DE2336018A1

DE2336018A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2336018A1
Application number: DE19732336018
Authority: DE
Inventors: Jean Ernest Dutry; Feyens Alfred Hubert
Original assignee: FEYENS ALFRED HUBERT
Current assignee: FEYENS ALFRED HUBERT
Priority date: 1972-07-18
Filing date: 1973-07-14
Publication date: 1974-02-14
Also published as: GB1432408A; BE786418A; US3868931A; FR2193419A5

Description

DIPL.-IN6. DR. IUR. . Dl PL.-INö.

VOLKER BUSSE DIETRICH BUSSE

45 Osnabrück , den 13. Juli 1973

WaSERSTRASSEaO/24 L/Pl

Jean Ernest Dutry und Alfred Hubert Feyens Steenweg op Brüssel, 3^0 Avenue Prince Baudouin, 9 1900 Overij se, Belgien II50 Brüssel, Belgien

Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, bei dem jedem Arbeitszylinder ein mit diesem in Verbindung stehender Zusatzzylinder zugeordnet ist, dessen Kolben ein kleineres Volumen als das des Kolbens des Arbeitssylinders verdrängt und mit einer in Bewegungsübertragungsverbindung mit der Kurbelwelle des Kolbens des Arbeitszylinder stehenden Kurbelwelle zusammenwirkt, wobei die beiden Kurbelwellen mit winkliger Phasenverschiebung arbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der für einen Verbrauch von Kraftstoffen geeignet ist, die keine oder wenige Zusatzstoffe enthalten, und der an toxischen Stoffen arme Verbrennungsgase produziert.

Bei den meisten Verbrennungsmotoren wird das Volumen eines Raumes, der durch die Wände eines Zylinders und eines Kolbens, zumeist mehrerer Zylinder mit Kolben, begrenzt ist, evolviert,

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während Ventile oder von den Kolben oder von Schiebern abgedeckte Schlitze den Eintritt und/oder den Austritt der Gase steuern.

Der Wirkungsgrad des thermischen Zyklus wird in erster Linie durch den Verdichtungsdruck bzw. das Kompressionsverhältnis beeinflußt, jedoch sind d3e im Verlauf des Zyklus auftretenden Veränderungen der linearen Geschwindigkeit des von einer Kurbelwelle über eine Pleuelstange betätigten Kolbens derart, d»ß der nutzbare Verdichtungsdruck durch den mehr oder ireniger zündfähigen Charakter des verwendeten Luft-Kraftstoff-Gemisches begrenzt ist.

Bei Motoren mit Vorvergasung und gesteuerter Zündung ist es erforderlich, unter großem Kostenaufwand klopffeste Kraftstoffe (gekennzeichnet durch die Oktanzahl) einzusetzen» um den Verdichtungsdruck erhöhen zu können, der jedoch begrenzt bleibt. In den meisten Fällen erfordert die Erzielung einer entsprechenden Klopffestigkeit einen Zusatz von schädlichen bzw. giftigen Verbindungen in dem Kraftstoff, die schließlich an die Atmosphäre abgegeben werden. Außerdem ist bei einem Laufen eines derartigen Motors mit niedriger Drehzahl die Verbrennung unvollständig, wobei eine bedeutende Menge schädlicher Gase an die Außenluft abgegeben wird. Aufgrund der sehr hohen und ständig anwachsenden Zahl in Betrieb befindlicher Kraftfahrzeuge gehen diese Eraissiöne schädlicher Verbindungen und Gase schließlich über ein erträgliches Niveau hinaus. In den meisten Ländern müssen binnen kurzem durch entsprechende Veroaünungen strikt einzuhaltende Grenzen für

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umweltverschmutzende Emissionen geschaffen werden. . ·

Bei den Motoren mit Kompressionszündung sind die" Schwierigkeiten andersgeartet, ergeben sich Jedoch ebenfalls aus den Entwicklungscharakteristika des durch Pleuelstange und Kurbelwelle gesteuerten Volumens. Hier muß der Kraftstoff für eine rasche Zündung bei Beginn der Einspritzung ausgelegt sein {gekennzeichnet durch die Cetanzahl). Dies 1st erforderlich, weil eine Verzögerung des Beginns der Verbrennung der Flammfortpflanzung einen explosiven Verlauf gibt und weil sich ein übermäßiger Druckanstieg in einem ungünstigen Augenblick auf 3en Umlauf der Kurbelwelle mit Pleuelstange auswirken würde.

