Brennkraftkolbenmaschine mit Kraftstoffeinspritzung Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Brennkraftkoolbenmaschine zu konstruieren, die so entwickelt werden kann, dass bei weitestgehender mechanischer Vereinfachung und Fortfall der oszil lierenden Massen wesentlich höhere thermische Wir kungsgrade erzielt werden können, als beim herkömm lichen Motor.
Nach der Theorie der Thermodynamik ist bekannt, dass hohe thermische Wirkungsgrade nur durch sehr hohe Druckverhältnisse, erreichbar sind, die im herkömmlichen Motor nicht verwirklicht wer den können, da die für ;solch hohe Kolbenkräfte not wendigen Bolzen-, Pleuel- und Kurbelwellernlager nicht unterbringbar sind.
Eine weitere Forderung zur Er zielung eines hohen gesamtwirtschaftlichen Wirkungs grades ist die Erzeugung eines Liefergrades von 100 a /o, d. h., die Spülschlitze müssen so angeordnet sein, dass es infolge der Spüllufterwärmung im ZyNn- der möglich ist, diesen soweit zu überladen, dass ein Luftgewicht erreicht wird,
das dem Luftdruck von 760 mm Quecksilbersäule bei 0 C entspricht, bei gleichzeitiger Entspannung der Abgase bis auf 1 atm., wodurch ca. 10-15 % an Arbeit gewonnen werden.
Aus der Patentiliteratur sind viele Motore mit um laufenden Zylindern bekannt, die viele bekannte Merkmale obiger Erfindung enthalten, mit denen es jedoch nicht annähernd möglich ist, obige Ziele zu verwirklichen. Es existieren z.
B. eine deutsche und eine britische Patentschrift, aus denen hervorgeht, dass sich ein Zylinderträger in einem feststehenden Gehäuse dreht und wobei die Kolben mittels Kurbel welle und Pleuelstangen hin- und herbewegt werden.
Hohe Druckverhältnisse sind bei diesen Motoren infolge mangelnder Lagerunterbringungsmöglichkeit genau so wenig zu verwirklichen, wie beim her- kömmlichen Motor.
Infolge der sternförmigen Bauart ist es schon bei normalen Drücken sehr schwer, die Nebenplenel unterzubringen, wenn der Gehäuse- durchmesser nicht riesenhaft gross werden soll. Dar überhinaus ist diese Konstruktion wesentlich kom- plizierter als der herkömmliche Sternmotor.
Die Spülung ist bei dieser Konstruktion genau so mangelhaft, wie beim herkömmlichen Zweitaktmotor. Es stehen als Spülweg nur ca. 10 Zylindergräger- winkel zur Verfügung.
Eine Überladung zur Erzeu gung eines Liefergrades von 100 % ist ebenfalls un- möglich, da die Spülschlitze vom Kolben verdeckt werden, sobald die Kompression beginnt. Ferner ist der Zylinderträger auf der Kurbelwelle gelagert,
wo durch derselbe bei der unumgänglichen Durchbiegung der Kurbelwelle im Gehäuse verklemmt.
Eine österreichische Patentschrift zeigt zur Bewe gung des Zylinderträgers das bekannte Kardankreis- paar. Infolge des fehlenden, am Zylinderträger an liegenden Gehäuses, kann diese Konstruktion nicht als Dieselmotor verwendet werden, so dass eingangs beschriebene Überlegungen nicht verwirklicht werden können.
Ausserdem werden zur Spülung umständ liche Ventilsteuerungen verwendet, wodurch werter ein guter Liefergrad erreicht wird, noch die Möglich keit besteht, die Abgase bis auf 1 atm. zu entspannen.
Die eingangs beschriebenen Forderungen, die not wendig zu verwirklichen sind um einen maximalen gesamtwirtschaftlichen Wirkungsgrad zu erreichen, sind nur zu ermöglichen durch eine Konstruktion, die einen zentrisch umlaufenden Zylinderträger und zentrisch darin angeordneten Zylinder besitzt, indem sich ein v.
