DE2627792A1

DE2627792A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2627792A1
Application number: DE19762627792
Authority: DE
Inventors: Frank Kaye
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-06-23
Filing date: 1976-06-22
Publication date: 1977-01-20
Also published as: JPS5237610A; AU1502776A; GB1541705A; AU497643B2; US4090479A

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4Ddo Düsseldorf so · Cecilienallee 7b · Telefon

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21. Juni 1976 30 866 B

Herr Frank Kaye, 16 Niki Court, East Bentleigft, Victoria,

(Australien)

"Brennkraftmas chine"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem einen hin- und hergehenden Kolben enthaltenden Zylinder mit wenigstens einem Einlaß und Auslaß und einer Brennkammer in der oberen Totpunktlage zwischen dem Zylinder und dem Kolben.

Normalerweise gelangen bei Brennkraftmaschinen Kraftstoff und Luft durch am oberen Ende der Zylinder befindliche ■Ventilöffnungen in die Brennkammer. Es sind auch andere Betriebsweisen bekannt, z.B„ bei Zweitakt-Motoren, bei denen durch einen seitlichen Kanal Kraftstoff und Luft einströmen oder Verbrennungsprodukte herausgespült werden. Jedoch ist in diesem Fall die genaue Lage der Kanäle und die dadurch bedingte Strömung des Gemische in die und innerhalb der Brennkammer nicht sehr günstig.

Der Erfindung liegt die Ausgabe zu.-grunde, durch einen be- ' stimmten aufgezwungenen Strömungsverlauf für die Luft oder das Kraftstoff-Luftgemisch eine vollständige und dadurch bessere Verbrennung zu erzielen und zugleich den Ausstoß an

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umweltverschmutzenden Verbrennungsrückständen zu verringern sowie die Leistung und Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, die Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch so in die Verbrennungskammer einzuführen, daß sich eine drall- oder kreisförmige Strömung innerhalb der Verbrennungskammer ergibt. Die Luft und der Kraftstoff können als Gemisch durch eine oder mehrere Einlaßkanäle einströnen oder auch getrennt durch mindestens einen Lufteinlaß- und einen Kraftstoffeinlaßkanal, wobei der Kraftstoff eingespritzt wird.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine besitzt mindestens einen einen hin- und hergehenden Kolben aufweisenden Zylinder mit wenigstens einem Einlaß und Auslaß und einer in der oberen Totpunktlage zwischen dem Zylinder und dem Kolben befindlichen Brennkammer, deren Einlaß in der oberen Totpunktlage des Kolbens in einem eine drall- oder kreisförmige Strömung der Luft oder des Luft-Kraftstoff-Gemischs ergebenden Abstand angeordnet ist.

In dem Zylinder können auch zwei Kolben mit entgegengesetzter Bewegungsrichtung angeordnet sein und gleichzeitig in ihre oberen Totpunktlagen gelangen.

Die erfindungsgemäße Strömung läßt sich dadurch erreichen, daß der aus mindestens einem Einlaßkanal bestehende Einlaß etwa tangential im Zylinder bzw. in die Brennkammer verläuft. Jeder Einlaßkanal kann in bezug auf die Längsachse der Brennkammer, d.h. in bezug auf die Richtung der Kolbenbewegung geringfügig geneigt verlaufen. Der Auslaß besitzt mindestens einen Auslaßkanal, der einen drall- bzw. schraubenlinienförmigen oder kreisförmigen Strömungsverlauf des Abgases ermöglicht. Wo lediglich ein Kolben in dem oder jedem Zylinder

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angeordnet ist, kann sich der Auslaßkanal axial im Zylinder erstrecken sowie durch ein Ventil gesteuert und geschlossen werden, beispielsweise durch ein Kegelventil. Wenn in dem oder in jedem Zylinder zwei Kolben angeordnet sind, kann der oder jeder Auslaßkanal in bezug auf die Brennkammer im wesentlichen tangential verlaufen und münden.

Vorzugsweise ist der oder jeder Zylinder mit einem Paar einander gegenüberliegender Kolben ausgestattet, die gemeinsam in ihre obere Totpunktlage gelangen. Die einander zugewandten Enden der Kolben sind konisch ausgebildet und umschließen zwischen sich eine ringförmige Brennkammer, innerhalb derer die Schraubenlinien- oder kreisförmigen- oderkreisförmige Strömung im Moment der Zündung entsteht. Dabei kann mehr als eine Zündkerze verwendet werden, beispielsweise ein Paar radialer, d.h. im wesentlichen diametral einander gegenüberliegender Zündkerzen, die auch in Längsrichtung mit Abstand angeordnet sein können. Die Brennkammer kann zwischen dem oder den Einlaßkanälen und dem oder denAuslaßkanälen liegen.

Bei dieser Variante der Erfindung kann die Brennkammer im wesentlichen zentrisch zwischen den Kolben und beispielsweise in bezug auf den oder die Einlaßkanäle und den oder die Auslaßkanäle angeordnet sein. Demzufolge werden bei der gemeinsamen Bewegung der Kolben aus ihrer oberen Totpunktlage nach dem Zünden der oder die Auslaßkanäle und der oder die Einlaßkanäle geöffnet, woraufhin K_raftstoff und Luft trall- oder kreisförmig zwischen die Kolben einströmt. Das Einströmen kann auch das Herausströmen der Verbrennungsprodukte der vorhergehenden Zündung unterstützen. Wenn die Kolben in ihre benachbarte obere Totpunktlage für die nächste Zündung zurückkehren, werden die Auslaß- und dann die Einlaßkanäle geschlossen und das Gemisch zwischen den sich einander nähernden Kolben komprimiert.

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Dabei lassen sich die Kolben etwa im Gleichtakt hin- und herbewegen, so daß sie praktisch gleichzeitig ihre obere Totpunktlage erreichen. Es kann jedoch auch einer der Kolben oder ein entsprechender Kolben bei abwechselnden Hüben etwas voreilen, so daß die Zündung dann erfolgt, wenn sich der vor eilende Kolbenjgeringfügig vor seiner oberen Totpunktlage befindet. Dies macht sich durch eine günstige resultierende Kraftwirkung über die Pleuelstange auf die Kurbelwelle bemerkbar und verbessert dadurch die Leistung, denn der maximale Druck wird über die Öffnungszeit beibehalten. In jedem Fall ist es wünschenswert, zwei Zündkerzen zu verwenden und diesejkurz nacheinander zu zünden, um die Verbrennung zu verbessern.

Wenn der oder jeder Zylinder mit einem Kolbenpaar ausgestattet ist, können die Kolben die gleichen sein und den gleichen Hub vollführen. In alternativer Ausführung kann jedoch auch einer der Kolben einen kürzeren Hub vollführen. Jeder Kolben kann über eine Pleuelstange mit einer eigenen Kurbelwelle oder über Hebelarme mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sein. Ferner kann einer der Kolben, beispielsweise der mit kürzerem Hub, durch einen Nocken (desmodromic-cam) betätigt -werden. Dieser Kolben kann im Querschnitt und/oder seiner Länge auch kleiner als der andere Kolben sein, und somit eine geringere Masse besitzen.

Bei zwei in einem oder in jedem Zylinder befindlichen, eine gemeinsame Verbrennungskammer festlegenden Kolben können beide Kolben über ihre sich zu einem Ende des Zylinders erstreckende Pleuelstangen mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sein. In diesem Falle besitzt der von dem betreffenden Ende des Zylinders entfernt liegende Kolben eine Stange oder eine Hülse, die sich dicht axial durch eine zentrische Bohrung des anderen Kolbens erstreckt. Ein Einlaßkanal kann so angeordnet

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sein, daß Kraftstoff und/oder Luft angesaugt werden, und zwar hinter dem einen Kolben, wenn dieser sich in seine obere Totpunktstellung bewegt. Ferner ist eine Leitung für den Brennstoff und/oder die Luft vorgesehen, wenn diese bei der Hubbewegung durch den einen Kolben verdrängt wird und in die zwischen den Kolbenköpfen befindliche Brennkammer verdrängt und komprimiert wird, Dies kann durch die Leitung geschehen, die an einem weiteren der Brennkammer benachbarten Einlaß endet und den Kraftstoff und die Luft schraubenlinienförmig oder kreisend in die Brennkammer einführt. Dabei kann ein Vorverdichter Verwendung finden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiple der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder und darin hin- und herbeweglich gelagerten Kolben, einmal in der unteren Totpunktlage und ein-mal in der oberen Totpunktlage,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie III - III in Fig, 1, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV - IV der Fig. 1 und

Fig^l 5 einen Längsschnitt durch einen Zylinder mit nur einem Kolben.

Eine Brennkraftmaschine für Benzin oder Dieselöl kann einen oder mehrere Zylinder 10 aufweisen. Im letzteren Falle sind die weiteren Zylinder schematisch durch den Kasten 42 dargestellt. Die Maschine besitzt eine für alle Zylinder gemeinsame Kraftstoff- und/oder Luft-Zuleitung 44 und eine gemeinsame Auslaßleitung 46.

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Der Zylinder besitzt eine Wandung 12 und einen Innenraum 14 mit zwei Kolben 16 und 18. Der Kolben 16 kann einen kürzeren Hub haben als der Kolben 18 und ist über eine Pleuelstange 20 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden. Der Kolben 18 besitzt eine Pleuelstange 22 zwecks Verbindung mit einer Kurbelwelle 24. Der Kolben 16 kann anstatt mit einer Kurbelwelle und Pleuelstange auch durch einen Nocken (desmodromic-cam) betätigt werden.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 befinden sich die Kolben 16 und 18 in ihrer unteren Totpunktlage, in der der Auslaßkanal 28 und der Einlaßkanal 26 durch die Kolben 18 und 16 freigegeben sind. Luft oder Kraftstoff-Luft wird über den Einlaßkanal 26 in den Innenraum 14 eingelassen, beispielsweise mit Hilfe eines Vorverdichters oder eines Kurbelkastens, während das Abgas über den Auslaßkanal 28 nach außen gedrückt wird.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist der Einlaßkanal 26 im wesentlichen so angeordnet und geführt, daß Luft oder Gemisch im wesentlichen tangential in den Innenraum 14 eingeleitet wird. Dabei ergibt sich eine durch die Ringpfeile gekennzeichnete Strömung vergleichsweise hoher Geschwindigkeit.

Dem Abgas wird ebenfalls der Strömungsverlauf 30 aufgezwungen, und zwar aufgrund der Restströmung nach der Verbrennung sowie aufgrund des einströmenden Kraftstoffs oder Gemischs. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist der Auslaßkanal 28 so angeordnet und geführt, daß die Verbrennungsprodukte im wesentlichen tangential aus dem Innenraum 14 strömen.

Nach dem Füllen mit Gemisch durch den Einlaßkanal 26 werden der Auslaßkanal 28 und dann der Einlaßkanal 26 geschlossen,

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wenn die Kolben 16 und 18 in ihre obere Totpunktlage zurückkehren. In oder in der Nähe dieser Totpunktlage "bilden die Kolben und ein Teil der Zylinderwandung 12 eine Brennkammer 32. In dem betreffenden Teil der Zylinderwandung sind zwei Zündkerzen 34 angeordnet, die entweder gleichzeitig oder kurz nacheinander zünden.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Brennkammer 32 im Querschnitt ringförmig ausgebildet, da die Kolben konische Köpfe 36 mit konkaven Umfangsflächen 38 besitzen. Die Ausbildung der Brennkammer 32 läßt das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Kammer schraubenlinienförmig oder kreisförmig strömen, wodurch sich eine gleichmäßige und vollständige Verbrennung erreichen läßt.

Eine derartige Brennkraftmaschine wird als Zweitakter betrieben und weist vorzugsweise einen Vorverdichter anstelle eines Kurbelkastens auf. Sie hat einen oder mehrere Zylinder mit gegenüberliegenden Kolben, deren Köpfe eine riijförmige Brennkammer bilden. Einer der Kolben öffnet und schließt den Einlaßkanal oder die Einlaßkanäle, die so angeordnet sind» daß dem Brennstoff-Luft-Gemisch in dem Zylinder eine schraubenlinienförmige oder spiralförmige Bewegung aufgezwungen wird, während der andere Kolben das Öffnen und Schließen des Auslaßkanals oder der Auslaßkanäle bewirkt, die so angeordnet sind, daß sie ein ungehindertes Ausströmen des noch expandierenden Abgases und somit ein ausgezeichnetes Spülen erlauben.

Während der Kompression und des Passierens entlang den Zündkerzen setzt das Kraftstoff-Luft-Gemisch seine Drehungen um die Kammerachse mit hoher Geschwindigkeit fort. Diese Geschwindigkeit mit der daraus resultierenden sehr kurzen Flammenfront und der engen Brennkammer ergibt eine schnelle und vollständige Verbrennung.

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Der den Auslaß steuernde Kolben kann in bezug auf den den Einlaß steuernden Kolben voreilen, um eine Kolbenfolge und Öffnungsdauer derfKoIben zueinander bei maximalem Druck zu erreichen und damit sicherzustellen, daß der maximale Druck für den Arbeitshub zur Verfügung steht. Dies entspricht einer Zündvoreilung und besitzt all die Vorteile und keine der Nachteile der vorgezogenen Zündung; insbesondere bleibt der Vorteil erhalten, daß das Gemisch in der Kammer verbleibt, bis es auf die maximale Expansion erhitzt ist.

Der Kolben kann in seiner oberen Totpunktlage mit dem Deckel des Zylinders eine ringförmige Verbrennungskammer mit einem vierteilkreisförmigen Querschnitt bilden.

In anderer Ausführung kann der Zylinderdeckel aber auch mit einer ringförmigen Ausnehmung, ähnlich einem konischen Kolbenkopf versehen sein und somit eine ringförmige Verbrennungskammer mit halbkreisförmigem Querschnitt bilden.

Bei der Brennkraftmaschine nach Fig. 5 besitzt der Zylinder 50 einen Innenraum 52 mit einem Kolben 54. Der Kolben besitzt Kolbenringe 54a und eine Pleuelstange 55 zwecks Verbindung mit einer Kurbelwelle.

Der Zylinder besitzt einen Deckel 56 und darin eine mit dem Innenraum 52 koaxiale Öffnung 58 als Sitz für ein Kegelventil 60.

Der Kolben besitzt einen konischen Kopf 62 mit konkaver Umfangsflache 64. In der dargestellten unteren Totpunktlage gibt der Kolben einen Einlaßkanal 65 frei, der entsprechend der Fig. 3 tangential in den Innenraum 52 mündet und dem Gemisch eine schraubenlinienförmige Strömung 66 aufprägt. Bei einer Bewegung des Kolbens in seine obere in strich-

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punktierten Linien dargestellte Totpunktlage, bildet seine Umfangsfläche 64 mit dem Zylinder 50 eine ringförmige Brennkammer 67, in die eine Zündkerze 68 hineinragt. Bei dem Arbeitshub des Kolbens wird das Ventil 60 nach innen bewegt und entsteht eine ringförmige Auslaßöffnung für das Abgas. Das Abgas strömt schraubenlinienförmig unter dem Einfluß des in den Verbrennungsraum neu einströmenden Gemische durch die AuslaßÖffnung aus.

Ferner kann jeder Einlaßkanal mit einem Ventil versehen sein, das zeitabhängig durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens betätigt wird und Luft oder Kraftstoff in sehraubenlinien- oder kreisförmiger Strömung in den Innenraum des Zylinders gelangen läßt.

Das Ventil kann selbst ein Kolben sein, der in Richtung oder unter einem Winkel mit der Hin- und Herbewegung des Antriebskolbens bewegt wird. Solch ein Kolbenventil kann beispielsweise mit Hilfe eines Nockens (desmodromic-cam) hin- und herbewegt werden.

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Claims

Herr Frank Kaye, 16 Niki Court, East Bentleigh, Victoria,

(Australien)

Patentansprüche;

Brennkraftmaschine mit mindestens einem einen hin- und hergehenden Kolben enthaltenden Zylinder mit wenigstens einem Einlaß und Auslaß und einer Brennkammer in der oberen Totpunktlage zwischen dem Zylinder und dem Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (26) von der oberen Totpunktlage des Kolbens (16; 18; 54) in einem eine Schraubenlinien- oder kreisförmige Bewegung des Gemischs im Zylinder (10i(50) ergebenden Abstand angeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen tangential im Zylinder (10) verlaufenden Einlaßkanal (26).
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindesteiis einen an der dem Einlaßkanal (26) abgewandten Seite des Zylinders (1O) tangential verlaufenden Auslaßkanal (28).
4. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (50) einen der oberen Totpunktlage des Kolbens (54) zugewandten Deckel (56) aufweist, in dessen Nähe der Auslaß angeordnet ist, und daß der Deckel und der Zylinder mindestens teilweise eine ringförmige Brennkammer (67) umschließen.

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5. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Kolben (54) mit konischem Kopf (62).
6. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei entgegengesetzt hin- und herbewegte Kolben (16,18), die in ihrer oberen Totpunktlage mit dem Zylinder (10) zwischen dem Einlaß (26) und dem Auslaß (28) die Brennkammer (32) bilden.
7. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (26) im Bereich des einen Kolbens (16) liegt.
8. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal (28) im Bereich des anderen Kolbens (18) liegt.
9. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kolben (16,18) an ihren einander zugewandten Enden konische Köpfe (36) aufweisen, deren Umfangsflächen (38) und mit der Wandung (12) des Zylinders (10) in der Nähe der oberen Totpunktlage der Kolben (16,18) die Brennkammer (32) umschließen.
10. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (16,18) im Gleichtakt hin- und herverschiebbar sind und im wesentlichen gleichzeitig in ihre obere Totpunktstellung gelangen.

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11. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Korben geringfügig voreilend ausgebildet ist und die Zündung des Brennstoffs in der Brennkammer bei geringfügig vor der Übertotpunktlage befindlichem Kolben erfolgt.
12. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils bei abwechselnden Hüben wirksame Kolben geringfügig voreilend ausgebildet ist und daß die Zündung bei geringfügig über Totpunktlage befindlichem Kolben erfolgt.
13. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kolben (16) einen kürzeren Hub als der andere Kolben (18) besitzt.
14. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (16, 18) über eine Pleuelstange (20, 22) mit einer Kurbelwelle (z.B. 24) verbunden ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kolben mit einer durch einen Nocken betätigten Pleuelstange und der andere Kolben über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden ist.
16. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch einen Vorverdichter.

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17. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch einen Kurbelgehäusekompressor.
18. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch eine im Bereich der Brennkammer (32, 67) angeordnete Zündkerze (34, 68).
19. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch mindestens zwei im Bereich der Brennkammer (32, 67) mit gegenseitigem Abstand um den Zylinder (10) herum angeordnete Zündkerzen (34).

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