DE69500483T2

DE69500483T2 - Zweitaktbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69500483T2
Application number: DE69500483T
Authority: DE
Inventors: Franck Bultel
Original assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA; Renault SAS
Current assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA; Renault SAS
Priority date: 1994-06-23
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2015-06-15
Also published as: FR2721656B1; FR2721656A1; DE69500483D1; EP0688944A1; EP0688944B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, und betrifft genauer Zweitaktverbrennungskraftmaschinen vom Typ Pumpengehäuse.
Zuallererst wird an das Funktionsprinzip einer Zweitaktkraftmaschine vom Typ Pumpengehäuse erinnert, unter Bezugnahme auf die Figur 1, die eine schematische, senkrechte Schnittansicht einer solchen Kraftmaschine ist.
Die in der Figur 1 dargestellte Kraftmaschine weist bekannterweise ein Gehäuse 1 auf, in dem wenigstens ein eine Brennkammer begrenzender Zylinder 2 angeordnet ist und in dem ein Kolben 3 gleitet, der durch ein Pleuel 4 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden ist.
Der Kreis aus Strich-Punkt-Linien C stellt den Weg des Punktes A der Befestigung des Pleuels an ihrem Ende während eines Taktes der Kraftmaschine dar, wobei die Drehrichtung durch den Pfeil F angegeben ist.
Die Kraftstoffeinspritzung ist vorzugsweise direkt und die Zündung wird durch eine herkömmliche Einrichtung, wie beispielsweise eine Zündkerze (nicht dargestellt) erreicht.
Die Kurbelwelle dreht sich im Inneren eines Gehäuses 5, das durch eine Leitung 6 mit dem Zylinder 2 verbunden ist, wobei die Leitung 6 in diesen durch eine Einlaßöffnung 7 mündet. Die frische Luft wird in das Gehäuse 5 durch Ansaugen bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens zugeführt, wobei letzterer die Eingangsöffnung 7 während annähernd der gesamten Bewegung verschließt.
Wenn der Kolben sich wieder abwärts bewegt, verdichtet er die im Gehäuse enthaltene Luft. Am Schluß seiner Abwärtsbewegung gibt er zuerst eine Auslaßöffnung 8, die in Verbindung mit einer Auslaßleitung 9 steht, und dann ungefähr gleichzeitig die Einlaßöffnung 7 frei. Die verdichtete Luft im Gehäuse dringt dann in den Zylinder durch die Leitung 6 und die Einlaßöffnung 7 ein und treibt die verbrannten Gase durch die Auslaßöffnung hinaus.
Wenn der Kolben sich aufs neue wieder aufwärts bewegt verschließt er die Einlaßöffnung 7 und die Auslaßöffnung 8 und verdichtet die Gasmenge bis zur Zündung, wobei eine neue Abwärtsbewegung des Kolbens verursacht wird, und so fort.
Man sieht außerdem in der Figur 1, daß die Kraftmaschine ein festes oder variables Auslaßdiagramm haben kann, wobei das "Auslaßdiagramm" als der Winkel definiert werden kann, der vom Punkt A auf dem Kreis C überstrichen wird, wenn die Auslaßöffnung vom Kolben (teilweise oder vollständig) freigegeben ist.
Wenn dieser feste Abmessungen hat, ist der Winkel immer derselbe und man hat ein festes Auslaßdiagramm.
Indessen kann vorgesehen werden, den Durchgangsquerschnitt nach der axialen Richtung des Zylinders je nach dem Zustand der Kraftmaschine zu verändern, um ihre Leistungen zu verbessern. Dazu kann der in der Figur 1 gezeigte Verschluß 10 verwendet werden. Wenn dieser in vollständig hochgestellter Lage ist, beginnt die Auslaßöffnung freigegeben zu werden, wenn die Oberseite des Kolbens gegenüber vom Punkt B&sub1; ankommt und das Auslaßdiagramm dem Winkel α&sub1;α&sub2; entspricht. Im Gegensatz dazu wird, wenn der Verschluß in seiner tiefsten Stellung ist, welche die in der Figur 1 gezeigte ist, die Auslaßöffnung erst freigeben, wenn die Oberseite des Kolbens gegenüber vom Punkt B2 ankommt und das Auslaßdiagramm dem Winkel α&sub1;α&sub2; 2 entspricht: es wurde also eine Kraftmaschine mit variablem Auslaßdiagramm, in Abhängigkeit von der Stellung des Verschlusses 10, verwirklicht.
