DE2531565A1 - Brennkraftkolbenmaschine - Google Patents

Description

T0V7NSEND ENGINEERING COMPANY in Des Moines, Iowa/V.St.A.

Brennkraftkolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftkolbenmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad.

In den bekannten Brennkraftmaschinen wird die Explosionswärme teilweise von den Wänden der umgebenden Metallteile aufgenommen und an deren Außenfläche mittels an den Zylindern angebrachter Rippen in die Luft abgestrahlt oder in einem Kühlmantel von einer Kühlflüssigkeit abgeführt.

In Brennkraftmaschinen mit umlaufenden Zylindern tragen die Kolben Rollen, die an einer die Kolben ringförmig umgebenden Nockenscheibe abrollen. Häufig reicht jedoch die Zentrifugalkraft nicht aus, um die Saugv/irkung zu überwinden, wenn die Kolben in bekannter Weise die Verbrennungsluft ansaugen müssen.

In den bekannten Brennkraftmaschinen mit Zündung durch Verdichtung (Dieselmaschinen) oder Zündkerzen (Ottomaschinen) treten Klopferscheinungen auf, die durch den plötzlichen

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Druck- und Temperaturanstieg unmittelbar nach der Zündung hervorgerufen werden, während der Kolben sich noch in der Nähe des oberen Totpunktes befindet, v/o sehr wenig Volumen vorhanden ist, in welches die Verbrennungsgase sich ausdehnen können. Um diesem Problem beizukommen, verwendet man entweder ein Antiklopfmittel wie Bleiverbindungen, um das Abbrennen des Kraftstoffs zu verzögern, oder der Kraftstoff wird erst allmählich in den Zylinder eingespritzt, so daß die Verbrennung in gleichem Maße fortschreitet, wie der Kolben sich im Zylinder expandiert; dies ist das Prinzip des Dieselmotors. Diese Lösung erfordert eine sehr sorgfältige Zeitplanung und Steuerung und bewirkt eine Verringerung des Wirkungsgrades, weil die Verbrennung teilweise verzögert wird, bis der Kolben schon weitgehend den unteren Totpunkt erreicht hat.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Wirkungsgrad der bekannten Brennkraftmaschinen, insbesondere derjenigen nach dem Dieselprinzip, durch gleichmäßigeren Ablauf des Verbrennungsvorgangs zu verbessern.

Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß in der Zylinderwand eine Vorratskammer für Kraftstoff vorgesehen, die mit dem relativ kleinen Brennraum an einer kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens gelegenen Stelle derart in Verbindung steht, daß die Vorratskammer in der Stellung maximaler Ver-

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dichtung durch am Kolben angeordnete Dichtungsmittel von Brennraum abgetrennt ist.

Dank dieser Anordnung genügt eine geringe v/eitere Verschiebung des Kolbens aus der Stellung, in welcher er das in der Vorratskammer befindliche Kraftstoffgemisch abgetrennt hat, um durch den plötzlichen starken Druckanstieg im Brennraum den dort befindlichen Kraftstoff zu zünden. Hierdurch wird der Arbeitshub eingeleitet; aber wegen des verhältnismäßig kleinen Volumens des Brennraums kann der Druck dort nicht übermäßig ansteigen. Erst wenn der Kolben sich so weit zurückbewegt hat, daß er die Verbindung zu der Vorratskammer freigibt, wird auch das in dieser Vorratskammer befindliche Gemisch gezündet und trägt so zur nützlichen Arbeitsleistung bei. Dadurch wird der Brennvorgang auf einen längeren Zeitraum verteilt, so daß der Wirkungsgrad der Maschine gesteigert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung derselben mit weggebrochenen Teilen,

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Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Zylinders, Fig. 4 eine Abbildung der Nockenscheibe,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung rechtwinklig zu dem Schnitt nach Fig. 2,

Fig. 6 ein Explosionsbild des feststehenden Kerns,

Fig. 7 ein Schnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 6 in größerem Maßstab,

Fig. 8 ein Schnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 7 in größerem Maßstab,

Fig. 9 ein Schnitt längs der Linie 9-9 in Fig. 7 in größerem Maßstab

und
Fig.10 eine Stirnansicht des Kerns, gesehen in Richtung der Linien 10-10 in Fig. 9.

Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit um einen feststehenden Kern umlaufenden Zylindern. Die Maschine 10 weist zwei Schalenhälften 12 und 14 auf, die mit Schrauben 16 unter Zwischenlage einer Nockenscheibe 18 zusammengehalten werden.

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Die Nockenscheibe 18 befindet sich hierzu in Ringnuten 20 und 22 am Umfang der Schalenhälften 12 und 14 (Fig. 5). Die Schalenhälfte 12 ist mit einem Fußteil 24 zur Aufstellung der Maschine versehen.

Durch die Schalenhälfte 12 ist eine Antriebswelle 26 durchgeführt und in einem Hauptlager 28 gelaaert. An das innere Ende der Antriebswelle 26 ist eine Mitnehmerscheibe 30 angeschweißt, die auf ihrem Umfang mit Löchern 32 zur Aufnahme von Schrauben 34 versehen ist. Die Schrauben 34 greifen in entsprechende Gewindelöcher an einem Ende eines Rotors 35.

Der Rotor 35 sitzt auf einem Kern 36, der durch die Schalenhälfte 14 in die Maschine 10 ragt und an seinem inneren Ende 38 ein Lager 40 für den Rotor 35 trägt. Der Kern 36 besteht aus den Teilen 42, 44 und 46. Wie aus Fig. 5 und 6 ersichtlich, ist der Kernteil 46 auf einen Abschnitt 48 verringerten Durchmessers des Kernteils 44 aufgeschoben. Der Abschnitt 48 ist auf seinem Umfang mit drei Ringnuten 50, 52 und 54 versehen, in denen O-Ringe 56, 58 und 60 (Fig. 9) sitzen.

Der Kernteil 42 weist zwei Löcher 62 und 64 zur Aufnahme von Befestigungsschrauben 66 und 68 auf, die in entsprechende Gewindelöcher an der Stirnseite des Kernteils 44 greifen. Ferner besitzt der Kernteil 42 einen mit Innengewinde versehenen Einlaß 70 zur Befestigung eines LufteinlaßStutzens 72,

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Der Einlaß 70 steht in Verbindung mit einem Kanal 74, der zu zwei achsenparallelen Kanälen 76 und 78 führt. Wie Fig. 9 zeigt, setzen sich die Kanäle 76 und 78 in Kanälen 80 und 82 des Kernteils 44 fort und enden schließlich in radialen Kanälen 84 und 86, die mit bogenförmigen Luftauslaßschlitzen 88 und 90 in Verbindung stehen. Die Auslaßkanäle 84 und 86 befinden sich zwischen den O-Ringen 56 und 58 und liegen sich diametral gegenüber.

Der Kernteil 42 besitzt ferner einen Kraftstoffeinlaß 92 mit Innengewinde, an den ein Kraftstoffzuführungsstutzen 94 angeschlossen ist. Die Einlaßöffnung 9 2 steht über einen Kanal 96 und in Längsrichtung verlaufende Kanäle 98 und 100 des Kernteils 42 (Fig. 8) mit entsprechenden Kanälen 102 und 104 des Kernteils 44 in Verbindung, deren innere Enden in radiale Auslaßkanäle 106 und 108 übergehen, welche mit bogenförmigen Auslaßschlitzen 110 und 112 des Kernteils 46 in Verbindung stehen.

Schließlich ist im Kernteil 46 ein mit Innengewinde versehener öleinlaß 114 vorgesehen, der mit einem radial nach inner^verlauf enden Kanal 116 in Verbindung steht (Fig. 8) . Das innere Ende des Kanals 116 steht in Verbindung mit einem in Längsrichtung verlaufenden Kanal 118, von dem drei schräg nach außen zu dem verjüngten Abschnitt 126 des Kernteils 46 verlaufende Kanäle 120, 122 und 124 ausgehen. In die Einlaß-

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öffnung 114 ist eine Ölleitung 128eingeschraubt, die mit einer Druckölquelle in Verbindung steht.

Mit der verjüngten Oberfläche 126 des Kernteils 46 wirkt ein am Rotor 35 befestigter umlaufender Schieber 130 zusammen, dessen konische Fläche 132 an die Fläche 126 angepaßt ist. Auf dem Umfang des Schiebers 13o sind vier Luftkanäle 134 und vier Kraftstoff- bzw. Gemischkanäle 136 verteilt, wie weiter unten näher erläutert wird.

