DE2312208A1

DE2312208A1 - Umweltverschmutzungsfreier verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2312208A1
Application number: DE19732312208
Authority: DE
Inventors: Mario Girodin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-03-10
Filing date: 1973-03-12
Publication date: 1973-09-13
Also published as: FR2175355A5; ES412518A1; GB1415463A; JPS4925310A; IT984401B

Description

Umweltverschrautzungsfreier Verbrennungsmotor

Es ist bekannt, daß die von thermischen Motoren, beispielsweise Explosionsmotoren oder Verbrennungskraftmaschinen, ausgestoßenen Abgase eine Zusammensetzung haben, die nicht derjenigen entspricht, die bei einfacher und vollkommener Verbrennung auftritt. Die bisher durchgeführten Untersuchungen haben offensichtlich nur theoretische Lösungen erbracht, die zu Konstruktions-, Herstellungs- und Betriebskosten der Motore führen, die ihre Verwirklichung ausschließen.

Auf der anderen Seite sind die Vorteile von Motoren mit äußerer Verbrennung bekannt, d.h. von solchen Motoren, bei denen die Verbrennung des Kraftstoffes in einem getrennten Verbrennungsraum mit nahezu konstantem Druck erfolgt. Konstruktive Lösungen für derartige Motore haben sich jedoch bisher als unanwendbar für Kraftfahrzeugmotore oder als reine gedankliche Vorschläge erwiesen, die zii funktionsunfähigen Lösungen führen wurden.

Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine neuö Lösung für derartige Motore vorzuschlagen, die auch in gewöhn-

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lichen Automobilen einsetzbar ist, niedrige Herstellungsund Betriebskosten ergibt und nicht nur auf dem Papier funktionsfähig ist.

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein für alle oder einen Teil der Zylinder gemeinsamer Verbrennungsraum vorgesehen ist, in den jeder Zylinder am Ende seines Kompressionshubes komprimierte Luft einschiebt und aus dem jeder Zylinder anschließend direkt Heißluft mit einem dem Ausschiebedruck benachbarten Druck erhält.

Jeder Motor mit der erfindungsgemäßen Funktion arbeitet somit nach einem Diesel-Zyklus mit Druckverlusten, die in dem Verbrennungsraum entstehen.

Erfindungsgeraäß besitzt der Zylinderkopf jedes Zylinders mindestens zwei gesteuerte Ventile, die sich durch Verschiebung nach außen - relativ zum Zylinder - öffnen, eines zum Ausschieben der komprimierten Luft in Richtung auf den Verbrennungsraum, das andere zur Einleitung der Heißgase in den Zylinder. Der Erfindungsgedanke läßt sich sowolil auf Zweitaktals auch Viertakt—Motore anwenden.

Zweckraäßigerweise ist jedes Einlaßventil für Heißgase, das sich durch Verschiebung nach außen - relativ zum Zylinder öffnet, durch eine fortwährend zirkulierende Kühlflüssigkeit gekühlt. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Ventilteller und der Ventilschaft des Ventiles hohl, wobei die Kühlflüssigkeit durch ein koaxial zum Ventilschaft fest angeordnetes Röhrchen eintritt und durch

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den zwischen dem Röhrchen und der Schaftbohrung gebildeten Ringraum wieder austritt. Die Ventilführung oder der Ventilschaft tragen dabei ein Abdichtelement.

Vorzugsweise ist der für mehrere Zylinder gemeinsame Verbrennungsraum durch eine Trennwand in zwei Einzelkammern abgeteilt, die miteinander durch eine Einschnürung verbunden sind. Diese Einschnürung ist dazu bestimmt, einen Druckverlust zu erzeugen. Das Volumen der beiden Einzelbrennkammern ist so ausgelegt, daß durch die intermittierende Zufuhr komprimierter Luft und durch die intermittierende Abfuhr von Heißgasen nur geringfügige Druck Schwankungen gegenüber einem mittleren Betriebsdruck auftreten. Eine Einspritzdüse zur kontinuierlichen Zufuhr von Kraftstoff befindet sich erfindungsgemäß in der Nähe der genannten Einschnürung und nahe der Trennwand, so daß der üruckverlust zur Erzeugung des Kraftstoff—Luft-Gemisches ausgenützt werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Leistungsregelung des Motors dadurch erfolgt, daß die üffnungsdauer der Einlaßventile für die Heißgase verändert wird. Hierzu trägt jede Zylinderreihe eine Nockenwelle, die axial verschiebbar ist und deren Nocken für die Einlaßventile einen veränderlichen Profilquerschnitt der Art besitzen, daß man in Abhängigkeit von der Stellung der Nockenwelle einen unterschiedlichen Öffnungswinkel erhält.