der Kurbel einer zur Zylinderdrehachse ex zentrisch gelagerten Kurbelwelle zentrisch durchsetzter Kolben in- u. herbewegt, wobei die Grösse der Kurbel- wellenkröpfung gleich dem Abstand der Kurbelwellen- drehachse ist, u. wobei das Drehzahlverhältnis zwischen dem Zylinderträger und der in der gleichen Dreh richtung umlaufenden Kurbelwelle 1 :
2 ist, das mittels einer Getriebeverbindung zwischen dem Zylinder- träger und der Kurbelwelle erreicht wird, wobei sich der Zylinderträger rin einem ihn abdichtenden fest- stehenden Gehäuse dreht, und das Gehäuse zwischen 180 und 270 von der Einspritzdüse im Drehsinn des Zylinderträgers gerechnet, mit zwei Spülsc f i :
tzen versehen ist, von denen der eine Schlitz mit einem Gebläse verbunden ist, und durch den anderen die entspannten Abgase abgeführt werden.
Es sind zweckmässig sowohl Kurbelwelle als auch der Zylinderträger zu beiden Seiten der Zylinder- bohrung im Gehäuse unabhängig voneinander ge lagert.
Anhand eines durch Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird der Anmeldungsgegenstand im folgenden näher erläutert, und zwar zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Motor, Fig. 2 einen Schnitt gemäss der Linie H-II der Fig. 1 und die Fig. 3-8 verschiedene Arbeitsphasen des Motors im Querschnitt in schematischer Darstellung.
In dem Motorgehäuse, einem zylindrischen Ge häuse 9 dessen Enden mit Je einer Verschlussklappe 91, 92 verschlossen werden,
ist ein um die Mittel achse des Gehäuses 9 drehbarer und an dessen In- nenwandung gleitender Zylinderträger 10 in den Wan- genlagern 11 und 12 gelagert. Fm Zylinderträger 10 befindet sich eine rechtwinklig zur Gehäusemittel- achse und diametral verlaufende,
zylindrische Bohrung 104 - der Zylinder des Motors -, in der ein auf einer zum Zylinderträger 10 exzentrisch gelagerten Kurbelwelle 13 angeordneter Kolben 14 geführt wird.
Der abgeknöpfte Teil 131 der Kurbelwelle 13 führt durch die Mitte des Kolbens quer zu seiner Längs- achse und :
ist in einem zwischen Kolben .und Kurbel- welle angeordneten Gleitlager 15 gelagert. Die Kurbel- welle 13 ruht ihrerseits in den Lagern 16 und 17 der Gehäusekappe 91 und -in Lagern 18 und 19 der Ge häusekappe 92.
Der abgeknöpfte Teil 131 der Kurbelwelle ragt mit seinen beiden Enden in den Zylinderträger 10 hin ein (Fig. 1), der seinerseits jeweils eine dem Rota tionsradius des abgeknöpften Teiles 131 entsprechen de Aussparung 101 aufweist. Eine präzise Steuerung des Kolbens 14 wird dadurch erreicht,
dass auf dem nicht gekröpften Teil der Kurbelwelle 13 nahe den Abkröpfungen je ein Ritzet 132, 133 angebracht ist, die mit je einer Innenverzahnung 102, 103 des Zyhn- derträgers 10 kämmen.
Der abgeknöpfte Teil 131 der Kurbelwelle 13 ist um den gleichen Betrag von der Längsachse der Kurbelwelle 13 versetzt angeordnet, wie die Längsachse der Kurbelwelle von der Mittel achse des Zylinderträgers 10.
Durch diese Anord nung wird erreicht, dass die Kurbelwelle gleichzeitig die doppelte Anzahl an Umdrehungen gegenüber dem Zylinderträger ausführt, wobei der Kolben im Zylin der hin- und hergleitet, d.h., dass während einer Um drehung der Kurbelwelle der Zylinder um 180 um seine Querachse gedreht wird,
wobei der Kolben einen Hub ausführt. Die exzentrische Anordnung der Kurbelwelle be wirkt ausserdem, dass der Kolben 14, der zwei gleich geartete Stirnwände 141, 142 aufweist, während seiner Gleitbewegung im Zylinder am Ende eines Hubes der Gehäusewandung näher kommt, als am Ende des Hubes in entgegengesetzter Richtung.
Die Hubdiffe- renz beträgt 4r, wenn mit r der Abstand der Kurbel- wellenachse von der Gehäusemi:ttelachse bezeichnet wird. An der Stelle des Gehäuses 9, der der Kolben am nächsten -kommt, ist eine öffnung 94 für die Einspritz düse 20 vorgesehen.
