AT396617B - Zweitakt-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

AT 396 617 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einer symmetrischen freiliegenden Kolbenstange, die mindestens zwei Kolben aufweist, die jeweils beweglich in mit Auslaßschlitzen versehenen Brennkammern angeordnet sind, die in bezug auf die Kolben axial innen liegen und je durch einen Kanal mit einer weiteren Kammer verbunden sind, die als Vorverdichterraum zwischen den Brennkammern angeordnet ist und einen zusätzlichen, auf einem Kolbenstangenmittelstück sitzenden Kolben auf weist, der die weitere Kammer in zwei gesonderte Vorverdichterräume teilt, deren zu den Brennkammern verlaufende Kanäle in die Brennkammerstirnseiten einmünden und jeweils durch einen als Ventil wirkenden Abschnitt des Kolbenstangenmittelstücks bei Expansion des Mediums in den Brennkammern geschlossen und beim Stoffaustausch offen sind.

Aus der DE-OS 14 51 662 ist eine Brennkraftmaschine mit freiliegender Kolbenstange und von dieser ausgehenden Kolben bekannt, bei der zwei gesonderte Vorverdichterkammem axial innen an den Kolben vorgesehen sind, während die Brennkammern bei den Kolben axial außen liegen. Jeweils eine Brennkammer und eine Vorverdichterkammer befinden sich in einem gemeinsamen Hohlzylinder, in dem sich der Kolben bewegt Zwischen den Vorverdichterkammem und den Brennkammern sind Überströmkanäle angeordnet, die in der Zylinderwand verlaufen.

In der US-PS 1,040,472 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Ventilanordnung in Verbindung mit einer nicht freiliegenden Kolbenstange beschrieben. Die Kolbenstange weist an der Peripherie axial verlaufende in gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnete Nuten für das Treibstoffgemisch auf. Das Gemisch strömt im wesentlichen radial in die Brennkammer, wodurch sich eine schlechte Spülung »gibt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zweitakt-Brennkraftmaschine der eingangs »läuterten Gattung derart weiterzuentwickeln, daß die Spülung d» Brennkammern verbessert und durch eine konstruktiv einfache Ventilausbildung gesteuert wird.

Die Aufgabe wird eifindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kanäle zwischen den Vorverdichterräumen und den Brennkammern als Hohlzylinder konzentrisch um das Kolbenstangenmittelstück herum angeordnet sind, daß das Kolbenstangenmittelstück äußere den äußeren Kolben zugewandte Abschnitte aufweist, welche einen dem jeweiligen Kanal angepaßten, vom Durchmesser des Kolbenstangenmittelstückes unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, und daß zwischen der Stirnfläche der jeweiligen Brennkammer und dem an die Stirnfläche angrenzenden Wandabschnitt des von dem Vorverdichterraum ausgehenden Kanals Aussparungen vorgesehen sind, die in der unteren Totpunktlage des Kolbens von dem äußeren Abschnitt der Kolbenstange, der die frei von Aussparungen ausgebildeten Bereiche der Wandzonen berührt, freigegeben sind.

Bei d» erfindungsgemäß ausgebildeten Zweitakt-Brennkraftmaschine sind die weitere Kammer und der zusätzliche Kolben hinsichtlich ihrer Durchmess» unabhängig von den Brennkammerdurchmessem. Die Abmessungen der Kammer können daher optimal auf den für die Überwindung des Auspuffgegendrucks erforderlichen Verdichtungsgrad abgestimmt sein. Vorteilhaft ist ferner die durch die Art der Mündungen der Kanäle und d» Auslaßschlitze bestimmte Spülung. Es wird weitgehend der ganze Zylinderraum mit dem Spülstrom erfaßt Da die Anordnung keine Spülschlitze enthält steht für die Auslaßschlitze eine größere Fläche am Zylinderumfang zu Verfügung. Es lassen sich daher Auslaßschlitze mit geringer axialer und größerer radialer Ausdehnung vorsehen. Deshalb ergibt sich eine Erhöhung an nutzbarem Kolbenhub. Der Stoffwechselvorgang wird mit konstruktiv einfachen Kolbenventilen gesteuert, die über ihren gesamten Hubweg zwangsweise durch die Kanalwände geführt werden.