Es ist für die Verbrennungskraftmaschinen bekannt, daß die Drehmomentleistungen direkt an die im Zylinder eingeschlosse Menge frischer Luft gebunden sind, d. h., daß die erhaltene Leistung um so größer ist, je größer die Menge eingeschlossener Luft ist. Es ist einfach, eine Kraftmaschine zu optimieren, d. h. die beste Füllung mit Luft für eine gegebene Drehzahl herauszufinden, aber im Fall von Zweitaktkraftmaschinen ist dies nur für eine bestimmte Drehzahl, "Resonanzdrehzahl" genannt, gültig, die weiter unten erklärt wird.
Wenn die frische Luft in den Zylinder eindringt, vermischt sie sich mehr oder weniger mit den verbrannten Gasen und ein Teil der frischen Luft entleert sich in die Auslaßleitung 9, wohingegen ein Teil der verbrannten Gase im Zylinder verbleibt, was die Leistungen der Kraftmaschine vermindert. Es ist also wünschenswert, einen Teil der ausströmenden Gase in den Zylinder zurückzuführen, um die Menge an frischer Luft zu erhöhen. Es gibt eine bestimmte Drehzahl, in Abhängigkeit von der Geometrie der Kraftmaschine und der Auslaßleitungen, für die die Schallwelle, die durch die einen Zylinder verlassenden Gase erzeugt wird, die Rückkehr der gerade ausgeströmten Gase in einen anderen Zylinder begünstigt: das ist die Drehzahl, die "Resonanz-Drehzahl genannt wird.
Verschiedene Lösungen sind vorgeschlagen worden, um die Funktion von Zweitaktkraftmaschinen zu verbessern, insbesondere mit variablen Diagrammen. Bespielsweise beschreibt die am 06.07.1993 hinterlegte französische Anmeldung 93.08251 eine Kraftmaschine von diesem Typ, in der ein bei der Auslaßöffnung angeordneter Drehschieber es einerseits erlaubt, den Querschnitt in axialer Richtung des Zylinders zu verändern, wobei so das variable Diagramm erzeugt wird, und andererseits selektiv die Auslaßgase zu der Hauptleitung oder zu einer Sekundärleitung zu leiten, die mit einem Startkatalysator ausgerüstet ist.
Die Funktion des letzteren ist es, durch Oxidation die Kohlenwasserstoffe und das CO umzuwandeln, das in den Auslaßgasen enthalten ist, und das schon bei den tiefsten Temperaturen, d. h. wenn die Kraftmaschine in der Startphase kalt ist. Da die Reaktion exotherm ist, erwärmen sich die Gase, was es ermöglicht, eine Vorheizung des Hauptkatalysators zu erhalten (welcher nur heiß funktioniert). Man wird außerdem bemerken, daß sich der Startkatalysator nur für einen geringen Massendurchsatz von Gas eignet: jenseits eines bestimmten Durchsatzes wird die Umwandlung nicht mehr durchgeführt und der Hauptkatalysator tritt an die Stelle.
Die Erfindung hat zum Ziel, solche Kraftmaschinen zu verbessern, indem eine mit einem System ausgerüstete Zweitaktkraftmaschine vorgeschlagen wird, das es erlaubt, abermals die Füllung mit frischer Luft zu verbessern und dabei von einfacher Konstruktion ist und folglich einfach industriell verwertbar ist.
Die Kraftmaschine, die Gegenstand der Erfindung ist, ist von der in der vorgenannten Patentanmeldung beschriebenen Art, d. h. sie weist ein Gehäuse, in dem wenigstens ein eine Brennkammer begrenzender Zylinder angeordnet ist, wobei der Zylinder wenigstens eine Einlaßöffnung, wodurch die frischen Gase eindringen, und wenigstens eine Auslaßöffnung aufweist, wodurch die verbrannnten Gase abgeführt werden, wobei letztere mit einer Auslaßstrecke über zwei verschiedene Auslaßleitungen in Verbindung steht, und einen Drehschieber auf, der in der Lage ist, einerseits den Durchgangsquerschnitt der Auslaßöffnung zu verändern, indem er diese in axialer Richtung des Zylinders mehr oder weniger verschließt, und andererseits die verbrannten Gase selektiv zu der einen oder der anderen Leitung zu führen, wobei er zwischen die Auslaßöffnung und die Leitungen eingefügt ist.
Gemäß der Erfindung weist die Kraftmaschine darüberhinaus einen Resonator auf, der mit der einen und/oder der anderen Auslaßleitung in Verbindung steht, wobei der Schieber in der Lage ist, den Resonator mehr oder weniger zu verschließen.
Man erhält so eine sehr einfache Konstruktion, da der Schieber durch eine geeignete Form alleine vier Funktionen ausübt: Veränderung des Auslaßdiagramms, Umleitung der verbrannten Gase zu einem Startkatalysator, "Klappen"-Effekt, indem er mehr oder weniger die Hauptauslaßleitung verschließt, und den Einsatz und die Einstellung des Resonators, was weiterhin die Füllung mit frischer Luft der Kraftmaschine verbessert.
