DE102008023390A1

DE102008023390A1 - Verbrennungskraftmaschine

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Publication number: DE102008023390A1
Application number: DE102008023390A
Authority: DE
Original assignee: Seneca S A; SENECA SA
Current assignee: VOIT, MARTIN, DE
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2028-05-14
Also published as: DE102008023390B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens zwei, je einen Kolben (1, 2) und einen Verbrennungsraum (6, 7) aufweisenden Zylindern, wobei sich die Kolben (1, 2) in Bezug auf ihren oberen und unteren Totpunkt etwa synchron bewegen, Einrichtungen zum Zuführen von Kraftstoff in einen (7) der Verbrennungsräume und zum Zuführen von Verbrennungsluft in den anderen Verbrennungsraum (6), einem Verbindungskanal (16) zwischen den Verbrennungsräumen (6, 7), welcher eine Absperrung (17) aufweist, und mit Mitteln zur Öffnung der Absperrung (17), um in dem einen Verbrennungsraum verdichteten Kraftstoff mit in dem anderen Verbrennungsraum verdichteter Verbrennungsluft zu vermischen. Vorzugsweise ist die Kraftstoffzuführungseinrichtung (14, 15) zum Zuführen des Kraftstoffs während der Hubphase der Kolben (1, 2) vorgesehen, wobei die Kraftstoffzufuhr vorzugsweise nach Ausstoß eines Teils der Verbrennungsgase aus dem betreffenden Verbrennungsraum (7) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Bekanntermaßen wird den Verbrennungsräumen einer Kolbenverbrennungskraftmaschine entweder von vornherein ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt und das Gemisch durch die Kolben verdichtet oder in der Endphase der Verdichtung nur von Verbrennungsluft Kraftstoff in die verdichtete Verbrennungsluft eingepresst. In beiden Fällen kann es zu unerwünschten, die Funktion der Verbrennungskraftmaschine beeinträchtigenden Abläufen der Verbrennung kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Kolbenverbrennungskraftmaschine mit verbesserten Möglichkeiten zur Steuerung des Verbrennungsablaufs zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens zwei, je einen Kolben und einen Verbrennungsraum aufweisenden Zylindern, wobei sich die Kolben in Bezug auf ihren oberen und unteren Totpunkt etwa synchron bewegen, Einrichtungen zum Zuführen von Kraftstoff in einen der Verbrennungsräume und zum Zuführen von Verbrennungsluft in den anderen Verbrennungsraum, einem Verbindungskanal zwischen den Verbrennungsräumen, welcher eine Absperrung aufweist, und mit Mitteln zur Öffnung der Absperrung, um in dem einen Verbrennungsraum verdichteten Kraftstoff mit in dem anderen Verbrennungsraum verdichteter Verbrennungsluft zu vermischen.
Erfindungsgemäß werden durch die Kolben in den beiden Zylindern die Verbrennungsluft und der Kraftstoff getrennt voneinander verdichtet. Ungewollte Zündvorgänge während der Verdichtung sind ausgeschlossen. Die getrennt verdichteten Komponenten lassen sich in der Endphase des Verdichtungsvorgangs über den Verbindungskanal kontrolliert in einem Ausgleichsvorgang zusammenführen, wobei sich die Verbrennung auf beide Verbrennungsräume erstreckt und an beiden Kolben mechanische Ausdehnungsarbeit verrichtet wird.
Während es möglich ist, in einem Ansaugtakt den einen Verbrennungsraum mit Kraftstoff und den anderen Verbrennungsraum mit Verbrennungsluft zu füllen, um diese Komponenten dann in einer nachfolgenden Hubphase der sich synchron bewegenden Kolben getrennt zu verdichten, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Kraftstoffzuführungseinrichtung dazu vorgesehen, den Kraftstoff während der Hubphase der Kolben in den betreffenden Verbrennungsraum bei geringem Ladedruck einzuführen.
Insbesondere fördert die Kraftstoffzuführungseinrichtung den Kraftstoff in den betreffenden Verbrennungsraum erst nach Ausstoß eines Teils der Verbrennungsgase aus diesem Verbrennungsraum. Eine eingeführte Kraftstoffmenge wird dann in der Endphase des Kolbenhubs gemeinsam mit dem verbliebenen Rest an Verbrennungsgasen verdichtet.