Die Zufuhr von Kraftstoff erfolgt unter einem durch einen Regler festgelegten Druck derart, daß der Durchsatz ansteigt, wenn der Druck abfällt und umgekehrt, daß der Durchsatz sinkt, wenn der Druck steigt. Auf diese Weise genügt die oben erläu-

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terte Verschiebung der Nockenwelle zur Leistungsregelung des Motors, wobei der Maxiinaldruek in jedem Zyklus in den Zylindern weitgehend konstant bleibt.

Nach einer modifizierten Ausführungsform erfolgt die Leistungsregelung des Motors einfacher, jedoch unter Inkaufnahme einer gewissen Wirkungsgradverringerung, mittels einer Einrichtung, die einen Druckverlust erzeugt. Beispielsweise handelt es sieh hier um eine Stiftdrossel, die zwischen der Druckseite einer druck- und durchsatzveränderlichen Pumpe und dem Verbrennungsraum angeordnet ist. Die Pumpe fördert nicht über einen vorbestimmten Druck, wobei dieser Maximal— druck dem Maximaldruck im Zyklus in den Zylindern entspricht. Die Öffnungsdauer der Ventile bleibt hier konstant.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, ohne daß eine Beschränkung der Erfindung auf darin gezeigte Einzelheiten beabsichtigt ist.

Der in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Motor ist ein Zweitakt-Motor, da dies die Erläuterung vereinfacht. Es ist lediglich der obere Teil des Motorblocks dargestellt; der übrige Teil entspricht herkömmlicher Gestaltung. Die nachfolgende Erläuterung zeigt, daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Motors es ermöglicht, die bisher an herkömmlichen Zweitakt-Motoren angetroffenen Nachteile zu vermeiden. Derartige Nachteile sind: die Schwierigkeit, das Brenngemisch einzubringen, kurze Lebensdauer der Zündkerzen und schlechte Abströmung der Brenngase, die dadurch die Zündung und die Verbrennung beeinträchtigen.

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In den Zeichnungen zeigen:

Figuren 1 bis k den Zylinderkopf eines erfindungsgeinäßen Motors, nämlich

Figur 1 einen Längsschnitt in einer Ebene, die die Zylinderachsen enthält, durch einen Teil des Blocks und des Zylinderkopfes;

Figur 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Figur 1, d.h. längs der Achse eines Einlaßventiles;

Figur 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Figur 1, d.h. längs der Achse eines Auslaßventiles;

Figur 4 eine Draufsicht auf die (oder eine) Zylinderreihe, wobei der Kipphebeldeckel die oben liegende Nockenwelle trägt;

Figur 5 einen Axialschnitt durch den Verbrennungsraum;

Figur 6 einen vergrößerten Teilschnitt längs der Linie VI-VI in Figur 5;

Figur 7 ein vergrößertes Detail der Figur 2, das Einzelheiten der Ausführung und Montage eines gekühlten Einlaßventiles zeigt;

Figur 8 einen Schnitt längs einer zur Trennebene des Zylinderkopfes parallelen und durch die Nockenwellenachse gehenden Ebene längs der Linie VIII-VIII in Figur 9, aus der die Vorrichtung zur Steuerung der Nockenwelle ersichtlich ist;

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Figur 9 einen Schnitt der Nockenwelle längs einer zur Nockenwellenachse senkrechten Ebene, aus dem die Anordnung zweier Nocken eines Zylinders ersichtlich ist;

Figur 10 einen Axialschnitt durch einen Durchsatzregler für den Kraftstoff bei konstantem Druck;

Figur 11 einen Axialschnitt durch eine Kraftstoffpumpe und

Figur 12 einen Axialschnitt durch ein Durchsatzsteuerelement mit konischem Stift.

