DE2445748A1 - Verbrennungsmotor mit mehreren kammern - Google Patents

Description

08? 8502524

DIPL-PHYS. WILLY LORENZ, PATENTANWALT, «035 GAUnNG, HUBShTUSSTRASSE 83>/. ·

25. September 1974 Meine Akte; m 68-j,DT

MOTOSACOCHE S.A., Geneve / SCHWEIZ

Verbrennungsmotor mit mehreren Kammern

Die.Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren mit mehreren Kammern, in denen die Verbrennung stattfindet, mit mindestens einem beweglichen Arbeitsorgan, das dem in den Kammern herrschenden Druck unterworfen ist.

Es wurde schon versucht, das Füllen der Arbeitskammern eines Verbrennungsmotors durch eine Vorrichtung zu verbessern, die eine kurzzeitige Verbindung zwischen zwei Kammern herstellt, wobei sie periodisch dem Beginn der Auspuffphase der einen und das Ende der Einströmphase der anderen Kammer überdeckt, so daß die Restenergie der Auspuffgase der ersten Kammer dazu benützt wird, eine Überfüllung der zweiten Kammer zu erzeugen, wenn diese sich am Ende der Einströmphase befindet.

Eine Vorrichtung dieser Art wird z.B. in der DT-AS 1 601 971 beschrieben. Diese bekannte Vorrichtung besteht aus einem komplizierten mechanischem Drehstück und ist nur für Motoren

509814/0370

mit sternförmig angeordneten Zylindern anwendbar, wenn man seine Kompliziertheit nicht noch erhöhen will.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, das Überfüllen von Diesel- oder Benzinmotoren durch besonders einfache Mittel zu ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Motor der oben beschriebenen Art, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vorrichtung zur kurzzeitigen Verbindung aus einer festen Leitung besteht, deren jedes Ende in eine Öffnung mündet, die in die jeweilige Kammer führt, wobei diese Öffnungen so angeordnet sind, daß sie von dem beweglichen Arbeitsorgan, in dem Augenblick freigegeben werden, in dem sich die kurzzeitige Verbindung vollziehen muß; wobei Mittel vorgesehen sind, die eine Spülung dieser Leitung außerhalb der Zeiträume der Überfüllung gewährleisten.

Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die schematische Zeichnung beispielsweise näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Zweizylinder-Zweitaktmotors;

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen Kolben des Motors gemäß Fig. 1, senkrecht zur Achse eines Zylinders;

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend einem Schnitt nach der Linie IH-III der Fig. 2;

Fig. 4 und 5 zwei Varianten des Motors nach den Fig. 1 bis 3;

5098U/0370

-3- 24457A8

Fig. 6 die zweite Ausführungsform, die einem Zweizylinder-Viertaktmotor entspricht;

Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 6; Fig. 8 und 9 eine andere Möglichkeit der Spülung; Fig. 10 eine weitere Ausführungsform.

In der in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsform weist ein Zweitaktmotor zwei Zylinder 1 und 2 auf. Zwei schematisch dargestellte Zuleitungen 3 werden von einem nicht gezeigten Gebläse mit Frischluft gespeist und ermöglichen die Zufuhr von Spülluft auf herkömmliche Weise durch Eintrittsöffnungen 4, die vom Kolben 5 freigegeben werden, wenn er seine untere Stellung erreicht.

Dieser Motor weist eine AuspuffSammelleitung 6 auf, die dazu dient, die durch eine Austrittsöffnung 7 ausströmendoiVerbrennungsgase zu sammeln; sie wird ebenfalls auf klassische Weise vom Kolben freigegeben, wenn er sich seinem unteren Totpunkt nähert.

Das Überfüllen der Zylinder geschieht durch eine Leitung, die von einem Rohr 8 gebildet wird, welches die beiden Zylinder 1 und 2 miteinander verbindet und in jedem in eine Öffnung 9 mündet, die höher als die Austrittsöffnung 7 liegt. Auf diese Weise bewegt sich der Kolben während der Explosion in einem der Zylinder nach unten und gibt zuerst die Öffnung 9 frei und dann die Öffnung 7. Während die Öffnung 9 freigegeben wird, strömen die Explosionsgase in das Rohr 8 und stoßen die darin befindliche Luft in das Innere des anderen Zylinders, dessen

509814/03 7-0

-4- 2U5748

Kolben gerade wieder hochgeht, aber die Öffnung 9 noch nicht wieder verschlossen hat. So sind während der Verdichtungsphase im Zylinder die öffnungen 4 und 7 schon geschlossen, während die Öffnung 9 noch geöffnet ist und das Hineinströmen von zusätzlicher Luft ermöglicht, die durch die Wirkung der Explosionsgase im anderen Zylinder unter Druck steht. Es ist klar, daß die Menge der zusätzlich eingeführten Luft besonders von den Abmessungen des Rohrs 8 und der Form der Öffnungen 9 abhängt.

