DE19942904A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Brennkraftmaschine weist wenigstens einen Zylinder (6) auf, in dem ein Kolben (16) hin und her beweglich ist, der über eine Übertragungsmechanik (18, 32; 18, 56) mit einer vom Kolben drehantreibbaren Welle (26; 50, 52) verbunden ist. Der Zylinder (6) weist einen oberhalb des Kolbens ausgebildeten Arbeitsraum (32) und einen zwischen dem Kolben und einer Trennwand (10) des Zylinders ausgebildeten Frischladungsraum (34) auf. Vom Frischladungsraum (34) in den unteren Bereich des Arbeitsraums (32) führt ein Strömungspfad (36), der freigegeben wird, wenn sich der Kolben im Bereich seines unteren Totpunktes befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist es üblich, im Zylinderkopf oberhalb des Kolbens Einlaß- und Auslaßventile anzuordnen, über die der Arbeitsraum mit Frischladung be­ schickt wird und die verbrannte Ladung aus dem Arbeitsraum abgeführt wird. Die für die im allgemeinen als Tellerventile ausgebildeten Einlaß- und Auslaßventile zur Verfügung stehenden Querschnitte sind, weil die Ventile nebeneinander im Zylinderkopf angeordnet werden müssen, auch dann begrenzt, wenn der Zylinderkopf gewölbt ausgebildet ist. Die Ein- und Außenquerschnitte bestimmen die mögliche Ladung je Arbeitshub und damit das maximal mögliche Drehmoment der Brennkraftmaschine und haben wegen entstehender Strömungsverluste auch entscheidenden Einfluß auf die maximale Leistung.

Insbesondere für nach dem Zweitaktprinzip arbeitende Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist bekannt, in der Zylinderwand Schlitze vorzusehen, die normalerweise durch das Kolben­ hemd abgeschlossen sind und nach einem bestimmten Kolbenhub freigegeben werden, so daß die Zufuhr der Frischladung und die Abfuhr verbrannter Ladung durch solche Schlitze hindurch erfolgen kann. Durch die begrenzte Spülung des Arbeitsraums sinkt die maximale Frischladung. Außerdem besteht ein Problem dahingehend, daß die verbrannte Ladung nicht einwandfrei von der Frischladung getrennt werden kann und/oder ein Teil der Frischladung mit der bereits verbrannten Ladung entweicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zu schaf­ fen, die bei einfachem Aufbau eine hohe Füllung ermöglicht und gute thermodynamische Voraussetzungen für eine optimale Ladungsverbrennung bietet.

Der grundsätzliche Aufbau einer Brennkraftmaschine zur Lösung der genannten Aufgabe ist im Hauptanspruch gekennzeichnet.

Dadurch, daß unterhalb des Kolbens ein Frischladungsraum vorgesehen ist, wird wäh­ rend eines Aufwärtshubs des Kolbens Frischladung angesaugt und während eines Ab­ wärtshubs komprimiert, so daß die Frischladng dann rasch und mit hoher Energie in den Arbeitsraum einströmt, aus dem die verbrannte Ladung verdrängt wird. Dadurch, daß Einlaßventileinrichtung und Auslaßventileinrichtung an völlig getrennten Stellen des Zylin­ ders angeordnet werden können, stehen große Strömungsquerschnitte zur Verfügung.

Die im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens in den Arbeitsraum einströmende Frischladung kann ebenso wie die im Frischladungsraum befindliche Frischladung zur Kühlung des Kolbens verwendet werden, wodurch an dessen Materialien und Konstrukti­ on verminderte Anforderungen gestellt sind. Des weiteren ist eine effektive Trennung des Frischladungsraumes von Schmiermittel im Kurbeltrieb gewährleistet, was für die Abgas­ qualität vorteilhaft ist und Ölabstreifringe am Kolben überflüssig macht.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Brenn­ kraftmaschine und

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Brenn­ kraftmaschine.

Gemäß Fig. 1 weist ein ein- oder mehrteilig ausgebildetes, insgesamt mit 2 bezeichnetes Motorgehäuse ein Kurbelgehäuse 4, einen Zylinder 6 und einen Zylinderkopf 8 auf.

Es ist nur ein Zylinder 6 dargestellt; es versteht sich, daß mehrere Zylinder hintereinander angeordnet sein können.

