DE19537055A1 - Four-stroke piston engine with high power density - Google Patents

Four-stroke piston engine with high power density

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Abstract

The piston engine has a hypocycloid transmission (1-4) and lifting or mushroom induction and exhaust valves (8-11). Both sides (5,6) of the piston are used to form the working cavity of the ending. The valves are in the cylinder bottom and cover surfaces. The piston rods pass through the working cavity in the region adjacent to the crankshaft. Two or more piston rods which are not in the centre of the cylinder are so arranged that large valve cross-sections are possible. Lubricating oil may pass through lines in the hollow piston rods.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Viertaktmotor mit hoher Lei­ stungsdichte für das Viertaktprinzip.The invention relates to a four-stroke engine with high lei density for the four-stroke principle.

Motoren mit hoher Leistungsdichte sind bisher Zweitaktmotoren, da sie einen Arbeitszyklus bei einer Motorumdrehung leisten, Viertaktmotoren aber bei zwei. Vor allem wegen der Abgasproblematik werden dem Zwei­ takter aber geringe Chancen als Fahrzeugantrieb eingeräumt. Viertaktmotoren, insbesondere Otto-Motoren, benötigen als leistungs­ starke und laufruhige Motoren für Kraftfahrzeuge mindestens 4 Zylin­ der. Zwar sind für die neuen, sparsamen Antriebskonzepte für extrem leichte und sparsame "Kleinfahrzeuge" (3 l-Auto) und für Fahrzeuge mit Hybridantrieb (zwei verschiedene Antriebsmotoren z. B. Verbrennungs- und Elektromotor) auch Antriebsmotoren mit 2 oder 3 Zylindern im Gespräch (und hier vor allem Dieselmotoren), man ist sich aber unter Fachleuten einig, daß auch in Zukunft im überwiegenden Teil des Fahrzeugmarktes Motoren mit 4 und mehr Zylindern eingesetzt werden.Motors with a high power density have so far been two-stroke engines because they perform a work cycle with one engine revolution, four-stroke engines but with two. Mainly because of the exhaust gas problem, the two clocked but little chance as a vehicle drive granted. Four-stroke engines, especially Otto engines, need to be powerful strong and quiet engines for motor vehicles at least 4 cylin of the. Although for the new, economical drive concepts for extreme light and economical "small vehicles" (3 l car) and for vehicles with Hybrid drive (two different drive motors e.g. combustion and Electric motor) also drive motors with 2 or 3 cylinders in discussion (and above all diesel engines), but you are among experts agree that the majority of the vehicle market will continue in the future Engines with 4 and more cylinders can be used.

Otto-Motoren, die auch in Zukunft am Gesamtfahrzeugmarkt den Hauptan­ teil bei den Antrieben stellen sollen, sind bisher im Verbrauch den Dieselmotoren unterlegen. Die Senkung des Treibstoffverbrauchs ist aber heute und in Zukunft eines der wichtigsten Ziele bei der Motoren­ entwicklung.Otto engines, which will continue to be the main focus of the overall vehicle market part of the drives are currently in consumption Inferior to diesel engines. The reduction in fuel consumption is but today and in the future one of the most important goals in engines development.

Untersuchungen haben gezeigt, daß bei Otto-Motoren eine Zylinderab­ schaltung das höchste Einsparpotential bietet. Die Zylinderabschaltung soll erst bei Motoren mit sechs und mehr Zylindern sinnvoll sein. Ein Nachteil der bekannten Konzepte zur Zylinderabschaltung, bei denen Ventile stillgelegt und die Einspritzung abgeschaltet wird, ist der lastfreie Weiterbetrieb der stillgelegten Zylinder. Damit sind die Reibverluste des Motors weiterhin die eines Motors mit sechs und mehr Zylindern.Studies have shown that in Otto engines a cylinder circuit offers the highest savings potential. The cylinder deactivation should only make sense for engines with six or more cylinders. A disadvantage of the known concepts for cylinder deactivation, in which The valves are shut down and the injection is switched off load-free operation of the decommissioned cylinders. With that they are Friction losses of the engine continue to be that of an engine with six and more Cylinders.

Eine Verringerung der Zylinderzahl kann die Reibverluste des Motors, die im Teillastbereich bis zu 40% des Gesamtverbrauchs beanspruchen, deutlich verringern.A reduction in the number of cylinders can reduce the friction losses of the engine, which take up to 40% of the total consumption in the partial load range, decrease significantly.