Die Anforderungen der Verbrennungsmotoren und das Anwachsen ihrer Zahl erschwert mehr und mehr die Aufgaben der Kraftstoffhersteller, die entgegengerichteten Interessen gerecht werden sollen, indem einerseits ein Kraftstoff mit hoher Oktanzahl für Motoren mit Vorvergasung und andererseits ein Kraftstoff mit hoher Cetanzahl für Motoren mit Kompressionszündung geschaffen werden soll.

Es ist bislang ohne Erfolg versucht worden, Verbrennungsmotoren zu schaffen, bei denen die Volumenevolutlon eines Zylinders derart verläuft, daß ein Kraftstoff verwendet werden kann, der keine toxischen Stoffe zur Verringerung der Klopfneigung enthält und gleichzeitig eine vollständige Verbrennung mit fühlbar herabgesetzter Geräuschentwicklung gestattet.

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Dabei ist insbesondere auch ohne Erfolg geblieben, jedem Arbeitszylinder einen Zusatzzylinder zuzuordnen, der mit dem Arbeitszylinder in Verbindung steht und einen Kolben aufweist, der ein kleineres Volumen als das des Arbeitszylinders verdrängt und mit einer in Zwanglaufverbindung mit der Kurbelwelle des Arbeitskolbens stehenden Kurbelwelle zusammenwirkt. Dabei hat man auch schon vorgesehen, daß die beiden Kurbelwellen mit winkliger Phasenverschiebung arbeiten und daß die Drehzahl der mit aem Kolben des Zusatzzylinders zusammenwirkenden Kurbelwelle entweder die Hälfte oder das Doppelte der Drehzahl jener Kurbelwelle beträgt, die mit dem Kolben des Arbeitszylinders zusammenwirkt.

Gemäß der Erfindung erfüllt ein Verbrennungsmotor in großem Umfang die oben aufgeführten Bedingungen dadurch, daß die Drehzahl der mit dem Kolben des Zusatzzylinders zusammenwirkenden Kurbelwelle mehr als das Doppelte derjenigen der mit dem Kolben des Arbeitszylinders zusammenwirkenden Kurbelwelle, vorzugsweise das Dreifache der Drehzahl der mit dem Kolben des letztgenannten Zylinders zusammenwirkenden Kurbelwelle, beträgt.

Das vom Kolben des Zusatzzylinders verdrängte Volumen liegt dabei vorteilhaft zwischen 1/5 und 1/3 des vom Kolben des Arbeitszylinders verdrängten Volumens und entspricht vorzugsweise l/k des vom Kolben des Arbeitszylinders verdrängten Volumens, wobei die mit dem Kolben des Arbeitszylinders zusammenwirkende j Kurbelwelle gegenüber der mit dem Kolben des Zusatzzylinders zusammenwirkenden Kurbelwelle um einen Winkel, zwischen 15 und ^5°,

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vorzugsweise 30°, vorläuft.

Bei einem derartigen Motor verhält sich die Evolution der Summe der Volumen in bezug auf die Evolution des Volumens des Arbeitszylinders derart, daß die Summe der Volumen bei einer Dekompressionsbewegung ihr Minimum erreicht, kurz nachdem die mit dem Arbeitszylinder zusammenwirkende Kurbelwelle ihren oberen Totpunkt passiert hat, für einen gegebenen Augenblick gleich dem Volumen des Arbeitszylinders wird, um dann im ersten Teil dieser Bewegung schneller anzuwachsen als das Volumen des Arbeitsyzlinders, sich am Anfang des zweiten Bewegungsteils merklich verlangsamt, für einen gegebenen Augenblick ein zweites Mal gleia dem Volumen des Arbeitszylinders wird, von neuem schneller anwächst als das Volumen des Arbeitszylinders und ihr größtes Volumen erreicht, nachdem die mit dem Kolben des Arbeitszylinders zusammenwirkende Kurbelwelle ihren unteren Totpunkt passiert hat. Diese lange Evolution der .Summe der Volumen begünstigt die Verbrennung im Sinne der Vollständigkeit der Verbrennung. Während einer Kompressionsbewegung nimmt die Summe der Volumen stark während des ersten Teils der Bewegung ab, wird für einen gegebenen Augenblick gleich dem Volumen des Arbeitszylihders, nimmt dann während des zweiten Teils der Bewegung langsamer ab als das Volumen des Arbeitszylinders und erreicht ihr Minimum, nachdem die mit dem Kolben des Arbeitszylinders zusamrnenwi rkende Kurbelwelle den oberen Totpunkt passiert hat. Hieraus folgt ein Kompressionsdruck, der zuerst sehr langsam ansteigt und in dem Augenblick, in dem die mit dem Kolben des