Der Zylinder 6 ist durch eine Trennwand 10 in einen oberen Bereich 12 und einen unteren Bereich 14 geteilt. Im oberen Bereich des Zylinders 6 arbeitet ein im wesentlichen hemd­ los ausgebildeter Kolben 16, der starr mit einer Kolbenstange 18 verbunden ist, die unter zumindest weitgehender Abdichtung durch eine Öffnung 19 der Trennwand 10 hindurch­ geführt ist. An ihrem unteren Ende ist die Kolbenstange 18 starr mit einem in dem unteren Bereich 14 des Zylinders 6 unter Führung durch die Zylinderwand hin- und herbewegli­ chen Führungsbauteil 20 verbunden, das in Art eines herkömmlichen Kolbens über ein Pleuel 22 mit einer Kurbel 24, einer Kurbelwelle 26 verbunden ist. Es versteht sich, daß das Führungsbauteil 20 den Querschnitt des Zylinders 6 nicht ausfüllen muß, sondern als Kreuz- oder Schmalschlitten ausgebildet sein kann.

Die im wesentlichen hemdlose und leichte Ausbildung des Kolbens 16 ist dadurch mög­ lich, daß der Kolben 16 infolge seiner starren Verbindung mit der linear geführten Kolben­ stange 18 nicht verkippen kann.

Im Zylinderkopf 8 ist wenigstens ein an sich bekanntes Auslaßventil 28 angeordnet, das in irgendeiner herkömmlichen Weise, beispielsweise mittels einer Nockenwelle, elektrisch, elektromagnetisch usw. betätigt ist und eine Verbindung zwischen einem Auslaßkanal 30 und einem oberhalb des Kolbens 16 im oberen Bereich 12 des Zylinders ausgebildeten Arbeitsraum 32 freigibt. Das Auslaßventil kann mit sehr großem Durchmesser ausgebildet sein. Es können ein oder mehrere Auslßventile vorgesehen sein.

Zwischen dem Kolben 16 und der Trennwand 10 ist ein Frischladungsraum 34 gebildet. Im unteren Bereich des Frischladungsraums 34, d. h. dem Bereich, der von dem Kolben 16 überfahren wird, wenn dieser seinen unteren Totpunkt erreicht, ist die Innenwand des Zylinders 6 mit nutartigen Ausnehmungen 36 ausgebildet, die in Umfangsrichtung des Zylinders voneinander beabstandet sind.

Durch wenigstens eine, durch die Zylinderwand hindurchführende Einlaßöffnung 38 hin­ durch ist der Frischladungsraum 38 mit einem Einlaßkanal 40 verbunden, wobei die Ver­ bindung zwischen Einlaßkanal 40 und Frischladungsraum 34 mittels eines beispielsweise elektrisch betätigten Steuerventils 42 verschließbar ist.

Die Einlaßöffnung 38 kann so weit unten angeordnet sein, daß sie nicht vom Kolben 16 überfahren wird, selbst wenn dieser sich in seinem unteren Totpunkt befindet.

Im folgenden wird die Funktion des beschriebenen Motors im Zweitaktbetrieb erläutert:

Es sei angenommen, der Kolben 16 befinde sich kurz vor dem unteren Totpunkt und überfährt die Ausnehmungen 36. Das Auslaßventil 28 wird geöffnet und die oberhalb des Kolbens 16 befindliche verbrannte Ladung strömt in den Auslaßkanal 30, wobei diese Strömung durch die Frischladungsströmung unterstützt wird, die vom Frischladungsraum 34 in den Arbeitsraum 32 strömt, sobald der Kolben 16 die Ausnehmungen 36 überfährt. Diese Frischladungsströmung strömt vollständig innerhalb des Zylinders aus dem Frischladungsraum 34 durch die Ausnehmung 36 hindurch in den Arbeitsraum 32. Es versteht sich, daß die Ausnehmungen 36 derart gestaltet sein können, daß die Frischla­ dungsströmung einen geordneten Wirbel bildet, der den Arbeitsraum von unten nach oben füllt und die verbrannte Ladung austreibt. Ein Teil der Frischladungsströmung kann so gerichtet sein, daß sie sich längs der Oberfläche des Kolbens 16 bewegt und diesen kühlt. Die Frischladungseinströmung kann durch entsprechende Gestaltung der Ausneh­ mungen 36 auch derart gerichtet sein, daß sie sich etwa zum Zentrum des Arbeitsraums 32 hin bewegt, so daß im Bereich der Innenseite des Zylinders verbrannte Ladung ver­ bleibt, die eine thermische Isolation zwischen der Frischladung und der Zylinderwand dar­ stellt, was für eine vollständige Verbrennung der Frischladung vorteilhaft ist.