Weiterhin wird durch Verringerung der Zylinderzahl das Motorengewicht verringert, was sich wiederum direkt auf den Verbrauch auswirkt. Dies will die Erfindung dadurch erreichen, daß sie bei Viertaktmotoren die beiden Kolbenseiten zur Arbeitsraumbildung benutzt.Furthermore, the engine weight is reduced by reducing the number of cylinders reduced, which in turn has a direct impact on consumption. The invention intends to achieve this by using four-stroke engines the two piston sides are used to form the work area.

Maschinen mit beidseitig wirkenden Kolben sind als Großgasmaschinen (vgl. z. B. Dubbel; Taschenbuch für den Maschinenbau; 13. Auflage; Springer Verlag Berlin 1970) im Zwei- oder Viertaktbetrieb grundsätzlich be­ kannt.Machines with pistons acting on both sides are large gas machines (see e.g. Dubbel; paperback for mechanical engineering; 13th edition; Springer Verlag Berlin 1970) in two- or four-stroke mode knows.

Auch Freikolben-Motoren können doppelt wirkende Kolben aufweisen (STELZER-Motor).Free-piston engines can also have double-acting pistons (STELZER engine).

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Motoren mit doppelt wirkenden Kolben ist, daß sie eine Kurbelmechanik mit Kreuzkopfführung benötigen oder einen anderen Leistungsabgriff haben (direkt wirkender Verdich­ ter, Generator oder Pumpe usw.).A major disadvantage of the known motors with double-acting Piston is that you need a crank mechanism with cross head guide or have another power tap (direct-acting compression ter, generator or pump, etc.).

Bei Viertaktmaschinen ist die Unterbringung der Pilzventile auf der mit der Kolbenstange geführten Kolbenseite nur schwer möglich, da die Kolbenstange den Durchmesser der Pilzventils beschränkt. With four-stroke engines, the mushroom valves are located on the with the piston rod guided piston side difficult because the Piston rod limits the diameter of the mushroom valve.  

Dies macht derartige Maschinen groß und schwer, oder nur für bestimmte Anwendungen geeignet.This makes such machines big and heavy, or only for certain ones Suitable applications.

Für den Antrieb von Fahrzeugen werden aber kleine, kompakte Aggregate mit hoher Leistungsdichte benötigt, die einen guten Wirkungsgrad auf­ weisen. Dies will die Erfindung erreichen.However, small, compact units are used to drive vehicles with high power density, which needs good efficiency point. The invention aims to achieve this.

Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ermöglicht einen Viertakt- Motor mit doppelt wirkenden Kolben, der kompakt und leicht ist, gerin­ ge Reibverluste hat, bei dem große Ventildurchmesser möglich sind und bei dem eine Zylinderabschaltung sehr vorteilhaft realisierbar ist.The invention, as characterized, enables a four-stroke Engine with double-acting pistons, which is compact and light, small has friction losses where large valve diameters are possible and in which cylinder deactivation can be implemented very advantageously.

Dies wird dadurch erreicht, daß der Kolben auf zwei oder mehr am Kol­ benrand symmetrisch angeordneten geradlinig hin- und herbewegten Stan­ gen sitzt, die von einem Hypozykloiden-Getriebe oder einem Kurbel­ schleifengetriebe angetrieben werden.This is achieved in that the piston on two or more on the piston benrand symmetrically arranged straight back and forth Stan gen sits by a hypocycloid gearbox or a crank loop gear are driven.

Hypozykloidengetriebe oder Kurbelschleifengetriebe als Kurbelmechanik für Verbrennungsmotoren sind grundsätzlich bekannt (z. B. DE 41 00 256 A1; F-800.782; DE 39 27 593 A1; DE 41 08 311 A1; usw.).Hypocycloid gearbox or crank loop gearbox as crank mechanism are generally known for internal combustion engines (e.g. DE 41 00 256 A1; F-800.782; DE 39 27 593 A1; DE 41 08 311 A1; etc.).

Auch die Verwendung der Rückseite der Kolben als Verdichter bzw. Lader bei einem Motor mit Kurbelschleife sind bekannt (DE-OS 42 16 565/F02 B25/04; DE-OS 44 08 646.1/F02B/75/04).Also the use of the back of the pistons as a compressor or loader in a motor with a crank loop are known (DE-OS 42 16 565 / F02 B25 / 04; DE-OS 44 08 646.1 / F02B / 75/04).