Nachdem die Uberfüllung eines Zylinders vollendet ist, enthält das Rohr 8 zum größten Teil Verbrennungsgase und es ist notwendig, es zu reinigen, wenn man will, daß bei der nächsten Zündung dieses Rohr die Überfüllung mittels Verbrennungsluft ermöglicht. Hierfür weist jeder Kolben 5 einen Durchlaß 10 auf, der eine Verbindung zwischen der zusätzlichen Öffnung 9 und den Eintrittsöffnungen 4 des gleichen Zylinders herstellt, wenn sich der Kolben in seiner oberen Stellung befindet. Auf diese Weise strömt die vom Ventilator in die Zuleitungen 3 des Zylinders, dessen Kolben sich in der oberen Stellung befindet, geblasene Luft durch den Durchlaß 10, kühlt den Kolben und reinigt das Rohr 8, spült die darin befindlichen Verbrennungsgase hinaus und entleert sie in den anderen Zylinder, der sich in der Spülphase befindet und dessen Kolben seine untere Stellung einnimmt.

Es ist übrigens nicht unerläßlich, daß die Zuleitungen von einem Gebläse gespeist werden. Die Möglichkeit einer Arbeitsweise ohne Gebläse ist besonders interessant im Fall von Zweitaktmotoren mit Spülung durch den Kurbelkasten. In diesem Fall kann eine Selbstspülung des Rohrs 8 in einem bestimmten Drehzahlbereich durch einen dynamischen Zyklus erreicht werden, der dem entspricht, der auf dem Prinzip des bekannten Gebläsemotors

5098U/0370

beruht. Bei Anwendung dieses Prinzips muß man es einrichten, daß die vom Auspuff des einen Zylinders kommende Druckwelle sich im Rohr 8 ausbreitet und gegen die Öffnung des anderen Kolbens zu dem Zeitpunkt stößt, wo diese verschlossen ist. Diese Welle wird also reflektiert und kommt zu dem Zylinder in der Spülphase zurück und strömt zum Auspuff und erzeugt gleichzeitig hinter sich einen Sog, der die frische Spülluft des Rohrs vom Kurbelkasten aus durch eine Öffnung im Kolben der sich in seiner oberen Stellung befindet, saugt.

Die Vorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 3 wurde im Fall eines Zweizylindermotors beschrieben, dessen Winkelverschiebung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Explosionen 180° beträgt, aber es ist klar, daß die gleiche Vorrichtung auch für Motoren mit einer größeren Anzahl von Zylindern,die um 180° verschoben sind, anwendbar ist. Das gleiche Prinzip findet auch bei Gruppen von drei um 120 versetzten Zylindern Anwendung.

Die Fig. 4 stellt eine Variante des in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Motors dar. Gemäß dieser Abwandlung weist das Rohr 8 in seinem Mitteilteil einen Ausgang auf, der eine Düse 24 in der AuspuffSammelleitung bildet, wobei diese Düse koaxial zum Ausgang der Sammelleitung 6 ist, so daß die die Sammelleitung 6 durchquerenden Abgase einen Unterdruck in dieser Düse erzeugen. Auf diese Weise wird die Spülung des Rohrs 8 erleichtert, wobei die Frischluft abwechselnd durch jedes der Enden des Rohrs 8 eintritt und die Verbrennungsgase durch die Mitte dieses Rohrs durch die Düse 24 austreten. So bekommt bei jedem Spüldurchgang eine Hälfte des Rohrs 8 Frischluft durch.den Durchlaß des einen Kolbens, während die andere Hälfte des Rohrs 'eine bestimmte Menge Frischluft von der Spülung des Zylinders, der den anderen Kolben enthält, bekommt.

5098U/037Q

-6- 24A5748

Gemäß einer in Fig. 4 durch eine gestrichelte Linie gezeichnete Abwandlung, könnte das Rohr 8 *an jedem seiner Enden eine mit dem Gebläse verbundene Leitung 25 aufweisen, die ein automatisches Ventil 26 besitzt, um zu verhindern, daß die Gase während der Überfüllungsphase auf den Ventilator zuströmen, das aber die Zuführung von Frischgasen durch die beiden Enden des Rohrs 8 während seiner Spülung ermöglicht.