Wenn der Kolben 16 nach Erreichen seines unteren Totpunktes umkehrt und sich wieder aufwärts bewegt, wird das Steuerventil 42 geöffnet, so daß unterhalb des Kolbens in Frischladungsraum 34 aus dem Einlaßkanal 40 frische Luft eingesaugt wird.

Das Auslaßventil 28 wird während der Aufwärtsbewegung des Kolbens dann geschlos­ sen, wenn die verbrannte Ladung im wesentlichen vollständig ausgeschoben ist, so daß keine Frischladung in den Auslaßkanal 30 gelangt. Das Steuerventil 42 wird geschlossen, wenn die Einströmung in den Frischladungsraum 34 im Bereich des oder nach dem obe­ ren Totpunkt des Kolbens aufhört. Die im Arbeitsraum 32 befindliche Frischladung zündet entweder selbst (Dieselmotor) oder wird von einer nicht dargestellten Zündkerze gezün­ det, so daß sich der Kolben 16 bei geschlossenem Auslaßventil 28 abwärts bewegt und dabei die im Frischladungsraum 34 befindliche Frischladung verdichtet. Wenn der Kolben wiederum in den Bereich der Ausnehmungen 36 gelangt, setzt eine rasche Frischla­ dungseinströmung in den Arbeitsraum 32 ein und der Zyklus beginnt erneut.

Die Gemischbildung kann entweder durch direkte Einspritzung von Kraftstoff in den Ar­ beitsraum 32 erfolgen oder dadurch, daß der Frischluft bereits im Einlaßkanal 40 Kraft­ stoff beigemengt wird. Es versteht sich, daß der Motor auch mit Gas betrieben werden kann.

Durch die zur Verfügung stehenden großen Einströmquerschnitte, die energiereiche Ein­ strömung und den günstigen Ladungswechsel lassen sich im Vollastbetrieb außerordent­ liche große Ladungsmengen je Arbeitstakt vollständig verbrennen, so daß bei geringem Schadstoffgehalt der Abgase hohe Drehmomente erzielbar sind, deren Effizienz durch das Zweitaktverfahren zusätzlich erhöht wird. Der Aufbau des Motors ist durch das Fehlen von Nockenwellen-gesteuerten Einlaßventilen vereinfacht.

Die Steuerung der Ladungsmenge, d. h. der Leistung der Brennkraftmaschine kann mittels des Steuerventils 42 erfolgen, indem dessen Öffnungszeit in geeigneter Weise verkürzt wird.

Es versteht sich, daß die Brennkraftmaschine beispielsweise bei geringer Leistungsanfor­ derung auch derart betrieben werden kann, daß ein Arbeitstakt nur bei jedem zweiten Kolbenhub erfolgt. Das Steuerventil 42 bleibt dann entsprechend lang geöffnet, so daß während eines Verdichtungshubs im Frischladungsraum Frischladung durch das offene Steuerventil 42 in den Einlaßkanal 40 ausgeschoben und beim Ansaughub wieder einge­ saugt wird. Das oder die Auslaßventile 28 werden derart betätigt, daß sie während eines Hubs, bei dem nur verbrannte Ladung ausgeschoben wird, offenbleiben, bis der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat.

Ein aufgeladener Betrieb der Brennkraftmaschine ist dadurch möglich, daß im Einlaßkanal 40 stromoberhalb des Steuerventils 42 eine Ladeeinrichtung, beispielsweise ein Abgas­ turbolader oder ein anderer Lader, vorgesehen ist, so daß durch den Einlaßkanal 40 be­ reits vorverdichtete Frischladung bzw. Frischluft in den Frischladungsraum 34 gelangt.

Fig. 2 zeigt eine gegenüber Fig. 1 abgeänderte Ausführungsform einer Brennkraftmaschi­ ne, wobei für funktionsgleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 hat einen gegenüber Fig. 1 abgeänderten Kurbeltrieb. Bei dem gemäß Fig. 2 eingesetzten Doppelkurbeltrieb sind zwei gegenläufig mit gleicher Drehzahl drehende Kurbelscheiben 50, 52 vorgesehen, die über je ein Pleuel 54 und 56 mit dem Führungsbauteil 20 verbunden sind. Solche Doppelkurbeltriebe sind an sich be­ kannt. Ihr Vorteil liegt darin, daß auf das Führungsbauteil 20 weitgehend keine Seiten­ kräfte wirken, so daß ein reibungsärmerer Betrieb möglich ist. Des weiteren ist ein weit­ gehender Massenausgleich gegeben, was zu Schwingungsvorteilen führt, und sind die bewegten Massen vermindert, was höhere Drehzahlen und/oder größere Zylindervolumi­ na zuläßt.