Die vorstehend erläuterte Maschine kann bezüglich des Arbeitsteils als Kompressor ausgebildet sein. Die beiden ersten Kolben lassen sich zugleich als Arbeitskolben verwenden. Abstufungen der Kolben sind nicht mehr notwendig. Eine auf diese Weise kombinierte Kraft- und Arbeitsmaschine zeichnet sich durch eine konstruktiv einfache Form aus, die eine kostengünstige Fertigung ermöglicht.

Vorzugsweise ist eine Ansaugöffnung in der zylindrischen Wand der weiteren Kammer in der Mitte zwischen den beiden Stirnseiten angeordnet. Diese Ansaugöffnung steht beiden Vorverdichterräumen zur Verfügung, ln Abhängigkeit von der Ansaug- oder Kompressionsstellung des zusätzlichen Kolbens ist der jeweilige Vcrverdichterraum gegen die Auslaßöffnung offen od» gegen sie abgedichtet.

Bei einer günstigen Ausführungsform sind die Auslaßschlitze an im wesentlichen tangential in die Brennkammern einmündenden Auspuffkanälen vorhanden. Bei dieser Vorrichtung wird eine Längsspülung erzeugt

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in ein» Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher »läutert, aus dem sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.

In der Zeichnung ist ein Längsschnitt durch eine Zweitakt-Brennkraftmaschine dargestellt In einem Zylinder (10), der durch eine Wand (12) begrenzt ist, befindet sich ein freiliegende Kolbenstange (14), die axial frei bewegbar ist

Die Kolbenstange (14) weist zwei äußere Kolben (16), (18), ein Kolbenstangenmittelstück (20), einen zusätzlichen Kolben (22) sowie zwei äußere Kolbenstangenabschnitte (24, 26) auf. Die Kolben (16, 28) haben gleich große Durchmesser. Das Kolbenstangenmittelstück (20) hat einen Durchmesser, der bedeutend klein» als der Durchmess» der äußeren Kolben (18), (16) ist D» Durchmess» des zusätzlichen Kolbens (22), der in d» Mitte zwischen den beiden Kolben (16), (18) auf dem Kolbenstangenmittelstück (20) angeordnet ist kann genauso groß wie oder größer als der Durchmesser der Kolben (16), (18) sein. Die beiden äußeren -2-

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Kolbenstangenabschnitte (24), (26) haben gleich große Durchmesser, die etwas größer als der Durchmesser der inneren Abschnitte des Kolbenstangenmittelstücks (20) sind. Ferner weisen die Kolbenstangenabschnitte (24), (26) ringförmige Stirnflächen (21) auf.

Der Zylinder (10) ist mit zwei Brennkammern (28), (30) ausgestattet, die je axial innen bei den Kolben (16), (18) angeordnet sind. Eine weitere Kammer (32) befindet sich zwischen den beiden Brennkammern (28), (30). In der weiteren Kammer (32) ist der zusätzliche Kolben (22) beweglich angeordnet. Der mit dem Kolbenstangenmittelstück (20) eine Einheit bildenden zusätzliche Kolben (22) teilt die weitere Kammer (32) in zwei Vorverdichterräume (34), (36), die je über einen Kanal (38), (40) mit einer der Brennkammern (28), (30) verbunden sind. Die weitere Kammer (32) ist in der Mitte zwischen den beiden Brennkammern (28), (30) angeordnet und von diesen jeweils durch eine Wand (42) bzw. (44) getrennt In den Wänden (42), (44) verlaufen jeweils die Kanäle (38), (40), die hohlzylindrisch ausgebildet sind. Die nicht näher bezeichnten Zylinderwände der Kanäle (38), (40) umgeben konzentrisch je einen Teü des Kolbenstangenmittelstücks (20). Zwischen da zylindrischen Außenwand des Kolbenstangenmittelstücks (20) und der Zylinderwand des jeweiligen Kanals (38), (40) ist ein freier Raum vorhanden, in dem ein gasförmiges Medium vom entsprechenden Vorverdichterraum (34) bzw. (36) zu der benachbarten Brennkammer (28) bzw. (30) strömen kann, in der in einem Arbeitstakt der Maschine durch Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches der Kolben (16) bzw. (18) angetrieben wird, wobei Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt wird.

