DE1199052B

DE1199052B - Internal combustion piston engine with self-ignition

Info

Publication number: DE1199052B
Application number: DEJ17954A
Authority: DE
Inventors: Carl Jespersen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1960-04-08
Filing date: 1960-04-08
Publication date: 1965-08-19

Description

Brennkraft-Kolbenmaschine mit Selbstzündung Die Erfindung betrifft eine Brennkraft-Kolbenmaschine mit Selbstzündung, bei der das Gemisch von Kolben - im folgenden Arbeitskolben genannt - nur bis unterhalb der Zündtemperatur verdichtet und danach von einem pneumatisch betätigten Hilfskolben bis zur Zündung weiterverdichtet wird.Compression-ignition internal combustion piston engine The invention relates to an internal combustion piston engine with compression ignition, in which the mixture of pistons - hereinafter referred to as the working piston - only compressed to below the ignition temperature and then further compressed by a pneumatically operated auxiliary piston until ignition will.

Bei der bekannten Maschine dieser Art wird der Hilfskolben durch das Gasgemisch selbst betätigt. Dort ist er ein Stufenkolben, dessen im Durchmesser größerer Teil im Arbeitszylinder und dessen kleinerer Teil in einem vom Arbeitszylinder ganz gesonderten, aber ebenfalls mit Gasgemisch gefüllten Zylinder gleitet. Vom Gasgemisch des Arbeitszylinders getrieben, verdichtet der Hilfskolben das im Hilfszylinder enthaltene Gemisch auf höheren Druck, und sobald im Hilfszylinder die Zündung geschehen, also der noch höhere Verpuffungsdruck entstanden ist, treibt dieser den Hilfskolben in den Arbeitszylinder zurück, so daß auch dort der Zündungsdruck erreicht wird. Diese Bauart hat den Nachteil, daß der Augenblick der Zündung im Hilfszylinder nicht willkürlich beeinflußt, also nicht genau beherrscht werden kann. Diesen Nachteil soll die Erfindung beheben.In the known machine of this type, the auxiliary piston is through the Gas mixture operated by itself. There he is a stepped piston, its in diameter larger part in the working cylinder and its smaller part in one of the working cylinder very separate, but also filled with gas mixture cylinder slides. From the Driven by the gas mixture of the working cylinder, the auxiliary piston compresses that in the auxiliary cylinder the mixture contained at a higher pressure, and as soon as the ignition occurs in the auxiliary cylinder, so the even higher deflagration pressure has arisen, this drives the auxiliary piston back into the working cylinder so that the ignition pressure is also reached there. This type of construction has the disadvantage that the moment of ignition does not occur in the auxiliary cylinder arbitrarily influenced, so it cannot be precisely controlled. This disadvantage is intended to remedy the invention.

Bekannt ist eine der eingangs genannten ähnliche Maschine, deren Hilfskolben nicht pneumatisch, sondern durch ein auslösbares Spannwerk, also durch mechanische Federkraft betätigt wird. Diese Maschine würde wohl genaue Zündeinstellung gestatten; aber solches Spannwerk wird bei den großen herrschenden Drücken und Kräften schnell verschleißen und ungenau werden und ist daher unerwünscht.A machine similar to the one mentioned above is known, its auxiliary piston not pneumatically, but by a releasable tensioning mechanism, i.e. by mechanical means Spring force is operated. This machine would probably allow precise ignition timing; but such tensioning system becomes fast with the large prevailing pressures and forces wear out and become inaccurate and is therefore undesirable.