Es versteht sich, daß auch andere Systeme zum Antrieb einer Welle möglich sind, wie Kreuzkopftriebe, Kurbelschlaufentriebe usw.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen der Ausführungsform gemäß Fig. 2 und der der Fig. 1 liegt darin, daß im Bereich des unteren Totpunktes des Kolben 16 um den Zylinder herum ein Ringraum 58 ausgebildet ist, der über das Steuerventil 42 mit dem Einlaßkanal 40 und über in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Löcher 60 mit dem Zylinderinneren verbunden ist. Wie dargestellt, können längs des Umfangs des Zy­ linders 6 mehrere Lochreihen 60, 61 ausgebildet sein, wobei beispielsweise eine obere Lochreihe 60 sich, wie dargestellt, oberhalb des Kolbens 16 befindet, wenn sich dieser in seinem unteren Totpunkt befindet, und eine untere Lochreihe 61 vom Kolben 16 nicht mehr überfahren wird. Sobald der Kolben sich aus seinem unteren Totpunktbereich her­ ausbewegt hat, ist der Ringraum 58 vom Arbeitsraum 32 getrennt und über die Löcher 60, 61 nur mit dem Frischladungsraum 34 verbunden.

Gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 liegt eine Eigenart der Ausführungsform gemäß Fig. 2 darin, daß der Ringraum 58 ein zusätzliches Volumen darstellt, in das die Frischladung während der Abwärtsbewegung des Kolben 16 gedrängt wird und daß die Löcher 60 beispielsweise derart ausgebildet sind, daß, wenn sich der Kolben in den Be­ reich seines unteren Totpunktes bewegt, nur ein Teil der Löcher für ein Einströmen der Frischladung aus dem Ringraum 58 in den Arbeitsraum 32 freigegeben ist. Insgesamt wird ein weicheres Einströmen erzielt. Zumindest ein Teil der Löcher 60 kann derart aus­ gebildet sein, daß ein Teil der Eintrömung längs der Oberfläche des Kolbens (Pfeile I) erfolgt, wohingegen ein anderer Teil der Löcher die Einströmung in Richtung der Pfeile II richtet.

Zur Laststeuerung kann wiederum das Steuerventil 42 dienen und/oder ein Lochring 62 vorgesehen sein, der den Zylinder umschließt und mit den Löchern 60 entsprechenden Löchern ausgebildet ist. Der Lochring 62 ist mittels einer nichtdargestellten Einrichtung verdrehbar, so daß er die in der Zylinderwand ausgebildeten Löcher 60, 61 mehr oder weniger verdeckt und dadurch ein Einströmen von Frischladung in den Frischladungs­ raum 34 bzw. den Arbeitsraum 32 verhindert.

Der Lochring 62 kann auch durch zwei getrennte und unabhängig voneinander betätigba­ re Lochringe ersetzt sein, von denen einer den Durchlaß durch die oberen Löcher 60 steuert und der andere den Durchlaß durch die unteren Löcher 61 steuert.

Das Steuerventil 42 kann bei Vorhandensein des oder der Lochringe 62 entfallen.

Es versteht sich, daß die beschriebenen Ausführungsformen in vielfältiger Weise mitein­ ander kombiniert und/oder abgeändert werden können.

Beispielsweise können die Ausnehmungen 36 der Fig. 1 oder die Löcher 60 der Fig. 2 längs des Umfangs des Zylinders in unterschiedlicher Höhe angeordnet sein, so daß die Frischladungseinströmung sukzessive einsetzt und einen gezielten Wirbel bildet.

Es können mehrere Steuerventile 42 vorgesehen sein. In einer vereinfachten Ausfüh­ rungsform kann das oder können die Steuerventile durch passiv gesteuerte Flatter- bzw. Klappenventil(e) ersetzt sein.

Die Löcher 60, 61 oder die Ausnehmungen 36 können unterschiedlich groß, hoch, lang, schräg usw. ausgebildet und positioniert sein, so daß den jeweiligen Verhältnissen ent­ sprechende optimale Ladungswechsel- und Brennbedingungen geschaffen sind. Die Lö­ cher und Ausnehmungen müssen nicht in den gesamten Umfang des Zylinders herum angeordnet sein.