Gemäß weiteren Merkmalen der Kraftmaschine, die Gegenstand der Erfindung sind:
- hat der Resonator die Form eines zylindrischen Hohlraumes mit zu der des Zylinders senkrechten Achse, der mit der einen und/oder der anderen Leitung durch einen Durchgang mit geringerem Querschnitt als der des Hohlraumes in Verbindung steht;
- erstreckt sich dieser Durchgang im wesentlichen senkrecht sowohl zur Achse des Hohlraumes als auch zu der des Zylinders;
- weist die Kraftmaschine mehrere Zylinder auf, wobei ein einziger, getrennter Resonator jedem Zylinder zugeordnet ist;
- wird der Schieber von Steuereinrichtungen betätigt, die nach typischen Parametern des Kraftmaschinenbetriebes wirken;
- sind die typischen Parameter des Kraftmaschinenbetriebes die Last und/oder die Leistung;
- rotiert der Schieber im Inneren einer im Gehäuse ausgesparten Bohrung, wobei die Bohrung sich senkrecht zur Achse des Zylinders erstreckt und direkt mit der Auslaßöffnung, den beiden Auslaßleitungen und dem Resonator in Verbindung steht;
- hat der Schieber eine solche Form, daß er auf seinem Umlaufweg die zweite Leitung in dem Maße zunehmend freigibt, in dem er die erste verschließt, wobei der Resonator verschlossen ist;
- hat der Schieber eine solche Form, daß er auf seinem Umlaufweg den Resonator in dem Maße zunehmend freigibt, in dem er die Ausgangsöffnung verschließt, wobei die erste Leitung verschlossen und die zweite freigegeben ist;
- weist die Kraftmaschine mehrere Zylinder auf, wobei sich die jedem Zylinder entsprechenden Schieber drehunbeweglich auf einer selben Welle befinden;
- sind die Schieber Bestandteil der Welle.
Die Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung noch deutlicher, die einzig als Beispiel angegeben ist, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
- die Figur 1 eine teilweise, senkrechte, schematische Schnittansicht einer Zweitaktkraftmaschine mit Pumpengehäuse ist;
- die Figuren 2 bis 5 Teildetailansichten des Auslaßsystems nach der Erfindung sind, die die verschiedenen Funktionsarten von diesem verdeutlicht.
Es wirdzunächts auf die Figur 2 Bezug genommen, in der bei vergrößertem Maßstab der Bereich dargestellt ist, der die Auslaßöffnung 8 umgibt. Ebenso ist auf sehr schematische Weise der im Zylinder 2 gleitende Kolben 3 dargestellt. In all den Figuren 2 bis 5 ist der Kolben in einer tiefen Stellung dargestellt, wo er die Auslaßöffnung 8 vollständig freigibt. Bei dieser ist eine zylindrische Bohrung 11 mit einer zu der Achse D des Zylinders senkrechten Achse ausgebildet, in der ein Drehschieber 12 rotiert.
Die Bohrung 11 steht einerseits mit der Hauptauslaßleitung 9 und andererseits mit einer Sekundärauslaßleitung 13 in Verbindung, die mit einem Startkatalysator 14 ausgerüstet ist, und schließlich mit einem Resonator 15, der später beschrieben werden wird. Zur größeren Bequemlichkeit wird in der vorliegenden Beschreibung die Leitung 13, die in den Startphasen verwendet wird, "erste Leitung" und die Leitung 9 "zweite Leitung" genannt.
Die erste Leitung 13 mündet in die zweite in einer bestimmten Entfernung stromab der Bohrung 11, bei Berücksichtigung der Strömungsrichtung der Auslaßgase. Was den Resonator 15 betrifft, so setzt er sich im wesentlichen aus einem zylindrischen Hohlraum 16 zusammen, dessen Achse senkrecht zu der des Zylinders 2 und parallel zu der der Bohrung 11 ist, und der mit letzterer durch einen Durchgang 17 in Verbindung steht. Dieser Durchgang, der nicht notwendigerweise geradlinig ist, erstreckt sich in einer im wesentlichen zu der Achse des Hohlraumes 16 senkrechten Richtung. Seine Länge wurde mit L und sein Querschnitt mit 5 bezeichnet, wobei letzterer geringer ist als der des Hohlraumes 16.
Es wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 5 die Funktion des Auslaßsystems beschrieben, das Gegenstand der Erfindung ist.