Die Erfindung sieht vor, den Hilfskolben durch ventilgesteuerte Druckluft beliebig gewählten Drucks zu betätigen. Sie besteht darin, daß das dem Brennraum abgewandte Ende des Hilfszylinders mit einem Druckluftbehälter über ein je nach der Stellung des Arbeitskolbens betätigtes Ventil verbunden ist und daß der Hilfskolben kurz, ehe der Arbeitskolben den oberen Totpunkt erreicht, durch Öffnen des Ventils Druckluft solchen Drucks erhält, daß er das im Brennraum befindliche Gemisch auf die Zündtemperatur verdichtet, aber nach der Zündung durch den Verpuffungsdruck in seine Ausgangsstellung zurückgedrängt wird, und danach das Ventil geschlossen wird.The invention provides for the auxiliary piston by valve-controlled compressed air to operate any selected pressure. It consists in the fact that this is the combustion chamber remote end of the auxiliary cylinder with a compressed air tank via a depending on the position of the working piston operated valve is connected and that the auxiliary piston shortly before the working piston reaches top dead center, by opening the valve Compressed air receives such a pressure that it takes up the mixture in the combustion chamber the ignition temperature is compressed, but after ignition by the deflagration pressure is pushed back into its original position, and then the valve is closed will.

Dank dieser Bauart kann der Verdichtungsenddruck den Betriebsbedingungen leicht angepaßt werden, indem ein auf den gewünschten Verdichtungsenddruck abgestimmter Luftdruck verwendet wird; dies kann z. B. durch Reduzierventile geschehen, die von Hand oder selbsttätig, beispielsweise durch den Unterdruck in der Saugleitung, eingestellt werden.Thanks to this design, the discharge pressure can vary according to the operating conditions can easily be adjusted by a Air pressure is used; this can e.g. B. done by reducing valves that of Set manually or automatically, for example by the negative pressure in the suction line will.

Das Ventil zwischen dem Hilfskolben und dem Druckbehälter kann als Tellerventil, als Drehschieber, als Flachschieber od. dgl. ausgebildet sein und in bekannter Weise von einer Nockenwelle, die von der Kurbelwelle angetrieben wird, gesteuert werden.The valve between the auxiliary piston and the pressure vessel can be used as Disk valve, as a rotary slide valve, or as a flat slide valve. The like. Be designed and in a known way by a camshaft that is driven by the crankshaft, being controlled.

Bei langsamlaufenden Verbrennungsmotoren ist es auch möglich, daß der Ventilschaft durch den Hilfskolben hindurch bis in den Verbrennungsraum hinabreicht und in an sich bekannter Weise unmittelbar vom Arbeitskolben gesteuert wird.In slow-running internal combustion engines, it is also possible that the valve stem extends through the auxiliary piston into the combustion chamber and is controlled directly by the working piston in a manner known per se.

Im Nebenzylinder sind vorteilhafterweise Federungs- und Dämpfungselemente als Anschläge für den Hilfskolben angeordnet. Diese Federungs- und Dämpfungselemente sind insbesondere an den Enden der Nebenzylinder wichtig, die vom Verbrennungsraum abgewandt sind.In the secondary cylinder there are advantageously suspension and damping elements arranged as stops for the auxiliary piston. These suspension and damping elements are particularly important at the ends of the secondary cylinders, those from the combustion chamber are turned away.

Im Nebenzylinder sind vorteilhafterweise Federungs- und Dämpfungselemente als Anschläge für den Hilfskolben angeordnet. Diese Federungs- und Dämpfungselemente sind insbesondere an den Enden der Nebenzylinder wichtig, die vom Verbrennungsraum abgewandt sind. Damit der Druck im Druckbehälter nicht sehr hoch gewählt zu werden braucht, wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Hilfskolben ein Stufenkoben ist und der entsprechend ausgebildete Nebenzylinder mit seinem kleineren Querschnitt dem Arbeitszylinder und mit seinem größeren Querschnitt dem Druckbehälter zugewandt ist.In the secondary cylinder there are advantageously suspension and damping elements arranged as stops for the auxiliary piston. These suspension and damping elements are particularly important at the ends of the secondary cylinders, those from the combustion chamber are turned away. So that the pressure in the pressure vessel is not very high needs to be selected, is proposed in a further embodiment of the invention, that the auxiliary piston is a stepped piston and the correspondingly designed auxiliary cylinder with its smaller cross-section the working cylinder and with its larger cross-section facing the pressure vessel.

Durch eine derartige Ausbildung des Hilfskolbens kann zusätzlich erreicht werden, daß der Kolben beim Einlaufen in die Verdichtungsendstellung pneumatisch abgebremst wird.Such a design of the auxiliary piston can also be achieved that the piston is pneumatic when it enters the compression end position is braked.

