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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine solche mit einem sog. Doppelkurbeltrieb
ausgerüstete
Hubkolbenbrennkraftmaschine ist beispielsweise aus der
DE 198 14 870 A1 bekannt. Ein
Vorteil des Doppelkurbeltriebs liegt darin, daß der Kolben seitenkraftfrei
im Zylinder geführt
ist, daß durch
die gegenläufige
Drehung der Kurbelwellen ein weitgehender Massen- und Momentenausgleich
erfolgt und daß die
einzelnen Bauteile des Kurbeltriebs mit geringerem Gewicht ausgeführt werden
können, was
das Schwingungsverhalten und die Drehzahlfestigkeit günstig beeinflußt. Des
weiteren ist die bezogen auf die Kurbelwellendrehung nicht völlig sinusförmige Bewegung
des Kolbens thermodynamisch vorteilhaft.
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Eine weitere Doppelkurbelbrennkraftmaschine
ist aus der nicht vorveröffentlichten
DE 198 39 227 A1 bekannt.
Bei dieser Doppelkurbelbrennkraftmaschine erstreckt sich der Schaft
des Kolbens durch eine im Zylinder zum Kurbeltrieb hin abschließende Trennwand
hindurch, so daß unterhalb
des Kolbens eine Kammer gebildet ist, die zur Vorverdichtung der Frischluft
und/oder Gemischaufbereitung benutzt werden kann und die einen Zweitaktbetrieb
der Hubkolbenbrennkraftmaschine ermöglicht. Eine Eigenart dieser
vorbekannten Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb liegt
darin, daß sie
verhältnismäßig hoch
baut, was insbesondere für
den Einsatz in Personenkraftwagen nachteilig ist.
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Aus der
US 2,417,910 A ist eine Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. An dem
Kolben dieser Brennkraftmaschine ist ein langes, schaftartiges Pleuel
gelagert, das an seinem vom Kolben abgewandten Ende mit Pleueln
des Doppelkurbeltriebs verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
gattungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine
derart auszubilden, dass sie bei vereinfachten Aufbau mit hohem
Wirkungsgrad arbeitet.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Der sich wegen des Doppelkurbeltriebs
linear bewegende Schaft ist starr, bevorzugt einteilig mit dem Kolben
verbunden, wodurch der Kolben in seinem Aufbau vereinfacht ist und
kein langes Hemd aufweisen muss. Des weiteren wird die lineare Bewegung
des Schafts dazu genutzt, den Schaft zusätzlich durch eine Trennwand
hindurchzuführen,
zwischen der und dem Kolben eine weitere Kammer gebildet ist, die
vielseitig nutzbar ist, beispielsweise zur Aufladung der Maschine,
zur Kolbenkühlung
usw.
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Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen
und Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
gerichtet.
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Mit den Merkmalen des Anspruchs 2
kann die zwischen dem Kolben und der Trennwand gebildete Kammer
als integrierte Aufladeeinrichtung verwendet werden.
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Der Anspruch 3 ist auf eine beispielhafte
Verbindung des Schafts mit den Pleueln über ein Tragteil gerichtet,
das gemäß dem Anspruch
4 zusätzlich
geführt
werden kann, wobei mit den Merkmalen des Anspruchs 5 eine Verdichtungseinrichtung
geschaffen wird.
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Der Anspruch 6 kennzeichnet eine
vorteilhafte Ausbildung eines Doppelkurbeltriebs.
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Die Merkmale des Anspruchs 7 sind
auf eine vorteilhafte beispielhafte Konstruktion der erfindungsgemäßen Maschine
mit integrierter Aufladung gerichtet.
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Mit den Merkmalen des Anspruchs 8
wird ein Gegenkolbenmotor geschaffen, der geringe Schwingungsanregungen
mit kompakter Bauweise und gutem Wirkungsgrad vereint.
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Der Gegenkolbenmotor gemäß dem Anspruch
8 wird mit den Merkmalen der Ansprüche 9 bis 11 in vorteilhafter
Weise weitergebildet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer
Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es stellen dar:
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1 einen
senkrechten Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Hubkolbenbrennkraftmaschine
mit Doppelkurbeltrieb,
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2 einen
Teilschnitt in der Ebene B-B der 1,
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3 eine
gegenüber
der ersten Ausführungsform
leicht abgeänderte
Ausführungsform
einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und
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4 eine
der 1 ähnliche
Schnittansicht einer Gegenkolbenbrennkraftmaschine.