Die Brennkammern (28), (30) sind je mit Auslaßschlitzen (46) versehen, die sich vor der unteren Totpunktlage des jeweiligen Kolbens (16), (18) befinden. An die Auslaßschlitze grenzen Auspuffkanäle (48) in der Zylinderwand (12) an. Bei der in der Zeichnung dargestellten Brennkraftmaschine verlaufen die Auspuffkanäle senkrecht zur Längsachse der Kolbenstange (14). Es ist aber auch möglich, die Auspuffkanäle (48) schräg zur Längsachse anzuordnen, wobei sich die Mittelachse der Kanäle (48) auf der Mittelachse der äußieren Abschnitte (24), (26) des Kolbenstangenmittelstücks (20) schneiden. Weiterhin können die Kanäle (48) tangential oder ungefähr tangential in die Brennkammern (28), (30) einmünden. Mit dieser Anordnung läßt sich in Verbindung mit den Auslaßöffnungen der Kanäle (38), (40) in den nicht näher bezeichneten Stirnseiten der Brennkammern (28), (30) eine günstige Längsspülung der Brennkammern (28), (30) erreichen.

Die zusätzliche Kammer (32) enthält eine Ansaugöffnung (50), die in der Zylinderwand (12) in der Mitte zwischen den beiden Stirnwänden der Kammer (32) angeordnet ist. Vor der beispielsweise zylindrischen Ansaugöffnung (50) befindet sich ein an den Zylinder (10) angrenzender Vergaser (52), wenn die Brennkraftmaschine als Otto-Motor ausgebildet ist. In der Zeichnung ist nur ein Teil des Vergasers (52) mit einer Drosselklappe (54) dargestellt

Die Durchmesser der Abschnitte (24), (26) sind an die Querschnitte der Kanäle (38), (40) angepaßt Die Durchmesser sind so gewählt, daß die Abschnitte (24),(26) die Kanäle (38),(40) möglichst dicht verschließen, jedoch eine axiale Bewegung der Abschnitte (24), (26) in den Kanälen (38), (40) ermöglichen. Die Abschnitte (24), (26) springen jeweils von den nicht näher bezeichneten Stirnflächen der Kolben (16), (18) vor. Die Länge der Abschnitte (24), (26) hängt von der unteren Totpunktlage der Kolben (16), (18) ab. ln der unteren Totpunktlage des Kolbens (16) bzw. (18) gibt der jeweilige Abschnitt (24), (26) den zugeordneten Kanal (38) bzw. (40) für die Zufuhr des Mediums zur Brennkammer (28), (30) frei. Bei Aufwärtsgang des Kolbens (16) bzw. (18) dichtet der entsprechende Abschnitt (24), (26) nach dem Verschließen der Auslaßschlitze (46) den jeweiligen Kanal (38) bzw. (40) ab. Eine sehr gute Abdichtung wird mit Kolbenringen (56) erzielt, die auf den zylindrischen Wänden der Abschnitte (24), (26) nahe an den nicht näher bezeichneten Abschnittstimflächen angeordnet sind. Die Kolben (16), (18) sind ebenfalls mit Kolbenringen (58) ausgestattet.

Zwischen den Stirnflächen der Brennkammern (28), (30) und den zylindrischen Außenwänden der Kanäle (38), (40) sind Aussparungen (60) vorhanden, die dreieckförmige Querschnitte aufweisen. Die Aussparungen (60) sind paarweise einander gegenüberliegend angeordnet und bilden Kammern, die sich gegen die Brennkammern (28), (30) hin vergrößern. In die Aussparungen (60) können bei einer Ausbildung der Brennkraftmaschine als Otto-Motor die Enden von Zündkerzen (62) hineinragen.