Vorzugsweise ist am oberen Totpunkt der Kolben das Restvolumen des einen Verbrennungsraumes kleiner als das Restvolumen des anderen, nur die Verbrennungsluft enthaltenden Verbrennungsraumes.
Insbesondere können die Restvolumen im Verhältnis so bemessen sein, dass der Gasdruck in den Restvolumina etwa übereinstimmt. Vorteilhaft findet so ein von unerwünschten Strömungsvorgängen freier Ausgleich zwischen den Inhalten der Verbrennungsräume statt.
Die dem einen Verbrennungsraum zugewandte Kolbenoberfläche kann zur Verkleinerung des betreffenden Restvolumens eine Erhöhung, z. B. in Form einer Auswölbung, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich könnte der Verbrennungsraum auf der dieser Kolbenoberfläche abgewandten Seite verkürzt oder/und im Durchmesser verringert sein.
Die Verbrennungsluftmenge und die Kraftstoffmenge sind zweckmäßig so bemessen, dass Sauerstoff und Kraftstoff zueinander im stöchiometrischen Verhältnis stehen oder ein Sauerstoffüberschuss besteht. Insbesondere im letzteren Fall lassen sich unerwünscht hohe, das Abgas mit Schadstoffen belastende Verbrennungstemperaturen vermeiden.
Bei der genannten Absperrung handelt es sich zweckmäßig um einen quer zum Verbindungskanal bewegbaren Absperrschieber.
Die Kraftstoffzuführungseinrichtung ist vorzugsweise zur Zuführung von gasförmigem Kraftstoff vorgesehen. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine für den Einsatz von gasförmigen Wasserstoff. Durch die getrennte Verdichtung ist jegliche Gefahr vorzeitiger Detonationen, die bei einem Wasserstoff-Luftgemisch in einem weiten Konzentrationsbereich des Wasserstoffs besteht, beseitigt.
Die Kraftstoffzuführungseinrichtung kann neben einem Reduzierventil eine Druckflasche aufweisen. Indem die Kraftstoffzuführung mit geringem Ladedruck erfolgt, kann der Inhalt der Druckflasche weitgehend genutzt werden.
Während es möglich ist, die Zusammenführung der bei der Verbrennung miteinander reagierenden Komponenten so zu steuern, dass eine kontrollierte Selbstentzündung ggf. durch Knallgasbildung erfolgen kann, weist die Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise eine Einrichtung zur Entzündung des mit der Verbrennungsluft vermischten Kraftstoffs auf, insbesondere eine elektrische Zündeinrichtung. Vorzugsweise ist die Zündeinrichtung an dem Verbindungskanal an einer solchen Stelle angeordnet, an der sich zuerst ein zündfähiges Gemisch bildet. Ungewollte Frühzündungen sind damit ausgeschlossen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein weiterer Zylinder mit einem Kolben und einem Verbrennungsraum vorgesehen, wobei sich der Kolben in Bezug auf seinen oberen und unteren Totpunkt synchron mit den beiden anderen Kolben bewegt und zwischen dem einen Verbrennungsraum, in den der Kraftstoff eingeführt wird, und dem Verbrennungsraum des weiteren Zylinders ein weiterer, absperrbarer Überströmkanal vorgesehen ist. Der weitere Zylinder lässt sich um 180° versetzt zu dem ersten, mit Verbrennungsluft gefüllten Zylinder betreiben, so dass der weitere Zylinder wäh rend einer Verdichtungsphase des ersten Zylinders Verbrennungsgase ausstößt und während der Ausstoßphase des ersten Zylinders Verbrennungsluft verdichtet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem anderen, nur Verbrennungsluft enthaltenden Verbrennungsraum und dem Kurbelwellenraum ein Überströmkanal für Verbrennungsluft vorgesehen und dem Kurbelwellenraum lässt sich über ein Rückschlagventil Verbrennungsluft zuführen. Entsprechend können beide Zylinder im Zwei-Takt-Verfahren betrieben werden. Wenn sich die Kolben am unteren Totpunkt befinden, strömt im Kurbelwellenraum vorkomprimierte Verbrennungsluft in den betreffenden Zylinder und spült diesen bei geöffnetem Auslassventil von Verbrennungsgasen frei. Mit der Kolbenhubbewegung werden der Überströmkanal und das Auslassventil geschlossen und die eingeschlossene Luft wird verdichtet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine Verbrennungskraftmaschine nach der Erfindung in schematischer Darstellung,
2 die Verbrennungskraftmaschine von 1 in einer Zündungsphase und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Verbrennungskraftmaschine nach der Erfindung in schematischer Darstellung.