Am Rotor 35 sind mehrere Zylinder 138 mit Schrauben 140 befestigt, die durch Löcher 142 in an die Zylinder angegossenen Flanschen 144 durchgehen. Jeder Zylinder 138 (Fig. 2) besitzt einen inneren Endteil 146 und einen Mantelteil 148. Der Mantelteil 148 ist mit gegenüberliegenden Längsschlitzen 15o und 152 versehen. Auf einem Teil des Umfangs jedes Zylinders 138 sind radiale Lufteinlaßöffnungen 154 und Gemischeinlaßöffnungen 156 verteilt. Ferner sind auf einem anderen Teil des Umfangs Auslaßöffnungen 158 verteilt. Die Auslaßöffnungen 158 befinden sich etwa 3 mm näher am inneren Ende des Zylinders als die Luft- und Gemischeinlaßöffnungen 154 und 156.

In jedem Zylinder 138 ist ein Kolben 160 mit Kopfteil 162 und Schürzenteil 164 verschiebbar. Im Schürzenteil 164 ist ein Querzapfen 168 befestigt, der eine Rolle 166 trägt. Die

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Rolle 166 tastet die Kurvenfläche 170 der Kurvenscheibe 18 ab, um so den Kolben in Längsrichtung des Zylinders zu verschieben, wenn der Rotor umläuft. Jeder Kolben 160 ist mit Kolbenringen 172, 174 und 176 ausgestattet. Wie Fig. 5 zeigt, dient der Kolbenring 172 zur Abdichtung kleiner Hohlräume 178 in der Innenfläche des Zylinders 138 vom Brennraum. Die Hohlräume 178 sind auf dem ganzen Umfang der Zylinderinnenwand verteilt und bilden zusammen eine Gemisch-Vorratskammer, Die Hohlräume 178 sind so angeordnet, daß der Kolbenring 172 die Hohlräume kurz vor Erreichung des oberen Totpunkts von dem Brennraum abtrennt. Wenn der Kolben den oberen Totpunkt überschritten und den Arbeitshub begonnen hat, treten die Hohlräume 178 wieder in Verbindung mit dem Brennraum des Zylinders, wie im einzelnen nachstehend noch beschrieben wird.

Wie Fig. 5 ferner zeigt, stehen die Auslaßöffnungen 158 in den Zylindern 138 in Verbindung mit Auslaßkanälen 180 im Rotor 35, die zu einer Kammer 182 führen, welche ihrerseits in Verbindung mit einer Längsbohrung 184 der Welle 26 steht. Diese stellt das Auspuffrohr des Motors dar.

Die Kurvenfläche 170 der Kurvenscheibe 18 weist zwei diametral gegenüberliegende VorSprünge 186 und 188 auf. Die den Vorsprüngen 186 und 188 benachbarten Kurventeile werden nachstehend mit 190 und 192 bzw. 194 und 196 bezeichnet. Die

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zwischen den Vorsprüngen liegenden, weiter zurückgezogenen Kurventeile werden mit 198 und 2OO bezeichnet.

Im Betrieb wird unter Druck stehender Kraftstoff oder Gemisch ständig dem Stutzen 94 zugeführt, so daß in den Kraftstoffschlitzen 110 und 112 ständig ein unter Druck stehender Gemischvorrat vorhanden ist. Dieses Gemisch kann aber nur dann aus den Schlitzen 110 und 112 austreten, wenn diese mit Kanälen 136 des umlaufenden Schiebers 130 fluchten. Die Kanäle 136 führen zu den öffnungen 156 in den Zylindern 138, so daß dem Hubraum der Zylinder das unter Druck stehende

Gemisch zugeführt wird, wenn die Kanäle 136 mit den Schlitzen 110 oder 112 fluchten.

Der Lufteinlaßstutzen 72 wird ständig mit Druckluft versorgt, so daß diese in den Auslaßschlitzen 88 und 90 des Kernteils 46 stets vorrätig ist. Die Luft kann aber nur dann aus den Schlitzen 88 und 90 austreten, wenn diese mit den Kanälen 134 fluchten. Die Luftkanäle 134 des umlaufenden Schiebers 130 führen zu den Lufteinlaßöffnungen 154 in den Zylindern 138.

Die Ölleitung 128.wird ständig mit Drucköl versorgt, so daß das Schmieröl mittels der Kanäle 120, 122 und 124 ständig zwischen den verjüngten Teil 126 des Kernteils 46 und den konischen Teil des Schiebers 130 eindringt und die Abdichtung zwischen diesen Flächen übernimmt.