Der Hilfszylinder ist zweckmäßigerweise als leicht abnehmbarer Bauteil am Zylinderkopf befestigt. Insbesondere bei kleineren Motoren ist es möglich, den Hilfszylinder ähnlich wie eine Zündkerze in eine mit Gevrinde versehene Bohrung des Zylinderkopfes einzuschrauben.The auxiliary cylinder is expediently an easily removable component attached to the cylinder head. Especially with smaller engines, it is possible to use the Auxiliary cylinder similar to a spark plug in a threaded hole of the cylinder head.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorteschlagen, daß der Nebenzylinder zur Aufnahme des Stufenkolbens als zweiteiliger Doppelzylinder ausgebildet ist und der größere Zylinderteil den ..lehne.-en Zylinderteil umfaßt und beide Zylinderteile zueinander axial beweglich geführt sind,- wobei der Zylinderteil mit der kleineren Bohrung am Zylinderkopf befestigt ist und der Zylinderteil mit der größeren Bohrung über eine sich gegen eine ortsfeste Platte abstützende Feder axial verschieblich gehalten ist. Durch diese Ausbildung des Hilfszylinders wird erreicht, daß der Verbrennungshöchstdruck weiter verringert werden kann, da der Verbrennungsraum nicht nur durch das Zurückschnellen des I-ilfskolbens, sondern auch durch die federnde Abstützung des Hilfskolbens in seiner Ausgangsstellung während der Zeit des Verbrennungshöchstdruckes vergrößert wird. Bei Absinken des Verbrennungsdruckes wird die in der abstützenden Feder gespeicherte Energie als nutzbare Arbeit zurückgewonnen.In a further embodiment of the invention it is proposed that the secondary cylinder is designed as a two-part double cylinder for receiving the stepped piston and the larger cylinder part includes the ... backrest.-en cylinder part and both cylinder parts are guided axially movable to each other, - the cylinder part with the smaller Bore is attached to the cylinder head and the cylinder part with the larger bore axially displaceable via a spring supported against a stationary plate is held. This design of the auxiliary cylinder ensures that the maximum combustion pressure can be further reduced, since the combustion chamber is not only due to the snapback of the auxiliary piston, but also through the resilient support of the auxiliary piston in its initial position increased during the time of the maximum combustion pressure will. When the combustion pressure drops, the pressure stored in the supporting spring is saved Recovered energy as usable work.

In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Nebenzylinder und Druckbehälter.In the following description, embodiments of the invention are described explained in more detail with reference to the drawings. It shows F i g. 1 shows a longitudinal section by a cylinder of an internal combustion engine designed according to the invention Secondary cylinder and pressure vessel.

F ig. 2 eine ähnliche Ansicht wie F i g. 1 mit einem anders ausgebildeten Nebenzylinder F i g. 3 einen Längsschnitt durch einen Nebenzylinder mit einstellbarem Volumen, F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen Nebenzylinder mit Stufenkolben, F i g. 5 einen Längsschnitt durch einen zweiteiligen Hilfszylinder, dessen Teile axial zueinander beweglich sind.Fig. 2 is a view similar to FIG. 1 with a differently trained Secondary cylinder F i g. 3 shows a longitudinal section through a secondary cylinder with adjustable Volume, fig. 4 a longitudinal section through a secondary cylinder with stepped piston, F i g. 5 shows a longitudinal section through a two-part auxiliary cylinder, its parts are axially movable to one another.

