DE102011121241A1 - Cylinder head of three-stroke combustion engine, has case valve provided to separate piston and annular spaces at first clock cycle of cylinder, positioned on piston surface at second cycle and arranged in seat at compression phase - Google Patents

Cylinder head of three-stroke combustion engine, has case valve provided to separate piston and annular spaces at first clock cycle of cylinder, positioned on piston surface at second cycle and arranged in seat at compression phase Download PDF

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Abstract

The cylinder head (1) comprises an inner piston space (8) that is operated with fuel. An annular space (11) is operated without fuel supply. A case valve (3) is provided for separating the piston space and annular space during the first clock cycle of a cylinder (4), is positioned on a piston surface (14) at the beginning of the second clock cycle and is arranged in a bottom dead center (6) of a seat during the compression phase. An independent claim is included for method for operating combustion engine in three clock cycles.

Description

Die Erfindung betrifft den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit einem inneren Kolbenraum, einem Ringraum und einem die Räume trennenden Hülsenventil.The invention relates to the cylinder head of an internal combustion engine with an inner piston chamber, an annular space and a sleeve valve separating the spaces.

Der Stand der Technik zeigt Verbrennungsmotore, die im Zweitakt- und im Viertaktprozess arbeiten. Sie werden immer mit einem Hubkolben betrieben, der sein maximales Hubraumvolumen beim Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen beibehält. Da der Expansionsraum dem Verdichtungsraum gleich ist, geht viel Brennenergie, die zur optimalen Nutzung einen größeren Expansionsraum benötig durch den Auspuff verloren. Versuche diesen Vorgang, wie Expansionsraum-Verlängerung beim Gegenkolbenmotor und andere, sind technisch sehr aufwändig und führen zu keinem wesentlich verbesserten Ergebnis.The prior art shows internal combustion engines operating in two-stroke and four-stroke processes. They are always operated with a reciprocating piston, which maintains its maximum displacement in the intake, compression, expansion and ejection. Since the expansion space is equal to the compression space, much burning energy that requires a larger expansion space through the exhaust is lost for optimal use. Try this process, such as expansion space extension in the opposed piston engine and others, are technically very complex and do not lead to a much improved result.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Hubraum, zum Beispiel des Zweitakt-Otto-Motors, so zu gestalten, dass der Expansionsraum ein wesentlich größeres Arbeitsvolumen als der des Verdichtungsraumes aufweist, wobei dieser Vorgang bei einer einzigen Kurbelwellenumdrehung erfolgen soll.The invention has for its object to make the displacement, for example, the two-stroke gasoline engine, so that the expansion space has a much larger working volume than that of the compression chamber, this process should be carried out at a single crankshaft revolution.

Der diese Aufgabe lösende, erfindungsgemäße Zweitaktmotor mit dem dazugehörenden Verfahren hat eine plane Kolbenoberfläche mit einer V-förmigen Ringnut, in der das Hülsenventil bei weichem Aufsetzen hermetisch dichtend anliegt und somit den inneren Kolbenraum von dem Ringraum mit den Auslassschlitzen trennt. Der Kolben fährt während der Brennstoffeinspritzung mit dem Hülsenventil zum oberen Totpunkt, wobei der innere Kolbenraum mit einem Kraftstoffluftgemisch gefüllt ist und der umschließende Ringraum nach Überfahren der Auslassschlitze nur noch reine Spülluft beinhaltet. Nach Erreichen des optimalen Verdichtungsdruckes des Kraftstoffluftgemisches wird die Zündung eingeleitet. Dabei ist das Hülsenventil beim Einfahren in den Zylinderkopf mit Kolbenringen abgedichtet und wird mit einer Führungseinrichtung entsprechend der Arbeitstakte bewegt, wobei im eingefahrenen Zustand das Hülsenventil durch entsprechend ausgeformte Dichtkegel den Hülsenraum hermetisch abdichtet. In dieser Position ist der Kolben im oberen Totpunkt, das Kaftstofftluftgemisch im kugelförmigen Brennraum ist gezündet, dehnt sich über den gesamten Zylinderraum aus und treibt den Kolben in Richtung des unteren Totpunkts. Vor dem unteren Totpunkt gibt der Kolben die Auslassöffnung frei und das Abgas strömt aus dem gesamten Zylinderraum aus. Das Einlassventil öffnet sich, die Spülluft strömt unter Überdruck in den Zylinder ein und spült das restliche Abgas aus. Im Zeitpunkt des Erreichens des unteren Totpunktes setzt das Hülsenventil wieder in der V-förmigen Ringnut auf und dichtet so den inneren Kolbenraum, der mit Spülluft gefüllt ist, ab. Dieser Arbeitsprozess läuft über eine Kurbelwellenumdrehung ab und beginnt wieder neu mit dem Verdichtungsvorgang und der Kraftstoffeinspritzung.The solving this problem, two-stroke engine according to the invention with the associated method has a flat piston surface with a V-shaped annular groove in which the sleeve valve hermetically sealed in soft touch and thus separates the inner piston chamber of the annulus with the outlet slots. The piston moves during the fuel injection with the sleeve valve to top dead center, wherein the inner piston chamber is filled with a fuel-air mixture and the enclosing annular space includes after passing through the exhaust ports only pure purging air. After reaching the optimum compression pressure of the fuel air mixture, the ignition is initiated. In this case, the sleeve valve is sealed when entering the cylinder head with piston rings and is moved with a guide device according to the power strokes, hermetically sealed in the retracted state, the sleeve valve by appropriately shaped sealing cone the sleeve space. In this position, the piston is at top dead center, the Kaftstofftluftgemisch in the spherical combustion chamber is ignited, extends over the entire cylinder chamber and drives the piston in the direction of bottom dead center. Before the bottom dead center, the piston releases the outlet opening and the exhaust gas flows out of the entire cylinder space. The inlet valve opens, the purge air flows under pressure into the cylinder and flushes out the remaining exhaust gas. At the time of reaching the bottom dead center, the sleeve valve resumes in the V-shaped annular groove and thus seals the inner piston chamber which is filled with purging air from. This working process takes place over a crankshaft revolution and starts again with the compression process and the fuel injection.

