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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Bei
Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist es üblich, im Zylinderkopf oberhalb
des Kolbens Einlass- und
Auslassventile anzuordnen, über
die der Arbeitsraum mit Frischladung beschickt 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.
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Insbesondere
für nach
dem Zweitaktprinzip arbeitende Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist
bekannt, in der Zylinderwand Schlitze vorzusehen, die normalerweise
durch das Kolbenhemd 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.
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In
der
DE 802 119 B ,
von dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, ist die durch
die Trennwand hindurchgeführte
Kolbenstange an ihrem vom Kolben abgewandten Ende starr mit einem
Führungsbauteil
verbunden, das in dem Zylinder geführt ist und die von dem konventionell
ausgebildeten Kurbeltrieb her wirkenden Seitenkräfte aufnimmt. Diese Führung des
Führungsbauteils
ist mit verhältnismäßig hoher
Reibung verbunden.
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Aus
der
US 2,417,910 A und
dem JP-Abstract 01073102 A ist ein sogenannter Doppelkurbeltrieb
mit zwei gegenläufig
mit gleicher Drehzahl drehenden Kurbelscheiben bekannt, die über je ein Pleuel
mit einer Kolbenstange verbunden sind, wobei der Abstand zwischen
den Achsen der Kurbelscheiben größer ist
als der Abstand zwischen Anlenkungen der Pleuel an der Kolbenstange.
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Die
mit solchen Doppelkurbeltrieben versehenen Brennkraftmaschinen weisen
konventionelle Zylinderköpfe
ohne Trennwand zwischen dem Kolben und dem Kurbelraum auf.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu
schaffen, die mit geringer Reibung, gutem Komfort und hohem Wirkungsgrad
arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
in der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
verwendete Doppelkurbeltrieb erlaubt eine reibungsgünstige,
seitenkraftfreie Führung
des Kolbens und der durch die Trennwand durchgeführten Kolbenstange. Dadurch,
dass die Drehachsen der Kurbelscheiben bzw. Kurbelwellen einen Abstand von
der Bewegungslinie des Kolbens haben, der größer ist als der Abstand der
Anlenkpunkte der Pleuel an der Kolbenstange, ist der Abstand zwischen
OT und UT, bezogen auf die Kurbelwellendrehung, je nach Drehrichtung
der Kurbelwellen größer oder
kleiner als 180°.
Dies lässt
sich je nach Brenngeschwindigkeit des Kraftstoffes, Bohrungs-/Hubverhältnis, Auslegung
des Strömungspfades
zwischen dem Frischladungsraum und dem Arbeitsraum nutzen, um den
Wirkungsgrad und die Abgasqualität
der Brennkraftmaschine vorteilhaft zu beeinflussen. Wenn beispielsweise
der Kurbelwinkel zwischen der Bewegung des Kolbens von OT nach UT
größer als
180° ist,
steht für
die Verbrennung und deren Umsetzung in Drehmoment ein größerer Kurbelwinkel
zur Verfügung
als für
das Ausschieben der verbrannten Ladung und die Verdichtung der neuen
Ladung. Die Füllung
des Brennraums mit neuer Ladung ist in Folge des zwischen dem Kolben
und der Trennwand ausgebildeten Frischladungsraums, der eine integrierte Aufladung
und eine Kolbenkühlung
ermöglicht,
besonders effizient.
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Die
Unteransprüche
sind auf vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gerichtet.
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Mit
dem Merkmal des Anspruchs 2 lässt
sich durch unterschiedliche Tragteile die Exzentrizität des Doppelkurbeltriebs
und damit die Kolbenbewegung an die jeweiligen Motoren anpassen,
ohne dass der Kurbeltrieb selbst verändert werden muss.
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Die
Merkmale des Anspruchs 3 sind auf eine vorteilhafte Verbindung des
Frischladungsraums mit dem Arbeitsraum oberhalb des Kolbens gerichtet.
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Mit
den Merkmalen des Anspruchs 4 wird eine einfache Art der Laststeuerung
möglich.