Die beschriebenen Ausführungsformen haben den Vorteil, daß die Einströmung unmittel­ bar durch die Stellung des Kolbens bestimmt wird und kein mechanisch betätigtes, un­ mittelbar an den Arbeitsraum grenzendes Einlaßventil erforderlich ist. Alternativ kann im Kolben selbst ein oder können im Kolben mehrere Ventile angeordnet sein, wie sie bei­ spielsweise in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 199 25 445.1-13 beschrie­ ben sind, oder es können im Weg von der Frischladungskammer zum Arbeitsraum ein oder mehrere mechanisch bewegte Ventile angeordnet sein.

Insgesamt wird mit der Erfindung eine Brennkraftmaschine mit außerordentlich hohem Drehmoment und außerordentlich hoher spezifischer Leistung geschaffen, die alle Vor­ aussetzungen für einen geringen Verbrauch und eine günstige Abgaszusammensetzung schafft und die auch bei Teillastbetrieb mit geringen Drosselverlusten, d. h. geringem An­ stieg des spezifischen Verbrauchs arbeitet. Des weiteren ermöglichen die schwingungs­ technischen Ventile, die mit der Erfindung erzielt werden, eine langhubige Auslegung der Maschine, wodurch eine besondere Rufladung in den Hintergrund tritt.

Claims (10)

1. Brennkraftmaschine, enthaltend wenigstens einen Zylinder (6), in dem ein Kolben (16) hin und her beweglich ist, der über eine Übertragungsmechanik (18, 32; 18, 56) mit einer vom Kolben drehantreibbaren Welle (26; 50, 52) verbunden ist, wobei oberhalb des Kolbens im Zylinder ein Arbeitsraum (32) gebildet ist, dem über eine Einlaßventileinrichtung (36; 60, 61) Frischladung zuführbar ist, und aus dem verbrannte Ladung durch eine Auslaßventileinrichtung (28) hindurch entwei­ chen kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Kolben (16) an seiner vom Arbeitsraum (32) abgewandten Seite starr ange­ brachte, an diesem freien Ende mit der Übertragungsmechanik verbundene Kolbenstange (18) durch eine Öffnung (19) einer den Zylinder senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens trennenden Trennwand (10) unter Abdichtung linear hindurchgeführt ist, so daß zwischen dem Kolben und der Trennwand ein Frischladungsraum (34) gebildet ist, der über eine steuerbare Frischlufteinlaßeinrichtung (38, 40, 42; 60, 61, 58, 42, 40) mit der Umgebung verbunden ist, und daß die Einlaßventileinrichtung einen Strömungspfad (36; 61, 58, 60) vom Frischladungsraum in den unteren Bereich des Arbeitsraums freigibt, wenn sich der Kolben im Bereich seines unteren Totpunktes befindet.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (16) im wesentlichen hemdlos ausgebildet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungspfad der Einlaßventileinrichtung durch in der Innenwand des Zylinders (6) aus­ gebildete Ausnehmungen (36) gebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischladungsraum (34) mit einem den Zylinder (6) umgebenden Ringraum (58) über in Umfangsrichtung des Zylinders voneinander beabstandete, durch die Zylinderwand hin­ durchführende Löcher (60, 61) verbunden ist, die derart angeordnet sind, daß sie eine Einströmung der Frischladung aus dem Ringraum in den Arbeitsraum im Bereich des un­ teren Totpunktes des Kolbens freigeben.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ strömlöcher (60, 61) mehrere unterschiedlich hoch angeordnete Lochreihen enthalten, wobei eine untere Reihe von Löchern (61) vom Kolben (16), in dessen unterer Totpunkt­ stellung nicht überfahren wird.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Zylinder (6) umgebender, verdrehbarer Lochring (62) vorgesehen ist, mit dem die durch die Zylinderwand führenden Löcher (60, 61) mehr oder weniger verschließbar sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Arbeitsraum (32) führende Strömungspfad (36; 60) derart ausgebildet ist, daß zumindest der Teil in dem Arbeitsraum einströmenden Frischladung längs der an dem Arbeitsraum angrenzenden Oberfläche des Kolbens (16) strömt.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (18) mit einem im Zylinder (6) geführten Führungsbauteil (20) ver Bunden ist, das mit dem Kurbeltrieb der Kurbelwelle verbunden ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbel­ trieb als Doppelkurbeltrieb (50, 52, 54, 56) ausgebildet ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßventileinrichtung durch wenigstens ein im Zylinderkopf (8) angeordnetes Tellerventil (28) gebildet ist.