Eine Verbrennungskraftmaschine weist sich in Zylindern bewegende Kolben 1 und 2 auf, die über Pleuel 3 und 4 mit einer Kurbelwelle 5 verbunden sind. Die Verbindung mit der Kurbelwelle ist derart, dass sich die Kolben 1 und 2 in Bezug auf ihren oberen und unteren Totpunkt zueinander synchron bewegen.
Die Verbrennungsräumen 6 und 7 zugewandten Stirnseiten der Kolben 1 und 2 sind unterschiedlich gestaltet. Der Kolben 2 weist im Unterschied zum Kolben 1 eine Auswölbung 8 auf.
Die Zylinder sind jeweils mit einem Auslassventil 9 bzw. 10 versehen, über das sich der Verbrennungsraum 6 bzw. 7 mit einer Auspuffleitung 11 verbinden lässt.
In den Verbrennungsraum 6 kann über ein Einlassventil 12, das in Strömungsverbindung mit einer Ansaug- oder Ladeleitung 13 steht, Verbrennungsluft eingelassen werden.
Über ein Einlassventil 14 ist der Verbrennungsraum 7 mit einer Einrichtung 15 für die Zuführung von Kraftstoff verbindbar. In dem betreffenden Ausführungsbeispiel wird als Kraftstoff gasförmiger Wasserstoff eingesetzt.
Zwischen den Verbrennungsräumen 6 und 7 verläuft ein Verbindungskanal 16, der sich durch einen Schieber 17 absperren lässt.
Die Auslassventile 9 und 10, die Einlassventile 12 und 14 sowie der Absperrschieber 17 sind durch einen Nockenwelle 18 steuerbar, die über eine Antriebseinrichtung 19 in Verbindung mit der Kurbelwelle 5 steht.
Der Verbrennungsraum 7 des zweiten, den Kolben 2 aufweisenden Zylinders ist über einen Verbindungskanal 16' mit dem Verbrennungsraum eines (nicht gezeigten) dritten Zylinders verbunden, wobei der dritte Zylinder in gleicher Weise wie der erste, den Kolben 1 aufweisenden Zylinder ausgestattet ist. Das Einlassventil und das Auslassventil des dritten Zylinders werden durch die Nockenwelle 18 gegenüber dem ersten Zylinder jedoch um 180° versetzt angesteuert.
Nachfolgend wird in Verbindung mit 2 die Funktionsweise der anhand von 1 beschriebenen Verbrennungskraftmaschine erläutert.
Geht man davon aus, dass der erste Zylinder mit dem Kolben 1 über das Einlassventil 12 gerade Verbrennungsluft angesaugt hat, so wird die Verbrennungsluft in der anschließenden Hubphase der drei Kolben in dem Verbrennungsraum 6 bei geschlossenem Einlassventil 12 und geschlossenem Auslassventil 9 verdichtet. Aus dem dritten, in den Figuren nicht sichtbaren Zylinder wird Verbrennungsgas ausgestoßen. Ebenso wird aus dem Verbrennungsraum 7 bei geöffnetem Auslassventil 10 und geschlossenem Einlassventil 14 Verbrennungsgas ausgestoßen.
Während der Hubphase schließt in einer vorgegebenen Drehposition der Kurbelwelle 5 das Auslassventil 10 und das Einlassventil 14 öffnet sich über einen vorgegebenen Drehwinkelbereich. Die Einrichtung 15 sorgt für die Zufuhr von Wasserstoffgas in den Verbrennungsraum 7. Nach dem Schließen des Einlassventils 14 am Ende des ge nannten Drehwinkelbereichs wird das Wasserstoffgas zusammen mit dem noch im Verbrennungsraum befindlichen Verbrennungsgas, d. h. Wasserdampf, während der weiteren Hubbewegung des Kolbens 2 verdichtet.