Nach einer anderen in Fig_e 5 gezeigten Variante, sind das Rohr und die Sammelleitung von einer einzigen Leitung 6¹ gebildet, die in eine, den Öffnungen 7 und 9 der Fig. 1 bis 3 entsprechende Öffnung mündet, wobei deren jeweilige Innenräume nunmehr vereint sind. Um die Überfüllung zu ermöglichen, ist der Motor mit einem periodischen Verschlußorgan 27 am Ende der Aus|Juff Sammelleitung ausgestattet, wobei dieses Organ 27 z.B. eine Drosselklappe sein kann. Dieses Verschlußorgan erzeugt ein mindestens teilweises Verschließen der Sammelleitung zum Zeitpunkt des Beginns der Auspuff phase des einen Zylinders, so. daß der Druck der Verbrennungsgase die in der Sammelleitung befindliche Luft in den anderen Zylinder, der sich am Ende der Einströmphase befindet, preßt. Darauf öffnet sich das Verschlußorgan 27, um das normale Entweichen aus dem Zylinder in der Auspuffphase und die Spülung mindestens eines Teils der Sammelleitung 6¹ zu ermöglichen, wobei sich diese Spülung während der Spülphase des betreffenden Zylinders abspielt. Durch diese Lösung kann jeglicher Benzinverlust durch den Auspuff vermieden werden.

Die Fig. 6 und 7 beziehen sich auf eine Ausführungsform für einen zweizylindrigen Verbrennungs-Viertaktmotor. Zur Vereinfachung der Zeichnung wurden weder die Ventilsteuerung, noch die Eintritts- und Austrittssammelleitungen dargestellt, die auf ganz klassische Weise konstruiert sind.

5098.14/0370

In-einem Viertaktmotor mit zwei Zylindern mit einer Verschiebung von 360°, dessen Kolbenhübe gleichphasig ablaufen, wie z.B. in einem Reihen- oder Boxermotor, wird die Überfüllung durch eine Leitung erreicht, die von einem Rohr 11 gebildet wird, welches die beiden Zylinder 12 und 13 durch Öffnungen 14 und 15 verbindet. Diese Öffnungen werden von den Kolben 16 und 17 offen gelassen, wenn diese in ihre untere Stellung kommen. Wenn ein Zylinder am Beginn der Auspuffphase und der andere am Ende der Ansaugphase vor dem jeweiligen unteren Totpunkt ist, so strömen die unter Druck stehenden Gase des ersten Zylinders auf diese Weise in das Rohr 11 und pressen die darin befindliche Luft in das Innere des Zylinders, der sich am Ende der Ansaugphase befindet. Beim Aufwärtshub der Kolben wird die Verbindung über das Rohr 11 unterbrochen, da die Öffnungen 14, 15 durch die Kolben 16 und 17 verschlossen werden. In dieser Ausführungsform kann es interessant sein, die Öffnungszeiten der Ventile in bezug auf herkömmliche Motoren zu verkürzen.

Nach der Überfüllung ist das Rohr 11 voll von Verbrennungsgasen, die durch eine Spülung beseitigt werden, während die beiden Kolben in der oberen Stellung sind. Hierzu weist jeder Kolben einen Durchlaß 18,19 auf, dessen einer, 18, die Öffnung 14 mit einer Öffnung 20 verbindet, die eine Leitung 21 kontrolliert, die mit Frischluft durch ein nicht dargestelltes Gebläse gespeist wird. Der andere Kolben 17 verbindet durch seinen Durchlaß 19 die öffnung 15 mit einem Abzug 22 durch eine Öffnung 23. So werden jedesmal, wenn die beiden Kolben in ihrer oberen Stellung sind, die im Rohr 11 enthaltenen Verbrennungsgase durch Frischluft ausgespült. Der Durchlaß 19 ist höher als der Durchlaß 18, um den unter Druck stehenden Gasen im Rohr 11 vor der Spülung ein Entspannen zu ermögr liehen.

5098U/0370

Die Vorrichtung nach den Fig. 6 und 7 ist sehr einfach. Jedoch müssen die Kolben 16 und 17 unterschiedlich sein, da der Durchlaß 19 höher ist als der Durchlaß 18. Außerdem erfolgt die Spülung in der gleichen Richtung, was unterschiedliche Kühlungen für die Kolben 16 und 17 ergibt. Tatsächlich wird bei jeder Spülung der Durchlaß 18 des Kolbens 16 von Frischluft durchströmt, während der Durchlaß 19 des Kolbens 17 im wesentlichen von relativ heißen Verbrennungsgasen durchströmt wird, die sich noch im Rohr 11 befinden.