Gemäß den Figuren 1 bis h ist ein Zylinderblock 1, in dem Zylinder 2 herkömmlicher Anordnung ausgebildet sind, durch einen Zylinderkopf 3 geschlossen. Für jeden Zylinder trägt der Zylinderkopf 3 ein gesteuertes Auslaßventil h, das sich durch eine Verschiebung nach außen öffnet, und ein im Ganzen mit 5 bezeichnetes gesteuertes Einlaßventil, das sich ebenfalls durch eine Verschiebung nach außen öffnet. Die Auslaßventile h sind an eine Abgassammelleitung 6 angeschlossen, wie sich aus den Figuren 3 und k ergibt. Die Einlaßventile 5 sind mit einem Hexßgassammelrohr 7 verbunden, wie die Figuren 2 und k zeigen. Die Abgassammelleitung 6 und das Heißgassam— melrohr 7 stehen mit einem Verbrennungsraum 8 über Anschlußstutzen und -flansche in Verbindung, die ebenfalls aus Figur h erkennbar sind.

Das im Ganzen mit 5 bezeichnete Einlaßventil in den Zylinder, das durch eine zirkulierende Flüssigkeit gekühlt ist, ist im Einzelnen in größerem Maßstab in Figur 7 gezeigt. Die Kühl»

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flüssigkeit strömt durch eine Leitung 9 des Zylinderkopfdeckels zu und von dort zu jedem Ventil durch ein Röhrchen 10, das koaxial zum Ventilschaft liegt. In dem durch das Röhrchen 10 und den hohlen Ventilschaft 12 des Ventiles 5 gebildeten Ringraum steigt die Kühlflüssigkeit wieder an. Das Ventil 5 gleitet bei seinem Hub im Inneren eines ringförmigen Anschlusses. Die Kühlflüssigkeit durchströmt anschließend einen Kanal 13 und gelangt in einen Austrittssammelraum Ik₁ der parallel zur Zuführleitung 9 und zur Zylinderreihe liegt. Der Ventilteller 5' des Ventiles wird auf den zugehörigen Sitz durch eine Feder 5^t! gedrückt.

Gemäß den Figuren 5 und 6 empfängt der Verbrennungsraum 8 die von den Zylindern ausgeschobene Luft über die Abgassammelleitung 6 und die heißen Gase treten über das Heißgassaramelrohr 7 aus. Der Verbrennungsraum 8 besitzt im wesentlichen eine zylindrische Gestalt und ist in zwei Abschnitte durch eine Trennwand 15 unterteilt, die senkrecht zur geometrischen Achse des Verbrennungsraumes steht. Der Zustrom flüssigen Kraftstoffes erfolgt über eine Leitung 16; der Kraftstoff tritt im Zentrum der Trennwand 15 durch eine Einspritzdüse 16' aus. Komprimierte Luft, die von der Abgassammelleitung 6 her ankommt, tritt durch zwei Öffnungen der Trennwand 15 hindurch. Die öffnungen 17 sind symmetrisch zur Einspritzdüse 16' angeordnet. Die Luft tritt dann in Schächte 17' ein, aus denen sie dann durch einander gegenüberliegende, symmetrische und parallel zum Kraftstoffstrahl verlaufende Schlitze 18 austritt. Diese Schlitze sind so dimensioniert, daß der auftretende Druckverlust ausreichend ist, um einen anahernd gleichmäßigen Durchsatz an Luft zu erzie-

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len, die sich mit dem gleichmäßigen Kraftstoffstrahl vermascht.

Ein Glühkopf oder Glühgewebe 19, das von Dieselmotoren her bekannt ist, ist nahe am Strahlaustritt angeordnet und dient zur Zündung. Zu diesem Zweck ist der Glühkopf mit elektrischem Strom beheizt. Er dient folglich zur Einleitung und Unterhaltung der Verbrennung auf Grund seiner Eigentemperatur, die ohne äußere Beeinflussung durch die Verbrennung selbst aufrechterhalten wird. Die heiße Seite des Verbrennungsraumes wird durch eine in einem Doppelmantel 20 zirkulierende Flüssigkeit gekühlt.