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Gemäß 1 arbeitet in einem Zylinder 2 einer
Brennkraftmaschine ein Kolben 4 unter Bildung einer Arbeitskammer 6 zwischen
dem Kolben 4 und dem Zylinder 2. Im Kopf 8 des
Zylinders ist ein Auslaßventil 10 angeordnet,
das die Arbeitskammer 6 zeitweilig mit einem Auslaßkanal 12 verbindet.
Der Kolben 4 ist mit einem Schaft 14 ausgebildet,
der sich zwischen zwei Kurbelwellen 16 und 18 hindurch
erstreckt und in einem Tragteil 20 endet, das in einen Zylinderansatz 22 eines
insgesamt mit 24 bezeichneten Motorgehäuses geführt ist wobei die Achse des Zylinderansatzes 22 mit
der des Zylinders 2 zusammenfällt. Das Tragteil 22 ist über außerhalb
der Zylinderachse zueinander symmetrisch angeordnete Pleuel 26 und 28 mit
je einer der Kurbelwellen 16 und 18 verbunden.
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2 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
der Kurbelwellen 16 und 18. Gemäß 2 besteht jede Kurbelwelle 16 und 18 aus
einem Scheibenpaar mit je zwei Scheiben 30, 32 und 34, 36,
die über
je eine im Motorgehäuse
gelagerte Welle 38, 40 drehfest miteinander verbunden
sind. Die Scheibenpaare sind über
eine an wenigstens je einer der Scheiben ausgebildeten Außenverzahlung 42, 44 in gegenseitigem
Dreheingriff, so daß sie
mit gleicher Drehzahl, aber gegensinnig drehen.
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Die Anordnung ist insgesamt symmetrisch zur
Zylinderachse, in der sich der Schaft 14 zwischen den Scheiben
hindurcherstreckt. Jede Scheibe weist einen Pleuelzapfen 46 auf,
an dem die in 2 nicht dargestellten
Pleuel 26 und 28 gelagert sind. Somit ist, wie
sich aus 2 ergibt, das
Tragteil 20 und damit der Kolben 4 über vier
Pleuel mit dem Kurbeltrieb verbunden.
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Das Tragteil 20 ist bei
der Ausführungsform gemäß 1 nicht als in sich geschlossene
Scheibe ausgebildet, die den gesamten Querschnitt des Zylinderansatzes 22 ausfüllt, sondern
derart, daß bei
einer Auf- und Abwärtsbewegung
des Tragteils 20 die im Kurbelraum befindliche Luft ohne
Strömungsverluste das
Tragteil 20 umströmen
kann.
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Der Zylinder 2 ist zu dem
Kurbeltrieb hin durch eine Trennwand 48 abgeschlossen,
durch die sich der Schaft 14 abdichtend geführt hindurcherstreckt.
Zwischen dem Kolben 4 und der Trennwand 48 ist
eine Frischluftkammer 50 gebildet. Die Dimensionierung
gemäß 1 ist derart, daß das Volumen der
Frischluftkammer 50, wenn sich der Kolben 4 in seinen
unteren Totpunkt bewegt, annähernd
auf Null zurückgeht.
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Im Bereich des unteren Totpunktes
des Kolbens 4 ist außen
um den Zylinder herum ein Ringraum 52 gebildet, der über, bezogen
auf den unteren Totpunkt des Kolbens 4, unterhalb des Kolbens befindlichen
radialen Durchlaßöffnungen 54 und oberhalb
des Kolbens 4 befindliche radiale Durchlaßöffnungen 56 mit
der Frischluftkammer 50 bzw. der Arbeitskammer 6 verbunden
ist. Eine Einlaßöffnung in
dem Ringraum 52, die an einen Einlaßkanal 64 angeschlossen
ist, ist mittels eines Einlaßventils 62 verschließbar.
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In der Wandung des Ringraums 52 ist
eine Kraftstoffeinspritzdüse 64 angeordnet.