In der unteren Totpunktlage des jeweiligen Kolbens (16), (18) berührt der Kolbenring (56) noch die zwischen den Aussparungen (60) verbleibende Wand des entsprechenden Kanals (38), (40). Das gasförmige Medium strömt über die zwischen der Kanalzylinderwand und der Aussparung (60) vorhandene Öffnung (64) in die Aussparung (60) und von dort in die jeweilige Brennkammer (28), (30). Die Abschnitte (24), (26) sind daher so lang, daß die Berührung zwischen den Kolbenringen (58) und den Wänden der Kanäle (38), (40) auch in den unteren Totpunktlagen der Kolben (16), (18) nicht aufhört. Dadurch läßt sich eine gute Führung der Abschnitte (24), (26) erreichen, die in bezug auf die Öffnungen der Kanäle (38), (40) Kolbenventile bilden.

In der Zeichnung sind die Kolben (16), (18) nur zum Teil dargestellt. Die den Brennkammern (28), (30) abgewandten Enden der Kolben (16), (18) können in Kammern von nicht dargestellten Arbeitsmaschinen angeordnet sein. Eine Querschnittsverminderung ist dabei nicht erforderlich, d. h. für die Arbeitsmaschinen steht bei gleichem Zylinderquerschnitt der gleiche Kolbenhub zur Verfügung. Die Brennkammern (28), (30) und die Arbeitsmaschinenkammem können einen Zylinderraum mit gleichem Durchmesser gemeinsam haben. Eine solche Anordnung Mt sich kostengünstig fertigen. -3-

Claims (5)