Die Nockenwelle 21 (Figuren 8 und 9) ist in der Bohrung 22 des Kipphebeldeckels in Lagern 23 gelagert. Sie wird durch eine Scheibe 24 mit der Drehzahl der Kurbelwelle über einen Zahnriemen 24' angetrieben. Die Nockenwelle 21 ragt mit ihrem keilverzahnten Ende in die Nabe der Scheibe 24, so daß eine Axialverschiebung der Welle möglich ist. Erfindungsgemäß wird dadurch die Möglichkeit gegeben, die Leistung zu verändern, indem die Öffnungszeitdauer der Einlaßventile durch die Verschiebung der Nockenwelle längs ihrer Achse verändert wird. Die Mitnahme in Umfangsrichtung bleibt durch die verschiebbare Keilverzahnung 25 gewährleistet. Die Steuerung der Verschiebung der Welle erfolgt mittels eines Gestänges 26, das gegenüber der Welle in einem Wälzlager 27' frei drehbar gelagert ist. Die Nooke 27 zur Betätigung der Einlaßventile; 5 ist derartig entwickelt, daß sie einen mit der Längsstellung der Nockenwelle veränderlichen Öffnungswinkel ergibt.

Erf indungsgeinäii gewährleistet; !eiffiiüi· uckregl:er, -"rter "den Durchatz des flüssigen Kriaftstöffes bÄ&lnflußt, unabhängige von

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der Öffnungsdauer der Einlaßventile 5 die Verbrennung im Sinne einer Aufrechterhaltung des Druckes im Brennraum. Wie In Figur 10 dargestellt ist, besteht er aus einem Gehäuse 28 mit Bohrungen, die einem Differentialkolben 29, 29' entsprechen. Der Differentialkolben 29, 29' wird durch eine Feder 30, deren Wirkung durch eine Regelschraube 30' einstellbar ist, - in der Zeichnung - nach oben gedrückt. Das Gehäuse 28 ist in die Kraftstoffzuleitung eingeschaltet, wobei der Kraftstoff das Gehäuse in Richtung der Pfeile durch die Kanäle 42, 43 durchströmt.

Aus der Darstellung ergibt sich, daß bei einem Absinken des Ausgangsdruckes auf einen Wert unterhalb des Einstellwertes der Feder der Regler öffnet und Kraftstoff durchläßt. In dem Augenblick, in dem der Staudruck den Einstellwert der Feder erreicht, wird die Durchströmung unterbrochen. Daraus resultiert eine automatische Regelung.

Für den Fall der Anwendung einer vereinfachten Regelung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer unv.erschiebbaren Nockenwelle und einer Stiftdrossel-Durchflußsteuerung kommt die entsprechende Steuereinrichtung gemäß Figur 12 in Frage. Das Steuerelement gemäß dieser Figur besteht aus einem Gehäuse 38 mit edLner zylindrisch—konischen Bohrung, in der eine entsprechend zylindrisch-konische Nadel 39 verschiebbar ist, die einen endseitigen Bund 39' trägt. Der Strömungsweg des Kraftstoffes verläuft hier in Längsrichtung an der •Außenseite des Kegelstumpfes, durch den ein Ringspalt gebildet wird, dessen lichte Weite sich entsprechend der Längsstellung der Nadel 39 verändern läßt. Die Nadel 39 wird durch einen Gestängehebel 40 gesteuert, der mittels einer Feder 41

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zur Anlage an den endseitigen Bund 39' gezogen ist. Bei einem Kraftfahrzeugmotor wird der Hebel ^O vom Gaspedal aus betä- . tigt. Eine Schraube 42 begrenzt die Verschiebung der Nadel 39; sie stellt die Leerlaufschraube dar.