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Die
Merkmale des Anspruchs 5 beeinflussen den Ladungswechsel günstig.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es
stellen dar:
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1 einen
senkrechten Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Brennkraftmaschine und
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2 einen
senkrechten Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Brennkraftmaschine.
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Gemäß 1 weist
ein ein- oder mehrteilig ausgebildetes, insgesamt mit 2 bezeichnetes
Motorgehäuse
ein Kurbelgehäuse 4,
einen Zylinder 6 und einen Zylinderkopf 8 auf.
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Es
ist nur ein Zylinder 6 dargestellt; es versteht sich, daß mehrere
Zylinder hintereinander angeordnet sein können.
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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
hemdlos ausgebildeter Kolben 16, der starr mit einer Kolbenstange 18 verbunden ist,
die unter zumindest weitgehender Abdichtung durch eine Öffnung 19 der
Trennwand 10 hindurchgeführt 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 herbeweglichen 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.
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Die
im wesentlichen hemdlose und leichte Ausbildung des Kolbens 16 ist
dadurch möglich,
daß der
Kolben 16 infolge seiner starren Verbindung mit der linear
geführten
Kolbenstange 18 nicht verkippen kann.
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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.
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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.
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Durch
wenigstens eine, durch die Zylinderwand hindurchführende Einlaßöffnung 38 hindurch ist
der Frischladungsraum 38 mit einem Einlaßkanal 40 verbunden,
wobei die Verbindung zwischen Einlaßkanal 40 und Frischladungsraum 34 mittels
eines beispielsweise elektrisch betätigten Steuerventils 42 verschließbar ist.
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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.
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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 Ausnehmungen 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 verbleibt,
die eine thermische Isolation zwischen der Frischladung und der
Zylinderwand darstellt, was für
eine vollständige
Verbrennung der Frischladung vorteilhaft ist.
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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.
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Das
Auslaßventil 28 wird
während
der Aufwärtsbewegung
des Kolbens dann geschlossen, 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 oberen
Totpunkt des Kolbens aufhört.
Die im Arbeitsraum 32 befindliche Frischladung zündet entweder selbst
(Dieselmotor) oder wird von einer nicht dargestellten Zündkerze
gezündet,
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 Frischladungseinströmung
in den Arbeitsraum 32 ein und der Zyklus beginnt erneut.
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Die
Gemischbildung kann entweder durch direkte Einspritzung von Kraftstoff
in den Arbeitsraum 32 erfolgen oder dadurch, daß der Frischluft
bereits im Einlaßkanal 40 Kraftstoff
beigemengt wird. Es versteht sich, daß der Motor auch mit Gas betrieben werden
kann.
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Durch
die zur Verfügung
stehenden großen Einströmquerschnitte,
die energiereiche Einströmung
und den günstigen
Ladungswechsel lassen sich im Vollastbetrieb außerordentliche 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.
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Die
Steuerung der Ladungsmenge, d.h. der Leistung der Brennkraftmaschine
kann mittels des Steuerventils 42 erfolgen, indem dessen Öffnungszeit
in geeigneter Weise verkürzt
wird.
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Es
versteht sich, daß die
Brennkraftmaschine beispielsweise bei geringer Leistungsanforderung 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 eingesaugt 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.
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Ein
aufgeladener Betrieb der Brennkraftmaschine ist dadurch möglich, daß im Einlaßkanal 40 stromoberhalb
des Steuerventils 42 eine Ladeeinrichtung, beispielsweise
ein Abgasturbolader oder ein anderer Lader, vorgesehen ist, so daß durch
den Einlaßkanal 40 bereits
vorverdichtete Frischladung bzw. Frischluft in den Frischladungsraum 34 gelangt.
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2 zeigt
eine gegenüber 1 abgeänderte Ausführungsform
einer Brennkraftmaschine, wobei für funktionsgleiche Bauteile
die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.