In der Figur 2 ist der Schieber 12 in einer Stellung dargestellt, in der er vollständig die Leitung 9 und den Durchgang 17 des Resonators 15 verschließt und die erste Leitung 13 sowie die Auslaßöffnung 8 vollständig frei läßt. Diese Stellung eignet sich für Startphasen, wenn die Kraftmaschine kalt ist: die Auslaßgase treten durch den Startkatalysator, was ihre Behandlung erlaubt, während der Hauptkatalysator, der in der Auslaßstrecke entfernter angeordnet ist, noch nicht im Einsatz ist.
In der in Figur 3 dargestellten Stellung ist der Schieber 12 beim Blick auf die Figuren um ungefähr 90º entgegen dem Urzeigersinn gedreht. In dieser Stellung verschließt er vollständig den Resonator 15 und die erste Leitung 13 und gibt vollständig die Leitung 9 und die Auslaßöffnung 8 frei. Diese Stellung eignet sich für einen Betrieb der Kraftmaschine bei hoher Drehzahl und großer Last.
Es ist zu bemerken, daß im Verlauf seiner Drehung, die am Ende der Startphase beginnt, der Schieber die Öffnung 9 in dem Maße zunehmend freigegeben hat, in dem er die Leitung 13 verschließt, wobei der Resonator verschlossen und die Auslaßleitung 8 vollständig freigegeben ist.
In der Figur 4 ist der Schieber nochmals entgegen dem Urzeigersinn gedreht und befindet sich in einer Stellung, in der er den Resonator freigibt und den oberen Teil der Auslaßöffnung 8 verschließt, wobei die Leitung 13 verschlossen und der Eintritt der Leitung 9 freigegeben ist. Diese Stellung eignet sich für einen Betrieb der Kraftmaschine bei hoher Last und mittlerer Drehzahl.
Es wird nochmals darauf hingewiesen, daß das Verschließen der Auslaßöffnung 8 in dem Maße zunehmend durchgeführt wird, in dem der Schieber den Resonator freigibt.
Indem der Schieber seine Bewegung fortsetzt, erreicht er die Extremstellung der Figur 5, in der der Resonator immer freigegeben ist, so wie der Einlaß der Leitung 9, wobei die erste Leitung 13 verschlossen ist. Jedoch hat der Schieber die Auslaßöffnung 8 weiter verschlossen, so daß die Auslaßgase nur durch dessen unteren Teil treten. Diese Stellung eignet sich für eine Funktion der Kraftmaschine bei voller Last und geringer Drehzahl.
Es wird darauf aufmerksam gemacht, daß die Stellung der Figur 5 wie oben angegeben eine "Extrem"-Stellung ist, d. h. einem Minimalauslaßdiagramm entsprechend. Außerdem sieht man, daß der Schieber eine solche Form hat, daß er, wenn er sich weiter drehen würde, aufs neue die Leitung 13 freigeben würde, wohingegen diese nur während der Startphasen in Betrieb sein darf. Tatsächlich tritt der Schieber in dem Maße zunehmend von einer Stellung in eine andere, in dem die Betriebsparameter der Kraftmaschine fortschreiten.
Um den besseren Wirkungsgrad des Systems im Fall einer Kraftmaschine mit mehreren Zylindern sicherzustellen, ist jeder Zylinder mit seinem eigenen Resonator versehen, um eventuelle Interferenzen zwischen den verschiedenen Resonatoren zu vermeiden.
Was die Schieber betrifft, so befinden sie sich vorzugsweise auf einer selben Welle und können sogar direkt in ihr ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß wurde also ein extrem einfaches System verwirklicht, da ein einziges Teil, nämlich der Schieber, es durch seine Drehung ermöglicht, das Auslaßsystem den Bedürfnissen der Kraftmaschine in all ihren Betriebsbereichen anzupassen. Darüber hinaus erhält man bessere Leistungen als mit den Vorrichtungen des bisherigen Standes der Technik, da der Schieber es ermöglicht, alle folgenden Funktionen bestens zu kontrollieren und zu kombinieren: Veränderung des Auslaßdiagramms, selektive Umleitung der Auslaßgase, Inbetriebsetzung und Regelung des Resonators und mehr oder weniger weites Verschließen des Einlasses der Auslaß leitung.
Schließlich versteht es sich von selbst, daß die Erfindung sich nicht auf die einzige beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt, sondern daß sie im Gegenteil alle ihre Varianten abdeckt. So kann der Fachmann die Form und die Abmessungen der die Vorrichtung bildenden Elemente (insbesondere der Schieber und der Resonator) sowie den Verlauf der Öffnung und der Verschließung der verschiedenen Öffnungen in Abhängigkeit von den für jede Kraftmaschine gewünschten Merkmalen verändern.