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Fig. 2 zeigt den oberen und den unteren Kolben in der oberen Totpunktlage. Die Rollen dieser Kolben berühren also die Mitte der Vorsprünge 186 und 188. Es genügt, die Arbeitsweise des oberen Kolbens näher zu beschreiben.

Wenn der Kolben sich in der ganz herausgeschobenen Stellung (unterer Totpunkt) befindet, die dem Kurventeil 200 entspricht, wird der Zylinder mit einem Gemisch von Kraftstoff und Luft gefüllt, wie oben beschrieben wurde. Wenn ein Weiterdrehen des Rotors der Kolben sich im Zylinder verschiebt, werden Kraftstoff und Luft zusammengepreßt und das betreffende Gemisch ist im Kopfteil des Zylinders, sowie auch in den offenen Hohlräumen 178 vorhanden. Wenn sich der Kolben dem Ende seines Verdichtungshubes nähert, während die ringförmig verteilten Hohlräume 178 noch freiliegen, nähert sich der Druck des Kraftstoffgemische dem Zündwert, erreicht diesen aber noch nicht ganz. Der Kolben 160 verschiebt sich nun so weit, daß er die Hohlräume 178 abdeckt, so daß diese mit einem Teil des Kraftstoffgemischs gefüllten Hohlräume nunmehr geschlossen v/erden. Der Rest der brennbaren Füllung ist in dem verhältnismäßig kleinen Brennraum zwischen dem Zylinderkopf und dem inneren Zylinderende eingeschlossen. Wenn der Kolben sich nur ganz wenig weiter verschiebt, wird die restliche Füllmenge rasch auf einen sehr hohen Druck zusammengepreßt, der weit über dem Zünddruck liegt. Infolgedessen wird die geringe Füllung in den Zwischenraum oberhalb des Kolbens durch einen

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sehr hohen Druck gezündet. Wenn daraufhin der Kolben seine Bewegung umkehrt und die Vorratshohlräume 178 wieder freigibt, wird der darin befindliche Kraftstoff ebenfalls gezündet, Angesichts der Beziehung zwischen dem Kolbenhub und dem kleinen Brennraum, der übrigbleibt, nachdem das Volumen der Vorratskammer von demjenigen des Brennraumes abgezogen wurde, nimmt das Verdichtungsverhältnis sehr rasch selbst mit kleinen Bewegungen des Kolbens zu. Selbst wenn also der zur Einleitung der Zündung erforderliche Druck infolge von atmosphärischen Bedingungen oder Maschinen-Bedingungen erheblich schwankt, braucht der Kolben sich nicht sehr weit zu verschieben, um den vollständigen Bereich der Zünddrücke ^zu durchlaufen. Durch Veränderung des Volumens der Vorratskammer im Vergleich zu dem Brennraum oberhalb der Vorratskammer ist es möglich, den Zündzeitpunkt hinsichtlich des oberen Totpunktes sehr genau einzustellen. Die eine Vorratskammer bildenden Hohlräume 178 bilden ein hervorragendes Mittel zur Festlegung des Zündzeitpunktes, und zwar nicht nur in der beschriebenen Maschine mit umlaufenden Zylindern, sondern auch in einer Dieselmaschine üblicher Bauart. Die Vorratsräume in der Zylinderwand haben den Vorteil, daß der Kraftstoff zusammen mit der Luft ungefähr bei Atmosphärendruck eingeführt werden kann, d. h. man kann auf das Einspritzen des Kraftstoffs und der Luft in den Zylinder gegen außerordentlich hohe Kompressionsdrücke, bei denen die Kraftstoffzumessung sehr schwierig wird, verzichten. Ferner wird eine

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vollständigere Verbrennung erzielt, da der Kraftstoff in Gemischform und nicht in flüssiger Form wie bei dem normalen Dieselmotor eingespritzt wird. Dies stellt einen Beitrag zur Verhinderung der Umweltverschmutzung dar.