Für die beiden vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Regelungsmöglichkeiten bedarf es einer Pumpe mit variablem Durchsatz und weitgehend konstantem Förderdruck oder einer Pumpe mit einem Durchsatz Null über einem Maximaldruck. Die in Figur 11 dargestellte Pumpe genügt diesen Bedingungen. Sie umfaßt ein Gehäuse 31, in dem ein Tauchkolben 32 verschiebbar ist. Der Tauchkolben 32 wird beim Ausschieben durch eine Feder 33 und beim Ansaughub durch einen Kipphebel 34 betätigt, wobei der Kipphebel 34 seinerseits von einer umlaufenden Nocke 35 der Nockenwelle 21 betätigt wird. Der Kraftstoff tritt in das Zylindergehäuse durch ein Ansaugventil 36 ein und verläßt dieses durch ein Auslaßventil 37. Aus der Kombination der Feder und des Kipphebels resultiert· ein geregelter Maximaldruck und ein Durchsatz als Funktion des Kehrwertes dieses Druckes.

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Claims

Patent— (Schutz-) Ansprüche

Ein- oder Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß ein für alle oder einen Teil der Zylinder gemeinsamer Verbrennungsraum (8) vorgesehen ist, in dem jeder Zylinder am Ende seines Kompressionshubes komprimierte Luft einschiebt und aus dem jeder Zylinder anschließend direkt Heißluft mit einem dem Ausschiebedruck benachbarten Druck erhält.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (3) jedes Zylinders mindestens zwei sich durch Verschiebung nach außen öffnende, gesteuerte Ventile (4, 5) enthält, von denen eines ein Auslaßventil (h) für komprimierte Luft zum Verbrennungsraum (8) und das andere ein Einlaßventil (5) für Heißgase in den Zylinder ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Einlaßventil (5) für Heißgase durch kontinuierlich zirkulierende Kühlflüssigkeit gekühlt ist.

h_m Verbrennungsmotor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller und der Ventilschaft des Einlaßventiles (5) hohl sind und für die Kühlflüssigkeitszufuhr koaxial zum Ventilschaft ein Röhrchen (ίο) fest angeordnet ist, während die Kühlflüssigkeitsabfuhr durch einen Ringraum zwischen dem Röhrehen (lO) und der Bohrung des hohlen Ventilschaftes er-

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folgt, und daß die Ventilführung oder das Ventil ein Dichtelement enthält.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsraum (8) durch eine Trennwand (l5) in zwei Kammern unterteilt ist, die miteinander durch eine einen Druckabfall erzeugende Einschnürung (18) verbunden sind und deren Volumen so bemessen ist, daß die intermittierende Zufuhr komprimierter Luft und die intermittierende Abfuhr von Heißgasen nur eine geringfügige Schwankung des mittleren Effektivdruckes bewirken.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Einschnürung (18) und der Trennwand (15) eine Einspritzdüse (l6) für Kraftstoff angeordnet ist, so daß der Druckabfall an der Einschnürung (18) zur Herstellung des Kraftstoff-Luft-Brenngemisches ausgenützt wird.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsregelung des Motors die Öffnungsdauer der Einlaßventile (5) für HeiJßgase veränderbar ist.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zylinderreihe eine Nockenwelle (21) zugeordnet ist, die axial verschiebbar ist und deren Nocken (27) ein in Längsrichtung der Nockenwelle (21) veränderliches Profil aufweisen, so daß ein veränderlicher Öffnungswinkel des Einlaßventiles (5) in Abhängigkeit von der Position der Nockenwelle (21) erzielbar ist.

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9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Kraftstoffes über einen Regler erfolgt, der den Kraftstoffdurchsatz im umgekehrten Verhältnis zum Kraftstoffdruck einregelt, und daß eine Kraftstoffpumpe vorgesehen ist, deren Förderdruck ein gegebenes Druekmaximura, das den maximalen Zyklusdruck definiert, nicht übersteigt.

10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsregelung des Motors mittels eines einen Druckabfall erzeugenden Steuerelementes, beispielsweise einer Stiftdrossel (38, 39), erfolgt, das zwischen der Druckseite einer druck- und durchsatzveränderlichen, einen vorgegebenen Maximaldruck nicht übersteigenden Pumpe und dem Brennraum eingeschaltet ist, wobei der gegebene Maximaldruck der Pumpe den maximalen Zyklusdruck in den Zylindern definiert und die Öffnungsdauer der Ventile (5) konstant ist.

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