Die Fig. 8 und 9 beziehen sich auf eine andere Ausführungsform, nach der die Spülung der Überfüllungsleitung auf symmetrische Art vollzogen wird, während das Ausströmen der Verbrennungsgase aus dieser Leitung im Mittelpunkt der letzteren geschieht. Der Motor besitzt zwei Zylinder 28 und 29, ebenso wie eine AuspuffSammelleitung 31» die die Verbrennungsgase aufnimmt, die durch die Auspuffventile ausgetreten sind. Diese Sammelleitung 31 weist eine Ausgangsdüse 32 auf, die koaxial in einer Düse 33 in der Mitte des Rohrs 30 angebracht ist, das die Überfüllungsleitung darstellt. Auf diese Weise entwickeln die aus der Düse 32 ausströmenden Auspuffgase einen Unterdruck, der die Tendenz hat, die Verbrennungsgase in der Leitung 30 durch die Düse 33 austreten zu lassen. In diesem Fall sind die in den Zylindern 28 und 29 sich bewegenden Kolben identisch und jeder weist, wie in Fig. 9 gezeigt ist, einen Durchlaß 38 auf, der die Verbindung einer Luftzufuhr bzw. 35 mit dem Rohr 30 ermöglicht, das die Überfüllungsleitung bildet. Daraus folgt, daß bei jeder Spülung des Rohrs die Spülluft durch jedes Rohrende hineinströmt, nachdem sie symmetrisch die beiden Kolben gekühlt hat. Die Spülluft wird wieder von einem nicht dargestellten Gebläse zugeführt und der Spülströmung wird natürlich durch den in der Düse 33 von den aus der Düse 32 entweichenden Gasen erzeugten Unterdruck erleichtert.

5098U/0370

Die Fig. 10 zeigt eine einfachere Ausführungsform, die der von den Fig. 8 und 9 völlig gleich ist, aber bei der man herkömmliche Kolben verwenden kann, d.h. die den Durchlaß 38 nicht besitzen. Die Spüiluft wird von einem nicht dargestellten Gebläse zugeführt und dringt durch automatische Ventile 36 bzw. 37 in das Rohr 30 ein. Natürlich könnten die automatischen Ventile durch jedes andere Verschlußorgan mit automatischer Arbeitsweise oder mechanischer Steuerung ersetzt werden.

Es ist selbstverständlich, daß in den Vorrichtungen nach den Fig. 8 bis 10 ein diskontinuierliches Verschlußelement vorgesehen werden könnte, wie z.B. eine Drehbuchse anstelle der Düse 33 auf dem Rohr 30. In diesem Fall hätte man eine ausgezeichnete Wirkung der 'Überfüllung, wobei man einen großen Abzugsquerschnitt erreichen würde, der die symmetrische Spülung des Rohrs außerhalb der Überfüllungsphasen erleichtert.

Die verschiedenen beschriebenen Vorrichtungen sind sehr interessant und weisen eine Reihe von Vorzügen auf:

1. Die Überfüllungswirkung ist besser wie bei den herkömmlichen Vorrichtungen, denn nur die zusätzliche Füllung iri der Leitung der kurzzeitigen Verbindung wird komprimiert.

2. Der Geräuschpegel wird stark herabgesetzt, denn die Tonwelle, die dem Beginn der Auspuffphase entspricht, wird nicht in den Auspufftopf, sondern in den Vorverdichtungszylinder geleitet.

3. Die Wirkung der Vorrichtung erfolgt direkt während der FülU. lungsänderungen, was die Rauchbildung im Falle der Diesel- ' motoren vermeidet. '

50981A/0370

4. Die Elastizität des Motors ist größer, denn die Überfüllung . steigt, während die Motordrehzahl infolge der Erhöhung der Überfüllungszeit vermindert wird.

5. Mit diesen Vorrichtungen kann eine starke Wirbelströmung in den Zylindern erzeugt werden, was sich günstig auf die völlige Verbrennung des Brennstoffs in den Dieselmotoren und auf die Homogenität der Frischgase in den Benzinmotoren auswirkt.