Wie erwähnt, sind die Auslaßöffnungen 158 in den Zylindern 138 etwa 3 mm näher am inneren Zylinderende angebracht als die Luft- und Gemischöffnungen 154 und 156. Dadurch wird erreicht, daß im Arbeitshub der Kolben die Auslaßöffnungen 158 zuerst freigibt und das Auspuffgas unter dem im Verbrennungsraum herrschenden Druck ausgeblasen wird. Kurz nachdem die Auslaßöffnungen 158 mit dem Verbrennungsraum in Verbindung gebracht worden sind, werden auch die Spülöffnungen 154 und die Kraftstoffzuführöffnungen 156 freigegeben. Die zur Spülung und Kühlung dienende Luft tritt durch die öffnungen 54 ein, wodurch die Auspuffgase besser aus dem Zylinder ausgespült werden, wenn der Zylinderkopf an den Luftöffnungen 154 vorbeigegangen ist, so daß vom Gebläse geförderte Luft durch den Zylinder und die Auslaßöffnungen 158 geblasen wird und den Motor durch die Antriebswelle 26 verläßt, wie oben beschrieben wurde. Die Luft spült nicht nur die Auspuffgase heraus, sondern unterstützt auch die Kühlung der Maschine, sowie die Wiederfüllung des Zylinders für das nächste Arbeitsspiel. Das durch die öffnung 158 nach außen tretende Luftvolumen ist weit geringer als dasjenige, das zur Kühlung eines Zylinders von außen erforder-

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lieh wäre. Die Temperatur an der Innenfläche des Zylinders ist weit höher als an der Außenfläche, weshalb die Wärmeübertragung zwischen der inneren Zylinderfläche und der Umgebungsluft weit besser und schneller vor sich geht, als es bei einer Kühlung des Zylinders von außen möglich wäre. Es wurde demgemäß gefunden, daß eine geringere Luftmenge an der Innenfläche des Zylinders wegen der größeren Temperaturdifferenz und der größeren Abkühlungsgeschwindigkeit vollkommen ausreicht. Da ferner die Kolben durch eine Steuerkurve gesteuert werden, läßt sich in einfacher Weise der Verdichtungshub und insbesondere auch der Arbeitshub auf einen kleineren Teil einer Umdrehung zusammenziehen, so daß weniger Wärme in den Zylinderwänden verlorengeht und eine geringere Kühlung ausreicht. Da außerdem die Verdichtungsund Arbeitshübe verkürzt sind, steht mehr Zeit innerhalb eines Arbeitsspiels für die Kühlung zur Verfügung.

Die Zv/angskühlung durch in die Zylinder eingeblasene Luft hat noch einen weiteren Vorteil. Bei den normalen Brennkraftmaschinen mit umlaufenden Zylindern dient die Zentrifugalkraft dazu, die Kolben nach außen in Anlage an der Kurvenfläche zu halten. Die Zentrifugalkraft allein reicht nicht aus, um die Saugwirkung zu überwinden, wenn die Kolben ihre Luftfüllung in der üblichen Weise einsaugen sollen. In der beschriebenen Maschine wird dagegen das Gebläse dazu verwendet, die Zylinder zu füllen, wobei die Luft unter

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Druck in die Zylinder einströmt. Es entsteht also kein Unterdruck, der die Verschiebung der Kolben nach außen verzögert, sondern vielmehr ein überdruck, der die Zentrifugalkraft bei der Verschiebung der Kolben nach außen gegen die Steuerkurve unterstützt. Der auf die Kolben wirkende Luftdruck gewährleistet, daß die von den Kolben getragenen Rollen stets sicher an der Steuerkurve anliegen; gleichzeitig tritt eine verbesserte Aufladung der Zylinder ein.

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Claims (2)

1. Widenmaycrstraße 48 _T

   Tel. to 83) »9 si as 4$

   TOMiSEND ENGINEERING COMPANY in Des Moines, Iowa/V.St.A.

   Ansprüche

   ι *

   (l./ Brennkraftkolbenmaschine, gekennzeichnet durch eine im Zy-

   linder (138) vorgesehene Vorratskammer (178) für Kraftstoff, die mit dem relativ kleinen Brennraum (162) an einer kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens (160) gelegenen Stelle derart in Verbindung steht, daß die Vorratskammer (178) nur in der Stellung maximaler Verdichtung durch am Kolben (160) angeordnete Dichtmittel (172, 174, 176) vom Brennraum (162) getrennt ist.
2. 2. Brennkraftkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorratskammer (178) aus auf den Zylinderumfang verteilten, an der Zylinderinnenwand angeordneten Hohlräumen besteht und daß die Dichtmittel (172, 174, 176) aus Kolbenringen bestehen.

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   L e e r s e i t e