In den Zeichnungen sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Arbeitszylinder 10 bewegt sich der Arbeitskolben 11, der über ein Pleue112 mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Der Kolben 11 ist mit Kolbenringen 13 und ölabstreifringen 14 versehen. Am Zylinderkopf 15 ist ein Nebenzylinder 16 angeschraubt, in dem ein Hilfskolben 17 geführt ist. Die Oberseite des Nebenzylinders 16 ist durch eine Platte 18 abgedeckt, die einen Ventilsitz 19 für ein Ventil 20 besitzt. Das Ventil 20 wird von einer Feder 21 gegen den Ventilsitz 19 gepreßt. Oberhalb der Platte 18 wölbt sich ein Anschlußteil 22, der über eine Leitung 23 mit einem Druckbehälter 24, vorzugsweise einer Druckluftflasche in Verbindung 3telit. Der Druckbehälter 24 ist über eine flexible vorzugsweise Druckleitung mit dem Nebenzylinder verbunden.In the drawings, parts with the same function are provided with the same reference symbols. The working piston 11, which is connected to a crankshaft via a connecting rod 112, moves in the working cylinder 10. The piston 11 is provided with piston rings 13 and oil control rings 14 . A secondary cylinder 16, in which an auxiliary piston 17 is guided, is screwed to the cylinder head 15. The top of the secondary cylinder 16 is covered by a plate 18 which has a valve seat 19 for a valve 20. The valve 20 is pressed against the valve seat 19 by a spring 21. Above the plate 18 there is a connection part 22 which is connected via a line 23 to a pressure vessel 24, preferably a compressed air bottle. The pressure vessel 24 is connected to the secondary cylinder via a flexible, preferably pressure line.

Die Wirkungsweise der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung ist folgende: Bei Beginn des Verdichtungstaktes befindet sich der Hilfskolben 17 in - der dargestellten Lage. Der Arbeitskolben 11 verdichtet das im Arbeitszylinder befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch auf das Volumen der Räume 29 und 30. Bevor der Kolben 11 seinen oberen Totpunkt 25 erreicht hat, öffnet er über den Schaft 26 das Ventil 20. Dadurch strömt aus dem Druckbehälter 24 Druckmittel in den Raum 27. Da der Druck des Druckmittels größer ist als der Verdichtungsdruck im Verbrennungsraum, wird -der Hilfskolben 17 aus einer Ausgangsstellung in Richtung des Verbrennungsraumes 29 gedrückt, so daß das vorverdichtete Brennstoff-Luft-Gemisch auf einen Druck gebracht wird, der zur Zündung des Gemisches führt. Nach der Zündung wird durch den Explosionsdruck der Hilfskolben 17 in seine Ausgangsstellung zurückbewegt, wobei auch der größte Teil des in den Nebenzylinder geströmten Druckmittels durch das geöffnete Ventil 20 ir_ den Druckbehälter zurückgedrückt wird.The mode of operation of the in F i g. The device shown in FIG. 1 is as follows: At the beginning of the compression stroke, the auxiliary piston 17 is in the position shown. The working piston 11 compresses the fuel-air mixture in the working cylinder to the volume of the spaces 29 and 30. Before the piston 11 has reached its top dead center 25, it opens the valve 20 via the shaft 26. This causes pressure medium to flow out of the pressure vessel 24 In the space 27. Since the pressure of the pressure medium is greater than the compression pressure in the combustion chamber, the auxiliary piston 17 is pressed from an initial position in the direction of the combustion chamber 29, so that the pre-compressed fuel-air mixture is brought to a pressure that is suitable for Ignition of the mixture leads. After the ignition, the auxiliary piston 17 is moved back into its starting position by the explosion pressure, with most of the pressure medium that has flowed into the auxiliary cylinder being pushed back through the open valve 20 ir_ the pressure vessel.

Bei den in den F i g. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen wird das Ventil 20 unmittelbar durch den Arbeitskolben 11 geöffnet. Dies ist bei Motoren mit relativ geringen Umdrehungszahlen, z. B. Schiffsdieselmotoren, möglich. Bei schnelllaufenden Motoren wird jedoch das Ventil 20 in gleicher Weise gesteuert wie dies für normale Einlaß- und Auslaßventile üblich ist, nämlich durch eine Nockenwelle.In the case of the FIGS. 1 to 5 illustrated embodiments the valve 20 is opened directly by the working piston 11. This is at Motors with relatively low speeds, e.g. B. marine diesel engines, possible. In the case of high-speed engines, however, the valve 20 is controlled in the same way as is usual for normal intake and exhaust valves, namely by a camshaft.

