DE102008023390B4 - Verbrennungskraftmaschine mit Verbindungskanal zwischen zwei Zylindern - Google Patents
Verbrennungskraftmaschine mit Verbindungskanal zwischen zwei Zylindern Download PDFInfo
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Abstract
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.
- Aus der
DE 40 03 729 A1 ist eine Verbrennungsmotor für Wasserstoff bekannt, welcher zwei miteinander verbundene Kolben umfasst, wobei Wasserstoff von einem ersten Kolben durch einen Ringraum um den ersten Kolben zu dem zweiten Kolben bewegt wird, wodurch eine frühzeitige Durchmischung des Wasserstoffs mit Verbrennungsluft während des Verdichtungshubs erfolgt. Weitere Verbrennungsmotoren sind aus den DruckschriftenDE 10 2006 010 302 A1 ,DE 568 918 A undWO 94/ 01 666 A1 - 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 Verbindungskanal vorgesehen ist. Der weitere Zylinder lässt sich um 180° versetzt zu dem ersten, mit Verbrennungsluft gefüllten Zylinder betreiben, so dass der weitere Zylinder während 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 von1 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 und2 auf, die über Pleuel3 und4 mit einer Kurbelwelle5 verbunden sind. Die Verbindung mit der Kurbelwelle ist derart, dass sich die Kolben1 und2 in Bezug auf ihren oberen und unteren Totpunkt zueinander synchron bewegen. - Die Verbrennungsräumen
6 und7 zugewandten Stirnseiten der Kolben1 und2 sind unterschiedlich gestaltet. Der Kolben2 weist im Unterschied zum Kolben1 eine Auswölbung8 auf. - Die Zylinder sind jeweils mit einem Auslassventil
9 bzw.10 versehen, über das sich der Verbrennungsraum6 bzw.7 mit einer Auspuffleitung11 verbinden lässt. - In den Verbrennungsraum
6 kann über ein Einlassventil12 , das in Strömungsverbindung mit einer Ansaug- oder Ladeleitung13 steht, Verbrennungsluft eingelassen werden. - Über ein Enlassventil
14 ist der Verbrennungsraum7 mit einer Enrichtung15 für die Zuführung von Kraftstoff verbindbar. In dem betreffenden Ausführungsbeispiel wird als Kraftstoff gasförmiger Wasserstoff eingesetzt. - Zwischen den Verbrennungsräumen
6 und7 verläuft ein Verbindungskanal16 , der sich durch einen Schieber17 absperren lässt. - Die Auslassventile
9 und10 , die Einlassventile12 und14 sowie der Absperrschieber17 sind durch einen Nockenwelle18 steuerbar, die über eine Antriebseinrichtung19 in Verbindung mit der Kurbelwelle5 steht. - Der Verbrennungsraum
7 des zweiten, den Kolben2 aufweisenden Zylinders ist über einen Verbindungskanal16' mit dem Verbrennungsraum eines (nicht gezeigten) dritten Zylinders verbunden, wobei der dritte Zylinder in gleicher Weise wie der erste, den Kolben1 aufweisenden Zylinder ausgestattet ist. Das Einlassventil und das Auslassventil des dritten Zylinders werden durch die Nockenwelle18 gegenüber dem ersten Zylinder jedoch um 180° versetzt angesteuert. - Nachfolgend wird in Verbindung mit
2 die Funktionsweise der anhand von1 beschriebenen Verbrennungskraftmaschine erläutert. - Geht man davon aus, dass der erste Zylinder mit dem Kolben
1 über das Einlassventil12 gerade Verbrennungsluft angesaugt hat, so wird die Verbrennungsluft in der anschließenden Hubphase der drei Kolben in dem Verbrennungsraum6 bei geschlossenem Enlassventil12 und geschlossenem Auslassventil9 verdichtet. Aus dem dritten, in den Figuren nicht sichtbaren Zylinder wird Verbrennungsgas ausgestoßen. Ebenso wird aus dem Verbrennungsraum7 bei geöffnetem Auslassventil10 und geschlossenem Einlassventil14 Verbrennungsgas ausgestoßen. - Während der Hubphase schließt in einer vorgegebenen Drehposition der Kurbelwelle
5 das Auslassventil10 und das Einlassventil14 öffnet sich über einen vorgegebenen Drehwinkelbereich. Die Einrichtung15 sorgt für die Zufuhr von Wasserstoffgas in den Verbrennungsraum7 . Nach dem Schließen des Einlassventils14 am Ende des genannten Drehwinkelbereichs wird das Wasserstoffgas zusammen mit dem noch im Verbrennungsraum befindlichen Verbrennungsgas, d.h. Wasserdampf, während der weiteren Hubbewegung des Kolbens2 verdichtet. - Kurz bevor die Kolben
1 und2 ihren oberen Totpunkt erreichen, wird die Absperrung des Verbindungskanals16 durch den Schieber17 aufgehoben, so dass sich die in dem Verbrennungsraum6 verdichtete Verbrennungsluft und das in dem Verbrennungsraum7 verdichtete Wasserstoffgas durchmischen. - Diese Durchmischung erfolgt sowohl im Verbrennungsraum