Um etwa 230 -250 in Drehrich- tung des Zylinderträgers 10 zur Einspritzdüse 20 ver setzt, weist das Gehäuse zwei weitere Öffnungen 21, 22 (Fig. 2) auf, von denen die öffnungen 21 als Aus lass für die Verbrennungsgase aus dem Arbeitsraum und die öffnung 22 als Einlass für die durch ein Gebläse zugeführte Frischluft dient.
Der Zylinderträger 10 Lid der Kolben 14 weisen, wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, Hohlräume auf, die der Kühlung und Schmierung des Motors dienen. Die im Kalben 14 befindlichen Hohlräume 143, 144 und 145 können von Kühlöl durchströmt werden. Die Hohlräume 105 und 106 im Zylinderträger 10 sind mit Kühlflüssigkeit, z.
B. öl, gefüllt und stehen gleichzeitig zum Zweck der Schmierung durch die öffnungen 107 und 108 mit der Innenwandung des Gehäuses 9 in Verbindung. Die Lager werden durch Drucköl ge- schmiert.
Zum Zwecke der Abdichtung ist die zylindrische Aussenwandung des Zylinderträgers 10 mit Dichtrin gen 25 und 26 und die zylindrische Aussenfläche des Kolbens jeweils nahe den Stirnwänden 141 und 142 mit herkömmlichen Kofibendichtringen 27 und 28 versehen.
Die Arbeitsweise des Motors gemäss der Erfin- dung wird im folgenden näher beschrieben, woben im wesentlichen die Fig. 3-8 zugrundegelegt werden. E5 wird dabei betont, dass der Motor nach dem Die selverfahren arbeiten soll.
In der Fig. 3 dargestellten Phase des Motors hat der Kolben 14 den oberen Totpunkt erreicht, womit gleichzeitig im Arbeitsraum 105 zwischen der Kol- benstirnwand 141 und dem Gehäuse 9 die höchstmög liche Verdichtung der Luft eingetreten isst. Nachdem durch die Düse 20RTI ID="0002.0229" WI="7" HE="4" LX="1471" LY="2029"> (Fig. 2) Kraftstoff in den Kom pressionsraum eingespritzt ist,
bewirkt die Expan sionskraft einen Hub des Kolbens 14 in Richtung des in den Kolben eingezeichneten Pfeiles und eine gemäss der Ausgestaltung und Anordnung der Kur belwelpe gleichzeitige Drehung des Zylinderträgers 10 im entgegengesetzten Uhrzengersinn. Die weitere Ent- wicklung der Gleitbewegung des Kolbens und der
Drehbewegung des Zylinderträgers ist aus der Fig. 4 zu ersehen, in der der Kolben um 45 im Verhältnis zu seiner Ausgangsstellung und der abgeknöpfte Teil 131 um 90 im Verhältnis zum nicht abgeknöpften Teil der Kurbelwelle 13 gedreht werden, letztere also um den doppelten Betrag bewegt wurde.
In der glei chen Zeit vollzieht sich auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens, und zwar in dem Arbeitsraum 104 zwischen der Stirnwand 142 des Kolbens 14 und dem Gehäuse 9 der Auslass der Verbrennungsgase des vor hergehenden Hubes aus der öffnung 21 und die Frischluftzufuhr durch die öffnung 22 (Fig. 4).
Während die Expansionskraft im Arbeitsraum 104 auf die Stirnwand 141 des Kolbens 14 weiter einwirkt, beginnt auf der gegenüberliegenden Kolben seite die Komprimierung der zugeführten Frischluft, sobald der Zylinder die öffnung 22 passiert hat (Fi gur 5).
Die öffnungen 21 und 22 sind, wie bereits erwähnt, um 230 -250 in Drehrichtung des Zyllinder- trägers zur Einspritzdüse versetzt angeordnet, was den Vorteil hat, dass infolge einer erheblichen Verlänge rung des Expansionsweges gegenüber dem Kompres sionsweg noch einbeträchtlicher Teil der beim her- kömmlichen Prinzip verlorengehenden Arbeitslei stung gewonnen wird,
so dass die Abgase mit Atmo sphärendruck entweichen. In den in Fig. 6 und 7 dargestellten Bewegungsphasen schreitet die Kompri mierung der Luft weiter fort bis in Fig. 8 die Aus- gangsst,dllung des Motors, wie aus Fig. 3 .ersichtlich, wieder erreicht ist, mit dem Ergebnis, dass der Zylin- derträger eine Bewegung um 180 ,
die Kurbelwelle hingegen eine Umdrehung um 360 und der Kolben einen Arbeitstakt ausgeführt haben. Der gleiche Vor gang beginnt von neuem, so dass also während einer Umdrehung des Zylinderträgers um 360 zwei Ar beitstakte erfolgen.
Mittels dieser Kombination ,teils bekannter Teile ist es nur möglich, die eingangs erwähnten Forderun gen zur Erzielung eines maximalen ges#amtwirtschaft- liohen Wirkungsgrades bei einfachster Konstruktion zu erreichen: 1. Fortfall der oszillierenden Massen, 2.
Anwendung eines hohen Druckverhältnisses, 3. Erzielung eines Liefergrades von 100Q/, bei gleichzeitiger Fortführung der Expansion bis auf 1 atm.
Die Festigkeitsberechnungen ergeben, dass Kö1= bei- und Kurbelwellenlager bei Expansionsdrücken von 400 Kg./cm2 ohne Schwierigkeiten unterbringbar sind und die Kurbelwelle 'so kurz gehalten werden kann, dass die zulässige Gesamtspannung nicht über -schritten wird.
Dabei kann der Kolben sehr stark verkürzt werden, wodurch der Gehäusedurchmesser um 50 Q/, kleiner wird, als bei allen anderen bekannten Konstruktionen. Sehr wichtig ist die starre Lagerung der Kurbelwelle und des Zylinderträgers zu beiden Seiten der Zylinderbohrung unabhängig voneinander im Gehäuse.
Auf diese Weise ist die geringe Durch- biegung der Kurbelwelle ohne Einfluss auf den Zylin- derträger, so dass keine Verklemmung mit dem Ge häuse auftreten kann.
Infolge der gekapselten und kompakten Bauweise, bedingt durch die zentrische Zapfenlagerung der Kur belwelle im Kolben bei gleichzeitiger Abkapselung des Zylinderträgers durch das Gehäuse, ist es möglich,
einen beliebig starken Ölstrom durch das Kolbenlager 131 und die Kolbenböden 141 und 142 zu schicken, wobei die durch Gastemperaturen bis zu 2800 C er- zeugten Wärmemengen aus dem Kolben soweit ent fernt werden können, dass die Gleitflächentempe- raturen 250 C nicht überschreiten.
Die Konstruktion eist somit mechanisch und ther- misch für diese Spitzendrücke fixiert. Die Erzielung eines Liefergrades von 100 Q/, bei gleichzeitiger Ex pansion auf 1 atm. wird einzig und allein durch diese Art der Anbringung der Spülschütze in der Gehäuse wand erreicht.
Es wird somit ein Spülweg von 60 - 90 Zylinderträgerwinkel: erzielt, wobei eine intensive Umkehrspülung erfolgt und ein volumetrischer Wir kungsgrad von 100 Q/, erreicht wird. Darüberhinaus kann bei Überschneidung der Spülschlkze eine Über ladung auf einen Luftdruck bei Moershöhe und 0 C erreicht werden.
Infolge des hohen Kompressionsverhältnisses und die dadurch auftretenden hohen Kompressionstempe raturen, infolge Tier Existenz des winzigen Verdich tungsraumes und der zentrischen Lage der Einspritz düse bei Direkteinspritzung erfolgt eine spontane Zün dung des Kraftstoffes bei guter Durchmi;
schung, wo durch es erstmalig möglich eist, das Dieselprinzip nach dem Gleichraumverfahren ablaufen zu lassen, wo durch gegenüber dem bei herkömmlichen Motoren üblichen Gleichdruckverfahren ein erheblicher Teil an Arbeitslaistunggewonnen wird.
Die Erfindung resultiert somit aus den @sorgfältig vorausberechneten thermodynamischen Bedingungen zur Verwirklichung einer leistungsfähigen und wirt- schafichen Brennkraftmaschine bei :
gleichzeitiger Berücksichtigung der mechanischen Festigkelten, de ren Ergebnisse allein durch diese Kombination teils bekannter Teile bei wohlüberlegter Anordnung der Spüilschlitze verwirklicht werden können.