Die Ausführungen werden anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel dargestellt.The embodiments are illustrated with reference to the drawings of an embodiment.

1 zeigt einen Teilschnitt durch den Zylinderkopf und das Hülsenventil 1 shows a partial section through the cylinder head and the sleeve valve

2 zeigt den Querschnitt eines Motors zum Zeitpunkt des Gaswechsels 2 shows the cross section of an engine at the time of the gas change

3 zeigt den Querschnitt eines Motors zum Zeitpunkt des Ansaugens, Verdichtens und Zündens 3 shows the cross section of an engine at the time of suction, compression and ignition

4 zeigt den Querschnitt eines Motors zum Zeitpunkt der Expansion und des Auslasses 4 shows the cross section of an engine at the time of expansion and the outlet

Ein in 4 gezeigter Zweitaktmotor ist als Grundmodul für den Dreitaktbetrieb in 1 dargestellt.An in 4 shown two-stroke engine is as a basic module for the three-stroke operation in 1 shown.

Der Zylinderkopf 1 ist mit einer um die Hälfte des Zylinderraumdurchmessers verringerten Bohrung 22 versehen. Wenn der Zylinderkopfdeckel 20 montiert ist, ragt er mit seinem stark im Durchmesser verringerten Zylinder 24 in die Hülsenventilbohrung 22. In dem entstandenen Ringspalt 23 befindet sich das bewegliche Hülsenventil 3. Der Zylinderkopfdeckel 20 hat an der Unterseite des Zylinders 24 eine halbkugelförmige Ausnehmung 18, in der sich das Brennstoff-Einspritzventil 12 und die Zündkerze 13 befinden.The cylinder head 1 is with a reduced by half of the cylinder space diameter bore 22 Mistake. If the cylinder head cover 20 mounted, it sticks out with its strongly reduced in diameter cylinder 24 into the sleeve valve hole 22 , In the resulting annular gap 23 is the movable sleeve valve 3 , The cylinder head cover 20 has at the bottom of the cylinder 24 a hemispherical recess 18 in which is the fuel injector 12 and the spark plug 13 are located.

Das Hülsenventil 3 ist an der Innen- und Außenwandung mit Kolbenringen 19 beweglich im Ringspalt 23 abgedichtet und mit der Steuerung des Einlassventiles 5 verbunden.The sleeve valve 3 is on the inner and outer walls with piston rings 19 movable in the annular gap 23 sealed and with the control of the inlet valve 5 connected.