6 als auch im Verbrennungsraum7 , indem sich die Partialdrücke von Sauerstoff und Wasserstoff gegenseitig ausgleichen. Die am oberen Totpunkt der Kolben1 und2 verbleibenden Restvolumen21 und22 der Verbrennungsräume6 und7 sind so bemessen, dass der Gasdruck in dem Restvolumen22 etwa gleich dem Gasdruck im Restvolumen21 ist. Da der Kolben2 nur in einer letzten Phase seines Hubes verdichtet, muss das Restvolumen22 entsprechend kleiner als das Restvolumen21 sein. Bei annähernd übereinstimmendem Gasdruck in den Restvolumen21 ,22 werden nachteilige Strömungseffekte im Verbindungskanal16 vermieden. - Die Wasserstoffmenge und die Winkelstellung, bei welcher das Einlassventil
14 öffnet, sind ferner so vorgewählt, dass Sauerstoff und Wasserstoff in den Restvolumen21 ,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 Einrichtung20 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 Restvolumen21 ,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 Kolben1 ,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 Verbrennungsraum6 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 Nockenwelle18 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 Kolben1a aufweisende Zylinder kein Einlassventil aufweist, sondern einen Überströmkanal23 , zwischen einem Kurbelwellenraum25 und einem Verbrennungsraum6a des Zylinders vorgesehen ist. - Wenn sich der Kolben
1a in der Umgebung seines unteren Totpunkts befindet, gelangt durch ein Rückschlagventil24 in den Kurbelwellenraum25 eingetretene, in dem Kurbelwellenraum vokomprimierte Verbrennungsluft über den Überströmkanal23 in den Verbrennungsraum6a des ersten Zylinders. In dieser Überströmphase ist ein Auslassventil9a des Zylinders geöffnet, so dass durch die übergetretene Verbrennungsluft im Verbrennungsraum6a vorhandene Verbrennungsgase, d.h. Wasserdampf, aus dem Verbrennungsraum6a ausgespült werden. In der sich anschließenden Hubphase wird der Überströmkanal23 geschlossen und die eingeschlossene Verbrennungsluft im Verbrennungsraum6a komprimiert. - In dem zweiten, einen Kolben
2a aufweisenden Zylinder laufen die gleichen Vorgänge ab, wie sie anhand des Ausführungsbeispiels von1 und2 beschrieben sind.
Claims (16)
- 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) und einem Verbindungskanal (16) zwischen den Verbrennungsräumen (6,7), dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (16) eine Absperrung (17) aufweist, und Mittel zur Öffnung der Absperrung (17) vorgesehen sind, 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 bis3 , 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 oder5 , 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 bis6 , 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 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrung einen quer zum Verbindungskanal (16) bewegbaren Absperrschieber (17) umfasst. - Verbrennungskraftmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzuführungseinrichtung (14,15) zur Zuführung von gasförmigem Kraftstoff, 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 bis10 , 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 oder12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (20) an derjenigen Stelle des angeordnet ist, an der sich zuerst ein zündfähiges Gemisch bildet. - Verbrennungskraftmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis13 , 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 Verbindungskanal (16') vorgesehen ist. - Verbrennungskraftmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis14 , 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.
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SENECA INTERNATIONAL AG, LU Free format text: FORMER OWNER: SENECA S.A., LUXEMBOURG, LU Effective date: 20111109 Owner name: VOIT, MARTIN, DE Free format text: FORMER OWNER: SENECA S.A., LUXEMBOURG, LU Effective date: 20111109 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE BERNHARDT/WOLFF PARTNERSCHAFT, DE Effective date: 20111109 Representative=s name: PATENTANWAELTE BERNHARDT/WOLFF PARTNERSCHAFT M, DE Effective date: 20111109 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE BERNHARDT/WOLFF PARTNERSCHAFT, DE Representative=s name: PATENTANWAELTE BERNHARDT/WOLFF PARTNERSCHAFT M, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: VOIT, MARTIN, DE Free format text: FORMER OWNER: SENECA INTERNATIONAL AG, LUXEMBOURG, LU |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE BERNHARDT/WOLFF PARTNERSCHAFT, DE Representative=s name: PATENTANWAELTE BERNHARDT/WOLFF PARTNERSCHAFT M, DE |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |