DE2545668A1

DE2545668A1 - Verbrennungskraftmaschine mit verdichtungszuendung

Info

Publication number: DE2545668A1
Application number: DE19752545668
Authority: DE
Inventors: Donald Wilfred Tryhorn
Original assignee: Sir WG Armstrong Whitworth and Co Ltd
Current assignee: Sir WG Armstrong Whitworth and Co Ltd
Priority date: 1974-10-16
Filing date: 1975-10-11
Publication date: 1976-04-29
Also published as: CA1020094A; SE7511562L; JPS554399U; JPS5164128A; BE834471A; ES441781A1; FR2288220A1; NL7512172A; GB1472418A; IT1047367B; FR2288220B1; IN143574B; DE2545668C2; US4092957A

Description

Patentanwalt Dipl.-bg.C-H.Huss M 531 -Ho.

Garmisch — Parteokirchen Gürmi&oh-Partenkirchen, 9 ο Oktober 1975

ß 14 He/Ho

Sir WoGo AEMSTROIiG WHITWORTH & Oo_o ltd», of Aberdeen Avenue Trading Estate, Slough, Berkshire, England

Verbrennungskraftmaschine mit Verdichtungszündung

Die Erfindung befasst sich mit Kompressionszündungsmotoren der Gegenkolbenbauart, wobei jeder Kolben mit einer Kurbelwelle über ein Gelenksystem verbunden ist, das einen Schwinghebel einschliesst, Dabei liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, diese Motorenart dort anwendbar zu machen, wo gute Start eigenschaft en, geringe Vibrationen und lei** ser lauf gefordert werden, insbesondere bei kleinen Ausführungen, um solche Motoren gegenüber Vergasermotoren konkurrenzfähig zu macheno

Wegen des geringeren Brennstoffverbrauchs und der verminderten Verunreinigung der luft besteht das Bedürfnis für verdichtungszündende Motoren (Dieselprinzip) als Ersatz

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für Vergasermotoren (Otto-Prinzip)o Es war jedoch nicht möglich, die Grosse einer normalen Viertakt-Dieselmaschine wesentlich unter einen liter pro Zylinder zu verkleinern, ohne dafür die Nachteile eines schlechten Startvermögens und eines rauhen Laufes in Kauf zu nehmen, insbesondere bei weniger als sechs Zylindern. Ein guter Lauf bei kleineren Motoren erfordert eine Vorkammer, und diese mit ihren Starthilfen verlangsamt den Startvorgang» Ausserdem vermindert die Verwendung der Vorkammer die Sreibstoffersparnis des Dieselmotors gegenüber dem Otto-Motor«, Nimmt man diese Merkmale in Kauf, lässt sich die Grosse etwa auf einen halben Liter pro Zylinder reduzieren, wobei jedoch ein Sechs-Zylindermotor zu gross und ein Vier-Zylindermotor zu wenig ausgeglichen ist, um gegen die populären Grossen der Otto-Motoren konkurrieren zu können»

Das Hauptproblem besteht in der Erzielung eines hohen Luftstromes im Verbrennungsraum in Verbindung mit einer hohen 3?üllungstemperatur. Aus diesem Grunde wird die sogo Gleichstrom-Gegenkolbenanordnung bevorzugte Wenn die Zylinderkanäle für eine grosse Luftdurchwirbelung ausgelegt sind, kann ein System mit offener Brennkammer verwendet werden» Dieses System hat auch geringere Wärmeverluste beim Starten und einen günstigeren Brennstoffverbrauch als bei Verwendung einer Vorkammer» Ausserdem entfällt bei einem Gegenkolbenmotor nicht nur der Wärmeverlust durch die Zylinderkopfkühlung, sondern es teilen sich auch zwei Kolben

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einen gemeinsamen Verbrennungsraum, wodurch eine praktikable Grosse ermöglicht wird» Eine einzige Verbrennung zum Antrieb zweier Kolben ist möglich, weil die Kolbenbewegung fast vollkommen ausgeglichen ist, und bei einer Drei-Zylinderausführung dieses Typs ergab sich ein äusserst ruhiger Lauf bei Grossen von nur einem drittel Liter pro Zylinder, doho einem sechstel Liter pro Kolben,,

JErfindungsgemäss ist daher ein verdichtungszündender Motor der Gegenkolbenbauart, bei dem die gegenläufige Kolbenbewegung mittels eines Schwinghebels und einer Kurbel in eine Drehbewegung umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehlager des Schwinghebels bezüglich seiner Verbindungsstellen sowohl mit dem Kolben als auch der Kurbel, auf der gleichen Seite angeordnet und die Lage des Drehlagers verstellbar ist, um das Verdichtungsverhältnis des Motors verändern zu könneno

Auf diese Weise kann ein hohes Verdichtungsverhältnis erzielt werden, um die Zündtemperatur beim Starten der kalten Maschine zu erhalten, und es kann dann während des Laufs vermindert werden, um einen optimalen Verbrennungsraum und einen niedrigen Zylinderhöchstdruck zu erhaltene Bs ist ein Merkmal dieser Schwinghebelanordnung, dass die Drehlagerbelastung verhältnismässig gering ist, wodurch das Problem seiner Verstellung vereinfacht wirdo

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Es ist bekannt, dass ein über eine Pleuelstange direkt mit einer Kurbelwelle verbundener Kolben sichia Verhältnis um so langsamer bewegt, je mehr sich Pleuelstangenkopf und Kolben der Kurbelwellenachse nähern«, Bei konventionellen Motoren haben die Kolben im oberen Totpunkt die grösste Entfernung von der Kurbelwelle und daher eine grössere Kolbengeschwindigkeit bei Annäherung an und Entfernung vom oberen Totpunkt als bei Annäherung an und Entfernung vom unteren Totpunkte Bei dem erfindungsgemässen Motor dagegen mit dem Schwinghebelärerhlager an der angegebenen Stelle ist der Pleuelstangenkopf am inneren Totpunkt der Kurbelwellenachse nähav-sis- dem äusseren Totpunkte Dies kehrt daher die bei konventionellen Motoren vorhandene Situation um, und nachdem sich der Kolben dem inneren Totpunkt langsamer nähert, steht mehr Zeit für die Verbrennung zur Verfügungo Das verbessert einmal den Start und erhöht die Höchstdrehzahl und erzielt ausserdem eine vollkommenere Verbrennung bei normaler ArbeitsdrehzahJU Wenn die Kolbenbewegung des erfindungsgemässen Motors im Verhältnis zum Kurbelwinkel aufgetragen wird, dann unterscheidet sich die resultierende Kurve von einer Sinuskurve dadurch, dass die Kolbengeschwindigkeit im 0_o3J_o kleiner und im UoTo grosser isto

Der Motor ist daher dadurch gekennzeichnet, dass di& Kolbengeschwindigkeit von einer Sinuskurve im entgegengesetzten Sinne abweicht wie die Abweichung bei einer normalen Kurbelwellen-Pleuelstangen-Anordnungo

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TTm Vibrationen und Geräusche durch Verminderung der Belastung der Hauptträger zu vermindern, kann die Kolbenbewegung auf die Kurbelwelle durch ein Schwinghebelpaar pro Zylinder übertragen werden<> Dabei hat der eine Schwinghebel eine einzelne Pleuelstange und der gegenüberliegende Schwinghebel zwei Pleuelstangen, die beiderseits einer Einzelkurbel mit der Kurbelwelle verbunden sind, um die Drehbewegung ohne starke Belastung der Hauptlager zu erzeugen«. Dies ermöglicht auch die Anordnung der Drehpunkte der Schwinghebel auf einer Linie und parallel zur Zylinderachse, so dass die Drehlagerbelastung von einer Strebe ohne Biegemoment in Längsrichtung des Motors aufgenommen wirdο

Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, dass von jedem Kolbenpaar der eine eine Pleuelstange und Kurbel in der Projektion seiner Achse antreibt und der andere zwei Pleuelstangen und zwei Kurbeln, die symmetrisch beiderseits der Projektion seiner Achse angeordnet sindo

Um Symmetrie bei je einem einzelnen Schwinghebel auf jeder Seite zu erzielen, ist es erforderlich, dass die Lagermittelpunkte der äusseren zwei der drei Kurbeln nahe beieinanderliegen, und dies kann durch grosse Lagerdurchmesser mit kleiner Kröpfung erreicht werden, so dass die Überlappung so gross ist, dass keine Kurbelwangen benötigt werden· Die hierfür eifbrderliche kleine Kröpfung ergibt sich, wenn man die Schwinganalager auf der von den Kolben abgewandten Seite der Pleuelstangen anordnet. Diese Anordnung der Dreh-

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lager erfüllt das vorerwähnte kennzeichnende Merkmal dadurch, dass die Pleuelstange sich gerade dann in der normalerweise dem äusseren Totpunkt entsprechenden Stellung befindet, wenn der Kolben die innere lotpunktlage einnimmt und damit die normalerweise mit dieser Pleuelstange verbundene langsamere Bewegung hatο

Ein weiteres Merkmal dieses Motors kann demnach darin bestehen, dass die Kurbelwelle eine Kröpfung von weniger als der Hälfte des Kolbenhubs hate

Der Motor kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass die Kurbelzapfen direkt ohne Kurbelwangen miteinander verbunden sind ο

Das beschriebene Schwinghebelsystem ergibt eine Hebelübersetzung, bei der die Kräfte an der Kurbel grosser sind als die an den Kolben, wobei diese jedoch innerhalb eines Satzes von drei verbundenen Kurbeln absorbiert werden und infolge eines niederen Kompressionsverhältnisses bei grosser leistung nicht übermässig gross sind»

Eine beispielsweise und .derzeit bevorzugte Ausführungsform eines verdichtungszündenden Motors gemäss der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung, näher beschrieben» Es stellen dar:

1 ein Schaubild zum Vergleich der Kolbenbewegung bei einem erfindungsgemas sen Motor bezüglich einer rein harmonischen Bewegung

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und der bei einer konventionellen Kurbelwelle gegebenen, bei der die Pleuelstangenlange das Vierfache des Kurbelradius beträgt, wobei als Vergleichsgrössen das jeweilige Verdichtungsverhältnis im Verhältnis zum Kurbelwinkel diente

Figo 2 zwei Möglichkeiten, die gewünschte Kolbenbewegung zu erzielene

Figo 3 in vereinfachter Darstellung die grundsätzliche Anordnung der zu einem Zylinder gehörenden Teile und

Figo 4 einen Schnitt durch Figo 3 zur Verdeutlichung der Ausgleichseinrichtungen für die Schwinghebel und Kurbelno

Es ist bekannt, dass infolge der endlichen Länge der Pleuelstange, die einen Kolben mit einer Kurbelwelle verbindet, die Bewegung eines Kolbens, wenn sie gegen den Kurbelwinkel aufgetragen wird, von ..eier reinen harmonischen Bewegungskurve b dahingehend abweicht, dass die Kolbengeschwindigkeit im Verhältnis geringer ist, wenn der Pleuelstangenkopf sich in der Nähe der Kurbelwelle befindet, als wenn er von ihr entfernt istο Die Graphik der Figo 1 zeigt bei a eine Kurve entsprechend einer herkömmlichen Anordnung, ·.. bei der das Verdichtungsverhältnis, ausgehend vom unteren Totpunkt, langsamer zunimmt, als nach der reinen harmonischen

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Kurve (Kurve b) zu erwarten wäreο Die Kurve c stellt die KoHaenbewegung bei einer Anordnung nach Figo 2 dar< > Hier nimmt das Verdichtungsverhältnis vom unteren oder äusseren lotpunkt schneller zu, als die reine Bewegungskurve während des Kompressionshubs erwarten lässt» Wegen der schnelleren Kompression erhöht sich auch die Füllungs temperatur ο Bei jedem beliebigen Kurbelwinkel wurden die Kurven bei einem Verdichtungsverhältnis von 16:1 berechnete Die theoretische Füllungstemperatur ist annähernd proportional dem Verdichtungsverhältnis, und bei dem bekannten Kurbelsystem zeigt die Kurve a, dass das Verdichtungsverhältnis, dem eine bestimmte Zündtemperatur entspricht, im Verlauf des Hubes später erreicht wird als bei der reinen harmonischen Bewegung der Kurve b, so dass weniger Zeit für die Verbrennung zur Verfugung stehtο Das ist das Gegenteil dessen, was für einen kleinen hochtourigen Motor erwünscht ist, bei dem die Verbrennungsdauer bei der Bestimmung der Arbeitsdrehzahl einen kritischen Faktor darstellt» Es ist nun möglieh, die Kurbelbewegung, wie in Figo 2 gezeigt, umzukehren und eine längere Zeit für die Verbrennung gemäss der Kurve c in Figo 1 zu erhaltene DJaser grössere Kurbelwinkel, der für die Verbrennung zur Verfügung steht, ermöglicht es, den Motor mit höherer Drehzahl zu betreiben, und er lässt auch die grössere Zündverzögerung während des Kaltstarts zu, bei dem die herkömmliche Kurbelanordnung entweder zu Fehlstarten führt oder einer mangelhaften Drehzahlkontrolle beim Leerlaufe

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Ton den Möglichkeiten zur Erzielung einer niederen Kolbengeschwindigkeit im Bereich des inneren Totpunktes kann die gemäss Figo 2a so verwirklicht werden, dass sich erhebliche Verminderungen des Motorgeräusches und der Vibrationen ergeben, und sie wird daher als ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figo 3 und im einzelnen beschriebene In diesen Figuren ist ein Gegenkolbenmotor mit einem Zylinder 1, einer Einspritzdüse 2, einem Lufteintrittskanal 3 und einem Auspuffkanal 4 dargestellte

Ein Kolben 5 hat eine Kolbenstange 6, die einen Schwinghebel 7 um ein Drehlager 8 verschwenkt, um eine Pleuelstange 9 hin- und herzubewegen und eine Kurbel 10 zu drehen· Ein entsprechendes System 11, 12, 13, 14 überträgt die Bewegung des anderen Kolbens auf eine Kurbel 16, die seitlich der Kurbel 10 liegt, wobei die Durchmesser der Lagerzapfen so gross sind, dass die Überschneidung ausreicht, um die Kurbelwellenbelastungen aufzunehmen, ohne dass eine Kurbelwange erforderlich ist«. Eine weitere Kurbel 17 und Pleuelstange 15 auf der anderen Seite der Kurbel 10 gleicht eine einseitige Belastung durch den Schwinghebel 12 aus und bewirkt zusammen mit der Pleuelstange 14 den Ausgleich der Belastung durch die Pleuelstange 9» so dass die Hauptlager der Kurbelwelle nicht die Hauptkräfte des Verbrennungsdruckes aufnehmen müssen« Die jeweiligen Drehlager 8 und 13 der Schwinghebel 7 bzwo 12 sind durch eine Strebe 18 verbunden,

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die an einem Ende geschnitten dargestellt ist, tun das Drehlager 8 sichtbar zu machen, das exzentrisch auf einem in dem Teil 18 gelagerten Zapfen 19 befestigt ist, wobei das lager 8 verdreht werden kann, um den Abstand der Kolben und damit das Verdichtungsverhältnis zu verändern«. Ein exzentrischer Zapfen 20 beeinflusst das Drehlager 13 des Schwinghebels 12 und kann entweder zusammen mit dem Zapfen 19 oder aber auch getrennt von diesem verstellt werden, um eine Veränderung der Schlitzsteuerung zu ermöglichen. Eine Veränderung der voreilenden Auspuffsteuerung kann auch durch seitliche Verschiebung der Strebe erreicht werden, aber in einer bevorzugten Ausführung ist diese starr und an einem in Längsrichtung verlaufenden Trägersystem 21 angebracht, die sich über die Länge des Motors erstreckt und den Hauptträger-biegesteif macht. Andere Einrichtungen, wie ZoBo Stellschlösser oder ein Hydraulikzylinder, zur Veränderung der Drehlagerstellungen, können im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein. Es ist ein Merkmal der Erfindung, dass die Drehlagerbelastung geringer ist als bei einem "bekannten Motor, wie er in der G-B-PS 278 339 besehrieben ist, wo das Drehlager zwischen der Pleuelstange und dem Kolben vorgesehen und auf diese Weise leichter einstellbar isto

Ein zusätzlicher Ausgleich wird, kbzielt durch Anbringung eines Gewichtes 23 an einer Kurbelwange zwischen einer der äusseren Kurbeln, ZoB« 16, und dem benachbarten Hauptlagerο

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Die Einspritzpumpe 24 ist von bekannter Ausführung und in Figo 3 als Verteilerpumpe dargestellt, die mit halber Kurbelwellendrehzahl laufte Sie kann innen so gekoppelt sein, dass sie während jeder Pumpenumdrehung zweimal durch die Düse 2 einspritzt, so dass der Motor im Zweitakt läuft_o Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, die Pumpe so zu steuern, dass sie pro Einspritzdüse und Pumpenumdrehung nur einmal einspritzt und damit die ladung nur bei jeder zweiten Kurbelumdrehung zündete Diese Yiertaktarbeitsweise ist von besonderem Vorteil, wenn der Motor mit einem Auspuffturbolader versehen ist, der die charakteristische Eigenschaft hat, die Ladeluft mit hohem Druck aber in geringerer als einem Zylindervolumen entsprechenden Menge pro Motorumdrehung zu liefern, insbesondere bei hoher Drehzahl, und wenn die einzelnen Teile so aufeinander abgestimmt sind, dass sich eine gute Drehmomentkurve für den Motor ergibtο Unter diesen Umständen erhält man eine kühlere und reinere ÜPüllung, wenn man zwei Spülperioden pro Verbrennung vorsieht, wobei auch die thermische Belastung des Verbrennungsraumes geringer isto

Die Gesamtkombination der gezeigten Merkmale erfüllen die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die darin besteht, einen kleinen verdichtungszündenden Motor zu schaffen mit verbesserten Start- und Leerlauf eigenschaften und hoher Leistung in Verbindung mit niedrigem Vibrations- und Geräuschniveau ο

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Die verbesserten.Starteigenschaften werden durch eine Kolbenbewegung erreicht, die eine verhältnismässig lange Verzögerungsperiode zulässt, zusammen mit dem geringen Wärmeverluat ;in der guten Verwirbelung, die ein Gharakteristikum der Gleichstrom-Gegenkolbenanordnung ist. Ein leichtes Anwerfen wird erreicht durch die Verwendung eines niederen Verdichtungsverhältnisses bei der Beschleunigung auf die Anlassdrehzahl· Sobald die Anlassdrehzahl erreicht ist, kann das Verdichtungsverhältnis erhöht werden bis auf einen übernormalen Wert, um die Zündung zu bewirken.

Ein guter Leerlauf wird durch die Kolbenbewegung erreicht, die lange Verzögerungsperioden zulässt, weil die Zündung durch Hochjagen des Motors nicht unterbrochen wird» Dies ist verbunden mit dem Vorteil der G-egenkolbenmotoren, dass Einspritzverluste weniger gravierend sind, wenn eine Düse den Verbrennungsraum zweier Kolben versorgt als bei nur einem Kolben»

Eine hohe Spitzenleistung ist wiederum ein Merkmal der Kolbenbewegung, die eine hohe Drehzahl bei einer vorgegebenen Verbrennungszeit ermöglicht, und dies ist wieder verbunden mit dem natürlich hohen Leistungsvermögen der Gegenkolbenmotoren und ihrer Eignung für eine lurboladung, insbesondere bei Ausführungen mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis»

Geringe Vibrationen und Geräusche gehören zusammen und ergeben sich aus der geringen Belastung der Hauptlager und der ausgeglichenen Belastung der Strebe 18«, Die Aus-

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Wirkungen und Kräfte der einzelnen Zylinder sind in sich selbst gut ausgeglichen, so dass keine grossen Biegebeanspruchungen innerhalb der Motorspanten auftreteno Die Drehlager der Schwenkarme liegen einander direkt gegenüber, so dass sie keine Biegebeanspruchungen in die Motorspanten einleiteno Auf Grund dieses Ausgleichs können die Hauptspanten sehr leicht sein und leichte Abdeckungen für die ölfüllung tragen«. Die Verwendung eines oder mehrerer Längsträger 21 macht den ganzen Motor biegefest„

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Claims

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Patentansprüche

1o/Kompressionszündender Motor der Gegenkolbenbauart, wobei die gegenläufige Kolbenbewegung durch Schwinghebel und Kurbeln in die Drehbewegung einer Welle umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet , dass das Drehlager (8, 13) jedes Schwinghebels (7, 12) an einem Ende des Schwinghebels vorgesehen ist und die Lage des Drehlagers zur Veränderung des VerdichtungsTerhältnisses einstellbar ist ο

2ο Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (6, 11) des Kolbens mit seinem Schwinghebel (7» 12) an dem dem Drehlager (8, 13) entgegengesetzten Ende und die Verbindung der Kurbel (9» 14) mit dem Schwinghebel (7» 12) zwischen dessen Enden vorgesehen, ist»

3ο Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass von den Schwinghebeln (7, 12) eines gegenläufigen Kolbenpaares einer mit einer einzelnen Kurbel (9) verbunden ist und der gegenüberliegende mit einem Kurbelpaar (14» 15),die beiderseits der Einzelkurbel (9) vorgesehen sindo

4o Motor nach irgendeinem der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Drehlager (8, 13) auf einer Linie parallel zur Zylinderachse liegen»

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5o Motor nach. Anspruch. 3 oder 4, dadurch. g e kennzeich.net , dass die Tjagermittelpunkte der äusseren zwei der drei Kurbeln nahe beitinanderliegen und Lagerzapfen mit grossem Dusohmesser "bei kleiner Kurbelkröpfung habenο

6ο Motor nach irgendeinem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , lass die Kurbelzapfen ohne Kurbelwangen direkt mit einander verbunden sindo

7ο Motor nach irgendeinem der vorausgegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Drehlager (8, 13) der Schwinghebel (7» 12) exzentrisch auf einem Zapfen (19» 20) befestigt sind, der bei laufenden Kolben verdreht werden kann, um den Abstand der Kolben und damit das Yerdichtungsverhältnis des Motors zu verändern«.

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