An der Platte 18 ist ein gummielastischer Körper 31 angeordnet, der das Aufschlagen des Hilfskolbens 17 gegen den oberen Anschlag abfedert. Der Nebenzylinder 16 ist in eine Gewindebohrung 33 des Zylinderkopfes 15 eingeschraubt.On the plate 18, a rubber elastic body 31 is arranged, which cushions the impact of the auxiliary piston 17 against the upper stop. The secondary cylinder 16 is screwed into a threaded bore 33 of the cylinder head 15.

Nach F i g. 2 ist der Nebenzylinder 16 über einen Flansch mittels Schrauben 34 am Zylinderkopf des Arbeitszylinders 10 befestigt. Der Hilfskolben 17 ist topfartig ausgebildet. Um den Anschlag dieses Kolbens zu dämpfen, ist das Dämpfungselement 31 entsprechend ausgebildet, d. h., er hat einen inneren stegartigen Rand 35, der sich federnd gegen die Innenfläche des Kolbenbodens anlegen kann.According to FIG. 2, the secondary cylinder 16 is by means of a flange Screws 34 attached to the cylinder head of the working cylinder 10. The auxiliary piston 17 is pot-shaped. To dampen the stop of this piston is that Damping element 31 designed accordingly, d. i.e., it has an inner web-like Edge 35, which can apply resiliently against the inner surface of the piston head.

An dem dem Arbeitszylinder 10 zugewandten Ende des Hilfszylinders 16 ist ein Federring 36 angeordnet, der als Anschlag des Kolbens 17 in der Kompressionsendstellung dient. Der Ring 36 kann auch eine zusätzliche Führung des Ventilschaftes 26 aufnehmen.At the end of the auxiliary cylinder facing the working cylinder 10 16 a spring ring 36 is arranged, which acts as a stop of the piston 17 in the compression end position serves. The ring 36 can also accommodate an additional guide for the valve stem 26.

Beim Nebenzylinder gemäß F i g. 3 ist sowohl der obere Anschlag des Kolbens 17 als auch der Ventilsitz 19 im Gewinde 37 axial einstellbar. Durch weiteres Herein- oder Herausdrehen der Kappe 22 im Gewinde 37 kann der Öffnungszeitpunkt für das Ventil 20 einreguliert werden. Auch durch Verstellen der Ringschraube für den oberen Anschlag des Kolbens 17 kann das Volumen des Nebenzylinders geändert werden.In the case of the secondary cylinder according to FIG. 3 is both the upper stop of the The piston 17 and the valve seat 19 are axially adjustable in the thread 37. By further The opening time can be used to screw the cap 22 in or out in the thread 37 for the valve 20 can be adjusted. Also by adjusting the eyebolt for the upper stop of the piston 17 can change the volume of the secondary cylinder will.