1. AT 396 617 B In der Zeichnung ist das verbrauchte Verbrennungsgas durch kleine, volle schwarze Kreise (68) symbolisch dargestellt. Das gasförmige Medium, das den Verbrennungskammem zugeführt wird, ist durch kleine Kreise (66) mit schwarzer Umrandung symbolisch dargestellt Die Brennkraftmaschine arbeitet wie folgt: In der Darstellung der Zeichnung befindet sich in der linken Brennkammer (28) der Kolben (16) in der Kompressionsstellung im Umkehipunkt, in dem das gasförmige Medium gezündet wird. Dabei entstehen verbrauchte Verbrennungsgase (68). Der rechte Kolben (18) ist in seiner unteren Totpunktlage angekommen, in der die Auslaßschlitze (46) fieigegeben sind. Der Kanal (40) ist gegen die Brennkammer (30) offen. Der zusätzliche Kolben (22) befindet sich auf der rechten Seite dar Kammer (32) und hat das gasförmige Medium (66) auf einen Druck verdichtet, der höher als der Auspuffgegendruck ist Durch eine entsprechende Wahl der Größe der Kammer (32) und des Durchmessers des zusätzlichen Kolbens (22) kann der Druck in dem Vorverdichterraum (36) auf einen für die Spülung besonders günstigen Wert eingestellt werden. In der Brennkammer (30) ist dar Spülvorgang praktisch beendet Die Anordnung dar Kanäle (38), (40) erlaubt eine weitgehende Erfassung der gesamten Brennkammer durch den Spülvorgang. In den Vorverdichterraum (34) ist gasförmiges Medium (66) über die Öffnung (50) angesaugt worden. Der Vorverdichteiraum (34) hat bei der in der Zeichnung dargestellten Stellung des zusätzlichen Kolbens (22) sein maximales Volumen erreicht während der Vorverdichterraum (36) das kleinste Volumen hat Da in den Seitenwänden der Brennkammern (28), (30) nur Auslaßschlitze vorhanden sind, deren Abmessungen in Richtung der Längsachse der Kolbaistange (14) gehalten sein können, ergibt sich nur ein kleiner Hubverlust Die Anordnung hat daher einen großen nutzbaren Kolbenhub. Nach der Verbrennung des gasförmigen Mediums wandert der Kolben (16) nach links. Der zusätzliche Kolben (22) und der Kolben (18) folgen dieser Bewegung. Dabei verschließt der Kolben (22) die Öffnung (50) und komprimiert anschließend das gasförmige Medium (66) im Vorverdichterraum (34). Der Kolben (18) bewegt sich an den Auslaßöffhungen (46) vorbei, während der Abschnitt (26) die Öffnungen (64) verschließt Danach wird das gasförmige Medium in der Brennkammer (30) komprimiert Der Kolben (22) gibt die Öffnung (50) für den Vorverdichterraum (36) frei, so daß in diesem gasförmiges Medium angesaugt wird. Wenn der Kolben (16) die Auslaßschlitze überschleift, wird die Expansion der verbrauchten Verbrennungsgase (68) unterbrochen. Es findet eine pibtzliche Druckabsenkung in der Brennkammer (28) auf den Gegendruck hinter den Kanälen (48) statt Sobald in der Brennkammer (28) dieser Gegendruck erreicht ist öffnet der Abschnitt (24) die Brennkammer (28) für den Vorverdichterraum (34). Danach läuft ein Spülvorgang ab, indem gasförmiges Medium (66) die verbrauchten Verbrennungsgase (68) in der Brennkammer (28) ersetzt Währenddessen wird das gasförmige Medium in der Brennkammer (30) bis zum Entzünden komprimiert Nach Beendigung dieses Hubes wiederholt sich der Ablauf in umgekehrter Richtung. Die bei der Verbrennung gewonnene Kraft kann durch die Kolben (16), (18) in Arbeit umgesetzt werden, indem z. B. in weiteren, nicht dargestellten Kammern ein weiteres Medium periodisch angesaugt und ausgestoßen wird. Dieses Medium kann in einem weiteren, nicht dargestellten Kreislauf Arbeitsorgane, z. B. Turbinen, antreiben. PATENTANSPRÜCHE 1. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einer symmetrischen freiliegenden Kolbenstange, die mindestens zwei Kolben aufweist, die jeweils beweglich in mit Auslaßschlitzen versehenen Brennkammern angeordnet sind, die in bezug auf die Kolben axial innen liegen und je durch einen Kanal mit einer weiter«! Kammer verbunden sind, die als Vorverdichterraum zwischen den Brennkammern angeordnet ist und einen zusätzlichen, auf einem Kolbenstangenmittelstück sitzenden Kolben aufweist, der die weitere Kammer in zwei gesonderte Vorverdichterräume teilt, deren zu den Brennkammern verlaufende Kanäle in die Brennkammerstimseiten einmünd«! und jeweils durch einen als Ventil wirkenden Abschnitt des Kolbenstangenmittelstücks bei Expansion des Mediums in den Brennkammern geschlossen und beim Stoffaustausch offen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (38, 40) zwischen den Vorverdichterräumen (34, 36) und den Brennkammern (28, 30) als Hohlzylinder konzentrisch um das Kolbenstangenmittelstück (20) hemm angeordnet sind, daß das Kolbenstangenmittelstück (20) äußere den äußeren Kolben zugewandte Abschnitte (24, 26) aufweist, welche einen dem jeweiligen Kanal angepaßten, vom Durchmesser des Kolbenstangenmittelstückes unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, und daß zwischen der Stirnfläche der jeweilig«! Brennkammer (30) und dem an der Stirnfläche angrenzenden Wandabschnitt des von dem Vorverdichterraum (34, 36) ausgehenden Kanals (38, 40) Aussparangen (60) vorgesehen sind, die in der unteren Totpunktlage des Kolbens (16,18) von dem äußeren Abschnitt der Kolbenstange (24,26), der die frei von Aussparungen ausgebildeten Bereiche der Wandzonen berührt, fieigegeben sind. -4- AT 396 617 B
2. 2. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den zylindrischen Außenwänden der äußeren Abschnitte (24,26) nahe an den ringförmigen Stirnflächen (21) Kolbenringe (56) angeordnet sind.
3. 3. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansaugöffnung (50) in der zylindrischen Wand der weiteren Kammer (32) in der Mitte zwischen den beiden Stirnseiten angeordnet ist
4. 4. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßschlitze (46) an im wesentlichen tangential in die Brennkammern (28,30) einmündenden Auspuffkanälen (48) vorhanden sind.
5. 5. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Kolben (16, 18) sowohl in den Brennkammern (28, 30) als auch in anschließenden Arbeitskammem gleiche Durchmesser auf weisen. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -5-