Im Fall eines Ottomotors sind im obersten Bereich des Zylinders 2 bzw.
im Zylinderkopf 8 vorteilhafterweise um dessen Umfang herum
zwei oder mehr Zündkerzen 65 angeordnet.
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Die Funktion der beschriebenen Brennkraftmaschine
ist Folgende:
Es sei angenommen, der Kolben 4 befinde
sich in seinem oberen Totpunkt. Das beispielsweise über einen
Nockentrieb von dem Kurbeltrieb her betätigte Auslaßventil 10 sei geschlossen
und das Einlaßventil 62,
das über
einen Nockentrieb oder elektromagnetisch betätigt oder einfach als Flatter-
bzw. Rückschlagventil
ausgebildet sein kann, sei ebenfalls geschlossen. Die im Zylinderkopf 8 angeordnete
Zündkerze 65 zündet die
in der Arbeitskammer 6 durch den Kolben 4 komprimierte
Frischladung, so daß sich der
Kolben nach unten bewegt und dabei die in der Frischluftkammer befindliche
Frischluft, der bei ihrem Einströmen
in die Frischluftkammer 50 von der Kraftstoffeinspritzdüse 64 Kraftstoff
zugemessen wird, verdichtet. Wenn der Kolben 4 kurz vor
seinem unteren Totpunkt die Durchlaßöffnungen 52 überfahrt, strömt die in
der Frischluftkammer 50 verdichtete Frischladung mit hoher
kineti scher Energie aus der Frischluftkammer 50 durch die
Durchlaßöffnung 54 in den
Ringraum 56 und von dort durch die Durchlaßöffnungen 56 in
die Arbeitskammer 6 ein. Die Durchlaßöffnungen 56 sind vorteilhafterweise
derart ausgebildet, daß eine
längs der
Oberfläche
des Kolbens einströmende
Strömung
I und eine in das Volumen der Arbeitskammer strömende Strömung 1 einsetzt. Auf diese
Weise wird die verbrannte Ladung durch das kurz vorher öffnende
Auslaßventil 10 in
den Auslaßkanal 12 ausgeschoben.
Die Einströmung
der Frischladung in die Arbeitskammer 6 endet, sobald der
Kolben 4 nach Durchfahren seines unteren Totpunkts bei seiner
Aufwärtsbewegung
die Einlaßöffnungen 56 wiederum überfährt. Das
Auslaßventil 10 schließt, so daß die nunmehr
in der Arbeitskammer 6 befindliche Frischladung verdichtet
wird. Das Einlaßventil 62 öffnet, so
daß die
sich vergrößernde Frischluftkammer 50 erneut
Frischluft bzw. Frischladung ansaugt.
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Es ist eine kompakt bauende Zweitaktmaschine
mit hervorragender Ladungstrennung und hohem Wirkungsgrad geschaffen.
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Es versteht sich, daß die Einströmung der Frischladung
aus der Frischluftkammer in die Arbeitskammer auch durch in der
Innenwand des Zylinders im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens
ausgebildete Schlitze erfolgen kann. Weiter können mehrere Einspritzdüsen 64 vorgesehen
sein, die insbesondere bei Ausbildung des Motors als Dieselmotor
unmittelbar in die Arbeitskammer 6 führen. Die Füllungssteuerung kann insbesondere
im Fall direkt einspritzender Motoren unmittelbar durch die Ansteuerung
des Einlaßventils 62 erfolgen
und/oder im Einlaßkanal 60 kann
eine Drosselklappe angeordnet sein.
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Die Maschine gemäß 1 muß nicht zwangsläufig mit
der Trennwand 48 und der Frischluftkammer 50 ausgebildet
sein; sie kann auch als konventioneller Motor mit Einlaß- und Auslaßventilen im
Zylinderkopf 8 beispielsweise nach dem Vier-Takt-Verfahren
arbeiten. Der Schaft 14 kann zusätzlich oder alleine durch einen
Zapfen (nicht dargestellt) geführt
sein, der am Motorgehäuse
fest ist und von unten in eine Führungsausnehmung
des Zapfens einragt. Die Kraftstoffdüse 64 kann an anderer, zweckentsprechender
Stelle angeordnet sein, beispielsweise unmittelbar im Zylinder oder
stromoberhalb des Ventils 62. Es können mehrere Kraftstoffeinspritzdüsen längs des
Umfangs verteilt sein usw. Es kann nur eine Zündkerze 65 vorgesehen
sein.