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Arbeitszylinders zusammenwirkende Kurbelwelle den oberen Totpunkt passiert, nur weniger als die Hälfte des Enddruckes beträgt. Letzterer wirkt nur auf die Kurbelwelle, wenn diese sich in einer geeigneten Arbeitsstellung befindet, was die Verwendung von Kraftstoffen gestattet, die nicht durch schädliche Zusatzstoffe klopffest gemacht worden sind.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Motor nach der Erfindung in schematischer

Darstellung und
Fig. 2 die Evolution der Summe der Volumen eines Arbeits-

zylinders und eines Zusatzzylinders.

Der Verbrennungsmotor nach der Erfindung weist einen oder mehrer Arbeitszylinder 1 mit Kolben 2 auf, der über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle *J zusammenwirkt. Jeder Zylinder 1 steht mit einem Zusatzzylinder ? in Verbindung, der mit einem Kolben 6 versehen ist. Der Kolben 6 wirkt über eine Pleuelstange 7 mit einer Kurbelwelle 8 zusammen. Der beiden Zylindern 1 und 5 gemeinsame Zylinderkopf umschließt eine Verbrennungskammer 9. Die Kurbelwellen 4 und 8 sind miteinander durch eine Bewegungsübertragungseinrichtung, z. B. durch Zahnräder 10 und 11 und Zwischenräder 12, miteinander verbunden.

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Die beiden Zylinder sind in Pig. I in koaxialer Stellung dargestellt, jedoch könnten sie ohne weiteres auch eine andere Anordnung besitzen, z. B. mit parallelen Achsen, insbesondere wenn es sich darum handelt, auf dem gemeinsamen Zylinderkopf den erforderlichen Platz für Ventile vorzusehen.

Die Drehzahl der Kurbelwelle 8 beträgt vorzugsweise das Dreifache derjenigen der Kurbelwelle 4 und das vom Kolben 6 verdrängte Volumen beträgt 1/4 des vom Kolben 2 verdrängten. Die Kurbelwellen ¹I und 8 sind gegeneinander um einen Winkel von etwa 30° phasenverschoben, wobei die Kurbelwelle ²J gegenüber der Kurbelwelle 8 vor3^J-iuft.

Tn Fig. 2 ist die Evolution der in den Zylindern 1 und 5 eines Verbrennungsmotors der oben angegebenen Art verdrängten Volumen dargestellt. In dieser Figur zeigt die Ordinate y-y die verdrängten Volumen und die Abzisse x-x die UmdrehungsWinkel bezüglich der mit dem Kolben 2 des Arbeitszylinders 1 zusammenwirkenden Kurbelwelle ¹J an. Die Linie lH entspricht dem vom Kolben 2 verdrängten Volumen und, dargestellt auf der anderen Seite der Abzisse, die Linie 15 dem vom Kolben 6 des Zusatzzylinders verdrängten Volumen, Unter Vernachlässigung des Totraums der Verbrennungskammer 9 zeigen sich die oberen Totpunkte der Kurbelwellen h und 8 auf der Abzisse selbst, und zwar für die Kurbelwelle k bei den Winkeln von 0 und 36o° und für die Kurbelwelle 8 bei den Winkeln 30, 150 und 270°. Die entsprechenden unteren Totpunkte befinden sich bei einem Winkel von l80° (Kurbelwelle und bei den Winkeln von 90, 210 und 330° (Kurbelwelle 8).

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Die Linie l6 stellt die Summe der gleichzeitig von den Kolben und 6 verdrängten Volumen dar. Diese Linie hat ihren Scheitelpunkt bei 17, der das maximale Volumen der aus den beiden Zylindern gebildeten Einheit darstellt. Der Punkt 17 wird erreicht, nachdem die Kurbelwelle ^ ihren unteren Totpunkt passiert hat und sich in einer Nutzarbeitsstellung befindet. Das gleiche gilt hinsichtlich der Tiefstpunkte 18 und 18* der Linie. 16, die sich darstellen, wenn die Kurbelwelle '! ihren oberen Totpunkt überschritten hat.