Der Kolben 2 bewegt sich in Richtung des unteren Totpunkts 5 und öffnet den Auslasskanal 26.The piston 2 moves in the direction of bottom dead center 5 and opens the outlet channel 26 ,

Der Restdruck im Zylinder 4 baut sich ab, das Einlassventil öffnet sich und die Spülluft 16 verdrängt das Abgas 15 durch den Auslasskanal 26. Beim unteren Totpunkt 6 setzt das Hülsenventil 3 in der V-förmigen Ringnut 7 auf und dichtet so den inneren Kolbenraum, mit reiner Spülluft gefüllt, ab.The residual pressure in the cylinder 4 breaks down, the inlet valve opens and the purge air 16 displaces the exhaust gas 15 through the outlet channel 26 , At bottom dead center 6 put the sleeve valve 3 in the V-shaped ring groove 7 on and thus seals the inner piston chamber, filled with pure purge air from.

Der Kolben 2 bewegt sich mit dem Hülsenventil 3 in Richtung des oberen Totpunktes 9, schließt dabei den Auslasskanal 26 gleichzeitig mit dem Einlassventil 5 und bildet den geschlossenen Ringraum 11, der mit reiner Spülluft gefüllt ist. In den vom Ringraum 11 getrennten inneren Kolbenraum wird im Verdichtungsvorgang Brennstoff zugeführt, wobei gleichzeitig im Ringraum 11 die reine Spülluft verdichtet wird und der geringere Totraum 21 einen höheren Verdichtungsdruck ermöglicht.The piston 2 moves with the sleeve valve 3 in the direction of top dead center 9 , closes the outlet channel 26 simultaneously with the inlet valve 5 and forms the closed annulus 11 which is filled with pure purge air. In the from the annulus 11 separated inner piston chamber is fed in the compression process fuel, while in the annulus 11 the pure purge air is compressed and the smaller dead space 21 allows a higher compression pressure.

In der Nähe des oberen Totpunktes wird die Zündung über die Zündkerze 13 im kugelförmigen Brennraum 18 ausgelöst und das Hülsenventil 3 vollständig in den Zylinderkopf 1 eingefahren.Near the top dead center, the ignition is over the spark plug 13 in the spherical combustion chamber 18 triggered and the sleeve valve 3 completely in the cylinder head 1 retracted.

Die unterschiedlichen Verdichtungsdrücke von Ringraum 11 und innerem Kolbenraum 8 gleichen sich aus und führen somit eine nahezu vollständige Kraftstoffnutzung herbei.The different compression pressures of annulus 11 and inner piston chamber 8th balance each other out and thus bring about almost complete fuel economy.

Nach Aufheben der Zweiteilung der Kolbenfläche 14 wirkt der Expansionsdruck in Richtung des unteren Totpunkts. Hierbei bewirkt der ehemalige Ringraum 11 eine sogenannte Expansionsraumverlängerung.After canceling the division of the piston surface 14 the expansion pressure acts in the direction of bottom dead center. Here, the former annulus causes 11 a so-called expansion space extension.

Die im Aufwärtsgang über den Einlasskanal 17 angesaugte Spülluft steht im Kurbelgehäuse 10 für den nächsten über 360 Winkelgrad laufenden Dreitaktprozess zur Verfügung.The in the upward passage over the inlet channel 17 sucked purge air is in the crankcase 10 for the next three-stroke process running over 360 degrees.

Der beschriebene Funktionsablauf erfolgt über eine 360 Grad Kurbelwellenumdrehung und beginnt mit dem Gaswechsel erneut.The functional sequence described is carried out over a 360 degree crankshaft revolution and starts again with the gas exchange.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Zylinderkopfcylinder head
22
Kolbenpiston
33
Hülsenventilsleeve valve
44
Zylindercylinder
55
Einlassventilintake valve
66
unterer Totpunktbottom dead center
77
V-förmige RingnutV-shaped ring groove
88th
innerer Kolbenrauminner piston chamber
99
oberer TotpunktTop Dead Center
1010
Kurbelgehäusecrankcase
1111
Ringraumannulus
1212
Brennstoff-EinspritzventilFuel injector
1313
Zündkerzespark plug
1414
Kolbenflächepiston area
1515
Abgaskanalexhaust duct
1616
Spülluftpurge air
1717
Einlasskanalinlet channel
1818
Halbkugel-BrennraumHemispherical combustion chamber
1919
Kolbenringepiston rings
2020
ZylinderkopfdeckelCylinder head cover
2121
Totraumdead space
2222
Bohrungdrilling
2323
Ringspaltannular gap
2424
Zylindercylinder
2525
Kugel-BrennraumBall combustion chamber
2626
Auslasskanalexhaust port

Claims (17)

Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors dadurch gekennzeichnet, dass er einen inneren, mit Brennstoff betriebene Kolbenraum 8 und einen Ringraum 11 ohne Brennstoffzufuhr und ein diese Räume trennendes Hülsenventil 3 enthält, das während des ersten Arbeitstaktes im Zylinder sitzt, wobei sich dieses Hülsenvetil 3 zu Beginn des zweiten Arbeitstaktes auf der Kolbenfläche 14 im unteren Totpunkt befindet und während der Kompressionsphase seinen Sitz hat.Cylinder head of an internal combustion engine, characterized in that it has an inner, fuel-operated piston chamber 8th and an annulus 11 without fuel supply and a sleeve valve separating these spaces 3 contains, which sits in the cylinder during the first stroke, this sleeve vise 3 at the beginning of the second stroke on the piston surface 14 is at bottom dead center and has its seat during the compression phase. Zylinderkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenventil 3 bei der Zündung sich so im Zylinderkopf 1 befindet, dass es vollständig in den Zylinderkopf eingefahren ist.Cylinder head according to claim 1, characterized in that the sleeve valve 3 at the ignition so in the cylinder head 1 is that it is fully retracted into the cylinder head. Zylinderkopf nach einen der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenventil 3 mit Kolbenringen an seinen Innen- und Außenwandungen abgedichtet ist.Cylinder head according to one of claims 1 and 2, characterized in that the sleeve valve 3 is sealed with piston rings on its inner and outer walls. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenventil 3 auf einem Doppelkegel im Zylinderkopf 1 die hermetische Abdichtung des Hülsenraumes 23 darstellt.Cylinder head according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sleeve valve 3 on a double cone in the cylinder head 1 the hermetic seal of the sleeve space 23 represents. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenventil 3 im Verdichtungstakt des Kolbens 2 in jeder Position auf diesem sitzt.Cylinder head according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sleeve valve 3 in the compression stroke of the piston 2 sitting in this position in every position. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil 5 im Ringraum 11 sitzt.Cylinder head according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inlet valve 5 in the annulus 11 sitting. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenventil 3 mit einem Kegel in der V-förmigen Ringnut 7 den inneren Kolbenraum und den äußeren Ringraum 11 dichtend trennt.Cylinder head according to one of claims 1 to 6, characterized in that the sleeve valve 3 with a cone in the V-shaped ring groove 7 the inner piston chamber and the outer annulus 11 sealing separates. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Halbkugel-Brennraum 18 im Kolben 2 mit dem Halbkugel-Brennraum 18 im Zylinderkopfdeckel 20 beim oberen Totpunkt 9 einen Kugel-Brennraum 25 bildet.Cylinder head according to one of claims 1 to 7, characterized in that the hemisphere combustion chamber 18 in the piston 2 with the hemisphere combustion chamber 18 in the cylinder head cover 20 at top dead center 9 a ball-burning chamber 25 forms. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Totraum 21 des Ringraumes 11 im Volumen unterschiedlich zum Totraum des Kolbenraumes 8 ist.Cylinder head according to one of claims 1 to 8, characterized in that the dead space 21 of the annulus 11 in volume different from the dead space of the piston chamber 8th is. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors in drei Takten, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Hülsenventils 3 synchron mit dem Einlassventil 5 erfolgt.Method for operating an internal combustion engine in three cycles, characterized in that the movement of the sleeve valve 3 synchronous with the inlet valve 5 he follows. Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Hülsenventils 3 elektromechanisch erfolgt. A method according to claim 10, characterized in that the control of the sleeve valve 3 electromechanically. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Hülsenventils 3 elektromagnetisch erfolgt.Method according to one of claims 10 to 11, characterized in that the control of the sleeve valve 3 Electromagnetically. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Spülluft 16 über ein äußeres Gebläse zugeführt wird.Method according to one of claims 10 to 12, characterized in that the scavenging air 16 is supplied via an external blower. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Hülsenventiles 3 in den Otto-Prozess integriert ist.Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that the function of the sleeve valve 3 integrated into the Otto process. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 dadurch gekennzeichnet, das die Funktion des Hülsenventiles 3 in den Diesel-Prozess integriert ist.Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that the function of the sleeve valve 3 integrated into the diesel process. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Hülsenventils 3 in den Dreitakt-Verbrennungsprozess integriert ist.Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that the function of the sleeve valve 3 integrated into the three-stroke combustion process. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bewegung des Hülsenventiles 3 ein dritter Arbeitstakt gebildet wird.Method according to one of claims 10 to 16, characterized in that by the movement of the sleeve valve 3 a third work cycle is formed.
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