Ein sehr interessantes Anwendungsgebiet der beschriebenen Vorrichtungen ist das der Motoren mit Turbokompressor. Bekanntlich haben die Turbokompressoren eine gute Charakteristik, wenn der Motor auf hohen Drehzahlen läuft. Im Gegensatz dazu ist bei niedrigen Drehzahlen die erzielte Wirkung der Überfüllung praktisch Null. Wenn man die kurzzeitige Verbindung der beschriebenen Vorrichtungen verwendet, die, wie schon gesagt wurde, ein Maximum an überfüllung für die niedrigen Motordrehzahlen ergibt, wird der Druckmangel bei der Aufladung des Turbokompressors so kompensiert, daß man am Ende eine ausgezeichnete Überfüllung für alle Gebrauchsdrehzahlen des Motors erhält.

Außerdem kann beim Viertaktmotor mit Turbokompressor die Spülung der Überfüllungsleitung sehr einfach durch Anschluß an den Zuleitungsstutzen vollzogen werden, der in bezug auf die Außenluft unter Überdruck steht. Selbstverständlich muß das Entleeren der Überfüllungsleitung in der Auspuffleitung nach der Turbine des Turbokompressors geschehen.

509814/0370

Ansprüche

Claims (7)

1. Patentansprüche

   (i ) Verbrennungsmotor mit mehreren Kammern, in denen die Verbrennung stattfindet, mit mindestens einem beweglichen Arbeitsorgan, das dem in den Kammern herrschenden Druck unterworfen ist, und eine Vorrichtung, die eine kurzzeitige Verbindung zwischen zwei Kammern herstellt, wobei sie periodisch den Beginn der Auspuffphase der einen und das Ende der Einströmphase der anderen Kammer überdeckt, so daß die Restenergie der Auspuffgase der ersten Kammer dazu benützt wird, eine Überfüllung der zweiten Kammer zu erzeugen, wenn diese sich am Ende der Einströmphase befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung der kurzzeitigen Verbindung aus einer festen Leitung (8; 11) besteht, deren jedes Ende in eine Öffnung (9) mündet, die in die jeweilige Kammer führt, wobei diese Öffnungen (9) so angeordnet sind, daß sie von dem beweglichen Arbeitsorgan (5) in dem Augenblick freigegeben werden, in dem sich die kurzzeitige Verbindung vollziehen.muß, wobei Mittel vorgesehen sind, die eine Spülung dieser Leitung außerhalb der Zeiträume der Überfüllung gewährleisten.
2. 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Gebläse besitzt, das an die Zuleitung (3;21) angeschlossen ist, um das Ausspülen der Verbrennungsgase aus der genannten Leitung (8:1.1) zu sichern.
3. 3. Motor nach Anspruch 2, bei dem sich in jeder Kammer ein Kolben bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5;16,17) einen Durchlaß (10;18) aufweist, der dazu dient, periodisch in die der Öffnung (9;14,15) gegenüberliegende Stellung zu kommen, um das Ende der Leitung der kurzzeitigen Verbindung (8;11)

   509814/0370

   mit der Zuleitung (3;21) oder einer Auspuffleitung (6;20) des

   Motors zu verbinden, um die Spülung dieser Leitung (8; 11 )

   außerhalb der Perioden der kurzzeitigen Verbindung zu ermöglichen.
4. 4. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (30) mit jedem ihrer Enden mit einer Frischluftzufuhr kommuniziert, wobei diese Leitung in ihrem Mittelteil eine Öffnung (33) aufweist, die den Abzug der Verbrennungsgase unter der Wirkung der Frischluftzufuhr ermöglicht.
5. 5. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Saugleitung in seiner Auspuffsammelleitung besitzt, wobei diese Saugleitung durch den Durchlaß (19) des Kolbens mit der Leitung (11) verbunden ist, um sie von den Verbrennungsgasen zu entleeren.
6. 6. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (8;30) an jedem ihrer Enden ein automatisches Ventil (26;36,37) aufweist, das die Zufuhr von Frischgasen in diese Leitung ermöglicht, um ihre Spülung zu gewährleisten.
7. 7. Motor nach Anspruch 1, mit mindestens einer Gruppe von zwei Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (6·) mit einem diskontinuierlichen Verschlußorgan (27) versehen ist, welches den freien Abzug der Auspuffgase bei jedem Beginn der Auspuffphase des einen Zylinders verhindert, um die in der Leitung (6¹) befindliche Luft in den anderen Zylinder zu leiten, der sich am Ende der Ansaugphase befindet, worauf das Verschlußorgan (27) den freien Durchfluß der Verbrennungsgase nach außen zuläßt, um die Spülung der Leitung mit Frischgasen zu ermöglichen.

   5098U/0370

   Leerseite