Claims

1. Zweitaktverbrennungskraftmaschine, vom Typ Pumpengehäuse, mit einem Gehäuse (1), in dem wenigstens ein eine Brennkammer begrenzender Zylinder (2) angeordnet ist, wobei der Zylinder wenigstens eine Einlaßöffnung (7), wodurch die frischen Gase eindringen, und wenigstens eine Auslaßöffung (8) aufweist, wodurch die verbrannten Gase abgeführt werden, wobei letztere mit einer Auslaßstrecke in Verbindung steht über zwei verschiedene Auslaßleitungen (9, 13) und einen Drehschieber (12), der in der Lage ist, einerseits den Durchgangsquerschnitt der Auslaßöffnung (8) zu verändern, indem er diese in axialer Richtung des Zylinders (2) mehr oder weniger verschließt, und andererseits die verbrannten Gase selektiv zu der einen oder der anderen Leitung (9, 13) zu führen, wobei er zwischen die Auslaßöffnung und die Leitungen (9, 13) eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie darüber hinaus einen Resonator (15) aufweist, der mit der einen und/oder der anderen Auslaßleitung in Verbindung steht, wobei der Schieber (12) in der Lage ist, mehr oder weniger den Resonator (15) zu verschließen.

2. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (15) die Form eines zylindrischen Hohlraumes (16) mit zu der des Zylinders (2) senkrechter Achse hat, der mit der einen und/oder der anderen Leitung (9, 13) durch einen Durchgang (17) mit geringerem Querschnitt als der des Hohlraumes (16) in Verbindung steht.

3. Kraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Durchgang (17) sich im wesentlichen senkrecht sowohl zur Achse des Hohlraumes (16) als auch zu der des Zylinders (2) erstreckt.

4. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit mehreren Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger, getrennter Resonator jedem Zylinder zugeordnet ist.

5. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (12) von Steuereinrichtungen betatigt wird, die nach typischen Parametern des Kraftmaschinenbetriebes wirken.

6. Kraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die typischen Parameter des Kraftmaschinenbetriebes die Last und/oder die Leistung sind.

7. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (12) im Inneren einer im Gehäuse (1) ausgesparten Bohrung (11) rotiert, wobei die Bohrung (11) sich senkrecht zur Achse des Zylinders (2) erstreckt und direkt mit der Auslaßöffnung (8), den beiden Auslaßleitungen (9, 13) und dem Resonator (15) in Verbindung steht.

8. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eine (13) der beiden Leitungen, "erste Leitung" genannt, mit einem Startkatalysator (14) ausgerüstet ist.

9. Kraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (12) eine solche Form hat, daß er auf seinem Umlaufweg die zweite Leitung (9) in dem Maße zunehmend freigibt, in dem er die erste (13) verschließt, wobei der Resonator (15) verschlossen ist.

10. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (12) eine solche Form hat, daß er auf seinem Umlaufweg den Resonator (15) in dem Maße zunehmend freilegt, in dem er die Ausgangsöffnung (8) verschließt, wobei die erste Leitung (13) verschlossen und die zweite (9) freigegeben ist.

11. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit mehreren Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß die jedem Zylinder entsprechenden Schieber sich drehunbeweglich auf einer selben Welle befinden.

12. Kraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieber Bestandteil der Welle sind.