Der Nebenzylinder gemäß F i g. 4 ist so ausgebildet, daß er einen als Stufenkolben ausgebildeten Hilfskolben 17 aufnehmen kann. Der dem Verbrennungsraum zugewandte Zylinderteil 30 des Nebenzylinders hat einen kleinen Querschnitt, während der den Druckbehälter zugewandte Teil 39 des Nebenzylinders einen großen Querschnitt aufweist. Im Verhältnis dieser Querschnitte kann der Druck im Druckbehälter kleiner sein als der zu erzielende Verdichtungsenddruck im Verbrennungsraum. Beim Vorschnellen des Stufenkolbens 17 muß die im Zylinderteil 39 vorhandene Luft durch Radialbohrungen 40 abgeführt werden. Dadurch wird eine pneumatische Federung und Dämpfung des Stufenkolbens 17 beim Einfahren in die untere Endstellung erzielt.The secondary cylinder according to FIG. 4 is designed so that it can accommodate an auxiliary piston 17 designed as a stepped piston. The cylinder part 30 of the secondary cylinder facing the combustion chamber has a small cross section, while the part 39 of the secondary cylinder facing the pressure vessel has a large cross section. In relation to these cross-sections, the pressure in the pressure vessel can be lower than the final compression pressure to be achieved in the combustion chamber. When the stepped piston 17 accelerates forward, the air present in the cylinder part 39 must be discharged through radial bores 40. This achieves pneumatic suspension and damping of the stepped piston 17 when it moves into the lower end position.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 kann nach der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und nach Zurückschnellen des Hilfskolbens in seine Ausgangsstellung das Volumen im Verbrennungsraum dadurch vergrößert werden, daß der Nebenzylinder zweiteilig ausgebildet ist und der den oberen Anschlag des Hilfskolbens aufnehmende Zylinderteil 42 gegenüber dem anderen Zylinderteil 43 axial verschieblich ist und federnd gegen eine ortsfeste Platte 46 abgestützt ist. Durch diese Ausbildung kann der Verbrennungshöchstdruck herabgesetzt werden. Während der Zeit des Verbrennungshöchstdruckes drückt der Stufenkolben 38, 40 über den Dämpfungskörper 31 gegen den Boden 41 des Zylinderteiles 42, der sich mit seinem Flansch 44 auf eine Schraubenfeder 45 abstützt.In the embodiment according to FIG. 5, after the ignition of the fuel-air mixture and after the auxiliary piston has snapped back into its starting position, the volume in the combustion chamber can be increased in that the auxiliary cylinder is constructed in two parts and the cylinder part 42 accommodating the upper stop of the auxiliary piston is axially displaceable relative to the other cylinder part 43 is and is resiliently supported against a stationary plate 46 . This design allows the maximum combustion pressure to be reduced. During the time of the maximum combustion pressure, the stepped piston 38, 40 presses via the damping body 31 against the bottom 41 of the cylinder part 42, which is supported with its flange 44 on a helical spring 45 .

Beim Absinken des Verbrennungsdruckes drückt die in der Feder 45 gespeicherte Energie den Stufenkolben 38, 40 in seine Ausgangslage zurück, so daß diese Energie als nutzbare Arbeit wiedergewonnen wird.When the combustion pressure drops, the energy stored in the spring 45 pushes the stepped piston 38, 40 back into its starting position, so that this energy is recovered as usable work.

Claims

Claims: 1. Internal combustion piston machine with compression ignition, in which the mixture from the piston - hereinafter referred to as the working piston - is compressed only to below the ignition temperature and then further compressed by a pneumatically operated auxiliary piston until ignition, characterized in that the combustion chamber (29 ) remote end of the auxiliary cylinder (16) is connected to a compressed air tank (24) via a valve (20) which is actuated depending on the position of the working piston (11) and that the auxiliary piston (17) shortly before the working piston reaches top dead center Opening the valve Compressed air receives such a pressure that it compresses the mixture in the combustion chamber to the ignition temperature, but after ignition is pushed back into its starting position by the deflagration pressure, and then the valve is closed.

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the valve (20) in a known manner of a Camshaft is controlled.

3. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the shaft (26) of the valve (20) extends down through the auxiliary piston (17) into the combustion chamber (29) and is controlled in a manner known per se directly from the working piston (11) .

4. Internal combustion engine according to one of the claims 1 to 3, characterized in that on the one facing away from the combustion chamber (29) End of the secondary cylinder (16) suspension and damping elements (31) as stops for the auxiliary piston (17) are arranged.

5. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the auxiliary piston (17) is a stepped piston and the correspondingly designed secondary cylinder (30, 39) with its smaller cross section the working cylinder (10) and with its larger cross section the pressure vessel ( 24) faces.

6. Internal combustion engine according to claim 5, characterized in that the double cylinder (42, 43) for the secondary piston (17) designed as a stepped piston (38, 38 ') is in two parts and the larger cylinder part (42) comprises the smaller cylinder part (43) and both cylinder parts (42, 43) are guided axially movably to one another, the cylinder part (43) being fastened to the cylinder head (15) and the cylinder part (42 ) axially displaceable via a spring (45) supported against a stationary plate (46) is held.

7. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the secondary cylinder is screwed to the cylinder head (15). Considered publications: German Patent Nos. 326 994, 384 894, 688 655, 739 711; German Auslegeschrift No. 1073 799; USA. Pat. No. 1093 317th