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Das Tragteil 20 kann als
im Zylinderansatz 22 arbeitender Kolben ausgebildet sein,
der zwischen sich und dem Zylinderansatz 22 eine Pumpkammer 66 bildet,
wie in 3 dargestellt.
In die Pumpkammer 66 führt
eine Frischluftleitung 68, in der ein beispielsweise elektrisch
angesteuertes Ventil zur Mengensteuerung der einströmenden Frischluft
angeordnet ist. Von der Pumpkammer führt weine Leitung 72 in
den Zylinder 2, in deren Enden jeweils ein Ventil 74 und 76 angeordnet
ist, wobei die Ventile 74 und 76 als einfache
Rückschlagventile
ausgebildet sein können,
die eine Luftströmung
nur von der Pumpkammer in den Zylinder zulassen. Das als Kolben
ausgebildete Tragteil kann somit zusätzlich zur Aufladung der Brennkraftmaschine
genutzt werden. Durch Dimensionierung des Durchmessers des Zylinderansatzes
lassen sich unterschiedlich hohe Aufladungen erzielen. Es versteht
sich, daß das
Ventil 70 zur Vermeidung von Pumpverlusten permanent offen sein
kann, wenn die zusätzliche
Aufladung nicht erforderlich ist. Die Zündkerzen sind in 3 nicht eingezeichnet.
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4 zeigt
die Anordnung von zwei Motoren gemäß 1 in einer zu einer mittigen Querebene C-C
des Zylinders 2 spiegelbildlichen Anordnung.
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Zur Vermeidung von Wiederholungen
sind nur diejenigen Teile mit Bezugszeichen belegt, die zur Erläuterung
der Funktion der Brennkraftmaschine gemäß 3 erforderlich sind. wobei für den „unteren" Motor die gleichen
Bezugszeichen wie in 1 verwendet
werden und die Bezugszeichen des „oberen" Motors mit einem Strich versehen sind,
Zur Kopplung der beiden „Motoren" zu der Gegenkolbenbrennkraftmaschine
gemäß 3 ist beispielsweise die
Kurbelwelle 18 der unteren Brennkraftmaschine 80 der 3 mit der Kurbelwelle 16' der oberen Brennkraftmaschine 80' über eine
Kopplungseinrichtung 84 drehfest miteinander verbunden.
Die Kopplungseinrichtung 84 kann durch Zahnräder, durch eine
Kette, durch einen Zahnriemen oder sonstiges gebildet sein. Der
Abtrieb zu einem Getriebe hin erfolgt von der oberen und/oder der
unteren Brennkraftmaschine oder dadurch, daß die Kopplungseinrichtung 84 unmittelbar
das Getriebe oder eine zum Getriebe führende Abtriebswelle antreibt.
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Das Einlaßventil 62 der unteren
Brennkraftmaschine 80 bildet zusammen mit dem Einlaßkanal 60 und
dem der Frischluftkammer 50 die Einlaßeinrichtung zum Versorgen
der zwischen den beiden Kolben vier ausgebildeten Arbeitskammern 6 mit Frischladung.
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Der Zylinderkopf 8 der Brennkraftmaschine gemäß 1 ist durch die Brennkraftmaschine 80' der 3 ersetzt, so daß deren
Ladungswechselsteuereinrichtung die Auslaßeinrichtung bildet. Dazu wirken
die vom Kolben 4' der
oberen Brennkraftmaschine 80' überfahrenen
Durchlaßöffnungen 56' als Auslaßöffnungen,
die den Ringraum 52' über ein Auslaßventil 86' mit dem Auslaßkanal 88' verbinden. Das
Auslaßventil 86' kann als einfaches
Flatterventil ausgebildet sein, das nur eine Durchströmung vom Ringraum 52' in den Auslaßkanal 88' hinein zuläßt. Zusätzlich ist
vorteilhafterweise ein Steuerventil 90' vorgesehen, das öffnet, sobald
der Kolben 4' der oberen
Maschine 80' die
Durchlaßöffnungen 56' überfahren
hat und. Frischluft in die Frischluftkammer 50' der oberen
Maschine einströmen
läßt, die
die Rückseite
des Kolbens 4' bei
dessen Abwärtsbewegung
und der anschließenden
Aufwärtsbewegung kühlt, wobei
bei der anschließenden
Aufwärtsbewegung
die Frischluft aus der Frischluftkammer 50' durch das weiterhin offene Steuerventil 90' wieder herausgedrückt wird.
