection, as well as a diesel engine can be used for cars and trucks. The motor can be 2n in series, in V or opposite arranged cylinders can be equipped.

Claims

1. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Aufladung und Zweitdehnung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem den Auslaßbeginn und den Einlaßschluß steuernden Kolben (1, 18) sowie einem Teilzylinder (19, 21) mit einem Kolben (13, 14), dessen eine mit den Auslaßgasen des Zylinders beaufschlagte Fläche eine Kraft erzeugt, welche über Verbindungsteile (9, 10) auf die Motorkurbelwelle (7) übertragen wird und dessen zweite Fläche das Ansaugen sowie die Vorverdichtung der Luft oder des Luft-Brennstoffgemisches zum Spülen bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Teilzylinder halbe Zylinderform, mit vom Motor abgewendeter Begrenzungsebene, aufweist und senkrecht zur Mittelachse des Motorzylinders angeordnet ist,
- der darin sich bewegende Kolben als Schwingkolben mit Meridianflächen ausgebildet ist, welcher den Auslaßschluß sowie den Einlaßbeginn über die Zylinderflächen des Zweitdehnungszylinders steuert. 1. Two-stroke internal combustion engine with supercharging and second expansion, in particular for motor vehicles, with a piston ( 1 , 18 ) controlling the start of the outlet and the inlet end, and a partial cylinder ( 19 , 21 ) with a piston ( 13 , 14 ), one of which with the exhaust gases area of the cylinder generates a force which is transmitted to the engine crankshaft ( 7 ) via connecting parts ( 9 , 10 ) and the second surface of which causes the air or the air-fuel mixture to be drawn in and pre-compressed for purging, characterized in that
the partial cylinder has a half-cylindrical shape, with the limiting plane facing away from the engine, and is arranged perpendicular to the central axis of the engine cylinder,
- The piston moving therein is designed as an oscillating piston with meridian surfaces, which controls the outlet closure and the beginning of the inlet via the cylinder surfaces of the second expansion cylinder.

2. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Aufladung und Zweitdehnung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung und der Einlaßschluß bei halbem Kolbenhub, mit der Auslaßschließung und der Einlaßöffnung durch den Schwingkolben (13) am unteren Totpunkt der Kurbelwelle (7) erfolgt. 2. Two-stroke internal combustion engine with supercharging and second expansion, according to claim 1, characterized in that the outlet opening and the inlet closure at half the piston stroke, with the outlet closure and the inlet opening through the oscillating piston ( 13 ) at the bottom dead center of the crankshaft ( 7 ).

3. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Aufladung und Zweitdehnung, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei in Reihe angeordnete Zylinder (4, 15) der Brennkraftmaschine auf jeder Seite mit einer Zweitdehnungs- und Aufladeeinrichtung (13, 19; 14, 21) ausgerüstet sind.3. Two-stroke internal combustion engine with charging and second expansion, according to claim 1 and 2, characterized in that two cylinders ( 4 , 15 ) of the internal combustion engine arranged in series on each side with a second expansion and charging device ( 13 , 19 ; 14 , 21 ) are equipped.