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Die
Ausführungsform
gemäß 2 hat
einen gegenüber 1 abgeänderten
Kurbeltrieb. Bei dem gemäß 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 bekannt. Ihr Vorteil
liegt darin, daß auf
das Führungsbauteil 20 weitgehend
keine Seitenkräfte
wirken, so daß ein
reibungsärmerer
Betrieb möglich
ist. Des weiteren ist ein weitgehender Massenausgleich gegeben,
was zu Schwingungsvorteilen führt,
und sind die bewegten Massen vermindert, was höhere Drehzahlen und/oder größere Zylindervolumina
zuläßt.
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Es
versteht sich, daß auch
andere Systeme zum Antrieb einer Welle möglich sind, wie Kreuzkopftriebe,
Kurbelschlaufentriebe usw.
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Ein
weiterer wesentlicher Unterschied zwischen der Ausführungsform
gemäß 2 und
der der 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 Zylinders 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 herausbewegt
hat, ist der Ringraum 58 vom Arbeitsraum 32 getrennt
und über
die Löcher 60, 61 nur
mit dem Frischladungsraum 34 verbunden.
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Gegenüber der
Ausführungsform
gemäß 1 liegt
eine Eigenart der Ausführungsform
gemäß 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 Bereich 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 ausgebildet 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.
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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
Frischladungsraum 34 bzw. den Arbeitsraum 32 verhindert.
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Der
Lochring 62 kann auch durch zwei getrennte und unabhängig voneinander
betätigbare 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.
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Das
Steuerventil 42 kann bei Vorhandensein des oder der Lochringe 62 entfallen.
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Es
versteht sich, daß die
beschriebenen Ausführungsformen
in vielfältiger
Weise miteinander kombiniert und/oder abgeändert werden können.
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Beispielsweise
können
die Ausnehmungen 36 der 1 oder die
Löcher 60 der 2 längs des Umfangs
des Zylinders in unterschiedlicher Höhe angeordnet sein, so daß die Frischladungseinströmung sukzessive
einsetzt und einen gezielten Wirbel bildet.
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Es
können
mehrere Steuerventile 42 vorgesehen sein. In einer vereinfachten
Ausführungsform kann
das oder können
die Steuerventile durch passiv gesteuerte Flatter- bzw. Klappenventile)
ersetzt sein.
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Die
Löcher 60, 61 oder
die Ausnehmungen 36 können
unterschiedlich groß,
hoch, lang, schräg usw.
ausgebildet und positioniert sein, so daß den jeweiligen Verhältnissen
entsprechende optimale Ladungswechsel- und Brennbedingungen geschaffen sind.
Die Löcher
und Ausnehmungen müssen
nicht in den gesamten Umfang des Zylinders herum angeordnet sein.
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Die
beschriebenen Ausführungsformen
haben den Vorteil, daß die
Einströmung
unmittelbar durch die Stellung des Kolbens bestimmt wird und kein
mechanisch betätigtes,
unmittelbar an den Arbeitsraum grenzendes Einlaßventil erforderlich ist. Alternativ
kann im Kolben selbst ein oder können
im Kolben mehrere Ventile angeordnet sein, wie sie beispielsweise
in der nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldung 199 25 445.1–13
beschrieben sind, oder es können
im Weg von der Frischladungskammer zum Arbeitsraum ein oder mehrere
mechanisch bewegte Ventile angeordnet sein.
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Insgesamt
wird mit der Erfindung eine Brennkraftmaschine mit außerordentlich
hohem Drehmoment und außerordentlich
hoher spezifischer Leistung geschaffen, die alle Voraussetzungen
für einen geringen
Verbrauch und eine günstige
Abgaszusammensetzung schafft und die auch bei Teillastbetrieb mit
geringen Drosselverlusten, d.h. geringem Anstieg des spezifischen
Verbrauchs arbeitet. Des weiteren ermöglichen die schwingungstechnischen
Ventile, die mit der Erfindung erzielt werden, eine langhubige Auslegung
der Maschine, wodurch eine besondere Aufladung in den Hintergrund
tritt.