Das Steuerventil 90' schließt, sobald
die Einlaßöffnungen 56' von dem oberen
Kolben 4' überfahren
werden, so daß das
Abgas durch das Auslaßventil 86' hindurch in
den Auslaßkanal 88' gelangt.
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Es versteht sich, daß die Durchlaßöffnungen 56', die die Funktion
von Auslaßschlitzen übernehmen,
bei der oberen Maschine 80' in
zweckentsprechender Weise anders ausgebildet sein können als die
Durchlaßöffnungen 56 der
unteren Maschine 80, die die Funktion von Einlaßöffnungen
bzw. -schlitzen haben.
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Wenn die Maschine gemäß 3 als Ottomotor arbeitet,
ist oder sind im Bereich der Mittelebene C des Zylinders vorteilhafterweise
wenigstens zwei Zündkerzen
angeordnet. Bei Betrieb als Dieselmotor sind dort Einspritzdüsen angeordnet.
Auch bei Betrieb als direkt einspritzender Ottomotor können dort
Einspritzdüsen
angeordnet sein, die jedoch auch, wie bei der Ausführungsform
gemäß 1, im Bereich des unteren
Ringraums 52 angeordnet sein können.
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Da bei der Ausführungsform gemäß 3 im Bereich des „UT" des unteren Kolbens 4 die Frischladungseinströmung erfolgt
und im Bereich des „UT" des oberen Kolbens 4' der Abgasauslaß erfolgt,
sind die Durchlaßöffnungen 56, 56' vorteilhafterweise
derart ausgebildet, daß die
Ausströmung der
verbrannten Ladung beginnt, bevor die Einströmung der Frischladung einsetzt,
wodurch eine verbesserte Dynamik bei dem Ladungswechsel entsteht.
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Mit der Brennkraftmaschine gemäß 3 ist eine kompakte Brennkraftmaschine
mit hoher Leistungsdichte geschaffen, die wegen ihres Gegenkolbentriebs
außerordentlich
schwingungsarm läuft,
obwohl sie nur einen Zylinder aufweist.
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Das bzw. die Tragteile 20, 20' müssen nicht in
den Zylinderansätzen
geführt
sein, da durch die Pleuel eine Parallelführung erzielt wird. Desweiteren ist
es möglich,
den Schaft 14 in einer motorgehäusefesten Führung zu führen.
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- 2
- Zylinder
- 4
- Kolben
- 6
- Arbeitskammer
- 8
- Kopf
- 10
- Auslaßventil
- 12
- Auslaßkanal
- 14
- Schaft
- 16
- Kurbelwelle
- 18
- Kurbelwelle
- 20
- Tragteil
- 22
- Zylinderansatz
- 24
- Motorgehäuse
- 26,
28
- Pleuel
- 30,
32,
-
- 34,
36
- Scheiben
- 38,
40
- Wellen
- 42,
44
- Außenverzahnung
- 46
- Pleuelzapfen
- 48
- Trennwand
- 50
- Frischluftkammer
- 52
- Ringraum
- 54,
56
- Durchlaßöffnungen
- 58
- Einlaßöffnung
- 60
- Einlaßkanal
- 62
- Einlaßventil
- 64
- Kraftstoffeinspritzdüse
- 65
- Zündkerze
- 66
- Pumpkammer
- 68
- Frischluftleitung
- 70
- Ventil
- 72
- Leitung
- 74
- Ventil
- 76
- Ventil
- 80,
80'
- Brennkraftmaschine
- 84
- Kopplungseinrichtung
- 86
- Auslaßventil
- 88
- Auslaßkanal
- 90
- Steuerventil