Bei der Anbringung der Ventile des Zylinderraums auf der dem Kurbel­ trieb zugewandten Kolbenseite wirkt aber eine zentral angebrachte Kol­ benstange sehr störend. Dies sei kurz anhand der Fig. 3 erläutert.When attaching the valves of the cylinder chamber on the piston side facing the crank, however, a centrally located piston rod acts very disruptively. This will be briefly explained with reference to FIG. 3.

In Fig. 3 sind in a) und c) Zylinderflächen mit mittiger Kolbenstange und zwei (a)) und vier (c)) Ventilen gezeigt und in b) und d) Zylin­ derflächen mit seitlichen Kolbenstangen und zwei und vier Ventilen. Man erkennt, daß im zweiten Fall deutlich größere Einlaßquerschnitte realisierbar werden. Insbesondere dürfte auch eine schräge Ventila­ nordnung möglich werden, die bei mittiger Kolbenstange problematisch wird.In Fig. 3 are shown in a) and c) cylinder surfaces with a central piston rod and two (a)) and four (c)) valves and in b) and d) cylinder surfaces with side piston rods and two and four valves. It can be seen that in the second case significantly larger inlet cross sections can be realized. In particular, an oblique valve arrangement should also be possible, which becomes problematic with a central piston rod.

Die Erfindung und ihre Kennzeichen werden anhand der Fig. 1-7 er­ läutert.The invention and its characteristics are explained with reference to FIGS. 1-7.

Fig. 1 zeigt das Motorkonzept im Schnitt. Die Kurbelwelle 1 dreht mit dem Kurbelzapfen 2 eine Kurbelscheibe 3 in dem Kolbenauge 4 eines Hub­ kolbens und bildet so ein Hypozykloidengetriebe. Auf dem Kolbenauge 4 sitzen die Kolbenstangen 7, die die untere 6 und die obere Kolben­ scheibe 5 bewegen. Zwei links und rechts des Motors angebrachte Nockenwellen 12, 13 bewegen über Kipphebel die unteren Motorventile 8, 9 und die oberen Motorventile 10, 11. Fig. 1 shows the engine concept in section. The crankshaft 1 rotates with the crank pin 2, a crank disk 3 in the piston eye 4 of a stroke piston and thus forms a hypocycloid gear. On the piston eye 4 sit the piston rods 7 , the lower 6 and the upper piston disc 5 move. Two camshafts 12 , 13 attached to the left and right of the engine move the lower engine valves 8 , 9 and the upper engine valves 10 , 11 via rocker arms.

Fig. 1a zeigt dann die Stillegung eines der unteren Ventile und damit die "Zylinderabschaltung" für die untere Kolbenseite. Fig. 1a then shows the decommissioning of one of the lower valves and thus the "cylinder deactivation" for the lower piston side.

Die Stange von der Nockenwelle 12 zum Kipphebel ist geteilt in eine erste Stangenhälfte 15 und in eine zweite Stangenhälfte 16, die über ein Hydraulikpolster sich abstützen. Über ein Drehventil 17 kann das zugehörige Ventil 8 ein- oder ausgeschaltet werden.The rod from the camshaft 12 to the rocker arm is divided into a first rod half 15 and a second rod half 16 , which are supported by a hydraulic cushion. The associated valve 8 can be switched on or off via a rotary valve 17 .

Ist das Drehventil 17 geschlossen, wirkt das Hydraulikpolster und das Ventil wird über den Kipphebel geöffnet und durch die Ventilfeder 13 geschlossen.If the rotary valve 17 is closed, the hydraulic cushion acts and the valve is opened via the rocker arm and closed by the valve spring 13 .

Ist das Drehventil 17 geöffnet, kann die Hydraulikflüssigkeit abflie­ ßen und nur die erste Stangenhälfte 15 wird bewegt und von der Stan­ genfeder 14 zurückgeführt. If the rotary valve 17 is open, the hydraulic fluid can flow away and only the first rod half 15 is moved and returned from the spring 14 .

Fig. 2 und 2a zeigen Möglichkeiten der Kolbenschmierung. Figs. 2 and 2a show options of the piston lubrication.