Kurz bevor die Kolben 1 und 2 ihren oberen Totpunkt erreichen, wird die Absperrung des Verbindungskanals 16 durch den Schieber 17 aufgehoben, so dass sich die in dem Verbrennungsraum 6 verdichtete Verbrennungsluft und das in dem Verbrennungsraum 7 verdichtete Wasserstoffgas durchmischen.
Diese Durchmischung erfolgt sowohl im Verbrennungsraum 6 als auch im Verbrennungsraum 7, indem sich die Partialdrücke von Sauerstoff und Wasserstoff gegenseitig ausgleichen. Die am oberen Totpunkt der Kolben 1 und 2 verbleibenden Restvolumen 21 und 22 der Verbrennungsräume 6 und 7 sind so bemessen, dass der Gasdruck in dem Restvolumen 22 etwa gleich dem Gasdruck im Restvolumen 21 ist. Da der Kolben 2 nur in einer letzten Phase seines Hubes verdichtet, muss das Restvolumen 22 entsprechend kleiner als das Restvolumen 21 sein. Bei annähernd übereinstimmendem Gasdruck in den Restvolumen 21, 22 werden nachteilige Strömungseffekte im Verbindungskanal 16 vermieden.
Die Wasserstoffmenge und die Winkelstellung, bei welcher das Einlassventil 14 öffnet, sind ferner so vorgewählt, dass Sauerstoff und Wasserstoff in den Restvolumen 21, 22 in einem gewünschten Verhältnis zur Verfügung stehen.
Zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach Erreichen des oberen Totpunkts der Kolben 1, 2 wird das gebildete, Sauerstoff und Wasserstoff enthaltende Gasgemisch durch die Einrichtung 20 gezündet.
Die Funken erzeugende Zündeinrichtung 20 ist zweckmäßig dort angeordnet, wo zuerst ein zündfähiges Gemisch entsteht. Frühzündungen lassen sich so vermeiden. Bei geeignetem Verhältnis der Sauerstoff- und Wasserstoffmengen in den Restvolumen 21, 22 kann auf eine Zündeinrichtung ggf. verzichtet und das Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch durch Selbstzündung zur Verbrennung gebracht werden.
Die Verbrennung findet in beiden Verbrennungsräumen 6, 7 statt. Entsprechend wird an beiden Kolben 1, 2 während ihrer Bewegung zum unteren Totpunkt mechanische Ausdehnungsarbeit geleistet.
In dieser Phase nimmt der genannte dritte Zylinder Verbrennungsluft auf, die er in der anschließenden Hubphase, in der er die vorangehend beschriebenen Funktion des ersten, den Verbrennungsraum 6 aufweisenden Zylinders übernimmt, verdichtet. Aus dem Verbrennungsraum 6 des ersten Zylinders werden die Verbrennungsgase, d. h. Wasserdampf, währenddessen ausgestoßen.
Die Zuführungseinrichtung 15 kann neben einem Reduzierventil eine Druckflasche aufweisen. Durch den verhältnismäßig geringen erforderlichen Ladedruck lässt sich der Inhalt der Druckflasche weitgehend ausnutzen.
Das Einlassventil 14 braucht nicht, wie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel, durch die Nockenwelle 18 gesteuert zu sein. Die Zuführungseinrichtung könnte ein auf andere Weise, z. B. elektromechanisch betätigtes Einlassventil aufweisen.
Die genannten drei Zylinder bilden eine Grundeinheit einer Verbrennungskraftmaschine, die sich z. B. in Reihenanordnung, V-Anordnung, Boxeranordnung oder/und Sternanordnung kombinieren lässt.
Es wird nun auf 3 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie in den vorangehenden Figuren bezeichnet sind, wobei den betreffenden Bezugszahlen der Buchstabe a beigefügt ist.
Die Verbrennungskraftmaschine von 3 unterscheidet sich von der vorangehend beschriebenen Verbrennungskraftmaschine dadurch, dass der erste, einen Kolben 1a aufweisende Zylinder kein Einlassventil aufweist, sondern einen Überströmkanal 23, zwischen einem Kurbelwellenraum 25 und einem Verbrennungsraum 6a des Zylinders vorgesehen ist.