Während einer Anstiegsbewegung der Volumensumme (Dekompression) zwischen den Punkten 18 und 17, berührt die Linie 16 die Linie I^ an zwei Stellen, und zwar an den Punkten 19 und 20 (Winkel von 30 und 150°). Zwischen den Punkten 19 und 20 steigt die Summe der Volumen zunächst stärker an als das Volumen nach der Linie Ik_t und zwar bis auf einen Uralaufwinkel von 90°, um dann zwischen den Winkeln 90 bis 150° deutlich weniger anzusteigen als das Volumen nach der Linie 1*J. Ausgehend vom Punkt 20 steigt die Summe der Volumen von neuem bis zum Punkt 17 stärker an. Durch diese besondere Form der Linie 16 zwischen den Punkten 18 und wird die Verbrennung des Kraftstoffes begünstigt und vollständiger

Bei einer Verringerungsbewegung der Volumensumme, einer Verdichtungsbewegung zwischen den- Punkten 17 und 18' entsprechend, ist festzustellen, daß die Linie 16 eine deutlich größere Neigung hat als die Linie 1*1, was einer starken Verdichtung am Anfang der Bewegung entspricht, wo die Erhöhung der Verdichtung ohne Ein-

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fluß auf den Kraftstoff hinsichtlich seiner Klopffestigkeit bleibt. Im Punkt 21 (Winkel 2?0°) berührt die Linie 16 von neuem die Linie 14. Ausgehend von diesem Punkt nimmt die Linie 16 eine schwächere Neigung an als die Linie l^l\. Somit findet eine verhältnismäßig verlangsamte Verdichtung bis zum Umlaufwinkel von 330° statt, wobei das Kleinstvolumen 18' erreicht v/ird, nachdem die Linie 16 eine im Winkel von 36O° errichtete Senkrechte geschnitten hat.

Hieraus folgt, daß der Verdichtungsdruck, dargestellt durch die Linie 22, für die die Hilfsordinate y^f-y^! die Werte in kg/cm² angibt, in aem Augenblick verhältnismäßig niedrig ist, in dem sich die Kurbelwelle 4 auf ihrem oberen Totpunkt befindet, und dann schnell ansteigt, um sein Maximum zu erreichen, kurz bevor die Kurbelwelle eine Umlaufbewegung von 30° ausgeführt hat. Aus diesem Verhalten der Linie 22 folgt, daß der Motor nach der Erfindung die Verwendung einfacherer Kraftstoffe gestattet, die keine die Klopffestigkeit erhöhende, luftverschmutzende Zusätze aufweisen.

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Claims

Patentansprüche:

[I.) Verbrennungsmotor, bei dem jedem Arbeitszylinder ein mit diesem in Verbindung stehender Zusatzzylinder zugeordnet ist, dessen Kolben ein kleineres Volumen als das des Kolbens des Arbeitszylinders verdrängt und mit einer in Bewegungsübertragungs verbindung mit der Kurbelwelle des Kolbens des Arbeitszylinders stehenden Kurbelwelle zusammenwirkt, wobei die beiden Kurbelwellen mit winkliger Phasenverschiebung arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der mit dem Kolben (6) des Zusatzzylinders (5) zusammenwirkenden Kurbelwelle (8) mehr als das Doppelte derjenigen der mit dem Kolben (2) des Arbeitszylinders (1) zusammenwirkenden Kurbelwelle (4) beträgt.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der mit dem Kolben (6) des Zusatzzylinders (5) zusammenwirkenden Kurbelwelle (8) das Dreifache derjenigen der mit dem Kolben (2) des Arbeitszylinders (1) zusammenwirkenden Kurbel welle (ή) beträgt.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Kolben (6) des Zusatzzylinders (5) verdrängte Volumen zwischen 1/5 und 1/3 des vom Kolben (2) des Arbeitszylinders (1) verdrängten Volumens liegt.
4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Kolben (6) des Zusatzzylinders (5) ver-

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drängte Volumen 1/4 des vom Kolben (2) des Arbeitszylinders (1) verdrängten Volumens beträgt.
5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn-~ zeichnet, daß die mit dem Kolben (2) des Arbeitszylinders (1) zusammenwirkende Kurbelwelle (4) gegenüber der mit dem Kolben (6) des Zusatzzylinders (5) zusammenwirkenden Kurbelwelle (8) um einen Winkel zwischen 15 und 45° vorläuft.
6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dpß die mit dem Kolben (2) des Arbeitszylinders (1) zusammenwirkende Kurbelwelle (4) in Bezug auf die mit dem Kolben (6) des Zusatzzylinders (5) zusammenwirkende Kurbelwelle (8) um einen Winkel von 30° vorläuft.
7. Motor nach einem der Anbprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kurbelwellen (4,8) durch eine Zahnräderkette (10,11,12) miteinander verbunden sind.

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