In 2 wird das Öl von der Pumpe 20 durch eine Gehäuseführung 21, in der ein Kolbenrohr 22 oszilliert und durch Kanäle 23 in der einen Kolben­ stange zu den Schmierstellen zwischen den Kolbenringen gebracht und das Rückflußöl strömt durch die hohle andere Kolbenstange zurück in den Ölsumpf 26. 2 , the oil from the pump 20 is brought through a housing guide 21 in which a piston tube 22 oscillates and through channels 23 in one piston rod to the lubrication points between the piston rings and the return oil flows through the hollow other piston rod back into the oil sump 26 .

In 2a sind untere und obere Kolbenscheibe so weit voneinander ent­ fernt, daß die Ölzuführung 30 in der Zylinderwand, deren Öffnung nicht von den Kolbenringen überstrichen wird, erfolgt.In FIG. 2a, the lower and upper piston disks are so far apart from one another that the oil supply 30 in the cylinder wall, the opening of which is not swept by the piston rings, takes place.

Die Rückführung des Öls erfolgt wie in Fig. 2 über die hohlen Kolben­ stangen in den Ölsumpf.The oil is returned as in FIG. 2 via the hollow pistons into the oil sump.

Fig. 3 zeigt, wie bereits oben erläutert, die günstigeren Ventilgrö­ ßen bei seitlicher Anordnung zweier Kolbenstangen. Fig. 3 shows, as already explained above, the cheaper valve sizes with a lateral arrangement of two piston rods.

Fig. 4 zeigt das Konzept in perspektivischer Sicht an einem "Vierzy­ lindermotor" mit zwei "Doppelzylindern". Fig. 4 shows the concept in perspective on a "Vierzy cylinder engine" with two "double cylinders".

Man erkennt die kurze Bauweise, die das Motorgewicht nahezu halbieren sollte.You can see the short design, which almost halves the engine weight should.

In Fig. 5 sind Möglichkeiten gezeigt, bei dem Motorkonzept bei Zylin­ derabschaltung sowohl im Teil-, wie im Vollastbereich eine günstige Zündfolge zu realisieren.In Fig. 5 possibilities are shown in the engine concept with Zylin derabschalt both in the partial, as in the full load range to realize a favorable firing order.

Durch die Boxeranordnung und die Verwendung von Nockenwellen, wodurch die Ventilöffnungszeitpunkte der bei Voll- und Teillast arbeitenden Zylinder beibehalten werden, ist man beschränkt.By the boxer arrangement and the use of camshafts, which the valve opening times of those working at full and part load Cylinders are retained, one is limited.

Beim Vierzylindermotor ist bei Vollast die Zündfolge 180-180-180-180 und es werden stets hintereinander die Kolbenoberseiten und dann die Kolbenunterselten gezündet.In the four-cylinder engine, the firing order is 180-180-180-180 at full load and the tops of the pistons and then the pistons are always fired one after the other.

Bei Teillast ist die Zündfolge 360-360 und es werden eine Kolbenober­ seite und die Unterseite des anderen Kolbens gezündet.At part load, the firing order is 360-360 and one upper side of the piston and the lower side of the other piston are ignited.

Beim Sechszylindermotor ist bei Vollast die Zündfolge 60-180-60-180- 60-180 und es werden nacheinander die Kolbenseiten des ersten Kolbens, dann die des zweiten Kolbens und dann die des dritten Kolbens gezün­ det.In the six-cylinder engine at full load, the firing order is 60-180-60-180- 60-180 and there are successively the piston sides of the first piston, then that of the second piston and then that of the third piston.

Bei Teillast ist die Zündfolge 240-240-240 und es werden nur eine Seite eines jeden Kolbens gezündet.At part load, the firing order is 240-240-240 and only one side of each piston is fired.

Beim Achtzylindermotor ist bei Vollast die Zündfolge 90-90-90- . . . und es werden Ober- und Unterseite aller Kolben wechselweise gezündet. Bei Teillast hat man die Zündfolge 180-180-180-180 und es werden nur die Ober- und Unterseiten zweier Zylinder betrieben.The ignition sequence for an eight-cylinder engine is 90-90-90- at full load. . . and the top and bottom of all pistons are fired alternately. At partial load, the ignition sequence is 180-180-180-180 and only the top and bottom sides of two cylinders are operated.