Wenn sich der Kolben 1a in der Umgebung seines unteren Totpunkts befindet, gelangt durch ein Rückschlagventil 24 in den Kurbelwellenraum 25 eingetretene, in dem Kurbelwellenraum vokomprimierte Verbrennungsluft über den Überströmkanal 23 in den Verbrennungsraum 6a des ersten Zylinders. In dieser Überströmphase ist ein Auslassventil 9a des Zylinders geöffnet, so dass durch die übergetretene Verbrennungsluft im Verbrennungsraum 6a vorhandene Verbrennungsgase, d. h. Wasserdampf, aus dem Verbrennungsraum 6a ausgespült werden. In der sich anschließenden Hubphase wird der Überströmkanal 23 geschlossen und die eingeschlossene Verbrennungsluft im Verbrennungsraum 6a komprimiert.
In dem zweiten, einen Kolben 2a aufweisenden Zylinder laufen die gleichen Vorgänge ab, wie sie anhand des Ausführungsbeispiels von 1 und 2 beschrieben sind.

Claims

Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens zwei, je einen Kolben (1, 2) und einen Verbrennungsraum (6, 7) aufweisenden Zylindern, wobei sich die Kolben (1, 2) in Bezug auf ihren oberen und unteren Totpunkt etwa synchron bewegen, Einrichtungen zum Zuführen von Kraftstoff in einen (7) der Verbrennungsräume und zum Zuführen von Verbrennungsluft in den anderen Verbrennungsraum (6), einem Verbindungskanal (16) zwischen den Verbrennungsräumen (6, 7), welcher eine Absperrung (17) aufweist, und mit Mitteln zur Öffnung der Absperrung (17), um in dem einen Verbrennungsraum (7) verdichteten Kraftstoff mit in dem anderen Verbrennungsraum (6) verdichteter Verbrennungsluft zu vermischen.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzuführungseinrichtung (14, 15) zum Zuführen des Kraftstoffs während der Hubphase der Kolben (1, 2) vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzuführungseinrichtung (14, 15) zur Zuführung des Kraftstoffs nach Ausstoß eines Teils der Verbrennungsgase aus dem betreffenden Verbrennungsraum (7) vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Totpunkt der Kolben (1, 2) das Restvolumen (22) des einen Verbrennungsraums (7) kleiner als das Restvolumen (21) des anderen Verbrennungsraums (6) ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Restvolumen (21, 22) im Verhältnis so bemessen sind, dass der Gasdruck in den Restvolumen (21, 22) etwa übereinstimmt.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dem einen Verbrennungsraum (7) zugewandte Kolbenoberfläche eine das betreffende Restvolumen (22) verkleinernde Erhöhung (8) aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluftmenge und die Kraftstoffmenge so bemessen sind, dass verdichteter Sauerstoff und verdichteter Kraftstoff zueinander im stöchiometrischen Verhältnis stehen oder Sauerstoffüberschuss vorliegt.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrung einen quer zum Verbindungskanal (16) bewegbaren Absperrschieber (17) umfasst.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzuführungseinrichtung (14, 15) zur Zuführung von gasförmigem Kraftstoff, insbesondere gasförmigem Wasserstoff, vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzuführungseinrichtung (14, 15) eine Druckflasche und ein Reduzierventil umfasst.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündeinrichtung (20) für den mit der verdichteten Verbrennungsluft vermischten, verdichteten Kraftstoff vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung eine elektrische Zündeinrichtung (20) ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (20) an derjenigen Stelle des Überströmkanals (16) angeordnet ist, an der sich zuerst ein zündfähiges Gemisch bildet.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Zylinder mit einem Kolben und einem Verbrennungsraum vorgesehen ist, wobei sich der Kolben in Bezug auf seinen oberen und unteren Totpunkt synchron mit den beiden anderen Kolben bewegt und zwischen dem einen Verbrennungsraum (7) und dem Verbrennungsraum des weiteren Zylinders ein weiterer, absperrbarer Überströmkanal (16') vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem anderen Verbrennungsraum (6a) und einem Kurbelwellenraum (25) ein Überströmkanal (23) für Verbrennungsluft vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kurbelwellenraum (25) über ein Rückschlagventil (24) Verbrennungsluft zuführbar ist.