Fig. 6 zeigt die Höhe des Motorkonzeptes im Vergleich mit einem kon­ ventionellen Motor. Man erkennt, daß die Höhe nur um 10-20% zunimmt, bei Verkürzung des Motors um 50%. Fig. 6 shows the height of the motor concept in comparison with a conventional motor. It can be seen that the height only increases by 10-20% when the motor is shortened by 50%.

Claims (8)

1. Hubkolbenverbrennungsmotor im 4-Taktprinzip mit einem Kurbelschleifen- oder Hypozykloidengetriebe (1, 2, 3, 4) als Kurbelmechanik und mit Hub- bzw. Pilzventilen (8, 9, 10, 11) zur Regelung der Gaszu- und Abführung in den Arbeitsraum, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seiten (5, 6) eines Kolbens zur Arbeitsraumbildung des Mo­ tors genutzt werden und die Hub- bzw. Pilzventile (8, 9, 10, 11) in den Zy­ lindergrund und Deckflächen angeordnet sind und die Stangen (7) zur Kol­ benführung durch den kurbelwellennäheren Arbeitsraum führen.1. 4-stroke reciprocating piston internal combustion engine with a crank loop or hypocycloid gear ( 1, 2, 3, 4 ) as crank mechanism and with lift or mushroom valves ( 8, 9, 10, 11 ) for regulating the gas supply and discharge into the work area , characterized in that the two sides ( 5, 6 ) of a piston are used to form the working space of the motor and the lift and mushroom valves ( 8, 9, 10, 11 ) are arranged in the cylinder base and cover surfaces and the rods ( 7 ) Guide the piston through the working area near the crankshaft. 2. Hubkolbenverbrennungsmotor unter Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Stangen (7) zur Kolbenführung, von denen keine im Zy­ linderzentrum liegt, so angeordnet sind, daß große Ventilquerschnitte möglich werden.2. Reciprocating internal combustion engine under claim 1, characterized in that two or more rods ( 7 ) for piston guidance, none of which lies in the cylinder center, are arranged so that large valve cross sections are possible. 3. Hubkolbenverbrennungsmotor unter Patentanspruch 1, 2 dadurch gekennzeichnet, daß eine Zu- und Abführung des Schmieröls durch Leitungen (23, 24) in den hohlen Kolbenstangen erfolgt.3. Reciprocating internal combustion engine under claim 1, 2, characterized in that the lubricating oil is supplied and discharged through lines ( 23, 24 ) in the hollow piston rods. 4. Hubkolbenverbrennungsmotor unter Patentanspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführung des Schmieröls durch Öffnungen (30) in der Zylinder­ wand erfolgt.4. Reciprocating internal combustion engine under claims 1-3, characterized in that the lubricating oil is supplied through openings ( 30 ) in the cylinder wall. 5. Hubkolbenverbrennungsmotor unter Patentanspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschaltung von Arbeitsräumen bei Teillast erfolgt.5. reciprocating internal combustion engine under claims 1-4, characterized, that work rooms are switched off at partial load. 6. Hubkolbenverbrennungsmotor unter Patentanspruch 5 mit 4 Arbeitsräu­ men, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teillast beim einen Kolben der Arbeitsraum auf der Kolbenober­ seite und beim anderen Kolben der Arbeitsraum auf der Kolbenunterseite abgeschaltet wird.6. Reciprocating internal combustion engine under claim 5 with 4 working rooms men, characterized, that at partial load with one piston the working space on the upper piston side and with the other piston the working space on the underside of the piston is switched off. 7. Hubkolbenverbrennungsmotor unter Patentanspruch 5 mit 6 Arbeitsräu­ men, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teillast alle Arbeitsräume an den Kolbenunterseiten oder alle Arbeitsräume an den Kolbenoberseiten abgeschaltet werden.7. Reciprocating internal combustion engine under claim 5 with 6 working rooms men, characterized, that at partial load all working spaces on the underside of the pistons or all Working areas on the top of the piston are switched off. 8. Hubkolbenverbrennungsmotor unter Patentanspruch 5 mit 8 Arbeitsräu­ men, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teillast die oberen und unteren Arbeitsräume zweier Kolben ab­ geschaltet werden und nur die oberen und unteren Arbeitsräume der bei­ den anderen Kolben betrieben werden.8. Reciprocating internal combustion engine under claim 5 with 8 working rooms men, characterized, that at partial load the upper and lower working spaces of two pistons are switched and only the upper and lower work spaces of the at the other pistons are operated.
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